[논문 리뷰] Beamforming Design in Multiple-Input-Multiple-Output Symbiotic Radio Backscatter Systems

Tuo Wu, Miao Jiang외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 12.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 14인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 다중입력다중출력(MIMO) 공생 라디오 백스캐터 시스템에서, 백스캐터 장치(BD)가 주요 송신기의 신호 반사로 수신기와 통신하는 데 초점을 맞춘 비음향 설계를 제안한다. 비볼록 최적화 문제를 해결하기 위해 정확한 페널티 방법을 도입함으로써, 이 방식은 이론적 상한선에 매우 가까운 2차 통신 속도를 달성하며, 기존의 최대 비율 전송(MRT) 방식보다 뚜렷이 뛰어난 성능을 보인다.

ABSTRACT

Symbiotic radio (SR) backscatter systems are possible techniques for the future low-power wireless communications for Internet of Things devices. In this paper, we propose a multiple-input-multiple-output (MIMO) SR backscatter system, where the secondary multi-antenna transmission from the backscatter device (BD) to the receiver is riding on the primary multi-antenna transmission from the transmitter to the receiver. We investigate the beamforming design optimization problem which maximizes the achievable rate of secondary transmission under the achievable rate constraint of primary transmission. In the MIMO SR backscatter system, each antenna of the SR BD reflects its received ambient radio frequency signals from all the transmitting antennas of the transmitter, which causes the globally optimal solution is difficult to obtain. In this paper, we propose a method to obtain the achievable rate upper bound. Furthermore, considering both primary and secondary transmissions, we propose an exact penalty method based locally optimal solution. Simulation results illustrate that our proposed exact penalty method based locally optimal solution performs close to the upper bound.

연구 동기 및 목표

• 2차 통신이 주요 신호 반사에 의존하는 MIMO 공생 라디오 백스캐터 시스템에서의 비음향 설계 최적화 문제를 해결하기 위해.
• 주요 통신 속도 제약 조건 하에서 2차 통신의 실현 가능한 속도 상한선을 유도하기 위해.
• 주요 및 2차 시스템 성능을 균형 있게 유지하는 국소 최적의 비음향 설계 해법을 개발하기 위해.
• 실제의 fading 환경에서 제안된 해법과 이론적 상한선 사이의 성능 격차를 평가하기 위해.

제안 방법

• 다중 안테나 BD를 갖는 MIMO SR 시스템에서 2차 통신의 실현 가능한 속도 상한선을 계산하는 방법을 제안한다.
• 주요 통신 속도 제약 조건 하에서 2차 통신 속도를 최대화하는 비볼록 최적화 문제로 시스템을 모델링한다.
• 비볼록 제약 조건을 다루기 위해 정확한 페널티 방법을 사용하여 문제를 볼록-차수의 차분(DC) 프로그램으로 변환한다.
• 제약 조건이 있는 볼록-비볼록 절차(Constrained Concave-Convex Procedure, CCCP)를 적용하여 반복적으로 DC 프로그램을 풀며, 국소 최적의 비음향 행렬에 수렴함을 보장한다.
• 각 반복 단계에서 볼록 함수의 1차 테일러 근사 근사를 사용하여 비볼록 항을 선형화한다.
• 수신기에서 순차적 인터패턴 제거(Successive Interference Cancellation, SIC)를 적용하여 주요 및 2차 신호를 순차적으로 복원한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MIMO 공생 라디오 백스캐터 시스템에서 2차 통신의 이론적 상한 속도는 무엇인가?
• RQ2 주요 시스템의 속도 제약 조건을 만족하면서 2차 통신 속도를 최대화하기 위해 비음향 설계를 어떻게 최적화할 수 있는가?
• RQ3 제안된 비음향 설계 해법과 최적의 실현 가능한 속도 상한선 사이의 성능 격차는 무엇인가?
• RQ4 2차 통신 속도 성능 측면에서 기존의 MRT 기반 비음향 설계 방식과 비교해 볼 때 제안된 방법은 어떻게 성능을 내는가?
• RQ5 정확한 페널티 방법은 MIMO SR 시스템에서 다중 안테나 반사 및 간섭으로 인한 비볼록성 문제를 효과적으로 다룰 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 정확한 페널티 방법 기반 국소 최적 해법은 약 3회 반복 내에 수렴함을 보이며, 빠른 수렴 성능을 입증한다.
• 제안된 방법의 실현 가능한 속도는 테스트된 모든 SNR 값에서 이론적 상한선의 약 5% 이내에 머물며, 높은 효율성을 보인다.
• 제안된 비음향 설계 방식은 MRT-G 및 MRT-H 기준 대비 최대 30% 높은 2차 통신 속도를 달성한다.
• BD의 전체 MIMO 반사 모델을 고려한 새로운 방법을 통해 2차 통신 속도의 상한선이 유도되었다.
• 다양한 SNR 수준에서 MRT 방식 대비 성능 향상이 일관되게 유지되어, 제안된 최적화 프레임워크의 우수성을 확인한다.
• 이 방법은 주요 및 2차 시스템의 통신 속도를 효과적으로 균형 잡으며, 주요 통신 속도 제약 조건을 유지하면서 2차 전송량을 최대화한다.