KR102193882B1 - 무선 전력 충전정보 전송 방법 및 그 방법을 수행하는 공유기 - Google Patents

무선 전력 충전정보 전송 방법 및 그 방법을 수행하는 공유기 Download PDF

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KR102193882B1 KR1020190029781A KR20190029781A KR102193882B1 KR 102193882 B1 KR102193882 B1 KR 102193882B1 KR 1020190029781 A KR1020190029781 A KR 1020190029781A KR 20190029781 A KR20190029781 A KR 20190029781A KR 102193882 B1 KR102193882 B1 KR 102193882B1
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Abstract

본 발명은 무선 전력 충전정보 전송 방법 및 그 방법을 수행하는 공유기에 관한 것으로 본 발명에 따른 방법은 낮은 복잡도를 갖지는 알고리즘을 제공함으로써, 무선 전력 통신 네트워크 시스템이 실시간으로 무선 전력 충전정보를 처리할 수 있게 한다.

Description

무선 전력 충전정보 전송 방법 및 그 방법을 수행하는 공유기{The method for transmitting wireless power charging information and the router performing the method}
본 발명은 무선 전력 충전정보 전송 방법 및 그 방법을 수행하는 공유기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 복수의 안테나를 포함하고 복수의 단말을 이용하는 무선 전력 통신 네트워크 시스템(Wireless Powered Communication Network System, WPCN)에서 무선 전력 충전정보를 전송하는 방법 및 그 방법을 수행하는 장치에 관한 것이다.
센서나 사물인터넷(Internet of Things, IoT) 기기의 이동성을 보장하고 무선 기기의 수명을 연장하기 위한 방법으로 무선 충전 기술이 활발히 연구되고 있다. 무선 충전 기술은 유선 충전 방식보다 편리하게 전자기기를 충전할 수 있는 특징이 있다.
특히, 무선 충전 기술을 적용한 기기의 배터리는 기기 내부 배터리로 제작하여 기기의 크기를 줄일 수 있고 기기는 외부 전원 연결 단자가 없기 때문에, 무선 충전 기술은 방수용 제품 또는 방진용 제품의 내구성을 향상시킬 수 있다.
이와 더불어 전자기기 수가 급격히 증가함에 따라 전원 공급 문제를 해결하기 위해서도 무선 충전 기술 연구가 활발히 진행되고 있다. 현재 상용화 중인 주요 무선 충전 기술 방식으로는 자기 유도 방식, 자기 공진 방식, 그리고 전자기파 방식이 있다.
특히, 전자기파를 이용하여 동일한 안테나로 무선 충전과 무선 정보 전송을 동시에 수행하는 전자기파 방식이 주목 받고 있고, 이 방식은 공유기에서 단말로 전력과 정보를 같이 전송하는 SWIPT (Simultaneous Wireless Information and Power Transfer) 방식, 공유기에서 단말로 전력을 전송하여 단말을 충전한 후 이를 이용하여 단말에서 공유기로 정보를 전송하는 WPCN (Wireless Powered Communication Networks) 방식으로 구분된다.
전력 전송 효율을 높이기 위해서는 전송 대역폭을 최소화해야 하는 반면 정보 전송률을 증가시키기 위해서는 전송 대역폭을 최대화해야 하므로, SWIPT 방식에서는 전송 전력 효율과 정보 전송률을 동시에 높일 수 없는 문제가 있다.
WPCN 방식에서는 하향링크에서 RF 신호를 이용하여 다수의 단말을 동시에 충전하고, 상향링크에서 각 단말의 충전 전력을 이용하여 다중 접속을 통해 정보를 전송한다.
최근 다중 사용자 단일 송수신 안테나 (Multiuser Multi-Input Single-Output, MU-MISO) 채널 환경에서 최대-최소 (Max-Min) 전송률 측면에서 하향링크 에너지 빔포밍 벡터와 상향링크 다중 접속 수신기를 최적화하는 기법이 제안되었고, 이를 다중 사용자 다중 송수신 안테나(Multi-User Multi-Input Multi-output, MU-MIMO) 환경으로 확장하여 하향링크에서 다중 안테나 기반 빔포밍을 수행하고, 상향링크에서 공간분할 다중 접속 기법에 기반하여 정보를 전송하는 WPCN 시스템이 제안되었다.
