KR20200060286A - 멀티 홉 릴레이 방식의 무선 통신 시스템 및 방법 - Google Patents

멀티 홉 릴레이 방식의 무선 통신 시스템 및 방법 Download PDF

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한밭대학교 산학협력단
한밭대학교 산학협력단
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Abstract

본 기술은 멀티 홉 릴레이 방식의 무선 전력 전송 시스템 및 방법이 개시된다. 본 발명의 구체적인 예에 따르면, DF SWIPT 시스템의 각 릴레이 노드에서 최소 소스송신전력, 최대 시스템 목표 레이트 및 PS 비율에 대한 폐쇄형 솔루션을 통해 최적 소스송신전력 및 최적 시스템 레이트를 달성할 수 있는 릴레이 노드의 수를 도출할 수 있고, 이에 채널 용량 및 시스템 성능을 향상시킬 수 있다.

Description

멀티 홉 릴레이 방식의 무선 통신 시스템 및 방법{MULTI-HOP RELAY WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM AND METHOD}
본 발명은 멀티 홉 릴레이 방식의 무선 통신 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 멀티 홉 릴레이 방식으로 전력 및 정보 동시전송 빔포밍을 수행함에 있어, 전력분할비율에 대한 소스송신전력이 최소화되고 최적 전력분할비율에 대한 시스템의 레이트가 최대화되는 릴레이 노드의 수를 추정할 수 있도록 한 기술에 관한 것이다.
최근 멀티미디어 서비스를 제공하기 위해 전송 데이터의 대용량화 및 데이터 전송의 고속화가 진행되면서 한정된 주파수를 효율적으로 사용할 수 있는 다중 안테나 시스템(MIMO(Multiple Input Multiple Output))의 연구가 활발히 진행되고 있다.
이러한 다중 안테나 시스템은 안테나 별로 서로 독립적인 채널을 이용하여 데이터를 전송하여 추가적인 주파수나 송신 전력 할당 없이도 단일 안테나 시스템에 비해 전송 신뢰도와 전송률을 증가시킬 수 있다.
다중 사용자 환경의 다중 안테나 시스템은 비선형 방식의 프리코딩(Pre-coding) 방식인 더티 페이퍼 코딩(Dirty Paper Coding)을 이용하여 사용자들간 또는 안테나들간 간섭을 제거한다.
더티 페이퍼 코딩은 채널에서 잡음 신호 외에 간섭 신호가 존재하는 상황에서 간섭 신호를 전송단이 미리 알고 있을 때, 수신단에서 간섭 신호의 영향을 받지 않도록 하는 전송단에서의 간섭 신호 제거 기법이다. 즉, 신호 A는 사용자 A에게 보내고자 하는 신호라 하고, 신호 B는 사용자 B에게 보내고자 하는 신호라 가정할 때, 신호A를 신호 B와 적절한 연관 관계로부터 먼저 처리하여 잡음과 같은 신호(A')를 만들어서 신호 B와 더해서 채널로 전송한다. 이 신호를 수신한 사용자 B는 원래 신호 B에 채널로부터의 잡음과 처리된 신호(A') 모두 잡음으로 간주하고 복호하면, 사용자 A는 가공된 잡음(A')으로부터 완벽하게 신호 A를 복원해 낼 수 있으며, 이를 더티 페이퍼 코딩이라 한다.
이러한 DPC 기술은 셀룰러(Cellular) 이동전화망과 같은 싱글홉(Single-hop) 무선망에서의 MIMO(Multi-Input Multi-Output) 다중안테나 활용 기술로서 개발되었다.
그러나 현재의 무선망은 셀룰러 또는 와이파이(WiFi)등과 같이 싱글홉 형태의 무선망이 주류를 이루고 있으나 4G, 와이브로, 메쉬등 차세대 무선망은 멀티홉(Multi-hop) 형태의 망 구성이 필수화되어 가고 있다.
이러한 멀티홉 릴레이 방식의 WPCN에서 무선통신 노드가 전력과 정보를 동시에 전송하는 기술을 무선전력 및 정보 동시전송(simultaneous wireless information and power transfer; SWIPT)이라 한다. WPCN, WPT 및 SWIPT 시스템의 구현과 이러한 시스템의 잠재적 이익을 이용하기 위한 연구개발이 진행되고 있다.
최근, SWIPT의 아이디어는 비재생성(non-regenerative) 및 재생성(regenerative) 릴레이 시스템으로 확장되고 있다. 비재생성 릴레이 시스템의 경우, 각 릴레이는 받은 신호를 디코딩하지 않고 그대로 전달한다. 재생성 릴레이 시스템의 경우, 각 릴레이는 받은 신호를 우선 디코딩하고, 디코딩된 메시지를 기반으로 전송신호를 생성한다.
비재생성 및 재생성 릴레이 시스템의 협조에 대한 연구는 증폭 후 전달(amplify-and-forward; AF) 및 복호 후 전달(decode-and-forward; DF) 규약으로 집중된다. AF와 DF 시스템에 대해, 시간 전환(time switching; TS)과 전력 분할(power splitting; PS)에 기반 한 릴레이 규약이 특별히 연구되고 있다.
M. Mao, N. Cao, Y. Chen, and Y. Zhou, "Multi-hop relaying using energy harvesting," IEEE Wireless Commun. Letters, vol. 4, pp. 565-568, Oct. 2015. L. Liu, R. Zhang, and K.-C. Chua, "Wireless information and power transfer: A dynamic power splitting approach," IEEE Trans. on Commun.,vol. 61, pp. 3990-4001, Sep. 2013. H. Lee, K.-J. Lee, H. Kim, and I. Lee, "Wireless information and power exchange for energy-constrained device-to-device communications,"IEEE Internet of Things J., vol. 5, pp. 3175-3185, Aug. 2018. R. Zhang and C. K. Ho, "MIMO broadcasting for simultaneous wireless information and power transfer," IEEE Trans. on Wireless Commun.,vol. 12, pp. 1989-2001, May 2013.
이에 본 발명은, 소스송신전력을 최소화할 수 있고 시스템 레이트를 최대화할 수 있는 릴레이 노드의 수를 추정함에 따라, 양호한 SNR 및 채널 용량을 얻을 수 있고, 이에 시스템 성능을 향상시킬 수 있는 멀티 홉 릴레이 방식의 무선 전력 통신 시스템 및 방법을 제공하고자 하는 것을 목적으로 한다.
일 실시 예의 양태에 따르면, 일 실시 예의 밀티홉 릴레이 방식의 무선 전력 통신 시스템은,
소스 노드, 멀티홉 방식으로 전력 및 정보를 동시에 빔포밍을 수행하는 다수의 릴레이 노드, 및 목적지 노드를 포함하는 멀티 홉 중계 방식의 무선 전력 전송 시스템에 있어서,
상기 릴레이 노드는,
소스 노드의 RF 신호를 송신하는 수신부;
상기 RF 신호에 대해 최소 소스송신전력과 최대 시스템 레이트를 가지는 최대 릴레이 노드의 수를 도출하고 수신된 RF 신호에서 에너지 하베스트(EH) 및 정보 디코딩(ID)에 대한 전력분할 비율(PS ratio)로 토대로 분할하는 제어부; 및
상기 제어부의 분할된 전력 및 정보를 동시에 다음 릴레이 노드 순차 빔포밍하는 송신부를 포함하는 송신부를 포함하고,
다수의 릴레이 노드는 도출된 최대 릴레이 노드의 수인 것을 일 특징으로 할 수 있다.
바람직하게 상기 제어부는,
전력분할비율에 대한 소스송신전력의 최소화 문제의 해로 최적 소스송신전력와 최적 전력분할비율을 도출하고,
도출된 최적 전력분할비율에 대해 시스템 레이트의 최대화 문제의 해로 최적 시스템 레이트를 도출하며,
