[論文レビュー] Analysis of Wireless-Powered Device-to-Device Communications with Ambient Backscattering

Xiao Lu, Hai Jiang+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2017

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 23被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、環境中の電波信号を用いたエネルギー回収とバックスキャッタリングを統合することで、自己持続的でエネルギー効率の高い通信を実現するハイブリッドデバイス・ツー・デバイス（D2D）通信システムを提案する。環境中のRF信号をエネルギー回収とバックスキャッタリングの両方の目的に活用し、エネルギー回収速度に基づくPTP（Power Threshold-based Protocol）と受信SINRに基づくSTP（Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio Threshold-based Protocol）という2つのモード選択プロトコルを用いて、状況に応じてモードを動的に切り替えることで、特に高密度または高干渉環境下において、覆蓋確率を顕著に向上させる。

ABSTRACT

Self-sustainable communications based on advanced energy harvesting technologies have been under rapid development, which facilitate autonomous operation and energy-efficient transmission. Recently, ambient backscattering that leverages existing RF signal resources in the air has been invented to empower data communication among low-power devices. In this paper, we introduce hybrid device-to-device (D2D) communications by integrating ambient backscattering and wireless-powered communications. The hybrid D2D communications are self-sustainable, as no dedicated external power supply is required. However, since the radio signals for energy harvesting and backscattering come from external RF sources, the performance of the hybrid D2D communications needs to be optimized efficiently. As such, we design two mode selection protocols for the hybrid D2D transmitter, allowing a more flexible adaptation to the environment. We then introduce analytical models to characterize the impacts of the considered environment factors, e.g., distribution, spatial density, and transmission load of the ambient transmitters, on the hybrid D2D communications performance. Extensive simulations show that the repulsion factor among the ambient transmitters has a non-trivial impact on the communication performance. Additionally, we reveal how different mode selection protocols affect the performance metrics.

研究の動機と目的

• 純粋な環境バックスキャッタ通信における低データレートおよび短い伝送距離という制限を解消するため、無線給電通信を統合する。
• 環境中のRF信号をエネルギーと情報伝送の両方の目的に活用することで、外部電源が不要な自己持続的D2D通信を実現する。
• 干渉やエネルギーの可用性といった環境条件に応じて性能を最適化する、適応的モード選択プロトコルの設計。
• 空間密度、反発要因、伝送負荷、 fading といった主要な環境要因が覆蓋確率に与える影響をモデル化・分析する。
• 反発点過程を用いた確率的幾何モデルに基づき、ハイブリッドシステムの解析的性能評価を提供する。

提案手法

• 環境送信機の空間分布をマトリュアン硬核点過程（Matérn Type II）でモデル化し、反発効果を捉える。
• 2つのモード選択プロトコル（PTP（エネルギー回収速度に基づくプロトコル）とSTP（SINR閾値に基づくプロトコル））を提案し、環境バックスキャッタと無線給電伝送の間で動的にモードを切り替える。
• 確率的幾何とラプラス変換技術を用いて、PTPおよびSTPモードにおける覆蓋確率の閉形式表現を導出する。
• 環境送信機密度（ζA）、反発要因（α）、伝送負荷（lA）、およびNakagami fadingパラメータ（m）といった主要なシステムパラメータが覆蓋性能に与える影響を分析する。
• さまざまなチャネル状態とシステム負荷下で、広範なシミュレーションを通じて解析モデルの妥当性を検証する。
• ベースラインとして純粋な環境バックスキャッタおよび純粋な無線給電（HTT）送信機と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 環境送信機の空間的分布および密度は、ハイブリッドD2D通信における覆蓋確率にどのように影響を与えるか？
• RQ2 環境送信機同士の反発要因は、ハイブリッドD2Dシステムの性能にどのような影響を及えるか？
• RQ3 干渉およびエネルギー状態が変化する条件下で、提案された2つのモード選択プロトコル（PTPとSTP）の覆蓋確率は、どのように比較されるか？
• RQ4 どのような環境条件下で、ハイブリッドシステムが純粋な環境バックスキャッタまたは純粋な無線給電通信システムを上回るか？
• RQ5 伝送負荷およびfadingの深刻さは、ハイブリッドD2D通信方式の性能にどのように影響を与えるか？

主な発見

• ハイブリッドD2Dシステムの覆蓋確率は、環境送信機密度（ζA）、反発要因（α）、伝送負荷（lA）、およびNakagami fadingパラメータ（m）が高くなるにつれて、単調に増加する。
• 干渉比（ξ）が大きい場合（例：ξ = 0.8）、高密度の環境送信機（ζA > 0.06）では、純粋な環境バックスキャッタが純粋なHTT（無線給電）伝送を上回る。これは、STPが低SINR伝送を回避できるためである。
• 低干渉・高密度環境下では、PTPがSTPを上回る。これは、PTPがSINRよりもエネルギーの可用性を優先するためである。
• 高干渉または低密度環境下では、STPがPTPを上回る。これは、STPが十分なエネルギーが回収されていても、劣悪なチャネル状態での動作を回避するためである。
• ζAが増加するにつれて、覆蓋確率は1未満の値に漸近する。これは、回収エネルギーの増加と干渉の増加のトレードオフのためである。
• PTPおよびSTPの解析的覆蓋確率式は、さまざまな路損指数（α）、Nakagami fadingパラメータ（m）、および伝送負荷（lA）において、シミュレーションによる検証を通じて正確であることが確認された。