[論文レビュー] Symbiotic Radio: A New Communication Paradigm for Passive Internet-of-Things

Ruizhe Long, Huayan Guo+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2018

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 23被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、バックスキャター機器（BD）がプライマリ送信機（PT）と周波数割り当て、RF信号源、受信機を共有する、新しいパassive IoT通信パラダイム「シンビオティックラジオ（SR）」を提案する。共同ビームフォーミングにより、プライマリシステムのスループットとBDの送信スループットの両方を向上させ、MISO環境下での協調復調と干渉の利用により、エネルギー効率の高いバックスキャター通信を実現する。

ABSTRACT

In this paper, a novel technique, called symbiotic radio (SR), is proposed for passive Internet-of-Things (IoT), in which a backscatter device (BD) is integrated with a primary transmission. The primary transmitter is designed to assist the primary and BD transmissions, and the primary receiver decodes the information from the primary transmitter as well as the BD. We consider a multiple-input single-output (MISO) SR and the symbol period for BD transmission is designed to be either the same as or much longer than that of the primary system, resulting in parasitic or commensal relationship between the primary and BD transmissions. We first derive the achievable rates for the primary system and the BD transmission. Then, we formulate two transmit beamforming optimization problems, i.e., the weighted sum-rate maximization problem and the transmit power minimization problem, and solve these non-convex problems by applying semi-definite relaxation technique. In addition, a novel transmit beamforming structure is proposed to reduce the computational complexity of the solutions. Simulation results show that when the BD transmission rate is properly designed, the proposed SR not only enables the opportunistic transmission for the BD via energy-efficient passive backscattering, but also enhances the achievable rate of the primary system by properly exploiting the additional signal path from the BD.

研究の動機と目的

• マスィブなパassive IoT展開におけるエネルギーと周波数資源の枯渇問題に対処するため、新しい通信パラダイムを提案すること。
• プライマリネットワークの信号を活用することで、バックスキャター機器がアクティブなRF部品を用いずにデータ送信を可能にする。
• システム合計スループットを最大化するか、送信電力を最小化するように、プライマリおよびバックスキャター送信の両方のビームフォーミングを共同最適化すること。
• BDの送信スループットがプライマリシステムのスループットに対して相対的に小さいか小さい場合に応じて、2つのSR運用モード（寄生的SRと共存的SR）を検討すること。
• BDのバックスキャターが、建設的信号経路の利用により、プライマリシステムの性能を低下させることなく、むしろ向上させることを示すこと。

提案手法

• プライマリ送信機（PT）が自身の送信とBDの送信を共同ビームフォーミングによりサポートするMISOシンビオティックラジオモデルを提案する。
• プライマリ受信機（PR）を、逐次干渉キャンセレーション（SIC）を用いて両信号を復調するものとモデル化し、BD信号を時間変動するチャネル応答として扱う。
• バックスキャターリンクにおけるランダムな信号振幅を考慮した、プライマリシステムおよびBDの実現可能スループットの閉形式表現を導出する。
• 非凸最適化問題2つ（重み付き合計スループット最大化と送信電力最小化）を定式化し、半定値緩和（SDR）を用いて解く。
• 計算複雑度を低減しつつ性能を維持するための新規ビームフォーミング構造を導入する。
• 2つのSR運用モード（寄生的SR：BDスループット ≤ プライマリスループット、共存的SR：BDスループット ≪ プライマリスループット）を分析し、それぞれ異なる信号モデルと復調戦略を採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バックスキャター機器がプライマリネットワークの周波数割り当てと受信機を共有することにより、信頼性がありエネルギー効率の高い通信を実現できるか？
• RQ2 共同ビームフォーミング設計が、シンビオティックラジオシステムにおけるプライマリリンクおよびバックスキャターリンクの性能にどのように影響を与えるか？
• RQ3 どのような状況下で、バックスキャター送信がプライマリシステムのスループットを低下させることなく、むしろ向上させるのか？
• RQ4 共有周波数割り当てと受信機制約下で、プライマリシステムスループットとBD送信スループットの最適なトレードオフは何か？
• RQ5 両信号の信頼性ある復調を保証しつつ、合計スループットを最大化するか、送信電力を最小化するようにビームフォーミングを最適化する方法は何か？

主な発見

• 提案されたシンビオティックラジオシステムにより、パassive IoT機器はアクティブRF部品を一切使用せずにバックスキャターのみでデータ送信が可能になる。
• BDの散乱を追加の信号経路として活用することで、特に共存的SR運用モードにおいて、プライマリシステムの実現可能スループットが向上することが示された。
• バックスキャターリンクの平均データレートは、$ R_c^{(1)} = -e^{1/eta} \mathrm{Ei}(-1/eta) \log_2 e $ として閉形式で導出され、ここで $ \beta $ はバックスキャターリンクの平均SNRを表す。
• 重み付き合計スループット最大化および送信電力最小化問題は、半定値緩和により解かれ、近似的最適なビームフォーミング解が得られた。
• 提案されたビームフォーミング構造は、寄生的および共存的SR運用モードの両方で、高い性能を維持しながら計算複雑度を顕著に低減した。
• シミュレーション結果により、適切に設計されたBD送信は、機会的パassive通信を可能にするだけでなく、建設的信号経路の利用によりプライマリシステムのスループットを向上させることを確認した。