KR102514707B1 - 하향링크 무선 정보 및 전력 동시 전송 네트워크를 위한 협력적 무선 자원 할당 방법 및 장치 - Google Patents

하향링크 무선 정보 및 전력 동시 전송 네트워크를 위한 협력적 무선 자원 할당 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

하향링크 무선 정보 및 전력 동시 전송 네트워크를 위한 협력적 무선 자원 할당 방법 및 장치가 제시된다. 일 실시예에 따른 컴퓨터 장치를 통해 구현되는 하향링크 무선 정보 및 전력 동시 전송 네트워크를 위한 협력적 무선 자원 할당 방법은, 무선 정보 전송과 전력 전송을 위한 부반송파를 할당하는 단계; 및 할당된 상기 부반송파 및 분할된 전송 전력으로 무선 정보 전송을 위한 전력을 할당하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.

Description

하향링크 무선 정보 및 전력 동시 전송 네트워크를 위한 협력적 무선 자원 할당 방법 및 장치{COOPERATIVE RESOURCE ALLOCATION METHOD AND APPARATUS FOR DOWNLINK SIMULTANEOUS WIRELESS INFORMATION AND POWER TRANSFER NETWORK}
아래의 실시예들은 하향링크 무선 정보 및 전력 동시 전송 네트워크를 위한 협력적 무선 자원 할당 방법 및 장치에 관한 것이다.
동시 무선 정보 및 전력 전송(Simultaneous Wireless Information And Power Transfer, SWIPT)는 정보와 전력을 동시에 전송할 수 있는 RF 신호의 특성을 이용하여 에너지 수신기(Energy Harvesting Receiver, 이하 EH 수신기)와 정보 수신기(Information Decoding Receiver, 이하 ID 수신기)의 요구사항을 충족시키는 기술이다.
EH 수신기와 ID 수신기의 수신 감도의 차이는 무선 전력 전송 커버리지(coverage)와 무선 정보 전송 커버리지의 차이를 발생시키며, EH 송신기로부터의 신호는 ID 수신기에 강한 간섭으로 작용된다.
이러한 문제로 인하여 동시 무선 정보 및 전력 전송(SWIPT)에서는 ID 수신기의 성능 향상을 위한 간섭 제어 전송 기법과 EH 수신기의 높은 수신 감도를 충족하기 위한 전송 기법 모두가 요구된다.
(비특허문헌 1)은 두 명의 사용자와 하나의 정보 송신기 및 하나의 전력 송신기가 있는 상황을 고려한다. 여기서 정보 송신기는 에너지 요구사항만을 고려하며 정보 송신을 위한 전력 할당을 수행하며, 에너지 송신기(Energy Access Point, EAP)는 ME(Maximal energy) 기법과 ML(Minimum leakage) 기법을 제안하고 최종적으로 SLER(Signal-to-Leakage Energy Ratio) 기법을 제안한다. 이는 에너지 송신기(EAP)에서 누수 전력을 최소화하며, 에너지는 최대화하는 방식으로 에너지 요구사항을 고려한 간섭 최소화 기법에 해당한다.
(비특허문헌 2)는 브로드캐스팅 방식으로 다중 사용자에 대한 전력 할당을 수행하는 방식이다. 해당 기술은 브로드캐스팅 방식을 채택하였기 때문에 간섭 신호에 대한 고려는 이루어지지 않고 있다.
J. Park and B. Clerckx, "Joint wireless information and energy transfer in a two-user MIMO interference channel," IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 12, no. 8, pp. 4210-4221, Aug. 2013. X. Zhou, R. Zhang, and C. K. Ho, "Wireless information and power transfer in multiuser OFDM systems," IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 13, no. 4, pp. 2282-2294, Apr. 2014.
실시예들은 직교 주파수 분할 다중 방식(OFDM)의 특성을 이용하여 배타적 부반송파에 분할된 전송 전력으로 무선 정보 전송과 무선 전력 전송을 수행하여, ID 수신기에서 무선 전력 신호로 인한 간섭의 영향이 없으며, ID 수신기는 에너지 심볼의 제거와 같은 추가 기능 없이 기존 OFDM 수신기의 형태를 그대로 유지할 수 있는 하향링크 무선 정보 및 전력 동시 전송 네트워크를 위한 협력적 무선 자원 할당 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
또한, 실시예들은 사전에 정의된 에너지 심볼을 이용하여 전송 다이버시티가 적용된 협력적 무선 전력 전송이 수행되며, 이로 인하여 EH 수신기에서의 수신 전력을 증대시킬 수 있는 하향링크 무선 정보 및 전력 동시 전송 네트워크를 위한 협력적 무선 자원 할당 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
일 실시예에 따른 컴퓨터 장치를 통해 구현되는 하향링크 무선 정보 및 전력 동시 전송 네트워크를 위한 협력적 무선 자원 할당 방법은, 무선 정보 전송과 전력 전송을 위한 부반송파를 할당하는 단계; 및 할당된 상기 부반송파 및 분할된 전송 전력으로 무선 정보 전송을 위한 전력을 할당하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
EH 수신기(Energy Harvesting Receiver) 및 ID 수신기(Information Decoding Receiver)의 수신 감도 차이를 극복하기 위하여 하이브리드 송신기(Hybrid Access Point, HAP)가 구성하는 무선 전력 전송 커버리지에 복수 개의 에너지 송신기(Energy Access Point, EAP)를 배치할 수 있다.
