Ambient backscatter communication (AmBC) enables a passive backscatter device to transmit information to a reader using ambient RF signals, and has emerged as a promising solution to green Internet-of-Things (IoT). Conventional AmBC receivers are interested in recovering the information from the ambient backscatter device (A-BD) only. In this paper, we propose a cooperative AmBC (CABC) system in which the reader recovers information not only from the A-BD, but also from the RF source. We first establish the system model for the CABC system from spread spectrum and spectrum sharing perspectives. Then, for flat fading channels, we derive the optimal maximum-likelihood (ML) detector, suboptimal linear detectors as well as successive interference-cancellation (SIC) based detectors. For frequency-selective fading channels, the system model for the CABC system over ambient orthogonal frequency division multiplexing carriers is proposed, upon which a low-complexity optimal ML detector is derived. For both kinds of channels, the bit-error-rate expressions for the proposed detectors are derived in closed forms. Finally, extensive numerical results have shown that, when the A-BD signal and the RF-source signal have equal symbol period, the proposed SIC-based detectors can achieve near-ML detection performance for typical application scenarios, and when the A-BD symbol period is longer than the RF-source symbol period, the existence of backscattered signal in the CABC system can enhance the ML detection performance of the RF-source signal, thanks to the beneficial effect of the backscatter link when the A-BD transmits at a lower rate than the RF source.

Ambient backscatter communication (AmBC) enables radio-frequency (RF) powered backscatter devices (BDs) (e.g., sensors and tags) to modulate their information bits over ambient RF carriers in an over-the-air manner. This technology, also called "modulation in the air," has emerged as a promising solution to achieve green communication for future Internet of Things. This paper studies an AmBC system by leveraging the ambient orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) modulated signals in the air. We first model such AmBC system from a spread-spectrum communication perspective, upon which a novel joint design for BD waveform and receiver detector is proposed. The BD symbol period is designed as an integer multiplication of the OFDM symbol period, and the waveform for BD bit "0" maintains the same state within the BD symbol period, while the waveform for BD bit "1" has a state transition in the middle of each OFDM symbol period within the BD symbol period. In the receiver detector design, we construct the test statistic that cancels out the direct-link interference by exploiting the repeating structure of the ambient OFDM signals due to the use of cyclic prefix. For the system with a single-antenna receiver, the maximum-likelihood detector is proposed to recover the BD bits, for which the optimal threshold is obtained in closed-form expression. For the system with a multi-antenna receiver, we propose a new test statistic which is a linear combination of the per-antenna test statistics and derive the corresponding optimal detector. The proposed optimal detectors require only knowing the strength of the backscatter channel, thus simplifying their implementation. Moreover, practical timing synchronization algorithms are proposed for the designed AmBC system, and we also analyze the effect of various system parameters on the transmission rate and detection performance. Finally, extensive numerical results are provided to verify that the proposed transceiver design can improve the system bit-error-rate performance and the operating range significantly and achieve much higher data rate, as compared with the conventional design.

In this article, a symbiotic radio (SR) system is proposed to support passive Internet of Things (IoT), in which a backscatter device (BD), also called IoT device, is parasitic in a primary transmission. The primary transmitter (PT) is designed to assist both the primary and BD transmissions, and the primary receiver (PR) is used to decode the information from the PT as well as the BD. The symbol period for BD transmission is assumed to be either equal to or much greater than that of the primary one, resulting in parasitic SR (PSR) or commensal SR (CSR) setup. We consider a basic SR system which consists of three nodes: 1) a multiantenna PT; 2) a single-antenna BD; and 3) a single-antenna PR. We first derive the achievable rates for the primary and BD transmissions for each setup. Then, we formulate two transmit beamforming optimization problems, i.e., the weighted sum-rate maximization (WSRM) problem and the transmit power minimization (TPM) problem, and solve these nonconvex problems by applying the semidefinite relaxation (SDR) technique. In addition, a novel transmit beamforming structure is proposed to reduce the computational complexity of the solutions. The simulation results show that for CSR setup, the proposed solution enables the opportunistic transmission for the BD via energy-efficient passive backscattering without any loss in spectral efficiency, by properly exploiting the additional signal path from the BD.

This paper studies a wireless-energy-transfer (WET) enabled massive multiple-input-multiple-output (MIMO) system (MM) consisting of a hybrid data-and-energy access point (H-AP) and multiple single-antenna users. In the WET-MM system, the H-AP is equipped with a large number M of antennas and functions like a conventional AP in receiving data from users, but additionally supplies wireless power to the users. We consider frame-based transmissions. Each frame is divided into three phases: the uplink channel estimation (CE) phase, the downlink WET phase, as well as the uplink wireless information transmission (WIT) phase. Firstly, users use a fraction of the previously harvested energy to send pilots, while the H-AP estimates the uplink channels and obtains the downlink channels by exploiting channel reciprocity. Next, the H-AP utilizes the channel estimates just obtained to transfer wireless energy to all users in the downlink via energy beamforming. Finally, the users use a portion of the harvested energy to send data to the H-AP simultaneously in the uplink (reserving some harvested energy for sending pilots in the next frame) . To optimize the throughput and ensure rate fairness, we consider the problem of maximizing the minimum rate among all users. In the large-M regime, we obtain the asymptotically optimal solutions and some interesting insights for the optimal design of WET-MM system.

Intelligent reflecting surface (IRS) is a new and disruptive technology to achieve spectrum-, energy, and cost-efficient wireless networks. In this paper, we consider an IRS-assisted non-orthogonal-multiple-access (NOMA) system in which a base station (BS) transmits superposed downlink signals to multiple users. A combined-channel-strength (CCS) based user ordering scheme is first proposed. In order to optimize the rate performance and ensure user fairness, we further maximize the minimum decoding signal-to-interference-plus-noise-ratio (i.e., equivalently the rate) of all users, by jointly optimizing the power allocation at the BS and the phase shifts at the IRS. However, the formulated problem is non-convex and difficult to be solved optimally. By leveraging the block coordinate descent and semidefinite relaxation techniques, an efficient algorithm is then proposed to obtain a suboptimal solution. Simulation results show that the IRS-assisted downlink NOMA system can enhance the rate performance significantly, compared to traditional NOMA without IRS and traditional orthogonal multiple access with/without IRS, and the rate degradation due to the IRS's finite phase resolution is slight.