[論文レビュー] Design of an MISO-SWIPT-Aided Code-Index Modulated Multi-Carrier M-DCSK System for e-Health IoT

Guofa Cai, Yi Fang+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2020

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 52被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、チャノニカル信号の直交性を活用して、チャネル推定を必要とせずに同時エネルギー伝送と情報伝送を実現するMISO-SWIPT支援型M-DCSKシステムを、eヘルスIoT向けに提案する。本システムは、低複雑性で高いスペクトル効率およびエネルギー効率を達成し、Rayleigh fadingチャネル上でもフェージングに強く、誤りビットレート（BER）性能が実証されている。

ABSTRACT

Code index modulated multi-carrier M-ary differential chaos shift keying (CIM-MC-M-DCSK) system not only inherits low-power and low-complexity advantages of the conventional DCSK system, but also significantly increases the transmission rate. This feature is of particular importance to Internet of Things (IoT) with trillions of low-cost devices. In particular, for e-health IoT applications, an efficient transmission scheme is designed to solve the challenge of the limited battery capacity for numerous user equipments served by one base station. In this paper, a new multiple-input-single-output simultaneous wireless information and power transfer (MISO-SWIPT) scheme for CIM-MC-M-DCSK system is proposed by utilizing orthogonal characteristic of chaotic signals with different initial values. The proposed system adopts power splitting mode, which is very promising for simultaneously providing energy and transmitting information of the user equipments without any external power supply. In particular, the new system can achieve desirable anti-multipath-fading capability without using channel estimator. Moreover, the analytical bit-error-rate expression of the proposed system is derived over multipath Rayleigh fading channels. Furthermore, the spectral efficiency and energy efficiency of the proposed system are analyzed. Simulation results not only validate the analytical expressions, but also demonstrate the superiority of the proposed system.

研究の動機と目的

• 多数の低コスト・低消費電力デバイスを備えたeヘルスIoTネットワークにおけるエネルギー制約の課題に対処すること。
• チャネル状態情報（CSI）を必要とせずに、マルチキャリアM-DCSKシステムにおいて、同時無線情報および電力伝送（SWIPT）を可能にすること。
• 実用的導入を考慮して、スペクトル効率およびエネルギー効率を向上させつつ、低ハードウェア複雑性を維持すること。
• チャネル推定に依存せずに、多径フェージングに対して耐性を持つシステムを設計すること。

提案手法

• 異なる初期値を持つ直交するチャノニカル信号を用いて、MISO-SWIPTにおける干渉のないマルチユーザー接続およびエネルギー分割を実現する。
• 受信信号をエネルギー回収と情報復調の2つの成分に分割するため、パワースプリッティング（PS）受信機構造を採用する。
• スペクトル効率を向上させるために、マルチキャリアM-DCSKフレームワークにコードインデックス変調（CIM）を導入する。
• 統計的信号モデルを用いて、多径Rayleighフェージングチャネル上での誤りビットレート（BER）の解析的表現を導出する。
• 直交するチャノニカルシーケンスを用いてシステムをモデル化し、意思決定指標の平均および分散を統計解析によって導出する。
• 実際のフェージングおよびノイズ条件下で、理論的BER表現の妥当性をシミュレーションにより検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 チャノニカル信号の直交性は、マルチキャリアM-DCSKシステムにおいて、信頼性の高い同時情報およびエネルギー伝送を可能にするか？
• RQ2 チャネル推定を必要としない本提案MISO-SWIPT方式は、多径Rayleighフェージングチャネル上でのBER性能において、どのように振る舞うか？
• RQ3 本提案システムのスペクトル効率およびエネルギー効率は、従来のDCSKおよびSWIPTシステムと比較して、どのように異なるか？
• RQ4 本システムは、明示的なチャネル推定を用いずに、多径フェージングに対してどの程度の耐性を示すか？
• RQ5 送信電力やアンテナ数といったシステムパラメータは、性能にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 本提案システムは、Rayleighフェージングチャネル上において、理論的導出式とほぼ一致するBER性能を達成しており、理論モデルの妥当性が検証された。
• チャネル状態情報や推定を必要とせず、多径フェージングに対して強い耐性を示した。
• マルチキャリアM-DCSKフレームワークにコードインデックス変調を統合することで、スペクトル効率が顕著に向上した。
• パワースプリッティング機構のおかげでエネルギー効率が向上し、低消費電力eヘルスデバイスの自己持続的運用が可能になった。
• 低複雑性を維持しながらも、高いデータレートをサポートでき、大規模なeヘルスIoT展開に適していることが示された。
• シミュレーション結果から、従来手法と比較して、BER、スペクトル効率、エネルギー効率の点で本提案方式の優位性が確認された。