KR102261004B1 - Full-duplex decode-and-forward relay to increase energy harvesting - Google Patents

Full-duplex decode-and-forward relay to increase energy harvesting Download PDF

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KR102261004B1
KR102261004B1 KR1020200076664A KR20200076664A KR102261004B1 KR 102261004 B1 KR102261004 B1 KR 102261004B1 KR 1020200076664 A KR1020200076664 A KR 1020200076664A KR 20200076664 A KR20200076664 A KR 20200076664A KR 102261004 B1 KR102261004 B1 KR 102261004B1
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이충용
권구형
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연세대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention provides a full-duplex decode-and-forward relay in a power division-based wireless information and power simultaneous transmission full-duplex decoding and transmission relay system, wherein an obstacle free area (hereinafter, OFR), in which end-to-end SINR(γ) between the base station and the terminal satisfies a predetermined reference SINR(γ^*) or more, is detected from the relationship, between SINR (γ_1) of a first hop channel and SINR (γ_2) of a second hop channel, expressed as a function of the power division ratio (ρ) representing the ratio between power used for decoding and energy harvested from a signal received by a relay and a self-interference channel (hereinafter referred to as SI) transmission weight (ω) indicating a beamforming weight to an SI channel among the second hop channel and the SI channel during transmission beamforming for transmitting a signal to a terminal, a range of the power division ratio (ρ) corresponding to the OFR is divided into K predetermined sections to obtain K+1 representative power division ratios (ρ_k), an SI channel transmission weight (ω_k, j), which maximizes the energy harvest for each of the K+1 representative power split ratios (ρ_k), is detected, and then the representative power division ratio (ρ_k) and the SI channel transmission weight (ω_k,j), which obtain the maximum energy harvest, are selected among energy according to the detected SI channel transmission weight (ω_k,j), so that the energy harvest is maximized while satisfying the end-to-end SINR above the required level.

Description

에너지 수확량을 향상시킬 수 있는 전이중 복호 후 전달 릴레이{FULL-DUPLEX DECODE-AND-FORWARD RELAY TO INCREASE ENERGY HARVESTING}{FULL-DUPLEX DECODE-AND-FORWARD RELAY TO INCREASE ENERGY HARVESTING}

본 발명은 전이중 복호 후 전달 릴레이에 관한 것으로, 무선 정보 및 전력 동시 전송 전이중 복호 후 전달 릴레이에 관한 것이다.The present invention relates to a transmission relay after full-duplex decoding, and to a transmission relay after full-duplex decoding for simultaneous transmission of radio information and power.

전이중(Full-Duplex: 이하 FD) 송/수신 방식에서 FD로 작동하는 노드에서는 자기 간섭(self-interference: 이하 SI) 문제가 발생한다. SI는 특정 노드의 송신 신호가 동일 노드의 신호 수신 과정에서 간섭으로 작용하는 현상이다. SI는 동일 노드 내에서 발생하는 간섭이므로, 송/수신단 간 거리가 매우 가깝다. 따라서 다른 간섭들에 비해 그 크기가 크며, FD가 기존의 반이중(Half-Duplex; 이하 HD) 대비 성능 이점을 갖기 위해서는 반드시 제어 및 제거해야 하는 대상이다.In a full-duplex (hereinafter FD) transmission/reception scheme, a self-interference (SI) problem occurs in a node operating as an FD. SI is a phenomenon in which the transmission signal of a specific node acts as interference in the signal reception process of the same node. Since SI is interference occurring within the same node, the distance between the transmitter and receiver is very close. Therefore, the size is large compared to other interferences, and in order for FD to have a performance advantage compared to the existing half-duplex (hereinafter referred to as HD), it is a target that must be controlled and removed.

한편, 전력 분할(power splitting) 기반 무선 정보 및 전력 동시 전송(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer: 이하 SWIPT) FD 릴레이에서 수신기는 수신 신호의 전력에서 일정 비율을 데이터 디코딩에 활용하고 나머지 비율의 신호로부터 에너지를 수확한다. 이러한 SWIPT 구현을 위한 FD 복호 후 전달(Decode-and-Forward: 이하 DF) 릴레이에서는 수확 에너지 및 종단간(end-to-end) 신호 대 간섭 잡음비(signal-to-interference-plus-noise ratio: 이하 SINR)의 두 성능 척도가 함께 고려되어야 한다. 그러나 기존의 FD DF 릴레이에서는 SINR에 대해서만 고려되었으며, 에너지 수확량(Energy Harvesting)는 고려되지 않았다. 특히 SI의 경우 제거 대상으로만 간주됨으로써, SI에 의한 에너지 수확은 더더욱 고려되지 않았다.On the other hand, in a power splitting-based Simultaneous Wireless Information and Power Transfer (SWIPT) FD relay, the receiver utilizes a certain percentage of the power of the received signal for data decoding, and uses the remaining percentage of energy from the signal. to harvest In the FD decode-and-forward (DF) relay for implementing such SWIPT, harvest energy and end-to-end signal-to-interference-plus-noise ratio: SINR) should be considered together. However, in the existing FD DF relay, only SINR was considered, and Energy Harvesting was not considered. In particular, in the case of SI, energy harvesting by SI was not even considered as it was only considered a target for removal.

한국 공개 특허 제10-2008-0066503호 (2008.07.16 공개)Korean Patent Publication No. 10-2008-0066503 (published on July 16, 2008)

본 발명의 목적은 종단간 SINR을 요구 레벨 이상으로 만족시키면서 동시에 에너지 수확량이 최대로 할 수 있는 전력 분할 기반 SWIPT FD DF 릴레이 및 이의 에너지 수확량 향상 방법을 제공하는데 있다.It is an object of the present invention to provide a power division-based SWIPT FD DF relay capable of maximizing energy yield while satisfying end-to-end SINR above a required level, and a method for improving energy yield thereof.

본 발명의 다른 목적은 SI 채널에 의한 에너지도 수확할 수 있도록 빔포밍 기법을 적용하는 전력 분할 기반 SWIPT FD DF 릴레이 및 이의 에너지 수확량 향상 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a power division-based SWIPT FD DF relay to which a beamforming technique is applied so that energy can also be harvested by an SI channel, and a method for improving energy yield thereof.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 FD DF 릴레이는 기지국으로부터 빔포밍되어 제1 홉 채널을 통해 전송된 신호를 빔포밍하여 수신하고, 수신된 신호의 전력을 분할하여 신호를 복호 후 재부호화함과 동시에 에너지를 수확하고, 재부호화된 신호를 빔포밍하여 제2 홉 채널을 통해 단말로 전송하는 릴레이를 포함하는 전력 분할 기반 무선 정보 및 전력 동시 전송(이하 SWIPT) 전이중(이하 FD) 복호 후 전달(이하 DF) 릴레이 시스템의 릴레이에 있어서, 상기 수신된 신호로부터 복호에 이용될 전력과 수확할 에너지의 비를 나타내는 전력 분할비(ρ)와 신호를 상기 단말로 전송하기 위한 송신 빔포밍 시에 상기 제2 홉 채널과 자기 간섭 채널(이하 SI) 중 SI 채널로의 빔포밍 가중치를 나타내는 SI 채널 전송 가중치(ω)에 관한 함수로 표현된 제1 홉 채널의 SINR(γ1)과 제2 홉 채널의 SINR(γ2) 사이의 관계로부터 상기 기지국과 상기 단말 사이의 종단간 SINR(γ)이 기지정된 기준 SINR(γ*) 이상을 만족하는 장애 자유 영역(이하 OFR)을 검출하며, 상기 OFR에 대응하는 전력 분할비(ρ)의 범위를 기지정된 K개의 구간으로 구분하여 K+1개의 대표 전력 분할비(ρk)를 획득하고, K+1개의 대표 전력 분할비(ρk) 각각에 대해 에너지 수확량을 최대로 하는 SI 채널 전송 가중치(ωk,j)를 검출한 후, 검출된 SI 채널 전송 가중치(ωk,j)에 따른 에너지 중 최대 에너지 수확량을 획득하는 대표 전력 분할비(ρk)와 SI 채널 전송 가중치(ωk,j)를 선택한다.The FD DF relay according to an embodiment of the present invention for achieving the above object beamforms and receives a signal beamformed from a base station and transmitted through a first hop channel, and decodes the signal by dividing the power of the received signal Simultaneous transmission of power division-based wireless information and power (hereinafter referred to as SWIPT) including a relay that harvests energy at the same time as post-recoding, beamforms the re-encoded signal and transmits it to the terminal through the second hop channel (hereinafter referred to as FD) ) In the relay of the relay system after decoding (hereinafter referred to as DF), a power split ratio (ρ) indicating a ratio of power to be used for decoding and energy to be harvested from the received signal and a transmission beam for transmitting a signal to the terminal The SINR(γ 1 ) of the first hop channel expressed as a function of the SI channel transmission weight (ω) indicating the beamforming weight to the SI channel among the second hop channel and the self-interference channel (hereinafter referred to as SI) during forming, and From the relationship between the SINR(γ 2 ) of the second hop channel, the end-to-end SINR(γ) between the base station and the terminal satisfies a predetermined reference SINR(γ * ) or more. , the separation of the range of the power split ratio (ρ) corresponding to the OFR group as designated the K interval K + 1 of the representative power split ratio (ρ k) obtained, and a K + 1 of the representative power split ratio (ρ k ) , after detecting the SI channel transmission weight (ω k,j ) that maximizes the energy yield for each, representative power division to obtain the maximum energy yield among energy according to the detected SI channel transmission weight (ω k,j ) Select the ratio (ρ k ) and the SI channel transmission weight (ω k,j ).

