KR102334012B1 - 비선형 에너지 수확 시스템에서 이동 액세스 포인트를 이용한 무선 정보 및 전력 전달 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 개시는 비선형 에너지 수확 시스템에서 이동 액세스 포인트를 이용한 무선 정보 및 전력 전달 방법 및 장치에 대한 것이다. 본 개시의 일 실시예에 따른 이동식 액세스 포인트가 무선 전력 및 정보 전달을 수행하는 방법은, 상기 액세스 포인트 및 하나 이상의 단말의 기초 정보를 이용하여, 소정의 운용 시간 동안 상기 하나 이상의 단말의 최소 전송률을 최대화하기 위한 소정의 변수의 최적값을 결정하는 단계; 상기 최적값에 대한 설정 정보를 상기 하나 이상의 단말에게 전송하는 단계; 및 상기 최적값에 기초하여 상기 무선 전력 및 정보 전달을 수행하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 소정의 변수는, 상기 액세스 포인트의 위치 변수, 상기 하나 이상의 단말의 상향링크 전송 전력 변수, 또는 상기 액세스 포인트 및 상기 하나 이상의 단말에 대한 자원 할당 비율 변수 중의 하나 이상을 포함할 수 있다.

Description

비선형 에너지 수확 시스템에서 이동 액세스 포인트를 이용한 무선 정보 및 전력 전달 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR WIRELESS INFORMATION AND POWER TRANSFER USING MOBILE ACCESS POINT IN NON-LINEAR ENERGY HARVESTING SYSTEM}

본 개시는 무선 정보 및 전력 전달에 대한 것이며, 구체적으로는 비선형 에너지 수확 시스템에서 이동 액세스 포인트를 이용한 무선 정보 및 전력 전달 방법 및 장치에 대한 것이다.

무선 통신 시스템에서 네트워크 커버리지를 확장하거나 음영 지역을 해소하고 데이터 핫스팟 서비스를 제공하기 위한 목적으로 이동 액세스 포인트 기술이 논의되고 있다. 종래의 액세스 포인트는 지상의 고정된 위치에 배치되기 때문에, 특정 지역에 대해서만 통신 서비스가 제한되는 문제와, 도입 비용이 많이 소요되는 문제가 있었다. 이동 액세스 포인트는 도입 비용이 낮고, 배치 자유도가 높아서 통신 서비스 제공 지역을 유연하게 조정하거나, 보다 유리한 송수신 채널 환경을 인위적으로 또는 선택적으로 이용하는 것을 지원할 수 있다. 예를 들어, 이동 액세스 포인트는 무인기(Unmanned Aerial Vehicle, UAV) 등의 형태로 구현될 수 있다.

또한, 무선 통신 시스템에서 정보 전송 목적으로 사용되는 무선 주파수(Radio Frequency, RF) 신호를, 무선 전력 전달(Wireless Power Transfer, WPT) 목적으로 사용하는 기술이 논의되고 있다. 특히 사물인터넷(Internet of Things, IoT) 환경에서 센서와 같은 저전력 단말이 유선 충전 또는 외부 전원 없이도 무선으로 충전되도록 하는 에너지 수확(Energy Harvesting, EH) 기술에 대한 연구가 진행되고 있다. 예를 들어, 무선 정보 및 전력 전달 시스템에서는, 액세스 포인트가 단말에게 전력을 전달하고, 단말이 액세스 포인트로 정보를 전송할 수 있다. 또한, 무선 정보 전송 및 무선 전력 전달을 지원하는 시스템에서 이동가능한 액세스 포인트를 이용하는 경우, 그 배치 자유도에 기초하여 정보 전송 효율은 물론 전력 전달 효율의 최적화를 도모할 수 있다.

종래의 무선 정보 및 전력 전달 기술에 있어서, 단말의 정보 전송량을 최대화하기 위한 전송 전력 및 자원 할당에 대한 연구가 진행되고 있다. 그러나, 종래의 연구에서는 선형 에너지 수확 모델을 가정한 최적화 문제를 고려하지만, 실제 단말의 RF 정류 회로의 응답 특성은 비선형 특성을 가진다. 따라서, 비선형 에너지 수확 특성을 가지는 시스템을 고려한 무선 정보 및 전력 전달의 최적화를 위한 구체적인 방안은 아직까지 마련되어 있지 않다.

본 개시의 기술적 과제는 이동식 액세스 포인트를 이용하는 비선형 에너지 수확 시스템에서 단말의 최소 전송률의 최대화를 위한 무선 정보 및 전력 전달 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 개시의 추가적인 기술적 과제는 비선형 에너지 수확 시스템의 이동식 액세스 포인트에 대한 경로 및 자원 할당의 최적화를 위한 무선 정보 및 전력 전달 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 개시의 추가적인 기술적 과제는 이동식 액세스 포인트를 이용하는 비선형 에너지 수확 시스템에서 단말의 전송 전력의 최적화를 위한 무선 정보 및 전력 전달 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 개시에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 개시의 일 양상에 따른 이동식 액세스 포인트가 무선 전력 및 정보 전달을 수행하는 방법은, 상기 액세스 포인트 및 하나 이상의 단말의 기초 정보를 이용하여, 소정의 운용 시간 동안 상기 하나 이상의 단말의 최소 전송률을 최대화하기 위한 소정의 변수의 최적값을 결정하는 단계; 상기 최적값에 대한 설정 정보를 상기 하나 이상의 단말에게 전송하는 단계; 및 상기 최적값에 기초하여 상기 무선 전력 및 정보 전달을 수행하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 소정의 변수는, 상기 액세스 포인트의 위치 변수, 상기 하나 이상의 단말의 상향링크 전송 전력 변수, 또는 상기 액세스 포인트 및 상기 하나 이상의 단말에 대한 자원 할당 비율 변수 중의 하나 이상을 포함할 수 있다.

본 개시의 추가적인 양상에 따른 무선 전력 및 정보 전달을 수행하는 이동식 액세스 포인트 장치는, 트랜시버; 메모리; 및 프로세서를 포함할 수 있다. 상기 프로세서는, 상기 메모리에 저장된 상기 액세스 포인트 장치 및 하나 이상의 단말의 기초 정보를 이용하여, 소정의 운용 시간 동안 상기 하나 이상의 단말의 최소 전송률을 최대화하기 위한 소정의 변수의 최적값을 결정하고; 상기 최적값에 대한 설정 정보를 상기 하나 이상의 단말에게 상기 트랜시버를 통하여 전송하고; 상기 최적값에 기초하여 상기 무선 전력 및 정보 전달을 수행하도록 설정될 수 있다. 상기 소정의 변수는, 상기 액세스 포인트의 위치 변수, 상기 하나 이상의 단말의 상향링크 전송 전력 변수, 또는 상기 액세스 포인트 및 상기 하나 이상의 단말에 대한 자원 할당 비율 변수 중의 하나 이상을 포함할 수 있다.

본 개시에 대하여 위에서 간략하게 요약된 특징들은 후술하는 본 개시의 상세한 설명의 예시적인 양상일 뿐이며, 본 개시의 범위를 제한하는 것은 아니다.

본 개시에 따르면, 이동식 액세스 포인트를 이용하는 비선형 에너지 수확 시스템에서 단말의 최소 전송률의 최대화를 위한 무선 정보 및 전력 전달 방법 및 장치가 제공될 수 있다.

본 개시에 따르면, 비선형 에너지 수확 시스템의 이동식 액세스 포인트에 대한 경로 및 자원 할당의 최적화를 위한 무선 정보 및 전력 전달 방법 및 장치가 제공될 수 있다.

본 개시에 따르면, 이동식 액세스 포인트를 이용하는 비선형 에너지 수확 시스템에서 단말의 전송 전력의 최적화를 위한 무선 정보 및 전력 전달 방법 및 장치가 제공될 수 있다.

본 개시에 따르면, 이동식 액세스 포인트를 이용하는 비선형 에너지 수확 시스템에서 단말의 최소 서비스 품질(QoS)을 보장하기 위한 무선 정보 및 전력 전달 방법 및 장치가 제공될 수 있다.

본 개시에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 개시가 적용될 수 있는 이동 액세스 포인트를 포함하는 무선 정보 및 전력 전달 시스템의 구조의 예시를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 개시가 적용될 수 있는 자원 할당의 예시를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 개시가 적용될 수 있는 단말의 최소 전송률 최대화를 위한 변수들의 최적값을 산출하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4 및 도 5는 본 개시가 적용될 수 있는 무선 전력 및 정보 전달 방법의 예시들을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 개시에 따른 액세스 포인트 장치 및 단말 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 7은 액세스 포인트의 경로를 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 8은 단말의 최소 전송률에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 9는 입출력 전력 특성을 나타내는 그래프이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 개시의 실시예에 대하여 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나, 본 개시는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 개시의 실시예를 설명함에 있어서 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그에 대한 상세한 설명은 생략한다. 그리고, 도면에서 본 개시에 대한 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙인다.