상기 부반송파를 할당하는 단계는, 무선 전력 전송을 위한 부반송파를 먼저 선택하는 단계; 및 상기 부반송파가 선택되면, 부반송파 분할 방식에 따라 나머지 부반송파를 무선 정보 전송을 위한 부반송파로 할당하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 부반송파 분할 방식은, 하이브리드 송신기(HAP)에서 EH 수신기 또는 ID 수신기로 직교 주파수 분할 다중 방식(Orthogonal Frequency Division Multiple, OFDM)의 특성을 이용하여 정보 심볼 및 에너지 심볼을 각각의 배타적인 부반송파에 분할된 전체 전송 전력으로 전송할 수 있다.
상기 부반송파를 할당하는 단계는, 부반송파 분할 방식을 기반으로 기설정된 EH 수신기의 에너지 요구사항을 충족시키는 동시에 ID 수신기의 데이터 전송률을 최대화하는 상기 부반송파를 선택할 수 있다.
상기 부반송파를 할당하는 단계는, 가중치 요소를 사용하여 부반송파의 후보군을 설정하고, 상기 부반송파 후보군 중 하이브리드 송신기(HAP)에서 ID 수신기 사이에 최소의 채널 이득을 가지는 부반송파 선택할 수 있다.
상기 부반송파를 할당하는 단계는, 하이브리드 송신기(HAP)에서 무선 전력 전송을 위해 사용할 전송 전력의 비율이 결정되어, 상기 비율에 따라 상기 분할된 전송 전력을 형성할 수 있다.
상기 전력을 할당하는 단계는, 사전에 정의된 에너지 심볼을 이용하여 전송 다이버시티가 적용된 협력적 무선 전력 전송이 수행되며, EH 수신기에서의 수신 전력을 증대시킬 수 있다.
상기 전력을 할당하는 단계는, 무선 정보 전송을 위한 상기 부반송파를 통해 확보되는 에너지를 고려하여, 무선 전력 전송과 무선 정보 전송을 위해 분할된 전송 전력을 재조정할 수 있다.
다른 실시예에 따른 하향링크 무선 정보 및 전력 동시 전송 네트워크를 위한 협력적 무선 자원 할당 장치는, 무선 정보 전송과 전력 전송을 위한 부반송파를 할당하는 부반송파 할당부; 및 할당된 상기 부반송파 및 분할된 전송 전력으로 무선 정보 전송을 위한 전력을 할당하는 전력 할당부를 포함하여 이루어질 수 있다.
EH 수신기(Energy Harvesting Receiver) 및 ID 수신기(Information Decoding Receiver)의 수신 감도 차이를 극복하기 위하여 하이브리드 송신기(Hybrid Access Point, HAP)가 구성하는 무선 전력 전송 커버리지에 복수 개의 에너지 송신기(Energy Access Point, EAP)를 배치할 수 있다.
상기 부반송파 할당부는, 무선 전력 전송을 위한 부반송파를 먼저 선택하고, 상기 부반송파가 선택되면, 부반송파 분할 방식에 따라 나머지 부반송파를 무선 정보 전송을 위한 부반송파로 할당할 수 있다.
상기 부반송파 분할 방식은, 하이브리드 송신기(HAP)에서 EH 수신기 또는 ID 수신기로 직교 주파수 분할 다중 방식(Orthogonal Frequency Division Multiple, OFDM)의 특성을 이용하여 정보 심볼 및 에너지 심볼을 각각의 배타적인 부반송파에 분할된 전체 전송 전력으로 전송할 수 있다.
상기 부반송파 할당부는, 부반송파 분할 방식을 기반으로 기설정된 EH 수신기의 에너지 요구사항을 충족시키는 동시에 ID 수신기의 데이터 전송률을 최대화하는 상기 부반송파를 선택할 수 있다.
상기 부반송파 할당부는, 가중치 요소를 사용하여 부반송파의 후보군을 설정하고, 상기 부반송파 후보군 중 하이브리드 송신기(HAP)에서 ID 수신기 사이에 최소의 채널 이득을 가지는 부반송파 선택할 수 있다.
