KR102209990B1

KR102209990B1 - Multi-hop relay wireless communication system and method

Info

Publication number: KR102209990B1
Application number: KR1020190151201A
Authority: KR
Inventors: 이경재; 콰쿠 포비 아시두 데렉
Original assignee: 한밭대학교 산학협력단
Priority date: 2018-11-22
Filing date: 2019-11-22
Publication date: 2021-02-01
Also published as: KR20200060286A

Abstract

본 기술은 멀티 홉 릴레이 방식의 무선 전력 전송 시스템 및 방법이 개시된다. 본 발명의 구체적인 예에 따르면, DF SWIPT 시스템의 각 릴레이 노드에서 최소 소스송신전력, 최대 시스템 목표 레이트 및 PS 비율에 대한 폐쇄형 솔루션을 통해 최적 소스송신전력 및 최적 시스템 레이트를 달성할 수 있는 릴레이 노드의 수를 도출할 수 있고, 이에 채널 용량 및 시스템 성능을 향상시킬 수 있다.The present technology discloses a multi-hop relay wireless power transmission system and method. According to a specific example of the present invention, a relay node capable of achieving optimum source transmission power and optimum system rate through a closed solution for minimum source transmission power, maximum system target rate, and PS ratio in each relay node of a DF SWIPT system. The number of can be derived, thereby improving the channel capacity and system performance.

Description

Multi-hop relay type wireless communication system and method {MULTI-HOP RELAY WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM AND METHOD}

본 발명은 멀티 홉 릴레이 방식의 무선 통신 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 멀티 홉 릴레이 방식으로 전력 및 정보 동시전송 빔포밍을 수행함에 있어, 전력분할비율에 대한 소스송신전력이 최소화되고 최적 전력분할비율에 대한 시스템의 레이트가 최대화되는 릴레이 노드의 수를 추정할 수 있도록 한 기술에 관한 것이다. The present invention relates to a wireless communication system and method of a multi-hop relay method, and more particularly, in performing beamforming for simultaneous transmission of power and information in a multi-hop relay method, the source transmission power for the power split ratio is minimized and optimal. The present invention relates to a technique for estimating the number of relay nodes at which the rate of the system to the power split ratio is maximized.

최근 멀티미디어 서비스를 제공하기 위해 전송 데이터의 대용량화 및 데이터 전송의 고속화가 진행되면서 한정된 주파수를 효율적으로 사용할 수 있는 다중 안테나 시스템(MIMO(Multiple Input Multiple Output))의 연구가 활발히 진행되고 있다.In recent years, in order to provide multimedia services, research on a multiple input multiple output (MIMO) system capable of efficiently using a limited frequency has been actively conducted as transmission data has been increased in capacity and data transmission has been accelerated.

이러한 다중 안테나 시스템은 안테나 별로 서로 독립적인 채널을 이용하여 데이터를 전송하여 추가적인 주파수나 송신 전력 할당 없이도 단일 안테나 시스템에 비해 전송 신뢰도와 전송률을 증가시킬 수 있다. Such a multi-antenna system transmits data using channels that are independent of each other for each antenna, thereby increasing transmission reliability and transmission rate compared to a single antenna system without additional frequency or transmission power allocation.

다중 사용자 환경의 다중 안테나 시스템은 비선형 방식의 프리코딩(Pre-coding) 방식인 더티 페이퍼 코딩(Dirty Paper Coding)을 이용하여 사용자들간 또는 안테나들간 간섭을 제거한다.In a multi-antenna system in a multi-user environment, interference between users or between antennas is eliminated by using dirty paper coding, which is a nonlinear pre-coding method.

더티 페이퍼 코딩은 채널에서 잡음 신호 외에 간섭 신호가 존재하는 상황에서 간섭 신호를 전송단이 미리 알고 있을 때, 수신단에서 간섭 신호의 영향을 받지 않도록 하는 전송단에서의 간섭 신호 제거 기법이다. 즉, 신호 A는 사용자 A에게 보내고자 하는 신호라 하고, 신호 B는 사용자 B에게 보내고자 하는 신호라 가정할 때, 신호A를 신호 B와 적절한 연관 관계로부터 먼저 처리하여 잡음과 같은 신호(A')를 만들어서 신호 B와 더해서 채널로 전송한다. 이 신호를 수신한 사용자 B는 원래 신호 B에 채널로부터의 잡음과 처리된 신호(A') 모두 잡음으로 간주하고 복호하면, 사용자 A는 가공된 잡음(A')으로부터 완벽하게 신호 A를 복원해 낼 수 있으며, 이를 더티 페이퍼 코딩이라 한다.Dirty paper coding is an interference signal removal technique at the transmitting end that prevents the receiving end from being affected by the interference signal when the transmitting end knows in advance of the interference signal in the presence of an interference signal in addition to the noise signal in the channel. That is, assuming that signal A is the signal to be sent to user A, and signal B is the signal to be sent to user B, signal A is first processed from an appropriate relationship with signal B, and a signal like noise (A' ), add signal B and transmit it to the channel. User B, who receives this signal, regards both the noise from the channel and the processed signal (A') as noise in the original signal B and decodes it, then user A completely recovers the signal A from the processed noise (A'). Can be produced, and this is called dirty paper coding.

이러한 DPC 기술은 셀룰러(Cellular) 이동전화망과 같은 싱글홉(Single-hop) 무선망에서의 MIMO(Multi-Input Multi-Output) 다중안테나 활용 기술로서 개발되었다.This DPC technology has been developed as a technology for utilizing a multi-input multi-output (MIMO) multi-antenna in a single-hop wireless network such as a cellular mobile telephone network.

그러나 현재의 무선망은 셀룰러 또는 와이파이(WiFi)등과 같이 싱글홉 형태의 무선망이 주류를 이루고 있으나 4G, 와이브로, 메쉬등 차세대 무선망은 멀티홉(Multi-hop) 형태의 망 구성이 필수화되어 가고 있다. However, in the current wireless networks, single-hop type wireless networks such as cellular or Wi-Fi are the mainstream, but next-generation wireless networks such as 4G, WiBro, and mesh require multi-hop type network configuration. have.

이러한 멀티홉 릴레이 방식의 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.In this multi-hop relay type WPCN, a technology in which a wireless communication node simultaneously transmits power and information is called simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT). R&D is underway to implement WPCN, WPT and SWIPT systems and exploit the potential benefits of these systems.

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.Recently, the idea of SWIPT has been extended to non-regenerative and regenerative relay systems. In the case of a non-renewable relay system, each relay delivers the received signal as it is without decoding it. In the case of a regeneration relay system, each relay first decodes the received signal and generates a transmission signal based on the decoded message.

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 기반 한 릴레이 규약이 특별히 연구되고 있다.Research on the cooperation of non-regenerative and regenerative relay systems is focused on the amplify-and-forward (AF) and decode-and-forward (DF) protocols. For AF and DF systems, relay protocols based on time switching (TS) and power splitting (PS) are specially studied.

M. Mao, N. Cao, Y. Chen, and Y. Zhou, "Multi-hop relaying using energy harvesting," IEEE Wireless Commun. Letters, vol. 4, pp. 565-568, Oct. 2015. M. Mao, N. Cao, Y. Chen, and Y. Zhou, "Multi-hop relaying using energy harvesting," IEEE Wireless Commun. Letters, vol. 4, pp. 565-568, Oct. 2015. L. Liu, R. Zhang, and K.-C. Chua, "Wireless information and power transfer: A dynamic power splitting approach," IEEE Trans. on Commun.,vol. 61, pp. 3990-4001, Sep. 2013. L. Liu, R. Zhang, and K.-C. Chua, "Wireless information and power transfer: A dynamic power splitting approach," IEEE Trans. on Commun., vol. 61, pp. 3990-4001, Sep. 2013. H. Lee, K.-J. Lee, H. Kim, and I. Lee, "Wireless information and power exchange for energy-constrained device-to-device communications,"IEEE Internet of Things J., vol. 5, pp. 3175-3185, Aug. 2018. H. Lee, K.-J. Lee, H. Kim, and I. Lee, "Wireless information and power exchange for energy-constrained device-to-device communications," IEEE Internet of Things J., vol. 5, pp. 3175-3185, Aug. 2018. R. Zhang and C. K. Ho, "MIMO broadcasting for simultaneous wireless information and power transfer," IEEE Trans. on Wireless Commun.,vol. 12, pp. 1989-2001, May 2013. R. Zhang and C. K. Ho, "MIMO broadcasting for simultaneous wireless information and power transfer," IEEE Trans. on Wireless Commun., vol. 12, pp. 1989-2001, May 2013.

이에 본 발명은, 소스송신전력을 최소화할 수 있고 시스템 레이트를 최대화할 수 있는 릴레이 노드의 수를 추정함에 따라, 양호한 SNR 및 채널 용량을 얻을 수 있고, 이에 시스템 성능을 향상시킬 수 있는 멀티 홉 릴레이 방식의 무선 전력 통신 시스템 및 방법을 제공하고자 하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, in the present invention, by estimating the number of relay nodes capable of minimizing source transmission power and maximizing system rate, good SNR and channel capacity can be obtained, and thus, a multi-hop relay capable of improving system performance. It is an object of the present invention to provide a wireless power communication system and method.

