WO2023106497A1 - 소스 전송 전력을 최소화하는 멀티 홉 릴레이 방식의 무선 통신 시스템 및 방법 - Google Patents

소스 전송 전력을 최소화하는 멀티 홉 릴레이 방식의 무선 통신 시스템 및 방법 Download PDF

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WO2023106497A1
WO2023106497A1 PCT/KR2021/019294 KR2021019294W WO2023106497A1 WO 2023106497 A1 WO2023106497 A1 WO 2023106497A1 KR 2021019294 W KR2021019294 W KR 2021019294W WO 2023106497 A1 WO2023106497 A1 WO 2023106497A1
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ratio
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보아텡 오포리-아만포콰아죠
이경재
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한밭대학교 산학협력단
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    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Definitions

  • 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 in performing beepforming for simultaneous transmission of power and information in a multi-hop relay manner, and It's about how.
  • MIMO Multiple Input Multiple Output
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • MIMO multi-input multi-output
  • 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.
  • simultaneous wireless information and power transfer SWIPT
  • each relay transmits the received signal as it is without decoding it.
  • 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 Korea Patent Registration No. 10-2209990
  • 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.
  • PS rate power division ratio
  • TS rate time division ratio
  • Another object of the present invention is to provide an algorithm for optimizing a routing path.
  • 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.
  • IAICG inverse average inter-node channel gains
  • control unit may derive the minimum source transmit power through [Relationship 1] below.
  • control unit may derive a power division ratio for minimizing source transmission power through [Relationship 2] below.
  • control unit may derive a time division ratio for minimizing source transmission power through an iterative algorithm of [Relationship 3] below.
  • the ratio constraint is , and the energy constraint is can be
  • the rate constraint is , and the energy constraint is can be
  • 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.
  • IAICG inverse average inter-node channel gains
  • the present invention has an advantage of minimizing source transmission power by deriving a time division ratio (TS rate) through an iterative algorithm.
  • TS rate time division ratio
  • the present invention has an advantage of optimizing a routing path through a routing algorithm based on the Dijkstra algorithm (DA).
  • DA Dijkstra algorithm
  • FIG. 1 shows a configuration diagram of a multi-hop relay wireless communication system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 shows a configuration diagram of a relay node according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 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.
  • FIG. 6 shows a graph of minimum transmit power versus rate threshold change according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 shows a graph of minimum transmit power versus source-destination distance according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 shows a graph of minimum transmit power versus channel estimation error according to an embodiment of the present invention.
  • a multi-hop relay wireless communication system 10 may include a source node 110, a relay node 130, and a destination node 150.
  • the multi-hop relay wireless communication system 10 may perform wireless communication using a power splitting method or a time splitting method.
  • a source node 110 can communicate with a destination node 150 by routing through k SWIPT multi-hop wireless relay nodes 130 in a wireless network.
  • the multi-hop relay wireless communication system 10 may be composed of a node having a plurality of antennas.
  • the source node 110 and the destination node 130 may have their own energy sources.
  • the source node 110 may mean a gateway, the Internet, or an external system.
  • Each relay node 130 may be configured to simultaneously beamform information decoding and energy harvesting (EH) from a supercapacitor and a radio signal (RF).
  • EH beamform information decoding and energy harvesting
  • each The relay node 120 may include a receiving unit 131 , a control unit 133 , and a transmission unit 135 .
  • the receiver 131 may receive the RF signal transmitted from the source node 110 .
  • the receiver 131 may combine the received RF signal with noise and transmit it to the control unit 133 .
  • the transmitter 135 may sequentially beamform the power and information divided by the controller 133 to the next relay node 130 .
  • the receiving unit 131 may receive an RF signal such as [Equation 1] from the previous node.
  • 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.
  • CSI channel state information
  • 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.
  • 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).
  • EH energy harvesting
  • ID information decoding
  • PS ratio power division ratio
  • 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. Is Indicates the number of active channels corresponding to a non-zero singular value of . Therefore, the energy harvested from each relay node 130 can be expressed by [Equation 6]. In addition, the ratio achievable at each node can be expressed by [Equation 7].
