KR102280903B1 - Joint Resource Allocation Apparatus and method for Multi-User OFDMA SWIPT Systems - Google Patents
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Abstract
본 기술은 OFDMA SWIPT 시스템의 통합 자원 할당 장치 및 방법이 개시된다. 본 발명의 구체적인 예에 따르면, 채널 할당, 기지국 및 사용자의 전력할당, 및 전력분할비율에 대한 통합 최적화 알고리즘으로 기지국의 최적 라그랑지안 변수 및 유저 단말의 최적 라그랑지안 변수를 도출함에 따라, 시스템의 채널 용량을 최대화할 수 있고 이에 시스템 성능을 향상시킬 수 있다.The present technology discloses an apparatus and method for an integrated resource allocation of an OFDMA SWIPT system. According to a specific example of the present invention, by deriving the optimal Lagrangian variable of the base station and the optimal Lagrangian variable of the user terminal with the integrated optimization algorithm for channel allocation, power allocation of the base station and user, and the power split ratio, the channel capacity of the system is It can be maximized and thus the system performance can be improved.
Description
본 발명은 SWIPT 시스템의 통합 자원 할당 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 채널 할당, 기지국 및 사용자의 전력할당, 및 전력분할비율에 대한 통합 최적화 알고리즘으로 기지국의 최적 라그랑지안 변수 및 유저 단말의 최적 라그랑지안 변수를 도출함에 따라, 시스템의 채널 용량을 최대화할 수 있고 이에 시스템 성능을 향상시킬 수 있도록 한 기술에 관한 것이다. The present invention relates to an apparatus and method for allocating integrated resources of a SWIPT system, and more particularly, to an integrated optimization algorithm for channel allocation, power allocation of a base station and a user, and an optimal Lagrangian variable of a base station and an optimum of a user terminal The present invention relates to a technique capable of maximizing a channel capacity of a system by deriving a Lagrangian variable and thereby improving system performance.
무선 통신에서 릴레이는 셀룰러 네트워크의 통신영역을 확장시키고, 성능을 향상시키기 위한 유망한 솔루션으로 여겨진다.In wireless communication, a relay is considered a promising solution to expand the communication area of a cellular network and improve performance.
릴레이 노드로 때로는 비활성 중인 고객 단말기를 이용할 수 있다. 이러한 경우, 릴레이 노드(relay node)로 동작하도록 선택된 고객 단말기는 하나의 기지국과 다수의 사용자 간의 통신을 위해 자신의 전력을 소비하게 된다. 이에 안정적이고 지속적인 전력 공급을 제공하기를 원한다.As a relay node, sometimes inactive customer terminals can be used. In this case, the customer terminal selected to operate as a relay node consumes its own power for communication between one base station and a plurality of users. Therefore, we want to provide a stable and continuous power supply.
이에 무선 전력 통신 네트워크(wireless powered communication network; WPCN)에서는 무선 전력 전송(wireless powered transfer; WPT)에 의해 충전될 수 있다. 주기적 배터리 교환 또는 무선 통신 노드에서 재충전을 제외하고, WPCN은 기기 수명을 향상시키고, 네트워크 에너지 소비를 줄이고, 결과적으로 종래의 무선통신 네트워크보다 고성능을 얻을 수 있다.Accordingly, in a wireless powered communication network (WPCN), it may be charged by wireless powered transfer (WPT). Excluding periodic battery replacement or recharging at the wireless communication node, WPCN can improve device lifespan, reduce network energy consumption, and consequently achieve higher performance than conventional wireless communication networks.
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 WPCN, a technology in which a wireless communication node simultaneously transmits power and information is called simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT). Research and development are underway to implement WPCN, WPT and SWIPT systems and to exploit the potential benefits of these systems.
Y. Jing and H. Jafarkhani, "Network beamforming using relays with perfect channel information,"IEEE Transactions on Infromation Theory, vol. 55, pp. 2499-2517, June 2009.에서는 SWIPT 시스템이 아닌 다중 릴레이 시스템에서의 빔포밍이 개시되었다. 채널상태정보(channel state information; CSI)와 노이즈 전력에 기초하여 각 릴레이 노드에서의 전송 전력을 조정함으로써, 목적지 노드에서 신호대 잡음비(signal-to-noise ratio; SNR)를 최대화한다.Y. Jing and H. Jafarkhani, “Network beamforming using relays with perfect channel information,” IEEE Transactions on Infromation Theory, vol. 55, pp. In 2499-2517, June 2009., beamforming in a multi-relay system other than the SWIPT system was started. By adjusting the transmission power at each relay node based on channel state information (CSI) and noise power, the signal-to-noise ratio (SNR) at the destination node is maximized.
등록특허공보 제10-1710012호 "수신기에서의 에너지 하베스팅 방법 및 상기 방법을 사용하는 수신기, 및 이를 위한 블라인드 변조방식 검출 방법 및 장치"에서는 SWIPT 시스템의 수신기에서의 에너지 하베스팅(energy havesting; EH) 방법이 개시되었다.In Korean Patent Registration No. 10-1710012, "Energy harvesting method in a receiver and a receiver using the method, and a method and apparatus for detecting a blind modulation method therefor", energy harvesting (EH) in a receiver of a SWIPT system ) method was disclosed.
그러나 대역폭 효율성이 증가되는 직교주파수 분할다중 접속(OFDMA: orthogonal frequencydivisionmultipleaccess) 방식의 SWIPT(Simultaneous wireless information and power transfer) 시스템에서 하나의 RF 신호로 정보를 디코딩하고 에너지를 하베스트하기 위해서는 추가적인 연구가 필요한 실정이다.However, additional research is needed to decode information and harvest energy into one RF signal in a SWIPT (Simultaneous wireless information and power transfer) system of an orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) method with increased bandwidth efficiency. .
이에 일 실시 예는 채널 할당, 기지국 및 사용자의 전력할당, 및 전력분할비율에 대한 통합 최적화 알고리즘으로 기지국의 최적 라그랑지안 변수 및 유저 단말의 최적 라그랑지안 변수를 도출함에 따라, 시스템의 채널 용량을 최대화할 수 있고 이에 시스템 성능을 향상시킬 수 있는 OFDMA SWIPT 시스템의 통합 자원 할당 장치 및 방법을 제공하고자 하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, in one embodiment, the channel capacity of the system can be maximized by deriving the optimal Lagrangian variable of the base station and the optimal Lagrangian variable of the user terminal with an integrated optimization algorithm for channel allocation, power allocation of the base station and user, and the power split ratio. An object of the present invention is to provide an apparatus and method for allocating integrated resources of an OFDMA SWIPT system capable of improving system performance.
