[论文解读] Full-Duplex Backscatter Interference Networks Based on Time-Hopping Spread Spectrum

Wanchun Liu, Kaibin Huang+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2016

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 14被引用 3

一句话总结

本文提出一种基于时隙跳频扩频（TH-SS）的全双工回波散射通信网络，用于在密集物联网环境中实现同时双向信息传输（IT）与单向能量传输（ET）。通过利用TH-SS实现多址接入，并结合相干/非相干检测，该方案有效抑制干扰，实现高谱效用，其性能指标（包括误比特率、能量采集效率与中断概率）通过随机几何模型得到理论验证。

ABSTRACT

Future Internet-of-Things (IoT) is expected to wirelessly connect billions of low-complexity devices. For wireless information transfer (WIT) in IoT, high density of IoT devices and their ad hoc communication result in strong interference which acts as a bottleneck on WIT. Furthermore, battery replacement for the massive number of IoT devices is difficult if not infeasible, making wireless energy transfer (WET) desirable. This motivates: (i) the design of full-duplex WIT to reduce latency and enable efficient spectrum utilization, and (ii) the implementation of passive IoT devices using backscatter antennas that enable WET from one device (reader) to another (tag). However, the resultant increase in the density of simultaneous links exacerbates the interference issue. This issue is addressed in this paper by proposing the design of full-duplex backscatter communication (BackCom) networks, where a novel multiple-access scheme based on time-hopping spread-spectrum (TH-SS) is designed to enable both one-way WET and two-way WIT in coexisting backscatter reader-tag links. Comprehensive performance analysis of BackCom networks is presented in this paper, including forward/backward bit-error rates and WET efficiency and outage probabilities, which accounts for energy harvesting at tags, non-coherent and coherent detection at tags and readers, respectively, and the effects of asynchronous transmissions.

研究动机与目标

• 解决未来物联网网络中高密度自组织物联网设备通信引发的严重干扰问题。
• 通过回波散射通信实现无线能量传输（ET），克服大规模物联网设备电池更换不切实际的问题。
• 设计一种全双工回波散射网络，支持共存读写器-标签链路中同时进行单向ET与双向IT。
• 提出一种基于时隙跳频扩频（TH-SS）的新多址接入方案，以抑制同频干扰并实现高效频谱利用。
• 在异步传输与衰落信道条件下，分析关键性能指标，包括前向/反向误比特率、ET效率与中断概率。

提出的方法

• 提出一种全双工回波散射通信（BackCom）网络架构，其中读写器同时发射能量并接收来自标签的回波信号。
• 设计一种时隙跳频扩频（TH-SS）多址接入方案，以实现共存读写器-标签链路间的正交性并降低干扰。
• 在读写器端集成相干检测，在标签端采用非相干检测，以支持全双工通信并提升可靠性。
• 采用随机几何模型对网络进行建模，假设设备随机部署服从泊松点过程，信道传播采用瑞利衰落模型。
• 推导出关键性能指标的闭式表达式：前向/反向误比特率（BER）、能量采集（EH）效率与能量中断概率。
• 在性能分析中考虑异步传输、标签端能量采集，以及信道衰落与路径损耗（路径损耗指数λ）的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计全双工回波散射通信，以在高密度物联网网络中实现同时双向信息传输与单向能量传输？
• RQ2 在瑞利衰落与异步传输条件下，全双工TH-SS回波散射网络中前向与反向链路的可实现误比特率性能如何？
• RQ3 时隙跳频扩频方案如何在共存读写器-标签链路中抑制多用户干扰？
• RQ4 所提网络中标签的能量采集效率与中断概率如何？路径损耗与发射功率如何影响它们？
• RQ5 设计参数（如占空比、反射系数与功率分配比）如何影响整体系统性能？

主要发现

• 所提出的基于TH-SS的全双工BackCom网络实现了显著的干扰抑制，可在高密度物联网部署中实现可靠的双向IT与单向ET。
• 前向与反向误比特率以闭式表达式推导得出，表明读写器端的相干检测与标签端的非相干检测在衰落条件下可联合提升BER性能。
• 当读写器发射功率与时间分配被优化时，能量采集效率达到最大，同时推导出期望能量传输速率（ETR）的解析表达式。
• 能量中断概率被表示为发射功率、路径损耗与信道衰落的函数，明确依赖于信干噪比（SINR）与时隙跳频参数。
• 性能分析考虑了异步传输，结果表明系统在同步不完美时仍保持鲁棒性。
• 数值结果证实，与传统回波散射系统相比，所提方案在高密度场景下实现了更低的BER与更高的ET效率。