KR102039924B1 - 협력 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 장치 및 방법 - Google Patents

협력 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 장치 및 방법 Download PDF

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이경재
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Abstract

본 발명에서는 협력 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 장치 및 방법을 개시한다. 본 발명은, 협력 릴레이 네트워크를 위한 목적지 노드의 무선전력 및 정보 동시전송 방법에 있어서, 배터리를 구비하는 복수의 릴레이 노드 중 신호 전송에 사용할 릴레이와 최적 전력 분할 비율(βopt)을 선택하는 릴레이 선택 단계와, 소스 노드로부터 전송된 직접 링크 신호를 수신하는 직접 링크 신호 수신 단계와, 선택된 릴레이 노드로부터 전송된 중계 신호를 수신하는 중계 신호 수신 단계와, 직접 링크 신호와 중계 신호를 결합하는 신호 결합 단계를 포함한다. 본 발명에 의하면, 협력 릴레이 시스템에서 아웃티지 확률 성능이 우수한 릴레이를 선택할 수 있어서, 양호한 통신 품질을 유지할 수 있다.

Description

협력 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 장치 및 방법{SIMULTANEOUS WIRELESS POWER AND INFORMATION TRANSFER DEVICE AND METHOD FOR COOPERATIVE RELAY}
본 발명은 협력 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소스 노드와 목적지 노드 사이의 직접 링크 신호와 배터리를 가진 복수의 릴레이 노드 중에서 선택된 릴레이에서 전송된 중계 신호를 최대 비율 결합한 신호의 아웃티지 확률이 최소화되도록 릴레이와 최적 전력 분할 비율을 선택하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
협력 통신 네트워크는 소스 노드와 목적지 노드 사이의 링크가 심각한 페이딩을 겪을 때 링크 신뢰도, 처리량 및 네트워크 커버리지의 현저한 개선을 제공한다. 다중 안테나 시스템은 다중 안테나에 의해 제공되는 공간 다이버시티를 이용함으로써 페이딩 퇴치의 주요 접근법으로서 문헌에서 광범위하게 연구되어왔다. 그러나 트랜시버 설계, 특히 사용자 장치에서 다중 안테나 구현에는 한계가 있다.
협력 릴레이 통신은 분산된 무선 노드 간의 협력을 통해 공간 다이버시티를 효율적으로 활용하는 방법이다. 협력 릴레이 네트워크에서, 릴레이 노드는 제한된 배터리 보유량을 가질 수 있으므로 활성 상태를 유지하기 위해 일부 외부 충전 메커니즘에 의존한다. 그런데 배터리를 교체하거나 충전하면 높은 비용이 발생하고 릴레이 노드 배치의 유연성도 제한된다. 예를 들어, 많은 무선 센서 노드가 위험한 환경에 배치되면 배터리를 교체하거나 충전하는 것이 매우 불편할 수 있다.
이러한 환경에서 에너지 수확(energy harvest; EH)은 무선 센서 노드에 전원을 공급하기 위한 안전하고 비용 효율적인 옵션을 제공한다. 전통적인 EH 방법은 태양, 바람, 진동 등과 같은 자연적 원인을 기반으로 한다. 주목할 만한 EH의 또 다른 출처는 무선 주파수(radio frequency; RF) 신호이다. 천연 자원과는 달리, RF EH는 날씨와 같은 억제할 수 없는 요인과 무관하므로, 에너지의 안정적인 형태를 제공한다.
RF 신호는 에너지와 정보를 동시에 전달할 수 있기 때문에 동시 무선 정보 및 전력 전송(simultaneous wireless information and power transfer ; SWIPT) 분야에서 연구가 진행되고 있다. SWIPT를 사용하면 네트워크 노드가 동일한 RF 신호에서 에너지를 수집하고 정보를 디코딩할 수 있다.
무선 릴레이 네트워크의 RF EH는 최근 연구가 시작되었다. 완벽한 채널 지식을 가정할 때, EH 제약 하에서 증폭 및 포워드(amplify and forward; AF) 릴레이 네트워크의 아웃티지 성능이 연구되었으나, 소스 노드와 목적지 노드 사이의 직접 연결(link) 및 배터리를 포함하는 릴레이에 대한 연구는 부족한 실정이다.
등록특허공보 제10-1816613호 “에너지 하비스팅을 이용한 전이중 중계 통신 방법 및 에너지 하비스팅에 기반한 전이중 중계 통신 시스템”에서는 RF 에너지 하비스팅에 기반하면서 전이중(full duplex) 방식으로 통신이 가능한 기법이 개시되어 있다. 그러나 릴레이에 배터리가 없고, 소스 노드와 목적지 노드 사이의 직접 연결을 고려하지 않고 있다.
H. Lee, et. al, “Outage probability analysis and power splitter designs for swipt relaying systems with direct link”은 직접 링크가 있을 때 SWIPT 릴레이 시스템의 아웃티지 확률 분석을 하였다. 그러나 릴레이 노드에서 배터리를 고려하지 않고 있다.
등록특허공보 제10-1816613호 “에너지 하비스팅을 이용한 전이중 중계 통신 방법 및 에너지 하비스팅에 기반한 전이중 중계 통신 시스템”
H. Lee, et. al, "Outage probability analysis and power splitter designs for swipt relaying systems with direct link", IEEE Commun. Lett., vol. 21, no. 3, pp. 648-651, Mar. 2017.
본 발명의 목적은, 협력 릴레이 네트워크에서 아웃티지 확률 특성이 우수한 릴레이를 선택하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 릴레이 노드의 거리 정보만으로 간단히 아웃티지 확률 특성이 우수한 릴레이를 선택할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 배터리를 가진 릴레이 노드에 최적의 전력 분할 비율을 제공하는 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 협력 릴레이 네트워크를 위한 목적지 노드의 무선전력 및 정보 동시전송 방법에 있어서, 배터리를 구비하는 복수의 릴레이 노드 중 신호 전송에 사용할 릴레이와 최적 전력 분할 비율(βopt)을 선택하는 릴레이 선택 단계; 소스 노드로부터 전송된 직접 링크 신호를 수신하는 직접 링크 신호 수신 단계; 상기 선택된 릴레이 노드로부터 전송된 중계 신호를 수신하는 중계 신호 수신 단계; 및 상기 직접 링크 신호와 상기 중계 신호를 결합하는 신호 결합 단계;를 포함한다.
상기 중계 신호는, 상기 소스 노드로부터 전송된 신호를 상기 선택된 릴레이 노드에서 최적 전력 분할 비율(βopt)로 상기 배터리에 저장한 에너지를 이용하여 재전송할 수 있다.
상기 신호 결합 단계는, 상기 직접 링크 신호와 상기 중계 신호를 최대 비율 결합(MRC)을 이용하여 결합할 수 있다.
상기 릴레이 선택 단계는, 상기 복수의 릴레이 노드 각각으로부터 채널 상태 정보(CSI)를 획득하는 단계; 상기 채널 상태 정보를 이용하여 릴레이 선택 규칙을 적용하여 릴레이를 선택하는 단계; 상기 선택된 릴레이의 최적 전력 분할 비율(βopt)을 구하는 단계; 상기 선택된 릴레이 노드와 상기 최적 전력 분할 비율(βopt)을 송신하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 릴레이를 선택하는 단계는, 상기 직접 링크 신호와 상기 중계 신호를 결합한 신호의 아웃티지(outage) 확률(Pout)을 구하고 상기 아웃티지 확률 값이 최소인 릴레이를 선택할 수 있다.