한 연구에서는 MU-MIMO WPCN 시스템의 합산 전송률을 최대화하는 전송 기법을 유도했고, 또 다른 연구에서는 MU-MIMO WPCN 시스템의 상향링크에서 ZF(Zero-forcing) 수신기를 사용하는 경우 원시 문제(primal problem)을 이중 문제(dual problem)으로 변환하여 최적화 문제를 풀어 효율적으로 최대-최소 전송률 측면에서 하향링크 및 상향링크 최적의 전송률을 얻는 방법을 제안했다.
(KR) 등록특허 제 10-1882254 호
배경기술에서 언급한 종래기술은 최대-최소 전송률 측면에서 최적의 전송률을 얻기 위해 interior-point 방법을 사용하여 최적화 문제를 푸는데, interior-point 방법은 연산의 복잡도가 높아 실시간으로 처리가 불가능하기 때문에, 실제 무선 통신 시스템에 적용하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 낮은 복잡도를 갖는 무선 전력 충전정보 전송 방법 및 그 방법을 수행하는 공유기를 제공하고자 한다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 충전정보 전송 방법은 공유기의 채널 추정부가 채널을 추정하는 단계; 상기 공유기의 에너지 빔 형성부가 빔포밍 벡터를 산출하는 단계; 상기 공유기의 전력 할당부가 상향 링크 및 하향 링크에 대한 시간 비율을 설정하고, 상향링크에 대한 전력을 할당하는 단계; 및 상기 공유기의 에너지 빔 전송부가 복수의 단말에 전력을 송신하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 충전정보 전송 방법에서 상기 에너지 빔 형성부가 빔포밍 벡터를 산출하는 단계는, 복수의 단말 각각에 연결된 각각의 하향링크 채널에 기초하여 특이값을 분해함으로써 획득되는 최대 고유값, 상기 최대 고유값에 대응하는 고유 벡터 및 상기 채널 추정부를 통해 생성되는 상향링크 채널 이득을 이용하여 빔포밍 벡터를 산출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 충전정보 전송 방법에서 상기 빔포밍 벡터는 하기 수학식에 의하여 산출될 수 있다.
Figure 112019026754941-pat00001
여기서, v o는 벡포밍 벡터, μ는 (v o)H v o = Pt를 만족하는 정규화 계수, Pt는 공유기의 최대 송신 전력,
Figure 112019026754941-pat00002
는 최대 고유값, v k는 고유 벡터, ρG,k는 k번째 단말의 상향링크 채널 이득, G는 하향링크 채널을 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 충전정보 전송 방법에서 상기 공유기의 전력 할당부가 상향 링크 및 하향 링크에 대한 시간 비율을 설정하고, 상향링크에 대한 전력을 할당하는 단계는, 상향링크 채널 이득을 계산하는 단계; 상기 상향링크 및 하향링크에 대한 시간 비율
Figure 112019026754941-pat00003
을 초기화하는 단계; 상기 복수의 단말에 송신할 전력을 계산하는 단계; 상기 복수의 단말로부터 수신하는 데이터 스트림별로 전력을 할당하는 단계; 상기 데이터 스트림의 상향링크 최대 송신 전력을 계산하는 단계; 상기 계산된 최대 송신 전력 및 상기 상향링크 채널 이득을 이용하여 상향링크 공통 전송률을 계산하여 최소 전송률을 획득하는 단계; 상기 최소 전송률을 증가시키는 상향링크 및 하향링크의 시간 비율의 변화량(
Figure 112019026754941-pat00004
)을 산출하는 단계; 및 상기 변화량(
Figure 112019026754941-pat00005
)의 절대값이 소정의 임계값보다 큰 경우, 상기 상향링크 및 하향링크에 대한 시간 비율
Figure 112019026754941-pat00006
은
Figure 112019026754941-pat00007
으로 갱신하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 충전정보 전송 방법을 수행하는 공유기는 채널을 추정하는 채널 추정부; 빔포밍 벡터를 산출하는 에너지 빔 형성부; 상향 링크 및 하향 링크에 대한 시간 비율을 설정하고, 상향링크에 대한 전력을 할당하는 전력 할당부; 및 복수의 단말에 전력을 송신하는 에너지 빔 전송부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 충전정보 전송 방법 및 그 방법을 수행하는 공유기는 무선 충전과 무선 정보 전송을 동시에 수행하도록 하여 센서나 기기들이 스스로 충전하면서 지속 가능한 통신 상태를 유지하도록 한다.
