[논문 리뷰] Design of Non-orthogonal Multiple Access Enhanced Backscatter Communication

Jing Guo, Xiangyun Zhou외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 30.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 22인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 거리 및 백스캐터링 전력 수준에 기반해 반사 계수를 다르게 할당하여 동일한 시간-주파수 자원에서 다수의 백스캐터링 노드(BN)를 다중화하는 비직교 다중접근(NOMA) 기반 백스캐터링 통신 시스템을 제안한다. 주요 기여는 스펙트럼 효율성과 시스템 성능을 크게 향상시키는 반사 계수 선택 기준이며, 시뮬레이션 결과 NOMA는 기존 시스템에 비해 백스캐터링 통신(BackCom)에서 훨씬 더 큰 성능 향상을 보인다.

ABSTRACT

Backscatter communication (BackCom), which allows a backscatter node (BN) to communicate with the reader by modulating and reflecting the incident continuous wave from the reader, is considered as a promising solution to power the future Internet-of-Things. In this paper, we consider a single BackCom system, where multiple BNs are served by a reader. We propose to use the power-domain non-orthogonal multiple access (NOMA), i.e., multiplexing the BNs in different regions or with different backscattered power levels, to enhance the spectrum efficiency of the BackCom system. To better exploit power-domain NOMA, we propose to set the reflection coefficients for multiplexed BNs to be different. Based on this considered model, we develop the reflection coefficient selection criteria. To illustrate the enhanced system with the proposed criteria, we analyze the performance of BackCom system in terms of the average number of bits that can be successfully decoded by the reader for two-node pairing case and the average number of successful BNs for the general multiplexing case. Our results shows that NOMA achieves much better performance gain in the BackCom system as compared to its performance gain in the conventional system, which highlights the importance of applying NOMA to the BackCom system.

연구 동기 및 목표

• 다수의 백스캐터링 노드(BN)를 서비스하는 백스캐터링 통신(BackCom) 시스템의 스펙트럼 효율성 제한 문제를 해결하기 위해.
• 자원 블록을 동일하게 사용하는 다수의 BN으로부터의 동시 전송을 가능하게 하기 위해 파wr 도메인 비직교 다중접근(NOMA)을 BackCom에 통합해 보다.
• 채널 이득 차이와 경로 손실을 활용해 시스템 성능을 향상시키기 위한 반사 계수 선택 전략을 개발하기 위해.
• 기존 시스템과의 비교에서 NOMA가 BackCom에서 가지는 성능 향상, 특히 성공적 복원 가능성과 사용자 다중화 측면에서의 성능 향상을 평가하기 위해.

제안 방법

• BN이 거리 기반으로 그룹화되고 각기 다른 반사 계수를 할당받는 단일 리더, 다수 BN 백스캐터링 시스템을 모델링한다.
• 경로 손실과 백스캐터링 신호 전력의 차이를 활용해 파워 도메인 NOMA를 적용하여 동일한 자원 블록 내에서 다중화를 가능하게 한다.
• 신호 대 간섭 및 노이즈 비율(SINR) 제약 조건을 사용해 이중 노드 쌍화 케이스에서 성공적으로 복원된 비트 수의 평균에 대한 해석적 표현을 유도한다.
• 리더에서 순차적 간섭 제거(SIC)를 적용하며, 채널 이득 기반으로 가까운 BN에서 먼 BN으로 순서대로 복원한다.
• 전력 및 간섭 제약 조건 하에서 시스템 스루풋을 최대화하는 반사 계수 선택 기준을 개발한다.
• 스토하스틱 기하학 기반 분석을 통해 일반적인 다중화 시나리오에 대한 아웃지 및 성공적 복원 확률을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 노드 시나리오에서 스펙트럼 효율성을 향상시키기 위해 NOMA를 백스캐터링 통신 시스템에 효과적으로 적용하는 방법은 무엇인가?
• RQ2 NOMA 기반 백스캐터링 통신 시스템에서 성공적으로 복원된 BN 수를 최대화하는 반사 계수 설계 전략은 무엇인가?
• RQ3 백스캐터링 통신에서의 NOMA 성능 향상은 기존 무선 시스템에서의 성능 향상과 비교해 어떻게 다를까?
• RQ4 경로 손실과 사용자 쌍화가 NOMA 기반 백스캐터링 네트워크에서 성공적 복원 확률에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 제안된 반사 계수 최적화 하에 다중화된 BN 수가 증가함에 따라 시스템 성능는 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 제안된 NOMA 기반 백스캐터링 통신 시스템은 기존의 직교 다중접근 방식에 비해 훨씬 높은 스펙트럼 효율성을 달성한다.
• 백스캐터링 통신에서의 NOMA 성능 향상은 기존 시스템에 비해 훨씬 더 크게 나타나며, NOMA와 백스캐터링 통신의 조합이 가지는 고유한 이점이 뚜렷하다.
• 이중 노드 쌍화 케이스에 대한 해석적 결과는 최적의 반사 계수 선택이 성공적으로 복원된 비트 수의 평균을 증가시킨다는 것을 보여준다.
• 일반적인 다중화 시나리오에서 반사 계수를 거리 및 경로 손실 기반으로 철저히 설계할 경우 성공적으로 복원된 BN 수의 평균이 최대화된다.
• 유도된 반사 계수 선택 기준은 특히 고밀도 백스캐터링 네트워크에서 간섭과 복원 신뢰성 간의 균형을 효과적으로 유지한다.
• 수치 결과는 NOMA가 백스캐터링 통신 시스템에서 스펙트럼 효율성과 사용자 다중화 능력 모두에서 직교 다중접근보다 뛰어난 성능을 보임을 확인한다.