WO2019139197A1 - 다중 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 빔포밍 장치 및 방법 - Google Patents

다중 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 빔포밍 장치 및 방법 Download PDF

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WO2019139197A1
WO2019139197A1 PCT/KR2018/001000 KR2018001000W WO2019139197A1 WO 2019139197 A1 WO2019139197 A1 WO 2019139197A1 KR 2018001000 W KR2018001000 W KR 2018001000W WO 2019139197 A1 WO2019139197 A1 WO 2019139197A1
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power
signal
relay
node
ratio
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PCT/KR2018/001000
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Inventor
이경재
콰쿠 포비 아시두데렉
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한밭대학교 산학협력단
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    • H02J50/20—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using microwaves or radio frequency waves
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    • H04B17/00—Monitoring; Testing
    • H04B17/30—Monitoring; Testing of propagation channels
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    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
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    • H04B7/06—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station
    • H04B7/0613—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission
    • H04B7/0615—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission of weighted versions of same signal
    • H04B7/0617—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission of weighted versions of same signal for beam forming
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    • H04B7/155—Ground-based stations
    • H04B7/15592—Adapting at the relay station communication parameters for supporting cooperative relaying, i.e. transmission of the same data via direct - and relayed path

Definitions

  • the present invention relates to a wireless power and information concurrent transmission beamforming apparatus and method for multiple relays, and more particularly, to a method and apparatus for simultaneously achieving good channel capacity by optimizing a power ratio (PS ratio) for a SWIPT in an AF multi- And more particularly, to a wireless power and information concurrent transmission beamforming apparatus and method for multiple relays. Also, in the present invention, a good SNR can be obtained by using the sub-gradient method, so that the present invention can be effectively utilized for wireless power and information concurrent transmission beamforming for multiple relays.
  • PS ratio power ratio
  • relays In wireless communications, relays extend the coverage of cellular networks and are viewed as a promising solution to improve performance.
  • a customer terminal that is sometimes inactive as a relay node may be used.
  • a customer terminal selected to operate as a relay node consumes its own power for communication between a source node and a destination node.
  • the power since the selected customer does not want to sacrifice the battery energy of the terminal, the power also needs to be transmitted wirelessly.
  • the battery of a relay node can be charged by wireless powered transfer (WPT). Except for periodic battery replacement or recharging at a wireless communication node, the WPCN improves device life, reduces network energy consumption, and consequently achieves higher performance than conventional wireless communication networks.
  • WPT wireless powered transfer
  • WPCN a technique in which a wireless node simultaneously transmits power and information is referred to as simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT).
  • WIPT simultaneous wireless information and power transfer
  • each relay delivers the received signal as it is without decoding.
  • each relay first decodes the received signal and generates a transmission signal based on the decoded message.
  • AF amplify-and-forward
  • DF decode-and-forward
  • TS time switching
  • PS power splitting
  • Patent Document 1 Korean Patent Registration No. 10-1710012 entitled " Energy Harvesting Method in a Receiver and Receiver Using the Method, and Method and Apparatus for Detecting Blind Modulation Method Therefor "
  • Non-Patent Document 1 Y. Jing and H. Jafarkhani, " Network beamforming using relays with perfect channel information, " IEEE Transactions on Infromation Theory, vol. 55, pp. 2499-2517, June 2009.
  • a method of simultaneously transmitting a wireless power and information of a destination node in a multi-relay system comprising: (a) Calculating a division ratio; And (b) transmitting the optimal power split ratio to each relay node such that each activated relay node generates a beamforming signal using the optimal power split ratio.
  • step (a) comprises the steps of: (a-1) setting, for each activated relay node, a value of the power control element? K to 1; (a-2) for each activated relay node, initializing a power split ratio vector ( 0 ) to an initial power split ratio ( k ); Including; and (a-3) power division ratio vector ( ⁇ n) in respect, signal to noise ratio ⁇ ( ⁇ n) for optimum power splitting ratio by applying gradient descent method so as to maximize obtaining a ( ⁇ k *) can do.
  • the initial value of the power split ratio ( k ) may satisfy the following equation.
  • P C, k is the power of the circuit is consumed for the information identification (ID)
  • ⁇ k represents the energy harvesting (EH) efficiency is 0 ⁇ ⁇ k ⁇ 1
  • P T is transmitted from the source node S
  • h k is the channel information transmitted from the source node S to the k- th relay R k .
  • the beamforming signal may be a signal that the relay node power-divides a signal received from the source node using the optimum power division ratio, amplifies and transmits the signal.
  • a method for simultaneously transmitting a wireless power and an information of a relay node in a multiple relay system comprising: (c) receiving an optimal power division ratio using channel state information from a destination node; step; And (d) transmitting a beamforming signal generated using the optimal power split ratio to a destination node.
  • the optimum power split ratio is set such that, for each activated relay node, the power adjustment factor? K is set to 1, the power split ratio vector? 0 is initialized to the power split ratio? K initial value , for a power split ratio vector ( ⁇ n) to maximize the signal to noise ratio ⁇ ( ⁇ n) it can be obtained by applying gradient descent method.
  • the initial value of the power split ratio ( k ) may satisfy the following equation.
  • P C, k is the power of the circuit is consumed for the information identification (ID)
  • ⁇ k represents the energy harvesting (EH) efficiency is 0 ⁇ ⁇ k ⁇ 1
  • P T is transmitted from the source node S
  • h k is the channel information transmitted from the source node S to the k- th relay R k .
  • the beamforming signal may be a signal obtained by power dividing a signal received from a source node using the optimal power division ratio, and then amplifying and transmitting the signal.
  • a destination node apparatus for performing wireless power and information concurrent transmission beamforming in a multi-relay system, the apparatus comprising: An operation unit for calculating a ratio; And a transmitter for transmitting the optimal power split ratio to each relay node so that each activated relay node generates a beamforming signal using the optimal power split ratio.
  • the arithmetic section sets the value of the power control element ( ⁇ k ) to 1, initializes the power split ratio vector ( ⁇ 0 ) to an initial value of the power split ratio ( ⁇ k ) for each activated relay node, applying the ratio vector ( ⁇ n) signal to noise ratio ⁇ ( ⁇ n) to maximize the gradient descent method for can be determined by the optimum power splitting ratio ( ⁇ k *).
  • the initial value of the power split ratio ( k ) may satisfy the following equation.
  • P C, k is the power of the circuit is consumed for the information identification (ID)
  • ⁇ k represents the energy harvesting (EH) efficiency is 0 ⁇ ⁇ k ⁇ 1
  • P T is transmitted from the source node S
  • h k is the channel information transmitted from the source node S to the k- th relay R k .
  • the beamforming signal may be a signal that the relay node power-divides a signal received from the source node using the optimum power division ratio, amplifies and transmits the signal.
  • a relay node apparatus for performing wireless power and information concurrent transmission beamforming in a multiple relay system, comprising: a receiver for receiving an optimal power split ratio from a destination node; And a controller for generating a beamforming signal to be transmitted to a destination node using the optimal power division ratio.
  • the optimum power split ratio is set such that, for each activated relay node, the power adjustment factor? K is set to 1, the power split ratio vector? 0 is initialized to the power split ratio? K initial value , for a power split ratio vector ( ⁇ n) to maximize the signal to noise ratio ⁇ ( ⁇ n) it can be obtained by applying gradient descent method.
  • the initial value of the power split ratio ( k ) may satisfy the following equation.
  • P C, k is the power of the circuit is consumed for the information identification (ID)
  • ⁇ k represents the energy harvesting (EH) efficiency is 0 ⁇ ⁇ k ⁇ 1
  • P T is transmitted from the source node S
  • h k is the channel information transmitted from the source node S to the k- th relay R k .
  • the controller may perform power division on a signal received from the source node using the optimum power division ratio, and then amplify the signal to generate a beamforming signal.
  • the wireless power and information concurrent transmission beamforming apparatus and method for multiple relays according to the present invention are excellent in optimization performance and can obtain excellent channel capacity.
  • the apparatus and method for simultaneous transmission of wireless power and information for multiple relays according to the present invention exhibit excellent SNR performance even when the number of relays is increased in consideration of the state of all relays.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram showing a multiple relay system using a beamforming method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating an operation of a relay node using a beamforming method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a flow chart for executing a beamforming method in accordance with an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a flowchart for obtaining an optimum power division ratio according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a block diagram illustrating the components of a destination node and a relay node according to an exemplary embodiment of the present invention. Referring to FIG.
  • FIG. 6 is a graph illustrating the average bandwidth efficiency for the transmission SNR of the optimization method and the existing methods according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a graph illustrating average bandwidth efficiency for the number of relays of an optimization method and an existing method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a graph illustrating the average bandwidth efficiency for the performance of the optimization method and the conventional methods according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a graph illustrating an average bit error rate change according to a change in transmission SNR of an optimization method and an existing method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram showing a multiple relay system using a beamforming method according to an embodiment of the present invention.
