[논문 리뷰] Wireless-Powered Device-to-Device Communications with Ambient Backscattering: Performance Modeling and Analysis

Xiao Lu, Hai Jiang외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 10.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 51인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 환경 방사선 백스캐터링과 무선 전력 전송을 통합하여 자가 수용 가능한 저전력 전송을 가능하게 하는 하이브리드 디바이스투디바이스(D2D) 통신 시스템을 제안한다. 환경 에너지 원천의 밀도와 분포에 따라 백스캐터링과 활성 RF 전송 간에 적응적으로 모드를 선택함으로써, 더 넓은 커버리지와 더 높은 Throughput를 달성하며, 공간 밀도, 전송 부하, 에너지 원천 간의 반발력이 높을수록 성능 향상이 이루어진다.

ABSTRACT

The recent advanced wireless energy harvesting technology has enabled wireless-powered communications to accommodate wireless data services in a self-sustainable manner. However, wireless-powered communications rely on active RF signals to communicate, and result in high power consumption. On the other hand, ambient backscatter technology that passively reflects existing RF signal sources in the air to communicate has the potential to facilitate an implementation with ultra-low power consumption. In this paper, we introduce a hybrid D2D communication paradigm by integrating ambient backscattering with wireless-powered communications. The hybrid D2D communications are self-sustainable, as no dedicated external power supply is required. However, since the radio signals for energy harvesting and for backscattering come from the ambient, the performance of the hybrid D2D communications depends largely on environment factors, e.g., distribution, spatial density, and transmission load of ambient energy sources. Therefore, we design two mode selection protocols for the hybrid D2D transmitter, allowing a more flexible adaptation to the environment. We then introduce analytical models to characterize the impacts of the considered environment factors on the hybrid D2D communication performance. Together with extensive simulations, our analysis shows that the communication performance benefits from larger repulsion, transmission load and density of ambient energy sources. Further, we investigate how different mode selection mechanisms affect the communication performance.

연구 동기 및 목표

• 단독 환경 백스캐터링(낮은 데이터 전송 속도, 짧은 전파 거리)과 무선 전력 통신(에너지 수확 지연로 인한 간헐적 운영)의 한계를 해결하기 위해.
• 외부 전원 공급 없이도 지속 가능한 운영이 가능한 하이브리드 D2D 통신 패러다임을 설계하기 위해.
• 공간 밀도, 전송 부하, 환경 RF 원천 간의 반발력과 같은 환경적 요인이 시스템 성능에 미치는 영향을 모델링하고 분석하기 위해.
• 에너지 가용성과 채널 조건에 따라 실시간으로 백스캐터링과 활성 전송 간에 전환할 수 있는 적응형 모드 선택 프로토콜을 개발하기 위해.

제안 방법

• 에너지 자급자족을 위한 환경 백스캐터링과 무선 전력 전송을 융합한 하이브리드 D2D 통신 모델을 제안한다.
• 에너지 가용성 기반과 채널 품질 기반의 두 가지 모드 선택 프로토콜을 도입하여 환경 조건에 대한 동적 적응을 가능하게 한다.
• 스토하스틱 기하학과 포아송 점 프로세스 모델을 사용하여 백스캐터링(HTT) 모드와 활성 전송(H) 모드의 커버리지 확률에 대한 분석적 표현을 유도한다.
• 일반화된 레일리 fading 모델을 적용하고, 다중 환경 RF 원천으로부터의 간섭을 고려하여 집합 간섭을 결정식 기반 표현으로 모델링한다.
• 스토하스틱 기하학 및 모멘트 생성 함수 도구를 활용하여 레일리 fading과 간섭 조건 하에서 커버리지 확률과 평균 Throughput를 계산한다.
• 전송 시간, 스펙트럼 효율성, 아웃오브세트 확률을 고려한 폐쇄형 표현을 유도하여 두 모드 모두에 대한 평균 Throughput를 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 환경 RF 에너지 원천의 공간 분포와 밀도는 하이브리드 D2D 통신의 커버리지와 Throughput에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 다양한 환경 조건 하에서 환경 백스캐터링과 활성 RF 전송 간 최적의 모드 선택 전략은 무엇인가?
• RQ3 전송 부하와 에너지 원천 간의 반발력 행동은 신뢰성과 데이터 전송 속도 측면에서 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 공통 채널 간섭이 존재하는 하이브리드 D2D 시스템에서 에너지 수확과 데이터 전송 간의 분석적 트레이드오프는 무엇인가?
• RQ5 백스캐터링과 무선 전력 통신의 통합은 단독 방식 대비 시스템 지속 가능성과 성능을 어떻게 향상시키는가?

주요 결과

• 환경 RF 원천의 공간 밀도와 전송 부하가 높을수록 에너지 수확 능력과 신호 세력이 향상되어 커버리지 확률이 증가한다.
• 에너지 원천 간의 반발력이 클수록 간섭이 감소하고 신호 대 간섭 및 노이즈 비율(SINR)이 향상되어 성능 향상이 이루어진다.
• 하이브리드 시스템은 단독 백스캐터링 또는 무선 전력 모드보다 더 높은 평균 Throughput를 달성하며, 특히 채널 품질과 에너지 가용성 기반의 모드 선택이 이루어질 경우 성능 향상이 두드러진다.
• 실시간 에너지 가용성과 채널 조건에 따라 백스캐터링과 활성 전송 간에 동적으로 모드를 전환할 경우 Throughput 향상 효과가 가장 크다.
• 분석 모델은 시스템 성능을 정확하게 예측하며, 시뮬레이션 결과는 커버리지 확률과 평균 Throughput에 대한 유도된 표현을 검증한다.
• 제안된 모드 선택 프로토콜은 특히 밀도가 높고 간섭 제한이 있는 환경에서 시스템 신뢰성과 스펙트럼 효율성을 크게 향상시킨다.