KR102113553B1 - 무선 에너지 하베스팅에서 무선 정보 및 전력 동시 전송을 위한 분배 알고리즘을 사용한 에너지 효율 극대화 시스템 및 방법 - Google Patents

무선 에너지 하베스팅에서 무선 정보 및 전력 동시 전송을 위한 분배 알고리즘을 사용한 에너지 효율 극대화 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

무선 에너지 하베스팅에서 무선 정보 및 전력 동시 전송을 위한 분배 알고리즘을 사용한 에너지 효율 극대화 시스템 및 방법이 제공된다. 상기 무선 에너지 하베스팅에서 무선 정보 및 전력 동시 전송을 위한 분배 알고리즘을 사용한 에너지 효율 극대화 시스템은 수신기로 전력을 전송하는 송신기; 및 송신기로부터 수신된 전력을 수신하는 수신기로서, PS(power splitting) 모드 또는 TS(time switching) 모드 둘 중 하나로 모드를 전환하는 모드전환모듈을 포함하고, 상기 모드전환모듈에 의해 전환된 모드에 따라 분배 알고리즘을 이용하여 무선 정보와 전력을 최적의 비율로 분배하여 에너지 효율을 극대화하는 수신기를 포함한다.

Description

무선 에너지 하베스팅에서 무선 정보 및 전력 동시 전송을 위한 분배 알고리즘을 사용한 에너지 효율 극대화 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR ENERGY EFFICIENCY MAXIMIZATION USING DISTRIBUTED ALGORITHM FOR SIMULTANEOUS WIRELESS INFORMATION AND POWER TRANSFER TECHNOLOGY AT WIRELESS ENERGY HARVESTING}
본 발명은 무선 정보 및 전력 동시 전송 (SWIPT, simultaneous wireless information and power transfer) 에 관한 것으로, 보다 상세하게는 무선 에너지 하베스팅에서 무선 정보 및 전력 동시 전송을 위한 분배 알고리즘을 사용한 에너지 효율 극대화 시스템 및 방법에 관한 것이다.
차세대 무선 통신 시스템에서 기지국이 보낸 무선 신호로부터 데이터와 전력전달을 동시에 수행할 수 있는 무선 정보 및 전력 동시 전송 기술에 대한 연구가 관심을 받고 있다. 최근에는 이러한 무선 정보 및 전력 전송 기술을 이용하여 초저전력 장비들을 위한 에너지 하베스팅 기술에 대하여 연구가 활발하다.
상기의 연구에 대하여 사물인터넷 (IoT, internet of things)과 같이 배터리를 필요로 하는 소형 장비에 무선으로 전력을 송신할 수 있는 방법들에 대한 연구들이 진행되고 있다. 또한, 최적의 전력 할당을 위해 무선 정보 및 전력 전송 기술에 기반한 안전한 직교 주파수 분할 (OFDM, orthogonal frequency division multiplexing)을 위해 무선 전력 재머를 이용한 전력 할당에 대한 연구도 이루어졌다. 이러한 연구들 중 에너지 제약이 있는 무선 환경에서, 에너지 효율에 관한 연구에는 PS(power splitting) 모드와 TS(time switching) 모드의 수신기 아키텍처에 따른 연구에는 여러 방법이 있으며 해결 방법에 따라 다른 결과를 갖는다. 하지만, 상기의 연구들은 에너지 제약이 있는 무선 환경에서 PS와 TS모드에서 에너지 효율 최대화 문제를 푸는데 있어 상세한 방법에 대해 언급되어 있지 않다.