  • the K relay nodes 131, 132, ... associated with the communication between the source node and the destination node are the active relay node 130 and the remaining relay nodes 121, 122, ... are the inactive relay node 120 . It is assumed that there is no direct connection between the source node and the destination node.
  • the relay node means active relay node 130.
  • R k H k denotes an SR k channel between a source node and a relay node
  • g k denotes an R k -D channel between a relay node and a destination node.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating an operation of a relay node using a beamforming method according to an embodiment of the present invention.
  • the relay node 130 includes a SWIPT PS system.
  • the radio information signal transmitted from the source node 130 is transmitted to the relay node 130 R k .
  • the radio information signal is received at the receiving antenna 210 of the relay node 130 R k .
  • the received radio information signal is combined 215 with the antenna noise n A, k, and the input signal x in, k is input.
  • RS R k shall, harvesting power from the RF signal to transmit the signal received by the destination node (190).
  • the input signal power splitting ratio (PS ratio) as much as ⁇ k are input into an energy harvesting module 230 generates an energy.
  • the remaining 1 -? K signals are input to the information recognition (ID) module 220.
  • the power P C, k required to power the information recognition (ID) module is supplied by the energy harvest module 230.
  • the additional noise n P, k is combined 225 to form the information signal x id, k for retransmission.
  • the relay node In order to retransmit the information signal x id, k from the relay node 130 R k to the destination node 190, the remaining power Q k excluding the power P C, k used in the information recognition (ID) module among the harvested (240).
  • the final output signal x out, k is formed by mixing 250 using a power control factor ⁇ k and a phase alignment factor ⁇ k .
  • the relay node transmits the output signal to the destination node 190 through the transmission antenna 260.
  • the signal x in, k transmitted from the source node 110 to the relay node 130 R k can be expressed by Equation (1).
  • P T is the power transmitted from the source node 110 S
  • h k is the SR k channel information transmitted from the source node S to the k- th relay node 130 R k
  • s is transmitted from the source node Signal
  • n A, k is the antenna noise between the source node S and the relay node R k .
  • ⁇ k represents the energy harvest (EH) efficiency
  • EH energy harvest
  • ⁇ k represents the power split ratio
  • P C, ID is the power of the circuit consumed.
  • the relay node R k does not operate.
  • the number K of active relay nodes 130 is less than or equal to the total number L of relays ( K ? L ).
  • Equation (3) The ratio of the information signal for retransmission after power split (PS) is shown in Equation (3).
  • n P, k is the additional noise that occurs when converting the RF band to the reference band signal.
  • Equation (3) Substituting Equation (3) into Equation (1), the following Equation (4) can be obtained.
  • n T, k is the total noise, and is given by the following equation.
  • a signal transmitted from the relay node 130 R k to the destination node 190 D can be expressed by equation (5).
  • ⁇ k and ⁇ k are defined in Non-Patent Document 1 for network beamforming, ⁇ k is a power control factor, and ⁇ k is a phase alignment factor.
  • ⁇ A, k 2 is the deviation of the antenna noise
  • ⁇ P, k 2 is the deviation of the processing noise
  • N D is the noise of the destination node
  • g k is the channel information transmitted from the k-th relay node R k to the destination node
  • the power scaled channel g k is given by Equation (7).
  • ⁇ k * - (arg h k + arg g k ) so that the phase of all relay channels is aligned with the receiver.
  • D 2 is the noise variance of the destination node.
  • Equation (9) is the maximization problem of the channel capacity (bandwidth efficiency) (bps / Hz).
  • Equation 10 The problem of maximizing the channel capacity of Equation (9) can be solved by maximizing the received signal-to-noise ratio (SNR) ? As shown in Equation (10).
  • Equation 10 is a simultaneous equation, requiring joint optimization.
  • the problem of integrally optimizing Equation 10 can be solved using the KKK condition (Karush-Kuhn-Tucker condition) since it is convex with respect to ⁇ k ⁇ and ⁇ k ⁇ .
  • Equation (11) The KKT condition for Equation (10) can be expressed by the following Equation (11).
  • Equation (12) 1, 2, ... , K , where ⁇ is defined by Equation (12), ⁇ i is defined by Equation (13), and ⁇ i is defined by Equation (14).
  • the optimal power control factor ⁇ k is always 1 for all k .
  • Equation (10) the integrated optimization problem of Equation (10) can be simplified to Equation (15).
  • Equation (15) is convex with respect to ⁇ rho k ⁇ .
  • ⁇ k ⁇ and ⁇ k ⁇ ⁇ if the integrated optimized for, the optimum power control element for all k ⁇ k * is always 1.
  • Optimal ⁇ k * 1 because, to find an optimum power splitting ratio (PS ratio) ⁇ k * ⁇ that maximizes the signal-to-noise ratio (SNR) in the equation (10), signal-to-noise power split ratio for ⁇ for all k a gradient descent method using a sub-gradient ? ⁇ / ⁇ k that is obtained by partial differentiation by the partial gradient ⁇ k can be used.
  • the sub-gradient can be obtained from Equation (11) and is given by Equation (16).
  • Integrated optimization can be implemented in a centralized manner.
  • the channel state information (CSI) can be transmitted from each active relay node 130 to the destination node. Since the destination node 190 knows all the channel state information (global CSI) of the activated relay, the destination node 190 assumes that it knows the global channel state information (global CSI) The solution can be calculated. The destination node 190 may feed back the obtained power split ratio (PS ratio) k to each relay node 130.
  • PS ratio power split ratio
  • FIG. 3 is a flow chart for executing a beamforming method in accordance with an embodiment of the present invention.
  • the entire relay node receives a signal from the source node (S310).
  • the power is harvested from the signal received from the source node 110 (S315).
  • the activated K relay nodes 130 having the harvested power Q k > 0 transmit channel state information (CSI) to the destination node 190 (S 320).
  • the destination node 190 may store channel state information (CSI) of each activated relay node.
  • the destination node 190 selects the K active relay nodes 130 having the harvested power Q k > 0 (S330).
  • Each relay node 130 performs power division of the signal transmitted from the source node 110 in step S360 and amplifies it in step S380 using the optimum power division ratio received from the destination node as feedback in step S380. x out, k beamforming. Each relay node 130 transmits the beamformed signal to the destination node 190 (S390). The destination node 190 receives a signal transmitted by each activated relay node 130.
  • FIG. 4 is a flowchart for obtaining an optimum power division ratio according to an embodiment of the present invention.
  • PS ratio power division ratio
  • the power split ratio ⁇ k is ,
  • the power split ratio vector? 0 [? 1 , ..., Initialize, ⁇ K] (S342).
  • ⁇ n +1 ⁇ n + ⁇ ⁇ (S345).
  • ⁇ is used as a step size to adjust the convergence speed. If the value is too small, the calculation is delayed. If the value is too large, the value can be diverged. Therefore, it is preferable to select an appropriate value for the delta value in accordance with the system.
  • a new signal-to-noise ratio ? (? N + 1 ) is calculated using the updated power division ratio vector? N +1 (S346).
  • FIG. 5 is a block diagram illustrating the components of a relay node and a destination node according to an exemplary embodiment of the present invention. Referring to FIG.
  • the relay node 130 includes a receiving unit 510, a control unit 520, and a transmitting unit 530.
  • the receiving unit 510 can receive the optimal power division ratio from the destination node.
  • the control unit 520 may generate the beamforming signal using the optimal power division ratio transmitted to the receiver.
  • the transmitter 530 may transmit the channel state information and the beamforming signal generated by the controller to the destination node.
  • the control unit 520 can perform power division using the optimal power division ratio received from the destination node, and then amplify and transmit the signal received by the relay node from the source node.
  • the relay node may include a storage unit (not shown) in addition to the receiving unit 510, the control unit 520, and the transmitting unit 530. These components may be configured as independent modules, .
  • FIG. 5 (b) is a configuration diagram showing the components of the destination node 190.
  • the destination node 190 includes a receiving unit 560, a calculating unit 570, and a transmitting unit 580.
  • the operation unit 570 can calculate an optimal power division ratio of each activated relay node.
  • the transmitting unit 580 can transmit the optimal power division ratio obtained by the arithmetic unit to each activated relay node.
  • the receiving unit 560 can receive the beamforming signal generated using the channel state information and the optimal power division ratio from each activated relay node.