상기 부반송파 할당부는, 하이브리드 송신기(HAP)에서 무선 전력 전송을 위해 사용할 전송 전력의 비율이 결정되어, 상기 비율에 따라 상기 분할된 전송 전력을 형성할 수 있다.
상기 전력 할당부는, 무선 정보 전송을 위한 상기 부반송파를 통해 확보되는 에너지를 고려하여, 무선 전력 전송과 무선 정보 전송을 위해 분할된 전송 전력을 재조정할 수 있다.
상기 전력 할당부는, 사전에 정의된 에너지 심볼을 이용하여 전송 다이버시티가 적용된 협력적 무선 전력 전송이 수행되며, EH 수신기에서의 수신 전력을 증대시킬 수 있다.
실시예들에 따르면 직교 주파수 분할 다중 방식(OFDM)의 특성을 이용하여 배타적 부반송파에 분할된 전송 전력으로 무선 정보 전송과 무선 전력 전송을 수행하여, ID 수신기에서 무선 전력 신호로 인한 간섭의 영향이 없으며, ID 수신기는 에너지 심볼의 제거와 같은 추가 기능 없이 기존 OFDM 수신기의 형태를 그대로 유지할 수 있는 하향링크 무선 정보 및 전력 동시 전송 네트워크를 위한 협력적 무선 자원 할당 방법 및 장치를 제공할 수 있다.
또한, 실시예들에 따르면 사전에 정의된 에너지 심볼을 이용하여 전송 다이버시티가 적용된 협력적 무선 전력 전송이 수행되며, 이로 인하여 EH 수신기에서의 수신 전력을 증대시킬 수 있는 하향링크 무선 정보 및 전력 동시 전송 네트워크를 위한 협력적 무선 자원 할당 방법 및 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 하향링크 무선 정보 및 전력 동시 전송을 위한 무선 네트워크를 나타내는 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 하향링크 무선 정보 및 전력 동시 전송 네트워크를 위한 협력적 무선 자원 할당 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 하향링크 무선 정보 및 전력 동시 전송 네트워크를 위한 협력적 무선 자원 할당 장치를 나타내는 블록도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 기존 기법과의 비교를 위한 실험 결과를 나타내는 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 성능 평가를 위한 실험 결과를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
대부분의 무선 통신 환경에서 RF(Radio Frequency) 신호는 다중 경로 채널을 지나며, 이는 주파수 영역에서 주파수 선택적 특성을 가지게 된다. 이러한 다중 경로 채널로 인한 심볼 간 간섭(Inter Symbol Interference, ISI)은 수신 신호의 품질을 저하시키며, 따라서 고속 데이터 전송의 어려움을 발생시킨다.
직교 주파수 분할 다중 방식(Orthogonal Frequency Division Multiple, OFDM)의 전송 기법은 주파수 영역에서 서로 직교한 다중 부반송파에 각 신호를 전송함으로써 각 부반송파를 통해 전송되는 신호 간 간섭이 없으며, 다중 사용자에게 다중 부반송파를 나누어 할당함으로써 동시에 여러 사용자를 지원할 수 있다.
직교 주파수 분할 다중 방식(OFDM)에서 최적의 무선 전력 전송은 가장 큰 주파수 채널 이득을 가지는 부반송파에 모든 전송 전력을 할당함으로써 얻어지는 반면, 무선 정보 전송은 모든 부반송파를 점유하며, 채널 이득에 비례하는 전력이 할당되는 무선 정보 전송을 위한 최적의 전력 할당(Water-Filling, WF) 방식에 의해 최적의 성능을 달성할 수 있다.
직교 주파수 분할 다중 방식(OFDM)과 같은 다중 반송파 전송 방식은 높은 데이터 전송률을 달성하기 위한 대표적인 기법이며, 다중 경로로 인한 주파수 선택적 특성의 채널에서 무선 전력 전송의 최적화에도 효율적인 전송 기법이다.
따라서, 무선 정보 및 전력 신호 동시 전송 시스템에서 직교 주파수 분할 다중 방식(OFDM)의 적합성을 확인할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 하향링크 무선 정보 및 전력 동시 전송을 위한 무선 네트워크를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 하향링크 직교 주파수 분할 다중 방식(OFDM) 기반 무선 정보 및 전력 신호 전송을 위한 협력적 무선 자원 할당 방법을 설명할 수 있다.
여기서, ID 수신기(130) 및 EH 수신기(140)의 수신 감도 극복을 위하여 하나의 하이브리드 송신기(Hybrid Access Point, HAP)(110)와 다수의 에너지 송신기(Energy Access Point, EAP)(120)로 구성된 무선 전력 네트워크를 구성할 수 있다. 하이브리드 송신기(HAP, 110)는 정보 심볼 및 에너지 심볼을 전송할 수 있으며, 기본적으로 ID 수신기(130)의 낮은 레벨의 수신 감도로 인하여 에너지 송신기(EAP)에 비하여 넓은 커버리지를 구성할 수 있다. 에너지 송신기(EAP, 120)는 에너지 심볼만을 전송하며, 하이브리드 송신기(HAP, 110)가 구성하는 커버리지 내에 EH 수신기(140)의 높은 수신 감도를 충족시키기 위하여 다수가 설치될 수 있다.
