[論文レビュー] Noncoherent Multiantenna Receivers for Cognitive Backscatter System with Multiple RF Sources

Huayan Guo, Qianqian Zhang+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2018

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 30被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、複数のRF信号源を有する認知バックスキャターシステムにおける非coherentマルチアンテナ受信機を提案し、パイロット信号やチャネル状態情報（CSI）なしで高スループット伝送を実現する。最大尤度検出とブレインクラスタリングに基づくチャネル推定手法を活用することで、強いインターフェアレンス下でも信頼性の高い性能を達成でき、受信アンテナ数MがRF信号源数Kを上回る場合（M > K）、スループットが向上する。

ABSTRACT

Cognitive backscattering, an integration of cognitive radio and backsatter modulation, is emerging as a potential candidate for green Internet of Things (IoT). In cognitive backscatter systems, the backscatter device (BD) shares not only the same spectrum, but also the same radio-frequency (RF) source with the legacy system. In this paper, we investigate the signal transmission problem, in which a basic transmission model is considered which consists of K RF sources, one BD and one reader equipped with M antennas. A non-cooperative scenario is considered, where there is no cooperation between the legacy systems and the backscatter system, and no pilots are transmitted from the RF sources or BD to the reader. The on-off keying differential modulation is adopted to achieve noncoherent transmission. Firstly, through the capacity analyses, we point out that high-throughput backscatter transmission can be achieved when the number of the receive antennas satisfies M>K. The Chernoff Information (CI) is also derived to predict the detection performance. Next, we address the signal detection problem at the reader. The optimal soft decision (SD) and suboptimal hard decision (HD) detectors are designed based on the maximum likelihood criterion. To tackle the non-cooperation challenge, a fully blind channel estimation method is proposed to learn the detection-required parameters based on clustering. Extensive numerical results verify the effectiveness of the proposed detectors and the channel estimation method. In addition, it is illustrated that the increase of K may not necessarily lead to performance degradation when multiple receive antennas are exploited.

研究の動機と目的

• 複数のレガシRF信号源が変調信号を送信する認知バックスキャターシステムにおいて、未知の直接リンクインターフェアレンス（DLI）が強い状況下で、バックスキャター信号の信頼性の高い検出を実現すること。
• 従来の非coherentエネルギー検出器が、送信電力の増加にかかわらず誤り誤り床に陥るという限界を克服すること。
• パイロット信号やチャネル状態情報が存在しない非協力的かつブレインな状況下でも、高スペクトル効率と信頼性の高い通信を実現する受信機アーキテクチャを設計すること。
• 特にM > Kの場合に、複数の受信アンテナを用いた空間多重性を活用することで、高スループットのバックスキャター伝送を実現すること。

提案手法

• チャネル推定をバックスキャター装置で行う必要がなくなるように、オンオフキーイング（OOK）微分変調を用いた非coherent伝送モデルを構築する。
• 検出性能を予測し、誤り確率の理論的限界を確立するために、チェルノフ情報（CI）を導出する。
• 最大尤度基準に基づき、最適なソフト決定（SD）および準最適なハード決定（HD）検出器を設計し、検出精度を向上させる。
• RF信号源やチャネル状態に関する事前知識がなくとも、必要な検出パラメータを推定できる完全なブレインチャネル推定手法を提案する。
• 確率的チャネルフェージングとインターフェアレンスを考慮し、モンテカルロ積分を用いて、オンオフ変調信号の平均達成可能レートを数値的に計算する。
• システム容量を分析し、M > Kの場合にスループットが無限大に発散することを示し、受信アンテナ数の増加が複数のRF信号源からのインターフェアレンスを相殺できることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数のRF信号源が存在し、パイロット信号が存在しない非coherentかつ非協力的システムにおいて、高スループットのバックスキャター通信が達成可能か？
• RQ2 複数のRF信号源（K）が存在する状況下で、受信アンテナ数（M）がシステムの容量および誤り性能に与える影響は何か？
• RQ3 チャネル状態情報が欠如する状況下でも、クラスタリングに基づくブレインチャネル推定が、信頼性の高い検出に必要なパラメータを効果的に回復できるか？
• RQ4 複数の受信アンテナが使用される状況下で、RF信号源数（K）の増加が、必ずしもシステム性能を劣化させるわけではないか？
• RQ5 未知の変調された直接リンクインターフェアレンスが存在する状況下で、オンオフ変調バックスキャター信号の理論的限界レートは何か？

主な発見

• 受信アンテナ数がRF信号源数を上回る場合（M > K）に、高スループットのバックスキャター伝送が実現可能であり、理想的な条件下で容量が無限大に発散することを示した。
• チェルノフ情報（CI）は、未知のインターフェアレンス下での検出性能予測および誤り確率の特徴付けに信頼性の高い指標を提供する。
• 最大尤度基準に基づく最適なソフト決定（SD）および準最適なハード決定（HD）検出器は、従来のエネルギー検出器よりも顕著に優れており、特に高SNR領域で顕著な性能向上を示す。
• ブレインクラスタリングに基づくチャネル推定手法は、RF信号源やチャネル状態に関する事前知識がなくとも、検出パラメータを効果的に回復でき、非協力的環境下での信頼性の高い運用を可能にする。
• 数値結果により、Kが増加してもM > Kの条件下では性能劣化が必ずしも生じないことが確認され、干渉制限環境下におけるマルチアンテナダイバーシティのロバスト性を示した。
• オンオフ変調信号の平均達成可能レートはモンテカルロ積分により計算され、フェージングやインターフェアレンス下でも高いスペクトル効率を維持できることを示した。