KR102519227B1 - 상향링크 주파수 대역을 할당하는 게이트웨이 및 후방산란하는 iot 장치 및 방법 - Google Patents

상향링크 주파수 대역을 할당하는 게이트웨이 및 후방산란하는 iot 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 FS(Frequency-Splitting)-SWIPT(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer) 무선 통신 시스템을 구성하는 IOT 장치의 후방산란 방법으로서, 제1 주파수의 전력을 수신하여 에너지를 수집하고 동시에 제1 주파수 대역의 데이터를 수신하여 복호화하는 단계; 상향링크로 사용하는 제2 주파수 대역을 확인하는 단계; 및 상기 제2 주파수 대역으로 태그 정보를 제1 주파수의 전력을 이용하여 후방산란 방식으로 전송하는 단계를 포함한다.

Description

상향링크 주파수 대역을 할당하는 게이트웨이 및 후방산란하는 IOT 장치 및 방법{GATEWAY FOR ALLOCATING UPLINK FREQUENCY BANDS, AND BACKSCATTERING IOT DEVICE AND METHOD}
본 발명은 상향링크 주파수 대역을 할당하는 게이트웨이 및 후방산란하는 IOT 장치 및 방법 에 관한 것이다.
전세계의 컴퓨터 장치를 연결하여 정보를 교환할 수 있도록 하는 인터넷(Internet)이 발전하고 그 이용이 보편화됨에 따라서, 사물(Things)에 센서를 부착하여 실시간으로 인터넷을 통해 데이터를 주고 받는 IoT(Internet of Things) 기술이 제안되었다.
이러한 사물인터넷(IoT) 기술은 인터넷 혁명의 뒤를 잇는 차세대 혁명으로 일컬어지고 있으며, 이와 함께 최근 IoT 디바이스 시장은 급격하게 성장하고 있다.
IoT 센서가 저전력을 사용하여 통신을 수행할 수 있도록, 하향링크 전송 기법으로 정보와 전력을 동시에 전송 하는 SWIPT(imultaneous Wireless Information and Power Transfer) 기법이 연구되고 있다. SWIPT는 정보 전송을 위한 통신신호와 저전력 IoT 센서의 무전원 동작을 위한 전력신호를 동시에 전송하는 기법으로 대표적으로 전력 분할(PS: Power-Splitting) SWIPT 기법이 있다. PS-SWIPT 신호는 정보를 전송하는 변조된 통신신호를 이용하여 전력을 동시에 전송하므로 스펙트럼을 공유한다. 따라서 이를 수신한 저전력 IoT 센서에서는 PS-SWIPT 신호의 전력을 분할하여 전력 수집과 정보 복호를 각각 수행하게 된다. 따라서 PS-SWIPT 기법은 변조된 통신신호를 전력신호로 사용하게 되어 통상 변조에 따른 높은 피크대평균비(PAPR: Peak-to-Average Power Ratio)를 갖게 되고, 이로 인해 송신단 HPA (High Power Amplifier)와 무선 채널을 통과하면서 발생하는 비선형 왜곡(Nonlinear Distortion)에 크게 영향을 받아 통신 성능뿐 아니라 전력 수집 효율도 저하되는 문제점을 보인다. 또한, 전력신호의 수신감도(Receive Sensitivity)가 상대적으로 높아 에너지 전송을 위해 통신신호의 전력을 높여서 전송하는 경우 주파수를 공유하는 타 사용자 또는 시스템에 강한 간섭을 유발하여 통신 시스템의 운용에 제약을 줄 수 있어 이에 대한 고려가 요구된다.
한편, 후방산란 통신은 후방산란 태그에서 안테나와 부하 임피던스 사이의 임피던스 비매칭/매칭을 통해 입사하는 RF 신호를 반사 또는 흡수하여 반사되는 에너지의 변화로 수신기에 신호를 전송하는 방식이다. 이러한 후방산란 통신은 Oscillator, Amplifier, Mixer 등의 능동 소자를 사용하지 않는 수동통신 기법으로 매우 적은 전력만을 필요로 한다. 후방산란 기법에는 무변조 반송파를 사용한 모노스태틱(Monostatic), 바이스태틱(Bistatic) 후방산란 기법이 있으며, 최근에는 주변에 이미 존재하는 TV, FM, Wi-Fi 등의 변조된 RF 신호를 반송파로 사용하여 후방산란을 수행하는 주변 후방산란(Ambient Backscatter) 통신 기법이 연구되고 있다.
주변 후방산란 통신의 경우 주변 RF 신호원을 사용하기 때문에 바이스태틱 후방산란(Bistatic Backscatter)이나 모노스태틱 후방산란(Monostatic Backscatter)과는 달리 무변조 반송파를 생성하지 않아도 되므로 더욱 에너지 효율적인 통신이 가능하다. 하지만 변조된 RF 신호를 통해 후방산란을 수행하기 때문에 기존(Legacy) 사용자에게 전송되는 주(Primary) 정보와 태그의 정보가 혼합된 신호가 전송된다. 또한 수신기에서는 후방산란 태그를 거치지 않은 주변 RF 신호의 직접링크 간섭(DLI: Direct Link Interference)이 발생한다. 따라서 주변 후방산란 신호를 복호하기 위해서는 상대적으로 강한 DLI 간섭을 제거할 필요가 있으며, 주 정보와 태그의 정보가 혼합된 신호를 복호하기 위하여 복잡한 간섭 제거 기법 또는 포락선 검파기를 이용한 평균 매커니즘(Averaging Mechanism)을 사용해야한다. 그러나 전자는 수신기의 복잡도를 높이며 간섭의 완벽한 제거가 어렵기 때문에 복호 성능 또한 저하된다. 후자의 경우 포락선 검파로 RF 신호원을 제거하기 위해서는 후방산란 태그의 전송률이 RF 신호에 비해 매우 낮아야하기 때문에 빠른 전송 속도를 지원하기 힘들다는 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예는 FS-SWIPT 신호를 사용한 대규모 상·하향링크 통신을 가능하게 하며, 다수의 IoT 기기들이 IoT Gateway 또는 H-AP (Hybrid Access Point)와 높은 에너지 및 주파수 효율을 가지며 정보를 교환할 수 있는 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, FS(Frequency-Splitting)-SWIPT(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer) 무선 통신 시스템을 구성하는 IOT 장치의 후방산란 방법은, 제1 주파수의 전력을 수신하여 에너지를 수집하고 동시에 제1 주파수 대역의 데이터를 수신하여 복호화하는 단계; 상향링크로 사용하는 제2 주파수 대역을 확인하는 단계; 및 상기 제2 주파수 대역으로 태그 정보를 제1 주파수의 전력을 이용하여 후방산란 방식으로 전송하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, FS(Frequency-Splitting)-SWIPT(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer) 무선 통신 시스템을 구성하는 게이트웨이의 의한 IOT 장치를 위한 상향링크 주파수 대역을 할당하는 방법은, 미리 