KR101710012B1 - 수신기에서의 에너지 하베스팅 방법 및 상기 방법을 사용하는 수신기, 및 이를 위한 블라인드 변조방식 검출 방법 및 장치 - Google Patents

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KR101710012B1 KR1020150157732A KR20150157732A KR101710012B1 KR 101710012 B1 KR101710012 B1 KR 101710012B1 KR 1020150157732 A KR1020150157732 A KR 1020150157732A KR 20150157732 A KR20150157732 A KR 20150157732A KR 101710012 B1 KR101710012 B1 KR 101710012B1
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Abstract

본 발명은 수신기에서의 에너지 하베스팅(energy harvesting) 방법을 개시하고 있다. 상기 방법은 수신 신호를 수신하는 단계, 상기 수신된 수신 신호에 적용된 변조 방식 정보를 획득하는 단계, 목표 BER(Bit Error Rate)을 달성하기 위한 상기 획득된 변조 방식에 따른 SNR(Signal to Noise Ratio) 또는 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)의 크기를 결정하는 단계 및 상기 결정된 SNR 또는 SINR 크기를 기반으로 에너지 하베스팅을 위한 전력분배율(ρ)을 결정하는 단계를 포함한다.

Description

수신기에서의 에너지 하베스팅 방법 및 상기 방법을 사용하는 수신기, 및 이를 위한 블라인드 변조방식 검출 방법 및 장치{ENERGY HARVESTING METHOD AND APPARATUS IN A RECEIVER AND A RECEIVER USING SAID METHOD, AND BLIND MODULATION MANNER DETECTING METHOD AND APPARATUS FOR THE ENERGY HARVESTING}
본 발명은 무선 정보 및 전력 동시 전송 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 송신기와 수신기 간 RF(Radio Frequency) 신호를 주고받는 무선 통신 네트워크 환경에서 수신기의 효율적인 RF 에너지 하베스팅을 위한 무선 정보 및 전력 동시 전송 방법에 관한 것이다.
일반적으로 스마트폰, 태블릿 PC, 웨어러블 장비, 휴대용 무선 단말 등은 배터리에 충전된 전압을 에너지원으로 사용하고 있다. 그러나 최근 스마트폰 중심으로 변화한 사용자의 생활패턴과 다양한 형태의 애플리케이션 개발로 인해 사용자의 단말 사용시간과 데이터 트래픽 양이 급속도로 증가함에 따라 사용자의 배터리 충전 주기 대비 사용률이 급격하게 증가하였으며, 유선 충전 및 배터리 외의 다른 형태의 무선 충전 방식에 대한 연구가 필요하게 되었다. 이를 위해 최근에는 통신용 기지국이나 광고송출용 AP(Access Point) 와 같이 주변의 RF 신호를 송신하는 장치로부터 RF 신호를 무선으로 수신하여 수신기의 에너지원으로 변환 및 활용하는 RF 에너지 하베스팅 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
RF 에너지 하베스팅 기술은 일반적으로 주변 환경을 이용하여 에너지를 획득하는 방법을 통칭한다. 에너지를 전달하고자 하는 송신 장비는 특정 크기의 전력을 갖는 신호를 주파수에 실어 송신하며, 수신 장비는 이를 수신하여 에너지로 변환하여 사용한다. 이때 하베스팅을 위한 별도의 RF 신호를 사용할 수도 있으며, 일상적인 환경에서 방출되는 RF 신호를 이용한 하베스팅도 가능하다. 전자의 경우 RF 신호의 모든 전력을 하베스팅에 사용하므로 하베스팅 효율이 매우 우수하나, 하베스팅을 위한 별도의 자원 할당이 요구되므로 데이터 통신을 위한 자원 사용에 제약이 발생할 수 있다.
도 1은 현재 사용자가 데이터 통신에 사용하는 RF 신호를 이용해 정보 복호와 에너지 하베스팅을 함께 수행하는 무선 정보 및 전력 동시 전송(SWIPT: Simultaneous Wireless Information and Power Transmission) 형태의 RF 에너지 하베스팅 방법을 나타낸 개념도이다.
도 1을 참조하면, 단말(110)은 단말 배터리(140)로부터 전력을 공급받으나, 기지국(130)으로부터 수신되는 신호로부터 무선 정보뿐만 아니라 전력도 공급받으며, 이를 통해 단말(110) 자체적으로 에너지 하베스팅이 가능할 수 있다. 이를 좀더 확장하면 다수 개의 액세스 포인트(120-1 및 120-2: Access Point(AP))로부터도 전력을 수신가능할 수 있다.
따라서 이하에서 설명하는 모바일 수신 장비는 도 1 과 같이 무선 정보 및 전력 동시 전송(SWIPT) 형태의 RF 에너지 하베스팅을 고려하기로 한다.
이러한 RF 에너지 하베스팅에 있어서, PS 기반 SWIPT 기법을 효율적으로 수행하기 위해 수신 장비에 요구되는 정보 복호 스트림의 SINR과 에너지 하베스팅 스트림의 하베스팅 전력 최소 기준을 만족시키기 위한 다양한 방법들이 제시되었으나, 송신기의 송신 전력 감소에 따른 송신기의 통신 반경 감소가 야기되었으며, 유니캐스트 통신이 아닌 브로드캐스트 또는 멀티캐스트 통신 환경에서는 특정 수신기 외의 다른 수신기들도 고려해야 하므로, 이와 같은 환경에서의 적용이 어렵다는 문제점이 존재한다.
또한, 정보 복호 스트림과 에너지 하베스팅 스트림의 전력 분배율을 결정하는 방법은 최근 대부분의 무선 통신 시스템에서 고려하는 AMC 기반의 통신 환경에 따른 채널 상태에 따라 다른 형태의 변조방식을 사용하기 때문에, 일정 수준 통신 품질을 유지하기 위한 수신 SINR이 변조방식 별로 상이하며, SINR과 BER간 갖는 비선형적인 관계로 인해 과도한 SINR 보장은 눈에 띄게 통신 품질을 향상시키지 못하는 반면, 에너지 하베스팅 효율을 크게 저하시키는 문제점이 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 RF 에너지 하베스팅을 위한 PS(Power Splitting) 기반 SWIPT 기법 수행 시 수신신호의 변조방식을 토대로 목표 BER 달성을 위한 최소 SINR을 기반으로 하여 전력분배율을 결정함으로써 수신신호의 변조방식이 변화하는 환경에서도 정보 복호 스트림의 통신 품질을 확보함과 동시에 에너지 하베스팅 스트림의 전력을 최대한 확보함으로써 에너지 하베스팅 효율을 최소화하는 것이다.