일 실시 예의 양태에 따르면, 일 실시 예의 밀티홉 릴레이 방식의 무선 전력 통신 시스템은, According to an aspect of an embodiment, the wireless power communication system of the Milty-Hop relay method of an embodiment,

소스 노드, 멀티홉 방식으로 전력 및 정보를 동시에 빔포밍을 수행하는 다수의 릴레이 노드, 및 목적지 노드를 포함하는 멀티 홉 중계 방식의 무선 전력 전송 시스템에 있어서,In a multi-hop relay type wireless power transmission system including a source node, a plurality of relay nodes performing beamforming of power and information simultaneously in a multi-hop method, and a destination node,

상기 릴레이 노드는,The relay node,

소스 노드의 RF 신호를 송신하는 수신부; A receiver for transmitting the RF signal of the source node;

상기 RF 신호에 대해 최소 소스송신전력과 최대 시스템 레이트를 가지는 최대 릴레이 노드의 수를 도출하고 수신된 RF 신호에서 에너지 하베스트(EH) 및 정보 디코딩(ID)에 대한 전력분할 비율(PS ratio)로 토대로 상기 전력 및 정보를 분할하는 제어부; 및Derive the maximum number of relay nodes having the minimum source transmission power and maximum system rate for the RF signal, and based on the power split ratio (PS ratio) for energy harvest (EH) and information decoding (ID) from the received RF signal. A control unit for dividing the power and information; And

상기 제어부의 분할된 전력 및 정보를 다수의 릴레이 노드로 순차 빔포밍하는 송신부를 포함하는 송신부를 포함하고,A transmission unit including a transmission unit sequentially beamforming the divided power and information of the control unit to a plurality of relay nodes,

다수의 릴레이 노드는 도출된 최대 릴레이 노드의 수인 것을 일 특징으로 할 수 있다.The plurality of relay nodes may be characterized in that the derived maximum number of relay nodes.

바람직하게 상기 제어부는,Preferably the control unit,

전력분할비율에 대한 소스송신전력의 최소화 문제의 해로 최적 소스송신전력와 최적 전력분할비율을 도출하고,As a solution to the problem of minimizing the source transmission power to the power split ratio, the optimum source transmission power and the optimum power split ratio are derived,

도출된 최적 전력분할비율에 대해 시스템 레이트의 최대화 문제의 해로 최적 시스템 레이트를 도출하며,For the derived optimal power split ratio, the optimal system rate is derived as a solution to the system rate maximization problem,

도출된 최적 소스송신전력으로부터 최적 시스템 레이트에 도달하기 위한 최대 릴레이 노드의 수를 도출하도록 구비될 수 있다.It may be provided to derive the maximum number of relay nodes for reaching the optimum system rate from the derived optimum source transmission power.

바람직하게 상기 최적 소스송신전력은,Preferably, the optimum source transmission power is,

소스송신전력의 최소화 문제의 해가 비볼록이므로, 등가 볼록 문제로 재구성하고 재구성된 등가 볼록 문제의 해를 도출하며, 재구성된 등가 볼록 문제의 해에 대해 라그랑지안 및 KKT 조건을 통해 최적 소스송신전력을 도출하도록 구비될 수 있으며, 상기 최적 소스송신전력은,Since the solution of the source transmission power minimization problem is non-convex, it is reconstructed as an equivalent convex problem, and a solution to the reconstructed equivalent convex problem is derived, and the optimal source transmission power is determined through Lagrangian and KKT conditions for the solution of the reconstructed equivalent convex problem. It may be provided to derive, and the optimum source transmission power is,

각 릴레이 노드로부터 도출된 노이즈 분산, 에너지 하베스트 효율, SNR, 채널 정보, 및 전력분할비율을 토대로 정해진 하기 관계식 1로 도출될 수 있다.It can be derived by the following relational equation 1 determined based on noise dispersion, energy harvest efficiency, SNR, channel information, and power split ratio derived from each relay node.

[관계식 1][Relationship 1]

여기서,

는 노이즈 분산,

는 에너지 하베스트 효율,

이며,

는 SNR 이고,

는 채널 정보이다.here,

Is the noise dispersion,

Is the energy harvesting efficiency,

Is,

Is SNR,

Is the channel information.

바람직하게 상기 최적 전력분할비율은Preferably, the optimal power split ratio is

각 릴레이 노드의 전력분할비율, 에너저 하베스트 효율, 및 채널 정보를 기반으로 설정된 관계식 2로부터 도출될 수 있다.It can be derived from the relational equation 2 set based on the power split ratio, energy harvest efficiency, and channel information of each relay node.

[관계식 2][Relationship 2]

여기서

는 전력분할비율이다.here

Is the power split ratio.

바람직하게 상기 최적 시스템 레이트는,Preferably the optimal system rate is,

소스송신전력, 노이즈 분산, 전력분할비율, 채널 정보를 토대로 설정된 관계식 3을 토대로 도출될 수 있다.It can be derived based on relational equation 3 set based on source transmission power, noise dispersion, power split ratio, and channel information.

[관계식 3][Relationship 3]

여기서,

는 소스송신전력,

는 노이즈 분산,

는 에너지 하베스트 효율,

,

는 채널 정보이다.here,

Is the source transmit power,

Is the noise dispersion,

Is the energy harvesting efficiency,

,

Is the channel information.

바람직하게 상기 최대 릴레이 노드의 수는,Preferably, the maximum number of relay nodes is,

소스송신전력량, 노이즈 분산, SNR, 에러지 하베스트 효율, 및 채널 정보를 기반으로 설정된 관계식 4에 의거 추정될 수 있다.The source transmission power amount, noise variance, SNR, error margin harvest efficiency, and channel information can be estimated based on the set relational equation 4 based on the set.

[관계식 4][Relationship 4]

여기서,

는 소스송신전력량이다.here,

Is the amount of source transmitted power.

일 실시 예의 다른 양태에 의하면, 일 실시 예의 멀티 홉 중계 방식의 무선 전력 전송 방법은,According to another aspect of an embodiment, the wireless power transmission method of the multi-hop relay method according to the embodiment,

소스 노드, 멀티홉 방식으로 전력 및 정보를 동시에 빔포밍을 수행하는 다수의 릴레이 노드, 및 목적지 노드를 포함하는 멀티 홉 중계 방식의 무선 전력 전송 방법에 있어서,In a wireless power transmission method of a multi-hop relay method including a source node, a plurality of relay nodes performing beamforming of power and information simultaneously in a multi-hop method, and a destination node,

전력분할비율에 대한 소스송신전력의 최소화 문제의 해로 최적 소스송신전력와 최적 전력분할비율을 도출하는 단계;Deriving an optimum source transmission power and an optimum power split ratio as a solution to the problem of minimizing the source transmission power to the power split ratio;

도출된 최적 전력분할비율에 대해 시스템 레이트의 최대화 문제의 해로 최적 시스템 레이트를 도출하는 단계; 및Deriving an optimal system rate as a solution to a system rate maximization problem for the derived optimal power split ratio; And

도출된 최적 소스송신전력으로부터 최적 시스템 레이트에 도달하기 위한 최대 릴레이 노드의 수를 추정하도록 구비될 수 있다. It may be provided to estimate the maximum number of relay nodes for reaching the optimum system rate from the derived optimum source transmission power.

소스송신전력의 최소화 문제의 해가 비볼록이므로, 등가 블록 문제로 재구성하고 재구성된 등가 볼록 문제의 해를 도출하며, 재구성된 등가 볼록 문제에 대해 라그랑지안 및 KKT 조건을 통해 도출되도록 구비될 수 있다.Since the solution of the source transmission power minimization problem is non-convex, it can be reconfigured into an equivalent block problem and derived from the reconstructed equivalent convex problem, and the reconstructed equivalent convex problem can be derived through Lagrangian and KKT conditions.

각 릴레이 노드로부터 도출된 노이즈 분산, 에너지 하베스트 효율, SNR, 채널 정보, 및 전력분할비율을 토대로 정해진 하기 관계식 11로 도출될 수 있다.It can be derived from the following relational equation 11 determined based on noise dispersion, energy harvest efficiency, SNR, channel information, and power split ratio derived from each relay node.

[관계식 11][Relationship 11]

여기서,

는 노이즈 분산,

는 에너지 하베스트 효율,

이며,

는 SNR 이고,

는 채널 정보이다.here,

Is the noise dispersion,

Is the energy harvesting efficiency,

Is,

Is SNR,

Is the channel information.

각 릴레이 노드의 전력분할비율, 에너저 하베스트 효율, 및 채널 정보를 기반으로 설정된 관계식 12로부터 도출될 수 있다.It can be derived from the relational equation 12 set based on the power split ratio, energy harvest efficiency, and channel information of each relay node.

[관계식 12][Relationship 12]

여기서

는 전력분할비율이다.here

Is the power split ratio.

바람직하게 상기 최적 시스템 썸레이트는,Preferably the optimal system thumb rate,

소스송신전력, 노이즈 분산, 전력분할비율, 채널 정보를 토대로 설정된 관계식 13을 토대로 도출할 수 있다.It can be derived based on the relational equation 13 set based on source transmission power, noise dispersion, power split ratio, and channel information.

[관계식 13][Relationship 13]

여기서,

는 소스송신전력,

는 노이즈 분산,

는 에너지 하베스트 효율,

,

는 채널 정보이다.here,

Is the source transmit power,

Is the noise dispersion,

Is the energy harvesting efficiency,

,

Is the channel information.

소스송신전력량, 노이즈 분산, SNR, 에러지 하베스트 효율, 및 채널 정보를 기반으로 설정된 관계식 14에 의거 추정될 수 있다.The source transmission power amount, noise variance, SNR, error area harvest efficiency, and channel information may be estimated based on the set relational equation 14.

[관계식 14][Relationship 14]

여기서,

는 소스송신전력량이다.here,

Is the amount of source transmitted power.

본 발명에 따르면 멀티 홉 릴레이 방식으로 전력 및 정보 동시전송 빔포밍을 수행함에 있어, 전력분할비율에 대한 소스송신전력이 최소화되고 최적 전력분할비율에 대한 시스템의 레이트가 최대화되는 릴레이 노드의 수를 추정함에 따라, 양호한 SNR 및 채널 용량을 획득할 수 있고, 이에 시스템 성능을 향상시킬 수 있다.According to the present invention, in performing beamforming for simultaneous transmission of power and information in a multi-hop relay method, the number of relay nodes at which the source transmission power to the power split ratio is minimized and the system rate for the optimal power split ratio is maximized is estimated. Accordingly, good SNR and channel capacity can be obtained, and system performance can be improved.