설정한 임계 에너지 이상으로 에너지를 수집한 IOT 장치들의 제1 집합을 생성하는 단계; 채널환경 및 공평성을 고려한 가중치를 계산하고 가중치 순서대로 IOT 장치를 정렬하는 단계; 각 장치별 트래픽을 고려하여 각 장치에게 할당할 주파수 대역을 계산하는 단계; 및 정렬된 순서에 따라 계산된 주파수 대역을 할당하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, FS(Frequency-Splitting)-SWIPT(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer) 무선 통신 시스템을 구성하는 IOT 장치는, 제1 주파수의 전력 및 제1 주파수 대역의 데이터를 수신하는 통신부; 상기 제1 주파수의 전력으로부터 에너지를 수집하는 충전부; 및 수신되는 데이터를 복호화하여, 상향링크로 사용하는 제2 주파수 대역을 확인하고, 상기 제2 주파수 대역으로 태그 정보를 제1 주파수의 전력을 이용하여 후방산란 방식으로 전송하도록 제어하는 제어부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, FS(Frequency-Splitting)-SWIPT(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer) 무선 통신 시스템의 IOT 장치의 상향링크 주파수 대역을 할당하는 게이트웨이는, FS-SWIPT 기반의 전력 및 정보를 동시에 전송하는 송수신부; 및 미리 설정한 임계 에너지 이상으로 수집된 IOT 장치들의 제1 집합을 생성하고, 채널환경 및 공평성을 고려한 가중치를 계산하고 가중치 순서대로 IOT 장치를 정렬하여, 각 장치별 트래픽을 고려하여 각 장치에게 할당할 주파수 대역을 계산하고, 정렬된 순서에 따라 계산된 주파수 대역을 할당하는 제어부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 가변 주파수 대역을 도입한 FS-SWIPT 신호를 사용한 상·하향링크 통신 기법을 사용함으로써, 게이트웨이와 IoT 장치들 사이의 통신을 위해 에너지 및 주파수를 효율적으로 사용할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따를 경우, 가변 주파수 대역 사용을 통해 상향링크 전송에 사용되는 주파수를 하향링크와 구분지어 할당하고 FS-SWIPT를 이용한 모노스태틱 후방산란을 수행함으로써 게이트웨이에서 자가 간섭을 최소화한다.
더불어, 본 발명의 일 실시예에 따를 경우, 기존의 저전력 통신 기법에 비해 FS-SWIPT 신호 기반 후방산란은 더 넓은 커버리지를 가지기 때문에 저전력 디바이스의 유연한 운용이 가능하며, 상향링크 전송률 및 스펙트럼 효율이 향상되어 자원관리의 효율이 증가한다.
도 1은 본 발명에 따른 FS-SWIPT 기반 백스캐터 의존 통신을 위한 IOT 시스템을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 FS-SWIPT의 통신 스펙트럼을 PS-SWIPT의 통신 스펙트럼과 비교 설명한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 IOT 장치들이 상향링크 통신 방식에 대해서 나타내는 도면이다.
도 4는 다중 IOT 장치들의 FS-SWIPT의 후방산란 통신 스펙트럼 및 PS-SWIPT의 후방산란 통신 스펙트럼을 비교하기 위해 나태낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 주파수 대역에 기초한 FS-SWIPT의 신호 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변 주파수 대역에 기초한 FS-SWIPT의 신호 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 7은 가변 주파수 대역에 기초한 PS-SWIPT 신호 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변 주파수 대역을 사용하여 상향링크 전송 주파수 대역을 할당하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 IOT 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 IOT 장치의 동작을 설명하는 흐름도이다.
도 11는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 통신 시스템의 IOT 장치의 상향링크 주파수 대역을 할당하는 게이트웨이의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트웨이의 의한 IOT 장치를 위한 상향링크 주파수 대역을 할당하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트웨이와 다중 IOT 장치의 대규모 접속의 예시를 나타낸 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급될 때에는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가 지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다고 할때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명에 따른 FS-SWIPT 기반 백스캐터 의존 통신을 위한 IOT 시스템을 설명하기 위한 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 FS-SWIPT 기반 백스캐터 의존 통신을 위한 IOT 시스템은, 무선 게이트웨이(100) 및 하나 이상의 IOT 장치(300)를 포함하여 구성된다.
게이트웨이(100)는 기 구축된 통신 인프라에서, 단말의 무선 접속 및 데이터 송수신을 중계하는 장치이다.
단말은 기존의 통신 프로토콜(예를 들어, Wi-Fi 표준)에 따라서 상기 게이트웨이(100)의 채널을 점유하여 통신할 수 있는 디바이스로서, 예를 들어, 스마트폰, 태블릿 PC 등과 같은 사용자 단말이 될 수 있다. 본 발명의 단말은 백스캐터 의존 통신을 통해서 주변에 인접한 IOT 장치(300)를 인지하고, 상기 IOT 장치(300)를 제어할 수 있다.
그리고, 단말은 상술한 IOT 장치(300)와의 백스캐터 의존 통신을 통해서 인지한 IOT 장치(300)에 대한 무선 전력 전송을 상기 게이트웨이(100)에 명령할 수 있다. 다만, 본 발명의 일 실시예에서 단말이 게이트웨이(100)에 명령하여 무선 전력 전송 및 정보를 전송함을 게이트웨이(100)가 무선 전력 전송 및 정보를 전송한다고 나타낼 수 있다. 또한, 게이트웨이(100)가 IOT 장치(300)로부터 단말로 전송되는 정보를 중계하는 경우, 게이트웨이(100)가 IOT 장치(300)로부터 정보를 수신한다고 나타낼 수 있다.