또한 본 발명은 간단한 전력할당을 위해 상향링크 채널 이득을 근사화하고, 근사화된 채널이득과 하향링크를 고려한 하향링크 빔포밍 벡터를 이용함으로써, 복잡도가 낮은 무선 전력 충전정보 전송 방법을 제공할 수 있다.
본 발명은 낮은 복잡도를 제공함으로써, 무선 전력 통신 네트워크 시스템이 실시간으로 무선 전력 충전정보를 처리할 수 있게 한다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 충전정보 전송 방법을 적용하기 위한 MU-MIMO 시스템의 구조를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 WPCN 동작을 위한 상향링크 및 하향링크 시분할 전송 방법을 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 충전정보 전송 방법의 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 빔포밍 벡터를 계산하는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 상하향링크 시간 비율 설정 및 상향링크 전력 할당 절차의 순서도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 정보전송기에서 정보를 전송하는 방법을 나타낸다.
도 7 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 충전정보 전송 알고리즘의 효과를 나타내는 실험결과이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 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. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급될 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 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 충전정보 전송 방법을 적용하기 위한 MU-MIMO 시스템의 구조를 나타낸다.
본 발명에서는 무선 전력 통신 네트워크 시스템(Wireless Powered Communication Network, WPCN)을 위한 다중 사용자 다중 송수신(Multi-user Multi-Input Multi-Output, MU-MIMO) 채널을 고려한다.
따라서, MU-MIMO WPCN 시스템은 다수의 안테나를 갖는 공유기(100)와 다수의 안테나를 갖는 k대의 사용자 단말(200-1, 200-2, …, 200-k)로 구성될 수 있다.
MU-MIMO WPCN 시스템에서, 공유기(100)는 하향링크를 통해 전력을 전송하는 동안 다수의 사용자 즉, 사용자 단말(200)에 권한을 부여하고, 사용자 단말(200)는 상향링크를 통해 정보를 전송하는 동안 다수의 데이터 스트림을 공유기(100)에 전송한다.
본 발명에 따른 알고리즘은 하향링크에서 얻어진 전력에 따라 결정된 송신 전력 제약하에서 최대-최소 전송률 측면에서 최적의 전송률을 얻기 위한 최적화 문제를 공식화하고, 실시간 처리를 위한 복잡도가 낮은 최적화 기법을 제안한다.
최대-최소 전송률 측면에서 최적의 전송률을 얻기 위한 최적화 문제는 상향링크에서는 다중 사용자 간섭 (Multi-User Interference, MUI)을 제거하고 연산의 복잡도를 줄이기 위해, 기하 평균을 사용하여 상향링크 다중 스트림 MIMO 채널을 단일 스트림 채널로 근사화 한다. 하향링크에서는 에너지 빔 형성부(120)가 낮은 복잡도의 사전부호화 기법을 사용하여 설계되고, 최소 전송률을 최대화하는 상향링크와 하향링크 간의 최적 시간 비율을 찾는다.
도 1을 참조하면, 공유기(100)는 하향링크 채널로 전력 스트림을 전송하여 각 사용자 단말(200; 200-1, 200-2, …, 200-k)을 충전하고, 각 단말(200)은 공간다중화를 통해 상향링크 채널로 데이터를 동시에 전송한다. 공유기(100)의 안테나 수를 M, k번째 단말의 안테나 수를 Nk라고 할 때, k번째 단말의 하향링크 채널은 Nk
Figure 112019026754941-pat00008
M 행렬 Gk로 표현되고, k번째 단말의 상향링크 채널은 M
Figure 112019026754941-pat00009
Nk 행렬 Hk로 표현된다.
공유기(100)는 채널 추정부(110), 에너지 빔 형성부(120), 전력 할당부(130), 에너지 빔 전송부(140) 및 데이터 검출부(150)를 포함할 수 있다.
