KR101972397B1 - 무선전력전송 기반 다중 릴레이 분산 빔포밍 통신 장치 및 방법 - Google Patents

무선전력전송 기반 다중 릴레이 분산 빔포밍 통신 장치 및 방법 Download PDF

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이경재
콰쿠 포비 아시두 데렉
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한밭대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명에서는 무선전력전송 기반 다중 릴레이 분산 빔포밍 통신 장치와 방법을 개시한다. 본 발명은, 다중 릴레이 시스템에서 릴레이 노드의 무선전력 및 정보 동시전송 빔포밍 방법에 있어서, 하베스트된 전력 Q k > 0 인 활성화된 K 개의 릴레이 노드에 대해, 전력 조절 요소(α k ) 값을 1 로 설정하는 단계와, 활성화된 각 릴레이 노드가 각자 자신에게 최적인 전력분할비율(ρ k * )을 계산하는 단계와, 활성화된 각 릴레이 노드가 상기 최적인 전력분할비율(ρ k * )에 의해 소스 노드로부터 전송된 신호를 전력분할하고, 빔포밍 신호를 생성하여 목적지노드로 전송하는 단계를 포함한다. 본 발명에 의하면, 각 릴레이에서 구한 전력분할 비율을 피드백할 필요가 없으며, AF 다중 릴레이 시스템에서 SWIPT를 위해 적은 계산으로도 양호한 채널용량을 얻을 수 있어서, 무선전력전송 기반 다중 릴레이 분산 빔포밍 통신에 유용하게 활용될 수 있다.

Description

무선전력전송 기반 다중 릴레이 분산 빔포밍 통신 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR WIRELESS POWER TRANSFER BASED COMMUNICATIONS WITH DISTRIBUTED BEAMFORMING IN MULTIPLE-RELAY SYSTEMS}
본 발명은 무선전력전송 기반 다중 릴레이 분산 빔포밍 통신 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 각 릴레이 노드에 최적화된 전력분할 비율(PS ratio)을 이용하여 적은 계산으로도 양호한 채널용량을 얻을 수 있는 무선전력전송 기반 다중 릴레이 분산 빔포밍 통신 장치 및 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명에서는 각 릴레이에서 구한 전력분할 비율을 피드백할 필요가 없어서, 채널상태정보(CSI)를 몰라도 양호한 SNR 및 채널용량을 얻을 수 있어서, 무선전력전송 기반 다중 릴레이 분산 빔포밍 통신에 유용하게 활용될 수 있다.
무선 통신에서 릴레이는 셀룰러 네트워크의 통신영역을 확장시키고, 성능을 향상시키기 위한 유망한 솔루션으로 여겨진다.
릴레이 노드로 때로는 비활성 중인 고객 단말기를 이용할 수 있다. 이러한 경우, 릴레이 노드(relay node)로 동작하도록 선택된 고객 단말기는 소스 노드(source node)와 목적지 노드(destination node) 간의 통신을 위해 자신의 전력을 소비하게 된다. 그러나, 선택된 고객은 단말기의 배터리 에너지를 희생하는 것을 원하지 않기 때문에, 무선으로 전력도 전송될 필요가 있다.
한편, 무선 전력 통신 네트워크(wireless powered communication network; WPCN)에서는 릴레이 노드의 배터리는 무선 전력 전송(wireless powered transfer; WPT)에 의해 충전될 수 있다. 주기적 배터리 교환 또는 무선 통신 노드에서 재충전을 제외하고, WPCN은 기기 수명을 향상시키고, 네트워크 에너지 소비를 줄이고, 결과적으로 종래의 무선통신 네트워크보다 고성능을 얻을 수 있다.
WPCN에서 무선통신 노드가 전력과 정보를 동시에 전송하는 기술을 무선전력 및 정보 동시전송(simultaneous wireless information and power transfer; SWIPT)이라 한다. WPCN, WPT 및 SWIPT 시스템의 구현과 이러한 시스템의 잠재적 이익을 이용하기 위한 연구개발이 진행되고 있다.
최근, SWIPT의 아이디어는 비재생성(non-regenerative) 및 재생성(regenerative) 릴레이 시스템으로 확장되고 있다. 비재생성 릴레이 시스템의 경우, 각 릴레이는 받은 신호를 디코딩하지 않고 그대로 전달한다. 재생성 릴레이 시스템의 경우, 각 릴레이는 받은 신호를 우선 디코딩하고, 디코딩된 메시지를 기반으로 전송신호를 생성한다.
비재생성 및 재생성 릴레이 시스템의 협조에 대한 연구는 증폭 후 전달(amplify-and-forward; AF) 및 복호 후 전달(decode-and-forward; DF) 규약으로 집중된다. AF와 DF 시스템에 대해, 시간 전환(time switching; TS)과 전력 분할(power splitting; PS)에 기반한 릴레이 규약이 특별히 연구되고 있다.
Y. Jing and H. Jafarkhani, “Network beamforming using relays with perfect channel information,”IEEE Transactions on Infromation Theory, vol. 55, pp. 2499-2517, June 2009.에서는 SWIPT 시스템이 아닌 다중 릴레이 시스템에서의 빔포밍이 개시되었다. 채널상태정보(channel state information; CSI)와 노이즈 전력에 기초하여 각 릴레이 노드에서의 전송 전력을 조정함으로써, 목적지 노드에서 신호대 잡음비(signal-to-noise ratio; SNR)를 최대화한다.