상기 게이트웨이(100)는 기존에 알려진 통신 프로토콜, 예를 들어, Wi-Fi 표준에 따라서 통신 커버리지 내에 존재하는 상기 단말과 채널을 형성하고, 형성된 채널을 통해서 데이터를 송수신할 수 있다. 이때, 상기 채널을 통해 송수신되는 데이터는, 상기 Wi-Fi 표준에 따른다. 본 발명은 이러한 게이트웨이(100)를 이용하여 IOT 장치(300)와 통신하고 무선 전력을 공급하고자 한다.
이를 위하여, 본 발명에 따른 게이트웨이(100)는 정보와 전력을 동시에 전송하기 위하여 FS(Frequency-Splitting)-SWIPT(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer) 신호를 하나 이상의 IOT 장치(300)에 전송한다.
IOT 장치(300)는 본 발명에 따른 백스캐터 의존 통신 시스템에서, 무선 전력 전송 대상이 되는 장치로서, 초소형 센서 장치 또는 IoT 장치 또는 웨어러블 디바이스와 같이 전원 공급이 어려운 초소형 장치 혹은 휴대형 장치일 수 있다.
일 실시예에서, IOT 장치(300)는 FS-SWIPT 방식에 따라 전력 및 데이터를 수신하고, 전송받은 데이터 패킷을 디코딩하여 처리한다. 또한, IOT 장치(300)는 태그 정보를 후방 산란 방식으로 전송한다.
일 실시예에서, IOT 장치(300)는 제1 주파수로 전력을 수신하고, 제2 주파수 또는 주파수대역으로 태그 정보를 전송한다. 여기서 제1 주파수와 제2 주파수는 서로 상이하다.
전술한 FS-SWIPT 기반 백스캐터 의존 통신을 위한 IOT 시스템에서, 다중 IOT 장치(300)들은 게이트웨이(100)에 대규모 접속을 통해 (Massive Access) 정보를 송수신한다. 게이트웨이(100)는 단말(200)의 무선 접속 및 데이터 송수신을 중계한다. 게이트웨이(100)는 다중 IOT 장치(300)들에 정보와 전력을 동시에 전송하기 위하여 FS-SWIPT 신호를 전송한다. FS-SWIPT의 정보신호는 DC-biased OFDM 변조된 신호이다. 게이트웨이(100)는 이러한 FS-SWIPT의 정보신호를 이용하여 각각의 IOT 장치(300)들에 할당된 subcarrier를 이용하여 개별 정보를 동시에 전송할 수 있다.
일 실시예에서, IOT 장치(300)들은 개별 정보를 수신함과 동시에 FS-SWIPT의 무변조 단일 톤 전력신호를 통해 에너지를 수집한다. IOT 장치(300)들은 전력신호 주파수 근처 대역을 하향링크 전송(다운로드)뿐만 아니라 상향링크 전송(업로드)에도 사용될 수 있는 가변 주파수 대역으로 지정한다. IOT 장치(300)들은 이러한 가변 주파수 대역에서, 무변조 단일 톤 전력신호를 통해 충분한 에너지를 수집하고, 모노스태틱(monostatic) 후방산란을 통해 상향링크 전송을 수행한다. 이와 같은 동작을 통해 게이트웨이(100)는 다중 IOT 장치(300)들과 대규모 접속 통신을 수행하게 된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 FS-SWIPT의 통신 스펙트럼을 PS-SWIPT의 통신 스펙트럼과 비교 설명한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 빨간 실선으로 나타낸 FS-SWIPT의 통신 스펙트럼은 미리 설정된 통신가능 주파수 대역에서 단일 톤(single tone) 전력 신호와 단일 톤 전력 신호와 비교하여 상대적으로 낮은 전력을 갖는 변조된 정보 신호를 갖는 것을 알 수 있다. 도 2에서는 FS-SWIPT의 전력 신호와 정보 신호가 약 50 dB의 전력 차이를 갖는 것을 알 수 있다.
반면, 파란 실선으로 나타낸 PS-SWIPT의 통신 스펙트럼은 미리 설정된 통신가능 주파수 대역에서 전력이 고르게 나타난다. FS-SWIPT의 통신 스펙트럼에서 나타난 정보 신호가 갖는 전력 보다 PS-SWIPT의 통신 스펙트럼에서 나타난 정보 신호는 약 30 dB의 높은 전력을 갖는 것을 알 수 있다. 도 2에서 제시된 신호 전송을 위한 전력은 일 예일 뿐이며 이 값에 한정되는 것은 아니다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 IOT 장치들이 상향링크 통신 방식에 대해서 나타내는 도면이고, 도 4는 다중 IOT 장치들의 FS-SWIPT의 후방산란 통신 스펙트럼 및 PS-SWIPT의 후방산란 통신 스펙트럼을 비교하기 위해 나태낸 도면이다.
먼저, 도 3 및 도 4를 참조하면, IOT 장치(400)는 게이트웨이(100)로부터 FS-SWIPT 신호를 수신한다. FS-SWIPT 신호는 상대적으로 높은 에너지를 갖는 제1 주파수(fc) 전력 신호 및 상대적으로 낮은 에너지를 갖는 정보 신호를 포함한다.
도 3의 IOT 장치(400)는 FS-SWIPT 신호를 수신한 k번째 IoT 장치라고 하면, FS-SWIPT에 의해 수신받은 신호에서 강한 세기를 갖는 무변조 단일 톤 전력신호를 반사함으로써 모노스태틱 후방산란 통신을 수행한다.
게이트웨이(100)에서 수신한 후방산란 신호는 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112020124018451-pat00001
여기서 PT는 게이트웨이의 송신 전력, σ는 산란 효율, h는 채널 이득, s는 게이트웨이에서 전송한 정보, c는 태그의 정보 그리고 n은 잡음이다. 또한, αk(=1,2,...,K)는 각각의 IOT 장치(400)에 대한 FS-SWIPT의 정보 전송 신호에 할당된 신호세기의 비율이다. 따라서, 송신 단에서 k번째 IOT 장치(400)에 대한 정보 전송 신호의 세기는 신호세기의 비율과 송신전력의 곱
Figure 112020124018451-pat00002
로 나타낼 수 있으며, 전력신호의 세기는 총 송신 전력에서 각각의 송신단의 IOT 장치(400)의 정보 전송 신호의 합의 차
Figure 112020124018451-pat00003
가 된다.
또한, k번째 IOT 장치(400)에서 수신한 FS-SWIPT 신호의 반사 비율을
Figure 112020124018451-pat00004
라고 하면 반사되지 않은 신호는 모두 흡수되므로, 흡수 비율은
Figure 112020124018451-pat00005
가 된다. IOT 장치(400)에서의 임피던스 매칭에 의한 반사계수 값에 따라
Figure 112020124018451-pat00006
값이 결정된다.