실시예들에 따르면 직교 주파수 분할 다중 방식(OFDM)의 특성을 활용하여 에너지 심볼과 정보 심볼을 각각의 배타적인 부반송파에 분할된 전체 전송 전력으로 전송하는 부반송파 분할 접근 방식을 간섭 없는 무선 정보 및 전력 동시 전송을 위한 전송 방법론으로 제공할 수 있다.
또한, 에너지 심볼은 아무런 정보도 전송하지 않기 때문에 시스템 내에서 사전에 정의될 수 있으며, 사전에 정의된 에너지 심볼을 기반으로 전송 다이버시티가 적용된 협력 무선 전력 전송 기법 방식을 제공할 수 있다.
또한, EH 수신기(140)의 에너지 요구 사항을 고려하여, 요구사항을 충족시키는 동시에 ID 수신기(130)의 데이터 전송률을 최대화하는 부반송파 선택 기법을 제공할 수 있다.
제안된 부반송파 분할 방식과 부반송파 선택 방법을 기반으로 반복적 협력 무선 자원 할당 방식을 제안하며, 이를 통하여 주어진 에너지 요구사항을 충족시키며 데이터 전송률을 최대화할 수 있다.
n번째 부반송파에서 ID 수신기(130)와 EH 수신기(140)의 수신 신호에 대한 주파수 영역을 표현할 수 있으며, 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112021007007988-pat00001
[수학식 2]
Figure 112021007007988-pat00002
여기서,
Figure 112021007007988-pat00003
는 하이브리드 송신기(HAP, 110)에서 k i 번째 ID 수신기(130) 사이의 채널이고,
Figure 112021007007988-pat00004
는 m번째 에너지 송신기(EAP, 120)에서 k i 번째 ID 수신기(130) 사이의 채널이다. 또한,
Figure 112021007007988-pat00005
는 하이브리드 송신기(HAP, 110)의 송신 신호이고,
Figure 112021007007988-pat00006
는 하이브리드 송신기(HAP, 110)의 전송 전력이며,
Figure 112021007007988-pat00007
는 m번째 에너지 송신기(EAP, 120)의 송신 신호이고,
Figure 112021007007988-pat00008
는 m번째 에너지 송신기(EAP, 120)의 전송 전력이다.
부반송파 분할 방식에 기반하여 협력적 무선 전력 전송을 고려한 송신 신호는 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112021007007988-pat00009
[수학식 4]
Figure 112021007007988-pat00010
여기서, Ni는 정보 부반송파 집합이고, Ne는 전력(에너지) 부반송파 집합이다.
ID 수신기(130)에서 달성하는 시스템의 데이터 전송률은 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112021007007988-pat00011
또한 EH 수신기(140)에서 달성하는 에너지 수확량은 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112021007007988-pat00012
여기서,
Figure 112021007007988-pat00013
는 k e 번째 EH 수신기(140)에서의 RF-to-DC 에너지 전환률을 나타낸다.
도 2는 일 실시예에 따른 하향링크 무선 정보 및 전력 동시 전송 네트워크를 위한 협력적 무선 자원 할당 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 컴퓨터 장치를 통해 구현되는 하향링크 무선 정보 및 전력 동시 전송 네트워크를 위한 협력적 무선 자원 할당 방법은, 무선 정보 전송과 전력 전송을 위한 부반송파를 할당하는 단계(S110), 및 할당된 부반송파 및 분할된 전송 전력으로 무선 정보 전송을 위한 전력을 할당하는 단계(S120)를 포함하여 이루어질 수 있다.
여기서, 부반송파를 할당하는 단계(S110)는, 무선 전력 전송을 위한 부반송파를 먼저 선택하는 단계, 및 부반송파가 선택되면, 부반송파 분할 방식에 따라 나머지 부반송파를 무선 정보 전송을 위한 부반송파로 할당하는 단계를 포함할 수 있다.
제안된 동시 무선 정보 및 전력 전송(SWIPT) 기법은 직교 주파수 분할 다중 방식(OFDM)의 특성을 이용하여 배타적 부반송파에 분할된 전송 전력으로 무선 정보 전송과 무선 전력 전송을 수행하여, ID 수신기(130)에서 무선 전력 신호로 인한 간섭의 영향이 없으며, ID 수신기는 에너지 심볼의 제거와 같은 추가 기능 없이 기존 OFDM 수신기의 형태를 그대로 유지할 수 있다.