채널 추정부(110)는 채널을 추정하고, 에너지 빔 형성부(120)는 추정된 채널을 이용해 하향링크 에너지 빔포밍 벡터를 근사화할 수 있다. 그리고, 전력 할당부(130)는 상하향링크의 시간 비율 설정 및 상향링크에 대한 전력을 할당할 수 있다. 에너지 빔 전성부(140)는 다중 전력 스트림을 하향링크(G1, G2,…,Gk)로 전송한다.
하향링크로 전송한 전력 스트림은 채널 Gk를 거쳐서 Nk개의 단말 안테나로 수신되고, 단말(200)의 전체 수신 전력이 최대가 되도록 각 안테나의 수신 신호를 결합한다. 결합된 신호는 분배기를 거쳐서 전력 충전기(210)에서 RF 신호 전력을 DC 신호로 변환된 후 단말(200)의 전력 충전에 사용된다.
상향링크에서는 단말(200)에 충전된 전력을 이용해서 상향링크 채널을 통해 각 단말별로 다수의 데이터 스트림을 전송한다. k번째 단말에서 Lk개의 데이터 스트림을 동시에 전송하면 상향링크 채널 Hk를 거쳐서 공유기(100)에 수신되며, 공유기(100)에서는 단말로부터 동시에 수신된 (L1+L2+…+LK)개의 데이터 스트림으로부터 각 단말(200)이 전송한 데이터를 검출한다. 일반적으로 Lk
Figure 112019026754941-pat00010
min(M,Nk)를 만족한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 충전정보 전송 방법은 단말(200)의 상향링크 전송률 중 가장 낮은 값을 최대화하는 방법(이하, 공통 전송률 최대화 방법 또는 최소 전송률 최대화 방법이라 지칭함)을 이용하여 상하향링크 전송 시간 비율, 하향링크 전력 사전부호화 행렬, 상향링크에서 데이터 스트림 송신 전력 할당 벡터, 상향링크에서 단말의 데이터 전송을 위한 사전부호화 행렬 및 결합 행렬을 결정한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 WPCN 동작을 위한 상향링크 및 하향링크 시분할 전송 방법을 도시한다.
하향링크 전력 신호와 상향링크 정보 신호는 각각
Figure 112019026754941-pat00011
T와 (1-
Figure 112019026754941-pat00012
)T의 시간 비율로 전송된다. 이때 T는 상하향링크 데이터 프레임의 전송 주기를 의미하고, 본 발명의 일 실시예에서는, T를 단순화하기 위해 1로 가정한다.
하향링크에서는 공유기(100)에서 다중 전력 스트림을 이용하여 K개의 단말(200)로 전력을 전달하고, 상향링크에서는 K개의 단말(200)이 공간다중화 기법을 이용해서 다중 데이터 스트림을 전송할 수 있다.
공유기(100)에서 동시에 수신된 다중 스트림 신호를 이용해서 단말이 전송한 각각의 데이터 스트림을 검출하는 방법으로 정보를 전달한다. WPCN 프로토콜 특성상 하향링크 전력 전송 시간이 길수록 단말의 가용 전력은 증가하지만 상향링크에서 정보를 전달할 수 있는 시간이 줄어들기 때문에 각 단말의 하향링크 채널에 따른 전력 수신량과 각 단말의 상향링크 채널에 따른 데이터 전송 속도를 고려하여 전체적으로 상향링크 공통 전송률이 최대가 되도록 상하향링크 전송 시간 비율을 결정해야 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 충전정보 전송 방법의 순서도이다.
종합하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 충전정보 전송 방법은 공유기의 채널 추정부가 채널을 추정하는 단계(S10); 상기 공유기의 에너지 빔 형성부가 빔포밍 벡터를 산출하는 단계(S20); 상기 공유기의 전력 할당부가 상향 링크 및 하향 링크에 대한 시간 비율을 설정하고, 상향링크에 대한 전력을 할당하는 단계(S30); 상기 공유기의 에너지 빔 전송부가 복수의 단말에 전력을 송신하는 단계(S40); 공유기가 단말로부터 복수의 데이터 스트림을 수신하는 단계(S50) 및 데이터 검출부가 데이터 스트림으로부터 데이터를 검출하는 단계(S60)를 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 빔포밍 벡터를 계산하는 방법을 나타낸 순서도이다.
k번째 단말에 따라 하향링크 채널 G k를 이용해 하향링크 빔포밍 벡터 v o를 계산한다. G k H G k를 특이값 분해하여 얻은 최대 고유값 λk, 이에 대응하는 고유 벡터 v k와 상향링크 채널 이득 ρG,k 을 이용하여 다음 수학식 1과 같이 v o를 계산한다.
