[논문 리뷰] Achievable information rates of ambient backscatter communications

Donatella Darsena, Giacinto Gelli외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 16.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 27인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 광대역 fading 채널에서 환경 백스캐터 커뮤니케이션의 이론적 용량 한계를 분석하며, 기존 다대역 시스템이 백스캐터 유도 간섭을 다중경로 다양성으로 활용하여 성능을 향상시킬 수 있음을 보여준다. 현실적인 조건에서, 백스캐터 시스템은 800m 거리에서 최대 360 kbps의 높은 데이터 전송률을 달성하며, 특히 기존 송신기와 함께 위치한 백스캐터 수신기가 성능을 극대화한다.

ABSTRACT

Ambient backscatter is an intriguing wireless communication paradigm that allows small devices to compute and communicate by using only the power they harvest from radio-frequency (RF) signals in the air. Ambient backscattering devices reflect existing RF signals emitted by legacy communications systems, such as digital TV broadcasting, cellular or Wi-Fi ones, which would be otherwise treated as harmful sources of interference. This paper deals with the ultimate performance limits of ambient backscatter systems in broadband fading environments, by considering different amounts of network state information at the receivers. After introducing a detailed signal model of the relevant communication links, we study the influence of physical parameters on the capacity of both legacy and backscatter systems. We find that, under reasonable operative conditions, a legacy system employing multicarrier modulation can turn the RF interference arising from the backscatter process into a form of multipath diversity that can be suitably exploited to noticeably increase its performance. Moreover, we show that, even when employing simple single-carrier modulation techniques, the backscatter system can achieve significant data rates over relatively short distances, especially when the intended recipient of the backscatter signal is co-located with the legacy transmitter, i.e., they are on the same machine.

연구 동기 및 목표

• 정보 이론적 지표인 에르고딕 용량 및 아웃지 capacity를 기준으로 환경 백스캐터 커뮤니케이션의 궁극적 성능 한계를 규명하는 것.
• 백스캐터 전송이 백스캐터 시스템과 기반 기반의 기존 통신 시스템에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 네트워크 상태 정보, 신호 집합, 공간 구성이 구현 가능한 전송률에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 환경 백스캐터가 RF 간섭을 기존 시스템의 성능 향상 요소인 다양성 이득으로 전환할 수 있는지 탐색하는 것.

제안 방법

• 주파수 선택성 페이딩 환경에서 기존 통신 링크와 백스캐터 통신 링크에 대한 정밀한 신호 모델을 수립한다.
• 양쪽 시스템에 대해 기호 분산 및 진폭 제약 조건 하에서 에르고딕 용량과 아웃지 용량을 분석한다.
• 기존 시스템에는 다대역 변조를, 백스캐터 시스템에는 단일대역 변조를 사용한다.
• 스토케스틱 기하학 및 채널 상태 정보 모델을 활용하여 백스캐터 시스템 용량의 상한 및 하한을 유도한다.
• 백스캐터 송신기, 기존 송신기, 백스캐터 수신기 간의 거리, 각도, 신호 대 잡음비(SNR) 변화에 따른 성능을 평가한다.
• 기존 시스템과 백스캐터 수신기의 공통 위치 및 공간적으로 분리된 구성 모두를 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 전파 조건 하에서 짧은 거리에서부터 중간 거리까지 환경 백스캐터 시스템이 유의미한 데이터 전송률을 달성할 수 있는가?
• RQ2 백스캐터 송신기가 존재할 경우 기존 다대역 시스템의 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 기존 시스템이 백스캐터 유도 간섭을 다중경로 다양성의 형태로 활용할 수 있는 조건은 무엇인가?
• RQ4 백스캐터 송신기를 기존 송신기 및 수신기와 최적으로 배치하면 백스캐터 데이터 전송률을 극대화할 수 있는가?
• RQ5 다양한 신호 집합(예: QPSK, PSK)이 백스캐터 시스템의 구현 가능한 용량에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 기존 송신기가 6 MHz TV 탑일 경우, 백스캐터 수신기에서 신호 대 잡음비(SNR)가 -10 dB일 때, 백스캐터 시스템은 800m 거리에서 최대 360 kbps의 전송률을 달성할 수 있다.
• 백스캐터 수신기가 기존 송신기와 함께 위치할 경우 백스캐터 시스템은 최고의 데이터 전송률을 기록하며, 특히 근접한 거리에서 성능이 최적화된다.
• 기존 시스템은 백스캐터 전송으로 유도된 간섭을 다중경로 다양성의 형태로 활용함으로써 성능 향상을 얻을 수 있다.
• 백스캐터 송신기와 기존 송신기 사이의 각도가 유리한 집합에 포함되지 않을 경우 백스캐터 시스템의 용량은 다중 모드를 보이며, 거리에 따라 국소 최대값 및 최소값을 나타낸다.
• 잔류 간섭으로 인해 낮은 잡음 수준에서 용량 포화 현상이 발생하여 추가적인 성능 향상이 제한된다.
• 등확률 기반 기준에서 PSK 집합은 다른 신호 집합보다 컷오프 속도 측면에서 뛰어나며, 특히 저SNR 환경에서 유리하다.