일 실시예의 양태에 따르면, 일 실시 예의 OFDMA SWIPT 시스템의 통합 자원 할당 방법은 According to an aspect of an embodiment, the method for allocating integrated resources of the OFDMA SWIPT system of an embodiment is
기지국의 RF 신호를 다수의 유저 단말에서 수신한 다음 정보 및 전력을 동시에 빔포밍하는 OFDMA SWIPT 시스템의 통합 자원 할당 방법에 있어서, In the integrated resource allocation method of the OFDMA SWIPT system for receiving the RF signal of the base station from a plurality of user terminals and then beamforming information and power at the same time,
상기 기지국에 채널 할당, 기지국 및 사용자의 전력할당, 및 전력분할비율에 대한 통합 최적화 알고리즘으로 기지국의 최적 라그랑지안 변수 및 유저 단말의 최적 라그랑지안 변수를 도출하는 통합 최적화 단계를 포함도록 구비되는 것을 일 특징으로 한다.It is provided to include an integrated optimization step of deriving an optimal Lagrangian variable of a base station and an optimal Lagrangian variable of a user terminal with an integrated optimization algorithm for channel allocation to the base station, power allocation of the base station and user, and power split ratio do.
바람직하세 상기 통합 최적화 단계는,Preferably, the integrated optimization step is
(a) 다운 링크 및 업 링크 전력 할당 및 , 기지국에서의 라그랑지안 변수 , 유저 단말에서의 라그랑지안 변수 , 및 전력분할비율 은 모두 초기화되고, 전력분할비율 는 0과 1 사이의 랜덤하게 설정한 다음 라그랑지안 곱수를 사용하여 설정된 채널 할당 문제의 해로 채널 할당 변수 를 도출하는 단계;(a) Downlink and Uplink Power Allocation and , the Lagrangian variable at the base station , Lagrangian variables in the user terminal , and power split ratio are all initialized, and the power split ratio is set randomly between 0 and 1, then the channel assignment variable as a solution to the set channel assignment problem using a Lagrangian multiplier. deriving;
(b) 다운 링크 및 업링크 전력 할당 , , 하베스트 에너지 총량 및 서브그래디언드 d 를 연산하는 단계;(b) Downlink and Uplink Power Allocation , , the total amount of harvested energy and calculating a subgradient d;
(c) 도출된 서브그래디언드 d 를 사용하여 이분법 최적화를 수행하여 기지국에서의 라그랑지안 변수 를 도출하고 도출된 기지국에서의 라그랑지안 변수 로 이전 기지국에서의 라그랑지안 변수 를 업데이트하고, 라그랑지안 변수 로 이전 기지국에서의 라그랑지안 변수 의 차가 기 정해진 임계치에 수렴할 때까지 반복 수행하여 기지국에서의 최적 라그랑지안 변수 를 도출하는 단계; 및(c) Lagrangian variables in the base station by performing binary optimization using the derived subgradient d and Lagrangian variables in the derived base station Lagrangian variables in the previous base station as update the Lagrangian variable Lagrangian variables in the previous base station as The optimal Lagrangian variable in the base station is repeated until the difference of deriving; and
(d) 그래디언드 디센트 방법을 이용항 전력분할비율 를 도출하고, 도출된 를 전력분할비율 로 업데이트하고, 이 기 정해진 임계치 accuracy로 수렴할 때까지 반복 수행하여 최적 전력분할비율을 도출하는 단계 중 적어도 하나를 포함하는 것을 일 특징으로 한다.(d) Power split ratio using the gradient descent method derived and derived power split ratio update to The optimal power split ratio is repeated until convergence to this predetermined threshold accuracy. It is characterized in that it includes at least one of the steps of deriving .
일 실시 예의 다른 양태에 의하면, 일 실시 예의 OFDMA SWIPT 시스템의 통합 자원 할당 장치는, According to another aspect of an embodiment, the apparatus for allocating integrated resources of the OFDMA SWIPT system of an embodiment,
기지국의 RF 신호를 다수의 유저 단말에서 수신한 다음 정보 및 전력을 동시에 빔포밍하는 OFDMA SWIPT 시스템의 통합 자원 할당 장치에 있어서, In the integrated resource allocation apparatus of the OFDMA SWIPT system for receiving the RF signal of the base station from a plurality of user terminals and then beamforming information and power at the same time,
상기 기지국에 채널 할당, 기지국 및 사용자의 전력할당, 및 전력분할비율에 대한 통합 최적화 알고리즘으로 기지국의 최적 라그랑지안 변수 및 유저 단말의 최적 라그랑지안 변수를 도출하는 제어부를 더 포함하고, A control unit for deriving an optimal Lagrangian variable of a base station and an optimal Lagrangian variable of a user terminal with an integrated optimization algorithm for channel allocation to the base station, power allocation of the base station and user, and power split ratio,
바람직하게 상기 제어부는, 다운 링크 및 업 링크 전력 할당 및 , 기지국에서의 라그랑지안 변수 , 유저 단말에서의 라그랑지안 변수 , 및 전력분할비율 은 모두 초기화되고, 전력분할비율 는 0과 1 사이의 랜덤하게 설정한 다음 라그랑지안 곱수를 사용하여 설정된 채널 할당 문제의 해로 채널 할당 변수 를 도출하고,Preferably, the control unit allocates downlink and uplink power and , the Lagrangian variable at the base station , Lagrangian variables in the user terminal , and power split ratio are all initialized, and the power split ratio is set randomly between 0 and 1, then the channel assignment variable as a solution to the set channel assignment problem using a Lagrangian multiplier. to derive,
다운 링크 및 업링크 전력 할당 , , 하베스트 에너지 총량 및 서브그래디언드 d 를 연산하며,Downlink and Uplink Power Allocation , , the total amount of harvested energy and a subgradient d ,
연산된 서브그래디언드 d 를 사용하여 이분법 최적화를 수행하여 기지국에서의 라그랑지안 변수 를 도출하고 도출된 기지국에서의 라그랑지안 변수 로 이전 기지국에서의 라그랑지안 변수 를 업데이트하고, 라그랑지안 변수 로 이전 기지국에서의 라그랑지안 변수 의 차가 기 정해진 임계치에 수렴할 때까지 반복 수행하여 기지국에서의 최적 라그랑지안 변수 를 도출하고,Lagrangian variables in the base station by performing binary optimization using the computed subgradient d and Lagrangian variables in the derived base station Lagrangian variables in the previous base station as update the Lagrangian variable Lagrangian variables in the previous base station as The optimal Lagrangian variable in the base station is repeated until the difference of to derive,
그래디언드 디센트 방법을 이용항 전력분할비율 를 도출하고, 도출된 를 전력분할비율 로 업데이트하고, 이 기 정해진 임계치 accuracy로 수렴할 때까지 반복 수행하여 최적 전력분할비율을 도출하도록 구비되는 것을 일 특징으로 한다.Power split ratio using gradient descent method derived and derived power split ratio update to The optimal power split ratio is repeated until convergence to this predetermined threshold accuracy. It is characterized in that it is provided to derive .
본 발명에 따르면 채널 할당, 기지국 및 사용자의 전력할당, 및 전력분할비율에 대한 통합 최적화 알고리즘으로 기지국의 최적 라그랑지안 변수 및 유저 단말의 최적 라그랑지안 변수를 도출함에 따라, 시스템의 채널 용량을 최대화할 수 있고 이에 시스템 성능을 향상시킬 수 있다.According to the present invention, the channel capacity of the system can be maximized by deriving the optimal Lagrangian variable of the base station and the optimal Lagrangian variable of the user terminal with an integrated optimization algorithm for channel allocation, power allocation of the base station and user, and the power split ratio. This can improve system performance.
