KR20170120811A - 에너지 하비스팅을 이용한 전이중 중계 통신 방법 및 에너지 하비스팅에 기반한 전이중 중계 통신 시스템 - Google Patents

에너지 하비스팅을 이용한 전이중 중계 통신 방법 및 에너지 하비스팅에 기반한 전이중 중계 통신 시스템 Download PDF

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Abstract

에너지 하비스팅을 이용한 전이중 중계 통신 방법은 중계 노드가 소스 노드로부터 전송되는 제1 정보 신호 및 목적 노드로부터 전송되는 제2 정보 신호를 수신하는 단계, 상기 중계 노드가 상기 제1 정보 신호 및 상기 제2 정보 신호를 양방향으로 중계 전송하면서 동시에 상기 소스 노드로부터 전송되는 에너지 신호를 이용하여 에너지를 수집하는 단계, 상기 소스 노드가 상기 중계 노드가 전송한 정보 신호를 수신하는 단계 및 상기 목적 노드가 상기 중계 노드가 중계한 정보 신호를 수신하는 단계를 포함한다. 상기 소스 노드, 상기 중계 노드 및 상기 목적 노드는 전이중 방식으로 통신을 수행하는 장치이다.

Description

에너지 하비스팅을 이용한 전이중 중계 통신 방법 및 에너지 하비스팅에 기반한 전이중 중계 통신 시스템{FULL-DUPLEX RELAY COMMUNICATION METHOD BASED ON ENERGY HARVESTING AND FULL-DUPLEX RELAY COMMUNICATION SYSTEM BASED ON ENERGY HARVESTING}
이하 설명하는 기술은 무선으로 전력을 공급받는 전이중 중계 통신 기법 및 장치에 관한 것이다.
최근 RF 무선 에너지를 활용하여 통신을 수행하는 기법에 대한 연구가 진행되고 있다. SWIPT (Simultaneous Wireless Information and Power Transfer)는 RF 신호가 정보와 에너지를 모두 가지고 있으므로 이를 동시에 활용해 통신하는 방법을 말한다. 이러한 SWIPT가 적용되는 가장 대표적인 시나리오는 릴레이가 있는 통신 환경이다.
릴레이가 존재하는 환경에서, 에너지하베스팅을 활용하는 프로토콜은 크게 두 가지가 있다. 하나는 정보를 전송하는 시간과 에너지를 수집하는 시간을 나누어 사용하는 TSR (Time Switching-based Relaying)이고, 다른 하나는 한 신호의 전력을 나누어 정보전달과 에너지 수집에 사용하는 PSR (Power Splitting-based Relaying)이다.
주형식 외 4명, "전이중 송수신 기반의 무선 전력 통신 네트워크에 관한 연구", 한국통신학회 2015년도 동계종합학술발표회
종래 TSR 이나 PSR 기법은 반이중(half duplex) 방식으로 동작한다. 따라서 동시에 정보와 에너지를 송수신하는 것이 불가능하다. 이하 설명하는 기술은 RF 에너지 하비스팅에 기반하면서 전이중(full duplex) 방식으로 통신이 가능한 기법을 제공하고자 한다.
에너지 하비스팅을 이용한 전이중 중계 통신 방법은 중계 노드가 소스 노드로부터 전송되는 제1 정보 신호 및 목적 노드로부터 전송되는 제2 정보 신호를 수신하는 단계, 상기 중계 노드가 상기 제1 정보 신호 및 상기 제2 정보 신호를 양방향으로 중계 전송하면서 동시에 상기 소스 노드로부터 전송되는 에너지 신호를 이용하여 에너지를 수집하는 단계, 상기 소스 노드가 상기 중계 노드가 전송한 정보 신호를 수신하는 단계 및 상기 목적 노드가 상기 중계 노드가 중계한 정보 신호를 수신하는 단계를 포함한다. 상기 소스 노드, 상기 중계 노드 및 상기 목적 노드는 전이중 방식으로 통신을 수행하는 장치이다.