  • time-division 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].
  • the controller 133 may receive a signal in which the signal received by the receiver 131 and noise are combined.
  • the control unit 133 may harvest power from the transmitted RF signal in order to transmit the received signal to the next relay node 130 .
  • the control unit 133 may decode the information received from the previous relay node 130 using the supercapacitor and then consume the harvested power to retransmit it to the next relay node 130 .
  • the controller 133 may harvest power from the RF signal through a power division ratio or a time division ratio in order to perform beamforming for simultaneous transmission of power and information in a Decoding and Forward (DF) scheme.
  • DF Decoding and Forward
  • the controller 133 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).
  • PS ratio power division ratio
  • TS ratio time division ratio
  • EH energy harvesting
  • ID information decoding
  • the control unit 133 may derive the minimum source transmit power through the following [Relationship 1].
  • the control unit 133 may derive a power division ratio for minimizing the source transmission power through [Relationship 2] below.
  • the control unit 133 may derive a time division ratio for minimizing source transmission power through an iterative algorithm of [Relationship 3] below.
  • control unit 133 may derive a time division ratio for minimizing source transmission power through an iterative algorithm (Algorithm 1).
  • 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].
  • [Table 1] represents an iterative algorithm (Algorithm 1) that derives [Relationship 3] through [Equation 14].
  • the control unit 133 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. You can choose the next relay node that can be routed to.
  • the control unit 133 may use a DA algorithm (Algorithm 2) in which an IAICG weight matrix is used.
  • Algorithm 2 Algorithm 2
  • the DA algorithm using the IAICG weight matrix is suitable.
  • the control unit 133 may select the shortest path based on the highest channel gain and the minimum number of nodes using the DA to which IAICG is applied.
  • [table 2] shows the DA algorithm (Algorithm 2) in which the IAICG weight matrix is used.
  • the fisherman 133 sets the ratio constraint , and the energy constraint can be done with here, is the achievable rate, denotes the maximum source power.
  • the controller 133 may select a new path when the rate constraint condition and the energy constraint condition are not satisfied.
  • the multi-hop relay wireless communication system 10 may use a centralized routing algorithm implemented by the source node 110 .
  • the source node 110 is and A graph matrix consisting of all edges and vertices within the wireless network denoted by can be identified and developed.
  • the current or most recent node serving as the source node (110) is the new matrix having Can be instantiated by value. procession within and the previous node is undefined .
  • the control unit 133 may prevent all previously selected nodes from being selected again in the above manner.
  • the source node 110 has the lowest weight that satisfies the ratio and source node power constraints. It is possible to select the relay node 130 to be connected first having .
  • the control unit 133 may repeat the same process until reaching the destination node 150 from the current node.
  • control unit 133 sets a rate constraint , and the energy constraint can be done with here, is the achievable rate, denotes the maximum source power.
  • the process is the same as that of the power division method.
  • a multi-hop relay wireless communication method may include a receiving step, a controlling step, and a transmitting 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 receiving unit 131.
  • 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).
  • PS ratio power division ratio
  • TS ratio time division ratio
  • ID information decoding
  • 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.
  • IAICG inverse average inter-node channel gains
  • 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 transmission unit 135 described above.
  • the node node 110 knows all the channel gains for the selected relay node 130 in the network. Accordingly, the source node 110 may calculate a power split ratio for each relay node 130 . Source node 110 according to the antenna structure and calculate a power split ratio for each node using source transmit power minimization. The source node 110 transmits the calculated power split ratio, the index of the selected relay node 130 and an information signal to the first relay node 130 . The relay node k transmits the decoded information to the next relay node 130 together with the index and power split ratio of the next relay node.
  • the source node 110 calculates the power splitting ratio of the first relay node 130 as shown in [Equation 15].
  • the source node 110 is an information signal after calculation, , , and all relay node 130 indices are transmitted to the first relay node 130.