상기 릴레이는 다수의 수신 안테나를 통해 수신되는 신호 중 상기 전력 분할비(ρ)에 대응하는 비율의 전력으로 신호를 수신하는 신호 수신부; 상기 신호 수신부로 수신되는 신호에 대해 수신 빔포밍 벡터(wR)를 이용하여 빔포밍하는 수신 빔포머; 상기 수신 빔포머를 통해 획득된 신호를 복호하고 다시 재부호화하여 복호부; 상기 복호부에서 재부호화된 신호를 송신 빔포밍 벡터(wT)에 따라 빔포밍하여 다수의 송신 안테나를 통해 상기 단말로 전송하는 송신 빔포머; 및 다수의 수신 안테나를 통해 수신되는 신호 중 상기 신호 수신부로 전달되는 전력을 제외한 나머지 전력의 신호에 대해 에너지 빔포밍 벡터(wE)를 이용하여 빔포밍하는 에너지 빔포머; 및 상기 에너지 빔포머에 의해 빔포밍되어 전달된 신호의 전력을 에너지로 수확하여 저장하는 배터리를 포함할 수 있다.The relay may include: a signal receiving unit configured to receive a signal with power of a ratio corresponding to the power division ratio (ρ) among signals received through a plurality of receiving antennas; a reception beamformer for beamforming a signal received by the signal reception unit using a reception beamforming vector (w R ); a decoding unit for decoding and re-encoding the signal obtained through the reception beamformer; a transmit beamformer for beamforming the signal re-encoded by the decoder according to a transmit beamforming vector w T and transmitting it to the terminal through a plurality of transmit antennas; and an energy beamformer configured to perform beamforming using an energy beamforming vector (w E ) on a signal of power remaining except for power transmitted to the signal receiving unit among signals received through a plurality of receiving antennas. and a battery for harvesting and storing power of a signal beamformed and transmitted by the energy beamformer as energy.

상기 송신 빔포머는 상기 SI 채널 전송 가중치(ω)에 따라 상기 송신 빔포밍 벡터(wT)를 설정하고, 설정된 송신 빔포밍 벡터(wT)에 따라 빔포밍하여 상기 제2 홉 채널과 상기 SI 채널로 재부호화된 신호를 전송할 수 있다. The transmit beamformer sets the transmit beamforming vector (w T ) according to the SI channel transmission weight (ω), and performs beamforming according to the set transmit beamforming vector (w T ) to form the second hop channel and the SI It is possible to transmit the re-encoded signal through the channel.

상기 에너지 빔포머는 상기 제1 홉 채널로 전송되는 신호와 상기 SI 채널을 통해 전송되는 신호에 대한 수신 비율을 조절하는 포밍 가중치(ζ)에 따라 상기 에너지 빔포밍 벡터(wE)를 설정하고, 상기 포밍 가중치(ζ)는 상기 SI 채널 전송 가중치(ω)에 의해 결정될 수 있다. The energy beamformer sets the energy beamforming vector (w E ) according to a forming weight (ζ) that adjusts a reception ratio of a signal transmitted through the first hop channel and a signal transmitted through the SI channel, The forming weight ζ may be determined by the SI channel transmission weight ω.

상기 릴레이는 상기 전력 분할비(ρ)를 기지정된 최대값에 대응하는 최대 전력 분할비(ρmax = 1)로부터 기지정된 단위로 감소시키면서, 상기 제1 홉 채널의 SINR(γ1)과 상기 제2 홉 채널의 SINR(γ2)를 각각 계산하고, 계산된 상기 제1 홉 채널의 SINR(γ1)과 상기 제2 홉 채널의 SINR(γ2) 중 작은 값으로 계산되는 종단간 SINR(γ = min(γ1, γ2))이 상기 기준 SINR(γ*) 이상인 OFR이 존재하는지 검출하여, 상기 OFR이 존재하는 전력 분할비(ρ) 중 최소값인 최소 전력 분할비(ρmin)를 판별하며, 판별된 최소 전력 분할비(ρmin)로부터 최대 전력 분할비(ρmax)까지의 범위를 K개의 구간으로 구분하여 K+1개의 대표 전력 분할비(ρk)를 획득할 수 있다.The relay decreases the power division ratio (ρ) by a predetermined unit from a maximum power division ratio (ρ max = 1) corresponding to a predetermined maximum value, while the SINR (γ 1 ) of the first hop channel and the second SINR (γ 2 ) of the two-hop channel is calculated, respectively, and the calculated SINR (γ 1 ) of the first hop channel and the SINR (γ 2 ) of the second hop channel are calculated as the smaller of the end-to-end SINR (γ 2 ). = min(γ 1 , γ 2 )) detects whether an OFR equal to or greater than the reference SINR(γ * ) exists, and determines the minimum power division ratio (ρ min ) that is the minimum value among the power division ratios (ρ) in which the OFR exists And, by dividing the range from the determined minimum power split ratio (ρ min ) to the maximum power split ratio (ρ max ) into K sections, K+1 representative power split ratios (ρ k ) can be obtained.

상기 릴레이는 K+1개의 대표 전력 분할비(ρk)는 상기 최대 전력 분할비(ρmax)로부터 균등 크기 단위(

Figure 112020064668073-pat00001
)로 반복 차감하여 획득할 수 있다.The relay K+1 representative power split ratio (ρ k ) is equal to the size unit ( ρ max ) from the maximum power split ratio (ρ max )
Figure 112020064668073-pat00001
) can be obtained by repeatedly subtracting

상기 릴레이는 K+1개의 대표 전력 분할비(ρk)에 의해 구분된 구간 각각에 대응하는 SI 채널 전송 가중치(ωk)의 하한(ωk,LB)과 상한(ω k,UB)을 판별하고, 판별된 SI 채널 전송 가중치(ωk)의 하한(ωk,LB)과 상한(ω k,UB) 범위 내에서 SI 채널 전송 가중치(ωk,j)를 가변하면서, 기지정된 수학식에 따라 에너지 수확량을 계산하여, 계산된 에너지 수확량 중 최대값을 K+1개의 대표 전력 분할비(ρk)에 대응하는 에너지 수확량으로 획득할 수 있다.The relay determines the lower limit (ω k,LB ) and the upper limit (ω k,UB ) of the SI channel transmission weight (ω k ) corresponding to each section divided by the K+1 representative power split ratio (ρ k ) , and while varying the lower limit (ω k, LB) and upper limit (ω k, UB) SI channel transmit weights (ω k, j) within the scope of the determination SI channel transmit weights (ω k) based on a specified equation By calculating the energy yield accordingly, the maximum value among the calculated energy yields may be obtained as an energy yield corresponding to the K+1 representative power split ratio (ρ k ).

상기 릴레이는 K+1개의 대표 전력 분할비(ρk) 각각에 대응하여 획득된 에너지 수확량 중 최대 에너지 수확량을 판별하고, 판별된 최대 에너지 수확량에 대응하는 대표 전력 분할비(ρk)와 SI 채널 전송 가중치(ωk,j)를 릴레이의 전력 분할비(ρ)와 SI 채널 전송 가중치(ω)로 선택할 수 있다.The relay is K + 1 of the representative power split ratio (ρ k) represents the power split ratio (ρ k) and SI channel corresponding to the maximum energy yield is determined maximum energy yield of the energy yield obtained in correspondence with, respectively, and determines The transmission weight (ω k,j ) can be selected as the relay power split ratio (ρ) and the SI channel transmission weight (ω).

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 FD DF 릴레이는 종단간 SINR을 요구 레벨 이상으로 만족시키면서 SI 채널에 의한 에너지도 수확할 수 있도록 빔포밍 기법을 적용하여, 에너지 수확량이 최대로 할 수 있다.Therefore, the FD DF relay according to the embodiment of the present invention can maximize the energy harvest by applying the beamforming technique to harvest the energy through the SI channel while satisfying the end-to-end SINR above the required level.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 분할 기반 SWIPT FD 릴레이 시스템의 개략적 구조를 나타낸다.
도 2는 도 1의 전력 분할 기반 SWIPT FD 시스템을 간략화하여 재구성한 도면이다.
도 3은 릴레이의 SI 채널과 제2 홉 채널을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 SI 채널 전송 가중치와 전력 분할비에 따른 릴레이의 수신 채널과 송신 채널 각각의 SINR 변화를 나타낸다.
도 5는 전력 분할비의 변화에 따른 OFR의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 K개의 대표 전력 분할비에 대해 에너지를 최대화할 수 있는 SI 채널 전송 가중치를 탐색하는 개념을 나타낸다.
1 shows a schematic structure of a power division based SWIPT FD relay system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a simplified and reconfigured view of the power division-based SWIPT FD system of FIG. 1 .
3 is a diagram for explaining an SI channel and a second hop channel of a relay.
FIG. 4 shows SINR changes of a reception channel and a transmission channel of a relay according to an SI channel transmission weight and a power split ratio.
5 is a diagram for explaining a change in OFR according to a change in a power split ratio.
6 shows a concept of searching for an SI channel transmission weight capable of maximizing energy for K representative power split ratios.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다. In order to fully understand the present invention, the operational advantages of the present invention, and the objects achieved by the practice of the present invention, reference should be made to the accompanying drawings illustrating preferred embodiments of the present invention and the contents described in the accompanying drawings.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다. Hereinafter, the present invention will be described in detail by describing preferred embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings. However, the present invention may be embodied in various different forms, and is not limited to the described embodiments. In addition, in order to clearly describe the present invention, parts irrelevant to the description are omitted, and the same reference numerals in the drawings indicate the same members.

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 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "...기", "모듈", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. Throughout the specification, when a part "includes" a certain component, it does not exclude other components unless otherwise stated, meaning that other components may be further included. In addition, terms such as "... unit", "... group", "module", and "block" described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which is hardware, software, or hardware. and a combination of software.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 분할 기반 SWIPT FD DF 릴레이의 개략적 구조를 나타내고, 도 2는 도 1의 전력 분할 기반 SWIPT FD 시스템을 간략화하여 재구성한 도면이며, 도 3은 릴레이의 SI 채널과 제2 홉 채널을 설명하기 위한 도면이다.1 shows a schematic structure of a power division based SWIPT FD DF relay according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a simplified and reconfigured view of the power division based SWIPT FD system of FIG. 1, and FIG. 3 is the SI of the relay. It is a diagram for explaining a channel and a second hop channel.