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 일 실시예의 OFDMA SWIPT 시스템의 제1 위상의 신호 흐름도이다.
도 2는 일 실시예의 OFDMA SWIPT 시스템의 제2 위상의 신호 흐름도이다.
도 3은 일 실시예의 유저 단말의 세부 구성도이다.
도 4는 일 실시예의 시스템의 통합 자원 할당 과정을 보인 흐름도이다.
도 5는 일 실시예의 SNR 대 유저 단말의 수의 썸레이트의 비교 그래프이다.
도 6은 일 실시예의 유저 단말 수에 따른 썸레이트의 비교 그래프이다.The following drawings attached to this specification illustrate preferred embodiments of the present invention, and serve to further understand the technical spirit of the present invention together with the detailed description of the present invention to be described later, so the present invention is a matter described in such drawings should not be construed as being limited only to
1 is a signal flow diagram of a first phase of an OFDMA SWIPT system in one embodiment;
2 is a signal flow diagram of a second phase of an OFDMA SWIPT system of an embodiment;
3 is a detailed configuration diagram of a user terminal according to an embodiment.
4 is a flowchart illustrating an integrated resource allocation process of a system according to an embodiment.
5 is a comparison graph of the thumb rate of the number of user terminals versus the SNR of one embodiment.
6 is a comparison graph of thumb rates according to the number of user terminals according to an embodiment.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 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 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 일 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 for achieving them will become apparent with reference to the embodiments described below in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but can be implemented in various different forms, and only one embodiment makes the disclosure of the present invention complete, and common knowledge in the technical field to which the present invention pertains It is provided to fully inform the possessor of the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.Terms used in this 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 as currently widely used general terms as possible while considering the functions in the present invention, but these may vary depending on the intention or precedent of a person skilled in the art, the emergence of new technology, and the like. In addition, in a specific case, there is a term arbitrarily selected by the applicant, and in this case, the meaning will be described in detail in the description of the corresponding invention. Therefore, the term used in the present invention should be defined based on the meaning of the term and the overall content of the present invention, rather than the name of a simple 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 "includes" a certain element throughout the specification, this means that other elements may be further included, rather than excluding other elements, unless otherwise stated. Also, as used herein, the term “unit” refers to a hardware component such as software, FPGA, or ASIC, and “unit” performs certain roles. However, "part" is not meant to be limited to software or hardware. A “unit” may be configured to reside on an addressable storage medium and may be configured to refresh 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, by way of example, “part” includes components such as software components, object-oriented software components, class components, and task components, processes, functions, properties, procedures, subroutines, segments of program code, drivers, firmware, microcode, circuitry, data, databases, data structures, tables, arrays and variables. The functionality provided within components and “parts” may be combined into a smaller number of components and “parts” or further divided into additional components and “parts”.
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, with reference to the accompanying drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those of ordinary skill in the art can easily carry out the embodiments of the present invention. And in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts not related to the description are omitted.
일 실시예는 채널 할당, 기지국 및 사용자의 전력할당, 및 전력분할비율을 통합 최적화함에 따라 시스템의 썸레이트를 최대화하는 구성을 갖춘다.An embodiment has a configuration for maximizing the thumb rate of the system by integrating and optimizing channel allocation, power allocation of a base station and user, and a power split ratio.
도 1 및 도 2는 일 실시예의 OFDMA 의 무선 전력 통신 시스템을 나타내는 개념도이다. 도 1을 참조하면, 하나의 기지국 BS(Base station)과 다수의 유저 단말 User 으로 구성된다. 기지국 BS와 유저 단말 User는 단일 안테나가 설치된다.1 and 2 are conceptual diagrams illustrating a wireless power communication system of OFDMA according to an embodiment. Referring to FIG. 1 , it consists of one base station BS (Base station) and a plurality of user terminals Users. A single antenna is installed for the base station BS and the user terminal User.
도 1에 도시된 바와 같이 첫번째 위상에서 기지국 BS는 각 유저 단말 user 1~ user 4로 정보 및 전력을 동시에 빔포밍하고, 도 2에 도시된 바와 같이, 두번째 위상에서 유저 단말 User 1~user 4는 정보를 기지국 BS로 전달한다. As shown in FIG. 1 , in the first phase, the base station BS simultaneously beamforms information and power to each
이러한 기지국 BS와 유저 단말 user1~use4를 포함하는 OFDMA의 무선 전력 통신 시스템(이하 시스템으로 약칭함)은 시분할 반전이 듀플렉스 방식의 업 링크 및 다운 링크에 의한 시스템의 썸레이트와 하베스트된 에너지를 이용한 업 링크의 썸레이트를 도출한다.The OFDMA wireless power communication system (hereinafter abbreviated as system) including the base station BS and the user terminals user1 to use4 uses the thumb rate and harvested energy of the system in which the time division inversion is duplexed uplink and downlink. Derives the thumb rate of the link.
또한 다수의 유저 단말 User은 기지국 BS에 정보를 전송하기 위해 수집된 전력분할비율을 변경하여 시스템 썸레이트를 최적화하고 정보를 디코딩한 다음 할당된 서브 채널을 통해 수신한 RF 신호에서 에너지를 하베스트한다. 이때 유저 단말 User은 최적 채널 할당, 기지국 및 사용자의 전력할당, 및 전력분할비율을 통합 최적하여 최적의 전력분할비율을 도출한 후 도출된 최적의 전력분할비율을 기지국 BS로 전달하여 시스템 썸레이트를 최대화를 수행할 수 있다.In addition, a plurality of user terminals User optimizes the system thumb rate by changing the power split ratio collected to transmit information to the base station BS, decodes the information, and then harvests energy from the RF signal received through the assigned sub-channel. At this time, the user terminal User derives the optimal power split ratio by integrating and optimizing the optimal channel allocation, the power allocation of the base station and the user, and the power split ratio, and then transmits the derived optimal power split ratio to the base station BS to set the system thumb rate. can be maximized.
도 3은 도 1에 도시된 유저 단말 User의 세부 구성도로서, 도 3을 참조하면, 유저 단말 User은 수신부(110), 제어부(120), 및 송신부(130)를 포함할 수 있다. 기지국 BS는 할당된 서브 채널을 이용하여 각각의 유저 단말 User 에게 RF 신호를 전송한다. 이에 유저 단말 User 의 수신부(110)에 의거 수신된 RF 신호로부터 제어부(120)에 의해 수신된 전력분할비율에 따라 수신된 RF 신호를 정보 디코딩 및 에너지 하베스팅으로 분할한다. 또한, 유저 단말 User의 송신부(130)는 이전에 수집된 에너지를 사용하여 나머지 정보 신호를 기지국 BS로 전달한다3 is a detailed configuration diagram of the user terminal User shown in FIG. 1 . Referring to FIG. 3 , the user terminal User may include a
여기서, 기지국(BS)와 k 번째 유저 단말 User 사이의 n 번째 업 링크 및 다운 링크 서브 채널은 각각 과 로 표현되며, 여기서, 및 이다. k 번째 유저 단말 User 가 수신한 RF 신호를 2로 분할하기 위한 전력분할비율 은 로 정의된다.Here, the nth uplink and downlink subchannels between the base station (BS) and the kth user terminal User are respectively class is expressed as, where and am. Power division ratio for dividing the RF signal received by the k-th user terminal User by 2 silver is defined as
n 번째 서브 채널을 통해 k 번째 유저 단말로부터 수신된 다운 링크신호는 다음 수학식 1로 주어진다. The downlink signal received from the k- th user terminal through the n- th sub-channel is given by the following Equation (1).