공개특허공보 제10-2016-0024366호, 2016.03.04
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 PS와 TS모드에서 에너지 효율을 극대화하기 위하여, PS모드에서 정보 복호 (ID, information decoding) 의 비율 및 에너지 하베스팅(energy harvesting)을 통한 최소 수신 전력량, 전력분배율, 전송 전력 범위를 만족하는 에너지 제약 조건하에서, 전력 분배율과 전송 전력의 크기를 결정함으로써 수신기에서 에너지 효율을 최대화할 수 있고, 또한, TS모드에서 정보 복호 (ID, information decoding) 의 비율 및 에너지 하베스팅을 통한 최소 수신 전력량, 타임 스위칭 시간제약, 전송 전력 범위를 만족하는 제약 조건하에서, 타임 스위칭 비율과 전송 전력의 크기를 결정함으로써 수신기에서 에너지 효율을 최대화할 수 있는 무선 에너지 하베스팅에서 무선 정보 및 전력 동시 전송을 위한 분배 알고리즘을 사용한 에너지 효율 극대화 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 면에 따른 무선 에너지 하베스팅에서 무선 정보 및 전력 동시 전송을 위한 분배 알고리즘을 사용한 에너지 효율 극대화 시스템은 수신기로 전력을 전송하는 송신기, 및 송신기로부터 수신된 전력을 수신하는 수신기로서, PS(power splitting) 모드 또는 TS(time switching) 모드 둘 중 하나로 모드를 전환하는 모드전환모듈을 포함하고, 상기 모드전환모듈에 의해 전환된 모드에 따라 분배 알고리즘을 이용하여 무선 정보와 전력을 최적의 비율로 분배하여 에너지 효율을 극대화하는 수신기를 포함하되, 상기 PS 모드 시의 분배 알고리즘은
Figure 112019042153391-pat00001
을 이용하여 전체 정보 비율과 하베스팅된 전체 전력 간의 최적의 비율을 산출해내는 것이고, 상기 TS 모드 시의 분배 알고리즘은
Figure 112019042153391-pat00002
을 이용하여 전체 정보 비율과 하베스팅된 전체 전력 간의 최적의 비율을 산출해내는 것이다.
또한, 상기 수신기는 PS 모드에서 에너지 효율을 극대화하기 위해 정보 복호(information decoding)의 비율, 수신된 에너지의 최소값, 송신 전력의 범위 및 전력 분배율을 포함하는 에너지 제약 조건을 결정하고, TS 모드에서 에너지 효율을 극대화하기 위해 정보 복호의 비율, 수신된 에너지의 최소값, 송신 전력의 범위 및 타임 스위칭 비율을 포함하는 에너지 제약 조건을 결정하는 제어부를 더 포함한다.
또한, 상기 PS 모드에서 에너지 효율을 극대화하기 위한 상기 에너지 제약 조건은
Figure 112019042153391-pat00003
subject to R ≥ Rmin, ET ≥ Emin, PT ≤ Pth, 0 ≤ PT, 0 ≤ ρ ≤ 1 이며, 여기서
Figure 112019042153391-pat00004
은 에너지 효율, R은 전체 정보 비율, ET는 하베스팅된 전체 전력, PT는 송신 전력, Pth는 최대 전송 전력, ρ는 전력분배율이다.
또한, 상기 TS 모드에서 에너지 효율을 극대화하기 위한 상기 에너지 제약 조건은
Figure 112019042153391-pat00005
subject to R ≥ Rmin, ET ≥ Emin, PT ≤ Pth, 0 ≤ PT, 0 ≤ τ, τ ≤ T 이며, 여기서
Figure 112019042153391-pat00006
은 에너지 효율, R은 전체 정보 비율, ET는 하베스팅된 전체 전력, PT는 송신 전력, Pth는 최대 전송 전력, τ 는 타임 스위칭 비율, T는 전체 시간이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 일 면에 따른 무선 에너지 하베스팅에서 무선 정보 및 전력 동시 전송을 위한 분배 알고리즘을 사용한 에너지 효율 극대화 방법은 송신기로부터 전력을 수신하는 단계, PS(power splitting) 모드 및 TS(time switching) 모드 중 하나의 모드를 선택하는 단계, 선택된 모드에 따른 분배 알고리즘을 이용하여 무선 정보와 전력을 최적의 비율로 분배하는 단계, 및 수신기에서의 에너지 효율을 극대화하는 단계를 포함하되, 상기 PS 모드 시의 분배 알고리즘은
Figure 112019042153391-pat00007
을 이용하여 전체 정보 비율과 하베스팅된 전체 전력 간의 최적의 비율을 산출해내는 것이고, 상기 TS 모드 시의 분배 알고리즘은
Figure 112019042153391-pat00008
을 이용하여 전체 정보 비율과 하베스팅된 전체 전력 간의 최적의 비율을 산출해내는 것이다.
