[논문 리뷰] Cooperative Ambient Backscatter Communications for Green Internet-of-Things

Gang Yang, Qianqian Zhang외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 04.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 21인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 독자가 동시에 환경 RF 소스와 수동 백스캐터 장치(A-BD)로부터 데이터를 디코딩하는 협업형 앰비언트 백스캐터 커뮤니케이션(CABC) 시스템을 제안한다. A-BD를 협업 릴레이로 간주하여, 후행 간섭 제거(SIC) 및 최대우도(ML) 검출 기법을 활용함으로써, 낮은 복잡도로 near-ML 성능을 달성한다. 특히 A-BD가 RF 소스보다 낮은 속도로 전송할 경우, 유리한 백스캐터링 링크 다변도를 통해 검출 신뢰도가 향상된다.

ABSTRACT

Ambient backscatter communication (AmBC) enables a passive backscatter device to transmit information to a reader using ambient RF signals, and has emerged as a promising solution to green Internet-of-Things (IoT). Conventional AmBC receivers are interested in recovering the information from the ambient backscatter device (A-BD) only. In this paper, we propose a cooperative AmBC (CABC) system in which the reader recovers information not only from the A-BD, but also from the RF source. We first establish the system model for the CABC system from spread spectrum and spectrum sharing perspectives. Then, for flat fading channels, we derive the optimal maximum-likelihood (ML) detector, suboptimal linear detectors as well as successive interference-cancellation (SIC) based detectors. For frequency-selective fading channels, the system model for the CABC system over ambient orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) carriers is proposed, upon which a low-complexity optimal ML detector is derived. For both kinds of channels, the bit-error-rate (BER) expressions for the proposed detectors are derived in closed forms. Finally, extensive numerical results have shown that, when the A-BD signal and the RF-source signal have equal symbol period, the proposed SIC-based detectors can achieve near-ML detection performance for typical application scenarios, and when the A-BD symbol period is longer than the RF-source symbol period, the existence of backscattered signal in the CABC system can enhance the ML detection performance of the RF-source signal, thanks to the beneficial effect of the backscatter link when the A-BD transmits at a lower rate than the RF source.

연구 동기 및 목표

• 기존 앰비언트 백스캐터링 시스템이 RF 소스 신호를 간섭으로 간주하는 데서 비효율성을 해결하고, 이를 협업 통신에 활용하고자 한다.
• 환경 RF 소스와 A-BD로부터의 신호를 동시에 검출하는 협업 수신기(C-RX)를 설계하여 스펙트럼 및 에너지 효율을 향상시키고자 한다.
• A-BD가 RF 소스보다 낮은 심볼 속도로 전송할 경우, 채널 다변도를 활용하여 백스캐터링 링크의 성능 향상을 분석하고자 한다.
• 평탄한 fading 및 주파수 선택적 fading 채널(OFDM 시스템 포함)에 대해 최적 및 준최적 검출 기법—ML, 선형, SIC 기반—을 도출하고자 한다.
• 다양한 채널 조건 하에서 모든 제안된 검출기의 닫힌형 BER 표현식을 유도하고자 한다.

제안 방법

• 스프레드 스펙트럼 및 스펙트럼 공유 관점에서 CABC의 시스템 모델을 수립하며, 독자의 신호를 직접 RF 신호와 백스캐터드 신호의 초합으로 모델링한다.
• 평탄한 fading 채널에서 RF 소스 및 A-BD 신호의 동시 검출을 위한 최적의 최대우도(ML) 검출기를 유도한다.
• 복잡도를 낮추면서도 높은 성능 유지를 위해 준최적의 선형 검출기 및 SIC 기반 검출기를 제안한다.
• OFDM 기반 환경 신호로 모델을 확장하여 주파수 선택적 fading에 대한 저복잡도 최적 ML 검출기를 유도한다.
• 복소 가우시안 신호를 사용하고, 결정 영역 및 오차 확률의 통계적 분석을 통해 모든 검출기의 닫힌형 BER 표현식을 유도한다.
• MMSE 기반 신호 추정 및 간섭 제거 기법을 적용하며, 채널 상태 정보 및 신호 대 잡음비(SNR)를 바탕으로 성능을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 협업 수신기는 환경 RF 소스 및 수동 백스캐터 장치로부터의 신호를 동시에 디코딩할 수 있는가? 이는 전체 시스템 신뢰도 향상에 기여하는가?
• RQ2 평탄한 fading 조건에서 CABC 시스템에서 SIC 기반 검출기의 성능은 최적의 ML 검출기와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 RF 소스와 A-BD 간의 심볼 주기가 다를 경우, CABC 시스템의 검출 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 백스캐터링 신호가 언제 RF 소스 신호의 검출을 향상시키는가?
• RQ5 평탄한 및 주파수 선택적 fading 채널에서 ML, 선형, SIC 검출기의 닫힌형 BER 표현식을 도출할 수 있는가?

주요 결과

• A-BD와 RF 소스의 심볼 주기가 동일할 경우, SIC 기반 검출기는 일반적인 CABC 시나리오에서 near-ML 성능을 달성한다.
• A-BD의 심볼 주기가 길어지면(즉, 전송 속도가 낮아지면), 백스캐터링 신호가 RF 소스 신호의 ML 검출 성능을 향상시켜 이로운 채널 다변도를 제공한다.
• 모든 검출기의 닫힌형 BER 표현식이 도출되었으며, 다양한 채널 조건에서 정확한 성능 평가가 가능해졌다.
• MMSE 기반 선형 검출기는 RF 소스 신호의 검출을 위한 SNR $ \gamma_1(\mathbf{H}) $ 를 확보하며, BER는 이 SNR와 채널 상관관계에 따라 달라진다.
• A-BD 신호의 경우, RF 소스가 올바르게 디코딩되면 간섭 제거 덕분에 SIC 검출 시 BER가 크게 감소한다.
• 협업의 성능 향상은 주로 저SNR 영역에서 두드러지며, 직접 링크에서의 깊은 페이딩을 백스캐터링 링크의 다변도 이득이 보완한다.