[論文レビュー] Performance Characterization of Relaying Using Backscatter Devices

Xiaolun Jia, Xiangyun Zhou|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2019

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 35被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、環境干渉が存在する状況下で、アンプ・アンド・フォワード（AF）およびデコード・アンド・フォワード（DF）プロトコルを用いたバックスキャター中継の誤り性能を分析し、OOK変調におけるエネルギー検出を用いて閉形式のビット誤り率（BER）式を導出している。最適なパワー割り当てがなされた場合、DFはAFと同等の性能を示すが、反射係数が理想的なOOK値から逸脱する場合には、AFがDFを著しく上回ることが示された。

ABSTRACT

In this paper, we examine the error performance of backscatter communication in the presence of ambient interference, where the backscatter device acts as a relay. Specifically, the performance comparison of amplify-and-forward (AF) and decode-and-forward (DF) backscatter relaying is considered for the first time. Considering energy-based detection for on-off keying (OOK) modulation, we derive the statistics of the received signal power, from which the detection thresholds and corresponding bit error rates (BER) are obtained analytically. For the DF scheme, we allow the source node to transmit continuous-wave signals during the relay-to-destination transmission phase to power the backscatter relay. Under a total power budget constraint at the source, we optimize the power allocation for the transmissions in the source-to-relay and relay-to-destination phases. Numerical analysis shows that the DF scheme with optimal power allocation performs similarly compared to the AF scheme, despite the added complexity of the decoding operation. On the other hand, the AF scheme significantly outperforms the DF scheme when the reflection coefficients at the backscatter device do not correspond to perfect OOK. These results provide valuable insights into the design and deployment of backscatter nodes with the goal of improving coverage.

研究の動機と目的

• 環境干渉環境下におけるAFおよびDFバックスキャター中継の誤り性能を評価・比較すること。
• OOK変調におけるエネルギー検出を用いて、検出閾値およびビット誤り率（BER）の解析的式を導出すること。
• 全送信元パワー制約下で、DF方式におけるパワー割り当てを最適化し、バックスキャターによる中継および連続波駆動による動作を可能にすること。
• 最小限の消費電力でネットワークカバレッジを向上させるためにバックスキャター中継を展開するための設計インサイトを提供すること。

提案手法

• レイノルズファディングおよび環境干渉を想定し、AFおよびDF中継プロトコル下での受信信号電力の確率密度関数（PDF）を導出する。
• OOK変調におけるエネルギー検出を用い、受信信号電力を非中心カイ二乗分布に従う確率変数としてモデル化する。
• 尤度比検定を解くことで最適な検出閾値を導出し、その閾値は正の根を有する二次方程式の解として得られる。
• 全パワー制約下で、DF方式における送信元-中継および中継-受信先間のパワー割り当てを最適化し、BERを最小化する。
• 確率的幾何学およびアウトージ確率解析を適用して、現実的なチャネル条件下でのシステム性能を評価する。
• 数値シミュレーションを用いて解析結果を検証し、AF、DF、および非理想的な反射係数条件におけるBER性能を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 環境干渉下において、AFバックスキャター中継のビット誤り率（BER）は、DF中継と比べてどのように異なるか？
• RQ2 全送信元パワー制約下で、DFバックスキャター中継方式における最適なパワー割り当て戦略は何か？
• RQ3 非理想的な反射係数は、AFおよびDFバックスキャター中継の性能にどのように影響を与えるか？
• RQ4 どのような条件下で、AFプロトコルがバックスキャター中継においてDFプロトコルを著しく上回るか？
• RQ5 適切なパワー割り当てがなされた場合、DFプロトコルはAFプロトコルと同等の性能を達成できるか？

主な発見

• 最適なパワー割り当てがなされたDF方式は、復調の追加的複雑性にもかかわらず、AF方式と同等のBER性能を達成する。
• バックスキャター装置の反射係数が理想的なOOK値から逸脱する場合には、AFプロトコルがDFプロトコルを著しく上回る。
• エネルギーに基づくOOK検出のための導出された検出閾値は、尤度比検定から得られる二次方程式の正の根である。
• 受信信号電力がレイノルズファディング下で非中心カイ二乗分布に従うことを仮定し、BER式は閉形式で導出された。
• 数値結果により、さまざまなSNRおよび反射係数条件において、解析的BER式とシミュレーション結果が良好に一致することが確認された。
• 本研究は、最小限のエネルギー消費でネットワークカバレッジを向上させるためにバックスキャター中継を展開するための設計ガイドラインを提供している。