상기 릴레이를 선택하는 단계는, 각 릴레이 노드로부터 소스 노드까지의 거리(d1) 및 목적지 노드까지의 거리(d2)를 구하고 상기 거리(d1, d2)의 최대값이 가장 작은 릴레이를 선택할 수 있다.
상기 목적을 이루기 위한 다른 양태에 따르면, 본 발명은 협력 릴레이 네트워크를 위한 릴레이 노드의 무선전력 및 정보 동시전송 방법에 있어서, 최적 전력 분할 비율(βopt)을 설정하는 단계; 소스 노드로부터 전송된 소스 신호를 수신하는 단계; 상기 소스 신호에서 상기 최적 전력 분할 비율(βopt)로 에너지를 수확하여 배터리에 저장하는 단계; 상기 소스 신호에서 정보 신호를 추출하는 단계; 및 상기 정보 신호를 상기 배터리에 저장된 에너지를 이용하여 중계 신호로 변환하여 목적지 노드로 재전송하는 단계;를 포함한다.
상기 릴레이 노드의 무선전력 및 정보 동시전송 방법은, 상기 목적지 노드로 채널 상태 정보(CSI)에 필요한 신호를 전송하는 단계; 상기 목적지 노드로부터 최적 전력 분할 비율(βopt)을 수신하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 최적 전력 분할 비율(βopt)은, 상기 목적지 노드에서의 상기 소스 노드로부터의 직접 링크 신호와 상기 중계 신호를 결합한 신호의 아웃티지(outage) 확률에 높은 신호 대 잡음비(SNR) 근사를 적용하여 구할 수 있다.
상기 직접 링크 신호와 상기 중계 신호의 결합은, 상기 직접 링크 신호와 상기 중계 신호를 최대 비율 결합(MRC)을 이용하여 결합할 수 있다.
상기 목적을 이루기 위한 또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 협력 릴레이 네트워크를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 방법을 수행하는 목적지 노드 장치에 있어서, 배터리를 구비하는 복수의 릴레이 노드 중 신호 전송에 사용할 릴레이와 최적 전력 분할 비율(βopt)을 선택하는 릴레이 선택부; 소스 노드로부터 전송된 직접 링크 신호를 수신하는 직접 링크 신호 수신부; 상기 선택된 릴레이 노드로부터 전송된 중계 신호를 수신하는 중계 신호 수신부; 및 상기 직접 링크 신호와 상기 중계 신호를 결합하는 신호 결합부;를 포함한다.
상기 중계 신호는, 상기 소스 노드로부터 전송된 신호를 상기 선택된 릴레이 노드에서 최적 전력 분할 비율(βopt)로 상기 배터리에 저장한 에너지를 이용하여 재전송할 수 있다.
상기 신호 결합부는, 상기 직접 링크 신호와 상기 중계 신호를 최대 비율 결합(MRC)을 이용하여 결합할 수 있다.
상기 릴레이 선택부는, 상기 복수의 릴레이 노드 각각으로부터 채널 상태 정보(CSI)를 획득하는 채널 상태 정보 획득 모듈; 상기 채널 상태 정보를 이용하여 릴레이 선택 규칙에 따라 릴레이를 선택하는 릴레이 선택 모듈; 상기 선택된 릴레이의 최적 전력 분할 비율(βopt)을 구하는 전력 분할 비율 계산 모듈; 상기 선택된 릴레이 노드와 상기 최적 전력 분할 비율(βopt)을 송신하는 송신 모듈;을 포함할 수 있다.
상기 릴레이 선택 모듈은, 상기 직접 링크 신호와 상기 중계 신호를 결합한 신호의 아웃티지(outage) 확률(Pout)을 구하고 상기 아웃티지 확률 값이 최소인 릴레이를 선택할 수 있다.
상기 릴레이 선택 모듈은, 각 릴레이 노드로부터 소스 노드까지의 거리(d1) 및 목적지 노드까지의 거리(d2)를 구하고 상기 거리(d1, d2)의 최대값이 가장 작은 릴레이를 선택할 수 있다.
상기 목적을 이루기 위한 또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 협력 릴레이 네트워크를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 방법을 수행하는 릴레이 노드 장치에 있어서, 최적 전력 분할 비율(βopt)을 설정하는 전력 분할 비율 설정부; 소스 노드로부터 전송된 소스 신호를 수신하는 소스 신호 수신부; 상기 소스 신호에서 상기 최적 전력 분할 비율(βopt)로 수확된 에너지가 저장되는 배터리; 상기 소스 신호에서 정보 신호를 추출하는 신호 추출부; 및 상기 정보 신호를 상기 배터리에 저장된 에너지를 이용하여 중계 신호로 변환하여 목적지 노드로 재전송하는 중계 신호 송신부;를 포함한다.
상기 릴레이 노드 장치는, 상기 목적지 노드로 채널 상태 정보(CSI)에 필요한 신호를 전송하는 채널 상태 정보 신호 송신부; 상기 목적지 노드로부터 최적 전력 분할 비율(βopt)을 수신하는 전력 분할 비율 수신부;를 더 포함할 수 있다.
상기 최적 전력 분할 비율(βopt)은, 상기 목적지 노드에서의 상기 소스 노드로부터의 직접 링크 신호와 상기 중계 신호를 결합한 신호의 아웃티지(outage) 확률에 높은 신호 대 잡음비(SNR) 근사를 적용하여 구할 수 있다.
상기 직접 링크 신호와 상기 중계 신호의 결합은, 상기 직접 링크 신호와 상기 중계 신호를 최대 비율 결합(MRC)을 이용하여 결합할 수 있다.
본 발명에 따른 협력 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 장치 및 방법은 아웃티지 확률 특성이 우수하여 양호한 통신 품질을 유지할 수 있다.
본 발명에 따른 협력 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 장치 및 방법은 릴레이 노드의 거리 정보만으로 간단히 릴레이를 선택할 수 있어서, 간단히 구현할 수 있고 빠른 선택이 가능하다.
본 발명에 따른 협력 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 장치 및 방법은 배터리를 가진 릴레이 노드에 최적의 전력 분할 비율을 제공하여, 재충전이 어려운 환경의 센서를 유지 관리하는 데 유리하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 협력 릴레이 네트워크에서 무선전력 및 정보 동시전송이 구현되는 방법을 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 협력 릴레이 네트워크에 참여하는 릴레이 노드를 선택하는 방법을 나타내는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 협력 릴레이 네트워크에서 무선전력 및 정보 동시전송 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 협력 릴레이 네트워크를 위한 목적지 노드의 무선전력 및 정보 동시전송 방법을 나타내는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 협력 릴레이 네트워크를 위한 릴레이 노드의 무선전력 및 정보 동시전송 방법을 나타내는 순서도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 협력 릴레이 네트워크를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 방법을 수행하는 목적지 노드 장치의 구성을 나타내는 구성도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 협력 릴레이 네트워크를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 방법을 수행하는 릴레이 노드 장치의 구성을 나타내는 구성도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 협력 릴레이 네트워크를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 방법과 종래 방법들의 전송 전력에 대한 아웃티지 확률을 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 협력 릴레이 네트워크를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 방법과 종래 방법들의 소스 노드와 릴레이 노드 사이의 거리에 대한 아웃티지 확률을 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 협력 릴레이 네트워크를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 방법에서 다양한 에너지 변환 효율(ζ)에 대하여 전송 전력에 대한 아웃티지 확률을 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 협력 릴레이 네트워크를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 방법과 종래 방법들의 에너지 변환 효율(ζ)에 대한 아웃티지 확률을 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 협력 릴레이 네트워크를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 방법에서 여러 릴레이 선택 방법에 대하여 전송 전력에 대한 아웃티지 확률을 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 협력 릴레이 네트워크를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 방법에서 여러 릴레이 선택 방법에 대하여 릴레이 개수에 대한 아웃티지 확률을 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부한 도면들 및 후술되어 있는 내용을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여기에서, 설명되어지는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기에서, 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, 도면를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 협력 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 장치 및 방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 협력 릴레이 네트워크에서 무선전력 및 정보 동시전송이 구현되는 방법을 나타내는 개념도이다.
