[论文解读] Simultaneous Harvest-and-Transmit Ambient Backscatter Communications under Rayleigh Fading

Furqan Jameel, Tapani Ristaniemi+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 24, 2019

Energy Harvesting in Wireless Networks被引用 8

一句话总结

本文提出了一种在瑞利衰落信道下的同时能量采集与传输的环境反向散射通信系统，通过功率分配因子建模能量采集与数据传输之间的权衡。推导出闭式中断概率表达式，并确定了在能量采集与可实现数据速率之间实现平衡的最优功率分配比，表明距离显著影响性能与系统设计。

ABSTRACT

Ambient backscatter communications is an emerging paradigm and a key enabler for pervasive connectivity of low-powered wireless devices. It is primarily beneficial in the Internet of things (IoT) and the situations where computing and connectivity capabilities expand to sensors and miniature devices that exchange data on a low power budget. The premise of the ambient backscatter communication is to build a network of devices capable of operating in a battery-free manner by means of smart networking, radio frequency (RF) energy harvesting and power management at the granularity of individual bits and instructions. Due to this innovation in communication methods, it is essential to investigate the performance of these devices under practical constraints. To do so, this article formulates a model for wireless-powered ambient backscatter devices and derives a closed-form expression of outage probability under Rayleigh fading. Based on this expression, the article provides the power-splitting factor that balances the tradeoff between energy harvesting and achievable data rate. Our results also shed light on the complex interplay of a power-splitting factor, amount of harvested energy, and the achievable data rates.

研究动机与目标

• 为在瑞利衰落信道下改进物联网连接性，建模并分析无线供电的环境反向散射通信系统。
• 推导在同时进行能量采集与反向散射的设置下的中断概率的闭式表达式。
• 确定在实际约束条件下平衡能量采集与可实现数据速率的最优功率分配因子。
• 研究关键系统参数（如距离、信噪比和功率分配比）对系统性能的影响。
• 为大规模部署无电池物联网设备提供设计指导。

提出的方法

• 构建一个系统模型，其中反向散射设备利用功率分配因子 α 将接收到的射频信号分为能量采集与反向散射传输两部分。
• 将信道建模为瑞利衰落，以反映真实无线传播条件。
• 基于接收端的信干噪比（SINR）推导出中断概率的闭式表达式。
• 引入基于时分复用的协议，将时间分配给压缩感知、能量采集和反向散射传输。
• 利用推导出的中断概率，优化功率分配因子 ρ，以在能量采集与数据速率之间实现平衡。
• 通过数值仿真验证分析模型，比较理论曲线与仿真曲线。

实验结果

研究问题

• RQ1 在瑞利衰落信道下，无线供电的环境反向散射设备的中断概率是多少？
• RQ2 功率分配因子 α 如何影响能量采集与可实现数据速率之间的权衡？
• RQ3 在实际约束条件下，使系统性能最大化的最优功率分配因子 ρ 是什么？
• RQ4 距离与信噪比（SNR）如何影响可实现数据速率与采集能量？
• RQ5 当射频源与设备之间的距离增加时，系统性能如何变化？

主要发现

• 由于反向散射可用时间减少，功率分配因子 α 越大，中断概率越高。
• 当功率分配因子 ρ 增大时，中断概率上升，因为更多功率被分配给能量采集，从而牺牲了通信性能。
• 当距离从 5 m 增加到 10 m 时，在固定 SNR 和 α 条件下，可实现数据速率从 20 kbps 降至 5 kbps。
• 随着距离 d₁ 增加，采集的能量减少，且在较低发射功率（如 Ω₁ = 5 dB）时该减少更为显著。
• 随着距离增加，最优功率分配点向右移动（即 ρ 值更高），表明长距离链路需要更高的能量分配。
• 数值结果与理论曲线高度吻合，验证了所推导的闭式中断概率表达式的准确性。