에너지 하비스팅에 기반한 전이중 중계 통신 시스템은 변조된 데이터를 포함하는 제1 정보 신호 및 에너지 수집을 위한 에너지 신호를 송신하고, 중계 노드로부터 제2 노드가 전송한 제2 정보 신호를 수신하는 제1 노드, 변조된 데이터를 포함하는 상기 제2 정보 신호를 송신하고, 상기 중계 노드로부터 상기 제1 노드가 전송한 상기 제2 정보 신호를 수신하는 제2 노드 및 상기 에너지 신호를 수신하여 에너지를 수집하고, 동시에 수신한 상기 제1 정보 신호 및 상기 제2 정보 신호를 중계하는 중계노드를 포함한다.
이하 설명하는 기술은 전이중 방식으로 정보 및 에너지를 전달하여 효과적인 통신이 가능하다.
도 1은 에너지 하비스팅에 기반한 전이중 중계 통신 시스템에 대한 구성을 도시한 블록도의 예이다.
도 2는 중계 노드의 동작을 나타내는 블록도의 예이다.
도 3은 전이중 중계 통신 시스템의 동작을 도시한 예이다.
도 4는 중계 노드의 안테나 거리 및 중계 노드에서 에너지를 수신하는 안테나와 정보를 송신하는 안테나 사이의 커플링 정도를 도시하는 그래프에 대한 예이다.
도 5는 소스 노드에서 수신하는 신호에 대한 스펙트럼에 대한 예이다.
도 6은 에너지 하비스팅을 이용한 전이중 중계 통신 방법에 대한 절차 흐름도의 예이다.
이하 설명하는 기술은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 이하 설명하는 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이하 설명하는 기술의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 이하 설명하는 기술의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 용어에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 해석되지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함한다" 등의 용어는 설명된 특징, 개수, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 단계 동작 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도면에 대한 상세한 설명을 하기에 앞서, 본 명세서에서의 구성부들에 대한 구분은 각 구성부가 담당하는 주기능 별로 구분한 것에 불과함을 명확히 하고자 한다. 즉, 이하에서 설명할 2개 이상의 구성부가 하나의 구성부로 합쳐지거나 또는 하나의 구성부가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화되어 구비될 수도 있다. 그리고 이하에서 설명할 구성부 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성부가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성부 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성부에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다.
또, 방법 또는 동작 방법을 수행함에 있어서, 상기 방법을 이루는 각 과정들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 과정들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
이하 설명하는 기술은 SWIPT에 기반한 양방향 중계 통신에 관한 것이다. 이하 설명하는 기술은 동일 대역 전이중 통신(in-band full duplex) 방식을 사용하는 통신 시스템을 전제로 한다.
도 1은 에너지 하비스팅에 기반한 전이중 중계 통신 시스템(100)에 대한 구성을 도시한 블록도의 예이다. 전이중 중계 통신 시스템(100)은 소스 노드(110), 중계 노드(130) 및 목적 노드(150)를 포함한다. 전이중 중계 통신 시스템(100)은 도 1에 도시한 노드 외에 다른 노드를 포함할 수도 있다. 설명의 편의를 위해 도 1에서 3개의 노드만을 도시하였다. 소스 노드(110) 및 목적 노드(150)는 일정한 정보를 포함하는 신호를 전송하는 장치이다. 정보를 포함하는 신호를 정보 신호라고 명명한다. 정보 신호는 일반적으로 일정한 포맷의 패킷을 포함한다. 소스 노드(110)는 목적 노드(150)로 정보 신호를 전송하고, 목적 노드(150)는 소스 노드(110)로 정보 신호를 전송할 수 있다. 소스 노드(110)에서 전송하는 정보 신호를 제1 정보 신호라고 명명하고, 목적 노드(150)에서 전송하는 정보 신호를 제2 정보 신호라고 명명한다. 소스 노드(110) 및 목적 노드(150)는 전이중 통신을 위해 적어도 2개의 안테나를 포함한다. 소스 노드(110)는 수신 안테나(111) 및 송신 안테나(112)를 포함한다. 목적 노드(150)는 수신 안테나(151) 및 송신 안테나(152)를 포함한다. 소스 노드(110)와 목적 노드(150)는 정보를 변조하여 정보 신호를 생성하는 구성 및 수신한 정보 신호를 복호하는 구성을 포함할 수 있다.