본 개시에 있어서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소와 "연결", "결합" 또는 "접속"되어 있다고 할 때, 이는 직접적인 연결관계 뿐만 아니라, 그 중간에 또 다른 구성요소가 존재하는 간접적인 연결관계도 포함할 수 있다. 또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소를 "포함한다" 또는 "가진다"고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 배제하는 것이 아니라 또 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 개시에 있어서, 제1, 제2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용되며, 특별히 언급되지 않는 한 구성요소들 간의 순서 또는 중요도 등을 한정하지 않는다. 따라서, 본 개시의 범위 내에서 일 실시예에서의 제1 구성요소는 다른 실시예에서 제2 구성요소라고 칭할 수도 있고, 마찬가지로 일 실시예에서의 제2 구성요소를 다른 실시예에서 제1 구성요소라고 칭할 수도 있다.

본 개시에 있어서, 서로 구별되는 구성요소들은 각각의 특징을 명확하게 설명하기 위한 것이며, 구성요소들이 반드시 분리되는 것을 의미하지는 않는다. 즉, 복수의 구성요소가 통합되어 하나의 하드웨어 또는 소프트웨어 단위로 이루어질 수도 있고, 하나의 구성요소가 분산되어 복수의 하드웨어 또는 소프트웨어 단위로 이루어질 수도 있다. 따라서, 별도로 언급하지 않더라도 이와 같이 통합된 또는 분산된 실시예도 본 개시의 범위에 포함된다.

본 개시에 있어서, 다양한 실시예에서 설명하는 구성요소들이 반드시 필수적인 구성요소들은 의미하는 것은 아니며, 일부는 선택적인 구성요소일 수 있다. 따라서, 일 실시예에서 설명하는 구성요소들의 부분집합으로 구성되는 실시예도 본 개시의 범위에 포함된다. 또한, 다양한 실시예에서 설명하는 구성요소들에 추가적으로 다른 구성요소를 포함하는 실시예도 본 개시의 범위에 포함된다.

본 개시는 무선 통신 시스템에서 네트워크 노드들 간의 통신에 대한 것이다. 네트워크 노드는, 기지국, 단말 또는 릴레이(relay) 중의 하나 이상을 포함할 수 있다. 기지국(Base Station, BS)이라는 용어는, 고정국(fixed station), Node B, eNodeB(eNB), ng-eNB, gNodeB(gNB), 액세스 포인트(Access Point, AP) 등의 용어로 대체될 수 있다. 단말(terminal)은 UE(User Equipment), MS(Mobile Station), MSS(Mobile Subscriber Station), SS(Subscriber Station), 비-AP 스테이션(non-AP STA) 등의 용어로 대체될 수 있다.

무선 통신 시스템은 기지국과 단말 간의 통신을 지원할 수도 있고, 단말간 통신을 지원할 수도 있다. 기지국과 단말 간의 통신에 있어서, 하향링크(Downlink, DL)는 기지국으로부터 단말로의 통신을 의미한다. 상향링크(Uplink, UL)은 단말로부터 기지국으로의 통신을 의미한다. 단말간 통신은 D2D(Device-to-Device), V2X(Vehicle-to-everything), ProSe(Proximity Service), 사이드링크(sidelink) 통신 등의 다양한 통신 방식 또는 서비스를 포함할 수 있다. 단말간 통신에 있어서 단말은 센서 노드, 차량, 재난 경보기 등의 형태로 구현될 수도 있다.

또한, 본 개시의 예시들은 릴레이(relay) 또는 릴레이 노드(RN)을 포함하는 무선 통신 시스템에 대해서 적용될 수 있다. 기지국과 단말 간의 통신에 릴레이가 적용되는 경우, 릴레이는 단말에 대해서 기지국으로서 기능할 수 있고, 릴레이는 기지국에 대해서 단말로서 기능할 수 있다. 한편, 단말간 통신에 릴레이가 적용되는 경우, 릴레이는 각각의 단말에 대해서 기지국으로서 기능할 수 있다.

본 개시는 무선 통신 시스템의 다양한 다중 액세스 방식에 적용될 수 있다. 예를 들어, 다중 액세스 방식은 CDMA(Code Division Multiple Access), TDMA(Time Division Multiple Access), FDMA(Frequency Division Multiple Access), OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access), SC-FDMA(Single Carrier-FDMA), OFDM-FDMA, OFDM-TDMA, OFDM-CDMA, NOMA(Non-Orthogonal Multiple Access) 등을 포함할 수 있다. 또한, 본 개시가 적용될 수 있는 무선 통신 시스템은, 상향링크 및 하향링크 통신이 서로 구별되는 시간 자원을 이용하는 TDD(Time Division Duplex) 방식을 지원할 수도 있고, 서로 구별되는 주파수 자원을 이용하는 FDD(Frequency Division Duplex) 방식을 지원할 수도 있다.

본 개시에서, 채널을 전송 또는 수신한다는 것은 해당 채널을 통해서 정보 또는 신호를 전송 또는 수신한다는 의미를 포함한다. 예를 들어, 제어 채널을 전송한다는 것은, 제어 채널을 통해서 제어 정보 또는 신호를 전송한다는 것을 의미한다. 유사하게, 데이터 채널을 전송한다는 것은, 데이터 채널을 통해서 데이터 정보 또는 신호를 전송한다는 것을 의미한다.

이하에서는, 비선형 에너지 수확 시스템에서 이동 액세스 포인트를 이용한 무선 정보 및 전력 전달을 위한 본 개시의 실시예들에 대해서 설명한다.

도 1은 본 개시가 적용될 수 있는 이동 액세스 포인트를 포함하는 무선 정보 및 전력 전달 시스템의 구조의 예시를 설명하기 위한 도면이다.

도 1(a) 및 도 1(b)의 예시에서 일정한 영역에 K 개의 지상 단말(Ground Terminal, GT)가 존재하는 것을 가정한다.

도 1(a)의 예시에서는 K 개의 단말에 대해서 무선으로 전력을 전달하고 K 개의 단말로부터 무선으로 정보를 수신하는 액세스 포인트가 존재하는 경우를 나타낸다. 도 1(b)의 예시에서는 K 개의 단말에 대해서 무선으로 전력을 전달하는 에너지 전송(Energy Transfer, ER) 액세스 포인트, 및 K 개의 단말로부터 무선으로 정보를 수신하는 정보 디코딩(Information Decoding, ID) 액세스 포인트가 존재하는 경우를 나타낸다.

예를 들어, 무선 정보 및 전력 전달 시스템(예를 들어, WPCN(Wireless Powered Communication Network))에서, 액세스 포인트가 단말에게 RF 신호를 통한 하향링크 무선 에너지 전송(Wireless Energy Transfer, WET)을 수행하여 단말에서 수신된 RF 신호가 정류 회로를 거쳐 단말의 배터리를 충전하고, 이와 같이 수확된 에너지를 사용하여 단말은 상향링크 무선 정보 전송(Wireless Information Transmission, WIT)을 수행하여 단말로부터 액세스 포인트로 데이터가 전송될 수 있다. 이러한 액세스 포인트는 도 1(a)의 예시와 같이 하나의 액세스 포인트가 전력 전달 기능 및 정보 수신의 기능을 통합하여 수행할 수도 있고, 도 1(b)의 예시와 같이 별개의 액세스 포인트들이 각각 전력 전달 기능을 수행하거나 정보 수신의 기능을 수행할 수도 있다. 이러한 통합된(integrated) 액세스 포인트 또는 별개의(separated) 액세스 포인트들을 통칭하여 하이브리드 액세스 포인트라 할 수 있다.

도 1(a) 및 도 1(b)의 예시에서 각각의 단말 및 각각의 액세스 포인트는 하나의 안테나를 구비하는 것으로 가정한다. 이는 시스템 모델 가정을 위한 예시에 불과하며, 단말 및/또는 액세스 포인트가 복수의 안테나를 구비하는 경우도 본 개시의 범위에 포함된다.

도 1(a) 및 도 1(b)의 예시에서, 액세스 포인트는 자신의 배터리 용량 및 상태를 고려하여 소정의 시간(예를 들어, T 초) 동안 단말로부터의 WIT 및 단말로의 WET를 지원할 수 있다. T 시간은 운용 시간이라고 칭할 수 있고, T 시간은 N 개의 시간 구간으로 이산화될 수 있고, 각각의 시간 구간의 길이인 δ_N은,

으로 정의된다. N 개의 시간 구간의 각각에 대해서 인덱스 n(n=1, 2, 3, ..., N)이 부여되고, 각각의 시간 구간은 시간 구간 n 또는 n 번째 시간 구간이라고 칭할 수 있다.

K 개의 단말의 각각에 대해서 인덱스 k(k=1, 2, 3, ..., K)가 부여되고, 각각의 단말은 단말 k 또는 k 번째 단말이라고 칭할 수 있다. k 번째 단말의 위치인 u_k는,

로 정의된다.