수학식 1의 첫 번째 항은 반사된 전력신호를 나타내고, 두 번째 항은 반사된 정보 신호를 나타낸다.
도 4에서 도시한 바와 같이, 후방산란 신호에 포함된 반사된 정보 신호는 H-AP에서 간섭으로 작용하게 되지만 후방산란 신호에 포함된 반사된 전력 신호와 비교하여 매우 미약한 것을 알 수 있다.
따라서, 게이트웨이(100)를 통해 후방산란 신호를 수신한 단말은 후방산란 신호에 포함된 반사된 정보 신호는 잡음으로 취급해, 후방산란 신호에 포함된 반사된 전력 신호의 정보만 복호화하여 IOT 장치의 정보를 확인할 수 있게 된다. 즉, 게이트웨이(100)를 통해 후방산란 신호를 수신한 단말은 수학식 1의 첫 번째 항인 반사된 전력신호를 통해 간단히 IOT 장치의 정보를 복호화할 수 있게 된다.
반면, PS-SWIPT의 신호의 경우 FS-SWIPT와 동일한 환경에서 신호를 전송한다고 하더라도, 게이트웨이(100)를 통해 후방산란 신호를 수신한 단말은 복호화해야하는 주파수 대역이 FS-SWIPT의 경우보다 넓은 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 FS-SWIPT 기반 후방산란 방법은 복호화에 더 효율적인 것을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 주파수 대역에 기초한 FS-SWIPT의 신호 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
일 실시예에서, 다중 IoT 장치들이 상향링크 전송을 수행할 때의 대규모 접속을 위하여 상향링크 또는 하향링크로 사용될 수 있는 주파수 대역을 가변적으로 운용할 수 있다.
도 5를 참조하면, 가변 주파수 대역(WD)은 FS-SWIPT의 전력신호 주파수(CW) 근처 대역으로 설정된다. IoT 장치는 전력신호를 사용한 모노스태틱 후방산란을 수행할 때, 전력신호 주파수에서 스위칭 주파수 값만큼 천이된 스펙트럼을 형성한다. 이때, IoT 장치에서 후방산란 동작을 위한 스위칭 주파수가 높아질수록 더 많은 전력을 소모한다. 즉, IoT 장치에서 FS-SWIPT의 전력신호 주파수(fc)로부터 멀어진 주파수 대역에서의 후방산란 동작시 더 많은 전력이 소모된다. 따라서, 상향링크 전송시 에너지 효율성을 높이기 위하여 FS-SWIPT의 전력신호 주파수(fc) 근처의 주파수 대역을 가변 주파수 대역으로 설정한다.
다른 실시예에서, 가변 주파수 대역을 도입하여 상향링크 주파수 대역과 하향링크 주파수 대역을 분리할 수 있다. 상향 링크 주파수 대역과 하향 링크 주파수 대역을 분리해서 운용하는 경우, 상향 링크 주파수 대역과 하향 링크 주파수 대역 각각의 대역도 가변 가능하다.
상향 링크 주파수 대역과 하향 링크 주파수 대역을 분리해서 운용하는 경우, 비교적 전력의 에너지 효율성에서 자유로운 하향링크 주파수 대역이 상향링크 주파수 대역보다 전력신호 주파수(fc)에서 더 멀리 있는 대역을 사용하고, 상향링크 주파수 대역이 하향링크 주파수 대역보다 전력신호 주파수(fc) 근처의 대역을 사용한다.
즉, 상향링크가 복잡할 경우, 붉은색 실선으로 나타낸 상향링크 주파수 대역을 넓히고 파란색 실선으로 나타낸 하항링크 주파수 대역을 좁힐 수 있고 반대로 하향링크가 복잡할 경우, 파란색 점선으로 나타낸 하향링크 주파수 대역을 넓히고 붉은색 점선으로 나타낸 상향링크 주파수 대역을 좁힐 수 있다. 이와 같이, 가변주파수 대역을 이용하여 주파수 자원을 효율적으로 운용할 수 있다. 또한, 상향링크 주파수 대역과 하향링크 주파수 대역을 분리운영하는 경우 게이트웨이에서 자가 간섭 제거(Self-Interference Cancellation)를 할 필요가 없다는 이점이 있다.
한편, 게이트웨이는 각 IOT 장치의 신호세기의 비율
Figure 112020124018451-pat00007
값을 설정한다. 이때, 이러한 신호세기의 비율은 각 IoT 장치들의 최소 수신 전력 제약조건, 수신한 통신신호의 최소 전송률 제약조건을 만족시키도록 설정한다. 이때, 게이트웨이는 하향링크 전송을 통해 에너지를 수집하고 정보를 복호하는 IoT 장치들에게만 FS-SWIPT 신호를 전송하는 상황을 가정한다. 즉, 게이트웨이(100)는 해당 시간 슬롯에서 상향링크 전송을 수행하는 IoT 장치에 대해서는 FS-SWIPT 신호를 전송하지 않으며, 해당 IoT 장치에 대해서는
Figure 112020124018451-pat00008
값을 0으로 할당한다.
다음, 각 IoT 장치들의 통신신호의 세기의 합
Figure 112020124018451-pat00009
과 같고, 따라서 게이트웨이 전력 신호의 세기는
Figure 112020124018451-pat00010
이 된다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변 주파수 대역에 기초한 FS-SWIPT의 신호 스펙트럼을 나타내는 도면이고 도 7은 가변 주파수 대역에 기초한 PS-SWIPT 신호 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 제1 IoT 장치(A)와 제2 IoT 장치(A)는 게이트웨이(100) 에서 전송한 FS-SWIPT 신호를 수신하여 충분한 에너지를 수집한 이후 상향링크 전송을 수행하는 상황을 가정한다. 즉, 제1 IoT 장치(A)와 제2 IoT 장치(A)는 들은 FS-SWIPT 신호를 수신할 때
Figure 112020124018451-pat00011
=0 값을 가지고, 상향링크 전송을 수행할 때
Figure 112020124018451-pat00012
=1 값을 가진다.
여기서, 제1 IoT 장치(A)와 제2 IoT 장치(A)는 들은 서로간의 신호 충돌 및 간섭 없이 상향링크의 전송을 수행하기 위하여 각각 가변 주파수 대역 내의 상향링크 채널을 할당 받아 게이트웨이(100)로 정보를 전송한다.