협력 릴레이 네트워크는 소스 노드(source node; S)(110), 릴레이 노드(relay node; R)(130), 목적지 노드(destination node; D)(150)를 포함한다. 각 노드들은 단일 안테나를 포함하고 있다.
릴레이 노드는 배터리를 포함하고 있다. 배터리는 전기에너지를 저장할 수 있는 장치로, 전지, 슈퍼커패시터 등을 포함한다. 증폭후 재전송(amplify and forward; AF) 릴레이 노드에 전력 분할 기반 릴레잉(power splitting-based relaying; PSR) 프로토콜을 적용할 수 있다.
수신된 신호가 블록 단위로 디코딩되어, 코드 길이가 전송 블록 시간을 초과할 수 없는 지연 - 제한 전송(delay-limited transmission)을 고려한다. 릴레이 노드가 반이중 모드에서 작동하는 경우, 총 전송 시간 T는 두 부분으로 나누어진다.
도 1의 (a)는 신호 전송의 첫번째 구간을 나타낸 것이다. 소스 노드(110)는 목적지 노드와 릴레이 노드 모두에게 신호를 전송할 수 있다. 소스 노드(S)에서 목적지 노드(150)로 전송하는 신호는 직접 링크 신호(115)이고, 소스 노드에서 릴레이 노드(130)로 전송하는 신호는 소스 신호(113)이다. 소스 신호를 통해서 빨간색 화살표로 표시된 정보의 전송 뿐만 아니라 초록색 화살표로 표시한 RF 에너지의 전송도 이루어진다. 즉, 릴레이 노드(R)에서 수신된 신호의 일부는 에너지 수확(energy harvesting; EH)에 사용된다.
도 1의 (b)는 신호 전송의 두번째 구간을 나타낸 것이다. 릴레이 노드(130)는 목적지 노드(150)로 중계 신호(135)를 전송할 수 있다. 이 때, 릴레이 노드(R)는 첫번째 구간에서 수확된 에너지를 사용하여 수신된 신호를 목적지 노드(D)로 재전송할 수 있다.
목적지 노드(150)는 첫번째 구간에서 소스 노드로부터 수신한 직접 링크 신호(115)와 두번째 구간에서 목적지 노드로부터 수신한 중계 신호(135)를 결합하여 소스 노드로부터 전송된 신호를 처리할 수 있다. 목적지 노드에서의 신호의 결합에는 최대 비율 결합(maximum ratio combining; MRC)을 이용할 수 있다.
소스 노드와 목적지 노드(S-D)(115), 소스 노드와 릴레이 노드(S-R)(113), 릴레이 노드와 목적지 노드(R-D)(135) 사이의 연결(link)에 대해 각각 독립적이고 동일하게 레일리(Reyleigh) 페이딩 채널 hsd, hsr, hrd 를 가정할 수 있다. 목적지 노드에서 모든 채널 상태 정보(channel state information; CSI)를 알고 있다고 가정한다.
첫 번째 구간에서, 목적지 노드(D)에서 S-D 직접 링크(115)를 통해 수신된 직접 링크 신호(ysd)는 수학식 1로 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112018067940920-pat00001
여기에서, d 는 소스 노드(S)와 목적지 노드(D) 사이의 거리이고, α 는 경로 손실 지수이고, Ps 는 소스 노드의 송신 전력을 나타내고, hsd 는 S-D 링크의 레일리 페이딩 채널이고, s 는 소스 노드에서 정규화된 정보 신호이고(|s|2의 기대값은 1), zd 는 목적지 노드에서의 제로 평균 부가 백색 가우시안 잡음(zero mean additive white Gaussian noise; AWGN)이다(분산은 σd 2).
수학식 1로부터, 목적지 노드에서의 직접 전송에 대한 신호대 잡음비(signal to noise ratio; SNR)(ρdl)는 수학식 2로 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112018067940920-pat00002
첫번째 구간에서 릴레이 노드(R)에 수신되는 소스 노드로부터의 소스 신호(ysr)는 수학식 3으로 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112018067940920-pat00003
여기에서, d1 은 소스 노드와 릴레이 노드 사이의 거리이고, zr 은 릴레이 노드에서의 AWGN이다(분산은 σr 2).
릴레이 노드(R)에서 PSR 프로토콜을 적용하는 경우, 전력 분할부는 전력 분할 비율(β)에 따라 수신된 소스 신호를 분리한다. 즉, 에너지 수확 : 정보 증폭 및 재전송을 위한 신호 = β : (1 - β) 의 비율로 수신된 소스 신호를 분리한다. 여기에서, 전력 분할 비율은 0 에서 1 사이의 값으로 설정할 수 있다.
전체 전송시간 T 동안 수확된 에너지(Q)는 수학식 4로 얻을 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112018067940920-pat00004
여기에서, ζ은 에너지 변환 효율로, 0 에서 1 사이의 값을 가진다.
첫번째 구간에서 수확된 에너지는 배터리 또는 수퍼 커패시터에 저장되어 신호를 재전송하는 데 사용될 수 있다.
릴레이 노드에 수신된 신호를 전력 분할한 후의 신호(ysr)는 수학식 5로 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112018067940920-pat00005
여기에서, zcr 은 RF 대역 대 기저대역 신호 변환으로 인해 샘플링된 AWGN이다(분산은 σcr 2).
소스 노드(S)와 릴레이 노드(R) 사이의 S-R 링크의 SNR (ρsr)은 수학식 6과 같이 표현된다.
[수학식 6]
Figure 112018067940920-pat00006
여기에서, σR 2 = (1-β)σr 2 + σcr 2 이다.
두번째 구간에서, 릴레이 노드는 수신된 신호를 증폭하여 생성된 중계 신호를 목적지 노드로 재전송한다. 목적지 노드에서 수신된 중계 신호(yrd)는 수학식 7로 나타낼 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112018067940920-pat00007
여기에서, d2 는 릴레이 노드(R)와 목적지 노드(D) 사이의 거리이고, Pr 은 배터리에 수확된 에너지를 이용하여 릴레이에서 송신하는 전력이고, hrd 는 R-D 링크의 레일리 페이딩 채널이고, x 는 릴레이 노드에서 정규화된 정보 신호이고(|x|2의 기대값은 1), zd 는 목적지 노드에서의 안테나 AWGN이고(분산은 σd 2), zcd 는 목적지 노드에서의 변환 AWGN이다(분산은 σcd 2),
릴레이 노드에 배터리가 장착된 경우, 일정 기간 동안 다양한 채널 조건 하에서 수확된 평균 에너지를 이용할 수 있다. 수학식 4의 수확된 에너지 Q 에 대하여 기대값(ε[Q])을 계산하면, |hsr|2 의 기대값이 1이므로, 릴레이 노드에서의 송신 전력(Pr)은 수학식 8로 나타낼 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112018067940920-pat00008
수학식 8을 수학식 7에 대입하면, 릴레이 노드(R)와 목적지 노드(D) 사이의 R-D 링크의 SNR(ρrd)은 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112018067940920-pat00009
여기에서, σD 2 = σd 2 + σcd 2 이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 릴레이 프로토콜에 대하여, 아웃티지(outage) 확률(Pout)을 평가한다. 아웃티지 확률은 통신이 원활히 수행되지 않을 확률을 나타낸다. 즉, 아웃티지 확률이 낮을 수록 양호한 통신이 가능하다. 아웃티지 확률은 수신기 출력에서의 순시 SNR이 소정의 임계 SNR을 초과하지 않을 확률로서 정의된다.