T 시간 동안 액세스 포인트의 고도는 H를 유지하는 것으로 가정한다. 또한, 액세스 포인트의 최대 속력은 v_max인 것으로 가정한다.

운용 시간 T 동안 각각의 시간 구간 n에서의 액세스 포인트의 위치를 2 차원 좌표 평면에서 표현하면, 도 1(a)의 경우 액세스 포인트의 위치인 p[n]은,

및

으로 정의될 수 있다. 유사하게, 도 1(b)의 경우 ID 액세스 포인트의 위치인 p_I[n]은

및

으로 정의되고, ET 액세스 포인트의 위치인 p_E[n]은

및

로 정의될 수 있다.

이에 따라, 각각의 시간 구간 n에서의 액세스 포인트의 위치의 집합인 {p[n]}에 대한 액세스 포인트의 최대 속력에 대한 제한 조건은 아래 수학식 1로 나타낼 수 있다.

수학식 1에서 시간 구간 n-1 부터 시간 구간 n 사이에서 액세스 포인트가 이동하는 거리(즉, p[n]과 p[n-1]의 차이값)는, 액세스 포인트의 최고 속력 v_max와 시간 구간의 길이 δ_N에 의해서 제한되는 것을 나타낸다. 여기서, 액세스 포인트는 등속도 운동을 하는 것으로 가정한다.

또한, 각각의 시간 구간 n에서의 액세스 포인트와 k 번째 단말 간의 평균 채널 게인에 해당하는 G_k[n]은, 액세스 포인트와 단말 k 간의 거리에 따라 결정되며, 아래의 수학식 2와 같이 정의될 수 있다.

수학식 2에서 g₀는 단위 거리(예를 들어, 1m)에서의 기준 신호 감쇄량을 나타내고, γ는 단위 거리에서의 경로 손실 지수를 나타낸다.

도 2는 본 개시가 적용될 수 있는 자원 할당의 예시를 나타내는 도면이다.

도 2의 예시에서는 액세스 포인트와 각각의 단말 간의 전력 전달 및 정보 송수신을 위한 자원 할당 방식으로 시분할다중액세스(Time Division Multiple Access, TDMA) 방식이 적용되는 경우를 나타낸다. 다만, 이는 일 예시에 해당하고, 자원 할당 방식으로 주파수분할다중액세스(Frequency Division Multiple Access, FDMA) 등의 다른 방식도 본 개시의 범위에 포함된다. 예를 들어, FDMA 방식이 적용되는 경우, 이하의 예시에서 각각의 단말에게 할당되는 부 시간 구간은, 각각의 단말에게 할당되는 주파수 범위, 대역폭, 또는 서브대역으로 대체될 수 있다.

운용 시간 T 는 N 개의 시간 구간으로 분할되고, 각각의 시간 구간 n은 K+1 개의 부 시간 구간으로 분할될 수 있다. K+1 개의 부 시간 구간의 길이는

(k=0, 1, 2, ..., K)로 표현할 수 있다. 여기서, k=0에 해당하는 첫 번째 부 시간 구간인

은 액세스 포인트로부터 하나 이상의 단말로의 전력 전달을 위해서 할당될 수 있다. 나머지 K 개의 부 시간 구간, 즉,

에 대한(여기서, k=1, 2, 3, ... K)

는 k 번째 단말의 정보 전송을 위해서 할당될 수 있다. 이에 따라, 자원 할당에 대한 제한 조건은 아래의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.

수학식 3에서

로 정의된다 (즉, k=0, 1, 2, 3, ..., K). 또한, τ_k (k=1, 2, 3, ..., K)는 k 번째 단말의 정보 전송에 대한 자원 할당 비율을 나타내고, τ_k (k=0)은 액세스 포인트의 전력 전송에 대한 자원 할당 비율을 나타낸다. 즉, τ_k[n]은 n 번째 시간 구간에서의 액세스 포인트 및 단말에 대한 자원 할당 비율을 나타낸다.

한편, 단말의 정류 회로가 선형 입출력 특성을 가지는 것으로 가정하는 경우 후술하는 최적화 문제는 오목(concave) 또는 볼록(convex) 함수로 표현되므로 간단하게 해결할 수 있지만 실제 단말의 소자 특성을 반영할 수 없는 문제가 있다. 따라서, 최적화 문제를 보다 정확하게 해결하기 위해서는, 실제 단말의 비선형(non-linear) 입출력 특성을 고려할 필요가 있다.

시간 구간 n 내에서 첫 번째(즉, k=0) 부 시간 구간인

동안 액세스 포인트가 전력을 전송하는 경우, 시간 구간 n에서 각각의 단말 k가 수확하는 에너지의 양 E^NL _k[n]은 아래의 수학식 4로 나타낼 수 있다. 여기서, NL은 단말의 정류 회로의 비선형(Non-Linear) 입출력 특성을 고려한 것을 의미한다.

수학식 4에서 P^DL은 액세스 포인트의 전송 전력을 나타낸다. 또한, M, α, 및 β는 정류 회로의 비선형 입출력 특성을 나타내는 상수 값이다. 예를 들어, 정류 회로의 입력인 RF 전력과 정류 회로의 출력인 수확 전력 간의 입출력 특성은, 시그모이드 함수 형태로 표현될 수 있다. 예를 들어, 단말의 정류 회로는 낮은 입력 구간에서는 낮은 효율을 보이고, 중간 입력 구간에서는 효율이 높아지다가, 높은 입력 구간에서는 다시 효율이 낮아지며 포화되는 비선형 입출력 특성을 가질 수 있다. 이를 고려하여, 수학식 4에서 M은 수확 전력이 포화되는 최대값의 특성에 대응하고, α는 전체 입출력 구간의 특성에 대응하고, β는 중간 입출력 구간의 특성에 대응할 수 있다. 이와 같이, M, α, 및 β는 실제 소자 특성을 커브-피팅(curve-fitting)하여 얻어지는 상수이므로, 실제 단말 특성에 따라 결정될 수 있다.

다음으로, 운용 시간 T 동안 k 번째 단말의 평균 전송률인 R_k는 아래의 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.

수학식 5에서 σ ²는 백색 잡음 분산을 나타내고, η은 수신 전력 중에서 정보 송신을 위해서 사용되는 전력의 비율을 나타낸다.

전술한 바와 같은 하이브리드 액세스 포인트 기반 무선 전력 및 정보 전달 시스템에서 단말들의 최소 전송률을 최대화하는 것이 요구된다. 여기서, 단말들의 평균 전송률을 최대화하거나 전송률의 합계를 최대화하는 것은 전체 시스템의 처리량(throughput)을 높일 수는 있지만 개별 단말의 서비스품질(Quality of Service, QoS)은 보장되지 않는 문제가 있다. 본 개시에서는 단말들의 최소 전송률을 최대화하기 위한 구체적인 실시예들에 대해서 설명하며, 이에 따라 각각의 단말의 QoS를 보장할 수 있는 새로운 방안이 제공될 수 있다.

구체적으로, n 번째 시간 구간 각각에 대해서, 액세스 포인트의 위치 p[n], 단말 k의 상향링크 전송 전력 P^UL _k[n], 또는 액세스 포인트 및 단말에 대한 자원 할당 비율 τ_k[n] 중의 하나 이상을 최적화함으로써, 각각의 시간 구간 n에서의 단말의 최소 전송률을 최대화하는 방안에 대해서 이하에서 설명한다. 또한 본 개시의 예시들은, 시간 구간 n의 집합인 운용 시간 T에 대해서, 액세스 포인트의 위치의 집합에 해당하는 액세스 포인트의 경로 {p[n]}, 상향링크 전송 전력의 집합 {P^UL _k[n]}, 또는 자원 할당 비율의 집합 {τ_k[n]} 중의 하나 이상을 최적화함으로써, 전체 운용 시간 T에서의 단말의 최소 전송률을 최대화하는 방안을 포함할 수 있다.

수학식 6은 본 개시에 따른 하이브리드 액세스 포인트 기반 무선 전력 및 정보 전달 시스템에서 단말의 최소 전송률(R_min)을 최대화하기 위하여, 상향링크 전송 전력 변수인 {P^UL _k[n]}, 액세스 포인트 위치 변수(또는 액세스 포인트 경로 변수)인 {p[n]}, 액세스 포인트 및 단말 자원 할당 비율 변수인 {τ_k[n]}을 최적화하는 문제(P1)를 나타낸다.

수학식 6에서 조건 (1)은 모든 단말에 대해 공통적으로 적용되는 최소 전송률을 나타내는 최적화 변수 R_min 보다 단말 k의 운용 시간 T 동안의 평균 전송률 R_k 가 높아야 함을 나타낸다.

