KR20200037620A - 듀얼 모드로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 위한 적응적 모드 전환 방법 및 이를 수행하는 장치 - Google Patents

듀얼 모드로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 위한 적응적 모드 전환 방법 및 이를 수행하는 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 듀얼 모드로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 위한 적응적 모드 전환 방법 및 이를 수행하는 장치에 관한 것으로, 듀얼 모드로 동작하는 무선전력과 정보를 동시전송하는 수신신호로부터 에너지를 수집하는 에너지 수집부, 상기 수신신호의 크기가 임계값보다 큰 경우, 상기 수신신호의 진폭정보와 에너지 정보를 검출하여 복호하는 단일 톤 정보수신부, 상기 수신신호의 크기가 임계값보다 작은 경우, 상기 수신신호의 PAPR(Peak-to-Average Power Ratio)을 추정하여 복호하는 다중 톤 정보수신부, 상기 수신신호를 상기 에너지 수집부, 상기 단일 톤 정보수신부, 상기 다중 톤 정보수신부 중 하나로 스위칭하는 시분할 스위치, 및 배터리 상태, 상기 수신신호의 크기, 데이터 전송속도를 기초로 통신모드와 변조지수를 결정하고, 상기 결정된 통신모드와 변조지수에 따라 상기 시분할 스위치를 제어하는 적응적 모드 스위칭 제어부를 포함한다. 본 발명에 의하면, 저전력 IoT 환경에서 단일 톤을 사용하는 SWIPT의 제한된 에너지 전달 영역 문제와 다중 톤을 사용하는 PAPR(Peak-to-Average Power Ratio) 기반 SWIPT의 낮은 전송속도를 해결할 수 있다.

Description

듀얼 모드로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 위한 적응적 모드 전환 방법 및 이를 수행하는 장치{ADAPTIVE MODE SWITCHING METHED FOR SIMULTANEOUS WIRELESS INFORMATION AND POWER TRANSFER OPERATING IN DUAL MODE, AND APPARATUS FOR PERFORMING THE SAME}
본 발명은 단일 톤 모드 또는 다중 톤 모드인 듀얼 모드로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 위한 적응적 모드 전환 방법 및 이를 수행하는 장치에 관한 것이다.
최근 무선 전력 공급 및 정보 전송 기술에 관한 연구가 계속되고 있다. 무선 전력 공급 및 정보 전송 기술은 사물 인터넷(IoT:Internet-of-Things), 웨어러블 장치(wearable device) 및 바이오 센서 등과 같이 낮은 전력 소모량을 가지는 장치에 전력을 공급하는데 주효하다. 기존의 무선으로 정보와 에너지를 동시에 전송하는 기술인 무선정보/전력 동시 전송(SWIPT: Simultaneous Wireless Information and Power Transmission)은 시간을 분할하여 에너지와 정보를 순차적으로 수신하는 시분할 방식(TS: time-switching)과 수신 신호의 전력을 분할하여 일부 신호는 에너지를 수집하는 회로로 전달하고, 일부 신호는 정보를 수신하는 회로로 제공하는 전력분할 방식(PS: power-splitting)이 있다.
종래의 듀얼 모드(dual mode)로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 사용하는 경우, 수신 노드는 배터리 상태, 수신 신호 전력, 전송 속도 QoS에 따라 에너지 수집 효율, 데이터 전송속도 등 시스템 성능이 달라진다. 즉, 최적의 성능을 얻기 위해서 에너지 자립(self-powering)을 위한 에너지 수집 효율과 QoS를 충족할 수 있는 데이터 전송속도를 함께 고려한 시스템 설계가 필요하다. 기존의 전력분할 방식의 듀얼 모드 무선전력/정보 동시전송은 수신기에서 에너지 수집 효율을 높이기 위해 수신 회로에 기반한 모드 전환 문턱값을 사용하므로, 최적의 데이터 전송속도를 보장하지 못하는 문제점이 있다. 또한, 저전력 기기가 에너지 자립을 하기 위해 반드시 필요한 듀티 사이클(duty cycle) 동작이 고려되지 않아 실제 회로를 구현하기 어려운 문제가 있다. 저전력 기기가 효율적으로 동작하기 위해서는 전송속도와 에너지 효율 사이의 트레이드오프(tradeoff)와 듀티 사이클 동작을 동시에 최적화할 수 있는 방법이 필요하다.
본 발명은 수신환경에 따라 선택적으로 모드를 전환하여 통신모드와 변조방법을 조절함으로써 전송속도와 에너지 효율을 동시에 최적화할 수 있는 듀얼 모드로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 위한 적응적 모드 전환 방법 및 이를 수행하는 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 모드로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 위한 적응적 모드 전환 장치는 듀얼 모드로 동작하는 무선전력과 정보를 동시전송하는 수신신호로부터 에너지를 수집하는 에너지 수집부, 상기 수신신호의 크기가 임계값보다 큰 경우, 상기 수신신호의 진폭정보와 에너지 정보를 검출하여 복호하는 단일 톤 정보수신부, 상기 수신신호의 크기가 임계값보다 작은 경우, 상기 수신신호의 PAPR(Peak-to-Average Power Ratio)을 추정하여 복호하는 다중 톤 정보수신부, 상기 수신신호를 상기 에너지 수집부, 상기 단일 톤 정보수신부, 상기 다중 톤 정보수신부 중 하나로 스위칭하는 시분할 스위치, 및 배터리 상태, 상기 수신신호의 크기, 데이터 전송속도를 기초로 통신모드와 변조지수를 결정하고, 상기 결정된 통신모드와 변조지수에 따라 상기 시분할 스위치를 제어하는 적응적 모드 스위칭 제어부를 포함한다.
적응적 모드 스위칭 제어부는, 제1, 제2 루프 알고리즘을 적용하여 상기 임계값, 에너지 수집과 정보 디코딩을 구분하는 듀티 비율(duty ratio), 또는 변조지수(M 또는 Q)를 결정할 수 있다.
적응적 모드 스위칭 제어부는, 상기 듀티 비율과 상기 변조지수에 따라 상기 시분할 스위치를 제어하여, 상기 에너지 수집부, 상기 단일 톤 정보수신부, 상기 다중 톤 정보수신부 중 하나를 선택할 수 있다.
적응적 모드 스위칭 제어부는, 아래 수학식 (P1)에 의해 상기 임계값을 업데이트할 수 있다.