중계 노드(130)는 소스 노드(110) 및/또는 목적 노드(150)로부터 수신한 정보 신호를 중계하는 역할을 한다. 중계 노드(130)는 수신 안테나(131), 송신 안테나(132), 신호 중계기(133), 에너지 수집기(134) 및 배터리(135)를 포함한다. 수신 안테나(131)는 신호를 수신하고, 송신 안테나(132)는 수신한 정보 신호를 송신한다.
중계 노드(130)가 수신한 신호를 처리하는 방식은 두 가지 모드로 구분된다. 중계 노드(130)는 TSR (Time Switching based Relaying) 모드 및/또는 PSR (Power Splitting based Relaying) 모드를 사용할 수 있다. (1) TSR 모드는 소스로부터 수신한 신호를 시간에 따라 분할하여 일정시간은 정보를 수신하고, 일정시간은 에너지를 수신하는 모드이다. (2) PSR 모드는 소스로부터 수신한 신호를 전력에 따라 분할하여 일정비율은 정보를 수신하고, 일정비율은 에너지를 수신하는 모드이다. 모드에 따라 중계 노드(130)는 정보를 포함하는 정보 신호를 목적지에 송신하고, 에너지를 포함하는 신호를 이용하여 에너지를 수집한다. 에너지를 포함하는 신호를 이하 에너지 신호라고 명명한다.
신호 중계기(133)는 수신한 정보 신호를 중계하기 위한 구성을 의미한다. 중계 노드(130)는 크게 두 가지 방식으로 신호 중계를 수행할 수 있다. 중계 방식은 AF (Amplify-and-Forward) 방식 및/또는 DF (Decode-and-Forward) 방식을 사용할 수 있다. (1) AF 방식은 중계 노드에서 소스로부터 수신한 신호를 복호하지 않고 증폭하여 목적지에 전송하는 방식이다. (2) DF 방식은 중계 노드에서 소스로부터 수신한 신호를 복호한 후, 다시 부호화하여 목적지에 전송하는 방식이다. 중계 노드(130)는 AF 방식 또는 DF 방식을 사용할 수 있다. 중계 방식에 따라 신호 중계기(133)의 구성이 달라진다. AF 방식은 수신한 아날로그 신호를 증폭하는 증폭기를 사용한다. AF 방식은 잡음을 제거하기 위한 필터를 사용할 수도 있다. DF 방식은 수신한 신호를 복호하는 복호기, 복호한 신호를 다시 부호화하는 부호기 및 신호를 증폭하는 증폭기를 포함한다. 신호 중계기(133)의 자세한 구성에 대한 설명은 생략한다.
에너지 수집기(134)는 수신한 RF 신호를 이용하여 에너지를 수집하는 구성을 의미한다. 배터리(135)는 에너지 수집기(134)가 생성한 에너지를 저장한다. 에너지 수집기(134)는 RF 신호를 이용하여 에너지를 수집하는 구성이다. 에너지 수집기(134)는 수신 안테나(131)에서 수신한 RF 신호의 전력 손실을 제거하는 임피던스 매칭 회로, 임피던스 매칭 회로의 출력 RF 신호를 직류 전류로 변환하는 전류 변환기를 포함할 수 있다. 한편 에너지 수집기(134)는 정보 신호를 수신하는 안테나 외에 별도의 전용 안테나를 사용할 수도 있다. 에너지 수집기(134)는 전류 변환기에서 출력된 신호를 일정한 전압으로 변환하기 위한 DC-DC 변환기를 포함할 수도 있다.
중계 노드(130)는 크게 두 종류의 신호를 이용하여 에너지를 수집할 수 있다. 중계 노드(130)는 소스 노드(110)가 전송하는 전용 에너지 신호를 이용할 수 있다. 또한 중계 노드(130)는 주변 RF 신호를 이용하여 에너지를 수집(ambient energy harvesting)할 수도 있다. 주변 RF 신호를 이용하는 경우 중계 노드(130)는 다중 대역 안테나를 사용하는 것이 바람직하다. 수신 안테나(131)가 다중 대역 안테나일 수 있다.