[수학식 1][Equation 1]
여기서, 는 n 번째 다운 링크 서브채널로 할당된 전력이고, 는 기지국 BS로부터 n 번째 서브채널 SC를 경유하여 k 번째 유저 단말 User 으로 전송된 정보 신호로 정의된다. here, is the power allocated to the nth downlink subchannel, is defined as an information signal transmitted from the base station BS to the k- th user terminal User via the n- th subchannel SC.
역시 는 k번째 유저 단말 User 의 노이즈이다. 여기서, 은 라고 가정하고, 모든 유저 단말 User 와 서브채널 SCs 가 독립적이라고 가정하면, k 번째 유저 단말 User 로부터 n 번째 다른 링크 서브채널 SC를 통해 기지국 BS의 수신된 신호는 다음 수학식 2로 나타낸다.Also is the noise of the k-th user terminal User. here, silver , and assuming that all user terminal Users and subchannel SCs are independent, the received signal of the base station BS from the kth user terminal User through the nth other link subchannel SC is expressed by
[수학식 2][Equation 2]
여기서, 는 k 번째 유저 단말 User 에게 할당된 n 번째 업 링크 서브채널에 할당된 전력이고, 는 k 번째 사용자가 n 번째 서브채널 SC를 통해 기지국 BS로 보내는 정보 신호이며, 는 기지국 BS에서의 노이즈로 나타낸다.here, is the power allocated to the n-th uplink subchannel allocated to the k-th user terminal User, is an information signal sent by the k-th user to the base station BS through the n-th sub-channel SC, is represented by noise in the base station BS.
역시 는 이고, 기지국 노이즈 가 분산 을 가지는 제로 평균이면, n번째 서브채널을 할당받은 유저 단말 User 는 로 나타낸다. k 번째 유저 단말 User 의 하베스트된 에너지는 다음 수학식 3으로 표현된다.Also Is and base station noise is dispersed If it is a zero average with , the user terminal User assigned to the nth subchannel is is represented by The harvested energy of the k-th user terminal User is expressed by
[수학식 3][Equation 3]
여기서, 는 k 번째 유저 단말 User 의 에너지 하베스트 효율을 나타내고, 는 k 번째 유저 단말 User 에게 할당된 서브채널의 집합이고, 이며, 에너지를 하베스트한다. 모든 서브채널 SC에 대해, 기지국 BS와 유저 단말 User 는 제로 평균이고, 노이즈 분산 인 가우시안 분포 잡음 로 가정하면, 및 는 다음 조건 4를 만족하여야 한다.here, represents the energy harvesting efficiency of the k-th user terminal User, is a set of subchannels allocated to the k-th user terminal User, and harvests energy. For all sub-channel SC, base station BS and user terminal User are zero mean, and noise variance In Gaussian Distribution Noise Assuming that, and must satisfy the
[조건 4][Condition 4]
이러한 조건으로부터 다운링크 및 업링크에 대한 k 번째 유저 단말 User의 채널 용량은 각각 수학식 5 및 6을 만족한다. From this condition, the channel capacity of the k- th user terminal User for the downlink and uplink satisfies
[수학식 5][Equation 5]
[수학식 6][Equation 6]
여기서, 및 는 다운 링크 및 업 링크 각각의 가중치를 나타낸다. 이에 업 링크 및 다운 링크 레이트에 각각의 가중치를 부여하여 시스템의 채널 용량을의 합을 얻은 다음 모든 k 번째 유저 단말 User 에 대해 다음 수학식 7을 얻을 수 있다. here, and denotes the weights of the downlink and uplink, respectively. Accordingly, the sum of the channel capacity of the system is obtained by giving each weight to the uplink and downlink rates, and then the following
[수학식 7][Equation 7]
수학식 7은 서브채널의 인덱스 함수들의 합으로 수학식 8로 변환될 수 있다.
[수학식 8][Equation 8]
이에 제어부(120)는 이러한 시스템의 총 채널 용량을 최대화하기 위해, 임의의 n 번째 유저 단말과 임의의 k 번째 서브 채널 에 대해 채널 할당 변수 , 전력분할비율 , 다운 링크 및 업 링크 전력 할당 및 변수들을 최적화하고, 이들 변수들의 통합 문제는 다음 수학식 8로 정의된다.Accordingly, in order to maximize the total channel capacity of such a system, the
[수학식 8][Equation 8]
여기서, 통합 최적화 문제는 모든 변수에 대해 비 볼록(convex)하다. 따라서, 통합 문제는 3개의 하위 문제로 나누어지며, 3개의 하위 문제의 해를 도출한 다음 반복적인 최적화 알고리즘을 사용하여 시스템 채널 용량을 최대화하여 전체 시스템 채널 용량에 대한 로컬 최적을 도출한다.Here, the integrated optimization problem is non-convex for all variables. Therefore, the integration problem is divided into three subproblems, and the solution of the three subproblems is derived, and then an iterative optimization algorithm is used to maximize the system channel capacity to derive a local optimum for the overall system channel capacity.
우선, 최적의 전력 할당은 채널 할당 및 전력분할비율을 상수로 설정하고 라그랑지안 곱수 접근법을 적용하여 전력 할당 하위 문제의 해를 도출한다. 여기서, 라그랑지안 함수는 다음 수학식 10으로 주어진다.First, the optimal power allocation sets the channel allocation and power split ratio to constants and applies the Lagrangian multiplication approach to derive the solution of the power allocation sub-problem. Here, the Lagrangian function is given by the following Equation (10).
[수학식 10][Equation 10]
여기서, 변수 및 는 각 기지국 BS와 유저 단말 User 의 전력 조건의 라그랑지안 곱수이다. 이러한 라그랑지안 듀얼 문제는 다음 수학식 11과 같이 주어진다.Here, the variable and is the Lagrangian multiplier of the power conditions of each base station BS and the user terminal User. This Lagrangian dual problem is given by Equation 11 below.
[수학식 11][Equation 11]
라그랑지안 듀얼 문제는 기지국에서의 라그랑지안 변수 및 유저 단말에서의 라그랑지안 변수 에 대해 볼록하다. 반대로 라그랑지안 듀얼 문제의 최소화 에 의해 시스템 채널 용량의 최대화가 가능하다. 따라서 라그랑지안 듀얼 문제의 해를 반복적으로 도출하여 최적 시스템 썸레이트를 도출한다. The Lagrangian dual problem is the Lagrangian variable in the base station. and Lagrangian variables in the user terminal. convex about Conversely, minimization of the Lagrangian dual problem It is possible to maximize the system channel capacity by Therefore, the optimal system thumb rate is derived by iteratively deriving the solution of the Lagrangian dual problem.