도 1 및 도 2를 참조하면, 전력 분할 기반 SWIPT 시스템은 기지국(AP)과 적어도 하나의 릴레이(RS) 및 적어도 하나의 단말(UT)을 포함한다. 기지국(AP)은 릴레이(RS)로 신호와 전력을 전송하고, 릴레이(RS)는 기지국(AP)에서 인가된 신호와 전력을 다시 단말(UT)로 전달한다. 즉 도 1은 송신 노드인 기지국(AP)과 목적 노드인 단말(UT) 사이에 릴레이(RS)가 추가되어 신호를 전달하는 멀티 홉 릴레이 통신 시스템(multi-hop relay communication system)으로 볼 수 있다. 여기서는 기지국(AP)과 릴레이(RS) 사이를 제1 홉(1st-hop)이라 하고, 릴레이(RS)와 단말(UT) 사이를 제2 홉(2nd-hop)이라 한다.1 and 2, the power division-based SWIPT system includes a base station (AP), at least one relay (RS), and at least one terminal (UT). The base station AP transmits a signal and power to the relay RS, and the relay RS transmits the signal and power applied from the base station AP back to the terminal UT. That is, FIG. 1 can be viewed as a multi-hop relay communication system in which a relay (RS) is added between a base station (AP), which is a transmitting node, and a terminal (UT), which is a destination node to transmit signals. Here, a first hop between the base station AP and the relay RS is referred to as a first hop (1 st- hop), and a second hop between the relay RS and the terminal UT is referred to as a second hop (2 nd-hop).

기지국(AP)의 기지국 빔포머(110)는 기지국 안테나의 개수(M)에 대응하는 M × 1 크기의 기지국 빔포밍 벡터(w)에 기반하여 신호(xs)를 (wxs)로 빔포밍하여 릴레이(RS)로 전송하고, 릴레이(RS)는 MR 개의 수신 안테나에 대응하는 수신 빔포밍 벡터(wR)를 이용하여 기지국(AP)에서 전송된 신호(yR)를 (wR HyR)(여기서 wR H은 wR의 에르미트 행렬이다.)로 빔포밍하여 수신한다. 따라서 기지국(AP)과 릴레이(RS) 사이의 제1 홉 채널은 (MR × M) 크기의 제1 홉 행렬(H)로 표현될 수 있다. The base station beamformer 110 of the base station AP beamforms the signal (x s ) into (wx s ) based on the base station beamforming vector w of M × 1 size corresponding to the number (M) of the base station antennas. to the relay (RS), and the relay (RS) converts the signal (y R ) transmitted from the base station (AP) to (w R H ) using the reception beamforming vector (w R ) corresponding to the M R reception antennas. y R ) (where w R H is the Hermitian matrix of w R ) is beamformed and received. Accordingly, the first hop channel between the base station (AP) and the relay (RS) may be expressed as a first hop matrix (H) having a size of (M R × M).

한편, DF 릴레이(RS)는 기지국(AP)으로부터 전송된 수신 신호를 복호 후 재부호화하여 MT 개의 송신 안테나에 대응하는 송신 빔포밍 벡터(wT)를 이용하여 단말(UT)로 재부호화된 신호(xR)를 (wTxR)로 빔포밍하여 전달하고, 단말(UT)은 릴레이(RS)에서 전송된 신호(yD)를 수신한다. 여기서는 단말(UT)은 단일 안테나를 포함하는 것으로 가정한다. 따라서 릴레이(RS)와 단말(UT) 사이의 제2 홉 채널은 (MT × 1) 크기의 제2 홉 벡터(g)로 표현될 수 있다.On the other hand, the DF relay (RS) decodes and re-encodes the received signal transmitted from the base station (AP) to the terminal (UT) using the transmit beamforming vector (w T ) corresponding to the M T transmit antennas. The signal (x R ) is transmitted by beamforming (w T x R ), and the terminal (UT) receives the signal (y D ) transmitted from the relay (RS). Here, it is assumed that the terminal (UT) includes a single antenna. Therefore, the second hop channel between the relay (RS) and the terminal (UT) may be expressed as a second hop vector g with a size of (M T × 1).

다만 릴레이(RS)에서 빔포밍되어 전송되는 재부호화된 신호(wTxR)는 제2 홉 채널(g)을 통해 단말(UT)로 전송될 뿐만 아니라, SI 행렬(HRR)로 표현될 수 있는 SI 채널을 따라 다시 릴레이(RS)의 수신 안테나로 전달될 수 있다. 이때, SI 채널(HRR)과 제2 홉 채널(g) 각각의 경로 손실(Path loss)(αR 2, αD 2)에 의해 재부호화된 신호(wTxR)가 릴레이(RS)와 단말(UT)로 전달될 수 있다. However, the re-encoded signal w T x R transmitted by beamforming from the relay (RS) is not only transmitted to the terminal UT through the second hop channel g, but also expressed as an SI matrix (H RR ). It may be transmitted back to the receiving antenna of the relay (RS) along the available SI channel. At this time, the signal (w T x R ) recoded by the SI channel (H RR ) and the second hop channel (g) by the path loss (α R 2 , α D 2 ) of each relay (RS) and the terminal (UT).

따라서 제1 홉 채널(H)과 SI 채널(HRR)을 통해 전달되는 신호를 모두 고려한 릴레이(RS)의 제n 시간에서의 수신 신호(yR)와 단말(UT)의 수신 신호(yD)는 각각 수학식 1 및 2로 나타날 수 있다. Accordingly, the reception signal (y R ) at the n-th time of the relay (RS) in consideration of both signals transmitted through the first hop channel (H) and the SI channel (H RR ) and the reception signal (y D ) of the terminal (UT) ) may be represented by Equations 1 and 2, respectively.

Figure 112020064668073-pat00002
Figure 112020064668073-pat00002

Figure 112020064668073-pat00003
Figure 112020064668073-pat00003

여기서 nant 와 nD 는 각각 릴레이(RS)의 수신 안테나와 단말(UT)로 유입되는 노이즈를 나타내고, gT 는 제2 홉 벡터(g)의 전치 표현을 나타낸다.Here, n ant and n D represent noise flowing into the receiving antenna of the relay RS and the terminal UT, respectively, and g T represents the transposition of the second hop vector g.

다만 SWIPT 시스템에서 DF 릴레이(RS)는 기지국(AP)에서 전송된 수신 신호의 전력(또는 에너지)에서 기지정된 전력 분할비(Power splitting ratio)(ρ, 0≤ρ≤1)에 따른 비율(ρ)만큼을 데이터 복호에 이용하고 나머지 비율(1-ρ)의 에너지를 자기 자신의 운용을 위해 수확한다.However, in the SWIPT system, the DF relay (RS) is a ratio (ρ, 0 ≤ ρ ≤ 1) according to a predetermined power splitting ratio (ρ, 0 ≤ ρ ≤ 1) in the power (or energy) of the received signal transmitted from the base station (AP). ) is used for data decoding, and the energy of the remaining ratio (1-ρ) is harvested for its own operation.

이에 릴레이(RS)는 MR 개의 수신 안테나를 통해 신호를 수신하는 신호 처리부(210), 신호 처리부(210)로 수신되는 신호에 대해 수신 빔포밍 벡터(wR)를 이용하여 빔포밍하는 수신 빔포머(220), 수신 빔포머(220)를 통해 획득된 신호를 복호하고 다시 재부호화하는 복호부(230)와 복호부(230)에서 재부호화된 신호를 송신 빔포밍 벡터(wT)에 따라 빔포밍하여 MT 개의 송신 안테나를 통해 단말(UT)로 전송하는 송신 빔포머(240) 및 수확된 에너지를 저장하는 배터리(250)를 포함할 수 있다.Accordingly, the relay RS performs beamforming using a reception beamforming vector w R for a signal received by the signal processing unit 210 and the signal processing unit 210 for receiving a signal through the M R reception antennas. The decoder 230 that decodes and re-encodes the signal obtained through the former 220 and the receive beamformer 220 and the signal re-encoded by the decoder 230 according to the transmit beamforming vector w T It may include a transmit beamformer 240 for beamforming and transmitting to the terminal UT through M T transmit antennas, and a battery 250 for storing harvested energy.

이와 같이 릴레이(RS)가 전력 분할비(ρ)에 따른 비율(

Figure 112020064668073-pat00004
)만큼의 에너지를 이용하여 데이터 복호하고 재부호화하여 단말(UT)로 전달하는 경우, 릴레이(RS)의 수신 처리부(210)와 수신 빔포머(220)를 통해 복호부(230)에 인가되는 수신 신호(y'R)는 수학식 1의 수신 신호(yR)로부터 수학식 3과 같이 획득될 수 있다.In this way, the ratio (RS) according to the power division ratio (ρ)
Figure 112020064668073-pat00004
), when the data is decoded and re-encoded and transmitted to the terminal UT, the reception applied to the decoder 230 through the reception processing unit 210 and the reception beamformer 220 of the relay RS. The signal y' R may be obtained as in Equation 3 from the received signal y R of Equation 1

Figure 112020064668073-pat00005
Figure 112020064668073-pat00005

여기서 α'R 은 SI 채널(HRR)의 경로 손실(αR)에 수신 처리부(210)의 아날로그 구성에서의 SI 억압(suppression) 효과가 추가로 반영된 손실을 나타낸다.Where α 'R represents a loss in reflected SI suppression (suppression) effects has been added in the analog configuration of the reception processing unit 210, the path loss (α R) channel of the SI (H RR).

다만 기존의 FD DF 릴레이에서는 종단간 SINR를 최대화하는데 그 목적이 있었으므로, SI가 제거되도록 억제하는 방안만을 고려하였다. 즉 SI 채널의 널 스페이스(null-space)를 이용하는 널 스페이스 투영(null-space projection: NSP) 기법에 따라 SI 전력을 0(HRRwT = 0)으로 유도하였으며, 제2 홉 채널의 SNR이 최대화(max |gTwT|2)되도록 유도하였다.However, since the purpose of the existing FD DF relay was to maximize the end-to-end SINR, only a method of suppressing the SI removal was considered. That is, the SI power is induced to 0 (H RR w T = 0) according to a null-space projection (NSP) technique using the null-space of the SI channel, and the SNR of the second hop channel is It was induced to be maximized (max |g T w T | 2 ).