또한 본 발명의 다른 목적은 전력분배율 결정 방법 수행 시 별도의 부가정보 제공 절차 없이 낮은 연산 복잡도로 수신신호의 변조방식을 파악할 수 있는 새로운 블라인드 변조방식 검출 기법을 제안함으로써 M2M(Machine-to-Machine) 통신을 포함하는 저렴한 가격으로 간단한 형태로 수행하는 통신 시스템에서도 구현이 가능하게 하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수신기에서의 에너지 하베스팅(energy harvesting) 방법은 수신 신호를 수신하는 단계, 상기 수신된 수신 신호에 적용된 변조 방식 정보를 획득하는 단계, 목표 BER(Bit Error Rate)을 달성하기 위한 상기 획득된 변조 방식에 따른 SNR(Signal to Noise Ratio) 또는 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)의 크기를 결정하는 단계 및 상기 결정된 SNR 또는 SINR 크기를 기반으로 에너지 하베스팅을 위한 전력분배율(ρ)을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 에너지 하베스팅 방법은 상기 결정된 전력분배율을 기반으로 무선 정보 및 전력 동시 전송(SWIPT: Simultaneous Wireless Information and Power Transmission) 방식의 전력 분배를 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 전력분배율은 에너지 하베스팅과 정보 복호(ID: Information Decoding)의 비율일 수 있다.
상기 목표 BER을 달성하기 위한 상기 획득된 변조 방식에 따른 SNR 또는 SINR의 크기를 결정하는 단계는 상기 목표 BER을 달성하기 위한 SNR 또는 SNIR의 크기를 기반으로 정보 복호를 위해 요구되는 최소 SNR 또는 SINR 크기를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 최소 SNR 또는 SINR 크기에 마진(margin)을 고려한 보다 큰 크기의 SNR 또는 SINR 크기를 기반으로 상기 전력분배율을 결정할 수 있다.
상기 결정된 SNR 또는 SINR 크기를 기반으로 에너지 하베스팅을 위한 전력분배율(ρ)을 결정하는 단계는 상기 최소 SNR 또는 SINR 크기를 기반으로 정보 복호 스트림을 위한 최소 전력 크기를 결정하는 단계 및 상기 결정된 최소 전력 크기를 기반으로 상기 전력분배율을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
변조방식별 요구 SNR 또는 SNIR의 크기 정보는 미리 설정되어 있을 수 있다.
상기 수신된 수신 신호에 적용된 변조 방식 정보를 획득하는 단계는, 상기 수신신호로부터 성좌점을 획득하는 단계, 상기 획득된 성좌점들의 실수 성분과 허수 성분 값에 절대값을 취해 성좌도의 제 1 사분면으로 상기 성좌점들을 이동시키는 단계, 상기 허수 성분 값을 실수 성분 값으로 전환하는 오버랩(overlap)을 수행하는 단계, 상기 오버랩된 성좌점들을 기반으로 적어도 하나의 가우시안-합 분포로 구성되는 성좌점 확률밀도함수(PDF: Probability Density Function)을 생성하는 단계 및 상기 적어도 하나의 확률밀도함수를 기반으로 상기 수신신호의 변조 방식을 검출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 에너지 하베스팅(energy harvesting) 장치는 수신 신호를 수신하는 신호 수신부, 상기 수신된 수신 신호에 적용된 변조 방식 정보를 획득하는 변조 방식 정보 획득부, 목표 BER(Bit Error Rate)을 달성하기 위한 상기 획득된 변조 방식에 따른 SNR(Signal to Noise Ratio) 또는 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)의 크기를 결정하는 SNR/SINR 결정부 및 상기 결정된 SNR 또는 SINR 크기를 기반으로 에너지 하베스팅을 위한 전력분배율(ρ)을 결정하는 전력분배율 결정부를 포함할 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수신기에서의 수신신호의 변조방식 검출 방법은 상기 수신신호로부터 복수 개의 수신 심벌의 성좌점을 획득하는 단계, 상기 획득된 성좌점들의 실수 성분과 허수 성분 값에 절대값을 취해 성좌도의 제 1 사분면으로 상기 성좌점들을 이동시키는 단계, 상기 허수 성분 값을 실수 성분 값으로 전환하는 오버랩(overlap)을 수행하는 단계, 상기 오버랩된 성좌점들을 기반으로 적어도 하나의 가우시안-합 분포로 구성되는 성좌점 확률밀도함수(PDF: Probability Density Function)을 생성하는 단계 및 상기 적어도 하나의 확률밀도함수를 기반으로 상기 수신신호의 변조 방식을 검출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 수신신호의 변조방식을 검출하는 단계는 상기 확률밀도함수에 대해 고속 퓨리에 변환 연산을 수행하는 단계 및 상기 고속 퓨리에 변환된 확률밀도함수의 주파수 성분 인덱스를 분석함으로써 상기 변조 방식을 검출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 고속 퓨리에 변환된 확률밀도함수의 주파수 성분 인덱스를 분석함으로써 상기 변조 방식을 검출하는 단계는 상기 고속 퓨리에 변환된 확률밀도함수의 DC(Direct Current) 성분을 제외한 주파수 성분 중 최대 주파수 스펙트럼 값을 갖는 주파수 성분 인덱스를 분석함으로써 상기 변조 방식을 검출하는 단계를 포함할 수 있다.
각 변조방식의 확률밀도함수의 형태는 제 1 사분면에 존재하는 성좌점의 개수와 동일한 개수의 확률밀도함수의 합으로 구성될 수 있다.
상기 오버랩을 수행하는 단계는 상기 제 1 사분면으로 이동된 성좌점들과 오버랩되는 성좌점들의 허수 성분 값을 x축 기준 45° 각도선을 기준으로 대칭이동 시킴으로써 실수 성분 축으로 이동시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 수신기는 소정 기준값 이상의 수신 심벌을 수신하였을 때, 상기 확률밀도함수를 생성하도록 제어할 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수신신호의 변조방식 검출 장치는 상기 수신신호로부터 성좌점을 획득하는 성좌점 획득부, 상기 획득된 성좌점들의 실수 성분과 허수 성분 값에 절대값을 취해 성좌도의 제 1 사분면으로 상기 성좌점들을 이동시키고, 상기 허수 성분 값을 실수 성분 값으로 전환하는 오버랩(overlap)을 수행하는 성좌점 이동부, 상기 오버랩된 성좌점들을 기반으로 적어도 하나의 가우시안-합 분포로 구성되는 성좌점 확률밀도함수(PDF: Probability Density Function)을 생성하는 확률밀도함수 생성부 및 상기 적어도 하나의 확률밀도함수를 기반으로 상기 수신신호의 변조 방식을 검출하는 변조방식 검출부를 포함할 수 있다.
