KR20220009713A - Ofdma 기반 무선 전력 통신 네트워크를 위한 에너지 효율적인 자원 할당 방법 및 그 장치 - Google Patents

Ofdma 기반 무선 전력 통신 네트워크를 위한 에너지 효율적인 자원 할당 방법 및 그 장치 Download PDF

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Abstract

OFDMA 기반 무선 전력 통신 네트워크를 위한 에너지 효율적인 자원 할당 방법 및 그 장치가 개시된다. OFDMA 기반 무선 전력 통신 네트워크를 위한 에너지 효율적인 자원 할당 방법은, OFDMA 기반 무선 전력 통신 네트워크 시스템에서 전력 효율을 고려한 자원 할당 방법에 있어서, (a) 에너지 하베스팅 시간
Figure pat00154
를 결정하는 단계; (b) 상기 에너지 하베스팅 시간
Figure pat00155
에 기초하여 에너지 효율이 최대가 되도록 각 부반송파의 전송 전력과 할당될 부반송파를 각각 결정하는 단계; 및 (c) 상기 결정된 각 부반송파의 전송 전력과 할당될 부반송파에 기반하여 에너지 효율값을 계산하는 단계를 포함하되, 상기 계산된 에너지 효율값이 수렴될때까지 상기 (b) 단계 및 상기 (c) 단계를 반복 수행할 수 있다.

Description

OFDMA 기반 무선 전력 통신 네트워크를 위한 에너지 효율적인 자원 할당 방법 및 그 장치{Method and apparatus of energy efficient resource allocation for OFDMA based WPCN}
본 발명은 OFDMA 기반 무선 전력 통신 네트워크를 위한 에너지 효율적인 자원 할당 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
WPCN 시스템에서 AP(access point)는 harvest-then-transmit 전송 방식에 의해서 에너지를 파워 비콘(power beacon)으로부터 획득한 후 이를 이용하여 다수의 IoT 디바이스에게 정보를 전송할 수 있다. 에너지를 전송하는 것을 WET(wireless energy transfer)라고 하며, 정보를 전송하는 것을 WIT(wireless information transfer)라고 정의한다.
종래 기술의 경우, WPCN 시스템에서 AP가 IoT 디바이스에게 정보를 전송할 때 전력 효율을 고려하지 않고, 정보를 최대한 많이 전달하는 것에 초점이 맞춰져 있었다.
본 발명은 OFDMA 기반 무선 전력 통신 네트워크를 위한 에너지 효율적인 자원 할당 방법 및 그 장치를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 OFDMA 통신 방식에 기반하여, EH(energy harvesting) 시간과 부반송파의 전력할당을 최적화하여 에너지 효율을 최대화할 수 있는 OFDMA 기반 무선 전력 통신 네트워크를 위한 에너지 효율적인 자원 할당 방법 및 그 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, OFDMA 기반 무선 전력 통신 네트워크를 위한 에너지 효율적인 자원 할당 방법이 개시된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, OFDMA 기반 무선 전력 통신 네트워크 시스템에서 전력 효율을 고려한 자원 할당 방법에 있어서, (a) 에너지 하베스팅 시간
Figure pat00001
를 결정하는 단계; (b) 상기 에너지 하베스팅 시간
Figure pat00002
에 기초하여 에너지 효율이 최대가 되도록 각 부반송파의 전송 전력과 할당될 부반송파를 각각 결정하는 단계; 및 (c) 상기 결정된 각 부반송파의 전송 전력과 할당될 부반송파에 기반하여 에너지 효율값을 계산하는 단계를 포함하되, 상기 계산된 에너지 효율값이 수렴될때까지 상기 (b) 단계 및 상기 (c) 단계를 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 OFDMA 기반 무선 전력 통신 네트워크에서 전력 효율을 고려한 자원 할당 방법이 제공될 수 있다.
상기 (a) 단계는,
기지국에서의 전송 전력이 피크 전력인 경우를 고려하여 상기 에너지 하베스팅 시간
Figure pat00003
를 결정할 수 있다.
