KR20200037560A - Communication Method of Sensor Node in sparse-Coded Ambient Backscatter system and system thereof - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a communication method of a sensor node in a sparse-coded ambient backscatter system and a system thereof. A communication method of a sensor node according to an embodiment of the present invention, which is a communication method of each sensor node in an ambient backscatter system including an access point and a plurality of sensor nodes, comprises the steps of: storing energy by energy-harvesting wireless signals transmitted by the access point; generating M-order data in the case of storing energy equal to or greater than a preset threshold value to switch to an active state; projecting the M-order data to a predefined mapping function to generate a symbol; spreading the symbol to generate a code word; and transmitting the code word by reflecting a carrier received from the access point, wherein the plurality of sensor nodes transmit the code word in a non-orthogonal multiple access (NOMA) manner. The present invention can be applied for supporting large scale connections of tags in a low power IoT network.

Description

스파스 코드 기반 엠비언트 백스캐터 시스템에서 센서 노드의 통신 방법 및 그 시스템{Communication Method of Sensor Node in sparse-Coded Ambient Backscatter system and system thereof}Communication method of a sensor node and its system in a sparse code-based ambient backscatter system and system thereof

본 발명은 스파스 코드 기반 엠비언트 백스캐터 시스템에서 센서노드의 통신 방법 및 그 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무선 에너지 하비스팅 기반의 주변 신호 후방산란 통신(Ambient Backscatter Communication: AmBC)에서 대규모 연결(Massive Connectivity)을 지원하기 위한 스파스 코드(Sparse Code)를 생성하여 비직교 다중 접속 (Non-orthogonal Multiple Access: NOMA) 방식으로 전송하는 스파스 코드 기반 엠비언트 백스캐터 시스템에서 센서노드의 통신 방법 및 그 시스템에 관한 것이다.
The present invention relates to a communication method of a sensor node in a sparse code-based ambient backscatter system and a system thereof, and more specifically, a large-scale connection in ambient energy backscatter communication (Ambient) based on wireless energy harvesting ( Communication method of sensor node in sparse code based ambient backscatter system that generates sparse code to support Massive Connectivity and transmits it in non-orthogonal multiple access (NOMA) It's about the system.

사물인터넷 환경에서 TV신호, 와이파이 신호 등에 AmBC(Ambient Backscatter Communication) 기술을 활용하여, 태그의 데이터를 전송하는 기법들이 있다. 예를들어 기존의 AmBC 환경에서 에너지 하비스팅을 통해 태그가 데이터 전송에 필요한 양의 충분한 에너지를 모으고, 데이터를 후방 산란하여 전송하는 듀티사이클링(Duty-Cycling) 동작이 있으며, 이를 위해 각각의 태그의 에너지 하비스팅 및 데이터 전송에 필요한 시간을 할당하는 스케줄링 기법들이 있다. In the Internet of Things (IoT) environment, there are techniques for transmitting data of tags by using AmBC (Ambient Backscatter Communication) technology for TV signals, Wi-Fi signals, and the like. For example, in an existing AmBC environment, there is a duty-cycling operation in which a tag collects sufficient energy required for data transmission through energy harvesting and back-scatters and transmits the data. There are scheduling techniques that allocate time for energy harvesting and data transmission.

이러한 자원할당 기법은 시간을 분할하여 다중 접속을 하는 직교 다중 접속(Orthogonal Multiple Access: OMA)에 해당하며, 하나의 타임 슬롯 동안 1개의 태그만 접속을 허용하여 다중 접속 간섭(Multiple Access Interference: MAI)을 제거하였다.This resource allocation technique corresponds to orthogonal multiple access (OMA) in which multiple accesses are performed by dividing time and allows access to only one tag during one time slot to multiple access interference (MAI) Was removed.

그리고 태그에서 M차 변조를 활용하기 위해서 변조차수(Modulation Order) 만큼에 해당하는 수의 임피던스를 마이크로 컨트롤러에 연결해서 태그를 제작하는 방법이 제안되었다.Also, in order to utilize M-order modulation in a tag, a method of manufacturing a tag by connecting the impedance of a number corresponding to a modulation order to a microcontroller has been proposed.

그러나, 종래의 AmBC 기술에서는 OMA 환경을 주로 다루고 있어서, 대규모 연결성을 지원하기에 적합하지 않으며, 부하 임피던스가 태그의 크기를 증가시키기 때문에, 태그의 제작비용도 증가하는 단점이 있다. 또한, 듀티사이클링 동작에 크게 의존하므로 에너지 하비스팅의 효율이 낮은 무선 환경 또는 네트워크 과밀화(Network Densification) 환경에서는 통신망의 전송속도가 크게 저하되는 단점이 있다. However, the conventional AmBC technology mainly deals with the OMA environment, which is not suitable for supporting large-scale connectivity, and has a disadvantage in that the manufacturing cost of the tag increases because the load impedance increases the size of the tag. In addition, since it greatly depends on the duty cycling operation, in a wireless environment in which the efficiency of energy harvesting is low or in a network densification environment, there is a disadvantage that a transmission speed of a communication network is significantly reduced.

이와 관련 선행기술로는 대한민국공개특허 제10-2018-0087917호(발명의 명칭: 가변적인 전력 레벨을 이용한 백스캐터 통신 방법 및 이를 위한 태그)가 있다.
Prior art related to this is Korean Patent Publication No. 10-2018-0087917 (Invention name: backscatter communication method using variable power level and tag for the same).

본 발명의 목적은 무선 에너지 하비스팅 기반의 주변 신호 후방산란 통신(Ambient Backscatter Communication: AmBC)에서 대규모 연결성을 지원하고, 이를 통해 센서 노드의 에너지 하비스팅 효율과 신호 검출 성능을 개선할 수 있는 스파스 코드 기반 엠비언트 백스캐터 시스템에서 센서노드의 통신 방법 및 그 시스템을 제공하는 것이다. An object of the present invention is to support large-scale connectivity in wireless energy harvesting-based ambient signal backscatter communication (Ambient Backscatter Communication: AmBC), through which the sparse can improve the energy harvesting efficiency and signal detection performance of the sensor node In a code-based ambient backscatter system, a sensor node communication method and a system thereof are provided.

본 발명의 다른 목적은 엠비언트 백스캐터 시스템에서 스케줄링과 무선 자원할당으로 발생하는 오버헤드를 줄여 저지연(Low Latency) 통신을 실현하고, 센서 노드의 듀티사이클링 동작의 성능을 개선할 수 있는 스파스 코드 기반 엠비언트 백스캐터 시스템에서 센서노드의 통신 방법 및 그 시스템을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to reduce the overhead caused by scheduling and radio resource allocation in the ambient backscatter system to realize low latency communication and sparse code that can improve the performance of the duty cycling operation of the sensor node. It is to provide a communication method of a sensor node and a system in the based ambient backscatter system.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
The problem to be solved by the present invention is not limited to the problem (s) mentioned above, and another problem (s) not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명의 일 실시예에 따른 센서 노드의 통신 방법은, 액세스 포인트 및 복수의 센서 노드를 포함하는 엠비언트 백스캐터 시스템에서 각 센서 노드의 통신 방법에 있어서, 상기 액세스 포인트로부터 송출되는 무선 신호를 에너지 하비스팅하여 에너지를 축적하는 단계, 기 설정된 임계치 이상의 에너지가 축적되어 활성 상태로 전환된 경우, M차 데이터를 생성하는 단계, 상기 M차 데이터를 기 정의된 매핑함수에 투사하여 심볼을 생성하는 단계, 상기 심볼을 확산하여 코드워드를 생성하는 단계, 상기 코드워드를 상기 액세스 포인트로부터 수신한 반송파를 반사하여 전송하는 단계를 포함하되, 상기 복수의 센서 노드는 NOMA(Non-orthogonal Multiple Access) 방식으로 코드워드를 전송하는 것을 특징으로 한다.The communication method of a sensor node according to an embodiment of the present invention is in a communication method of each sensor node in an ambient backscatter system including an access point and a plurality of sensor nodes, and energy hobbing a radio signal transmitted from the access point. Accumulating energy by stinging, generating energy of M-order data when energy above a predetermined threshold is accumulated and switching to an active state, generating symbols by projecting the M-order data to a predefined mapping function, Generating a codeword by spreading the symbols, and transmitting the codeword by reflecting a carrier wave received from the access point, wherein the plurality of sensor nodes code in a non-orthogonal multiple access (NOMA) method It is characterized by transmitting a word.

바람직하게는, 상기 심볼은 1, 0, -1 중 적어도 하나에 의해 생성되고, 활성 타임 슬롯 길이를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다. Preferably, the symbol is generated by at least one of 1, 0, -1, and may be characterized in that it has an active time slot length.

바람직하게는, 상기 코드워드는 타임 슬롯의 개수와 심벌 주기의 곱에 해당하는 길이의 스파스 코드워드일 수 있다. Preferably, the codeword may be a sparse codeword having a length corresponding to the product of the number of time slots and the symbol period.

바람직하게는, 상기 코드워드는 다이애딕 채널을 통해 상기 액세스 포인트로 전송될 수 있다. Preferably, the codeword can be transmitted to the access point via a dialic channel.

본 발명의 다른 실시예에 따른 센서 노드는 액세스 포인트와의 통신을 위한 송수신부, 비활성 상태에서 상기 송수신부를 통해 수신한 무선 신호를 에너지 하비스팅하여 에너지를 축적하고, 기 설정된 임계치 이상의 에너지가 축적되어 활성 상태로 전환하는 상태 제어부, 활성 상태로 전환된 경우, M차 데이터를 기 정의된 매핑함수에 투사하여 심볼을 생성하고, 상기 심볼을 확산하여 코드워드를 생성하며, 상기 코드워드를 상기 액세스 포인트로부터 수신한 반송파를 반사하여 전송하는 변조부를 포함한다. The sensor node according to another embodiment of the present invention accumulates energy by energy harvesting a radio signal received through the transceiver in an inactive state and a transceiver for communication with an access point, and accumulates energy above a predetermined threshold. A state control unit switching to an active state, when switched to an active state, projects M-order data into a predefined mapping function to generate a symbol, spreads the symbol to generate a codeword, and the codeword to the access point It includes a modulator for reflecting and transmitting the carrier wave received from.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스파스 코드 기반 엠비언트 백스캐터 시스템은, 무선 신호를 송출하는 액세스 포인트, 상기 액세스 포인트로부터 송출되는 무선 신호를 에너지 하비스팅하여 에너지를 축적하고, 기 설정된 임계치 이상의 에너지가 축적되어 활성 상태로 전환된 경우 M차 데이터를 기 정의된 매핑함수에 투사하여 심볼을 생성하고, 상기 심볼을 확산하여 스파스 코드워드를 생성하며, 상기 스파스 코드워드를 상기 액세스 포인트로부터 수신한 반송파를 반사하여 NOMA(Non-orthogonal Multiple Access) 방식으로 전송하는 복수의 센서 노드를 포함하되, 상기 무선 신호와 상기 스파스 코드워드는 다이애딕 채널을 통해 송수신될 수 있다. According to another embodiment of the present invention The sparse code-based ambient backscatter system accumulates energy by energy harvesting an access point that transmits a radio signal, and a radio signal that is transmitted from the access point, and when energy above a preset threshold is accumulated and is switched to an active state M-dimensional data is projected to a predefined mapping function to generate a symbol, the symbol is spread to generate a sparse codeword, and the sparse codeword is reflected by a carrier wave received from the access point, and NOMA (Non- orthogonal multiple access), but the wireless signal and the sparse codeword may be transmitted and received through a dialic channel.

바람직하게는, 상기 액세스 포인트는, 상기 복수의 센서 노드로부터 NOMA 방식으로 전송된 중첩된 코드워드를 수신하고, 다이애딕 채널 추정 알고리즘(Dyadic Channel Estimation Algorithm)에 기초하여 다이애딕 채널을 추정하며, 상기 추정된 다이애딕 채널과 심벌 간 간섭(ISI)을 고려한 반복적 메시지 전달 알고리즘(Iterative Message Passing Algorithm)에 기초하여 상기 복수의 센서 노드로부터 전송된 코드워드를 검출할 수 있다.
Preferably, the access point receives the overlapped codewords transmitted by the NOMA method from the plurality of sensor nodes, and estimates the dialic channel based on the Dyadic Channel Estimation Algorithm. Codewords transmitted from the plurality of sensor nodes may be detected based on an Iterative Message Passing Algorithm that takes into account the inter-symbol interference (ISI) between the estimated diadic channel and the symbol.

본 발명에 따른 SC-AmBC은 센서노드(태그)의 M-ary 변조, NOMA(Non-orthogonal Multiple Access)를 가능하게 하므로 대규모 연결성을 지원할 수 있고, 신호의 희소성을 변조 방식에 반영하였기 때문에, 듀티 사이클링으로 동작하는 RF 태그들의 에너지 하비스팅 측면에서도 정보 전송 측면에서도 모두 유리하다.SC-AmBC according to the present invention enables M-ary modulation of sensor nodes (tags), non-orthogonal multiple access (NOMA), and thus can support large-scale connectivity, and the scarcity of signals is reflected in the modulation method. It is advantageous both in terms of energy harvesting and information transmission of RF tags operated by cycling.

따라서, 본 발명은 와이파이를 기반으로 구축되는 스마트홈에 접목할 수 있고, 크기와 배터리 용량이 매우 제한적인 바이오 센서, 웨어러블 디바이스 등의 무선 디바이스에 유용하게 적용될 수 있다. 특히 저전력 사물인터넷 통신망에서 태그들의 대규모 연결을 지원하기 위해 긴밀하게 활용될 수 있다.Accordingly, the present invention can be applied to a smart home that is built on Wi-Fi, and can be usefully applied to wireless devices, such as biosensors and wearable devices, which are very limited in size and battery capacity. In particular, it can be used closely to support large-scale connection of tags in a low-power IoT network.