본 발명의 수신기에서의 에너지 하베스팅 방법 및 상기 방법을 사용하는 수신기에 따르면, 수신신호의 변조방식이 변화하는 환경에서도 정보 복호 스트림의 통신 품질 확보하면서 동시에 에너지 하베스팅 효율도 최대로 확보할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 블라인드 변조방식 검출 방법 및 장치에 따르면, 종래 방식에 비해 적은 수의 수신심벌을 활용하여 종래 검출 기법과 유사한 성능을 보임으로써 효율적으로 변조방식을 검출하는 효과가 있다.
도 1 은 SWIPT 기반 RF 에너지 하베스팅의 개념도,
도 2 는 SWIPT 기반 RF 에너지 하베스팅을 위한 TS 수신기의 블록도,
도 3 은 SWIPT 기반 RF 에너지 하베스팅을 위한 PS 수신기의 블록도,
도 4 는 비트 당 에너지 대 잡음전력 비에 따른 QPSK, 16QAM, 64QAM 의 BER 성능을 나타낸 그래프,
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력분배율 결정 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력분배율 결정 장치를 개략적으로 나타낸 블록도,
도 7 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 변조방식 검출 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도,
도 8은 변조방식 별 성좌도를 나타낸 도면,
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 변조방식 검출 방법에 있어서의 성좌점 오버랩 절차를 나타낸 도면,
도 10은 본 발명의 성좌점 오버랩으로부터 획득한 변조방식 별 가우시안-합 확률 밀도 함수(PDF: Probability Density Function)을 나타낸 그래프,
도 11a 내지 11c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 변조방식 별 수신심벌들의 PDF 및 주파수 특성을 나타낸 도면,
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 변조방식 검출 장치를 개략적으로 나타낸 블록도,
도 13은 종래 기법과 본 발명의 일 실시예에 따른 변조방식 검출 방법 간 평균 DER 성능을 나타낸 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 2 는 SWIPT 기반 RF 에너지 하베스팅을 위한 TS 수신기의 블록도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, TS 수신기는 수신 안테나(210), 에너지 하베스팅부(220) 및 정보 복호부(230)를 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 안테나(210)는 정보 복호(ID: Information Decoding) 용 회로(정보 복호부(230))와 에너지 하베스팅(EH: Energy Harvesting) 용 회로(에너지 하베스팅부(220)) 간 연결을 수신 장비의 목적에 따라 주기적으로 전환하는 역할을 수행한다. 즉, 특정 시간 구역에서는 정보 복호(ID)를 수행하고 또 다른 특정 시간 구간에서는 에너지 하베스팅(EH)을 수행하도록 스위치를 제어할 수 있다.
에너지 하베스팅부(220)는 스위치가 연결되는 동안, 안테나(210)로부터 수신되는 신호를 전력 변환하여 에너지로 수집한다.
정보 복호부(230) 역시 스위치가 연결되면, 안테나(210)로부터 수신되는 무선 신호를 복호하여 데이터로 활용할 수 있다.
도 3은 SWIPT 기반 RF 에너지 하베스팅을 위한 PS 수신기의 블록도이다. 도 3을 참조하면, PS 수신기는 안테나(310), 에너지 하베스팅부(320), 정보 복호부(330) 및 전력 분배기(340)를 포함할 수 있다.
도 3을 참조하면, 안테나(310), 에너지 하베스팅부(320) 및 정보 복호부(330)는 도 2에서 설명한 기능과 동일한 기능을 수행하는 구성요소이다.
Figure 112015109588281-pat00001
Figure 112015109588281-pat00002
여기서, Hn은 n번째 수신심벌로부터 추정된 채널 주파수 응답, Xn은 n 번째 송신심벌, Wn은 가우시안 분포를 갖는 n번째 수신심벌의 AWGN(Addictive White Gaussian Noise) 성분을 나타내며, Wn ID 와 Wn EH는 각각 ID 스트림과 EH 스트림을 위한 회로(즉, 정보 복호부(330) 및 에너지 하베스팅부(320))에서 발생하는 AWGN 성분을 나타낸다.
수학식 1 과 같은 수신 RF 신호의 n번째 수신심벌의 전력
Figure 112015109588281-pat00003
을 수학식 2 와 같이 ID 스트림 Yn ID의 전력
Figure 112015109588281-pat00004
와 EH 스트림 Yn EH의 전력
Figure 112015109588281-pat00005
로 분할하며, 여기서 ρ는 0 < ρ < 1 의 크기를 갖는 전력분배율을 나타낸다. 이때, 전력분배율(ρ)은 하나의 안테나에 대해 항상 고정값을 사용하거나, 안테나 별로 시변적인 값을 사용할 수 있으며, ρ 값에 따라 SWIPT 기법을 사용하는 수신기의 통신 품질과 하베스팅 효율이 결정되므로 적절한 ρ 값을 결정하는 것이 상당히 중요한 과제가 된다.
먼저, 전력 분배율 결정을 위한 제 1 방식에 따르면, PS 기반 SWIPT 기법에서 수신 장비에 요구되는 ID 스트림의 수신전력 대 간섭 및 잡음전력의 비(SINR: Signal-to-Interference Noise power Ratio)(SNR이어도 무방함)와 EH 스트림의 하베스팅 전력 최소 기준을 만족시킴과 동시에 송신 장비의 전력을 최소화하는 전력분배율(ρ)을 결정할 수 있다. 이는 수신 장비에서 필요한 최소 요구 통신 품질과 하베스팅 효율을 보장하는 조건에서 송신 장비의 전력 효율을 향상시키기 위한 방법이다.
또한, 전력 분배율 결정을 위한 제 2 방식에서는 PS 기반 SWIPT 기법에서 수신 장비에 요구되는 ID 스트림의 SINR 과 EH 스트림의 하베스팅 전력 최소 기준을 만족시킴과 동시에 SINR 을 최대화할 수 있는 전력분배율(ρ)을 결정할 수 있다. 이는 수신 장비에서 필요한 최소 요구 통신 품질과 하베스팅 효율을 보장하는 조건에서 송신 장비와 수신 장비간 무선 통신 채널 환경의 변화로 인해 채널 상태가 열악해져 최소 SINR 보장이 어려워질 가능성을 염두하여 최대한의 SINR 을 확보하는 방법이다.