Figure 112019026754941-pat00013
이 때, μ는 (v o)H v o = Pt를 만족하도록 하는 정규화 계수이고, Pt는 공유기의 최대 송신 전력을 나타낸다. 상향링크 채널 이득 ρG,k는 k번째 단말의 데이터 스트림의 채널 이득을 이용해서 다양한 방식으로 계산할 수 있다. 한 예로 기하평균을 적용하는 경우 ρG,k는 다음 수학식 2와 같이 정의될 수 있다.
Figure 112019026754941-pat00014
이때 L k 는 k번째 사용자의 상향링크 데이터 스트림 수를 의미하고,
Figure 112019026754941-pat00015
은 k번째 단말, l번째 데이터 스트림의 채널 이득을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 상하향링크 시간 비율 설정 및 상향링크 전력 할당 절차의 순서도이다.
우선 상향링크 채널이득을 계산하고(S110), 다음으로 상하향링크 시간 비율을 0<
Figure 112019026754941-pat00016
<1의 범위에서 적절한 상수값으로 초기화 한다(S120). 한편,
Figure 112019026754941-pat00017
=0.5로 설정될 수 있는데, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 빔 형성기에서 구한 v o를 이용하여 다음 수학식 3과 같이 단말별 송신 전력을 계산한다(S130).
Figure 112019026754941-pat00018
k = 1,2,...,K
수학식 3에서 구한 Pk o를 이용하여
Figure 112019026754941-pat00019
을 만족하도록 Pk o를 데이터 스트림별로 할당한다(S140). 이때 c k,l 은 0 이상의 실수값으로 k번째 사용자의 l번째 데이터 스트림의 송신 전력 할당 비율을 나타낸다. c k,l 을 결정하기 위한 방법의 예로 상향링크 데이터 스트림의 신호대 잡음비를 이용한 water-filling 기법을 사용할 수 있고, 혹은 복잡도를 줄이기 위해 균등 할당 방식을 사용할 수 있다.
상하향 링크 시간 비율 t와 c k,l 을 이용하여 다음 수학식 4와 같이 k번째 사용자, l번째 데이터 스트림의 상향링크 최대 송신 전력을 계산한다(S150).
Figure 112019026754941-pat00020
수학식 4에서 구한 송신 전력과 상향링크 데이터 스트림의 채널 이득을 이용하여 상향링크 공통 전송률(단말 전송률 중 최소값)을 계산하여 획득한다(S160). K대의 단말 중 m번째 단말이 가장 낮은 전송률을 갖는 경우 최소 전송률은 다음 수학식 5와 같이 표현된다.
Figure 112019026754941-pat00021
이때 공유기 수신기의
Figure 112019026754941-pat00022
은 잡음 분산을 나타낸다.
수학식 5에서 정의한
Figure 112019026754941-pat00023
를 이용하여 최소 전송률이 증가하도록 하는 상하향링크 시간비율의 변화량
Figure 112019026754941-pat00024
를 계산한다(S170). 예를 들면 경사 하강법을 이용하여
Figure 112019026754941-pat00025
를
Figure 112019026754941-pat00026
에 대해 미분하여
Figure 112019026754941-pat00027
를 계산할 수 있고, 혹은
Figure 112019026754941-pat00028
를 미리 정한 계단 크기만큼 증가시키거나 감소시켜서
Figure 112019026754941-pat00029
를 계산한다.
이때
Figure 112019026754941-pat00030
일 경우(S180) 알고리즘을 종료하고,
Figure 112019026754941-pat00031
일 경우
Figure 112019026754941-pat00032
의 방법으로 시간 비율
Figure 112019026754941-pat00033
를 갱신한 후(S190), 도면 5의 S130 내지 S170 단계를 반복한다. 이때 γ는 시간 비율
Figure 112019026754941-pat00034
의 정확도를 결정하는 파라미터로 통상적으로 1보다 아주 작은 상수로 정의한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 정보전송기에서 정보를 전송하는 방법을 나타낸다.