여기서 가변 주파수 대역은 IoT 장치들이 가질 수 있는 최대 스위칭 주파수에 대하여 제한된 대역을 가진다. 따라서 제한된 가변 주파수 대역 내에서 IoT 장치들 각각에 상향링크 전송 채널을 할당은 다음과 같이 수행한다.
게이트웨이는 가변 주파수 대역을 사용하여 상향링크 전송 주파수 대역을 할당할 때 IoT 장치의 에너지 수집, 채널 환경, 공평성, 그리고 IoT 장치별 트래픽(Traffic)
Figure 112020124018451-pat00013
를 고려해야 한다. 먼저, 충분한 에너지를 수집한 IoT 장치만이 상향링크 전송을 수행할 수 있다.
먼저, 상향링크 전송을 수행할 수 있는 미리 정해진 에너지 이상을 수집한 IoT 장치들의 제1 집합을 형성한다. 다음, 상향링크 전송을 수행할 수 있는 IoT 장치들의 제1 집합에서 게이트웨이와 IoT 장치 사이의 채널이 양호한 IoT 장치들의 제2 집합을 형성한다. 다음, 상향링크 전송을 수행할 수 있는 IoT 장치들의 제2 집합에 전송 주파수 대역 할당을 위한 우선권(Priority)을 부여한다.
한편, 채널이 좋은 경우 주파수 대역 할당에 우선권을 가지지만 공평성(Fairness) 또한 고려해야 한다. 추가적으로, 제한된 가변 주파수 대역에서 각 IoT 장치에 할당하는 채널은 IoT 장치의 트래픽에 대한 함수로 주어질 수 있다. 이하에서 우선권을 고려한 주파수 할당 방법을 상세히 설명한다.
본 발명에서 게이트웨이와 여러 IoT 장치들 사이의 통신을 위한 시스템에서는 FS-SWIPT 신호를 채택한다. 다른 SWIPT 신호로 대체할 수 없다. 예를 들어, 도 7을 참조하면, SWIPT 신호 중 전력신호와 통신신호가 함께 변조되어 전송되는 PS-SWIPT 신호를 사용하여 여러 IoT 장치들과 통신을 수행하는 경우 Gateway로 수신되는 여러 후방산란 신호들이 서로 간섭을 일으켜 각 기기에서 전송한 정보를 복호해 낼 수 없다.
구체적으로, DC-biased OFDM 변조를 통해 각각의 태그에 대하여 subcarrier가 할당된 PS-SWIPT 신호를 사용하게 되면 후방산란 태그에서 주변 후방산란으로 상향링크 전송을 수행하는 형태가 된다. 여기서 후방산란 태그는 PS-SWIPT 신호의 주파수 대역 전부를 반사하게 되어 후방산란 신호 또한 PS-SWIPT 신호와 동일한 크기의 주파수 대역을 점유하게 된다. 즉, 각 IoT 장치에서 반사된 신호들이 간섭 없이 상향링크 전송을 수행하기 위해서는 매우 넓은 주파수 대역이 요구되며, 이는 매우 낮은 주파수 효율을 가질 뿐만 아니라 매우 높은 스위칭 주파수를 필요로 하게 된다. 제한된 주파수 대역을 사용하는 경우 Gateway에서 수신한 주변후방산란 신호들이 서로 간섭을 일으켜 복호가 불가능하게 된다. 이외에도 후방산란 신호와 PS-SWIPT 신호가 상호 간섭을 일으켜 하향링크 전송 또한 불가능해진다. 따라서 FS-SWIPT 신호를 사용하는 경우에만 간섭 없이 대규모 상·하향링크 통신을 수행할 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변 주파수 대역을 사용하여 상향링크 전송 주파수 대역을 할당하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
단계 S810에서, 각 IoT 장치들은 FS-SWIPT 신호를 수신하여 에너지를 수집함과 동시에 개별 정보를 복호한다.
단계 S820에서 각 장치들은 수집한 에너지
Figure 112020124018451-pat00014
가 미리 설정된 임계 에너지
Figure 112020124018451-pat00015
이상인지 확인한다.
IoT 장치의
Figure 112020124018451-pat00016
번째 시간 슬롯에서의 에너지 수집 상태
Figure 112020124018451-pat00017
는 아래의 수학식 2로 계산된다.
[수학식 2]
Figure 112020124018451-pat00018
여기서
Figure 112020124018451-pat00019
는 시간 슬롯 주기,
Figure 112020124018451-pat00020
는
Figure 112020124018451-pat00021
번째 IoT 장치의 신호 처리 및 자체 동작에 소모되는 전력이며,
Figure 112020124018451-pat00022
는
Figure 112020124018451-pat00023
번째 IoT 장치의 상향링크 전송 시의 소모 전력이다. 또한
Figure 112020124018451-pat00024
는
Figure 112020124018451-pat00025
번째 IoT 장치의 수집 전력이며 수학식 3과 같이 Friss 경로손실 모델을 통해 계산된다.
[수학식 3]
Figure 112020124018451-pat00026
단계 S830에서 충분한 에너지를 수집한 IoT 장치들의 제1 집합에 대하여 채널 상태 및 공평성을 고려한 가중치를 계산하고 순서대로 정렬한다.
Figure 112020124018451-pat00027
번째 IoT 장치의 채널 상태 및 공평성을 고려한 가중치
Figure 112020124018451-pat00028
는 수학식 4 및 수학식 5와 같이 계산될 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112020124018451-pat00029
[수학식 5]
Figure 112020124018451-pat00030
여기서
Figure 112020124018451-pat00031
은
Figure 112020124018451-pat00032
번째 타임 슬롯에서
Figure 112020124018451-pat00033
번째 IoT 장치가 전송할 수 있는 최대 전송률 (bit/sec) 이다.
Figure 112020124018451-pat00034
과
Figure 112020124018451-pat00035
은 각각
Figure 112020124018451-pat00036
번째 IoT 장치의
Figure 112020124018451-pat00037
번째 타임 슬롯까지의 평균 전송률(bit/sec) 과
Figure 112020124018451-pat00038
번째 타임 슬롯에서의 전송률 (bit/sec) 이다. 해당 IoT 장치가
Figure 112020124018451-pat00039
번째 타임 슬롯에서 상향링크 전송을 수행하지 않는 경우
Figure 112020124018451-pat00040
이다. 또한
Figure 112020124018451-pat00041
는 Averaging Window Length이다. 이와 같은 가중치 계산을 통해 채널 상태가 좋은 IoT 장치 및 오랜 시간 정보를 보내지 못한 장치들에 우선권을 부여할 수 있다.