다운 링크 및 업 링크 전력 할당 및 변수는 다음 수학식 14 및 15에 나타낸 바와 같이 다운 링크와 업 링크 전력 할당 간의 차와 변동에 대한 라그랑지안 문제로부터 도출된다. Downlink and Uplink Power Allocation and The variable is derived from the Lagrangian problem for the difference and variation between downlink and uplink power allocation as shown in
그리고, 유저 단말에서의 라그랑지안 변수 는 수학식 12의 라그랑지안 듀얼 문제의 해로 도출될 수 있다.And, the Lagrangian variable in the user terminal can be derived as a solution to the Lagrangian dual problem of
[수학식 12][Equation 12]
워터 필 알고리즘으로부터 는 k 번째 유저 단말 User 에 할당된 서브 채널의 수이다. 따라서, 는 다운 링크 위상 동안 하베스트된 에너지 총 량으로부터 결정된다. 로부터 라그랑지안 듀얼 함수는 기지국에서의 라그랑지안 변수 에 대한 함수로 다음 수학식 13으로 표현된다.from the water fill algorithm is the number of subchannels allocated to the k-th user terminal User. therefore, is determined from the total amount of energy harvested during the downlink phase. From the Lagrangian dual function is the Lagrangian variable at the base station. It is expressed by the following Equation 13 as a function for .
[수학식 13][Equation 13]
[수학식 14][Equation 14]
[수학식 15][Equation 15]
이진법을 사용하여 기지국에서의 라그랑지안 변수 가 도출되고, 이진법을 구현하기 위해 사용된 서브그래디언트는 다음 수학식 16로 주어진다.Lagrangian variables at base stations using binary is derived, and the subgradient used to implement the binary system is given by the following Equation (16).
[수학식 16] [Equation 16]
다음으로 채널 할당 하위 문제의 해는 다운 링크 및 업 링크 전력 할당 및 , 기지국에서의 라그랑지안 변수 , 및 유저 단말에서의 라그랑지안 변수 로부터 도출할 수 있다. 이러한 채널 할당 하위 문제는 폐쇄형 솔루션을 도출하기 어렵고 볼록 문제가 아니다.Next, the solution to the channel allocation subproblem is downlink and uplink power allocation and , the Lagrangian variable at the base station , and Lagrangian variables in the user terminal can be derived from This channel allocation subproblem is difficult to derive a closed solution and is not a convex problem.
이에 제어부(120)의 최적의 채널 할당은 포괄적인 탐색 방법을 이용하여 도출된다. 즉, 전술한 수학식 10으로부터 새로운 라그랑지안은 다음 수학식 17로 정의할 수 있다Accordingly, the optimal channel allocation of the
[수학식 17][Equation 17]
현재 은 모든 서브 채널과 유저 단말 User 에 공통이므로, 채널 할당 하위 문제에 영향을 미치지 아니한다. 이에 채널 할당 방정식은 다음 수학식 18로 정의된다.Now Since is common to all sub-channels and user terminals User, it does not affect the sub-problem of channel allocation. Accordingly, the channel allocation equation is defined by
[수학식 18][Equation 18]
수학식 17에서 수학식 14 및 15의 다운 링크 및 업 링크 전력 할당 및 에 대입하면 하기 수학식 19의 듀얼 문제의 해를 도출할 수 있다.Downlink and uplink power allocation of
[수학식 19][Equation 19]
여기서, 은 모든 n 개의 서브 채널에서 공통된 값이므로 채널 할당 문제를 해결함에 있어 영향을 미치지 아니한다. 따라서 공동 항을 제거함에 따라 최종 채널 할당 문제의 해는 하기 수학식 20 및 수학식 21으로 도출될 수 있다.here, Since is a value common to all n subchannels, it does not affect the resolution of the channel allocation problem. Accordingly, as the joint term is removed, a solution to the final channel allocation problem can be derived from
[수학식 20][Equation 20]
여기서, 하기 식 21을 만족한다.Here, the following
[수학식 21][Equation 21]
한편, 전력분할비율 하위 문제는 하기 수학식 23을 초기화할 수 있고 여기서, 는 사용자 k에 대해 할당된 사용 채널의 수이다.On the other hand, the power division ratio sub-problem can initialize the following Equation 23, where is the number of used channels allocated for user k.
[수학식 23][Equation 23]
여기서, 전력분할비율 하위 문제의 해를 도출하는 방정식의 해는 전력분할비율 에 대해 볼록하지만 폐쇄형이므로 구하기 어렵다. Here, the solution of the equation for deriving the solution of the power split ratio sub-problem is the power split ratio It is convex to , but difficult to obtain because it is closed.
따라서, 최적 전력분할비율을 도출하기 위해 볼록 최적 알고리즘의 하나인 그래디언드 디센트 방법이 이용된다. 그래디언드 디센트 방법에 이용된 수학식 23의 서브 그래디언드는 하기 수학식 24로부터 도출된다.Therefore, the gradient descent method, which is one of the convex optimal algorithms, is used to derive the optimal power split ratio. The sub-gradient of Equation 23 used in the gradient descent method is derived from
[수학식 24][Equation 24]
한편 로컬 최적 썸레이트(local Optimization sum rate)를 도출하는 알고리즘은 다음과 같다.Meanwhile, an algorithm for deriving a local optimization sum rate is as follows.
여기서, 수학식 12로부터 유저 단말에서의 라그랑지안 곱수인 라그랑지안 변수 은 하베스트된 에너지의 총량으로부터 도출되고 기 알고리즘의 반복 탐색 마다 각 유저 단말 User 에 대해 업데이트되어야 한다. 이에 로컬 최적 썸레이트를 도출하기 위해 알고리즘의 반복 수행마다 변경되는 유저 단말에서의 라그랑지안 변수 로는 모든 유저 단말과 동일한 조건과 비교할 수 없다.Here, from
따라서, 모든 사용자에게 균등한 유저 단말에서의 라그랑지안 변수 가 제공되는 첫번째 채널 할당 이후의 정확한 채널 할당 문제가 해결되지 아니한다. 이에 첫번째 채널 할당 시 채널할당문제는 라그랑지안 곱수( Lagrange multipliers )로 구현된다. Therefore, the Lagrangian variable in the user terminal is equal to all users. The problem of correct channel assignment after the first channel assignment is not solved. Therefore, when the first channel is allocated, the channel allocation problem is implemented as Lagrange multipliers.