  • the arithmetic operation unit 570 sets the value of the power control element? K to 1, initializes the power split ratio vector? 0 to the power split ratio? K initial value for each activated relay node, calculating a signal to noise ratio ⁇ ( ⁇ n) to the already power split ratio vector ( ⁇ n) obtained by partial differential signal-to-noise ratio ⁇ ( ⁇ n) as a power division ratio ( ⁇ k) calculating a sub-gradient ( ⁇ ), It is possible to obtain the optimum power division ratio (rho k * ) by the slope descent method.
  • the power split ratio? K initial value can be set to satisfy Equation (3).
  • the destination node may include a storage unit (not shown) in addition to the receiving unit 560, the calculating unit 570, and the transmitting unit 580. These components may be configured as independent modules, .
  • Table 1 summarizes the complexity of computation of the integrated optimization method and existing methods according to an embodiment of the present invention, required channel state information (CSI), and the like.
  • the joint optimization beamforming method according to one embodiment of the present invention is proposed joint optimal, and the beamforming method disclosed in Non-Patent Document 1 is performed with Optimal? K with fixed? K ,
  • the selection method is Relay selection.
  • Fixed ⁇ k and ⁇ k are the simple methods in which both ⁇ k and ⁇ k are fixed, and the concentrated search method is denoted by exhaustive search.
  • the computation complexity is 2 O ( KJ ) because the central node computes each ⁇ k value and SNR value.
  • the integrated optimization method has relatively high computation complexity and increases with K value instead of getting more accurate results. That is, the integrated optimization method has the disadvantage of computation instead of showing the best performance at the concentrated node (destination node).
  • the destination node For all relay nodes, the destination node must propagate the index of each relay and their optimal power split ratio ( ⁇ k *) value for all relay nodes.
  • the number of bits required in this process is calculated as I log K + K H. Where I is the relay node index and H is the bits for the transmitted real number k .
  • B is the number of bits to propagate the real number
  • i 0 is the bits necessary to propagate the index of the relay node.
  • L relay nodes are randomly distributed in a square area of 25 m 2, and that the source and destination nodes are located at a distance of 5 m from the center line.
  • the channel constants h k and g k can be obtained by the following equation (17).
  • Equation 17 d h, k is the distance between the source and the relay, and d g, k is the distance between the relay and the destination.
  • # 1 is a joint optimization method which is an embodiment of the present invention
  • # 2 is a multi-relay beamforming method of Non-Patent Document 1
  • # 3 is a relay selection method.
  • the optimized power control factor ⁇ k * 1 for all k values and the instantaneous bandwidth efficiency (bps / Hz) is 0.9089 High.
  • 6 is a graph illustrating the average bandwidth efficiency for the transmission SNR of the optimization method and the existing methods according to an embodiment of the present invention. 6 shows the degree of optimization of the integrated optimization method for a multiple relay SWIPT beamforming system.
  • the convergent search method is not practicable when the number of relays increases.
  • FIG. 7 is a graph illustrating average bandwidth efficiency for the number of relays of an optimization method and an existing method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 shows the effect of the average bandwidth efficiency (transmission rate per bandwidth: bps / Hz) according to the number L of relay nodes when the transmit SNR is 30 dB and 40 dB.
  • the integrated optimization method shows a better average bit rate per second (bps / Hz) than the other methods in all cases.
  • the integrated optimization beamforming method of the present invention has a higher transmission rate per average bandwidth (bps / Hz) than other methods.
  • FIG. 9 is a graph illustrating an average bit error rate change according to a change in transmission SNR of an optimization method and an existing method according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 9 shows the average bit error rate (BER) variation of the various methods as the transmit SNR increases.
  • Quadrature phase shift keying (QPSK) signal Consider a system that does not encode a quadrature phase shift keying (QPSK) signal.
  • the present invention is for designing a SWIPT transmission protocol in a multi-relay AF system, and the integrated optimization beamforming method according to the present invention shows superior performance over the conventional methods.
  • the optimized power split ratio (PS ratio) ⁇ k * can cover the influence of the power control factor ⁇ k ,
  • the optimization for [alpha] k can be ignored. That is, it is the optimal relay strategy to utilize the power harvested from the relay as much as possible in retransmitting the signal regardless of the channel and noise state.
  • destination node 210 receive antenna

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Abstract

본 발명에서는 다중 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 빔포밍 기법을 개시한다. 본 발명은, 증폭 후 전달(AF) 다중 릴레이 시스템에서 무선전력 및 정보 동시전송(SWIPT)을 위한 빔포밍 기법에 있어서, (a) 목적지 노드가 활성화된 K 개의 릴레이 노드를 선택하는 단계와, (b) 목적지 노드가 활성화된 각 릴레이 노드의 최적 전력분할비율을 계산하는 단계와, (c) 목적지 노드가 활성화된 각 릴레이 노드로 최적 전력분할비율을 피드백하는 단계와, (d) 각 릴레이 노드가 목적지 노드로부터 전달받은 최적 전력분할비율을 이용하여, 소스 노드로부터 전송된 신호를 전력분할하고 증폭한 후 목적지노드로 전송하는 단계를 포함한다. 본 발명에 의하면, AF 다중 릴레이 시스템에서 SWIPT를 위해 전력분할비율(PS ratio)을 최적화하여 양호한 채널용량을 얻을 수 있다.

Description

다중 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 빔포밍 장치 및 방법
본 발명은 다중 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 빔포밍 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 AF 다중 릴레이 시스템에서 SWIPT를 위해 전력분할비율(PS ratio)을 최적화하여 양호한 채널용량을 얻을 수 있는 다중 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 빔포밍 장치 및 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명에서는 서브그래디언트 방법을 이용하여 양호한 SNR을 얻을 수 있어서 다중 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 빔포밍에 유용하게 활용될 수 있다.
무선 통신에서 릴레이는 셀룰러 네트워크의 통신영역을 확장시키고, 성능을 향상시키기 위한 유망한 솔루션으로 여겨진다.
릴레이 노드로 때로는 비활성 중인 고객 단말기를 이용할 수 있다. 이러한 경우, 릴레이 노드(relay node)로 동작하도록 선택된 고객 단말기는 소스 노드(source node)와 목적지 노드(destination node) 간의 통신을 위해 자신의 전력을 소비하게 된다. 그러나 선택된 고객은 단말기의 배터리 에너지를 희생하는 것을 원하지 않기 때문에, 무선으로 전력도 전송될 필요가 있다.
한편, 무선 전력 통신 네트워크(wireless powered communication network; WPCN)에서는 릴레이 노드의 배터리는 무선 전력 전송(wireless powered transfer; WPT)에 의해 충전될 수 있다. 주기적 배터리 교환 또는 무선 통신 노드에서 재충전을 제외하고, WPCN은 기기 수명을 향상시키고, 네트워크 에너지 소비를 줄이고, 결과적으로 종래의 무선통신 네트워크보다 고성능을 얻을 수 있다.
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 기반한 릴레이 규약이 특별히 연구되고 있다.
Y. Jing and H. Jafarkhani, “Network beamforming using relays with perfect channel information,”IEEE Transactions on Infromation Theory, vol. 55, pp. 2499-2517, June 2009.에서는 SWIPT 시스템이 아닌 다중 릴레이 시스템에서의 빔포밍이 개시되었다. 채널상태정보(channel state information; CSI)와 노이즈 전력에 기초하여 각 릴레이 노드에서의 전송 전력을 조정함으로써, 목적지 노드에서 신호대 잡음비(signal-to-noise ratio; SNR)를 최대화한다.
한국등록특허공보 제10-1710012호 “수신기에서의 에너지 하베스팅 방법 및 상기 방법을 사용하는 수신기, 및 이를 위한 블라인드 변조방식 검출 방법 및 장치”에서는 SWIPT 시스템의 수신기에서의 에너지 하베스팅(energy havesting; EH) 방법이 개시되었다.
그러나 SWIPT 시스템을 이용한 AF 다중 릴레이 시스템에 대해서는 추가적인 연구가 필요한 실정이다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
(특허문헌 1) 한국등록특허공보 제10-1710012호 “수신기에서의 에너지 하베스팅 방법 및 상기 방법을 사용하는 수신기, 및 이를 위한 블라인드 변조방식 검출 방법 및 장치”
[비특허문헌]
(비특허문헌 1) Y. Jing and H. Jafarkhani, “Network beamforming using relays with perfect channel information,”IEEE Transactions on Infromation Theory, vol. 55, pp. 2499-2517, June 2009.
본 발명의 목적은, 우수한 채널용량을 가지는 다중 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 빔포밍 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 릴레이 수의 증가하여도 적용할 수 있는 다중 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 빔포밍 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 이루기 위한 하나의 양태에 따르면, 본 발명은 다중 릴레이 시스템에서 목적지 노드의 무선전력 및 정보 동시전송 빔포밍 방법에 있어서, (a) 활성화된 각 릴레이 노드의 채널상태정보를 이용하여 최적 전력분할비율을 계산하는 단계; 및 (b) 활성화된 각 릴레이 노드가 상기 최적 전력분할비율을 이용하여 빔포밍 신호를 생성하도록, 상기 최적 전력분할비율을 각 릴레이 노드로 송신하는 단계;를 포함한다.
