[論文レビュー] Wireless-Powered Device-to-Device Communications with Ambient Backscattering: Performance Modeling and Analysis

Xiao Lu, Hai Jiang+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2017

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 51被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、環境からのバックスキャッタリングと無線給電を統合することで、自己持続的で低消費電力の伝送を実現するハイブリッドデバイス・ツー・デバイス（D2D）通信システムを提案する。環境中の電波源の密度と分布に応じて、バックスキャッタリングとアクティブRF伝送の間で適応的に切り替えることで、より高いカバレッジとスループットを達成し、空間的密度、伝送負荷、電波源同士の反発行動が高まるほど性能が向上する。

ABSTRACT

The recent advanced wireless energy harvesting technology has enabled wireless-powered communications to accommodate wireless data services in a self-sustainable manner. However, wireless-powered communications rely on active RF signals to communicate, and result in high power consumption. On the other hand, ambient backscatter technology that passively reflects existing RF signal sources in the air to communicate has the potential to facilitate an implementation with ultra-low power consumption. In this paper, we introduce a hybrid D2D communication paradigm by integrating ambient backscattering with wireless-powered communications. The hybrid D2D communications are self-sustainable, as no dedicated external power supply is required. However, since the radio signals for energy harvesting and for backscattering come from the ambient, the performance of the hybrid D2D communications depends largely on environment factors, e.g., distribution, spatial density, and transmission load of ambient energy sources. Therefore, we design two mode selection protocols for the hybrid D2D transmitter, allowing a more flexible adaptation to the environment. We then introduce analytical models to characterize the impacts of the considered environment factors on the hybrid D2D communication performance. Together with extensive simulations, our analysis shows that the communication performance benefits from larger repulsion, transmission load and density of ambient energy sources. Further, we investigate how different mode selection mechanisms affect the communication performance.

研究の動機と目的

• 単独での環境バックスキャッタリング（低データレート、短距離）および無線給電通信（エネルギー回収の遅延による断続的動作）の限界を解消すること。
• 外部電源が不要な継続的かつ自己持続的動作を可能にするハイブリッドD2D通信パラダイムを設計すること。
• 空間的密度、伝送負荷、環境RF源の反発行動といった環境要因がシステム性能に与える影響をモデル化・分析すること。
• エネルギーの可用性とチャネル状態に応じて、バックスキャッタリングとアクティブ伝送の間で動的に切り替えられるモード選択プロトコルを開発すること。

提案手法

• エネルギーの自己充足を実現するため、環境バックスキャッタリングと無線給電伝送を組み合わせたハイブリッドD2D通信モデルを提案する。
• エネルギーの可用性に基づくプロトコルとチャネル品質に基づくプロトコルの2つのモード選択プロトコルを導入し、環境状態に応じた動的適応を可能にする。
• ストークスティックジオメトリとポアソン点過程モデルを用いて、バックスキャッタリング（HTT）モードおよびアクティブ伝送（H）モードにおけるカバレッジ確率の解析的表現を導出する。
• 一般化されたレイノールフェージングモデルを用い、複数の環境RF源からの干渉を考慮し、干渉の総和を行列式に基づく表現でモデル化する。
• 確率的幾何学的手法とモーメント生成関数を用いて、レイノールフェージングおよび干渉下でのカバレッジ確率と平均スループットを計算する。
• 伝送時間、スペクトル効率、アウトージ確率を組み込んだ閉形式の平均スループットの式を、両モードについて導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 環境RFエネルギー源の空間的分布および密度は、ハイブリッドD2D通信のカバレッジとスループットにどのように影響するか？
• RQ2 変動する環境条件下で、環境バックスキャッタリングとアクティブRF伝送の間で最適なモード選択戦略は何か？
• RQ3 伝送負荷およびエネルギー源同士の反発行動は、信頼性およびデータレートという観点からシステム性能にどのように影響するか？
• RQ4 共周波数干渉を伴うハイブリッドD2Dシステムにおいて、エネルギー回収とデータ伝送の間の解析的トレードオフは何か？
• RQ5 バックスキャッタリングと無線給電通信の統合は、単独のアプローチと比較して、システムの持続可能性と性能をどのように向上させるか？

主な発見

• 環境RF源の空間的密度と伝送負荷が高くなると、エネルギー回収と信号強度が向上するため、カバレッジ確率が向上する。
• エネルギー源同士の反発が強いほど性能が向上し、干渉が低減され、SINR（信号対干渉加算ノイズ比）が向上する。
• モード選択がエネルギーの可用性とチャネル品質に基づく場合、単独のバックスキャッタリングまたは無線給電モードよりも、ハイブリッドシステムがより高い平均スループットを達成する。
• リアルタイムでのエネルギー状態とチャネル状態に応じてバックスキャッタリングとアクティブ伝送を動的に選択することで、スループットの向上が最も顕著に現れる。
• 解析モデルはシステム性能を正確に予測できており、シミュレーションにより導出されたカバレッジ確率および平均スループットの式が妥当であることが検証された。
• 提案されたモード選択プロトコルは、特に高密度かつ干渉制限のある環境において、システムの信頼性とスペクトル効率を顕著に向上させる。