따라서 FD DF 릴레이에서 수신 빔포머(220)는 기지국(AP)로부터 전송되는 신호에 대한 SINR을 높이기 위해 기지국(AP)의 방향을 지향하도록 수신 빔포밍 벡터(wR)를 구성하고, 송신 빔포머(240)는 단말(UT)로 전송하는 신호에 대한 SINR을 높이기 위해 단말(UT)의 방향을 지향하도록 송신 빔포밍 벡터(wT)를 구성(HRRwT = 0)하였다. Therefore, in the FD DF relay, the receive beamformer 220 configures the receive beamforming vector w R to direct the direction of the base station AP in order to increase the SINR for the signal transmitted from the base station AP, and the transmit beamformer (240) configures the transmission beamforming vector (w T ) to direct the direction of the terminal (UT) in order to increase the SINR for the signal transmitted to the terminal (UT) (H RR w T = 0).

그러나 본 실시예에 따른 SWIPT 시스템에서 FD DF 릴레이(RF)는 기지국(AP)에서 전송된 신호를 단말(UT)로 전달할 뿐만 아니라 기지국(AP)으로부터 에너지를 함께 인가받아야 한다. 그리고 FD DF 릴레이(RS)가 기지국(AP)에서 전달되는 신호의 전력에 의한 에너지만을 수확하는 경우, 신호를 전송하는 대상과 에너지를 전송하는 대상이 모두 기지국(AP)로 동일하다. 따라서 FD DF 릴레이에서 수신 빔포머(220)는 기지국(AP)로부터 전송되는 신호에 대한 SINR과 에너지 수확량을 높이기 위해 기지국(AP)의 방향을 지향하도록 수신 빔포밍 벡터(wR)를 구성될 수 있다. 그리고 송신 빔포머(240)는 단말(UT)로 전송하는 신호에 대한 SINR과 에너지 수확량을 높이기 위해 단말(UT)의 방향을 지향하도록 송신 빔포밍 벡터(wT)를 구성할 수 있다.However, in the SWIPT system according to the present embodiment, the FD DF relay (RF) must not only transmit a signal transmitted from the base station (AP) to the terminal (UT) but also receive energy from the base station (AP). And when the FD DF relay RS harvests only energy by the power of the signal transmitted from the base station AP, both the target for transmitting the signal and the target for transmitting the energy are the same as the base station AP. Therefore, in the FD DF relay, the receive beamformer 220 may configure the receive beamforming vector w R to direct the direction of the base station AP in order to increase the SINR and energy harvest for a signal transmitted from the base station AP. have. In addition, the transmit beamformer 240 may configure the transmit beamforming vector w T to direct the direction of the terminal UT in order to increase the SINR and energy harvest for a signal transmitted to the terminal UT.

그러나 실제 운용에 있어 단말(UT)은 요구되는 SINR 이상의 신호만을 수신할 수 있으면 된다. 이에 본 실시예에서는 FD DF 릴레이(RS)가 기지국(AP)뿐만 아니라 SI 채널을 통해서도 추가적으로 에너지를 수확할 수 있도록 하여 FD DF 릴레이(RS)의 에너지 수확량을 향상시킬 수 있도록 한다.However, in actual operation, the terminal (UT) only needs to be able to receive a signal greater than or equal to the required SINR. Accordingly, in this embodiment, the FD DF relay RS can additionally harvest energy not only through the base station AP but also through the SI channel, thereby improving the energy harvest of the FD DF relay RS.

이를 위해 본 실시예에서 FD DF 릴레이(RS)는 에너지 빔포머(260)를 더 포함하며, 에너지 빔포머(260)는 에너지 빔포밍 벡터(wE)를 이용하여 MR 개의 수신 안테나를 통해 SI 채널로 전달되는 에너지의 수확량을 향상시킨다. 다만 송신 빔포머(240)가 단말(UT)로 전송하는 신호에 대한 SINR을 높이기 위해 SI 채널로의 신호를 최대한 억제하도록 송신 빔포밍 벡터(wT)를 구성하게 되면, 에너지 빔포머(260)가 에너지 수확량을 향상시키고자 에너지 빔포밍 벡터(wE)를 이용할 지라도 에너지 수확량의 증대를 기대하기 어렵다.To this end, in the present embodiment, the FD DF relay RS further includes an energy beamformer 260, and the energy beamformer 260 uses an energy beamforming vector w E to SI through M R reception antennas. Improves the yield of energy delivered to the channel. However, when the transmit beamformer 240 configures the transmit beamforming vector w T to suppress the signal to the SI channel as much as possible in order to increase the SINR for the signal transmitted to the terminal UT, the energy beamformer 260 . It is difficult to expect an increase in the energy yield even if the energy beamforming vector (w E ) is used to improve the energy yield.

따라서 본 실시예에서 송신 빔포머(240)는 도 3에 도시된 바와 같이, 단말(UT)로 전송되는 신호의 SINR이 기지정된 요구 SINR을 만족하도록 하면서, 나머지는 SI 채널을 통해 MR 개의 수신 안테나로 전달되도록 하여 에너지 수확량이 증대되도록 한다. 도 3에서 uR과 vR은 각각 SI 채널을 표현하는 SI 행렬(HRR)에서 MR 개의 수신 안테나와 MT 개의 송신 안테나에 대응하는 MR × 1 크기와 MT × 1 크기의 단위 놈 벡터(unit-norm vector)이다.Therefore, in the present embodiment, the transmit beamformer 240, as shown in FIG. 3, allows the SINR of the signal transmitted to the terminal (UT) to satisfy a predetermined required SINR, and the remaining M R numbers are received through the SI channel. It is transmitted to the antenna to increase the energy harvest. In Figure 3 u R and v R are SI matrix (H RR) from the M R receive antennas and M corresponds to the T transmit antennas M R × 1 size and M T × 1 size units him to expressing SI channels each It is a unit-norm vector.

도 3을 참조하면, 송신 빔포머(240)는 단말(UT)로 전송되는 신호의 SINR과 SI 채널로 피드백되는 에너지 수확량을 함께 고려하여 송신 빔포밍 벡터(wT)를 구성해야 한다.Referring to FIG. 3 , the transmit beamformer 240 must configure the transmit beamforming vector w T in consideration of the SINR of the signal transmitted to the terminal UT and the energy harvest fed back to the SI channel.

이에 송신 빔포밍 벡터(wT)에 대응하는 채널은 수학식 4와 같이 SI 채널(HRR)에서 MT 개의 송신 안테나로의 성분(vR H)과 제2 홉 채널(gT)에 대한 QR 분해(QR decomposition) 형태로 표현될 수 있다. 도 3에서는 SI 채널(HRR)의 MT 개의 송신 안테나로의 성분(vR H)이 함께 고려되어야 함에 따라 변형된 제2 홉 채널(gT)로 표현하였다.Accordingly, the channel corresponding to the transmit beamforming vector (w T ) is the component (v R H ) from the SI channel (H RR ) to the M T transmit antennas and the second hop channel (g T ) as shown in Equation 4 It can be expressed in the form of QR decomposition. In FIG. 3 , it is expressed as a modified second hop channel (g T ) as the components (v R H ) of the SI channel (H RR ) to the M T transmit antennas must be considered together.

Figure 112020064668073-pat00006
Figure 112020064668073-pat00006

여기서 g* 은 제2 홉 채널(g)의 켤레전치 행렬이고,

Figure 112020064668073-pat00007
는 단위 놈 벡터(vR)에 대한 직교 칼럼 벡터로서 단위 놈 벡터(vR)에 대한 널 스페이스를 나타낸다. 그리고 R1,1, R1,2, R2,2 는 QR 분해로 획득되는 상삼각 행렬(R)의 원소들로서 복소수이다.where g * is the conjugate transpose matrix of the second hop channel (g),
Figure 112020064668073-pat00007
denotes the null space for the unit norm vector (v R ) as an orthogonal column vector for the unit norm vector (v R ). And R 1,1 , R 1,2 , R 2,2 are complex numbers as elements of an upper triangular matrix R obtained by QR decomposition.

수학식 4로부터 송신 빔포밍 벡터(wT)의 지향 성분(wT/∥wT∥)은 수학식 5로 도출될 수 있다.From Equation (4), the directional component (w T /|| w T ||) of the transmit beamforming vector (w T ) can be derived by Equation (5).

Figure 112020064668073-pat00008
Figure 112020064668073-pat00008

수학식 5로부터 송신 빔포밍 벡터(wT)의 지향 성분(wT/∥wT∥)은 SI 채널(HRR)의 MT 개의 송신 안테나에 매칭된 단위 놈 벡터(vR)와 단위 놈 벡터(vR)의 널 스페이스(

Figure 112020064668073-pat00009
)에 대한 가중 합(weighted sum)으로 구성될 수 있음을 알 수 있다. 여기서 ω(0≤ ω ≤1))는 SI 채널(HRR)의 MR 개의 수신 안테나로의 성분(vR H)과 제2 홉 채널(gT) 중 SI 채널 성분(vR H)에 대한 지향 성분의 비율을 나타내는 SI 채널 전송 가중치이고,
Figure 112020064668073-pat00010
로서 두 복소수(R1,1, R1,2)의 위상을 매칭하는 위상 매칭 파라미터이다.Oriented component of a transmission beamforming vector (w T) from equation 5 (w T / ∥w T ∥ ) is the SI unit of he channel vector matching the M T transmit antennas in the (H RR) (v R) and the unit he null space in vector (v R ) (
Figure 112020064668073-pat00009
It can be seen that it can be composed of a weighted sum of ). where ω(0≤ ω ≤1)) is the component of the SI channel (H RR ) to the M R receive antennas (v R H ) and the SI channel component (v R H ) of the second hop channel (g T ). SI channel transmission weight indicating the ratio of directional components to
Figure 112020064668073-pat00010
It is a phase matching parameter that matches the phases of two complex numbers (R 1,1 , R 1,2 ).

