[논문 리뷰] Wirelessly Powered Backscatter Communication Networks: Modeling, Coverage and Capacity

Kaifeng Han, Kaibin Huang|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 09.

Energy Harvesting in Wireless Networks인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 무선 전력 전송(WPT)과 백스캐터 커뮤니케이션을 통합하여 대규모의 배터리가 없는 IoT를 가능하게 하는 무선으로 구동되는 백스캐터 커뮤니케이션(WP-BC) 네트워크를 제안한다. 스토하스틱 기하학을 사용하여 네트워크를 포아송 클러스터 프로세스로 모델링하고, 커버리지 확률과 전송 용량을 유도하며, 최적의 성능이 백스캐터 동작 주기 $ D^* = \min\left(1, \frac{\alpha_1}{2 + \alpha_1\beta}\right) $ 와 반사 계수 $ \beta \approx 0.6 $ 에서 달성됨을 보여준다. 용량은 $ (1 - D\beta)^{2/\alpha_1} $ 의 비율로 증가한다. 결과는 현실적인 제약 조건 하에서 에너지 수확, 전송 범위, 네트워크 용량 간의 상호 상충 관계를 정량화한다.

ABSTRACT

Future Internet-of-Things (IoT) will connect billions of small computing devices embedded in the environment and support their device-to-device (D2D) communication. Powering this massive number of embedded devices is a key challenge of designing IoT since batteries increase the devices' form factors and their recharging/replacement is difficult. To tackle this challenge, we propose a novel network architecture that integrates wireless power transfer and backscatter communication, called wirelessly powered backscatter communication (WP-BC) networks. In this architecture, power beacons (PBs) are deployed for wirelessly powering devices; their ad-hoc communication relies on backscattering and modulating incident continuous waves from PBs, which consumes orders-of-magnitude less power than traditional radios. Thereby, the dense deployment of low-complexity PBs with high transmission power can power a large-scale IoT. In this paper, a WP-BC network is modeled as a random Poisson cluster process in the horizontal plane where PBs are Poisson distributed and active ad-hoc pairs of backscatter communication nodes with fixed separation distances form random clusters centered at PBs. Furthermore, by harvesting energy from and backscattering radio frequency (RF) waves transmitted by PBs, the transmission power of each node depends on the distance from the associated PB. Applying stochastic geometry, the network coverage probability and transmission capacity are derived and optimized as functions of the backscatter duty cycle and reflection coefficient as well as the PB density. The effects of the parameters on network performance are characterized.

연구 동기 및 목표

• 배터리가 없는 다량의 저복잡도 IoT 장치를 구동하는 데 도전 과제를 해결하기 위해.
• 무선 전력 전송(WPT)과 백스캐터 커뮤니케이션을 통합하여 대규모, 밀도 높은 장치 간(D2D) 통신을 가능하게 하기 위해.
• 스토하스틱 기하학을 사용하여 대규모 WP-BC 네트워크의 커버리지와 용량을 모델링하고 분석하기 위해.
• 핵심 백스캐터 파rameter—동작 주기와 반사 계수—의 영향을 유도함으로써 네트워크 성능을 최적화하기 위해.

제안 방법

• WP-BC 네트워크는 포아송 클러스터 프로세스(PCP)로 모델링되며, 전력 비콘(PB)은 부모 포아송 점 프로세스(PPP)를 이루고, 백스캐터 노드는 PB 주변에 고정된 간격으로 클러스터를 이룬다.
• 각 노드의 전송 전력은 가장 가까운 PB로부터의 거리에 따라 결정되며, PB의 RF 신호로부터 수확한 에너지에 기반한다.
• 스토하스틱 기하학을 적용하여 경로 손실, 간섭, 백스캐터 특화 파rameter를 고려한 성공 확률과 전송 용량을 유도한다.
• 성공 확률은 SIR 임계값, 경로 손실 지수, 백스캐터 파rameter를 포함한 조건부 SIR 표현식을 사용하여 유도된다.
• 전송 용량은 PB 밀도, 백스캐터 동작 주기 $ D $, 반사 계수 $ \beta $ 의 함수로 유도되며, 매터른 클러스터 프로세스에 대해 닫힌 형태의 표현식을 제공한다.
• 최적화는 $ D $ 와 $ \beta $ 에 대해 수행되며, 최적의 동작 주기는 $ D^* = \min\left(1, \frac{\alpha_1}{2 + \alpha_1\beta}\right) $ 로 주어지며, 신뢰할 수 있는 링크 성능을 보장하는 조건 하에 수행된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전력 비콘(PB)의 배치 밀도가 WP-BC 네트워크의 커버리지와 용량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 백스캐터 파rameter—특히 동작 주기 $ D $ 와 반사 계수 $ \beta $ — 는 네트워크 커버리지 확률과 전송 용량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 클러스터당 백스캐터 노드 수가 늘어남에 따라 네트워크 성능은 어떻게 변화하며, 용량을 최대화하기 위한 최적의 클러스터 크기는 무엇인가?
• RQ4 에너지 및 간섭 제약 조건 하에서 네트워크 전송 용량을 최대화하는 데 최적의 $ D $ 와 $ \beta $ 값은 무엇인가?
• RQ5 WPT 및 통신 링크에 대한 경로 손실 지수는 WP-BC 네트워크에서 커버리지와 용량 간의 상호 상충 관계에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 커버리지 확률은 조건부 SIR 표현식을 사용하여 유도되었으며, 시뮬레이션을 통해 유도된 하한이 타당함을 입증하였다.
• 전송 용량은 PB 밀도에 따라 증가하며, 백스캐터 동작 주기 $ D $ 와 반사 계수 $ \beta $ 가 최적화될 경우 최대화된다.
• 최적의 동작 주기는 $ D^* = \min\left(1, \frac{\alpha_1}{2 + \alpha_1\beta}\right) $ 로, 에너지 수확과 전송 확률을 균형 잡는다.
• 매터른 클러스터 프로세스의 경우 최대 전송 용량은 $ \max_D C(D) = \frac{\lambda_p \bar{c} \alpha_1}{a^2(2 + \alpha_1\beta)} \left[ \frac{2\eta g}{P_c(2 + \alpha_1\beta)} \right]^{2/\alpha_1} $ 로 주어지며, 고커버리지 영역에서 $ \beta \geq 0.6 $ 일 경우 용량이 감소함을 보였다.
• 성공 확률은 $ D $ 와 $ \beta $ 에 대해 볼록 함수이며, 최적 값은 $ D \approx 0.35 $ 와 $ \beta \approx 0.6 $ 에 근접함을 시뮬레이션 결과로 확인하였다.
• PB 밀도가 낮을 경우 네트워크 용량은 선형적으로 증가하지만, 고밀도에서는 간섭 제한 조건으로 인해 포화 상태에 도달한다.