  • the k-th relay node 130 calculates the power split ratio of the k+1-th relay node 130 as shown in [Equation 16].
  • the k-th relay node 130 which is the current node, has decoded information, , , .
  • the indexes of the th relay nodes are transmitted to the k+1 th relay node 130, which is the next node.
  • An advantage of a centralized implementation is that the relay node 130 is off-loaded with respect to power split ratio calculations. However, the first few relay nodes 130 have a large amount of data bits to process and transmit according to the power split ratio of subsequent relay nodes 130 that are transmitted. A centralized implementation may affect the DF process if the relay node 130 does not have enough memory.
  • 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 relay node 130 transmits the variable before retransmitting to the next node. and is that you have to calculate
  • Algorithm 1 begins to converge after two or more iterations.
  • Optimal Power Split Ratio Method fixed power split ratio method , the optimal time division ratio method , fixed time division rate method Each is used to find the minimum source power required for E2E communication between the source node 110 and the destination node 150.
  • the simulated topology is 50 nodes distributed in a dimensional square. here, .
  • 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.
  • 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.
  • the power division scheme requires less E 0 to facilitate communication compared to the time division scheme.
  • the optimal method outperforms the fixed ratio method in terms of minimum E 0 .
  • FIG. 7 shows a graph of minimum transmit power versus source-destination distance according to an embodiment of the present invention.
  • the required minimum E 0 increases as the distance between nodes increases from 10 m to 30 m.
  • FIG. 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.
  • FIG. 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.
  • FIG. 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 node 1 harvested more energy than node 2 when there are two relay nodes 130 .
  • the power splitting method and the time splitting method have the same node energy harvest. Node 1 is 70dBm to 65dBm, node 2 is 85dBm to 65dBm. However, it can be seen that the overall cumulative effect is greater in the power division method than in the time division method.

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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.

Description

소스 전송 전력을 최소화하는 멀티 홉 릴레이 방식의 무선 통신 시스템 및 방법
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.
최근 멀티미디어 서비스를 제공하기 위해 전송 데이터의 대용량화 및 데이터 전송의 고속화가 진행되면서 한정된 주파수를 효율적으로 사용할 수 있는 다중 안테나 시스템(MIMO(Multiple Input Multiple Output))의 연구가 활발히 진행되고 있다.
이러한 다중 안테나 시스템은 안테나별로 서로 독립적인 채널을 이용하여 데이터를 전송하여 추가적인 주파수나 송신 전력 할당 없이도 단일 안테나 시스템에 비해 전송 신뢰도와 전송률을 증가시킬 수 있다.
다중 사용자 환경의 다중 안테나 시스템은 비선형 방식의 프리코딩(Pre-coding) 방식인 더티 페이퍼 코딩(Dirty Paper Coding)을 이용하여 사용자들간 또는 안테나들간 간섭을 제거한다.
더티 페이퍼 코딩은 채널에서 잡음 신호 외에 간섭 신호가 존재하는 상황에서 간섭 신호를 전송단이 미리 알고 있을 때, 수신단에서 간섭 신호의 영향을 받지 않도록 하는 전송단에서의 간섭 신호 제거 기법이다. 즉, 신호 A는 사용자 A에게 보내고자 하는 신호라 하고, 신호 B는 사용자 B에게 보내고자 하는 신호라 가정할 때, 신호A를 신호 B와 적절한 연관 관계로부터 먼저 처리하여 잡음과 같은 신호(A')를 만들어서 신호 B와 더해서 채널로 전송한다. 이 신호를 수신한 사용자 B는 원래 신호 B에 채널로부터의 잡음과 처리된 신호(A') 모두 잡음으로 간주하고 복호하면, 사용자 A는 가공된 잡음(A')으로부터 완벽하게 신호 A를 복원해 낼 수 있으며, 이를 더티 페이퍼 코딩이라 한다.
이러한 DPC 기술은 셀룰러(Cellular) 이동전화망과 같은 싱글홉(Single-hop) 무선망에서의 MIMO(Multi-Input Multi-Output) 다중안테나 활용 기술로서 개발되었다.
