KR102278037B1 - 듀얼 모드로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 위해 송신기가 수행하는 수신기 제어 방법, 기계학습 기반 적응형 모드 전환 방법 및 이를 수행하는 장치 - Google Patents

듀얼 모드로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 위해 송신기가 수행하는 수신기 제어 방법, 기계학습 기반 적응형 모드 전환 방법 및 이를 수행하는 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 단일 톤 모드 또는 다중 톤 모드인 듀얼 모드로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 위해 송신기가 수행하는 수신기 제어 방법, 기계학습 기반 적응형 모드 전환 방법 및 이를 수행하는 장치에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 모드 SWIPT 시스템의 송신기에서 수행되는 수신기 제어 방법은 하나 이상의 동기화 프레임을 제1 수신기에게 송신하는 단계, 제1 수신기로부터 동기화 프레임에 대한 ACK 프레임을 제어 프레임 내에 수신하는 단계, 동기화 프레임에 대한 ACK 프레임에 포함된 제1 수신기의 수신 전력에 관한 정보에 기초하여 적응형 모드 전환을 수행하는 단계, 적응형 모드 전환에 관한 정보와 제1 수신기의 주소 정보를 포함하는 적응형 모드 전환 프레임을 생성하고, 제1 수신기에 송신하는 단계 및 제1 수신기로부터 적응형 모드 전환 프레임에 대한 ACK 프레임을 수신하면, SWIPT 프레임을 제1 수신기에 송신하는 단계를 포함하고, 이때 동기화 프레임에 대한 ACK 프레임 및 적응형 모드 전환 프레임에 대한 ACK 프레임은 제1 수신기의 수신 전력에 관한 정보를 포함할 수 있다.

Description

듀얼 모드로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 위해 송신기가 수행하는 수신기 제어 방법, 기계학습 기반 적응형 모드 전환 방법 및 이를 수행하는 장치{METHOD FOR CONTROLLING RECEIVER BY TRANSMITTER FOR SIMULTANEOUS WIRELESS INFORMATION AND POWER TRANSFER OPERATING IN DUAL MODE, ADAPTIVE MODE SWITCHING METHOD BASED ON MACHINE LEARNING, AND APPARATUS FOR PERFORMING THE SAME}
본 발명은 단일 톤 모드 또는 다중 톤 모드인 듀얼 모드로 동작하는 무선전력/정보 동시전송(SWIPT: Simultaneous Wireless Information and Power Transmission)을 위해 송신기가 수행하는 수신기 제어 방법, 기계학습 기반 적응형 모드 전환 방법 및 이를 수행하는 장치에 관한 것으로, 듀얼 모드 SWIPT 시스템의 송신기가 적응형 모드 전환을 수행하는 방법과 복수의 수신기를 제어하는 방법, 이에 대한 송/수신기에 관한 것이다.
최근 무선 전력 공급 및 정보 전송 기술에 관한 연구가 계속되고 있다. 무선 전력 공급 및 정보 전송 기술은 사물 인터넷(IoT:Internet-of-Things), 웨어러블 장치(wearable device) 및 바이오 센서 등과 같이 낮은 전력 소모량을 가지는 장치에 전력을 공급하는데 주효하다. 기존의 무선으로 정보와 에너지를 동시에 전송하는 기술인 무선정보/전력 동시 전송(SWIPT: Simultaneous Wireless Information and Power Transmission)은 시간을 분할하여 에너지와 정보를 순차적으로 수신하는 시분할 방식(TS: time-switching)과 수신 신호의 전력을 분할하여 일부 신호는 에너지를 수집하는 회로로 전달하고, 일부 신호는 정보를 수신하는 회로로 제공하는 전력분할 방식(PS: power-splitting)이 있다.
종래의 듀얼 모드(dual mode)로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 사용하는 경우, 수신기에서 지속적으로 배터리 상태, 수신 신호 전력, 전송 속도 QoS(Quality of Service)를 모니터링한 후 이에 따라 에너지 수집 효율, 데이터 전송속도 등을 선택하기 때문에, 수신기에서 고성능의 MCU(Micro-Controller Unit)가 필요하였다. 따라서, IoT 센서와 같이 매우 낮은 전력으로 동작하는 수신기에는 듀얼 모드 SWIPT 시스템을 적용하기가 어려웠다.
또한 듀얼 모드 SWIPT 시스템은 환경에 따라 지속적으로 송/수신기간 통신 모드를 전환해야 하므로 송/수신기간 동기화가 중요하다. 그러나 WiFi 및 Bluetooth와 같은 상용 기술의 동기화 방식은 에너지와 정보를 동시에 전송하는 구성은 고려하지 않고 있어, 듀얼 모드 SWIPT 시스템의 송/수신기간 동기화 방법에 대한 연구가 진행 중에 있다.
본 발명의 목적은 듀얼 모드 SWIPT 시스템에서 송신기가 적응형 모드 전환을 수행하기 위한 대부분의 연산을 수행함으로써, 수신기의 복잡도 및 소비 전력을 감소시킬 수 있는 듀얼 모드 SWIPT을 위한 적응형 모드 전환 방법 및 이를 수행하는 장치 를 제공하는데 있다.
또한 본 발명의 또 다른 목적은 듀얼 모드 SWIPT 시스템의 송/수신기간 동기화 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 모드 SWIPT 시스템의 송신기에서 적응형 모드 전환을 수행하는 방법에 있어서, 수신기로부터 v번째 채널에서 수신기의 수신 전력(Pr,v )을 수신하는 단계, 수신 전력(Pr,v )과 소정의 문턱값(Pth )을 비교하는 단계, 비교 결과에 기초하여 단일 톤 모드 또는 다중 톤 모드 중 하나를 단일/다중 톤 모드(i)로 선택하는 단계, 선택된 단일/다중 톤 모드(i)와 수신 전력(Pr,v )에 기초하여 변조 지수(L)를 선택하는 단계, 선택된 단일/다중 톤 모드(i), 선택된 변조 지수(L) 및 듀티 사이클(Dv )을 수신기에 송신하는 단계를 포함하고, 듀티 사이클(Dv )은 수신기에서 단일 톤 신호를 복호하는데 소모되는 전력, 다중 톤 신호를 복호하는데 소모되는 전력 및 수신기에 의해 v번째 채널 동안 수집되는 전력에 기초하여 결정되는 것이다.