또한, 상기 수신기에서의 에너지 효율을 극대화하는 단계는 PS 모드에서 에너지 효율을 극대화하기 위해, 정보 복호(information decoding)의 비율, 수신된 에너지의 최소값, 송신 전력의 범위 및 전력 분배율을 포함하는 에너지 제약 조건을 결정하고, TS 모드에서 에너지 효율을 극대화하기 위해, 정보 복호의 비율, 수신된 에너지의 최소값, 송신 전력의 범위 및 타임 스위칭 비율을 포함하는 에너지 제약 조건을 결정하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 PS 모드에서 에너지 효율을 극대화하기 위한 상기 에너지 제약 조건은
Figure 112019042153391-pat00009
subject to R ≥ Rmin, ET ≥ Emin, PT ≤ Pth, 0 ≤ PT, 0 ≤ ρ ≤ 1 이며, 여기서
Figure 112019042153391-pat00010
은 에너지 효율, R은 전체 정보 비율, ET는 하베스팅된 전체 전력, PT는 송신 전력, Pth는 최대 전송 전력, ρ는 전력분배율이다.
또한, 상기 TS 모드에서 에너지 효율을 극대화하기 위한 상기 에너지 제약 조건은
Figure 112019042153391-pat00011
subject to R ≥ Rmin, ET ≥ Emin, PT ≤ Pth, 0 ≤ PT, 0 ≤ τ, τ ≤ T 이며, 여기서
Figure 112019042153391-pat00012
은 에너지 효율, R은 전체 정보 비율, ET는 하베스팅된 전체 전력, PT는 송신 전력, Pth는 최대 전송 전력, τ 는 타임 스위칭 비율, T는 전체 시간이다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명에 따르면, PS와 TS모드에서 에너지 효율을 최대화하기 위하여, PS모드에서 정보 복호 (ID, information decoding) 의 비율 및 에너지 하베스팅을 통한 최소 수신 전력량, 전력분배율, 전송 전력 범위를 만족하는 에너지 제약 조건하에서, 전력 분배율과 전송 전력의 크기를 결정함으로써 수신기에서 에너지 효율을 최대화할 수 있고, 또한, TS모드에서 정보 복호 (ID, information decoding) 의 비율 및 에너지 하베스팅을 통한 최소 수신 전력량, 타임 스위칭 시간제약, 전송 전력 범위를 만족하는 제약 조건하에서, 타임 스위칭 비율과 전송 전력의 크기를 결정함으로써 수신기에서 에너지 효율을 최대화할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급된 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 정보 및 전력 동시 전송(SWIPT, simultaneous wireless information and power transfer)시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 하베스팅에서 무선 정보 및 전력 동시 전송을 위한 분배 알고리즘을 사용한 에너지 효율 극대화 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 PS(power splitting) 모드에서 무선 정보 및 전력 동시 전송을 설명하기 위한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 TS(time switching) 모드에서 무선 정보 및 전력 동시 전송을 설명하기 위한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 PS 모드에서 에너지 효율과 스펙트럼 효율의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 TS 모드에서 에너지 효율과 스펙트럼 효율의 관계를 나타낸 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 제한되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 도면 부호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 구성요소들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 비록 "제1", "제2" 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 정보 및 전력 동시 전송(SWIPT, simultaneous wireless information and power transfer)시스템의 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 송신기(100)와 수신기(200)는 각각의 안테나를 통해 RF(radio frequency)신호를 송신하고 수신한다. 이때, 수신기용 안테나는 정보 복호(ID, information decoding)용 회로와 에너지 하베스팅용 회로로 주기적으로 전환하도록 제어되어, 수신기(200)가 송신기(100)로부터 수신된 신호를 특정 시간 구역에서는 정보 복호하고, 다른 시간 구역에서는 에너지 하베스팅을 수행하도록 한다. 하지만, 시간 구역만 달리하여 하나의 신호로 정보 복호와 에너지 하베스팅을 수행하게 되면, 각각의 동작을 수행할 때 서로 방해가 될 수 있기 때문에 에너지 효율이 떨어지게 된다. 따라서, 에너지 효율을 높이기 위해 PS(power splitting) 모드와 TS(time switching) 모드가 사용된다.