상기 에너지 효율값은 하기 수학식을 이용하여 계산되되,
Figure pat00004
여기서, p는 부반송파의 전송 전력을 나타내고, x는 할당된 부반송파를 나타내며,
Figure pat00005
는 에너지 소비를 나타내고,
Figure pat00006
는 채널 캐패시터 정보 전달의 합을 나타낸다.
상기 에너지 하베스팅 시간은 하기 수학식을 이용하여 계산되되,
Figure pat00007
여기서, k는 각 사용자 인덱스를 나타내고, n은 부반송파 인덱스를 나타내며,
Figure pat00008
는 제k 사용자에게 데이터를 전송하기 위해 제n 부반송파에 할당된 액세스 포인트의 전송 전력을 나타내며,
Figure pat00009
는 액세스 포인트의 전력을 나타내고,
Figure pat00010
는 이진 부반송파 할당 변수를 나타내며,
Figure pat00011
이며,
Figure pat00012
는 채널 벡터를 나타내고,
Figure pat00013
는 안테나 개수를 나타낸다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, OFDMA 기반 무선 전력 통신 네트워크를 위한 에너지 효율적인 자원 할당 장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 에너지 하베스팅 시간
Figure pat00014
를 결정하는 하베스팅 시간 결정부; 상기 에너지 하베스팅 시간
Figure pat00015
에 기초하여 에너지 효율이 최대가 되도록 각 부반송파의 전송 전력과 할당될 부반송파를 각각 결정하는 전송 전력 결정부; 및 상기 결정된 각 부반송파의 전송 전력과 할당될 부반송파에 기반하여 에너지 효율값을 계산하는 에너지 효율 계산부를 포함하되, 상기 전송 전력 결정부 및 상기 에너지 효율 계산부는, 상기 계산된 에너지 효율값이 수렴될 때까지 반복적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 액세스 포인트 장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 기지국; 및 상기 기지국으로부터의 에너지 하베스팅 시간
Figure pat00016
과 각 부반송파의 전송 전력 할당을 고려하여 에너지 효율값을 계산하는 액세스 포인트 장치를 포함하되, 상기 액세스 포인트 장치는 에너지 효율값이 수렴될 때까지 각 부반송파의 전송 전력 할당을 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 시스템이 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 OFDMA 기반 무선 전력 통신 네트워크를 위한 에너지 효율적인 자원 할당 방법 및 그 장치를 제공함으로써, OFDMA 통신 방식에 기반하여, EH(energy harvesting) 시간과 부반송파의 전력할당을 최적화하여 에너지 효율을 최대화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 OFDMA 기반 무선 전력 통신 네트워크 시스템을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 OFDMA 기반 무선 전력 통신 네트워크를 위한 에너지 효율적인 자원 할당 방법을 나타낸 순서도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 OFDMA 기반 무선 전력 통신 네트워크를 위한 에너지 효율적인 자원 할당 방법을 위한 의사 코드를 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 시뮬레이션 매개 변수를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 액세스 포인트 장치에서 다른 수의 안테나로 알고리즘의 수렴 결과를 나타낸 그래프.
도 6은 종래와 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 효율 성능을 비교한 결과.
도 7은 종래와 본 발명의 일 실시예에 따른 사용자 수에 따른 에너지 효율 성능을 비교한 결과.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 액세스 포인트 장치의 내부 구성을 개략적으로 도시한 블록도.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 OFDMA 기반 무선 전력 통신 네트워크 시스템을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템은 기지국(110), 액세스 포인트 장치(120) 및 복수의 IoT 단말(130)로 구성된다.
기지국(110)은 액세스 포인트 장치(120)로 에너지를 전송한다.
즉, WET 단계 동안 액세스 포인트 장치(120)는 기지국으로부터 에너지를 전송받는다. 따라서, 시스템(100)은 기지국(110)의 전송 전력을 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 액세스 포인트 장치(AP: access point, 이하 AP라 칭하기로 함)는 NT개의 안테나를 구비하며, IoT 디바이스는 단일 안테나를 사용하는 것을 가정하기로 한다.