소스 노드의 전송률이 R (bit/sec/Hz)로 고정된 경우, 목적지 노드에서의 SNR 임계값은 ρ0 = 22R - 1로 나타낼 수 있다. |hsd|2 는 기대값이 1이고, 지수 함수적으로 분포하므로, 수학식 2의 ρdl 은 파라미터 λdl = dασd 2/Ps = λsd 에 대해 지수 함수적으로 분포한다. 허용 가능한 최소 SNR 임계값 ρ0 에 대해, 직접 링크의 아웃티지 확률(Pout dl)은 수학식 10으로 나타낼 수 있다.
[수학식 10]
Figure 112018067940920-pat00010
수학식 10과 지수분포의 누적분포 함수(cumulative distribution function; CDF)로부터 아웃티지 확률(Pout dl)은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 11]
Figure 112018067940920-pat00011
수학식 6과 수학식 9로부터, 소스 노드(S)-릴레이 노드(R)-목적지 노드(D) 사이의 S-R-D 통신에 대해, 목적지 노드에서의 순시 SNR(ρsrd)은 수학식 12로 나타낼 수 있다.
[수학식 12]
Figure 112018067940920-pat00012
수학식 12의 형태를 가지는 확률 변수의 누적분포함수(CDF)에 대해서는 수학식 13을 적용할 수 있다. 즉, x 와 y 가 λx > 0 과 λy > 0 인 두 개의 독립인 지수적인 무작위 변수(random variable; RV) 일 때 무작위 변수(RV) z = xy / (x + y + 1)의 누적 분포 함수(CDF)는 수학식 13으로 나타낼 수 있다.
[수학식 13]
Figure 112018067940920-pat00013
여기에서, K1 은 차수 1인 수정된 제2종 Bessel 함수이다.
ρsr 와 ρrd 는 각각 λsr = d1 ασR 2/{(1-β)Ps} 와 λrd = d1 αd2 ασD 2/(ζβPs) 매개변수에 대해 지수적으로 분포되기 때문에, 목적지 노드의 아웃티지 확률 (Pout)은 수학식 14와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 14]
Figure 112018067940920-pat00014
여기에서 u = √{4λsrλrdρ0(ρ0 + 1)} 이다.
소스 노드로부터의 직접 링크 및 릴레이 노드로부터의 릴레이 링크를 결합하는 MRC는 목적지 노드(D)에서 적용되어 출력 SNR을 최대화한다.
출력 SNR은 개개의 링크들의 SNR들의 합으로서 수학식 15와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 15]
Figure 112018067940920-pat00015
MRC의 아웃티지 확률은 수학식 16으로 나타낼 수 있다.
[수학식 16]
Figure 112018067940920-pat00016
여기에서, 무작위 변수(RV) X 와 Y 는 지수 분포이며, ∫ exp{-P/(4x)-qx} dx = √(p/q) K1 (√(pq)) 이다.
높은 SNR에서 K1(x) = 1/x 이라고 근사할 수 있으므로, 높은 SNR과 낮거나 적당한 전송률에서 수학식 16은 수학식 17과 같이 단순화될 수 있다.
[수학식 17]
Figure 112018067940920-pat00017
여기에서, λsrd = λsr + λrd 이다.
다이버시티 이득(diversity gain)은 일반적으로 로그-로그 스케일상의 SNR의 함수로서 에러율 기울기로서 정의된다. ρ0 -> 0 으로 다가갈 때, exp(αρ0) 의 테일러 급수 전개를 고려하면, 릴레이 노드의 아웃티지 확률(Pout mrc)은 수학식 18과 같이 근사화될 수 있다.
[수학식 18]
Figure 112018067940920-pat00018
아웃티지 확률의 개념에 기반하여, 다이버시티의 차수는 수학식 19로 정의된다.
[수학식 19]
Figure 112018067940920-pat00019
수학식 18에서의 ‘2’제곱은 제안된 협동 중계 네트워크에 대해 다이버시티 차수로 2가 얻어짐을 보여준다. 차수 중 하나는 직접 링크에 의해 제공되고, 다른 하나는 릴레이 링크에 의해 제공된다.
직접 링크가 없으면, 릴레이 링크에 의해 다이버시티 차수 1을 달성하는 것으로 나타났다. 따라서 직접 링크는 제안된 중계 네트워크의 아웃티지 성능을 향상시킨다. 또한, 다이버시티 차수는 에너지 수확 시스템이 없는 경우에도 동일한 차수가 달성되기 때문에 에너지 수확(energy harvest; EH) 효율성과 무관한 것으로 나타난다.
전력 분배(power splitting; PS) 비율의 최적 값은 수학식 18에 높은 SNR 근사를 하여 해석적으로 구할 수 있다. AF(amplify and forward) 릴레이 시스템의 경우, 최적 전력 분배 비율(βopt)은 수학식 20으로 나타낼 수 있다.
[수학식 20]
Figure 112018067940920-pat00020
수학식 20은 최적의 전력 분배 비율(βopt)이 거리 d2 에만 의존하며, 쉽게 계산될 수 있음을 보여준다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 협력 릴레이 네트워크에 참여하는 릴레이 노드를 선택하는 방법을 나타내는 개념도이다.
도 2의 (a)는 소스 노드(110)와 목적지 노드(150) 사이에 배터리를 가진 복수개의 릴레이 노드(130) 중에서 1개의 릴레이를 선택하는 방법 중 최소최대(MinMax) 릴레이 선택 방법을 나타낸다. 이 방법은 i 번째 릴레이 노드와 소스 노드 사이의 거리(d1,i)와 i 번째 릴레이 노드와 목적지 노드간 거리(d2,i)에 기반하여 릴레이 노드를 선택한다.
우선, 모든 릴레이 노드에 대하여 d1,i 과 d2,i 를 구하고, 수학식 21처럼 각 릴레이 노드에 대해서 d1,i 과 d2,i 중에서 최대값(di *)을 구한다.
[수학식 21]
Figure 112018067940920-pat00021
최적의 릴레이 노드는 수학식 22와 같이 di * 가 최소값을 가질 때이다.
[수학식 22]
Figure 112018067940920-pat00022
도 2의 (b)는 소스 노드(110)와 목적지 노드(150) 사이에 배터리를 가진 복수개의 릴레이 노드(130) 중에서 1개의 릴레이 노드를 선택하는 방법 중 최적(Optimal) 릴레이 선택 방법을 나타낸다. 각 릴레이 노드로부터 MRC 출력의 아웃티지 확률을 구해, 수학식 23과 같이 그 값이 가장 작은 릴레이 노드를 선택하는 것이다.
