KR20230088058A - Multi-hop relay wireless communication system and method for minimizing source transmission power - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 소스 노드, 멀티홈 방식으로 전력 및 정보를 동시에 빔포밍을 수행하는 다수의 릴레이 노드, 및 목적지 노드를 포함하는 멀티 홉 중계 방식의 무선 전력 전송 시스템이 있어서, 상기 릴레이 노드는, 소스 노드의 RF 신호를 수신하는 수신부; 수신된 RF 신호에서 에너지 수확(EH) 및 정보 디코딩(ID)에 대한 전력분할 비율(PS ratio) 또는 시간분할 비율(TS ratio)로 전력 및 정보를 분할하는 제어부; 및 상기 제어부에서 분할된 전력 및 정보를 다음 릴레이 노드로 순차 빔포밍하는 송신부를 포함하고, 상기 제어부는, 역 평균 노드 간 채널 이득(inverse average inter-node channel gains, IAICG)를 이용하여, 에너지 및 비율(rate) 제약 조건에 따라 최대의 채널 이득과 최소의 노드 수를 갖는 최단 경로로 라우팅할 수 있는 다음 릴레이 노드를 선택하는 것을 일 특징으로 한다.The present invention provides a multi-hop relay wireless power transmission system including a source node, a plurality of relay nodes that simultaneously perform beamforming of power and information in a multi-homed manner, and a destination node, wherein the relay node comprises a source A receiving unit for receiving the RF signal of the node; A controller for dividing power and information into a power division ratio (PS ratio) or a time division ratio (TS ratio) for energy harvesting (EH) and information decoding (ID) in the received RF signal; And a transmission unit for sequentially beamforming the power and information divided by the control unit to the next relay node, wherein the control unit uses inverse average inter-node channel gains (IAICG) to perform energy and It is characterized by selecting the next relay node that can be routed through the shortest path having the maximum channel gain and the minimum number of nodes according to rate constraints.
Description
본 발명은 멀티 홉 릴레이 방식의 무선 통신 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 특히 멀티 홉 릴레이 방식으로 전력 및 정보 동시전송 빕포밍을 수행함에 있어, 소스 전송 전력을 최소화하는 멀티 홉 릴레이 방식의 무선 통신 시스템 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a multi-hop relay-type wireless communication system and method, and more particularly, to a multi-hop relay-type wireless communication system that minimizes source transmission power when performing beepforming for simultaneous transmission of power and information in a multi-hop relay manner, and It's about how.
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.Recently, as the capacity of transmission data and the high speed of data transmission are progressing to provide multimedia services, research on multiple antenna systems (MIMO (Multiple Input Multiple Output)) that can efficiently use limited frequencies is being actively conducted.
이러한 다중 안테나 시스템은 안테나별로 서로 독립적인 채널을 이용하여 데이터를 전송하여 추가적인 주파수나 송신 전력 할당 없이도 단일 안테나 시스템에 비해 전송 신뢰도와 전송률을 증가시킬 수 있다.Such a multi-antenna system can transmit data using independent channels for each antenna, thereby increasing transmission reliability and data rate compared to a single-antenna system without additional frequency or transmission power allocation.
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.A multi-antenna system in a multi-user environment removes interference between users or between antennas using dirty paper coding, which is a nonlinear pre-coding method.
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.Dirty paper coding is an interference signal cancellation technique in a transmitter that prevents a receiver from being affected by an interference signal when the transmitter knows the interference signal in advance in the presence of an interference signal in addition to a noise signal in a channel. That is, assuming that signal A is a signal to be sent to user A and signal B is to be sent to user B, signal A is first processed from an appropriate relationship with signal B, and a signal like noise (A' ) is created and added to signal B and transmitted through the channel. User B who receives this signal considers both the noise from the channel of the original signal B and the processed signal (A') as noise and decodes it. Then, user A perfectly restores signal A from the processed noise (A'). This is called dirty paper coding.
이러한 DPC 기술은 셀룰러(Cellular) 이동전화망과 같은 싱글홉(Single-hop) 무선망에서의 MIMO(Multi-Input Multi-Output) 다중안테나 활용 기술로서 개발되었다.This DPC technology was developed as a multi-input multi-output (MIMO) multi-antenna utilization technology in a single-hop wireless network such as a cellular mobile phone network.
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.However, the current wireless network is dominated by single-hop wireless networks such as cellular or WiFi, but multi-hop network configuration is becoming essential for next-generation wireless networks such as 4G, WiBro, and mesh. there is.
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.A technology in which a wireless communication node simultaneously transmits power and information in such a multi-hop relay type WPCN is referred to as simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT). Research and development are underway to implement the WPCN, WPT and SWIPT systems and exploit the potential benefits of these systems.
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.Recently, the idea of SWIPT has been extended to non-regenerative and regenerative relay systems. In the case of a non-regenerative relay system, each relay transmits the received signal as it is without decoding it. In the case of a regenerative relay system, each relay first decodes the received signal and generates a transmission signal based on the decoded message.
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 기반한 릴레이 규약이 특별히 연구되고 있다.Research on cooperation of non-regenerative and regenerative relay systems is focused on amplify-and-forward (AF) and decode-and-forward (DF) protocols. For AF and DF systems, relay protocols based on time switching (TS) and power splitting (PS) are being specially studied.
본 발명은 소스 전송 전력을 최소화하기 위한 최적의 전력분할 비율(PS rate) 또는 시간분할 비율(TS rate)을 도출하는 것을 일 목적으로 한다. An object of the present invention is to derive an optimal power division ratio (PS rate) or time division ratio (TS rate) for minimizing source transmission power.