그러나 현재의 무선망은 셀룰러 또는 와이파이(WiFi)등과 같이 싱글홉 형태의 무선망이 주류를 이루고 있으나 4G, 와이브로, 메쉬등 차세대 무선망은 멀티홉(Multi-hop) 형태의 망 구성이 필수화되어 가고 있다.
이러한 멀티홉 릴레이 방식의 WPCN에서 무선통신 노드가 전력과 정보를 동시에 전송하는 기술을 무선전력 및 정보 동시전송(simultaneous wireless information and power transfer; SWIPT)이라 한다. WPCN, WPT 및 SWIPT 시스템의 구현과 이러한 시스템의 잠재적 이익을 이용하기 위한 연구개발이 진행되고 있다.
최근, SWIPT의 아이디어는 비재생성(non-regenerative) 및 재생성(regenerative) 릴레이 시스템으로 확장되고 있다. 비재생성 릴레이 시스템의 경우, 각 릴레이는 받은 신호를 디코딩하지 않고 그대로 전달한다. 재생성 릴레이 시스템의 경우, 각 릴레이는 받은 신호를 우선 디코딩하고, 디코딩된 메시지를 기반으로 전송신호를 생성한다.
비재생성 및 재생성 릴레이 시스템의 협조에 대한 연구는 증폭 후 전달(amplify-and-forward; AF) 및 복호 후 전달(decode-and-forward; DF) 규약으로 집중된다. AF와 DF 시스템에 대해, 시간 전환(time switching; TS)과 전력 분할(power splitting; PS)에 기반한 릴레이 규약이 특별히 연구되고 있다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
특허문헌1. 한국등록특허 제10-2209990호
본 발명은 소스 전송 전력을 최소화하기 위한 최적의 전력분할 비율(PS rate) 또는 시간분할 비율(TS rate)을 도출하는 것을 일 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 라우팅 경로를 최적화하는 알고리즘을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
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.
바람직하게는, 상기 제어부는, 최소 소스 전송 전력을 하기 [관계식 1]을 통해 도출할 수 있다.
[관계식 1]
Figure PCTKR2021019294-appb-I000001
(여기서,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000002
는 노이즈 분산,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000003
는 에너지 수확 효율,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000004
는 요구되는 비율 임계값,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000005
을 의미한다.)
바람직하게는, 상기 제어부는, 소스 전송 전력을 최소화하기 위한 전력분할 비율을 하기 [관계식 2]를 통해 도출할 수 있다.
[관계식 2]
Figure PCTKR2021019294-appb-I000006
(여기서,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000007
는 전력분할 비율을 의미한다.)
바람직하게는, 상기 제어부는, 소스 전송 전력을 최소화하기 위한 시간분할 비율을 하기 [관계식 3]의 반복 알고리즘을 통해 도출할 수 있다.
[관계식 3]
Figure PCTKR2021019294-appb-I000008
(여기서,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000009
는 시간분할 비율,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000010
는 비율 임계값,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000011
를 의미한다.)
바람직하게는, 전력분할 방식의 경우에는 상기 비율 제약 조건은
Figure PCTKR2021019294-appb-I000012
이고, 상기 에너지 제약 조건은
Figure PCTKR2021019294-appb-I000013
Figure PCTKR2021019294-appb-I000014
일 수 있다.
(여기서,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000015
는 달성 가능한 비율(rate),
Figure PCTKR2021019294-appb-I000016
는 최대 소스 전력을 의미한다.)
바람직하게는, 시간분할 방식의 경우에는 상기 비율(rate) 제약 조건은
Figure PCTKR2021019294-appb-I000017
이고, 상기 에너지 제약 조건은
Figure PCTKR2021019294-appb-I000018
일 수 있다.
(여기서,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000019
는 달성가능한 비율(rate),
Figure PCTKR2021019294-appb-I000020
는 최대 소스 전력을 의미한다.)
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.