도 4는 제어부(120)의 전력 할당, 채널 할당, 및 전력분할비율에 대한 통합 최적화를 수행하는 과정을 보인 알고리즘으로서, 도 4를 참조하여 채널할당 도출단계(121), 연산단계(123), 및 전력분할비율 도출단계(125) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.4 is an algorithm showing a process of performing integrated optimization of power allocation, channel allocation, and power split ratio of the
우선 채널할당 도출단계(121)에서 일 실시 예의 제어부(120)는 다운 링크 및 업 링크 전력 할당 및 , 기지국에서의 라그랑지안 변수 , 유저 단말에서의 라그랑지안 변수 , 및 전력분할비율 은 모두 초기화되고, 전력분할비율 는 0과 1 사이의 랜덤하게 설정된다. 그리고 기지국에서의 라그랑지안 변수 와 유저 단말의 그랑지안 변수 은 라그랑지안 곱수로 정의되며, 0보다 큰 값으로 설정된다. 이분법(bisection method)를 이용하기 위해, 기지국에서의 라그랑지안 변수 를 정의하고 최적 기지국에서의 라그랑지안 변수 를 포함한다. 또한 초기화된 라그랑지안 곱수를 사용하여 수학식 20의 채널 할당 문제의 해를 도출하면 채널 할당 변수 는 도출될 수 있다.First, in the channel
그리고, 라그랑지안 곱수를 이용하여 채널 할당 문제를 해결하면, 연산단계(123)에서 일 실시 예의 제어부(120)는 다운 링크 전력 할당 , 하베스트 에너지 총량 , 및 서브그래디언드 d 를 이용하여 유저 단말의 라그랑지앙 변수 을 도출한다. And, if the channel allocation problem is solved using the Lagrangian multiplier, the
이어 연산단계(123)에서 일 실시 예의 제어부(120)는 도출된 서브그래디언드 d 를 사용하여 이분법 최적화가 수행하여 기지국에서의 라그랑지안 변수 를 도출하고 도출된 기지국에서의 라그랑지안 변수 로 이전 기지국에서의 라그랑지안 변수 를 업데이트한다. 이러한 기지국에서의 라그랑지안 변수 의 업데이트는 이 기 정해진 임계치 accuracy 이하에 도달할 때 까지 반복된다. Then, in the
이때 첫번째 루프에서 전력분할비율 를 제외한 모든 변수가 accuracy에 수렴하면, 전력분할비율 도출단계(124)에서 제어부(120)는 수학식 24에 의거 전력분할비율 를 도출하고, 그래디언드 디센트 방법을 통해 도출된 이전 전력분할비율 를 도출된 로 업데이트한다. 이러한 전력분할비율 최적화는 이 기 정해진 임계치 accuracy 이하에 도달할 때 까지 반복된다. 이에 모든 변수들은 로컬 최적 썸레이트에 수렴한다.At this time, the power division ratio in the first loop When all variables except for converge to the accuracy, in the power split ratio derivation step 124 , the
로컬 최적 썸레이트Local Optimal Thumb Rate 에to 대한 시뮬레이션 결과 simulation results for
총 시스템 대역폭은 20 MHz으로 64개의 부반송파로 분할된다고 가정하고, 채널 경로 손실은 -30dB 라고 가정하며. 기지국 BS와 유저 단말 User 간의 거리는 1m 이고, 기준 거리는 1 m로 가정한다. 또한 에너지 하베스트 효율은 0.7일 경우 즉, 하베스트 총 수신 전력의 70%라고 가정하며, 채널은 5개의 지연 텝을 가지는 다중 경로 복수 가우스 분포의 노이즈를 가진다고 가정하고, 유저 단말 User 의 모든 채널은 독립적인 것으로 가정하며, 다운 링크 및 업 링크 레이트 가중치 및 은 1로 설정된다. 그리고 유저 단말 User 의 수는 4이고 노이즈 전력 스펙트럼 밀도는 -155 dBm/Hz로 설정된다. Assume that the total system bandwidth is divided into 64 subcarriers at 20 MHz, and the channel path loss is -30dB. It is assumed that the distance between the base station BS and the user terminal User is 1 m, and the reference distance is 1 m. In addition, when the energy harvest efficiency is 0.7, that is, it is assumed that it is 70% of the total received power of the harvest, and it is assumed that the channel has multipath multi-Gaussian distribution noise having 5 delay steps, and all channels of the user terminal User are independent It is assumed that the downlink and uplink rate weights and is set to 1. And the number of user terminal users is 4 and the noise power spectral density is set to -155 dBm/Hz.
도 5는 각 다른 방식으로 도출된 SNR에 대한 시스템 썸레이트 성능을 보인 그래프로서, 도 5를 참조하면 모든 방식에 대해 시스템 썸레이트는 SNR이 증가됨에 따라 증가함을 확인할 수 있고, 일 실시예에 의해 도출된 시스템 썸레이트가 최상의 성능을 가짐을 알 수 있다. 즉, 12dB의 SNR과 고정된 전력분할비율 에 대해 50%의 시스템 썸레이트 게인을 얻을 수 있다. 또한 0.9 bps/Hz의 시스템 썸레이트를 달성하기 위해 3dB 전력 손실이 적용된다. 결국 낮은 SNR 영역에서 일 실시예는 이득을 확인할 수 있고, 최적 채널 할당 문제를 고려하지 아니한 경우 기존의 OFDMA 시스템 보다 시스템 썸레이트의 성능이 향상됨을 알 수 있다. 5 is a graph showing the system thumb rate performance for SNR derived by different methods. Referring to FIG. 5, it can be seen that the system thumb rate for all methods increases as the SNR increases, and in one embodiment It can be seen that the system thumb rate derived by That is, an SNR of 12dB and a fixed power split ratio You can get a system thumb rate gain of 50% for . A 3dB power dissipation is also applied to achieve a system thumb rate of 0.9 bps/Hz. As a result, it can be seen that an embodiment can confirm a gain in a low SNR region, and the performance of the system thumb rate is improved compared to the existing OFDMA system when the optimal channel allocation problem is not considered.
도 6은 15dB로 고정된 SNR에 대해 유저 단말의 수에 대한 시스템 썸레이트 성능을 보인 도면으로서, 도 6을 참조하면, 고정된 채널 할당을 사용하면 시스템 썸레이트은 거의 변동되지 아니하므로 사용자 수가 변경된다. 다만 일 실시예는 제안된 채널 할당 기법을 이용하여 유저 단말 User 의 수가 증가되면 시스템 썸레이트의 총 수가 증가됨을 알 수 있다. 또한 채널 할당 문제를 최적화할 때 유저 단말 User 의 수가 증가되면 전력 할당 이득이 감소함을 확인할 수 있고, 유저 단말 User 의 수가 증가될수록 시스템 썸레이트가 증가된다. 6 is a diagram showing the system thumb rate performance with respect to the number of user terminals for a fixed SNR of 15 dB. Referring to FIG. 6, since the system thumb rate hardly changes when a fixed channel allocation is used, the number of users is changed. . However, in one embodiment, it can be seen that the total number of system thumb rates increases when the number of user terminal users is increased using the proposed channel allocation scheme. Also, when optimizing the channel allocation problem, it can be seen that when the number of user terminal users increases, the power allocation gain decreases, and the system thumb rate increases as the number of user terminal users increases.
다만 제한된 대역폭을 가지는 시스템의 경우 유저 단말 User 당 채널 용량이 점진적으로 감소되므로 높은 유저 단말 User 의 수에서 썸레이트가 달성된다.However, in the case of a system with a limited bandwidth, the channel capacity per user terminal user is gradually reduced, so that a thumb rate is achieved at a high number of user terminal users.