등록특허공보 제10-1710012호 “수신기에서의 에너지 하베스팅 방법 및 상기 방법을 사용하는 수신기, 및 이를 위한 블라인드 변조방식 검출 방법 및 장치”에서는 SWIPT 시스템의 수신기에서의 에너지 하베스팅(energy havesting; EH) 방법이 개시되었다.
그러나 SWIPT 시스템을 이용한 AF 다중 릴레이 시스템에 대해서는 추가적인 연구가 필요한 실정이다.
등록특허공보 제10-1710012호 “수신기에서의 에너지 하베스팅 방법 및 상기 방법을 사용하는 수신기, 및 이를 위한 블라인드 변조방식 검출 방법 및 장치”
Y. Jing and H. Jafarkhani, "Network beamforming using relays with perfect channel information,"IEEE Transactions on Infromation Theory, vol. 55, pp. 2499-2517, June 2009.
본 발명의 목적은, 양호한 채널 용량을 가지는 무선전력전송 기반 다중 릴레이 분산 빔포밍 통신 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 계산량을 줄일 수 있어서 실용적인 무선전력전송 기반 다중 릴레이 분산 빔포밍 통신 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 이루기 위한 하나의 양태에 따르면, 본 발명은 다중 릴레이 시스템에서 릴레이 노드의 무선전력 및 정보 동시전송 빔포밍 방법에 있어서, (a) 하베스트된 전력 Q k > 0 인 활성화된 K 개의 릴레이 노드에 대해, 전력 조절 요소(α k ) 값을 1 로 설정하는 단계; (b) 활성화된 각 릴레이 노드가 각자 자신에게 최적인 전력분할비율(ρ k * )을 계산하는 단계; 및 (c) 활성화된 각 릴레이 노드가 상기 최적인 전력분할비율(ρ k * )에 의해 소스 노드로부터 전송된 신호를 전력분할하고, 빔포밍 신호를 생성하여 목적지노드로 전송하는 단계;를 포함한다.
상기 최적인 전력분할비율(ρ k * )은 하기 수학식 12를 이용하여 계산할 수 있다.
[수학식 12]
Figure 112018004169339-pat00001
Figure 112018004169339-pat00002
(여기에서, β k 는 에너지 하베스트(EH) 효율을 나타내고 0 ≤ β k ≤1 이며, P T 는 소스 노드 S 에서 전송된 전력이고, P C,k 는 정보인식(ID)을 위해 소모되는 회로의 전력이고, h k 는 소스 노드 S 에서 k 번째 릴레이 노드 R k 로 전송되는 채널 정보이고, g k 는 k 번째 릴레이 노드 R k 에서 목적지 노드로 전송되는 채널 정보이고, σ T,k 2 는 전체 노이즈 편차이고, σ P,k 2 는 프로세싱 노이즈 편차이고, σ A,k 2 는 안테나 노이즈 편차이고, σ D 2 은 목적지 노드의 노이즈 편차이다.)
상기 빔포밍 신호는, 소스 노드로부터 전송된 신호를 전력분할하고, 하베스트된 전력 중에서 재전송에 사용할 전력(Q k )으로 증폭하여 생성할 수 있다.
상기 재전송에 사용할 전력(Q k )은 다음 수학식 2로 구할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112018004169339-pat00003
(여기에서, β k 는 에너지 하베스트(EH) 효율을 나타내고 0 ≤ β k ≤1 이며, P T 는 소스 노드 S 에서 전송된 전력이고, P C,k 는 정보인식(ID)을 위해 소모되는 회로의 전력이고, h k 는 소스 노드 S 에서 k 번째 릴레이 노드 R k 로 전송되는 채널 정보이다.)
상기 목적을 이루기 위한 다른 양태에 따르면, 본 발명은 다중 릴레이 시스템에서 무선전력 및 정보 동시전송 빔포밍을 수행하는 릴레이 노드 장치에 있어서, 하베스트된 전력 Q k > 0 으로 릴레이 노드가 활성화된 경우, 전력 조절 요소(α k ) 값을 1 로 설정하고, 각 릴레이 노드에 최적인 전력분할비율(ρ k * )을 계산하고, 상기 최적인 전력분할비율(ρ k * )에 의해 소스 노드로부터 전송된 신호를 전력분할하고, 빔포밍 신호를 생성하는 제어부; 및 상기 빔포밍 신호를 목적지노드로 전송하는 송신부;를 포함한다.
상기 최적인 전력분할비율(ρ k * )은 하기 수학식 12를 이용하여 계산할 수 있다.
[수학식 12]
Figure 112018004169339-pat00004
Figure 112018004169339-pat00005
(여기에서, β k 는 에너지 하베스트(EH) 효율을 나타내고 0 ≤ β k ≤1 이며, P T 는 소스 노드 S 에서 전송된 전력이고, P C,k 는 정보인식(ID)을 위해 소모되는 회로의 전력이고, h k 는 소스 노드 S 에서 k 번째 릴레이 노드 R k 로 전송되는 채널 정보이고, g k 는 k 번째 릴레이 노드 R k 에서 목적지 노드로 전송되는 채널 정보이고, σ T,k 2 는 전체 노이즈 편차이고, σ P,k 2 는 프로세싱 노이즈 편차이고, σ A,k 2 는 안테나 노이즈 편차이고, σ D 2 은 목적지 노드의 노이즈 편차이다.)