PS(power splitting) 모드는 수신 신호의 전력을 분할하여 일부 신호는 에너지 하베스팅을 위한 회로에 제공하고, 일부 신호는 정보 복호를 위한 회로에 제공하여 에너지 하베스팅과 정보 복호가 따로 수행되게 하는 것이며, TS(time switching) 모드는 시간을 분할하여 에너지 하베스팅과 정보 복호가 순차적으로 수행되게 하는 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 수신기(200)는 모드전환모듈(220)을 포함하고 있어, 필요에 따라 PS 모드에서 TS 모드로 전환할 수 있고, TS 모드에서 PS 모드로 전환할 수 있다. 수신기(200)는 전환된 모드에 따라 송신기(100)로부터 수신된 신호(전력)를 에너지 하베스팅 및 정보 복호하게 된다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 수신기(200)는 제어기(240)를 포함하고 있어, 각 모드에 따라 에너지 하베스팅 및 정보 복호가 수행될 때, 에너지 효율이 극대화될 수 있도록 에너지 제약 조건을 결정할 수 있다. 에너지 제약 조건에 대한 자세한 설명은 후술하도록 한다.
이하, PS 모드 및 TS 모드에서 수신기의 에너지 효율을 극대화하는 방법에 대해서 상세하게 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 하베스팅에서 무선 정보 및 전력 동시 전송을 위한 분배 알고리즘을 사용한 에너지 효율 극대화 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
수신기(200)는 송신기(100)로부터 전력을 수신하고(S10), 수신기(200)는 모드전환모듈(220)에 의해 PS(power splitting) 모드 및 TS(time switching) 모드 중 하나의 모드를 선택한다(S20). 이때, 수신기(200)는 전력을 수신한 후에 모드를 선택할 수도 있고, 전력 수신 전에 모드를 선택할 수도 있다.
이후, 수신기(200)는 모드전환모듈(220)에 의해 선택된 모드에 따른 분배 알고리즘을 이용하여 무선 정보와 전력을 최적의 비율로 분배한다(S30). 도 3 및 도 4를 참조하여 PS 모드 및 TS 모드의 분배 알고리즘에 대해 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 PS(power splitting) 모드에서 무선 정보 및 전력 동시 전송을 설명하기 위한 블록도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 TS(time switching) 모드에서 무선 정보 및 전력 동시 전송을 설명하기 위한 블록도이다.
PS(power splitting) 모드에서 에너지 효율
Figure 112019042153391-pat00013
여기에서, ζτ은 하베스팅 효율을 나타내며, h는 채널 전력 이득(channel power gain), PT는 송신기(100)에서 보낸 전력, ρ는 전력 분배율을 의미하며, 이들 값을 이용하여 수신기(200)에서 획득된 전력(QEH)을 산출한다.
Figure 112019042153391-pat00014
여기에서, B는 전체 대역폭을 의미하며, N0는 안테나 노이즈(σa 2)와 신호 전력 노이즈(σs 2)의 합을 나타내고, ρ는 전력 분배율, h는 채널 전력 이득(channel power gain), PT는 송신기(100)에서 보낸 전력을 의미하며, 이들 값을 이용하여 전체 정보 비율(total information ratio)(R)을 산출한다.
이후, QEH 과 R 을 이용하여 에너지 효율(
Figure 112019042153391-pat00015
)을 알 수 있다.
Figure 112019042153391-pat00016
여기에서, PC는 회로 전력 전환이고, PT는 송신기(100)에서 보낸 전력이고, μ는 역 전력 증폭기 효율(inverse power amplifier efficiency)이다.
이러한 PS 모드에서의 분배 알고리즘을 통해 수신기(200)는 송신기(100)로부터 수신된 전력 신호를 무선 정보(ρ)와 전력(1-ρ)으로 분배할 수 있게 된다.