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 실시 예의 멀티홉 릴레이 방식을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 본 실시 예의 최적 시스템 레이트를 설명하기 위한 그래프들이다.
도 3은 본 실시 예의 각 릴레이 노드 하베스트 에너지를 보인 예시도들이다.
도 4는 본 실시 예의 릴레이 노드와 시스템 SNR을 보인 그래프들이다.
도 5는 본 실시 예의 SNR 대비 평균 최소 소스송신전력을 보인 그래프
도 6은 본 실시 예의 노드간의 거리대 최소 소스송신전력 그래프이다.
도 7은 본 실시 예의 릴레이 노드 수 대 소스송신전력 그래프이다.
도 8은 본 실시 예의 목표 시스템 레이트 대 소스송신전력 그래프이다.
도 9는 본 실시 예의 소스송신전력증가에 대한 시스템 처리량 그래프이다.
도 10은 본 실시 예의 릴레이 노드의 수 대 목표 시스템 레이트 그래프이다.
도 11은 본 실시 예의 거리 대비 평균 시스템 레이트 그래프이다.The following drawings appended in the present specification illustrate preferred embodiments of the present invention, and serve to further understand the technical idea of the present invention together with the detailed description of the present invention to be described later, so the present invention is described in such drawings. It is limited only to and should not be interpreted.
1 is a conceptual diagram illustrating a multi-hop relay method according to the present embodiment.
2 are graphs for explaining an optimal system rate according to the present embodiment.
3 is an exemplary diagram showing harvest energy of each relay node according to the present embodiment.
4 are graphs showing a relay node and a system SNR according to the present embodiment.
5 is a graph showing the average minimum source transmission power compared to the SNR of this embodiment
6 is a graph of a minimum source transmission power versus a distance between nodes in this embodiment.
7 is a graph of the number of relay nodes versus source transmission power in this embodiment.
8 is a graph of a target system rate versus source transmission power in this embodiment.
9 is a graph of system throughput for an increase in source transmission power according to the present embodiment.
10 is a graph of the number of relay nodes versus target system rate in this embodiment.
11 is a graph of an average system rate versus distance in the present embodiment.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Advantages and features of the present invention, and a method of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described later together with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in a variety of different forms, and only these embodiments make the disclosure of the present invention complete, and are common knowledge in the technical field to which the present invention pertains. It is provided to completely inform the scope of the invention to those who have, and the invention is only defined by the scope of the claims.

본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.The terms used in the present specification will be briefly described, and the present invention will be described in detail.

본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.The terms used in the present invention have been selected from general terms that are currently widely used while considering functions in the present invention, but this may vary depending on the intention or precedent of a technician working in the field, the emergence of new technologies, and the like. In addition, in certain cases, there are terms arbitrarily selected by the applicant, and in this case, the meaning of the terms will be described in detail in the description of the corresponding invention. Therefore, the terms used in the present invention should be defined based on the meaning of the term and the overall contents of the present invention, not a simple name of the term.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에서 사용되는 "부"라는 용어는 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, "부"는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 "부"는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. "부"는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다.When a part of the specification is said to "include" a certain component, it means that other components may be further included rather than excluding other components unless otherwise stated. In addition, the term "unit" used in the specification refers to a hardware component such as software, FPGA, or ASIC, and "unit" performs certain roles. However, "unit" is not meant to be limited to software or hardware. The “unit” may be configured to be in an addressable storage medium or may be configured to reproduce one or more processors.

따라서, 일 예로서 "부"는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 "부"들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 "부"들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 "부"들로 더 분리될 수 있다.Thus, as an example, "unit" refers to components such as software components, object-oriented software components, class components, and task components, processes, functions, properties, procedures, Includes subroutines, segments of program code, drivers, firmware, microcode, circuitry, data, database, data structures, tables, arrays and variables. The functions provided within the components and "units" may be combined into a smaller number of components and "units" or may be further separated into additional components and "units".

아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art may easily implement the present invention. In the drawings, parts not related to the description are omitted in order to clearly describe the present invention.

본 발명의 실시 예에서 시스템 레이트는 설명 상의 편의를 위해 시스템의 전송률로 혼용하여 설명할 수 있고, 채널 용량을 목표 레이트로 혼용하여 설명할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the system rate may be described by mixing the system rate for convenience of description, and the channel capacity may be mixed with the target rate.

도 1은 본 실시 예의 멀티 홉 릴레이 방식의 무선 전력 통신 시스템을 나타내는 개념도이다. 도 1을 참조하면, 소스 노드(110), 멀티 홉 DF SWIPT 릴레이 노드(120, 이하 릴레이 노드로 약칭함)와, 목적지 노드(130)로 구성된다. 1 is a conceptual diagram showing a multi-hop relay wireless power communication system according to the present embodiment. Referring to FIG. 1, a source node 110, a multi-hop DF SWIPT relay node 120 (hereinafter abbreviated as a relay node), and a destination node 130 are configured.

도 1을 참조하면, 소스 노드(110) 및 목적지 노드(130)는 자체 에너지 원을 보유하고 있고, 각 릴레이 노드(120)는 슈퍼 캐패시터와 무선 신호(RF)에서 정보 디코딩 및 에너지 하베스트(EH)를 동시에 빔포밍하도록 구비될 수 있다. 또한 소스 노드(110)와 목적지 모드(130) 간의 직접적인 연결은 없다고 가정한다.Referring to FIG. 1, the source node 110 and the destination node 130 have their own energy sources, and each relay node 120 decodes information from a super capacitor and a radio signal (RF) and harvests energy (EH). It may be provided to beamforming at the same time. In addition, it is assumed that there is no direct connection between the source node 110 and the destination mode 130.

여기서, 각

릴레이 노드(120)는 수신부(121), 제어부(123), 및 송신부(125)을 포함한다.Where, each

The relay node 120 includes a receiving unit 121, a control unit 123, and a transmitting unit 125.

이에 소스 노드(110)로부터 전송된 RF 신호는 k 릴레이 노드(120)의 수신부(121)로 수신된다. 수신된 RF 신호는 안테나 노이즈와 결합하여 제어부(123)로 전달되고, k 릴레이 노드(120)는 전송받은 신호를 다음 k+1 릴레이 노드(120)로 전송하기 위해 전송 받은 RF 신호에서 전력을 하베스트한다.Accordingly, the RF signal transmitted from the source node 110 is received by the receiving unit 121 of the k relay node 120. The received RF signal is combined with antenna noise and transmitted to the controller 123, and the k relay node 120 transmits the received signal to the next k+1 relay node 120. Harvests power from the transmitted RF signal.

즉, 각 릴레이 노드(120)는 슈퍼 캐패시터를 이용하여 이전 릴레이 노드(120)로부터 수신부(121)에 의거 전달받은 정보를 해독한 다음 릴레이 노드(120)로 재전송하기 위해 하베스트된 전력을 소비하여야 한다.That is, each relay node 120 must use a super capacitor to decode the information received from the previous relay node 120 according to the reception unit 121 and then consume the harvested power to retransmit it to the relay node 120. .

또한 릴레이 노드(120)는 DF(Decoding and Forward) 방식의 전력 및 정보 동시 전송 빔포밍을 수행하기 위해 전력분할비율을 통해 RF 신호에서 전력을 하베스트해야 한다. In addition, the relay node 120 needs to harvest power from the RF signal through a power split ratio in order to perform simultaneous transmission of power and information beamforming in a DF (Decoding and Forward) method.

수신된 k 릴레이 노드의 RF 신호는 다음 수학 식 1로 주어진다.The received RF signal of the k relay node is given by Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

여기서,

는 이전 릴레이 노드 k-1 와 릴레이 노드 k 사이의 채널 계수이고,

는 릴레이 노드 k 의 안테나 노이즈이며,

는 이전 릴레이 노드 k-1 로부터 정보 신호이다. here,

Is the channel coefficient between the previous relay node k-1 and relay node k ,

Is the antenna noise of relay node k ,

Is an information signal from the previous relay node k-1 .

는 소스 노드(110) 이후의 모든 소스 노드의 총 수로 정의된다(즉, 릴레이 노드 및 목적지 노드의 총 수이다).

Is defined as the total number of all source nodes after the source node 110 (that is, the total number of relay nodes and destination nodes).

제어부(123)에서 k 릴레이 노드에서 수신된 RF 신호는 에너지 하베스트(EH) 및 정보 디코딩(ID)에 대한 전력분할 비율(PS ratio) r 로 토대로 분할된다.The RF signal received from the k relay node in the control unit 123 is divided based on a power split ratio r for energy harvesting (EH) and information decoding (ID).

여기서, 릴레이 노드 k 에서의 에너지 하베스 EH의 수신 신호 및 정보 디코더 ID의 수신 신호 각각은 다음 수학 식 2 및 3으로 나타낸다.Here, each of the received signal of the energy harvest EH and the received signal of the information decoder ID in the relay node k is represented by the following equations 2 and 3.

[수학식 2][Equation 2]

[수학식 3][Equation 3]

여기서,

는 릴레이 노드의 정보 디코더에서 유도된 부가 노이즈이다.here,

Is the additional noise induced in the information decoder of the relay node.

수학식 2) 및 3)으로부터 릴레이 노드 k 에서 하베스트된 에너지

는 다음 수학식 4를 만족한다.Energy harvested at relay node k from equations 2) and 3)

Satisfies Equation 4 below.