액세스 포인트 장치(120)는 NT개의 안테나를 이용하여 기지국으로부터 에너지를 하베스팅할 수 있으며, 이때, 에너지 하베스팅 시간을
Figure pat00017
라 가정하기로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 액세스 포인트 장치(120)가 에너지를 하베스팅 하는 시간을
Figure pat00018
라 하며, 액세스 포인트 장치(120)가 IoT 단말로 정보를 전송하는 시간을 (1-
Figure pat00019
)라 칭하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 시스템(100)은 EH(energy harvesting) 시간과 부반송파의 전력할당을 최적화하여 에너지 효율을 최대화할 수 있다. 이에 대해서는 하기의 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 OFDMA 기반 무선 전력 통신 네트워크를 위한 에너지 효율적인 자원 할당 방법을 나타낸 순서도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 OFDMA 기반 무선 전력 통신 네트워크를 위한 에너지 효율적인 자원 할당 방법을 위한 의사 코드를 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 시뮬레이션 매개 변수를 나타낸 도면이다.
단계 210에서 시스템은 기지국의 전송 전력을 결정한다.
이미 전술한 바와 같이, 총 전송 시간은 WET 위상과 WIT 위상으로 구성된 두개의 위상으로 나뉜다.
이하, 본 발명의 일 실시예에서는 전체 전송 시간 블록을
Figure pat00020
로 표시하기로 하며, WET 전송 시간을
Figure pat00021
라 가정하기로 한다. 이때,
Figure pat00022
는 1인 것을 가정하기로 한다. 따라서, WIT 전송 시간은 (1-
Figure pat00023
)로 표시될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서는 모든 IoT 단말은 액세스 포인트 장치(120)로부터 완벽한 채널 상채 정보(CSI)를 획득하는 것을 가정하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, OFDMA 기반 WPCN에서 전체 시스템 대역폭을 B라고 할 때, N개의 직교 부반송파(SC: subcarrier, 이하 SC라 칭하기로 함)들로 분할되고 각각의 SC의 대역폭을 W라 가정하기로 한다.
n번째 SC를 통한 기지국에서 AP로의 채널 벡터
Figure pat00024
로 나타낼 수 있다.
여기서, WEB 단계 동안 액세스 포인트 장치(120)가 획득할 수 있는 에너지 양은 수학식 1과 같이 계산될 수 있다.
Figure pat00025
여기서,
Figure pat00026
는 기지국에서의 전송 전력을 나타내고,
Figure pat00027
는 AP의 에너지 변환비율을 나타낸다.
따라서, 시스템(100)은 수학식 1을 이용하여 기지국의 전송 전력을 계산할 수 있다.
이와 같이 기지국의 전송 전력이 결정되면, 이에 기반하여 에너지 하베스팅 시간(
Figure pat00028
)가 계산될 수 있다.
단계 215에서 시스템(100)은 에너지 효율이 최대가 되도록 각 부반송파의 전송 전력과 할당될 부반송파를 각각 결정한다.
예를 들어, 기지국에서의 에너지 하베스팅 시간이
Figure pat00029
인 경우, (1-
Figure pat00030
) 시간 동안, WIT 단계 동안, 액세스 포인트 장치(120)는 N개의 직교 부반송파를 통해 OFDMA를 이용하여 독립적인 데이터를 IoT 단말(130)로 각각 전송할 수 있다.
이때, 액세스 포인트 장치(120)는 MRT(maximum ratio transmission) 기술을 사용하여 데이터를 IoT 단말(130)로 전송할 수 있다. 간섭 제거를 위해 각각의 IoT 단말별로(즉, 사용자별)로 부반송파가 할당될 수 있다.
이진 부반송파 할당 변수를
Figure pat00031
라 할 때, WIT 단계에서 부반송파가 할당되는 경우,
Figure pat00032
과 같이 나타내며, 할당되지 않는 경우,
Figure pat00033
로 나타내기로 한다.
따라서, n번째 부반송파에서 액세스 포인트 장치로부터 k번째 IoT 단말로의 링크 채널 이득은
Figure pat00034
과 같이 나타낼 수 있다. k번째 IoT 단말(130)로 데이터를 전송하기 위해 n번째 부반송파에 할당된 액세스 포인트 장치(120)의 전송 전력은
Figure pat00035
로 나타낼 수 있다.