Figure pat00001
(여기서, Ev[Rv]는 평균 전송속도, Pth는 통신모드를 스위칭하는 임계값, EEH는 v번째 시간블럭에서의 수집 에너지, EC,i는 소모 에너지, Pb는 변조지수에서의 BER(Bit Error Rate), Ptag는 타겟 BER을 나타냄)
적응적 모드 스위칭 제어부는, 아래 수학식 (P3)에 의해 듀티 비율을 최적화하여 전송속도를 최적화한 후 아래 수학식 (P2)에 의해 상기 최적화된 전송속도를 이용하여 상기 임계값을 최적화하는 방식으로 상기 임계값을 결정할 수 있다.
Figure pat00002
Figure pat00003
(여기서, Ev[Rv *]는 최적화된 평균 전송속도, Dv는 듀티 비율, Rv는 데이터 전송속도, PC,i는 소모 전력, PEH는 수집 전력을 나타냄)
적응적 모드 스위칭 제어부는, 상기 최적화된 임계값을 사용하여 다음 수신신호에 대한 듀티 비율과 변조지수의 최적화를 각 시간블럭마다 반복하여 수행할 수 있다.
적응적 모드 스위칭 제어부는, 미리 설정된 윈도우 사이즈에 대응하는 시간블록에 대하여 상기 듀티 비율과 변조지수의 최적화가 완료되면, 상기 임계값을 다시 업데이트할 수 있다.
적응적 모드 전환 장치가 수신기로 사용된 경우, 송신기로 듀얼 모드 동작을 위한 모드 전환 피드백 신호를 전송할 수 있다.
여기서, 송신기는, 단일 톤 모드를 선택한 경우, 아래 수학식과 같은 송신 신호를 전송하고, 상기 수신기는, coarse amplitude path와 fine amplitude path를 통해 동시에 복호할 수 있다.
Figure pat00004
(여기서, A는 변조된 신호의 진폭이고 θ는 변조된 신호의 위상이고, fc는 신호의 단일 톤 주파수를 나타냄)
또한, 송신기는, 다중 톤 모드를 선택한 경우, 아래 수학식과 같이 Q개의 선택 가능한 톤 중 N 개의 톤을 선택하여 송신 신호를 전송할 수 있다.
Figure pat00005
(여기서, fn은 각 톤의 주파수를 의미하고, Φ는 최대의 송신 PAPR을 위해 정렬된 초기 위상을 나타냄)
본 발명의 다른 실시예에 따른 듀얼 모드로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 위한 시스템은 듀얼 모드로 동작하는 무선전력과 정보를 동시전송하는 수신신호로부터 에너지를 수집하는 에너지 수집부, 상기 수신신호의 크기가 임계값보다 큰 경우, 상기 수신신호의 진폭정보와 에너지 정보를 검출하여 복호하는 단일 톤 정보수신부, 상기 수신신호의 크기가 임계값보다 작은 경우, 상기 수신신호의 PAPR(Peak-to-Average Power Ratio)을 추정하여 복호하는 다중 톤 정보수신부, 상기 수신신호를 상기 에너지 수집부, 상기 단일 톤 정보수신부, 상기 다중 톤 정보수신부 중 하나로 스위칭하는 시분할 스위치, 및 배터리 상태, 상기 수신신호의 크기, 데이터 전송속도를 기초로 통신모드와 변조지수를 결정하고, 상기 결정된 통신모드와 변조지수에 따라 상기 시분할 스위치를 제어하는 적응적 모드 스위칭 제어부를 포함하는 듀얼 모드로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 위한 적응적 모드 전환 수신기, 및 상기 적응적 모드 전환 수신기로부터 듀얼 모드 동작을 위한 모드 전환 피드백 신호를 수신하여 송신 신호를 생성하는 송신기를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 듀얼 모드로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 위한 적응적 모드 전환 방법은 윈도우 크기, 통신모드를 전환하는 임계값, 각 통신모드의 듀티비율, 변조지수에 대한 초기값을 설정하는 제1 단계, 각 윈도우 크기마다 수신신호의 크기가 상기 임계값보다 큰지 판단하는 제2 단계, 상기 수신신호의 크기가 상기 임계값보다 큰 경우, 단일 톤 모드로 결정하고, 상기 수신신호의 크기가 상기 임계값보다 작은 경우, 다중 톤 모드로 통신모드를 결정하는 제3 단계, 상기 통신모드가 결정되면, 각 시간블록마다 상기 결정된 통신모드의 듀티비율과 변조지수를 최적화하는 제4 단계, 및 상기 시간블록의 개수를 증가시키며 상기 제3 단계 내지 상기 제4 단계를 반복 수행하되 상기 시간블록의 개수가 상기 윈도우 크기와 같아지면, 상기 최적화된 통신모드, 듀티비율, 변조지수, 평균 수신신호의 크기를 이용하여 상기 임계값을 최적화하여 재설정하는 제5 단계를 포함한다.
여기서, 임계값을 재설정한 후, 상기 제1 단계 내지 제5 단계를 반복하여 수행할 수 있다.
제4 단계는, 아래 수학식 (P3)에 의해 최적화된 데이터 전송속도를 이용하여 듀티비율과 변조지수를 최적화할 수 있다.
Figure pat00006
(여기서, Dv는 듀티 비율, Rv는 데이터 전송속도, PC,i는 소모 전력, PEH는 수집 전력을 나타냄)
제5 단계는, 아래 수학식 (P2)에 의해 최적화된 평균 전송속도를 갖도록 임계값을 재설정할 수 있다.
Figure pat00007
(여기서, Ev[Rv *]는 최적화된 평균 전송속도)
본 발명에 의하면, 저전력 IoT 환경에서 단일 톤을 사용하는 SWIPT의 제한된 에너지 전달 영역 문제와 다중 톤을 사용하는 PAPR(Peak-to-Average Power Ratio) 기반 SWIPT의 낮은 전송속도를 해결할 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 적응적 모드 스위칭 방법에 의해 송/수신기를 듀얼 모드로 동작시키면서 수신 환경에 따라 최적의 모드 전환 문턱값을 지속적으로 업데이트하여 에너지 수집 및 데이터 전송속도 유지를 모두 달성할 수 있다.
또한, 본 발명은 에너지 자립 조건을 만족하기 위한 듀티 사이클 비율을 계산하여 수신기가 입력 신호로부터 일정 비율로 전력을 항상 공급받을 수 있도록 하여, 수신기의 에너지 자립을 위한 동작을 가능하게 한다.