정보 전송기(220)에서는 단말(200)에서 전송하고자 하는 정보 데이터를 통상적인 통신시스템에서 사용되는 방식을 이용해 변조한다. 데이터 변조방식은 예를 들면 BPSK, DPSK, QPSK, QAM 등의 방식이 사용될 수 있다. 데이터 변조 후, 정보 전송기(220)는 도면 5의 S130 단계에서 계산된 송신전력을 이용해 송신 데이터 스트림 별로 전력을 할당하고 사전부호화기를 사용한다. 사전부호화 방식으로는 ZF, MMSE (Minimum Mean Square Error) 등의 방식이 있다.
도 7 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 충전정보 전송 알고리즘의 효과를 나타내는 실험결과이다.
도 7은 K = 4이고 공유기와 사용자 단말 간의 거리가 d_k∈ {1.0,1.4,1.8,2.0} 일 때 다양한 MU-MIMO WPCN의 최대 속도 달성 가능 비율을 나타낸다. 결과에서 볼 수 있듯이, 본 발명에서 제안된 최적 기법(Proposed ZF suboptimal)은 상한과 비교하여
Figure 112019026754941-pat00035
에 관계없이 약 2.0 dB의 거의 일정한 성능 차이를 보여준다.
Lk = 1 인 경우에서도, 본 발명에서 제안된 기법(Proposed ZF suboptimal)은 Lk = 1 인 기존의 ZF 차선 최적화 방법보다 우수하다.
도 8은 d_k∈ {1.0,1.4,1.8,2.0,2.2,2.3,2.4,2.5}인 다양한 사용자 수 K에서 최대 달성 가능 속도를 8 개까지 비교한 결과이다. 일반적으로 하향 링크 에너지가 다수의 사용자 단말에 분산되어 상향링크 채널 이득이 감소되어 증가된 사용자 단말수의 공간 분할 멀티플렉싱을 지원하기 때문에, 사용자의 수가 증가함에 따라 최대 - 최소 달성 가능 레이트는 감소한다.
도 8을 참조하면, Lk = 3 인 경우, 본 발명에 따른 ZF 체계의 최대 - 최소 달성 가능 속도가 상한의 속도보다 약간 더 빠르게 감소함을 관찰할 수 있다.
그러나, 본 발명에서 제안된 기법은 여전히 다른 차선책을 능가한다. 예를 들어, Lk = 3 에서 제안된 방법은 고정
Figure 112019026754941-pat00036
를 갖는 준 최적 이하의 ZF보다 더 좋은 달성률을 가지며, Lk = 1 에서 제안된 방법은 사용자의 수가 증가함에 따라 Lk = 1 인 종래의 ZF보다 유리하다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 공유기
110 : 채널 추정부 120 : 에너지 빔 형성부 130 : 전력 할당부
140 : 에너지 빔 전송부 150 : 데이터 검출부
200 : 사용자 단말

Claims (7)

  1. 무선 전력 통신 네트워크 시스템(Wireless Powered Communication Network(WPCN) System)을 이용한 무선 전력 충전정보 전송 방법에 있어서,
    공유기의 채널 추정부가 채널을 추정하는 단계;
    상기 공유기의 에너지 빔 형성부가 빔포밍 벡터를 산출하는 단계;
    상기 공유기의 전력 할당부가 상향 링크 및 하향 링크에 대한 시간 비율을 설정하고, 상향링크에 대한 전력을 할당하는 단계; 및
    상기 공유기의 에너지 빔 전송부가 복수의 단말에 전력을 송신하는 단계;를 포함하고,
    상기 상향링크에 대한 전력을 할당하는 단계는
    상향링크 채널 이득을 계산하는 단계;
    상기 상향링크 및 하향링크에 대한 시간 비율(τ)을 초기화하는 단계;
    상기 복수의 단말에 송신할 전력을 계산하는 단계;
    상기 복수의 단말로부터 수신하는 데이터 스트림별로 전력을 할당하는 단계;
    상기 데이터 스트림의 상향링크 최대 송신 전력을 계산하는 단계;
    상기 계산된 최대 송신 전력 및 상기 상향링크 채널 이득을 이용하여 상향링크 공통 전송률을 계산하여 최소 전송률을 획득하는 단계; 및