도출된 최적 소스송신전력으로부터 최적 시스템 레이트에 도달하기 위한 최대 릴레이 노드의 수를 도출하도록 구비될 수 있다.
바람직하게 상기 최적 소스송신전력은,
소스송신전력의 최소화 문제의 해가 비볼록이므로, 재구성된 등가 불록 문제의 해로 도출되며, 재구성된 등가 볼록 문제에 대해 라그랑지안 및 KKT 조건을 통해 최적 소스송신전력을 도출하도록 구비될 수 있으며, 상기 최적 소스송신전력은,
각 릴레이 노드로부터 도출된 노이즈 분산, 에너지 하베스트 효율, SNR, 채널 정보, 및 전력분할비율을 토대로 정해진 하기 관계식 1로 도출될 수 있다.
[관계식 1]
Figure pat00001
여기서,
Figure pat00002
는 노이즈 분산,
Figure pat00003
는 에너지 하베스트 효율,
Figure pat00004
이며,
Figure pat00005
는 SNR 이고,
Figure pat00006
는 채널 정보이다.
바람직하게 상기 최적 전력분할비율은
각 릴레이 노드의 전력분할비율, 에너저 하베스트 효율, 및 채널 정보를 기반으로 설정된 관계식 2로부터 도출될 수 있다.
[관계식 2]
Figure pat00007
여기서
Figure pat00008
는 전력분할비율이다.
바람직하게 상기 최적 시스템 썸레이트는,
소스송신전력, 노이즈 분산, 전력분할비율, 채널 정보를 토대로 설정된 관계식 3을 토대로 도출될 수 있다.
[관계식 3]
Figure pat00009
여기서,
Figure pat00010
는 소스송신전력,
Figure pat00011
는 노이즈 분산,
Figure pat00012
는 에너지 하베스트 효율,
Figure pat00013
,
Figure pat00014
는 채널 정보이다.
바람직하게 상기 최대 릴레이 노드의 수는,
소스송신전력량, 노이즈 분산, SNR, 에러지 하베스트 효율, 및 채널 정보를 기반으로 설정된 관계식 4에 의거 추정될 수 있다.
[관계식 4]
Figure pat00015
여기서,
Figure pat00016
는 소스송신전력량이다.
일 실시 예의 다른 양태에 의하면, 일 실시 예의 멀티 홉 중계 방식의 무선 전력 전송 방법은,
소스 노드, 멀티홉 방식으로 전력 및 정보를 동시에 빔포밍을 수행하는 다수의 릴레이 노드, 및 목적지 노드를 포함하는 멀티 홉 중계 방식의 무선 전력 전송 방법에 있어서,
전력분할비율에 대한 소스송신전력의 최소화 문제의 해로 최적 소스송신전력와 최적 전력분할비율을 도출하는 단계;
도출된 최적 전력분할비율에 대해 시스템 레이트의 최대화 문제의 해로 최적 시스템 레이트를 도출하는 단계; 및
도출된 최적 소스송신전력으로부터 최적 시스템 레이트에 도달하기 위한 최대 릴레이 노드의 수를 추정하도록 구비될 수 있다.
바람직하게 상기 최적 소스송신전력은,
소스송신전력의 최소화 문제의 해가 비볼록이므로, 재구성된 등가 불록 문제의 해로 도출되며, 재구성된 등가 볼록 문제에 대해 라그랑지안 및 KKT 조건을 통해 최적 소스송신전력을 도출하도록 구비될 수 있다.
바람직하게 상기 최적 소스송신전력은,
각 릴레이 노드로부터 도출된 노이즈 분산, 에너지 하베스트 효율, SNR, 채널 정보, 및 전력분할비율을 토대로 정해진 하기 관계식 11로 도출될 수 있다.
[관계식 11]
Figure pat00017
여기서,
Figure pat00018
는 노이즈 분산,
Figure pat00019
는 에너지 하베스트 효율,
Figure pat00020
이며,
Figure pat00021
는 SNR 이고,
Figure pat00022
는 채널 정보이다.
바람직하게 상기 최적 전력분할비율은
각 릴레이 노드의 전력분할비율, 에너저 하베스트 효율, 및 채널 정보를 기반으로 설정된 관계식 12로부터 도출될 수 있다.
[관계식 12]
Figure pat00023
여기서
Figure pat00024
는 전력분할비율이다.
바람직하게 상기 최적 시스템 썸레이트는,
소스송신전력, 노이즈 분산, 전력분할비율, 채널 정보를 토대로 설정된 관계식 13을 토대로 도출할 수 있다.
[관계식 13]
Figure pat00025
여기서,
Figure pat00026
는 소스송신전력,
Figure pat00027
는 노이즈 분산,
Figure pat00028
는 에너지 하베스트 효율,
Figure pat00029
,
Figure pat00030
는 채널 정보이다.
바람직하게 상기 최대 릴레이 노드의 수는,
소스송신전력량, 노이즈 분산, SNR, 에러지 하베스트 효율, 및 채널 정보를 기반으로 설정된 관계식 14에 의거 추정될 수 있다.
[관계식 14]
Figure pat00031
여기서,
Figure pat00032
는 소스송신전력량이다.
본 발명에 따르면 멀티 홉 릴레이 방식으로 전력 및 정보 동시전송 빔포밍을 수행함에 있어, 전력분할비율에 대한 소스송신전력이 최소화되고 최적 전력분할비율에 대한 시스템의 레이트가 최대화되는 릴레이 노드의 수를 추정함에 따라, 양호한 SNR 및 채널 용량을 획득할 수 있고, 이에 시스템 성능을 향상시킬 수 있다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 실시 예의 멀티홉 릴레이 방식을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 본 실시 예의 최적 시스템 레이트를 설명하기 위한 그래프들이다.
도 3은 본 실시 예의 각 릴레이 노드 하베스트 에너지를 보인 예시도들이다.
도 4는 본 실시 예의 릴레이 노드와 시스템 SNR을 보인 그래프들이다.
도 5는 본 실시 예의 SNR 대비 평균 최소 소스송신전력을 보인 그래프
도 6은 본 실시 예의 노드간의 거리대 최소 소스송신전력 그래프이다.
도 7은 본 실시 예의 릴레이 노드 수 대 소스송신전력 그래프이다.
도 8은 본 실시 예의 목표 시스템 레이트 대 소스송신전력 그래프이다.
도 9는 본 실시 예의 소스송신전력증가에 대한 시스템 처리량 그래프이다.
도 10은 본 실시 예의 릴레이 노드의 수 대 목표 시스템 레이트 그래프이다.
도 11은 본 실시 예의 거리 대비 평균 시스템 레이트 그래프이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에서 사용되는 "부"라는 용어는 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, "부"는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 "부"는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. "부"는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다.
따라서, 일 예로서 "부"는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 "부"들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 "부"들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 "부"들로 더 분리될 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략한다.
본 발명의 실시 예에서 시스템 레이트는 설명 상의 편의를 위해 시스템의 전송률로 혼용하여 설명할 수 있고, 채널 용량을 목표 레이트로 혼용하여 설명할 수 있다.
도 1은 본 실시 예의 멀티 홉 릴레이 방식의 무선 전력 통신 시스템을 나타내는 개념도이다. 도 1을 참조하면, 소스 노드(110), 멀티 홉 DF SWIPT 릴레이 노드(120, 이하 릴레이 노드로 약칭함)와, 목적지 노드(130)로 구성된다.