Figure 112020064668073-pat00011
이고,
Figure 112020064668073-pat00012
이므로, 수학식 5의 송신 빔포밍 벡터(wT)를 이용하는 경우, SI 채널(vR H)과 제2 홉 채널(gT) 각각에 대한 유효 채널(effective channel)은 수학식 6으로 표현될 수 있다.
Figure 112020064668073-pat00011
ego,
Figure 112020064668073-pat00012
Therefore, when using the transmit beamforming vector (w T ) of Equation 5, the effective channel for each of the SI channel (v R H ) and the second hop channel (g T ) is expressed by Equation 6 can

Figure 112020064668073-pat00013
Figure 112020064668073-pat00013

수학식 6으로부터 SI 채널 전송 가중치(ω)로 표현되는 송신 빔포밍 벡터(wT)는 채널 환경 및 에너지/데이터 성능 척도를 종합적으로 표현할 수 있는 형태임을 알 수 있다. 이는 SI 채널 전송 가중치(ω)에 따라 SI를 완벽하게 제거하기 위해 널 스페이스 투영(NSP)하는 경우(ω = 0)로부터 FD DF 릴레이(RS)의 에너지 수확량을 최대화하기 위해 SI 채널로 최대비 전송(maximal-ratio transmission: MRT)하는 경우(ω = 1)를 모두 포괄하도록 표현된 일반화된 형태의 빔포밍 벡터로 볼 수 있다. 여기서 SI를 완벽하게 제거하기 위해 널 스페이스 투영(NSP)하는 경우로서 (HRRwT = 0)로 표현될 수도 있으며, 제2 홉 채널로 최대비 전송(MRT)하는 경우로 해석하여, 수학식 3의 |gTwT|가 최대인 경우로 표현될 수도 있다. From Equation 6, it can be seen that the transmit beamforming vector w T expressed by the SI channel transmission weight ω has a form that can comprehensively express the channel environment and energy/data performance measures. This is the maximum ratio transmission to the SI channel to maximize the energy yield of the FD DF relay (RS) from the null space projection (NSP) case (ω = 0) to completely remove the SI according to the SI channel transmission weight (ω). (maximal-ratio transmission: MRT) can be viewed as a generalized beamforming vector expressed to cover all cases (ω = 1). Here, it may be expressed as (H RR w T = 0) as a case of null space projection (NSP) to completely remove SI, and interpreted as a case of maximum ratio transmission (MRT) to the second hop channel, 3 may be expressed as a case where |g T w T |

한편, 수신 빔포밍 벡터(wR)는 기본적으로 제1 홉 채널(H)의 SINR에만 관여한다. 따라서 수신 빔포머(220)는 제1 홉 채널을 통해 전송되는 신호의 SINR이 최대가 되도록 수신 빔포밍 벡터(wR)를 구성한다. 종단간 SINR(γ)가 제1 홉 채널(H)의 SINR(γ1)과 제2 홉 채널(g)의 SINR(γ2) 중 작은 값(γ = min (γ1, γ2))으로 결정되므로, 종단간 SINR을 향상시키기 위해서는 제1 홉 채널(H)과 제2 홉 채널(g)의 SINR(γ1, γ2)을 모두 높여야 하기 때문이다.On the other hand, the reception beamforming vector w R is basically concerned only with the SINR of the first hop channel (H). Accordingly, the reception beamformer 220 configures the reception beamforming vector w R such that the SINR of a signal transmitted through the first hop channel is maximized. The end-to-end SINR (γ) in a first hop channel (H) SINR (γ 1) and the smaller of the SINR (γ 2) of the second hop channel (g) (γ = min ( γ 1, γ 2)) of Therefore, in order to improve the end-to-end SINR, it is necessary to increase both the SINRs (γ 1 , γ 2 ) of the first hop channel (H) and the second hop channel (g).

한편 제1 홉의 유효 채널 벡터(h)는 제1 홉 채널(H)과 기지국 빔포밍 벡터(w)로부터 h = Hw로 표현될 수 있으며, 송신 빔포밍 벡터(wT)를 고려한 SI 채널(HRR)에 대한 유효 채널 벡터(hRR)는 hRR = HRRwT 로 표현될 수 있다. 이에 제1 홉의 SINR(γ1)은 수학식 7로 표현될 수 있다.The effective channel vector (h) of the first hop is a SI channel considering the first hop channel (H) and can be represented by h = Hw from the base station beamforming vector (w), transmission beamforming vector (w T) ( The effective channel vector (h RR ) for H RR ) may be expressed as h RR = H RR w T . Accordingly, the SINR(γ 1 ) of the first hop may be expressed by Equation (7).

Figure 112020064668073-pat00014
Figure 112020064668073-pat00014

여기서 Ps 와 PR 은 각각 기지국(AP)에서 전송된 신호(xs)와 릴레이(RS)에서 전송된 신호(xR)의 세기이다.Here, P s and P R are the strengths of a signal (x s ) transmitted from the base station (AP ) and a signal (x R ) transmitted from the relay (RS), respectively.

수학식 7에 따른 제1 홉 채널(H)의 SINR(γ1)을 최대화하기 위한 수신 빔포밍 벡터(wR)를 구하는 문제는

Figure 112020064668073-pat00015
이고,
Figure 112020064668073-pat00016
라 할 때,
Figure 112020064668073-pat00017
를 최대화하는 문제이며, 이는 일반화된 고유값 문제(generalized eigenvalue problem)로 해석될 수 있다.The problem of obtaining a reception beamforming vector (w R ) for maximizing the SINR (γ 1 ) of the first hop channel (H) according to Equation 7 is
Figure 112020064668073-pat00015
ego,
Figure 112020064668073-pat00016
When you say
Figure 112020064668073-pat00017
is a problem of maximizing , which can be interpreted as a generalized eigenvalue problem.

그리고 이러한 최대화 문제의 해는 행렬 A-1B(여기서 A-1 은 A의 역행렬)의 가장 큰 고유값에 대응되는 고유 벡터(eigenvector)이다. 따라서 행렬 A-1B에 대한 고유 해석(eigen analysis)을 위해, 수학식 7과 같이 A의 역행렬(A-1)에 대한 고유 분해(eigen decomposition)를 우선 수행할 수 있다.And the solution of this maximization problem is the eigenvector corresponding to the largest eigenvalue of the matrix A -1 B (where A -1 is the inverse of A). Therefore, for eigen analysis of the matrix A -1 B, eigen decomposition may be first performed on the inverse matrix A -1 of A as shown in Equation (7).

Figure 112020064668073-pat00018
Figure 112020064668073-pat00018

수학식 8의 고유 분해를 바탕으로 행렬 A-1B의 B를 구성하는 채널 벡터(h)는 A-1 를 구성하는 기저 벡터 형태인 수학식 9로 다시 표현될 수 있다.Based on the eigen decomposition of Equation 8, the channel vector (h) constituting B of the matrix A −1 B may be expressed again by Equation 9, which is a basis vector constituting A −1 .

Figure 112020064668073-pat00019
Figure 112020064668073-pat00019

여기서 δ=hHhRR 이며, δi=hHui 이다.where δ=h H h RR and δ i =h H u i .

그리고 수학식 9로부터 행렬 A-1B 는 수학식 10과 같이 랭크 원(rank-one) 행렬로 표현될 수 있다.And from Equation (9), the matrix A -1 B may be expressed as a rank-one matrix as in Equation (10).

Figure 112020064668073-pat00020
Figure 112020064668073-pat00020

두 벡터 x와 y의 곱으로 정의되는 랭크 원 행렬(xyH)의 고유 벡터는 x임을 이용하면, 제1 홉의 SINR(γ1)을 최대화하기 위한 수신 빔포밍 벡터(wR)에 대한 최종해는 수학식 11로 계산될 수 있다.Using that the eigenvector of the rank one matrix (xy H ) defined as the product of two vectors x and y is x, the final reception beamforming vector (w R ) for maximizing the SINR (γ 1 ) of the first hop The solution may be calculated by Equation (11).

Figure 112020064668073-pat00021
Figure 112020064668073-pat00021

그리고 수학식 11에 따라 획득될 수 있는 제1 홉 채널(H)의 최대 SINR(max γ1)은

Figure 112020064668073-pat00022
이고, 이는
Figure 112020064668073-pat00023
로 표현될 수 있으며, 임의의 송신 빔포밍 벡터(wT)로 획득할 수 있는 최대 SINR을 나타낸다. And the maximum SINR (max γ 1 ) of the first hop channel (H) that can be obtained according to Equation 11 is
Figure 112020064668073-pat00022
and this is
Figure 112020064668073-pat00023
It can be expressed as , and represents the maximum SINR obtainable with an arbitrary transmit beamforming vector (w T ).

수학식 11과 함께 수학식 6의 SI 채널 전송 가중치(ω)에 대한 함수 형태로 일반화된 송신 빔포밍 벡터(wT)를 적용하면, 제1 홉 채널(H)과 제2 홉 채널(g)의 SINR(γ1, γ2)은 각각 수학식 12 및 수학식 13으로 나타난다. When a generalized transmit beamforming vector (w T ) is applied in the form of a function for the SI channel transmission weight (ω) of Equation (6) together with Equation (11), the first hop channel (H) and the second hop channel (g) SINR(γ 1 , γ 2 ) of is expressed by Equations 12 and 13, respectively.