한편, 본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 이하에서 설명할 내용으로부터 통상의 기술자에게 자명한 범위 내에서 다양한 효과들이 포함될 수 있다.
Meanwhile, the effects of the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and various effects may be included within a range obvious to a person skilled in the art from the following description.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스파스 코드 기반 엠비언트 백스캐터 시스템(SC-AmBC)을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스파스 코드 기반 엠비언트 백스캐터 시스템의 듀티사이클링을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 SC-AmBC에서 송수신되는 신호를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 SC-AmBC의 프로토콜 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스파스 코드 기반 엠비언트 백스캐터 시스템(SC-AmBC)의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 태그가 데이터를 전송하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 SC-AmBC의 매핑함수를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 노드를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 액세스 포인트의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 액세스 포인트가 채널을 추정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 후방산란 신호를 검출하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 다이애딕 팩터 그래프를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 액세스 포인트의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 본 발명의 SC-AmBC 방식과 기존의 TD-AmBC 방식의 M-ary 변조 성능을 비교한 그래프이다.
도 15는 본 발명의 SC-AmBC 방식과 기존의 TD-AmBC 방식의 듀티사이클링 동작 성능을 비교한 그래프이다.
도 16은 본 발명의 SC-AmBC 방식과 기존의 TD-AmBC 방식의 다이애딕 채널에서의 성능을 비교한 그래프이다.
도 17은 본 발명의 SC-AmBC 방식과 기존의 TD-AmBC 방식의 반사계수에 따른 성능을 비교한 그래프이다.
1 is a diagram for describing a sparse code-based ambient backscatter system (SC-AmBC) according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram for explaining duty cycling of a sparse code-based ambient backscatter system according to an embodiment of the present invention.
3 is a view for explaining a signal transmitted and received in the SC-AmBC according to an embodiment of the present invention.
4 is a view for explaining the protocol structure of the SC-AmBC according to an embodiment of the present invention.
5 is a view for explaining the operation of the sparse code-based ambient backscatter system (SC-AmBC) according to an embodiment of the present invention.
6 is a diagram for explaining a method of transmitting data by a tag according to an embodiment of the present invention.
7 is a view for explaining a mapping function of SC-AmBC according to an embodiment of the present invention.
8 is a view for explaining a sensor node according to an embodiment of the present invention.
9 is a view for explaining the operation of the access point according to an embodiment of the present invention.
10 is a diagram for explaining a method for an access point to estimate a channel according to an embodiment of the present invention.
11 is a view for explaining a method for detecting a backscattering signal according to an embodiment of the present invention.
12 is a diagram for explaining a diametric factor graph according to an embodiment of the present invention.
13 is a view for explaining the configuration of an access point according to an embodiment of the present invention.
14 is a graph comparing M-ary modulation performance of the SC-AmBC method of the present invention and the conventional TD-AmBC method.
15 is a graph comparing the performance of the duty cycling operation of the SC-AmBC method of the present invention and the conventional TD-AmBC method.
16 is a graph comparing the performance of the SC-AmBC method of the present invention and the conventional TD-AmBC method in a diadic channel.
17 is a graph comparing the performance according to the reflection coefficient of the SC-AmBC method of the present invention and the conventional TD-AmBC method.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 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.The present invention can be applied to various changes and can have various embodiments, and specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing each drawing, similar reference numerals are used for similar components.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수개의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수개의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.Terms such as first, second, A, and B can be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from other components. For example, the first component may be referred to as a second component without departing from the scope of the present invention, and similarly, the second component may be referred to as a first component. The term and / or includes a combination of a plurality of related described items or any one of a plurality of related described items.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 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.When an element is said to be "connected" or "connected" to another component, it is understood that other components may be directly connected to or connected to the other component, but may exist in the middle. It should be. On the other hand, when a component is said to be "directly connected" or "directly connected" to another component, it should be understood that no other component exists in the middle.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수개의 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.The terms used in this application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions, unless the context clearly indicates otherwise. In this application, the terms "include" or "have" are intended to indicate the presence of features, numbers, steps, actions, components, parts or combinations thereof described herein, one or more other features. It should be understood that the existence or addition possibilities of fields or numbers, steps, operations, components, parts or combinations thereof are not excluded in advance.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person skilled in the art to which the present invention pertains. Terms such as those defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having meanings consistent with meanings in the context of related technologies, and should not be interpreted as ideal or excessively formal meanings unless explicitly defined in the present application. Does not.

본격적인 설명에 앞서서 명세서에서 설명되는 용어에 대해 설명 내지 정의하기로 한다. Prior to the full-scale description, the terms described in the specification will be described or defined.

비직교 다중 접속(Non-orthogonal Multiple Access: NOMA)은 직교하지 않은 동일한 시간/주파수 자원을 복수의 장치가 함께 사용하도록 하여 시스템의 성능을 높이고, 장치들에 대한 스케줄링의 공평성(Fairness)을 높이는 기술이다. Non-orthogonal Multiple Access (NOMA) is a technology that increases the performance of the system and increases the fairness of scheduling for devices by allowing multiple devices to use the same time / frequency resource that is not orthogonal. to be.

NOMA 시스템에서 액세스 포인트는 동일한 시간/주파수 자원을 다수의 장치들에게 할당하고, 각 장치들은 신호들을 중첩(superposition)하여 전송한다. 액세스 포인트는 수신한 신호에서 다른 장치들의 신호를 제거(Successive Interference Cancellation)한 각 장치의 신호를 복원한다.In the NOMA system, an access point allocates the same time / frequency resource to multiple devices, and each device transmits signals superpositioned. The access point restores signals of each device by removing signals from other devices from the received signal (Successive Interference Cancellation).

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스파스 코드 기반 엠비언트 백스캐터 시스템(SC-AmBC)을 설명하기 위한 도면, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스파스 코드 기반 엠비언트 백스캐터 시스템의 듀티사이클링을 설명하기 위한 도면, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 SC-AmBC에서 송수신되는 신호를 설명하기 위한 도면, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 SC-AmBC의 프로토콜 구조를 설명하기 위한 도면이다. 1 is a view for explaining a sparse code-based ambient backscatter system (SC-AmBC) according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a sparse code-based ambient backscatter system according to an embodiment of the present invention. 3 for explaining duty cycling, FIG. 3 is a diagram for explaining signals transmitted and received in SC-AmBC according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a protocol structure for SC-AmBC according to an embodiment of the present invention It is a figure for illustration.

도 1을 참조하면, 스파스 코드 기반 엠비언트 백스캐터 시스템(SC-AmBC)은 액세스 포인트(AP, Access Point)(100), 단말 장치(200), 센서 노드(300)를 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 1, the sparse code-based ambient backscatter system (SC-AmBC) includes an access point (AP) 100, a terminal device 200, and a sensor node 300.

액세스 포인트(100)는 RF 신호를 송출하며, 주변 기기의 무선 네트워크의 연결을 지원하는 것으로, 예컨대 와이파이 무선 신호를 브로드캐스팅하여 송출할 수 있다. 그리고, 액세스 포인트(100)는 송출된 무선 신호를 이용하여 연결된 단말 장치(200)의 무선 네트워크의 접속을 지원하는 과정을 수행할 수 있다. The access point 100 transmits an RF signal and supports connection of a wireless network of a peripheral device, for example, by broadcasting a Wi-Fi wireless signal. In addition, the access point 100 may perform a process of supporting the connection of the wireless network of the connected terminal device 200 using the transmitted wireless signal.

단말 장치(200)는 액세스 포인트(100)로부터 송출되는 무선 신호를 수신하고, 이에 따라 액세스 포인트(100)와의 연결 절차에 따라 채널이 설정되면, 설정된 채널을 통해 무선 네트워크에 접속하여 데이터를 송수신할 수 있는 사용자의 장치를 의미한다. 이러한 단말 장치(200)는 통상의 휴대폰, 스마트폰, 태블릿 PC, 노트북 등과 같이 무선 인터넷 통신 모듈, 예컨대 와이파이(Wi-Fi) 통신 모듈을 포함하여 구성될 수 있으며, 센서노드(300)가 태그인 경우 태그를 태깅할 수 있는 일종의 리더기(reader)라 지칭될 수 있다.The terminal device 200 receives a radio signal transmitted from the access point 100, and accordingly, when a channel is established according to a connection procedure with the access point 100, the terminal device 200 connects to a wireless network through a set channel to transmit and receive data. Means the user's device. The terminal device 200 may be configured to include a wireless Internet communication module, for example, a Wi-Fi communication module, such as a typical mobile phone, smartphone, tablet PC, laptop, etc., and the sensor node 300 is a tag. In this case, it may be referred to as a kind of reader capable of tagging tags.

센서 노드(300)는 별도의 전원 공급 장치(배터리)가 존재하지 않는 무 전지의 장치로, 액세스 포인트(100)로부터 무선 신호를 수신하여 이를 에너지 하베스팅(energy harvesting), 즉 수신된 무선 신호를 이용하여 소량의 에너지를 충전하여 동작할 수 있는 장치를 의미한다. 이러한 센서 노드(300)는 태그, 초소형 센서 장치 또는 IoT 장치 또는 웨어러블 디바이스와 같이 전원 공급이 어려운 초소형 장치 혹은 휴대형 장치일 수 있다.The sensor node 300 is a battery-free device that does not have a separate power supply (battery), receives a wireless signal from the access point 100, and energy harvesting, that is, the received wireless signal. It means a device that can operate by charging a small amount of energy by using it. The sensor node 300 may be a small device or a portable device that is difficult to supply power, such as a tag, a small sensor device, an IoT device, or a wearable device.

센서 노드(300)는 액세스 포인트(100)로부터 송출되는 무선 신호를 흡수하거나 반사할 수 있으며, 수신한 RF 신호를 이용하여 엠비언트 후방산란 통신 기법으로 정보를 전달할 수 있다. 즉, 센서 노드(300)는 듀티사이클링 동작으로 비활성 상태(Idle State)에서는 액세스 포인트로부터 송출되는 RF 신호를 에너지 하비스팅하여 에너지를 축적하고, 충분한 양의 에너지가 모이게 되면, 활성 상태(Active State)로 전환되어 후방산란을 위해 코드워드를 생성한다. 이때, 센서 노드(300)는 코드워드를 매핑 함수로 투사(Projection)하는 방법을 적용하여 적은 수의 심벌로 M-ary 데이터를 부호화시킨다. 이렇게 생성되는 코드워드는 신호의 희소성 성질로 인해 스파스 코드워드이며, 다차원 신호 공간으로 데이터가 부호화되기 때문에 채널의 왜곡과 감쇄에 강인한 특징을 지닌다.The sensor node 300 may absorb or reflect a radio signal transmitted from the access point 100, and may transmit information using an ambient backscatter communication method using the received RF signal. That is, the sensor node 300 accumulates energy by energy harvesting the RF signal transmitted from the access point in the idle state due to the duty cycling operation, and when a sufficient amount of energy is collected, the active state (Active State) Is converted to and generates a codeword for backscattering. At this time, the sensor node 300 applies a method of projecting a codeword as a mapping function to encode M-ary data with a small number of symbols. The codeword generated in this way is a sparse codeword due to the sparse nature of the signal, and has strong characteristics in channel distortion and attenuation because data is encoded in a multidimensional signal space.

또한, 센서 노드(300)는 액세스 포인트(100)로부터 수신한 반송파에 코드워드를 실어서 전송한다. 이때, 센서 노드들(300)은 NOMA 방식으로 코드워드를 전송하므로, 코드워드들은 서로 중첩되어 전송되며, 다이애딕 채널을 통과하고 액세스 포인트(100)에 도달하면 심벌간 간섭으로 크게 왜곡되게 된다.In addition, the sensor node 300 transmits the code word on the carrier wave received from the access point 100. At this time, since the sensor nodes 300 transmit the codewords in a NOMA manner, the codewords are transmitted overlapping each other, and when they pass through the dialic channel and reach the access point 100, they are greatly distorted due to inter-symbol interference.

한편, 본 발명에 따른 시스템의 듀티사이클링은 도 2에 도시된 바와 같이 태그와 태그 사이의 사이클이 서로 겹쳐 MAI(Multiple Access Interference) 가 발생할 수 있고, 전송되는 심벌들이 지연확산으로 겹쳐 ISI(Intersymbol Interference)가 발생하는 구조로 되어 있다. 구체적으로, 태그는 전체

Figure pat00001
개의 타임 슬롯 중에
Figure pat00002
타임 슬롯 동안 활성화되므로, 듀티사이클(D)은
Figure pat00003
을 만족한다. 또한, 태그와 태그 사이의 데이터 전송은 비직교 방식으로 일어나므로 MAI가 발생하고, 코드워드에서
Figure pat00004
개의 심벌 사이에 심벌 간 간섭(Intersymbol Interference: ISI)이 존재한다. 만약,
Figure pat00005
을 만족한다면, 이러한 간섭들은 신호의 코드워드의 희박성(sparsity)을 이용한 메시지 전달 알고리즘(Message Passing Algorithm: MPA)로 완화시킬 수 있다. 이에, 액세스 포인트(100)는 MPA(Message Passing Algorithm)과 같은 낮은 복잡도 알고리즘을 이용하여 중첩된 코드워드로부터 각 센서노드(300)의 코드워드를 검출할 수 있다. On the other hand, in the duty cycling of the system according to the present invention, as shown in FIG. 2, cycles between tags and tags overlap each other, and multiple access interference (MAI) may occur, and transmitted symbols overlap with delay spread to intersymbol interference (ISI). ). Specifically, the tag is full
Figure pat00001
Out of time slots
Figure pat00002
Since it is active during the time slot, the duty cycle (D) is
Figure pat00003
Satisfies In addition, MAI occurs because data transmission between tags and tags occurs in a non-orthogonal manner.
Figure pat00004
Intersymbol Interference (ISI) exists between dog symbols. if,
Figure pat00005
If is satisfied, these interferences can be mitigated by a message passing algorithm (MPA) using sparseness of the codeword of the signal. Accordingly, the access point 100 may detect the codeword of each sensor node 300 from the overlapped codewords using a low complexity algorithm such as MPA (Message Passing Algorithm).

