[논문 리뷰] Analysis of Wireless-Powered Device-to-Device Communications with Ambient Backscattering

Xiao Lu, Hai Jiang외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 21.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 23인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 주변 백스캐터링과 무선 힘 전송을 통합하여 자가 유지 가능한 에너지 효율적인 전송을 가능하게 하는 하이브리드 디바이스투디바이스(D2D) 통신 시스템을 제안한다. 주변 RF 신호를 에너지 수확 및 백스캐터링에 동시에 활용함으로써, 시스템은 에너지 수확 속도에 기반한 PTP(모드 선택 프로토콜)와 수신된 신호 대 간섭+노이즈비(SNR)에 기반한 STP(모드 선택 프로토콜)를 사용하여 모드를 적응적으로 전환하며, 특히 고밀도 또는 고간섭 환경에서 커버리지 확률을 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

Self-sustainable communications based on advanced energy harvesting technologies have been under rapid development, which facilitate autonomous operation and energy-efficient transmission. Recently, ambient backscattering that leverages existing RF signal resources in the air has been invented to empower data communication among low-power devices. In this paper, we introduce hybrid device-to-device (D2D) communications by integrating ambient backscattering and 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 backscattering come from external RF sources, the performance of the hybrid D2D communications needs to be optimized efficiently. As such, 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, e.g., distribution, spatial density, and transmission load of the ambient transmitters, on the hybrid D2D communications performance. Extensive simulations show that the repulsion factor among the ambient transmitters has a non-trivial impact on the communication performance. Additionally, we reveal how different mode selection protocols affect the performance metrics.

연구 동기 및 목표

• 순수 주변 백스캐터링 통신의 낮은 데이터 전송률과 짧은 전송 거리의 한계를 보완하기 위해 무선 힘 전송을 통합한다.
• 주변 RF 신호를 에너지 및 정보 전송에 활용하여 외부 전원 공급 없이도 자가 유지 가능한 D2D 통신을 가능하게 한다.
• 환경 조건(예: 간섭 및 에너지 가용성)에 따라 성능을 최적화하는 적응형 모드 선택 프로토콜을 설계한다.
• 공간 밀도, 상호 배제 요인, 전송 부하 및 fading 등의 주요 환경 요소가 커버리지 확률에 미치는 영향을 모델링하고 분석한다.
• 상호 배제 점진적 프로세스를 사용한 스토하스틱 기하학 모델링 하에 하이브리드 시스템의 분석적 성능 평가를 제공한다.

제안 방법

• 주변 전송기의 공간 분포를 Matérn 하드코어 점진적 프로세스(Matérn Type II)로 모델링하여 상호 배제 효과를 반영한다.
• 두 가지 모드 선택 프로토콜인 PTP(에너지 수확 속도 기반 프로토콜)와 STP(신호 대 간섭+노이즈비 임계값 기반 프로토콜)를 제안하여 주변 백스캐터링과 무선 힘 전송 모드 사이에서 동적으로 전환한다.
• 스토하스틱 기하학과 라플라스 변환 기법을 사용하여 PTP 및 STP 모드에서 커버리지 확률에 대한 닫힌 형식의 표현식을 유도한다.
• 주요 시스템 파라미터인 주변 전송기 밀도(ζA), 상호 배제 요인(α), 전송 부하(lA), 나카가미 fading 파라미터(m)가 커버리지 성능에 미치는 영향을 분석한다.
• 다양한 채널 조건과 시스템 부하 하에서 광범위한 시뮬레이션을 통해 분석 모델의 타당성을 검증한다.
• 기준 기준으로 순수 주변 백스캐터링 및 순수 무선 힘 전송(HTT) 전송기와의 성능을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주변 전송기의 공간 분포 및 밀도는 하이브리드 D2D 통신에서 커버리지 확률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 주변 전송기 간의 상호 배제 요인이 하이브리드 D2D 시스템 성능에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 다양한 간섭 및 에너지 조건에서 두 가지 제안된 모드 선택 프로토콜(PTP 및 STP) 간의 커버리지 확률은 어떻게 비교되는가?
• RQ4 어떤 환경 조건에서 하이브리드 시스템이 순수 주변 백스캐터링 또는 순수 무선 힘 전송 통신 시스템을 초월하는가?
• RQ5 전송 부하와 fading 심각도는 하이브리드 D2D 통신 방식의 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 하이브리드 D2D 시스템의 커버리지 확률은 주변 전송기 밀도(ζA), 상호 배제 요인(α), 전송 부하(lA), 나카가미 fading 파라미터(m)가 높을수록 단조적으로 증가한다.
• 간섭 비율(ξ)이 높을 경우(예: ξ = 0.8), 고밀도 주변 전송기(ζA > 0.06) 환경에서 순수 주변 백스캐터링이 순수 HTT(무선 힘 전송) 전송보다 성능이 뛰어나며, 이는 STP가 낮은 SINR 전송을 피할 수 있기 때문이다.
• 저간섭, 고밀도 환경에서는 PTP가 STP보다 성능이 뛰어나며, 이는 에너지 가용성을 신호 대 간섭+노이즈비(SNR)보다 우선시하기 때문이다.
• 고간섭 또는 저밀도 상황에서는 STP가 PTP를 능가한다. 이는 충분한 에너지를 수확했더라도 열악한 채널 조건에서 작동을 피하기 때문이다.
• ζA가 증가함에 따라 커버리지 확률은 1보다 작은 값으로 수렴한다. 이는 수확된 에너지 증가와 간섭 증가 사이의 상충 관계 때문이다.
• 경로 손실 지수(α), 나카가미 fading 파라미터(m), 전송 부하(lA)의 다양한 조건에서 PTP 및 STP에 대한 분석적 커버리지 확률 표현식이 시뮬레이션을 통해 정확하게 검증되었다.