동시 수집·전송을 위한 레일리 페이딩 환경에서의 주변 백스캐터 통신 최적화

본 논문은 배터리 없이 동작 가능한 IoT 디바이스를 위한 주변 백스캐터 통신(Ambient Backscatter Communication, ABC) 시스템을 제안하고, 레일리 페이딩 채널 하에서의 성능을 수학적으로 분석한다. 먼저, N개의 백스캐터 디바이스가 존재하고, 각 디바이스는 주변 RF 소스(예: TV, Wi‑Fi)로부터 전력을 수집한다는 가정 하에 시스템 모델을 구축한다. 디바이스는 하나의 타임 슬롯 T를 압축 센싱 기간 αT와 에너지 수집·백스캐터 전송 기간 (1‑α)T로 나눈다. 압축 센싱 단계에서는 신호의 스펙트럼을 탐지하고, 탐지된 신호는 전력 분할 계수 ρ에 따라 에너지 수집(ρ)과 백스캐터 전송(1‑ρ)으로 분리된다. 에너지 수집 모델은 수집된 전력 ρ·β·Ω₁·|h₁|²·P_l,1을 변환 효율 η와 시간 (1‑α)T에 곱해 E_h,i 로 표현하고, 소비 전력은 백스캐터 전송 전력 P_b, 압축 센싱 전력 E·M·f·αT 등으로 구체화한다. 디바이스가 정상 동작하기 위한 최소 에너지 ψ=E_b+E_s+E_m을 정의하고, 이 기준을 초과할 경우에만 데이터 전송이 가능하도록 한다. 다음으로, 게이트웨이에서 수신되는 신호는 (1‑ρ)·β·Ω₂·|h₂|²·P_l,2 형태이며, 이를 기반으로 Shannon 용량 R_i = (1‑α)·B·T·log₂(1+SNR) 를 도출한다. 여기서 SNR은 (1‑ρ)·β·Ω₂·|h₂|²·P_l,2 / N₀ 로 정의된다. 논문은 두 가지 아웃시트 원인을 고려한다. 첫 번째는 E_h,i < ψ 인 경우이며, 이때 데이터 전송 자체가 불가능하므로 아웃시트 확률은 1이다. 두 번째는 E_h,i ≥ ψ 이면서도 R_i < φ (필요 데이터율) 인 경우이다. 두 경우 모두 레일리 페이딩으로 인한 채널 이득 |h|² 가 지수분포를 따르므로, 각각의 확률을 적분해 폐쇄형 식으로 얻는다. 에너지 부족 확률은 Pr(E_h,i < ψ) = 1 – exp