또한, 본 발명은 라우팅 경로를 최적화하는 알고리즘을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다. Another object of the present invention is to provide an algorithm for optimizing a routing path.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 소스 노드, 멀티홈 방식으로 전력 및 정보를 동시에 빔포밍을 수행하는 다수의 릴레이 노드, 및 목적지 노드를 포함하는 멀티 홉 중계 방식의 무선 전력 전송 시스템이 있어서, 상기 릴레이 노드는, 소스 노드의 RF 신호를 수신하는 수신부; 수신된 RF 신호에서 에너지 수확(EH) 및 정보 디코딩(ID)에 대한 전력분할 비율(PS ratio) 또는 시간분할 비율(TS ratio)로 전력 및 정보를 분할하는 제어부; 및 상기 제어부에서 분할된 전력 및 정보를 다음 릴레이 노드로 순차 빔포밍하는 송신부를 포함하고, 상기 제어부는, 역 평균 노드 간 채널 이득(inverse average inter-node channel gains, IAICG)를 이용하여, 에너지 및 비율(rate) 제약 조건에 따라 최대의 채널 이득과 최소의 노드 수를 갖는 최단 경로로 라우팅할 수 있는 다음 릴레이 노드를 선택하는 것을 일 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a multi-hop relay wireless power transmission system including a source node, a plurality of relay nodes that simultaneously perform beamforming of power and information in a multi-homed manner, and a destination node, The relay node includes a receiving unit for receiving an RF signal of a source node; A controller for dividing power and information into a power division ratio (PS ratio) or a time division ratio (TS ratio) for energy harvesting (EH) and information decoding (ID) in the received RF signal; And a transmission unit for sequentially beamforming the power and information divided by the control unit to the next relay node, wherein the control unit uses inverse average inter-node channel gains (IAICG) to perform energy and It is characterized by selecting the next relay node that can be routed through the shortest path having the maximum channel gain and the minimum number of nodes according to rate constraints.
바람직하게는, 상기 제어부는, 최소 소스 전송 전력을 하기 [관계식 1]을 통해 도출할 수 있다. Preferably, the control unit may derive the minimum source transmit power through [Relationship 1] below.
[관계식 1][Relationship 1]
(여기서,는 노이즈 분산, 는 에너지 수확 효율, 는 요구되는 비율 임계값, 을 의미한다.) (here, is the noise variance, is the energy harvesting efficiency, is the required rate threshold, means.)
바람직하게는, 상기 제어부는, 소스 전송 전력을 최소화하기 위한 전력분할 비율을 하기 [관계식 2]를 통해 도출할 수 있다. Preferably, the control unit may derive a power division ratio for minimizing source transmission power through [Relationship 2] below.
[관계식 2][Relationship 2]
(여기서, 는 전력분할 비율을 의미한다.) (here, means the power split ratio.)
바람직하게는, 상기 제어부는, 소스 전송 전력을 최소화하기 위한 시간분할 비율을 하기 [관계식 3]의 반복 알고리즘을 통해 도출할 수 있다. Preferably, the control unit may derive a time division ratio for minimizing source transmission power through an iterative algorithm of [Relationship 3] below.
[관계식 3][Relationship 3]
(여기서, 는 시간분할 비율, 는 비율 임계값, 를 의미한다.) (here, is the time division ratio, is the ratio threshold, means.)
바람직하게는, 전력분할 방식의 경우에는 상기 비율 제약 조건은 이고, 상기 에너지 제약 조건은 일 수 있다.(여기서, 는 달성 가능한 비율(rate), 는 최대 소스 전력을 의미한다.)Preferably, in the case of the power division method, the ratio constraint is , and the energy constraint is (where, is the achievable rate, means the maximum source power.)
바람직하게는, 시간분할 방식의 경우에는 상기 비율(rate) 제약 조건은 이고, 상기 에너지 제약 조건은 일 수 있다.(여기서, 는 달성가능한 비율(rate), 는 최대 소스 전력을 의미한다.)Preferably, in the case of the time division method, the rate constraint is , and the energy constraint is (where, is the achievable rate, means the maximum source power.)
또한, 본 발명은 소스 노드, 멀티홈 방식으로 전력 및 정보를 동시에 빔포밍을 수행하는 다수의 릴레이 노드, 및 목적지 노드를 포함하는 전송 시스템의 멀티 홉 중계 방식의 무선 전력 전송 방법에 있어서, 상기 릴레이 노드에서 소스 노드의 RF 신호를 수신하는 수신 단계; 수신된 RF 신호에서 에너지 수확(EH) 및 정보 디코딩(ID)에 대한 전력분할 비율(PS ratio) 또는 시간분할 비율(TS ratio)로 전력 및 정보를 분할하는 제어 단계; 및 상기 제어 단계에서 분할된 전력 및 정보를 다음 릴레이 노드로 순차 빔포밍하는 송신 단계를 포함하고, 상기 제어 단계는, 역 평균 노드 간 채널 이득(inverse average inter-node channel gains, IAICG)를 이용하여, 에너지 및 비율(rate) 제약 조건에 따라 최대의 채널 이득과 최소의 노드 수를 갖는 최단 경로로 라우팅할 수 있는 다음 릴레이 노드를 선택하는 것을 다른 특징으로 한다. In addition, the present invention provides a multi-hop relay wireless power transmission method of a transmission system including a source node, a plurality of relay nodes that simultaneously perform beamforming of power and information in a multi-homed manner, and a destination node, the relay A receiving step of receiving an RF signal of a source node in a node; A control step of dividing power and information into a power division ratio (PS ratio) or a time division ratio (TS ratio) for energy harvesting (EH) and information decoding (ID) in the received RF signal; And a transmission step of sequentially beamforming the power and information divided in the control step to the next relay node, wherein the control step uses inverse average inter-node channel gains (IAICG) Another feature is to select the next relay node that can be routed through the shortest path having the maximum channel gain and the minimum number of nodes according to , energy and rate constraints.
본 발명에 따르면, 폐쇄형 비반복 알고리즘을 통해 전력분할 비율(PS rate)을 도출하여 소스 전송 전력을 최소화 할 수 있다는 이점이 있다. According to the present invention, there is an advantage in that source transmission power can be minimized by deriving a power splitting ratio (PS rate) through a closed non-repetitive algorithm.
또한 본 발명은, 반복 알고리즘을 통해 시간분할 비율(TS rate)을 도출하여 소스 전송 전력을 최소화 할 수 있다는 이점이 있다.In addition, the present invention has an advantage of minimizing source transmission power by deriving a time division ratio (TS rate) through an iterative algorithm.
또한 본 발명은, Dijkstra 알고리즘(DA)을 기반으로 하는 라우팅 알고리즘을 통해 라우팅 경로를 최적화할 수 있다는 이점이 있다. In addition, the present invention has an advantage of optimizing a routing path through a routing algorithm based on the Dijkstra algorithm (DA).