또한, 사전에 정의된 에너지 심볼을 이용하여 전송 다이버시티가 적용된 협력적 무선 전력 전송이 수행되며, 이로 인하여 EH 수신기에서의 수신 전력을 증대시킬 수 있다.
실시예들은 EH 수신기와 ID 수신기가 혼재되어 있는 상황에서 두 사용자를 모두 지원할 수 있으며, 송수신기의 전송 기법 스위칭 시점에 따른 성능 열화에 대한 부담을 감소시킬 수 있다.
또한, 실시예들은 수신기의 TS(Time-Switching) 모드를 기반으로 하며, 주어진 시간 슬롯에 사용자의 요구에 따라 송신 기법을 전환하는 방식으로서, 보다 사용자 친화적인 기술을 제공할 수 있다. 여기서, TS(Time-switching)는 시간 교환 방식의 SWIPT 수신기 구조를 나타낸다.
일 실시예에 따른 하향링크 무선 정보 및 전력 동시 전송 네트워크를 위한 협력적 무선 자원 할당 방법은 일 실시예에 따른 하향링크 무선 정보 및 전력 동시 전송 네트워크를 위한 협력적 무선 자원 할당 장치를 예를 들어 설명할 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 하향링크 무선 정보 및 전력 동시 전송 네트워크를 위한 협력적 무선 자원 할당 장치를 나타내는 블록도이다.
도 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 하향링크 무선 정보 및 전력 동시 전송 네트워크를 위한 협력적 무선 자원 할당 장치는 부반송파 할당부(310) 및 전력 할당부(320)를 포함하여 이루어질 수 있다. 여기서, EH 수신기 및 ID 수신기의 수신 감도 차이를 극복하기 위하여 하이브리드 송신기(HAP)가 구성하는 무선 전력 전송 커버리지에 복수 개의 에너지 송신기(EAP)를 배치할 수 있다.
단계(S110)에서, 부반송파 할당부(310)는 무선 정보 전송과 전력 전송을 위한 부반송파를 할당할 수 있다.
부반송파 할당부(310)는 무선 전력 전송을 위한 부반송파를 먼저 선택하고, 부반송파가 선택되면 부반송파 분할 방식에 따라 나머지 부반송파를 무선 정보 전송을 위한 부반송파로 할당할 수 있다.
여기서, 부반송파 분할 방식은 하이브리드 송신기(HAP)에서 EH 수신기 또는 ID 수신기로, 직교 주파수 분할 다중 방식(OFDM)의 특성을 이용하여 정보 심볼 및 에너지 심볼을 각각의 배타적인 부반송파에 분할된 전체 전송 전력으로 전송할 수 있다. 즉, 하향링크 무선 정보 및 전력 전송 시스템에서 배타적으로 할당된 부반송파에 분할된 전송 전력을 사용하여 에너지 심볼과 정보 심볼을 각각 전송함으로써 간섭을 회피하는 부반송파 분할 방식을 제공할 수 있다. 하향링크 무선 전력 및 정보 전송 네트워크에서 다수의 ID 수신기는 직교 주파수 분할 다중 접속 방식(OFDMA)을 통하여 지원하며, EH 수신기는 시분할 다중 접속 방식(TDMA)을 통하여 지원할 수 있다.
부반송파 할당부(310)는 부반송파 분할 방식을 기반으로 기설정된 EH 수신기의 에너지 요구사항을 충족시키는 동시에 ID 수신기의 데이터 전송률을 최대화하는 부반송파를 선택함으로써, 반복적 협력 무선 자원 할당 방법을 제공할 수 있다. 협력 무선 자원 할당을 수행함에 있어 부반송파 선택과 전송 전력을 할당하기 위해 가중치 요소를 도입할 수 있다. 보다 구체적으로, 부반송파 할당부(310)는 가중치 요소를 사용하여 부반송파의 후보군을 설정하고, 부반송파 후보군 중 하이브리드 송신기(HAP)에서 ID 수신기 사이에 최소의 채널 이득을 가지는 부반송파 선택할 수 있다.
이에 따라 부반송파 할당부(310)는 하이브리드 송신기(HAP)에서 무선 전력 전송을 위해 사용할 전송 전력의 비율이 결정되어, 비율에 따라 분할된 전송 전력을 형성할 수 있다.
단계(S120)에서, 전력 할당부(320)는 할당된 부반송파 및 분할된 전송 전력으로 무선 정보 전송을 위한 전력을 할당할 수 있다.
전력 할당부(320)는 무선 정보 전송을 위한 부반송파를 통해 확보되는 에너지를 고려하여, 무선 전력 전송과 무선 정보 전송을 위해 분할된 전송 전력을 재조정할 수 있다. 여기서, 전력 할당부(320)는 사전에 정의된 에너지 심볼을 이용하여 전송 다이버시티가 적용된 협력적 무선 전력 전송이 수행되며, EH 수신기에서의 수신 전력을 증대시킬 수 있다.