일 실시예에서 전력 할당, 채널 할당 및 전력분할비율 통합 최적화를 수행함에 있어, 채널 할당 문제는 볼록 문제는 아니지만 전력 할당 및 전력분할비율이 포함되고 고정된 전력분할비율 및 고정된 전력을 가지는 준최적 방법으로 모든 변수에 대해 고정되고, 이에 기지국 BS 및 유저 단말 User 는 하나의 안테나를 가지는 OFDMA SWIPT 시스템의 성능은 우수하다.In one embodiment, in performing the integrated optimization of power allocation, channel allocation, and power split ratio, the channel allocation problem is not a convex problem, but the power allocation and power split ratio are included, and the suboptimal having a fixed power split ratio and a fixed power This method is fixed for all variables, and thus, the performance of the OFDMA SWIPT system having one antenna for the base station BS and the user terminal User is excellent.
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 representative embodiments above, those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can make various modifications to the above-described embodiments without departing from the scope of the present invention. will understand Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, and should be defined by all changes or modifications derived from the claims and equivalent concepts as well as the claims to be described later.
Claims (12)
상기 기지국에서, 채널 할당, 기지국 및 사용자의 전력할당, 및 전력분할비율에 대한 통합 최적화 알고리즘으로 기지국의 최적 라그랑지안 변수 및 유저 단말의 최적 라그랑지안 변수를 도출하는 통합 최적화 단계를 포함하고,
상기 통합 최적화 단계는,
(a) 다운 링크 및 업 링크 전력 할당 및 , 기지국에서의 라그랑지안 변수 , 유저 단말에서의 라그랑지안 변수 , 및 전력분할비율 은 모두 초기화되고, 전력분할비율 는 0과 1 사이의 랜덤하게 설정한 다음 라그랑지안 곱수를 사용하여 설정된 채널 할당 문제의 해로 채널 할당 변수 를 도출하는 단계;
(b) 다운 링크 및 업링크 전력 할당 , , 하베스트 에너지 총량 및 서브그래디언드 d 를 연산하는 단계;
(c) 도출된 서브그래디언드 d 를 사용하여 이분법 최적화를 수행하여 기지국에서의 라그랑지안 변수 를 도출하고 도출된 기지국에서의 라그랑지안 변수 로 이전 기지국에서의 라그랑지안 변수 를 업데이트하고, 라그랑지안 변수 로 이전 기지국에서의 라그랑지안 변수 의 차가 기 정해진 임계치에 수렴할 때까지 반복 수행하여 기지국에서의 최적 라그랑지안 변수 를 도출하는 단계; 및
(d) 그래디언드 디센트 방법을 이용항 전력분할비율 를 도출하고, 도출된 를 전력분할비율 로 업데이트하고, 이 기 정해진 임계치 accuracy로 수렴할 때까지 반복 수행하여 최적 전력분할비율을 도출하는 단계 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 OFDMA SWIPT 시스템의 통합 자원 할당 방법.In the integrated resource allocation method of the OFDMA SWIPT system for receiving the RF signal of the base station from a plurality of user terminals and then beamforming information and power at the same time,
In the base station, an integrated optimization step of deriving an optimal Lagrangian variable of a base station and an optimal Lagrangian variable of a user terminal with an integrated optimization algorithm for channel allocation, power allocation of the base station and user, and power split ratio,
The integrated optimization step is
(a) Downlink and Uplink Power Allocation and , the Lagrangian variable at the base station , Lagrangian variables in the user terminal , and power split ratio are all initialized, and the power split ratio is set randomly between 0 and 1, then the channel assignment variable as a solution to the set channel assignment problem using a Lagrangian multiplier. deriving;
(b) Downlink and Uplink Power Allocation , , the total amount of harvested energy and calculating a subgradient d;
(c) Lagrangian variables in the base station by performing binary optimization using the derived subgradient d and Lagrangian variables in the derived base station Lagrangian variables in the previous base station as update the Lagrangian variable Lagrangian variables in the previous base station as The optimal Lagrangian variable in the base station is repeated until the difference of deriving; and
(d) Power split ratio using the gradient descent method derived and derived power split ratio update to The optimal power split ratio is repeated until convergence to this predetermined threshold accuracy. An integrated resource allocation method of an OFDMA SWIPT system comprising at least one of deriving
채널 할당 및 전력분할비율을 상수로 설정하고 라그랑지안 곱수 접근법 및 서브그래디언트 d 를 이용하여 도출하도록 구비되며, 업링크 및 다운 링크 전력 할당 , 및 서브그래디언트 d 각각은 다음 관계식 1 내지 관계식 3을 만족하도록 구비되는 것을 특징으로 한느 OFDMA SWIPT 시스템의 통합 자원 할당 방법.
[관계식 1]
[관계식 2]
[관계식 3]
여기서, 는 기지국에서의 라그랑지안 변수이고, 는 채널할당변수이며, 는 유저 단말에서의 라그랑지안 변수이고, 는 서브 채널의 채널 정보이며, 는 다운링크 가중치이고, 는 업링크 가중치이며, 는 전력분할비율이고, 는 총 전력량이다. 2. The method of claim 1, wherein the downlink and uplink power allocation , each
It is provided to set the channel allocation and power split ratio as constants and derive it using a Lagrangian multiplication approach and a subgradient d , and uplink and downlink power allocation , and each of the subgradients d is provided to satisfy the following Relations 1 to 3, An integrated resource allocation method of an OFDMA SWIPT system.
[Relational Expression 1]
[Relational Expression 2]
[Relational Expression 3]
here, is the Lagrangian variable at the base station, is the channel assignment variable, is a Lagrangian variable in the user terminal, is the sub channel is the channel information of is the downlink weight, is the uplink weight, is the power split ratio, is the total power.
다운 링크 및 업 링크 전력 할당 및 , 기지국에서의 라그랑지안 변수 , 및 유저 단말에서의 라그랑지안 변수 , 업링크 및 다운 링크 가중치 , 로부터 정해진 관계식 4 및 관계식 5로부터 도출되는 것을 특징으로 하는 OFDMA SWIPT 시스템의 통합 자원 할당 방법.
[관계식 4]
[관계식 5]
4. The variable of claim 3, wherein the channel assignment variable silver,
Downlink and Uplink Power Allocation and , the Lagrangian variable at the base station , and Lagrangian variables in the user terminal , uplink and downlink weights , An integrated resource allocation method of an OFDMA SWIPT system, characterized in that it is derived from Relations 4 and 5 determined from
[Relational Expression 4]
[Relational Expression 5]
서브그래디언트 에 대한 이진법을 사용하여 도출되는 것을 특징으로 하는 OFDMA SWIPT 시스템의 통합 자원 할당 방법.5. The Lagrangian parameter of the base station according to claim 4, Is
subgradient An integrated resource allocation method of an OFDMA SWIPT system, characterized in that it is derived using a binary method for .