도 1을 참조하면, 소스 노드(110) 및 목적지 노드(130)는 자체 에너지 원을 보유하고 있고, 각 릴레이 노드(120)는 슈퍼 캐패시터와 무선 신호(RF)에서 정보 디코딩 및 에너지 하베스트(EH)를 동시에 빔포밍하도록 구비될 수 있다. 또한 소스 노드(110)와 목적지 모드(130) 간의 직접적인 연결은 없다고 가정한다.
여기서, 각
Figure pat00033
릴레이 노드(120)는 수신부(121), 제어부(123), 및 송신부(125)을 포함한다.
이에 소스 노드(110)로부터 전송된 RF 신호는 k 릴레이 노드(120)의 수신부(121)로 수신된다. 수신된 RF 신호는 안테나 노이즈와 결합하여 제어부(123)로 전달되고, k 릴레이 노드(120)는 전송받은 신호를 다음 k+1 릴레이 노드(120)로 전송하기 위해 전송 받은 RF 신호에서 전력을 하베스트한다.
즉, 각 릴레이 노드(120)는 슈퍼 캐패시터를 이용하여 이전 릴레이 노드(120)로부터 수신부(121)에 의거 전달받은 정보를 해독한 다음 릴레이 노드(120)로 재전송하기 위해 하베스트된 전력을 소비하여야 한다.
또한 릴레이 노드(120)는 DF(Decoding and Forward) 방식의 전력 및 정보 동시 전송 빔포밍을 수행하기 위해 전력분할비율을 통해 RF 신호에서 전력을 하베스트해야 한다.
수신된 k 릴레이 노드의 RF 신호는 다음 수학 식 1로 주어진다.
[수학식 1]
Figure pat00034
여기서,
Figure pat00035
는 이전 릴레이 노드 k-1 와 릴레이 노드 k 사이의 채널 계수이고,
Figure pat00036
는 릴레이 노드 k 의 안테나 노이즈이며,
Figure pat00037
는 이전 릴레이 노드 k-1 로부터 정보 신호이다.
Figure pat00038
는 소스 노드(110) 이후의 모든 소스 노드의 총 수로 정의된다(즉, 릴레이 노드 및 목적지 노드의 총 수이다).
제어부(123)에서 k 릴레이 노드에서 수신된 RF 신호는 에너지 하베스트(EH) 및 정보 디코딩(ID)에 대한 전력분할 비율(PS ratio) r 로 토대로 분할된다.
여기서, 릴레이 노드 k 에서의 에너지 하베스 EH의 수신 신호 및 정보 디코더 ID의 수신 신호 각각은 다음 수학 식 2 및 3으로 나타낸다.
[수학식 2]
Figure pat00039
[수학식 3]
Figure pat00040
여기서,
Figure pat00041
는 릴레이 노드의 정보 디코더에서 유도된 부가 노이즈이다.
수학식 2) 및 3)으로부터 릴레이 노드 k 에서 하베스트된 에너지
Figure pat00042
는 다음 수학식 4를 만족한다.
[수학식 4]
Figure pat00043
여기서,
Figure pat00044
는 릴레이 노드 k 에서의 에너지 하베스트 효율이고,
Figure pat00045
는 소스 노드(100)의 소스송신전력이고,
Figure pat00046
는 랜덤 변수 X 에 대한 기대 연산이며, 목표 레이트
Figure pat00047
는 다음 수학식 5를 만족한다.
[수학식 5]
Figure pat00048
여기서, 비특허문헌 1 내지 3에 의거 정보 디코더 ID의 잡음 전력에 비해 안테나 노이즈는 무시할 정도로 작은 값이므로 수학식 5에서
Figure pat00049
이다.
이에 제어부(123)는 전력분할비율에 대해 소스송신전력과 시스템 레이트를 통합 최적하여야 한다. 이에 우선 멀티 홉 릴레이 노드 각각에 대해 신호 대 잡음 비(SNR) 제약 하에서 소스송신전력
Figure pat00050
는 최소화되어야 하고 소스송신전력
Figure pat00051
의 최소화 문제는 수학식 6을 만족한다.
[수학식 6]
Figure pat00052
Figure pat00053
여기서,
Figure pat00054
는 소스 노드에서 목적지까지 신뢰할 수 있는 데이터 전송을 위한 SNR 제약 조건이다.
제어부(123)에서 모든 시스템의 목표 레이트 R 는 각 릴레이 노드의 레이트에 대한 최대화로 설정되므로, 이에 시스템의 목표 레이트 R 대한 최대화 문제는 다음 수학식 7을 만족한다.
[수학식 7]
Figure pat00055
여기서
Figure pat00056
이다.
이에 제어부(123)는 전력분할비율
Figure pat00057
및 소스송신전력
Figure pat00058
의 통합 최적화를 수행하기 위해, 각각의 소스송신전력
Figure pat00059
및 전력분할비율
Figure pat00060
에 대해 최적화되어야 한다. 수학식 6의 소스송신전력의 최소화 문제는 비볼록(non-convex) 이므로 4개의 새로운 변수 정의를 도입하여 등가 볼록 문제로 재구성되고, 재구성된 등가 볼록 문제는 다음 수학식 8로 표현된다.
[수학식 8]
Figure pat00061
여기서, 4개의 새로운 변수 정의는
Figure pat00062
,
Figure pat00063
, 및
Figure pat00064
이다. 첫번째 제약이
Figure pat00065
를 만족하는 경우 두번째 제약이 만족되므로, 두번째 제약
Figure pat00066
는 제거된다.
이에 수학식 8의 소스송신전력에 대한 라그랑지안(Lagrangian)은 다음 수학식 9로 나타낼 수 있다.
[수학식 9]
Figure pat00067
그리고 KKT 조건(Karush-Kuhn-Tucker condition)은 다음 수학식 10 및 11로 표현된다.
[수학식 10]
Figure pat00068
[수학식 11]
Figure pat00069
여기서,
Figure pat00070
는
Figure pat00071
와
Figure pat00072
각각에 해당되는 듀얼 변수이다. 그리고
Figure pat00073
이면, 소스송신전력에 대한 라그랑지안의
Figure pat00074
은
Figure pat00075
로 주어지고 듀얼 함수는 무한(unbounded)이다. 또한
Figure pat00076
이면
Figure pat00077
이므로 무한 듀얼 함수는 다시 산출된다.
그러므로,
Figure pat00078
추론을 적용하면 KKT 조건은 다음 수학식 12 내지 14와 같이 정리된다.
[수학식 12]
Figure pat00079
[수학식 13]
Figure pat00080
[수학식 14]
Figure pat00081
전술한 수학식 12로부터 최적 소스송신전력
Figure pat00082
은 다음 수학식 15로부터 획득된다.
[수학식 15]
Figure pat00083
그리고 상보 여분 조건(complementary slackness condition)으로부터 두 케이스는 다음 수학식 16과 같이 나타낸다.
[수학식 16]
Figure pat00084
케이스 1의 경우,
Figure pat00085
이고,
Figure pat00086
이다. 임의로 주어진 SNR
Figure pat00087
으로 수학식 8의 문제의 해를 풀 수 없다.
따라서,
Figure pat00088
에 대해,
Figure pat00089
는 항상 양수이다.
Figure pat00090
를 만족하므로, 모든 최적 이중 변수들은 양수 있거나 같다.
이에 수학식 13 및 14의 상보 여분 조건은 다음 수학식 17과 같다.
[수학식 17]
Figure pat00091
여기서,
Figure pat00092
이므로, 최적 이중 변수
Figure pat00093
는 다음 수학식 18로 주어진다.
[수학식 18]
Figure pat00094
수학식 18은 수학식 11로부터 획득할 수 있다. 그리고 수학식 15에 수학식 18을 대신하면, 최적 소스송신전력
Figure pat00095
는 다음 수학식 19와 같다.
[수학식 19]
Figure pat00096
그리고, 최적 소스송신전력
Figure pat00097
를 수학식 (6)의 첫번째 제한에 삽입하면, 동등한 전력분할비율
Figure pat00098
로 최적 전력분할비율
Figure pat00099
는 다음 수학식 20와 같다.