두 단계의 무선 자원 할당 방법을 수행함에 있어서 무선 전력 전송을 위한 자원을 먼저 할당하고, 남은 자원을 활용하여 무선 전력 전송을 수행할 수 있다.
여기서, 가중치 요소의 정확도에 따른 성능 변화를 추측하여 가중치 요소의 최소 요구 정확도를 제시할 수 있다.
아래에서 일 실시예에 따른 하향링크 무선 정보 및 전력 동시 전송 네트워크를 위한 협력적 무선 자원 할당 방법 및 장치에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
단계(S110)에서, 부반송파 할당부(310)는 무선 정보 전송과 전력 전송을 위한 부반송파를 할당할 수 있다.
전송 다이버시티가 적용된 무선 전력 전송은 하나의 부반송파를 점유하며 최적의 성능 달성이 가능한 반면, 최적의 무선 정보 전송은 무선 정보 전송을 위한 최적의 전력 할당(WF)으로서 대부분의 부반송파를 점유한다. 따라서 본 실시예들은 무선 전력 전송을 위한 부반송파를 먼저 선택하고, 부반송파 분할 방식에 의거하여 나머지 부반송파를 무선 정보 전송을 위한 부반송파로 할당할 수 있다.
무선 전력 전송을 위한 부반송파 선택은 EH 수신기의 에너지 요구사항을 고려하여, 주어진 에너지 요구사항은 충족시키면서 최대의 데이터 전송률을 달성할 수 있도록 선택할 수 있다.
에너지 부반송파 집합을 위한 부반송파 후보군을 다음 식을 이용하여 선택할 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112021007007988-pat00014
선택된 후보군을 가지고 다음의 초기 가중치 요소를 이분법을 통해 구할 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112021007007988-pat00015
초기 가중치 요소를 구하며, 남은 부반송파 후보군을
Figure 112021007007988-pat00016
라 표현하고, 이 집합 중 다음 식을 통해 최종 에너지 부반송파를 선택할 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112021007007988-pat00017
에너지 부반송파가 결정되면, 부반송파 분할 방식에 따라서 무선 정보 전송을 위한 부반송파는
Figure 112021007007988-pat00018
로 결정될 수 있다.
해당 단계를 통하여 하이브리드 송신기(HAP)에서 무선 전력 전송을 위해 사용할 전송 전력의 비율이
Figure 112021007007988-pat00019
으로 정해지며, 무선 전력 및 정보 전송을 위한 각 배타적 부반송파 집합 또한 결정될 수 있다.
단계(S120)에서, 전력 할당부(320)는 할당된 부반송파와 분할된 전송 전력으로 무선 정보 전송을 위한 전력 할당할 수 있다.
단계(S110) 완료 후에, 분할된 하이브리드 송신기(HAP)의 전송 전력은 다음과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 10]
Figure 112021007007988-pat00020
[수학식 11]
Figure 112021007007988-pat00021
여기서, l = 1을 대입하면 초기 분할 전력을 얻을 수 있다.
단계(S110) 후에 남은 자원을 사용하여 최적의 무선 정보 전송을 위한 전력 할당이 수행될 수 있다. 단계(S110)에서 EH 수신기의 에너지 요구사항을 충족시켰기 때문에, 여기서 최적의 무선 정보 전송을 위한 전력 할당은 무선 정보 전송을 위한 최적의 전력 할당(WF)이고, 이는 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 12]
Figure 112021007007988-pat00022
ID 수신기는 에너지 부반송파를 제외한 다른 부반송파에서 정보 심볼 복구를 수행하므로 ID 수신기에서 특별한 간섭 제거 과정 없이도 간섭 없는 정보 신호 수신이 가능하다.
특정 부반송파에서 신호 복구를 수행하는 ID 수신기와 달리, EH 수신기는 모든 부반송파로부터 에너지를 수신 받는다. 따라서 무선 전력 전송을 수행하는 부반송파에 의해 수확되는 에너지를 고려하여 가중치 요소
Figure 112021007007988-pat00023
은 업데이트 되어야 한다.
이러한 과정은 사전에 정의된 오차 범위 안으로 가중치 요소가 수렴할 때까지 반복될 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 기존 기법과의 비교를 위한 실험 결과를 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 기존 기법과의 비교를 위하여 하이브리드 송신기(HAP), 에너지 송신기(EAP), ID 수신기 및 EH 수신기 모두 하나인 경우의 실험 결과이다.
여기서, [1]은 앞에서 설명한 (비특허문헌 1)이고, [2]는 (비특허문헌 2)이다.