소스 노드(110)가 에너지 수집을 위한 전용 에너지 신호를 송신한다고 가정한다. 물론 소스 노드(110)가 아닌 다른 장치가 에너지 수집을 위한 RF 신호를 송신할 수도 있다. 소스 노드(110)는 에너지 신호를 전송하기 위해 톤(tone) 신호를 생성할 수 있다.
도 2는 중계 노드(200)의 동작을 나타내는 블록도의 예이다. 중계 노드(200)는 도 1의 중계 노드(130)에 해당하는 구성이다. 도 2에서는 수신 안테나(210)만을 도시하였다. 신호 분배기(220)는 수신한 신호가 중계를 위한 정보 신호인지 또는 에너지 수집을 위한 에너지 신호인지에 따라 신호를 분배한다. 신호 분배기(220)가 TSR 모드를 사용하는 경우 시간에 따라 일정한 구간의 신호를 신호 중계기(230)에 전달하고, 다른 구간의 신호를 에너지 수집기(240)에 전달한다. 신호 분배기(220)가 PSR 모드를 사용하는 경우 수신한 신호를 분할하여 일정한 비율의 신호를 신호 중계기(230)에 전달하고, 나머지 신호를 에너지 수집기(240)에 전달한다. 배터리(245)는 에너지 수집기(240)가 수집한 에너지를 저장한다.
도 3은 전이중 중계 통신 시스템의 동작을 도시한 예이다. 도 3은 도 1의 전이중 중계 통신 시스템(100)의 동작을 설명하는 예이다. 도 3에서 소스 노드(110)는 S로 표시하였고, 중계 노드(130)는 R로 표시하였고, 목적 노드(150)는 D로 표시하였다.
도 3(a)는 전이중 중계 통신 시스템의 통신 환경에 관한 예를 도시한다. h1은 소스 노드(S)에서 중계 노드(R)로 신호를 전송하는 경로에 대한 채널 이득이다. h2는 목적 노드(D)에서 중계 노드(R)로 신호를 전송하는 경로에 대한 채널 이득이다. g1은 중계 노드(R)에서 소스 노드(S)로 신호를 전송하는 경로에 대한 채널 이득이다. g2는 중계 노드(R)에서 목적 노드(D)로 신호를 전송하는 경로에 대한 채널 이득이다. f1은 소스 노드(S)에서 송신한 에너지 신호가 되돌아오는 채널(loop-back channel)의 결합손실(coupling loss)을 의미한다. fR은 중계 노드(R)에서 중계 전송한 신호가 되돌아오는 채널의 결합손실을 의미한다.
도 3의 전이중 중계 통신 시스템은 아래의 표와 같이 시간 T에서 두 개로 구분한 시간 구역에서 서로 다른 동작을 수행한다. s1은 소스 노드(S)가 송신하는 제1 정보 신호를 의미하고, s2는 목적 노드(D)가 송신하는 제2 정보 신호를 의미한다. e1은 소스 노드(S)가 송신하는 에너지 신호를 의미한다.
T/2 T/2
s1: S -> R
s2: D -> R		 s1 + s2 : R -> S,D,R
e1 : S -> R
도 3(b)는 전반부 T/2에서 전이중 중계 통신 시스템에 대한 동작을 도시한 예이고, 도 3(c)는 후반부 T/2에서 전이중 중계 통신 시스템에 대한 동작을 도시한 예이다. 이하 시간 순서에 따라 각 동작을 설명한다.
도 3(b)를 살펴보면, 소스 노드(S)는 송신 안테나를 사용하여 제1 정보 신호(s1)을 중계 노드(R)에 전송한다. 소스 노드(S)는 송신 안테나를 사용하여 제2 정보 신호(s2)을 중계 노드(R)에 전송한다. 중계 노드(R)는 수신 안테나를 이용하여 소스 노드(S)와 목적 노드(D)에서 송신한 신호를 수신한다. 이때 중계 노드(R)가 수신한 신호(yR,1[k])는 아래의 수학식 1과 같이 표현할 수 있다.