조건 (2)에서 τ_k[n]P^UL _k[n]은, 각각의 시간 구간 n에서, 단말 k가 사용하는 상향링크 전송 전력에 해당하고, E^NL _k[n]은 단말 k가 WET를 통해서 수확하는 에너지에 해당한다. 이에 따라, 조건 (2)는, 각각의 시간 구간에서 단말 k에 대해서 할당되는 자원에 대해서, 시간 구간 2 부터 시간 구간 n까지 단말 k가 사용한 총 상향링크 전송 전력의 합이, 시간 구간 1 부터 시간 구간 n-1까지 단말이 WET를 통해 수확한 에너지 이하여야 함을 나타낸다.

조건 (3)은 시간 구간 n-1 부터 시간 구간 n 사이에서 액세스 포인트가 이동하는 거리가 액세스 포인트의 최고 속력 v_max와 시간 구간의 길이 δ_N에 의해서 제한되는 것을 나타낸다(수학식 1 참조). 또한, 최종 액세스 포인트의 위치 p[N]이 액세스 포인트의 초기 위치 p[0]와 동일하다는 것은, 액세스 포인트가 운용 시간 T가 지난 후에 초기 위치로 돌아와야 함을 나타낸다.

조건 (4)는 각각의 시간 구간 n에서 단말이 사용하는 상향링크 전송 전력 P^UL _k[n]이 최대값인 P^UL _max보다 낮아야 함을 나타낸다.

조건 (5)는 액세스 포인트 및 단말의 자원 할당 비율인 τ_k[n]에 대한 제한을 나타낸다(수학식 3 참조).

수학식 6의 최적화 문제는 도 1(a)의 예시와 같이 통합된 하이브리드 액세스 포인트를 가정한 것이다. 도 1(b)의 예시와 같이 ET 액세스 포인트와 ID 액세스 포인트를 포함하는 별개의 하이브리드 액세스 포인트인 경우에는, 수학식 6의 조건 (3)이 아래의 수학식 7로 치환될 수 있다.

수학식 7에서 p_I[n]은 n 번째 시간 구간에서 ID 액세스 포인트의 위치를 나타내고, p_E[n]은 n 번째 시간 구간에서 ET 액세스 포인트의 위치를 나타낸다. 또한, v^I _max는 ID 액세스 포인트의 최고 속력을 나타내고, v^E _max는 ET 액세스 포인트의 최고 속력을 나타낸다. 즉, ID 액세스 포인트 및 ET 액세스 포인트 각각이 시간 구간 n-1 부터 시간 구간 n 사이에서 이동하는 거리는, 해당 액세스 포인트의 최고 속력과 시간 구간의 길이 δ_N에 의해서 제한되는 것을 나타낸다. 또한, ID 액세스 포인트와 ET 액세스 포인트의 각각은 운용 시간 T가 지난 후에 초기 위치로 돌아와야 함을 나타낸다.

이하의 예시들에서는 통합된 액세스 포인트를 이용하는 시스템을 가정한 수학식 6의 최적화 문제에 대한 해결에 대해서 설명하지만, 본 개시의 범위는 수학식 6의 조건 (3)이 수학식 7로 치환된 별개의 액세스 포인트를 이용하는 시스템에서의 최적화 문제 해결을 포함한다. 즉, 이하의 설명에서 통합된 액세스 포인트의 위치 또는 경로 변수에 대한 최적값 도출의 과정은, p[n]를 p_I[n] 또는 p_E[n]으로 치환하고 v_max를 v^I _max 또는 v^E _max로 치환함으로써, ID 액세스 포인트의 위치 또는 경로 변수에 대한 최적값 도출 및/또는 ET 액세스 포인트의 위치 또는 경로 변수에 대한 최적값 도출의 과정으로 적용될 수 있다.

수학식 6의 최적화 문제는 조건 (1) 및 (2)의 비볼록(non-convex) 특성으로 인해 최소 전송률 최대화를 직접적으로 계산하기 어렵다. 따라서, 조건식 모두를 최적화가 용이한 오목 또는 볼록 제한식(constraint)으로 근사화시킴으로써, 원래의 최적화 문제의 목적 함수가 수렴할 때까지 반복 근사화 및 해결할 수 있다. 예를 들어, 비볼록 문제를 볼록 문제로 근사화시켜 반복적으로 해결하기 위해서 SCA(Successive convex approximation)와 같은 방식을 적용할 수 있다. SCA에 따르면, 특정 변수 값(즉, 이전 반복에서 얻어지는 최적값)이 주어질 때, 그 값을 바탕으로 비볼록 함수의 오목한 하한 또는 볼록한 상한의 대리 함수를 얻어 전체 문제를 볼록한 문제로 근사화시킬 수 있다. 이에 따라, 근사화된 문제를 해결한 뒤 얻어진 변수 값을 바탕으로 목적 함수가 수렴할 때까지 계속 반복을 진행할 수 있다.

여기서, 본 개시에서는 수학식 6의 최적화 문제를 해결하기 위해서 2-단계 최적화 방식을 적용할 수 있다. 구체적으로, 제 1 단계에서는 액세스 포인트 및 단말 자원 할당 비율 변수인 {τ_k[n]}을 고정시키고, 상향링크 전송 전력 변수인 {P^UL _k[n]} 및 액세스 포인트 위치(또는 경로) 변수인 {p[n]}에 대한 최적값을 동시에 도출(즉, 조인트-최적화)할 수 있다. 다음으로, 제 2 단계에서는 {P^UL _k[n]} 및 {p[n]}에 대해서 도출된 최적값에 기초하여, {τ_k[n]}의 최적값을 도출할 수 있다.

제 1 단계 최적화를 수행하기 위해서 수학식 8의 조건을 추가할 수 있다.

수학식 8에서 z_k[n]은 수학식 2의 채널 게인 G_k[n]의 분모에 대한 제한 조건을 나타내는 보조 변수(auxiliary variable)로서 정의된다. 보조 변수 z_k[n]을 도입함으로써 조건 (1) 및 (2)로 인한 수학식 6의 비볼록 문제를 볼록 문제로 근사화할 수 있다.

구체적으로, 수학식 6의 조건 (1)의 좌변(즉, R_k)에 대해서, 수학식 8의 조건을 수학식 5에 적용함으로써, 수학식 9의 첫 번째 줄의 수식으로 치환될 수 있다. 이에 대해서 1차 테일러 근사화(first order Taylor approximation)를 통해 수학식 9의 두 번째 줄의 수식과 같이 근사화될 수 있다.

수학식 9에서 LB는 하한(Lower Bound)을 의미한다.

은 보조 변수 z_k[n]의 오목한 대리 하한 함수를 나타낸다. 예를 들어,

으로 정의될 수 있다. 여기서, q는 반복 횟수를 의미한다. 즉,

는 이전 반복에서 획득된 p[n]의 변수 값에 기초한 대리 함수에 해당할 수 있다.

또한, 수학식 6의 조건 (2)의 우변의 단말 k의 시간 구간 n-1까지의 수확 에너지 양(즉,

)에 대해서, 수학식 8의 조건을 수학식 4에 적용함으로써, 수학식 10의 첫 번째 줄의 수식으로 치환될 수 있다. 이에 대해서 1차 테일러 근사화를 통해 수학식 10의 두 번째 줄의 수식과 같이 근사화될 수 있다.

수학식 10에서

및 하향링크 전송 전력 P^DL에 기초한 새로운 변수

가 도입되고,

으로 정의된다. 또한, z_k[n]의 최소값에 대한 새로운 변수 U_m이 도입되고,

으로 정의된다.

수학식 6의 조건 (1)에 대한 수학식 9으로의 근사화, 및 수학식 6의 조건 (2)에 대한 수학식 10으로의 근사화를 통해, 액세스 포인트 위치(또는 경로) 변수인 {p[n]} 및 각각의 단말의 상향링크 전송 전력 변수인 {P^UL _k[n]}에 대한 조인트-최적화를 위하여 근사화된 문제(P2)는 수학식 11과 같이 나타낼 수 있다.

수학식 11은 오목/볼록 문제이므로, 오목/볼록 함수의 최적화 방식(예를 들어, CVX 등)을 적용하여 최적화된 변수 값이 산출될 수 있다.

다음으로, 제 2 단계 최적화를 수행하기 위해서, 수학식 11에서 산출되는 액세스 포인트 위치(또는 경로) 변수인 {p[n]} 및 각각의 단말의 상향링크 전송 전력 변수인 {P^UL _k[n]}의 최적값을 고정시키고, 수학식 6에서 액세스 포인트 및 단말 자원 할당 비율 변수인 {τ_k[n]}의 최적값을 산출할 수 있다. 제 2 단계 최적화에 있어서 {τ_k[n]}의 최적값 산출은 선형 문제이므로, 역행렬 연산을 통해 간단하게 해결할 수 있다.

이에 따라 산출된 {τ_k[n]}을 수학식 11에 적용하고 목적 함수가 수렴할 때까지 반복 연산을 수행할 수 있다.