상기 (a)단계는, (a-1) 활성화된 각 릴레이 노드에 대해, 전력 조절 요소(αk) 값을 1 로 설정하는 단계; (a-2) 활성화된 각 릴레이 노드에 대해서, 전력분할비율(ρk) 초기값으로 전력분할비율 벡터(Δ0)를 초기화하는 단계; 및 (a-3) 전력분할비율 벡터(Δn)에 대해, 신호대 잡음비 γ(Δn)를 최대화 시키도록 경사하강법을 적용하여 최적의 전력분할비율(ρk *)을 구하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 전력분할비율(ρk) 초기값은, 다음 식을 만족할 수 있다.
Figure PCTKR2018001000-appb-I000001
(여기에서, PC,k 는 정보인식(ID)을 위해 소모되는 회로의 전력이고, βk 는 에너지 하베스트(EH) 효율을 나타내고 0 ≤ βk ≤1 이며, PT 는 소스 노드 S 에서 전송된 전력이고, hk 는 소스 노드 S 에서 k 번째 릴레이 Rk 로 전송되는 채널 정보이다.)
상기 빔포밍 신호는, 릴레이 노드가 소스 노드로부터 전송받은 신호를 상기 최적 전력분할비율을 이용하여 전력분할한 후, 증폭하여 전송하는 신호일 수 있다.
상기 목적을 이루기 위한 다른 양태에 따르면, 본 발명은 다중 릴레이 시스템에서 릴레이 노드의 무선전력 및 정보 동시전송 빔포밍 방법에 있어서, (c) 목적지 노드로부터 채널상태정보를 이용한 최적 전력분할비율을 수신하는 단계; 및 (d) 목적지 노드로 상기 최적 전력분할비율을 이용하여 생성된 빔포밍 신호를 송신하는 단계;를 포함한다.
상기 최적 전력분할비율은, 활성화된 각 릴레이 노드에 대해, 전력 조절 요소(αk) 값을 1 로 설정하고, 전력분할비율(ρk) 초기값으로 전력분할비율 벡터(Δ0)를 초기화하고, 전력분할비율 벡터(Δn)에 대해 신호대 잡음비 γ(Δn)를 최대화 시키도록 경사하강법을 적용하여 구할 수 있다.
상기 전력분할비율(ρk) 초기값은, 다음 식을 만족할 수 있다.
Figure PCTKR2018001000-appb-I000002
(여기에서, PC,k 는 정보인식(ID)을 위해 소모되는 회로의 전력이고, βk 는 에너지 하베스트(EH) 효율을 나타내고 0 ≤ βk ≤1 이며, PT 는 소스 노드 S 에서 전송된 전력이고, hk 는 소스 노드 S 에서 k 번째 릴레이 Rk 로 전송되는 채널 정보이다.)
상기 빔포밍 신호는, 소스 노드로부터 전송받은 신호를 상기 최적 전력분할비율을 이용하여 전력분할한 후, 증폭하여 전송하는 신호일 수 있다.
상기 목적을 이루기 위한 또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 다중 릴레이 시스템에서 무선전력 및 정보 동시전송 빔포밍을 수행하는 목적지 노드 장치에 있어서, 활성화된 각 릴레이 노드의 채널상태정보를 이용하여 최적 전력분할비율을 계산하는 연산부; 및 활성화된 각 릴레이 노드가 상기 최적 전력분할비율을 이용하여 빔포밍 신호를 생성하도록, 상기 최적 전력분할비율을 각 릴레이 노드로 송신하는 송신부;를 포함한다.
상기 연산부는, 활성화된 각 릴레이 노드에 대해, 전력 조절 요소(αk) 값을 1 로 설정하고, 전력분할비율(ρk) 초기값으로 전력분할비율 벡터(Δ0)를 초기화하고, 전력분할비율 벡터(Δn)에 대해 신호대 잡음비 γ(Δn)를 최대화 시키도록 경사하강법을 적용하여 최적의 전력분할비율(ρk *)을 구할 수 있다.
상기 전력분할비율(ρk) 초기값은, 다음 식을 만족할 수 있다.
Figure PCTKR2018001000-appb-I000003
(여기에서, PC,k 는 정보인식(ID)을 위해 소모되는 회로의 전력이고, βk 는 에너지 하베스트(EH) 효율을 나타내고 0 ≤ βk ≤1 이며, PT 는 소스 노드 S 에서 전송된 전력이고, hk 는 소스 노드 S 에서 k 번째 릴레이 Rk 로 전송되는 채널 정보이다.)
상기 빔포밍 신호는, 릴레이 노드가 소스 노드로부터 전송받은 신호를 상기 최적 전력분할비율을 이용하여 전력분할한 후, 증폭하여 전송하는 신호일 수 있다.
상기 목적을 이루기 위한 또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 다중 릴레이 시스템에서 무선전력 및 정보 동시전송 빔포밍을 수행하는 릴레이 노드 장치에 있어서, 목적지 노드로부터 최적 전력분할비율을 수신하는 수신부; 및 상기 최적 전력분할비율을 이용하여 목적지 노드로 전송하는 빔포밍 신호를 생성하는 제어부;를 포함한다.
상기 최적 전력분할비율은, 활성화된 각 릴레이 노드에 대해, 전력 조절 요소(αk) 값을 1 로 설정하고, 전력분할비율(ρk) 초기값으로 전력분할비율 벡터(Δ0)를 초기화하고, 전력분할비율 벡터(Δn)에 대해 신호대 잡음비 γ(Δn)를 최대화 시키도록 경사하강법을 적용하여 구할 수 있다.
상기 전력분할비율(ρk) 초기값은, 다음 식을 만족할 수 있다.
Figure PCTKR2018001000-appb-I000004
(여기에서, PC,k 는 정보인식(ID)을 위해 소모되는 회로의 전력이고, βk 는 에너지 하베스트(EH) 효율을 나타내고 0 ≤ βk ≤1 이며, PT 는 소스 노드 S 에서 전송된 전력이고, hk 는 소스 노드 S 에서 k 번째 릴레이 Rk 로 전송되는 채널 정보이다.)
상기 제어부는, 소스 노드로부터 전송받은 신호를 상기 최적 전력분할비율을 이용하여 전력분할한 후, 증폭하여 빔포밍 신호를 생성할 수 있다.
본 발명에 따른 다중 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 빔포밍 장치 및 방법은 최적화 성능이 우수하여, 우수한 채널용량을 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 다중 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 빔포밍 장치 및 방법은 모든 릴레이의 상태를 고려하여, 릴레이의 개수가 늘어도 우수한 SNR 성능을 보인다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔포밍 방법을 이용하는 다중 릴레이 시스템을 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔포밍 방법을 이용하는 릴레이 노드의 동작을 나타내는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔포밍 방법을 실행하는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 최적 전력분할비율을 구하는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 목적지 노드와 릴레이 노드의 구성요소를 나타낸 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 최적화 방법과 기존 방법들의 전송 SNR에 대한 평균 대역폭 효율을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 최적화 방법과 기존 방법들의 릴레이 수에 대한 평균 대역폭 효율을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 최적화 방법과 기존 방법들의 수행 전력에 대한 평균 대역폭 효율을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 최적화 방법과 기존 방법들의 전송 SNR의 변화에 따른 평균 비트오류율 변화를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면들 및 후술되어 있는 내용을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급되지 않는 한 복수형도 포함된다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 도 1 내지 도 9를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 빔포밍 장치 및 방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔포밍 방법을 이용하는 다중 릴레이 시스템을 나타내는 개념도이다.
도 1을 참조하면, 소스 노드(110)와 목적지 노드(190) 사이에는 총 L 개의 전체 릴레이 노드들이 있다. 소스 노드와 목적지 노드 사이의 통신과 관련된 K 개의 릴레이 노드들(131, 132, …)은 활성 릴레이 노드(130)이고, 나머지 릴레이 노드들(121, 122, …)은 비활성 릴레이 노드(120)이다. 소스노드와 목적지 노드 사이에 직접적인 연결은 없다고 가정한다.
이하에서 특별한 언급이 없는 경우, 릴레이 노드는 활성 릴레이 노드(130)를 의미한다.
Rk 는 k번째 릴레이 노드(130)를 나타내고, hk 는 소스 노드와 릴레이 노드 사이의 S-Rk 채널을 나타내고, 그리고 gk 는 릴레이 노드와 목적지 노드 사이의 Rk-D 채널을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔포밍 방법을 이용하는 릴레이 노드의 동작을 나타내는 개념도이다.