바람직하게는, 소정의 문턱값(P th )은 소정의 시간동안 선택된 복수의 단일/다중 톤 모드, 변조 지수 및 듀티 사이클과 소정의 시간동안 수신기의 수신 전력 중 적어도 하나를 이용하여 기계 학습을 수행한 후 결정된 것이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른, 듀얼 모드 SWIPT 시스템의 송신기에서 수행되는 수신기 제어 방법은 하나 이상의 동기화 프레임을 제1 수신기에게 송신하는 단계, 제1 수신기로부터 동기화 프레임에 대한 ACK 프레임을 제어 프레임 내에 수신하는 단계, 동기화 프레임에 대한 ACK 프레임에 포함된 제1 수신기의 수신 전력에 관한 정보에 기초하여 적응형 모드 전환을 수행하는 단계, 적응형 모드 전환에 관한 정보와 제1 수신기의 주소 정보를 포함하는 적응형 모드 전환 프레임을 생성하고, 제1 수신기에 송신하는 단계, 제1 수신기로부터 적응형 모드 전환 프레임에 대한 ACK 프레임을 수신하면, SWIPT 프레임을 제1 수신기에 송신하는 단계를 포함하고, 동기화 프레임에 대한 ACK 프레임 및 적응형 모드 전환 프레임에 대한 ACK 프레임은 제1 수신기의 수신 전력에 관한 정보를 포함하는 것이다.
바람직하게는, SWIPT 프레임은 변조되지 않은 에너지 수집 프레임(EH Frame)과 변조된 정보 전송 프레임(ID Frame)을 포함한다.
바람직하게는, 하나 이상의 동기화 프레임을 제1 수신기에게 송신하는 단계는, 하나 이상의 동기화 프레임을 다중 톤 모드로 제1 수신기에 송신하는 단계이다.
바람직하게는, 제어 프레임 내에 상기 제1 수신기로부터 동기화 프레임에 대한 ACK 프레임을 수신하지 못하는 경우 SWIPT 프레임 대신 무선 에너지 전송을 위한 프레임을 전송하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 송신기는 TDM(Time Division Multiplexing) 및 D-TDM (Dynamic-TDM) 중 적어도 하나의 다중 분할 방식을 이용하여 제1 수신기를 포함하는 복수의 수신기를 제어하는 것이다.
바람직하게는, SWIPT 프레임을 제1 수신기에 송신하는 단계는, 송신기 및 제1 수신기가 각각 다중 안테나를 포함하는 경우, 송신기의 제1 안테나로부터 제1 수신기의 수신 전력에 관한 정보를 수신하고, 송신기의 제2 안테나를 이용하여 상기 SWIPT 프레임을 제1 수신기에 송신하는 단계이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른, 적응형 모드 전환을 수행하는 듀얼 모드 SWIPT 시스템의 송신기는 수신기로 전송하기 위해 단일 톤 및 다중 톤 중 적어도 하나를 생성하는, 단일/다중 톤 생성부 및 수신기로부터 수신된 후방산란 신호에 기초하여 수신기의 수신 전력에 관한 정보를 추출하고, 추출된 수신 전력에 관한 정보에 기초하여 단일/다중 톤 모드, 변조 지수 및 듀티 사이클을 결정하고, 결정 결과를 수신기로 전송하기 위해 출력하는, 적응형 모드 전환부를 포함한다.
바람직하게는, 적응형 모드 전환부는, 소정의 시간동안 선택된 복수의 단일/다중 톤 모드, 변조 지수 및 듀티 사이클과 소정의 시간동안 수신기의 수신 전력 중 적어도 하나를 이용하여 기계 학습을 수행하고, 단일/다중 톤 모드를 결정하는데 기초가 되는 소정의 문턱값을 생성하는, 기계 학습부를 더 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른, 듀얼 모드 SWIPT 시스템의 수신기에서 적응형 모드 전환을 수행하는 방법은 송신기로부터 수신된 동기화 프레임에 기초하여 동기화를 수행하고, 전력을 수집하는 단계, 수집된 전력이 문턱값 이상이면, 동기화 프레임에 대한 ACK 프레임을 송신하는 단계, 송신기로부터 적응형 모드 전환 정보가 수신되면, 수신된 적응형 모드 전환 정보에 따라 수신 모드를 설정하는 단계 및 듀티 사이클 동안 송신기로부터 SWIPT 프레임을 수신하고, SWIPT 프레임에 대한 ACK를 송신하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른, 적응형 모드 전환을 수행하는 듀얼 모드 SWIPT 시스템의 수신기는 수신 신호로부터 에너지를 수집하는 에너지 수집부, 수신 신호로부터 소정의 변조 신호를 추출하고 복호화하는 단일 톤 정보 수신부, 수신 신호로부터 소정의 PAPR(Peak-to-Average Power Ratio) 신호를 추출하고 복호화하는, 다중 톤 PAPR 정보 수신부, 수신기의 수신 전력에 관한 정보를 모니터링하고, 송신기로부터 수신된 단일/다중 톤 모드, 변조 지수 및 듀티 사이클에 기초하여 적응형 모드 전환을 수행하는, 전력 관리부 및 송신기로 전송하기 위해 모니터링 정보를 출력하는, 후방산란 신호 송신부를 포함한다.
바람직하게는, 모니터링 정보는 송신기에서 기계 학습을 위해 사용되고, 후방산란 신호 송신부는 캐리어 이미터(carrier emitter) 또는 주변소음 신호(ambient signal) 중 적어도 하나를 반사하여 정보를 송신한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 모드 SWIPT 시스템은 수신기에 비해 상대적으로 전력의 제한이 없는 송신기에 적응형 모드 전환 수행 방법이 집중되어 있어, 저전력 IoT 장치를 수신기로 활용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 송신기는 기계 학습에 활용해 모드 전환 방법의 복잡도를 낮출 수 있다. 만약, 기계 학습에 기반한 모드 전환 방법에 RNN (Recurrent Neural Network)와 같은 구조를 사용한다면, 실제 통신 환경 변화를 더 잘 반영한 모드 전환이 가능할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 모드 SWIPT 시스템에서 송신기가 수신기를 제어하는 방법은 송신기가 수신기에게 에너지 전송과 동기화 및 제어 신호 전송을 함께 수행하므로, 에너지 자급이 가능한 효과가 있다. 따라서 하나의 송신기가 다수의 저전력 IoT 기기에 전력을 공급함과 동시에 정보 송수신도 함께 지원하는 미래 low-end IoT 네트워크 환경에 활용 가능하다.
한편, 본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 이하에서 설명할 내용으로부터 통상의 기술자에게 자명한 범위 내에서 다양한 효과들이 포함될 수 있다.