[수학식 23]
Figure 112018067940920-pat00023
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 협력 릴레이 네트워크에서 무선전력 및 정보 동시전송 방법을 나타내는 흐름도이다.
소스 노드(110)와 목적지 노드(150) 사이에 배터리를 포함하는 복수의 릴레이 노드(130)가 있는 경우, 최적의 릴레이 노드를 선택하여, 선택된 릴레이 노드와 협력 통신을 하는 것이 가능하다.
배터리를 포함하는 복수의 릴레이 노드 각각은 목적지 노드로 채널 상태 정보(CSI)에 필요한 신호를 전송한다(S300). 채널 상태 정보(CSI)에 필요한 신호를 수신한 목적지 노드는 복수의 릴레이 노드 각각에 대한 채널 상태 정보(CSI)를 획득할 수 있다. 소스 노드로부터도 동일한 방법으로 채널 상태 정보를 획득할 수 있다.
목적지 노드는 채널 상태 정보를 이용하여, 릴레이 선택 규칙을 적용하여 릴레이 노드를 선택할 수 있다(S310). 그리고 선택된 릴레이 노드의 최적 전력 분할 비율(βopt)을 계산할 수 있다(S320).
최적 전력 분할 비율(βopt)을 선택된 릴레이 노드로 전송하여(S330), 소스노드로부터 수신된 소스 신호를 전력 분할할 때 사용할 수 있다. 릴레이 선택정보는 소스 노드 및 릴레이 노드에 전달하여(S340) 협력 통신에 대비하도록 준비시킨다.
통신이 시작되면, 소스 노드는 목적지 노드로 직접 링크 신호를 전송하고(S350), 선택된 릴레이 노드로는 RF 에너지를 포함하는 소스 신호를 전송한다(S360)
소스 신호를 수신한 릴레이 노드는 최적 전력 분할 비율(βopt)을 이용하여 전력을 분할하고(S370), 전력 에너지는 배터리에 저장한다. 소스 신호에서 추출된 정보 신호는 배터리에 저장된 에너지를 이용하여 중계 신호로 변환하고, 변환된 중계신호를 목적지 노드로 전송한다(S380).
목적지 노드는 소스 노드로부터 수신된 직접 링크 신호와 릴레이 노드에서 수신된 중계 신호를 결합하여(S390), 소스 노드로 부터 전달된 신호를 파악한다. 이 때, 직접 링크 신호와 중계 신호의 결합은 최대 비율 결합(MRC)을 이용하여 결합할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 협력 릴레이 네트워크를 위한 목적지 노드의 무선전력 및 정보 동시전송 방법을 나타내는 순서도이다.
협력 릴레이 네트워크를 위한 목적지 노드의 무선전력 및 정보 동시전송 방법은 다음 실시예와 같이 실시할 수 있다. 먼저 복수의 릴레이 노드 중에서 협력 통신에 사용할 릴레이를 선택한다. 이를 위해 목적지 노드는 복수의 릴레이 노드 각각으로부터 채널 상태 정보(CSI)에 필요한 신호를 수신한다(S400). 이 신호를 이용하여 복수의 릴레이 노드 각각에 대한 채널 상태 정보(CSI)를 획득할 수 있다(S402). 소스 노드로부터도 동일한 방법으로 채널 상태 정보를 획득할 수 있다.
채널 상태 정보를 이용하여 릴레이 선택 규칙을 적용하여 릴레이를 선택할 수 있다(S410). 이 때 릴레이 선택 규칙으로 최적 릴레이 선택법을 사용하는 경우, 직접 링크 신호와 각 릴레이의 중계 신호를 결합한 신호의 아웃티지(outage) 확률(Pout)을 수학식 16 또는 수학식 17로 구하고, 아웃티지 확률 값이 최소인 릴레이를 선택한다.
릴레이 선택 규칙으로 최소최대 릴레이 선택법을 사용하는 경우, 각 릴레이 노드로부터 소스 노드까지의 거리(d1) 및 목적지 노드까지의 거리(d2)를 구하고 상기 거리(d1, d2)의 최대값이 가장 작은 릴레이를 선택할 수 있다.
협력 통신에 사용할 릴레이를 선택한 이후에는, 선택된 릴레이의 최적 전력 분할 비율(βopt)을 구한다(S420). 최적 전력 분할 비율(βopt)은 목적지 노드에서의 소스 노드로부터의 직접 링크 신호와 릴레이 노드로부터의 중계 신호를 결합한 신호의 아웃티지(outage) 확률에 높은 신호 대 잡음비(SNR) 근사를 적용하여 수학식 20으로 구할 수 있다.
릴레이 노드 선택 정보를 소스 노드와 선택된 릴레이 노드로 송신할 수 있다(S440). 또한, 최적 전력 분할 비율(βopt)을 선택된 릴레이 노드로 송신한다(S430).
배터리를 구비하는 복수의 릴레이 노드 중 신호 전송에 사용할 릴레이를 선택하고, 선택된 릴레이의 최적 전력 분할 비율(βopt)을 송신한 이후에는, 소스 노드로부터 전송된 직접 링크 신호를 수신한다(S450).
선택된 릴레이 노드로부터 전송된 중계 신호를 수신하고(S480), 직접 링크 신호와 중계 신호를 결합하여(S490) 협력 릴레이를 이용한 무선통신을 실시할 수 있다.
릴레이 노드로부터 전송되는 중계 신호는, 소스 노드로부터 전송된 신호를 선택된 릴레이 노드에서 최적 전력 분할 비율(βopt)로 배터리에 저장한 에너지를 이용하여 재전송하는 신호이다.
상기 직접 링크 신호와 상기 중계 신호의 결합은, 최대 비율 결합(MRC)을 이용하여 결합할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 협력 릴레이 네트워크를 위한 릴레이 노드의 무선전력 및 정보 동시전송 방법을 나타내는 순서도이다.
협력 릴레이 네트워크를 위한 릴레이 노드의 무선전력 및 정보 동시전송 방법은 다음 실시예와 같이 실시할 수 있다. 먼저 배터리를 포함하는 릴레이 노드의 최적 전력 분할 비율(βopt)을 설정할 필요가 있다. 이를 위해 목적지 노드로 채널 상태 정보(CSI)에 필요한 신호를 전송한다(S500). 목적지 노드는 채널 상태 정보를 획득하여, 통신에 사용할 릴레이 노드를 선택하고, 최적 전력 분할 비율(βopt)을 구하고 그 결과를 릴레이 노드로 전송한다. 선택된 릴레이 노드는 최적 전력 분할 비율(βopt)을 수신할 수 있다(S530).
수신된 최적 전력 분할 비율(βopt)을 전력 분할에 사용하도록 저장 또는 설정한다. 소스 노드로부터 소스 신호가 전송되는 경우, 소스 신호를 수신한다(S560). 소스 신호를 최적 전력 분할 비율(βopt)로 전력을 분할한다(S570). 최적 전력 분할 비율에 해당하는 에너지를 수확하여 배터리에 저장한다(S572). 소스 신호에서 정보 신호를 추출한다(S574).
정보 신호를 배터리에 저장된 에너지를 이용하여 중계 신호로 변환한다(S580). 변환된 중계 신호를 목적지 노드로 재전송한다(S582).
최적 전력 분할 비율(βopt)은 목적지 노드에서의 소스 노드로부터의 직접 링크 신호와 릴레이 노드로부터의 중계 신호를 결합한 신호의 아웃티지(outage) 확률에 높은 신호 대 잡음비(SNR) 근사를 적용하여 수학식 20으로 구할 수 있다.