단계 S840에서, 또한 각 IoT 장치별 트래픽
Figure 112020124018451-pat00042
(bit/sec)를 고려하여 각 기기들이 상향링크 전송 시에 점유할 주파수 대역
Figure 112020124018451-pat00043
을 계산한다.
먼저 IoT 장치들은 에너지 수집 및 정보 복호 동작을 수행할 때에는 도착한 트래픽을 데이터 큐(Data Queue)에 쌓는다. 이후 충분한 에너지를 수집하여 상향링크 전송을 수행함으로써 데이터 큐에 쌓인 정보들을 IoT 게이트웨이로 전송한다. 따라서 알려진 샤논 용량 공식을 통해 상향링크 전송에 사용되는 주파수 대역
Figure 112020124018451-pat00044
을 트래픽에 대한 함수로 계산할 수 있다.
또한, IoT 장치의 후방산란 신호의 SNR
Figure 112020124018451-pat00045
은 수학식 6과 같이 계산된다.
[수학식 6]
Figure 112020124018451-pat00046
단계 S840에서, 각 IoT 장치들이 생성하는 트래픽에 대한 함수로 각 장치별 주파수 대역을 계산한 후 가중치가 높은 순서대로 상향링크 주파수 대역을 할당한다. 이때, 할당하고자 하는 주파수 대역이 제한된 가변 주파수 대역을 초과하는 경우 낮은 가중치를 갖는 IoT 장치들은 다음 시간 슬롯에서 다시 가중치를 계산하는 과정을 거친다. 즉,
Figure 112020124018451-pat00047
번째 IoT 장치가 요구하는 주파수 대역
Figure 112020124018451-pat00048
를 보다 높은 가중치 값을 가지는 IoT 장치들이 이미 점유하고 있는 주파수 대역 에서 추가로 할당하였을 때, 최대 크기의 가변 주파수 대역
Figure 112020124018451-pat00049
를 초과하지 않을 경우 단계 S850으로 진행하여, 해당 IOT 장치는 상향링크 전송을 수행하게 된다. 이러한 알고리즘을 통해 에너지 수집조건, 채널 환경, 공평성, 트래픽을 모두 고려한 상향링크 전송을 수행할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 IOT 장치의 구성을 나타낸 블록도이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 IOT 장치의 동작을 설명하는 흐름도이다.
도 9및 도 10을 참조하면, 일 실시예에 따른 IOT 장치(300)는, 통신부(310), 제어부(320) 및 충전부(330)를 포함할 수 있다.
통신부(310)는 전원 없이 백스캐터 방식으로 통신을 지원한다.
제어부(320)는 IOT 장치(300)의 구성요소를 제어하여 IOT 장치의 후방산란을 수행한다.
충전부(330)는 IOT 장치(300)의 센서 별 동작 전원을 지원하기 위한 구성으로서, 특히, 무선전력을 수신하여 충전되는 배터리 및 회로를 지칭한다.
단계 S310에서, 제어부(320)는 통신부(310)를 통해 제1 주파수의 전력을 수신하여 에너지를 수집하고 동시에 제1 주파수 대역의 데이터를 수신하여 복호화한다. 여기서 통신부(310)를 통해 수신되는 신호는 FS-SWIPT 기반한 신호이다.
단계 S320에서, 제어부(320)는 상향링크로 사용하는 제2 주파수 대역을 확인한다. 여기서, 제2 주파수 대역은 수집된 에너지량, 채널환경, 공평성 및 트래픽에 기초하여 할당받는다. 이러한 제2 주파수 대역에 대한 정보는 게이트웨이로부터 수신받은 제1 주파수 대역의 데이터에 포함될 수 있다.
일 실시예에서, 공평성은 각 타임슬롯에서 이전까지의 평균 전송률과 금번 최대 전송률의 비를 고려하여 산출될 수 있다.
일 실시예에서, 트래픽은 상향링크로 전송되지 못하고 큐에 쌓이는 시간 슬롯의 수에 비례하여 산출될 수 있다.
단계 S330에서, 제어부(320)는 상기 제2 주파수 대역으로 태그 정보를 충전부(330)에 수집된 제1 주파수의 전력을 이용하여 후방산란 방식으로 통신부(310)를 통해 전송한다.
일 실시예에서, 상기 제2 주파수 대역은 상기 제1 주파수 대역보다 상기 제1 주파수에 더 근접할 수 있다.
도 11는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 통신 시스템의 IOT 장치의 상향링크 주파수 대역을 할당하는 게이트웨이의 구성을 나타낸 블록도이고, 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트웨이의 의한 IOT 장치를 위한 상향링크 주파수 대역을 할당하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 11및 도 12를 참조하면, 일 실시예에 따른 무선 통신 시스템의 IOT 장치의 상향링크 주파수 대역을 할당하는 게이트웨이(100)는 송수신부(110) 및 제어부(120)를 포함한다.
송수신부(110)는 다중의 IOT 장치와 정보를 송수신한다. 송수신부(110)는 FS-SWIPT 기반의 전력 및 정보를 동시에 전송한다.
제어부(120)는 미리 설정한 임계 에너지 이상으로 수집된 IOT 장치들의 제1 집합을 생성하고, 채널환경 및 공평성을 고려한 가중치를 계산하고 가중치 순서대로 IOT 장치를 정렬하여, 각 장치별 트래픽을 고려하여 각 장치에게 할당할 주파수 대역을 계산하고, 정렬된 순서에 따라 계산된 주파수 대역을 할당한다.
단계 S110에서, 제어부(120)는 미리 설정한 임계 에너지 이상으로 에너지를 수집한 IOT 장치들의 제1 집합을 생성하는 단계;
단계 S120에서, 제어부(120)는 채널환경 및 공평성을 고려한 가중치를 계산하고 가중치 순서대로 IOT 장치를 정렬한다.
일 실시예에서, 제어부(120)는 각 타임슬롯에서 이전까지의 평균 전송률과 금번 최대 전송률의 비를 고려하여 상기 공평성을 산출한다.
