[論文レビュー] Modulation in the Air: Backscatter Communication over Ambient OFDM Carrier

Gang Yang, Ying‐Chang Liang+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2017

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 26被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、サイクリックプレフィックス構造を活用して直接リンク干渉を抑制する、環境OFDMキャリアを用いたアンビエントバックスキャタ通信（AmBC）のための新規変復調器設計を提案する。スプレッドスペクトラム原理を応用し、単素子受信機では最適な最大尤度検出器と閉形式で表された閾値を導入し、多素子受信機では線形結合検出統計量を提案することで、従来のエネルギー検出法と比較してビット誤り率（BER）性能、データレート、通信範囲において顕著な向上を達成する。

ABSTRACT

Ambient backscatter communication (AmBC) enables radio-frequency (RF) powered backscatter devices (BDs) (e.g., sensors, tags) to modulate their information bits over ambient RF carriers in an over-the-air manner. This technology also called "modulation in the air", thus has emerged as a promising solution to achieve green communications for future Internet-of-Things. This paper studies an AmBC system by leveraging the ambient orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) modulated signals in the air. We first model such AmBC system from a spread-spectrum communication perspective, upon which a novel joint design for BD waveform and receiver detector is proposed. The BD symbol period is designed to be in general an integer multiplication of the OFDM symbol period, and the waveform for BD bit `0' maintains the same state within a BD symbol period, while the waveform for BD bit `1' has a state transition in the middle of each OFDM symbol period within a BD symbol period. In the receiver detector design, we construct the test statistic that cancels out the direct-link interference by exploiting the repeating structure of the ambient OFDM signals due to the use of cyclic prefix. For the system with a single-antenna receiver, the maximum-likelihood detector is proposed to recover the BD bits, for which the optimal threshold is obtained in closed-form expression. For the system with a multi-antenna receiver, we propose a new test statistic, and derive the optimal detector. Moreover, practical timing synchronization algorithms are proposed, and we also analyze the effect of various system parameters on the system performance. Finally, extensive numerical results are provided to verify that the proposed transceiver design can improve the system bit-error-rate (BER) performance and the operating range significantly, and achieve much higher data rate, as compared to the conventional design.

研究の動機と目的

• 環境OFDM信号を用いたアンビエントバックスキャタ通信（AmBC）システムにおける強い直接リンク干渉という重要な課題に対処すること。
• 低消費電力でバッテリーフリーなIoT環境でも信頼性の高い高速通信を可能にする強固な変復調器の設計。
• 完全なチャネル状態情報（CSI）の代わりにバックスキャタチャネルの信号強度推定のみを必要とするため、受信機の複雑さを低減すること。
• 実世界のAmBC展開に適した実用的なタイミング同期アルゴリズムの開発。
• システムパラメータが伝送レートおよび検出性能に与える影響の評価。

提案手法

• サイクリックプレフィックスを有するOFDM信号の繰り返し構造を活用し、スプレッドスペクトラム通信の観点からAmBCシステムをモデル化する。
• ビット'0'がBDシンボル期間中一定状態を維持するように、BD波形を設計する一方で、ビット'1'には中間シンボル遷移を含める。
• OFDM信号におけるサイクリックプレフィックスの周期性を活用して、直接リンク干渉をキャンセルする検出統計量を構築する。
• 単素子受信機向けに最大尤度検出器を導出し、閉形式表現による最適検出閾値を導出する。
• 多素子受信機向けに、各素子の検出統計量の線形結合を提案し、最小限のチャネル知識で最適検出を実現する。
• 提案波形および信号構造に特化した効率的なタイミング同期アルゴリズムを導入する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 環境OFDM信号を用いたAmBCシステムにおいて、直接リンク干渉を効果的にキャンセルする方法は何か？
• RQ2 OFDM信号の固有構造を活用しつつ、信頼性の高い検出を可能にする波形設計は何か？
• RQ3 完全なCSIの代わりにバックスキャタチャネルの信号強度推定のみで最適検出が達成可能か？
• RQ4 提案手法は、従来のエネルギー検出法と比較して、BER、データレート、動作範囲においてどの程度の性能向上を示すか？
• RQ5 主要システムパラメータが検出性能および伝送レートに与える影響は何か？

主な発見

• 提案手法は、従来のエネルギー検出に基づく設計と比較して顕著に低いビット誤り率（BER）性能を達成する。
• 効果的な干渉抑制と検出感度の向上により、通信範囲が著しく拡大される。
• 従来のAmBCシステムと比較して、はるかに高いデータレートをサポートし、高スルーレートバックスキャタ通信を実現する。
• 単素子受信機向けの最適検出閾値は閉形式で導出されており、低複雑度実装が可能である。
• 多素子配置によりBER性能が向上し、提案された受信機設計のスケーラビリティが実証された。
• 提案されたタイミング同期アルゴリズムは、実世界の展開シナリオにおいて実用的で効率的であることが示された。