Figure 112021007007988-pat00024
는 협력 자원 할당 기법에서 전송 다이버시티를 적용하지 않고 무선 전력 전송을 수행한 경우의 rate-energy 영역이며,
Figure 112021007007988-pat00025
는 부반송파 선택 방법을 적용하지 않고 최적의 협력 무선 전력 전송을 수행한 경우의 rate-energy 성능 결과이다. 마지막으로,
Figure 112021007007988-pat00026
는 본 실시예에서 제안한 반복적 협력 전송 기법의 성능으로써, 다른 모든 기법들보다 우수한 성능을 달성함을 확인할 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 성능 평가를 위한 실험 결과를 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 해당 실험 결과는 3개의 에너지 송신기(EAP)와 각각 4개씩의 ID 수신기와 EH 수신기가 존재하는 상황에서의 성능 결과이다.
해당 결과를 통해, 실시예들에 따른 제안된 기법은 다중 사용자 및 다중 에너지 송신기(EAP)로의 확장이 가능하며, 확장된 시스템에서도 여전히 가장 우수한 성능을 보임을 알 수 있다.
본 발명의 실시예들은 무선 통신 기술의 급속한 발전으로 수많은 소형 무선 기기들이 연결된 직교 주파수 분할 다중 방식(OFDM) 기반의 모든 무선 망에 적용할 수 있다. 무선 기기들에 무선으로 지속적인 전력을 공급함으로써 사용자의 편의성을 극대화할 수 있다. 실시예들은 WiFi 망, LTE, 5G, 및 Beyond 5G 등 직교 주파수 분할 다중 방식(OFDM) 기반의 모든 시스템에 적용 가능하다. 예컨대, 실시예들은 Smart home, smart factory 등 수많은 IoT(Internet of Things) 기기들과 센서들이 존재하는 망에서의 정보 교환 및 전력 전송을 위해 제공될 수 있다.
이상과 같이, 실시예들에 따르면 사전에 정의된 에너지 심볼을 사용하여 전송 다이버시티가 적용된 협력 무선 전력 전송을 통해 수신 에너지를 증가시키며, 간섭이 강한 부반송파에 정보 전송을 위한 전송 전력 낭비를 방지하여 정보 전송률 향상시킨다. 또한, ID 수신기는 에너지 심볼로 인한 간섭 제거를 위한 추가적인 기능 없이 기존 OFDM 수신기를 사용할 수 있다.
또한, 실시예들에 따르면 다수의 무선 기기가 연결된 망에서 정보 전송을 유지하며, 무선으로 전력을 공급할 수 있는 네트워크를 구성할 수 있다.
현재 무선 이동 통신 기술의 발달과 더불어 수많은 무선기기들이 증가하고 있으며, 무선 기기들을 사용하는 사용자는 무선 충전에 대한 요구가 지속적으로 발생하고 있다. 일반 사업장, 사무실 및 각종 교통 시설에서도 무선 기기들의 사용은 계속되며, 이러한 무선 기기들에 대한 무선 충전으로 기기들의 배터리 지속시간을 늘릴 수 있다면 수많은 사용자에게 편의를 제공할 수 있다.
더욱이, 스마트 홈과 스마트 팩토리를 구성하는 핵심 요소인 각종 IoT 기기들과 센서들은 자유로운 곳에 배치될 수 있으며, 이들의 전력은 배터리 기반으로 공급되고 있다. 실시예들에 따르면 수많은 IoT 기기 및 센서들의 배터리를 무선으로 지속적 사용이 가능하게 할 수 있으며, 동시에 정보 전송이 가능하여 추가적인 기지국의 설치가 필요 없어 사용자 편의성을 제공할 수 있다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 컨트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 컨트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (18)

  1. 컴퓨터 장치를 통해 구현되는 하향링크 무선 정보 및 전력 동시 전송 네트워크를 위한 협력적 무선 자원 할당 방법에 있어서,
    무선 정보 전송과 전력 전송을 위한 부반송파를 할당하는 단계; 및
    할당된 상기 부반송파 및 분할된 전송 전력으로 무선 정보 전송을 위한 전력을 할당하는 단계
    를 포함하고,
    상기 부반송파를 할당하는 단계는,
    가중치 요소를 사용하여 부반송파의 후보군을 설정하고, 상기 부반송파 후보군 중 하이브리드 송신기(HAP)에서 ID 수신기 사이에 최소의 채널 이득을 가지는 부반송파 선택하는 것
    을 특징으로 하는, 협력적 무선 자원 할당 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    EH 수신기(Energy Harvesting Receiver) 및 ID 수신기(Information Decoding Receiver)의 수신 감도 차이를 극복하기 위하여, 하이브리드 송신기(Hybrid Access Point, HAP)가 구성하는 무선 전력 전송 커버리지에 복수 개의 에너지 송신기(Energy Access Point, EAP)를 배치하는 것
    을 특징으로 하는, 협력적 무선 자원 할당 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 부반송파를 할당하는 단계는,
    무선 전력 전송을 위한 부반송파를 먼저 선택하는 단계; 및