전술한 과정을 통해, 하이브리드 액세스 포인트 기반 무선 전력 및 정보 전달 시스템에서 단말의 최소 전송률(R_min)을 최대화하기 위한, 액세스 포인트 위치(또는 경로) 변수인 {p[n]}, 각각의 단말의 상향링크 전송 전력 변수인 {P^UL _k[n]}, 액세스 포인트 및 단말 자원 할당 비율 변수인 {τ_k[n]}의 최적값이 산출될 수 있다.

이와 같이 산출된 최적값은 액세스 포인트 및 각각의 단말에게 제공될 수 있다. 액세스 포인트 및 각각의 단말은 제공된 최적값을 이용하여 무선 전력 전송 및/또는 무선 정보 전송을 수행할 수 있고, 이에 따라 각각의 단말의 최소 전송률이 최대화될 수 있다.

도 3은 본 개시가 적용될 수 있는 단말의 최소 전송률 최대화를 위한 변수들의 최적값을 산출하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 3의 예시는 이동식 하이브리드 액세스 포인트 기반 무선 전력 및 정보 전달 시스템의 단말 최소 전송률의 최대화를 위한, 액세스 포인트 위치 (p), 단말의 상향링크 전송 전력 (P^UL), 또는 자원 할당 비율 (τ) 중의 하나 이상 최적값을 산출하는 방법에 대한 것이다.

또한, 도 3의 예시에서 통합된 액세스 포인트를 가정한 액세스 포인트의 위치 변수 p는, 별개의 액세스 포인트를 이용하는 시스템에서의 ID 액세스 포인트의 위치 변수 p_I로 치환되거나 ET 액세스 포인트의 위치 변수 p_E로 치환될 수 있다.

단계 S310에서 액세스 포인트 위치 (p), 단말의 상향링크 전송 전력 (P^UL), 또는 자원 할당 비율 (τ) 중의 하나 이상에 기초한 이동식 하이브리드 액세스 포인트 기반 무선 전력 및 정보 전달 시스템 모델을 설정할 수 있다. 예를 들어, 수학식 6과 같은 단말 최소 전송률의 최대화를 위한 최적화 문제(P1)가 제 1 목적 함수로서 설정될 수 있다.

본 예시에서 최적화는 2-단계로 수행될 수 있다. 제 1 단계 최적화는 τ를 고정시킨 상태에서 P^UL 및/또는 p에 대한 최적값을 반복적으로 도출하고, 제 2 단계 최적화는 P^UL 및 p에 대해서 도출된 최적값에 기초하여 τ의 최적값을 직접적으로 도출할 수 있다. 이를 위해서 제 1 단계 최적화를 위한 반복 횟수는 i로 나타내고, 제 2 단계 최적화는 선형 문제이므로 직접적으로 최적값이 산출될 수 있다. 이와 같은 2-단계 최적화를 통하여 산출되는 p, P^UL, 또는 τ 중의 하나 이상의 값은 제 1 목적 함수가 수렴할 때까지 반복하여 수행될 수 있고, 이러한 반복 횟수는 q로 나타낼 수 있다.

단계 S320에서 q=0로 설정되고, p, P^UL, 또는 τ 중의 하나 이상을 초기화할 수 있다. 예를 들어, 모든 시간 구간 n 및 모든 단말 k에 대해서, p^(q)[n], P^UL _k ^(q)[n], τ_k ^(q)[n]에 대한 초기값이 설정될 수 있다.

단계 S330에서 q=q+1로 업데이트되고, i=0으로 설정될 수 있다.

단계 S340에서 제 1 목적 함수(예를 들어, 수학식 6의 P1)에 대한 대리 하한 함수를 이용한 근사화에 기초하여 제 2 목적 함수(예를 들어, 수학식 11의 P2)가 설정될 수 있다. 예를 들어, 모든 n 및 모든 k에 대해서,

로 설정하고,

로 설정될 수 있다.

단계 S350에서 q-1 번째 반복에서 획득된 τ 값에 기초하여, p 또는 P^UL 중의 하나 이상에 대한 최적화 문제를 해결할 수 있다. 예를 들어, 주어진 {τ_k ^(q-1)[n]}에 대해서, 제 2 목적 함수(예를 들어, 수학식 11의 P2)를 해결할 수 있다.

단계 S360에서 제 2 목적 함수가 수렴하지 않는 경우에는, 단계 S355에서 i=i+1로 업데이트하고, 단계 S350로 돌아가서 p 또는 P^UL 중의 하나 이상에 대한 최적화 문제를 해결할 수 있다. 이와 같이, 반복 횟수 i마다 τ 값은 고정된 상태에서, P^UL 및/또는 p에 대한 최적값이 반복적으로 도출될 수 있다.

단계 S360에서 제 2 목적 함수가 수렴하는 경우, 단계 S370에서 p 또는 P^UL 중의 하나 이상에 대해 결정된 최적값에 기초하여, τ 에 대한 최적화 문제 해결할 수 있다. 예를 들어, i 번째 반복에서 제 2 목적 함수가 수렴하는 경우, 그 때의 p 값 및/또는 P^UL 값이 변수 p 및/또는 변수 P^UL의 최적값으로 결정된다. 즉, i 번째 반복의 결과로 제 2 목적 함수가 수렴하는 경우, p^(q)[n]= p^(q,i)[n]으로 업데이트되고, P^UL _k ^(q)[n]= P^UL _k ^(q,i)[n]으로 업데이트될 수 있다.

이에 따라, p 및/또는 P^UL 값이 고정된 상태에서, 변수 τ 에 대한 최적값이 산출될 수 있다. 결과적으로, p, P^UL 및 τ 값이 산출되면, 그에 따라 R_min 값도 산출될 수 있다. 예를 들어, p^(q)[n] 및/또는 P^UL _k ^(q)[n]이 결정되면, 선형 문제 해결(예를 들어, 역행렬 연산)을 통해서 τ_k ^(q)[n] 값이 산출될 수 있다. 그리고, p^(q)[n], P^UL _k ^(q)[n] 및 τ_k ^(q)[n]에 기초하여 R^(q) _min 값이 산출될 수 있다.

단계 S380에서 제 1 목적 함수(예를 들어, 수학식 6의 P1)가 수렴하지 않는 경우, 단계 S330으로 돌아가서 q=q+1로 업데이트되고, i=0으로 초기화될 수 있다. 이후, S340 내지 S370의 단계가 다시 수행되어 업데이트된 반복 횟수 q에서의 p^(q)[n], P^UL _k ^(q)[n], τ_k ^(q)[n] 및 R^(q) _min 값이 산출될 수 있다.

단계 S390에서 제 1 목적 함수가 수렴하는 경우, p, P^UL _, 또는 τ 중의 하나 이상에 대한 최적값이 결정될 수 있다. 예를 들어, q 번째 반복에서 제 1 목적 함수가 수렴하는 경우, 그 때의 p^(q)[n] 값이 액세스 포인트 위치의 최종적인 최적값 p[n]으로 결정되고, 그 때의 P^UL _k ^(q)[n] 값이 단말의 상향링크 전송 전력의 최적값 P^UL _k[n]으로 결정되고, 그 때의 τ_k ^(q)[n]의 값이 액세스 포인트 및 단말의 자원 할당 비율의 최종적인 최적값 τ_k[n]으로 결정되고, 그 때의 R^(q) _min 값이 최소 전송률의 최종적인 최적값(즉, 최대값)으로 결정될 수 있다.

도 4 및 도 5는 본 개시가 적용될 수 있는 무선 전력 및 정보 전달 방법의 예시들을 나타내는 도면이다.

단계 S410에서 액세스 포인트는 자신의 기초 정보를 획득 또는 결정할 수 있다. 예를 들어, 액세스 포인트 기초 정보는, 액세스 포인트의 이동에 관련된 정보(예를 들어, 출발 위치, 목적 위치, 고도, 최고 속도 등), 액세스 포인트의 전송 캐퍼빌리티에 관련된 정보(예를 들어, 최대 전송 전력, 평균 전송 전력 등) 중의 하나 이상을 포함할 수 있다.

단계 S420에서 단말(들)의 각각은 액세스 포인트에게 자신의 기초 정보를 전달할 수 있다. 예를 들어, 단말 기초 정보는, 단말의 위치에 관련된 정보(예를 들어, 현재 위치, 이동성 여부에 대한 정보 등), 단말의 전송 캐퍼빌리티에 관련된 정보(예를 들어, 최대 전송 전력, 평균 전송 전력 등), 단말의 정보량에 관련된 정보(예를 들어, 전송 데이터의 유무, 평균 전송 정보량, 버퍼 상태 보고 등), 단말의 에너지 수확 캐퍼빌리티에 관련된 정보(예를 들어, 정류 회로 특성 상수(M, α, β), 수신 전력 중 정보 송신을 위해 사용되는 전력의 비율(η) 등) 중의 하나 이상을 포함할 수 있다.