TS(time switching) 모드에서 에너지 효율
Figure 112019042153391-pat00017
여기에서, ζτ은 하베스팅 효율을 나타내며, h는 채널 전력 이득(channel power gain), PT는 송신기(100)에서 보낸 전력, T는 전체 시간, τ는 스위칭 비율(즉, T 시간 중 τ값은 TS의 비율)이다. 이들 값을 이용하여 수신기(200)에서 획득된 전력(QEH)을 산출한다.
Figure 112019042153391-pat00018
여기에서, B는 전체 대역폭을 의미하며, σa 2는 안테나 노이즈, h는 채널 전력 이득(channel power gain), PT는 송신기(100)에서 보낸 전력, τ는 스위칭 비율을 의미한다. 이들 값을 이용하여 전체 정보 비율(total information ratio)(R)을 산출한다.
이후, QEH 과 R 을 이용하여 에너지 효율(
Figure 112019042153391-pat00019
)을 알 수 있다.
Figure 112019042153391-pat00020
여기에서, T는 전체 시간, PC는 회로 전력 전환이고, PT는 송신기(100)에서 보낸 전력이고, μ는 역 전력 증폭기 효율(inverse power amplifier efficiency)이다.
이러한 TS 모드에서의 분배 알고리즘을 통해 수신기(200)는 송신기(100)로부터 수신된 전력 신호를 τ시간에는 무선 정보로 분배하고 T-τ시간에는 전력으로 분배할 수 있게 된다.
이후, 수신기(200)는 수신기에서의 에너지 효율을 극대화한다(S40).
PS(power splitting) 모드에서 에너지 효율 극대화를 위한 에너지 제약 조건
PS 모드에서 에너지 효율을 극대화하기 위해 수신기(200)는 제어기(240)를 이용하여 정보 복호(information decoding)의 비율, 수신된 에너지의 최소값, 송신 전력의 범위 및 전력 분배율을 포함하는 에너지 제약 조건을 결정한다.
Figure 112019042153391-pat00021
여기에서,
Figure 112019042153391-pat00022
은 에너지 효율, R은 전체 정보 비율, ET는 하베스팅된 전체 전력, PT는 송신 전력, Pth는 최대 전송 전력, ρ는 전력분배율을 의미한다.
따라서, 성공적인 전송을 위해, 정보 복호 비율과 하베스팅된 전력량이 각각의 최소값보다 크거나 같아야 한다. 또한, 전력분배율 ρ값에 따라 수신기(200)의 통신 품질과 하베스팅 효율이 결정되기 때문에 적절한 ρ값을 찾는 것이 중요하며, 이에 따라 에너지 효율을 극대화할 수 있다.
일 실시예에 따라, 스펙트럼 효율(SE: spectral efficiency)은 채널의 총 대역폭에 대한 정보 복호의 비율로 정의된다. 이를 이용하여 송신 전력 PT을 상기의 에너지 효율에 관한 수식에 넣어 아래와 같은 에너지 효율과 스펙트럼 효율에 관한 식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112019042153391-pat00023
위의 수식에 따르면 도 5와 같은 quasi-concave 한 형태를 갖는다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 PS 모드에서 에너지 효율과 스펙트럼 효율의 관계를 나타낸 그래프이다. 이는, 전력 분배율 ρ값에 대하여 에너지 효율을 나타내는 목적함수는 송신 전력에 대하여 quasi-concave 하다. 또한, 송신 전력에 대하여 에너지 효율을 나타내는 목적함수는 전력분배율 ρ값에 대하여 quasi-concave하다. 다음은 위의 quasi-concave에 대한 증명을 나타낸다.
Figure 112019042153391-pat00024
TS(time switching) 모드에서 에너지 효율 극대화를 위한 에너지 제약 조건
TS 모드에서 에너지 효율을 극대화하기 위해 수신기(200)는 제어기(240)를 이용하여 정보 복호의 비율, 수신된 에너지의 최소값, 송신 전력의 범위 및 타임 스위칭 비율을 포함하는 에너지 제약 조건을 결정한다.
