[논문 리뷰] Full-Duplex Backscatter Interference Networks Based on Time-Hopping Spread Spectrum

Wanchun Liu, Kaibin Huang외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 31.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 14인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 고밀도 IoT 환경에서 동시 이중방향 정보전송(IT)과 단일방향 에너지전송(ET)을 가능하게 하기 위해 시간호핑 스프레드 스펙트럼(TH-SS)을 사용하는 풀디럭스 백스캐터 커뮤니케이션 네트워크를 제안한다. 다중 액세스를 위해 TH-SS를 활용하고 코herent/비코herent 검출을 조합함으로써 간섭을 억제하고 높은 스펙트럼 효율성을 달성한다. 비트오류율, 에너지 수확 효율성, 중단확률과 같은 분석적 성능 지표는 스토하스틱 기하학 모델을 통해 검증된다.

ABSTRACT

Future Internet-of-Things (IoT) is expected to wirelessly connect billions of low-complexity devices. For wireless information transfer (WIT) in IoT, high density of IoT devices and their ad hoc communication result in strong interference which acts as a bottleneck on WIT. Furthermore, battery replacement for the massive number of IoT devices is difficult if not infeasible, making wireless energy transfer (WET) desirable. This motivates: (i) the design of full-duplex WIT to reduce latency and enable efficient spectrum utilization, and (ii) the implementation of passive IoT devices using backscatter antennas that enable WET from one device (reader) to another (tag). However, the resultant increase in the density of simultaneous links exacerbates the interference issue. This issue is addressed in this paper by proposing the design of full-duplex backscatter communication (BackCom) networks, where a novel multiple-access scheme based on time-hopping spread-spectrum (TH-SS) is designed to enable both one-way WET and two-way WIT in coexisting backscatter reader-tag links. Comprehensive performance analysis of BackCom networks is presented in this paper, including forward/backward bit-error rates and WET efficiency and outage probabilities, which accounts for energy harvesting at tags, non-coherent and coherent detection at tags and readers, respectively, and the effects of asynchronous transmissions.

연구 동기 및 목표

• 미래의 IoT 네트워크에서 고밀도 및 애드혹적인 IoT 기기 간 통신으로 인한 심각한 간섭 문제를 해결한다.
• 대규모 IoT 기기의 배터리 교체가 비현실적이므로 백스캐터 통신을 통한 무선 에너지전송(ET)을 가능하게 한다.
• 공존하는 리더-태그 링크에서 동시에 단일방향 ET와 이중방향 IT를 지원하는 풀디럭스 백스캐터 네트워크를 설계한다.
• 동일 채널 간섭을 억제하고 스펙트럼 효율을 향상시키기 위해 시간호핑 스프레드 스펙트럼(TH-SS) 기반의 새로운 다중접근 방식을 개발한다.
• 비동기 전송 및 fading 채널 조건 하에서 전방/후방 비트오류율, ET 효율성, 중단확률과 같은 핵심 성능 지표를 분석한다.

제안 방법

• 리더가 동시에 에너지를 전송하고 태그로부터 반사된 신호를 수신하는 풀디럭스 백스캐터 커뮤니케이션(BackCom) 네트워크 아키텍처를 제안한다.
• 공존하는 리더-태그 링크 간의 직교성을 확보하고 간섭을 감소시키기 위해 시간호핑 스프레드스펙트럼(TH-SS) 다중접근 방식을 설계한다.
• 신뢰성 향상을 위해 리더에서는 코herent 검출, 태그에서는 비코herent 검출을 통합하여 풀디럭스 운영을 지원한다.
• 랜덤 장치 배치를 위해 포아송 점 프로세스를, 채널 전파를 위해 레이일리 페이딩을 가정하여 네트워크를 스토하스틱 기하학적으로 모델링한다.
• 핵심 성능 지표인 전방/후방 비트오류율(BER), 에너지 수확(ET) 효율성, 에너지 중단확률에 대한 폐쇄형 표현식을 유도한다.
• 비동기 전송, 태그의 에너지 수확, 채널 페이딩 및 경로 손실(경로 손실 지수 λ)의 영향을 성능 분석에 포함시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고밀도 IoT 네트워크에서 풀디럭스 백스캐터 커뮤니케이션은 어떻게 설계되어야 하며, 동시에 이중방향 정보전송과 단일방향 에너지전송을 지원할 수 있는가?
• RQ2 레이일리 페이딩 및 비동기 전송 조건 하에서, 풀디럭스 TH-SS 백스캐터 네트워크의 전방 및 후방 링크에서 달성 가능한 비트오류율 성능은 어떠한가?
• RQ3 시간호핑 스프레드 스펙트럼 방식은 공존하는 리더-태그 링크에서 다중 사용자 간섭을 어떻게 억제하는가?
• RQ4 제안된 네트워크에서 태그의 에너지 수확 효율성과 중단확률은 어떠한가? 경로 손실과 전송 전력은 이들에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 -duty cycle, 반사계수, 전력분할비와 같은 설계 파rameter들은 전체 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 TH-SS 기반의 풀디럭스 BackCom 네트워크는 심각한 간섭 억제를 달성하여 고밀도 IoT 환경에서 신뢰성 있는 이중방향 IT 및 단일방향 ET를 가능하게 한다.
• 전방 및 후방 비트오류율은 폐쇄형으로 유도되었으며, 채널 페이딩 조건 하에서 리더의 코herent 검출과 태그의 비코herent 검출이 결합되어 BER 성능이 향상됨을 보여준다.
• 리더의 전송 전력과 시간 할당을 최적화함으로써 에너지 수확 효율성이 최대화되며, 기대 에너지 전송 속도(ETR)에 대한 분석적 표현식이 도출되었다.
• 에너지 중단확률은 전송 전력, 경로 손실, 채널 페이딩의 함수로 유도되었으며, 신호대간섭+노이즈비(SINR) 및 시간호핑 파rameter에 명시적인 의존성을 보인다.
• 비동기 전송을 고려한 성능 분석을 통해 시스템이 불완전한 동기화 조건 하에서도 강건함을 유지함을 확인하였다.
• 수치 결과는 제안된 방식이 기존의 백스캐터 시스템에 비해 특히 고밀도 환경에서 더 낮은 BER과 더 높은 ET 효율성을 달성함을 확인하였다.