단계 S430에서 액세스 포인트는 액세스 포인트 기초 정보 및 단말 기초 정보를 이용하여, 이동식 하이브리드 액세스 포인트 기반 무선 전력 및 정보 전달 시스템의 최소 전송률 최대화를 위한 변수들(예를 들어, 액세스 포인트 위치 (p), 단말의 상향링크 전송 전력 (P^UL), 또는 액세스 포인트 및 단말의 자원 할당 비율 (τ))의 최적값을 결정할 수 있다. 예를 들어, 도 3의 최적값 산출 동작이 액세스 포인트에 의해서 수행될 수 있다.

단계 S440에서 액세스 포인트는 단말(들)에게 최적값에 대한 설정 정보를 전달할 수 있다. 예를 들어, 단말의 상향링크 전송 전력, 단말의 자원 할당 비율에 대한 정보 등이 액세스 포인트로부터 단말에게 제공될 수 있다. 한편, 액세스 포인트는 자신이 산출한 액세스 포인트의 위치, 단말의 자원 할당 비율에 대한 정보 등을 이용할 수 있다.

단계 S450에서 액세스 포인트 및 단말(들)은 최적값 설정에 따른 무선 전력 및 정보 전달을 수행할 수 있다.

도 5를 참조하면, 단계 S510에서 관제 노드(또는 기지국)는 액세스 포인트(들)로부터 액세스 포인트 기초 정보(도 4의 단계 S410에 대한 설명 참조)를 획득할 수 있다.

단계 S520에서 관제 노드는 단말(들)의 각각으로부터 단말 기초 정보(도 4의 단계 S420에 대한 설명 참조)를 획득할 수 있다. 단말 기초 정보는 관제 노드가 단말(들)로부터 직접 수신할 수도 있고, 액세스 포인트가 수집한 단말(들)의 기초 정보를 액세스 포인트로부터 수신할 수도 있다.

단계 S530에서 관제 노드는 액세스 포인트 기초 정보 및 단말 기초 정보를 이용하여, 이동식 하이브리드 액세스 포인트 기반 무선 전력 및 정보 전달 시스템의 최소 전송률 최대화를 위한 변수들(예를 들어, 액세스 포인트 위치 (p), 단말의 상향링크 전송 전력 (P^UL), 또는 액세스 포인트 및 단말의 자원 할당 비율 (τ))의 최적값을 결정할 수 있다. 즉, 도 3의 최적값 산출 동작이 관제 노드에 의해서 수행될 수 있다.

단계 S540에서 관제 노드는 액세스 포인트(들)에게 최적값에 대한 설정 정보를 전달할 수 있다. 예를 들어, 액세스 포인트의 이동 경로 정보(위치, 속도 등에 대한 정보), 액세스 포인트의 하향링크 전송 전력, 액세스 포인트의 자원 할당 비율에 대한 정보가 제공될 수 있다.

단계 S550에서 관제 노드는 단말(들)에게 최적값에 대한 설정 정보를 전달할 수 있다. 예를 들어, 단말의 상향링크 전송 전력, 단말의 자원 할당 비율에 대한 정보가 제공될 수 있다. 이러한 단말 최적값은 관제 노드가 단말(들)에게 직접 전송할 수도 있고, 액세스 포인트를 통하여 해당 단말(들)에게 전송할 수도 있다.

단계 S560에서 액세스 포인트 및 단말(들)은 최적값 설정에 따른 무선 전력 및 정보 전달을 수행할 수 있다.

도 4 및 도 5를 참조하여 설명한 무선 전력 및 정보 전달 방법에 있어서, 최적값을 결정하는 것은 단말 및 액세스 포인트의 무선 전력 및 정보 전달과 병행하여 수행될 수도 있다. 또는, 사전에 단말 및 액세스 포인트에 대한 기초 정보를 이용하여 최적값이 미리 결정되고, 단말 및 액세스 포인트에 대해서 사전에 최적값 설정 정보가 제공된 후, 이에 따라서 무선 전력 및 정보 전달이 수행될 수도 있다.

추가적인 예시로서, 액세스 포인트가 자신의 기초 정보를 단말에게 전달하고, 단말은 자신의 기초 정보와 액세스 포인트의 기초 정보를 이용하여 최적값을 결정한 후, 결정된 최적값 설정에 대한 정보를 액세스 포인트에게 전달하여, 무선 전력 및 정보 전달을 수행할 수도 있다.

추가적인 예시로서, 전술한 최적값 산출 방법은 복수의 하이브리드 액세스 포인트(예를 들어, ID 액세스 포인트 및 ET 액세스 포인트) 중 제 1 액세스 포인트에서 수행될 수도 있다. 이 경우, 제 1 액세스 포인트는 제 2 액세스 포인트 및 단말에 대한 정보를 미리 획득하고, 이에 기초하여 최적값을 산출하여 제 2 액세스 포인트 및 단말에게 제공할 수도 있다.

도 6은 본 개시에 따른 액세스 포인트 장치 및 단말 장치의 구성을 나타내는 도면이다.

액세스 포인트 장치(600)는 프로세서(610), 안테나부(620), 트랜시버(630), 메모리(640)를 포함할 수 있다.

프로세서(610)는 베이스밴드 관련 신호 처리를 수행하며, 상위계층 처리부(611) 및 물리계층 처리부(615)를 포함할 수 있다. 상위계층 처리부(611)는 MAC 계층, RRC 계층, 또는 그 이상의 상위계층의 동작을 처리할 수 있다. 물리계층 처리부(615)는 PHY 계층의 동작(예를 들어, 하향링크 송신 신호 처리, 상향링크 수신 신호 처리 등)을 처리할 수 있다. 프로세서(610)는 베이스밴드 관련 신호 처리를 수행하는 것 외에도, 액세스 포인트 장치(600) 전반의 동작을 제어할 수도 있다.

안테나부(620)는 하나 이상의 물리적 안테나를 포함할 수 있고, 복수개의 안테나를 포함하는 경우 MIMO 송수신을 지원할 수 있다. 트랜시버(630)는 RF 송신기와 RF 수신기를 포함할 수 있다. 메모리(640)는 프로세서(610)의 연산 처리된 정보, 액세스 포인트 장치(600)의 동작에 관련된 소프트웨어, 운영체제, 애플리케이션 등을 저장할 수 있으며, 버퍼 등의 구성요소를 포함할 수도 있다.

액세스 포인트 장치(600)의 프로세서(610)는 본 발명에서 설명하는 실시예들에서의 이동 액세스 포인트의 동작을 구현하도록 설정될 수 있다.

예를 들어, 액세스 포인트 장치(600)의 프로세서(610)의 상위계층 처리부(611)는 기초 정보 획득부(612), 최적값 획득부(613), 이동 제어부(614)를 포함할 수 있다.

기초 정보 획득부(612)는 액세스 포인트 장치(600) 자신의 기초 정보(예를 들어, 액세스 포인트의 이동, 전송 캐퍼빌리티 등에 대한 정보)를 메모리(640)으로부터 독출하거나 메모리(640)에 저장된 정보에 기초하여 결정할 수 있다. 또한, 기초 정보 획득부(612)는 단말 장치(650)의 기초 정보(예를 들어, 단말의 위치, 전송 캐퍼빌리티, 정보량, 에너지 수확 캐퍼빌리티 등에 대한 정보)를 단말 장치(650)로부터 수신하거나, 이전에 수신하여 메모리(640)에 저장된 해당 정보를 독출하거나 메모리(640)에 저장된 정보에 기초하여 결정할 수 있다.

최적값 획득부(613)는, 전술한 액세스 포인트 및 단말의 기초 정보를 이용하여, 소정의 시간 구간(예를 들어, 무선 전력 및 정보 전달이 수행되는 운용 시간인 T) 동안 최소 전송률을 최대화하기 위한 소정의 변수의 최적값을 결정할 수 있다.

예를 들어, 소정의 변수는, 액세스 포인트 장치(600)의 위치, 단말 장치(650)의 상향링크 전송 전력, 또는 액세스 포인트 장치(600) 및 단말 장치(650)의 자원 할당 비율 중의 하나 이상을 포함할 수 있다.

이와 같이 획득된 최적값 중에서 단말 장치(650)에 관련된 정보는 해당 단말 장치(650)에게 최적값 설정 정보의 형태로 구성되어 물리계층 처리부(615)를 통하여 단말 장치(650)에게 전송될 수 있다.

또한, 프로세서(610)는 단말 장치(650)에게 전력을 전달하고, 단말 장치(650)로부터 수신되는 상향링크 신호를 복호 및 저장하여 기지국 등의 다른 네트워크 노드에게 전달하는 무선 전력 및 정보 전달을 수행할 수 있다. 이러한 무선 전력 및 정보 전달의 수행에 있어서, 프로세서(610)는 획득된 최적값에 기초하여, 전송 자원(예를 들어, 시간 및/또는 주파수 자원) 할당 비율 등을 결정 및 제어할 수 있다.

