[论文解读] Survey on Symbiotic Radio: A Paradigm Shift in Spectrum Sharing and Coexistence

Muhammad Bilal Janjua, Hüseyin Arslan|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2021

Advanced MIMO Systems Optimization被引用 12

一句话总结

本文提出了一种新型的频谱共享与共存范式——共生无线电（SRad），在未来的无线网络中，被动通信系统（PCS）利用主动通信系统（ACS）的信号进行传输。通过借鉴生物共生关系——特别是互利共生与偏利共生——SRad实现了高效能、低复杂度的通信，在频谱效率与能量效率方面均有增益，尤其适用于物联网（IoT）与6G场景。

ABSTRACT

Sixth-generation (6G) of mobile communication aims to connect this world digitally through green communication networks that provide secure, ubiquitous, and unlimited connectivity in an attempt to improve the overall quality of life.The driving force behind the development of these networks is the rapid evolution of Internet-of-Things (IoT), which has stimulated the proliferation of wireless applications in health,education, agriculture, utilities, etc. However, these applications are accompanied by the deployment of a massive number of IoT devices that require a significant radio spectrum for wireless connectivity. IoT devices usually have low data rate requirements and limited power provision but desirably a long life.Recently, the development of passive radio systems has opened new paradigms of spectrum sharing and coexistence. These systems utilize the radio resources and infrastructure of the active radio systems to perform their functionalities. By enabling the dependent coexistence, a new technology named symbiotic radio (SRad) enables the symbiotic relationships between the different radio systems ranging from mutual benefits or competition in terms of sharing the resources, in particular for IoT devices. This survey first provides the motivation for dependent coexistence and background of spectrum sharing through coexistence along with existing literature. Then, it describes the active and passive radio systems definition and a brief overview. Afterward, the history of symbiosis and the role of SRad technology in spectrum sharing and coexistence are defined while focusing on symbiotic communication. Lastly, we discuss research challenges, future directions, and applications scenarios.

研究动机与目标

• 通过提出一种新的频谱共享范式，解决大规模物联网部署中日益严重的频谱稀缺与能量约束问题。
• 通过引入受生物启发的共生无线电作为认知无线电与背散射通信等传统频谱共享机制的替代方案，克服其局限性。
• 通过互利共生与偏利共生等共生关系，实现不同类型无线电系统（特别是主动与被动系统）之间的共存。
• 研究SRad系统特有的性能、安全与信道估计算挑战，特别是在可重构智能表面（RIS）与6G网络背景下的应用。
• 提供SRad系统模型、性能指标与应用场景的全面综述，以指导未来的研究与部署。

提出的方法

• 提出一种受生物启发的共生无线电（SRad）框架，其中被动通信系统（PCS）通过背散射主动通信系统（ACS）的信号实现传输，从而实现频谱与能量的共享。
• 根据系统依赖性，将共生关系分类为强制性（如ARS-PRS）与非强制性（如ARS-PRDS）共存，重点关注依赖性共存以实现性能增益。
• 对PCS的级联衰落与双重衰落信道进行建模，与ACS的直射链路信道相区分，并强调准确信道状态信息（CSI）估计算的重要性。
• 将可重构智能表面（RIS）集成到SRad中，以增强信号强度与可靠性，同时承认RIS信道估计算复杂度的提升。
• 提出超越传统吞吐量的性能指标，包括系统容量与频谱效率的互利共生增益，尤其当PCS设备充当多径反射器时更为显著。
• 探索物理层安全技术与认证机制，以保护PCS中敏感数据的安全，鉴于背散射信号具有广播特性且易受窃听攻击。

实验结果

研究问题

• RQ1 共生无线电（SRad）如何在未来的6G与物联网网络中，实现主动与被动无线电系统之间的高效频谱与能量共享？
• RQ2 在SRad系统中，通过互利共生与偏利共生的共生关系，可实现哪些关键性能增益与系统容量提升？
• RQ3 SRad中的信道建模与估计算挑战与传统主动系统有何不同，特别是在PCS的级联与双重衰落信道背景下？
• RQ4 SRad面临哪些安全与隐私风险？如何为能量受限的PCS设备设计低复杂度的物理层安全机制？
• RQ5 如何将可重构智能表面（RIS）集成到SRad中以提升性能？这对信道估计算与系统设计有何影响？

主要发现

• 通过让被动设备利用现有主动信号，共生无线电显著提升了频谱与能量效率，减少了对专用频谱与电源的需求。
• 在互利共生SRad中，增加PCS设备可提升整体系统容量与频谱效率，因为PCS可作为对ACS有益的多径反射器。
• SRad中的信道估计算比传统系统更复杂，因其PCS信道具有级联与双重衰落特性，需采用超越标准ACS方法的专用技术。
• 由于背散射信号具有广播特性，安全仍是关键挑战，因此需要轻量级认证与物理层安全机制，以保护医疗等敏感应用中的数据。
• 将RIS集成到SRad可提升性能，但加剧了信道估计算挑战，使其成为开放且活跃的研究课题。
• SRad被定位为6G与大规模物联网的有前途候选方案，通过受生物启发的共生关系实现频谱共存范式变革，其可扩展性与效率优于传统认知无线电与背散射系统。