[수학식 20]
Figure pat00100
따라서, 수학식 6의 소스송신전력
Figure pat00101
에 대한 최적 소스송신전력
Figure pat00102
및 최적 전력분할비율
Figure pat00103
는 각각 다음과 같이 유도된다.
Figure pat00104
,
Figure pat00105
결국, 최적의 소스송신전력 및 최적 전력분할비율에 대한 해로부터, 최적 소스송신전력
Figure pat00106
는 에너지 하베스트 효율, 노이즈, 에너지 효율, 및 SNR
Figure pat00107
에 종속되고, 각 릴레이 노드의 전력분할비율은 최적의 소스송신전력에 의해 결정될 수 있다. 즉, 최적 소스송신전력은
Figure pat00108
는 각 릴레이 노드의 최적 전력분할비율
Figure pat00109
에 영향을 미치지 아니한다.
이에 최적 소스송신전력
Figure pat00110
은 각 릴레이 노드의 전송 SNR 의 합
Figure pat00111
에 비례한다. 즉, 비례 상수
Figure pat00112
에 대해,
Figure pat00113
이다.
또한, 일 실시 예는 DF SWIPT 시스템의 릴레이 노드 수가 증가될 때, 통신을 지원하는데 필요한 최소 소스송신전력이 증가됨을 추론할 수 있다.
예를 들어,
Figure pat00114
이 동일하다고 가정하면, 즉, 각 릴레이 노드가 같은 채널 특성, 에너지 하베스트 효율, 노이즈 분산을 가진다고 가정하면, 최적 소스송신전력
Figure pat00115
는
Figure pat00116
이 된다. 이에 릴레이 노드의 수 N 이 증가함에 따라,
Figure pat00117
이고
Figure pat00118
을 만족하므로,
Figure pat00119
는 1보다 더 감소한다. 여기서, a 는 경로 손실이다.
따라서, 노드의 수가 증가될수록 최적 소스송신전력
Figure pat00120
는 기하 급수적으로 증가한다.
또한 일 실시 예는 현재 릴레이 노드의 최적 전력분할비율
Figure pat00121
에 대한 수학식 20을 통해 최적 전력분할비율
Figure pat00122
는 이전 릴레이 노드의 전력분할비율
Figure pat00123
j=1, 2, .. k-1 의 곱에 종속이고 최적 소스송신전력
Figure pat00124
에 독립적임을 알 수 있다.
한편,
Figure pat00125
이므로, 현재 릴레이 노드는 이전 릴레이 노드 보다 작은 에너지를 수집하지만 더 많은 정보 신호를 디코딩한다.
시스템 레이트에 대한 최적화 문제는 DF SWIPT 릴레이 프로토콜에 의거 다음 수학식 21로 공식화한다.
[수학식 21]
Figure pat00126
또한 수학식 21은 다음 수학식 22로 재구성할 수 있다.
[수학식 22]
Figure pat00127
여기서,
Figure pat00128
는 릴레이 노드 k의 SNR 이다. 그리고 새로운 시스템 SNR 제약 변수
Figure pat00129
를 도입하면, 수학식 22의 시스템 레이트에 대한 최적화 문제는 수학식 23으로 재구성된다.
[수학식 23]
Figure pat00130
수학식 23과 두번째 제약으로부터 시스템 레이트
Figure pat00131
최대화 문제의 해는 시스템의 최소 채널 용량을 추론할 수 있다.
따라서, 일 실시 예는 수학식 23의 해를 통해 각 홉의 레이트가
Figure pat00132
보다 작지 아니한 (즉,
Figure pat00133
) 최적 전력분할비율
Figure pat00134
의 해를 얻을 수 있다.
즉, 변수
Figure pat00135
으로 변동될 때, 수학식 23의 비볼록(non convex) 문제는 다음 수학식 24)의 등가 볼록 공식으로부터 변환할 수 있다.
[수학식 24]
Figure pat00136
수학식 24의 첫번째 및 두번째 제약은 수학식 8의 제약과 유사하다. 따라서, 수학식 24에서 두번째 제약 조건도 무시할 수 있고, 이에 수학식 24의 최적 시스템 레이트
Figure pat00137
를 위한 라그랑지안은 다음 수학식 25로 표현된다.
[수학식 24]
Figure pat00138
여기서 KKT 조건은 수학식 26 내지 28로 주어진다.
[수학식 26]
Figure pat00139
[수학식 27]
Figure pat00140
[수학식 28]
Figure pat00141
수학식 27을 사용하면
Figure pat00142
과
Figure pat00143
를 만족한다.
이러한 추론을 토대로 상기 나머지 KKT 조건은 다음 수학식 29 내지 31와 같이 수정된다.
[수학식 29]
Figure pat00144
[수학식 30]
Figure pat00145
[수학식 31]
Figure pat00146
최적 이중 변수
Figure pat00147
는 수학식 32로부터 유도된다.
[수학식 32]
Figure pat00148
여기서,
Figure pat00149
를 알면, 모든 최적 이중 변수는 수학식 32를 토대로 음수이다. 또한 수학식 32를 수학식 30에 대입하면 최적 시스템 전송률
Figure pat00150
는 다음 수학식 33 및 34로 도출된다.
[수학식 33]
Figure pat00151
[수학식 34]
Figure pat00152
Figure pat00153
이므로, 최적 시스템 레이트
Figure pat00154
는 다음 수학식 35로 표현된다.
[수학식 35]
Figure pat00155
수학식 24로부터 최적 전력분할비율
Figure pat00156
는 다음 수학식 36으로 나타낼 수 있다.
[수학식 35]
Figure pat00157
여기서 첫번째 제약 조건에 최적 시스템 레이트
Figure pat00158
가 적용되고 최적 전력분할비율
Figure pat00159
가 동일하다.
이에 일 실시 예는 최적 시스템 레이트에 대한 목표 레이트
Figure pat00160
는 DF SWIPT 시스템은
Figure pat00161
로 표현되고 여기서,
Figure pat00162
로 나타내며, 최적 전력분할비율
Figure pat00163
는 다음과 같이 추론될 수 있다.
Figure pat00164
도 2는 최적 시스템 레이트
Figure pat00165
의 설명하기 위한 그래프로서, (a)는 각 릴레이 노드에서 목적지 노드 각각의 목표 레이트를 보인 도면이고 (b)는 최소 레이트의 전력 분할 비율이 최적화되고 오름차순으로 재 배열된 노드 레이트의 상태를 보인 도면이며, (c)는 동일 레이트에 도달할 때까지의 전력분할비율을 토대로 개별 레이트가 조정된 제1 및 제2 노드를 보인 도면이고, (d)는 대부분의 시스템이 최적 시스템 레이트에 도달할 때 가지의 전력분할비율을 기초로 조정된 성공한 노드 레이트를 보인 도면이다.
도 2를 참조하여 릴레이 노드와 목적 노드를 포함하는 N 각각의 노드가 서로 다른 개별의 목표 레이트
Figure pat00166
에 도달함을 알 수 있고, 각각 목표 레이트는
Figure pat00167
와 같이 오름 차순으로 정렬할 수 있다, 여기서,
Figure pat00168
는 목표치에 도달된 레이트를 토대로 N 노드 각각의 새로운 주문 번호(ordering number)이다.
그리고 릴레이 노드의 레이트는 각각의 전력분할비율
Figure pat00169
의 함수이고 각 릴레이 노드의 레이트는 전력분할비율
Figure pat00170
의 증가 또는 감소에 의해 증가되거나 감소하며, 시스템은 첫번째 단계에서
Figure pat00171
는 최소 채널 용량 이므로
Figure pat00172
에 제한된다. 최적 전력분할비율
Figure pat00173
의 감소 및 최적 전력분할비율
Figure pat00174
의 증가에 의해 시스템의 전송률은
Figure pat00175
에 도달할 수 있다.
일 실시예에서 최소 전송률은
Figure pat00176