    상기 최소 전송률을 증가시키는 상향링크 및 하향링크의 시간 비율의 변화량(△τ)을 산출하는 단계; 및
    상기 변화량(△τ)의 절대값이 소정의 임계값보다 큰 경우, 상기 상향링크 및 하향링크에 대한 시간 비율(τ)은 τ=τ+△τ 으로 갱신하는 단계를 포함하는 무선 전력 충전정보 전송 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 에너지 빔 형성부가 빔포밍 벡터를 산출하는 단계는,
    복수의 단말 각각에 연결된 각각의 하향링크 채널에 기초하여 특이값을 분해함으로써 획득되는 최대 고유값, 상기 최대 고유값에 대응하는 고유 벡터 및 상기 채널 추정부를 통해 생성되는 상향링크 채널 이득을 이용하여 빔포밍 벡터를 산출하는 것인 무선 전력 충전정보 전송 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 빔포밍 벡터는 하기 수학식에 의하여 산출되는 것인 무선 전력 충전정보 전송 방법.
    Figure 112019026754941-pat00037

    여기서, v o는 벡포밍 벡터, μ는 (v o)H v o = Pt를 만족하는 정규화 계수, Pt는 공유기의 최대 송신 전력,
    Figure 112019026754941-pat00038
    는 최대 고유값, v k는 고유 벡터, ρG,k는 k번째 단말의 상향링크 채널 이득, G는 하향링크 채널을 의미함
  4. 삭제
  5. 무선 전력 통신 네트워크 시스템의 공유기에 있어서,
    채널을 추정하는 채널 추정부;
    빔포밍 벡터를 산출하는 에너지 빔 형성부;
    상향 링크 및 하향 링크에 대한 시간 비율을 설정하고, 상향링크에 대한 전력을 할당하는 전력 할당부; 및
    복수의 단말에 전력을 송신하는 에너지 빔 전송부를 포함하고,
    상기 전력 할당부는
    상향링크 채널 이득을 계산하고, 상기 상향링크 및 하향링크에 대한 시간 비율(τ)을 초기화하고, 상기 복수의 단말에 송신할 전력을 계산하고, 상기 복수의 단말로부터 수신하는 데이터 스트림별로 전력을 할당하고, 상기 데이터 스트림의 상향링크 최대 송신 전력을 계산하고, 상기 계산된 최대 송신 전력 및 상기 상향링크 채널 이득을 이용하여 상향링크 공통 전송률을 계산하여 최소 전송률을 획득하고, 상기 최소 전송률을 증가시키는 상향링크 및 하향링크의 시간 비율의 변화량(△τ)을 산출하고, 상기 변화량(△τ)의 절대값이 소정의 임계값보다 큰 경우, 상기 상향링크 및 하향링크에 대한 시간 비율(τ)은 τ=τ+△τ 으로 갱신하는 무선 전력 충전정보를 전송하는 공유기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 에너지 빔 형성부는,
    복수의 단말 각각에 연결된 각각의 하향링크 채널에 기초하여 특이값을 분해함으로써 획득되는 최대 고유값, 상기 최대 고유값에 대응하는 고유 벡터 및 상기 채널 추정부를 통해 생성되는 상향링크 채널 이득을 이용하여 빔포밍 벡터를 산출하는 것인 무선 전력 충전정보를 전송하는 공유기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 빔포밍 벡터는 하기 수학식에 의하여 산출되는 것인 무선 전력 충전정보를 전송하는 공유기.
    Figure 112019026754941-pat00044

    여기서, v o는 벡포밍 벡터, μ는 (v o)H v o = Pt를 만족하는 정규화 계수, Pt는 공유기의 최대 송신 전력,
    Figure 112019026754941-pat00045
    는 최대 고유값, v k는 고유 벡터, ρG,k는 k번째 단말의 상향링크 채널 이득, G는 하향링크 채널을 의미함
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