더욱이, 전력 분배율 결정을 위한 제 3 방식에서, 채널 상태 및 수신 신호의 SINR 에 따라 상이한 변조방식을 적용하여 데이터 통신을 수행하는 AMC(Adaptive Modulation and Coding) 시스템에서 부가 정보 없이 수신 신호의 변조방식을 검출하기 위한 ML(Maximum Likelihood) 기반의 블라인드 변조방식 검출 기법이 사용될 수 있다. AMC 기반의 무선 통신 시스템에서 송신기는 시스템 및 채널 환경에 적합한 변조방식을 데이터에 적용하여 전송할 수 있으며, 변조방식에 대한 추가적인 정보를 전송함으로써 수신기에서의 정확한 복조 수행이 가능하도록 한다. 또한 RF 에너지 하비스팅 관점에서는, PS 기반 SWIPT 기법에서 수신 RF 신호의 변조방식에 대한 정보를 수신기가 알 수 있다면 수신기에서 목표로 하는 BER 에 해당하는 SINR 보장이 가능하도록 전력분배율을 결정하여 ID 스트림 전력
Figure 112015109588281-pat00006
을 결정하고, 여분의 전력
Figure 112015109588281-pat00007
을 모두 EH 스트림 전력에 할당할 수 있으므로 에너지 하비스팅 효율을 최대화할 수 있다. 그러나 이러한 방식은 추가 정보 전송으로 인해 시스템의 데이터 전송 효율을 감소시키며, 추가적인 정보 없이 변조되어 전송될 경우 수신기에서의 복조 오류로 인해 데이터 전송 성능에 심각한 열화가 발생할 가능성이 있다. 따라서 수신기는 데이터에 적용된 변조방식에 대한 정확한 검출이 요구되며, 이러한 변조방식을 검출하기 위한 기법 중 ML 기반 블라인드 변조방식 검출 기법이 최적의 검출 성능을 보일 수 있다.
여기서, n 번째 수신 심벌을 Y n 이라 하면 수신심벌이 변조방식 m i 에 속할 조건부확률은 다음의 수학식 3 과 같다.
Figure 112015109588281-pat00008
여기서 P(Y n |a i j ) 는 수신심벌이 실제로 i 번째 변조방식의 j 번째 성좌점 a i j 로 전송되었을 확률을 나타내며, AWGN의 영향을 받은 수신심벌의 확률은 다음의 수학식 4와 같이 결합 가우시안 분포 형태로 표현될 수 있다.
Figure 112015109588281-pat00009
여기서
Figure 112015109588281-pat00010
은 n번째 수신심벌로부터 추정된 채널 주파수 응답을 나타내며, P(a i j |m i ) 는 성좌점 a i j 의 사후 확률을 나타낸다. 또한 각 성좌점들의 사전 확률은 P(a i j |m i )=1/M i 이고, 이에 따라 수학식 3은 수학식 5와 같이 표현 가능하다.
Figure 112015109588281-pat00011
특정 수신심벌들을 이용하여 ML 기법을 수행할 경우 참조 수신심벌 수가 증가할수록 검출 오류 확률이 감소한다. 수신심벌 L 개를 이용하여 ML 기법을 수행할 경우의 최대 우도 확률은 수학식 6 과 같이 각 수신심벌의 최대 우도 확률의 곱셈 형태로 나타난다.
Figure 112015109588281-pat00012
이와 같이 ML 기반 변조방식 검출 기법은 전송 가능한 변조방식의 모든 성좌점에 대한 수신심벌의 최대 우도 확률을 분석하여 가장 높은 확률을 갖는 성좌점을 변조방식으로 검출하는 기법으로써, 이를 위해서는 수신 SNR(Signal-to-Noise Ratio)을 정확히 측정하여 ML 연산에 정확한 분산 σ를 적용하여야 한다. 그러나 상기 ML 기법의 분산은 이론적인 SNR을 가정한 기법이기 때문에, 수신된 심벌을 이용하여 분산을 추정하는 시스템의 경우 실제 적용에 어려움이 따를 수 있다. 이 밖에 단순 최소 거리를 이용하여 분산을 추정하는 방식이 존재하나, 이론적 분산 추정 방식에 비해 큰 검출 성능 열화를 보일 수 있다. 또한 ML 기법은 수신심벌 개수 L 및 변조차수 M i 가 증가함에 따라 연산 복잡도가 증가하는 문제점을 가질 수 있다.
한편 전술한 바와 같이, PS 기반 SWIPT 기법에서 수신 장비에 요구되는 ID 스트림의 SINR과 EH 스트림의 하베스팅 전력 최소 기준을 만족시킴과 동시에 SINR을 최대화할 수 있는 전력분배율 ρ를 결정하는 방법도 존재한다. 그러나 최근 대부분의 무선 통신 시스템에서 고려하는 AMC 기반의 통신 환경에서는 채널 상태에 따라 다른 형태의 변조방식을 사용하며, 이에 따라 일정 수준의 통신 품질을 유지하기 위한 수신 SINR이 변조방식 별로 상이하며, SINR과 BER간 갖는 비선형적인 관계로 인해 과도한 SINR 보장은 눈에 띄게 통신 품질을 향상시키지는 못하는 반면, 에너지 하베스팅 효율을 크게 저하시킬 수 있다. 일 예로, LTE(Long Term Evolution) 시스템에서는 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying), 16QAM (Quadrature Amplitude Modulation), 64QAM의 3가지 변조방식이 사용되고 있는데, 각 변조방식이 동리한 BER을 달성하기 위한 에너지 크기 대 잡음 비는 다르다.
도 4는 비트 당 에너지 대 잡음전력 비에 따른 QPSK, 16QAM, 64QAM 의 BER 성능을 나타낸 그래프이다.
도 4를 참조하면, 동일한 BER 을 달성하기 위해 요구되는 비트 당 에너지 크기 대 잡음전력 비 Eb/N0(SNR 또는 SINR) 의 크기는 변조방식 별로 상이하다. 예컨대, 포인트(410)를 기반으로 살펴보면, QPSK 변조 방식에서, 10-4 BER을 목표로 하는 경우는 포인트(420)에 기반하여 약 8 이상의 SNR이 필요치 않을 수 있다. 또한, BER 10-5 을 목표로 하는 시스템에서 QPSK 변조방식을 사용하는 경우 ID 스트림에서 10 dB 이상의 SNR을 확보하는 것은 통신 품질 향상 측면에서 큰 의미가 없게 되며, 오히려 여분의 SNR 크기만큼 EH 스트림을 위한 전력 제공이 불가능해지는 문제점이 발생할 수 있다. 따라서, 각 변조방식과 목표 BER에 맞는 SNR 또는 SINR을 명확히 하여 통신 품질 향상을 위해 낭비되는 자원을 최대한 에너지 하베스팅으로 돌려 효율성을 극대화할 수 있다. 이러한 각각의 변조방식과 목표 BER에 필요한 최소 SNR 또는 SINR 정보는 미리 설정되어 있거나 또는 사용자 인터페이스(미도시)를 통해 입력받을 수 있고, 이는 설정 변경을 통해 가변될 수 있다.