상기 제어부는, 소스 노드로부터 전송된 신호를 전력분할하고, 하베스트된 전력 중에서 재전송에 사용할 전력(Q k )으로 증폭하여 빔포밍 신호를 생성할 수 있다.
상기 재전송에 사용할 전력(Q k )은 다음 수학식 2로 구할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112018004169339-pat00006
(여기에서, β k 는 에너지 하베스트(EH) 효율을 나타내고 0 ≤ β k ≤1 이며, P T 는 소스 노드 S 에서 전송된 전력이고, P C,k 는 정보인식(ID)을 위해 소모되는 회로의 전력이고, h k 는 소스 노드 S 에서 k 번째 릴레이 노드 R k 로 전송되는 채널 정보이다.)
본 발명에 따른 무선전력전송 기반 다중 릴레이 분산 빔포밍 통신 장치 및 방법은 각 릴레이 노드에 최적화된 전력분할 비율(PS ratio)을 이용하여 적은 계산으로도 양호한 채널용량을 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 무선전력전송 기반 다중 릴레이 분산 빔포밍 통신 장치 및 방법은 각 릴레이에서 구한 전력분할 비율을 피드백할 필요가 없어서, 채널상태정보(CSI)를 몰라도 양호한 SNR 및 채널용량을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔포밍 방법을 이용하는 다중 릴레이 시스템을 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔포밍 방법을 이용하는 릴레이 노드 장치의 구조를 나타내는 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔포밍 방법을 실행하는 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 최적 전력분할비율을 구하는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 최적화 방법과 기존 방법들의 전송 SNR에 대한 평균 대역폭 효율을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 최적화 방법과 기존 방법들의 릴레이 수에 대한 평균 대역폭 효율을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 최적화 방법과 기존 방법들의 수행 전력에 대한 평균 대역폭 효율을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 최적화 방법과 기존 방법들의 전송 SNR의 변화에 따른 평균 비트오류율 변화를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면들 및 후술되어 있는 내용을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급되지 않는 한 복수형도 포함된다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 도 1 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 빔포밍 기법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔포밍 방법을 이용하는 다중 릴레이 시스템을 나타내는 개념도이다.
도 1을 참조하면, 소스 노드(110)와 목적지 노드(190) 사이에는 총 L 개의 릴레이 노드들이 있다. 소스 노드와 목적지 노드 사이의 통신과 관련된 K 개의 릴레이 노드들(131, 132, ...)은 활성 릴레이 노드(130)이고, 나머지 릴레이 노드들(121, 122, ...)은 비활성 릴레이 노드(120)이다. 소스노드와 목적지 노드 사이에 직접적인 연결은 없다고 가정한다.
이하에서 특별한 언급이 없는 경우, 릴레이 노드는 활성 릴레이 노드(130)를 의미한다.
R k 는 k번째 릴레이 노드(130)를 나타내고, h k 는 소스 노드와 릴레이 노드 사이의 S-R k 채널을 나타내고, 그리고 g k 는 릴레이 노드와 목적지 노드 사이의 R k -D 채널을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔포밍 방법을 이용하는 릴레이 노드 장치의 구조를 나타내는 구성도이다.
SWIPT PS 시스템을 구비하고 있는 릴레이 노드(130)는 수신부(210), 제어부, 송신부(260) 등으로 구성된다.
소스 노드(130)에서 전송된 무선정보 신호는 릴레이 노드(130) R k 로 전송된다. 무선정보 신호는 릴레이 노드(130) R k 의 수신부(210)로 수신된다. 수신된 무선 정보 신호는 안테나 노이즈 n A,k 와 결합(215)되어, 입력신호 x in,k 가 입력된다. 릴레이 노드 R k 는 전송받은 신호를 목적지 노드(190)로 전송하기 위하여, RF신호에서 전력을 하베스트해야 한다.
제어부는 정보인식(ID) 모듈(220) 및 에너지 하베스트 모듈(230)을 포함한다. 입력된 신호 중 전력분할비율(PS ratio) ρ k 만큼은 에너지 하베스트 모듈(230)로 입력되어 에너지를 생성한다. 나머지 1 - ρ k 만큼의 신호는 정보인식(ID) 모듈(220)로 입력된다. 정보인식(ID) 모듈을 가동시키기 위해 필요한 전력 P C,k 는 에너지 하베스트 모듈(230)에서 공급된다. RF밴드를 기준밴드 신호로 변환하는 과정에서 추가적인 노이즈 n P,k 가 결합(225)되어, 재전송을 위한 정보 신호 x id,k 가 형성된다.
제어부는 최적 전력분할비율을 계산할 수 있는 연산모듈, 데이터를 저장하는 저장모듈 등을 더 포함할 수 있다.
릴레이 노드(130) R k 에서 목적지 노드(190)로 정보신호 x id,k 를 재전송하기 위해, 하베스트된 에너지 중에서 정보인식(ID) 모듈에서 사용된 전력 P C,k 를 제외한 나머지 전력 Q k 를 이용하여 믹싱(240)한다. 최종 출력신호 x out,k 는 전력 조절 요소(power control factor) α k 와, 위상 맞춤 요소(phase alignment factor) θ k 를 이용하여 믹싱(250)하여 형성된다. 릴레이 노드는 송신부(260)를 통해서 목적지 노드(190)로 출력신호를 전송한다.