한편, 센서 노드들(300)이 전송한 코드워드들은 다이애딕 채널을 통과하고 액세스 포인트에 도달하면 심벌간 간섭으로 크게 왜곡되게 된다. 즉, 다이애딕 채널은 포워드 채널과 백워드 채널로 구성되기 때문에, ISI로 신호가 두 번 왜곡되므로, 액세스 포인트(100)에서 수신한 신호는 상당한 왜곡을 받게 된다.On the other hand, the codewords transmitted by the sensor nodes 300 are greatly distorted by inter-symbol interference when passing through the dialic channel and reaching the access point. That is, since the diadic channel is composed of a forward channel and a backward channel, the signal is distorted twice by the ISI, so that the signal received from the access point 100 receives significant distortion.

이러한 SC-AmBC의 신호에 대해 도 3을 참조하여 설명하기로 한다. 도 3의 (a)와 같이 액세스 포인트(100)에서 전송한 신호

Figure pat00006
는 임펄스 응답
Figure pat00007
으로 표현되는 포워드 채널을 통과하게 되므로, (b)와 같이 태그
Figure pat00008
(300)에서 수신한 신호는 ISI로 왜곡된다. 한편, 태그(300)에서 반사 계수(Reflection Coefficient)
Figure pat00009
으로 후방 산란되어 액세스 포인트(100)로 도달한 신호는 백워드 채널을 거치면서 다시한번 왜곡되므로, (c)와 같이 시간영역 수신 신호의 상당 부분이 왜곡되는 현상이 발생한다. The SC-AmBC signal will be described with reference to FIG. 3. Signal transmitted from the access point 100 as shown in Figure 3 (a)
Figure pat00006
The impulse response
Figure pat00007
As it passes through the forward channel represented by, it is tagged as (b).
Figure pat00008
The signal received at 300 is distorted by ISI. Meanwhile, the reflection coefficient in the tag 300
Figure pat00009
As the signal scattered back and reaches the access point 100 is distorted once again through the backward channel, as shown in (c), a significant portion of the time domain received signal is distorted.

이처럼, 다이애딕 채널이 포워드 채널, 백워드 채널로 구성되어, ISI로 신호가 두 번 왜곡되므로, 액세스 포인트(100)에서 수신한 신호는 상당한 왜곡을 받게 된다. 따라서 시간 영역에서 이처럼 신호의 왜곡을 고려한 새로운 채널 추정 방법이 필요하게 된다.As such, since the diadic channel is composed of a forward channel and a backward channel, and the signal is distorted twice by the ISI, the signal received from the access point 100 is subject to considerable distortion. Therefore, a new channel estimation method considering signal distortion in the time domain is needed.

이에, 액세스 포인트(100)는 D-CEA 알고리즘(Dyadic Channel Estimation Algorithm)을 이용하여 채널 정보를 추정하고, 다이애딕 MPA(D-MPA)를 적용하여 중첩된 스파스 코드워드를 검출한다. 여기서, D-CEA 알고리즘과 다이애딕 MPA는 다이애딕 채널 모델과 ISI를 고려하여 채널 추정 및 코드워드를 검출하는 알고리즘으로, 상세한 설명은 후술하기로 한다. 다이애딕 채널 모델은 기존의 통신 시스템에서 주로 쓰이는 레일리 페이딩 채널과는 다른 신호 특성을 보이며, ISI에 의한 수신 신호 왜곡, 이중 채널 감쇄 등 후방산란 통신의 고유한 성질을 가지고 있다. 또한, 대부분의 후방산란 통신을 위한 수신단 구조는 가드 타임이나 Cyclic Prefix를 이용하여 ISI를 제거하는 방법을 주로 쓰고 있으므로, 이 과정에서 SNR의 손실이 발생하고 있다. 만약 ISI를 제거하지 않고 시간 영역에서 반복적 전달 알고리즘에 활용하면 SNR의 손실을 방지할 수 있어서 수신 신호 검출 성능을 크게 개선할 수 있다.Accordingly, the access point 100 estimates channel information by using a D-CEA algorithm (Dyadic Channel Estimation Algorithm), and detects overlapped sparse codewords by applying a D-MPA (D-MPA). Here, the D-CEA algorithm and the diadic MPA are algorithms for detecting channel estimation and codewords in consideration of the diadic channel model and ISI, and detailed description will be described later. The diadic channel model shows a different signal characteristic from the Rayleigh fading channel, which is mainly used in existing communication systems, and has unique characteristics of backscattered communication, such as distortion of a received signal by ISI and dual channel attenuation. In addition, since the receiving end structure for most of the backscatter communication mainly uses a method of removing ISI using guard time or a Cyclic Prefix, SNR loss occurs in this process. If the ISI is used in an iterative delivery algorithm in the time domain without removing the ISI, the loss of SNR can be prevented, and thus the performance of receiving signal detection can be greatly improved.

한편, 상기와 같이 구성된 시스템은 비직교 다중 접속(Non-orthogonal Multiple Access: NOMA)을 지원하므로 도 4와 같은 프로토콜 구조를 갖는다. 도 4를 참조하면, 프로토콜 구조는 채널 추정(Channel Estimation) 단계와 데이터 전송(Data Transmission) 단계로 구성된다. 채널 추정 단계에서는 자가 간섭 제거(Self-Interference Cancellation)를 위해 자가 간섭(Self-Interference) 채널을 추정하고, NOMA를 위해 다수의 후방 산란(Backscatter) 채널을 추정한다. 한편, 신호의 희소성으로 인하여 후방 산란 채널들은 압축 센싱(Compressed Sensing) 기술을 이용하여 저복잡도로 추정이 가능하다. 데이터 전송 단계에서 액세스 포인트(100)는 태그(300)의 후방 산란을 위한 반송파 신호를 전송하게 되면,

Figure pat00010
개의 태그들은 이 신호를 활용하여 데이터를 변조하여 전송할 수 있다. 데이터 전송 단계에서 시간은
Figure pat00011
개의 타임 슬롯들로 분할되고, 각각의 타임 슬롯은
Figure pat00012
개의 샘플링 주기가 된다.On the other hand, the system configured as described above supports a non-orthogonal multiple access (NOMA) and thus has a protocol structure as shown in FIG. 4. Referring to FIG. 4, the protocol structure includes a channel estimation step and a data transmission step. In the channel estimation step, a self-interference channel is estimated for self-interference cancellation, and a plurality of backscatter channels are estimated for NOMA. On the other hand, due to the scarcity of the signal, the back scattering channels can be estimated with low complexity using compressed sensing technology. In the data transmission step, the access point 100 transmits a carrier signal for backscattering of the tag 300,
Figure pat00010
Dog tags can use this signal to modulate and transmit data. In the data transfer phase, time is
Figure pat00011
Divided into 4 time slots, each time slot
Figure pat00012
It becomes the sampling cycle of dogs.

상술한 구조의 프로토콜을 통해 액세스 포인트(100)는 자가 간섭 채널과 후방산란 채널을 추정할 수 있고, 센서 노드들(300)은 다중으로 동시에 데이터를 전송할 수 있으며, 액세스 포인트(100)로부터 송출된 신호를 이용하여 에너지 하비스팅 하거나 후방산란을 위한 반송파로 활용할 수 있다.Through the protocol of the above-described structure, the access point 100 can estimate the self-interference channel and the backscattering channel, and the sensor nodes 300 can simultaneously transmit data multiplexed and transmitted from the access point 100. It can be used for energy harvesting using signals or as a carrier for backscattering.

한편, 도 1에서는 센서 노드(300)로 설명하였으나, 이하에서는 설명의 편의를 위해 태그로 한정하여 설명하기로 한다. Meanwhile, in FIG. 1, the sensor node 300 is described, but for convenience of description, the description will be limited to tags.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스파스 코드 기반 엠비언트 백스캐터 시스템(SC-AmBC)의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 5 is a view for explaining the operation of the sparse code-based ambient backscatter system (SC-AmBC) according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 액세스 포인트가 RF 신호를 브로드캐스팅하면(S510), 태그 1 및 태그 2는 액세스 포인트로부터 수신한 RF 신호를 에너지 하비스팅하여 에너지를 축적한다(S520).Referring to FIG. 5, when an access point broadcasts an RF signal (S510), tags 1 and 2 accumulate energy by energy harvesting the RF signals received from the access point (S520).

그런 후, 태그 1 및 태그 2는 기 설정된 임계치 이상의 에너지가 축적되면 활성 상태로 전환되고(S530), 후방산란을 위해 코드워드를 생성한다(S540). 태그가 코드워드를 생성하는 방법에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.Then, tags 1 and 2 are switched to an active state when energy of a predetermined threshold or more is accumulated (S530), and a codeword is generated for backscattering (S540). A detailed description of how the tag generates the codeword will be described later.

단계 S540이 수행되면, 태그 1 및 태그 2는 코드워드를 액세스 포인트로부터 수신한 반송파를 반사하여 전송하고(S550), 액세스 포인트는 중첩된 코드워드들을 수신한다(S560). 이때, 태그 1 및 태그 2는 NOMA 방식으로 코드워드를 전송하므로, 코드워드들은 서로 중첩되어 전송되며, 다이애딕 채널을 통과하고 액세스 포인트에 도달하면 심벌간 간섭으로 크게 왜곡되게 된다.When step S540 is performed, tag 1 and tag 2 reflect and transmit the codewords received from the access point (S550), and the access point receives the overlapped codewords (S560). At this time, since the tag 1 and the tag 2 transmit the codewords in the NOMA method, the codewords are transmitted overlapping each other, and when they pass through the dialic channel and reach the access point, they are greatly distorted by inter-symbol interference.

단계 S560의 수행으로 중첩된 코드워드들을 수신한 액세스 포인트는 다이애딕 채널을 추정하고(S570), 추정된 다이애딕 채널을 이용하여 태그 1 및 태그 2의 코드워드를 검출한다(S580). 이때, 액세스 포인트는 D-CEA 알고리즘(Dyadic Channel Estimation Algorithm)을 이용하여 채널 정보를 추정하고, 다이애딕 MPA(D-MPA)를 적용하여 중첩된 스파스 코드워드를 검출한다. 즉, 액세스 포인트는 압축 센싱과 채널 상호성을 이용하여 태그 1 및 태그 2로부터 수신된 신호의 다이애딕 채널을 추정하고, 추정된 다이애딕 채널과 심벌 간 간섭(ISI)을 고려하여 팩터 노드와 베리어블 노드의 정보를 기 설정된 횟수 반복하여 업데이트하며, 그 업데이트된 결과에 기초하여 태그 1 및 태그 2의 코드워드를 검출한다.The access point receiving the overlapped codewords by performing the step S560 estimates the dialic channel (S570), and detects the codewords of tags 1 and 2 using the estimated dialic channel (S580). At this time, the access point estimates the channel information using a D-CEA algorithm (Dyadic Channel Estimation Algorithm), and detects overlapped sparse codewords by applying a D-MPA (D-MPA). That is, the access point estimates the dialic channel of the signals received from the tags 1 and 2 using compression sensing and channel reciprocity, and considers the interference between the estimated dialic channel and the symbol (ISI) and is variable. The information of the node is updated repeatedly a predetermined number of times, and codewords of tags 1 and 2 are detected based on the updated results.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 태그가 데이터를 전송하는 방법을 설명하기 위한 도면, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 SC-AmBC의 매핑함수를 설명하기 위한 도면이다. 6 is a diagram for explaining a method of transmitting data by a tag according to an embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a view for explaining a mapping function of SC-AmBC according to an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 태그는 비활성 상태에서 액세스 포인트로부터 수신한 RF 신호를 에너지 하비스팅하여 에너지를 축적하여(S610), 기 설정된 임계치 이상의 에너지가 축적되는지를 판단한다(S620).Referring to FIG. 6, the tag accumulates energy by energy harvesting the RF signal received from the access point in an inactive state (S610), and determines whether energy above a preset threshold is accumulated (S620).

단계 S620의 판단결과, 임계값 이상의 에너지가 축적되면, 태그는 활성 상태로 전환되어(S630), M-ary 데이터를 생성한다(S640).As a result of the determination in step S620, when energy above a threshold value is accumulated, the tag is switched to the active state (S630), and M-ary data is generated (S640).

즉, 태그는 수신전력이 회로 전력보다 큰 경우 활성상태로 전환된다. 예컨대, 수신전력 500nW > 회로전력 400nW 인 경우 태그는 활성화 상태로 되고, 수신전력 300nW < 회로전력 400nW 인 경우 비활성화 상태로 된다. That is, the tag is switched to the active state when the received power is greater than the circuit power. For example, if the received power is 500nW> circuit power 400nW, the tag is activated, and if the received power is 300nW <circuit power 400nW, the tag is deactivated.

