[论文解读] Riding on the Primary: A New Spectrum Sharing Paradigm for Wireless-Powered IoT Devices

Xin Kang, Ying‐Chang Liang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2018

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 19被引用 8

一句话总结

本文提出了一种名为Riding on the Primary（ROP）的新颖频谱共享范式，专为利用环境反向散射通信的无线供电物联网设备设计。次级发射机从主信号中采集能量，并将其调制到主信号上进行反射，通过联合优化主信号发射功率与次级反射系数，在多种约束条件下最大化遍历容量，推导出多种实际场景（包括衰落信道与干扰要求）下的闭式解。

ABSTRACT

In this paper, a new spectrum sharing model referred to as riding on the primary (ROP) is proposed for wireless-powered IoT devices with ambient backscatter communication capabilities. The key idea of ROP is that the secondary transmitter harvests energy from the primary signal, then modulates its information bits to the primary signal, and reflects the modulated signal to the secondary receiver without violating the primary system's interference requirement. Compared with the conventional spectrum sharing model, the secondary system in the proposed ROP not only utilizes the spectrum of the primary system but also takes advantage of the primary signal to harvest energy and to carry its information. In this paper, we investigate the performance of such a spectrum sharing system under fading channels. To be specific, we maximize the ergodic capacity of the secondary system by jointly optimizing the transmit power of the primary signal and the reflection coefficient of the secondary ambient backscatter. Different (ideal/practical) energy consumption models, different (peak/average) transmit power constraints, different types (fixed/dynamically adjustable) reflection coefficient, different primary system's interference requirements (rate/outage) are considered. Optimal power allocation and reflection coefficient are obtained for each scenario.

研究动机与目标

• 为解决低功耗物联网设备中电池寿命有限的挑战，通过从环境射频信号中采集能量实现延长供电。
• 设计一种频谱共享模型，使次级反向散射设备能在不违反主系统干扰约束的前提下，同时利用主信号的频谱与能量资源。
• 联合优化主信号发射功率与次级反射系数，以在衰落信道条件下最大化次级系统的遍历容量。
• 在多种实际约束条件下评估系统性能：理想与实际能量模型对比、峰值功率与平均功率限制对比、固定与可变反射系数对比，以及主系统速率或中断概率约束。

提出的方法

• 提出Riding on the Primary（ROP）模型，其中次级反向散射设备从主信号中采集能量，并在其数据上进行调制后反射至次级接收机。
• 在瑞利衰落信道下建立系统模型，并制定优化问题以最大化次级链路的遍历容量。
• 推导出在不同能量消耗模型、功率约束与主系统干扰要求组合下的最优功率分配与反射系数的闭式解。
• 同时考虑理想与实际能量消耗模型，后者考虑电路功耗与能量采集效率。
• 引入主系统约束条件，如最小速率要求或最大中断概率，将其转化为功率分配约束。
• 采用随机优化技术求解在衰落信道下的遍历容量最大化问题，数值结果验证了在各类场景下的性能表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 次级反向散射设备如何在不降低主系统性能的前提下，同时利用同一主信号进行能量采集与信息传输？
• RQ2 在衰落信道条件下，如何实现主信号发射功率与次级反射系数的最优联合分配，以最大化次级链路的遍历容量？
• RQ3 不同的能量消耗模型（理想 vs. 实际）对系统容量与最优设计有何影响？
• RQ4 峰值功率、平均功率以及主系统中断概率约束如何影响ROP框架下的可实现遍历容量？
• RQ5 在不同信道条件下，采用可动态调节的反射系数相较于固定反射系数能带来多大的性能增益？

主要发现

• 在更高的峰值或平均发射功率约束下，次级系统的遍历容量随之增加；当主系统能容忍更多干扰时（例如，主系统速率要求更低或中断概率更高），容量也更高。
• 在相同功率约束下，动态反射系数优化相比固定反射系数可实现更高的遍历容量，因其能自适应地匹配衰落块的信道状态。
• 在主系统速率约束为γ = 1时，系统容量高于γ = 2的情况，因为更低的主系统速率要求允许次级设备使用更高的发射功率。
• 当主系统具有100%的中断概率约束时，系统容量趋近于上限；而0%的中断概率约束则构成下限，其效果等同于主系统速率约束情形。
• 在平均功率约束下，不同中断概率曲线在低功率水平时的容量差异较小，表明平均功率成为主要瓶颈。
• 针对大多数优化问题，推导出了闭式解，使该方案可在实际系统中高效实现。