[論文レビュー] Riding on the Primary: A New Spectrum Sharing Paradigm for Wireless-Powered IoT Devices

Xin Kang, Ying‐Chang Liang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2018

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 19被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、周囲のバックスキャッタ通信を用いた無線駆動型IoTデバイスを対象として、Riding on the Primary (ROP) と呼ばれる新しいスペクトル共有パラダイムを提案する。二次送信機は、主信号からエネルギーを回収し、それを反射する際にデータを変調することで、主送信パワーと二次反射係数の共同最適化により、さまざまな制約下で確立されたエゴイスト的容量を最大化する。フェージングチャネルや干渉要件を含む複数の実用的状況において、閉形式の解が導出されている。

ABSTRACT

In this paper, a new spectrum sharing model referred to as riding on the primary (ROP) is proposed for wireless-powered IoT devices with ambient backscatter communication capabilities. The key idea of ROP is that the secondary transmitter harvests energy from the primary signal, then modulates its information bits to the primary signal, and reflects the modulated signal to the secondary receiver without violating the primary system's interference requirement. Compared with the conventional spectrum sharing model, the secondary system in the proposed ROP not only utilizes the spectrum of the primary system but also takes advantage of the primary signal to harvest energy and to carry its information. In this paper, we investigate the performance of such a spectrum sharing system under fading channels. To be specific, we maximize the ergodic capacity of the secondary system by jointly optimizing the transmit power of the primary signal and the reflection coefficient of the secondary ambient backscatter. Different (ideal/practical) energy consumption models, different (peak/average) transmit power constraints, different types (fixed/dynamically adjustable) reflection coefficient, different primary system's interference requirements (rate/outage) are considered. Optimal power allocation and reflection coefficient are obtained for each scenario.

研究の動機と目的

• 低消費電力IoTデバイスにおけるバッテリ寿命の延長を図るため、周囲のRF信号からのエネルギー回収を可能にする。
• 主システムの干渉制約を満たす前提で、二次バックスキャッタデバイスが主信号からスペクトルとエネルギーの両方を活用できるスペクトル共有モデルを設計する。
• フェージングチャネル下で、二次システムのエゴイスト的容量を最大化するために、主送信パワーと二次反射係数を共同最適化する。
• 実用的制約の多様な組み合わせにおけるシステム性能を評価する：理想モデル対実用的エネルギー消費モデル、ピークパワー制限対平均パワー制限、固定反射係数対動的反射係数、および主システムのデータレート制約またはアウトージー確率制約。

提案手法

• 二次バックスキャッタデバイスが主信号からエネルギーを回収し、それを変調した後、二次受信機に反射する『Riding on the Primary (ROP)』モデルを提案する。
• システムをレイリーフェージングチャネル下でモデル化し、二次リンクのエゴイスト的容量を最大化する最適化問題を定式化する。
• エネルギー消費モデル、パワー制限、主干渉要件のさまざまな組み合わせ下で、最適なパワー割り当てと反射係数の閉形式解を導出する。
• 理想モデルと実用的エネルギー消費モデルの両方を検討し、後者は回路消費電力とエネルギー回収効率を考慮する。
• 主システムの制約（最小データレート要件や最大アウトージー確率）を、パワー割り当て制約に変換する。
• フェージング下でのエゴイスト的容量最大化問題を解くために確率的最適化技術を用い、数値結果によりさまざまなシナリオにおける性能を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 主システムの性能を劣化させることなく、二次バックスキャッタデバイスが同一の主信号を用いてエネルギー回収と情報伝送を同時に実現する方法は何か？
• RQ2 フェージングチャネル下で、二次リンクのエゴイスト的容量を最大化するために、主送信パワーと二次反射係数を最適にどのように割り当てるべきか？
• RQ3 異なるエネルギー消費モデル（理想モデル対実用的モデル）は、システムの容量と最適設計にどのように影響を与えるか？
• RQ4 ピークパワー、平均パワー、主システムのアウトージー確率制約は、ROPフレームワーク下での達成可能なエゴイスト的容量にどのように影響を与えるか？
• RQ5 変動するチャネル状態下で、固定反射係数と比較して、動的調整可能な反射係数を用いることで得られる性能向上はどの程度か？

主な発見

• ピークパワー制限または平均パワー制限が高くなるほど、二次システムのエゴイスト的容量が増加する。また、主システムがより多くの干渉を許容できる場合（例：低いデータレート要件や高いアウトージー確率）、容量は高くなる。
• 同じパワー制限下でも、動的反射係数最適化は固定反射係数よりも高いエゴイスト的容量を達成する。これは、フェージングブロックに適応的に応じた調整が可能だからである。
• 主システムのデータレート制約において γ = 1 の場合、γ = 2 の場合よりも高い容量が達成される。これは、低い主システムのデータレート要件が、二次伝送パワーの増加を許容するからである。
• 主システムが100%のアウトージー確率制約を持つ場合、システム容量は上限に近づくが、0%のアウトージー確率制約は下限として機能し、主システムのデータレート制約と同等の結果を示す。
• 平均パワー制限下では、低パワー領域では異なるアウトージー確率の曲線間の容量差が小さいため、平均パワーが主な制約要因となる。
• 多数の最適化問題について閉形式解が導出されており、実用システムにおける効率的な実装が可能である。