[论文解读] Symbiotic Radio: Cognitive Backscattering Communications for Future Wireless Networks

Ying‐Chang Liang, Qianqian Zhang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 3, 2020

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 77被引用 13

一句话总结

本文提出了一种新型认知背向散射通信系统——共生无线电（Symbiotic Radio, SR），其中次级发射机（STx）通过背向散射来自主发射机（PTx）的信号，实现频谱与能量高效的无线通信。通过联合解调与可重构智能表面（RIS）技术，SR实现了互利的频谱共享，并实现了高可靠性、低功耗的通信，显著提升了未来无线网络中的频谱效率与能量效率。

ABSTRACT

The heterogenous wireless services and exponentially growing traffic call for novel spectrum- and energy-efficient wireless communication technologies. In this paper, a new technique, called symbiotic radio (SR), is proposed to exploit the benefits and address the drawbacks of cognitive radio (CR) and ambient backscattering communications(AmBC), leading to mutualism spectrum sharing and highly reliable backscattering communications. In particular, the secondary transmitter (STx) in SR transmits messages to the secondary receiver (SRx) over the RF signals originating from the primary transmitter (PTx) based on cognitive backscattering communications, thus the secondary system shares not only the radio spectrum, but also the power, and infrastructure with the primary system. In return, the secondary transmission provides beneficial multipath diversity to the primary system, therefore the two systems form mutualism spectrum sharing. More importantly, joint decoding is exploited at SRx to achieve highly reliable backscattering communications. To exploit the full potential of SR, in this paper, we address three fundamental tasks in SR: (1) enhancing the backscattering link via active load; (2) achieving highly reliable communications through joint decoding; and (3) capturing PTx's RF signals using reconfigurable intelligent surfaces. Emerging applications, design challenges and open research problems will also be discussed.

研究动机与目标

• 为应对未来网络中日益增长的频谱与能量高效无线通信需求。
• 解决传统认知无线电与环境背向散射系统中的干扰与可靠性问题。
• 实现互利的频谱共享，使次级系统从主基础设施中获益，同时提升主链路的分集增益。
• 设计低复杂度、高能效的收发器方案，以支持背向散射通信。
• 探索新兴应用场景，并识别SR系统在信道建模、硬件设计与安全方面的关键挑战。

提出的方法

• 提出一种共生无线电（SR）系统，其中次级发射机（STx）通过认知背向散射调制技术，对主发射机（PTx）的信号进行背向散射。
• 在次级接收机（SRx）采用联合解调技术，利用直射路径与背向散射路径的信号，提升通信可靠性。
• 在STx引入主动负载调制技术，增强背向散射信号强度，改善链路质量。
• 利用可重构智能表面（RIS）智能反射并波束成形PTx的射频信号，提升信号覆盖范围与可靠性。
• 在STx设计低复杂度同步方案，无需主动振荡器即可跟踪主信号，降低功耗。
• 应用资源分配与信号处理技术，在干扰约束与信道不确定性条件下优化系统性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 次级系统如何在与主系统共享频谱与基础设施的前提下，实现可靠的背向散射通信？
• RQ2 在强直射链路干扰存在的情况下，联合解调在提升背向散射信号可靠性方面发挥何种作用？
• RQ3 如何利用可重构智能表面（RIS）提升共生无线电系统的性能？
• RQ4 对于低复杂度、高能效的SR收发器，信道估计与同步面临哪些关键挑战？
• RQ5 鉴于SR系统与主传输之间的相互依赖性，如何确保其安全与隐私？

主要发现

• 次级接收机的联合解调技术通过利用直射链路与背向散射链路的多径分集，显著提升了信号检测的可靠性。
• 在次级发射机采用主动负载可增强背向散射信号强度，改善链路预算与通信距离。
• 可重构智能表面（RIS）可有效用于将主信号波束成形并聚焦至次级接收机，提升覆盖范围与可靠性。
• 共生无线电实现了互利的频谱共享：次级系统从主基础设施与频谱中获益，而主系统则通过次级节点的反射获得分集增益。
• 所提出的系统实现了高谱效率与高能效，适用于物联网与智能家居网络等低数据速率、低功耗应用场景。
• 信道估计与同步仍是关键挑战，亟需低复杂度算法以避免导频污染与高功耗组件的使用。