Figure 112019042153391-pat00025
여기에서,
Figure 112019042153391-pat00026
은 에너지 효율, R은 전체 정보 비율, ET는 하베스팅된 전체 전력, PT는 송신 전력, Pth는 최대 전송 전력, τ 는 타임 스위칭 비율, T는 전체 시간을 의미한다.
따라서, 성공적인 전송을 위해, 정보 복호 비율과 하베스팅된 전력량이 각각의 최소값보다 크거나 같아야 한다. 이에 따라 에너지 효율을 극대화할 수 있다.
일 실시예에 따라, 스펙트럼 효율(SE: spectral efficiency)은 채널의 총 대역폭에 대한 정보 복호의 비율로 정의된다. 이를 이용하여 송신 전력 PT을 상기의 에너지 효율에 관한 수식에 넣어 아래와 같은 에너지 효율과 스펙트럼 효율에 관한 식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112019042153391-pat00027
위의 수식에 따르면 도 6과 같은 quasi-concave 한 형태를 갖는다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 TS 모드에서 에너지 효율과 스펙트럼 효율의 관계를 나타낸 그래프이다. 이는, TS비율 T에 대하여 에너지 효율을 나타내는 목적함수는 송신 전력에 대하여 quasi-concave 하다. 또한, 송신 전력에 대하여 에너지 효율을 나타내는 목적함수는 타임 스위칭 비율 τ 에 대하여 quasi - concave하다.
다음은 목적 함수의 quasi-concave에 대한 증명이다.
Figure 112019042153391-pat00028
일 실시예에 따라, 본 발명은 PS모드의 에너지 효율 극대화의 문제인 fractional problem문제를 푸는 데 있어 Dinkelbach's method를 이용하였다. 여기에서 Dinkelbach's method를 사용하는 이유는 concave-convex한 fractional problem을 convex 최적화 문제로 바꾸기 위함이다.
다음의 수식은 에너지 효율 극대화 문제를 해결하기 위해 Lagrangian dual decomposition 기법을 사용하였다.
Figure 112019042153391-pat00029
여기에서, λ1, λ2, λ3은 각각 PT, Rmin, ET 의 제약조건에 대한 라그랑지 승수를 나타낸다.
다음은 Dinkelbach's algorithm과 이를 이용한 제안하는 PS모드에서의 알고리즘을 나타낸다.
Figure 112019042153391-pat00030
W, X, Z를 다음과 같이 정의하면,
Figure 112019042153391-pat00031
최적의 해를 찾기 위하여 상기의 라그랑지안 함수를 각각 전송 전력과 전력 분배율에 대하여 편미분하면 다음과 같다.
Figure 112019042153391-pat00032
상기의 방정식이 0이 되는 지점에서 최적의 송신 전력과 전력분배율은 다음과 같다.
Figure 112019042153391-pat00033
위의 알고리즘을 풀기 위하여 최적의 송신 전력과 전력분배율을 찾기 위하여 step size(a) 는 constant step size를 이용하였다.
Figure 112019042153391-pat00034
또한, 다음은 Dinkelbach's algorithm과 이를 이용한 제안하는 TS모드에서의 알고리즘을 나타낸다.
Figure 112019042153391-pat00035
Figure 112019042153391-pat00036
여기에서, λ1, λ2, λ3은 각각 PT, Rmin, ET 의 제약조건에 대한 라그랑지 승수를 나타낸다.
최적의 송신 전력을 찾기 위하여 TS모드의 라그랑지안을 각각 전송 전력에 대하여 편미분하면 다음과 같다.
Figure 112019042153391-pat00037
상기의 방정식이 0이 되는 지점에서 최적의 송신 전력은 다음과 같다.
Figure 112019042153391-pat00038
최적의 송신 전력을 찾기 위하여 각 반복에 constant step size를 이용하였다.
Figure 112019042153391-pat00039
TS모드에서 에너지 효율 최대화를 위해 TS 비율에 대해 구하기 위한 라그랑지안은 다음과 같다.
Figure 112019042153391-pat00040
여기에서, Δ1, Δ2, Δ3, Δ4는 각각 ET, Emin, Rmin, ET에 대한 라그랑지 승수를 의미한다.
