[论文解读] Symbiotic Radio: A New Communication Paradigm for Passive Internet-of-Things

Ruizhe Long, Huayan Guo+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2018

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 23被引用 13

一句话总结

本文提出了一种新型无源物联网通信范式——共生无线电（Symbiotic Radio, SR），其中反向散射设备（Backscatter Device, BD）与主基站（Primary Transmitter, PT）共享频谱、射频信号源及接收机，实现节能的反向散射通信。通过联合优化波束成形，SR同时提升了主系统速率与BD的传输速率，在MISO系统中通过协作解码与干扰利用实现性能增益。

ABSTRACT

In this paper, a novel technique, called symbiotic radio (SR), is proposed for passive Internet-of-Things (IoT), in which a backscatter device (BD) is integrated with a primary transmission. The primary transmitter is designed to assist the primary and BD transmissions, and the primary receiver decodes the information from the primary transmitter as well as the BD. We consider a multiple-input single-output (MISO) SR and the symbol period for BD transmission is designed to be either the same as or much longer than that of the primary system, resulting in parasitic or commensal relationship between the primary and BD transmissions. We first derive the achievable rates for the primary system and the BD transmission. Then, we formulate two transmit beamforming optimization problems, i.e., the weighted sum-rate maximization problem and the transmit power minimization problem, and solve these non-convex problems by applying semi-definite relaxation technique. In addition, a novel transmit beamforming structure is proposed to reduce the computational complexity of the solutions. Simulation results show that when the BD transmission rate is properly designed, the proposed SR not only enables the opportunistic transmission for the BD via energy-efficient passive backscattering, but also enhances the achievable rate of the primary system by properly exploiting the additional signal path from the BD.

研究动机与目标

• 为解决大规模无源物联网部署中的能量与频谱稀缺问题，提出一种新型通信范式。
• 通过利用主网络信号，使反向散射设备无需主动射频组件即可传输数据。
• 联合优化主系统与反向散射传输的波束成形，以最大化系统总速率或最小化发射功率。
• 基于BD传输速率与主系统速率的相对关系，探索两种SR模式——寄生式与共生式。
• 证明通过构造性信号路径利用，BD的反向散射不仅不会降低主系统性能，反而可提升其性能。

提出的方法

• 提出一种MISO共生无线电模型，其中主基站（PT）通过联合波束成形同时支持自身通信与反向散射设备（BD）的通信。
• 将主接收机（PR）建模为采用连续干扰 cancellation（SIC）技术解码两种信号，将BD信号视为时变信道响应。
• 推导出主系统与BD可实现速率的闭式表达式，考虑反向散射链路中随机信号幅度的影响。
• 建立两个非凸优化问题：加权和速率最大化与发射功率最小化，通过半定松弛（SDR）求解。
• 提出一种新型波束成形结构，在保持性能的同时显著降低计算复杂度。
• 分析两种SR模式：寄生式SR（BD速率 ≤ 主系统速率）与共生式SR（BD速率 ≪ 主系统速率），其信号模型与解码策略各不相同。

实验结果

研究问题

• RQ1 反向散射设备能否通过共享主网络的频谱与接收机，实现可靠且节能的通信？
• RQ2 联合波束成形设计如何影响共生无线电系统中主链路与反向散射链路的性能？
• RQ3 在何种场景下，反向散射传输可提升而非降低主系统的速率？
• RQ4 在共享频谱与接收机的约束下，主系统速率与BD传输速率之间的最优权衡是什么？
• RQ5 如何优化波束成形以在确保两种信号可靠解码的前提下，最大化总速率或最小化发射功率？

主要发现

• 所提出的共生无线电系统使无源物联网设备仅通过反向散射即可传输数据，完全无需主动射频组件。
• 通过将BD的散射效应作为额外信号路径加以利用，主系统的可实现速率可得到增强，尤其在共生式SR模式下效果更显著。
• 反向散射链路的平均数据速率以闭式表达式给出：$ R_c^{(1)} = -e^{1/eta} \mathrm{Ei}(-1/eta) \log_2 e $，其中 $ \beta $ 为反向散射链路的平均信噪比（SNR）。
• 通过半定松弛（SDR）求解加权和速率最大化与发射功率最小化问题，获得接近最优的波束成形解。
• 所提出的波束成形结构在寄生式与共生式SR模式下均显著降低计算复杂度，同时保持高性能。
• 仿真结果表明，经合理设计的BD传输不仅实现了机会型无源通信，还通过构造性信号路径利用提升了主系统的速率。