Figure pat00001
여기서, s1[k]는 소스 노드(S)가 송신한 제1 정보 신호를 의미한다. P1은 소스 노드(S)가 제1 정보 신호를 전송하는데 사용한 전력을 의미한다. s2[k]는 목적 노드(D)가 송신한 제2 정보 신호를 의미한다. P2은 목적 노드(D)가 제2 정보 신호를 전송하는데 사용한 전력을 의미한다. h1은 소스 노드(S)에서 중계 노드(R)로 신호를 전송하는 경로에 대한 채널 이득이다. h2는 목적 노드(D)에서 중계 노드(R)로 신호를 전송하는 경로에 대한 채널 이득이다. nR[k]는 중계 노드(R)에서 신호를 수신할 때 함께 수신되는 잡음을 의미한다.
도 3(c)를 살펴보면, 중계 노드(R)는 소스 노드(S) 및 목적 노드(D)에서 각각 수신한 신호(S1 + S2)를 송신 안테나를 이용해 양방향 중계 전송한다. 이때, 중계 노드(R)에서 사용하는 에너지는 수집한 에너지만을 활용한다고 가정한다. 이를 에너지 제한 조건이라고 하며, 아래의 수학식 2와 같이 표현할 수 있다.
Figure pat00002
여기서, ER은 중계 노드(R)에서 소스 노드(S)와 목적 노드(D)로 정보를 전달하는데 사용하는 에너지를 의미한다. EEH는 중계 노드(R)가 수집한 에너지를 의미한다.
이와 동시에, 소스 노드(S)는 송신 안테나를 이용해 중계 노드(R)에 에너지 신호를 전송한다. 에너지 신호는 하나의 톤 신호를 사용할 수 있다. 톤 신호는 정보 신호스펙트럼의 널(null) 부분(suppressed carrier)에 실어 보낸다. 예를 들어, 정보 신호가 음성신호일 경우에는 에너지 신호는 정보 신호의 반송주파수(carrier frequency)에 위치한다.
중계 노드(R)는 전이중 방식으로 동작하기 때문에, 송신 안테나를 이용해 중계전송을 수행하면서 동시에 수신 안테나를 이용해 신호를 수신한다. 중계 노드(R)가 수신하는 신호는 중계 노드(R)에서 중계 전송한 신호에서 되돌아 오는 자기간섭(self-interference) 신호와 소스 노드(S)에서 송신한 에너지 신호이다. 중계 노드(R)가 수신한 신호(yR,2[k])는 아래의 수학식 3과 같다.
Figure pat00003
여기서, P1,e는 소스 노드(S)에서 중계 노드(R)로 에너지 신호를 전송하는데 사용한 전력이다. PR는 중계 노드(R)에서 중계 전송을 수행하는데 사용한 전력이다. e1은 소스 노드(S)가 송신한 에너지 신호이다. sR은 중계 노드(R)가 중계 전송한 정보 신호(s1 + s2)를 의미한다. nR은 중계 노드(R)가 수신한 잡음을 의미한다. fR는 중계 노드(R)에서 중계 전송한 신호가 되돌아 오는 채널의 결합손실을 의미한다.
중계 노드(R)는 소스 노드(S)가 송신하는 에너지 신호뿐만 아니라, 중계 노드(R)가 전송한 신호 중 되돌아오는 자기 간섭 신호(
Figure pat00004
)로부터 에너지를 수집할 수도 있다. 이와 같은 방식을 자기 에너지 회수(self-energy recycling)라고 한다.
중계 노드(R)가 수신한 신호에 대한 결합 손실은 중계 노드(R)의 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 거리의 함수로 결정될 수 있다. 도 4는 중계 노드의 안테나 사이의 거리 및 중계 노드에서 에너지를 수신하는 안테나와 정보를 송신하는 안테나 사이의 커플링 정도를 도시하는 그래프에 대한 예이다. 도 4(a)는 중계 노드(R)의 수신 안테나와 송신 안테나의 거리를 d로 표시하고 있다. 도 4(b)는 중계 노드 에서 에너지를 수신하는 안테나와 정보 신호를 송신하는 안테나 사이의 거리에 따른 결합 손실 정도를 도시한 그래프이다. 도 4(b)를 살펴보면 결합 정도(coupling level)는 반송주파수 900MHz에서 거리 d가 작을수록 증가한다. 다만 거리 d = λ/8 (λ는 파장) 이하에서는 거리 d를 더 감소시켜도 결합 정도는 더 이상 증가하지 않고, -12 dB 수준에서 수렴한다.