TS모드에서 X와 Y를 다음과 같이 정의한다.
Figure 112019042153391-pat00041
최적의 TS 비율을 찾기 위하여 상기의 식을 TS 비율 τ에 대하여 편미분하면, 다음과 같다.
Figure 112019042153391-pat00042
위를 0 이 되도록 하는 τ값은 다음과 같다.
Figure 112019042153391-pat00043
최적의 송신전력과 TS 비율을 찾기 위하여 각 반복에 constant step size 를 이용하였다.
Figure 112019042153391-pat00044
본 발명의 실시예와 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계들은 하드웨어로 직접 구현되거나, 하드웨어에 의해 실행되는 소프트웨어 모듈로 구현되거나, 또는 이들의 결합에 의해 구현될 수 있다. 소프트웨어 모듈은 RAM(Random Access Memory), ROM(Read Only Memory), EPROM(Erasable Programmable ROM), EEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM), 플래시 메모리(Flash Memory), 하드 디스크, 착탈형 디스크, CD-ROM, 또는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 잘 알려진 임의의 형태의 컴퓨터 판독가능 기록매체에 상주할 수도 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 제한적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100 : 송신기
200 : 수신기
220 : 모드전환모듈
240 : 제어기

Claims (8)

  1. 무선 에너지 하베스팅(energy harvesting)에서 무선 정보 및 전력 동시 전송을 위한 분배 알고리즘을 사용한 에너지 효율 극대화 시스템으로서,
    수신기로 전력을 전송하는 송신기; 및
    송신기로부터 수신된 전력을 수신하는 수신기로서, PS(power splitting) 모드 또는 TS(time switching) 모드 둘 중 하나로 모드를 전환하는 모드전환모듈을 포함하고, 상기 모드전환모듈에 의해 전환된 모드에 따라 분배 알고리즘을 이용하여 무선 정보와 전력을 최적의 비율로 분배하여 에너지 효율을 극대화하는 수신기를 포함하되,
    상기 PS 모드 시의 분배 알고리즘은
    Figure 112019042153391-pat00045
    을 이용하여 전체 정보 비율과 하베스팅된 전체 전력 간의 최적의 비율을 산출해내는 것이고,
    상기 TS 모드 시의 분배 알고리즘은
    Figure 112019042153391-pat00046
    을 이용하여 전체 정보 비율과 하베스팅된 전체 전력 간의 최적의 비율을 산출해내는 것인,
    무선 에너지 하베스팅에서 무선 정보 및 전력 동시 전송을 위한 분배 알고리즘을 사용한 에너지 효율 극대화 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수신기는,
    PS 모드에서 에너지 효율을 극대화하기 위해 정보 복호(information decoding)의 비율, 수신된 에너지의 최소값, 송신 전력의 범위 및 전력 분배율을 포함하는 에너지 제약 조건을 결정하고, TS 모드에서 에너지 효율을 극대화하기 위해 정보 복호의 비율, 수신된 에너지의 최소값, 송신 전력의 범위 및 타임 스위칭 비율을 포함하는 에너지 제약 조건을 결정하는 제어부를 더 포함하는, 무선 에너지 하베스팅에서 무선 정보 및 전력 동시 전송을 위한 분배 알고리즘을 사용한 에너지 효율 극대화 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 PS 모드에서 에너지 효율을 극대화하기 위한 상기 에너지 제약 조건은
    Figure 112019042153391-pat00047
    subject to R ≥ Rmin, ET ≥ Emin, PT ≤ Pth, 0 ≤ PT, 0 ≤ ρ ≤ 1 이며, 여기서
    Figure 112019042153391-pat00048
    은 에너지 효율, R은 전체 정보 비율, ET는 하베스팅된 전체 전력, PT는 송신 전력, Pth는 최대 전송 전력, ρ는 전력분배율인, 무선 에너지 하베스팅에서 무선 정보 및 전력 동시 전송을 위한 분배 알고리즘을 사용한 에너지 효율 극대화 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 TS 모드에서 에너지 효율을 극대화하기 위한 상기 에너지 제약 조건은
    Figure 112019042153391-pat00049
    subject to R ≥ Rmin, ET ≥ Emin, PT ≤ Pth, 0 ≤ PT, 0 ≤ τ, τ ≤ T 이며, 여기서
    Figure 112019042153391-pat00050
    은 에너지 효율, R은 전체 정보 비율, ET는 하베스팅된 전체 전력, PT는 송신 전력, Pth는 최대 전송 전력, τ 는 타임 스위칭 비율, T는 전체 시간인, 무선 에너지 하베스팅에서 무선 정보 및 전력 동시 전송을 위한 분배 알고리즘을 사용한 에너지 효율 극대화 시스템.