태그는 활성화 상태로 전환되면, log2M 비트 데이터를 생성한다. When the tag is switched to the active state, it generates log 2 M bit data.

예를 들어, 태그의 개수 N = 6이고, M = 4인 경우, 각 태그는 log24 비트(2비트)의 데이터를 생성한다. 즉, 태그 1의 데이터: [01], 태그 2의 데이터: [11], 태그 3의 데이터: [00], 태그 4의 데이터: [10], 태그 5의 데이터: [11], 태그 6의 데이터: [00] 와 같이 각 태그는 2비트 데이터를 생성할 수 있다. For example, if the number of tags N = 6 and M = 4, each tag generates data of log 2 4 bits (2 bits). That is, data of tag 1: [01], data of tag 2: [11], data of tag 3: [00], data of tag 4: [10], data of tag 5: [11], of tag 6 Data: As shown in [00], each tag can generate 2-bit data.

단계 S640이 수행되면, 태그는 M차 데이터를 기 정의된 매핑함수에 투사하여 심볼을 생성한다(S650). 이때, 태그는 매핑함수로 활성 타임 슬롯 K1 길이의 심볼들을 생성할 수 있다. 예컨대, K1 = 2인 경우, 태그는 M-ary 데이터를 매핑함수에 투사하여 길이가 2인 심볼로 변환할 수 있다.When step S640 is performed, the tag projects M-order data to a predefined mapping function to generate a symbol (S650). At this time, the tag can generate symbols of the active time slot K 1 length with a mapping function. For example, when K 1 = 2, the tag may convert M-ary data into a symbol having a length of 2 by projecting it into a mapping function.

여기서, 투사(Projection)는 데이터가 부호화된 심벌의 개수를 감소시킨다는 의미일 수 있다. 예를들어 투사가 없다면 M = 4 일 때, 심벌은 복소수 1, -1, j, -j 로 4개가 필요하지만, 투사가 적용된다면 심벌은 도 7의 (b)와 같이 실수 1, 0, -1의 3개만 필요하게 되어 데이터의 부호화 및 복호화를 구현하는데 필요한 복잡도를 크게 줄일 수 있다.Here, projection may mean that the number of symbols for which data is encoded is reduced. For example, if there is no projection, when M = 4, 4 symbols are required as complex numbers 1, -1, j, -j, but if projection is applied, the symbols are real 1, 0,-as shown in Fig. 7 (b). Since only 3 of 1 are required, the complexity required to implement encoding and decoding of data can be greatly reduced.

종래의 시간 분할에 기반을 둔 AmBC(Time-Division-based AmBC, TD-AmBC)에서는 주로 M-ary 위상 천이 변조(Phase-Shift Keying) 방식을 이용하여, 도 7의 (a)와 같이 반사계수(Reflection Coefficient)를 생성한다. 이러한 TD-AmBC의 신호 변조는 주로 M-PSK를 이용하여 심벌들이 서로 겹치지 않게 신호 공간에 신호점을 배치하는 방법을 사용하고 있다. 그러나, 본 발명에 따른 SC-AmBC에서 신호 변조는 심벌을 중첩하여 전송하므로, 신호 공간에 오직 3 종류의 심벌만 존재하게 된다. 이와 같은 코드워드 투사 방식은 태그의 변조기에 필요한 부하 임피던스의 숫자를 2개로 줄일 수 있게 되며, 또한 제로심벌은 온오프 변조(On-Off Keying) 방식과 유사하게 태그의 회로에 일정량의 에너지를 공급하게 하므로, 태그의 에너지 하비스팅 효율도 개선할 수 있다. 이처럼, 본 발명의 변조 방식은 심벌 사이의 겹침을 허용하여 3개의 심벌들로 투사하는 방식이며, 이러한 변조 방식은 에너지 하비스팅 효율 개선 효과를 얻을 수 있고, 태그의 제작비용을 절감할 수 있다.In the conventional time-division-based AmBC (TD-AmBC) based on time division, the reflection coefficient is mainly used as the M-ary phase shift modulation (Phase-Shift Keying) method, as shown in FIG. 7 (a). (Reflection Coefficient). The signal modulation of TD-AmBC mainly uses a method of arranging signal points in the signal space so that symbols do not overlap each other using M-PSK. However, in SC-AmBC according to the present invention, since signal modulation overlaps and transmits symbols, only three types of symbols exist in the signal space. This codeword projection method can reduce the number of load impedance required for the tag modulator to two, and the zero symbol supplies a certain amount of energy to the tag's circuit similar to the on-off keying method. By doing so, the energy harvesting efficiency of the tag can also be improved. As described above, the modulation method of the present invention is a method of allowing overlapping between symbols and projecting them into three symbols, and such a modulation method can obtain an effect of improving energy harvesting efficiency and reduce the production cost of the tag.

예를 들어, 매핑함수는 아래와 같이 정의될 수 있다. For example, the mapping function can be defined as follows.

데이터 [00] -> 심벌 [1, 0]Data [00]-> symbol [1, 0]

데이터 [01] -> 심벌 [0, 1]Data [01]-> Symbols [0, 1]

데이터 [11] -> 심벌 [-1, 0]Data [11]-> Symbols [-1, 0]

데이터 [10] -> 심벌 [0, -1]Data [10]-> symbol [0, -1]

상기와 같이 매핑함수가 정의된 경우, 각 태그는 매핑함수를 통해 아래 표 1과 같이 심벌들을 생성할 수 있다.When the mapping function is defined as described above, each tag may generate symbols as shown in Table 1 below through the mapping function.

[표 1][Table 1]

Figure pat00013
Figure pat00013

단계 S650이 수행되면, 태그는 단계 S250에서 생성된 심볼을 확산하여 스파스 코드워드를 생성하고(S660), 생성된 스파스 코드워드를 반송파를 반사하여 전송한다(S670). 즉, 태그는 활성 타임 슬롯 K1 길이의 심벌을 최종적으로는 KL 길이의 스파스 코드워드로 변환할 수 있다. 여기서, K는 타임 슬롯의 개수를 의미하고, L은 태그의 심벌 주기를 의미하는 정수 값이며, L동안 태그가 전송하는 심벌은 반복적으로 나타나게 된다.When step S650 is performed, the tag spreads the symbol generated in step S250 to generate a sparse codeword (S660), and transmits the generated sparse codeword by reflecting a carrier (S670). That is, the tag can finally convert a symbol of an active time slot K 1 length into a sparse codeword of KL length. Here, K is the number of time slots, L is an integer value indicating the symbol period of the tag, and the symbol transmitted by the tag during L repeatedly appears.

예를 들어, 반송파의 샘플링 주기가 50ns, 태그의 심벌 주기가 150ns 이면, L = 3이고, 타임슬롯의 개수 K = 4인 경우, 스파스 코드워드는 길이 12로 생성될 수 있다. 이때, 다이애딕 팩터 그래프는 KL = 12개의 행, N = 6개의 열로 구성된 아래와 같은 행렬로 표시될 수 있다. For example, if the sampling period of the carrier is 50 ns and the symbol period of the tag is 150 ns, L = 3 and the number of timeslots K = 4, the sparse codeword may be generated with a length of 12. At this time, the diagram factor graph may be represented by the following matrix consisting of KL = 12 rows and N = 6 columns.

Figure pat00014
Figure pat00014

이러한 팩터 그래프를 이용하면 길이 2의 심벌을 길이 12의 스파스 코드워드로 바꿀 수 있다. 팩터 그래프의 각 열은 (K1 X L) 개의 1을 가지는 구조로 되어 있다.Using this factor graph, a symbol of length 2 can be converted into a sparse codeword of length 12. Each column of the factor graph has a structure of (K 1 XL) one.

만약에 K1 = 2, L = 3이면, 팩터 그래프에 처음 3개의 1에는 첫번째 심벌을, 나머지 3개의 1에는 두번째 심벌을 대입하는 방법으로 코드워드가 생성된다. If K 1 = 2, L = 3, the codeword is generated by substituting the first symbol for the first 3 1s and the second symbol for the remaining 3 1s in the factor graph.

즉, 태그 1의 심벌 [0, 1]의 코드워드를 생성하기 위해, 행렬식 1열의 처음 3개의 1에는 '0', 나머지 3개의 1에는 '1'을 대입한다. 그러면, 태그 1의 코드워드는 [0, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0]로 생성될 수 있다. 태그 2의 심벌 [-1, 0]의 코드워드를 생성하기 위해, 행렬식 2열의 처음 3개의 1에는 '-1', 나머지 3개의 1에는 '0'을 대입한다. 그러면, 태그 2의 코드워드는 [-1, -1, -1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]로 생성될 수 있다. 태그 3의 심벌 [1, 0]의 코드워드를 생성하기 위해, 행렬식 3열의 처음 3개의 1에는 '1', 나머지 3개의 1에는 '0'을 대입한다. 그러면, 태그 3의 코드워드는 [1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]로 생성될 수 있다. 태그 4의 심벌 [0, -1]의 코드워드를 생성하기 위해, 행렬식 4열의 처음 3개의 1에는 '0', 나머지 3개의 1에는 '-1'을 대입한다. 그러면, 태그 4의 코드워드는 [0, 0, 0, 0, 0, 0, -1, -1, -1, 0, 0, 0]로 생성될 수 있다. 태그 5의 심벌 [-1, 0]의 코드워드를 생성하기 위해, 행렬식 5열의 처음 3개의 1에는 '-1', 나머지 3개의 1에는 '0'을 대입한다. 그러면, 태그 5의 코드워드는 [0, 0, 0, -1, -1, -1, 0, 0, 0, 0, 0, 0]로 생성될 수 있다. 태그 6의 심벌 [1, 0]의 코드워드를 생성하기 위해, 행렬식 6열의 처음 3개의 1에는 '1', 나머지 3개의 1에는 '0'을 대입한다. 그러면, 태그 6의 코드워드는 [0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 0]로 생성될 수 있다. That is, in order to generate codewords of symbols [0, 1] of tag 1, '0' is assigned to the first 3 1's in the determinant column 1, and '1' is assigned to the remaining 3 1's. Then, the codeword of tag 1 may be generated as [0, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0]. In order to generate codewords for the symbols [-1, 0] of tag 2, '-1' is assigned to the first 3 1s of the determinant column 2, and '0' is assigned to the other 3 1s. Then, the codeword of tag 2 may be generated as [-1, -1, -1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]. In order to generate codewords for the symbols [1, 0] of tag 3, '1' is assigned to the first 3 1s of the determinant column 3, and '0' is assigned to the remaining 3 1s. Then, the codeword of tag 3 may be generated as [1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]. In order to generate codewords of symbols [0, -1] of tag 4, '0' is assigned to the first 3 1's of the determinant column 4, and '-1' is assigned to the remaining 3 1's. Then, the codeword of tag 4 may be generated as [0, 0, 0, 0, 0, 0, -1, -1, -1, 0, 0, 0]. In order to generate codewords for the symbols [-1, 0] of tag 5, '-1' is assigned to the first 3 1s of the determinant column 5, and '0' is assigned to the remaining 3 1s. Then, the codeword of tag 5 may be generated as [0, 0, 0, -1, -1, -1, 0, 0, 0, 0, 0, 0]. In order to generate codewords for the symbols [1, 0] of tag 6, '1' is assigned to the first 3 1's of the determinant 6 column, and '0' is assigned to the remaining 3 1's. Then, the codeword of tag 6 may be generated as [0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 0].

즉, 아래 표 2와 같은 각 태그의 코드워드가 생성될 수 있다. That is, a codeword of each tag as shown in Table 2 below may be generated.

[표 2][Table 2]

Figure pat00015
Figure pat00015

표 2와 같이 각 태그의 코드워드가 생성되면, 각 태그는 생성된 스파스 코드워드를 NOMA 방식으로 반송파를 반사하여 전송한다.When the codeword of each tag is generated as shown in Table 2, each tag transmits the generated sparse codeword by reflecting the carrier wave in the NOMA method.

한편, 상기와 같이 동작을 수행하는 태그는 스파스 코드를 이용하여 NOMA를 구현할 수 있기 때문에, 기존의 TD-AmBC에 비해, 향상된 연결성을 가질 수 있다. 이러한 스파스 코드는 무선에너지 하비스팅으로 동작하는 태그들의 듀티사이클링 구조를 역으로 이용한 방식이며, 신호의 희소성은 태그가 적은 개수의 부하 임피던스만으로도 M-ary 변조 방식을 구현하게 할 수 있다.On the other hand, since the tag performing the operation as described above can implement NOMA using a sparse code, it can have improved connectivity compared to the existing TD-AmBC. This sparse code is a method in which the duty cycling structure of tags operating by radio energy harvesting is used in reverse, and the scarcity of the signal can enable the M-ary modulation method to be implemented with only a small number of load impedances.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 노드를 설명하기 위한 도면이다. 8 is a view for explaining a sensor node according to an embodiment of the present invention.

도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 노드(300)는 송수신부(310), 상태 제어부(320), 변조부(330)를 포함한다. Referring to FIG. 8, the sensor node 300 according to an embodiment of the present invention includes a transceiver 310, a state controller 320, and a modulator 330.

송수신부(310)는 AP 또는 단말 장치로부터 무선 신호를 수신하고, 반송파의 반사 여부를 이용하여 부호화된 데이터를 송신하기 위한 구성이다.The transmitter / receiver 310 is a configuration for receiving a radio signal from an AP or a terminal device and transmitting coded data using whether or not the carrier is reflected.

