[논문 리뷰] Symbiotic Radio: Cognitive Backscattering Communications for Future Wireless Networks

Ying‐Chang Liang, Qianqian Zhang외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 03.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 77인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 2차 전송기(secondary transmitter)가 주 전송기(primary transmitter)의 신호를 백스캐터링하여 스펙트럼 및 에너지 효율적인 무선 통신을 가능하게 하는 새로운 인지 백스캐터링 통신 시스템인 상호작용 무선(Symbiotic Radio, SR)을 제안한다. 공동 디코딩과 재구성 가능한 지능형 표면(Reconfigurable Intelligent Surfaces, RIS)을 활용함으로써 SR은 상호작용 스펙트럼 공유와 높은 신뢰성, 저전력 통신을 실현하여 향후 무선 네트워크의 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성을 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

The heterogenous wireless services and exponentially growing traffic call for novel spectrum- and energy-efficient wireless communication technologies. In this paper, a new technique, called symbiotic radio (SR), is proposed to exploit the benefits and address the drawbacks of cognitive radio (CR) and ambient backscattering communications(AmBC), leading to mutualism spectrum sharing and highly reliable backscattering communications. In particular, the secondary transmitter (STx) in SR transmits messages to the secondary receiver (SRx) over the RF signals originating from the primary transmitter (PTx) based on cognitive backscattering communications, thus the secondary system shares not only the radio spectrum, but also the power, and infrastructure with the primary system. In return, the secondary transmission provides beneficial multipath diversity to the primary system, therefore the two systems form mutualism spectrum sharing. More importantly, joint decoding is exploited at SRx to achieve highly reliable backscattering communications. To exploit the full potential of SR, in this paper, we address three fundamental tasks in SR: (1) enhancing the backscattering link via active load; (2) achieving highly reliable communications through joint decoding; and (3) capturing PTx's RF signals using reconfigurable intelligent surfaces. Emerging applications, design challenges and open research problems will also be discussed.

연구 동기 및 목표

• 미래 네트워크에서 증가하는 스펙트럼 및 에너지 효율적인 무선 통신 수요를 해결하기 위해.
• 기존 인지 무선 및 환경 백스캐터링 시스템에서 발생하는 간섭 및 신뢰성 문제를 극복하기 위해.
• 2차 시스템이 주 인프라를 이용하면서도 주 전송의 다중 경로 다양성을 향상시켜 상호작용 스펙트럼 공유를 실현하기 위해.
• 백스캐터링 통신을 위한 저복잡도, 에너지 효율적인 트랜시iever 솔루션을 설계하기 위해.
• SR 시스템의 잠재적 응용 분야를 탐색하고 채널 모델링, 하드웨어 설계, 보안 분야의 핵심 과제를 규명하기 위해.

제안 방법

• 2차 전송기(STx)가 주 전송기(PTx)의 신호를 인지 백스캐터링 변조 방식을 통해 백스캐터링하는 상호작용 무선(SR) 시스템을 제안한다.
• 2차 수신기(SRx)에서 공동 디코딩을 적용하여 직접 경로와 백스캐터링 경로를 모두 활용함으로써 신뢰성을 향상시킨다.
• STx에서 능동적 로드 변조를 도입하여 백스캐터링 신호의 세기를 강화하고 링크 품질을 향상시킨다.
• RIS를 활용하여 PTx의 RF 신호를 지능적으로 반사하고 빔포밍함으로써 신호 커버리지와 신뢰성을 향상시킨다.
• STx에서 주 신호를 활성 오실레이터 없이 추적할 수 있는 저복잡도 동기화 기법을 설계하여 전력 소모를 감소시킨다.
• 간섭 제약 조건과 채널 불확실성 하에서 시스템 성능을 최적화하기 위해 자원 할당 및 신호 처리 기법을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2차 시스템이 주 시스템과 스펙트럼과 인프라를 공유하면서도 신뢰성 있는 백스캐터링 통신을 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ2 강한 직접 경로 간섭이 존재하는 환경에서 공동 디코딩이 백스캐터링 신호의 신뢰성 향상에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 재구성 가능한 지능형 표면(RIS)을 어떻게 활용하여 상호작용 무선 시스템의 성능을 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 저복잡도, 에너지 효율적인 SR 트랜시iever의 채널 추정 및 동기화에서의 핵심 과제는 무엇인가?
• RQ5 주 전송과의 상호의존성으로 인해 상호작용 무선 시스템에서 보안과 프라이버시를 어떻게 확보할 수 있는가?

주요 결과

• 2차 수신기에서의 공동 디코딩은 직접 경로와 백스캐터링 경로에서 유도되는 다중 경로 다양성을 활용하여 검출 신뢰성을 크게 향상시킨다.
• 2차 전송기에서의 능동적 로드 사용은 백스캐터링 신호 세기를 강화하여 링크 예산과 통신 범위를 향상시킨다.
• 재구성 가능한 지능형 표면(RIS)은 주 신호를 2차 수신기 쪽으로 정밀하게 조향하고 집중시켜 커버리지와 신뢰성을 향상시키는 데 효과적으로 활용될 수 있다.
• 상호작용 무선는 상호작용 스펙트럼 공유를 실현한다: 2차 시스템은 주 인프라와 스펙트럼을 이용하면서도 주 전송은 2차 반사로 인한 다중 경로 다양성을 확보한다.
• 제안된 시스템은 높은 스펙트럼 및 에너지 효율성을 달성하여 IoT 및 스마트 홈 네트워크와 같은 저데이터율, 저전력 응용 분야에 적합하다.
• 채널 추정 및 동기화가 여전히 핵심 과제로 남아 있으며, 파ilot 오염을 방지하고 고전력 소모 부품을 피하기 위해 저복잡도 알고리즘이 필요하다.