단계 S130에서, 제어부(120)는 각 장치별 트래픽을 고려하여 각 장치에게 할당할 주파수 대역을 계산한다.
일 실시예에서, 제어부(120)는 샤논 용량 공식에 상향링크로 전송되지 못하고 큐에 쌓이는 시간 슬롯의 수에 비례하게 산출한 트랙픽을 적용하여 할당할 주파수 대역을 계산한다.
단계 S140에서, 제어부(120)는 정렬된 순서에 따라 계산된 주파수 대역을 할당한다.
일 실시예에서, 제어부(120)는 게이트웨이와의 거리에 가까운 IOT 장치일수록 제1 주파수 근처의 주파수 대역을 할당한다.
IoT 게이트웨이에서 FS-SWIPT 신호를 사용하여 각각의 IoT 장치들에 정보와 전력을 전송할 때, 게이트웨이 근처에 위치한 IoT 장치들은 상향링크 전송을 수행하기 위한 에너지 수집에 큰 어려움이 없으나, 게이트웨이에서 멀리 떨어진 IoT 장치들은 상대적으로 약한 전력신호를 수신하기 때문에 상향링크 전송을 수행하기 위한 에너지 수집에 많은 시간을 필요로 한다. 따라서 가변 주파수 대역에서 상향링크 전송을 수행할 때, 게이트웨이로부터 멀리 위치한 IoT 장치일수록 전력신호(중심 주파수) 근처에 상향링크 주파수 대역을 할당해 준다. 이와 같이 에너지 수집이 상대적으로 어려운 멀리 위치한 장치들에 대하여 낮은 스위칭 주파수를 사용하게 함으로써 소모 전력을 최소화할 수 있다.
일 실시예에서, 제어부(120)는 게이트웨이와 IoT 장치들 사이의 거리 차이를 활용하여 NOMA(Non-orthogonal Multiple Access) 기법을 활용할 수 있다. 제어부(120)는 할당하고자 하는 주파수 대역이 미리 설정한 가변 주파수 대역을 초과하는 경우 해당 IOT 장치 및 해당 IOT 장치보다 더 낮은 가중치를 갖는 IOT 장치에 대하여는 다음 시간 슬롯에서 전송하기 위해 다시 가중 치 및 주파수 대역을 계산한다.
구체적으로, 게이트웨이에서 멀리 떨어진 IoT 장치들은 상대적으로 약한 전력신호를 사용하여 후방산란을 수행하기 때문에 게이트웨이 가까이 위치한 IoT 장치들에 비해 약한 후방산란 신호 세기를 갖는다. 이러한 환경에서 게이트웨이에서 가까이에 위치한 IoT 장치의 신호를 먼저 복호한 후 Successive Interference Cancellation을 통해 가까이에 위치한 IoT 장치의 신호를 제거하여 멀리 위치한 IoT 장치의 신호를 복호하는 NOMA 기법을 통해 같은 주파수 대역을 할당 받게 할 수 있다. 하향링크의 경우에도 마찬가지로 IoT Gateway에서 DC-biased OFDM 변조 기반 NOMA를 사용할 수 있다. 이와 같은 NOMA 기법을 활용함으로써 제한된 가변 주파수 자원을 효율적으로 사용할 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트웨이와 다중 IOT 장치의 대규모 접속의 예시를 나타낸 도면이다.
도 13을 참조하면 중심에 위치하는 게이트웨이와 게이트웨이 주변에 접속한 다중 IOT 장치를 예시하였다. 일 실시예에서 설명의 편의를 위해 4개의 IOT 장치만을 예시하였으나, 이에 한정하는 것은 아니다.
하단에 각 IOT 장치(A,B,C,D)의 수집된 에너지량을 나타낸다. 초록색은 미리 설정된 임계값 이해의 에너지량이나 낮은 우선권이 부여된 것을 의미한다. 붉은색은 백스캐터링 가능한 에너지량을 나타낸다.
첫번째 예시는 각 IOT 장치(A,B,C,D)가 중심주파수에서 근접한 상향링크를 이용하여 전력을 수신받는 예를 나타낸다. 아직 수집된 에너지가 적은 것을 알 수 있다.
두번째 예시는 IOT 장치 A와 IOT 장치 D는 중심주파수에서 근접한 상향링크를 이용하여 전력을 수신받고, IOT 장치 B와 IOT 장치 C는 하향링크를 이용하여 후방산란을 통해 태그 정보를 전송하는 예를 나타낸다. IOT 장치 A와 IOT 장치 D에 할당된 하향링크에 이용되는 주파수 대역(파란색으로 표시)이 IOT 장치 B와 IOT 장치 C에 할당된 상향링크에 적용되는 주파수 대역(붉은색으로 표시) 보다 중심 주파수보다 더 멀리 위치하는 것을 확인할 수 있다.
세번째 예시는 IOT 장치 B와 IOT 장치 C는 중심주파수에서 근접한 상향링크를 이용하여 전력을 수신받고, IOT 장치 A와 IOT 장치 D는 하향링크를 이용하여 후방산란을 통해 태그 정보를 전송하는 예를 나타낸다. IOT 장치 B와 IOT 장치 C에 할당된 하향링크에 이용되는 주파수 대역(파란색으로 표시)이 IOT 장치 A와 IOT 장치 D에 할당된 상향링크에 적용되는 주파수 대역(붉은색으로 표시) 보다 중심 주파수로부터 더 멀리 위치하는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, IoT 게이트웨이와 단일 IoT 장치 사이의 통신을 수행하는 관점에서 기존보다 넓은 범위의 통신 커버리지를 제공할 수 있으며 높은 전송률을 가질 수 있다. 이를 통해 IoT 통신망의 안정적이고 유연한 운용이 가능하며 높은 전송률을 통해 신속한 센서 정보의 수집이 가능하다. 또한 가변 주파수 대역을 활용한 FS-SWIPT 기반 후방산란 기법을 통해 IoT 게이트웨이와 다수의 IoT 장치들 사이의 통신을 수행할 수 있으며, 기존기법들보다 에너지 효율, 주파수 효율, 복잡도 측면에서 우수한 성능을 나타낸다. 이를 바탕으로 수많은 IoT 게이트웨이가 IoT 센서들과 정보를 주고받아야 하는 스마트 팩토리 등에 활용될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 실행된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (17)

  1. FS(Frequency-Splitting)-SWIPT(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer) 무선 통신 시스템을 구성하는 IOT 장치의 후방산란 방법으로서,
    제1 주파수의 전력을 수신하여 에너지를 수집하고 동시에 제1 주파수 대역의 데이터를 수신하여 복호화하는 단계;
    상향링크로 사용하는 제2 주파수 대역을 확인하는 단계; 및
    상기 제2 주파수 대역으로 태그 정보를 제1 주파수의 전력을 이용하여 후방산란 방식으로 전송하는 단계
    를 포함하고,
    상기 제2 주파수 대역은 수집된 에너지량, 채널환경, 공평성 및 트래픽에 기초하여 할당되고,
    상기 공평성은 각 타임슬롯에서 이전까지의 평균 전송률과 금번 최대 전송률의 비를 고려하여 산출되는 것을 특징으로 하는 IOT 장치의 후방산란 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 트래픽은 상향링크로 전송되지 못하고 큐에 쌓이는 시간 슬롯의 수에 비례하는 것을 특징으로 하는 IOT 장치의 후방산란 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 주파수 대역은 상기 제1 주파수 대역보다 상기 제1 주파수에 더 근접한 것을 특징으로 하는 IOT 장치의 후방산란 방법.