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 멀티 홉 릴레이 방식의 무선 통신 시스템의 구성도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 릴레이 노드의 구성도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 시간분할 비율을 구하기 위한 반복 알고리즘의 수렴 테스트 결과 그래프를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 서로 다른 SWIPT 체계에 대한 라우팅 경로를 나타낸다.()
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 서로 다른 SWIPT 체계에 대한 라우팅 경로를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 비율 임계값 변화에 대한 최소 전송 전력의 그래프를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 소스-목적지 거리에 대한 최소 전송 전력의 그래프를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 채널 추정 오류에 대한 최소 전송 전력의 그래프를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 안테나의 수에 대한 최소 전송 전력의 그래프를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 각 노드에서 수확되는 최소 에너지를 나타낸다. 1 shows a configuration diagram of a multi-hop relay wireless communication system according to an embodiment of the present invention.
2 shows a configuration diagram of a relay node according to an embodiment of the present invention.
3 shows a graph of a convergence test result of an iterative algorithm for obtaining a time division ratio according to an embodiment of the present invention.
4 shows routing paths for different SWIPT schemes according to an embodiment of the present invention. ( )
5 shows routing paths for different SWIPT schemes according to an embodiment of the present invention.
6 shows a graph of minimum transmit power versus rate threshold change according to an embodiment of the present invention.
7 shows a graph of minimum transmit power versus source-destination distance according to an embodiment of the present invention.
8 shows a graph of minimum transmit power versus channel estimation error according to an embodiment of the present invention.
9 shows a graph of minimum transmit power versus the number of antennas according to an embodiment of the present invention.
10 shows the minimum energy harvested at each node according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the contents described in the accompanying drawings. However, the present invention is not limited or limited by exemplary embodiments. The same reference numerals in each figure indicate members performing substantially the same function.
본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.The objects and effects of the present invention can be naturally understood or more clearly understood by the following description, and the objects and effects of the present invention are not limited only by the following description. In addition, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a known technology related to the present invention may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 멀티 홉 릴레이 방식의 무선 통신 시스템(10)의 구성도를 나타낸다. 도 1을 참조하면, 멀티 홉 릴레이 방식의 무선 통신 시스템(10)은 소스 노드(110), 릴레이 노드(130), 및 목적지 노드(150)를 포함할 수 있다. 멀티 홉 릴레이 방식의 무선 통신 시스템(10)은 전력분할(power splitting) 방식 또는 시간분할(time splitting) 방식으로 무선통신을 할 수 있다. 1 shows a configuration diagram of a multi-hop relay
멀티 홉 릴레이 방식의 무선 통신 시스템(10)은 소스 노드(110)가 무선 네트워크 내에서 k개의 SWIPT 다중 홉 무선 릴레이 노드(130)를 통해 라우팅하여 목적지 노드(150)와 통신할 수 있다. 멀티 홉 릴레이 방식의 무선 통신 시스템(10)은 복수개의 안테나를 구비한 노드로 구성될 수 있다.In the multi-hop relay
소스 노드(110) 및 목적지 노드(130)는 자체 에너지원을 보유하고 있을 수 있다. 소스 노드(110)는 게이트웨이, 인터넷, 또는 외부 시스템을 의미할 수 있다. 각 릴레이 노드(130)는 수퍼 캐패시터와 무선 신호(RF)에서 정보 디코딩 및 에너지 수확(EH)를 동시에 빔포밍하도록 구비될 수 있다.The
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 릴레이 노드(130)의 구성도를 나타낸다. 도 2를 참조하면, 각 릴레이 노드(120)는 수신부(131), 제어부(133), 및 송신부(135)를 포함할 수 있다. 2 shows a configuration diagram of a
수신부(131)는 소스 노드(110)로부터 전송된 RF신호를 수신할 수 있다. 수신부(131)는 수신된 RF 신호를 노이즈와 결합하여 제어부(133)로 전송할 수 있다. 송신부(135)는 제어부(133)에서 분할된 전력 및 정보를 다음 릴레이 노드(130)로 순차 빔포밍할 수 있다. The
수신부(131)는 이전 노드로부터 [수학식 1]과 같은 RF 신호를 수신할 수 있다. The receiving
[수학식 1][Equation 1]
여기에서, 는 안테나의 이전 노드의 빔포밍 행렬이며, 의 전력 제한이 있다. 는 이전 노드로부터 수신한 정보 신호 벡터이고, 는 현재 노드의 안테나 노이즈 벡터이다. 는 이전 노드와 현재 노드 사이의 채널 계수이다. From here, Is The beamforming matrix of the previous node of the antenna, has a power limit. Is the information signal vector received from the previous node, is the antenna noise vector of the current node. is the channel coefficient between the previous node and the current node.
불완전한 CSI(channel state information) 상황에서, 이다. 는 추정된 채널 행렬이고, 는 추정된 채널 에러 행렬이다. 의 각 원소는 로 모델링될 수 있다(). 를 만족하고, large-scale 페이딩 계수이다(ij는 연속되는 두 노드를 의미한다). large-scale 페이딩 계수는 로 정의된다. 는 신호 감쇄 계수, 는 거리 손실 지수, 는 경로 손실 지수이다. 의 각 원소는 로 모델링될 수 있다(). In the case of incomplete channel state information (CSI), am. is the estimated channel matrix, is the estimated channel error matrix. Each element of can be modeled as ( ). satisfies, It is a large-scale fading coefficient (ij means two consecutive nodes). The large-scale fading coefficient is is defined as is the signal attenuation coefficient, is the distance loss exponent, is the path loss exponent. Each element of can be modeled as ( ).
전력분할 방식(PS)은 전력분할 비율(PS ratio)에 따라 노드 k에서 수신된 RF 신호는 에너지 수확(EH) 및 정보 디코딩(ID)으로 분할될 수 있다. [수학식 2]는 에너지 수확에서 사용되는 RF 신호 부분이고, [수학식 3]은 정보 디코딩에서 사용되는 RF 신호 부분이다. In the power division scheme (PS), an RF signal received at node k may be divided into energy harvesting (EH) and information decoding (ID) according to a power division ratio (PS ratio). [Equation 2] is the RF signal part used in energy harvesting, and [Equation 3] is the RF signal part used in information decoding.
[수학식 2][Equation 2]
[수학식 3][Equation 3]
여기에서, 는 노드 k의 전력분할 비율이고, 는 정보 디코딩 회로에 의해 유도되는 추가 노이즈이며, 는 수신 결합 행렬이다. From here, is the power split ratio of node k, is the additional noise induced by the information decoding circuit, is the receive combining matrix.
[수학식 2]로부터 슈퍼 커패시터에 저장된 수확 에너지는 [수학식 4]로 나타낼 수 있다. From [Equation 2], the harvest energy stored in the supercapacitor can be expressed as [Equation 4].
