[논문 리뷰] Symbiotic Radio: A New Communication Paradigm for Passive Internet-of-Things

Ruizhe Long, Huayan Guo외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 31.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 23인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 백스캐터링 장치(BD)가 주파수 대역, RF 소스, 수신기를 주요 송신기(PT)와 공유하는 새로운 피assive IoT 통신 패러다임인 상호작용 무선(SR)을 제안한다. 이는 에너지 효율적인 백스캐터링 통신을 가능하게 한다. 공동 전송 beamforming 최적화를 통해 주 시스템의 전송률과 BD의 전송률을 동시에 향상시키며, MISO 환경에서 협업 디코딩과 간섭 활용을 통해 성능 햖도를 달성한다.

ABSTRACT

In this paper, a novel technique, called symbiotic radio (SR), is proposed for passive Internet-of-Things (IoT), in which a backscatter device (BD) is integrated with a primary transmission. The primary transmitter is designed to assist the primary and BD transmissions, and the primary receiver decodes the information from the primary transmitter as well as the BD. We consider a multiple-input single-output (MISO) SR and the symbol period for BD transmission is designed to be either the same as or much longer than that of the primary system, resulting in parasitic or commensal relationship between the primary and BD transmissions. We first derive the achievable rates for the primary system and the BD transmission. Then, we formulate two transmit beamforming optimization problems, i.e., the weighted sum-rate maximization problem and the transmit power minimization problem, and solve these non-convex problems by applying semi-definite relaxation technique. In addition, a novel transmit beamforming structure is proposed to reduce the computational complexity of the solutions. Simulation results show that when the BD transmission rate is properly designed, the proposed SR not only enables the opportunistic transmission for the BD via energy-efficient passive backscattering, but also enhances the achievable rate of the primary system by properly exploiting the additional signal path from the BD.

연구 동기 및 목표

• 대규모 피assive IoT 구현에서 에너지와 스펙트럼 부족 문제를 해결하기 위해 새로운 통신 패러다임을 제안한다.
• 주 네트워크 신호를 활용하여 백스캐터링 장치가 활성 RF 구성 요소 없이 데이터를 전송할 수 있도록 한다.
• 주 시스템과 백스캐터링 전송을 위한 공동 beamforming 최적화를 통해 시스템의 합성 전송률을 최대화하거나 전송 전력을 최소화한다.
• BD 전송률이 주 시스템 전송률에 비해 상대적으로 낮은지 여부에 따라 두 가지 SR 모드—기생적(SR)과 공생적(SR)—을 탐색한다.
• 백스캐터링을 통해 주 시스템 성능이 악화되는 것이 아니라, 유용한 신호 경로를 활용함으로써 향상될 수 있음을 입증한다.

제안 방법

• 주 송신기(PT)가 공동 beamforming을 통해 자신의 전송과 동시에 백스캐터링 장치(BD)의 전송을 지원하는 MISO 상호작용 무선 모델을 제안한다.
• 주 수신기(PR)를 성능 향상을 위해 순차적 간섭 제거(SIC)를 사용하여 두 신호를 디코딩하도록 모델링하며, BD 신호를 시간에 따라 변하는 채널 응답으로 간주한다.
• 백스캐터링 링크에서의 무작위 신호 진폭을 고려하여 주 시스템과 BD의 이행 가능한 전송률에 대한 닫힌 형태의 수식을 유도한다.
• 비볼록 최적화 문제 두 가지를 설정한다: 가중합전송률 최대화 및 전송 전력 최소화 문제이며, 이를 정규화된 준엄밀성 해법(SDR)을 통해 해결한다.
• 성능 유지를 유지하면서 계산 복잡도를 줄이기 위해 새로운 beamforming 구조를 도입한다.
• 두 가지 SR 모드를 분석한다: 기생적 SR(BD 전송률 ≤ 주 전송률)와 공생적 SR(BD 전송률 ≪ 주 전송률), 각각 다른 신호 모델과 디코딩 전략을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 백스캐터링 장치가 주 네트워크의 스펙트럼과 수신기를 공유함으로써 신뢰성 있고 에너지 효율적인 통신을 달성할 수 있는가?
• RQ2 공동 beamforming 설계가 상호작용 무선 시스템에서 주 링크와 백스캐터링 링크의 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 백스캐터링 전송이 주 시스템의 전송률을 떨어뜨리는 것이 아니라 향상시키는 상황는 어떤가?
• RQ4 공유 스펙트럼과 수신기 제약 조건 하에서 주 시스템 전송률과 BD 전송률 간 최적의 트레이드오프는 무엇인가?
• RQ5 두 신호의 신뢰성 있는 디코딩을 보장하면서도 합성 전송률을 최대화하거나 전력 소모를 최소화하기 위해 beamforming을 어떻게 최적화할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 상호작용 무선 시스템은 피assive IoT 장치가 활성 RF 구성 요소 없이도 백스캐터링만으로 데이터를 전송할 수 있도록 한다.
• BD의 산란 특성을 추가 신호 경로로 활용함으로써, 특히 공생적 SR 환경에서 주 시스템의 이행 가능한 전송률을 향상시킬 수 있다.
• 백스캐터링 링크의 평균 데이터 전송률은 $ R_c^{(1)} = -e^{1/eta} \mathrm{Ei}(-1/eta) \log_2 e $ 로 닫힌 형태로 유도되며, 여기서 $ \beta $ 는 백스캐터링 링크의 평균 신호대임비(SNR)이다.
• 가중합전송률 최대화 및 전송 전력 최소화 문제는 정규화된 준엄밀성 해법(SDR)을 통해 해결되어 근사 최적의 beamforming 해를 도출한다.
• 제안된 beamforming 구조는 기생적 및 공생적 SR 환경 모두에서 높은 성능를 유지하면서도 계산 복잡도를 크게 감소시킨다.
• 시뮬레이션 결과는 적절하게 설계된 BD 전송이 기회적인 피assive 통신을 가능하게 할 뿐 아니라, 건설적인 신호 경로 활용을 통해 주 시스템의 전송률을 향상시킴을 확인한다.