[수학식 4][Equation 4]

여기서,

는 릴레이 노드 k 에서의 에너지 하베스트 효율이고,

는 소스 노드(100)의 소스송신전력이고,

는 랜덤 변수 X 에 대한 기대 연산이며, 목표 레이트

는 다음 수학식 5를 만족한다.here,

Is the energy harvesting efficiency at relay node k ,

Is the source transmission power of the source node 100,

Is the expected operation for the random variable X , and the target rate

Satisfies Equation 5 below.

[수학식 5][Equation 5]

여기서, 비특허문헌 1 내지 3에 의거 정보 디코더 ID의 잡음 전력에 비해 안테나 노이즈는 무시할 정도로 작은 값이므로 수학식 5에서

이다.Here, the antenna noise is a negligibly small value compared to the noise power of the information decoder ID according to non-patent documents 1 to 3, so in Equation 5

to be.

이에 제어부(123)는 전력분할비율에 대해 소스송신전력과 시스템 레이트를 통합 최적하여야 한다. 이에 우선 멀티 홉 릴레이 노드 각각에 대해 신호 대 잡음 비(SNR) 제약 하에서 소스송신전력

는 최소화되어야 하고 소스송신전력

의 최소화 문제는 수학식 6을 만족한다. Accordingly, the control unit 123 must integrate and optimize the source transmission power and the system rate with respect to the power split ratio. First of all, the source transmit power under signal-to-noise ratio (SNR) constraints for each multi-hop relay node.

Should be minimized and the source transmit power

The minimization problem of satisfies Equation 6.

[수학식 6][Equation 6]

여기서,

는 소스 노드에서 목적지까지 신뢰할 수 있는 데이터 전송을 위한 SNR 제약 조건이다. here,

Is an SNR constraint for reliable data transmission from the source node to the destination.

제어부(123)에서 모든 시스템의 목표 레이트 R 는 각 릴레이 노드의 레이트에 대한 최대화로 설정되므로, 이에 시스템의 목표 레이트 R 대한 최대화 문제는 다음 수학식 7을 만족한다.In the control unit 123, since the target rate R of all systems is set to maximize the rate of each relay node, The maximization problem for the target rate R of the system satisfies the following equation (7).

[수학식 7][Equation 7]

여기서

이다. here

to be.

이에 제어부(123)는 전력분할비율

및 소스송신전력

의 통합 최적화를 수행하기 위해, 각각의 소스송신전력

및 전력분할비율

에 대해 최적화되어야 한다. 수학식 6의 소스송신전력의 최소화 문제는 비볼록(non-convex) 이므로 4개의 새로운 변수 정의를 도입하여 등가 볼록 문제로 재구성되고, 재구성된 등가 볼록 문제는 다음 수학식 8로 표현된다.Accordingly, the control unit 123

And source transmission power

In order to perform the integration optimization of each source, transmit power

And power split ratio

Should be optimized for Since the source transmission power minimization problem of Equation 6 is non-convex, four new variable definitions are introduced and reconfigured into an equivalent convex problem, and the reconstructed equivalent convex problem is expressed by the following Equation 8.

[수학식 8][Equation 8]

여기서, 4개의 새로운 변수 정의는

,

, 및

이다. 첫번째 제약이

를 만족하는 경우 두번째 제약이 만족되므로, 두번째 제약

는 제거된다. Here, the four new variable definitions

,

, And

to be. The first constraint

If is satisfied, the second constraint is satisfied, so the second constraint

Is removed.

이에 수학식 8의 소스송신전력에 대한 라그랑지안(Lagrangian)은 다음 수학식 9로 나타낼 수 있다. Accordingly, Lagrangian for the source transmission power of Equation 8 can be expressed by Equation 9 below.

[수학식 9][Equation 9]

그리고 KKT 조건(Karush-Kuhn-Tucker condition)은 다음 수학식 10 및 11로 표현된다.And the KKT condition (Karush-Kuhn-Tucker condition) is expressed by the following Equations 10 and 11.

[수학식 10][Equation 10]

[수학식 11][Equation 11]

여기서,

는

와

각각에 해당되는 듀얼 변수이다. 그리고

이면, 소스송신전력에 대한 라그랑지안의

은

로 주어지고 듀얼 함수는 무한(unbounded)이다. 또한

이면

이므로 무한 듀얼 함수는 다시 산출된다.here,

Is

Wow

It is a dual variable corresponding to each. And

If this is, Lagrangian's

silver

And the dual function is unbounded. Also

Back side

So the infinite dual function is recalculated.

그러므로,

추론을 적용하면 KKT 조건은 다음 수학식 12 내지 14와 같이 정리된다.therefore,

When inference is applied, the KKT condition is summarized as in Equations 12 to 14 below.

[수학식 12][Equation 12]

[수학식 13][Equation 13]

[수학식 14][Equation 14]

전술한 수학식 12로부터 최적 소스송신전력

은 다음 수학식 15로부터 획득된다.Optimal source transmission power from Equation 12

Is obtained from the following equation (15).

[수학식 15][Equation 15]

그리고 상보 여분 조건(complementary slackness condition)으로부터 두 케이스는 다음 수학식 16과 같이 나타낸다.And from the complementary slackness condition, the two cases are represented by Equation 16 below.

[수학식 16][Equation 16]

케이스 1의 경우,

이고,

이다. 임의로 주어진 SNR

으로 수학식 8의 문제의 해를 풀 수 없다.For case 1,

ego,

to be. Randomly given SNR

The solution to the problem of Equation 8 cannot be solved with

따라서,

에 대해,

는 항상 양수이다.

를 만족하므로, 모든 최적 이중 변수들은 양수 있거나 같다. therefore,

About,

Is always positive.

Is satisfied, all optimal double variables are positive or equal.

이에 수학식 13 및 14의 상보 여분 조건은 다음 수학식 17과 같다.Accordingly, the complementary redundant conditions of Equations 13 and 14 are as shown in Equation 17 below.

[수학식 17][Equation 17]

여기서,

이므로, 최적 이중 변수

는 다음 수학식 18로 주어진다.here,

So, the optimal double variable

Is given by the following equation (18).

[수학식 18][Equation 18]

수학식 18은 수학식 11로부터 획득할 수 있다. 그리고 수학식 15에 수학식 18을 대신하면, 최적 소스송신전력

는 다음 수학식 19와 같다.Equation 18 may be obtained from Equation 11. And if Equation 18 is substituted for Equation 15, the optimum source transmission power

Is as in Equation 19 below.

[수학식 19][Equation 19]

그리고, 최적 소스송신전력

를 수학식 (6)의 첫번째 제한에 삽입하면, 동등한 전력분할비율

로 최적 전력분할비율

는 다음 수학식 20와 같다.And, the optimum source transmission power

Inserting into the first limit of Equation (6), the equivalent power split ratio

Optimal power split ratio

Is as shown in Equation 20 below.

[수학식 20][Equation 20]

따라서, 수학식 6의 소스송신전력

에 대한 최적 소스송신전력

및 최적 전력분할비율

는 각각 다음과 같이 유도된다.Therefore, the source transmission power of Equation 6

Source transmit power for

And optimal power split ratio

Are each derived as follows.

,

결국, 최적의 소스송신전력 및 최적 전력분할비율에 대한 해로부터, 최적 소스송신전력

는 에너지 하베스트 효율, 노이즈, 에너지 효율, 및 SNR

에 종속되고, 각 릴레이 노드의 전력분할비율은 최적의 소스송신전력에 의해 결정될 수 있다. 즉, 최적 소스송신전력은

는 각 릴레이 노드의 최적 전력분할비율

에 영향을 미치지 아니한다.In the end, from the solution to the optimal source transmit power and the optimal power split ratio, the optimal source transmit power

Is the energy harvesting efficiency, noise, energy efficiency, and SNR

And the power split ratio of each relay node can be determined by the optimal source transmission power. In other words, the optimum source transmit power is

Is the optimal power distribution ratio of each relay node

Does not affect

이에 최적 소스송신전력

은 각 릴레이 노드의 전송 SNR 의 합

에 비례한다. 즉, 비례 상수

에 대해,

이다.This is the optimum source transmission power

Is the sum of the transmitted SNR of each relay node

Is proportional to That is, the proportional constant

About,

to be.

또한, 일 실시 예는 DF SWIPT 시스템의 릴레이 노드 수가 증가될 때, 통신을 지원하는데 필요한 최소 소스송신전력이 증가됨을 추론할 수 있다.In addition, according to an embodiment, when the number of relay nodes in the DF SWIPT system increases, it can be inferred that the minimum source transmission power required to support communication increases.

예를 들어,

이 동일하다고 가정하면, 즉, 각 릴레이 노드가 같은 채널 특성, 에너지 하베스트 효율, 노이즈 분산을 가진다고 가정하면, 최적 소스송신전력

는

이 된다. 이에 릴레이 노드의 수 N 이 증가함에 따라,

이고

을 만족하므로,

는 1보다 더 감소한다. 여기서, a 는 경로 손실이다.E.g,

Assuming that is the same, that is, assuming that each relay node has the same channel characteristics, energy harvest efficiency, and noise variance, the optimum source transmit power

Is

Becomes. Accordingly, as the number of relay nodes N increases,

ego

Is satisfied,

Decreases more than 1. Where a is the path loss.

따라서, 노드의 수가 증가될수록 최적 소스송신전력

는 기하 급수적으로 증가한다.Therefore, as the number of nodes increases, the optimum source transmit power

Increases exponentially.

또한 일 실시 예는 현재 릴레이 노드의 최적 전력분할비율

에 대한 수학식 20을 통해 최적 전력분할비율

는 이전 릴레이 노드의 전력분할비율

j=1, 2, .. k-1 의 곱에 종속이고 최적 소스송신전력

에 독립적임을 알 수 있다.In addition, an embodiment is the optimal power share ratio of the current relay node

Optimal power split ratio through Equation 20 for

Is the power split ratio of the previous relay node

j=1, 2, .. Dependent on the product of k-1 and optimal source transmit power

It can be seen that it is independent of

한편,

이므로, 현재 릴레이 노드는 이전 릴레이 노드 보다 작은 에너지를 수집하지만 더 많은 정보 신호를 디코딩한다. Meanwhile,

Therefore, the current relay node collects less energy than the previous relay node, but decodes more information signals.