또한, 이동 제어부(614)는 획득된 최적값에 기초하여, 액세스 포인트 장치(650)의 위치, 속도, 경로 등을 결정 및 제어할 수 있다.

만약 최적값의 결정이 다른 네트워크 노드(예를 들어, 기지국 또는 관제 노드)에 의해서 수행되는 경우, 액세스 포인트 장치(600)의 기초 정보 획득부(612)에서 획득된 기초 정보는 물리계층 처리부(615)를 통하여 상기 다른 네트워크 노드로 전달될 수 있다. 이 경우, 최적값 획득부(613)는 상기 다른 네트워크 노드로부터 수신되는 최적값을 획득할 수 있다.

단말 장치(650)는 프로세서(660), 안테나부(670), 트랜시버(680), 메모리(690)를 포함할 수 있다.

프로세서(660)는 베이스밴드 관련 신호 처리를 수행하며, 상위계층 처리부(661) 및 물리계층 처리부(665)를 포함할 수 있다. 상위계층 처리부(661)는 MAC 계층, RRC 계층, 또는 그 이상의 상위계층의 동작을 처리할 수 있다. 물리계층 처리부(665)는 PHY 계층의 동작(예를 들어, 하향링크 수신 신호 처리, 상향링크 송신 신호 처리 등)을 처리할 수 있다. 프로세서(660)는 베이스밴드 관련 신호 처리를 수행하는 것 외에도, 단말 장치(660) 전반의 동작을 제어할 수도 있다.

안테나부(670)는 하나 이상의 물리적 안테나를 포함할 수 있고, 복수개의 안테나를 포함하는 경우 MIMO 송수신을 지원할 수 있다. 트랜시버(680)는 RF 송신기와 RF 수신기를 포함할 수 있다. 메모리(690)는 프로세서(660)의 연산 처리된 정보, 단말 장치(650)의 동작에 관련된 소프트웨어, 운영체제, 애플리케이션 등을 저장할 수 있으며, 버퍼 등의 구성요소를 포함할 수도 있다.

단말 장치(650)의 프로세서(660)는 본 발명에서 설명하는 실시예들에서의 단말의 동작을 구현하도록 설정될 수 있다.

예를 들어, 단말 장치(650)의 프로세서(660)의 상위계층 처리부(661)는 기초 정보 획득부(662), 최적값 획득부(613)를 포함할 수 있다.

기초 정보 획득부(662)는 단말 장치(650) 자신의 기초 정보(예를 들어, 단말의 위치, 전송 캐퍼빌리티, 정보량, 에너지 수확 캐퍼빌리티 등에 대한 정보)를 메모리(690)로부터 독출하거나 메모리(690)에 저장된 정보에 기초하여 결정할 수 있다. 이와 같이 획득된 기초 정보는 단말 기초 정보의 형태로 구성되어 물리계층 처리부(665)를 통하여 액세스 포인트 장치(600) 또는 다른 네트워크 노드(예를 들어, 기지국 또는 관제 노드)에게 전송될 수 있다.

최적값 획득부(663)는 액세스 포인트 장치(600) 또는 다른 네트워크 노드로부터 제공되는 최적값 설정 정보에 기초하여 단말 장치(650)에 적용될 최적값을 결정할 수 있다.

이에 따라, 단말 장치(650)의 프로세서(660)는, 획득된 최적값에 기초하여, 상향링크 전송 전력, 전송 자원(예를 들어, 시간 및/또는 주파수 자원) 할당 비율 등을 결정 및 제어할 수 있다.

액세스 포인트 장치(600) 및 단말 장치(650)의 동작에 있어서 본 발명의 예시들에서 통합된 또는 별개의 이동식 하이브리드 액세스 포인트 및 단말에 대해서 설명한 사항이 동일하게 적용될 수 있으며, 중복되는 설명은 생략한다.

도 7은 액세스 포인트의 경로를 예시적으로 나타내는 도면이다.

도 8은 단말의 최소 전송률에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.

도 9는 입출력 전력 특성을 나타내는 그래프이다.

도 7에서 선형 모델의 경로(trajectory of linear model)는 단말의 정류 회로에 대한 선형 특성을 가정한 경우의 통합된 액세스 포인트(int.)의 경로 및 별개의 액세스 포인트들(ID 및 ET)의 경로를 나타낸다. 비선형 모델의 경로(trajectory of non-linear model)는 단말의 정류 회로에 대한 비선형 특성을 가정한 경우의 통합된 액세스 포인트(int.)의 경로 및 별개의 액세스 포인트들(ID 및 ET)의 경로를 나타낸다. 또한, 도 7의 예시에서는 T=40초이고, K=3 개의 단말이 존재하는 경우를 가정한다. 또한, 선형 정류 회로의 입출력 효율은 20%(즉, ζ =0.2)로 설정하였다.

도 8에서 제안(proposed)은 단말의 정류 회로에 대한 비선형 특성을 가정한 것이다. 한편, ζ 값은 단말의 정류 회로에 대한 선형 특성의 입출력 효율에 대한 설정값이며, 해당 ζ 값에 따른 선형 정류 회로 입출력 특성은 도 9의 Linear와 같다.

도 8의 예시에서는 통합된 액세스 포인트(integrated) 및 별개의 액세스 포인트(separated)를 적용하는 경우 각각에 대한 최소 전송률을 나타낸다.

도 7 및 도 8에서 액세스 포인트 하향링크 전송 전력은 P^DL = 40dBm, 단말의 최대 상향링크 전송 전력은 P^UL _max = -20dBmdBm, 수신 전력 중에서 정보 송신을 위해서 사용되는 전력의 비율은 η = 0.9, 기준 신호 감쇄량은 g₀ = -30dB, 경로 손실 지수는 γ = 2, 백색 잡음 분산은 σ ² = -90dBm으로 설정하였다. 또한, 액세스 포인트의 고도는 H = 8m, 액세스 포인트의 최대 속력은 v_max = 5m/s로 설정하였다. 또한, 단말의 비선형 정류 회로 소자의 특성을 나타내는 상수는 M = 9.079uW, α = 47.083*10³, β = 2.9*10^-6 으로 설정하였으며, 해당 상수 값에 따른 비선형 정류 회로 입출력 특성은 도 9의 Nonlinear와 같다.

도 7의 예시에서는, 모든 상황에서 액세스 포인트는 채널 게인을 높이기 위해 매 시간 구간마다 할당된 단말에 가깝게 이동하며, 이러한 액세스 포인트의 경로는 선형 모델과 비선형 모델에서 다르게 나타난다.

선형 정류회로 특성을 가정했을 때와 달리, 도 9에서 도시하는 높은 입력 전력에 대해 출력 전력의 효율이 포화되는 비선형 정류회로 특성에 따라, 도 7의 예시에서 비선형 모델의 액세스 포인트는 자원을 효율적으로 활용하기 위해 선형 모델의 액세스 포인트에 비하여 단말에 덜 가깝게 이동함을 확인할 수 있다. 이에 따라 단말의 전송 전력 및 자원 할당이 상이하게 최적화됨을 알 수 있다.

도 8에서 선형 모델의 성능과 본 개시에 따른 비선형 모델의 성능을 비교하면, 선형 모델에 비하여 비선형 모델에서 액세스 포인트가 단말에 덜 가깝게 다가감에도 불구하고, 모든 경우에 대해서 비선형 모델을 가정한 최적화 방안이 선형 모델과 적어도 동등한 성능을 보인다. 특히, 별개의 하이브리드 액세스 포인트를 가정한 경우에서, 선형 모델에 비하여 비선형 모델에서 유의미한 성능 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있다.

본 개시의 예시적인 방법들은 설명의 명확성을 위해서 동작의 시리즈로 표현되어 있지만, 이는 단계가 수행되는 순서를 제한하기 위한 것은 아니며, 필요한 경우에는 각각의 단계가 동시에 또는 상이한 순서로 수행될 수도 있다. 본 개시에 따른 방법을 구현하기 위해서, 예시하는 단계에 추가적으로 다른 단계를 포함하거나, 일부의 단계를 제외하고 나머지 단계를 포함하거나, 또는 일부의 단계를 제외하고 추가적인 다른 단계를 포함할 수도 있다.

본 개시의 다양한 실시예는 모든 가능한 조합을 나열한 것이 아니고 본 개시의 대표적인 양상을 설명하기 위한 것이며, 다양한 실시예에서 설명하는 사항들은 독립적으로 적용되거나 또는 둘 이상의 조합으로 적용될 수도 있다.

또한, 본 개시의 다양한 실시예는 하드웨어, 펌웨어(firmware), 소프트웨어, 또는 그들의 결합 등에 의해 구현될 수 있다. 하드웨어에 의한 구현의 경우, 하나 또는 그 이상의 ASICs(Application Specific Integrated Circuits), DSPs(Digital Signal Processors), DSPDs(Digital Signal Processing Devices), PLDs(Programmable Logic Devices), FPGAs(Field Programmable Gate Arrays), 범용 프로세서(general processor), 컨트롤러, 마이크로 컨트롤러, 마이크로 프로세서 등에 의해 구현될 수 있다.