위의 에너지 하베스팅 효율성 개선을 위해 다음의 방식을 고려할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 수신신호의 변조방식을 함께 고려한 PS 기반 SWIPT 기법을 효율적으로 수행하기 위해 별도의 정보 형태로 전달하지 않고 송신기에서 사용한 변조방식을 수신기에서 자체적으로 검출하는 블라인드 변조방식 검출 기법을 요구할 수 있다. 이 중 이론적으로 가장 우수한 검출 성능을 보이는 ML 기반의 변조방식 검출 기법은 전송 가능한 변조방식의 모든 성좌점에 대한 수신심벌의 최대 우도 확률을 분석하여 가장 높은 확률을 갖는 성좌점을 변조방식으로 검출하는 기법으로써, 이를 위해서는 수신 SNR을 정확히 측정하여 ML 연산에 정확한 분산을 적용하여야 한다. 그러나 현재까지 알려진 ML 기법의 분산은 이론적인 SNR을 가정한 기법으로써 수신된 심벌을 이용하여 분산을 추정하는 시스템의 경우 실제 기법 적용에 어려움이 있다. 단순 최소 거리를 이용하여 분산을 추정하는 기법이 존재하나, 이론적 분산 추정 기법에 비해 큰 검출 성능 열화를 보이며, ML 기법은 수신심벌 수 및 변조차수가 증가함에 따라 연산 복잡도가 증가하는 문제점도 발생한다.
이에, 본 발명의 실시예에 따른 RF 에너지 하베스팅을 위한 PS 기반 SWIPT 시스템은 수신신호의 변조방식에 기반하여 전력분배율을 결정하는 구성을 포함하며, 이를 효율적으로 수행하기 위해 변조방식에 대한 부가정보 없이 낮은 복잡도로 수신신호의 변조방식 검출이 가능한 블라인드 변조방식 검출 기법의 동작 절차를 나타낸다.
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력분배율 결정 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 5를 참조하면, PS 기반 SWIPT 기법을 수행하고자 하는 수신기는 특정 시간 구간 동안 송신기가 송신한 신호를 수신할 수 있다(S510). 이후, 현재 수신되는 신호에 적용된 변조방식에 대한 정보를 획득한다(S520). 이때, 송신기로부터 별도의 부가정보를 통해 변조방식에 대한 정보를 획득할 수도 있으며, 부가정보 없이 수신기가 스스로 수신신호의 특성을 분석하여 변조방식에 대한 정보를 획득할 수도 있다. 본 발명의 실시예에서는 부가정보 없이 확률밀도함수를 이용하여 수신신호의 변조방식에 대한 정보를 획득하는 블라인드 변조방식 검출 기법을 사용할 수 있다.
수신신호의 변조방식을 파악한 수신기는 도 4 와 같이 수신기에서 목표로 하는 통신 품질에 해당하는 목표 BER을 달성하기 위한 변조방식 별 SNR(또는 SINR) 의 크기에 대한 정보를 획득한다(S530). 이는 송신기로부터 부가정보의 형태로 전달받을 수도 있으며, 미리 규격화되어 수신기 내에 포함되어 있을 수 있다.
그리고는, 수신기는 수신신호에 적용된 변조방식과 목표 BER 을 참고하여 ID 스트림을 위해 필요한 최소 SNR(또는 SINR) 크기를 결정하고(S540), 이를 토대로 ID 스트림에 요구되는 최소 전력 크기를 결정할 수 있다(S550). 그리고는 최소 전력 크기에 기반하여 PS의 전력분배율 ρ를 최종 결정한다(S560). 여기서 채널 변화와 같은 작은 규모의 페이딩이나 단말이 이동함에 따라 순시적으로 발생하는 큰 규모의 페이딩으로 인해 나타날 수 있는 수신전력 변화 등을 고려해, 목표 BER 달성을 위한 최소 SINR 크기에 마진을 고려한 좀더 큰 SINR 크기를 토대로 전력분배율을 결정하는 것이 바람직할 수 있다.
그리고는, 결정된 전력분배율에 따라 전력 분배를 수행할 수 있다(S570).
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력분배율 결정 장치를 개략적으로 나타낸 블록도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력분배율 결정 장치는 수신부(610), 변조방식 정보 획득부(620), SNR/SINR 결정부(630), 최소 전력 크기 결정부(640), 전력분배율 결정부(650), 전력분배기(670), 에너지 하베스팅부(670) 및 정보 복호부(680)를 포함할 수 있다. 여기서, 각각의 구성요소는 각각 서로 다른 하드웨어 프로세서 또는 하나의 하드웨어 프로세서로써 구현될 수 있다.
도 6을 참조하면, 수신부(610)는 특정 시간 구간 동안 송신기(미도시)가 송신한 신호를 수신할 수 있다. 수신부(610)는 무선 통신용 안테나일 수 있다.
변조 방식 정보 획득부(620)는 수신부(610)에서 수신힌 신호에 적용된 변조방식에 대한 정보를 획득한다. 변조 방식 정보 획득부(620)는 송신기로부터 직접 수신되는 별도의 부가정보를 통해 변조방식에 대한 정보를 획득할 수 있고, 또는 부가정보 없이 S변조 방식 정보 획득부(620)가 스스로 수신신호의 특성을 분석하여 변조방식에 대한 정보를 획득할 수도 있다.
SNR/SINR 결정부(630)는 수신신호의 변조방식을 파악하여 목표로 하는 통신 품질에 해당하는 목표 BER을 달성하기 위한 변조방식 별 SNR(또는 SINR)의 크기를 결정한다. 결정되는 변조방식별 목표 BER을 달성하기 위한 SNR의 크기 정보는 송신기로부터 부가정보의 형태로 전달받을 수도 있으며, 미리 규격화되어 전력분배율 결정 장치 내에 포함되어 있을 수 있다.
그리고는, 최소 전력 크기 결정부(640)는 수신신호에 적용된 변조방식과 목표 BER을 참고하여 ID 스트림을 위해 필요한 최소 SNR(또는 SINR) 크기를 기반으로 ID 스트림에 요구되는 최소 전력 크기를 결정할 수 있다.
그리고는, 최소 전력 크기 값을 기반으로 전력 분배율 결정부(650)는 PS의 전력분배율 ρ를 결정할 수 있다. 이때 전술한 바와 같이, 채널 변화와 같은 작은 규모의 페이딩이나 단말이 이동함에 따라 순시적으로 발생하는 큰 규모의 페이딩으로 인해 나타날 수 있는 수신전력 변화 등을 고려해, 목표 BER 달성을 위한 최소 SINR 크기에 마진을 고려한 좀더 큰 SINR 크기를 토대로 전력분배율을 결정할 수 있다.