Figure 112020064668073-pat00024
Figure 112020064668073-pat00024

Figure 112020064668073-pat00025
Figure 112020064668073-pat00025

수학식 12 및 13에서 제1 홉 채널(H)의 SINR(γ1(ω, ρ))은 SI 채널 전송 가중치(ω)에 대한 단조 감소 함수이며, 전력 분할비(ρ)에 대한 단조 증가 함수이다. 또한 제2 홉 채널(g)의 SINR(γ2(ω))은 SI 채널 전송 가중치(ω)에 대한 오목(concave) 함수이다. 따라서 제1 및 제2 홉 채널(H, g)의 SINR(γ1(ω, ρ), γ2(ω))은 도 4와 같은 그래프로 나타난다.In Equations 12 and 13, the SINR(γ 1 (ω, ρ)) of the first hop channel H is a monotonic decreasing function for the SI channel transmission weight ω, and a monotonic increasing function for the power division ratio ρ to be. Also, the SINR (γ 2 (ω)) of the second hop channel g is a concave function with respect to the SI channel transmission weight ω. Accordingly, the SINRs (γ 1 (ω, ρ), γ 2 (ω)) of the first and second hop channels (H, g) are shown as a graph as shown in FIG. 4 .

도 4는 SI 채널 전송 가중치와 전력 분할비에 따른 릴레이의 수신 채널과 송신 채널 각각의 SINR 변화를 나타낸다.4 shows the SINR change of each of a reception channel and a transmission channel of the relay according to the SI channel transmission weight and the power split ratio.

상기한 바와 같이, 릴레이(RS)의 수신 채널인 제1 홉 채널(H)의 SINR(γ1(ω, ρ))은 SI 채널 전송 가중치(ω)에 대한 단조 감소 함수이며, 전력 분할비(ρ)에 대한 단조 증가 함수이고, 송신 채널인 제2 홉 채널(g)의 SINR(γ2(ω))은 SI 채널 전송 가중치(ω)에 대한 오목 함수이므로, 도 4에서 x축은 SI 채널 전송 가중치(ω)를 나타내고, y축은 제1 홉 채널(H)의 SINR(γ1)을 나타낸다. As described above, the SINR (γ 1 (ω, ρ)) of the first hop channel (H), which is the reception channel of the relay (RS), is a monotonic decreasing function for the SI channel transmission weight (ω), and the power split ratio ( ρ), and the SINR(γ 2 (ω)) of the second hop channel g, which is the transmission channel, is a concave function with respect to the SI channel transmission weight ω, so the x-axis in FIG. 4 is the SI channel transmission weight (ω), and the y-axis represents the SINR (γ 1 ) of the first hop channel (H).

그리고 서로 다른 전력 분할비(ρ = 0.3, 0.4, 0.6, 1) 각각에서 SI 채널 전송 가중치(ω)의 변화에 따른 제1 홉 채널(H)의 SINR(γ1(ω, ρ))의 변화를 서로 다른 다수의 곡선으로 표시하였으며, 다수의 제1 홉 채널(H)의 SINR(γ1)와 대비하기 위해, SI 채널 전송 가중치(ω)의 변화에 따른 제2 홉 채널(g)의 SINR(γ2(ω))을 함께 도시하였다. And the change in the SINR (γ 1 (ω, ρ)) of the first hop channel (H) according to the change in the SI channel transmission weight (ω) at different power division ratios (ρ = 0.3, 0.4, 0.6, 1), respectively is represented by a number of different curves, and in order to contrast with the SINR (γ 1 ) of the plurality of first hop channels (H), the SINR of the second hop channel (g) according to the change of the SI channel transmission weight (ω) (γ 2 (ω)) is plotted together.

상기한 바와 같이 종단간 SINR(γ)가 제1 홉 채널(H)의 SINR(γ1)과 제2 홉 채널(g)의 SINR(γ2) 중 작은 값으로 수학식 14에 따라 결정된다.To a value of the end-to-end SINR (γ) is SINR (γ 2) of the first hop channel (H) SINR (γ 1) and the second hop channel (g) of as described above is determined according to the equation (14).

Figure 112020064668073-pat00026
Figure 112020064668073-pat00026

그리고 릴레이(RS)의 에너지 수확량(E)은 제1 홉 채널(H) 및 SI 채널(HRR)로 수신된 신호를 에너지 빔포머(260)가 에너지 빔포밍 벡터(wE)를 이용하여 빔포밍한 결과로 정의될 수 있으므로, 수학식 15로 정의될 수 있다.And the energy yield (E) of the relay (RS) is a signal received through the first hop channel (H) and the SI channel (H RR ), the energy beamformer 260 is a beam using the energy beamforming vector (w E ) Since it can be defined as a result of forming, it can be defined by Equation (15).

Figure 112020064668073-pat00027
Figure 112020064668073-pat00027

여기서 λmax 는 제1 홉 채널(H)의 최대 특이값(largest singular value)의 제곱을 나타내고, u는 제1 홉 채널(H)에서 MR 개의 수신 안테나에 대응하는 MR × 1 크기의 단위 놈 벡터로 제1 홉 수신 단위 놈 벡터라 할 수 있고, uR 은 상기한 바와 같이, SI 채널(HRR)에서 MR 개의 수신 안테나에 대응하는 MR × 1 크기의 단위 놈 벡터로서 SI 수신 단위 놈 벡터라 할 수 있다.Where λ max is the first represents the square of the maximum singular value (largest singular value) of the hop channel (H), u is the first hop channel (H) units of M R × 1 size corresponding to M R receive antennas in bastard vector and with it the first hop the receiving unit he vector, u R is, SI channel (H RR) from the received SI as the unit he vector of M R × 1 size corresponding to M R receive antennas as described above, It can be called a unit norm vector.

수학식 15로부터 에너지 빔포밍 벡터(wE)는 제1 홉 수신 단위 놈 벡터(u)와 SI 수신 단위 놈 벡터(uR)에 대한 가중합(weighted sum)으로 수학식 16으로 설계될 수 있음을 알 수 있다.From Equation 15, the energy beamforming vector (w E ) can be designed as Equation 16 as a weighted sum of the first hop reception unit norm vector (u) and the SI reception unit norm vector (u R ) can be known

Figure 112020064668073-pat00028
Figure 112020064668073-pat00028

여기서 ζ는 제1 홉 채널(H)과 SI 채널(HRR) 중 제1 홉 채널(H)에 대한 포밍 가중치이다.Here, ζ is a forming weight for the first hop channel (H) among the first hop channel (H) and the SI channel (H RR ).

제1 홉 수신 단위 놈 벡터(u)와 SI 수신 단위 놈 벡터(uR)를 각각 αR 2PRω2 와 λmaxPS 의 전력을 갖는 분기(branch)로 해석하면, 포밍 가중치(ζ)는

Figure 112020064668073-pat00029
로 설정될 수 있다. 그리고 수학식 16의 에너지 빔포밍 벡터(wE)를 적용하게 되면, 수학식 15의 릴레이(RS)의 에너지 수확량은 수학식 17과 같이, SI 채널 전송 가중치(ω)에 대한 유리 함수(rational function)(f(ω))의 형태로 표현될 수 있다.If the first hop reception unit norm vector (u) and the SI reception unit norm vector (u R ) are interpreted as branches having powers of α R 2 P R ω 2 and λ max P S , respectively, the forming weight (ζ ) is
Figure 112020064668073-pat00029
can be set to And when the energy beamforming vector w E of Equation 16 is applied, the energy yield of the relay RS of Equation 15 is a rational function for the SI channel transmission weight ω as shown in Equation 17 )(f(ω)).

Figure 112020064668073-pat00030
Figure 112020064668073-pat00030

그리고 에너지 수확을 위한 전력 분할비(ρ)를 고려한 에너지 수확량(E)에 대한 최종식은 수학식 17의 SI 채널 전송 가중치(ω)에 대한 유리 함수(f(ω))로부터 수학식 18과 같이 간략화될 수 있다.And the final expression for the energy yield (E) considering the power split ratio (ρ) for energy harvesting is simplified as in Equation 18 from the rational function (f(ω)) for the SI channel transmission weight (ω) of Equation 17 can be

Figure 112020064668073-pat00031
Figure 112020064668073-pat00031

본 실시예에 따른 릴레이(RS)는 수학식 14의 종단간 SINR(γ)과 수학식 18의 에너지 수확량(E)을 동시에 고려하여, 종단간 SINR(γ)이 요구되는 기준 SINR(γ*) 이상이 되도록 만족시키면서, 에너지 수확량(E)을 최대화해야 한다.The relay RS according to this embodiment considers the end-to-end SINR (γ) of Equation 14 and the energy yield (E) of Equation 18 at the same time, and the reference SINR (γ * ) for which the end-to-end SINR (γ) is required The energy yield (E) should be maximized while satisfying the ideal.

이에 본 실시예에서는 상기한 제1 홉 채널(H)의 SINR(γ1(ω, ρ))과 제2 홉 채널(g)의 SINR(γ2(ω)), 전력 분할비(ρ) 및 SI 채널 전송 가중치(ω) 사이의 관계를 고려하면, 도 4에서 종단간 SINR(γ = min(γ1, γ2))이 기준 SINR(γ*) 이상을 만족하는 SI 채널 전송 가중치(ω) 영역이 중요하며, 이 영역을 여기서는 장애 자유 영역(outage-free region: 이하 OFR)로 정의한다.In this embodiment, the SINR (γ 1 (ω, ρ )) and second (2 γ (ω)) SINR of the second hop channel (g), the power split ratio (ρ) of the above-described first hop channel (H) and Considering the relationship between the SI channel transmission weights (ω), the SI channel transmission weights (ω) where the end-to-end SINR (γ = min(γ 1 , γ 2 )) in FIG. 4 satisfies the reference SINR(γ * ) or more The region is important, and this region is defined herein as an outage-free region (hereinafter, OFR).

수학식 12 및 13에으로 표현된 제1 홉 채널(H)과 제2 홉 채널(g)의 SINR(γ1, γ2)을 고려할 때, 전력 분할비(ρ)가 증가하면, 즉 SINR을 향상시키고자 하면, 두가지 트레이드 오프가 발생된다. Considering the SINRs (γ 1 , γ 2 ) of the first hop channel (H) and the second hop channel (g) expressed in Equations 12 and 13, when the power division ratio ρ increases, that is, the SINR is If you want to improve, there are two trade-offs.