시스템 레이트에 대한 최적화 문제는 DF SWIPT 릴레이 프로토콜에 의거 다음 수학식 21로 공식화한다.The system rate optimization problem is formulated by Equation 21 below based on the DF SWIPT relay protocol.

[수학식 21][Equation 21]

또한 수학식 21은 다음 수학식 22로 재구성할 수 있다.In addition, Equation 21 can be reconstructed as the following Equation 22.

[수학식 22][Equation 22]

여기서,

는 릴레이 노드 k의 SNR 이다. 그리고 새로운 시스템 SNR 제약 변수

를 도입하면, 수학식 22의 시스템 레이트에 대한 최적화 문제는 수학식 23으로 재구성된다.here,

Is the SNR of relay node k . And the new system SNR constraint variable

When is introduced, the optimization problem for the system rate of Equation 22 is reconstructed as Equation 23.

[수학식 23][Equation 23]

수학식 23과 두번째 제약으로부터 시스템 레이트

최대화 문제의 해는 시스템의 최소 채널 용량을 추론할 수 있다.System rate from Equation 23 and the second constraint

The solution to the maximization problem can infer the minimum channel capacity of the system.

따라서, 일 실시 예는 수학식 23의 해를 통해 각 홉의 레이트가

보다 작지 아니한 (즉,

) 최적 전력분할비율

의 해를 얻을 수 있다.Therefore, in an embodiment, the rate of each hop is

Not less than (i.e.

) Optimal power split ratio

Can be harmed.

즉, 변수

으로 변동될 때, 수학식 23의 비볼록(non convex) 문제는 다음 수학식 24)의 등가 볼록 공식으로부터 변환할 수 있다. I.e. variable

When it is changed to, the non-convex problem of Equation 23 can be converted from the equivalent convex formula of Equation 24) below.

[수학식 24][Equation 24]

수학식 24의 첫번째 및 두번째 제약은 수학식 8의 제약과 유사하다. 따라서, 수학식 24에서 두번째 제약 조건도 무시할 수 있고, 이에 수학식 24의 최적 시스템 레이트

를 위한 라그랑지안은 다음 수학식 25로 표현된다.The first and second constraints of Equation 24 are similar to those of Equation 8. Therefore, the second constraint in Equation 24 can also be ignored, and thus the optimal system rate of Equation 24

Lagrangian for is expressed by Equation 25 below.

[수학식 24][Equation 24]

여기서 KKT 조건은 수학식 26 내지 28로 주어진다.Here, the KKT condition is given by Equations 26 to 28.

[수학식 26][Equation 26]

[수학식 27][Equation 27]

[수학식 28][Equation 28]

수학식 27을 사용하면

과

를 만족한다.Using Equation 27

and

Is satisfied.

이러한 추론을 토대로 상기 나머지 KKT 조건은 다음 수학식 29 내지 31와 같이 수정된다.Based on this inference, the remaining KKT conditions are modified as shown in Equations 29 to 31 below.

[수학식 29][Equation 29]

[수학식 30][Equation 30]

[수학식 31][Equation 31]

최적 이중 변수

는 수학식 32로부터 유도된다.Optimal double variable

Is derived from Equation 32.

[수학식 32][Equation 32]

여기서,

를 알면, 모든 최적 이중 변수는 수학식 32를 토대로 음수이다. 또한 수학식 32를 수학식 30에 대입하면 최적 시스템 전송률

는 다음 수학식 33 및 34로 도출된다.here,

Knowing, all optimal double variables are negative based on Equation 32. In addition, if Equation 32 is substituted into Equation 30, the optimal system transmission rate

Is derived by the following equations 33 and 34.

[수학식 33][Equation 33]

[수학식 34][Equation 34]

이므로, 최적 시스템 레이트

는 다음 수학식 35로 표현된다.

So, the optimal system rate

Is expressed by the following Equation 35.

[수학식 35][Equation 35]

수학식 24로부터 최적 전력분할비율

는 다음 수학식 36으로 나타낼 수 있다.Optimal power division ratio from Equation 24

Can be represented by Equation 36 below.

[수학식 35][Equation 35]

여기서 첫번째 제약 조건에 최적 시스템 레이트

가 적용되고 최적 전력분할비율

가 동일하다. Where the optimal system rate for the first constraint

Is applied and the optimum power split ratio

Is the same.

이에 일 실시 예는 최적 시스템 레이트에 대한 목표 레이트

는 DF SWIPT 시스템은

로 표현되고 여기서,

로 나타내며, 최적 전력분할비율

는 다음과 같이 추론될 수 있다.Accordingly, one embodiment is the target rate for the optimal system rate

The DF SWIPT system

And where,

Expressed as, the optimal power split ratio

Can be inferred as follows.

도 2는 최적 시스템 레이트

의 설명하기 위한 그래프로서, (a)는 각 릴레이 노드에서 목적지 노드 각각의 목표 레이트를 보인 도면이고 (b)는 최소 레이트의 전력 분할 비율이 최적화되고 오름차순으로 재 배열된 노드 레이트의 상태를 보인 도면이며, (c)는 동일 레이트에 도달할 때까지의 전력분할비율을 토대로 개별 레이트가 조정된 제1 및 제2 노드를 보인 도면이고, (d)는 대부분의 시스템이 최적 시스템 레이트에 도달할 때 가지의 전력분할비율을 기초로 조정된 성공한 노드 레이트를 보인 도면이다.Figure 2 is the optimal system rate

As a graph for explaining, (a) is a diagram showing the target rate of each destination node in each relay node, and (b) is a diagram showing the state of the node rate rearranged in ascending order with the power split ratio of the minimum rate optimized And (c) is a diagram showing the first and second nodes whose individual rates are adjusted based on the power split ratio until reaching the same rate, and (d) is when most systems reach the optimal system rate. It is a diagram showing the successful node rate adjusted based on the power split ratio of the branches.

도 2를 참조하여 릴레이 노드와 목적 노드를 포함하는 N 각각의 노드가 서로 다른 개별의 목표 레이트

에 도달함을 알 수 있고, 각각 목표 레이트는

와 같이 오름 차순으로 정렬할 수 있다, 여기서,

는 목표치에 도달된 레이트를 토대로 N 노드 각각의 새로운 주문 번호(ordering number)이다. Referring to FIG. 2, each of N nodes including a relay node and a target node has different target rates.

Is reached, and each target rate is

Can be sorted in ascending order, such as, where,

Is the new ordering number of each of the N nodes based on the rate reached at the target value.

그리고 릴레이 노드의 레이트는 각각의 전력분할비율

의 함수이고 각 릴레이 노드의 레이트는 전력분할비율

의 증가 또는 감소에 의해 증가되거나 감소하며, 시스템은 첫번째 단계에서

는 최소 채널 용량 이므로

에 제한된다. 최적 전력분할비율

의 감소 및 최적 전력분할비율

의 증가에 의해 시스템의 전송률은

에 도달할 수 있다.And the rate of the relay node is each power split ratio

And the rate of each relay node is the power split ratio

Increases or decreases by increasing or decreasing of, and the system

Is the minimum channel capacity

Is limited to Optimal power split ratio

Reduction and optimal power split ratio

By increasing the transmission rate of the system

Can be reached.

일 실시예에서 최소 전송률은

에 의해 제한된다. 선행 노드에 대해 동일한 처리에 의해 시스템 레이트는

에 도달한다. 동일한 프로세서를 반복하여 모든 후속 노드에 적용하면 시스템은 최적 레이트

를 얻을 수 있다.In one embodiment, the minimum transmission rate is

Limited by With the same processing for the preceding node, the system rate is

Reach. Repeatedly applying the same processor to all subsequent nodes, the system will

Can be obtained.

N 노드 각각에서 최적 전력분할비율는 폐쇄형 해로 도출된다. 이러한 최적 전력분할비율은 최소 시스템의 신호대 잡음 비(SNR)

를 만족하고 각각의 노드의 최소 목표 전송률은

에 도달된다. The optimal power split ratio at each of the N nodes is derived as a closed solution. This optimal power split ratio is the minimum system signal-to-noise ratio (SNR)

And the minimum target transmission rate of each node is

Is reached.

이하에서 시스템 레이트를 최대화하기 위한 수학식 7에 대한 폐쇄형 해를 도출함에 있어, 최적 시스템 레이트

와 최적 전력분할비율

에 대한 폐쇄형 해는 최적 소스송신전력

와 최적 전력분할비율

에 대한 폐쇄형 해와 유사하므로, 소스송신전력 및 예상되는 최적 시스템 레이트를 고려한 릴레이 노드의 수는 후술될 수학식 (38)에 의해 찾을 수 있다.In deriving the closed solution to Equation 7 for maximizing the system rate below, the optimum system rate

And optimal power split ratio

The closed solution to the optimal source transmit power

And optimal power split ratio

Since it is similar to the closed solution for, the number of relay nodes in consideration of the source transmission power and the expected optimal system rate can be found by Equation (38), which will be described later.

또한 시스템의 목표 레이트 또는 최소 레이트가 주어지면, 다음 수학식 (37)이 연산될 수 있다.Also, given the target rate or minimum rate of the system, the following equation (37) can be calculated.

[수학식 37][Equation 37]

수학식 37로부터 최적 소스송신전력

는

에 비례하고 최적 시스템 레이트

은

이 반비례하므로, 릴레이 노드가 증가되면 전송이 필요한 최소 소스송신전력량은 증가되나 시스템 목표 레이트는 감소된다. 따라서, 수학식 7과 수학식 6은 동일함은 명백하다.Optimal source transmit power from Equation 37

Is

Proportional to and optimal system rate

silver

Since this is inversely proportional, when the number of relay nodes increases, the minimum amount of source transmission power required for transmission increases, but the system target rate decreases. Therefore, it is clear that

Equations

7 and 6 are the same.

