[論文レビュー] Full-Duplex Backscatter Interference Networks Based on Time-Hopping Spread Spectrum

Wanchun Liu, Kaibin Huang+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2016

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 14被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、時間ホッピングスプレッドスペクトラム（TH-SS）を用いたフルデュプレックスバックスキャタ通信ネットワークを提案し、高密度なIoT環境において、同時並行的な二方向情報伝送（IT）と一方通行エネルギー伝送（ET）を実現する。TH-SSを用いた複数アクセスとコherent/非coherent検出の統合により、干渉を抑制し、高いスペクトル効率を達成する。ビット誤り率、エネルギー効率、アウトージェ確率といった性能指標は、確率的幾何モデルを用いて解析的に検証されている。

ABSTRACT

Future Internet-of-Things (IoT) is expected to wirelessly connect billions of low-complexity devices. For wireless information transfer (WIT) in IoT, high density of IoT devices and their ad hoc communication result in strong interference which acts as a bottleneck on WIT. Furthermore, battery replacement for the massive number of IoT devices is difficult if not infeasible, making wireless energy transfer (WET) desirable. This motivates: (i) the design of full-duplex WIT to reduce latency and enable efficient spectrum utilization, and (ii) the implementation of passive IoT devices using backscatter antennas that enable WET from one device (reader) to another (tag). However, the resultant increase in the density of simultaneous links exacerbates the interference issue. This issue is addressed in this paper by proposing the design of full-duplex backscatter communication (BackCom) networks, where a novel multiple-access scheme based on time-hopping spread-spectrum (TH-SS) is designed to enable both one-way WET and two-way WIT in coexisting backscatter reader-tag links. Comprehensive performance analysis of BackCom networks is presented in this paper, including forward/backward bit-error rates and WET efficiency and outage probabilities, which accounts for energy harvesting at tags, non-coherent and coherent detection at tags and readers, respectively, and the effects of asynchronous transmissions.

研究の動機と目的

• 将来のIoTネットワークにおける高密度かつアドホックなIoTデバイス通信に起因する深刻な干渉の課題に対処する。
• 大量のIoTデバイスにおけるバッテリーキャンセレーションの非現実性を克服し、バックスキャタ通信を介した無線エネルギー伝送（ET）を可能にする。
• 共存するリーダー・タグリンクにおいて、一方通行のETと二方向のITを同時にサポートするフルデュプレックスバックスキャタネットワークを設計する。
• 共周波数干渉を抑制し、効率的なスペクトル利用を可能にする、時間ホッピングスプレッドスペクトラム（TH-SS）に基づく新規複数アクセス方式を開発する。
• 非同期伝送および fading リンク下での、前方/後方ビット誤り率、ET効率、アウトージェ確率といった主要性能指標を分析する。

提案手法

• リーダーが同時にエネルギーを送信し、タグからのバックスキャタ信号を受信するフルデュプレックスバックスキャタ通信（BackCom）ネットワークアーキテクチャを提案する。
• 共存するリーダー・タグリンク間での直交性を実現し、干渉を低減するため、時間ホッピングスプレッドスペクトラム（TH-SS）複数アクセス方式を設計する。
• リーダーでのcoherent検出とタグでの非coherent検出を統合し、信頼性を向上させるフルデュプレックス動作を実現する。
• ランダムなデバイス配置をポアソン点過程としてモデル化し、チャネル伝搬をレイリー fading で仮定することで、ネットワークを確率的幾何学的にモデル化する。
• 前方/後方ビット誤り率（BER）、エネルギー効率（EH）、エネルギーアウトージェ確率の閉形式表現を導出する。
• 非同期伝送、タグでのエネルギー効率、チャネル fading およびパスロス（パスロス指数λ）の影響を性能解析に組み込む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高密度なIoTネットワークにおける、同時並行的な二方向情報伝送と一方通行エネルギー伝送を実現するフルデュプレックスバックスキャタ通信は、どのように設計できるか？
• RQ2 レイリー fading および非同期伝送下で、フルデュプレックスTH-SSバックスキャタネットワークにおける前方リンクおよび後方リンクの実現可能なビット誤り率性能はどのようになるか？
• RQ3 時間ホッピングスプレッドスペクトラム方式は、共存するリーダー・タグリンクにおけるマルチユーザー干渉をどのように抑制するか？
• RQ4 提案されたネットワークにおけるタグのエネルギー効率とアウトージェ確率はそれぞれどのように定義されるか？パスロスおよび送信電力がそれらに与える影響は？
• RQ5 ドーパー比、反射係数、パワー分離比といった設計パrameterが、全体のシステム性能にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 提案されたTH-SSベースのフルデュプレックスBackComネットワークは、顕著な干渉抑制を達成し、高密度なIoT展開において信頼性の高い二方向ITと一方通行ETを実現する。
• 前方および後方ビット誤り率は閉形式で導出され、リーダーでのcoherent検出とタグでの非coherent検出が、fading 条件下でBER性能を統合的に向上させることを示している。
• リーダーの送信電力と時間割り当てを最適化することで、エネルギー効率が最大化され、期待されるエネルギー伝送レート（ETR）の解析的表現が導出された。
• エネルギーアウトージェ確率は、送信電力、パスロス、チャネル fading に依存する関数として導出され、SINR（信号対干渉＋ノイズ比）および時間ホッピングパラメータに明示的な依存性を示している。
• 非同期伝送を考慮した性能解析により、システムが不完全な同期下でも頑健性を維持することが示された。
• 数値結果により、特に高密度環境下で、従来のバックスキャタシステムに比べ、提案手法が低いBERと高いET効率を達成することが確認された。