에 의해 제한된다. 선행 노드에 대해 동일한 처리에 의해 시스템 레이트는
Figure pat00177
에 도달한다. 동일한 프로세서를 반복하여 모든 후속 노드에 적용하면 시스템은 최적 레이트
Figure pat00178
를 얻을 수 있다.
N 노드 각각에서 최적 전력분할비율는 폐쇄형 해로 도출된다. 이러한 최적 전력분할비율은 최소 시스템의 신호대 잡음 비(SNR)
Figure pat00179
를 만족하고 각각의 노드의 최소 목표 전송률은
Figure pat00180
에 도달된다.
이하에서 시스템 레이트를 최대화하기 위한 수학식 7에 대한 폐쇄형 해를 도출함에 있어, 최적 시스템 레이트
Figure pat00181
와 최적 전력분할비율
Figure pat00182
에 대한 폐쇄형 해는 최적 소스송신전력
Figure pat00183
와 최적 전력분할비율
Figure pat00184
에 대한 폐쇄형 해와 유사하므로, 소스송신전력 및 예상되는 최적 시스템 레이트를 고려한 릴레이 노드의 수는 후술될 수학식 (38)에 의해 찾을 수 있다.
또한 시스템의 목표 레이트 또는 최소 레이트가 주어지면, 다음 수학식 (37)이 연산될 수 있다.
[수학식 37]
Figure pat00185
수학식 37로부터 최적 소스송신전력
Figure pat00186
는
Figure pat00187
에 비례하고 최적 시스템 레이트
Figure pat00188
은
Figure pat00189
이 반비례하므로, 릴레이 노드가 증가되면 전송이 필요한 최소 소스송신전력량은 증가되나 시스템 목표 레이트는 감소된다. 따라서, 수학식 7과 수학식 6은 동일함은 명백하다.
수학식 37로부터 주어진 소스송신전력량
Figure pat00190
과 시스템 요구 사항을 만족하는 릴레이 노드의 수를 추정할 수 있고,
Figure pat00191
이 주어지면
Figure pat00192
에 대한 기하학적 진행 합계 방정식인 수학식 37은 소스송신전력량
Figure pat00193
에 의해 지원되는 릴레이 노드의 최대 수를 다음 수학식 38에 의거 얻을 수 있다.
[수학식 38]
Figure pat00194
여기서, 수학식 37의 N 은 목적지 노드를 포함하므로 릴레이 노드의 수 K는 N-1이 된다. 고정된
Figure pat00195
가 무선 센서 네트워크의 소스에 의해 미리 결정되었다고 가정하면, 미리 결정된
Figure pat00196
는 릴레이 노드 N에서 수학식 38에 의해 릴레이 노드의 수 K를 추정하는데 사용된다.
즉, 근사치
Figure pat00197
를 이용하여 주어진 소스송신전력으로 지원되는 릴레이 노드의 수는 단계적으로 추정할 수 있다.
여기서, 최적 소스송신전력
Figure pat00198
를 확장하면 최적 소스송신전력
Figure pat00199
는 다음 수학식 39를 만족한다.
[수학식 39]
Figure pat00200
이에 최적 소스송신전력
Figure pat00201
는 기하학적 진행 합계 방정식으로
Figure pat00202
나타내며 여기서, 에너지 하베스트 효율은
Figure pat00203
이고,
Figure pat00204
으로 나타낸다.
N에 대해, 다음 수학식 41 내지 44가 도출된다.
[수학식 41]
Figure pat00205
[수학식 42]
Figure pat00206
[수학식 43]
Figure pat00207
[수학식 44]
Figure pat00208
기하학적 진행 합계 방정식의 해는
Figure pat00209
,
Figure pat00210
이고,
Figure pat00211
,
Figure pat00212
일 때 N은 다음 수학식 45이다.
[수학식 45]
Figure pat00213
이다.
여기서, 에너지 하베스트 효율
Figure pat00214
와
Figure pat00215
를 기 정해진 값으로 대체하면 릴레이 노드 K 는 다음 수학식 46으로 정의될 수 있다.
[수학식 46]
Figure pat00216
여기서, 최적 소스송신전력
Figure pat00217
은
Figure pat00218
로 대체 지원할 수 있는 릴레이 노드의 수는 대략적으로 제공될 수 있으며, 수학식 46의 해는 양의 값을 가지므로
Figure pat00219
역시 양의 값에 종속적임을 알 수 있다.
시뮬레이션 결과
Figure pat00220
는 라지 스케일 신호이고,
Figure pat00221
은 제로 평균 및 수학식 25 및 26의 단위 분산을 가지는 순환 복수 가우시안 분포이며, 채널 모델
Figure pat00222
인 경우 라지 스케일 신호
Figure pat00223
는 수학식 25 및 26으로부터
Figure pat00224
정의된다. 여기서
Figure pat00225
에 대해 고정 감쇠는
Figure pat00226
이다.
Figure pat00227
는 1m의 기준 거리 들이고, 이 거리 사이에 각각 전송기과 수신기가 존재하는 경우 경로손실 지수
Figure pat00228
는 3이다. 노이즈 분산
Figure pat00229
는 각 노드 별로 -80 dB이고, 각 노드 별 에너지 효율은 70% 즉,
Figure pat00230
로 설정되며, 각 노드 간격이 등거리 즉, 각
Figure pat00231
로 가정하며, 본 실시 예의 최적 DF SWIPT 시스템의 에너지 최소화의 효과와 시스템 레이트 최적화 결과에 대해 고정 전력분할비율 (즉,
Figure pat00232
)을 가지는 준최적의 DF SWIPT 시스템과 비교하고 각 평균값은 103 번의 반복하여 획득한다.
도 3은 각 릴레이 노드에서 에너지 하베스트 량을 보인 그래프로서, 도 3을 참조하면, 각 노드의 최적 DF SWIPT 기법 및 준최적 DF SWIPT 기법에 의해 각 노드에 하베스트된 에너지를 비교하여 알 수 있다.
또한, 각 릴레이 노드에서 하베스트된 에너지의 구성은
Figure pat00233
에 대해 신호대 잡음 비 SNR
Figure pat00234
제한 및
Figure pat00235
Figure pat00236
으로 설정되고, 각 노드에서 알마자 많은 에너지가 수집되었는 지와 설정된 신호대 잡음 비 SNR 의 조건을 달성하는 노드 수를 보여준다.
그리고, 설정된 제약을 만족하기 위해, 고정된 전력분할비율
Figure pat00237
기법은 전술한 시스템 제약 조건을 충족하기 위해, 각 노드에 좀더 많은 에너지를 하베스트하는 반면, 동일한 QoS(Quality of System)를 얻기 위해 최적의 낮은 전력을 얻는 것을 볼 수 있다. 그리고, 한 노드로부터 다른 노드로 이동 시 RF 신호로 하베스트되는 에너지의 양은 감소된다.
최적 기법에 대한 하베스트된 에너지의 량은 준최적 기법의 하베스트된 에너지의 량과 비교할 때 준최적 기법의 하베스트된 에너지의 량의 일부는 소모적인 에너지이다. 우리의 최적 기법과 동일한 시스템 레이트를 달성하기 위해 더 적은 양의 에너지가 사용된다. 동일한 QoS를 달성하기 위해, 소스는 최적 기법과 비교하여 준최적 기법에서 더 많은 전력을 전송해야 한다. 또한 최적 기법의 소스송신전력은 준최적 기법에 비해 더 큰 부담이 제공된다. 따라서 다음 통신을 하기 위해 소스송신전력의 에너지 량은 전송에 필요한 최소 에너지 양으로 설정된다.
도 4는 각각의 소스송신전력 및 시스템 레이트
Figure pat00238
에 대해 신호대 잡음 비 SNR 요구 사항
Figure pat00239
이 주어지면 시스템 통신을 지원하기 위해 필요한 릴레이 노드의 최대 수의 구성을 나타낸 도면으로서, 도 4를 참조하면, 소스 노드가 50dBm 의 최대 소스송신전력라고 가정하고, 수학식 38의
Figure pat00240
및
Figure pat00241
로 고정되면, 사용된 접근법과 유사한
Figure pat00242
