[論文レビュー] Achievable information rates of ambient backscatter communications

Donatella Darsena, Giacinto Gelli+1 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2016

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 27被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、広帯域 fading 環境における環境バックスキャッタ通信の理論的容量限界を分析し、レガシマルチキャリアシステムがバックスキャッタ由来の干渉を多重パスダイバーシティとして活用することで性能向上を達成できることを示している。現実的な条件下では、バックスキャッタ受信機がレガシ送信機と同一位置に配置されている場合に、800 m の距離で最大 360 kbps の高いデータレートを達成する。

ABSTRACT

Ambient backscatter is an intriguing wireless communication paradigm that allows small devices to compute and communicate by using only the power they harvest from radio-frequency (RF) signals in the air. Ambient backscattering devices reflect existing RF signals emitted by legacy communications systems, such as digital TV broadcasting, cellular or Wi-Fi ones, which would be otherwise treated as harmful sources of interference. This paper deals with the ultimate performance limits of ambient backscatter systems in broadband fading environments, by considering different amounts of network state information at the receivers. After introducing a detailed signal model of the relevant communication links, we study the influence of physical parameters on the capacity of both legacy and backscatter systems. We find that, under reasonable operative conditions, a legacy system employing multicarrier modulation can turn the RF interference arising from the backscatter process into a form of multipath diversity that can be suitably exploited to noticeably increase its performance. Moreover, we show that, even when employing simple single-carrier modulation techniques, the backscatter system can achieve significant data rates over relatively short distances, especially when the intended recipient of the backscatter signal is co-located with the legacy transmitter, i.e., they are on the same machine.

研究の動機と目的

• 情報理論的指標（例：エルゴディック容量、アウトージ容量）を用いた、環境バックスキャッタ通信の最終的性能限界を特定すること。
• バックスキャッタ伝送がバックスキャッタシステムおよび下位のレガシ通信システムに与える影響を調査すること。
• ネットワーク状態情報、信号星座図、空間的配置が達成可能なレートに与える影響を評価すること。
• 環境バックスキャッタがRF干渉を性能向上に寄与するダイバーシティゲインに転用できるかどうかを検討すること。

提案手法

• 周波数選択的フェージング環境下におけるレガシ通信リンクおよびバックスキャッタ通信リンクの詳細な信号モデルを構築する。
• 両システムのシンボル分散および振幅制約下でのエルゴディック容量およびアウトージ容量を分析する。
• レガシシステムにはマルチキャリア変調を、バックスキャッタシステムにはシングルキャリア変調を用いる。
• 確率的幾何学およびチャネル状態情報モデルを用いて、バックスキャッタシステム容量の上限および下限を導出する。
• バックスキャッタ送信機、レガシ送信機、バックスキャッタ受信機間の距離、角度、信号対雑音比（SNR）を変化させた条件での性能を評価する。
• レガシ受信機およびバックスキャッタ受信機が同一位置に配置されている場合と空間的に分離されている場合の両方の構成を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現実的な伝搬条件下で、短～中距離において環境バックスキャッタシステムは有意なデータレートを達成できるか？
• RQ2 バックスキャッタ送信機の存在が、レガシマルチキャリアシステムの性能にどのように影響を与えるか？
• RQ3 どのような条件下で、レガシシステムがバックスキャッタ由来の干渉を多重パスダイバーシティとして活用できるか？
• RQ4 バックスキャッタ送信機をレガシ送信機および受信機に対して最適に配置すれば、バックスキャッタデータレートを最大限にできるか？
• RQ5 異なる信号星座図（例：QPSK、PSK）は、バックスキャッタシステムの達成可能な容量にどのように影響を与えるか？

主な発見

• レガシ送信機が6 MHzのテレビ塔であり、バックスキャッタ受信機でのSNRが-10 dBである場合、バックスキャッタシステムは800 m の距離で最大360 kbpsのデータレートを達成できる。
• バックスキャッタ受信機がレガシ送信機と同一位置に配置されている場合、バックスキャッタシステムは最高のデータレートを達成し、近接距離で性能がピークに達する。
• レガシシステムは、バックスキャッタ伝送に起因する干渉を多重パスダイバーシティとして活用することで、自らの性能向上を達成できる。
• バックスキャッタ送信機とレガシ送信機の間の角度が好ましいセットに含まれない場合、バックスキャッタシステムの容量はマルチモーダルとなり、距離に応じて局所的最大値および最小値を示す。
• 残存干渉がバックスキャッタリンクに及ぼす影響により、低雑音レベルでも容量の飽和が生じ、さらなる向上が制限される。
• シンボルが等確率である場合、PSK星座図は他の信号星座図よりもカットオフレートにおいて優れた性能を示すが、特に低SNR環境下で顕著である。