[论文解读] Design of Non-orthogonal Multiple Access Enhanced Backscatter Communication

Jing Guo, Xiangyun Zhou+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2017

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 22被引用 9

一句话总结

本文提出了一种非正交多址接入（NOMA）增强的背散射通信系统，其中多个背散射节点（BNs）通过基于距离和回波信号功率水平分配不同反射系数的方式，在同一时频资源上复用。关键贡献是提出了一种反射系数选择准则，显著提升了频谱效率和系统性能，仿真结果表明NOMA在BackCom中相比传统系统实现了显著更高的增益。

ABSTRACT

Backscatter communication (BackCom), which allows a backscatter node (BN) to communicate with the reader by modulating and reflecting the incident continuous wave from the reader, is considered as a promising solution to power the future Internet-of-Things. In this paper, we consider a single BackCom system, where multiple BNs are served by a reader. We propose to use the power-domain non-orthogonal multiple access (NOMA), i.e., multiplexing the BNs in different regions or with different backscattered power levels, to enhance the spectrum efficiency of the BackCom system. To better exploit power-domain NOMA, we propose to set the reflection coefficients for multiplexed BNs to be different. Based on this considered model, we develop the reflection coefficient selection criteria. To illustrate the enhanced system with the proposed criteria, we analyze the performance of BackCom system in terms of the average number of bits that can be successfully decoded by the reader for two-node pairing case and the average number of successful BNs for the general multiplexing case. Our results shows that NOMA achieves much better performance gain in the BackCom system as compared to its performance gain in the conventional system, which highlights the importance of applying NOMA to the BackCom system.

研究动机与目标

• 为解决服务多个背散射节点（BNs）的背散射通信（BackCom）系统中频谱效率受限的问题。
• 探索将功率域非正交多址接入（NOMA）集成到BackCom中，以实现在同一资源块上多个BNs的同时传输。
• 提出一种反射系数选择策略，利用信道增益差异和路径损耗来提升系统性能。
• 评估NOMA在BackCom中相比传统系统所获得的性能增益，特别是在成功解码和用户复用方面的表现。

提出的方法

• 建立单读取器、多BN的背散射系统模型，根据距离对BNs进行分组，并分配不同的反射系数。
• 通过利用路径损耗差异和回波信号功率差异，应用功率域NOMA，实现在同一资源块上的复用。
• 基于信干噪比（SINR）约束，推导出在两节点配对情况下成功解码比特数的平均值的解析表达式。
• 在读取器端采用连续干扰消除（SIC），按信道增益从近到远的顺序对BNs进行解码。
• 提出一种反射系数选择准则，以在功率和干扰约束下最大化系统吞吐量。
• 采用随机几何分析方法，推导出一般复用场景下的中断概率和成功解码概率。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何有效将NOMA应用于背散射通信系统，以在多节点场景中提升频谱效率？
• RQ2 何种反射系数设计策略可使NOMA增强型BackCom系统中成功解码的BN数最大化？
• RQ3 NOMA在BackCom中的性能增益与在传统无线系统中的性能增益相比如何？
• RQ4 路径损耗和用户配对对基于NOMA的背散射网络中成功解码概率有何影响？
• RQ5 在所提出的反射系数优化下，系统性能如何随复用BN数量的增加而变化？

主要发现

• 所提出的NOMA增强型BackCom系统相比传统的正交多址接入方案，实现了显著更高的频谱效率。
• NOMA在BackCom中的性能增益远大于在传统系统中的增益，凸显了将NOMA与背散射通信结合的独特优势。
• 针对两节点配对的分析结果表明，最优反射系数选择可使成功解码比特数的平均值提高。
• 在一般复用场景下，当反射系数基于距离和路径损耗进行精心设计时，成功BN的平均数量达到最大。
• 所推导的反射系数选择准则能有效平衡干扰与解码可靠性，尤其在密集的背散射网络中表现突出。
• 数值结果证实，NOMA在BackCom系统中无论在频谱效率还是用户复用能力方面，均优于正交多址接入。