단계 220에서 시스템(100)은 결정된 각 부반송파의 전송 전력과 할당될 부반송파에 기반하여 에너지 효율값을 계산한다.
이에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다.
n번째 부반송파에서 k번째 IoT 단말에서의 달성 가능한 비율(즉, 채널 캐패시터-정보 전달 용량)은 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00036
여기서,
Figure pat00037
이며,
Figure pat00038
는 노이즈 스펙트럼 밀도를 나타낸다.
따라서, OFDMA 기반 WPCN 방식의 전체 달성 가능한 비율(, 채널 캐패시터-정보 전달 용량의 총합)은 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00039
여기서,
Figure pat00040
이다.
OFDMA 가능 WPCN 시스템에서의 총 에너지 소비는 이미 전술한 바와 같이, WET 단계와 WIT 단계의 두 위상을 포함할 수 있다. WET 단계에서 시스템의 에너지 소비는 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00041
여기서,
Figure pat00042
는 PS의 회로 전력을 나타내고,
Figure pat00043
는 무선 채널 전파로 인한 에너지 손실을 나타낸다.
WIT 단계 동안 액세스 포인트 장치(120)의 에너지 소비는 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00044
여기서,
Figure pat00045
이고,
Figure pat00046
는
Figure pat00047
사용자의 전력을 나타내며,
Figure pat00048
는 AP의 전력을 나타낸다.
따라서, 시스템의 총 에너지 소비 전력은 수학식 4와 수학식 5를 합하여 수학식 6과 같이 정의될 수 있다.
Figure pat00049
시스템에서의 총 에너지 소비 전력에 대한 달성 가능한 비율(즉, 채널 캐패시터 정보 전달 용량 총합),
Figure pat00050
,로 결정될 수 있다.
따라서, 에너지 효율 최대화 문제는 다시 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00051
Figure pat00052
본 발명의 일 실시예에 따르면, 에너지 효율(EE)을 최대화함에 있어 기지국(110)뿐만 아니라 액세스 포인트 장치(120)에서의 전송 전력 할당을 고려하여 총 전송 전력의 제약으로 시스템 EE를 최대화할 수 있다.
수학식 7에서 C1(제1 제약조건)은 기지국(110)의 최대 전력
Figure pat00053
이다. 즉, 기지국(110)은 최대 전력
Figure pat00054
로 전력을 전송할 수 있다. 또한, 제약 조건 C3 및 C4는 하나의 부반송파가 최대 하나의 링크에 할당되는 것을 나타낸다.
또한, 제약 조건(C5)는 WIT 단계에서 액세스 포인트 장치(120)가 소비한 총 에너지는 WET 단계에서 수확한 에너지보다 작아야 함을 나타낸다.
그러나, 수학식 7은 볼록하지 않다. 또한, 이진 대입 변수가 존재하기 때문에 혼합 정수 프로그램(MIP) 문제이다. 따라서, 수학식 7의 경우 최적의 해를 직접 결정하기 어려운 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 제약 조건 C6을 고려하여, 수학식 7을 수학식 9와 같이 단순화하였다.
Figure pat00055
본 발명의 일 실시예에 따르면 기지국(110)은 WET 단계 동안 피크 전력으로 전력을 전송하는 것을 가정한다.
즉, 기지국(110)의 전송 전력이 WET 단계 동안 피크 전력으로 전송되는 것을 가정하여 최적의
Figure pat00056
를 결정할 수 있다.
Figure pat00057
는 수학식 8에서
Figure pat00058
일 때 주어진다.
따라서, 1차 도함수를 취한 후 부호를 확인하여 수학식 7의 목적함수의 증가 여부를 쉽게 확인할 수 있다.
따라서, 제약 조건 C6에서 최적의
Figure pat00059
는 수학식 10과 같이 도출될 수 있다.
Figure pat00060
수학식 10을 수학식 3과 수학식 6으로 대체하면, 수학식 11 및 수학식 12와 같이 정리될 수 있다.