그리고는, 전력 분배기는 전력 분배율 결정부(650)에서 결정한 전력 분배율ρ에 따라 에너지 하베스팅부(670)와 정보 복호부(680)에 적절히 신호를 할당하여 변조방식별 목표 BER을 달성하면서 최대한의 에너지 하베스팅이 이루어지도록 할 수 있다.
도 7 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 변조방식 검출 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 먼저, 수신기는 송신기로부터 적어도 하나의 수신 심벌을 획득한다(S710). 이때, L개의 수신 심벌을 획득하여 이를 토대로 수신 심벌의 성좌도를 획득할 수 있다(S720).
도 8은 변조방식 별 성좌도를 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, QPSK 변조방식은 총 4개의 성좌점으로 구성된 성좌도를 나타낼 수 있으며, 데이터 비트 2개의 구성 형태에 따라 4개의 성좌점 중 하나로 맵핑되어 심벌로 변환될 수 있다. QPSK의 경우 x축은 심벌의 실수 성분, y축은 심벌의 허수 성분으로 표현되는 성좌도 상의 각 사분면 당 1개의 성좌점이 맵핑된다. 16QAM 변조방식은 총 16개의 성좌점으로 구성된 성좌도를 나타내며, 데이터 비트 3개의 구성 형태에 따라 16개의 성좌점 중 하나로 맵핑되어 심벌로 변환된다. 16QAM 의 경우 x축은 심벌의 실수 성분, y축은 심벌의 허수 성분으로 표현되는 성좌도 상의 각 사분면 당 4개의 성좌점이 맵핑된다. 64QAM 변조방식은 총 64개의 성좌점으로 구성된 성좌도를 나타내며, 데이터 비트 4개의 구성 형태에 따라 64개의 성좌점 중 하나로 맵핑되어 심벌로 변환된다. 64QAM의 경우 x축은 심벌의 실수 성분, y축은 심벌의 허수 성분으로 표현되는 성좌도 상의 각 사분면 당 16 개의 성좌점이 맵핑될 수 있다.
다시 도 7로 돌아가서, 성좌도를 획득하고 나면, 평행이동 및 대칭이동을 통해 성좌점 오버랩 과정을 수행한다(S730, S740).
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 변조방식 검출 방법에 있어서의 성좌점 오버랩 절차를 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, 단계(S720)을 통해 획득한 성좌도에 위치하는 각 수신신호들의 실수 성분과 허수 성분 값에 절대값을 취하여 모든 수신신호들을 성좌도의 제 1 사분면으로 이동시키고, 허수 성분 값을 실수 성분 값으로 전환하는 오버랩 과정을 수행한다. 일 예로, 16 QAM 변조방식의 성좌점의 경우 각 사분면 당 존재하는 4 개의 성좌점을 모두 성좌도의 제 1 사분면으로 평행이동 시킨 후, 잔여하게 되는 오버랩된 4 개의 성좌점들의 허수 성분 값을 x축 기준 45 각도선을 기준으로 대칭이동 시킴으로써 실수 성분 축으로 이동시킨다. 이와 같은 절차를 통해, 독립적으로 잡음의 영향을 받는 수신신호의 실수부 및 허수부 값을 동시에 고려하여 L 개의 수신신호로부터 2L 개의 샘플을 획득함으로써 참조 가능한 샘플 수를 최대화하는 것이 가능하다.
다시 도 7로 돌아가서, 성좌점 오버랩이 완료되면, 오버랩된 성좌점에 대해 성좌점 확률밀도함수(PDF)를 생성한다(S750). 즉, 각 성좌점 오버랩으로부터 획득한 변조방식별 가우시안-합 확률밀도함수를 생성한다.
도 10은 본 발명의 성좌점 오버랩으로부터 획득한 변조방식 별 가우시안-합 확률 밀도 함수를 나타낸 그래프이다.
도 10을 참조하면, 수신기는 획득한 2L 개의 수신신호 성좌점 샘플들을 토대로 1 개 이상의 가우시안-합 분포로 구성되는 성좌점 PDF를 생성 가능하다. 도 10에서 성좌점 PDF는 SNR 20 dB의 환경에서 8000 심벌 이상의 많은 심벌을 수신할 경우의 PDF이며, 심벌 수가 부족할 경우 다소 부정확한 PDF를 획득할 수도 있다. 다만, 성좌점 PDF는 수신신호에 적용된 변조 방식마다 상이한 가우시안-합 분포의 형태를 띌 수 있으며, 따라서, 본 발명의 실시예에서는 이와 같은 특성을 이용하여 변조방식 간 구분을 수행할 수 있다.
도 7로 돌아가서, 성좌점 PDF를 생성하고 나면, 수신기는 생성된 PDF를 다음의 수학식 7을 이용하여 고속 퓨리에 변환하여(S760), 그에 대한 주파수 특성을 파싱한다.
Figure 112015109588281-pat00013
여기서 P k 는 PDF 의 k 번째 주파수 전력 스펙트럼 성분, p n 은 PDF 버퍼 내의 n 번째 PDF 성분, N PDF 는 PDF 버퍼의 크기를 나타낸다.
그리고는, 퓨리에 변환된 함수의 최대 주파수 성분을 검출하여(S770), 최대 주파수 성분의 나타나는 위치에 따라 송신기에서 전송한 신호의 변조방식이 QPSK인지, 16QAM인지 또는 64QAM인지(그 밖의 다른 방식인지) 검출할 수 있다(S780).
도 11a 내지 도 11c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 변조방식 별 수신심벌들의 PDF 및 주파수 특성을 나타낸 도면이다.
도 11a는 QPSK의 PDF를 퓨리에 변환한 그래프를 나타내며, 도 11b는 16QAM의 PDF를 퓨리에 변환한 그래프를 나타내고 도 11c는 64QAM의 PDF를 퓨리에 변환한 그래프를 나타낸다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 수신기가 128개의 심벌을 수신하였을 경우, 각 변조방식 별 수신심벌들은 도 11a 내지 11c의 좌측 그래프에 나타난 바와 같이, 서로 다른 형태의 PDF 및 주파수 특성을 보인다. 128 개의 수신심벌은 이상적인 형태의 PDF 획득을 위한 샘플 수로는 부족한 크기이나, 본 발명의 성좌도 오버랩 과정을 통해 높은(high) SNR 환경에서는 PDF의 주파수 특성을 충분히 획득할 수 있다. 주파수 특성은 변조방식 별 PDF의 특성을 반영하므로, 표 1 과 같이 DC (Direct Current) 성분을 제외한 주파수 성분 중 최대 주파수 스펙트럼 값을 갖는 주파수 성분 인덱스를 분석함으로써 변조방식 검출이 가능하다.