  5. 무선 에너지 하베스팅에서 무선 정보 및 전력 동시 전송을 위한 분배 알고리즘을 사용한 에너지 효율 극대화 방법으로서,
    송신기로부터 전력을 수신하는 단계;
    PS(power splitting) 모드 및 TS(time switching) 모드 중 하나의 모드를 선택하는 단계;
    선택된 모드에 따른 분배 알고리즘을 이용하여 무선 정보와 전력을 최적의 비율로 분배하는 단계; 및
    수신기에서의 에너지 효율을 극대화하는 단계를 포함하되,
    상기 PS 모드 시의 분배 알고리즘은
    Figure 112019042153391-pat00051
    을 이용하여 전체 정보 비율과 하베스팅된 전체 전력 간의 최적의 비율을 산출해내는 것이고,
    상기 TS 모드 시의 분배 알고리즘은
    Figure 112019042153391-pat00052
    을 이용하여 전체 정보 비율과 하베스팅된 전체 전력 간의 최적의 비율을 산출해내는 것인, 무선 에너지 하베스팅에서 무선 정보 및 전력 동시 전송을 위한 분배 알고리즘을 사용한 에너지 효율 극대화 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 수신기에서의 에너지 효율을 극대화하는 단계는,
    PS 모드에서 에너지 효율을 극대화하기 위해, 정보 복호(information decoding)의 비율, 수신된 에너지의 최소값, 송신 전력의 범위 및 전력 분배율을 포함하는 에너지 제약 조건을 결정하고, TS 모드에서 에너지 효율을 극대화하기 위해, 정보 복호의 비율, 수신된 에너지의 최소값, 송신 전력의 범위 및 타임 스위칭 비율을 포함하는 에너지 제약 조건을 결정하는 단계를 포함하는, 무선 에너지 하베스팅에서 무선 정보 및 전력 동시 전송을 위한 분배 알고리즘을 사용한 에너지 효율 극대화 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 PS 모드에서 에너지 효율을 극대화하기 위한 상기 에너지 제약 조건은
    Figure 112019042153391-pat00053
    subject to R ≥ Rmin, ET ≥ Emin, PT ≤ Pth, 0 ≤ PT, 0 ≤ ρ ≤ 1 이며, 여기서
    Figure 112019042153391-pat00054
    은 에너지 효율, R은 전체 정보 비율, ET는 하베스팅된 전체 전력, PT는 송신 전력, Pth는 최대 전송 전력, ρ는 전력분배율인, 무선 에너지 하베스팅에서 무선 정보 및 전력 동시 전송을 위한 분배 알고리즘을 사용한 에너지 효율 극대화 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 TS 모드에서 에너지 효율을 극대화하기 위한 상기 에너지 제약 조건은
    Figure 112019042153391-pat00055
    subject to R ≥ Rmin, ET ≥ Emin, PT ≤ Pth, 0 ≤ PT, 0 ≤ τ, τ ≤ T 이며, 여기서
    Figure 112019042153391-pat00056
    은 에너지 효율, R은 전체 정보 비율, ET는 하베스팅된 전체 전력, PT는 송신 전력, Pth는 최대 전송 전력, τ 는 타임 스위칭 비율, T는 전체 시간인, 무선 에너지 하베스팅에서 무선 정보 및 전력 동시 전송을 위한 분배 알고리즘을 사용한 에너지 효율 극대화 방법.
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