상태 제어부(320)는 비활성화 상태에서 송수신부를 통해 수신한 RF 신호를 에너지 하비스팅하여 에너지를 축적하고, 기 설정된 임계치 이상의 에너지가 축적된 경우 활성화 상태로 전환한다. 상태 제어부(320)는 수신전력이 회로 전력보다 큰 경우 활성상태로 전환될 수 있다. 예컨대, 수신전력 500nW > 회로전력 400nW 인 경우 태그는 활성화 상태로 되고, 수신전력 300nW < 회로전력 400nW 인 경우 비활성화 상태로 된다. The state control unit 320 accumulates energy by energy harvesting the RF signal received through the transmission / reception unit in an inactive state, and switches to an activated state when energy above a predetermined threshold is accumulated. The state control unit 320 may be switched to an active state when the received power is greater than the circuit power. For example, if the received power is 500nW> circuit power 400nW, the tag is activated, and if the received power is 300nW <circuit power 400nW, the tag is deactivated.

변조부(330)는 M차 데이터를 기 정의된 매핑함수에 투사하여 심볼을 생성하고, 그 심볼을 확산하여 코드워드를 생성한다. 이때 생성된 코드워드는 부호화된 정보일 수 있다. 그러면, 송수신부(310)는 수신한 반송파를 반사하여 코드워드를 전송한다. The modulator 330 projects M-order data to a predefined mapping function to generate a symbol, and spreads the symbol to generate a codeword. At this time, the generated codeword may be coded information. Then, the transmission / reception unit 310 reflects the received carrier wave and transmits a codeword.

이러한 변조부(330)는 M차 데이터 생성부(332), 심볼 생성부(334), 코드워드 생성부(336)를 포함한다. The modulator 330 includes an M-order data generator 332, a symbol generator 334, and a codeword generator 336.

M차 데이터 생성부(332)는 태그가 활성화 상태로 전환되면, log2M 비트 데이터를 생성한다. 이때 생성된 log2M 비트 데이터가 M차 데이터일 수 있다. The M-th data generation unit 332 generates log 2 M bit data when the tag is switched to the active state. At this time, the generated log 2 M bit data may be M-order data.

심볼 생성부(334)는 M차 데이터 생성부(332)에서 생성된 M차 데이터를 기 정의된 매핑함수에 투사하여 심볼을 생성한다. 이때, 심볼 생성부(334)는 매핑함수로 K1 길이의 심벌들을 생성한다. 예컨대, K1 = 2인 경우, 심볼 생성부(334)는 M-ary 데이터를 매핑함수에 투사하여 길이가 2인 심벌로 변환한다. The symbol generator 334 projects the M-th data generated by the M-th data generator 332 to a predefined mapping function to generate symbols. At this time, the symbol generator 334 generates K 1 length symbols with a mapping function. For example, when K 1 = 2, the symbol generator 334 projects M-ary data into a mapping function to convert it into a symbol of length 2.

코드워드 생성부(336)는 심볼 생성부(334)에서 생성된 심볼을 확산하여 스파스 코드워드를 생성한다. 예컨대, 코드워드 생성부(336)는 K1 길이의 심볼을 KL 길이의 스파스 코드워드로 변환할 수 있다.
The codeword generator 336 spreads the symbols generated by the symbol generator 334 to generate sparse codewords. For example, the codeword generator 336 may convert a symbol of length K 1 into a sparse codeword of length KL.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 액세스 포인트의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 9 is a view for explaining the operation of the access point according to an embodiment of the present invention.

도 9를 참조하면, 액세스 포인트는 RF 신호를 송출하고(S910), 적어도 하나 이상의 태그로부터 신호를 수신한다(S920). 이때, 액세스 포인트는 포워드 채널을 통해 신호를 전송하고, 백워드 채널을 통해 신호를 수신하고, 태그로부터 수신한 신호는 NOMA 방식으로 전송된 중첩된 코드워드일 수 있다. 9, the access point transmits an RF signal (S910), and receives signals from at least one tag (S920). At this time, the access point transmits a signal through a forward channel, receives a signal through a backward channel, and the signal received from the tag may be an overlapped codeword transmitted in a NOMA method.

단계 S920이 수행되면, 액세스 포인트는 압축 센싱과 채널 상호성을 이용하여 상기 수신된 신호의 다이애딕 채널을 추정하고(S930), 추정된 다이애딕 채널을 이용하여 각 태그로부터 전송된 코드워드를 검출한다(S940). 이때, 액세스 포인트는 다이애딕(Dyadic) 채널을 효과적으로 추정하고, 심벌 간 간섭(Intersymbol Interference: ISI)을 신호의 검출에 활용하도록 하는 다이애딕 채널 추정 알고리즘(Dyadic Channel Estimation Algorithm: D-CEA)을 이용하여 다이애딕 채널을 추정할 수 있다. 또한, 액세스 포인트는 태그들이 스파스 코드로 부호화한 비직교 다중 접속 (Non-orthogonal Multiple Access: NOMA) 신호를 성공적으로 검출하기 위한 반복적 메시지 전달 알고리즘(Iterative Message Passing Algorithm: MPA)을 이용하여 각 태그의 코드워드를 검출할 수 있다. When step S920 is performed, the access point estimates the dialic channel of the received signal using compression sensing and channel reciprocity (S930), and detects the codeword transmitted from each tag using the estimated dialic channel. (S940). At this time, the access point uses a Dyadic Channel Estimation Algorithm (D-CEA) to effectively estimate the Dyadic channel and utilize Intersymbol Interference (ISI) for signal detection. To estimate the diametric channel. In addition, the access point tags each tag using an Iterative Message Passing Algorithm (MPA) for successfully detecting non-orthogonal multiple access (NOMA) signals encoded by sparse codes. The codeword of can be detected.

액세스 포인트가 다이애딕 채널을 추정하는 방법에 대한 상세한 설명은 도 10를 참조하고, 코드워드를 검출하는 방법에 대한 상세한 설명은 도 11을 참조하기로 한다. 10 for a detailed description of a method for an access point to estimate a diametric channel, and FIG. 11 for a detailed description of a method for detecting a codeword.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 액세스 포인트가 채널을 추정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 10 is a diagram for explaining a method for an access point to estimate a channel according to an embodiment of the present invention.

도 10을 참조하면, 액세스 포인트는 RF 신호를 송출하고(S1010), 적어도 하나 이상의 태그로부터 변조 신호를 수신한다(S1020). 이때, 액세스 포인트는 포워드 채널을 통해 RF 신호를 전송하고, 백워드 채널을 통해 변조 신호를 수신하게 된다. Referring to FIG. 10, the access point transmits an RF signal (S1010), and receives a modulated signal from at least one tag (S1020). At this time, the access point transmits an RF signal through a forward channel and receives a modulated signal through a backward channel.

구체적으로, 액세스 포인트에서 전송된 신호

Figure pat00016
는 임펄스 응답
Figure pat00017
으로 표현되는 포워드 채널을 통과하게 되므로, 태그
Figure pat00018
에서 포착된 신호는 ISI로 왜곡된다. 한편, 태그에서 반사 계수(Reflection Coefficient)
Figure pat00019
으로 후방 산란되어 액세스 포인트로 도달한 신호는 백워드 채널을 거치면서 다시한번 왜곡되므로, 시간영역 수신 신호의 상당 부분이 왜곡되는 현상이 발생한다. Specifically, the signal transmitted from the access point
Figure pat00016
The impulse response
Figure pat00017
Since it passes through the forward channel represented by
Figure pat00018
The signal captured at is distorted by ISI. Meanwhile, the reflection coefficient in the tag
Figure pat00019
As the signal that has been scattered back and reaches the access point is distorted once again through the backward channel, a significant portion of the time domain received signal is distorted.

또한, 액세스 포인트가 보낸 신호는 태그를 거쳐서 다시 액세스 포인트로 되돌아가므로 채널 상호성(Reciprocity)가 성립하여

Figure pat00020
를 만족하고, 액세스 포인트의 자가간섭은 제거가 가능하다. 이에, 액세스 포인트가 타임슬롯
Figure pat00021
에서 수신한 신호(tk)는 아래 수학식 1과 같이 표현할 수 있다. In addition, since the signal sent by the access point passes through the tag and goes back to the access point, channel reciprocity is established.
Figure pat00020
And self-interference of the access point can be removed. Thus, the access point is timeslot
Figure pat00021
The signal t k received at can be expressed as Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00022
Figure pat00022

여기서,

Figure pat00023
는 잡음,
Figure pat00024
,
Figure pat00025
는 각각 다이애딕 포워드 채널, 다이애딕 백워드 채널로 정의된다.
Figure pat00026
,
Figure pat00027
는 퇴플리츠(Toeplitz) 행렬로, 아래 수학식 2와 같이 표현된다.here,
Figure pat00023
Is the noise,
Figure pat00024
,
Figure pat00025
Is defined as a diadic forward channel and a diadic backward channel, respectively.
Figure pat00026
,
Figure pat00027
Is a Toeplitz matrix and is expressed as Equation 2 below.

[수학식 2][Equation 2]

Figure pat00028
Figure pat00028

여기서,

Figure pat00029
,
Figure pat00030
는 각각 크기가
Figure pat00031
인 퇴플리츠 포워드 시프트 행렬, 퇴플리츠 백워드 시프트 행렬을 나타낸다. here,
Figure pat00029
,
Figure pat00030
Each size
Figure pat00031
Int Fleats Forward Shift Matrix, and Twenty Fleats Backward Shift Matrix.

액세스 포인트는 수학식 1과 같은 신호가 수신되면, 압축 센싱(Compressed Sensing)을 이용하여 복합 채널 정보를 획득한다(S1030). 여기서, 복합 채널 정보는 복합 포워드-백워드 채널(Composite Forward-Backward Channel)을 의미하는 것으로, 길이

Figure pat00032
인 벡터
Figure pat00033
으로 표현될 수 있다. When a signal such as Equation 1 is received, the access point obtains composite channel information using compressed sensing (S1030). Here, the composite channel information refers to a composite forward-backward channel, and the length
Figure pat00032
Phosphorus vector
Figure pat00033
Can be expressed as

단계 S1030이 수행되면, 액세스 포인트는 채널 상호성을 이용하여 첫번째 채널 임펄스 응답의 초기값을 획득한다(S1040). 즉, 액세스 포인트가 전송한 신호는 태그를 거쳐서 다시 액세스 포인트로 되돌아가므로 채널 상호성(Reciprocity)가 성립하여

Figure pat00034
를 만족한다. 따라서, 액세스 포인트는 채널 상호성을 이용한 아래 수학식 3을 이용하여 첫번째 채널 임펄스 응답의 초기값(fn(1))을 획득할 수 있다. When step S1030 is performed, the access point acquires an initial value of the first channel impulse response using channel reciprocity (S1040). That is, since the signal transmitted by the access point passes through the tag and returns to the access point again, channel reciprocity is established.
Figure pat00034
Is satisfied. Accordingly, the access point can obtain an initial value (f n (1)) of the first channel impulse response using Equation 3 below using channel reciprocity.

[수학식 3][Equation 3]

Figure pat00035
Figure pat00035

단계 S1040이 수행되면, 액세스 포인트는 아래 수학식 4를 이용하여 나머지 채널의 임펄스 응답(

Figure pat00036
)을 추정한다(S1050).When step S1040 is performed, the access point uses the following equation (4) to impulse responses of the remaining channels (
Figure pat00036
) Is estimated (S1050).

[수학식 4][Equation 4]

Figure pat00037
Figure pat00037

여기서, l' 및 i'을 시간을 표현하는 정수 값(예컨대, 샘플링 시간 50ns 을 정수 1, 샘플링 시간 150ns 을 정수 3으로 표현함)이고, hn(l')은 시간에 따른 채널을 의미하는 랜덤한 복소수 값을 의미할 수 있다.Here, l 'and i' are integer values representing time (eg, sampling time 50 ns is represented by integer 1, sampling time 150 ns is expressed by integer 3), and h n (l ') is a random channel representing time. It can mean a complex value.

수학식 4는 채널 상호성이 성립할 때, 즉, hn = fn * fn 일 때, 복합 채널의 임펄스 응답을 나타낸다. 만약 hn이 주어질 때, fn을 얻기 위해서 풀어야 하는 방정식이 수학식 4가 될 수 있다. Equation 4 shows the impulse response of the composite channel when channel reciprocity is established, that is, when h n = f n * f n . If h n is given, the equation to be solved to obtain f n can be expressed as Equation 4.

예를 들어, 포워드 채널의 최대 길이 Ln+ = 3일 때, 복합 채널 hn의 길이는 2Ln+ -1 = 5가 되고, 벡터 hn의 각각의 성분은 fn(1), fn(2), fn(3)으로 표현이 가능하다. 즉, hn(1) = fn(1)fn(1), hn(2) = fn(1)fn(2)+fn(2)fn(1), hn(3) = fn(1)fn(3)+fn(2)fn(2)+fn(3)fn(1), hn(4) = fn(2)fn(3)+fn(3)fn(2), hn(1) = fn(3)fn(3) 등과 같이 표현할 수 있다. For example, when the maximum length of the forward channel L n + = 3, the length of the composite channel h n becomes 2L n + -1 = 5, and each component of the vector h n is f n (1), f n (2) and f n (3). That is, h n (1) = f n (1) f n (1), h n (2) = f n (1) f n (2) + f n (2) f n (1), h n ( 3) = f n (1) f n (3) + f n (2) f n (2) + f n (3) f n (1), h n (4) = f n (2) f n ( 3) + f n (3) f n (2), h n (1) = f n (3) f n (3).

단계 S1050의 수행 후, 액세스 포인트는 시간에 따른 모든 채널에 대한 임펄스 응답이 추정되었는지를 판단한다(S1060).After performing step S1050, the access point determines whether impulse responses for all channels over time have been estimated (S1060).