도 1은 듀얼 모드 무선전력/정보 동시전송이 가능한 송신기의 서비스 영역 내에 다수의 IoT 센서 노드가 존재하는 환경을 도시한 도면이다.
도 2a는 도 1에 포함되는 송신기의 개략적인 구성도이다.
도 2b는 도 1에 포함되는 수신기의 개략적인 구성도를 도시한 도면이다.
도 3은 듀얼 모드 무선전력/정보 동시전송 방법의 단일 톤 통신 모드의 성좌표이다.
도 4는 듀얼 모드 무선전력/정보 동시전송 방법에서, 수신 전력에 따른 단일 톤 대비 다중 톤 에너지 변환 효율을 비교한 도면이다.
도 5는 듀얼 모드 무선전력/정보 동시전송 방법의 적응적 전력모드 및 정보복호 정책을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 모드로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 위한 적응적 모드 전환 장치의 개략적인 구성도를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 모드로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 위한 적응적 모드 전환 장치에 사용되는 시 분할 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 모드로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 위한듀티 사이클/변조지수의 최적화 주기와 임계값의 최적화 주기를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 모드로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 위한 적응적 모드 전환 장치에서 사용되는 알고리즘의 반복 제1 루프와 제2 루프와의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 모드로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 위한 적응적 모드 전환 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 모드로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 위한 적응적 모드 전환 장치에서 사용되는 혼합 시간 스케일 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 모드로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 위한 적응적 모드 전환 시스템을 도시한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급될 때에는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다고 할때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
이하, 일반적인 듀얼 모드 무선전력/정보 동시전송 방법과 본 발명에 따른 듀얼 모드로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 위한 적응적 모드 전환 방법의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1 내지 도 5는 일반적인 듀얼 모드 무선전력/정보 동시전송 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1은 듀얼 모드 무선전력/정보 동시전송이 가능한 송신기의 서비스 영역 내에 다수의 IoT 센서 노드가 존재하는 환경을 도시한 도면이고, 도 2a는 도 1에 포함되는 송신기의 개략적인 구성도이고, 도 2b는 도 1에 포함되는 수신기의 개략적인 구성도를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 서비스 영역에는 듀얼 모드로 모드 스위칭이 가능한 송신기(10) 및 송신기(10)로부터 신호를 수신할 수 있는 서비스 영역에 포함되는 다수의 IoT 센서 노드들(즉, 수신기(20))이 포함된다.
송신기(10)는 수신기(20)의 수신 환경에 따라 통신모드를 선택하여, 단일 톤으로 신호를 발생시켜 전송하거나 또는 다중 톤으로 신호를 발생시켜 전송할 수 있다. 단일 톤을 사용하여 신호를 전송하는 경우, 에너지 전달 효율은 낮지만 전송 속도는 빠르고, 다중 톤을 사용하여 신호를 전송하는 경우, 에너지 전달 효율은 높지만 전송 속도가 느린 문제가 있다. 그러나, 송신기(10)는 설정된 임계값만을 기준으로 단일 톤 또는 다중 톤을 선택적으로 스위칭하기 때문에 환경에 적응적으로 동작하지 못하는 한계가 있다. 도 2a를 참조하면, 단일 톤을 사용하는 무선전력/정보 동시전송 모드와 다중 통을 사용하는 PAPR(Peak-to-Average Power Ration) 기반의 무선전력/정보 동시전송 모드를 스위칭할 수 있는 송신기(10)는 단일 톤 신호 생성부(11) 및 다중 톤 신호 생성부(12)를 포함하여 구성된다.
제어신호에 따라, 단일 톤 신호 생성부(11)가 선택되면, 멀티 레벨 PSK(Phase-Shift Keying) 변조 후 신호가 전송되고, 다중 톤 신호 생성부(12)가 선택되면, PAPR 기반의 변조 후 신호가 전송되고, 통신 모드에 따라 정해진 변조방법으로 송신신호를 변조하는 한계가 있다.
도 2b를 참조하면, 단일 톤을 사용하는 무선전력/정보 동시전송 모드와 다중 통을 사용하는 PAPR(Peak-to-Average Power Ration) 기반의 무선전력/정보 동시전송 모드를 스위칭할 수 있는 수신기(20)는 에너지 수집부(21), 단일 톤 정보 수신부(22), 다중 톤 정보 수신부(23) 및 적응적 전력모드 및 정보복호부(24)를 포함하여 구성될 수 있다.
적응적 PM&ID부(24)의 제어신호에 따라 수신기(20)의 서큘레이터를 제어하여 수신 신호를 에너지 수집부(21), 단일 톤 정보 수신부(22), 및 다중 톤 정보 수신부(23) 중 하나로 전달할 수 있다.
수신기의 에너지 수집부(21)는 통신모드에 관계없이 항상 수신하는 신호로부터 에너지를 수집하고, 수신한 신호는 정류기를 거쳐 DC-DC 변환을 통해 배터리를 충전할 수 있다. 특히, 단일 톤 통신모드 및 다중 레벨 PSK 변조방법을 사용하는 경우, 정류기를 거친 DC 신호는 단일 톤 정보 수신부(22)에서 에너지 레벨을 결정하는데 사용될 수 있다.
단일 톤 정보 수신부(22)는 위상 검출기를 이용해 신호의 위상정보를 얻은 후, 정류기에서 오는 DC신호가 에너지 레벨 검출기를 거쳐 얻어진 에너지 정보와 함께 복호된다. 이러한 수신기 구조를 통해 기존의 단일 톤 I/Q(In-phase/Quadrature) 변조방법을 사용하는 경우와 비교하여 적은 에너지 소모로 높은 전송속도를 얻을 수 있다.
다중 톤 정보 수신부(23)는 다중 톤 통신모드에서 사용되고, PAPR 변조방법을 사용할 경우, 정보는 각 PAPR값에 매핑된다. 포락선 검출기(envelope detector)는 수신한 신호로부터 포락선을 검출하고, PAPR 추정기는 포락선을 이용해 신호의 PAPR을 구한다. 이로부터 매핑된 정보를 얻을 수 있다. 이는 위상 정보와 에너지 정보를 구해야 하는 단일 톤 정보 수신부(22)에 비해 더 적은 에너지를 소모하며, 다중 톤을 사용하므로 무선 전력 전송의 효율도 증가한다. 따라서, 다중 톤 PAPR 정보 수신부(23)는 배터리 상태가 낮은 경우 최소한의 전송속도를 유지하면서 에너지 전달 효율을 확장하는데 적합하다.