본 발명에 따르면, 폐쇄형 비반복 알고리즘을 통해 전력분할 비율(PS rate)을 도출하여 소스 전송 전력을 최소화 할 수 있다는 이점이 있다.
또한 본 발명은, 반복 알고리즘을 통해 시간분할 비율(TS rate)을 도출하여 소스 전송 전력을 최소화 할 수 있다는 이점이 있다.
또한 본 발명은, Dijkstra 알고리즘(DA)을 기반으로 하는 라우팅 알고리즘을 통해 라우팅 경로를 최적화할 수 있다는 이점이 있다.
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(
Figure PCTKR2021019294-appb-I000021
=300m,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000022
=10dB,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000023
=3).
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 서로 다른 SWIPT 체계에 대한 라우팅 경로를 나타낸다(
Figure PCTKR2021019294-appb-I000024
=50m,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000025
=10dB,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000026
=2).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 릴레이 노드(130)의 구성도를 나타낸다. 도 2를 참조하면, 각
Figure PCTKR2021019294-appb-I000027
릴레이 노드(120)는 수신부(131), 제어부(133), 및 송신부(135)를 포함할 수 있다.
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.
수신부(131)는 이전 노드로부터 [수학식 1]과 같은 RF 신호를 수신할 수 있다.
[수학식 1]
Figure PCTKR2021019294-appb-I000028
여기에서,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000029
는
Figure PCTKR2021019294-appb-I000030
안테나의 이전 노드의 빔포밍 행렬이며,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000031
의 전력 제한이 있다.
Figure PCTKR2021019294-appb-I000032
는 이전 노드로부터 수신한 정보 신호 벡터이고,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000033
는 현재 노드의 안테나 노이즈 벡터이다.
Figure PCTKR2021019294-appb-I000034
는 이전 노드와 현재 노드 사이의 채널 계수이다.
불완전한 CSI(channel state information) 상황에서,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000035
이다.
Figure PCTKR2021019294-appb-I000036
는 추정된 채널 행렬이고,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000037
는 추정된 채널 에러 행렬이다.
Figure PCTKR2021019294-appb-I000038
의 각 원소는
Figure PCTKR2021019294-appb-I000039
로 모델링될 수 있다(
Figure PCTKR2021019294-appb-I000040
).
Figure PCTKR2021019294-appb-I000041
를 만족하고,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000042
large-scale 페이딩 계수이다(ij는 연속되는 두 노드를 의미한다). large-scale 페이딩 계수는
Figure PCTKR2021019294-appb-I000043
로 정의된다.
Figure PCTKR2021019294-appb-I000044
는 신호 감쇄 계수,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000045
는 거리 손실 지수,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000046
는 경로 손실 지수이다.
Figure PCTKR2021019294-appb-I000047
의 각 원소는
Figure PCTKR2021019294-appb-I000048
로 모델링될 수 있다(
Figure PCTKR2021019294-appb-I000049
).
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.
[수학식 2]
Figure PCTKR2021019294-appb-I000050
[수학식 3]
Figure PCTKR2021019294-appb-I000051
여기에서,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000052
는 노드 k의 전력분할 비율이고,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000053
는 정보 디코딩 회로에 의해 유도되는 추가 노이즈이며,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000054
는 수신 결합 행렬이다.
[수학식 2]로부터 슈퍼 커패시터에 저장된 수확 에너지는 [수학식 4]로 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
Figure PCTKR2021019294-appb-I000055
(여기에서,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000056
는 k번째 노드에 대한 에너지 수확 장치의 에너지 변환 효율이다.)
[수학식 3]으로부터 노드에서 달성 가능한 비율을 [수학식 5]로 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
Figure PCTKR2021019294-appb-I000057
(여기에서,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000058
,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000059
,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000060
)
Figure PCTKR2021019294-appb-I000061
의 singular value decomposition(SVD)를 적용하면, 이전 노드 최적의 빔포밍 행렬은
Figure PCTKR2021019294-appb-I000062
현재 노드에서의 수신 결합 매트릭스는
Figure PCTKR2021019294-appb-I000063
로 나타낼 수 있다(
Figure PCTKR2021019294-appb-I000064
와
Figure PCTKR2021019294-appb-I000065
는 단일행렬이다.).