[수학식 4][Equation 4]
(여기에서, 는 k번째 노드에 대한 에너지 수확 장치의 에너지 변환 효율이다.) (From here, is the energy conversion efficiency of the energy harvesting device for the kth node.)
[수학식 3]으로부터 노드에서 달성 가능한 비율을 [수학식 5]로 나타낼 수 있다. From [Equation 3], the ratio achievable at the node can be expressed as [Equation 5].
[수학식 5][Equation 5]
(여기에서, , ) (From here, , )
의 singular value decomposition(SVD)를 적용하면, 이전 노드 최적의 빔포밍 행렬은 , 현재 노드에서의 수신 결합 매트릭스는 로 나타낼 수 있다(와 는 단일행렬이다.). 는 음이 아닌 대각행렬을 나타낸다. 는 노드 k-1에 대한 프리코딩 전력 할당으로 구성된 대각행렬을 나타낸다. 는 노드 k-1에 대한 프리코딩 전력 할당으로 구성된 대각행렬을 나타낸다. 는 의 0이 아닌 특이값에 해당하는 활성 채널의 수를 나타낸다. 따라서, 각 릴레이 노드(130)에서 수확된 에너지는 [수학식 6]으로 나타낼 수 있다. 또한, 각 노드에서 달성 가능한 비율은 [수학식 7]로 나타낼 수 있다. Applying the singular value decomposition (SVD) of , the optimal beamforming matrix for the previous node is , the receive coupling matrix at the current node is can be expressed as ( and is a single matrix). denotes a non-negative diagonal matrix. represents a diagonal matrix composed of precoding power allocations for node k-1. represents a diagonal matrix composed of precoding power allocations for node k-1. Is Indicates the number of active channels corresponding to a non-zero singular value of . Therefore, the energy harvested from each
[수학식 6][Equation 6]
[수학식 7][Equation 7]
소스 전송 전력 에 대한 최소화 문제는 [수학식 8]과 같이 나타낼 수 있다. source transmission power The minimization problem for can be expressed as [Equation 8].
[수학식 8][Equation 8]
(여기에서, 는 요구되는 비율 임계값, , ) (From here, is the required rate threshold, , )
시간분할 방식과 전력분할 방식의 차이점은 에너지 수확이 어떻게 발생하는지에 차이가 있다. 전력분할 방식이 에너지 수확과 정보 디코딩에 대한 신호 전력을 분할하는 반면, 시간분할 방식은 에너지 수확과 정보 디코딩 사이의 시간을 분할한다. 따라서 SWIPT 전력분할 방식에 대해 제시된 것과 유사한 절차에 따르면 k번째 노드에서 수확된 에너지는 [수학식 9]로 나타낼 수 있다. 또한, 달성 가능한 비율은 [수학식 10]으로 나타낼 수 있다. The difference between time-division and power-division is how energy harvesting occurs. While power division divides the signal power for energy harvesting and information decoding, time division divides the time between energy harvesting and information decoding. Therefore, according to a procedure similar to that proposed for the SWIPT power splitting scheme, the energy harvested at the k-th node can be expressed by [Equation 9]. In addition, the achievable ratio can be expressed by [Equation 10].
[수학식 9][Equation 9]
[수학식 10][Equation 10]
(여기서에, 는 노드 k에서 시간분할 비율을 의미한다.) (here, means the time division ratio at node k.)
소스 전송 전력 에 대한 최소화 문제는 [수학식 11]과 같이 나타낼 수 있다. source transmission power The minimization problem for can be expressed as [Equation 11].
[수학식 11][Equation 11]
(여기에서, ) (From here, )
제어부(133)는 수신부(131)에서 수신된 신호와 노이즈가 결합된 신호를 전달 받을 수 있다. 제어부(133)는 전송받은 신호를 다음 릴레이 노드(130)로 전송하기 위해 전송받은 RF 신호에서 전력을 수확 할 수 있다. 제어부(133)는 슈퍼 캐패시터를 이용하여 이전 릴레이 노드(130)로부터 수신받은 정보를 디코딩한 후 다음 릴레이 노드(130)로 재전송하기 위해 수확된 전력을 소비할 수 있다. 제어부(133)는 DF(Decoding and Forward) 방식의 전력 및 정보 동시 전송 빔포밍을 수행하기 위해 전력분할 비율 또는 시간분할 비율을 통해 RF 신호에서 전력을 수확할 수 있다. The
제어부(133)는 수신된 RF 신호에서 에너지 수확(EH) 및 정보 디코딩(ID)에 대한 전력분할 비율(PS ratio) 또는 시간분할 비율(TS ratio)로 전력 및 정보를 분할할 수 있다. The
제어부(133)는 최소 소스 전송 전력을 하기 [관계식 1]을 통해 도출할 수 있다. The
[관계식 1][Relationship 1]
(여기서, 는 노이즈 분산, 는 에너지 수확 효율, 는 요구되는 비율 임계값, 을 의미한다.) (here, is the noise variance, is the energy harvesting efficiency, is the required rate threshold, means.)
제어부(133)는 소스 전송 전력을 최소화하기 위한 전력분할 비율을 하기 [관계식 2]를 통해 도출할 수 있다. The
[관계식 2][Relationship 2]
(여기서, 는 전력분할 비율을 의미한다.) (here, means the power split ratio.)
제어부(133)는 소스 전송 전력을 최소화하기 위한 시간분할 비율을 하기 [관계식 3]의 반복 알고리즘을 통해 도출하는 것을 특징으로 하는 멀티 홉 릴레이 방식의 무선 통신 시스템.The
[관계식 3][Relationship 3]
(여기서, 는 시간분할 비율, 는 비율 임계값, 를 의미한다.) (here, is the time division ratio, is the ratio threshold, means.)
시간분할 방식은 최적화 에서 변수가 계속 존재하기 때문에 SWIPT TS 기술에 대해 폐쇄형 해를 구할 수 없다. 따라서, 제어부(133)은 반복 알고리즘(Algorithm 1)을 통해 소스 전송 전력을 최소화하기 위한 시간분할 비율을 도출할 수 있다. Optimizing the time division method Since the variable still exists in , a closed-form solution cannot be obtained for the SWIPT TS technique. Accordingly, the
[수학식 11]에 주어진 문제를 해결하기 위해, 주어진 총 시간 에서 최소 소스 전송 전력 과 최적의 시간분할 비율 은 [수학식 14]의 반복 알고리즘을 사용하여 도출할 수 있다. [수학식 14]를 이용하여 최종적으로 도출한 최적의 시간분할 비율 는 [관계식 3]으로 나타낼 수 있다. To solve the problem given in [Equation 11], the given total time Minimum source transmit power at and optimal time division ratio can be derived using the iterative algorithm of [Equation 14]. Optimal time division ratio finally derived using [Equation 14] can be represented by [Relationship 3].