Figure pat00061
Figure pat00062
여기서,
Figure pat00063
이다.
따라서, 수학식 7은 수학식 13과 같이 다시 정리될 수 있다.
Figure pat00064
여기서,
Figure pat00065
이다.
수학식 13에 Dinkelbach 기법을 적용하면, 원래 문제를 빼기 형식으로 전환할 수 있으며, 수학식 10에 의해 EE 최대화 문제는 수학식 14와 같이 정리될 수 있다.
Figure pat00066
수학식 13을 빼기 형태의 동등한 문제로 변환하면 수학식 15와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00067
최대값
Figure pat00068
을 얻기 위해 반복적인 Dinkelbach 기법은 작은 값을 초기화한 다음 수렴이 이루어질 때까지 반복할 때마다 업데이트하여 사용할 수 있다. 따라서, 수학식 13은 수학식 16과 같이 다시 정리될 수 있다.
Figure pat00069
여기서,
Figure pat00070
는 수학식 17과 같다.
Figure pat00071
여기서,
Figure pat00072
이다.
수학식 16을 해결하기 위해, 주어진 SC 할당
Figure pat00073
와
Figure pat00074
을 활용하여 전력 할당을 결정한다. 주어진 SC 할당
Figure pat00075
와
Figure pat00076
에 대해 SC에 대한 전력 할당
Figure pat00077
은 하위 문제
Figure pat00078
를 통해 도출될 수 있다.
Figure pat00079
를 해결한 후
Figure pat00080
를 구할 수 있다. 여기서,
Figure pat00081
이다.
따라서, 수학식 17은 수학식 18과 같이 다시 정리될 수 있다.
Figure pat00082
Figure pat00083
따라서, 수학식 16은 수학식 20과 같이 정리될 수 있다.
Figure pat00084
따라서,
Figure pat00085
과
Figure pat00086
은 무관한 것을 알 수 있다. 따라서, 수학식 20에 대한 최적의
Figure pat00087
은 수학식 21과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00088
여기서,
Figure pat00089
이다.
수학식 13의 에너지 효율의 최대화 문제는 도 3에 도시된 바와 같은 알고리즘으로 풀 수 있다.
도 3의 단계 3 및 단계 4에 대응하는 부반송파 및 전력 할당의 복잡성은
Figure pat00090
이다. Dinkelbach 방식의
Figure pat00091
업데이트 방식은 N과 K에 독립적이다. T는 9단계에서 에너지 효율값
Figure pat00092
를 업데이트 하는데 필요한 반복 횟수(즉, 외부 루프)를 나타낸다.
결과적으로 도 3의 총 계산 복잡도는
Figure pat00093
이며, 입력 차원과 선형이다.
제약 조건(C6)은 수학식 22로 구할 수 있다.
Figure pat00094
수학식 7의 목적 함수가
Figure pat00095
에 대해 증가하지 않는다. 이는 목적 함수의 1차 도함수를 활용하여 검증될 수 있다. 따라서, 제약 조건 C5로부터의 최적의
Figure pat00096
는 수학식 23과 같이 주어진 전력 할당 조건을 만족해야 한다.
Figure pat00097
수학식 24를 수학식 6으로 대체하면, 총 에너지 소비는 수학식 25와 같이 정리될 수 있다.
Figure pat00098
이때,
Figure pat00099
Figure pat00100
이다.
수학식 3과 수학식 24를 수학식 7로 대체하면, 에너지 효율 최대화 문제는 수학식 25와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00101
제약 조건
Figure pat00102
로부터
Figure pat00103
이다. 수학식 25의 같이 1차 미분을 검증한다.
Figure pat00104
목적 함수 25는
Figure pat00105
보다 크지 않은 함수인 것을 알 수 있다.
Figure pat00106
로부터의 최적
Figure pat00107
는
Figure pat00108
이다.