릴레이 노드(130)는 SWIPT PS 시스템을 구비하고 있다. 소스 노드(130)에서 전송된 무선정보 신호는 릴레이 노드(130) Rk 로 전송된다. 무선정보 신호는 릴레이 노드(130) Rk 의 수신 안테나(210)로 수신된다. 수신된 무선 정보 신호는 안테나 노이즈 nA,k 와 결합(215)되어, 입력신호 xin,k 가 입력된다. 릴레이 노드 Rk 는 전송받은 신호를 목적지 노드(190)로 전송하기 위하여, RF신호에서 전력을 하베스트해야 한다.
입력된 신호 중 전력분할비율(PS ratio) ρk 만큼은 에너지 하베스트 모듈(230)로 입력되어 에너지를 생성한다. 나머지 1 - ρk 만큼의 신호는 정보인식(ID) 모듈(220)로 입력된다. 정보인식(ID) 모듈을 가동시키기 위해 필요한 전력 PC,k 는 에너지 하베스트 모듈(230)에서 공급된다. RF밴드를 기준밴드 신호로 변환하는 과정에서 추가적인 노이즈 nP,k 가 결합(225)되어, 재전송을 위한 정보 신호 xid,k 가 형성된다.
릴레이 노드(130) Rk 에서 목적지 노드(190)로 정보신호 xid,k 를 재전송하기 위해, 하베스트된 에너지 중에서 정보인식(ID) 모듈에서 사용된 전력 PC,k 를 제외한 나머지 전력 Qk 를 이용하여 믹싱(240)한다. 최종 출력신호 xout,k 는 전력 조절 요소(power control factor) αk 와, 위상 맞춤 요소(phase alignment factor) θk 를 이용하여 믹싱(250)하여 형성된다. 릴레이 노드는 송신 안테나(260)를 통해서 목적지 노드(190)로 출력신호를 전송한다.
이상의 과정을 수학식을 이용하여 자세히 살펴보면 다음과 같다.
소스 노드(110)로부터 릴레이 노드(130) Rk 에 전달된 신호 xin,k 는 수학식 1로 표현할 수 있다.
[수학식 1]
Figure PCTKR2018001000-appb-I000005
여기에서, PT 는 소스 노드(110) S 에서 전송된 전력이고, hk 는 소스 노드 S 에서 k 번째 릴레이 노드(130) Rk 로 전송되는 S-Rk 채널 정보이고, s 는 소스 노드에서 전송되는 신호이고, nA,k 는 소스노드 S 와 릴레이노드 Rk 사이의 안테나 노이즈이다.
릴레이 노드(130) Rk 에서 수신된 RF신호로부터 재전송을 위해 얻어질 수 있는 하베스트된 전력 Qk 는 수학식 2와 같이 된다.
[수학식 2]
Figure PCTKR2018001000-appb-I000006
여기에서, βk 는 에너지 하베스트(EH) 효율을 나타내고 0 ≤ βk ≤1 이며, ρk 는 전력분할비율(PS ratio)을 나타내고 0 ≤ ρk ≤1 이며, PC,k 는 정보인식(ID)을 위해 소모되는 회로의 전력이다.
만약, 릴레이 노드 Rk 에서 하베스트된 전력이 PC,k 보다 작다면, 즉 Qk ≤ 0 인 경우, 릴레이 노드 Rk 는 동작하지 않게 된다.
따라서, 활성 릴레이 노드(130)는 다음 식을 만족하여야 하므로, 활성 릴레이 노드(130) 개수 K 는 전체 릴레이 개수 L 보다 작거나 같다(K ≤ L).
Figure PCTKR2018001000-appb-I000007
전력분할(PS) 후에 재전송을 위한 정보 신호의 비율은 수학식 3과 같다.
[수학식 3]
Figure PCTKR2018001000-appb-I000008
여기에서, nP,k 는 RF밴드를 기준밴드 신호로 변환할 때 발생하는 추가적인 노이즈이다.
수학식 1에 수학식 3을 대입하면, 다음 수학식 4를 얻을 수 있다.
[수학식 4]
Figure PCTKR2018001000-appb-I000009
여기에서, nT,k 는 전체 노이즈이며, 다음 식으로 주어진다.
Figure PCTKR2018001000-appb-I000010
다중 릴레이 빔포밍을 위해, 비특허문헌 1에서 제시된 빔포밍 디자인을 사용하면, 릴레이 노드(130) Rk 에서 목적지 노드(190) D 로 전송되는 신호는 수학식 5로 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
Figure PCTKR2018001000-appb-I000011
여기에서, αk 와 θk 는 네트워크 빔포밍을 위해 비특허문헌 1에서 정의된 것으로, αk 는 전력 조절 요소(power control factor)이고, θk 는 위상 맞춤 요소(phase alignment factor)이다. 그리고 PR,k 는 릴레이 노드 Rk 에서 수신된 신호를 목적지 노드 D 로 재전송하는 전력으로 PR,k = αk 2 Qk 이다.
그리고, 전체 노이즈 편차 σT,k 2 는 다음 식으로 주어진다.
Figure PCTKR2018001000-appb-I000012
여기에서, σA,k 2 는 안테나 노이즈의 편차이고, σP,k 2 는 프로세싱 노이즈의 편차이다.
결과적으로, 목적지 노드(190) D 에서 수신되는 신호(information signal)는 수학식 6과 같다.
[수학식 6]
Figure PCTKR2018001000-appb-I000013
여기에서,
Figure PCTKR2018001000-appb-I000014
이고, nD 는 목적지 노드의 노이즈이고, gk 는 k 번째 릴레이 노드 Rk 에서 목적지 노드로 전송되는 채널 정보이고, 전력 조정된 채널(power scaled channel) gk 는 수학식 7로 주어진다.
[수학식 7]
Figure PCTKR2018001000-appb-I000015
최적 위상 맞춤 요소는 모든 릴레이 채널의 위상이 수신기로 정렬되도록 θk * = - (arg hk + arg gk)로 주어진다.
따라서 다중 릴레이 빔포밍 시스템에서 수신된 신호대 잡음비(SNR)는 수학식 8로 주어진다.
[수학식 8]
Figure PCTKR2018001000-appb-I000016
Figure PCTKR2018001000-appb-I000017
여기에서, σD 2 은 목적지 노드의 노이즈 분산이다.
목적지 노드(190) D 에서의 전송률 성능(rate performance)을 최대화하기 위하여, 수학식 8의 파라미터들인 {σk}와 {ρk} 는 최적화 되어야 한다. 전송률 최대화 문제는 채널용량(achievable rate; 대역폭 효율; 대역폭당 전송률; bps/Hz) 최대화 문제인 수학식 9로 바꿀 수 있다.
[수학식 9]
Figure PCTKR2018001000-appb-I000018
수학식 9의 채널용량 최대화 문제는 수학식 10과 같이 수신된 신호대 잡음비(SNR) γ를 최대화시켜서 풀 수 있다.
[수학식 10]
Figure PCTKR2018001000-appb-I000019
수학식 10은 연립방정식으로, 통합 최적화(joint optimization)가 필요하다. 수학식 10을 통합 최적화하는 문제는 {αk}와 {ρk}에 대하여 볼록(convex)이므로, KKK 조건(Karush-Kuhn-Tucker condition)을 이용하여 풀 수 있다.
수학식 10에 대한 KKT 조건은 다음 수학식 11로 표시할 수 있다.
[수학식 11]
Figure PCTKR2018001000-appb-I000020
여기에서, i = 1, 2, … , K 이고, Λ 는 수학식 12, Υi 는 수학식 13, Σi 는 수학식 14로 정의된다.
[수학식 12]
Figure PCTKR2018001000-appb-I000021
[수학식 13]
Figure PCTKR2018001000-appb-I000022
[수학식 14]
Figure PCTKR2018001000-appb-I000023
{αk}와 {ρk}에 대하여 통합 최적화를 하는 경우에, 최적의 전력 조절 요소(power control factor) αk 는 모든 k 에 대해 항상 1이 된다.
따라서, 수학식 10의 통합 최적화 문제는 수학식 15로 단순화 될 수 있다.
[수학식 15]
Figure PCTKR2018001000-appb-I000024
Figure PCTKR2018001000-appb-I000025
수학식 15는 {ρk}에 대해 볼록(convex)이다. 따라서 {αk}와 {ρk}에 대하여 통합 최적화를 하는 경우, 모든 k 에 대해 최적 전력조절요소 αk * 는 항상 1이 된다. 모든 k 에 대해 최적의 αk * = 1 이므로, 수학식 10에서 신호대 잡음비(SNR)를 최대화 시키는 최적의 전력분할비율(PS ratio) {ρk*}를 찾기 위해, 신호대 잡음비 γ 를 전력분할비율(ρk)로 편미분하여 구하는 서브그래디언트(subgradient) ∂γ/∂ρk 에 의한 다차원 경사하강법(gradient descent method)을 이용할 수 있다. 여기에서 서브그래디언트는 수학식 11로부터 얻을 수 있으며, 수학식 16과 같이 주어진다.