직접 링크 신호와 중계 신호의 결합은, 직접 링크 신호와 중계 신호를 최대 비율 결합(MRC)을 이용하여 결합할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 협력 릴레이 네트워크를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 방법을 수행하는 목적지 노드 장치의 구성을 나타내는 구성도이다.
협력 릴레이 네트워크를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 방법을 수행하는 목적지 노드 장치(150)는 릴레이 선택부(610), 직접 링크 신호 수신부(620), 중계 신호 수신부(630), 신호 결합부(640), 제어부(650)를 포함한다.
직접 링크 신호 수신부(620)는 소스 노드로부터 전송된 직접 링크 신호를 수신한다. 중계 신호 수신부(630)는 릴레이 선택부에서 선택한 릴레이 노드로부터 전송된 중계 신호를 수신한다. 신호 결합부(640)는 소스 노드로부터 전송된 직접 링크 신호와 릴레이 노드로부터 전송된 중계 신호를 결합한다. 제어부(650)는 목적지 노드 장치의 전반적인 동작을 제어한다.
릴레이 선택부(610)는 배터리를 구비하는 복수의 릴레이 노드 중 신호 전송에 사용할 릴레이 노드를 선택하고, 선택된 릴레이 노드의 최적 전력 분할 비율(βopt)을 선택한다.
릴레이 선택부는 채널 상태 정보 신호 수신 모듈(611), 채널 상태 정보 획득 모듈(613), 릴레이 선택 모듈(615), 전력 분할 비율 계산 모듈(617), 송신모듈(619)을 포함한다.
채널 상태 정보 신호 수신 모듈(611)은 복수의 릴레이 노드 각각이 송신하는 채널 상태 정보(CSI)에 필요한 신호를 수신한다. 채널 상태 정보 획득 모듈(613)은 복수의 릴레이 노드 각각으로부터 수신된 신호를 통해 채널 상태 정보(CSI)를 획득한다. 릴레이 선택 모듈(615)은 채널 상태 정보를 이용하여 릴레이 선택 규칙에 따라 릴레이를 선택한다. 전력 분할 비율 계산 모듈(617)은 선택된 릴레이의 최적 전력 분할 비율(βopt)을 구한다. 송신모듈(619)은 선택된 릴레이 노드와 상기 최적 전력 분할 비율(βopt)을 소스 노드와 선택된 릴레이 노드에 송신한다.
중계 신호 수신부(630)에서 수신하는 중계 신호는, 소스 노드로부터 전송된 신호를 선택된 릴레이 노드에서 최적 전력 분할 비율(βopt)로 배터리에 저장한 에너지를 이용하여 재전송하는 신호이다. 최적 전력 분할 비율(βopt)은 목적지 노드에서의 소스 노드로부터의 직접 링크 신호와 릴레이 노드로부터의 중계 신호를 결합한 신호의 아웃티지(outage) 확률에 높은 신호 대 잡음비(SNR) 근사를 적용하여 수학식 20으로 구할 수 있다.
신호 결합부(640)는, 직접 링크 신호와 중계 신호를 최대 비율 결합(MRC)을 이용하여 결합할 수 있다.
릴레이 선택 모듈(615)은 직접 링크 신호와 중계 신호를 결합한 신호의 아웃티지(outage) 확률(Pout)을 수학식 16 또는 수학식 17로 구하고, 아웃티지 확률 값이 최소인 릴레이를 선택할 수 있다. 이렇게 선택된 릴레이를 사용하여 통신하는 경우 아웃티지 확률이 최소이므로, 가장 원활한 통신이 가능하다.
릴레이 선택 모듈(615)은 각 릴레이 노드로부터 소스 노드까지의 거리(d1) 및 목적지 노드까지의 거리(d2)를 구하고 상기 거리(d1, d2)의 최대값이 가장 작은 릴레이를 선택할 수 있다. 이렇게 선택된 릴레이를 사용하여 통신하는 경우에도 아웃티지 확률이 최소인 릴레이를 선택한 경우와 큰 차이가 없이 원활한 통신이 가능하며, 각 릴레이에 대해 아웃티지 확률을 계산할 필요가 없어서 간단하게 구현할 수 있으며, 빠르게 릴레이 선택이 가능하다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 협력 릴레이 네트워크를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 방법을 수행하는 릴레이 노드 장치의 구성을 나타내는 구성도이다.
협력 릴레이 네트워크를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 방법을 수행하는 릴레이 노드 장치(130)는 채널 상태 정보 신호 송신부(720), 전력 분할 비율 수신부(710), 전력 분할 비율 설정부(730), 소스 신호 수신부(740), 전력 분할부(745), 신호 추출부(750), 배터리(760), 중계 신호 변환부(770), 중계 신호 송신부(780), 제어부(790)를 포함한다.
채널 상태 정보 신호 송신부(720)는 목적지 노드로 채널 상태 정보(CSI)에 필요한 신호를 전송한다. 전력 분할 비율 수신부(710)는 목적지 노드로부터 최적 전력 분할 비율(βopt)을 수신할 수 있다. 전력 분할 비율 설정부(730)는 수신된 최적 전력 분할 비율(βopt)을 전력 분할부에서 활용하도록 설정 또는 저장할 수 있다. 소스 신호 수신부(740)는 소스 노드로부터 전송된 소스 신호를 수신한다. 전력 분할부(745)는 수신된 소스 신호를 설정된 최적 전력 분할 비율(βopt)에 의해 분할한다. 신호 추출부(750)는 소스 신호에서 정보 신호를 추출한다. 배터리(760)는 소스 신호에서 최적 전력 분할 비율(βopt)로 수확된 에너지를 저장한다. 중계 신호 변환부(770)는 정보 신호를 상기 배터리에 저장된 에너지를 이용하여 중계 신호로 변환한다. 중계 신호 송신부(780) 변환된 중계 신호를 목적지 노드로 재전송한다. 제어부(790)는 릴레이 노드 장치의 전반적인 동작을 제어한다.
최적 전력 분할 비율(βopt)은 목적지 노드에서의 소스 노드로부터의 직접 링크 신호와 릴레이 노드로부터의 중계 신호를 결합한 신호의 아웃티지(outage) 확률에 높은 신호 대 잡음비(SNR) 근사를 적용하여 수학식 20으로 구할 수 있다.
목적지 노드에서 직접 링크 신호와 중계 신호를 최대 비율 결합(MRC)을 이용하여 결합할 수 있다.
도 8 내지 도 13 에서는, 최소 허용 전송률 R = 2 bits/sec/Hz, 경로 손실 지수 α = 2.7, 에너지 변환 효율 ζ = 0.7 에 대하여 시뮬레이션한 결과를 나타낸다. 릴레이 노드가 소스 노드와 목적지 노드 사이에서 직선상에 위치하는, 즉 d1 = d - d2 인 경우에 대하여, 출발지 노드와 목적지 노드 사이의 거리(d)는 1로 정규화 되었다.
DL 로 표시된 것은 릴레이 노드를 사용하지 않은 직접 링크 전송의 결과를 나타내고, Relay 로 표시된 것은 직접 링크 전송을 사용하지 않고 릴레이 노드를 통한 전송 결과를 나타낸다. MRC 로 표시된 것은 직접 링크 전송과 릴레이 전송을 결합한 결과를 나타낸다.