첫째는 릴레이(RS)에서 에너지 수확 비율(1-ρ)이 감소하게 되어 에너지 수확량이 감소하게 되는 트레이드 오프가 발생한다. 그리고 두번째로는 제1 홉 채널(H)의 SINR(γ1)이 감소하여 OFR이 감소되는 트레이드 오프가 발생된다. 이를 그래프로 표현하면 도 5로 나타나게 된다.First, a trade-off occurs in that the energy harvest ratio (1-ρ) decreases in the relay RS, and thus the energy harvest decreases. And secondly, the SINR(γ 1 ) of the first hop channel H decreases, resulting in a trade-off in which the OFR decreases. If this is expressed as a graph, it is shown in FIG. 5 .

도 5는 전력 분할비의 변화에 따른 OFR의 변화를 설명하기 위한 도면이다.5 is a diagram for explaining a change in OFR according to a change in a power split ratio.

도 5를 참조하면, 제1 홉 채널(H)의 SINR(γ1)은 최대 전력 분할비(ρmax = 1)에서 최대이다. 만일 최대 전력 분할비(ρmax)에서도 OFR이 형성되지 않는 경우, 장애(outage) 발생으로 볼 수 있다. 그러나 OFR이 형성된다면, 최대 전력 분할비(ρmax = 1)러부터 전력 분할비(ρ)를 점차 감소시킨다. 전력 분할비(ρ)가 감소함에 따라 OFR이 점차 감소되므로, 에너지 수확량을 최대화할 가능성이 있는 극점의 수가 줄어들게 된다. 이에 감소되는 전력 분할비(ρ)에 의해 OFR이 형성될 수 있는 최소 전력 분할비(ρ = ρmin)를 탐색한다. 전력 분할비(ρ)가 최소 전력 분할비(ρmin) 미만인 경우, OFR이 형성되지 않아 기준 SINR(γ*)을 만족시킬 수 없게 되므로 장애가 발생하므로, 최소 전력 분할비(ρmin) 미만의 전력 분할비(ρ)는 고려할 필요가 없다.Referring to FIG. 5 , the SINR(γ 1 ) of the first hop channel H is maximum at the maximum power division ratio (ρ max = 1). If the OFR is not formed even at the maximum power split ratio (ρ max ), it may be regarded as an outage occurrence. However, if OFR is formed, the power division ratio ρ is gradually decreased from the maximum power division ratio ρ max = 1 . As the power split ratio ρ decreases, the OFR gradually decreases, reducing the number of poles that are likely to maximize energy yield. Accordingly, the minimum power division ratio (ρ = ρ min ) at which the OFR can be formed by the reduced power division ratio ρ is searched for. When the power division ratio (ρ) is less than the minimum power division ratio (ρ min ), an OFR is not formed and the reference SINR(γ * ) cannot be satisfied, so a failure occurs, so the power less than the minimum power division ratio (ρ min ) The split ratio ρ does not need to be considered.

다만, 전력 분할비(ρ)가 최소 전력 분할비(ρmin) 이상인 OFR 영역에서도 전력 분할비(ρ)와 SI 채널 전송 가중치(ω)의 두 파라미터가 높은 자유도로 선택될 수 있다면, 최적의 전력 분할비(ρ)와 SI 채널 전송 가중치(ω)를 산출하기에 매우 복잡한 연산을 필요로 하게 된다.However, if the two parameters of the power division ratio ρ and the SI channel transmission weight ω can be selected with a high degree of freedom even in the OFR region in which the power division ratio ρ is equal to or greater than the minimum power division ratio ρ min , the optimal power A very complex operation is required to calculate the split ratio (ρ) and the SI channel transmission weight (ω).

이에 본 발명에서는 전력 분할비(ρ)를 최소 전력 분할비(ρmin)와 최대 전력 분할비(ρmax = 1)의 범위를 기지정된 K등분하여, K+1개의 대표 전력 분할비(ρk, 여기서 k = 0 ~ K)을 우선 설정한다. 그리고 K+1개의 대표 전력 분할비(ρk) 각각에 대해 에너지를 최대화할 수 있는 SI 채널 전송 가중치(ω)를 탐색한다.Accordingly, in the present invention, the power division ratio (ρ) is divided into a predetermined range of the minimum power division ratio (ρ min ) and the maximum power division ratio (ρ max = 1) by K, and K+1 representative power division ratios (ρ k , where k = 0 ~ K) is set first. Then, an SI channel transmission weight (ω) capable of maximizing energy for each of the K+1 representative power split ratios (ρ k ) is searched.

도 6은 K개의 대표 전력 분할비를 설정하여 에너지를 최대화할 수 있는 SI 채널 전송 가중치를 탐색하는 개념을 나타낸다.6 shows a concept of searching for an SI channel transmission weight capable of maximizing energy by setting K representative power split ratios.

도 6을 참조하면, 우선 도 5에서 탐색된 최소 전력 분할비(ρmin)와 최대 전력 분할비(ρmax = 1)의 범위를 기지정된 K등분하여, K+1개의 대표 전력 분할비(ρk)를 설정한다. 여기서 K+1개의 대표 전력 분할비(ρk)는 최대 전력 분할비(ρ0 = ρmax = 1)로부터 균등 크기(

Figure 112020064668073-pat00032
) 단위로 차감하여, 나머지 K개의 대표 전력 분할비(ρk)를 설정한다.Referring to FIG. 6 , first, the ranges of the minimum power split ratio (ρ min ) and the maximum power split ratio (ρ max = 1) found in FIG. 5 are divided into K predetermined, and K+1 representative power split ratios (ρ) k ) is set. Here, the K+1 representative power split ratio (ρ k ) is an equal size ( ρ 0 = ρ max = 1) from the maximum power split ratio (ρ 0 = ρ max = 1).
Figure 112020064668073-pat00032
) to set the remaining K representative power division ratios (ρ k ).

그리고 설정된 K+1개의 대표 전력 분할비(ρk)에 의해 구분된 구간 각각에 대응하는 SI 채널 전송 가중치(ωk)의 하한(ωk,LB)과 상한(ω k,UB)을 판별하고, 판별된 SI 채널 전송 가중치(ωk)의 하한(ωk,LB)과 상한(ω k,UB) 범위 내에서 SI 채널 전송 가중치(ωk,j)를 가변하여, 수학식 18에 따른 에너지 수확량(E)을 최대로 할 수 있는 유리 함수(f(ω))의 극값에 대응하는 SI 채널 전송 가중치(max ωk,j)를 검출한다.And determine the lower limit (ω k,LB ) and upper limit (ω k,UB ) of the SI channel transmission weight (ω k ) corresponding to each section divided by the set K+1 representative power split ratio (ρ k ), , it is determined SI channel transmit weights lower limit of the (ω k) (ω k, LB) and the variable upper limit (ω k, UB) SI channel transmit weights (ω k, j) in the range, energy according to the equation (18) The SI channel transmission weight max ω k,j corresponding to the extreme value of the rational function f(ω) capable of maximizing the yield E is detected.

Figure 112020064668073-pat00033
Figure 112020064668073-pat00033

이때, 다수의 대표 전력 분할비(ρk)에 대응하는 에너지 수확량(Ek)을 검출하는 SI 채널 전송 가중치(ω)가 검출될 수 있으며, 이 경우 각 대표 전력 분할비(ρk)에서 탐색된 에너지 수확량(Ek) 중 최대인 최대 에너지 수확량(Emax = max (Ek|k=0,…,K))을 나타내는 전력 분할비(ρk)와 SI 채널 전송 가중치(ωk,j)를 본 실시예에 따른 FD DF 릴레이(RS)를 위한 전력 분할비(ρ)와 SI 채널 전송 가중치(ω)로 결정할 수 있다.In this case, an SI channel transmission weight (ω) for detecting an energy harvest (E k ) corresponding to a plurality of representative power split ratios (ρ k ) may be detected, and in this case, a search is performed at each representative power split ratio (ρ k ) The power split ratio (ρ k ) and the SI channel transmission weight (ω k,j ) representing the maximum energy yield (E max = max (E k | k=0,…,K )) among the energy harvests (E k ). ) may be determined as the power division ratio ρ and the SI channel transmission weight ω for the FD DF relay RS according to the present embodiment.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiment shown in the drawings, which is only exemplary, those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom.

따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.Accordingly, the true technical protection scope of the present invention should be defined by the technical spirit of the appended claims.

AP: 기지국 RS: 릴레이
UT: 단말 110: 기지국 빔포머
210: 신호 수신부 220: 수신 빔포머
230: 복호부 240: 송신 빔포머
250: 배터리 260: 에너지 빔포머
AP: base station RS: relay
UT: terminal 110: base station beamformer
210: signal receiving unit 220: receiving beamformer
230: decoder 240: transmit beamformer
250: battery 260: energy beamformer

Claims (8)