적응적 전력모드 및 정보복호부(24)는 배터리 상태, 수신 전력, 전송속도 QoS를 지속적으로 모니터링하고, 이를 이용해 적응적 정책에 따라 통신모드와 변주지수를 제어할 수 있다.
구체적으로, 듀얼 모드 무선전력/정보 동시전송에서, 수신기(20)는 배터리 양에 따라 데이터 전송과 에너지 수집 각각의 우선순위를 다르게 설정할 수 있다. 예를 들어, 배터리 양이 충분한 경우, 에너지 수집보다 데이터 전송 속도의 우선순위를 높이고, 배터리 양이 충분하지 않을 경우, 에너지 수집에 우선순위를 높게 설정할 수 있다. 즉, IoT 센서 노드들(수신기, 20)은 배터리 상태, 수신 신호 전력, 전송속도 요구량(QoS: Quality of Service)에 따라 단일 톤 통신모드 또는 다중 톤 통신모드를 스위칭할 수 있고, 변조지수(M, Q)를 선택할 수 있다. 이하, 도 5를 참조하여 설명하도록 한다.
도 3은 듀얼 모드 무선전력/정보 동시전송 방법의 단일 톤 통신 모드의 성좌표이고, 도 4는 듀얼 모드 무선전력/정보 동시전송 방법에서, 수신 전력에 따른 단일 톤 대비 다중 톤 에너지 변환 효율을 비교한 도면이다.
도 3을 참조하면, 단일 톤 통신모드는 다중레벨 PSK 변조방법을 사용하여 변조한 송신 신호를 출력하고, 도 4를 참조하면, 정류기의 비선형적 특성에 의해 높은 RF 수신 전력(0dBm 이상)에서 높은 RF 에너지 변환 효율(PCE: Power Conversion Efficiency)을 보인다.
반면, 다중 톤 통신모드는 PAPR 변조방법을 사용하고, 다중 톤을 사용하면 낮은 RF 수신전력(0dBm 이하)에서 정류기의 비선형적인 특성으로 인해 RF 에너지 변환 효율을 높일 수 있다. 이를 통해, 동일한 전송 전력으로 보다 넓은 지역의 수신 노드로 전력을 공급할 수 있다. 또한, 부반송파의 개수에 따라 신호의 PAPR이 변하는 것을 이용해 추가적으로 PAPR에 정보를 실어 보낼 수 있다. 수신 신호의 PAPR은 채널 상태(예: 페이딩 채널)에 거의 무관하게 유지되므로 수신기에서 채널 상태 정보(CSI)가 필요하지 않은 이점이 있다. 이를 통해 수신기는 별도의 채널 추정없이 적은 에너지를 사용하여 정보를 복호하는 것이 가능하다.
도 4를 참조하면, 다중 톤 통신모드는 0dBm 이하에서 높은 RF 에너지 변환 효율(PCE: Power Conversion Efficiency)를 보이는 것을 확인할 수 있다. 즉, 0dBm 내지 30dBm 입력전력에 대해서는 (-) 전력이득 특성을 보이고, -10dBm 내지 30dBm 입력전력에 대해서는 (+) 전력이득 특성을 보이는 것을 확인할 수 있다.
도 5는 듀얼 모드 무선전력/정보 동시전송 방법의 적응적 전력모드 및 정보복호 정책을 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 적응적 전력모드 및 정보복호부(24)는 배터리 상태, 수신 전력, 전송속도 QoS를 지속적으로 모니터링하면서 적응적 PM 및 ID 정책에 따라 통신모드와 변조지시를 제어한다.
구체적으로, 통신모드를 결정하기 위해, 배터리 용량(Bl)을 기준값(Bth)과 비교하여 배터리 상태를 확인하고(Bl＞Bth), 배터리의 상태가 충분히 충전된 경우(Yes), 배터리를 충전하는 것보다 전송속도 QoS를 충족시키기 위한 통신모드를 결정한다. 즉, 현재 IoT 기기의 배터리 용량 Bl이 기준값 Bth보다 큰 경우, 수신단의 전송효율(RQoS)을 기준값(Rth)과 비교하여 수신단의 전송효율(RQoS)이 기준값(Rth)보다 큰 경우 단일 톤 통신모드로 동작하고, 작은 경우 다중 톤 통신모드로 동작한다.
반면, 배터리가 충분히 충전되지 않은 경우(No), 전송속도 QoS를 충족시키는 것보다 배터리 충전을 먼저 수행한다. 즉, RF 수신 전력(Pr)에 연동하여 에너지를 효율적으로 충전하기 위한 통신모드를 결정하고(즉, Pr과 Pth를 비교하여 큰 경우 단일 톤 통신모드로 동작, 작은 경우 다중 톤 통신모드로 동작), 선택된 통신모드가 단일 톤 신호인 경우(Mode: Single tone), 전송속도 QoS만 충족시키도록 변조지수를 결정한다. 반면, 다중 톤 신호를 사용하면(Mode: Multi-tone) 무선전력 효율과 전송속도 사이의 트레이드오프가 존재하므로 무선 전력 전송효율이 결정된 이후 전송속도가 결정된다.
도 6 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 모드로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 위한 적응적 모드 전환 장치 및 방법을 설명하기 위한 도면들이다. 이하, 도 6 내지 도 11을 참조하여, 구체적으로 설명하도록 한다.
먼저, 본 발명에 따른 송/수신기의 기본 동작과 송신신호를 설명하도록 한다.
본 발명에 따르면, 제어신호에 따라 송/수신기가 단일/다중 톤 통신모드 및 변조지수(M, Q)를 적절하게 조절한다. 이러한 동작은 송신기와 수신기 모두 적응적 모드 스위칭 제어부를 포함하며, 하나의 송/수신기에서 단일/다중 톤 모드의 신호를 송신/수신할 수 있다. 송신기는 수신 노드로부터 오는 피드백 신호에 따라 송신할 신호 파형을 선택한다. 단일 톤 모드가 선택되면, 신호는 [수학식 1]로 표현된다. 또한, 다중 톤 모드가 선택되면 Q개의 선택 가능한 톤에서 N개의 톤이 선택되고, 신호는 [수학식 2]로 표현된다.