B-E 로 표시된 것은 릴레이 노드에서 배터리를 사용하는 것을 나타내고, N-B 로 표시된 것은 릴레이 노드에서 배터리를 사용하지 않는 것을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 협력 릴레이 네트워크를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 방법과 종래 방법들의 전송 전력에 대한 아웃티지 확률을 나타내는 그래프이다.
고려된 모든 방법들은 소스 노드에서 낮은 송신 전력으로 전송하는 경우에는 유사한 출력을 보인다. 그러나 송신 전력(Ps)이 증가함에 따라, 직접 링크 전송보다 에너지 수확 기능이 있는 릴레이 전송의 아웃티지 확률 성능은 점점 향상된다. 20dB의 높은 송신 전력에서, MRC 의 B-E 및 N-B 방식은 직접 링크 전송에 대해 각각 3 배 및 2.5 배 우수하고, 릴레이 전송 B-E 및 N-B 의 경우에도 직접 링크 전셍에 대해 각각 0.8 배 및 0.3 배 우수하다. 예상대로 MRC 출력은 다이버시티 이득이 2 이므로, 직접 링크 전송(DL) 및 협동 송신(Relay)보다 성능이 우수하다.
또한, 40dB의 높은 송신 전력에서 B-E 릴레이의 성능이 N-B 릴레이의 성능보다 약 20 % 우수하다는 것이 입증되었다. N-B보다 B-E에 의한 성능 이득의 20 % 향상은 MRC 및 릴레이 전송의 경우 모두에서 볼 수 있다. 이는 배터리가 있는 계전기가 추후 전송 중에 사용하기 위해 수확된 에너지를 절약할 수 있기 때문이다.
한편 앞에서 개시한 수학식들을 사용하여 얻은 결과는 몬테카를로(Monte-Carlo) 시뮬레이션과 거의 동일하므로 앞에서 개시한 수학식들을 사용한 해석적 방법의 정확성을 확인할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 협력 릴레이 네트워크를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 방법과 종래 방법들의 소스 노드와 릴레이 노드 사이의 거리에 대한 아웃티지 확률을 나타내는 그래프이다.
소스 노드의 전송 전력이 30 dB 인 경우에 대한 시뮬레이션 결과이다. 소스 노드와 와 릴레이 노드 사이의 거리 d1이 증가함에 따라 릴레이 네트워크의 아웃티지 확률이 증가한다는 것을 알 수 있다.
거리가 증가함에 따라 B-E MRC 와 릴레이 전송 시나리오 사이에는 약 2의 일정한 이득 차이가 존재한다. 이는 d1 을 증가시킴으로써 큰 경로 손실 d1 α 로 인해 수확된 에너지와 릴레이 노드에서 수신된 신호 강도가 모두 감소하기 때문이다.
한편 계산복잡도가 낮은 해석적인 수학식을 사용한 결과가 계산 복잡도가 높은 몬테카를로 시뮬레이션과 동일한 성능을 달성하는 것으로 나타났다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 협력 릴레이 네트워크를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 방법에서 다양한 에너지 변환 효율(ζ)에 대하여 전송 전력에 대한 아웃티지 확률을 나타내는 그래프이다.
기울기가 동일하므로 MRC 출력의 다이버시티 차수는 에너지 변환 효율(ζ) 값과 무관하다는 것을 알 수 있다. 이것은 수확된 전력의 무작위성이 다이버시티 이득에 영향을 미치지 않는다는 것을 보여준다.
또한, ζ가 증가함에 따라 성능 MRC 기법은 ζ = 0.01 및 ζ = 0.1 에 대해 이득이 각각 1 과 0.2 의 차이로 아웃티지 확률 성능이 향상된다. 이것은 에너지 변환 효율이 좋을수록 성능을 향상 시킨다는 것을 의미한다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 협력 릴레이 네트워크를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 방법과 종래 방법들의 에너지 변환 효율(ζ)에 대한 아웃티지 확률을 나타내는 그래프이다.
B-E 시나리오에 대한 30dB에서의 에너지 변환 효율(ζ)에 대한 아웃티지 확률을 도시한다. 직접 링크 전송에 영향을 주지 않지만, 릴레이 링크와 MRC 출력 모두에서 정지 확률은 ζ와 함께 점근적으로 감소한다. 이 결과에서도 에너지 변환 효율이 좋을수록 성능을 향상시킨다는 것을 확인할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 협력 릴레이 네트워크를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 방법에서 여러 릴레이 선택 방법에 대하여 전송 전력에 대한 아웃티지 확률을 나타내는 그래프이다.
릴레이 노드의 개수 K = 20 인 경우, 전송 전력 Ps 에 대한 최적(optimal) 및 최소최대(MinMax) 릴레이 선택법에 대한 아웃티지 확률을 나타낸다. 최적의 전력 분할비 βopt 로 설정한 경우와 전력 분할비 β를 0.7 로 설정한 경우를 함께 비교하여, 릴레이 선택 기법의 성능에 미치는 영향을 살펴본다.
예상대로 최적의(optimal) 릴레이 선택은 최소최대(MinMax) 릴레이 선택보다 성능이득이 1 만큼 더 우수하다. 그리고 β의 고정 값(0.7)에 비해 최적의 전력 비율 βopt 을 사용하는 경우 성능이 향상되는 것을 알 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 협력 릴레이 네트워크를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 방법에서 여러 릴레이 선택 방법에 대하여 릴레이 개수에 대한 아웃티지 확률을 나타내는 그래프이다.
10dB의 송신 전력 SNR에 대하여, 릴레이 노드 수에 대한 아웃티지 확률 성능이 나타나 있다. 직접 링크 전송은 에너지 수확이 발생하지 않기 때문에 영향을 받지 않는다. 릴레이 노드의 수가 증가하면 아웃티지 성능이 향상된다는 것을 알 수 있다. β의 고정 값(0.7)에 비해 최적의 전력 비율 βopt 을 사용하는 경우 성능이 향상되는 것을 알 수 있다.
이상의 결과에서 직접 전송 또는 릴레이 전송 보다는 직접 링크 신호와 중계 신호를 MRC로 결합한 전송이 훨씬 우수한 아웃티지 성능을 보여줌을 알 수 있다. 또한 릴레이 노드에 배터리를 포함하여 시스템 성능을 향상시킬 수 있다.
릴레이 선택은 아웃티지 확률이 최소가 되는 것을 선택할 수 있지만, 릴레이 거리 정보를 이용하여 간단하게 선택하여도 우수한 성능을 보임을 확인하였다. 높은 SNR 근사로 얻은 최적 전력분할 비율(βopt)을 사용하는 경우, 우수한 성능을 보였다.
이상에서 대표적인 실시 예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.
