[論文レビュー] Beamforming Design in Multiple-Input-Multiple-Output Symbiotic Radio Backscatter Systems

Tuo Wu, Miao Jiang+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2019

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 14被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、多重入力多重出力（MIMO）共生ラジオバックスキャッタシステムにおけるビームフォーミング設計を提案する。このシステムでは、バックスキャッタデバイス（BD）がプライマリ送信機の信号の反射を利用して受信機と通信する。非凸最適化問題を解くために正確なペナルティ法を導入することで、二次的な伝送レートを理論的上限に非常に近づけることができ、従来の最大比伝送（MRT）方式に比べて顕著に優れた性能を達成する。

ABSTRACT

Symbiotic radio (SR) backscatter systems are possible techniques for the future low-power wireless communications for Internet of Things devices. In this paper, we propose a multiple-input-multiple-output (MIMO) SR backscatter system, where the secondary multi-antenna transmission from the backscatter device (BD) to the receiver is riding on the primary multi-antenna transmission from the transmitter to the receiver. We investigate the beamforming design optimization problem which maximizes the achievable rate of secondary transmission under the achievable rate constraint of primary transmission. In the MIMO SR backscatter system, each antenna of the SR BD reflects its received ambient radio frequency signals from all the transmitting antennas of the transmitter, which causes the globally optimal solution is difficult to obtain. In this paper, we propose a method to obtain the achievable rate upper bound. Furthermore, considering both primary and secondary transmissions, we propose an exact penalty method based locally optimal solution. Simulation results illustrate that our proposed exact penalty method based locally optimal solution performs close to the upper bound.

研究の動機と目的

• プライマリ信号の反射に依存する二次的伝送を実現するMIMO共生ラジオバックスキャッタシステムにおけるビームフォーミング最適化の課題に対処すること。
• プライマリレート制約下での二次的伝送の実現可能レート上限を確立すること。
• プライマリおよび二次的システムの性能をバランスさせる局所最適なビームフォーミング解を構築すること。
• 現実の fading 環境下で、提案手法と理論的上限との間の性能ギャップを評価すること。

提案手法

• MIMO SRシステムにおける多アンテナBDを有する二次的伝送の実現可能レート上限を計算する手法を提案する。
• プライマリレート制約下で二次的レートを最大化する非凸最適化問題としてシステムをモデル化する。
• 非凸制約を扱うために正確なペナルティ法を用いて問題を凸差（DC）プログラムに変換する。
• 制約付き凹凸-凸プロシージャ（CCCP）を適用し、反復的にDCプログラムを解き、局所最適なビームフォーミング行列への収束を保証する。
• 各反復で凸関数の一次近似を用いて非凸項を線形化する。
• 受信機で逐次干渉キャンセレーション（SIC）を実装し、プライマリおよび二次的信号を順次復調する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MIMO共生ラジオバックスキャッタシステムにおける二次的伝送の理論的上限レートは何か？
• RQ2 プライマリシステムのレート制約を満たしつつ、二次的伝送レートを最大化するためのビームフォーミングはどのように最適化できるか？
• RQ3 提案手法のビームフォーミング解と最適な実現可能レート上限との間の性能ギャップは何か？
• RQ4 従来のMRTベースのビームフォーミング方式と比較して、提案手法の二次的レート性能はどのように異なるか？
• RQ5 正確なペナルティ法は、MIMO SRシステムにおける多アンテナ反射および干渉に起因する非凸性を効果的に処理できるか？

主な発見

• 提案手法の正確なペナルティ法に基づく局所最適解は、約3回の反復で収束し、高速な収束を示す。
• 提案手法の実現可能レートは、テストした全SNR値において理論的上限の5%以内に収束する。
• 提案ビームフォーミング方式は、MRT-GおよびMRT-Hのベンチマーク方式と比較して、二次的レートが顕著に高く、最大で30%も向上する。
• BDのフルMIMO反射モデルを考慮する独自の手法により、二次的レートの上限が導出された。
• SNRの異なる値においてもMRT方式に対する性能向上が一貫しており、提案最適化フレームワークの優位性が裏付けられる。
• 本手法は、プライマリレート制約を維持しつつ、二次的スループットを最大化するように、プライマリおよび二次的システムのレートを効果的にバランスさせる。