Figure PCTKR2021019294-appb-I000066
는 음이 아닌 대각행렬을 나타낸다.
Figure PCTKR2021019294-appb-I000067
는 노드 k-1에 대한 프리코딩 전력 할당으로 구성된 대각행렬을 나타낸다.
Figure PCTKR2021019294-appb-I000068
는
Figure PCTKR2021019294-appb-I000069
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.
[수학식 6]
Figure PCTKR2021019294-appb-I000070
[수학식 7]
Figure PCTKR2021019294-appb-I000071
소스 전송 전력
Figure PCTKR2021019294-appb-I000072
에 대한 최소화 문제는 [수학식 8]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 8]
Figure PCTKR2021019294-appb-I000073
(여기에서,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000074
는 요구되는 비율 임계값,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000075
이다.)
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.
[수학식 9]
Figure PCTKR2021019294-appb-I000076
[수학식 10]
Figure PCTKR2021019294-appb-I000077
(여기에서,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000078
는 노드 k에서 시간분할 비율을 의미한다.)
소스 전송 전력
Figure PCTKR2021019294-appb-I000079
에 대한 최소화 문제는 [수학식 11]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 11]
Figure PCTKR2021019294-appb-I000080
(여기에서,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000081
이다.)
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.
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.
제어부(133)는 최소 소스 전송 전력을 하기 [관계식 1]을 통해 도출할 수 있다.
[관계식 1]
Figure PCTKR2021019294-appb-I000082
(여기서,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000083
는 노이즈 분산,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000084
는 에너지 수확 효율,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000085
는 요구되는 비율 임계값,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000086
을 의미한다.)
제어부(133)는 소스 전송 전력을 최소화하기 위한 전력분할 비율을 하기 [관계식 2]를 통해 도출할 수 있다.
[관계식 2]
Figure PCTKR2021019294-appb-I000087
(여기서,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000088
는 전력분할 비율을 의미한다.)
제어부(133)는 소스 전송 전력을 최소화하기 위한 시간분할 비율을 하기 [관계식 3]의 반복 알고리즘을 통해 도출할 수 있다.
[관계식 3]
Figure PCTKR2021019294-appb-I000089
(여기서,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000090
는 시간분할 비율,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000091
는 비율 임계값,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000092
를 의미한다.)
시간분할 방식은 최적화
Figure PCTKR2021019294-appb-I000093
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.
[수학식 11]에 주어진 문제를 해결하기 위해, 주어진 총 시간
Figure PCTKR2021019294-appb-I000094
에서 최소 소스 전송 전력
Figure PCTKR2021019294-appb-I000095
과 최적의 시간분할 비율
Figure PCTKR2021019294-appb-I000096
은 [수학식 14]의 반복 알고리즘을 사용하여 도출할 수 있다. [수학식 14]를 이용하여 최종적으로 도출한 최적의 시간분할 비율
Figure PCTKR2021019294-appb-I000097
은 [관계식 3]으로 나타낼 수 있다.
[수학식 14]
Figure PCTKR2021019294-appb-I000098
[table 1]은 [수학식 14]를 통해 [관계식 3]을 도출하는 반복 알고리즘(Algorithm 1)을 나타낸다.
[table 1]
Figure PCTKR2021019294-appb-I000099
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.
[table 2]는 IAICG 가중치 행렬이 사용되는 DA 알고리즘(Algorithm 2)을을 나타낸다.
[table 2]
Figure PCTKR2021019294-appb-I000100
어부(133)는 전력분할 방식의 경우에는 비율 제약 조건을
Figure PCTKR2021019294-appb-I000101
으로 하고, 에너지 제약 조건을
Figure PCTKR2021019294-appb-I000102
으로 할 수 있다. 여기서,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000103
는 달성 가능한 비율(rate),
Figure PCTKR2021019294-appb-I000104
는 최대 소스 전력을 의미한다. 제어부(133)는 비율 제약 조건 및 에너지 제약 조건이 만족되지 않을 때 새로운 경로를 선택할 수 있다.