수학식 37로부터 주어진 소스송신전력량

과 시스템 요구 사항을 만족하는 릴레이 노드의 수를 추정할 수 있고,

이 주어지면

에 대한 기하학적 진행 합계 방정식인 수학식 37은 소스송신전력량

에 의해 지원되는 릴레이 노드의 최대 수를 다음 수학식 38에 의거 얻을 수 있다.Source transmit power amount given from Equation 37

And the number of relay nodes that meet the system requirements can be estimated,

Given this

Equation 37, which is the geometric progression sum equation for, is the source transmitted power amount

The maximum number of relay nodes supported by may be obtained based on Equation 38 below.

[수학식 38][Equation 38]

여기서, 수학식 37의 N 은 목적지 노드를 포함하므로 릴레이 노드의 수 K는 N-1이 된다. 고정된

가 무선 센서 네트워크의 소스에 의해 미리 결정되었다고 가정하면, 미리 결정된

는 릴레이 노드 N에서 수학식 38에 의해 릴레이 노드의 수 K를 추정하는데 사용된다.Here, since N in Equation 37 includes the destination node, the number of relay nodes K is N −1. Fixed

Assuming that is predetermined by the source of the wireless sensor network, the predetermined

Is used to estimate the number of relay nodes K by Equation 38 in the relay node N.

즉, 근사치

를 이용하여 주어진 소스송신전력으로 지원되는 릴레이 노드의 수는 단계적으로 추정할 수 있다.That is, approximate

The number of relay nodes supported by a given source transmission power can be estimated step by step.

여기서, 최적 소스송신전력

를 확장하면 최적 소스송신전력

는 다음 수학식 39를 만족한다.Here, the optimum source transmission power

Is the optimum source transmission power

Satisfies Equation 39 below.

[수학식 39][Equation 39]

이에 최적 소스송신전력

는 기하학적 진행 합계 방정식으로

나타내며 여기서, 에너지 하베스트 효율은

이고,

으로 나타낸다.This is the optimum source transmission power

Is the geometric progression sum equation

Where the energy harvesting efficiency is

ego,

Represented by

N에 대해, 다음 수학식 41 내지 44가 도출된다. For N , the following equations 41 to 44 are derived.

[수학식 41][Equation 41]

[수학식 42][Equation 42]

[수학식 43][Equation 43]

[수학식 44][Equation 44]

기하학적 진행 합계 방정식의 해는

,

이고,

,

일 때 N은 다음 수학식 45이다.The solution of the geometric progressive sum equation is

,

ego,

,

When N is the following Equation 45.

[수학식 45][Equation 45]

이다.

to be.

여기서, 에너지 하베스트 효율

와

를 기 정해진 값으로 대체하면 릴레이 노드 K 는 다음 수학식 46으로 정의될 수 있다. Here, energy harvesting efficiency

Wow

When is replaced with a predetermined value, the relay node K may be defined by Equation 46 below.

[수학식 46][Equation 46]

여기서, 최적 소스송신전력

은

로 대체 지원할 수 있는 릴레이 노드의 수는 대략적으로 제공될 수 있으며, 수학식 46의 해는 양의 값을 가지므로

역시 양의 값에 종속적임을 알 수 있다.Here, the optimum source transmission power

silver

The number of relay nodes that can be replaced with can be provided approximately, and the solution of Equation 46 has a positive value.

It can also be seen that it is dependent on the positive value.

시뮬레이션 결과Simulation results

는 라지 스케일 신호이고,

은 제로 평균 및 수학식 25 및 26의 단위 분산을 가지는 순환 복수 가우시안 분포이며, 채널 모델

인 경우 라지 스케일 신호

는 수학식 25 및 26으로부터

정의된다. 여기서

에 대해 고정 감쇠는

이다.

는 1m의 기준 거리 들이고, 이 거리 사이에 각각 전송기과 수신기가 존재하는 경우 경로손실 지수

는 3이다. 노이즈 분산

는 각 노드 별로 -80 dB이고, 각 노드 별 에너지 효율은 70% 즉,

로 설정되며, 각 노드 간격이 등거리 즉, 각

로 가정하며, 본 실시 예의 최적 DF SWIPT 시스템의 에너지 최소화의 효과와 시스템 레이트 최적화 결과에 대해 고정 전력분할비율 (즉,

)을 가지는 준최적의 DF SWIPT 시스템과 비교하고 각 평균값은 103 번의 반복하여 획득한다.

Is the large scale signal,

Is a cyclic multiple Gaussian distribution having a zero mean and unit variance of Equations 25 and 26, and a channel model

If the large scale signal

Is from Equations 25 and 26

Is defined. here

The attenuation fixed for is

to be.

Is the reference distance of 1m, and the path loss index when there are transmitters and receivers respectively between these distances

Is 3. Noise dispersion

Is -80 dB for each node, and the energy efficiency for each node is 70%, that is,

And each node spacing is equidistant, that is, each

Is assumed, and a fixed power split ratio (that is, for the effect of energy minimization and the system rate optimization result of the optimal DF SWIPT system of this embodiment)

) Is compared with the suboptimal DF SWIPT system, and each average value is obtained by repeating 103 times.

도 3은 각 릴레이 노드에서 에너지 하베스트 량을 보인 그래프로서, 도 3을 참조하면, 각 노드의 최적 DF SWIPT 기법 및 준최적 DF SWIPT 기법에 의해 각 노드에 하베스트된 에너지를 비교하여 알 수 있다.FIG. 3 is a graph showing the amount of energy harvested in each relay node. Referring to FIG. 3, the energy harvested to each node by the optimal DF SWIPT technique and the sub-optimal DF SWIPT technique of each node can be compared.

또한, 각 릴레이 노드에서 하베스트된 에너지의 구성은

에 대해 신호대 잡음 비 SNR

제한 및

으로 설정되고, 각 노드에서 알마자 많은 에너지가 수집되었는 지와 설정된 신호대 잡음 비 SNR 의 조건을 달성하는 노드 수를 보여준다. In addition, the composition of energy harvested in each relay node is

Signal-to-noise ratio SNR for

Limits and

It is set to and shows whether a lot of energy has been collected at each node and the number of nodes that achieve the condition of the set signal-to-noise ratio SNR.

그리고, 설정된 제약을 만족하기 위해, 고정된 전력분할비율

기법은 전술한 시스템 제약 조건을 충족하기 위해, 각 노드에 좀더 많은 에너지를 하베스트하는 반면, 동일한 QoS(Quality of System)를 얻기 위해 최적의 낮은 전력을 얻는 것을 볼 수 있다. 그리고, 한 노드로부터 다른 노드로 이동 시 RF 신호로 하베스트되는 에너지의 양은 감소된다.And, in order to satisfy the set constraints, a fixed power split ratio

It can be seen that the technique harvests more energy to each node in order to meet the system constraints described above, while obtaining an optimal low power to obtain the same QoS (Quality of System). And, when moving from one node to another, the amount of energy harvested by the RF signal is reduced.

최적 기법에 대한 하베스트된 에너지의 량은 준최적 기법의 하베스트된 에너지의 량과 비교할 때 준최적 기법의 하베스트된 에너지의 량의 일부는 소모적인 에너지이다. 우리의 최적 기법과 동일한 시스템 레이트를 달성하기 위해 더 적은 양의 에너지가 사용된다. 동일한 QoS를 달성하기 위해, 소스는 최적 기법과 비교하여 준최적 기법에서 더 많은 전력을 전송해야 한다. 또한 최적 기법의 소스송신전력은 준최적 기법에 비해 더 큰 부담이 제공된다. 따라서 다음 통신을 하기 위해 소스송신전력의 에너지 량은 전송에 필요한 최소 에너지 양으로 설정된다. The amount of harvested energy for the suboptimal method is compared to the amount of harvested energy for the suboptimal method, and part of the amount of energy harvested for the suboptimal method is the energy consumed. Less energy is used to achieve the same system rate as our optimal technique. To achieve the same QoS, the source must transmit more power in the suboptimal scheme compared to the optimal scheme. In addition, the source transmission power of the optimal technique is provided with a greater burden than the sub-optimal technique. Therefore, for the next communication, the energy amount of the source transmission power is set to the minimum amount of energy required for transmission.

도 4는 각각의 소스송신전력 및 시스템 레이트

에 대해 신호대 잡음 비 SNR 요구 사항

이 주어지면 시스템 통신을 지원하기 위해 필요한 릴레이 노드의 최대 수의 구성을 나타낸 도면으로서, 도 4를 참조하면, 소스 노드가 50dBm 의 최대 소스송신전력라고 가정하고, 수학식 38의

및

로 고정되면, 사용된 접근법과 유사한

에 기반으로 소스 노드와 목적지 노드 사이의 통신을 지원하는 릴레이 노드의 수가 결정된다. 4 is each source transmission power and system rate

Signal-to-noise ratio SNR requirements for

Given is a diagram showing the configuration of the maximum number of relay nodes required to support system communication. Referring to FIG. 4, it is assumed that the source node is the maximum source transmission power of 50dBm,

And

If fixed to, similar to the approach used

The number of relay nodes supporting communication between the source node and the destination node is determined based on.

