[论文解读] Wireless-Powered Device-to-Device Communications with Ambient Backscattering: Performance Modeling and Analysis

Xiao Lu, Hai Jiang+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2017

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 51被引用 3

一句话总结

本文提出了一种混合设备到设备（D2D）通信系统，结合环境反向散射与无线能量传输，实现自供能、低功耗传输。通过根据环境射频能量源的密度与分布，自适应选择反向散射或主动射频传输，系统在更高空间密度、传输负载及能量源间排斥性条件下，实现了更优的覆盖范围与吞吐量。

ABSTRACT

The recent advanced wireless energy harvesting technology has enabled wireless-powered communications to accommodate wireless data services in a self-sustainable manner. However, wireless-powered communications rely on active RF signals to communicate, and result in high power consumption. On the other hand, ambient backscatter technology that passively reflects existing RF signal sources in the air to communicate has the potential to facilitate an implementation with ultra-low power consumption. In this paper, we introduce a hybrid D2D communication paradigm by integrating ambient backscattering with wireless-powered communications. The hybrid D2D communications are self-sustainable, as no dedicated external power supply is required. However, since the radio signals for energy harvesting and for backscattering come from the ambient, the performance of the hybrid D2D communications depends largely on environment factors, e.g., distribution, spatial density, and transmission load of ambient energy sources. Therefore, we design two mode selection protocols for the hybrid D2D transmitter, allowing a more flexible adaptation to the environment. We then introduce analytical models to characterize the impacts of the considered environment factors on the hybrid D2D communication performance. Together with extensive simulations, our analysis shows that the communication performance benefits from larger repulsion, transmission load and density of ambient energy sources. Further, we investigate how different mode selection mechanisms affect the communication performance.

研究动机与目标

• 解决纯环境反向散射（数据速率低、通信距离短）和无线能量通信（因能量采集延迟导致间歇性工作）的局限性。
• 设计一种混合D2D通信范式，实现无需外部电源的连续、自供能运行。
• 建立并分析环境因素（如空间密度、传输负载、环境射频源之间的排斥行为）对系统性能的影响。
• 开发自适应模式选择协议，根据能量可用性与信道条件动态切换反向散射与主动传输模式。

提出的方法

• 提出一种结合环境反向散射与无线能量传输的混合D2D通信模型，实现能量自给自足。
• 引入两种模式选择协议：一种基于能量可用性，另一种基于信道质量，实现对环境条件的动态适应。
• 利用随机几何与泊松点过程模型，推导出反向散射（HTT）与主动传输（H）模式下的覆盖概率解析表达式。
• 采用广义莱斯衰落模型，并考虑来自多个环境射频源的干扰，通过行列式表达式建模累积干扰。
• 应用随机几何与矩生成函数工具，计算在莱斯衰落与干扰条件下的覆盖概率与平均吞吐量。
• 推导出两种模式下平均吞吐量的闭式表达式，综合考虑传输时间、频谱效率与中断概率。

实验结果

研究问题

• RQ1 环境射频能量源的空间分布与密度如何影响混合D2D通信的覆盖范围与吞吐量？
• RQ2 在不同环境条件下，环境反向散射与主动射频传输之间的最优模式选择策略是什么？
• RQ3 传输负载与能量源之间的排斥行为如何影响系统性能，特别是在可靠性与数据速率方面？
• RQ4 在存在同频干扰的混合D2D系统中，能量采集与数据传输之间的解析权衡关系如何？
• RQ5 与独立方案相比，反向散射与无线能量通信的集成如何提升系统可持续性与性能？

主要发现

• 随着环境射频源空间密度与传输负载的提高，覆盖概率提升，原因在于能量采集能力增强与信号强度改善。
• 能量源之间排斥性越强，性能越好，因为其降低了干扰并提高了信号与干扰加噪声比（SINR）。
• 混合系统在平均吞吐量方面优于独立的反向散射或无线能量传输模式，尤其当模式选择基于信道质量与能量可用性时。
• 当系统根据实时能量与信道条件动态选择反向散射或主动传输时，吞吐量增益最为显著。
• 解析模型能准确预测系统性能，仿真结果验证了覆盖概率与平均吞吐量推导公式的正确性。
• 所提出的模式选择协议显著提升了系统可靠性与频谱效率，尤其在高密度与干扰受限环境中。