에너지 수집이라는 관점에서는 중계 노드(R)가 에너지 높은 신호를 수신하는 것이 바람직하다. 중계 노드(R)가 자기 간섭 신호로 에너지를 많이 수집하기 위해서는 결합 정도를 최적화하는 것이 바람직하다. 따라서 중계 노드(R)의 수신 안테나와 송신 안테나의 거리 d는 λ/8 정도가 바람직할 수 있다. 또는 d ≥ λ/8인 것이 바람직하다.
목적 노드(D)에서 수신 안테나를 이용해 수신하는 신호는 중계 노드(R)에서 중계 전송(relaying)한 신호이다. 목적 노드(D)가 수신한 신호(yD[k])는 아래의 수학식 4와 같이 표현할 수 있다.
Figure pat00005
여기서, g2는 중계 노드(R)에서 목적 노드(D)로의 채널이득이고, nD은 목적 노드(D)에서 수신한 잡음을 의미한다.
목적 노드(D)는 수신한 신호로부터 원하는 정보를 얻기 위해 우선 수신신호(s1 + s2)에서 자신의 신호(s2)를 소거한다. 목적 노드(D)는 제2 정보 신호가 소거된 신호에서 원하는 정보를 복호할 수 있다.
반면, 소스 노드(S)는 전이중 방식으로 동작하기 때문에, 소스 노드(S)가 수신 안테나를 이용해 수신하는 신호는 중계 노드(R)에서 중계 전송한 신호(s1 + s2)와 자기 간섭 신호를 수신한다. 여기서 자기 간섭 신호는 소스 노드(S)가 송신한 에너지 신호 중 되돌아오는 신호를 의미한다.
도 5는 소스 노드에서 수신하는 신호에 대한 스펙트럼에 대한 예이다. 도 5에서 W는 정보신호의 대역폭을 의미한다. 소스 노드(S)가 수신한 신호(yS[k])는 아래의 수학식 5와 같이 표현할 수 있다.
Figure pat00006
여기서, g1은 중계 노드(R)에서 소스 노드(S)로의 채널이득을 의미한다. f1은 소스 노드(S)에서 송신한 에너지 신호가 되돌아 오는 채널의 결합 손실을 의미한다. nS는 소스 노드(S)에서의 수신 잡음을 의미한다.
소스 노드(S)는 수신한 신호에서 먼저 자기간섭 신호로 수신되는 에너지 신호(
Figure pat00007
)를 제거해야 한다. 에너지 신호는 톤 신호로서 매우 적은 대역폭을 가진다. 따라서 소스 노드(S)는 차단 필터를 이용하여 수신한 신호에서 톤 신호를 제거할 수 있다. 예컨대, 소스 노드(S)는 해당 톤 신호가 위치한 주파수 영역에 노치 필터(notch filter)와 같은 협대역 차단 필터를 이용해 톤 신호를 제거할 수 있다. 도 5에서 소스 노드(S)가 수신한 신호에서 점선으로 에너지 신호가 제거된 상태를 표현하였다.
소스 노드(S)가 에너지 신호를 제거한 수신신호는 중계 노드(R)에서 중계 전송한 신호와 수신 잡음으로 구성된다. 이제 소스 노드(S)는 중계 노드(R)이 중계 전송한 신호(s1 + s2)에서 자신의 신호(s1)를 소거한다. 최종적으로 남은 신호는 제2 정보 신호(s2)와 잡음을 포함한다. 소스 노드는 최종 신호에서 자신이 원하는 정보를 얻을 수 있다.
도 6은 에너지 하비스팅을 이용한 전이중 중계 통신 방법(300)에 대한 절차 흐름도의 예이다.
제1 노드는 제1 정보 신호를 송신하고(301), 동시에 제2 노드는 제2 정보 신호를 송신한다(302).
중계 노드는 수신한 제1 정보 신호 및 제2 정보 신호를 양방향으로 중계 전송한다(311 및 312). 동시에 제1 노드는 에너지 수집을 위한 에너지 신호를 송신한다(313).