Figure 112015109588281-pat00014
도 10에 나타난 바와 같이, 각 변조방식의 가우시압-합 PDF 의 형태는 제 1 사분면에 존재하는 성좌점의 개수와 동일한 개수의 가우시안 PDF 의 합으로 구성된다. 일 예로, QPSK 변조방식은 1개, 16QAM 변조방식은 2개, 64QAM 변조방식은 4개의 가우시안 분포로 인해 출렁이는 가우시안-합 PDF를 나타냄을 이용하여, 표 1 에 나타난 바와 같이 k = 1의 주파수 성분이 최대인 경우에는 QPSK, k = 2 의 주파수 성분이 최대인 경우에는 16QAM, k = 4 의 주파수 성분 또는 그 이상의 k 값에서의 주파수 성분이 최대인 경우에는 64QAM 으로 검출 가능하다. 즉, 퓨리에 변환된 PDF의 주파수 특성에서, DC 성분을 제외한 피크 값이 나타나는 주파수 인덱스에 따라 주파수 인덱스, 즉, k의 값이 1이면 QPSK로, 2면 16QAM으로, 4이상이면 64QAM으로 변조방식을 검출할 수 있다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 변조방식 검출 장치를 개략적으로 나타낸 블록도이다. 도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 변조방식 검출 장치는 성좌점 획득부(1210), 성좌점 이동부(1220), PDF 생성부(1230) 및 변조방식 검출부(1240)를 포함할 수 있다. 여기서, 각 구성요소는 하나의 하드웨어 프로세서 또는 복수 개의 하드웨어 프로세서로써 구현가능하다.
도 12를 참조하면, 성좌점 획득부(1210)는 수신된 신호로부터 획득되는 L개의 수신심벌로부터 성좌점을 획득할 수 있다. 성좌점은 심벌의 실수 성분과 허수 성분을 기반으로 4개의 사분면에 매핑될 수 있으며, 한 사분면당 매핑되는 성좌점의 개수는 각 변조방식별로 상이할 수 있다.
성좌점 이동부(1220)는 획득된 성좌도에서 각 성좌점을 평행이동 및 대칭이동시켜 성좌점이 오버랩될 수 있도록 한다. 즉, 성좌점 이동부(1220)는 획득한 성좌도에 위치하는 각 수신신호들의 실수 성분과 허수 성분 값에 절대값을 취하여 모든 수신신호들을 성좌도의 제 1 사분면으로 이동시키고, 허수 성분 값을 실수 성분 값으로 전환하는 오버랩 과정을 수행한다. 이와 같은 절차를 통해, 독립적으로 잡음의 영향을 받는 수신신호의 실수부 및 허수부 값을 동시에 고려하여 L 개의 수신신호로부터 2L 개의 샘플을 획득함으로써 참조 가능한 샘플 수를 최대화하는 것이 가능하다.
PDF 생성부(1230)는 오버랩된 성좌점에 대해 성좌점 PDF를 생성한다.K 즉, 각 성좌점 오버랩으로부터 획득된 변조방식별 가우시안-합 확률밀도함수를 생성한다. PDF 생성부(1230)는 획득한 2L 개의 수신신호 성좌점 샘플들을 토대로 1 개 이상의 가우시안-합 분포로 구성되는 성좌점 PDF를 생성 가능하다. 생성되는 성좌점 PDF는 수신신호에 적용된 변조 방식마다 상이한 가우시안-합 분포의 형태를 띌 수 있으며, 따라서, 본 발명의 실시예에서는 이와 같은 특성을 이용하여 변조방식 간 구분을 수행할 수 있다.
변조방식 검출부(1240)는 생성된 성좌점 PDF에 퓨리에 변환을 수행하여 그에 대한 주파수 특성을 획득하고 이를 통해, 최대 주파수 성분을 검출하여 송신기에서 전송한 신호의 변조방식을 검출할 수 있다. 변조방식 검출부(1240)는 퓨리에 변환된 PDF의 주파수 특성에서, DC 성분을 제외한 피크 값이 나타나는 주파수 인덱스에 따라 주파수 인덱스, 즉, k의 값이 1이면 QPSK로, 2면 16QAM으로, 4이상이면 64QAM으로 변조방식을 검출할 수 있다.
시뮬레이션 결과
표 2는 본 발명의 성능을 검증하기 위해 수행한 시뮬레이션의 파라미터를 나타낸다.
Figure 112015109588281-pat00015
시뮬레이션에서는, QPSK, 16QAM, 64QAM의 3가지 변조 방식을 고려하였으며, 수신심벌 수가 작은 환경에서의 동작 가능성을 검토하기 위하여 128개의 심벌만이 수신 가능한 환경을 가정하였다. 또한 낮은 PDF 해상도에서의 동작 가능성도 검토하기 위하여, PDF 크기는 64, PDF 의 해상도(PDF 버퍼 1 개 간격의 크기)는 0.02 로 설정하였다.
시뮬레이션을 통해 기타 기술 및 본 발명의 블라인드 변조방식 검출 기법을 적용하여, 3개의 변조방식이 랜덤하게 적용되는 환경에서 수신기의 평균 검출 성능을 비교하기 위하여 평균 검출 오류 성능(DER: Detection Error Rate)을 분석하였다. 여기서 종래 기법인 ML 기반 검출 기법은 이상적인 분산값을 적용하였음을 가정하였다.
도 13은 종래 기법과 본 발명의 일 실시예에 따른 변조방식 검출 방법 간 평균 DER 성능을 나타낸 그래프이다.
도 13에 도시된 바와 같이, ML 기반 검출 기법 대비 본 발명의 검출 기법은 평균적으로 약 1 dB의 검출 성능 열화만을 보임을 확인하였다. 이는 본 발명의 검출 기법이 적은 수의 수신심벌을 활용하며, ML 기반 검출 기법이 가장 이상적인 환경을 가정하였음을 고려할 때 매우 우수한 검출 성능임을 알 수 있다.
또한, 복잡도 측면의 성능 확인을 위해 시뮬레이션을 수행한 결과, ML 기반 검출 기법은 수신심벌 수 L 및 변조차수 M i 에 따라 복잡도가 결정되므로, 검출 정확도를 향상시키기 위해 다수의 수신심벌을 참조할 경우 복잡도가 크게 증가하는 반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 방법은 PDF 버퍼에 적용되는 고속 퓨리에 변환 연산 1회만이 요구되므로 수신심벌 수가 증가하거나 변조차수가 크게 증가하는 환경에서도 연산 복잡도를 다음의 수학식 8과 같이 PDF 버퍼 길이 N PDF 에 따른 크기로 고정시키는 것이 가능하다.