[수학식 14][Equation 14]
[table 1]은 [수학식 14]를 통해 [관계식 3]을 도출하는 반복 알고리즘(Algorithm 1)을 나타낸다. [Table 1] represents an iterative algorithm (Algorithm 1) that derives [Relationship 3] through [Equation 14].
[table 1][table 1]
제어부(133)는 역 평균 노드 간 채널 이득(inverse average inter-node channel gains, IAICG)를 이용하여, 에너지 및 비율(rate) 제약 조건에 따라 최대의 채널 이득과 최소의 노드 수를 갖는 최단 경로로 라우팅할 수 있는 다음 릴레이 노드를 선택할 수 있다. 제어부(133)는 IAICG 가중치 행렬이 사용되는 DA 알고리즘(Algorithm 2)을 이용할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 채널 이득 모델이 채널효과(노드 간 거리, 신호 페이딩 및 레일리 페이딩)로 구성되고, 채널 이득이 클수록 역수는 작아지므로 IAICG 가중치 행렬이 사용되는 DA 알고리즘이 적합하다. 제어부(133)는 IAICG가 적용된 DA를 사용하여 최고의 채널 이득과 최소 노드 수를 기반으로 최단 경로를 선택할 수 있다.The
[table 2]는 IAICG 가중치 행렬이 사용되는 DA 알고리즘(Algorithm 2)을을 나타낸다. [table 2] shows the DA algorithm (Algorithm 2) in which the IAICG weight matrix is used.
[table 2][table 2]
제어부(133)는 전력분할 방식의 경우에는 비율 제약 조건을 으로 하고, 에너지 제약 조건을 으로 할 수 있다. 여기서, 는 달성 가능한 비율(rate), 는 최대 소스 전력을 의미한다. 제어부(133)는 비율 제약 조건 및 에너지 제약 조건이 만족되지 않을 때 새로운 경로를 선택할 수 있다. In the case of the power division method, the
멀티 홉 릴레이 방식의 무선 통신 시스템(10)은 소스 노드(110)에서 구현하는 중앙 집중식 방식의 라우팅 알고리즘을 이용할 수 있다. 구체적으로 소스 노드(110)는 와 로 표시된 무선 네트워크 내의 모든 가장자리와 꼭지점으로 구성된 그래프 행렬 를 식별하고 개발할 수 있다. 소스 노드(110) 역할을 하는 현재 또는 가장 최근 노드 는 새로운 행렬 를 갖는 값으로 인스턴스화될 수 있다. 행렬 내에는 및 이전 노드는 정의되지 않는다().제어부(133)는 위와 같은 방식으로 이전에 선택한 모든 노드를 다시 선택되지 않게 할 수 있다. The multi-hop relay
다음으로, 소스 노드(110)는 비율 및 소스 노드 전력 제약 조건을 충족하는 가장 낮은 가중치 를 갖는 첫 번째로 연결될 릴레이 노드(130)를 선택할 수 있다. 제어부(133)는 현재 노드에서 목적지 노드(150)에 도달할 때까지 동일한 프로세스를 반복할 수 있다. Next, the
제어부(133)는 시간분할 방식의 경우에는 비율(rate) 제약 조건을 으로 하고, 에너지 제약 조건을 으로 할 수 있다. 여기서, 는 달성가능한 비율(rate), 최대 소스 전력을 의미한다. 이하, 프로세스는 전력분할 방식과 동일하다.In the case of the time division method, the
본 발명의 다른 실시예로 멀티 홉 릴레이 방식의 무선 통신 방법은 수신 단계, 제어 단계, 및 송신 단계를 포함할 수 있다.In another embodiment of the present invention, a multi-hop relay wireless communication method may include a receiving step, a controlling step, and a transmitting step.
수신 단계는 릴레이 노드에서 소스 노드의 RF 신호를 수신할 수 있다. 수신 단계는 전술한 수신부(131)에서 수행되는 기능을 의미한다. In the receiving step, the relay node may receive the RF signal of the source node. The receiving step refers to a function performed by the above-described
제어 단계는 수신된 RF 신호에서 에너지 수확(EH) 및 정보 디코딩(ID)에 대한 전력분할 비율(PS ratio) 또는 시간분할 비율(TS ratio)로 전력 및 정보를 분할할 수 있다. 제어 단계는 전술한 제어부(133)에서 수행되는 기능을 의미한다. The control step may divide power and information from the received RF signal into a power division ratio (PS ratio) or a time division ratio (TS ratio) for energy harvesting (EH) and information decoding (ID). The control step refers to a function performed by the
제어 단계는 역 평균 노드 간 채널 이득(inverse average inter-node channel gains, IAICG)를 이용하여, 에너지 및 비율(rate) 제약 조건에 따라 최대의 채널 이득과 최소의 노드 수를 갖는 최단 경로로 라우팅할 수 있는 다음 릴레이 노드를 선택할 수 있다. The control step uses inverse average inter-node channel gains (IAICG) to route to the shortest path with the maximum channel gain and the minimum number of nodes according to the energy and rate constraints. You can select the next relay node available.
송신 단계는 제어 단계에서 분할된 전력 및 정보를 다음 릴레이 노드로 순차 빔포밍할 수 있다. 송신 단계는 전술한 송신부(135)에서 수행되는 기능을 의미한다. The transmission step may sequentially beamform the power and information split in the control step to the next relay node. The transmission step refers to a function performed by the
이하에서는 중앙 집중식 및 분산형 SWIPT 비율 프로토콜을 구현하는 방법에 대해 설명한다. The following describes how to implement centralized and decentralized SWIPT rate protocols.