도 1은 종래의 단일 톤 모드 SWIPT와 다중 톤 모드 SWIPT를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 듀얼 모드 SWIPT이 가능한 송신기의 서비스 영역 내에 복수의 수신기가 존재하는 환경을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 송신기 및 수신기 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 송신기 및 수신기 구조를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 기계 학습 기반의 듀얼 모드 SWIPT 시스템을 위한 적응형 모드 전환 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 기계 학습 기반의 SWIPT 시스템을 위한 적응형 모드 전환 방법의 장기/단기 적응형 모드 전환 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 기계 학습 기반의 적응형 모드 전환 SWIPT 시스템에 관한 실험 결과를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 적응형 모드 전환 SWIPT 시스템의 송신기가 복수의 수신기를 제어할 때 전송하는 프레임의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 적응형 모드 전환 SWIPT 시스템의 송/수신기간 동기화 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따른 송/수신기가 적응형 모드 전환 SWIPT을 수행하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 모드 SWIPT을 위한 적응형 모드 전환 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 모드 SWIPT 시스템의 송신기에서 적응형 모드 전환을 수행하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 모드 SWIPT 시스템의 송신기에서 수행되는 수신기 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 모드 SWIPT 시스템의 수신기에서 적응형 모드 전환을 수행하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수개의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수개의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수개의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 종래의 단일 톤 모드 SWIPT와 다중 톤 모드 SWIPT를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, SWIPT의 단일 톤 모드는 M-ary 변조 방식을 사용하므로 전송률이 비교적 높고, 정류기의 비선형적 특성에 의해 높은 RF 수신 전력(0dBm 이상)에서 높은 RF 에너지 변환 효율(PCE: Power Conversion Efficiency)을 보인다. 그러나, SWIPT 다중 톤 모드에 비해 수신기의 서비스 영역이 좁고 전력 소모가 크다.
반면, SWIPT의 다중 톤 모드는 PAPR (Peak-to-Average Power Ratio) 변조 방식을 사용하기 때문에, 전송률은 낮지만 수신기의 채널 추정이 필요하지 않고 전력을 크게 소모하지 않는 포락선 검출기를 활용하므로 수신기의 전력 소모를 줄일 수 있다. 또한, 다중 톤 모드는 서비스 영역이 넓고, 낮은 RF 수신전력(0dBm 이하)에서 정류기의 비선형적인 특성으로 인해 PCE를 높일 수 있다.
이와 같이 SWIPT의 단일 톤 모드와 다중 톤 모드는 서로 장단점을 가지고 있다. 이에 따라, 통신 환경에 따라 적응적으로 모드를 전환하여 두 기법을 효율적으로 사용하기 위해 듀얼 모드 SWIPT 시스템이 제안되었다.
도 2는 듀얼 모드 SWIPT이 가능한 송신기의 서비스 영역 내에 복수의 수신기가 존재하는 환경을 도시한 도면이다.
듀얼 모드 SWIPT 시스템은 듀얼 모드 SWIPT로 모드 스위칭이 가능한 송신기(210) 및 복수의 수신기(220, 230, 240, 250 및 260)를 포함할 수 있다.
송신기(210)는 복수의 수신기(220, 230, 240, 250 및 260)의 각 수신 환경에 따라 통신 모드를 선택하여, 단일 톤으로 신호를 발생시켜 전송하거나 또는 다중 톤으로 신호를 발생시켜 전송할 수 있다.
도 2를 참조하면, 제1 수신기(220)는 단일 톤 SWIPT 모드 서비스 영역(201) 내에 있으므로, 송신기(210)는 제1 수신기(220)에게 고속의 데이터를 송신할 수 있다. 그러나, 제2 수신기(230)의 경우 단일 톤 SWIPT 모드 서비스 영역(201)의 경계에 위치하고 있어, 송신기(210)는 제2 수신기(230)를 위한 통신 모드를 다중 톤 SWIPT 모드로 스위칭한다.
한편, 제3 수신기(240)는 다중 톤 SWIPT 모드 서비스 영역(202) 내에 있으므로, 송신기(210)는 제3 수신기(240)의 채널 환경에 기초하여 다중 톤 SWIPT 모드로 스위칭한다. 다중 톤 SWIPT 모드 서비스 영역(202)의 경계에 위치한 제4 수신기(250)의 경우 송신기(210)는 톤의 수(Q)를 증가시킨 다중 톤 SWIPT 모드로 제4 수신기(250)에게 전력을 전송할 수 있다. 그러나, 다중 톤 SWIPT 모드 서비스 영역(202)을 벗어난 제5 수신기(260)의 경우, SWIPT가 아닌 WPT(Wireless Power Transfer)로 동작할 수 있다.
다시 말해 듀얼 모드 SWIPT 시스템의 수신기는 지속적으로 배터리 상태, 수신 신호 전력 및 전송속도 요구량(QoS: Quality of Service)을 모니터링하고, 모니터링된 정보에 따라 통신 모드와 그에 따른 변조 지수를 선택한다. 이를 위해 수신기는 큰 소모 전력을 요구하는 고성능의 MCU(Micro-Controller Unit)가 필요하기 때문에, IoT 센서와 같이 매우 낮은 전력으로 동작하는 환경에 적용하기에는 어려움이 있다.
또한 듀얼 모드 SWIPT 시스템의 송/수신기 각각은 채널 환경에 기초하여 지속적으로 통신 모드를 전환하기 때문에, 송/수신기간의 동기화가 중요하다. 그러나 WiFi 및 Bluetooth와 같은 상용 기술의 동기화 방식은 에너지와 정보를 동시에 전송하는 구성을 고려하지 않으므로, 듀얼 모드 SWIPT 시스템에 적용하기에는 어려움이 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 송신기 및 수신기 구조를 나타낸 도면이다.
일 실시예에 따른 듀얼 모드 SWIPT 시스템(300)의 송신기(310)는 단일/다중 톤 생성부(312) 및 적응형 모드 전환부(313)를 포함할 수 있다.
단일/다중 톤 생성부(312)는 수신기로 전송하기 위해 단일 톤 신호 및 다중 톤 신호 중 적어도 하나를 생성할 수 있다.
적응형 모드 전환부(313)는 수신기(350)로부터 수신된 후방산란 신호에 기초하여 수신기(350)의 수신 전력에 관한 정보를 추출하고, 추출된 수신 전력에 관한 정보에 기초하여 단일/다중 톤 모드, 변조 지수 및 듀티 사이클(duty cycle)을 결정하고, 결정 결과를 수신기(350)로 전송하기 위해 출력할 수 있다. 적응형 모드 전환부(313)에 의해 수행되는 적응형 모드 전환 방법은 이하 도 5를 통해 자세히 설명될 것이다.
한편, 듀얼 모드 SWIPT 시스템(300)의 수신기(350)는 에너지 수집부(352), 단일 톤 정보 수신부(353), 다중 톤 PAPR 정보 수신부(354), 후방산란(backscatter) 정보 송신부(355) 및 전력 관리부(356)를 포함할 수 있다.
에너지 수집부(352)는 수신 신호로부터 에너지를 수집할 수 있다.
단일 톤 정보 수신부(353)는 수신 신호로부터 소정의 변조 신호를 추출하고 복호화할 수 있다.
