[论文解读] Cooperative Ambient Backscatter Communications for Green Internet-of-Things

Gang Yang, Qianqian Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 4, 2018

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 21被引用 12

一句话总结

本文提出一种协作式环境反向散射通信（CABC）系统，其中读取器同时解码来自环境射频（RF）信号源和无源反向散射装置（A-BD）的数据，将A-BD视为协作中继。通过利用连续干扰消除（SIC）和最大似然（ML）检测，该系统在低复杂度下实现接近ML的性能，尤其当A-BD的传输速率低于RF信号源时，通过有益的反向散射链路分集提升检测可靠性。

ABSTRACT

Ambient backscatter communication (AmBC) enables a passive backscatter device to transmit information to a reader using ambient RF signals, and has emerged as a promising solution to green Internet-of-Things (IoT). Conventional AmBC receivers are interested in recovering the information from the ambient backscatter device (A-BD) only. In this paper, we propose a cooperative AmBC (CABC) system in which the reader recovers information not only from the A-BD, but also from the RF source. We first establish the system model for the CABC system from spread spectrum and spectrum sharing perspectives. Then, for flat fading channels, we derive the optimal maximum-likelihood (ML) detector, suboptimal linear detectors as well as successive interference-cancellation (SIC) based detectors. For frequency-selective fading channels, the system model for the CABC system over ambient orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) carriers is proposed, upon which a low-complexity optimal ML detector is derived. For both kinds of channels, the bit-error-rate (BER) expressions for the proposed detectors are derived in closed forms. Finally, extensive numerical results have shown that, when the A-BD signal and the RF-source signal have equal symbol period, the proposed SIC-based detectors can achieve near-ML detection performance for typical application scenarios, and when the A-BD symbol period is longer than the RF-source symbol period, the existence of backscattered signal in the CABC system can enhance the ML detection performance of the RF-source signal, thanks to the beneficial effect of the backscatter link when the A-BD transmits at a lower rate than the RF source.

研究动机与目标

• 为解决传统环境反向散射系统将RF信号源作为干扰而非利用其进行协作通信所导致的效率低下问题。
• 设计一种协作式接收机（C-RX），联合检测来自环境RF信号源和A-BD的信号，提升频谱与能量效率。
• 分析当A-BD的符号速率低于RF信号源时，反向散射链路带来的性能增益，利用信道分集增益。
• 推导适用于平坦衰落与频率选择性衰落信道（包括OFDM系统）的最优与次优检测方案——ML、线性与SIC检测。
• 为所有探测器在不同信道条件下提供闭式误比特率（BER）表达式。

提出的方法

• 从扩频与频谱共享的角度建立CABC的系统模型，将读取器的信号建模为直接RF信号与反向散射信号的叠加。
• 在平坦衰落信道下，通过联合检测RF信号源与A-BD信号，推导出最优最大似然（ML）检测器。
• 提出次优线性检测器与基于SIC的检测器，以降低复杂度，同时保持高性能。
• 将模型扩展至基于OFDM的环境信号，推导出适用于频率选择性衰落的低复杂度最优ML检测器。
• 采用复高斯信号模型，通过决策区域与误码概率的统计分析，推导出所有检测器的闭式BER表达式。
• 应用基于MMSE的信号估计与干扰消除技术，性能分析基于信道状态信息与信噪比。

实验结果

研究问题

• RQ1 协作式接收机能否同时解码来自环境RF信号源与无源反向散射装置的信号，从而提升整体系统可靠性？
• RQ2 在平坦衰落信道下，基于SIC的检测器性能与最优ML检测相比如何？
• RQ3 当RF信号源与A-BD的符号周期不同时，对CABC系统的检测性能有何影响？
• RQ4 在何种场景下，A-BD的反向散射信号可增强对RF信号源的检测？
• RQ5 能否为平坦衰落与频率选择性衰落信道中的ML、线性与SIC检测器推导出闭式BER表达式？

主要发现

• 当A-BD与RF信号源具有相等符号周期时，基于SIC的检测器在典型CABC场景下可实现接近ML的性能。
• 当A-BD的符号周期更长（即传输速率更低）时，由于有益的信道分集增益，反向散射信号可提升RF信号源的ML检测性能。
• 为所有检测器推导出闭式BER表达式，可实现对不同信道条件下的性能进行精确评估。
• 基于MMSE的线性检测器对RF信号源的检测信噪比为 $ \gamma_1(\mathbf{H}) $，其BER依赖于该信噪比与信道相关性。
• 在SIC检测下，当RF信号源被正确解码时，A-BD信号的BER显著降低，归因于干扰消除。
• 在低信噪比区域，协作带来的性能增益最为显著，此时反向散射链路提供分集增益，可缓解直射链路中的深衰落。