최적 PS 비율 시스템 구조의 구성은 SNR 제약 조건이 -5dB와 0dB 사이의 고정된 전력분할 시스템의 구조에 비해 더 많은 DF-SWIPT 릴레이 노드를 지원할 수 있다. 또한, 시스템 통신을 지원하는데 필요한 DF-SWIPT 시스템의 릴레이 노드의 수는 시스템에서 요구하는 신호대 잡음 비 SNR의 증가에 따라 감소한다. The configuration of the optimal PS ratio system structure can support more DF-SWIPT relay nodes than the structure of a fixed power division system with SNR constraints between -5dB and 0dB. In addition, the number of relay nodes in the DF-SWIPT system required to support system communication decreases as the signal-to-noise ratio SNR required by the system increases.

일 때, K DF-SWIPT 릴레이 노드의 수는 고정된

의 10^-2 및 10^-3 와 비교하여 근사하다.

=10^-2, 10^- ³의 경우, 소스 노드와 목적지 노드 사이의 통신을 지원하는 데 필요한 K DF-SWIPT 시스템의 릴레이 노드의 예상 수와 실제 수 사이에 적절한 편차가 도출된다. 즉, 소스와 대상 간의 통신을 지원할 수 있는 K 개의 DF-SWIPT 시스템의 릴레이 노드는 미리 결정할 수 있게 된다.

When, the number of K DF-SWIPT relay nodes is fixed

Compared to 10 ^-2 and 10 ^-3 of

= ^10-2, ^{^10-3} of the case, an appropriate variation is derived between the source node and the relay node estimated of K DF-SWIPT system needed to support a communication between the destination node from the original number. That is, the relay nodes of K DF-SWIPT systems capable of supporting communication between the source and the target can be determined in advance.

에너지 최소화 Energy minimization 효과에 대한 시뮬레이션 결과Simulation results for effects

도 5는

의 SNR 제약 범위로 도출된 평균 최소 소스송신전력 E₀ 을 보인 그래프로서 도 5를 참조하면 최적 전력분할비율 방식 보다 목적지 노드 까지의 통신을 지원하는데 필요한 평균 최소 소스송신전력 E₀ 는 고정된 전력분할비율의 준최적 보다 우수함을 확인할 수 있다. 즉, 최적 및 준최적 기법으로 비교하면, 원하는 QoS를 달성할 때 K=2 및 K=3 각각에 대해 평균 최소 소스송신전력 E₀ 측면에서 15dBm 및 20dBm의 일정한 차이가 발생된다. 또한 증가하는 SNR의 요구 사항에 따라 시스템 레이트를 달성하는 데 필요한 평균 최소 소스송신전력 E₀ 는 비례적으로 증가한다. 또한 시스템 통신을 지원하는데 필요한 최소 소스송신전력

은 최적 전력분할비율을 가지는 수학식 6으로 주어진 통합 최적 문제로부터 추론할 수 있다. 5 is

As a graph showing the average minimum source transmission power E ₀ derived from the SNR constraint range of, referring to FIG. 5, the average minimum source transmission power E ₀ required to support communication to the destination node rather than the optimal power split ratio method is a fixed power split. It can be seen that the ratio is better than the suboptimal. That is, when compared with the optimal and suboptimal techniques, a constant difference of 15dBm and 20dBm occurs in terms of the average minimum source transmission power E ₀ for each of K=2 and K=3 when achieving the desired QoS. Also, as the requirements of increasing SNR, the average minimum source transmit power E ₀ required to achieve the system rate increases proportionally. In addition, the minimum source transmission power required to support system communication

Can be inferred from the integrated optimization problem given by Equation 6 with the optimal power split ratio.

그리고 도 5를 참조하면, DF SWIPT 시스템의 릴레이 노드의 수가 하나 증가할 때 마다 최적 및 준최적의 전력분할비율 기법의 소스 에너지가 약 60dBm 및 50dBm 손실됨을 확인할 수 있다. 이러한 소스 에너지의 증가는 거리의 증가 및 소스와 대상 사이의 릴레이 노드에 기인된다.And, referring to FIG. 5, it can be seen that each time the number of relay nodes of the DF SWIPT system increases by one, the source energy of the optimal and suboptimal power split ratio scheme is lost by about 60 dBm and 50 dBm. This increase in source energy is due to the increase in distance and the relay node between the source and the target.

그리고 도 6은 노드 간의 거리

가 증가하는 경우 최소 소스송신전력을 도시한 도면으로서, 도 6을 참조하면, 시스템 통신을 지원하기 위한 평균 최소 소스송신전력은 최적 및 준최적 기법의 전력분할비율 방식에 대해 모두 거리

가 증가될 때 증가됨을 알 수 있다. 거리

의 값에 대해 최적 및 준최적 기법에서의 소스송신전력 E0은 일정한 차이가 있다. 즉, K = 2 및 K = 3 각각에 대해 최적 및 부 최적의 방식간에 약 15dBm 및 25dBm의 성능 손실이 발생된다. 시스템 통신을 지원하기 위해 릴레이의 수가 1만큼 증가되면 (즉, K = 2에서 K = 3) 필요한 소스송신전력 E₀의 양이 크게 증가한다 (즉, 5m의 거리에서 최적 기법에 대해 준최적 기법의 구성에서는 50dBm, 최적 기법의 구성에서는 45dBm). And Figure 6 is the distance between nodes

As a diagram showing the minimum source transmission power when is increasing, referring to FIG. 6, the average minimum source transmission power for supporting system communication is the distance for both the optimal and suboptimal power split ratio methods.

It can be seen that when is increased, it increases. Street

For the value of, there is a certain difference between the source transmit power E0 in the optimal and suboptimal techniques. That is, for each of K = 2 and K = 3, performance losses of about 15 dBm and 25 dBm occur between the optimal and sub-optimal schemes. When the number of relays is increased by 1 to support system communication (i.e. K = 2 to K = 3), the amount of required source transmit power E ₀ increases significantly (i.e., suboptimal technique for optimal technique at a distance of 5 m). 50dBm in the configuration of, and 45dBm in the configuration of the optimal technique).

즉, 채널 구조와 신호 감쇠에 영향을 주는 소스와 대상 사이의 거리

가 증가하기 때문이다.That is, the distance between the source and the target that affects the channel structure and signal attenuation.

Because it increases.

도 7은 고정된 거리

로 릴레이 노드의 수를 1에서 10으로 증가된 경우의 소스송신전력 E₀ 를 나타낸 도면으로서, 도 7을 참조하면, DF-SWIPT 시스템의 릴레이 노드가 증가됨에 따라, 시스템 QoS를 지원하기 위한 최소 소스송신전력 E₀ 는 일정하게 증가된다. 또한, 최적 및 준최적 기법에 대해

및 10dB 사이에 약 50dB의 일정한 최소 소스송신전력 E₀의 차이가 일정하다.Figure 7 is a fixed distance

As a diagram showing the source transmission power E ₀ when the number of relay nodes is increased from 1 to 10, referring to FIG. 7, as the number of relay nodes of the DF-SWIPT system increases, the minimum source for supporting system QoS The transmit power E ₀ is constantly increased. Also, for optimal and suboptimal techniques

And a constant minimum source transmission power E ₀ of about 50 dB between 10 dB.

그리고 도 8은 소스송신전력 E₀ 와 목표 시스템 레이트 차를 보인 도면으로서, 도 8을 참조하면 도 5 및 도 6와 유사하게 목표 시스템 레이트를 증가시킴으로써 최소 소스송신전력 E₀ 의 처리 요구량이 증가됨을 확인할 수 있다.In addition, FIG. 8 is a diagram showing the difference between the source transmission power E ₀ and the target system rate. Referring to FIG. 8, similarly to FIGS. 5 and 6, by increasing the target system rate, the processing demand of the minimum source transmission power E ₀ is increased. I can confirm.

목표 평균 1bps / Hz의 레이트에서, 최적 및 준최적 기법에 대해 각각 최소 요구 소스송신전력는 약 15dBm 및 20dBm 으로 일정하게 증가된다. 또한 준최적 기법에서는 더 많은 최소 소스송신전력 E₀가 요구된다. 설정된 목표 시스템 레이트를 달성하기 위해 최소 소스송신전력 E₀를 최소화함에 따라 더 많은 릴레이 노드의 지원이 가능하고 소스송신전력의 부담을 줄일 수 있다.At the target average rate of 1bps/Hz, the minimum required source transmit power is constantly increased to about 15dBm and 20dBm, respectively, for the optimal and suboptimal techniques. Also, in the suboptimal technique, more minimum source transmit power E ₀ is required. By minimizing the minimum source transmission power E ₀ to achieve the set target system rate, it is possible to support more relay nodes and reduce the burden of source transmission power.

시스템 system 레이트의Late 최적화 결과 Optimization results

도 9는 소스송신전력 E₀증가에 대한 시스템 처리량을 보인 도면으로서,최적 도 9를 참조하면, 전력분할비율 PS 비의 기법에 비교하여 DF SWIPT 시스템의 릴레이 노드의 수가 적을수록 최소 시스템 레이트가 높아짐을 알 수 있다. 최적 및 준최적 기법을 고려하면, K = 2 및 K = 3 각각에 대해 시스템 레이트는 약 6 및 10 이득의 일정한 성능 차이가 있다. DF SWIPT 시스템의 릴레이 노드 (즉, K = 3에서 K = 2까지)의 단위 감소로 최적 및 준최적 방식에 대해 각각의 20dB 및 25dB의 레이트 이득 차이가 일정하게 발생한다. 9 is a diagram showing the system throughput for increasing the source transmission power E _0. Referring to FIG. 9, the minimum system rate increases as the number of relay nodes in the DF SWIPT system decreases compared to the technique of the optimal power split ratio PS ratio. Can be seen. Considering the optimal and suboptimal techniques, there is a constant performance difference of about 6 and 10 gains for the system rate for K = 2 and K = 3 respectively. The unit reduction of the relay nodes (i.e., K = 3 to K = 2) of the DF SWIPT system results in a constant rate gain difference of 20 dB and 25 dB, respectively, for the optimal and sub-optimal schemes.