에 기반으로 소스 노드와 목적지 노드 사이의 통신을 지원하는 릴레이 노드의 수가 결정된다.
최적 PS 비율 시스템 구조의 구성은 SNR 제약 조건이 -5dB와 0dB 사이의 고정된 전력분할 시스템의 구조에 비해 더 많은 DF-SWIPT 릴레이 노드를 지원할 수 있다. 또한, 시스템 통신을 지원하는데 필요한 DF-SWIPT 시스템의 릴레이 노드의 수는 시스템에서 요구하는 신호대 잡음 비 SNR의 증가에 따라 감소한다.
Figure pat00243
일 때, K DF-SWIPT 릴레이 노드의 수는 고정된
Figure pat00244
의 10-2 및 10-3 와 비교하여 근사하다.
Figure pat00245
=10-2, 10- 3 의 경우, 소스 노드와 목적지 노드 사이의 통신을 지원하는 데 필요한 K DF-SWIPT 시스템의 릴레이 노드의 예상 수와 실제 수 사이에 적절한 편차가 도출된다. 즉, 소스와 대상 간의 통신을 지원할 수 있는 K 개의 DF-SWIPT 시스템의 릴레이 노드는 미리 결정할 수 있게 된다.
에너지 최소화 효과에 대한 시뮬레이션 결과
도 5는
Figure pat00246
의 SNR 제약 범위로 도출된 평균 최소 소스송신전력 E0 을 보인 그래프로서 도 5를 참조하면 최적 전력분할비율 방식 보다 목적지 노드 까지의 통신을 지원하는데 필요한 평균 최소 소스송신전력 E0 는 고정된 전력분할비율의 준최적 보다 우수함을 확인할 수 있다. 즉, 최적 및 준최적 기법으로 비교하면, 원하는 QoS를 달성할 때 K=2 및 K=3 각각에 대해 평균 최소 소스송신전력 E0 측면에서 15dBm 및 20dBm의 일정한 차이가 발생된다. 또한 증가하는 SNR의 요구 사항에 따라 시스템 레이트를 달성하는 데 필요한 평균 최소 소스송신전력 E0 는 비례적으로 증가한다. 또한 시스템 통신을 지원하는데 필요한 최소 소스송신전력
Figure pat00247
은 최적 전력분할비율을 가지는 수학식 6으로 주어진 통합 최적 문제로부터 추론할 수 있다.
그리고 도 5를 참조하면, DF SWIPT 시스템의 릴레이 노드의 수가 하나 증가할 때 마다 최적 및 준최적의 전력분할비율 기법의 소스 에너지가 약 60dBm 및 50dBm 손실됨을 확인할 수 있다. 이러한 소스 에너지의 증가는 거리의 증가 및 소스와 대상 사이의 릴레이 노드에 기인된다.
그리고 도 6은 노드 간의 거리
Figure pat00248
가 증가하는 경우 최소 소스송신전력을 도시한 도면으로서, 도 6을 참조하면, 시스템 통신을 지원하기 위한 평균 최소 소스송신전력은 최적 및 준최적 기법의 전력분할비율 방식에 대해 모두 거리
Figure pat00249
가 증가될 때 증가됨을 알 수 있다. 거리
Figure pat00250
의 값에 대해 최적 및 준최적 기법에서의 소스송신전력 E0은 일정한 차이가 있다. 즉, K = 2 및 K = 3 각각에 대해 최적 및 부 최적의 방식간에 약 15dBm 및 25dBm의 성능 손실이 발생된다. 시스템 통신을 지원하기 위해 릴레이의 수가 1만큼 증가되면 (즉, K = 2에서 K = 3) 필요한 소스송신전력 E0의 양이 크게 증가한다 (즉, 5m의 거리에서 최적 기법에 대해 준최적 기법의 구성에서는 50dBm, 최적 기법의 구성에서는 45dBm).
즉, 채널 구조와 신호 감쇠에 영향을 주는 소스와 대상 사이의 거리
Figure pat00251
가 증가하기 때문이다.
도 7은 고정된 거리
Figure pat00252
로 릴레이 노드의 수를 1에서 10으로 증가된 경우의 소스송신전력 E0 를 나타낸 도면으로서, 도 7을 참조하면, DF-SWIPT 시스템의 릴레이 노드가 증가됨에 따라, 시스템 QoS를 지원하기 위한 최소 소스송신전력 E0 는 일정하게 증가된다. 또한, 최적 및 준최적 기법에 대해
Figure pat00253
및 10dB 사이에 약 50dB의 일정한 최소 소스송신전력 E0의 차이가 일정하다.
그리고 도 8은 소스송신전력 E0 와 목표 시스템 레이트 차를 보인 도면으로서, 도 8을 참조하면 도 5 및 도 6와 유사하게 목표 시스템 레이트를 증가시킴으로써 최소 소스송신전력 E0 의 처리 요구량이 증가됨을 확인할 수 있다.
목표 평균 1bps / Hz의 레이트에서, 최적 및 준최적 기법에 대해 각각 최소 요구 소스송신전력는 약 15dBm 및 20dBm 으로 일정하게 증가된다. 또한 준최적 기법에서는 더 많은 최소 소스송신전력 E0가 요구된다. 설정된 목표 시스템 레이트를 달성하기 위해 최소 소스송신전력 E0 를 최소화함에 따라 더 많은 릴레이 노드의 지원이 가능하고 소스송신전력의 부담을 줄일 수 있다.
시스템 레이트의 최적화 결과
도 9는 소스송신전력 E0 증가에 대한 시스템 처리량을 보인 도면으로서,최적 도 9를 참조하면, 전력분할비율 PS 비의 기법에 비교하여 DF SWIPT 시스템의 릴레이 노드의 수가 적을수록 최소 시스템 레이트가 높아짐을 알 수 있다. 최적 및 준최적 기법을 고려하면, K = 2 및 K = 3 각각에 대해 시스템 레이트는 약 6 및 10 이득의 일정한 성능 차이가 있다. DF SWIPT 시스템의 릴레이 노드 (즉, K = 3에서 K = 2까지)의 단위 감소로 최적 및 준최적 방식에 대해 각각의 20dB 및 25dB의 레이트 이득 차이가 일정하게 발생한다.
도 10은 DF SWIPT 시스템의 릴레이 노드의 수 증가에 대한 목표 시스템 레이트를 보인 도면으로서, 도 10을 참조하면, DF SWIPT 시스템의 릴레이 노드 수가 1에서 6으로 증가될 때 최소 소스송신전력 E0 = 10 및 30dB 에 대한 평균 목표 레이트가 감소됨을 확인할 수 있다. 즉, K> 6 일 때, 달성 가능한 시스템 레이트는
Figure pat00254
으로 인해 매우 작아짐에 따라 제로에 접근된다.
도 11은 거리
Figure pat00255
대비 평균 시스템 레이트를 보인 그래프로서, 도 11을 참조하면, 시스템 레이트는 K = 2 및 3에 대해 거리
Figure pat00256
가 증가할 때마다 감소함을 확인할 수 있다. 즉, 고정된 수의 릴레이 노드 간의 거리
Figure pat00257
가 증가함에 따라 RF 신호 전송을 지원하는 데 필요한 소스송신전력은 감소하고, 소스송신전력이 증가하는 경우 시스템 레이트는 최적 및 준최적 기법에 대해 감소함을 도 6 및 도 11로부터 확인할 수 있다.
일 실시 예는 DF SWIPT 시스템의 각 릴레이 노드에서 최소 소스송신전력, 최대 시스템 목표 레이트 및 PS 비율에 대한 폐쇄형 솔루션을 통해 최적 소스송신전력 및 최적 시스템 레이트를 달성할 수 있는 릴레이 노드의 수를 도출할 수 있고, 이에 채널 용량 및 시스템 성능을 향상시킬 수 있다.
일 실시 예의 다른 양태에 의거 일 실시 예의 멀티 홉 중계 방식의 무선 전력 전송 방법은 소스 노드, 멀티홉 방식으로 전력 및 정보를 동시에 빔포밍을 수행하는 다수의 릴레이 노드, 및 목적지 노드를 포함하는 멀티 홉 중계 방식의 무선 전력 전송 방법에 있어서, 각 릴레이 노드의 제어부에서 전력분할비율에 대한 소스송신전력의 최소화 문제의 해로 최적 소스송신전력와 최적 전력분할비율을 도출하는 단계; 도출된 최적 전력분할비율에 대해 시스템 레이트의 최대화 문제의 해로 최적 시스템 레이트를 도출하는 단계; 및 출된 최적 소스송신전력으로부터 최적 시스템 레이트에 도달하기 위한 최대 릴레이 노드의 수를 추정하도록 구비될 수 있으며, 상기의 멀티 홉 중계 방식의 무선 전력 전송 방법의 각 단계는 전술한 릴레이 노드의 제어부(123)에서 수행되는 기능으로 자세한 원용은 생략한다.
이상에서 대표적인 실시 예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시 예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.