본 개시의 범위는 다양한 실시예의 방법에 따른 동작이 장치 또는 컴퓨터 상에서 실행되도록 하는 소프트웨어 또는 머신-실행가능한 명령들(예를 들어, 운영체제, 애플리케이션, 펌웨어(firmware), 프로그램 등), 및 이러한 소프트웨어 또는 명령 등이 저장되어 장치 또는 컴퓨터 상에서 실행 가능한 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체(non-transitory computer-readable medium)를 포함한다.

Claims (14)

1. 이동식 액세스 포인트가 무선 전력 및 정보 전달을 수행하는 방법에 있어서,
   상기 액세스 포인트 및 하나 이상의 단말의 기초 정보를 이용하여, 소정의 운용 시간 동안 상기 하나 이상의 단말의 최소 전송률을 최대화하기 위한 소정의 변수의 최적값을 결정하는 단계;
   상기 최적값에 대한 설정 정보를 상기 하나 이상의 단말에게 전송하는 단계; 및
   상기 최적값에 기초하여 상기 무선 전력 및 정보 전달을 수행하는 단계를 포함하고,
   상기 소정의 변수는, 상기 액세스 포인트의 위치 변수, 상기 하나 이상의 단말의 상향링크 전송 전력 변수, 및 상기 액세스 포인트 및 상기 하나 이상의 단말에 대한 자원 할당 비율 변수를 포함하며,
   상기 최적값은, 상기 소정의 변수에 기초한 제 1 목적 함수에 대한 대리 함수를 이용한 근사화에 따라 설정되는 제 2 목적 함수에 대한 최적화 문제를 해결함으로써 산출되고,
   상기 제 1 목적 함수는 상기 하나 이상의 단말의 비선형 특성에 기초한 비볼록(non-convex) 함수이고,
   상기 제 2 목적 함수는 볼록(convex) 또는 오목(concave) 함수이고,
   상기 제 2 목적 함수에 대해서 상기 자원 할당 비율 변수의 값을 고정하고, 상기 액세스 포인트의 위치 변수 또는 상기 상향링크 전송 전력 변수 증의 하나 이상에 대한 최적값이 산출되는,
   무선 전력 및 정보 전달 방법.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 2 목적 함수에 대해서 상기 자원 할당 비율 변수의 값을 고정하고, 상기 액세스 포인트의 위치 변수 및 상기 상향링크 전송 전력 변수 증의 하나 이상에 대한 최적값이 동시에 산출되는,
   무선 전력 및 정보 전달 방법.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 액세스 포인트의 위치 및 또는 상기 상향링크 전송 전력 변수에 대해서 산출된 최적값에 기초하여, 상기 자원 할당 비율 변수의 최적값이 산출되는,
   무선 전력 및 정보 전달 방법.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 소정의 운용 시간의 길이는 T로 정의되고,
   T는 동일한 시간 길이를 가지는 N개의 시간 구간으로 이산화되고,
   상기 하나 이상의 단말의 개수는 K개로 정의되며,
   상기 제 1 목적 함수는 아래의 수학식 P1으로 정의되고,
   

   

   
   여기서,
   R_k는 k(k=1, 2, 3, ..., K) 번째 단말의 평균 전송률을 나타내고,
   R_min은 k 번째 단말의 최소 전송률을 나타내고,
   P^UL _k[n]은 k 번째 단말의 n(n=1, 2, 3, ..., N) 번째 시간 구간에서의 상향링크 전송 전력을 나타내고,
   p[n]은 n 번째 시간 구간에서의 상기 액세스 포인트의 위치를 나타내고,
   τ_k[n]은 상기 액세스 포인트(k=0) 및 k(k=1, 2, 3, ..., K) 번째 단말 각각에 대한 자원 할당 비율을 나타내고,
   δ_N은 각각의 시간 구간의 길이를 나타내고,
   E^NL _k[n]은 n 번째 시간 구간에서 k 번째 단말이 수확하는 에너지의 양을 나타내고,
   v_max는 상기 액세스 포인트의 최고 속력을 나타내고,
   P^UL _max는 k 번째 단말의 최대 상향링크 전송 전력을 나타내는,
   무선 전력 및 정보 전달 방법.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 제 2 목적 함수는 아래의 수학식 P2로 정의되고,
   

   

   
   여기서,
   

   

   이고, 여기서, g₀는 단위 거리에서의 기준 신호 감쇄량을 나타내고, η은 수신 전력 중에서 정보 송신을 위해서 사용되는 전력의 비율을 나타내고, σ ²는 백색 잡음 분산을 나타내며,
   z_k[n]은

   

   를 만족하는 보조 변수를 나타내고, 여기서 u_k는 k 번째 단말의 위치를 나타내고, H는 상기 액세스 포인트의 고도를 나타내고, γ는 단위 거리에서의 경로 손실 지수를 나타내며,
   

   

   는 z_k[n]의 오목 대리 하한 함수를 나타내고,
   

   

   이고,
   여기서,

   

   이고, P^DL은 하향링크 전송 전력을 나타내고,
   M, α, 및 β는 상기 비선형 특성을 나타내는 상수이고,
   

   

   인,
   무선 전력 및 정보 전달 방법.
   
8. 제 7 항에 있어서,
   q 번째 반복에서의 모든 n 및 모든 k에 대해서

   

   로 설정되고,

   

   로 설정되는,
   무선 전력 및 정보 전달 방법.
   
9. 제 8 항에 있어서,
   q-1 번째 반복에서 획득된 자원 할당 비율인 τ_k ^(q-1)[n]의 값에 기초하여, 상기 제 2 목적 함수가 수렴할 때까지 p^(q,i)[n] 및 P^UL _k ^(q,i)[n]의 최적값이 매 i 번째 반복에 대해서 산출되는,
   무선 전력 및 정보 전달 방법.
   
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 2 목적 함수가 수렴하는 경우, p^(q)[n]=p^(q,i)[n]으로 업데이트되고, P^UL _k ^(q)[n] = P^UL _k ^(q,i)[n]으로 업데이트되는,
    무선 전력 및 정보 전달 방법.
    
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 업데이트된 p^(q)[n] 및 P^UL _k ^(q)[n] 값에 기초하여, τ_k ^(q)[n]의 최적값이 산출되는,
    무선 전력 및 정보 전달 방법.
    
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 업데이트된 p^(q)[n] 및 P^UL _k ^(q)[n], 및 상기 산출된 τ_k ^(q)[n]의 최적값에 기초하여, R^(q) _min 값이 산출되는,
    무선 전력 및 정보 전달 방법.
    
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 목적 함수가 수렴할 때까지 p^(q)[n], P^UL _k ^(q)[n], τ_k ^(q)[n] 및 R^(q) _min 의 최적값이 매 q 번째 반복에 대해서 산출되는,
    무선 전력 및 정보 전달 방법.
    
14. 무선 전력 및 정보 전달을 수행하는 이동식 액세스 포인트 장치로서,
    트랜시버;
    메모리; 및
    프로세서를 포함하고,
    상기 프로세서는,
    상기 메모리에 저장된 상기 액세스 포인트 장치 및 하나 이상의 단말의 기초 정보를 이용하여, 소정의 운용 시간 동안 상기 하나 이상의 단말의 최소 전송률을 최대화하기 위한 소정의 변수의 최적값을 결정하고;
    상기 최적값에 대한 설정 정보를 상기 하나 이상의 단말에게 상기 트랜시버를 통하여 전송하고;
    상기 최적값에 기초하여 상기 무선 전력 및 정보 전달을 수행하도록 설정되며,
    상기 소정의 변수는, 상기 액세스 포인트의 위치 변수, 상기 하나 이상의 단말의 상향링크 전송 전력 변수, 및 상기 액세스 포인트 및 상기 하나 이상의 단말에 대한 자원 할당 비율 변수를 포함하며,
    상기 최적값은, 상기 소정의 변수에 기초한 제 1 목적 함수에 대한 대리 함수를 이용한 근사화에 따라 설정되는 제 2 목적 함수에 대한 최적화 문제를 해결함으로써 산출되고,
    상기 제 1 목적 함수는 상기 하나 이상의 단말의 비선형 특성에 기초한 비볼록(non-convex) 함수이고,
    상기 제 2 목적 함수는 볼록(convex) 또는 오목(concave) 함수이고,
    상기 제 2 목적 함수에 대해서 상기 자원 할당 비율 변수의 값을 고정하고, 상기 액세스 포인트의 위치 변수 또는 상기 상향링크 전송 전력 변수 증의 하나 이상에 대한 최적값이 산출되는,
    이동식 액세스 포인트 장치.
    

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