단계 S1060의 판단결과 모든 채널의 임펄스 응답이 추정되었으면, 액세스 포인트는 추정된 임펄스 응답을 이용하여 다이애딕 채널

Figure pat00038
,
Figure pat00039
를 추정한다(S1070). 즉, 액세스 포인트는 아래 수학식 5를 이용하여 다이애딕 포워드 채널
Figure pat00040
, 다이애딕 백워드 채널
Figure pat00041
을 산출할 수 있다. If the impulse response of all channels is estimated as a result of the determination in step S1060, the access point uses the estimated impulse response to perform a diadic channel.
Figure pat00038
,
Figure pat00039
It is estimated (S1070). That is, the access point uses the Equation 5 below to perform the Diadic Forward Channel.
Figure pat00040
, Diadick Backward Channel
Figure pat00041
Can be calculated.

[수학식 5][Equation 5]

Figure pat00042
Figure pat00042

만약, 단계 S1060의 판단결과 모든 채널의 임펄스 응답이 추정되지 않았으면, 액세스 포인트는 다음 채널의 임펄스 응답을 추정하고(S1080, S1050), 단계 S1060을 수행한다. If, as a result of the determination in step S1060, the impulse responses of all channels are not estimated, the access point estimates the impulse responses of the next channel (S1080, S1050), and performs step S1060.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 후방산란 신호를 검출하는 방법을 설명하기 위한 도면, 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 다이애딕 팩터 그래프를 설명하기 위한 도면이다. 11 is a view for explaining a method for detecting a backscattering signal according to an embodiment of the present invention, and FIG. 12 is a view for explaining a diametric factor graph according to an embodiment of the present invention.

도 11을 참조하면, 액세스 포인트는 다이애딕 채널에 기초하여 초기화 단계를 수행한다(S1110). 이때, 액세스 포인트는 초기 정보를 산출한다. Referring to FIG. 11, the access point performs an initialization step based on the dialic channel (S1110). At this time, the access point calculates initial information.

구체적으로, 액세스 포인트는 다이애딕 팩터 그래프(Factor Graph)를 생성하고(S1111), ISI 조건을 고려해야 하는지를 판단한다(S1112). 여기서, ISI 조건은 특정시간에서 후방산란 신호를 검출할 때, 간섭을 고려해야 하는지의 여부를 의미한다. 예를 들어, 채널을 거쳤을 때, 채널 지연시간에 의해 ISI가 50ns 이내에 발생하게 되면, 액세스 포인트에서 신호를 검출할 때 50ns에 샘플링한 신호는 ISI가 발생하기 때문에 간섭을 고려한 신호 검출을 사용해야만 할 것이고, 100ns, 150ns,..등에서 샘플링한 신호는 50ns를 초과하여 ISI에 의해 영향을 받지 않기 때문에, 간섭을 고려하지 않은 저복잡도 디코딩 기법을 사용할 수 있다. Specifically, the access point generates a dialect factor graph (S1111), and determines whether to consider the ISI condition (S1112). Here, the ISI condition means whether interference should be considered when detecting a backscattered signal at a specific time. For example, when ISI occurs within 50 ns due to channel delay time when passing through a channel, the signal sampled at 50 ns occurs when ISI detects a signal at an access point. Since the signal sampled at 100ns, 150ns, .., etc. is not affected by ISI in excess of 50ns, a low-complexity decoding technique without interference may be used.

이처럼, ISI 조건은 샘플링된 후방산란 신호가 ISI에 의해 왜곡되었는지를 판단하는 조건으로 채널 추정 시 획득한 채널 임펄스 응답 정보를 활용하여 판단할 수 있다. 예컨대, 채널 임펄스 응답에서 ISI가 발생한 임계 시간을 기준으로, 임계 시간 이내의 신호는 ISI 조건을 고려해야 하는 것으로 판단할 수 있다. As described above, the ISI condition is a condition for determining whether the sampled backscattered signal is distorted by the ISI, and can be determined by using channel impulse response information obtained during channel estimation. For example, it may be determined that the signal within the threshold time should consider the ISI condition based on the threshold time at which the ISI occurred in the channel impulse response.

단계 S1112의 판단결과 ISI 조건을 고려해야 하는 경우, 액세스 포인트는 ISI 정보를 반영하여(S1113), 초기 정보를 산출하고(S1114), ISI 조건을 고려할 필요가 없는 경우 ISI 정보를 반영하지 않고 초기 정보를 산출한다. 즉, 액세스 포인트는 ISI 조건을 고려해야 하는 경우, ISI 정보를 코드워드 초기 정보를 계산할 때 반영하고, 그렇지 않으면 기존의 MPA와 동일한 방법으로 초기 정보를 계산한다.When it is necessary to consider the ISI condition as a result of the determination in step S1112, the access point reflects ISI information (S1113), calculates initial information (S1114), and, if it is not necessary to consider the ISI condition, does not reflect the ISI information and receives the initial information. Calculate. That is, if the ISI condition needs to be considered, the access point reflects ISI information when calculating the codeword initial information, or otherwise calculates the initial information in the same way as the existing MPA.

초기 정보란 메시지 전달 알고리즘에서 반복을 하기 전, 처음 단계에서 계산하는 정보를 의미하는 것으로, 중첩된 코드워드에 채널을 곱하고, 액세스 포인트에서 수신한 신호와 차이를 구해서 획득할 수 있다. 초기 정보는 음수 값을 가지며, 값이 커지면 커질수록(0에 가까울수록) MPA에서 해당 코드워드의 확률을 높게 추정하게 된다. The initial information means information calculated in the first step before iterating in the message delivery algorithm, and can be obtained by multiplying the overlapped codeword by a channel and obtaining a difference from a signal received from the access point. The initial information has a negative value, and the larger the value (the closer to 0), the higher the probability of the corresponding codeword in the MPA.

예를 들어, 수신 신호 y = 1, 복합채널 (ISI 제외) h1 = 0.6, 코드워드 (ISI 제외) B1 = 1, 복합채널 (ISI 성분) h2 = -0.4, 코드워드 (ISI 성분) B2 = -1 인 경우 초기 정보는 아래 수학식을 이용하여 산출할 수 있다. For example, received signal y = 1, composite channel (except ISI) h 1 = 0.6, codeword (except ISI) B 1 = 1, composite channel (ISI component) h 2 = -0.4, codeword (ISI component) When B 2 = -1, initial information can be calculated using the following equation.

먼저, ISI가 포함된 경우 초기 정보는 아래 수학식 6을 이용하여 산출할 수 있다. First, when ISI is included, initial information may be calculated using Equation 6 below.

[수학식 6][Equation 6]

Figure pat00043
Figure pat00043

다음으로, ISI가 제외된 경우 초기 정보는 아래 수학식 7을 이용하여 산출할 수 있다. Next, when ISI is excluded, initial information may be calculated using Equation 7 below.

[수학식 7][Equation 7]

Figure pat00044
Figure pat00044

ISI가 포함된다면, 초기정보 계산에 ISI 성분, 즉, B2가 필요하고, 이는 채널 h2가 가중되어 더해져서 최종적으로 코드워드 (h1xB1 + h2xB2) 가 된다. 여기서 h2xB2를 종래의 MPA에서 사용되던 h1xB1과 다르게 하기 위해 가중치합으로 정의할 수 있다. 이러한 가중치합을 더하여 초기 정보를 계산하게 되면, ISI가 고려되어 신호의 왜곡현상을 효과적으로 보정할 수 있다.If ISI is included, the ISI component, i.e., B 2, is required for the calculation of the initial information, and the channel h 2 is weighted and added to finally become a codeword (h 1 xB 1 + h 2 xB 2 ). Here, h 2 xB 2 may be defined as a weighted sum to be different from h 1 xB 1 used in the conventional MPA. When the initial information is calculated by adding the sum of the weights, ISI is considered, and the distortion of the signal can be effectively corrected.

단계 S1110의 수행으로 초기정보가 산출되면, 메시지 전달 과정이 최대 반복횟수만큼 반복되었는지를 판단한다(S1120).When the initial information is calculated through the execution of step S1110, it is determined whether the message transmission process has been repeated the maximum number of repetitions (S1120).

단계 S1120의 판단결과, 최대 반복횟수만큼 반복되지 않았으면, 액세스 포인트는 팩터 노드(Factor Node: FN)에서 베리어블 노드(Variable Node: VN)로 전달할 메시지를 업데이트한다(FN Update Step)(S1130).As a result of the determination in step S1120, if the maximum number of repetitions is not repeated, the access point updates a message to be transmitted from a factor node (FN) to a variable node (VN) (FN update step) (S1130). .

구체적으로, 액세스 포인트는 다이애딕 팩터 그래프에서 각 행들의 '1'의 개수에 기초하여 ISI 존재 유무를 판단한다(S1131).Specifically, the access point determines the presence or absence of ISI based on the number of '1' of each row in the dialect factor graph (S1131).

단계 S1131의 판단결과 ISI가 존재하면, 액세스 포인트는 팩터 노드를 계산하여(S1132) 베이러블 노드로 메시지를 전달한다(S1133).If the ISI exists as a result of the determination in step S1131, the access point calculates a factor node (S1132) and transmits a message to the scalable node (S1133).

만약, 단계 S1131의 판단결과 ISI가 존재하지 않으면, 액세스 포인트는 코드워드 정보를 투사하여(S1034), 팩터 노드를 계산한다(S1032).If the ISI does not exist as a result of the determination in step S1131, the access point projects codeword information (S1034) and calculates a factor node (S1032).

이처럼, 액세스 포인트는 태그가 M-ary 변조 방식을 사용하였을 때, 복호화 복잡도를 줄이기 위해 ISI 조건에 따라 선택적으로 코드워드 정보를 투사(Projection)하고 계산된 정보를 베리어블 노드로 전달한다.As described above, when the tag uses the M-ary modulation method, the access point selectively projects codeword information according to the ISI condition to reduce decoding complexity and transmits the calculated information to the variable node.

한편, 팩터 그래프는 데이터를 부호화 및 복호화할 때 데이터와 코드워드 사이의 관계를 표현하는 그래프이고, 팩터 노드(Factor Node)와 베리어블 노드(Variable Node)로 표현될 수 있다. 여기서, 팩터 노드는 데이터를 전달하기 위해 사용하는 자원(예컨대, 타임 슬롯)을 나타내고, 베리어블 노드는 데이터를 보내는 주체(예컨대, 태그)를 나타낼 수 있다.Meanwhile, the factor graph is a graph representing a relationship between data and codewords when encoding and decoding data, and may be expressed as a factor node and a variable node. Here, the factor node may indicate a resource (eg, time slot) used to deliver data, and the variable node may indicate a subject (eg, tag) sending data.

팩터 그래프는 0과 1만을 가지는 2진 행렬로 표현이 가능한데, 만약 팩터 노드 k와 베리어블 노드 n이 서로 연결되어 있고, 이를 행렬로 표현하면 k번째 행 n번째 열이 1로 주어지게 되며, 물리적 의미는 k번째 타임슬롯에 n번째 태그가 심벌을 보내게 되는 의미가 된다.The factor graph can be expressed as a binary matrix having only 0 and 1, if the factor node k and the variable node n are connected to each other and expressed as a matrix, the nth column of the kth row is given as 1, and the physical The meaning is that the nth tag sends a symbol to the kth timeslot.

그런데, 태그의 심벌 주기는 반송파 신호의 정수배인 L이 되고, 이 중에서 ~L 만큼의 주기동안 수신신호가 ISI에 의해 변질되기 때문에, 이를 보정하기 위해서는 다이애딕 팩터 그래프의 도입이 필요하다. However, the symbol period of the tag is L, which is an integer multiple of the carrier signal, and among these, since the received signal is changed by the ISI for a period of ~ L, it is necessary to introduce a diamond factor graph to correct this.

다이애딕 팩터 그래프는 포워드 팩터 그래프 ~G+에서 ~L 만큼을 순환이동 시키고 K x ~L 만큼의 행을 제외한 모든 행이 0을 만족시키는 백워드 팩터 그래프 ~G-를 얻은 다음 포워드 팩터 그래프 ~G+와 백워드 팩터 그래프 ~G-를 exclusive OR로 연산하여 얻어낸 그래프일 수 있다. 이러한 다이애딕 팩터 그래프는 도 12와 같을 수 있다. The diametric factor graph cycles through ~ L from the forward factor graph ~ G +, obtains the backward factor graph ~ G-, where all rows satisfy 0 except the rows of K x ~ L, and then the forward factor graph ~ G + It may be a graph obtained by calculating the backward factor graph ~ G- with exclusive OR. The diametric factor graph may be as illustrated in FIG. 12.

K = 4, L = 3, N = 6인 포워드 팩터 그래프와 백워드 팩터 그래프를 행렬로 표현하면, 아래 표 3과 같을 수 있다. If the forward factor graph and the backward factor graph with K = 4, L = 3, and N = 6 are expressed in a matrix, they may be as shown in Table 3 below.

[표 3][Table 3]

Figure pat00045
Figure pat00045

표 3의 포워드 팩터 그래프와 백워드 팩터 그래프의 행렬을 exclusive OR 연산을 수행하면, 아래 표 4와 같은 다이애딕 팩터 그래프 ~G*가 생성될 수 있다. When an exclusive OR operation is performed on the matrixes of the forward factor graph and the backward factor graph of Table 3, a diamond factor graph ~ G * as shown in Table 4 below may be generated.