제1 노드는 중계 노드가 중계한 신호 및 에너지 신호 중 되돌아온 자기 간섭 신호를 수신한다(321). 제1 노드는 수신한 신호에서 자기 간섭 신호를 제거한다(322). 제1 노드는 수신한 신호에서 자기가 송신한 제1 정보 신호를 제거한다(323). 제1 노드는 최종 신호를 복호하여 원하는 정보를 획득한다(324). 제1 노드는 신호를 복호하기 전에 잡음을 제거할 수도 있다(324).
중계 노드는 제1 노드가 송신한 에너지 신호 및 중계 신호 중 되돌아오는 자기 간섭 신호를 수신한다(331). 중계 노드는 기본적으로 에너지 신호를 사용하여 에너지를 수집한다(332). 나아가 중계 노드는 수신한 자기 간섭 신호를 더 이용하여 에너지를 수집할 수도 있다(333).
제2 노드는 중계 노드가 송신한 중계 신호를 수신한다(331). 제2 노드는 수신한 신호에서 자기가 송신한 제2 정보 신호를 제거한다(332). 제2 노드는 최종 신호를 복호하여 원하는 정보를 획득한다(333). 제2 노드는 신호를 복호하기 전에 잡음을 제거할 수도 있다(333).
전술한 실시예에 그치지 않고, 에너지 하비스팅을 이용한 전이중 중계 통신 기법은 아래와 같은 예에도 적용가능하다. (1) 전술한 설명에서 각 노드가 송신 안테나와 수신 안테나를 각각 하나 씩 갖는 것으로 가정하였다. 다만 전술한 에너지 하비스팅을 이용한 전이중 중계 통신에서 각 노드는 다중 안테나를 사용할 수도 있다. (2) 중계 노드(R)가 양방향 중계 전송을 수행할 때 사용하는 에너지는 수집한 에너지만을 이용하는 환경을 고려하였지만, 중계 노드(R)가 수집한 에너지와 더불어 자신의 에너지를 사용해 중계 전송을 수행하는 환경도 고려할 수 있다. (3) 소스 노드(S)의 에너지 신호는 하나의 톤 신호로 구성된다고 가정하였지만, 에너지 신호를 다중의 톤 신호(bundle of tone signals)로 적용할 수 있다. (4) 중계 노드(R)에서 에너지 수집은 에너지 신호와 자기간섭신호를 이용하는 경우를 고려하였다. 나아가 중계 노드(R)는 소스 노드(S) 및/또는 목적 노드(D)가 송신한 정보 신호를 바탕으로 전력분할 혹은 시분할 방법을 통해 추가적으로 에너지 수집이 가능하다.
본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 전술한 기술에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 전술한 기술의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 전술한 기술의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.
100 : 전이중 중계 통신 시스템
110 : 소스 노드
111 : 수신 안테나
112 : 송신 안테나
130 : 중계 노드
131 : 수신 안테나
132 : 송신 안테나
133 : 신호 중계기
134 : 에너지 수집기
135 : 배터리
150 : 목적 노드
151 : 수신 안테나
152 : 송신 안테나
200 : 중계 노드
210 : 수신 안테나
220 : 신호 분배기
230 : 신호 중계기
240 : 에너지 수집기
245 : 배터리

Claims (15)

  1. 중계 노드가 소스 노드로부터 전송되는 제1 정보 신호 및 목적 노드로부터 전송되는 제2 정보 신호를 수신하는 단계;
    상기 중계 노드가 상기 제1 정보 신호 및 상기 제2 정보 신호를 양방향으로 중계 전송하면서 동시에 상기 소스 노드로부터 전송되는 에너지 신호를 이용하여 에너지를 수집하는 단계;
    상기 소스 노드가 상기 중계 노드가 전송한 정보 신호를 수신하는 단계; 및
    상기 목적 노드가 상기 중계 노드가 중계한 정보 신호를 수신하는 단계를 포함하되, 상기 소스 노드, 상기 중계 노드 및 상기 목적 노드는 전이중 방식으로 통신을 수행하는 장치인 에너지 하비스팅을 이용한 전이중 중계 통신 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에너지를 수집하는 단계에서 상기 중계 노드는 상기 중계 전송한 신호 중 상기 중계 노드로 돌아오는 신호를 더 수신하여 에너지를 수집하는 에너지 하비스팅을 이용한 전이중 중계 통신 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 중계 노드는 송신 안테나와 수신 안테나의 거리가 λ/8이고, λ는 신호의 파장인 에너지 하비스팅을 이용한 전이중 중계 통신 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 소스 노드는 하나의 톤 신호인 상기 에너지 신호를 상기 정보 신호의 억압 반송파를 통해 전송하는 에너지 하비스팅을 이용한 전이중 중계 통신 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 중계한 정보 신호를 수신하는 단계에서