이상의 과정을 수학식을 이용하여 자세히 살펴보면 다음과 같다.
소스 노드로부터 릴레이 노드 R k 에 전달된 신호 x in,k 는 수학식 1로 표현할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112018004169339-pat00007
여기에서, P T 는 소스 노드(110) S 에서 전송된 전력이고, h k 는 소스 노드 S 에서 k 번째 릴레이 노드(130) R k 로 전송되는 S-R k 채널 정보이고, s 는 소스 노드에서 전송되는 신호이고, n A,k 는 소스노드 S 와 릴레이노드 R k 사이의 안테나 노이즈이다.
릴레이 노드(130) R k 에서 수신된 RF신호로부터 재전송을 위해 얻어질 수 있는 하베스트된 전력 Q k 는 수학식 2와 같이 된다.
[수학식 2]
Figure 112018004169339-pat00008
여기에서, β k 는 에너지 하베스트(EH) 효율을 나타내고 0 ≤ β k ≤1 이며, ρ k 는 전력분할비율(PS ratio)을 나타내고 0 ≤ ρ k ≤1 이며, P C,k 는 정보인식(ID)을 위해 소모되는 회로의 전력이다.
만약, 릴레이 노드 R k 에서 하베스트된 전력이 P C,k 보다 작다면, 즉 Q k ≤ 0 인 경우, 릴레이 노드 R k 는 동작하지 않게 된다.
따라서, 활성 릴레이 노드(130)는 다음 식을 만족하여야 하므로, 활성 릴레이 노드(130) 개수 K 는 전체 릴레이 개수 L 보다 작거나 같다(K ≤ L).
Figure 112018004169339-pat00009
전력분할(PS) 후에 재전송을 위한 정보 신호의 비율은 수학식 3과 같다.
[수학식 3]
Figure 112018004169339-pat00010
여기에서, n P,k 는 RF밴드를 기준밴드 신호로 변환할 때 발생하는 추가적인 노이즈를 나타낸다.
수학식 1에 수학식 3을 대입하면, 수학식 4를 얻을 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112018004169339-pat00011
여기에서, n T,k 는 전체 노이즈이며, 다음 식으로 주어진다.
Figure 112018004169339-pat00012
다중 릴레이 빔포밍을 위해, 비특허문헌 1에서 제시된 빔포밍 디자인을 사용하면, 릴레이 노드(130) R k 에서 목적지 노드(190) D 로 전송되는 신호는 수학식 5로 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112018004169339-pat00013
여기에서, α k 와 θ k 는 네트워크 빔포밍을 위해 비특허문헌 1에서 정의된 것으로, α k 는 전력 조절 요소(power control factor)이고, θ k 는 위상 맞춤 요소(phase alignment factor)이다. 그리고 P R,k 는 릴레이 노드 R k 에서 수신된 신호를 목적지 노드 D 로 재전송하는 전력으로 P R,k = α k 2 Q k 이다.
수학식 5에서, 전체 노이즈 편차 σ T,k 2 는 다음 식으로 주어진다.
Figure 112018004169339-pat00014
여기에서, σ A,k 2 는 안테나 노이즈의 편차이고, σ P,k 2 는 프로세싱 노이즈의 편차이다.
결과적으로, 목적지 노드(190) D 에서 수신되는 신호(information signal)는 수학식 6과 같다.
[수학식 6]
Figure 112018004169339-pat00015
여기에서,
Figure 112018004169339-pat00016
이고, n D 는 목적지 노드의 노이즈이고, g k 는 k 번째 릴레이 노드 R k 에서 목적지 노드로 전송되는 채널 정보이고, 전력 조정된 채널(power scaled channel) g k 는 수학식 7로 주어진다.
[수학식 7]
Figure 112018004169339-pat00017
다중 릴레이 빔포밍 시스템에서 수신된 신호대 잡음비(SNR)는 수학식 8로 주어진다.
[수학식 8]
Figure 112018004169339-pat00018
Figure 112018004169339-pat00019
여기에서, σ D 2 은 목적지 노드의 노이즈 편차이다.
목적지 노드(190) D 에서의 전송률 성능(rate performance)을 최대화하기 위하여, 수학식 8의 파라미터들인 {σ k }와 {ρ k } 는 최적화 되어야 한다. 전송률 최대화 문제는 채널용량(achievable rate; 대역폭 효율; 대역폭당 전송률; bps/Hz) 최대화 문제인 수학식 9로 바꿀 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112018004169339-pat00020
수학식 9의 채널용량 최대화 문제는 수학식 10과 같이 수신된 신호대 잡음비(SNR) γ를 최대화시켜서 풀 수 있다.
[수학식 10]
Figure 112018004169339-pat00021
수학식 10은 연립방정식으로, 통합 최적화(joint optimization)가 필요하다. 수학식 10을 통합 최적화하는 문제는 {α k }와 {ρ k }에 대하여 볼록(convex)이므로, KKK 조건(Karush-Kuhn-Tucker condition)을 이용하여 풀 수 있다.
이러한 통합 최적화 방법을 이용하면, 전체적으로 최적화된 성능(globally optimal performance)을 얻을 수 있다.
