[논문 리뷰] Design of an MISO-SWIPT-Aided Code-Index Modulated Multi-Carrier M-DCSK System for e-Health IoT

Guofa Cai, Yi Fang외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 16.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 52인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 채널 추정이 필요 없이 동시에 에너지와 정보를 전송할 수 있도록 혼돈 신호의 직교성을 활용한 MISO-SWIPT-보조 코드-인덱스 변조 다중대역 M-DCSK 시스템을 제안한다. 이 시스템은 낮은 복잡도로 높은 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성을 달성하며, 다중 경로 Rayleigh fading 채널에서 강건한 다중 경로 감쇠에 대한 성능을 보이며 BER 성능이 검증되었다.

ABSTRACT

Code index modulated multi-carrier M-ary differential chaos shift keying (CIM-MC-M-DCSK) system not only inherits low-power and low-complexity advantages of the conventional DCSK system, but also significantly increases the transmission rate. This feature is of particular importance to Internet of Things (IoT) with trillions of low-cost devices. In particular, for e-health IoT applications, an efficient transmission scheme is designed to solve the challenge of the limited battery capacity for numerous user equipments served by one base station. In this paper, a new multiple-input-single-output simultaneous wireless information and power transfer (MISO-SWIPT) scheme for CIM-MC-M-DCSK system is proposed by utilizing orthogonal characteristic of chaotic signals with different initial values. The proposed system adopts power splitting mode, which is very promising for simultaneously providing energy and transmitting information of the user equipments without any external power supply. In particular, the new system can achieve desirable anti-multipath-fading capability without using channel estimator. Moreover, the analytical bit-error-rate expression of the proposed system is derived over multipath Rayleigh fading channels. Furthermore, the spectral efficiency and energy efficiency of the proposed system are analyzed. Simulation results not only validate the analytical expressions, but also demonstrate the superiority of the proposed system.

연구 동기 및 목표

• 다량의 저비용, 저전력 장치를 포함하는 에너지 제약이 있는 e-헬스 IoT 네트워크의 문제를 해결하기 위해.
• 채널 상태 정보를 요구하지 않고도 다중대역 M-DCSK 시스템에서 동시에 무선 정보 및 전력 전송(SWIPT)을 가능하게 하기 위해.
• 실제 구현에 적합한 낮은 하드웨어 복잡도를 유지하면서 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성을 향상시키기 위해.
• 채널 추정에 의존하지 않고 다중 경로 감쇠에 강건한 시스템 설계를 위해.

제안 방법

• 다른 초기 조건을 가진 직교 혼돈 신호를 사용하여 MISO-SWIPT에서 간섭 없는 다중 사용자 액세스 및 에너지 분할을 실현한다.
• 수신 신호를 에너지 수확 및 정보 복호화 구성 요소로 나누기 위해 파wr 스플리팅(PS) 수신기 아키텍처를 적용한다.
• 다중대역 M-DCSK 프레임워크에 코드-인덱스 변조(CIM)를 도입하여 스펙트럼 효율성을 향상시킨다.
• 통계적 신호 모델링을 사용하여 다중 경로 Rayleigh fading 채널에서 비트 오류율(BER)에 대한 해석적 표현을 유도한다.
• 직교 혼돈 시퀀스를 사용하여 시스템을 모델링하고, 결정 메트릭의 평균과 분산을 도출하기 위해 통계 분석을 적용한다.
• 실제의 흐리기 및 노이즈 조건 하에서 시뮬레이션을 통해 이론적 BER 표현의 타당성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 혼돈 신호의 직교성은 다중대역 M-DCSK 시스템에서 신뢰성 있는 동시에 정보 및 에너지 전송을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 채널 추정이 없는 조건에서 제안된 MISO-SWIPT 기법은 다중 경로 Rayleigh fading 채널에서 BER 성능 측면에서 어떻게 작동하는가?
• RQ3 기존의 DCSK 및 SWIPT 시스템과 비교해 볼 때 제안된 시스템의 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성은 어떠한가?
• RQ4 명시적인 채널 추정 없이 시스템은 다중 경로 감쇠에 대해 어느 정도 강건성을 유지하는가?
• RQ5 송신 전력 및 안테나 수와 같은 시스템 파라미터는 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 시스템은 Rayleigh fading 채널에서 유도된 해석적 표현과 밀접하게 일치하는 BER 성능을 달성하여 이론적 모델의 타당성을 검증한다.
• 채널 상태 정보나 추정이 필요 없이도 다중 경로 감쇠에 대한 강력한 저항성을 보이며 성능을 유지를 한다.
• 다중대역 M-DCSK 프레임워크에 코드-인덱스 변조를 통합함으로써 스펙트럼 효율성이 크게 향상된다.
• 파워 스플리팅 메커니즘이 도입되어 에너지 효율성이 향상되어 저전력 e-헬스 장치의 자가 지속 운영이 가능해진다.
• 낮은 복잡도를 유지하면서도 고속 데이터 전송을 지원하여 대규모 e-헬스 IoT 구현에 적합하다.
• 시뮬레이션 결과는 기존 방법에 비해 BER, 스펙트럼 효율성, 에너지 효율성 측면에서 제안된 기법의 우수성을 확인한다.