  6. FS(Frequency-Splitting)-SWIPT(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer) 무선 통신 시스템을 구성하는 게이트웨이의 의한 IOT 장치를 위한 상향링크 주파수 대역을 할당하는 방법으로서,
    미리 설정한 임계 에너지 이상으로 에너지를 수집한 IOT 장치들의 제1 집합을 생성하는 단계;
    채널환경 및 공평성을 고려한 가중치를 계산하고 가중치 순서대로 IOT 장치를 정렬하는 단계;
    각 장치별 트래픽을 고려하여 각 장치에게 할당할 주파수 대역을 계산하는 단계; 및
    정렬된 순서에 따라 계산된 주파수 대역을 할당하는 단계를 포함하고,
    상기 가중치를 계산하고 순서대로 정렬하는 단계는,
    각 타임슬롯에서 이전까지의 평균 전송률과 금번 최대 전송률의 비를 고려하여 상기 공평성을 산출하는 것을 특징으로 하는 IOT 장치용 상향링크 주파수 대역 할당 방법.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 트래픽을 고려하여 각 장치에게 할당할 주파수 대역을 계산하는 단계는,
    샤논 용량 공식에 상향링크로 전송되지 못하고 큐에 쌓이는 시간 슬롯의 수에 비례하게 산출한 트랙픽을 적용하는 것을 특징으로 하는 IOT 장치용 상향링크 주파수 대역 할당 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 계산된 주파수 대역을 할당하는 단계에서,
    할당하고자 하는 주파수 대역이 미리 설정한 가변 주파수 대역을 초과하는 경우 해당 IOT 장치 및 해당 IOT 장치보다 더 낮은 가중치를 갖는 IOT 장치에 대하여는 다음 시간 슬롯에서 전송하기 위해 다시 가중 치 및 주파수 대역을 계산하는 것을 특징으로 하는 IOT 장치용 상향링크 주파수 대역 할당 방법.
  10. FS(Frequency-Splitting)-SWIPT(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer) 무선 통신 시스템을 구성하는 IOT 장치로서,
    제1 주파수의 전력 및 제1 주파수 대역의 데이터를 수신하는 통신부;
    상기 제1 주파수의 전력으로부터 에너지를 수집하는 충전부; 및
    수신되는 데이터를 복호화하여, 상향링크로 사용하는 제2 주파수 대역을 확인하고, 상기 제2 주파수 대역으로 태그 정보를 제1 주파수의 전력을 이용하여 후방산란 방식으로 전송하도록 제어하는 제어부
    를 포함하고,
    상기 제2 주파수 대역은 수집된 에너지량, 채널환경, 공평성 및 트래픽에 기초하여 할당되며,
    상기 제어부는 각 타임슬롯에서 이전까지의 평균 전송률과 금번 최대 전송률의 비를 고려하여 상기 공평성을 산출하는 IOT 장치.
  11. 삭제
  12. FS(Frequency-Splitting)-SWIPT(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer) 무선 통신 시스템의 IOT 장치의 상향링크 주파수 대역을 할당하는 게이트웨이로서,
    FS-SWIPT 기반의 전력 및 정보를 동시에 전송하는 송수신부; 및
    미리 설정한 임계 에너지 이상으로 수집된 IOT 장치들의 제1 집합을 생성하고, 채널환경 및 공평성을 고려한 가중치를 계산하고 가중치 순서대로 IOT 장치를 정렬하여, 각 장치별 트래픽을 고려하여 각 장치에게 할당할 주파수 대역을 계산하고, 정렬된 순서에 따라 계산된 주파수 대역을 할당하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    각 타임슬롯에서 이전까지의 평균 전송률과 금번 최대 전송률의 비를 고려하여 상기 공평성을 산출하는 것을 특징으로 하는 상향링크 주파수 대역을 할당하는 게이트웨이.
  13. 삭제
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 트래픽을 고려하여 각 장치에게 할당할 주파수 대역을 계산하는 단계는,
    샤논 용량 공식에 상향링크로 전송되지 못하고 큐에 쌓이는 시간 슬롯의 수에 비례하게 산출한 트랙픽을 적용하는 것을 특징으로 하는 상향링크 주파수 대역을 할당하는 게이트웨이.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 제어부는,
    할당하고자 하는 주파수 대역이 미리 설정한 가변 주파수 대역을 초과하는 경우 해당 IOT 장치 및 해당 IOT 장치보다 더 낮은 가중치를 갖는 IOT 장치에 대하여는 다음 시간 슬롯에서 전송하기 위해 다시 가중 치 및 주파수 대역을 계산하는 것을 특징으로 하는 상향링크 주파수 대역을 할당하는 게이트웨이.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 제어부는, 게이트웨이와의 거리에 가까운 IOT 장치일수록 제1 주파수 근처의 주파수 대역을 할당하는 것을 특징으로 하는 상향링크 주파수 대역을 할당하는 게이트웨이.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 제어부는, 게이트웨이와의 거리에 가까운 IOT 장치의 신호를 먼저 복호화하고, 복호화한 IOT 장치의 신호를 제거한 후, 게이트웨이와 거리가 먼 IOT 장치의 신호를 복호화하는 NOMA(Non-orthogonal Multiple Access)을 채택하는 것을 특징으로 하는 상향링크 주파수 대역을 할당하는 게이트웨이.

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