[논문 리뷰] Riding on the Primary: A New Spectrum Sharing Paradigm for Wireless-Powered IoT Devices

Xin Kang, Ying‐Chang Liang외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 20.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 19인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 환경 방사 전파 통신을 사용하는 무선 전원 공급 IoT 장치를 위한 새로운 스펙트럼 공유 파라다임인 Riding on the Primary (ROP)을 제안한다. 보조 송신기는 주파수 신호로부터 에너지를 수확하고 이를 반사하면서 데이터를 변조함으로써, 주파수 신호의 전송 전력과 보조 반사 계수를 공동 최적화하여 다양한 제약 조건 하에서 에르고딕 용량을 극대화한다. 다수의 실용적 시나리오, 예를 들어 fading 채널과 간섭 요구 조건을 고려한 경우에 대해 닫힌 형태의 해를 도출한다.

ABSTRACT

In this paper, a new spectrum sharing model referred to as riding on the primary (ROP) is proposed for wireless-powered IoT devices with ambient backscatter communication capabilities. The key idea of ROP is that the secondary transmitter harvests energy from the primary signal, then modulates its information bits to the primary signal, and reflects the modulated signal to the secondary receiver without violating the primary system's interference requirement. Compared with the conventional spectrum sharing model, the secondary system in the proposed ROP not only utilizes the spectrum of the primary system but also takes advantage of the primary signal to harvest energy and to carry its information. In this paper, we investigate the performance of such a spectrum sharing system under fading channels. To be specific, we maximize the ergodic capacity of the secondary system by jointly optimizing the transmit power of the primary signal and the reflection coefficient of the secondary ambient backscatter. Different (ideal/practical) energy consumption models, different (peak/average) transmit power constraints, different types (fixed/dynamically adjustable) reflection coefficient, different primary system's interference requirements (rate/outage) are considered. Optimal power allocation and reflection coefficient are obtained for each scenario.

연구 동기 및 목표

• 저전력 IoT 장치의 배터리 수명을 연장하는 데 도전하는 문제를 해결하기 위해, 환경 RF 신호로부터 에너지 수확을 가능하게 한다.
• 주파수 시스템 간섭 제약 조건을 위반하지 않으면서, 보조 백스캐터 장치가 주파수 신호로부터 스펙트럼과 에너지를 동시에 활용할 수 있는 스펙트럼 공유 모델을 설계한다.
• fading 채널 조건 하에서 보조 시스템의 에르고딕 용량을 극대화하기 위해 주파수 전송 전력과 보조 반사 계수를 공동 최적화한다.
• 다양한 실용적 제약 조건 하에서 시스템 성능을 평가한다: 이상적 대 실용적 에너지 모델, 피크 대 평균 전력 제한, 고정 대 동적 반사 계수, 주파수 데이터율 또는 아웃지 제약 조건.

제안 방법

• 보조 백스캐터 장치가 주파수 신호로부터 에너지를 수확하고, 이를 변조한 후 주파수 신호를 반사하여 보조 수신기로 전달하는 Riding on the Primary (ROP) 모델을 제안한다.
• Rayleigh fading 채널 조건 하에서 시스템을 모델링하고, 보조 링크의 에르고딕 용량을 극대화하기 위한 최적화 문제를 수립한다.
• 에너지 소비 모델, 전력 제약 조건, 주파수 간섭 요구 조건의 다양한 조합 하에서 최적의 전력 할당 및 반사 계수에 대한 닫힌 형태의 해를 도출한다.
• 이상적 및 실용적 에너지 소비 모델을 모두 고려하며, 후자는 회로 전력과 에너지 수확 효율성을 반영한다.
• 주파수 시스템 제약 조건, 예를 들어 최소 데이터율 요구 조건 또는 최대 아웃지 확률을 고려하여, 이를 전력 할당 제약 조건으로 변환한다.
• fading 조건 하에서 에르고딕 용량 극대화 문제를 해결하기 위해 확률적 최적화 기법을 사용하며, 수치 결과를 통해 다양한 시나리오에서의 성능을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 보조 백스캐터 장치는 주파수 신호의 성능을 저하시키지 않으면서 동일한 주파수 신호를 활용해 에너지를 수확하고 정보를 전송할 수 있는가?
• RQ2 fading 채널 조건 하에서 보조 링크의 에르고딕 용량을 극대화하기 위해 주파수 전송 전력과 보조 반사 계수를 공동 최적화하는 최적의 할당 방식은 무엇인가?
• RQ3 다양한 에너지 소비 모델(이상적 대 실용적)이 시스템의 용량과 최적 설계에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 피크 전력, 평균 전력, 주파수 아웃지 제약 조건이 ROP 프레임워크 내에서 실현 가능한 에르고딕 용량에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 다양한 채널 조건 하에서 고정 반사 계수 대비 동적 조절 가능한 반사 계수를 사용할 경우 성능 향상은 어느 정도 이루어지는가?

주요 결과

• 보조 시스템의 에르고딕 용량은 피크 또는 평균 전송 전력 제약 조건이 높을수록 증가하며, 주파수 시스템이 더 많은 간섭을 허용할수록(예: 낮은 데이터율 요구 조건 또는 높은 아웃지 확률) 더 높아진다.
• 동일한 전력 제약 조건 하에서, 동적 반사 계수 최적화는 고정 반사 계수보다 더 높은 에르고딕 용량을 달성한다. 이는 페이딩 블록에 대한 적응적 적응성 덕분이다.
• 주파수 데이터율 제약 조건에서 γ = 1일 경우보다 γ = 2일 경우보다 더 높은 용량을 달성한다. 이는 낮은 주파수 데이터율 요구 조건이 보다 높은 보조 전송 전력 허용을 가능하게 하기 때문이다.
• 주파수 시스템이 100% 아웃지 확률 제약 조건을 가질 경우, 시스템 용량은 상한선에 가까워지며, 0% 아웃지 확률 제약 조건은 하한선이 되며, 이는 주파수 데이터율 제약 조건 케이스와 동일하다.
• 평균 전력 제약 조건 하에서는 저전력 수준에서 아웃지 확률이 다른 곡선 간 용량 차이가 작아지며, 이는 평균 전력이 주요 제약 조건이 되기 때문이다.
• 대부분의 최적화 문제에 대해 닫힌 형태의 해를 도출하여 실용적 시스템에서 효율적인 구현이 가능하다.