다중 톤 PAPR 정보 수신부(354)는 수신 신호로부터 소정의 PAPR(Peak-to-Average Power Ratio) 신호를 추출하고 복호화할 수 있다.
전력 관리부(356)는 수신기(350)의 수신 전력에 관한 정보를 모니터링하고, 송신기(310)로부터 수신된 단일/다중 톤 모드, 변조 지수 및 듀티 사이클에 기초하여 적응형 모드 전환을 수행할 수 있다.
후방산란 정보 송신부(355)는 수신기(350)의 수신 전력 모니터링 정보를 송신기(310)로 전송하기 위해 출력할 수 있다. 여기서 후방산란 정보 송신부(355)는 매 시간 블록마다 모니터링 정보를 출력할 수 있고, 출력된 모니터링 정보는 기계 학습에 기초가 될 수 있다.
일 실시예에 따른 후방산란 신호 송신부(355)는 캐리어 이미터(carrier emitter) 또는 주변소음 신호(ambient signal) 중 적어도 하나를 반사하여 정보를 송신할 수 있어, 소모 전력이 매우 낮아 저전력 수신기를 구현하는데 적합하다.
또한 일 실시예에 따른 수신기(350)는 듀티 사이클 동작을 지원하며, 적응적 모드 전환 알고리즘에 따라 최적의 비율로 에너지 수집과 정보 수신 및 복조를 수행할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 송신기 및 수신기 구조를 나타낸 도면이다.
도 4의 듀얼 모드 SWIPT 시스템의 송신기(transmitter)는 M-ary 변조를 수행하는 단일 톤 생성부(도 4에서 single tone으로 도시됨), PAPR 변조를 수행하는 다중 톤 생성부(도 4의 multi-tone으로 도시됨) 및 적응형 모드 전환부(adaptive MS Module)를 포함할 수 있다. 적응형 모드 전환부(adaptive MS Module)는 매 시간 블록마다 적응형 모드 전환을 수행하는 단기 적응형 모드 전환부(도 4에서 short-term으로 도시됨)와 기계 학습을 수행하는 장기 적응형 모드 전환부(도 4에서 long-term으로 도시됨)를 포함할 수 있다.
한편, 도 4의 송신기(transmitter)의 단일 톤 생성부와 다중 톤 생성부는 적응형 모드 전환부(adaptive MS Module)로부터 출력되는 신호에 의해 스위칭될 수 있다. 따라서, 도 4의 단일 톤 생성부와 다중 톤 생성부를 결합한 구성은 도 3의 단일/다중 톤 생성부(312)와 대응될 수 있다.
한편, 수신기(receiver)는 에너지 수집부(도 4에서 energy path로 도시됨), 단일 톤 정보 수신부(도 4에서 information path으로 도시됨), 다중 톤 PAPR 정보 수신부(도 4에서 PAPR path으로 도시됨), 후방산란 정보 송신부(backscatter signal transmitter) 및 전력 관리부(PMM: Power Management Module)를 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 기계 학습 기반의 듀얼 모드 SWIPT 시스템을 위한 적응형 모드 전환 방법을 설명하기 위한 도면이다.
일 실시예에 따른 수신기는 v 번째 시간 블록에서 에너지 수집부에 의해 수신되는 전력 P r,v 을 전력 관리부를 통해 모니터링하고, 모니터링된 수신 전력을 후방산란 신호 송신부를 통해 송신기에 전송한다.
이후 송신기의 적응형 모드 전환부는 수신기의 수신 전력(Pr,v )과 모드 전환 문턱 값(Pth )을 비교하여 단일/다중 톤 모드(i∈{1, 0}, 1의 경우 단일 톤, 0의 경우 다중 톤 모드)를 선택하고 최적의 변조지수(modulation index, L∈{M, Q}, M은 변조 지수, Q는 다중 톤 모드에서 톤의 수)를 단일 톤 모드이면 M으로, 다중 톤 모드이면 Q로 결정한다. 듀티 사이클(duty cycle ratio, Dv )은 SWIPT 프레임을 전송하는 주기를 의미하며, 에너지 자급(self-powering)을 위해 수신기 배터리의 전력 잔여량이 하나의 시간 블록 내에서 수신기의 소모 전력보다 항상 많도록 아래 수학식 1의 조건을 통해 결정한다.
[수학식 1]
Figure 112019108066588-pat00001
E C,s , E C,m (P C,s , P C,m )은 각각 단일/다중 톤 신호를 복호하는데 소모되는 에너지(전력)을 의미하며, E EH (P EH )는 수신기가 듀티 사이클 동작에서 v번째 시간 블록에서 수집한 에너지(전력)을 뜻한다. 결정된 모드 전환 정보(i, L, D v )는 제어 신호를 통해 수신기에 전달된다. 또한, 송신기는 RNN(Recurrent Neural Network)을 활용하여 모드 전환 문턱 값(P th )을 업데이트하기 위해 결정된 모드 전환 정보(i, L, D v )와 수신기의 수신 전력(P r,v )을 저장한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 기계 학습 기반의 SWIPT 시스템을 위한 적응형 모드 전환 방법의 장기/단기 적응형 모드 전환 방법을 설명하기 위한 도면이다.
일 실시예에 따른 듀얼 모드 SWIPT 시스템의 적응형 모드 전환 방법에서, 매 시간 블록마다 수학식 1에 기초하여 모드 전환 정보(i, L, D v )를 결정하는 과정은 단기 적응형 모드 전환(short-term adaptive MS)으로 정의할 수 있다.
이때 일 실시예에 따른 적응형 모드 전환 방법은 단기 적응형 모드 전환을 수행할 뿐 아니라, 기계 학습부를 통해 장기 적응형 모드 전환(long-term adaptive MS)을 수행할 수 있다.
구체적으로, 송신기는 소정의 시간 블록 수(W) 만큼 각 시간 블록의 단기 적응형 모드 전환을 반복해서 수행하고, 각 시간 블록의 모드 전환 정보를 기계 학습부에 입력하여 Deep RNN을 수행함으로써, 모드 전환 문턱 값(P th )을 업데이트할 수 있다.
여기서 Deep RNN은 여러 층의 LSTM(Long Short Term Memory)가 연결된 구조를 갖는 심층 신경망으로, 주어진 데이터의 시간에 따른 변화도 함께 학습하는 기계 학습 기법이다. 실제 통신 환경은 시간에 따라 높은 연관성(temporal correlation)을 가지므로, Deep RNN을 활용하여 W 개의 시간 블록 동안 장기 적응형 모드 전환을 수행하면 다음 블록에 해당하는 최적화된 모드 전환 문턱 값(P th )을 얻을 수 있다.
