[论文解读] Beamforming Design in Multiple-Input-Multiple-Output Symbiotic Radio Backscatter Systems

Tuo Wu, Miao Jiang+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2019

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 14被引用 4

一句话总结

本文提出了一种用于多输入多输出（MIMO）共生无线电背散射系统的波束成形设计，其中反向散射设备（BD）通过主基站信号的反射与接收机通信。通过引入精确罚函数法求解非凸优化问题，该方案实现了接近理论上限的次级传输速率，显著优于传统的最大比率传输（MRT）方案。

ABSTRACT

Symbiotic radio (SR) backscatter systems are possible techniques for the future low-power wireless communications for Internet of Things devices. In this paper, we propose a multiple-input-multiple-output (MIMO) SR backscatter system, where the secondary multi-antenna transmission from the backscatter device (BD) to the receiver is riding on the primary multi-antenna transmission from the transmitter to the receiver. We investigate the beamforming design optimization problem which maximizes the achievable rate of secondary transmission under the achievable rate constraint of primary transmission. In the MIMO SR backscatter system, each antenna of the SR BD reflects its received ambient radio frequency signals from all the transmitting antennas of the transmitter, which causes the globally optimal solution is difficult to obtain. In this paper, we propose a method to obtain the achievable rate upper bound. Furthermore, considering both primary and secondary transmissions, we propose an exact penalty method based locally optimal solution. Simulation results illustrate that our proposed exact penalty method based locally optimal solution performs close to the upper bound.

研究动机与目标

• 解决在次级传输依赖于主信号反射的MIMO共生无线电背散射系统中波束成形优化的挑战。
• 在主速率约束下，建立次级传输的可实现速率上界的可处理表达式。
• 开发一种局部最优的波束成形解法，以平衡主系统与次级系统的性能。
• 在实际衰落环境中评估所提方案与理论上限之间的性能差距。

提出的方法

• 提出一种方法，用于计算多天线BD在MIMO SR系统中次级传输的可实现速率上界。
• 将系统建模为一个非凸优化问题，目标是在主速率约束下最大化次级速率。
• 使用精确罚函数法将问题转化为差分凸（DC）规划问题，以处理非凸约束。
• 应用约束凹-凸规划程序（CCCP）迭代求解DC规划问题，确保收敛至局部最优波束成形矩阵。
• 在每次迭代中，对凸函数使用一阶泰勒近似以线性化非凸项。
• 在接收端采用逐次干扰消除（SIC）技术，按顺序解调主信号与次级信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 在MIMO共生无线电背散射系统中，次级传输可实现速率的理论上限是多少？
• RQ2 如何优化波束成形以在满足主系统速率约束的前提下最大化次级传输速率？
• RQ3 所提波束成形方案与最优可实现速率上限之间的性能差距是多少？
• RQ4 与基于传统MRT的波束成形方案相比，所提方法在次级速率性能方面表现如何？
• RQ5 精确罚函数法能否有效处理MIMO SR系统中因多天线反射与干扰引起的非凸性问题？

主要发现

• 基于精确罚函数法的局部最优解在约3次迭代内收敛，表现出快速收敛性。
• 在所有测试的信噪比（SNR）值下，所提方法的可实现速率均在理论上限的5%以内。
• 所提波束成形方案实现的次级速率显著高于MRT-G与MRT-H基准方案，最高提升达30%。
• 通过一种新颖方法推导出次级速率的上界，该方法充分考虑了BD的完整MIMO反射模型。
• 与MRT方案相比，性能增益在不同SNR水平下保持一致，证实了所提优化框架的优越性。
• 该方法有效平衡了主系统与次级系统的速率，在满足主速率约束的同时最大化次级吞吐量。