먼저, 중앙 집중식 구현에서 SWIPT 전력분할 방식에 대해 살펴본다. 중앙 집중식 방식의 경우 소드 노드(110)는 네트워크에서 선택된 릴레이 노드(130)에 대한 모든 채널 이득을 알고 있다. 따라서, 소스 노드(110)는 각 릴레이 노드(130)에 대한 전력분할 비율을 계산할 수 있다. 소스 노드(110)는 안테나 구조에 따라 및 소스 전송 전력 최소화를 사용하여 각 노드에 대한 전력분할 비율을 계산한다. 소스 노드(110)는 계산 후 전력분할 비율, 선택된 릴레이 노드(130)의 인덱스 및 정보 신호를 첫 번째 릴레이 노드(130)로 전송한다. 릴레이 노드 k는 디코딩된 정보를 후속 중계 노드의 인덱스 및 전력분할 비율과 함께 다음 릴레이 노드(130)로 전송한다. First, we look at the SWIPT power splitting scheme in a centralized implementation. In the case of the centralized method, the
중앙 집중식 구현에서 SWIPT 시간분할 방식에 대해 살펴본다. SWIPT 시간분할 비율 기반 방식을 통해 중앙 집중식 접근 방식을 구현하려면 Algorithm 1을 소스 노드(110)에서 실행하여 모든 시간분할 비율과 소스 전송 전력을 탐색해야 한다. Algorithm 1의 구현은 4개의 다른 산술 방정식이 사용된다. 따라서, 계산은 이러한 산술 계산을 반복하는 작업이 포함된다. 이로 인해, 시간분할 방식은 전력분할 방식에 비해 더 많은 계산 능력이 요구된다. 그러나 각 노드에서의 데이터 전송은 시간분할 및 전력분할 비율 모두에 대해 동일하다. 이는 두 기술 모두 실제 정보 신호, SWIPT 비율 및 인덱스를 전송하기 때문이다. We look at the SWIPT time-slicing scheme in a centralized implementation. To implement the centralized approach through the SWIPT time-slicing ratio-based method,
다음으로, 분산식 구현에서 SWIPT 전력분할 방식에 대해 살펴본다. SWIPT 전력분할 방식에서 소스 노드(110)는 첫 번째 릴레이 노드(130)의 전력분할 비율을 [수학식 15]와 같이 계산한다. Next, we look at the SWIPT power splitting scheme in a distributed implementation. In the SWIPT power splitting scheme, the
[수학식 15][Equation 15]
소스 노드(110)는 계산 후 정보 신호, , , 및 모든 릴레이 노드(130) 인덱스를 첫 번째 릴레이 노드(130)로 전송한다. k번째 릴레이 노드(130)는 k+1번째의 릴레이 노드(130)의 전력분할 비율을 [수학식 16]과 같이 계산한다. The
[수학식 16][Equation 16]
현재 노드인 k번째의 릴레이 노드(130)는 디코딩된 정보, , , 번째의 릴레이 노드들의 인덱스를 다음 노드인 k+1번째의 릴레이 노드(130)에 전송한다. The k-
중앙 집중식 구현의 장점은 릴레이 노드(130)가 전력분할 비율 계산과 관련하여 부담이 없다는 것이다. 그러나 처음 몇 개의 릴레이 노드(130)는 전송되는 후속 릴레이 노드(130)의 전력분할 비율에 따라 처리하고 전달할 많은 양의 데이터 비트를 갖는다. 중앙 집중식 구현은 릴레이 노드(130)에 충분한 메모리가 없으면 DF 프로세스가 영향을 받을 수 있다. An advantage of a centralized implementation is that the
분산식 구현은 각 노드가 중앙 집중식 구현과 비교하여 DF 기능에 대해 더 적은 데이터 비트를 수신한다. 분산식 구현의 단점은 릴레이 노드(130)가 다음 노드로 재전송하기 전에 변수 과 를 계산해야 한다는 것이다. A decentralized implementation means that each node receives fewer data bits for the DF function compared to a centralized implementation. A disadvantage of the decentralized implementation is that the
이하에서는 본 발명의 시뮬레이션 결과를 설명한다. Hereinafter, simulation results of the present invention will be described.
도 3는 본 발명의 실시예에 따른 시간분할 비율을 구하기 위한 반복 알고리즘의 수렴 테스트 결과 그래프를 나타낸다. 도 3을 참조하면, 반복 알고리즘(Algorithm 1)은 2회 이상의 반복 후에 수렴되기 시작함을 알 수 있다. 3 shows a graph of a convergence test result of an iterative algorithm for obtaining a time division ratio according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3 , it can be seen that the iterative algorithm (Algorithm 1) begins to converge after two or more iterations.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 서로 다른 SWIPT 체계에 대한 라우팅 경로를 나타낸다.()4 shows routing paths for different SWIPT schemes according to an embodiment of the present invention. ( )
도 5은 본 발명의 실시예에 따른 서로 다른 SWIPT 체계에 대한 라우팅 경로를 나타낸다.()5 shows routing paths for different SWIPT schemes according to an embodiment of the present invention. ( )
도 4와 도 5를 참조하면, 서로 다른 DF-SWIPT 방식에 대한 다양한 라우팅 경로를 알 수 있다. 라우팅은 사용 가능한 최대 소스 전력 =30dBm인 Algorithm 2를 통해 수행된다. 최적의 전력분할 비율 방식(), 고정된 전력분할 비율 방식(), 최적의 시간분할 비율 방식(), 고정된 전력분할 비율 방식(), 최적의 시간분할 비율 방식(), 고정된 시간분할 비율 방식() 각각을 사용하여 소스 노드(110)와 목적지 노드(150) 간의 E2E 통신에 필요한 최소 소스 전력을 탐색한다. 시뮬레이션 토폴로지는 50개의 노드가 차원이 있는 정사각형에 분산된 것이다(. 여기서, ).Referring to FIGS. 4 and 5 , various routing paths for different DF-SWIPT schemes can be seen. Routing is the maximum available source power = 30 dBm is performed through
도 4 및 도 5는 에너지 수확 방식, 안테나 구성 및 채널 이득에 기초하여 동일하거나 상이한 라우팅 경로가 정보 전송을 위해 선택될 수 있음을 보여준다. 또한, 도 4 및 도 5는 전체 면적이 증가함에 따라 통신을 지원하는 데 필요한 최소 소스 전력이 증가함을 보여준다. 따라서, SWIPT 기반 에너지 수확 및 라우팅 기능을 모두 적용한 시도는 성능향상에 상당히 도움이 됨을 알 수 있다. 도 4 및 도 5를 통해 알 수 있듯이, 본 발명은 가장 가까운 릴레이 노드가 선택될 뿐만 아니라 전송 시 에너지를 가장 적게 사용할 수 있다. 4 and 5 show that the same or different routing paths can be selected for information transmission based on energy harvesting scheme, antenna configuration and channel gain. 4 and 5 also show that the minimum source power required to support communication increases as the total area increases. Therefore, it can be seen that an attempt to apply both SWIPT-based energy harvesting and routing functions is very helpful in improving performance. As can be seen through FIGS. 4 and 5 , the present invention not only selects the nearest relay node but also uses the least amount of energy during transmission.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 비율 임계값 변화에 대한 최소 전송 전력의 그래프를 나타낸다. 도 6을 참조하면, 필요한 최소 소스 전력량은 SNR 임계값이 증가함에 따라 증가함을 알 수 있다. 안테나 숫자가 2와 5인 두 가지 다른 MIMO 구성은 SISO 구성을 완전히 능가한다는 것을 확인할 수 있다. L=2인 MIMO와 L=5인 MIMO는 각각 100dBm, 150dBm의 에너지 수요가 감소함을 알 수 있다. 6 shows a graph of minimum transmit power versus rate threshold change according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 6 , it can be seen that the required minimum amount of source power increases as the SNR threshold increases. It can be seen that the two different MIMO configurations with
