[论文解读] Achievable information rates of ambient backscatter communications

Donatella Darsena, Giacinto Gelli+1 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2016

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 27被引用 3

一句话总结

本文分析了宽带衰落信道中环境反向散射通信的理论容量极限，表明传统多载波系统可利用反向散射引起的干扰作为多径分集以提升性能。在实际条件下，反向散射系统可实现显著的数据速率——在800米距离内最高达360 kbps，尤其当反向散射接收机与传统发射机共址时表现更佳。

ABSTRACT

Ambient backscatter is an intriguing wireless communication paradigm that allows small devices to compute and communicate by using only the power they harvest from radio-frequency (RF) signals in the air. Ambient backscattering devices reflect existing RF signals emitted by legacy communications systems, such as digital TV broadcasting, cellular or Wi-Fi ones, which would be otherwise treated as harmful sources of interference. This paper deals with the ultimate performance limits of ambient backscatter systems in broadband fading environments, by considering different amounts of network state information at the receivers. After introducing a detailed signal model of the relevant communication links, we study the influence of physical parameters on the capacity of both legacy and backscatter systems. We find that, under reasonable operative conditions, a legacy system employing multicarrier modulation can turn the RF interference arising from the backscatter process into a form of multipath diversity that can be suitably exploited to noticeably increase its performance. Moreover, we show that, even when employing simple single-carrier modulation techniques, the backscatter system can achieve significant data rates over relatively short distances, especially when the intended recipient of the backscatter signal is co-located with the legacy transmitter, i.e., they are on the same machine.

研究动机与目标

• 确定环境反向散射通信在信息论度量（如遍历容量和中断容量）下的性能极限。
• 研究反向散射传输对反向散射系统及底层传统通信系统的影响。
• 评估网络状态信息、信号星座图和空间配置对可实现速率的影响。
• 探讨环境反向散射是否可将射频干扰转化为传统系统性能增强的分集增益。

提出的方法

• 为频率选择性衰落环境中传统通信链路与反向散射通信链路构建详细的信号模型。
• 在符号方差和幅度约束下，分析两种系统的遍历容量与中断容量。
• 对传统系统采用多载波调制，对反向散射系统采用单载波调制。
• 利用随机几何与信道状态信息模型，推导反向散射系统容量的上下界。
• 在反向散射发射机、传统发射机与反向散射接收机之间变化距离、角度及信噪比（SNR）的条件下评估性能。
• 考虑传统系统与反向散射系统接收机共址与分离配置两种情形。

实验结果

研究问题

• RQ1 在实际传播条件下，环境反向散射系统是否可在短至中等距离内实现显著的数据速率？
• RQ2 反向散射发射机的存在如何影响传统多载波系统性能？
• RQ3 在何种条件下，传统系统可将反向散射引起的干扰作为多径分集形式加以利用？
• RQ4 反向散射发射机相对于传统发射机与接收机的最优位置为何，可使反向散射数据速率最大化？
• RQ5 不同信号星座图（如QPSK、PSK）对反向散射系统可实现容量有何影响？

主要发现

• 当传统发射机为6 MHz电视塔、反向散射接收机处信噪比为-10 dB时，反向散射系统在800米距离内可实现最高达360 kbps的速率。
• 当反向散射接收机与传统发射机共址时，反向散射系统达到最高数据速率，性能在近距离时达到峰值。
• 传统系统可通过利用反向散射传输引起的干扰作为多径分集形式，从而从反向散射传输中获益，提升自身性能。
• 当反向散射发射机与传统发射机之间的夹角不在有利集合内时，反向散射系统的容量呈现多模态特征，其局部极大值与极小值取决于距离。
• 由于传统系统在反向散射链路上残留的干扰，低噪声水平下容量趋于饱和，限制了进一步增益。
• 在符号等概率条件下，PSK星座图在截断速率方面优于其他信号星座图，尤其在低信噪比环境下表现更优。