[论文解读] Performance Characterization of Relaying Using Backscatter Devices

Xiaolun Jia, Xiangyun Zhou|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2019

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 35被引用 5

一句话总结

本文分析了在环境干扰存在下，使用放大转发（AF）和解码转发（DF）协议的反向散射中继的误码性能，通过能量检测方法推导出OOK调制的闭式误比特率（BER）表达式。结果表明，在最优功率分配下，DF与AF性能相当；但当反射系数偏离理想OOK值时，AF显著优于DF。

ABSTRACT

In this paper, we examine the error performance of backscatter communication in the presence of ambient interference, where the backscatter device acts as a relay. Specifically, the performance comparison of amplify-and-forward (AF) and decode-and-forward (DF) backscatter relaying is considered for the first time. Considering energy-based detection for on-off keying (OOK) modulation, we derive the statistics of the received signal power, from which the detection thresholds and corresponding bit error rates (BER) are obtained analytically. For the DF scheme, we allow the source node to transmit continuous-wave signals during the relay-to-destination transmission phase to power the backscatter relay. Under a total power budget constraint at the source, we optimize the power allocation for the transmissions in the source-to-relay and relay-to-destination phases. Numerical analysis shows that the DF scheme with optimal power allocation performs similarly compared to the AF scheme, despite the added complexity of the decoding operation. On the other hand, the AF scheme significantly outperforms the DF scheme when the reflection coefficients at the backscatter device do not correspond to perfect OOK. These results provide valuable insights into the design and deployment of backscatter nodes with the goal of improving coverage.

研究动机与目标

• 评估并比较在环境干扰环境中AF与DF反向散射中继的误码性能。
• 通过基于能量的检测方法，为OOK调制推导检测阈值和误比特率（BER）的解析表达式。
• 在总源端功率预算下，对DF方案中的功率分配进行优化，以实现通过反向散射和连续波供电的中继运行。
• 为部署反向散射中继以实现最小功耗下的网络覆盖增强提供设计洞见。

提出的方法

• 推导在瑞利衰落和环境干扰假设下，AF与DF中继协议下接收信号功率的概率密度函数（PDF）。
• 采用基于能量的OOK调制检测方法，将接收信号功率建模为非中心卡方分布的随机变量。
• 通过求解似然比检验推导最优检测阈值，得到一个二次方程，选择其正根作为阈值。
• 在总功率约束下，对DF方案中的源端到中继与中继到目的地的传输功率分配进行优化，以最小化BER。
• 应用随机几何与中断概率分析，评估在真实信道条件下的系统性能。
• 通过数值仿真验证分析结果，比较AF、DF以及非理想反射系数条件下的BER性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在环境干扰下，AF反向散射中继的误比特率（BER）与DF反向散射中继相比如何？
• RQ2 在总源端功率预算下，DF反向散射中继方案的最优功率分配策略是什么？
• RQ3 非理想的反射系数如何影响AF与DF反向散射中继的性能？
• RQ4 在何种条件下，AF协议在反向散射中继中显著优于DF协议？
• RQ5 当采用适当的功率分配进行优化时，DF协议能否实现与AF相当的性能？

主要发现

• 在最优功率分配下，尽管增加了译码复杂度，DF方案的误比特率性能与AF方案相当。
• 当反向散射设备的反射系数偏离理想的OOK值时，AF协议显著优于DF协议。
• 基于能量检测的OOK调制的检测阈值为由似然比检验导出的二次方程的正根。
• 在瑞利衰落条件下，接收信号功率的非中心卡方分布被用于推导BER的闭式表达式。
• 数值结果证实，分析得到的BER表达式在各种信噪比（SNR）和反射系数条件下与仿真结果高度吻合。
• 本研究为部署反向散射中继以实现最小能耗下的网络覆盖增强提供了设计指导。