그러나, 계산의 복잡성, 전체 채널상태 정보(CSI)가 필요한 점, 및 중앙집중적인 특성은 실제 통합 최적화 계산 수행시 부담이 된다. 이러한 문제를 극복하기 위하여 분산 최적화 방법을 적용할 수 있다.
한 개의 릴레이만 동작하는(K = 1) 특별한 경우에는, 신호대 잡음비(SNR) 최대화 문제인 수학식 10은 수학식 11과 같이 간단하게 된다.
[수학식 11]
Figure 112018004169339-pat00022
Figure 112018004169339-pat00023
이 경우, 최적 해인 ρ k * 는 목적 함수를 미분한 값을 0 과 같게 함으로써 얻을 수 있다. 그 결과, 1 개의 활성 릴레이 노드(130)를 위한 최적의 전력분할비율(PS ratio) ρ k * 는 수학식 12와 같이 구할 수 있다.
[수학식 12]
Figure 112018004169339-pat00024
Figure 112018004169339-pat00025
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔포밍 기법을 실행하는 순서도이다.
멀티 릴레이 시스템에서, 다음과 같이 분산 방식으로 최적화를 할 수 있다. 먼저, 활성화된 K 개의 릴레이가 선택된다(S310). 활성화된 각 릴레이 노드는 각자 자신에게 최적인 전력분할비율(PS ratio) ρ k * (k = 1, ... , K)과 하베스트된 전력 중에서 재전송에 사용할 전력 Q k 를 구할 수 있다(S330).
각 릴레이 노드(130)는 입력신호를 최적인 전력분할비율 ρ k * 로 전력분할하고, 재전송에 사용할 전력 Q k 를 이용하여 입력신호를 증폭하여 목적지 노드(190)로 전송할 수 있다(S370).
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 최적 전력분할비율을 구하는 순서도이다.
분산 최적화 빔포밍 방법(distribute scheme)은, 각 릴레이 노드(130)마다 다음의 단계를 거쳐서 각 릴레이 노드에 최적인 전력분할비율(PS ratio) ρ k (k = 1, ... , K)를 구할 수 있다.
(1) 하베스트된 전력 Q k > 0 인 K 개의 릴레이 노드에 대해, 각 릴레이 노드는 최대로 전력을 수확하도록 한다. 즉, k = 1, ... , K 에 대해 전력 조절 요소(power control factor) α k = 1 로 설정한다(S341).
(2) k = 1, ... , K 에 대해, 단일 릴레이 노드의 최적의 전력분할비율(PS ratio) ρ k * 를 수학식 12를 이용하여 계산한다(S343).
(3) k = 1, ... , K 에 대해 계산된 ρ k * 를 이용하여, 수학식 2에서 재전송에 사용할 전력 Q k 를 계산한다(S345).
정리하면, 먼저, 활성화된 모든 릴레이 노드(130)에 대하여, 각 릴레이 노드에서 최적화된 전력분할비율(PS ratio) ρ k * 를 구한다. 그리고 각 릴레이 노드는 각자 구한 자신의 전력분할비율에 맞추어 전력을 분할하여, 각 릴레이 노드가 소스 노드(110)로부터 받은 신호를 증폭후 목적지 노드(190)로 빔포밍하여 전달한다.
이상의 방법을 이용하면, 빔포밍 위상(beamforming phase), 전력 할당 요소(power allocation factor), 및 전력분할 파라미터(PS parameter)를 글로벌 정보 없이도 각 릴레이 노드에서 계산할 수 있다. 즉, 계산을 부담을 줄여 효율적으로 양호한 성능을 얻을 수 있다.
복잡도 계산
Proposed
optimal		 Optimal α k with fixed ρ k Relay selection
계산 복잡도 O (J) O (K J) 2 O (K J)
Feedback bits - K i 0 log K + B i 0 + B
Computing type 분산 집중 집중
필요한 CSI 로컬 CSIs 글로벌 CSIs 글로벌 CSIs
표 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분산 최적화 방법과 기존 방법들의 계산의 복잡성, 요구되는 채널상태정보(CSI) 등을 정리한 것이다.
이하의 표 및 도면에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 분산 최적화 빔포밍 방법(distribute scheme)은 Proposed optimal 로, 비특허문헌 1에 개시된 빔포밍 방법은 Optimal α k with fixed ρ k 로, 릴레이 선택 방법은 Relay selection 으로, α k 와 ρ k 값이 모두 고정된 단순한 방법은 Fixed α k and ρ k 로, 집중 탐색 방법은 Exhaustive search 로 표시한다.
계산을 간단히 하기 위해 모든 최적화 방법에 대하여, 그래디언트 계산, SNR 평가, ρ k 값 수정, ρ k 값 계산 등 복잡한 산술 방정식에 대해 최대값 O(J) 이 동일하다고 가정하였다.
분산 최적화 방법에 대하여, 각 릴레이는 각자의 ρ k 값을 계산하므로 계산의 복잡도는 O(J) 가 된다.
릴레이 선택 방법(relay selection scheme)에서는 중앙의 노드가 각 ρ k 값 및 SNR 값을 계산하므로 계산 복잡도는 2O(KJ) 가 된다.
비특허문헌 1에 개시된 빔포밍 방법인 고정된 ρ k 값으로 α k 값을 최적화하는 방법은 모든 릴레이 노드가 α k 값을 계산해야 하므로 계산의 복잡도는 O(KJ) 가 된다.