[표 4][Table 4]

Figure pat00046
Figure pat00046

표 4의 다이애딕 팩터 그래프를 표현한 행렬을 보면, 4개의 행은 1을 5개 포함하고 있고, 나머지 8개의 행들은 1을 3개만 포함하고 있다. 이에, 액세스 포인트는 다이애딕 팩터 그래프에서 각 행들의 1의 개수를 이용하여 ISI 존재 유무를 판단할 수 있다. 즉, 액세스 포인트는 행마다 1의 개수가 달라지는 점을 ISI가 존재하는지 판단하는 유무로 판단할 수 있다. Looking at the matrix representing the diagram of the diagram of Table 4, the 4 rows contain 5 1s, and the 8 rows contain 3 1s. Accordingly, the access point can determine the presence or absence of ISI by using the number of 1s of each row in the diagram of the diametric factor. That is, the access point may determine whether the number of 1s is different for each row by determining whether ISI exists.

표 4의 경우, 1의 개수가 5개인 경우 ISI가 존재하는 것으로 판단할 수 있고, 1의 개수가 3개인 경우 ISI가 없는 것으로 판단할 수 있다. In the case of Table 4, if the number of 1 is 5, it can be determined that ISI exists, and if the number of 1 is 3, it can be determined that there is no ISI.

ISI가 존재하면, 다이애딕 팩터 그래프의 행에는 5개의 1이 존재할 것이고, 그 결과 해당 팩터 노드는 5개의 베리어블 노드로부터 메시지 (Message)를 수신해야만 한다. 메시지는 알고리즘을 동작하면서 반복적으로 업데이트되는 변수로서, 태그들이 보낸 데이터가 어떨지를 유추하는 확률 값과 연관되어 있다.If ISI is present, there will be 5 1s in the row of the diametric factor graph, and as a result, the factor node must receive a message from 5 variable nodes. The message is a variable that is repeatedly updated while operating the algorithm, and is associated with a probability value that infers what data the tags send.

태그가 보내고자 하는 데이터가 M-ary 이면, 메시지는 길이 M을 가지는 실수 벡터로 표현될 수 있다.If the data to be sent by the tag is M-ary, the message can be expressed as a real vector having a length M.

예를 들어, ISI가 존재하고, M = 4 일 경우, 팩터 노드 k에서 베리어블 노드 n으로 보내는 메시지는 'Ink(1) Ink(2) Ink(3) Ink(4)'으로 표현할 수 있다.For example, if ISI exists and M = 4, the message sent from the factor node k to the variable node n is 'I nk (1) I nk (2) I nk (3) I nk (4)' I can express it.

반면에, ISI가 존재하지 않으면, 다이애딕 팩터 그래프는 3개의 1이 존재하고, 메시지의 크기는 M 값에 따라 정해지게 된다. 이때, M 값이 크다면 메시지의 크기가 커져서 알고리즘 내부에서 계산량이 증가하는 단점이 있을 수 있다. 이에, 메시지 벡터의 크기를 M보다 작은 값으로 줄이기 위해서 '투사'라는 방법이 필요하다. On the other hand, if the ISI does not exist, there are three 1s in the diametric factor graph, and the size of the message is determined according to the M value. At this time, if the value of M is large, the size of the message increases, and there may be a disadvantage that the calculation amount increases in the algorithm. Accordingly, a method called 'projection' is needed to reduce the size of the message vector to a value smaller than M.

만약 ISI가 없다면, 신호가 왜곡되지 않기 때문에 기 정의된 매핑 함수의 성질을 이용하면 M-ary 데이터를 M보다 작은 수의 심벌들로 압축할 수 있고, 그 과정을 통해 복호화 과정의 복잡도를 줄이고 연산속도를 빠르게 할 수 있는 장점이 있다.If there is no ISI, the signal is not distorted, so using the property of a predefined mapping function, M-ary data can be compressed into a number of symbols smaller than M. Through this process, the complexity of the decoding process is reduced and computation is performed. It has the advantage of speeding up.

예를 들어, M = 4일 때, 투사하기전의 크기가 4인 'Ink(1) Ink(2) Ink(3) Ink(4)' 메시지는 투사후 크기가 3인 '~Ink(1) ~Ink(2) ~Ink(3)' 메시지로 줄어들 수 있다. For example, when M = 4, the message 'I nk (1) I nk (2) I nk (3) I nk (4)' with a size of 4 before projection is' ~ I with a size of 3 after projection. nk (1) ~ I nk (2) ~ I nk (3) '.

단계 S1130이 수행되면, 액세스 포인트는 전달받은 메시지에 기초하여 베리어블 노드를 업데이트한다(VN Update Step)(S1140). When step S1130 is performed, the access point updates the variable node based on the received message (VN Update Step) (S1140).

구체적으로, 액세스 포인트는 다이애딕 팩터 그래프에서 각 행들의 '1'의 개수에 기초하여 ISI 존재 유무를 판단한다(S1141).Specifically, the access point determines the presence or absence of ISI based on the number of '1' of each row in the dialect factor graph (S1141).

단계 S1141의 판단결과 ISI가 존재하면, 액세스 포인트는 베리어블 노드를 계산하여(S1142) 팩터 노드로 메시지를 전달한다(S1143).If the ISI exists as a result of the determination in step S1141, the access point calculates the variable node (S1142) and transmits a message to the factor node (S1143).

만약, 단계 S1141의 판단결과 ISI가 존재하지 않으면, 액세스 포인트는 투사된 코드워드 정보를 확장(Expansion)하여(S1144), 베리어블 노드를 계산한다(S1142).If the ISI does not exist as a result of the determination in step S1141, the access point expands the projected codeword information (S1144) and calculates a variable node (S1142).

이처럼 액세스 포인트는 ISI를 고려해야 하는 경우 베리어블 노드를 계산하여 업데이트 정보를 포함하는 메시지를 팩터 노드로 전송하고, ISI를 고려할 필요가 없는 경우 투사된 정보를 확장(Expansion)하여 베이러블 노드를 계산하여 업데이트된 정보를 다시 팩터 노드로 전달한다.As described above, the access point calculates a variable node by calculating a variable node when it needs to consider ISI, and transmits a message including update information to a factor node, or expands the projected information if it is not necessary to consider ISI. The updated information is transmitted back to the factor node.

액세스 포인트가 코드워드 정보를 투사-확장하는 방법은 태그가 M-ary 변조 방식을 사용하더라도 코드워드 검출을 위한 복잡도를 낮출 수 있는 이점이 있다.The method for the access point to project-extend the codeword information has an advantage of lowering the complexity for codeword detection even if the tag uses the M-ary modulation method.

상술한 메시지 전달 과정은 최대 반복횟수만큼 반복되며, 이를 만족하면 액세스 포인트는 로그 우도비(Log-Likelihood Ratio)를 출력한다(S1150). The above-described message delivery process is repeated as many times as the maximum number of repetitions, and when this is satisfied, the access point outputs a log-likelihood ratio (S1150).

액세스 포인트는 로그 우도비를 이용하여 ISI가 존재하는 무선 환경에서도 태그들이 전송한 데이터를 효과적으로 검출할 수 있다.The access point can effectively detect data transmitted by tags even in a wireless environment in which ISI exists by using a log likelihood ratio.

로그 우도비는 각각의 비트 확률을 나타내는 값으로, 실수 값을 가지고 있다. M-ary 데이터가 있을 때, 로그 우도비의 크기는 log2M 이 되며, 출력된 로그 우도비는 데이터를 복호화할 때 이용된다. 만약에 로그 우도비가 양수이면 0으로 데이터를 복호하고, 음수면 1로 데이터를 복호하는 방식을 주로 사용한다.The log likelihood ratio is a value representing each bit probability and has a real value. When there is M-ary data, the size of the log likelihood ratio is log 2 M, and the output log likelihood ratio is used when decoding data. If the log likelihood ratio is positive, data is decoded to 0, and data is decoded to negative 1.

예를 들어, M = 4 일 때, 태그 1의 로그 우도비: [-2.6 0.5], 태그 2의 로그 우도비: [1.2 0.3], 태그 3의 로그 우도비: [1.3 -0.9] 인 경우, 액세스 포인트는 태그 1의 복호 데이터 [10], 태그 2의 복호 데이터 [00], 태그 3의 복호 데이터 [01]를 각각 검출할 수 있다. For example, when M = 4, the log likelihood ratio of tag 1: [-2.6 0.5], the log likelihood ratio of tag 2: [1.2 0.3], and the log likelihood ratio of tag 3: [1.3 -0.9], The access point can detect the decryption data of tag 1 [10], the decryption data of tag 2 [00], and the decryption data of tag 3 [01], respectively.

도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 액세스 포인트의 구성을 설명하기 위한 도면이다. 13 is a view for explaining the configuration of an access point according to an embodiment of the present invention.

도 13을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 액세스 포인트(100)는 송수신부(110), 채널 추정부(120), 신호 검출부(130)를 포함한다. Referring to FIG. 13, the access point 100 according to an embodiment of the present invention includes a transceiver 110, a channel estimator 120, and a signal detector 130.

송수신부(110)는 무선신호를 송출하고, 복수의 센서 노드로부터 NOMA(Non-orthogonal Multiple Access) 방식으로 전송된 신호를 수신한다. The transmitter / receiver 110 transmits a radio signal and receives a signal transmitted in a non-orthogonal multiple access (NOMA) method from a plurality of sensor nodes.

채널 추정부(120)는 압축 센싱(Compressed Sensing)과 채널 상호성을 이용하여 상기 수신된 신호의 다이애딕 채널을 추정한다. 즉, 채널 추정부(120)는 압축 센싱을 이용하여 복합 채널 정보를 획득하고, 상기 복합 채널 정보에 기초한 채널 상호성을 이용하여 첫번째 채널 임펄스 응답의 초기값을 산출한다. 그런 후, 채널 추정부(120)는 첫번째 채널 임펄스 응답의 초기값에 기초하여 시간에 따른 나머지 채널들의 임펄스 응답을 추정하고, 추정된 채널들의 임펄스 응답을 이용하여 다이애딕 포워드 채널과 다이애딕 백워드 채널을 추정한다. The channel estimator 120 estimates a diacic channel of the received signal using compressed sensing and channel reciprocity. That is, the channel estimator 120 obtains composite channel information using compression sensing and calculates an initial value of the first channel impulse response using channel reciprocity based on the composite channel information. Thereafter, the channel estimator 120 estimates the impulse response of the remaining channels over time based on the initial value of the first channel impulse response, and uses the estimated impulse response of the channels to perform a diametric forward channel and a diadic backward. Estimate the channel.

신호 검출부(130)는 채널 추정부(120)에서 추정된 다이애딕 채널과 심벌 간 간섭(ISI)을 고려하여 팩터 노드와 베리어블 노드의 정보를 기 설정된 횟수 반복하여 업데이트하고, 그 업데이트된 결과에 기초하여 복수의 센서 노드의 코드워드를 검출한다. 즉, 신호 검출부(130)는 다이애딕 팩터 그래프를 생성하고, 상기 다이애딕 팩터 그래프에 기초하여 ISI 존재 여부를 판단하며, 그 판단결과에 따라 선택적으로 코드워드 정보를 투사하여 팩터 노드의 정보를 업데이트하고, 상기 ISI 존재 여부에 따라 상기 투사된 코드워드 정보를 확장하여 베리어블 노드의 정보를 업데이트한다. 그런 후, 신호 검출부(130)는 팩터노드 및 베리어블 노드의 정보 업데이트가 미리 설정된 횟수만큼 반복된 경우 로그 우도비를 출력하고, 로그 우도비에 기초하여 각 센서 노드의 코드워드를 검출한다.
The signal detection unit 130 repeatedly updates the information of the factor node and the variable node a predetermined number of times in consideration of the interference between the diadic channel and the symbol (ISI) estimated by the channel estimation unit 120, and the updated result Based on this, codewords of a plurality of sensor nodes are detected. That is, the signal detection unit 130 generates a diametric factor graph, determines the presence or absence of ISI based on the diametric factor graph, and selectively updates code node information by projecting codeword information according to the determination result Then, the information of the variable node is updated by expanding the projected codeword information according to the presence or absence of the ISI. Then, when the information update of the factor node and the variable node is repeated a predetermined number of times, the signal detection unit 130 outputs a log likelihood ratio and detects a codeword of each sensor node based on the log likelihood ratio.

이하, 본 발명에 따른 스파스 코드 기반 AmBC 시스템의 성능에 대해 설명하기로 한다. Hereinafter, the performance of the sparse code-based AmBC system according to the present invention will be described.

도 14는 본 발명의 SC-AmBC 방식과 기존의 TD-AmBC 방식의 M-ary 변조 성능을 비교한 그래프이다. 14 is a graph comparing M-ary modulation performance of the SC-AmBC method of the present invention and the conventional TD-AmBC method.

도 14를 참조하면, 무선 에너지 하비스팅 효율은 SC-AmBC의 경우 M=2,8일 때는 TD-AmBC에 비해 약간 저하를 보이지만, M=4일 때는 심벌 매핑이 에너지 하비스팅 효율을 개선하므로, 차이가 없는 성능을 가진다. 반면에 비트 오류율(Bit Error Rate)은 SC-AmBC의 경우가 TD-AmBC의 경우보다 월등히 좋음을 확인할 수 있는데, 이는 NOMA를 통해 후방산란 신호가 시간 영역에서 확산하여 다이버시티 이득을 얻을 수 있기 때문이다. 이처럼 SC-AmBC는 태그의 하드웨어를 간단하게 하면서도, M-ary 변조를 성공적으로 구현할 수 있다.Referring to FIG. 14, in the case of SC-AmBC, wireless energy harvesting efficiency shows a slight decrease compared to TD-AmBC when M = 2,8, but when M = 4, symbol mapping improves energy harvesting efficiency. It has no difference in performance. On the other hand, the bit error rate (Bit Error Rate) can be confirmed that the case of SC-AmBC is significantly better than that of TD-AmBC, because the backscattered signal spreads in the time domain through NOMA to obtain diversity gain. to be. In this way, SC-AmBC can successfully implement M-ary modulation while simplifying the hardware of the tag.