Figure pat00109
를 23으로 대체하면 수학식 27과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00110
채널 이득은
Figure pat00111
을 따르며, 이 때,
Figure pat00112
는 경로 손실 지수이고,
Figure pat00113
는 단위 평균을 갖는 지수 분포 레일리 (Rayleigh) 인 것으로 가정한다. PS와 AP의 위치는 각각
Figure pat00114
와
Figure pat00115
에 있다. x 좌표 위치는
Figure pat00116
이고, y 좌표 위치는
Figure pat00117
이라고 가정하고, 사용자의 위치는 사각형 영역 내에서 무작위로 분포된다. 다른 중요한 시뮬레이션 매개 변수가 도 4에 주어졌다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 액세스 포인트 장치에서 다른 수의 안테나로 알고리즘의 수렴 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는
Figure pat00118
인 PS에서 안테나 수의 제약 조건 C5조건 없이 제안된 알고리즘과 알고리즘 1의 수렴을 보여준다. 대략 두 번의 반복 후에 두 알고리즘이 수렴한다는 것을 알 수 있다. 또한, 이 수치는 AP에서 얻은 에너지의 양이 많기 때문에, AP에서의 안테나 수가 증가함에 따라 시스템 EE가 증가 하는 것을 보여준다.
도 6은 종래와 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 효율 성능을 비교한 결과이다.
도 6에서 제안된 방식과 동등한 전력 할당 (EPA) 방식, 랜덤 SC 할당 (RSA)와 고정 에너지 시간 (FET) (
Figure pat00119
)포함한 방식, sum-rate 기반 방식 [5]의 시스템 EE를 PS의 송신 전력의 함수로서 표시한다.
EPA 방식의 경우 액세스 포인트 장치의 전송 전력이 모든 부반송파에 균등하게 분배되며 에너지 하베스팅 시간 및 부반송파 할당은 본 발명과 동일한 방법을 사용하여 획득하였다. RSA 방식의 경우 부반송파 할당이 무작위로 배치되는 반면, 본 발명과 같이 체계에서와 같이
Figure pat00120
를 구하고, 전력 할당이 적용된다. FET 방식은
Figure pat00121
를 이용하고, 전력 할당 및 SC 할당은 [5]를 활용하며, 모든 장치의 회로 전력 소비를 고려한 시스템 EE를 계산한다.
도 6에서 본 발명의 경우, EE는 기지국(110)의 최대 전송 전력이 증가함에 따라 점차 증가하고 기지국(110)이 충분한 최대 전송 전력을 가질 때 포화된다. EPA 및 RSA 체계에서 동일한 현상이 관찰된다. 그러나, 두 기준 방식의 성능은 RSA에 대한 SC 할당 부족과 EPA에 대한 전력 할당 부족으로 인해 본 발명보다 낮다. 또한, sum-rate 기반 방식의 성능은 본 발명과 동일하지만, 작은
Figure pat00122
에서 RSA, EPA 및 FET 방식보다 성능이 우수하다. 그러나 sum-rate 기반 방식의 EE는
Figure pat00123
가 클 때, 크게 감소한다. 이는 시스템 처리량과 에너지 소비 사이에 균형이 있기 때문에,
Figure pat00124
가 큰 경우에, 본 발명에 대한 시스템 EE의 포화가 커지기 때문이다. 한편, sum-rate 방식에서
Figure pat00125
가 큰 경우, 에너지 소비 증가는 처리량 증가보다 빠르게 발생하여 시스템 EE의 급격한 감소를 초래한다.
FET 방식의 경우, EE는 초기에 비활성 상태에 있고 최대 값에 도달 한 후 크게 감소한다. 초기에는 작은
Figure pat00126
가 더 긴 EH 지속 시간을 요구하기 때문이다. 따라서 고정 EH 시간으로 인해 시스템의 WET 단계에 대한 EH 시간이 충분하지 않다.
Figure pat00127
가 EH 시간을 줄이면 회로 에너지 소비가 줄어들어 본 발명의 알고리즘 기반 체계의 WIT 단계 시간이 늘어난다. 그러나, 고정된 EH 시간에 상기 FET 기반 방식은 높은
Figure pat00128
의 장점을 취할 수 없고, WIT 기간에 EE를 개선하는 충분한 시간이 없다. 결과적으로, FET 방식의 EE는 최대 값에 도달 한 후에 크게 감소한다.