    상기 소스 노드는 수신한 신호에서 상기 에너지 신호 중 상기 소스 노드로 돌아오는 신호를 제거하는 단계; 및 상기 소스 노드는 수신한 신호에서 상기 제1 정보 신호 중 돌아오는 신호를 제거하는 단계를 더 포함하는 에너지 하비스팅을 이용한 전이중 중계 통신 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 중계한 정보 신호를 수신하는 단계에서
    상기 목적 노드는 수신한 신호에서 상기 제2 정보 신호 중 돌아오는 신호를 제거하는 단계를 더 포함하는 에너지 하비스팅을 이용한 전이중 중계 통신 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 중계 노드는 상기 소스 노드 및 상기 목적 노드로 신호를 중계할 수 있는 에너지가 수집된 경우에 상기 제1 정보 신호 및 상기 제2 정보 신호를 중계 전송하는 에너지 하비스팅을 이용한 전이중 중계 통신 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 중계 노드는 다중 대역의 수신 안테나를 사용하여 상기 에너지 신호외에 주변의 RF 신호를 수신하고, 수신한 RF 신호를 이용하여 에너지를 더 수집하는 에너지 하비스팅을 이용한 전이중 중계 통신 방법.
  9. 변조된 데이터를 포함하는 제1 정보 신호 및 에너지 수집을 위한 에너지 신호를 송신하고, 중계 노드로부터 제2 노드가 전송한 제2 정보 신호를 수신하는 제1 노드;
    변조된 데이터를 포함하는 상기 제2 정보 신호를 송신하고, 상기 중계 노드로부터 상기 제1 노드가 전송한 상기 제2 정보 신호를 수신하는 제2 노드; 및
    상기 에너지 신호를 수신하여 에너지를 수집하고, 동시에 수신한 상기 제1 정보 신호 및 상기 제2 정보 신호를 중계하는 중계노드를 포함하되,
    상기 소스 노드, 상기 중계 노드 및 상기 목적 노드는 전이중 방식으로 통신을 수행하는 장치인 에너지 하비스팅에 기반한 전이중 중계 통신 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 중계 노드는 중계 전송한 신호 중 상기 중계 노드로 돌아오는 신호를 더 수신하여 에너지를 수집하는 에너지 하비스팅에 기반한 전이중 중계 통신 시스템.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 소스 노드는 하나의 톤 신호인 상기 에너지 신호를 상기 정보 신호의 억압 반송파를 통해 송신하는 에너지 하비스팅에 기반한 전이중 중계 통신 시스템.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 소스 노드는 상기 중계 노드로부터 수신한 신호에서 상기 에너지 신호 중 상기 소스 노드로 돌아오는 신호를 필터링하고, 상기 제1 정보 신호 중 돌아오는 신호를 제거하는 에너지 하비스팅에 기반한 전이중 중계 통신 시스템.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 목적 노드는 상기 중계 노드로부터 수신한 신호에서 상기 제2 정보 신호 중 돌아오는 신호를 제거하는 에너지 하비스팅에 기반한 전이중 중계 통신 시스템.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 중계 노드는 송신 안테나와 수신 안테나의 거리가 λ/8이고, λ는 신호의 파장인 에너지 하비스팅에 기반한 전이중 중계 통신 시스템.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 중계 노드는 다중 대역의 수신 안테나를 사용하여 상기 에너지 신호외에 주변의 RF 신호를 수신하고, 수신한 RF 신호를 이용하여 에너지를 더 수집하는 에너지 하비스팅에 기반한 전이중 중계 통신 시스템.


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