[수학식 16]
Figure PCTKR2018001000-appb-I000026
통합 최적화는 집중방식(centralized manner)으로 구현될 수 있다. 활성화된 각 릴레이 노드(130)에서 목적지노드로 채널상태정보(CSI)를 전송할 수 있다. 목적지 노드(190)는 활성화된 릴레이의 모든 채널상태정보(global CSI)를 알 수 있으므로, 목적지 노드(190)는 전체 채널상태정보(global CSI)를 안다고 가정하므로, 목적지 노드(190)는 최적의 해를 계산할 수 있다. 목적지 노드(190)는 구해진 전력분할비율(PS ratio) ρk 를 각 릴레이 노드(130)로 피드백 할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔포밍 방법을 실행하는 흐름도이다.
먼저, 전체 릴레이 노드가 소스 노드로부터 신호를 전송받는다(S310). 소스 노드(110)로부터 전송받은 신호에서 전력을 하베스트한다(S315). 하베스트된 전력이 Qk > 0 인 활성화된 K 개의 릴레이 노드(130)가 목적지 노드(190)로 채널상태정보(CSI)를 전송한다(S320). 목적지 노드(190)는 활성화된 각 릴레이 노드의 채널상태정보(CSI)를 저장할 수 있다.
목적지 노드(190)는 하베스트된 전력 Qk > 0 인 활성화된 K 개의 릴레이 노드(130)를 선택한다(S330). 목적지 노드는 활성화된 각 릴레이 노드의 최적 전력분할비율(PS ratio) ρk * 값(k = 1, … , K)을 활성화된 모든 릴레이의 채널상태정보(global CSI)를 이용하여 계산한다(S340). 목적지 노드는 각 릴레이 노드의 최적 전력분할비율 ρk * 값(k = 1, … , K)을 각 릴레이 노드로 피드백하는 신호를 전송한다(S350).
각 릴레이 노드(130)는 목적지 노드로부터 피드백으로 전달받은 최적 전력분할비율을 이용하여, 소스 노드(110)로부터 전송된 신호를(S360) 전력분할하고(S370) 증폭하여(S380) 수학식 6의 xout,k 신호를 빔포밍한다. 각 릴레이 노드(130)는 빔포밍된 신호를 목적지 노드(190)로 전송한다(S390). 목적지 노드(190)는 활성화된 각 릴레이 노드(130)가 전송하는 신호를 수신한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 최적 전력분할비율을 구하는 순서도이다.
통합 최적화(joint optimization) 빔포밍 방법은, 목적지 노드(190)에서 다음의 단계들을 거쳐 각 릴레이 노드(130)에 최적인 전력분할비율(PS ratio) ρk (k = 1, … , K)를 구할 수 있다.
(1) 하베스트된 전력 Qk > 0 인 K 개의 릴레이 노드에 대해, k = 1, … , K 에 대해 전력 조절 요소(power control factor) αk = 1 로 설정한다(S341).
(2) 활성화된 K 개의 릴레이 노드에 대해서, 전력분할비율 ρk 가
Figure PCTKR2018001000-appb-I000027
을 만족하는 초기값으로, 전력분할비율 벡터 Δ0 = [ρ1, … , ρK] 를 초기화 한다(S342).
(3) 이미 구해진 전력분할비율 벡터 Δn 에 대해, 신호대 잡음비(SNR) γ(Δn) 를 계산한다(S343).
(4) 신호대 잡음비 γ(Δn) 를 전력분할비율 ρk 로 편미분하여, 서브그래디언트
Figure PCTKR2018001000-appb-I000028
를 계산한다(S344).
(5) 전력분할비율 벡터를 Δn +1 = Δn + δΠ 로 업데이트한다(S345). 여기에서, δ 는 스텝 사이즈(step size)로서 수렴속도를 조절하기 위해 사용한다. 너무 작은 값을 사용하는 경우에는 계산이 늦어지고, 너무 큰 값을 사용하면 발산할 수 있으므로, δ 값은 시스템에 맞추어 적당한 값을 선택하는 것이 바람직하다.
(6) 업데이트된 전력분할비율 벡터 Δn +1 를 이용하여, 새로운 신호대 잡음비 γ(Δn+1) 를 계산한다(S346).
(7) 신호대 잡음비의 수렴 조건 | γ(Δn +1) - γ(Δn) | ≤ ε 을 확인하여(S347), 신호대 잡음비가 수렴하지 않은 경우, (3)단계로 돌아가 반복한다. 여기에서, ε 은 시스템에 따라 적당히 작은 값을 선택하여 사용할 수 있다.
이상의 통합 최적화 방법을 이용하면, 다중 릴레이 네트워크에서 전체적으로 최적화된 성능(globally optimal performance)을 얻을 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 릴레이 노드와 목적지 노드의 구성요소를 나타낸 구성도이다.
도 5(a)는 릴레이 노드(130)의 구성요소를 나타낸 구성도이다. 릴레이 노드(130)는 수신부(510), 제어부(520), 송신부(530)로 구성된다.
수신부(510)는 목적지 노드로부터 최적 전력분할비율을 수신할 수 있다. 제어부(520)는 수신부로 전달된 최적 전력분할비율을 이용하여 빔포밍 신호를 생성할 수 있다. 송신부(530)는 채널상태정보와 제어부에서 생성한 빔포밍 신호를 목적지 노드로 송신할 수 있다.
제어부(520)는, 릴레이 노드가 소스 노드로부터 전송받은 신호를 목적지 노드로부터 수신한 최적 전력분할비율을 이용하여 전력분할한 후, 증폭하여 전송할 수 있다.
릴레이 노드는 수신부(510), 제어부(520), 송신부(530) 이외에도 저장부(미도시) 등을 구비할 수 있으며, 이러한 구성요소들은 각각 독립된 모듈로 구성할 수도 있으나, 여러 개를 하나의 모듈에 구현할 수도 있다.
도 5(b)는 목적지 노드(190)의 구성요소를 나타낸 구성도이다. 목적지 노드(190)는 수신부(560), 연산부(570), 송신부(580)로 구성된다.
연산부(570)는 활성화된 각 릴레이 노드의 최적 전력분할비율을 계산할 수 있다. 송신부(580)는 활성화된 각 릴레이 노드로 연산부에서 구한 최적 전력분할비율을 송신할 수 있다. 수신부(560)는 활성화된 각 릴레이 노드로부터 채널상태정보 및 최적 전력분할비율을 이용하여 생성된 빔포밍 신호를 수신할 수 있다.
연산부(570)는, 활성화된 각 릴레이 노드에 대해, 전력 조절 요소(αk) 값을 1 로 설정하고, 전력분할비율(ρk) 초기값으로 전력분할비율 벡터(Δ0)를 초기화하고, 이미 구해진 전력분할비율 벡터(Δn)에 대해 신호대 잡음비 γ(Δn)를 계산하고, 신호대 잡음비 γ(Δn) 를 전력분할비율(ρk)로 편미분하여 서브그래디언트(Π)를 계산하고, 경사하강법에 의해 최적의 전력분할비율(ρk *)을 구할 수 있다. 전력분할비율(ρk) 초기값은, 수학식 3을 만족하도록 설정할 수 있다.
목적지 노드는 수신부(560), 연산부(570), 송신부(580) 이외에도 저장부(미도시) 등을 구비할 수 있으며, 이러한 구성요소들은 각각 독립된 모듈로 구성할 수도 있으나, 여러 개를 하나의 모듈에 구현할 수도 있다.
복잡도 계산
Proposed joint optimal Optimal αk with fixed ρk Relay selection
계산 복잡도 5ΤI O (K J) O (K J) 2 O (K J)
Feedback bits K i0 log K + KB K i0 log K + B i0 + B
Computing type 집중 집중 집중
필요한 CSI 글로벌 CSIs 글로벌 CSIs 글로벌 CSIs
표 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 최적화 방법과 기존 방법들의 계산의 복잡성, 요구되는 채널상태정보(CSI) 등을 정리한 것이다.
이하의 표 및 도면에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 최적화(joint optimization) 빔포밍 방법은 Proposed joint optimal 로, 비특허문헌 1에 개시된 빔포밍 방법은 Optimal αk with fixed ρk 로, 릴레이 선택 방법은 Relay selection 으로, αk 와 ρk 값이 모두 고정된 단순한 방법은 Fixed αk and ρk 로, 집중 탐색 방법은 Exhaustive search 로 표시한다.