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
Figure PCTKR2021019294-appb-I000105
와
Figure PCTKR2021019294-appb-I000106
로 표시된 무선 네트워크 내의 모든 가장자리와 꼭지점으로 구성된 그래프 행렬
Figure PCTKR2021019294-appb-I000107
를 식별하고 개발할 수 있다. 소스 노드(110) 역할을 하는 현재 또는 가장 최근 노드
Figure PCTKR2021019294-appb-I000108
는 새로운 행렬
Figure PCTKR2021019294-appb-I000109
를 갖는
Figure PCTKR2021019294-appb-I000110
값으로 인스턴스화될 수 있다. 행렬
Figure PCTKR2021019294-appb-I000111
내에는
Figure PCTKR2021019294-appb-I000112
및 이전 노드는 정의되지 않는다
Figure PCTKR2021019294-appb-I000113
. 제어부(133)는 위와 같은 방식으로 이전에 선택한 모든 노드를 다시 선택되지 않게 할 수 있다.
다음으로, 소스 노드(110)는 비율 및 소스 노드 전력 제약 조건을 충족하는 가장 낮은 가중치
Figure PCTKR2021019294-appb-I000114
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.
제어부(133)는 시간분할 방식의 경우에는 비율(rate) 제약 조건을
Figure PCTKR2021019294-appb-I000115
으로 하고, 에너지 제약 조건을
Figure PCTKR2021019294-appb-I000116
으로 할 수 있다. 여기서,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000117
는 달성가능한 비율(rate),
Figure PCTKR2021019294-appb-I000118
는 최대 소스 전력을 의미한다. 이하, 프로세스는 전력분할 방식과 동일하다.
본 발명의 다른 실시예로 멀티 홉 릴레이 방식의 무선 통신 방법은 수신 단계, 제어 단계, 및 송신 단계를 포함할 수 있다.
수신 단계는 릴레이 노드에서 소스 노드의 RF 신호를 수신할 수 있다. 수신 단계는 전술한 수신부(131)에서 수행되는 기능을 의미한다.
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.
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.
송신 단계는 제어 단계에서 분할된 전력 및 정보를 다음 릴레이 노드로 순차 빔포밍할 수 있다. 송신 단계는 전술한 송신부(135)에서 수행되는 기능을 의미한다.
이하에서는 중앙 집중식 및 분산형 SWIPT 비율 프로토콜을 구현하는 방법에 대해 설명한다.
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
Figure PCTKR2021019294-appb-I000119
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.
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.
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.
[수학식 15]
Figure PCTKR2021019294-appb-I000120
소스 노드(110)는 계산 후 정보 신호,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000121
,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000122
, 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.
[수학식 16]
Figure PCTKR2021019294-appb-I000123
Figure PCTKR2021019294-appb-I000124
현재 노드인 k번째의 릴레이 노드(130)는 디코딩된 정보,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000125
,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000126
,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000127
번째의 릴레이 노드들의 인덱스를 다음 노드인 k+1번째의 릴레이 노드(130)에 전송한다.
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.
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
Figure PCTKR2021019294-appb-I000128
와
Figure PCTKR2021019294-appb-I000129
를 계산해야 한다는 것이다.
이하에서는 본 발명의 시뮬레이션 결과를 설명한다.
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.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 서로 다른 SWIPT 체계에 대한 라우팅 경로를 나타낸다(
Figure PCTKR2021019294-appb-I000130
=300m,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000131
=10dB,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000132
=3).
도 5은 본 발명의 실시예에 따른 서로 다른 SWIPT 체계에 대한 라우팅 경로를 나타낸다(
Figure PCTKR2021019294-appb-I000133
=50m,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000134
=10dB,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000135
=2).