도 10은 DF SWIPT 시스템의 릴레이 노드의 수 증가에 대한 목표 시스템 레이트를 보인 도면으로서, 도 10을 참조하면, DF SWIPT 시스템의 릴레이 노드 수가 1에서 6으로 증가될 때 최소 소스송신전력 E₀ = 10 및 30dB 에 대한 평균 목표 레이트가 감소됨을 확인할 수 있다. 즉, K> 6 일 때, 달성 가능한 시스템 레이트는

으로 인해 매우 작아짐에 따라 제로에 접근된다.FIG. 10 is a diagram showing a target system rate for an increase in the number of relay nodes in a DF SWIPT system. Referring to FIG. 10, when the number of relay nodes in the DF SWIPT system increases from 1 to 6, the minimum source transmission power E ₀ = 10 And it can be seen that the average target rate for 30dB is reduced. That is, when K> 6, the achievable system rate is

As it becomes very small, it approaches zero.

도 11은 거리

대비 평균 시스템 레이트를 보인 그래프로서, 도 11을 참조하면, 시스템 레이트는 K = 2 및 3에 대해 거리

가 증가할 때마다 감소함을 확인할 수 있다. 즉, 고정된 수의 릴레이 노드 간의 거리

가 증가함에 따라 RF 신호 전송을 지원하는 데 필요한 소스송신전력은 감소하고, 소스송신전력이 증가하는 경우 시스템 레이트는 최적 및 준최적 기법에 대해 감소함을 도 6 및 도 11로부터 확인할 수 있다. 11 is the street

As a graph showing the comparison average system rate, referring to FIG. 11, the system rate is the distance for K = 2 and 3

It can be seen that each time is increased, it decreases. That is, the distance between a fixed number of relay nodes

It can be seen from FIGS. 6 and 11 that the source transmission power required to support RF signal transmission decreases as is increased, and when the source transmission power increases, the system rate decreases for the optimal and suboptimal techniques.

일 실시 예는 DF SWIPT 시스템의 각 릴레이 노드에서 최소 소스송신전력, 최대 시스템 목표 레이트 및 PS 비율에 대한 폐쇄형 솔루션을 통해 최적 소스송신전력 및 최적 시스템 레이트를 달성할 수 있는 릴레이 노드의 수를 도출할 수 있고, 이에 채널 용량 및 시스템 성능을 향상시킬 수 있다.One embodiment derives the number of relay nodes that can achieve optimal source transmit power and optimal system rate through a closed solution for minimum source transmit power, maximum system target rate, and PS ratio in each relay node of a DF SWIPT system. Can be done, thereby improving the channel capacity and system performance.

일 실시 예의 다른 양태에 의거 일 실시 예의 멀티 홉 중계 방식의 무선 전력 전송 방법은 소스 노드, 멀티홉 방식으로 전력 및 정보를 동시에 빔포밍을 수행하는 다수의 릴레이 노드, 및 목적지 노드를 포함하는 멀티 홉 중계 방식의 무선 전력 전송 방법에 있어서, 각 릴레이 노드의 제어부에서 전력분할비율에 대한 소스송신전력의 최소화 문제의 해로 최적 소스송신전력와 최적 전력분할비율을 도출하는 단계; 도출된 최적 전력분할비율에 대해 시스템 레이트의 최대화 문제의 해로 최적 시스템 레이트를 도출하는 단계; 및 출된 최적 소스송신전력으로부터 최적 시스템 레이트에 도달하기 위한 최대 릴레이 노드의 수를 추정하도록 구비될 수 있으며, 상기의 멀티 홉 중계 방식의 무선 전력 전송 방법의 각 단계는 전술한 릴레이 노드의 제어부(123)에서 수행되는 기능으로 자세한 원용은 생략한다. According to another aspect of an embodiment, the wireless power transmission method of a multi-hop relay method according to an embodiment includes a source node, a plurality of relay nodes that simultaneously beamforming power and information in a multi-hop method, and a multi-hop including a destination node. What is claimed is: 1. A wireless power transmission method of a relay method, the method comprising: deriving an optimum source transmission power and an optimum power distribution ratio as a solution to a problem of minimizing a source transmission power to a power distribution ratio in a control unit of each relay node; Deriving an optimal system rate as a solution to a system rate maximization problem for the derived optimal power split ratio; And estimating the maximum number of relay nodes for reaching the optimum system rate from the extracted optimum source transmission power, and each step of the wireless power transmission method of the multi-hop relay method includes the control unit 123 of the above-described relay node. ), and detailed reference is omitted.

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.Although the present invention has been described in detail through exemplary embodiments above, those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains have found that various modifications can be made to the above-described embodiments without departing from the scope of the present invention. I will understand. Therefore, the scope of the present invention is limited to the described embodiments and should not be defined, and should be determined by all changes or modifications derived from the claims and the concept of equality as well as the claims to be described later.

Claims

In a multi-hop relay type wireless power transmission system including a source node, a plurality of relay nodes performing beamforming of power and information simultaneously in a multi-hop method, and a destination node,
The relay node,
A receiver for transmitting the RF signal of the source node;
Derive the maximum number of relay nodes having the minimum source transmission power and the optimum system rate for the RF signal, and the power split ratio (PS ratio) for energy harvest (EH) and information decoding (ID) from the received RF signal. A control unit for dividing power and information; And
A transmitting unit for sequentially beamforming the divided power and information of the control unit to a plurality of relay nodes,
The plurality of relay nodes is a multi-hop relay wireless communication system, characterized in that the derived maximum number of relay nodes.

The method of claim 1, wherein the control unit,
As a solution to the problem of minimizing the source transmission power to the power split ratio, the optimum source transmission power and the optimum power split ratio are derived,
For the derived optimal power split ratio, the optimal system rate is derived as a solution to the system rate maximization problem,
A wireless communication system of a multi-hop relay method, characterized in that it is provided to derive a maximum number of relay nodes for reaching an optimum system rate from the derived optimum source transmission power.

The method of claim 2, wherein the optimum source transmission power is
Since the solution to the source transmission power minimization problem is non-convex, it is reconstructed as an equivalent convex problem and a solution to the reconstructed equivalent convex problem is derived.
A wireless communication system of a multi-hop relay method, characterized in that it is provided to derive the optimum source transmission power through Lagrangian and KKT conditions for a solution of the reconstructed equivalent convex problem.

The method of claim 2, wherein the optimum source transmission power is
A wireless communication system of a multi-hop relay method, characterized in that it is derived by the following relational equation 1 determined based on noise dispersion, energy harvest efficiency, SNR, channel information, and power split ratio derived from each relay node.
[Relationship 1]

here,

Is the noise dispersion,

Is the energy harvesting efficiency,

Is,

Is SNR,

Is the channel information.

The method of claim 4, wherein the optimal power split ratio is
A wireless communication system of a multi-hop relay method, characterized in that it is derived from the relational equation 2 set based on the power split ratio, energy harvest efficiency, and channel information of each relay node.
[Relationship 2]

here

Is the power split ratio.

The method of claim 5, wherein the optimal system rate is
A wireless communication system of a multi-hop relay method, characterized in that it is derived based on a relational equation 3 set based on source transmission power, noise dispersion, power split ratio, and channel information.
[Relationship 3]

here,

Is the source transmit power,

Is the noise dispersion,

Is the energy harvesting efficiency,

,

Is the channel information.

The method of claim 6, wherein the maximum number of relay nodes is
A wireless communication system of a multi-hop relay method, characterized in that it is estimated based on a relational equation 4 set based on source transmission power amount, noise variance, SNR, error area harvest efficiency, and channel information.
[Relationship 4]

here,

Is the amount of source transmitted power.

In a multi-hop relay type wireless power transmission system including a source node, a plurality of relay nodes performing beamforming of power and information simultaneously in a multi-hop method, and a destination node,
Deriving an optimum source transmission power and an optimum power split ratio as a solution to the problem of minimizing the source transmission power to the power split ratio;
Deriving an optimal system rate as a solution to a system rate maximization problem for the derived optimal power split ratio; And
And estimating the maximum number of relay nodes for reaching the optimum system rate from the derived optimum source transmission power.

The method of claim 8, wherein the optimum source transmission power is
Since the solution to the source transmission power minimization problem is non-convex, it is reconstructed as an equivalent convex problem and a solution to the reconstructed equivalent convex problem is derived.
A wireless communication system of a multi-hop relay method, characterized in that it is provided to derive the optimum source transmission power through Lagrangian and KKT conditions for a solution of the reconstructed equivalent convex problem.

The method of claim 9, wherein the optimal source transmission power is
A wireless communication system of a multi-hop relay method, characterized in that it is derived by the following relational equation 11 determined based on noise dispersion, energy harvest efficiency, SNR, channel information, and power split ratio derived from each relay node.
[Relationship 11]

here,

Is the noise dispersion,

Is the energy harvesting efficiency,

Is,

Is SNR,

Is the channel information.

The method of claim 10, wherein the optimal power split ratio is
A wireless communication system of a multi-hop relay method, characterized in that it is derived from the relational equation 12 set based on the power split ratio, energy harvest efficiency, and channel information of each relay node.
[Relationship 12]

here

Is the power split ratio.

The method of claim 11, wherein the optimal system rate is
A wireless communication system of a multi-hop relay method, characterized in that it is derived based on a relational equation 13 set based on source transmission power, noise dispersion, power split ratio, and channel information.
[Relationship 13]

here,

Is the source transmit power,

Is the noise dispersion,

Is the energy harvesting efficiency,

,

Is the channel information.

The method of claim 12, wherein the maximum number of relay nodes,
A wireless communication system of a multi-hop relay method, characterized in that it is estimated based on a relational equation 14 set based on source transmission power amount, noise variance, SNR, error margin harvest efficiency, and channel information.
[Relationship 14]

here,

Is the amount of source transmitted power.