[論文レビュー] Design of Non-orthogonal Multiple Access Enhanced Backscatter Communication

Jing Guo, Xiangyun Zhou+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2017

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 22被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、距離およびバックスキャター電力レベルに基づいて異なる反射係数を割り当てることで、同じ時間周波数リソースに複数のバックスキャターノード（BNs）を多重化する非直交多重アクセス（NOMA）強化型バックスキャター通信システムを提案する。主な貢献は、スペクトル効率とシステム性能を顕著に向上させる反射係数選択基準であり、シミュレーションではNOMAが従来のシステムよりもバックスキャター通信（BackCom）において著しい利得を達成することが示されている。

ABSTRACT

Backscatter communication (BackCom), which allows a backscatter node (BN) to communicate with the reader by modulating and reflecting the incident continuous wave from the reader, is considered as a promising solution to power the future Internet-of-Things. In this paper, we consider a single BackCom system, where multiple BNs are served by a reader. We propose to use the power-domain non-orthogonal multiple access (NOMA), i.e., multiplexing the BNs in different regions or with different backscattered power levels, to enhance the spectrum efficiency of the BackCom system. To better exploit power-domain NOMA, we propose to set the reflection coefficients for multiplexed BNs to be different. Based on this considered model, we develop the reflection coefficient selection criteria. To illustrate the enhanced system with the proposed criteria, we analyze the performance of BackCom system in terms of the average number of bits that can be successfully decoded by the reader for two-node pairing case and the average number of successful BNs for the general multiplexing case. Our results shows that NOMA achieves much better performance gain in the BackCom system as compared to its performance gain in the conventional system, which highlights the importance of applying NOMA to the BackCom system.

研究の動機と目的

• 複数のバックスキャターノード（BNs）を対象とするバックスキャター通信（BackCom）システムにおけるスペクトル効率の制限を解決すること。
• 同じリソースブロック上で複数のBNからの同時送信を可能にするために、パワー・ドメイン非直交多重アクセス（NOMA）をBackComに統合することの検討。
• チャネルゲインの差異とパスロスを活用してシステム性能を向上させる反射係数選択戦略の開発。
• 従来のシステムと比較して、NOMAがBackComにおいて果たす性能向上、特に正常な復調とユーザー多重化の観点での評価。

提案手法

• 距離に基づいてグループ化された複数のBNを有する単一リーダー型バックスキャター通信システムをモデル化し、各BNに異なる反射係数を割り当てる。
• パスロスの差異とバックスキャター信号電力の差を活用してパワー・ドメインNOMAを適用し、同じリソースブロック内での多重化を実現する。
• 信号対インターフェレンス加算ノイズ比（SINR）制約を用いて、2ノードペアリングケースにおける正常に復調されたビット数の平均値を解析的に導出する。
• リーダーでの逐次干渉キャンセレーション（SIC）を適用し、チャネルゲインに応じて近いBNから順に復調する順序を決定する。
• パワー制約および干渉制約の下でシステムスルーブプットを最大化する反射係数選択基準を構築する。
• 確率的幾何学的解析を用いて、一般の多重化シナリオにおけるアウトージュ確率および正常復調確率を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NOMAを効果的にバックスキャター通信システムに適用することで、マルチノード環境におけるスペクトル効率をどのように向上させられるか？
• RQ2 NOMA強化型BackComシステムにおいて、正常に復調されたBN数を最大化する反射係数設計戦略は何か？
• RQ3 BackComにおけるNOMAの性能向上は、従来の無線システムにおけるNOMAの性能向上と比較してどの程度顕著か？
• RQ4 パスロスおよびユーザーペアリングが、NOMAベースのバックスキャターネットワークにおける正常復調確率に与える影響は何か？
• RQ5 提案された反射係数最適化のもとで、多重化されたBN数の増加に伴いシステム性能はどのようにスケーリングするか？

主な発見

• 提案されたNOMA強化型BackComシステムは、従来の直交多重アクセス方式と比較して顕著に高いスペクトル効率を達成している。
• BackComにおけるNOMAの性能向上は、従来のシステムにおけるNOMAの性能向上よりも著しく大きく、NOMAとバックスキャター通信を組み合わせることによる独自の利点を示している。
• 2ノードペアリングにおける解析的結果から、最適な反射係数選択により正常に復調されたビット数の平均値が増加することが示された。
• 一般の多重化において、距離およびパスロスに基づいて反射係数を適切に設計することで、正常に復調されたBN数の平均値が最大になる。
• 導出された反射係数選択基準は、特に密度の高いバックスキャターネットワークにおいて、干渉と復調信頼性のバランスを効果的にとっている。
• 数値結果から、NOMAはBackComシステムにおいてスペクトル効率およびユーザー多重化能力の両面で、直交多重アクセスを上回っていることが確認された。