[论文解读] Analysis of Wireless-Powered Device-to-Device Communications with Ambient Backscattering

Xiao Lu, Hai Jiang+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2017

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 23被引用 5

一句话总结

本文提出了一种混合设备到设备（D2D）通信系统，结合了环境反向散射与无线供能通信，以实现自维持、高能效的传输。通过利用环境射频（RF）信号同时进行能量采集与反向散射，该系统采用两种模式选择协议——PTP（基于能量采集速率）和STP（基于接收信噪比（SNR））——以自适应地在不同模式间切换，显著提升了覆盖概率，尤其在高密度或高干扰环境中表现更优。

ABSTRACT

Self-sustainable communications based on advanced energy harvesting technologies have been under rapid development, which facilitate autonomous operation and energy-efficient transmission. Recently, ambient backscattering that leverages existing RF signal resources in the air has been invented to empower data communication among low-power devices. In this paper, we introduce hybrid device-to-device (D2D) communications by integrating ambient backscattering and wireless-powered communications. The hybrid D2D communications are self-sustainable, as no dedicated external power supply is required. However, since the radio signals for energy harvesting and backscattering come from external RF sources, the performance of the hybrid D2D communications needs to be optimized efficiently. As such, we design two mode selection protocols for the hybrid D2D transmitter, allowing a more flexible adaptation to the environment. We then introduce analytical models to characterize the impacts of the considered environment factors, e.g., distribution, spatial density, and transmission load of the ambient transmitters, on the hybrid D2D communications performance. Extensive simulations show that the repulsion factor among the ambient transmitters has a non-trivial impact on the communication performance. Additionally, we reveal how different mode selection protocols affect the performance metrics.

研究动机与目标

• 为解决纯环境反向散射通信中数据速率低、传输距离短的局限性，通过引入无线供能通信实现改进。
• 通过利用环境RF信号同时实现能量与信息传输，实现无需外部电源的自可持续D2D通信。
• 设计基于环境条件（如干扰与能量可用性）自适应调整的模式选择协议，以优化系统性能。
• 建立并分析关键环境因素——空间密度、排斥因子、传输负载与衰落——对系统覆盖概率的影响。
• 基于随机几何模型（采用排斥点过程）对混合系统的性能进行理论分析与评估。

提出的方法

• 采用马尔可夫硬核点过程（Matérn Type II）建模环境发射机的空间分布，以捕捉发射机之间的排斥效应。
• 提出两种模式选择协议：PTP（基于功率阈值的协议）与STP（基于信号干扰加噪声比阈值的协议），用于在环境反向散射与无线供能传输模式间动态切换。
• 利用随机几何与拉普拉斯变换技术，推导出PTP与STP模式下覆盖概率的闭式表达式。
• 分析关键系统参数（环境发射机密度ζA、排斥因子α、传输负载lA、Nakagami衰落参数m）对覆盖性能的影响。
• 通过在不同信道条件与系统负载下进行大量仿真，验证理论模型的准确性。
• 将所提方案与纯环境反向散射通信及纯无线供能（HTT）通信作为基线方案进行性能对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 环境发射机的空间分布与密度如何影响混合D2D通信系统的覆盖概率？
• RQ2 环境发射机之间的排斥因子对混合D2D系统性能有何影响？
• RQ3 在不同干扰与能量条件下，所提出的两种模式选择协议（PTP与STP）在覆盖概率上的表现如何比较？
• RQ4 在何种环境条件下，混合系统优于纯环境反向散射或纯无线供能通信系统？
• RQ5 传输负载与衰落严重程度如何影响混合D2D通信方案的性能？

主要发现

• 混合D2D系统的覆盖概率随环境发射机密度（ζA）、排斥因子（α）、传输负载（lA）与Nakagami衰落参数（m）的增加而单调上升。
• 当干扰比（ξ）较高时（如ξ = 0.8），在环境发射机密度较高（ζA > 0.06）时，纯环境反向散射通信优于纯HTT（无线供能）传输，原因在于STP能够避免低SINR传输。
• 在低干扰、高密度环境中，PTP优于STP，因其优先考虑能量可用性而非SNR。
• 在高干扰或低密度场景下，STP优于PTP，因其即使在能量充足时也会避免在恶劣信道条件下运行。
• 随着ζA增大，覆盖概率趋近于小于1的值，这是由于能量采集增加与干扰增加之间的权衡所致。
• 通过在不同路径损耗指数（α）、Nakagami衰落参数（m）与传输负载（lA）下进行仿真，验证了PTP与STP的理论覆盖概率表达式具有高精度。