도 15는 본 발명의 SC-AmBC 방식과 기존의 TD-AmBC 방식의 듀티사이클링 동작 성능을 비교한 그래프이다. 15 is a graph comparing the performance of the duty cycling operation of the SC-AmBC method of the present invention and the conventional TD-AmBC method.

도 15를 참조하면, TD-AmBC 방식에서 듀티사이클은

Figure pat00047
로 주어지며, 태그의 개수
Figure pat00048
가 증가하면 듀티사이클이 작아져서 태그가 데이터 전송에 사용할 수 있는 시간이 스케일링 다운되는 문제가 발생한다. 반면에 본 발명의 SC-AmBC 방식에서는 듀티사이클링의 스케일링 현상을 역으로 신호의 희소성으로 변환할 수 있으므로, 액세스 포인트와 연결될 수 있는 태그의 개수는 Overloading Factor,
Figure pat00049
만큼 스케일링되어,
Figure pat00050
로 크게 늘어난다. 더욱이 스파스 코드워드는 다이애딕 채널 구조에서 다이버시티 이득을 제공 가능하므로, 기존 기법과 비교하면 대규모 연결성을 지원함과 동시에 비트 오류율까지 감소시키는 장점이 있다.15, the duty cycle in the TD-AmBC method is
Figure pat00047
Is given, and the number of tags
Figure pat00048
When increases, the duty cycle decreases, and the time that the tag can use for data transmission is scaled down. On the other hand, in the SC-AmBC method of the present invention, since the scaling phenomenon of duty cycling can be reversely converted to the scarcity of the signal, the number of tags that can be connected to the access point is the Overloading Factor,
Figure pat00049
Scaled by,
Figure pat00050
Greatly increases. Moreover, since the sparse codeword can provide diversity gain in a diametric channel structure, it has the advantage of supporting large-scale connectivity and reducing bit error rate compared to the existing technique.

도 16은 본 발명의 SC-AmBC 방식과 기존의 TD-AmBC 방식의 다이애딕 채널에서의 성능을 비교한 그래프, 도 17은 본 발명의 SC-AmBC 방식과 기존의 TD-AmBC 방식의 반사계수에 따른 성능을 비교한 그래프이다. 16 is a graph comparing the performance of the SC-AmBC method of the present invention and the conventional TD-AmBC method of the diadic channel, and FIG. 17 is a reflection coefficient of the SC-AmBC method and the conventional TD-AmBC method of the present invention. It is a graph comparing the performances.

도 16을 참조하면, 무선 에너지 하비스팅 확률은 다중경로의 개수가 커질수록 개선되는 경향이 있다. 반면에 비트오류율은 기존의 MPA와 TD-AmBC 기법들의 경우 다중경로가 커질수록 성능이 저하되는 문제가 발생하는데, 이는 ISI가 수신 신호를 왜곡하고 있기 때문이다. 본 발명의 D-MPA 기법은 다이애딕 채널의 특성을 반영하므로, 이를 반영하지 않는 기존의 MPA 기법보다 작은 비트 오류율(Bit Error Rate)을 가질 수 있었고, 기존의 TD-AmBC 기법과 비교하면 큰 성능 개선 효과가 있다. 이처럼 본 발명의 D-MPA와 D-CEA를 활용하게 되면, 이러한 왜곡 현상이 보정되기 때문에 다중경로가 커질수록 신호 검출 성능이 오히려 향상되는 이점이 있다. 따라서 본 발명의 SC-AmBC는 다이애딕 채널에서 더 좋은 성능을 보인다고 할 수 있다.Referring to FIG. 16, the probability of harvesting wireless energy tends to improve as the number of multipaths increases. On the other hand, in the case of the existing MPA and TD-AmBC techniques, the bit error rate deteriorates as the multipath increases, because the ISI distorts the received signal. Since the D-MPA technique of the present invention reflects the characteristics of the diadic channel, it can have a smaller bit error rate than the existing MPA technique that does not reflect it, and has great performance compared to the existing TD-AmBC technique. It has an improvement effect. When the D-MPA and D-CEA of the present invention are used as described above, since the distortion phenomenon is corrected, the signal detection performance is improved as the multipath increases. Therefore, it can be said that the SC-AmBC of the present invention shows better performance in the diadic channel.

그뿐만 아니라 SC-AmBC 기법은 신호의 희소성을 수신단에서 검출에 활용하기 때문에, 도 17과 같이 태그에서의 반사 계수

Figure pat00051
, 변조 차수
Figure pat00052
, 코드워드 관련 변수
Figure pat00053
에 따라 TD-AmBC 기법보다 훨씬 높은 전송속도를 가질 수 있고, 또한 성능을 더욱 탄력적으로 조절할 수 있음을 확인할 수 있다. In addition, since the SC-AmBC technique utilizes signal scarcity for detection at the receiving end, the reflection coefficient at the tag as shown in FIG.
Figure pat00051
, Modulation order
Figure pat00052
, Codeword related variables
Figure pat00053
As a result, it can be seen that it can have a much higher transmission rate than the TD-AmBC technique, and also can more flexibly adjust the performance.

기존의 TD-AmBC에서는 신호의 희소성이 이용되지 않았기 때문에, 낮은 연결성을 가지게 되며, 그 결과 낮은 전송속도를 가지게 된다. 하지만, 본 발명의 SC-AmBC에서는 이러한 신호의 희소성을 후방산란에 활용하기 때문에, 대규모 연결성을 지원할 수 있으므로, 전체적으로 그래프가 Y축 방향으로 이동하여 향상된 연결성을 보임을 알 수 있다. 이러한 연결성은 반사 계수, 변조 차수, 코드워드 관련 변수로 조절될 수 있는데, 전반적으로 SC-AmBC가 이러한 시스템 변수를 더욱 탄력적으로 튜닝하여 후방산란 성능을 조절할 수 있음을 알 수 있다. In the conventional TD-AmBC, since signal scarcity was not used, it has low connectivity, and as a result, has a low transmission rate. However, in the SC-AmBC of the present invention, since the scarcity of such a signal is used for backscattering, it is possible to support large-scale connectivity, so it can be seen that the overall graph moves in the Y-axis direction to show improved connectivity. This connectivity can be adjusted by parameters related to reflection coefficient, modulation order, and codeword. Overall, it can be seen that SC-AmBC can tune these system variables more flexibly to adjust backscatter performance.

이처럼 스파스 코드는 MAI와 ISI를 버리지 않고 오히려 활용하여 기존 기법과 비교하면 대규모 연결성을 지원함과 동시에 비트 오류율까지 감소시키는 장점이 있다.
As described above, sparse code does not discard MAI and ISI, but rather utilizes it, and it has the advantage of reducing bit error rate while supporting large-scale connectivity compared to existing techniques.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
So far, the present invention has been focused on the preferred embodiments. Those skilled in the art to which the present invention pertains will understand that the present invention can be implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in terms of explanation, not limitation. The scope of the present invention is shown in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the equivalent range should be interpreted as being included in the present invention.

100 : 액세스 포인트
110, 310 : 송수신부
120 : 채널 추정부
130 : 신호 검출부
200 : 단말장치
300 : 센서 노드
320 : 상태 제어부
330 : 변조부
100: access point
110, 310: transceiver
120: channel estimation unit
130: signal detection unit
200: terminal device
300: sensor node
320: status control
330: modulator

Claims (7)

액세스 포인트 및 복수의 센서 노드를 포함하는 엠비언트 백스캐터 시스템에서 각 센서 노드의 통신 방법에 있어서,
상기 액세스 포인트로부터 송출되는 무선 신호를 에너지 하비스팅하여 에너지를 축적하는 단계;
기 설정된 임계치 이상의 에너지가 축적되어 활성 상태로 전환된 경우, M차 데이터를 생성하는 단계;
상기 M차 데이터를 기 정의된 매핑함수에 투사하여 심볼을 생성하는 단계;
상기 심볼을 확산하여 코드워드를 생성하는 단계; 및
상기 코드워드를 상기 액세스 포인트로부터 수신한 반송파를 반사하여 전송하는 단계를 포함하되,
상기 복수의 센서 노드는 NOMA(Non-orthogonal Multiple Access) 방식으로 코드워드를 전송하는 것을 특징으로 하는 센서 노드의 통신 방법.
In the method of communication of each sensor node in the ambient backscatter system comprising an access point and a plurality of sensor nodes,
Accumulating energy by energy harvesting the radio signal transmitted from the access point;
Generating energy of M-order data when energy above a predetermined threshold is accumulated and converted to an active state;
Generating a symbol by projecting the M-th order data into a predefined mapping function;
Generating codewords by spreading the symbols; And
And reflecting and transmitting the codeword received from the access point,
The plurality of sensor nodes is a NOMA (Non-orthogonal Multiple Access) communication method of the sensor node, characterized in that for transmitting the codeword.
제1항에 있어서,
상기 심볼은 1, 0, -1 중 적어도 하나에 의해 생성되고, 활성 타임 슬롯 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 센서 노드의 통신 방법.
According to claim 1,
The symbol is generated by at least one of 1, 0, -1, and has an active time slot length, the communication method of the sensor node.
제1항에 있어서,
상기 코드워드는 타임 슬롯의 개수와 심벌 주기의 곱에 해당하는 길이의 스파스 코드워드인 것을 특징으로 하는 센서 노드의 통신 방법.
According to claim 1,
The codeword is a sparse codeword having a length corresponding to a product of a number of time slots and a symbol period.
제1항에 있어서,
상기 코드워드는 다이애딕 채널을 통해 상기 액세스 포인트로 전송되는 것을 특징으로 하는 센서 노드의 통신 방법.
According to claim 1,
The codeword is transmitted to the access point via a dialic channel.
액세스 포인트와의 통신을 위한 송수신부;
비활성 상태에서 상기 송수신부를 통해 수신한 무선 신호를 에너지 하비스팅하여 에너지를 축적하고, 기 설정된 임계치 이상의 에너지가 축적되어 활성 상태로 전환하는 상태 제어부; 및
활성 상태로 전환된 경우, M차 데이터를 기 정의된 매핑함수에 투사하여 심볼을 생성하고, 상기 심볼을 확산하여 코드워드를 생성하며, 상기 코드워드를 상기 액세스 포인트로부터 수신한 반송파를 반사하여 전송하는 변조부를 포함하는 센서 노드.
A transmitting and receiving unit for communication with the access point;
A state control unit for energy harvesting the radio signal received through the transmission / reception unit in an inactive state to accumulate energy, and accumulating energy above a preset threshold to switch to an active state; And
When it is switched to the active state, M-order data is projected to a predefined mapping function to generate a symbol, spread the symbol to generate a codeword, and reflects the carrier wave received from the access point and transmits it A sensor node including a modulator.
무선 신호를 송출하는 액세스 포인트;
상기 액세스 포인트로부터 송출되는 무선 신호를 에너지 하비스팅하여 에너지를 축적하고, 기 설정된 임계치 이상의 에너지가 축적되어 활성 상태로 전환된 경우 M차 데이터를 기 정의된 매핑함수에 투사하여 심볼을 생성하고, 상기 심볼을 확산하여 스파스 코드워드를 생성하며, 상기 스파스 코드워드를 상기 액세스 포인트로부터 수신한 반송파를 반사하여 NOMA(Non-orthogonal Multiple Access) 방식으로 전송하는 복수의 센서 노드를 포함하되,
상기 무선 신호와 상기 스파스 코드워드는 다이애딕 채널을 통해 송수신되는 것을 특징으로 하는 스파스 코드 기반 엠비언트 백스캐터 시스템.
An access point transmitting a radio signal;
Energy harvesting the radio signal transmitted from the access point to accumulate energy, and when energy above a predetermined threshold is accumulated and converted into an active state, M-order data is projected to a predefined mapping function to generate a symbol, and Generating a sparse codeword by spreading the symbol, and includes a plurality of sensor nodes that transmit the sparse codeword by receiving a carrier wave received from the access point in a non-orthogonal multiple access (NOMA) method,
The wireless signal and the sparse codeword are transmitted and received through a dialic channel. A sparse code based ambient backscatter system.
제6항에 있어서,
상기 액세스 포인트는,
상기 복수의 센서 노드로부터 NOMA 방식으로 전송된 중첩된 코드워드를 수신하고,
다이애딕 채널 추정 알고리즘(Dyadic Channel Estimation Algorithm)에 기초하여 다이애딕 채널을 추정하며, 상기 추정된 다이애딕 채널과 심벌 간 간섭(ISI)을 고려한 반복적 메시지 전달 알고리즘(Iterative Message Passing Algorithm)에 기초하여 상기 복수의 센서 노드로부터 전송된 코드워드를 검출하는 것을 특징으로 하는 스파스 코드 기반 엠비언트 백스캐터 시스템.
The method of claim 6,
The access point,
Receiving overlapped codewords transmitted in a NOMA manner from the plurality of sensor nodes,
Based on the Dyadic Channel Estimation Algorithm, the DADIC channel is estimated, and based on the Iterative Message Passing Algorithm in consideration of the estimated DID channel and symbol-to-symbol interference (ISI). Sparse code based ambient backscatter system, characterized in that for detecting the codeword transmitted from a plurality of sensor nodes.
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