110 : 소스 노드
130 : 릴레이 노드
150 : 목적지 노드

Claims (20)

  1. 협력 릴레이 네트워크를 위한 목적지 노드의 무선전력 및 정보 동시전송 방법에 있어서,
    배터리를 구비하는 복수의 릴레이 노드 중 신호 전송에 사용할 릴레이와 최적 전력 분할 비율(βopt)을 선택하는 릴레이 선택 단계;
    소스 노드로부터 전송된 직접 링크 신호를 수신하는 직접 링크 신호 수신 단계;
    상기 선택된 릴레이 노드로부터 전송된 중계 신호를 수신하는 중계 신호 수신 단계; 및
    상기 직접 링크 신호와 상기 중계 신호를 결합하는 신호 결합 단계;를 포함하고,
    상기 최적 전력 분할 비율(βopt)는
    상기 목적지 노드에서의 상기 소스 노드로부터의 직접 링크 신호와 상기 중계 신호를 결합한 신호의 아웃티지(outage) 확률에 높은 신호 대 잡음비(SNR) 근사를 적용하여 구하는 것을 특징으로 하는 협력 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 중계 신호는, 상기 소스 노드로부터 전송된 신호를 상기 선택된 릴레이 노드에서 최적 전력 분할 비율(βopt)로 상기 배터리에 저장한 에너지를 이용하여 재전송하는 것을 특징으로 하는 협력 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 신호 결합 단계는, 상기 직접 링크 신호와 상기 중계 신호를 최대 비율 결합(MRC)을 이용하여 결합하는 것을 특징으로 하는 협력 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 릴레이 선택 단계는,
    상기 복수의 릴레이 노드 각각으로부터 채널 상태 정보(CSI)를 획득하는 단계;
    상기 채널 상태 정보를 이용하여 릴레이 선택 규칙을 적용하여 릴레이를 선택하는 단계;
    상기 선택된 릴레이의 최적 전력 분할 비율(βopt)을 구하는 단계;
    상기 선택된 릴레이 노드와 상기 최적 전력 분할 비율(βopt)을 송신하는 단계;를 포함하는 협력 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 릴레이를 선택하는 단계는, 상기 직접 링크 신호와 상기 중계 신호를 결합한 신호의 아웃티지(outage) 확률(Pout)을 구하고 상기 아웃티지 확률 값이 최소인 릴레이를 선택하는 것을 특징으로 하는 협력 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 릴레이를 선택하는 단계는, 각 릴레이 노드로부터 소스 노드까지의 거리(d1) 및 목적지 노드까지의 거리(d2)를 구하고 상기 거리(d1, d2)의 최대값이 가장 작은 릴레이를 선택하는 것을 특징으로 하는 협력 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 방법.
  7. 협력 릴레이 네트워크를 위한 릴레이 노드의 무선전력 및 정보 동시전송 방법에 있어서,
    최적 전력 분할 비율(βopt)을 설정하는 단계;
    소스 노드로부터 전송된 소스 신호를 수신하는 단계;
    상기 소스 신호에서 상기 최적 전력 분할 비율(βopt)로 에너지를 수확하여 배터리에 저장하는 단계;
    상기 소스 신호에서 정보 신호를 추출하는 단계; 및
    상기 정보 신호를 상기 배터리에 저장된 에너지를 이용하여 중계 신호로 변환하여 목적지 노드로 재전송하는 단계;를 포함하고,
    상기 최적 전력 분할 비율(βopt)는
    상기 목적지 노드에서의 상기 소스 노드로부터의 직접 링크 신호와 상기 중계 신호를 결합한 신호의 아웃티지(outage) 확률에 높은 신호 대 잡음비(SNR) 근사를 적용하여 구하는 협력 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 목적지 노드로 채널 상태 정보(CSI)에 필요한 신호를 전송하는 단계;
    상기 목적지 노드로부터 최적 전력 분할 비율(βopt)을 수신하는 단계;를 더 포함하는 협력 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 방법.
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서,
    상기 직접 링크 신호와 상기 중계 신호의 결합은, 상기 직접 링크 신호와 상기 중계 신호를 최대 비율 결합(MRC)을 이용하여 결합하는 것을 특징으로 하는 협력 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 방법.
  11. 협력 릴레이 네트워크를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 방법을 수행하는 목적지 노드 장치에 있어서,
    배터리를 구비하는 복수의 릴레이 노드 중 신호 전송에 사용할 릴레이와 최적 전력 분할 비율(βopt)을 선택하는 릴레이 선택부;
    소스 노드로부터 전송된 직접 링크 신호를 수신하는 직접 링크 신호 수신부;
    상기 선택된 릴레이 노드로부터 전송된 중계 신호를 수신하는 중계 신호 수신부; 및
    상기 직접 링크 신호와 상기 중계 신호를 결합하는 신호 결합부;를 포함하고,
    상기 최적 전력 분할 비율(βopt)은
    상기 목적지 노드에서의 상기 소스 노드로부터의 직접 링크 신호와 상기 중계 신호를 결합한 신호의 아웃티지(outage) 확률에 높은 신호 대 잡음비(SNR) 근사를 적용하여 구하는 협력 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 중계 신호는, 상기 소스 노드로부터 전송된 신호를 상기 선택된 릴레이 노드에서 최적 전력 분할 비율(βopt)로 상기 배터리에 저장한 에너지를 이용하여 재전송하는 것을 특징으로 하는 협력 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 신호 결합부는, 상기 직접 링크 신호와 상기 중계 신호를 최대 비율 결합(MRC)을 이용하여 결합하는 것을 특징으로 하는 협력 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 장치.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 릴레이 선택부는,
    상기 복수의 릴레이 노드 각각으로부터 채널 상태 정보(CSI)를 획득하는 채널 상태 정보 획득 모듈;
    상기 채널 상태 정보를 이용하여 릴레이 선택 규칙에 따라 릴레이를 선택하는 릴레이 선택 모듈;
    상기 선택된 릴레이의 최적 전력 분할 비율(βopt)을 구하는 전력 분할 비율 계산 모듈;
    상기 선택된 릴레이 노드와 상기 최적 전력 분할 비율(βopt)을 송신하는 송신 모듈;을 포함하는 협력 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 장치.
  15. 삭제
  16. 제14항에 있어서,
    상기 릴레이 선택 모듈은, 각 릴레이 노드로부터 소스 노드까지의 거리(d1) 및 목적지 노드까지의 거리(d2)를 구하고 상기 거리(d1, d2)의 최대값이 가장 작은 릴레이를 선택하는 것을 특징으로 하는 협력 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 장치.
  17. 협력 릴레이 네트워크를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 방법을 수행하는 릴레이 노드 장치에 있어서,
    최적 전력 분할 비율(βopt)을 설정하는 전력 분할 비율 설정부;
    소스 노드로부터 전송된 소스 신호를 수신하는 소스 신호 수신부;
    상기 소스 신호에서 상기 최적 전력 분할 비율(βopt)로 수확된 에너지가 저장되는 배터리;
    상기 소스 신호에서 정보 신호를 추출하는 신호 추출부; 및
    상기 정보 신호를 상기 배터리에 저장된 에너지를 이용하여 중계 신호로 변환하여 목적지 노드로 재전송하는 중계 신호 송신부;를 포함하고,
    상기 최적 전력 분할 비율(βopt)는
    상기 목적지 노드에서의 상기 소스 노드로부터의 직접 링크 신호와 상기 중계 신호를 결합한 신호의 아웃티지(outage) 확률에 높은 신호 대 잡음비(SNR) 근사를 적용하여 구하는 협력 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 목적지 노드로 채널 상태 정보(CSI)에 필요한 신호를 전송하는 채널 상태 정보 신호 송신부;
    상기 목적지 노드로부터 최적 전력 분할 비율(βopt)을 수신하는 전력 분할 비율 수신부;를 더 포함하는 협력 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 장치.
  19. 삭제
  20. 제18항에 있어서,
    상기 직접 링크 신호와 상기 중계 신호의 결합은, 상기 직접 링크 신호와 상기 중계 신호를 최대 비율 결합(MRC)을 이용하여 결합하는 것을 특징으로 하는 협력 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 장치.
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