Figure pat00008
여기서, A와 θ는 변조된 신호의 진폭과 위상을 의미하고, fc는 신호의 단일 톤 주파수이다. 수신기에서, 이러한 신호는 coarse amplitude path와 fine amplitude path를 통해 동시에 복호된다.
Figure pat00009
여기서, fn은 각 톤의 주파수이고,
Figure pat00010
Figure pat00011
는 최대의 송신 PAPR을 위해 정렬된 초기 위상이다. 무선 전력 전송 효율을 높이기 위해 MRT(Maximal-Ratio Transmission)을 위한 프리코딩이 추가적으로 수행되어 최적 송신 신호는 [수학식 3]과 같다.
Figure pat00012
여기서, h는 채널이득, h*는 채널 이득의 복소 켤레를 의미한다.
다음으로, 상기 송신신호를 수신한 수신기의 동작 특성 및 구성에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 모드로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 위한 적응적 모드 전환 장치의 개략적인 구성도를 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 모드로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 위한 적응적 모드 전환 장치(100)는 에너지 수집부(110), 단일 톤 정보수신부(120), 다중 톤 정보수신부(130), 시분할 스위칭(150) 및 적응적 모드 전환 제어부(140)를 포함한다.
에너지 수집부(110)는 듀얼 모드로 동작하는 무선전력과 정보를 동시 전송하는 수신신호로부터 에너지를 수집할 수 있다. 에너지 수집부(110)는 통신모드에 관계없이 시간블럭의 정해진 듀비비율로 에너지를 수신하여 자가 발전(self-powering)을 수행하도록 한다. 특히, 단일 톤 통신모드를 사용하는 경우, 정류기를 거친 DC 신호는 단일 톤 정보수신부의 coarse amplitude path에서 에너지 레벨을 결정하는데 사용된다.
단일 톤 정보수신부(120)는 수신신호의 크기가 임계값보다 큰 경우, 수신신호의 진폭정보와 에너지 정보를 검출하여 복호할 수 있다. 단일 톤 정보수신부(120)는 도시하지 않았지만 포락선 검출기 및 에너지 레벨 검출기를 포함하여 구성될 수 있다. 구체적으로, 단일 톤 정보수신부(120)는 fine amplitude path의 포락선 검출기(envelope detector)를 이용해 신호의 진폭 정보를 획득할 수 있다. 이는 coarse amplitude path의 에너지 레벨 검출기를 거쳐 얻어진 에너지 정보와 함께 복호된다. 단일 톤 신호는 채널에 매우 민감하므로, 복조를 위해 추가적인 채널 추정이 반드시 필요하다. 단일 톤 정보수신부(120)는 다중 톤 정보수신부(130)에 비해 많은 전력을 필요로 하고, 듀티 사이클 동작에서 더 많은 시간을 에너지 수집에 소모하게 된다.
다중 톤 신호수신부(130)는 수신신호의 크기가 임계값보다 작은 경우, 수신신호의 PAPR(Peak-to-Average Power Ratio)을 추정하여 복호할 수 있다. 구체적으로, 다중 톤 신호수신부(130)는 다중 톤 PAPR 변조를 활용하는 경우, 수신정보는 각 PAPR값에 매핑된다. 다중 톤 신호수신부(130)는 도시하지는 않았지만, 포락선 검출기 및 PAPR 검출기를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 포락선 검출기는 수신한 신호로부터 포락선을 검출하고, PAPR 추정기는 포락선을 이용해 신호의 PAPR을 구하고, 이로부터 매핑된 정보를 얻을 수 있다, PAPR 변조방법은 FF(Frequency Flat)한 채널에서 채널 추정이 필요하지 않고, 단순히 PAPR값만 구하면 정보를 복호할 수 있으므로 위상 정보와 에너지 정보를 구해야 하는 기존의 통신방법에 비해 더 적은 에너지를 소모한다. 또한, 다중 톤을 사용하므로 무선 전력 전송의 효율도 증가한다. 다중 톤 정보수신부(130)를 사용하는 경우, 듀티 사이클 동작에서 적은 에너지 수집시간으로도 자가 발전이 가능하다.
시분할 스위치(150)는 수신기의 앞단에 배치되어, 수신신호를 상기 에너지 수집부(110), 단일 톤 정보수신부(120), 다중 톤 정보수신부(130) 중 하나로 스위칭할 수 있다. 듀티 사이클 동작에 따라 시분할 스위치(150)가 적절한 수신부로 연결된다.
적응적 모드 스위칭 제어부(140)는 배터리 상태, 수신신호의 크기, 데이터 전송속도를 기초로 통신모드와 변조지수를 결정하고, 결정된 통신모드와 변조지수에 따라 시분할 스위치(150)를 제어할 수 있다. 적응적 모드 스위칭 제어부(140)는 듀티 비율과 변조지수에 따라 시분할 스위치(150)를 제어하여, 에너지 수집부(110), 단일 톤 정보수신부(120), 다중 톤 정보수신부(130) 중 하나를 선택할 수 있다.
적응적 모드 스위칭 제어부(140)는 제1, 제2 루프 알고리즘을 적용하여 임계값, 에너지 수집과 정보 디코딩을 구분하는 듀티 비율(duty ratio), 또는 변조지수(M 또는 Q)를 결정할 수 있다. 여기서, 제1, 제2 루프 알고리즘은 Iterative Inner/Outer Loop 알고리즘을 의미한다. 적응적 모드 스위칭 제어부(140)는 전송속도-에너지 수집 효율 간 tradeoff 최적화를 위한 모드 스위칭 임계값(Pth)을 조절하고, 임계값에 따라 단일/다중 톤 모드를 전환하고, 자가 발전을 위한 정보수신/에너지수집 듀티 사이클을 조절하고, 주어진 통신 모드에서 최적의 전송속도-에너지 수집 효율을 위한 변조지수(M, Q)를 선택할 수 있다. 적응적 모드 스위칭 제어부(140)는 주변 환경이 변화함에 따라 적응적으로 통신모드를 전환하며, 항상 최적의 전송속도-에너지 수집효율을 얻을 수 있도록 제어신호를 생성할 수 있다.
각 통신모드에서의 데이터 전송속도는 [수학식 4]과 같다.
