[論文レビュー] Cooperative Ambient Backscatter Communications for Green Internet-of-Things

Gang Yang, Qianqian Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 4, 2018

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 21被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、リーダーが環境RF信号源とパasiveバックスキャター装置（A-BD）の両方の信号を同時に復調する協調的環境バックスキャター通信（CABC）システムを提案する。A-BDを協調リレートルとして扱い、逐次干渉キャンセレーション（SIC）と最大尤度（ML）検出を活用することで、低複雑性でほぼML性能を達成する。特に、A-BDの伝送レートがRF信号源より低い場合、有益なバックスキャターリンクダイバーシティにより、検出の信頼性が向上する。

ABSTRACT

Ambient backscatter communication (AmBC) enables a passive backscatter device to transmit information to a reader using ambient RF signals, and has emerged as a promising solution to green Internet-of-Things (IoT). Conventional AmBC receivers are interested in recovering the information from the ambient backscatter device (A-BD) only. In this paper, we propose a cooperative AmBC (CABC) system in which the reader recovers information not only from the A-BD, but also from the RF source. We first establish the system model for the CABC system from spread spectrum and spectrum sharing perspectives. Then, for flat fading channels, we derive the optimal maximum-likelihood (ML) detector, suboptimal linear detectors as well as successive interference-cancellation (SIC) based detectors. For frequency-selective fading channels, the system model for the CABC system over ambient orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) carriers is proposed, upon which a low-complexity optimal ML detector is derived. For both kinds of channels, the bit-error-rate (BER) expressions for the proposed detectors are derived in closed forms. Finally, extensive numerical results have shown that, when the A-BD signal and the RF-source signal have equal symbol period, the proposed SIC-based detectors can achieve near-ML detection performance for typical application scenarios, and when the A-BD symbol period is longer than the RF-source symbol period, the existence of backscattered signal in the CABC system can enhance the ML detection performance of the RF-source signal, thanks to the beneficial effect of the backscatter link when the A-BD transmits at a lower rate than the RF source.

研究の動機と目的

• 従来の環境バックスキャターシステムがRF信号源を干渉とみなすのではなく、協調通信に活用するという非効率性を是正すること。
• 環境RF信号源とA-BDの両方の信号を統合的に検出する協調リーダー受信機（C-RX）を設計し、スペクトル効率およびエネルギー効率を向上させること。
• A-BDがRF信号源より低いシンボルレートで伝送する場合のバックスキャターリンクによる性能向上を分析し、チャネルダイバーシティを活用すること。
• 平坦フェージングおよび周波数選択的フェージングチャネル（OFDMシステムを含む）における最適および準最適検出方式（ML、線形、SICベース）を導出すること。
• さまざまなチャネル状態下でのすべての提案検出器に対して、閉形式の誤りビットレート（BER）式を導出すること。

提案手法

• スプレッドスペクトルおよびスペクトル共有の観点からCABCのシステムモデルを構築し、リーダー受信信号を直接RF信号とバックスキャッタ信号の重ね合わせとしてモデル化する。
• 平坦フェージングチャネルにおいて、RF信号源とA-BD信号の共同検出を用いて最適な最大尤度（ML）検出器を導出する。
• 複雑性を低減しつつ高い性能を維持するため、準最適な線形検出器およびSICベースの検出器を提案する。
• OFDMベースの環境信号にモデルを拡張し、周波数選択的フェージングに対して低複雑性の最適ML検出器を導出する。
• 複素ガウス信号を用い、決定領域および誤り確率の統計的解析により、すべての検出器の閉形式BER式を導出する。
• MMSEに基づく信号推定および干渉キャンセレーション技術を適用し、チャネル状態情報および信号対雑音比に基づいた性能解析を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 協調リーダー受信機は、環境RF信号源とパasiveバックスキャター装置の両方の信号を同時に復調可能であり、全体のシステム信頼性を向上させることができるか？
• RQ2 平坦フェージング下におけるCABCシステムにおいて、SICベースの検出器の性能は最適ML検出と比べてどの程度か？
• RQ3 RF信号源とA-BDの間でシンボル期間が異なる場合、CABCシステムの検出性能にどのような影響を与えるか？
• RQ4 どのような状況下で、A-BDからのバックスキャッタ信号がRF信号源の検出を向上させるか？
• RQ5 平坦フェージングおよび周波数選択的フェージングチャネル下で、ML、線形、SIC検出器の閉形式BER式を導出可能か？

主な発見

• SICベースの検出器は、A-BDとRF信号源のシンボル期間が等しい典型的なCABCシナリオにおいて、ほぼML性能を達成する。
• A-BDのシンボル期間が長い（すなわち、伝送レートが低い）場合、バックスキャッタ信号によりRF信号源のML検出性能が向上する。これは有益なチャネルダイバーシティのおかげである。
• すべての検出器に対して閉形式のBER式が導出され、異なるチャネル状態下での正確な性能評価が可能になる。
• MMSEに基づく線形検出器は、RF信号源の検出に $ \gamma_1(\mathbf{H}) $ のSNRを達成し、BERはこのSNRおよびチャネル相関に依存する。
• SIC検出におけるA-BD信号のBERは、RF信号源が正しく復調された場合に顕著に低減される。これは干渉キャンセレーションの効果による。
• 協調通信による性能向上は、低SNR領域で最も顕著であり、直接リンクの深いフェージングを補うバックスキャターリンクのダイバーシティゲインが寄与する。