기지국으로부터 빔포밍되어 제1 홉 채널을 통해 전송된 신호를 빔포밍하여 수신하고, 수신된 신호의 전력을 분할하여 신호를 복호 후 재부호화함과 동시에 에너지를 수확하고, 재부호화된 신호를 빔포밍하여 제2 홉 채널을 통해 단말로 전송하는 릴레이를 포함하는 전력 분할 기반 무선 정보 및 전력 동시 전송(이하 SWIPT) 전이중(이하 FD) 복호 후 전달(이하 DF) 릴레이 시스템의 릴레이에 있어서,
상기 수신된 신호로부터 복호에 이용될 전력과 수확할 에너지의 비를 나타내는 전력 분할비(ρ)와 신호를 상기 단말로 전송하기 위한 송신 빔포밍 시에 상기 제2 홉 채널과 자기 간섭 채널(이하 SI) 중 SI 채널로의 빔포밍 가중치를 나타내는 SI 채널 전송 가중치(ω)에 관한 함수로 표현된 제1 홉 채널의 SINR(γ1)과 제2 홉 채널의 SINR(γ2) 사이의 관계로부터 상기 기지국과 상기 단말 사이의 종단간 SINR(γ)이 기지정된 기준 SINR(γ*) 이상을 만족하는 장애 자유 영역(이하 OFR)을 검출하며, 상기 OFR에 대응하는 전력 분할비(ρ)의 범위를 기지정된 K개의 구간으로 구분하여 K+1개의 대표 전력 분할비(ρk)를 획득하고, K+1개의 대표 전력 분할비(ρk) 각각에 대해 에너지 수확량을 최대로 하는 SI 채널 전송 가중치(ωk,j)를 검출한 후, 검출된 SI 채널 전송 가중치(ωk,j)에 따른 에너지 중 최대 에너지 수확량을 획득하는 대표 전력 분할비(ρk)와 SI 채널 전송 가중치(ωk,j)를 선택하는 릴레이.
A signal beamformed from the base station and transmitted through the first hop channel is beamformed and received, the power of the received signal is divided to decode and re-encode the signal, and at the same time harvest energy, and beamform the re-encoded signal. In the relay of the relay system, power division-based wireless information and power simultaneous transmission (hereinafter SWIPT), full-duplex (hereinafter FD), and forward (hereinafter DF), including a relay for transmitting to the terminal through the second hop channel,
A power split ratio (ρ) indicating a ratio of power to be used for decoding and energy to be harvested from the received signal, and the second hop channel and the self-interference channel (hereinafter referred to as SI) during transmission beamforming for transmitting a signal to the terminal From the relationship between the SINR(γ 1 ) of the first hop channel and the SINR(γ 2 ) of the second hop channel expressed as a function of the SI channel transmission weight (ω) representing the beamforming weight to the SI channel in The end-to-end SINR (γ) between the base station and the terminal detects a failure free region (hereinafter, OFR) that satisfies a predetermined reference SINR (γ * ) or more, and the range of the power division ratio (ρ) corresponding to the OFR SI channel transmission weight ( ) that obtains K+1 representative power split ratios (ρ k ) by dividing into K predetermined sections, and maximizes the energy harvest for each of K+1 representative power split ratios (ρ k ) after detecting ω k, j), the detected SI channel transmit weights (representing the power split ratio (ρ k) and SI channel transmit weights to obtain the maximum energy yield of the energy according to ω k, j)k, j ) relay to select.
제1항에 있어서, 상기 릴레이는
다수의 수신 안테나를 통해 수신되는 신호 중 상기 전력 분할비(ρ)에 대응하는 비율의 전력으로 신호를 수신하는 신호 수신부;
상기 신호 수신부로 수신되는 신호에 대해 수신 빔포밍 벡터(wR)를 이용하여 빔포밍하는 수신 빔포머;
상기 수신 빔포머를 통해 획득된 신호를 복호하고 다시 재부호화하여 복호부;
상기 복호부에서 재부호화된 신호를 송신 빔포밍 벡터(wT)에 따라 빔포밍하여 다수의 송신 안테나를 통해 상기 단말로 전송하는 송신 빔포머; 및
다수의 수신 안테나를 통해 수신되는 신호 중 상기 신호 수신부로 전달되는 전력을 제외한 나머지 전력의 신호에 대해 에너지 빔포밍 벡터(wE)를 이용하여 빔포밍하는 에너지 빔포머; 및
상기 에너지 빔포머에 의해 빔포밍되어 전달된 신호의 전력을 에너지로 수확하여 저장하는 배터리를 포함하는 릴레이.
According to claim 1, wherein the relay
a signal receiving unit for receiving a signal with power of a ratio corresponding to the power division ratio (ρ) among signals received through a plurality of receiving antennas;
a reception beamformer for beamforming a signal received by the signal reception unit using a reception beamforming vector (w R );
a decoding unit for decoding and re-encoding the signal obtained through the reception beamformer;
a transmit beamformer for beamforming the signal re-encoded by the decoder according to a transmit beamforming vector w T and transmitting it to the terminal through a plurality of transmit antennas; and
an energy beamformer for beamforming a signal of power remaining except for power transmitted to the signal receiver among signals received through a plurality of reception antennas using an energy beamforming vector (w E ); and
and a battery for harvesting and storing power of a signal beamformed and transmitted by the energy beamformer as energy.
제2항에 있어서, 상기 송신 빔포머는
상기 SI 채널 전송 가중치(ω)에 따라 상기 송신 빔포밍 벡터(wT)를 설정하고, 설정된 송신 빔포밍 벡터(wT)에 따라 빔포밍하여 상기 제2 홉 채널과 상기 SI 채널로 재부호화된 신호를 전송하는 릴레이.
3. The method of claim 2, wherein the transmit beamformer
The transmit beamforming vector w T is set according to the SI channel transmission weight ω, and the second hop channel and the SI channel are recoded by beamforming according to the set transmit beamforming vector w T . A relay that transmits a signal.
제3항에 있어서, 상기 에너지 빔포머는
상기 제1 홉 채널로 전송되는 신호와 상기 SI 채널을 통해 전송되는 신호에 대한 수신 비율을 조절하는 포밍 가중치(ζ)에 따라 상기 에너지 빔포밍 벡터(wE)를 설정하고, 상기 포밍 가중치(ζ)는 상기 SI 채널 전송 가중치(ω)에 의해 결정되는 릴레이.
4. The method of claim 3, wherein the energy beamformer is
The energy beamforming vector w E is set according to a forming weight ζ that adjusts a reception ratio of a signal transmitted through the first hop channel and a signal transmitted through the SI channel, and the forming weight ζ ) is the relay determined by the SI channel transmission weight (ω).
제4항에 있어서, 상기 릴레이는
상기 전력 분할비(ρ)를 기지정된 최대값에 대응하는 최대 전력 분할비(ρmax = 1)로부터 기지정된 단위로 감소시키면서, 상기 제1 홉 채널의 SINR(γ1)과 상기 제2 홉 채널의 SINR(γ2)를 각각 계산하고, 계산된 상기 제1 홉 채널의 SINR(γ1)과 상기 제2 홉 채널의 SINR(γ2) 중 작은 값으로 계산되는 종단간 SINR(γ = min(γ1, γ2))이 상기 기준 SINR(γ*) 이상인 OFR이 존재하는지 검출하여, 상기 OFR이 존재하는 전력 분할비(ρ) 중 최소값인 최소 전력 분할비(ρmin)를 판별하며, 판별된 최소 전력 분할비(ρmin)로부터 최대 전력 분할비(ρmax)까지의 범위를 K개의 구간으로 구분하여 K+1개의 대표 전력 분할비(ρk)를 획득하는 릴레이.
5. The method of claim 4, wherein the relay
SINR(γ 1 ) of the first hop channel and the second hop channel while decreasing the power division ratio (ρ) by a predetermined unit from a maximum power division ratio (ρ max = 1) corresponding to a predetermined maximum value SINR(γ 2 ) of each is calculated, and the end-to-end SINR calculated as the smaller of the calculated SINR(γ 1 ) of the first hop channel and the SINR(γ 2 ) of the second hop channel (γ = min( γ 1 , γ 2 )) detects whether an OFR equal to or greater than the reference SINR(γ * ) exists, and determines the minimum power division ratio (ρ min ), which is the minimum value among the power division ratios (ρ) in which the OFR exists, and determines A relay for obtaining K+1 representative power split ratios (ρ k ) by dividing the range from the minimum power split ratio (ρ min ) to the maximum power split ratio (ρ max ) into K sections.
제5항에 있어서, 상기 릴레이는
K+1개의 대표 전력 분할비(ρk)는 상기 최대 전력 분할비(ρmax)로부터 균등 크기 단위(
Figure 112020064668073-pat00034
)로 반복 차감하여 획득하는 릴레이.
The method of claim 5, wherein the relay
The K+1 representative power split ratio (ρ k ) is an equal size unit ( ρ max ) from the maximum power split ratio (ρ max )
Figure 112020064668073-pat00034
) by repeatedly subtracting the relay.
제6항에 있어서, 상기 릴레이는
K+1개의 대표 전력 분할비(ρk)에 의해 구분된 구간 각각에 대응하는 SI 채널 전송 가중치(ωk)의 하한(ωk,LB)과 상한(ω k,UB)을 판별하고, 판별된 SI 채널 전송 가중치(ωk)의 하한(ωk,LB)과 상한(ω k,UB) 범위 내에서 SI 채널 전송 가중치(ωk,j)를 가변하면서, 기지정된 수학식에 따라 에너지 수확량을 계산하여, 계산된 에너지 수확량 중 최대값을 K+1개의 대표 전력 분할비(ρk)에 대응하는 에너지 수확량으로 획득하는 릴레이.
7. The method of claim 6, wherein the relay
Determine the lower limit (ω k,LB ) and the upper limit (ω k,UB ) of the SI channel transmission weight (ω k ) corresponding to each section divided by the K+1 representative power split ratio (ρ k ), and determine the SI channel transmit weights (ω k) of the lower limit (ω k, LB) and upper limit (ω k, UB) while varying a SI channel transmit weights (ω k, j) to the extent, electrical energy yield according to a specified formula A relay for obtaining the maximum value among the calculated energy yields as an energy yield corresponding to the K+1 representative power split ratio (ρ k ) by calculating .
제7항에 있어서, 상기 릴레이는
K+1개의 대표 전력 분할비(ρk) 각각에 대응하여 획득된 에너지 수확량 중 최대 에너지 수확량을 판별하고, 판별된 최대 에너지 수확량에 대응하는 대표 전력 분할비(ρk)와 SI 채널 전송 가중치(ωk,j)를 릴레이의 전력 분할비(ρ)와 SI 채널 전송 가중치(ω)로 선택하는 릴레이.
The method of claim 7, wherein the relay
K + 1 of the representative power split ratio (ρ k) represents the power split ratio (ρ k) and SI channel transmission weight corresponding to the maximum energy yield is determined maximum energy yield of the energy yield obtained in correspondence with, respectively, and determine ( A relay that selects ω k,j as the relay's power split ratio (ρ) and SI channel transmission weight (ω).
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