계산을 간단히 하기 위해 모든 최적화 방법에 대하여, 그래디언트 계산, SNR 평가, ρk 값 수정, ρk 값 계산 등 복잡한 산술 방정식에 대해 최대값 O(J) 이 동일하다고 가정하였다.
통합 최적화 방법에 대하여, 최대 반복 횟수를 ΤI라 하면, 반복되는 단계가 5개 이므로, 각 루프에서 수행하는 계산은 5ΤI O(KJ) 가 된다.
릴레이 선택 방법(relay selection scheme)에서는 중앙의 노드가 각 ρk 값 및 SNR 값을 계산하므로 계산 복잡도는 2O(KJ) 가 된다.
비특허문헌 1에 개시된 빔포밍 방법인 고정된 ρk 값으로 αk 값을 최적화하는 방법은 모든 릴레이 노드가 αk 값을 계산해야 하므로 계산의 복잡도는 O(KJ) 가 된다.
다른 방법들에 비해 통합 최적화 방법은 보다 정확한 결과를 얻는 대신에 계산의 복잡도가 상대적으로 높고, K 값에 따라 증가한다. 즉, 통합 최적화 방법은 집중된 노드(목적지 노드)에서 최상의 성능을 보이는 대신에 계산의 불이익이 있다.
통합 최적화 방법은 모든 릴레이 노드에 대해, 목적지 노드는 각 릴레이의 인덱스와 그들의 최적 전력분할비율(PS ratio)인 ρk * 값을 전파하여야 한다. 이 과정에서 요구되는 비트수는 I log K + K H 로 계산된다. 여기에서 I 는 릴레이 노드 인덱스이고, H 는 전송되는 실수 ρk 를 위한 비트들이다.
표 1에서, B 는 실수를 전파하기 위한 비트 수이고, i0 는 릴레이 노드의 인덱스를 전파하기 위해 필요한 비트들이다.
종래의 고정된 ρk 값으로 αk 값을 최적화하는 방법은 하나의 실수와 각 릴레이의 인덱스를 전파하는 것이 필요하다.
릴레이 선택 방법에서는 선택된 릴레이의 인덱스와 ρk * 값만 전송된다.
최적화 성능 평가
L개의 릴레이 노드가 25 ㎡ 의 정사각형 영역에 랜덤하게 분포되어 있고, 소스와 목적지 노드는 중앙선 상에 5m 거리를 두고 떨어진 위치에 놓여있다고 가정한다.
모든 k 에 대하여 에너지 하베스트(EH) 효율이 70% 인 경우, 즉 βk = 0.7 에 대하여 시뮬레이션 하였다. 모든 k 에 대해 σA,k 2 = 0.6, σP,k 2 = 0.4, σD 2 = 1 인 경우, 전송 신호대 잡음비(transmit SNR)는 PT = PT/σD 2 = PT/(σA,k 2 + σP,k 2) 으로 구할 수 있다.
채널 상수 hk 와 gk 는 다음 수학식 17에 의해 구할 수 있다.
[수학식 17]
Figure PCTKR2018001000-appb-I000029
수학식 17에서 dh,k 는 소스와 릴레이간 거리이고, dg,k 는 릴레이와 목적지간 거리이다. 또한, 경로 손실 지수(pathloss exponents)는 εh = εg = 5 이고, ζh,k 와 ζg,k 는 평균이 0 이고, 분산이 1인 원형 복소 가우스 분포(circularly complex Gaussian distribution)로 가정한다.
Scheme α1 α2 α3 ρ1 ρ2 ρ3 Rate(bps/㎐)
#1 1 1 1 0.0012 0.1694 0.9597 0.9089
#2 0.0522 1 1 0.5 0.5 0.5 0.5956
#3 1 1 1 0.5 0.5 0.5 0.1393
표 2는 활성 릴레이 노드가 3개인 경우(K = 3)에 대해 각 방법의 최적화 값들을 보여준다. #1은 본 발명의 일 실시예인 통합 최적화(joint optimization) 방법이고, #2는 비특허문헌 1의 다중릴레이 빔포밍방법이고, #3은 릴레이 선택방법을 나타낸다.
표 2에 활성 릴레이 노드가 3개(K = 3)이고, 전송 SNR 이 20dB인 경우에 대해, 여러 방법들의 최적화 값들을 나타냈다.
통합 최적화 빔포밍 방법(#1)에서는 모든 k 값에 대해 최적화된 전력 조절 요소(power control factor) αk * = 1 이며, 순간 대역폭 효율(대역폭당 전송률; bps/Hz)이 0.9089 로 다른 경우보다 높은 것을 확인할 수 있다.
비특허문헌 1의 최적의 αk 값과 고정된 ρk 값을 가지는 기존의 방법(#2)에서는, ρk 값은 최적화되지 않고 0.5로 고정되었으며, αk 값이 항상 1이 아님을 알 수 있다.
모든 k 값에 대해 αk = 1 과 ρk = 0.5 로 고정된 단순한 경우(#3)도 비교되었는데, 순간 대역폭당 전송률(bps/Hz)이 0.1393 으로 다른 경우보다 낮았다.
최적화 시뮬레이션 결과
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 최적화 방법과 기존 방법들의 전송 SNR에 대한 평균 대역폭 효율을 나타낸 그래프이다. 도 6은 다중 릴레이 SWIPT 빔포밍 시스템에 대한 통합 최적화 방법의 최적화 정도를 나타낸다.
릴레이 개수 L = 3 일 때를 살펴보면, 다차원 집중 탐색 방법(exhaustive search method)과 본 발명의 통합 최적화에 의한 결과가 동일하게 우수한 성능을 보임을 알 수 있다. 모든 릴레이들이 협력 네트워크에 참여하기 때문에, 릴레이 선택 방법(relay selection method)의 성능이 가장 낮았다.
릴레이 개수 L = 3 이고, PT = 30 dB 인 경우에, 통합 최적화의 결과는, 최적의 αk 값 과 ρk = 0.5 로 고정된 값을 가지는 비특허문헌 1에 개시된 빔포밍 방법, αk = 1 과 ρk = 0.5 로 고정된 값을 가지는 단순한 방법, 그리고 릴레이 선택 방법과 비교할 때, 각각 7%, 14%, 26% 의 향상된 평균 대역폭당 전송률(bps/㎐)을 보인다.
릴레이 개수 L = 12 이고, PT = 40 dB 인 경우에, 통합 최적화의 결과는, 최적의 αk 값 과 ρk = 0.5 로 고정된 값을 가지는 비특허문헌 1에 개시된 빔포밍 방법, αk = 1 과 ρk = 0.5 로 고정된 값을 가지는 단순한 방법, 그리고 릴레이 선택 방법과 비교할 때, 각각 6%, 18%, 37% 의 향상된 평균 대역폭당 전송률(bps/㎐)을 보인다. 집중 탐색 방법은 릴레이 개수가 많아지는 경우에는 실용적이 않으므로 제외되었다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 최적화 방법과 기존 방법들의 릴레이 수에 대한 평균 대역폭 효율을 나타낸 그래프이다. 도 7은 전송 신호대 잡음비(transmit SNR)가 30 dB 및 40 dB 인 경우에, 릴레이 노드의 개수 L 에 따른 평균 대역폭 효율(대역폭당 전송률; bps/㎐)의 영향을 보여준다.
PT 와 L 이 증가함에 따라서 모든 방법에 의한 성능 이득(performance gain)이 증가함을 알 수 있다.
통합 최적화 방법은 모든 경우에 다른 방법들 보다 뛰어난 평균 대역폭당 전송률(bps/㎐)을 보여준다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 최적화 방법과 기존 방법들의 수행 전력에 대한 평균 대역폭 효율을 나타낸 그래프이다. 도 8은 모든 릴레이 노드에 대하여, 수행되는 회로 전력을 PC,k = PC 로 증가시킨 경우, 평균 대역폭 효율(bps/㎐)의 변화를 나타내는 그래프이다.
수행되는 회로 전력이 PC,k ≥ -10dB 인 경우, 활성화된 릴레이 수가 줄어들기 때문에, 평균 대역폭 효율(bps/㎐)은 급격히 감소한다.
여전히, 본 발명의 통합 최적화 빔포밍 방법은 다른 방법들에 비해 평균 대역폭당 전송률(bps/㎐)이 높음을 알 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 최적화 방법과 기존 방법들의 전송 SNR의 변화에 따른 평균 비트오류율 변화를 나타낸 그래프이다. 도 9는 전송 SNR이 증가할 때, 여러 방법들의 평균 비트오류율(bit error rate; BER) 변화를 보여준다.
직교 위상 편이 변조(quadrature phase shift keying; QPSK) 신호를 부호화하지 않는(uncoded) 시스템을 고려한다.