    상기 부반송파가 선택되면, 부반송파 분할 방식에 따라 나머지 부반송파를 무선 정보 전송을 위한 부반송파로 할당하는 단계
    를 포함하는, 협력적 무선 자원 할당 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 부반송파 분할 방식은,
    하이브리드 송신기(HAP)에서 EH 수신기 또는 ID 수신기로 직교 주파수 분할 다중 방식(Orthogonal Frequency Division Multiple, OFDM)의 특성을 이용하여 정보 심볼 및 에너지 심볼을 각각의 배타적인 부반송파에 분할된 전체 전송 전력으로 전송하는 것
    을 특징으로 하는, 협력적 무선 자원 할당 방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 부반송파를 할당하는 단계는,
    하이브리드 송신기(HAP)에서 무선 전력 전송을 위해 사용할 전송 전력의 비율이 결정되어, 상기 비율에 따라 상기 분할된 전송 전력을 형성하는 것
    을 특징으로 하는, 협력적 무선 자원 할당 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전력을 할당하는 단계는,
    무선 정보 전송을 위한 상기 부반송파를 통해 확보되는 에너지를 고려하여, 무선 전력 전송과 무선 정보 전송을 위해 분할된 전송 전력을 재조정하는 것
    을 특징으로 하는, 협력적 무선 자원 할당 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전력을 할당하는 단계는,
    사전에 정의된 에너지 심볼을 이용하여 전송 다이버시티가 적용된 협력적 무선 전력 전송이 수행되며, EH 수신기에서의 수신 전력을 증대시키는 것
    을 특징으로 하는, 협력적 무선 자원 할당 방법.
  10. 하향링크 무선 정보 및 전력 동시 전송 네트워크를 위한 협력적 무선 자원 할당 장치에 있어서,
    무선 정보 전송과 전력 전송을 위한 부반송파를 할당하는 부반송파 할당부; 및
    할당된 상기 부반송파 및 분할된 전송 전력으로 무선 정보 전송을 위한 전력을 할당하는 전력 할당부
    를 포함하고,
    상기 부반송파 할당부는,
    가중치 요소를 사용하여 부반송파의 후보군을 설정하고, 상기 부반송파 후보군 중 하이브리드 송신기(HAP)에서 ID 수신기 사이에 최소의 채널 이득을 가지는 부반송파 선택하는 것
    을 특징으로 하는, 협력적 무선 자원 할당 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    EH 수신기(Energy Harvesting Receiver) 및 ID 수신기(Information Decoding Receiver)의 수신 감도 차이를 극복하기 위하여 하이브리드 송신기(Hybrid Access Point, HAP)가 구성하는 무선 전력 전송 커버리지에 복수 개의 에너지 송신기(Energy Access Point, EAP)를 배치하는 것
    을 특징으로 하는, 협력적 무선 자원 할당 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 부반송파 할당부는,
    무선 전력 전송을 위한 부반송파를 먼저 선택하고, 상기 부반송파가 선택되면, 부반송파 분할 방식에 따라 나머지 부반송파를 무선 정보 전송을 위한 부반송파로 할당하는 것
    을 특징으로 하는, 협력적 무선 자원 할당 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 부반송파 분할 방식은,
    하이브리드 송신기(HAP)에서 EH 수신기 또는 ID 수신기로 직교 주파수 분할 다중 방식(Orthogonal Frequency Division Multiple, OFDM)의 특성을 이용하여 정보 심볼 및 에너지 심볼을 각각의 배타적인 부반송파에 분할된 전체 전송 전력으로 전송하는 것
    을 특징으로 하는, 협력적 무선 자원 할당 장치.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 제10항에 있어서,
    상기 부반송파 할당부는,
    하이브리드 송신기(HAP)에서 무선 전력 전송을 위해 사용할 전송 전력의 비율이 결정되어, 상기 비율에 따라 상기 분할된 전송 전력을 형성하는 것
    을 특징으로 하는, 협력적 무선 자원 할당 장치.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 전력 할당부는,
    무선 정보 전송을 위한 상기 부반송파를 통해 확보되는 에너지를 고려하여, 무선 전력 전송과 무선 정보 전송을 위해 분할된 전송 전력을 재조정하는 것
    을 특징으로 하는, 협력적 무선 자원 할당 장치.
  18. 제10항에 있어서,
    상기 전력 할당부는,
    사전에 정의된 에너지 심볼을 이용하여 전송 다이버시티가 적용된 협력적 무선 전력 전송이 수행되며, EH 수신기에서의 수신 전력을 증대시키는 것
    을 특징으로 하는, 협력적 무선 자원 할당 장치.
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