[论文解读] Design of an MISO-SWIPT-Aided Code-Index Modulated Multi-Carrier M-DCSK System for e-Health IoT

Guofa Cai, Yi Fang+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2020

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 52被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种基于MISO-SWIPT的M-DCSK系统，用于e-health物联网，利用混沌信号正交性实现无需信道估计的无线信息与能量同时传输。该系统在低复杂度下实现了高谱效率与高能效，表现出优异的抗衰落性能，并在瑞利衰落信道下验证了误码率性能。

ABSTRACT

Code index modulated multi-carrier M-ary differential chaos shift keying (CIM-MC-M-DCSK) system not only inherits low-power and low-complexity advantages of the conventional DCSK system, but also significantly increases the transmission rate. This feature is of particular importance to Internet of Things (IoT) with trillions of low-cost devices. In particular, for e-health IoT applications, an efficient transmission scheme is designed to solve the challenge of the limited battery capacity for numerous user equipments served by one base station. In this paper, a new multiple-input-single-output simultaneous wireless information and power transfer (MISO-SWIPT) scheme for CIM-MC-M-DCSK system is proposed by utilizing orthogonal characteristic of chaotic signals with different initial values. The proposed system adopts power splitting mode, which is very promising for simultaneously providing energy and transmitting information of the user equipments without any external power supply. In particular, the new system can achieve desirable anti-multipath-fading capability without using channel estimator. Moreover, the analytical bit-error-rate expression of the proposed system is derived over multipath Rayleigh fading channels. Furthermore, the spectral efficiency and energy efficiency of the proposed system are analyzed. Simulation results not only validate the analytical expressions, but also demonstrate the superiority of the proposed system.

研究动机与目标

• 为解决e-health物联网网络中大量低成本、低功耗设备面临的能量受限挑战。
• 在无需信道状态信息的情况下，实现在多载波M-DCSK系统中的同时无线信息与能量传输（SWIPT）。
• 在保持低硬件复杂度的前提下，提升频谱效率与能效，以利于实际部署。
• 设计一种对多径衰落具有鲁棒性的系统，且无需依赖信道估计。

提出的方法

• 利用具有不同初始值的正交混沌信号，实现MISO-SWIPT中无干扰的多用户接入与能量分离。
• 采用功率分割（PS）接收机结构，将接收信号划分为能量采集与信息解调两部分。
• 在多载波M-DCSK框架中引入码索引调制（CIM），以提升频谱效率。
• 通过统计信号建模，推导在多径瑞利衰落信道下的误码率（BER）解析表达式。
• 采用正交混沌序列建模系统，并通过统计分析推导判决度量的均值与方差。
• 在真实衰落与噪声条件下，通过仿真验证理论BER表达式的正确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 混沌信号正交性是否能够在多载波M-DCSK系统中实现可靠的无线信息与能量同时传输？
• RQ2 所提出的MISO-SWIPT方案在无信道估计条件下，于多径瑞利衰落信道下的误码率（BER）性能如何？
• RQ3 与传统DCSK和SWIPT系统相比，所提系统的频谱效率与能效如何？
• RQ4 该系统在无显式信道估计的情况下，对多径衰落的鲁棒性达到何种程度？
• RQ5 发射功率与天线数量等系统参数对性能的影响如何？

主要发现

• 所提系统在瑞利衰落信道下的误码率性能与推导的理论表达式高度吻合，验证了理论模型的准确性。
• 系统在无需信道状态信息或信道估计的情况下，表现出强大的抗多径衰落能力。
• 通过在多载波M-DCSK框架中引入码索引调制，显著提升了频谱效率。
• 得益于功率分割机制，能效得到提升，使低功耗e-health设备可实现自维持运行。
• 系统在保持低复杂度的同时支持高速率传输，适用于大规模e-health物联网部署。
• 仿真结果证实，与传统方法相比，所提方案在误码率、频谱效率与能效方面均具有显著优势。