도 4와 도 5를 참조하면, 서로 다른 DF-SWIPT 방식에 대한 다양한 라우팅 경로를 알 수 있다. 라우팅은 사용 가능한 최대 소스 전력
Figure PCTKR2021019294-appb-I000136
=30dBm인 Algorithm 2를 통해 수행된다. 최적의 전력분할 비율 방식
Figure PCTKR2021019294-appb-I000137
, 고정된 전력분할 비율 방식
Figure PCTKR2021019294-appb-I000138
, 최적의 시간분할 비율 방식
Figure PCTKR2021019294-appb-I000139
, 고정된 시간분할 비율 방식
Figure PCTKR2021019294-appb-I000140
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
Figure PCTKR2021019294-appb-I000141
여기서,
Figure PCTKR2021019294-appb-I000142
.
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.
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.
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 E0를 필요로 하는 것을 알 수 있다. 또한, 최적의 방식은 최소 E0 측면에서 고정 비율 방식보다 성능이 뛰어남을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 소스-목적지 거리에 대한 최소 전송 전력의 그래프를 나타낸다. 도 7을 참조하면, 필요한 최소 E0는 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 E0가 증가함을 알 수 있다.
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.
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.
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.
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.
[부호의 설명]
10 : 멀티 홉 릴레이 방식의 무선 통신 시스템
110 : 소스 노드
130 : 릴레이 노드
131 : 수신부
133 : 제어부
135 : 송신부
150 : 목적지 노드

Claims (7)

  1. 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 특징으로 하는 멀티 홉 릴레이 방식의 무선 통신 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    최소 소스 전송 전력을 하기 [관계식 1]을 통해 도출하는 것을 특징으로 하는 멀티 홉 릴레이 방식의 무선 통신 시스템.
    [관계식 1]
    Figure PCTKR2021019294-appb-I000143
    (여기서,
    Figure PCTKR2021019294-appb-I000144
    는 노이즈 분산,
    Figure PCTKR2021019294-appb-I000145
    는 에너지 수확 효율,
    Figure PCTKR2021019294-appb-I000146
    는 요구되는 비율 임계값,
    Figure PCTKR2021019294-appb-I000147
    을 의미한다.)
  3. 제 2 항에 있어서,
    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]
    Figure PCTKR2021019294-appb-I000148
    (여기서,
    Figure PCTKR2021019294-appb-I000149
    는 전력분할 비율을 의미한다.)
  4. 제 2 항에 있어서,
    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]
    Figure PCTKR2021019294-appb-I000150
    (여기서,
    Figure PCTKR2021019294-appb-I000151
    는 시간분할 비율,
    Figure PCTKR2021019294-appb-I000152
    는 비율 임계값,
    Figure PCTKR2021019294-appb-I000153
    를 의미한다.)
  5. 제 1 항에 있어서,
    전력분할 방식의 경우에는 상기 비율 제약 조건은
    Figure PCTKR2021019294-appb-I000154
    이고, 상기 에너지 제약 조건은
    Figure PCTKR2021019294-appb-I000155
    Figure PCTKR2021019294-appb-I000156
    인 것을 특징으로 하는 멀티 홉 릴레이 방식의 무선 통신 시스템.
    (여기서,
    Figure PCTKR2021019294-appb-I000157
    는 달성가능한 비율(rate),
    Figure PCTKR2021019294-appb-I000158
    는 최대 소스 전력을 의미한다.)
  6. 제 1 항에 있어서,
    시간분할 방식의 경우에는 상기 비율(rate) 제약 조건은
    Figure PCTKR2021019294-appb-I000159
    이고, 상기 에너지 제약 조건은
    Figure PCTKR2021019294-appb-I000160
    인 것을 특징으로 하는 멀티 홉 릴레이 방식의 무선 통신 시스템.
    (여기서,
    Figure PCTKR2021019294-appb-I000161
    는 달성가능한 비율(rate),
    Figure PCTKR2021019294-appb-I000162
    는 최대 소스 전력을 의미한다.)
  7. 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 특징으로 하는 멀티 홉 릴레이 방식의 무선 통신 방법.
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