[論文レビュー] Interference-Free Transceiver Design and Signal Detection for Ambient Backscatter Communication Systems over Frequency-Selective Channels

Chong Zhang, Gongpu Wang+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2018

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 6被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、周波数選択的 fading 系でアンビエントバックスキャッタ通信を実現する干渉なしの受信機設計を提案する。OFDMシンボルのサイクリックプレフィックス（CP）を活用し、リーダーでの多径干渉をキャンセルする。この手法により、従来のOFDMシステムに影響を与えずに正確な信号検出が可能となり、最尤（ML）検波器に最適化された2つのしきい値を用いることで、低誤りビットレート（BER）を達成する。シミュレーションにより、SNRが高くなるほど性能が向上し、サンプルの平均化によっても性能向上が確認された。

ABSTRACT

In this letter, we study the ambient backscatter communication systems over frequency-selective channels. Specifically, we propose an interference-free transceiver design to facilitate signal detection at the reader. Our design utilizes the cyclic prefix (CP) of orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) source symbols, which can cancel the signal interference and thus enhance the detection accuracy at the reader. Meanwhile, our design results in no interference on the existing OFDM communication systems. We also suggest a maximum likelihood (ML) detector for the reader and derive two detection thresholds. Simulations are then provided to corroborate our proposed studies.

研究の動機と目的

• 周波数選択的 fading チャネルにおけるアンビエントバックスキャッタシステムの信号検出の課題に取り組む。多径伝播が干渉を引き起こす。
• 従来のOFDM受信機に干渉を与えないように、リーダーで干渉をキャンセルするトランシieverを設計する。
• 信頼性の高い2値シンボル検出を実現するため、最尤（ML）検波器に最適化されたしきい値を備えたものを開発する。
• 提案された設計下での誤りビットレート（BER）性能について、解析的表現を導出する。

提案手法

• OFDMシンボルのサイクリックプレフィックス（CP）構造を活用し、時間領域における信号の周期性を応用することで、リーダーでの自己干渉キャンセレーションを実現する。
• 受信信号に対して離散フーリエ変換（DFT）を適用し、周波数領域に変換することで干渉を抑制する。
• タグのバックスキャッタ信号を特定の位相（第2および第4位相）に限定して反射させる。CPおよびガードインターバル中は信号を反射しないことで、シンボル間干渉を回避する。
• 受信信号パワーの尤度比に基づく最尤（ML）検波器を導出する。2つの検出しきい値を用いる：最適な誤り性能を得るためのものと、等確率誤り率を得るためのもの。
• Q関数の近似を適用し、等確率誤りしきい値の閉形式表現を導出することで、実装可能性を高める。
• 10^7回のモンテカルロシミュレーションを実施し、さまざまなSNRおよび平均化サンプル数（W）における解析的BER性能を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 周波数選択的 fading において、従来のOFDM通信の品質を損なわず、アンビエントバックスキャッタシステムの干渉をどのように軽減できるか。
• RQ2 OFDMシンボルのサイクリックプレフィックス（CP）は、リーダーでの干渉なし信号検出をどのように可能にするか。
• RQ3 この文脈において、最尤（ML）検波器をどのように設計すれば、最適またはバランスの取れた誤り性能を達成できるか。
• RQ4 さまざまな信号対雑音比（SNR）および平均化サンプル数（W）における、提案システムの解析的BER性能は何か。

主な発見

• 提案されたトランシiever設計は、CP構造を活用してリーダーでの多径干渉を効果的にキャンセルし、従来のOFDM受信機に干渉を与えることなく正確な検出を可能にする。
• シミュレーション結果から、SNRが上昇するにつれてBERが低下し、SNR ≥ 20 dB で顕著な性能向上が確認された。
• 平均化サンプル数（W）を8から10に増加させることで、BERが顕著に低下し、 diversity gain の有効性が裏付けられた。
• ML検波器から導出された最適しきい値は、最も低いBERを達成し、等確率誤りしきい値を上回る誤り率性能を示した。
• Q関数近似を用いて導出した解析的BER式は、シミュレーション結果とよく一致しており、理論的モデルの妥当性が検証された。
• 有効な干渉キャンセレーションのおかげで、周波数選択的 fading 環境においても低誤りビットレート（BER）を達成し、高い耐障害性を示した。