다른 방법들에 비해 분산 최적화 방법은 계산의 복잡도가 상대적으로 낮고, K 값에 따라 변화하지 않는 장점이 있다.
표 1에서, B 는 실수를 전파하기 위한 비트 수이고, i 0 는 릴레이 노드의 인덱스를 전파하기 위해 필요한 비트들이다.
분산 최적화 방법은 각 릴레이 노드에서 로컬 채널 정보를 이용하여 자신의 ρ k * 값을 계산하므로, 피드백 채널이 필요 없다.
종래의 고정된 ρ k 값으로 α k 값을 최적화하는 방법은 하나의 실수와 각 릴레이의 인덱스를 전파하는 것이 필요하다.
릴레이 선택 방법에서는 선택된 릴레이의 인덱스와 ρ k * 값만 전송된다.
다른 방법들에 비해 분산 최적화 방법은 피드백 채널이 필요하지 않는 장점이 있다.
최적화 성능 평가 방법
L개의 릴레이 노드가 25 m2 의 정사각형 영역에 랜덤하게 분포되어 있고, 소스와 목적지 노드는 중앙선 상에 5m 거리를 두고 떨어진 위치에 놓여있다고 가정한다.
모든 k 에 대하여 에너지 하베스트(EH) 효율이 70% 인 경우, 즉 β k = 0.7 에 대하여 시뮬레이션 하였다. 모든 k 에 대해 σ A,k 2 = 0.6, σ P,k 2 = 0.4, σ D 2 = 1 인 경우, 전송 신호대 잡음비(transmit SNR)는 P T = P T /σ D 2 = P T /(σ A,k 2 + σ P,k 2) 으로 구할 수 있다.
채널 상수 h k 와 g k 는 다음 수학식 13에 의해 구할 수 있다.
[수학식 13]
Figure 112018004169339-pat00026
수학식 19에서 d h,k 는 소스와 릴레이간 거리이고, d g,k 는 릴레이와 목적지간 거리이다. 또한, 경로 손실 지수(pathloss exponents)는 ε h = ε g = 5 이고, ζ h,k 와 ζ g,k 는 평균이 0 이고, 분산이 1인 원형 복소 가우스 분포(circularly complex Gaussian distribution)로 가정한다.
Scheme α 1 α 2 α 3 ρ 1 ρ 2 ρ 3 Rate
(bps/Hz)
#1 1 1 1 0.0013 0.1694 0.9598 0.9086
#2 0.0522 1 1 0.5 0.5 0.5 0.5956
#3 1 1 1 0.5 0.5 0.5 0.1393
표 2는 활성 릴레이 노드가 3개인 경우(K = 3)에 대해 각 방법의 최적화 값들을 보여준다. #1은 본 발명의 분산 최적화 방법이고, #2는 비특허문헌 1의 다중릴레이 빔포밍방법이고, #3은 릴레이 선택방법을 나타낸다.
표 2에 활성 릴레이 노드가 3개(K = 3)이고, 전송 SNR 이 20dB인 경우에 대해, 여러 방법들의 최적화 값들을 나타냈다.
분산 최적화 빔포밍 방법(#1)에서는 모든 k 값에 대해 고정된 전력 조절 요소(power control factor) α k = 1 이며, 순간 대역폭 효율(대역폭당 전송률; bps/Hz)이 0.9086 으로 다른 경우보다 높은 것을 확인할 수 있다.
최적의 α k 값 과 고정된 ρ k 값을 가지는 기존의 방법(#2)에서는, ρ k 값은 최적화되지 않고 0.5로 고정되었으며, α k 값이 항상 1이 아님을 알 수 있다.
모든 k 값에 대해 α k = 1 과 ρ k = 0.5 로 고정된 단순한 경우(#3)도 비교되었는데, 순간 대역폭당 전송률(bps/Hz)이 0.1393 으로 다른 경우보다 낮았다.
최적화 시뮬레이션 결과
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 최적화 방법과 기존 방법들의 전송 SNR에 대한 평균 대역폭 효율을 나타낸 그래프이다. 도 5는 다중 릴레이 SWIPT 빔포밍 시스템에 대한 통합 최적화 방법의 최적화 정도를 나타낸다.
릴레이 개수 L = 3 일 때를 살펴보면, 다차원 집중 탐색 방법(exhaustive search method)과 본 발명의 분산 최적화에 의한 결과가 동일하게 우수한 성능을 보임을 알 수 있다. 모든 릴레이들이 협력 네트워크에 참여하기 때문에, 릴레이 선택 방법(relay selection method)의 성능이 가장 낮았다.
릴레이 개수 L = 3 이고, P T = 30 dB 인 경우에, 분산 최적화의 결과는, 최적의 α k 값 과 ρ k = 0.5 로 고정된 값을 가지는 비특허문헌 1에 개시된 빔포밍 방법, α k = 1 과 ρ k = 0.5 로 고정된 값을 가지는 단순한 방법, 그리고 릴레이 선택 방법과 비교할 때, 각각 7%, 14%, 26% 의 향상된 평균 대역폭당 전송률(bps/Hz)을 가진다.