Claims (13)

  1. 소스 노드, 멀티홉 방식으로 전력 및 정보를 동시에 빔포밍을 수행하는 다수의 릴레이 노드, 및 목적지 노드를 포함하는 멀티 홉 중계 방식의 무선 전력 전송 시스템에 있어서,
    상기 릴레이 노드는,
    소스 노드의 RF 신호를 송신하는 수신부;
    상기 RF 신호에 대해 최소 소스송신전력과 최대 시스템 레이트를 가지는 최대 릴레이 노드의 수를 도출하고 수신된 RF 신호에서 에너지 하베스트(EH) 및 정보 디코딩(ID)에 대한 전력분할 비율(PS ratio)로 토대로 분할하는 제어부; 및
    상기 제어부의 분할된 전력 및 정보를 동시에 다음 릴레이 노드 순차 빔포밍하는 송신부를 포함하는 송신부를 포함하고,
    다수의 릴레이 노드는 도출된 최대 릴레이 노드의 수인 것을 특징으로 하는 멀티 홉 릴레이 방식의 무선 통신 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
    전력분할비율에 대한 소스송신전력의 최소화 문제의 해로 최적 소스송신전력와 최적 전력분할비율을 도출하고,
    도출된 최적 전력분할비율에 대해 시스템 레이트의 최대화 문제의 해로 최적 시스템 레이트를 도출하며,
    도출된 최적 소스송신전력으로부터 최적 시스템 레이트에 도달하기 위한 최대 릴레이 노드의 수를 도출하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 멀티 홉 릴레이 방식의 무선 통신 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 최적 소스송신전력은,
    소스송신전력의 최소화 문제의 해가 비볼록이므로, 재구성된 등가 불록 문제의 해로 도출되며,
    재구성된 등가 볼록 문제에 대해 라그랑지안 및 KKT 조건을 통해 최적 소스송신전력을 도출하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 멀티 홉 릴레이 방식의 무선 통신 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 최적 소스송신전력은,
    각 릴레이 노드로부터 도출된 노이즈 분산, 에너지 하베스트 효율, SNR, 채널 정보, 및 전력분할비율을 토대로 정해진 하기 관계식 1로 도출되는 것을 특징으로 하는 멀티 홉 릴레이 방식의 무선 통신 시스템.
    [관계식 1]
    Figure pat00258