Figure pat00013
여기서, ss(t)는 단일 톤 통신모드 송신신호, sm(t)는 다중 톤 통신모드 송신신호, B는 채널의 대역폭을, Dv는 v번째 시간 블록의 duty ratio로 duty cycle 동작에서 데이터를 수신하는데 소모되는 시간 대비 에너지 수집에 소모되는 시간의 비율을 뜻한다(<제 7도> 참조). 또한, outage probability Pout은 주어진 M 또는 Q에서의 Bit-Error Rate (BER) pb가 요구되는 target BER 조건(ptag)을 충족하지 못해 원활한 통신이 불가능할 확률을 의미한다.
또한, v번째 시간 블록에서 수집한 에너지(전력)(EEH)는 [수학식 5]와 같다.
Figure pat00014
여기서
Figure pat00015
는 에너지 수집부 정류기의 PCE 함수를 의미하고, PR은 수신신호의 크기를 의미하고, Tv는 v번째 시간 블록의 길이를 의미한다.
자가 발전을 위해 수신기의 배터리 상태는 하나의 시간 블록 내에서 [수학식 6]과 같은 에너지 자립 조건을 만족해야 한다.
Figure pat00016
EC,i(PC,i),i∈{s,m}은 각각 단일/다중 톤 신호를 복호하는데 소모되는 에너지(전력)을 의미하고, EEH(PEH)는 수신기가 듀티 사이클 동작에서 v번째 시간 블록에서 수집한 에너지(전력)을 의미한다.
적응적 모드 스위칭 제어부(140)는 [수학식 6]을 활용하여 자가 발전을 충족하면서 데이터 전송속도를 최대로 하기 위한 최적의 모드 전환 임계값(Pth)은 [수학식 7]과 같이 업데이트할 수 있다.
Figure pat00017
여기서, Ev[Rv]는 평균 전송속도, Pth는 통신모드를 스위칭하는 임계값, EEH는 v번째 시간블럭에서의 수집 에너지, EC,i는 소모 에너지, Pb는 변조지수에서의 BER(Bit Error Rate), Ptag는 타겟 BER을 나타낸다.
적응적 모드 스위칭 제어부(140)는 최적의 모드 전환 임계값(Pth)을 결정하기 위하여, long-term에 기반한 단일/다중 톤 통신모드를 선택하는 (P2)와 short-term에 기반한 정보수신/에너지수집 간 듀티 사이클 계산하는 (P3)로 분리하여 수행할 수 있다. 즉, (P2)와 (P3)를 제안하는 혼합 시간 스케일 방식의 제1, 제2 루프 알고리즘을 활용해 반복 수행하여 (P1)을 최적화할 수 있다.
이하, 도 7 내지 도 11을 참조하여 구체적인 최적화 과정을 설명하도록 한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 모드로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 위한 적응적 모드 전환 장치에 사용되는 시 분할 동작을 설명하기 위한 도면이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 모드로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 위한 듀티 사이클/변조지수의 최적화 주기와 임계값의 최적화 주기를 설명하기 위한 도면이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 모드로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 위한 적응적 모드 전환 장치의 적응적 모드 스위칭 제어부의 반복 제1/제2 루프 알고리즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 모드로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 위한 적응적 모드 전환 장치는 시간 블럭 단위(듀티 사이클)로 동작하고, 한 블럭 내에서 에너지 수집(EH: Energy Harvesting)과 정보 복호(ID: Information Decoding)을 함께 수행한다. 즉, 한 블럭 내에서 에너지 수집을 먼저 수행하고 나머지 구간에서 정보 복호를 수행하여 에너지 자립 조건을 만족하게 된다.
도 8 내지 도 9를 참조하면, 적응적 모드 스위칭 제어부(140)는 최적의 모드 전환 임계값(Pth)을 결정하기 위하여, long-term에 기반한 단일/다중 톤 통신모드를 선택하는 (P2)와 short-term에 기반한 정보수신/에너지수집 간 듀티 사이클 계산하는 (P3)로 분리하여 수행할 수 있다. 즉, (P2)와 (P3)를 제안하는 혼합 시간 스케일 방식의 제1, 제2 루프 알고리즘을 활용해 반복 수행하여 (P1)을 최적화할 수 있다.
먼저, Outer Loop에서 Long-Term 전송속도 최적화 문제 (P2)는 [수학식 8]과 같다.
Figure pat00018
여기서, Rv *는 inner loop로부터 오는 정보를 통해 계산된 v번째 시간 블록에서의 최적의 전송속도를 의미한다. 미리 설정된 윈도우 크기(W, window size) 동안 추정된 평균 수신전력(
Figure pat00019
)과 inner loop로부터 오는 정보(통신모드, D*, M*, Q*)를 활용하여 모드 전환 임계값을 업데이트하고, 새로운 임계값과 수신전력을 비교하여 통신모드를 선택한다. 선택된 통신 모드는 송신기로 피드백되고 동시에 inner loop에 입력된다.
Inner-Loop에서는 Outer-Loop로부터 전달된 모드 선택 정보를 활용하여 BER 조건을 만족하는 M 또는 Q의 집합을 찾고, 각각의 M과 Q로부터 듀티 비율 Dv를 계산한다. 이를 바탕으로, 데이터 전송속도가 최대가 되도록 하는 듀티 비율 Dv를 구한 뒤 대응하는 M 또는 Q를 다시 Outer-Loop에 입력한다. Inner-Loop에서 주어진 통신모드 및 v번째 시간 블록에서의 최적의 전송속도를 구하는 Short-Term 최적화 문제 (P3)는 [수학식 9]와 같이 결정된다.
Figure pat00020
여기서, Dv는 듀티 비율, Rv는 데이터 전송속도, PC,i는 소모 전력, PEH는 수집 전력을 나타낸다.
적응적 모드 스위칭 제어부(140)는 최적화된 임계값을 사용하여 다음 수신신호에 대한 듀티 비율과 변조지수의 최적화를 각 시간블럭마다 반복하여 수행할 수 있다. 적응적 모드 스위칭 제어부(140)는 미리 설정된 윈도우 사이즈에 대응하는 시간블록에 대하여 듀티 비율과 변조지수의 최적화가 완료되면, 임계값을 다시 업데이트할 수 있다.
이러한 방법으로 제1/제2 루프 알고리즘을 반복 적용하여 최적의 모드 전환 문턱값(Pth)을 업데이트할 수 있고, 송신기로 모드 전환 피드백 신호를 전송할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 모드로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 위한 적응적 모드 전환 방법을 설명하기 위한 흐름도이고, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 모드로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 위한 적응적 모드 전환 장치에서 사용되는 혼합 시간 스케일 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 모드로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 위한 적응적 모드 전환 방법은 아래 제1 단계 내지 제5 단계를 통해 수행될 수 있다.