도 6을 참고하면, 모드 전환을 수행하기 위한 대부분의 연산은 송신기의 적응형 모드 전환부에서 수행되고 수신기의 전력 관리부는 단순히 매 시간 블록마다 제어 신호에 따라 수동적으로 모드 전환을 수행한다. 따라서 일 실시예에 따른 듀얼 모드 SWIPT 시스템은 수신기의 전력 소모를 최소화하면서 최적의 모드 전환을 수행할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 기계 학습 기반의 적응형 모드 전환 SWIPT 시스템에 관한 실험 결과를 나타낸 도면이다.
도 7을 참고하면, 일 실시예에 따른 기계 학습 기반의 듀얼 모드 SWIPT 시스템은 기존의 단일 톤만을 활용하는 기법(single tone only)과 다중 톤만을 활용하는 기법(multi-tone only)과 비교하여 성능이 우수함을 확인할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 기계 학습 기반의 듀얼 모드 전환 방법의 결과(dual mode-RNN)는 모든 경우의 수를 전부 탐색하여 얻은 이상적인 결과(dual mode-exhaustive)의 결과가 거의 일치한다.
따라서, 도 7을 통해 일 실시예에 따른 기계 학습 기반의 듀얼 모드 전환 방법은 효율적으로 최적의 모드 전환을 수행하는 것을 확인할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 적응형 모드 전환 SWIPT 시스템의 송신기가 복수의 수신기를 제어할 때 전송하는 프레임의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
일 실시예에 따른 듀얼 모드 단일/다중 톤 모드 전환 수행 방법의 경우, 수신기로부터 모니터링 정보를 받아 송신기가 전체 SWIPT 시스템의 모드 전환 동작을 결정하므로 송/수신기간 동기화 및 제어 신호의 전달이 매우 중요하다. 또한, 저전력 IoT 환경에서는 수신기가 전력 소모를 줄이기 위해 대부분의 시간동안 슬립 모드(sleep mode)를 유지하는 방식으로 동작하기 때문에, 에너지 자급을 위해서는 제어 신호를 수신하는데 필요한 전력을 공급해야 한다. 이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 모드 SWIPT 시스템은 수신기의 wake-up과 동시에 동기화를 수행할 수 있다.
한편, 대부분의 저전력 IoT 환경에서는 수신기의 위치가 급격히 변하지 않으므로, 한 시간 블록 내에 다수의 데이터 프레임이 존재하는 저속 페이딩 환경(slow fading)을 가정할 수 있다. 따라서 이하 설명에서는 하나의 시간 블록을 N f 개의 프레임으로 구분하고, 시간 블록 내에서는 모든 프레임이 동일한 주파수-수평 페이딩 환경(frequency-flat fading)을 겪는다는 것을 전제로 한다.
또한 일 실시예에 따른 듀얼 모드 SWIPT 시스템은 하나의 송신기가 복수의 수신기를 지원하기 위하여, 각 시간 블록을 시간에 따라 번갈아 가며 수신기에 할당하는 TDM(Time-Division Multiplexing) 방식을 사용한다. 이러한 경우, 매 시간 블록마다 지정된 송신기/수신기만 SWIPT 신호 송/수신을 위한 프로토콜을 수행하기 때문에, 나머지 수신기들은 그 시간 동안 수신한 신호를 모두 전력 수집에 활용할 수 있다.
한편, 다른 일 실시예에 따른 듀얼 모드 SWIPT 시스템은 TDM 방식 대신 각 수신기의 전송속도 요구량(QoS)에 따라 유동적으로 자원을 할당해주는 D-TDM(Dynamic-Time Division Multiplexing) 방식을 사용할 수 있다.
도 8의 경우, 하나의 송신기가 제1 수신기 내지 제3 수신기를 지원하기 위해 TDM 방식을 활용하는 예시를 나타낸 도면이다. 도 8의 제1 수신기가 시간에 따라 수신할 수 있는 프레임 구조를 참고하면, h 1 에는 제1 수신기가 활성화되는 시간 블록이므로 제어 프레임과 SWIPT 프레임을 수신할 수 있지만, h 2 및 h 3 에는 에너지 수집 프레임만 수신하게 된다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 하나의 시간 블록에서 하나의 수신기와 동작하는 상황을 고려한다.
도 8을 참고하면, 전체 N f 개의 프레임은 ρN f 개 제어 프레임과 (1-ρ)N f 개의 SWIPT 프레임으로 나눌 수 있다. 여기서, ρ은 0과 1 사이의 값을 갖는다. 만약 ρ가 커지면 제어에 더 많은 프레임을 할당하므로 안정성이 높은 통신이 가능하지만, SWIPT 프레임의 수가 줄어들어 전송 속도가 감소한다. 따라서 시스템이 요구하는 동기화의 안정성과 전송 속도에 따라 ρ은 조정될 수 있다.
한편, 듀얼 모드 SWIPT 시스템은 제어 프레임을 통해 무선 에너지 전송을 통해 수신기를 슬립 모드로부터 깨어나도록 하고, 송/수신기간 동기화를 수행한다. 또한 듀얼 모드 SWIPT 시스템은 동기화가 이루어진 뒤에 제어 프레임을 이용하여 송/수신기의 적응적 모드 전환을 위한 모드 정보 교환을 수행한다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 적응형 모드 전환 SWIPT 시스템의 송/수신기간 동기화 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9a를 참고하면, 송신기에서 전송하는 동기화 프레임(sync frame)은 동기화 코드(sync code)와 수신 노드의 주소(address)로 구성되어 있으며, 송/수신기간 시간 및 심볼 동기화를 위해 미리 약속된 동기화 코드를 사용한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 SWIPT 시스템은 Barker code sequence를 활용하여 프레임 동기화를 수행하고, 맨체스터 코딩을 통해 심볼 동기화를 수행할 수 있으나, 프레임/심볼 동기화 기법은 이에 제한되지 않는다.
한편, 도 9b를 참고하면, 송신기는 수신기의 에너지 수집 효율을 향상시키고 충분한 동기 신호의 길이를 확보하기 위해 N sync 개의 동기화 프레임을 다발(burst)로 전송한다. 이때, 일 실시예에 따른 송신기는 다중 톤 모드를 활용해서 동기화 프레임을 전송함으로써 수신기의 동기 신호 복조를 위한 소모 전력을 줄일 수 있다. 송신기는 이후 일정 시간동안 수신기로부터 수신되는 ACK 프레임을 기다리고, 시간 내에 ACK 프레임을 수신하지 못한 경우 다시 동기화 프레임을 다발로 전송하는 것을 반복한다.
반복하여 다발로 전송한 동기화 프레임의 수가 전체 제어 프레임의 수(ρN f )를 초과하면, 송신기는 나머지 (1-ρ)N f 개의 SWIPT 프레임 대신 에너지 수집 프레임만 전송한다. 이러한 경우, 송신기가 전송하는 복수의 프레임에는 정보 프레임이 포함되지 않으므로 SWIPT가 아닌 WPT(Wireless Power Transfer)로 동작할 수 있다.