도 7은 종래와 본 발명의 일 실시예에 따른 사용자 수에 따른 에너지 효율 성능을 비교한 결과이다.
도 7에서,
Figure pat00129
이고,
Figure pat00130
일 때, 사용자의 수가 변함에 따라 시스템 EE를 평가한다. 사용자 수가 증가함에 따라 두 방식 모두 시스템 EE가 약간 증가한 것을 알 수 있다. 사용자 수가 많을수록 다중 사용자 다이버시티 이득이 높아져 시스템 처리량이 높아지기 때문이다. 사용자 수의 증가로 인한 총 시스템 전력 소비의 증가는 중요하지 않다. 또한 본 발명이 다른 방식보다 우수한 것으로 관찰되었다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 액세스 포인트 장치의 내부 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 액세스 포인트 장치(120)는 통신부(810), 하베스팅 시간 결정부(815), 전송 전력 결정부(820), 에너지 효율 계산부(825), 메모리(830) 및 프로세서(835)를 포함하여 구성된다.
통신부(810)는 통신망을 통해 다른 장치들(예를 들어, 기지국(110), IoT 단말(130))과 데이터를 송수신하기 위한 수단이다.
하베스팅 시간 결정부(815)는 에너지 하베스팅 시간
Figure pat00131
를 결정하기 위한 수단이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 에너지 효율은 기지국(110)의 전송 전력과 액세스 포인트 장치(120)의 전송 전력을 모두 고려하여 계산될 수 있다. 이때, 기지국(110)은 전송 전력이 피크 전력인 것을 가정하기로 한다.
따라서, WET 단계 동안 전송 전력이 피크 전력인 것을 가정하여 에너지 하베스팅 시간
Figure pat00132
를 결정할 수 있다.
상세한 설명은 도 2를 참조하여 설명한 바와 동일하므로 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
전송 전력 결정부(820)는 에너지 하베스팅 시간
Figure pat00133
에 기초하여 에너지 효율이 최대가 되도록 각 부반송파의 전송 전력과 할당될 부반송파를 각각 결정하기 위한 수단이다.
에너지 효율 계산부(825)는 결정된 각 부반송파의 전송 전력과 할당될 부반송파에 기반하여 에너지 효율값을 계산한다.
이때, 에너지 효율값이 수렴될 때까지 부반송파의 전송 전력과 할당될 부반송파를 결정하는 과정은 반복 수행될 수 있다.
이는 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한 바와 동일하므로 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
메모리(830)는 본 발명의 일 실시예에 따른 EH(energy harvesting) 시간과 부반송파의 전력할당을 최적화하여 에너지 효율을 최대화하기 위한 방법을 수행하기 위해 필요한 다양한 프로그램 코드(명령어들)을 저장하기 위한 수단이다.
프로세서(835)는 본 발명의 일 실시예에 따른 액세스 포인트 장치(120)의 내부 구성 요소들(예를 들어, 통신부(810), 하베스팅 시간 결정부(815), 전송 전력 결정부(820), 에너지 효율 계산부(825), 메모리(830) 등)을 제어하기 위한 수단이다.
프로세서(835)는 에너지 효율값이 수렴될때까지 전송 전력 결정부(820), 에너지 효율 계산부(825)가 반복 수행되도록 제어할 수도 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 장치 및 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 분야 통상의 기술자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media) 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
상술한 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 실시 예들을 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 실시 예들은 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.