특히, 두 개의 서로 다른 MIMO 설정에 초점을 맞추면, 서로 다른 안테나 구성에 대한 동일한 방식에서 전송 전력 수요가 약 50dBm 증가한다는 사실을 알 수 있다. 이것은 요구되는 최소 소스 전송 전력에 대한 폐쇄형 솔루션의 추론으로 확인할 수 있다. 또한, 전력분할 방식은 시간분할 방식과 비교하여 통신을 용이하게 하기 위해 더 적은 를 필요로 하는 것을 알 수 있다. 또한, 최적의 방식은 최소 측면에서 고정 비율 방식보다 성능이 뛰어남을 알 수 있다. In particular, focusing on two different MIMO setups, it can be seen that the transmit power demand increases by about 50 dBm in the same scheme for different antenna configurations. This can be confirmed by the reasoning of the closed-end solution for the minimum required source transmit power. In addition, compared to the time division scheme, the power division scheme requires fewer It can be seen that it requires Also, the optimal method is From the side, it can be seen that the performance is superior to the fixed ratio method.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 소스-목적지 거리에 대한 최소 전송 전력의 그래프를 나타낸다. 도 7을 참조하면, 필요한 최소 는 노드간 거리가 10m에서 30m로 늘어남에 따라 증가함을 알 수 있다. MIMO 모델은 L=1과 L=2 사이에서 약 80dBm, L=1과 L=5 사이에서 약 130dBm의 하락으로 벤치마크 SISO 모델을 능가함을 알 수 있다. 또한, 최적의 방식은 고정 비율 방식보다 성능이 우수함을 알 수 있다. 예를 들면, 최적 전력분할 방식은 L=5로 설정된 고정 비율 방식으로 이동할 때 전력 수요가 약 20dBm이 증가한다. 안테나는 5에서 2로 감소할 때, 모든 방식에 대한 소스-목적지 통신을 지원하는데 필요한 최소 가 증가함을 알 수 있다. 7 shows a graph of minimum transmit power versus source-destination distance according to an embodiment of the present invention. Referring to Figure 7, the minimum required It can be seen that increases as the distance between nodes increases from 10 m to 30 m. It can be seen that the MIMO model outperforms the benchmark SISO model with a drop of about 80dBm between L=1 and L=2 and about 130dBm between L=1 and L=5. In addition, it can be seen that the optimal method has better performance than the fixed ratio method. For example, the power demand increases by about 20 dBm when the optimal power splitting scheme moves to a fixed ratio scheme with L=5. When antennas are reduced from 5 to 2, the minimum required to support source-destination communication for all modes It can be seen that increases.
도 8는 본 발명의 실시예에 따른 채널 추정 오류에 대한 최소 전송 전력의 그래프를 나타낸다. 도 8을 참조하면, 최적화된 MIMO 라우팅 방식은 벤치마크 SISO 시스템보다 유리하다는 것을 확인할 수 있다. 즉, 전송에 필요한 에너지는 채널 추정 오차가 증가할수록 증가함을 확인할 수 있다.8 shows a graph of minimum transmit power versus channel estimation error according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 8 , it can be confirmed that the optimized MIMO routing scheme is more advantageous than the benchmark SISO system. That is, it can be seen that the energy required for transmission increases as the channel estimation error increases.
도 9은 본 발명의 실시예에 따른 안테나의 수에 대한 최소 전송 전력의 그래프를 나타낸다. 도 9를 참조하면, 전송에 필요한 에너지는 각 노드의 안테나 수가 증가함에 따라 감소함을 알 수 있다. 필요한 최소 소스 전송 에너지는 채널 추정 오류가 0에서 0.3으로 증가함에 따라 증가함을 알 수 있다. 이것은 채널 추정 오차의 증가는 더 큰 손실을 발생시킨다는 것을 의미한다. 최적의 전력분할 방식은 최적의 시간분할 방식보다 성능이 뛰어남을 확인할 수 있다.9 shows a graph of minimum transmit power versus the number of antennas according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 9, it can be seen that the energy required for transmission decreases as the number of antennas of each node increases. It can be seen that the minimum required source transmission energy increases as the channel estimation error increases from 0 to 0.3. This means that an increase in channel estimation error causes a larger loss. It can be seen that the optimal power division scheme outperforms the optimal time division scheme.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 각 노드에서 수확되는 최소 에너지를 나타낸다. 도 10을 참조하면, 두 개의 릴레이 노드(130)가 있는 경우 노드 1이 노드 2보다 더 많은 에너지를 수확했음을 알 수 있다. 전력분할 방식과 시간분할 방식은 노드 에너지 수확량이 동일하다. 노드 1은 70dBm~65dBm, 노드 2는 85dBm~65dBm이다. 그러나 전체 누적 효과는 시간분할 방식보다 전력분할 방식에서 더 큼을 알 수 있다. 10 shows the minimum energy harvested at each node according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 10 , it can be seen that
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다. Although the present invention has been described in detail through representative embodiments, those skilled in the art will understand that various modifications are possible to the above-described embodiments without departing from the scope of the present invention. will be. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments and should not be defined, and should be defined by all changes or modifications derived from the claims and equivalent concepts as well as the claims to be described later.