한편 수신기에서는 다발의 동기화 프레임을 수신하여 송/수신기 동기화를 수행하면서 동시에 적응형 모드 전환에 필요한 충분한 전력을 확보한다. 또한, 후방산란 통신 방식을 활용하여, 수신 전력 모니터링 정보를 ACK 프레임의 P status 필드에 저장하여 전송한다. 따라서, ACK 프레임은 동기화 프레임에 P status 가 추가된 구조이며, 송신기는 P status 필드로부터 수신기의 수신 전력을 파악하여 적응형 모드 전환을 수행한다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따른 송/수신기가 적응형 모드 전환 SWIPT을 수행하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
동기화가 완료된 후 송신기는 적응형 모드 전환을 수행하고, 적응형 모드 전환 프레임(Adaptive MS Frame)을 통해 적응형 모드 전환에 관한 정보(i, L, D v )를 수신기에 전송한다. 이후, 수신기는 수신된 적응형 모드 전환에 관한 정보(i, L, D v )에 기초하여 SWIPT이 수행된다.
도 10a를 참고하면, 적응적 모드 전환 프레임(adaptive MS frame)은 적응형 모드 전환에 관한 정보(i, L, D v )와 수신하는 수신기의 주소(address)로 구성되어 있다. 또한, 적응적 모드 전환 프레임의 ACK 프레임은 도 9a의 ACK 프레임과 동일하게 수신 전력을 저장하는 P status 필드가 추가될 수 있다. 추가된 P status 필드를 통해 송신기는 기계 학습에 기반한 장기 적응형 모드 전환을 수행할 수 있다.
도 10b를 참고하면, 송신기는 단기 적응형 모드 전환을 수행하고, 적응적 모드 전환 프레임을 통해 적응형 모드 전환에 관한 정보를 송신기에 전송한다. 수신기는 이를 수신하여 수신기의 모드와 변조 지수 및 듀티 사이클을 설정하고, ACK 프레임을 송신기에 전송한다. 이후 (1-ρ)N f 개 프레임 동안 수신기는 SWIPT 프레임을 듀티 사이클 동작에 기반하여 송/수신한다.
이때, 에너지 수집 프레임(EH Frame)은 변조가 되어있지 않은 단일 톤 혹은 모든 톤을 활용하는 다중 톤을 전송하고, 정보 전송 프레임 (ID Frame)은 단일/다중 톤 모드에 따라 각각 M-ary 변조 혹은 PAPR 변조를 사용한다. 여기서, 일 실시예에 따른 송신기는 송신 전력을 프레임에 따라 다르게 조절하는 프레임 간 전력 할당(power allocation)을 통해 에너지 수집 프레임과 정보 전송 프레임을 수신기로 전송할 수 있다. 이러한 경우, 송신기는 에너지 측면에서 효율적인 SWIPT 신호 전송이 가능하다.
한편, 일 실시예에 따른 TDM 방식 기반의 듀얼 모드 SWIPT 시스템에서 ρN f 개의 제어 프레임에 의해 지정된 송/수신기만 핸드쉐이킹(handshaking) 과정이 이루어지기 때문에, (1-ρ)N f 개 SWIPT 프레임을 통해 수신기의 주소를 전송할 필요가 없다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 모드 SWIPT을 위한 적응형 모드 전환 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 11의 short-term 블록을 참고하면, h 1 번째 시간 블록동안 단기 적응형 모드 전환이 수행되고, 적응형 모드 전환에 관한 정보(i, L, D v )가 장기 적응형 모드 전환을 위해 장기 적응형 모드 전환부(long-term adaptive MS)에 제공될 수 있다. 이후 장기 적응형 모드 전환부(long-term adaptive MS)는 h 1 번째 시간 블록부터 h W 번째 시간 블록 동안 적응형 모드 전환에 관한 정보(i, L, D v )를 수신하여, LSTM RNN을 통해 단기 적응형 모드 전환에 필요한 소정의 문턱값(P th )을 업데이트할 수 있다. 업데이트된 소정의 문턱값(P th )은 h W+1 번째 시간 블록에서 출력될 수 있다.
한편, 단기 적응형 모드 전환의 경우, 송신기(TX)는 동기화 프레임(sync frame) 다발을 수신기(RX)에게 송신한 후, 수신기(RX)로부터 수신기(RX)의 수신 전력이 저장된 필드 P status 가 포함된 ACK 프레임을 수신하는 경우, 송신기(TX)는 P status 필드 값에 기초하여 단기 적응형 모드 전환을 수행한다. 이후 송신기(TX)로부터 단기 적응형 모드 전환에 관한 정보(i, L, D v )를 수신한 수신기(RX)는 i, L, D v 에 따라 모드를 설정하고, P status 가 포함된 ACK 프레임을 다시 송신기(TX)에 전송한다.
송신기(TX)는 ACK 프레임을 수신한 이후, SWIPT 프레임을 수신기(RX)에게 전송하고, 수신기(RX)는 수신된 SWIPT 프레임 내의 에너지 수집 프레임 및 정보 전송 프레임에 기초하여, 에너지 수집과 정보 복호를 수행한다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 모드 SWIPT 시스템의 송신기에서 적응형 모드 전환을 수행하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
단계 1210에서, 수신기로부터 v번째 채널에서 수신기의 수신 전력(P r,v )을 수신할 수 있다.
단계 1220에서, 수신 전력(P r,v )과 소정의 문턱값(P th )을 비교할 수 있다.
단계 1230에서, 비교 결과에 기초하여 단일 톤 모드 또는 다중 톤 모드 중 하나를 단일/다중 톤 모드(i)로 선택할 수 있다.
단계 1240에서, 선택된 단일/다중 톤 모드(i)와 수신 전력(P r,v )에 기초하여 변조 지수(L)를 선택할 수 있다.
단계 1250에서, 선택된 단일/다중 톤 모드(i), 선택된 변조 지수(L) 및 듀티 사이클(D v )을 수신기에 송신할 수 있다. 여기서, 듀티 사이클(D v )은 수신기에서 단일 톤 신호를 복호하는데 소모되는 전력, 다중 톤 신호를 복호하는데 소모되는 전력 및 수신기에 의해 v번째 채널 동안 수집되는 전력 중 적어도 하나에 기초하여 결정되는 것일 수 있다.
또한, 소정의 문턱값(P th )은 소정의 시간동안 선택된 복수의 단일/다중 톤 모드, 변조 지수 및 듀티 사이클과 소정의 시간동안 수신기에 의해 수신된 전력 중 적어도 하나를 이용하여 기계 학습을 수행한 후 결정되는 것일 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 모드 SWIPT 시스템의 송신기에서 수행되는 수신기 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
단계 1310에서, 하나 이상의 동기화 프레임을 제1 수신기에게 송신할 수 있다.