L = 12 이고, 평균 BER이 10- 2 인 경우를 고려할 때, 통합 최적화 빔포밍 방법은, 최적의 αk 값 과 ρk = 0.5 로 고정된 값을 가지는 비특허문헌 1에 개시된 빔포밍 방법, αk = 1 과 ρk = 0.5 로 고정된 값을 가지는 단순한 방법, 그리고 릴레이 선택 방법과 비교하여, 각각 1dB, 6dB, 9dB 만큼 이득(gain)의 향상이 있다.
본 발명은 다중 릴레이 AF 시스템에서 SWIPT 전송 규약을 설계하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 통합 최적화 빔포밍 방법은 기존의 방법들보다 우수한 성능을 보인다.
다중 릴데이 빔포밍을 위해서, SWIPT 시스템의 전력 분할 기반 릴레이에서는 최적화된 전력분할비(PS ratio) ρk * 가 전력 제어 요소(power control factor) αk 의 영향을 커버할 수 있으므로, 전력 제어 요소 αk 에 대한 최적화는 무시될 수 있다. 즉, 릴레이에서 수확된 전력을 신호를 재전송하는데 최대한 이용하는 것이, 채널과 노이즈 상태와 무관하게 최적의 릴레이 전략이다.
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.
[부호의 설명]
110 : 소스 노드 130 : 활성 릴레이 노드
190 : 목적지 노드 210 : 수신 안테나
220 : 정보인식(ID) 모듈 230 : 에너지 하베스트 모듈
260 : 송신 안테나

Claims (16)

  1. 다중 릴레이 시스템에서 목적지 노드의 무선전력 및 정보 동시전송 빔포밍 방법에 있어서,
    (a) 활성화된 각 릴레이 노드의 채널상태정보를 이용하여 최적 전력분할비율을 계산하는 단계; 및
    (b) 활성화된 각 릴레이 노드가 상기 최적 전력분할비율을 이용하여 빔포밍 신호를 생성하도록, 상기 최적 전력분할비율을 각 릴레이 노드로 송신하는 단계;를 포함하는 다중 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 빔포밍 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (a)단계는,
    (a-1) 활성화된 각 릴레이 노드에 대해, 전력 조절 요소(αk) 값을 1 로 설정하는 단계;
    (a-2) 활성화된 각 릴레이 노드에 대해서, 전력분할비율(ρk) 초기값으로 전력분할비율 벡터(Δ0)를 초기화하는 단계; 및
    (a-3) 전력분할비율 벡터(Δn)에 대해, 신호대 잡음비 γ(Δn)를 최대화 시키도록 경사하강법을 적용하여 최적의 전력분할비율(ρk *)을 구하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 빔포밍 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전력분할비율(ρk) 초기값은, 다음 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 다중 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 빔포밍 방법.
    Figure PCTKR2018001000-appb-I000030
    (여기에서, PC,k 는 정보인식(ID)을 위해 소모되는 회로의 전력이고, βk 는 에너지 하베스트(EH) 효율을 나타내고 0 ≤ βk ≤1 이며, PT 는 소스 노드 S 에서 전송된 전력이고, hk 는 소스 노드 S 에서 k 번째 릴레이 Rk 로 전송되는 채널 정보이다.)
  4. 제1항에 있어서,
    상기 빔포밍 신호는,
    릴레이 노드가 소스 노드로부터 전송받은 신호를 상기 최적 전력분할비율을 이용하여 전력분할한 후, 증폭하여 전송하는 신호인 것을 특징으로 하는 다중 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 빔포밍 방법.
  5. 다중 릴레이 시스템에서 릴레이 노드의 무선전력 및 정보 동시전송 빔포밍 방법에 있어서,
    (c) 목적지 노드로부터 채널상태정보를 이용한 최적 전력분할비율을 수신하는 단계; 및
    (d) 목적지 노드로 상기 최적 전력분할비율을 이용하여 생성된 빔포밍 신호를 송신하는 단계;를 포함하는 다중 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 빔포밍 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 최적 전력분할비율은,
    활성화된 각 릴레이 노드에 대해, 전력 조절 요소(αk) 값을 1 로 설정하고, 전력분할비율(ρk) 초기값으로 전력분할비율 벡터(Δ0)를 초기화하고, 전력분할비율 벡터(Δn)에 대해 신호대 잡음비 γ(Δn)를 최대화 시키도록 경사하강법을 적용하여 구하는 것을 특징으로 하는 다중 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 빔포밍 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전력분할비율(ρk) 초기값은, 다음 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 다중 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 빔포밍 방법.
    Figure PCTKR2018001000-appb-I000031
    (여기에서, PC,k 는 정보인식(ID)을 위해 소모되는 회로의 전력이고, βk 는 에너지 하베스트(EH) 효율을 나타내고 0 ≤ βk ≤1 이며, PT 는 소스 노드 S 에서 전송된 전력이고, hk 는 소스 노드 S 에서 k 번째 릴레이 Rk 로 전송되는 채널 정보이다.)
  8. 제5항에 있어서,
    상기 빔포밍 신호는,
    소스 노드로부터 전송받은 신호를 상기 최적 전력분할비율을 이용하여 전력분할한 후, 증폭하여 전송하는 신호인 것을 특징으로 하는 다중 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 빔포밍 방법.
  9. 다중 릴레이 시스템에서 무선전력 및 정보 동시전송 빔포밍을 수행하는 목적지 노드 장치에 있어서,
    활성화된 각 릴레이 노드의 채널상태정보를 이용하여 최적 전력분할비율을 계산하는 연산부; 및
    활성화된 각 릴레이 노드가 상기 최적 전력분할비율을 이용하여 빔포밍 신호를 생성하도록, 상기 최적 전력분할비율을 각 릴레이 노드로 송신하는 송신부;를 포함하는 다중 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 빔포밍 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 연산부는,
    활성화된 각 릴레이 노드에 대해, 전력 조절 요소(αk) 값을 1 로 설정하고, 전력분할비율(ρk) 초기값으로 전력분할비율 벡터(Δ0)를 초기화하고, 전력분할비율 벡터(Δn)에 대해 신호대 잡음비 γ(Δn)를 최대화 시키도록 경사하강법을 적용하여 최적의 전력분할비율(ρk *)을 구하는 것을 특징으로 하는 다중 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 빔포밍 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전력분할비율(ρk) 초기값은, 다음 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 다중 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 빔포밍 장치.
    Figure PCTKR2018001000-appb-I000032
    (여기에서, PC,k 는 정보인식(ID)을 위해 소모되는 회로의 전력이고, βk 는 에너지 하베스트(EH) 효율을 나타내고 0 ≤ βk ≤1 이며, PT 는 소스 노드 S 에서 전송된 전력이고, hk 는 소스 노드 S 에서 k 번째 릴레이 Rk 로 전송되는 채널 정보이다.)
  12. 제9항에 있어서,
    상기 빔포밍 신호는,
    릴레이 노드가 소스 노드로부터 전송받은 신호를 상기 최적 전력분할비율을 이용하여 전력분할한 후, 증폭하여 전송하는 신호인 것을 특징으로 하는 다중 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 빔포밍 장치.
  13. 다중 릴레이 시스템에서 무선전력 및 정보 동시전송 빔포밍을 수행하는 릴레이 노드 장치에 있어서,
    목적지 노드로부터 최적 전력분할비율을 수신하는 수신부; 및
    상기 최적 전력분할비율을 이용하여 목적지 노드로 전송하는 빔포밍 신호를 생성하는 제어부;를 포함하는 다중 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 빔포밍 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 최적 전력분할비율은,
    활성화된 각 릴레이 노드에 대해, 전력 조절 요소(αk) 값을 1 로 설정하고, 전력분할비율(ρk) 초기값으로 전력분할비율 벡터(Δ0)를 초기화하고, 전력분할비율 벡터(Δn)에 대해 신호대 잡음비 γ(Δn)를 최대화 시키도록 경사하강법을 적용하여 구하는 것을 특징으로 하는 다중 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 빔포밍 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 전력분할비율(ρk) 초기값은, 다음 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 다중 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 빔포밍 장치.
    Figure PCTKR2018001000-appb-I000033
    (여기에서, PC,k 는 정보인식(ID)을 위해 소모되는 회로의 전력이고, βk 는 에너지 하베스트(EH) 효율을 나타내고 0 ≤ βk ≤1 이며, PT 는 소스 노드 S 에서 전송된 전력이고, hk 는 소스 노드 S 에서 k 번째 릴레이 Rk 로 전송되는 채널 정보이다.)
  16. 제13항에 있어서,
    상기 제어부는,
    소스 노드로부터 전송받은 신호를 상기 최적 전력분할비율을 이용하여 전력분할한 후, 증폭하여 빔포밍 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 다중 릴레이를 위한 무선전력 및 정보 동시전송 빔포밍 장치.
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