다운 링크 동안 하베스트된 에너지 총량 로 결정되며,
다음 관계식 6을 만족하는 라그랑지안 듀얼 문제 의 해로부터 도출되는 것을 특징으로 하는 OFDMA SWIPT 시스템의 통합 자원 할당 방법.
[관계식 6]
여기서, , 는 채널 정보이고, 는 유저 단말에게 할당된 서버 채널의 수이다.According to claim 5, Lagrangian variable of the user terminal Is
Total amount of energy harvested during downlink is determined by
The Lagrangian dual problem that satisfies the following relation (6) An integrated resource allocation method of the OFDMA SWIPT system, characterized in that it is derived from the solution of
[Relational Expression 6]
here, , is the channel information, is the number of server channels allocated to the user terminal.
상기 기지국에 채널 할당, 기지국 및 사용자의 전력할당, 및 전력분할비율에 대한 통합 최적화 알고리즘으로 기지국의 최적 라그랑지안 변수 및 유저 단말의 최적 라그랑지안 변수를 도출하는 제어부를 더 포함하고,
상기 제어부는,
다운 링크 및 업 링크 전력 할당 및 , 기지국에서의 라그랑지안 변수 , 유저 단말에서의 라그랑지안 변수 , 및 전력분할비율 은 모두 초기화되고, 전력분할비율 는 0과 1 사이의 랜덤하게 설정한 다음 라그랑지안 곱수를 사용하여 설정된 채널 할당 문제의 해로 채널 할당 변수 를 도출하고,
다운 링크 및 업링크 전력 할당 , , 하베스트 에너지 총량 및 서브그래디언드 d 를 연산하며,
연산된 서브그래디언드 d 를 사용하여 이분법 최적화를 수행하여 기지국에서의 라그랑지안 변수 를 도출하고 도출된 기지국에서의 라그랑지안 변수 로 이전 기지국에서의 라그랑지안 변수 를 업데이트하고, 라그랑지안 변수 로 이전 기지국에서의 라그랑지안 변수 의 차가 기 정해진 임계치에 수렴할 때까지 반복 수행하여 기지국에서의 최적 라그랑지안 변수 를 도출하고,
그래디언드 디센트 방법을 이용항 전력분할비율 를 도출하고, 도출된 를 전력분할비율 로 업데이트하고, 이 기 정해진 임계치 accuracy로 수렴할 때까지 반복 수행하여 최적 전력분할비율을 도출하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 OFDMA SWIPT 시스템의 통합 자원 할당 장치.In the integrated resource allocation apparatus of the OFDMA SWIPT system for receiving the RF signal of the base station from a plurality of user terminals and then beamforming information and power at the same time,
A control unit for deriving an optimal Lagrangian variable of a base station and an optimal Lagrangian variable of a user terminal with an integrated optimization algorithm for channel allocation to the base station, power allocation of the base station and user, and power split ratio,
The control unit is
Downlink and Uplink Power Allocation and , the Lagrangian variable at the base station , Lagrangian variables in the user terminal , and power split ratio are all initialized, and the power split ratio is set randomly between 0 and 1, then the channel assignment variable as a solution to the set channel assignment problem using a Lagrangian multiplier. to derive,
Downlink and Uplink Power Allocation , , the total amount of harvested energy and a subgradient d ,
Lagrangian variables in the base station by performing binary optimization using the computed subgradient d and Lagrangian variables in the derived base station Lagrangian variables in the previous base station as update the Lagrangian variable Lagrangian variables in the previous base station as The optimal Lagrangian variable in the base station is repeated until the difference of to derive,
Power split ratio using gradient descent method derived and derived power split ratio update to The optimal power split ratio is repeated until convergence to this predetermined threshold accuracy. Integrated resource allocation apparatus of the OFDMA SWIPT system, characterized in that it is provided to derive.
채널 할당 및 전력분할비율을 상수로 설정하고 라그랑지안 곱수 접근법 및 서브그래디언트 d 를 이용하여 도출하도록 구비되며, 업링크 및 다운 링크 전력 할당 , 및 서브그래디언트 d 각각은 다음 관계식 11 내지 관계식 13을 만족하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 OFDMA SWIPT 시스템의 통합 자원 할당 장치.
[관계식 11]
[관계식 12]
[관계식 13]
여기서, 는 기지국에서의 라그랑지안 변수이고, 는 채널할당변수이며, 는 유저 단말에서의 라그랑지안 변수이고, 는 서브 채널의 채널 정보이며, 는 다운링크 가중치이고, 는 업링크 가중치이며, 는 전력분할비율이고, 는 총 전력량이다. 8. The allocation of downlink and uplink power according to claim 7 , each
It is provided to set the channel allocation and power split ratio as constants and derive it using a Lagrangian multiplication approach and a subgradient d , and uplink and downlink power allocation , and each of the subgradients d is provided to satisfy the following Relations 11 to 13. The apparatus for allocating integrated resources in an OFDMA SWIPT system.
[Relational Expression 11]
[Relational Expression 12]
[Relationship 13]
here, is the Lagrangian variable at the base station, is the channel assignment variable, is a Lagrangian variable in the user terminal, is the sub channel is the channel information of is the downlink weight, is the uplink weight, is the power split ratio, is the total power.
다운 링크 및 업 링크 전력 할당 및 , 기지국에서의 라그랑지안 변수 , 및 유저 단말에서의 라그랑지안 변수 , 업링크 및 다운 링크 가중치 , 로부터 정해진 관계식 14 및 관계식 15로부터 도출되는 것을 특징으로 하는 OFDMA SWIPT 시스템의 통합 자원 할당 장치.
[관계식 14]
[관계식 15]
10. The method of claim 9, wherein the channel assignment variable silver,
Downlink and Uplink Power Allocation and , the Lagrangian variable at the base station , and Lagrangian variables in the user terminal , uplink and downlink weights , An apparatus for allocating integrated resources of an OFDMA SWIPT system, characterized in that it is derived from Relations 14 and 15 determined from
[Relational Expression 14]
[Relational Expression 15]
서브그래디언트 에 대한 이진법을 사용하여 도출되는 것을 특징으로 하는 OFDMA SWIPT 시스템의 통합 자원 할당 장치.11. The method of claim 10, Lagrangian parameter of the base station. Is
subgradient An apparatus for allocating integrated resources of an OFDMA SWIPT system, characterized in that it is derived using a binary method for .
다운 링크 동안 하베스트된 에너지 총량 로 결정되며,
다음 관계식 16을 만족하는 라그랑지안 듀얼 문제 의 해로부터 도출되는 것을 특징으로 하는 OFDMA SWIPT 시스템의 통합 자원 할당 장치.
[관계식 16]
여기서, , 는 채널 정보이고, 는 유저 단말에게 할당된 서버 채널의 수이다.
12. The method of claim 11, wherein the Lagrangian variable of the user terminal. Is
Total amount of energy harvested during downlink is determined by
Lagrangian dual problem that satisfies the following relation 16 Integrated resource allocation apparatus of the OFDMA SWIPT system, characterized in that derived from the solution.
[Relation 16]
here, , is the channel information, is the number of server channels allocated to the user terminal.
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