이때 단계 1310는 하나 이상의 동기화 프레임을 다중 톤 모드로 제1 수신기에 송신하는 단계일 수 있다.
단계 1320에서, 제1 수신기로부터 동기화 프레임에 대한 ACK 프레임을 제어 프레임 내에 수신할 수 있다.
만약 제어 프레임 내에 제1 수신기로부터 동기화 프레임에 대한 ACK 프레임을 수신하지 못하는 경우, 일 실시예에 따른 수신기 제어 방법은 SWIPT 프레임 대신 무선 에너지 전송을 위한 프레임을 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
단계 1330에서, 동기화 프레임에 대한 ACK 프레임에 포함된 제1 수신기의 수신 전력에 관한 정보에 기초하여 적응형 모드 전환을 수행할 수 있다. 이때 수행되는 모드 전환 방법은 단기 적응형 모드 전환 방법일 수 있다.
단계 1340에서, 적응형 모드 전환에 관한 정보와 제1 수신기의 주소 정보를 포함하는 적응형 모드 전환 프레임을 생성하고, 제1 수신기에 송신할 수 있다.
단계 1350에서, 제1 수신기로부터 송신된 적응형 모드 전환 프레임에 대한 ACK 프레임을 수신하면, SWIPT 프레임을 제1 수신기에 송신할 수 있다.
여기서 동기화 프레임에 대한 ACK 프레임 및 적응형 모드 전환 프레임에 대한 ACK 프레임 중 적어도 하나는 제1 수신기의 수신 전력에 관한 정보를 포함할 수 있다. 따라서, 송신기는 제1 수신기의 수신 전력에 기초하여 적응형 모드 전환을 수행할 수 있다.
또한 단계 1350은 송신기 및 제1 수신기가 각각 다중 안테나를 포함하는 경우, 송신기의 제1 안테나로부터 제1 수신기의 수신 전력에 관한 정보를 수신하고, 송신기의 제2 안테나를 이용하여 SWIPT 프레임을 제1 수신기에 송신하는 단계일 수 있다.
한편 일 실시예에 따른 SWIPT 프레임은 변조되지 않은 에너지 수집 프레임(EH Frame)과 변조된 정보 전송 프레임(ID Frame)을 포함하고, 송신기가 제1 수신기에 제어 프레임 및 SWIPT 프레임을 송신하는 동안, 제1 수신기를 제외한 다른 수신기는 에너지 수집 프레임만 수신하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, TDM(Time Division Multiplexing) 및 D-TDM(Dynamic-TDM) 중 적어도 하나의 다중 분할 방식을 이용하여 제1 수신기를 포함하는 복수의 수신기를 제어할 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 모드 SWIPT 시스템의 수신기에서 적응형 모드 전환을 수행하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
단계 1410에서, 송신기로부터 수신된 동기화 프레임에 기초하여 동기화를 수행하고, 전력을 수집할 수 있다.
단계 1420에서, 수집된 전력(P status )이 문턱값(P control ) 이상인지 판단할 수 있다. 판단 결과, 수집된 전력(P status )이 문턱값(P control ) 이상이면 단계 1430이 수행되고 그렇지 않으면, 단계 1410이 다시 수행된다.
다시 말해, 일 실시예에 따른 듀얼 모드 SWIPT 시스템은 수신기의 에너지 자급을 위해, 제어 신호를 수신하는데 필요한 전력이 수신기에 공급되어야 한다. 따라서, 일 실시예에 따른 수신기는 wake-up과 동시에 동기화를 수행할 수 있을 만큼의 전력이 수신되었을 때, 이후 동작을 수행하게 된다.
단계 1430에서, 판단 결과에 기초하여 동기화 프레임에 대한 ACK 프레임을 송신할 수 있다. 이때 송신되는 ACK 프레임은 수신기의 수신 전력에 관한 정보가 포함될 수 있다.
단계 1440에서, 송신기로부터 적응형 모드 전환 정보가 수신되면, 수신된 적응형 모드 전환 정보에 따라 수신 모드를 설정할 수 있다.
단계 1450에서, 듀티 사이클 동안 송신기로부터 SWIPT 프레임을 수신하고, SWIPT 프레임에 대한 ACK를 송신할 수 있다. 이때 송신되는 ACK 프레임 역시 수신기의 수신 전력에 관한 정보가 포함될 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
300: 듀얼 모드 SWIPT 시스템
310: 송신기 312: 단일/다중 톤 생성부
313: 적응형 모드 전환부 350: 수신기
352: 에너지 수집부 353: 단일 톤 정보 수신부
354: 다중 톤 PAPR 정보 수신부 355: 후방산란 정보 송신부
356: 전력 관리부

Claims (13)

  1. 듀얼 모드 SWIPT 시스템의 송신기에서 적응형 모드 전환을 수행하는 방법에 있어서,
    수신기로부터 v번째 채널에서 상기 수신기의 수신 전력(Pr,v )을 수신하는 단계;
    상기 수신 전력(Pr,v )과 소정의 문턱값(Pth )을 비교하는 단계;
    상기 비교 결과에 기초하여 단일 톤 모드 또는 다중 톤 모드 중 하나를 단일/다중 톤 모드(i)로 선택하는 단계;
    상기 선택된 단일/다중 톤 모드(i)와 상기 수신 전력(Pr,v )에 기초하여 변조 지수(L)를 선택하는 단계; 및
    상기 선택된 단일/다중 톤 모드(i), 상기 선택된 변조 지수(L) 및 듀티 사이클(Dv )을 수신기에 송신하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 듀티 사이클(Dv )은
    상기 수신기에서 단일 톤 신호를 복호하는데 소모되는 전력, 다중 톤 신호를 복호하는데 소모되는 전력 및 상기 수신기에 의해 상기 v번째 채널 동안 수집되는 전력에 기초하여 결정되는 것인, 듀얼 모드 SWIPT 시스템의 송신기에서 적응형 모드 전환을 수행하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 소정의 문턱값(P th )은
    소정의 시간동안 선택된 복수의 단일/다중 톤 모드, 변조 지수 및 듀티 사이클과 상기 소정의 시간동안 상기 수신기에 의해 수신된 전력 중 적어도 하나를 이용하여 기계 학습을 수행한 후 결정되는 것인, 듀얼 모드 SWIPT 시스템의 송신기에서 적응형 모드 전환을 수행하는 방법.