100: 시스템
110: 기지국
120: 액세스 포인트 장치
130: IoT 단말

Claims (10)

  1. OFDMA 기반 무선 전력 통신 네트워크 시스템에서 전력 효율을 고려한 자원 할당 방법에 있어서,
    (a) 에너지 하베스팅 시간
    Figure pat00134
    를 결정하는 단계;
    (b) 상기 에너지 하베스팅 시간
    Figure pat00135
    에 기초하여 에너지 효율이 최대가 되도록 각 부반송파의 전송 전력과 할당될 부반송파를 각각 결정하는 단계; 및
    (c) 상기 결정된 각 부반송파의 전송 전력과 할당될 부반송파에 기반하여 에너지 효율값을 계산하는 단계를 포함하되,
    상기 계산된 에너지 효율값이 수렴될때까지 상기 (b) 단계 및 상기 (c) 단계를 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 OFDMA 기반 무선 전력 통신 네트워크에서 전력 효율을 고려한 자원 할당 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    기지국에서의 전송 전력이 피크 전력인 경우를 고려하여 상기 에너지 하베스팅 시간
    Figure pat00136
    를 결정하는 것을 특징으로 하는 OFDMA 기반 무선 전력 통신 네트워크에서 전력 효율을 고려한 자원 할당 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 에너지 효율값은 하기 수학식을 이용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 OFDMA 기반 무선 전력 통신 네트워크에서 전력 효율을 고려한 자원 할당 방법.
    Figure pat00137

    여기서, p는 부반송파의 전송 전력을 나타내고, x는 할당된 부반송파를 나타내며,
    Figure pat00138
    는 에너지 소비를 나타내고,
    Figure pat00139
    는 채널 캐패시터 정보 전달의 합을 나타냄.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 에너지 하베스팅 시간은 하기 수학식을 이용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 OFDMA 기반 무선 전력 통신 네트워크에서 전력 효율을 고려한 자원 할당 방법.
    Figure pat00140

    여기서, k는 각 사용자 인덱스를 나타내고, n은 부반송파 인덱스를 나타내며,
    Figure pat00141
    는 제k 사용자에게 데이터를 전송하기 위해 제n 부반송파에 할당된 액세스 포인트의 전송 전력을 나타내며,
    Figure pat00142
    는 액세스 포인트의 전력을 나타내고,
    Figure pat00143
    는 이진 부반송파 할당 변수를 나타내며,
    Figure pat00144
    이며,
    Figure pat00145
    는 채널 벡터를 나타내고,
    Figure pat00146
    는 안테나 개수를 나타냄.
  5. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 하나의 항에 따른 방법을 수행하기 위한 프로그램 코드를 기록한 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체 제품.
  6. 에너지 하베스팅 시간
    Figure pat00147
    를 결정하는 하베스팅 시간 결정부;
    상기 에너지 하베스팅 시간
    Figure pat00148
    에 기초하여 에너지 효율이 최대가 되도록 각 부반송파의 전송 전력과 할당될 부반송파를 각각 결정하는 전송 전력 결정부; 및
    상기 결정된 각 부반송파의 전송 전력과 할당될 부반송파에 기반하여 에너지 효율값을 계산하는 에너지 효율 계산부를 포함하되,
    상기 전송 전력 결정부 및 상기 에너지 효율 계산부는, 상기 계산된 에너지 효율값이 수렴될 때까지 반복적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 액세스 포인트 장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 에너지 효율값은,
    기지국의 전송 전력과 상기 액세스 포인트 장치에서의 전송 전력 할당을 모두 고려하여 에너지 효율을 최대화하여 계산되는 것을 특징으로 하는 액세스 포인트 장치.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 하베스팅 시간 결정부는,
    기지국에서의 전송 전력이 피크 전력인 경우를 고려하여 상기 에너지 하베스팅 시간
    Figure pat00149
    를 결정하는 것을 특징으로 하는 액세스 포인트 장치.
  9. 제6 항에 있어서,
    상기 에너지 효율값은 하기 수학식을 이용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 액세스 포인트 장치
    Figure pat00150

    여기서, p는 부반송파의 전송 전력을 나타내고, x는 할당된 부반송파를 나타내며,
    Figure pat00151
    는 에너지 소비를 나타내고,
    Figure pat00152
    는 채널 캐패시터 정보 전달의 합을 나타냄.
  10. 기지국; 및
    상기 기지국으로부터의 에너지 하베스팅 시간
    Figure pat00153
    과 각 부반송파의 전송 전력 할당을 고려하여 에너지 효율값을 계산하는 액세스 포인트 장치를 포함하되,
    상기 액세스 포인트 장치는 에너지 효율값이 수렴될 때까지 각 부반송파의 전송 전력 할당을 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 시스템.

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