    여기서,
    Figure pat00259
    는 노이즈 분산,
    Figure pat00260
    는 에너지 하베스트 효율,
    Figure pat00261
    이며,
    Figure pat00262
    는 SNR 이고,
    Figure pat00263
    는 채널 정보이다.
  5. 제4항에 있어서, 상기 최적 전력분할비율은
    각 릴레이 노드의 전력분할비율, 에너저 하베스트 효율, 및 채널 정보를 기반으로 설정된 관계식 2로부터 도출되는 것을 특징으로 하는 멀티 홉 릴레이 방식의 무선 통신 시스템.
    [관계식 2]
    Figure pat00264

    여기서
    Figure pat00265
    는 전력분할비율이다.
  6. 제5항에 있어서, 상기 최적 시스템 썸레이트는,
    소스송신전력, 노이즈 분산, 전력분할비율, 채널 정보를 토대로 설정된 관계식 3을 토대로 도출하는 것을 특징으로 하는 멀티 홉 릴레이 방식의 무선 통신 시스템.
    [관계식 3]
    Figure pat00266

    여기서,
    Figure pat00267
    는 소스송신전력,
    Figure pat00268
    는 노이즈 분산,
    Figure pat00269
    는 에너지 하베스트 효율,
    Figure pat00270
    ,
    Figure pat00271
    는 채널 정보이다.
  7. 제6항에 있어서, 상기 최대 릴레이 노드의 수는,
    소스송신전력량, 노이즈 분산, SNR, 에러지 하베스트 효율, 및 채널 정보를 기반으로 설정된 관계식 4에 의거 추정되는 것을 특징으로 하는 멀티 홉 릴레이 방식의 무선 통신 시스템.
    [관계식 4]
    Figure pat00272

    여기서,
    Figure pat00273
    는 소스송신전력량이다.
  8. 소스 노드, 멀티홉 방식으로 전력 및 정보를 동시에 빔포밍을 수행하는 다수의 릴레이 노드, 및 목적지 노드를 포함하는 멀티 홉 중계 방식의 무선 전력 전송 시스템에 있어서,
    전력분할비율에 대한 소스송신전력의 최소화 문제의 해로 최적 소스송신전력와 최적 전력분할비율을 도출하는 단계;
    도출된 최적 전력분할비율에 대해 시스템 레이트의 최대화 문제의 해로 최적 시스템 레이트를 도출하는 단계; 및
    도출된 최적 소스송신전력으로부터 최적 시스템 레이트에 도달하기 위한 최대 릴레이 노드의 수를 추정하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 멀티 홉 릴레이 방식의 무선 통신 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 최적 소스송신전력은,
    소스송신전력의 최소화 문제의 해가 비볼록이므로, 재구성된 등가 불록 문제의 해로 도출되며,
    재구성된 등가 볼록 문제에 대해 라그랑지안 및 KKT 조건을 통해 최적 소스송신전력을 도출하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 멀티 홉 릴레이 방식의 무선 통신 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 최적 소스송신전력은,
    각 릴레이 노드로부터 도출된 노이즈 분산, 에너지 하베스트 효율, SNR, 채널 정보, 및 전력분할비율을 토대로 정해진 하기 관계식 11로 도출되는 것을 특징으로 하는 멀티 홉 릴레이 방식의 무선 통신 시스템.
    [관계식 11]
    Figure pat00274

    여기서,
    Figure pat00275
    는 노이즈 분산,
    Figure pat00276
    는 에너지 하베스트 효율,
    Figure pat00277
    이며,
    Figure pat00278
    는 SNR 이고,
    Figure pat00279
    는 채널 정보이다.
  11. 제10항에 있어서, 상기 최적 전력분할비율은
    각 릴레이 노드의 전력분할비율, 에너저 하베스트 효율, 및 채널 정보를 기반으로 설정된 관계식 12로부터 도출되는 것을 특징으로 하는 멀티 홉 릴레이 방식의 무선 통신 시스템.
    [관계식 12]
    Figure pat00280

    여기서
    Figure pat00281
    는 전력분할비율이다.
  12. 제11항에 있어서, 상기 최적 시스템 썸레이트는,
    소스송신전력, 노이즈 분산, 전력분할비율, 채널 정보를 토대로 설정된 관계식 13을 토대로 도출하는 것을 특징으로 하는 멀티 홉 릴레이 방식의 무선 통신 시스템.
    [관계식 13]
    Figure pat00282

    여기서,
    Figure pat00283
    는 소스송신전력,
    Figure pat00284
    는 노이즈 분산,
    Figure pat00285
    는 에너지 하베스트 효율,
    Figure pat00286
    ,
    Figure pat00287
    는 채널 정보이다.
  13. 제12항에 있어서, 상기 최대 릴레이 노드의 수는,
    소스송신전력량, 노이즈 분산, SNR, 에러지 하베스트 효율, 및 채널 정보를 기반으로 설정된 관계식 14에 의거 추정되는 것을 특징으로 하는 멀티 홉 릴레이 방식의 무선 통신 시스템.
    [관계식 14]
    Figure pat00288

    여기서,
    Figure pat00289
    는 소스송신전력량이다.
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