  3. 듀얼 모드 SWIPT 시스템의 송신기에서 수행되는 수신기 제어 방법에 있어서,
    하나 이상의 동기화 프레임을 제1 수신기에게 송신하는 단계;
    상기 제1 수신기로부터 상기 동기화 프레임에 대한 ACK 프레임을 수신하는 단계;
    상기 동기화 프레임에 대한 ACK 프레임에 포함된 상기 제1 수신기의 수신 전력에 관한 정보에 기초하여 적응형 모드 전환을 수행하는 단계;
    상기 적응형 모드 전환에 관한 정보와 상기 제1 수신기의 주소 정보를 포함하는 적응형 모드 전환 프레임을 생성하고, 제1 수신기에 송신하는 단계; 및
    상기 제1 수신기로부터 상기 적응형 모드 전환 프레임에 대한 ACK 프레임을 수신하면, SWIPT 프레임을 제1 수신기에 송신하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 동기화 프레임에 대한 ACK 프레임 및 상기 적응형 모드 전환 프레임에 대한 ACK 프레임은 상기 제1 수신기의 수신 전력에 관한 정보를 포함하는 것인, 듀얼 모드 SWIPT 시스템의 송신기에서 수행되는 수신기 제어 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 SWIPT 프레임은 변조되지 않은 에너지 수집 프레임(EH Frame)과 변조된 정보 전송 프레임(ID Frame)을 포함하고,
    상기 송신기가 상기 제1 수신기에 무선 에너지 전송을 통해 슬립 모드로부터 깨어나도록 하는 프레임인 제어 프레임 및 상기 SWIPT 프레임을 송신하는 동안, 상기 송신기와 연결된 복수의 수신기 중 상기 제1 수신기를 제외한 다른 수신기에게는 상기 에너지 수집 프레임만 송신하는 단계;
    를 더 포함하는, 듀얼 모드 SWIPT 시스템의 송신기에서 수행되는 수신기 제어 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    하나 이상의 동기화 프레임을 제1 수신기에게 송신하는 단계는,
    상기 하나 이상의 동기화 프레임을 다중 톤 모드로 제1 수신기에 송신하는 단계인, 듀얼 모드 SWIPT 시스템의 송신기에서 수행되는 수신기 제어 방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제1 수신기로부터 상기 동기화 프레임에 대한 ACK 프레임을 수신하지 못하는 경우
    상기 SWIPT 프레임 대신 무선 에너지 전송을 위한 프레임을 전송하는 단계;
    를 더 포함하는, 듀얼 모드 SWIPT 시스템의 송신기에서 수행되는 수신기 제어 방법.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 송신기는
    TDM(Time Division Multiplexing) 및 D-TDM(Dynamic-TDM) 중 적어도 하나의 다중 분할 방식을 이용하여 상기 제1 수신기를 포함하는 복수의 수신기를 제어하는 것인, 듀얼 모드 SWIPT 시스템의 송신기에서 수행되는 수신기 제어 방법.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 SWIPT 프레임을 제1 수신기에 송신하는 단계는,
    상기 송신기 및 상기 제1 수신기가 각각 다중 안테나를 포함하는 경우,
    상기 송신기의 제1 안테나로부터 상기 제1 수신기의 수신 전력에 관한 정보를 수신하고, 상기 송신기의 제2 안테나를 이용하여 상기 SWIPT 프레임을 상기 제1 수신기에 송신하는 단계인, 듀얼 모드 SWIPT 시스템의 송신기에서 수행되는 수신기 제어 방법.
  9. 적응형 모드 전환을 수행하는 듀얼 모드 SWIPT 시스템의 송신기에 있어서,
    수신기로 전송하기 위해 단일 톤 및 다중 톤 중 적어도 하나를 생성하는 단일/다중 톤 생성부; 및
    상기 수신기로부터 수신된 후방산란 신호에 기초하여 상기 수신기의 수신 전력에 관한 정보를 추출하고, 상기 추출된 수신 전력에 관한 정보에 기초하여 단일/다중 톤 모드, 변조 지수 및 듀티 사이클을 결정하고, 상기 결정 결과를 상기 수신기로 전송하기 위해 출력하는, 적응형 모드 전환부;
    를 포함하는, 듀얼 모드 SWIPT 시스템의 송신기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 적응형 모드 전환부는,
    소정의 시간동안 선택된 복수의 단일/다중 톤 모드, 변조 지수 및 듀티 사이클과 상기 소정의 시간동안 상기 수신기의 수신 전력 중 적어도 하나를 이용하여 기계 학습을 수행하고, 상기 단일/다중 톤 모드를 결정하는데 기초가 되는 소정의 문턱값을 생성하는, 기계 학습부;
    를 더 포함하는, 듀얼 모드 SWIPT 시스템의 송신기.
  11. 듀얼 모드 SWIPT 시스템의 수신기에서 적응형 모드 전환을 수행하는 방법에 있어서,
    송신기로부터 수신된 동기화 프레임에 기초하여 동기화를 수행하고, 전력을 수집하는 단계;
    상기 수집된 전력이 문턱값 이상인지 판단하는 단계;
    상기 판단 결과에 기초하여 상기 동기화 프레임에 대한 ACK 프레임을 송신하는 단계;
    상기 송신기로부터 적응형 모드 전환 정보가 수신되면, 상기 수신된 적응형 모드 전환 정보에 따라 수신 모드를 설정하는 단계; 및
    듀티 사이클 동안 상기 송신기로부터 SWIPT 프레임을 수신하고, 상기 SWIPT 프레임에 대한 ACK를 송신하는 단계;
    를 포함하는, 듀얼 모드 SWIPT 시스템의 수신기에서 적응형 모드 전환을 수행하는 방법.
  12. 적응형 모드 전환을 수행하는 듀얼 모드 SWIPT 시스템의 수신기에 있어서,
    수신 신호로부터 에너지를 수집하는, 에너지 수집부;
    상기 수신 신호로부터 소정의 변조 신호를 추출하고 복호화하는, 단일 톤 정보 수신부;
    상기 수신 신호로부터 소정의 PAPR(Peak-to-Average Power Ratio) 신호를 추출하고 복호화하는, 다중 톤 PAPR 정보 수신부;
    상기 수신기의 수신 전력에 관한 정보를 모니터링하고, 송신기로부터 수신된 단일/다중 톤 모드, 변조 지수 및 듀티 사이클에 기초하여 적응형 모드 전환을 수행하는, 전력 관리부; 및
    상기 송신기로 전송하기 위해 상기 모니터링 정보를 출력하는, 후방산란 신호 송신부;
    를 포함하는, 듀얼모드 SWIPT 수신기.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 모니터링 정보는 상기 송신기에서 기계 학습을 위해 사용되고, 상기 후방산란 신호 송신부는 캐리어 이미터(carrier emitter) 또는 주변소음 신호(ambient signal) 중 적어도 하나를 반사하여 정보를 송신하는 것인, 듀얼모드 SWIPT 수신기.
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