[论文解读] Ambient Backscatter Networking: A Novel Paradigm to Assist Wireless Powered Communications

Xiao Lu, Dusit Niyato+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2017

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 19被引用 22

一句话总结

本文提出一种混合发射机，集成环境反向散射与无线供能通信，以实现自维持、频谱高效的物联网通信。通过根据信道状况和能量可用性，动态切换反向散射与主动传输模式，该混合设计在频谱资源受限、节点密集且功率受限的环境中，相比独立的反向散射或无线供能系统，实现了更高的总吞吐量。

ABSTRACT

Ambient backscatter communication technology has been introduced recently, and is then quickly becoming a promising choice for self-sustainable communication systems as an external power supply or a dedicated carrier emitter is not required. By leveraging existing RF signal resources, ambient backscatter technology can support sustainable and independent communications and consequently open up a whole new set of applications that facilitate Internet-of-Things (IoT). In this article, we study an integration of ambient backscatter with wireless powered communication networks (WPCNs). We first present an overview of backscatter communication systems with an emphasis on the emerging ambient backscatter technology. Then we propose a novel hybrid transmitter design by combining the advantages of both ambient backscatter and wireless powered communications. Furthermore, in the cognitive radio environment, we introduce a multiple access scheme to coordinate the hybrid data transmissions. The performance evaluation shows that the hybrid transmitter outperforms traditional designs. In addition, we discuss some open issues related to the ambient backscatter networking.

研究动机与目标

• 解决传统反向散射与无线供能通信系统存在的局限性，例如对专用读取器的依赖以及传输范围有限的问题。
• 通过结合环境反向散射与射频能量采集，实现物联网中自维持、低功耗通信。
• 设计一种混合发射机，以最优方式平衡能量采集、主动传输与反向散射，从而最大化网络吞吐量。
• 在认知无线电环境中设计一种多址接入方案，协调混合发射机以实现频谱的高效利用。
• 在真实部署场景下，评估该混合发射机相较于传统反向散射与无线供能系统的性能表现。

提出的方法

• 提出一种混合发射机架构，将环境反向散射与无线供能通信能力集成于单一设备中。
• 基于信道状态信息与能量可用性，采用动态切换机制在反向散射与主动传输之间切换。
• 建立优化问题，通过联合控制传输模式、功率分配与调度策略，以最大化总吞吐量。
• 采用认知无线电框架，使混合发射机能够机会性地访问授权频段，避免对主用户造成干扰。
• 应用类似时分多址（TDMA）的协议，使发射机在能量采集、反向散射与主动传输阶段之间交替工作。
• 利用随机优化框架推导出最优切换阈值与功率控制策略，综合考虑能量采集、反向散射与主动传输之间的权衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在单个收发器中联合优化环境反向散射与无线供能通信，以提升频谱效率与能量效率？
• RQ2 在信道与能量条件变化的情况下，混合发射机中反向散射与主动传输之间的最优切换策略是什么？
• RQ3 在总吞吐量与可靠性方面，混合发射机相较于独立的反向散射与无线供能发射机表现如何？
• RQ4 在具备动态频谱接入能力的认知无线电环境中，多个混合发射机对网络容量有何影响？
• RQ5 系统参数（如发射机密度与信道质量）如何影响密集部署中反向散射吞吐量的饱和点？

主要发现

• 该混合发射机通过智能利用环境射频信号同时实现能量获取与数据传输，实现了比独立反向散射与无线供能发射机更高的总吞吐量。
• 当次用户发射机数量超过三个时，总反向散射吞吐量趋于饱和，原因是可用于反向散射的时间时隙有限，表明资源分配中存在根本性权衡。
• 无线供能发射机的总吞吐量随发射机数量增加而提升，主要得益于更强的能量采集能力，但其吞吐量仍低于混合发射机。
• 在发射机数量较少时，混合发射机在主动传输吞吐量方面显著优于无线供能发射机。
• 当发射机数量达到八台时，混合发射机的总吞吐量趋于稳定，表明由于干扰与调度约束，资源利用已达到饱和。
• 所提出的多址接入方案能有效协调认知无线电网络中的混合发射机，实现并发主动传输，同时将对主用户的干扰降至最低。