10 : 멀티 홉 릴레이 방식의 무선 통신 시스템
110 : 소스 노드
130 : 릴레이 노드
131 : 수신부
133 : 제어부
135 : 송신부
150 : 목적지 노드10: Multi-hop relay wireless communication system
110: source node
130: relay node
131: receiver
133: control unit
135: transmission unit
150: destination node
Claims (7)
상기 릴레이 노드는,
소스 노드의 RF 신호를 수신하는 수신부;
수신된 RF 신호에서 에너지 수확(EH) 및 정보 디코딩(ID)에 대한 전력분할 비율(PS ratio) 또는 시간분할 비율(TS ratio)로 전력 및 정보를 분할하는 제어부; 및
상기 제어부에서 분할된 전력 및 정보를 다음 릴레이 노드로 순차 빔포밍하는 송신부를 포함하고,
상기 제어부는, 역 평균 노드 간 채널 이득(inverse average inter-node channel gains, IAICG)를 이용하여, 에너지 및 비율(rate) 제약 조건에 따라 최대의 채널 이득과 최소의 노드 수를 갖는 최단 경로로 라우팅할 수 있는 다음 릴레이 노드를 선택하는 것을 특징으로 하는 멀티 홉 릴레이 방식의 무선 통신 시스템.
A multi-hop relay wireless power transmission system including a source node, a plurality of relay nodes that simultaneously perform beamforming of power and information in a multi-homed manner, and a destination node,
The relay node,
A receiving unit for receiving the RF signal of the source node;
A controller for dividing power and information into a power division ratio (PS ratio) or a time division ratio (TS ratio) for energy harvesting (EH) and information decoding (ID) in the received RF signal; and
A transmission unit for sequentially beamforming the power and information divided by the control unit to the next relay node;
The control unit routes to the shortest path having the maximum channel gain and the minimum number of nodes according to energy and rate constraints using inverse average inter-node channel gains (IAICG). A multi-hop relay wireless communication system, characterized in that for selecting the next possible relay node.
상기 제어부는,
최소 소스 전송 전력을 하기 [관계식 1]을 통해 도출하는 것을 특징으로 하는 멀티 홉 릴레이 방식의 무선 통신 시스템.
[관계식 1]
(여기서, 는 노이즈 분산, 는 에너지 수확 효율, 는 요구되는 비율 임계값, 을 의미한다.)
According to claim 1,
The control unit,
A multi-hop relay-type wireless communication system, characterized in that the minimum source transmit power is derived through [Relationship 1] below.
[Relationship 1]
(here, is the noise variance, is the energy harvesting efficiency, is the required rate threshold, means.)
상기 제어부는,
소스 전송 전력을 최소화하기 위한 전력분할 비율을 하기 [관계식 2]를 통해 도출하는 것을 특징으로 하는 멀티 홉 릴레이 방식의 무선 통신 시스템.
[관계식 2]
(여기서, 는 전력분할 비율을 의미한다.)
According to claim 2,
The control unit,
A multi-hop relay-type wireless communication system, characterized in that a power division ratio for minimizing source transmission power is derived through [Relationship 2] below.
[Relationship 2]
(here, means the power split ratio.)
상기 제어부는,
소스 전송 전력을 최소화하기 위한 시간분할 비율을 하기 [관계식 3]의 반복 알고리즘을 통해 도출하는 것을 특징으로 하는 멀티 홉 릴레이 방식의 무선 통신 시스템.
[관계식 3]
(여기서, 는 시간분할 비율, 는 비율 임계값, 를 의미한다.)
According to claim 2,
The control unit,
A multi-hop relay-type wireless communication system, characterized in that a time division ratio for minimizing source transmission power is derived through an iterative algorithm of [Relationship 3] below.
[Relationship 3]
(here, is the time division ratio, is the ratio threshold, means.)
전력분할 방식의 경우에는 상기 비율 제약 조건은 이고, 상기 에너지 제약 조건은 인 것을 특징으로 하는 멀티 홉 릴레이 방식의 무선 통신 시스템. (여기서, 는 달성가능한 비율(rate), 는 최대 소스 전력을 의미한다.)
According to claim 1,
In the case of the power splitting method, the ratio constraint is , and the energy constraint is A multi-hop relay wireless communication system, characterized in that. (here, is the achievable rate, means the maximum source power.)
시간분할 방식의 경우에는 상기 비율(rate) 제약 조건은 이고, 상기 에너지 제약 조건은 인 것을 특징으로 하는 멀티 홉 릴레이 방식의 무선 통신 시스템. (여기서, 는 달성가능한 비율(rate), 는 최대 소스 전력을 의미한다.)
According to claim 1,
In the case of the time division method, the rate constraint is , and the energy constraint is A multi-hop relay wireless communication system, characterized in that. (here, is the achievable rate, means the maximum source power.)
상기 릴레이 노드에서 소스 노드의 RF 신호를 수신하는 수신 단계; 수신된 RF 신호에서 에너지 수확(EH) 및 정보 디코딩(ID)에 대한 전력분할 비율(PS ratio) 또는 시간분할 비율(TS ratio)로 전력 및 정보를 분할하는 제어 단계; 및 상기 제어 단계에서 분할된 전력 및 정보를 다음 릴레이 노드로 순차 빔포밍하는 송신 단계를 포함하고,
상기 제어 단계는, 역 평균 노드 간 채널 이득(inverse average inter-node channel gains, IAICG)를 이용하여, 에너지 및 비율(rate) 제약 조건에 따라 최대의 채널 이득과 최소의 노드 수를 갖는 최단 경로로 라우팅할 수 있는 다음 릴레이 노드를 선택하는 것을 특징으로 하는 멀티 홉 릴레이 방식의 무선 통신 방법.
In a wireless power transmission method of a multi-hop relay method of a transmission system including a source node, a plurality of relay nodes that simultaneously perform beamforming of power and information in a multi-home method, and a destination node,
A receiving step of receiving an RF signal of a source node in the relay node; A control step of dividing power and information into a power division ratio (PS ratio) or a time division ratio (TS ratio) for energy harvesting (EH) and information decoding (ID) in the received RF signal; And a transmission step of sequentially beamforming the power and information divided in the control step to the next relay node,
The control step uses inverse average inter-node channel gains (IAICG) to determine the shortest path having the maximum channel gain and the minimum number of nodes according to energy and rate constraints. A multi-hop relay wireless communication method characterized by selecting the next routable relay node.
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