[논문 리뷰] Performance Characterization of Relaying Using Backscatter Devices

Xiaolun Jia, Xiangyun Zhou|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 02.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 35인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 환경 간섭이 존재하는 조건에서 복소 신호를 강화하는 방식(Amplify-and-Forward, AF)과 복소 신호를 복호화한 후 재방출하는 방식(Decode-and-Forward, DF)을 사용하는 백스캐터 리레이의 오류 성능을 분석하며, OOK 변조에 대해 에너지 기반 검출을 통해 폐쇄형 비트 오류율(Bit Error Rate, BER) 표현식을 유도한다. 최적의 전력 할당 조건에서 DF는 AF와 유사한 성능을 보이지만, 반사 계수 값이 이상적인 OOK 값에서 벗어날 경우 AF는 DF보다 뚜렷이 뛰어난 성능을 보인다.

ABSTRACT

In this paper, we examine the error performance of backscatter communication in the presence of ambient interference, where the backscatter device acts as a relay. Specifically, the performance comparison of amplify-and-forward (AF) and decode-and-forward (DF) backscatter relaying is considered for the first time. Considering energy-based detection for on-off keying (OOK) modulation, we derive the statistics of the received signal power, from which the detection thresholds and corresponding bit error rates (BER) are obtained analytically. For the DF scheme, we allow the source node to transmit continuous-wave signals during the relay-to-destination transmission phase to power the backscatter relay. Under a total power budget constraint at the source, we optimize the power allocation for the transmissions in the source-to-relay and relay-to-destination phases. Numerical analysis shows that the DF scheme with optimal power allocation performs similarly compared to the AF scheme, despite the added complexity of the decoding operation. On the other hand, the AF scheme significantly outperforms the DF scheme when the reflection coefficients at the backscatter device do not correspond to perfect OOK. These results provide valuable insights into the design and deployment of backscatter nodes with the goal of improving coverage.

연구 동기 및 목표

• 환경 간섭 환경에서 AF 및 DF 백스캐터 리레이링의 오류 성능을 평가하고 비교하는 것.
• OOK 변조에 대해 에너지 기반 검출을 사용하여 검출 임계치 및 비트 오류율(Bit Error Rate, BER)의 해석적 표현식을 유도하는 것.
• 총 소스 전력 예산 하에서 DF 방식의 전력 할당을 최적화하여 백스캐터를 통한 리레이 운영과 연속파 전원 공급을 가능하게 하는 것.
• 최소한의 전력 소비로 네트워크 커버리지를 향상시키기 위한 백스캐터 리레이의 구현을 위한 설계 통찰을 제공하는 것.

제안 방법

• 레이일리 fading과 환경 간섭을 가정할 때, AF 및 DF 리레이링 프로토콜 하에서 수신 신호 전력의 확률 밀도 함수(PDF)를 유도한다.
• OOK 변조에 대해 에너지 기반 검출을 사용하며, 수신 신호 전력을 비중앙 카이제곱 분포를 따르는 랜덤 변수로 모델링한다.
• 가능도 비율 검정을 통해 최적의 검출 임계치를 유도하며, 양의 근을 선택하는 2차 방정식을 도출한다.
• 총 전력 제약 조건 하에서 DF 방식의 소스-리레이 및 리레이-수신기 간 전력 할당을 최적화하여 BER을 최소화한다.
• 스토케스틱 기하학과 아웃지 어휘 확률 분석을 적용하여 현실적인 채널 조건 하에서 시스템 성능을 평가한다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 분석 결과를 검증하며, AF, DF 및 비이상적인 반사 계수 조건 하에서의 BER 성능을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 환경 간섭 조건에서 AF 백스캐터 리레이링의 비트 오류율(Bit Error Rate, BER)은 DF 리레이링과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ2 총 소스 전력 예산 하에서 DF 백스캐터 리레이 방식의 최적 전력 할당 전략은 무엇인가?
• RQ3 비이상적인 반사 계수 값은 AF 및 DF 백스캐터 리레이의 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 백스캐터 리레이링에서 AF 프로토콜이 DF 프로토콜을 뚜렷이 능가하는 조건은 무엇인가?
• RQ5 적절한 전력 할당을 통해 최적화된 DF 프로토콜은 AF 프로토콜과 유사한 성능을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 최적의 전력 할당 조건에서 DF 방식은 복호화의 추가 복잡성에도 불구하고 AF 방식과 유사한 BER 성능을 달성한다.
• 백스캐터 장치의 반사 계수가 이상적인 OOK 값에서 벗어날 경우, AF 프로토콜은 DF 프로토콜을 뚜렷이 능가한다.
• 에너지 기반 OOK 검출을 위한 유도된 검출 임계치는 가능도 비율 검정에서 유도된 2차 방정식의 양의 근이다.
• 수신 신호 전력의 비중앙 카이제곱 분포를 가정할 때, BER 표현식은 폐쇄형으로 유도된다.
• 수치 결과는 다양한 신호 대 잡음비(SNR) 및 반사 계수 조건에서 분석된 BER 표현식이 시뮬레이션 결과와 밀도 높게 일치함을 확인한다.
• 이 연구는 최소한의 에너지 소비로 네트워크 커버리지를 향상시키기 위한 백스캐터 리레이의 구현을 위한 설계 지침을 제공한다.