먼저, 제1 단계(S1010)는 윈도우 크기, 통신모드를 전환하는 임계값, 각 통신모드의 듀티비율, 변조지수에 대한 초기값을 설정할 수 있다.
다음으로, 제2 단계(S1020)는 각 윈도우 크기마다 수신신호의 크기가 상기 임계값보다 큰지 판단할 수 있다. 이때, 제1 단계(S1010)에서 설정된 임의의 모드 전환 임계값(Pth)과 수신신호의 크기(PR,v)를 비교하여 통신모드를 결정할 수 있다.
제2 단계(S1020)의 판단 결과, 수신신호의 크기(PR,v)가 임계값(Pth)보다 큰 경우, 단일 톤 모드로 결정하고(S1030), 수신신호의 크기(PR,v)가 임계값(Pth)보다 작은 경우, 다중 톤 모드로 통신모드를 결정할 수 있다(S1050).
제3 단계(S1030, S1050)에서 통신모드가 결정되면, 각 시간블록마다 결정된 통신모드의 듀티비율과 변조지수를 최적화할 수 있다(S1040, S1060). 제4 단계는 상기 [수학식 9]를 이용하여 최적화할 수 있다.
시간블록의 개수를 증가시키며(S1070) 제3 단계 내지 제4 단계(S1030-S1060)를 반복 수행하되 시간블록의 개수가 윈도우 크기와 같아지면(S1080), 최적화된 통신모드, 듀티비율, 변조지수, 평균 수신신호의 크기를 이용하여 임계값을 최적화하여 재설정할 수 있다(S1090-S1110). 제5 단계는 상기 [수학식 8]에 의해 최적화할 수 있다. 임계값을 재설정한 후, 제1 단계 내지 제5 단계를 반복하여 수행할 수 있다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 모드로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 위한 적응적 모드 전환은 Outer-Loop가 윈도우 사이즈(예를 들어, W=3)마다 모드 전환 임계값을 long-term으로 업데이트하고, 이에 기반해 매 블록에서는 수신전력의 임계값에 따라 단일/다중 톤 모드를 선택한다. 또한, Inner-Loop에서 자가 발전을 위해 듀티 비율 Dv를 매 블록마다 업데이트 하므로 각각의 블록에서 매번 듀티 비율이 달라지는 것을 알 수 있다(T1, T2, T3에서의 D1, D2, D3, 등이 달라짐).
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 모드로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 위한 적응적 모드 전환 시스템을 도시한 도면이다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 모드로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 위한 적응적 모드 전환 시스템은 적응적 모드 전환 송신기(AP) 및 적어도 하나의 수신기(A 내지 E)를 포함하여 구성될 수 있다.
수신기는 앞서 설명한 에너지 수집부, 단일 톤 정보수신부, 다중 톤 정보수신부, 시분할 스위치, 수신환경에 따라 통신모드와 변조지수를 결정하여 시분할 스위치를 제어하는 적응적 모드 스위칭 제어부를 포함한다. 송신기는 적응적 모드 전환 수신기로부터 듀얼 모드 동작을 위한 모드 전환 피드백 신호를 수신하여 송신 신호를 생성할 수 있다.
본 발명에 따르면, 각 수신기들은 수신환경에 따라 서로 다른 통신모드, 변조지수를 결정하여 수신동작을 제어할 수 있다. 수신기 A는 근거리 고데이터율을 위한 Large M에서 동작하고, 수신기 B는 경계에서 싱글 톤에서 다중 톤 SWIPT로 전환하고, 수신기 C는 다중 톤 SWIPT, small Q로 동작하고, 수신기 D는 원거리, Large Q로 동작하고, 수신기 E는 최대 Q로 WPT 자가발전을 수행하는 것을 확인할 수 있다.
송신기는 수신기의 피드백 신호에 따라 단일 톤 통신방법 또는 다중 톤 통신방법 중 하나로 각 수신기로 데이터를 전송할 수 있다. 수신기는 수신신호의 크기를 임계값과 비교하여 통신모드, 변조지수를 결정할 수 있고, 듀티 비율, 임계값을 최적화시킬 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 적응적 모드 전환 장치(수신기)
110: 에너지 수집부 120: 단일 톤 정보수신부
130: 다중 톤 정보수신부 140: 적응적 모드 전환 제어부
150: 시분할 스위치

Claims (15)

  1. 듀얼 모드로 동작하는 무선전력과 정보를 동시전송하는 수신신호로부터 에너지를 수집하는 에너지 수집부;
    상기 수신신호의 크기가 임계값보다 큰 경우, 상기 수신신호의 진폭정보와 에너지 정보를 검출하여 복호하는 단일 톤 정보수신부;
    상기 수신신호의 크기가 임계값보다 작은 경우, 상기 수신신호의 PAPR(Peak-to-Average Power Ratio)을 추정하여 복호하는 다중 톤 정보수신부;
    상기 수신신호를 상기 에너지 수집부, 상기 단일 톤 정보수신부, 상기 다중 톤 정보수신부 중 하나로 스위칭하는 시분할 스위치; 및
    배터리 상태, 상기 수신신호의 크기, 데이터 전송속도를 기초로 통신모드와 변조지수를 결정하고, 상기 결정된 통신모드와 변조지수에 따라 상기 시분할 스위치를 제어하는 적응적 모드 스위칭 제어부;
    를 포함하는, 듀얼 모드로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 위한 적응적 모드 전환 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적응적 모드 스위칭 제어부는, 제1, 제2 루프 알고리즘을 적용하여 상기 임계값, 에너지 수집과 정보 디코딩을 구분하는 듀티 비율(duty ratio), 또는 변조지수(M 또는 Q)를 결정하는, 듀얼 모드로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 위한 적응적 모드 전환 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 적응적 모드 스위칭 제어부는, 상기 듀티 비율과 상기 변조지수에 따라 상기 시분할 스위치를 제어하여, 상기 에너지 수집부, 상기 단일 톤 정보수신부, 상기 다중 톤 정보수신부 중 하나를 선택하는, 듀얼 모드로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 위한 적응적 모드 전환 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 적응적 모드 스위칭 제어부는, 아래 수학식 (P1)에 의해 상기 임계값을 업데이트하는, 듀얼 모드로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 위한 적응적 모드 전환 장치.