릴레이 개수 L = 12 이고, P T = 40 dB 인 경우에, 분산 최적화의 결과는, 최적의 α k 값 과 ρ k = 0.5 로 고정된 값을 가지는 비특허문헌 1에 개시된 빔포밍 방법에 비해 평균 대역폭당 전송률이 근소하게(2%) 작은 결과를 보였다. 그러나, α k = 1 과 ρ k = 0.5 로 고정된 값을 가지는 단순한 방법, 그리고 릴레이 선택 방법과 비교할 때, 각각 10%, 29% 의 향상된 평균 대역폭당 전송률(bps/Hz)을 보여준다. 집중 탐색 방법은 릴레이 개수가 많아지는 경우에는 실용적이 않으므로 제외되었다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 최적화 방법과 기존 방법들의 릴레이 수에 대한 평균 대역폭 효율을 나타낸 그래프이다. 도 6은 전송 신호대 잡음비(transmit SNR)가 30 dB 및 40 dB 인 경우에, 릴레이 노드의 개수 L 에 따른 평균 대역폭 효율(대역폭당 전송률; bps/Hz)의 영향을 보여준다.
P T 와 L 이 증가함에 따라서 모든 방법에 의한 성능 이득(performance gain)이 증가함을 알 수 있다.
전송 SNR이 40dB 에서, 분산 최적화 방법은 L ≤ 10 인 경우에, 다른 방법들 보다 우수한 평균 대역폭 효율(bps/Hz)을 보여준다. 전송 SNR이 더 낮은 30dB 에서는 분산 최적화 방법이 L ≤ 20 에서도 다른 방법들 보다 우수한 평균 대역폭당 전송률(bps/Hz)을 보인다.
즉, 낮은 전송 신호대 잡음비를 갖는 영역에 사용되는 작은 수의 릴레이에 대해서는, 분산 최적화를 사용하는 것이 같은 성능으로 시스템 부담을 줄이는 데 도움이 될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 최적화 방법과 기존 방법들의 수행 전력에 대한 평균 대역폭 효율을 나타낸 그래프이다. 도 7은 모든 릴레이 노드에 대하여, 수행되는 회로 전력을 P C,k = P C 로 증가시킨 경우, 평균 대역폭 효율(bps/Hz)의 변화를 나타내는 그래프이다.
수행되는 회로 전력이 P C,k ≥ -10dB 인 경우, 활성화된 릴레이 수가 줄어들기 때문에, 평균 대역폭 효율(bps/Hz)은 급격히 감소한다.
여전히, 본 발명의 분산 최적화 빔포밍 방법은 다른 방법들에 비해 평균대역폭당 전송률(bps/Hz)이 높음을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 최적화 방법과 기존 방법들의 전송 SNR의 변화에 따른 평균 비트오류율 변화를 나타낸 그래프이다. 도 8은 전송 SNR이 증가할 때, 여러 방법들의 평균 비트오류율(bit error rate; BER) 변화를 보여준다.
직교 위상 편이 변조(quadrature phase shift keying; QPSK) 신호를 부호화하지 않는(uncoded) 시스템을 고려한다.
L = 12 이고, 평균 BER이 10-2 인 경우를 고려할 때, 분산 최적화 빔포밍 방법은, 최적의 α k 값 과 ρ k = 0.5 로 고정된 값을 가지는 비특허문헌 1에 개시된 빔포밍 방법에 비해 이득(gain)이 근소하게(1dB) 작은 결과를 보였다. 그러나, α k = 1 과 ρ k = 0.5 로 고정된 값을 가지는 단순한 방법, 그리고 릴레이 선택 방법과 비교하여, 각각 4dB, 7dB 만큼 이득(gain)의 향상이 있다.
L = 3 이고, 평균 BER이 10-2 인 경우를 고려할 때, 분산 최적화 빔포밍 방법은, 최적의 α k 값 과 ρ k = 0.5 로 고정된 값을 가지는 비특허문헌 1에 개시된 빔포밍 방법, α k = 1 과 ρ k = 0.5 로 고정된 값을 가지는 단순한 방법, 그리고 릴레이 선택 방법과 비교하여, 각각 2dB, 2dB, 5dB 만큼 이득(gain)의 향상이 있다.
분산 최적화 빔포밍 방법은 평균 rate와 에러 성능에서 다른 방법들에 비해 상대적으로 향상된 결과를 보이며, 실제 분산 릴레이 시스템에서 구현될 때 효율적이다.
본 발명은 다중 릴레이 AF 시스템에서 SWIPT 전송 규약을 설계하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 분산 최적화 빔포밍 방법은 기존의 방법들 보다 복잡도가 낮고, 피드백 정보도 필요하지 않은 방법으로 실제 구현하기 용이하며, 다른 최적화 방법들 보다 우수한 성능을 보인다.
다중 릴데이 빔포밍을 위해서, SWIPT 시스템의 전력 분할 기반 릴레이에서는 최적화된 전력분할비(PS ratio) ρ k * 가 전력 제어 요소(power control factor) α k 의 영향을 커버할 수 있으므로, 전력 제어 요소 α k 에 대한 최적화는 무시될 수 있다. 즉, 릴레이에서 수확된 전력을 신호를 재전송하는데 최대한 이용하는 것이, 채널과 노이즈 상태와 무관하게 최적의 릴레이 전략이다.
이상에서 대표적인 실시 예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시 예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.
