[논문 리뷰] Noncoherent Multiantenna Receivers for Cognitive Backscatter System with Multiple RF Sources

Huayan Guo, Qianqian Zhang외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 13.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 30인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 다수의 RF 소스를 가진 인지 백스캐터 시스템을 위한 비협응 다중안테나 수신기를 제안하며, 펄스 신호나 채널 상태 정보 없이도 고속도 전송을 가능하게 한다. 최대우도 검출과 블라인드 클러스터링 기반 채널 추정 방법을 활용하여, 강한 간섭 조건에서도 신뢰성 있는 성능을 달성하며, 수신 안테나 수 M이 RF 소스 수 K를 초과할 경우 전송 속도가 증가한다.

ABSTRACT

Cognitive backscattering, an integration of cognitive radio and backsatter modulation, is emerging as a potential candidate for green Internet of Things (IoT). In cognitive backscatter systems, the backscatter device (BD) shares not only the same spectrum, but also the same radio-frequency (RF) source with the legacy system. In this paper, we investigate the signal transmission problem, in which a basic transmission model is considered which consists of K RF sources, one BD and one reader equipped with M antennas. A non-cooperative scenario is considered, where there is no cooperation between the legacy systems and the backscatter system, and no pilots are transmitted from the RF sources or BD to the reader. The on-off keying differential modulation is adopted to achieve noncoherent transmission. Firstly, through the capacity analyses, we point out that high-throughput backscatter transmission can be achieved when the number of the receive antennas satisfies M>K. The Chernoff Information (CI) is also derived to predict the detection performance. Next, we address the signal detection problem at the reader. The optimal soft decision (SD) and suboptimal hard decision (HD) detectors are designed based on the maximum likelihood criterion. To tackle the non-cooperation challenge, a fully blind channel estimation method is proposed to learn the detection-required parameters based on clustering. Extensive numerical results verify the effectiveness of the proposed detectors and the channel estimation method. In addition, it is illustrated that the increase of K may not necessarily lead to performance degradation when multiple receive antennas are exploited.

연구 동기 및 목표

• 다수의 기존 RF 소스가 변조된 신호를 전송하여 강한 알 수 없는 직접링크 간섭(DLI)을 유발하는 인지 백스캐터 시스템에서 신뢰성 있는 백스캐터 신호 검출 문제를 해결한다.
• 채널 추정이 필요 없는 전통적인 비협응 에너지 검출기의 한계를 극복하며, 이는 증가하는 RF 송신 전력에도 불구하고 오류 바닥이 존재해 성능 향상이 어려운 문제를 해결한다.
• 펄스 신호나 채널 상태 정보 없이도 고스펙트럼 효율성과 신뢰성 있는 통신을 가능하게 하는 수신기 아키텍처를 설계한다.
• 특히 M > K 조건에서 다수의 수신 안테나를 활용한 공간 다양성을 통해 고속도 백스캐터 전송을 가능하게 한다.

제안 방법

• 채널 추정이 필요 없는 비협응 전송 모델을 도입하기 위해 온오프 키우잉(OOK) 차등 변조를 사용한다.
• 검출 성능을 예측하고 오류 확률의 이론적 한계를 설정하기 위해 채르노프 정보(CI)를 유도한다.
• 최대우도 기준에 기반한 최적의 소프트 결정(SD) 및 준최적의 하드 결정(HD) 검출기를 설계하여 검출 정확도를 향상시킨다.
• RF 소스나 채널 상태에 대한 사전 지식 없이도 검출에 필요한 파rameter를 추정하기 위해 클러스터링을 활용한 완전히 블라인드 채널 추정 방법을 제안한다.
• 랜덤 채널 감쇠와 간섭을 고려하여, 온오프 변조된 신호의 평균 가용 전송률을 수치적으로 계산하기 위해 몬테카를로 적분을 활용한다.
• 시스템 용량을 분석하고, M > K 조건에서 용량이 무한히 증가함을 보여주며, 수신 안테나 수를 늘림으로써 다수의 RF 소스로부터 오는 간섭을 상쇄시킬 수 있음을 시사한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다수의 RF 소스가 존재하고 펄스 신호가 없을 경우, 비협응, 비협력 환경에서도 고속도 백스캐터 통신을 달성할 수 있는가?
• RQ2 다수의 RF 소스(K)가 존재할 때, 수신 안테나 수(M)가 시스템 용량과 오류 성능에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 채널 상태 정보가 없을 경우, 클러스터링 기반 블라인드 채널 추정이 신뢰성 있는 검출에 필요한 파rameter를 효과적으로 복원할 수 있는가?
• RQ4 다수의 수신 안테나를 사용할 경우, RF 소스 수(K)를 늘리는 것이 반드시 시스템 성능을 악화시키는가?
• RQ5 알 수 없는 변조된 직접링크 간섭이 존재할 경우, 온오프 변조된 백스캐터 신호의 이론적 가용 전송률의 한계는 무엇인가?

주요 결과

• 수신 안테나 수가 RF 소스 수를 초과할 경우(M > K), 이상적인 조건에서 용량이 무한히 증가하므로 고속도 백스캐터 전송이 가능하다.
• 채르노프 정보(CI)는 알 수 없는 간섭 조건에서도 검출 성능을 신뢰성 있게 예측하고 오류 확률을 특성화하는 데 효과적인 지표를 제공한다.
• 최대우도 기준에 기반한 최적의 소프트 결정(SD) 및 준최적의 하드 결정(HD) 검출기는 기존 에너지 검출기보다 훨씬 뛰어난 성능을 보이며, 특히 고SNR 영역에서 두드러진다.
• 블라인드 클러스터링 기반 채널 추정 방법은 RF 소스나 채널 상태에 대한 사전 지식 없이도 검출 파rameter를 성공적으로 회복하여 비협력 환경에서도 안정적인 운영을 가능하게 한다.
• 수치 결과는 K를 늘여도 M > K 조건이 유지될 경우 성능 저하가 반드시 발생하지 않음을 확인하며, 간섭 제한 환경에서 다중안테나 다양성의 강건성을 입증한다.
• 온오프 변조된 신호의 평균 가용 전송률은 몬테카를로 적분을 통해 계산되었으며, 감쇠와 간섭 조건에서도 시스템이 높은 스펙트럼 효율성을 유지할 수 있음을 보여준다.