    Figure pat00021

    (여기서, Ev[Rv]는 평균 전송속도, Pth는 통신모드를 스위칭하는 임계값, EEH는 v번째 시간블럭에서의 수집 에너지, EC,i는 소모 에너지, Pb는 변조지수에서의 BER(Bit Error Rate), Ptag는 타겟 BER을 나타냄)
  5. 제4항에 있어서,
    상기 적응적 모드 스위칭 제어부는, 아래 수학식 (P3)에 의해 듀티 비율을 최적화하여 전송속도를 최적화한 후 아래 수학식 (P2)에 의해 상기 최적화된 전송속도를 이용하여 상기 임계값을 최적화하는 방식으로 상기 임계값을 결정하는, 듀얼 모드로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 위한 적응적 모드 전환 장치.
    Figure pat00022

    Figure pat00023

    (여기서, Ev[Rv *]는 최적화된 평균 전송속도, Dv는 듀티 비율, Rv는 데이터 전송속도, PC,i는 소모 전력, PEH는 수집 전력을 나타냄)
  6. 제5항에 있어서,
    상기 적응적 모드 스위칭 제어부는, 상기 최적화된 임계값을 사용하여 다음 수신신호에 대한 듀티 비율과 변조지수의 최적화를 각 시간블럭마다 반복하여 수행하는, 듀얼 모드로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 위한 적응적 모드 전환 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 적응적 모드 스위칭 제어부는, 미리 설정된 윈도우 사이즈에 대응하는 시간블록에 대하여 상기 듀티 비율과 변조지수의 최적화가 완료되면, 상기 임계값을 다시 업데이트하는, 듀얼 모드로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 위한 적응적 모드 전환 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 적응적 모드 전환 장치가 수신기로 사용된 경우, 송신기로 듀얼 모드 동작을 위한 v번째 시간 블록에 해당하는 통신모드 전환신호 및 변조지수로 구성된 모드 전환 피드백 신호를 전송하는, 듀얼 모드로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 위한 적응적 모드 전환 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 송신기는, 단일 톤 모드를 선택한 경우, 아래 수학식과 같은 송신 신호를 전송하고,
    상기 수신기는, coarse amplitude path와 fine amplitude path를 통해 동시에 복호하는, 듀얼 모드로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 위한 적응적 모드 전환 장치.
    Figure pat00024

    (여기서, A는 변조된 신호의 진폭이고 θ는 변조된 신호의 위상이고, fc는 신호의 단일 톤 주파수를 나타냄)
  10. 제8항에 있어서,
    상기 송신기는, 다중 톤 모드를 선택한 경우, 아래 수학식과 같아 Q개의 선택 가능한 톤 중 N 개의 톤을 선택하여 송신 신호를 전송하는, 듀얼 모드로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 위한 적응적 모드 전환 장치.
    Figure pat00025

    (여기서, fn은 각 톤의 주파수를 의미하고, Φ는 최대의 송신 PAPR을 위해 정렬된 초기 위상을 나타냄)
  11. 듀얼 모드로 동작하는 무선전력과 정보를 동시전송하는 수신신호로부터 에너지를 수집하는 에너지 수집부, 상기 수신신호의 크기가 임계값보다 큰 경우, 상기 수신신호의 진폭정보와 에너지 정보를 검출하여 복호하는 단일 톤 정보수신부, 상기 수신신호의 크기가 임계값보다 작은 경우, 상기 수신신호의 PAPR(Peak-to-Average Power Ratio)을 추정하여 복호하는 다중 톤 정보수신부, 상기 수신신호를 상기 에너지 수집부, 상기 단일 톤 정보수신부, 상기 다중 톤 정보수신부 중 하나로 스위칭하는 시분할 스위치, 및 배터리 상태, 상기 수신신호의 크기, 데이터 전송속도를 기초로 통신모드와 변조지수를 결정하고, 상기 결정된 통신모드와 변조지수에 따라 상기 시분할 스위치를 제어하는 적응적 모드 스위칭 제어부를 포함하는 듀얼 모드로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 위한 적응적 모드 전환 수신기; 및
    상기 적응적 모드 전환 수신기로부터 듀얼 모드 동작을 위한 모드 전환 피드백 신호를 수신하여 송신 신호를 생성하는 송신기;
    를 포함하는,
    듀얼 모드로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 위한 시스템.
  12. 윈도우 크기, 통신모드를 전환하는 임계값, 각 통신모드의 듀티비율, 변조지수에 대한 초기값을 설정하는 제1 단계;
    각 윈도우 크기마다 수신신호의 크기가 상기 임계값보다 큰지 판단하는 제2 단계;
    상기 수신신호의 크기가 상기 임계값보다 큰 경우, 단일 톤 모드로 결정하고, 상기 수신신호의 크기가 상기 임계값보다 작은 경우, 다중 톤 모드로 통신모드를 결정하는 제3 단계;
    상기 통신모드가 결정되면, 각 시간블록마다 상기 결정된 통신모드의 듀티비율과 변조지수를 최적화하는 제4 단계; 및
    상기 시간블록의 개수를 증가시키며 상기 제3 단계 내지 상기 제4 단계를 반복 수행하되 상기 시간블록의 개수가 상기 윈도우 크기와 같아지면, 상기 최적화된 통신모드, 듀티비율, 변조지수, 평균 수신신호의 크기를 이용하여 상기 임계값을 최적화하여 재설정하는 제5 단계;
    를 포함하는, 듀얼 모드로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 위한 적응적 모드 전환 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 임계값을 재설정한 후, 상기 제1 단계 내지 제5 단계를 반복하여 수행하는, 듀얼 모드로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 위한 적응적 모드 전환 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제4 단계는, 아래 수학식 (P3)에 의해 최적화된 데이터 전송속도를 이용하여 듀티비율과 변조지수를 최적화하는, 듀얼 모드로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 위한 적응적 모드 전환 방법.
    Figure pat00026

    (여기서, Dv는 듀티 비율, Rv는 데이터 전송속도, PC,i는 소모 전력, PEH는 수집 전력을 나타냄)
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제5 단계는, 아래 수학식 (P2)에 의해 최적화된 평균 전송속도를 갖도록 임계값을 재설정하는, 듀얼 모드로 동작하는 무선전력/정보 동시전송을 위한 적응적 모드 전환 방법.
    Figure pat00027

    (여기서, Ev[Rv *]는 최적화된 평균 전송속도)
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