Figure 112015109588281-pat00016
따라서, PDF 버퍼 길이에 따라 연산 복잡도를 고정시킬 수 있으므로, 수신심벌 수가 증가하는데에 따른 부담도 최소화할 수 있다.
이상 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 보호범위가 상기 도면 또는 실시예에 의해 한정되는 것을 의미하지는 않으며 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (16)

  1. 수신기에서의 에너지 하베스팅(energy harvesting) 방법에 있어서,
    수신 신호를 수신하는 단계;
    상기 수신된 수신 신호에 적용된 변조 방식 정보를 획득하는 단계;
    목표 BER(Bit Error Rate)을 달성하기 위한 상기 획득된 변조 방식에 따른 SNR(Signal to Noise Ratio) 또는 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)의 크기를 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 SNR 또는 SINR 크기를 기반으로 에너지 하베스팅을 위한 전력분배율(ρ)을 결정하는 단계를 포함하되, 상기 수신된 수신 신호에 적용된 변조 방식 정보를 획득하는 단계는,
    상기 수신신호로부터 성좌점을 획득하는 단계;
    상기 획득된 성좌점들의 실수 성분과 허수 성분 값에 절대값을 취해 성좌도의 제 1 사분면으로 상기 성좌점들을 이동시키는 단계;
    상기 허수 성분 값을 실수 성분 값으로 전환하는 오버랩(overlap)을 수행하는 단계;
    상기 오버랩된 성좌점들을 기반으로 적어도 하나의 가우시안-합 분포로 구성되는 성좌점 확률밀도함수(PDF: Probability Density Function)을 생성하는 단계; 및
    상기 적어도 하나의 확률밀도함수를 기반으로 상기 수신신호의 변조 방식을 검출하는 단계를 포함하고,
    상기 확률밀도 함수에 고속 퓨리에 변환을 수행하고, 상기 고속 퓨리에 변환된 확률밀도함수의 DC(Direct Current) 성분을 제외한 주파수 성분 중 최대 주파수 스펙트럼 값을 갖는 주파수 성분 인덱스를 분석함으로써 상기 변조 방식을 검출하는 것을 특징으로 하는 수신기에서의 RF 에너지 하베스팅 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 결정된 전력분배율을 기반으로 무선 정보 및 전력 동시 전송(SWIPT: Simultaneous Wireless Information and Power Transmission) 방식의 전력 분배를 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수신기에서의 RF 에너지 하베스팅 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력분배율은 에너지 하베스팅과 정보 복호(ID: Information Decoding)의 비율인 것을 특징으로 하는 수신기에서의 RF 에너지 하베스팅 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 목표 BER을 달성하기 위한 상기 획득된 변조 방식에 따른 SNR 또는 SINR의 크기를 결정하는 단계는,
    상기 목표 BER을 달성하기 위한 SNR 또는 SNIR의 크기를 기반으로 정보 복호를 위해 요구되는 최소 SNR 또는 SINR 크기를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수신기에서의 RF 에너지 하베스팅 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 최소 SNR 또는 SINR 크기에 마진(margin)을 고려한 보다 큰 크기의 SNR 또는 SINR 크기를 기반으로 상기 전력분배율을 결정하는 것을 특징으로 하는 수신기에서의 RF 에너지 하베스팅 방법.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 결정된 SNR 또는 SINR 크기를 기반으로 에너지 하베스팅을 위한 전력분배율(ρ)을 결정하는 단계는,
    상기 최소 SNR 또는 SINR 크기를 기반으로 정보 복호 스트림을 위한 최소 전력 크기를 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 최소 전력 크기를 기반으로 상기 전력분배율을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수신기에서의 RF 에너지 하베스팅 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    변조방식별 요구 SNR 또는 SNIR의 크기 정보는 미리 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 수신기에서의 RF 에너지 하베스팅 방법.
  8. 삭제
  9. 에너지 하베스팅(energy harvesting) 장치에 있어서,
    수신 신호를 수신하는 신호 수신부;
    상기 수신된 수신 신호에 적용된 변조 방식 정보를 획득하는 변조 방식 정보 획득부;
    목표 BER(Bit Error Rate)을 달성하기 위한 상기 획득된 변조 방식에 따른 SNR(Signal to Noise Ratio) 또는 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)의 크기를 결정하는 SNR/SINR 결정부; 및
    상기 결정된 SNR 또는 SINR 크기를 기반으로 에너지 하베스팅을 위한 전력분배율(ρ)을 결정하는 전력분배율 결정부를 포함하되, 상기 변조 방식 정보 획득부는:
    상기 수신신호로부터 성좌점을 획득하는 성좌점 획득부;
    상기 획득된 성좌점들의 실수 성분과 허수 성분 값에 절대값을 취해 성좌도의 제 1 사분면으로 상기 성좌점들을 이동시키고, 상기 허수 성분 값을 실수 성분 값으로 전환하는 오버랩(overlap)을 수행하는 성좌점 이동부;
    상기 오버랩된 성좌점들을 기반으로 적어도 하나의 가우시안-합 분포로 구성되는 성좌점 확률밀도함수(PDF: Probability Density Function)을 생성하는 확률밀도함수 생성부; 및
    상기 적어도 하나의 확률밀도함수를 기반으로 상기 수신신호의 변조 방식을 검출하는 변조방식 검출부를 포함하고,
    상기 변조방식 검출부는 상기 확률밀도 함수에 고속 퓨리에 변환을 수행하고, 상기 고속 퓨리에 변환된 확률밀도함수의 DC(Direct Current) 성분을 제외한 주파수 성분 중 최대 주파수 스펙트럼 값을 갖는 주파수 성분 인덱스를 분석함으로써 상기 변조 방식을 검출하는 것을 특징으로 하는 RF 에너지 하베스팅 장치.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제 1 항에 있어서,
    각 변조방식의 확률밀도함수의 형태는 제 1 사분면에 존재하는 성좌점의 개수와 동일한 개수의 확률밀도함수의 합으로 구성되는 것을 특징으로 하는 수신기에서의 RF 에너지 하베스팅 방법.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 오버랩을 수행하는 단계는,
    상기 제 1 사분면으로 이동된 성좌점들과 오버랩되는 성좌점들의 허수 성분 값을 x축 기준 45° 각도선을 기준으로 대칭이동 시킴으로써 실수 성분 축으로 이동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수신기에서의 RF 에너지 하베스팅 방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 수신기는 소정 기준값 이상의 수신 심벌을 수신하였을 때, 상기 확률밀도함수를 생성하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 수신기에서의 RF 에너지 하베스팅 방법.
  16. 삭제
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