110 : 소스 노드
130 : 활성 릴레이 노드
190 : 목적지 노드
210 : 수신 안테나
220 : 정보인식(ID) 모듈
230 : 에너지 하베스트 모듈
260 : 송신 안테나

Claims (8)

  1. 다중 릴레이 시스템에서 릴레이 노드의 무선전력 및 정보 동시전송 빔포밍 방법에 있어서,
    (a) 하베스트된 전력 Qk > 0 인 활성화된 K 개의 릴레이 노드에 대해, 전력 조절 요소(αk ) 값을 1 로 설정하는 단계;
    (b) 활성화된 각 릴레이 노드가 각자 자신에게 최적인 전력분할비율(ρk * )을 계산하는 단계; 및
    (c) 활성화된 각 릴레이 노드가 상기 최적인 전력분할비율(ρk * )에 의해 소스 노드로부터 전송된 신호를 전력분할하고, 빔포밍 신호를 생성하여 목적지노드로 전송하는 단계;를 포함하되,
    상기 최적인 전력분할비율(ρk * )은 하기 수학식 12를 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 기반 다중 릴레이 분산 빔포밍 통신 방법.
    [수학식 12]
    Figure 112019033334280-pat00041

    Figure 112019033334280-pat00042

    (여기에서, βk 는 에너지 하베스트(EH) 효율을 나타내고 0 ≤ βk ≤1 이며, PT 는 소스 노드 S 에서 전송된 전력이고, PC,k 는 정보인식(ID)을 위해 소모되는 회로의 전력이고, hk 는 소스 노드 S 에서 k 번째 릴레이 노드 Rk 로 전송되는 채널 정보이고, gk 는 k 번째 릴레이 노드 Rk 에서 목적지 노드로 전송되는 채널 정보이고, σT,k 2 는 전체 노이즈 편차이고, σP,k 2 는 프로세싱 노이즈 편차이고, σA,k 2 는 안테나 노이즈 편차이고, σD 2 은 목적지 노드의 노이즈 편차이다.)
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 빔포밍 신호는, 소스 노드로부터 전송된 신호를 전력분할하고, 하베스트된 전력 중에서 재전송에 사용할 전력(Q k )으로 증폭하여 생성하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 기반 다중 릴레이 분산 빔포밍 통신 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 재전송에 사용할 전력(Q k )은 다음 수학식 2로 구하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 기반 다중 릴레이 분산 빔포밍 통신 방법.
    [수학식 2]
    Figure 112018004169339-pat00029

    (여기에서, β k 는 에너지 하베스트(EH) 효율을 나타내고 0 ≤ β k ≤1 이며, P T 는 소스 노드 S 에서 전송된 전력이고, P C,k 는 정보인식(ID)을 위해 소모되는 회로의 전력이고, h k 는 소스 노드 S 에서 k 번째 릴레이 노드 R k 로 전송되는 채널 정보이다.)
  5. 다중 릴레이 시스템에서 무선전력 및 정보 동시전송 빔포밍을 수행하는 릴레이 노드 장치에 있어서,
    하베스트된 전력 Qk > 0 으로 릴레이 노드가 활성화된 경우, 전력 조절 요소(αk ) 값을 1 로 설정하고, 각 릴레이 노드에 최적인 전력분할비율(ρk * )을 계산하고, 상기 최적인 전력분할비율(ρk * )에 의해 소스 노드로부터 전송된 신호를 전력분할하고, 빔포밍 신호를 생성하는 제어부; 및
    상기 빔포밍 신호를 목적지노드로 전송하는 송신부;를 포함하되,
    상기 최적인 전력분할비율(ρk * )은 하기 수학식 12를 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 기반 다중 릴레이 분산 빔포밍 통신 장치.
    [수학식 12]
    Figure 112019033334280-pat00043

    Figure 112019033334280-pat00044

    (여기에서, βk 는 에너지 하베스트(EH) 효율을 나타내고 0 ≤ βk ≤1 이며, PT 는 소스 노드 S 에서 전송된 전력이고, PC,k 는 정보인식(ID)을 위해 소모되는 회로의 전력이고, hk 는 소스 노드 S 에서 k 번째 릴레이 노드 Rk 로 전송되는 채널 정보이고, gk 는 k 번째 릴레이 노드 Rk 에서 목적지 노드로 전송되는 채널 정보이고, σT,k 2 는 전체 노이즈 편차이고, σP,k 2 는 프로세싱 노이즈 편차이고, σA,k 2 는 안테나 노이즈 편차이고, σD 2 은 목적지 노드의 노이즈 편차이다.)
  6. 삭제
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는, 소스 노드로부터 전송된 신호를 전력분할하고, 하베스트된 전력 중에서 재전송에 사용할 전력(Q k )으로 증폭하여 빔포밍 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 기반 다중 릴레이 분산 빔포밍 통신 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 재전송에 사용할 전력(Q k )은 다음 수학식 2로 구하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 기반 다중 릴레이 분산 빔포밍 통신 장치.
    [수학식 2]
    Figure 112018004169339-pat00032

    (여기에서, β k 는 에너지 하베스트(EH) 효율을 나타내고 0 ≤ β k ≤1 이며, P T 는 소스 노드 S 에서 전송된 전력이고, P C,k 는 정보인식(ID)을 위해 소모되는 회로의 전력이고, h k 는 소스 노드 S 에서 k 번째 릴레이 노드 R k 로 전송되는 채널 정보이다.)
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