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KR102090620B1 - 무선 전력 이종통신망에서 후방산란 기반 협력통신 시스템 및 그 방법 - Google Patents

무선 전력 이종통신망에서 후방산란 기반 협력통신 시스템 및 그 방법 Download PDF

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KR102090620B1
KR102090620B1 KR1020180148677A KR20180148677A KR102090620B1 KR 102090620 B1 KR102090620 B1 KR 102090620B1 KR 1020180148677 A KR1020180148677 A KR 1020180148677A KR 20180148677 A KR20180148677 A KR 20180148677A KR 102090620 B1 KR102090620 B1 KR 102090620B1
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KR
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cooperative communication
iot devices
backscatter
communication
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김동인
김성훈
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성균관대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 무선 전력 이종통신망에서 후방산란 기반 협력통신 시스템에 관한 것으로, 무변조 반송파를 연속적으로 송신하는 저전력 접속지점; 주(Primary)기기와 통신중인 혼합 접속지점; 상기 저전력 접속지점과 상기 혼합 접속지점들의 신호를 사용해 에너지를 수집하고, 수집한 에너지를 이용하여 바이스태틱 후방산란 통신 기반의 협력통신 모드 또는 비협력통신 모드를 통해 혼합 접속지점에 정보를 순차적으로 전송하는 IoT 기기;를 포함한다.

Description

무선 전력 이종통신망에서 후방산란 기반 협력통신 시스템 및 그 방법{SYSTEM AND METHOD FOR BACKSCATTER-BASED COOPERATIVE COMMUNICATION IN WIRELESS-POWERED HETEROGENEOUS NETWORK}
본 발명은 무선 전력 이종통신망에서 후방산란 기반 협력통신 시스템 및 그 방법에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 단거리 주변 후방산란(Ambient Backscatter: AB)과 장거리 바이스태틱 후방산란(Bistatic Backscatter: BB) 통신을 기반으로 하고 무선 전력 이종통신망(Wireless-Powered Heterogeneous Network: WPHetNet)을 지원하는 협력통신을 통해 서비스 영역 감쇄 문제를 해결하여, 최종적으로 대규모(large-scale) 밀집된 분포를 가지는 무전원(battery-less) 사물인터넷(IoT) 센서 통신망을 구축할 수 있는 무선 전력 이종통신망에서 후방산란 기반 협력통신 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
무선 전력 통신망은 통신망 내 존재하는 노드들의 주변(ambient)에 분포되어 있는, 혹은 전용(dedicated) 에너지원에서 전송되는 RF 신호를 활용해 에너지를 수집하고, 이를 에너지원으로 사용하여 통신하는 통신망이다.
수집 후 전송 기법(Harvest-Then-Transmit: HTT)은 이를 지원하기 위한 기초적인 기법으로, 이를 통해 궁극적으로 전원 관리를 효율적으로 할 수 있는 무전원 통신망을 구현하고자 하였다.
이를 사용하는 노드들은 전용 에너지원의 신호를 수집하고, 수집된 에너지만을 사용하여 정보를 전송하지만 이 기법에서 RF 신호가 에너지 전송 하향링크, 정보 전송 상향링크 두 번의 신호 감쇄(double attenuation)를 겪어야 하기 때문에 ‘중복 원근 문제’(doubly near -far problem)가 발생한다.
이 문제는 서비스 영역 감쇄 및 노드 사이의 성능 및 형평성 간 trade-off 문제라는 치명적인 문제를 야기한다. 이를 해결하기 위해 유저 릴레이, 후방산란 기법, 협력통신과 같이 다양한 기법들이 제안되었다.
이하에서 협력통신 및 저전력 후방산란 기법과 관련된 종래기술을 살펴본다.
먼저, 협력통신을 사용한 종래기술의 시스템 모델 및 시간 흐름도에 대해 도 1을 통해 살펴볼 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이 협력통신 시스템은 통신망에 IoT 센서와 같은 두 개의 무선 기기(WDs), 하나의 에너지 노드(EN) 및 정보접속지점(AP)을 포함한다.
전체 노드들간 채널측정 후, 무선 기기들은 에너지 노드에서부터 에너지 신호를 받아 에너지를 수집한다. 그리고 두 기기는 협력통신을 위해 서로의 정보를 상호 교환한다. 마지막으로 정보 접속지점(AP)으로 시공간 블록코드(Space Time Block Code: STBC) 또는 분산 빔 형성(Distributed Beamforming: DTB)과 같은 협력통신을 수행한다. 이러한 시간흐름을 바탕으로, 두 무선 기기간 형평성을 고려하여, 공통 처리량 최대화를 목적으로 하는 시간 분배 최적화를 수행한다.
협력통신을 사용한 또 다른 종래기술의 시스템 모델은 도 2에 도시된 바와 같다. 도 1 및 도 2 두 모델은 같은 통신망 모델을 가정하고 있지만, 가장 큰 차이점으로는 정보 상호교환 시기에 사용하는 통신기법이다. 도 1에서는 Active RF 통신 기법을 사용하여 정보교환을 수행하지만, 도 2에서는 단거리 저전력 주변 후방산란(Ambient Backscatter: AB) 통신을 사용한다.
이는 센서들이 밀집된 분포를 보여 가까운 거리에 배치되어 정보교환에 있어서 단거리 통신으로 충분하고, IoT 센서가 수집하는 정보량이 적기 때문에 많은 정보를 교환할 필요가 없기 때문이다.
더불어 후방산란의 송수신이 이루어지는 동시에 정보 및 에너지 동시전송(Simultaneous Wireless Information and Power Transmission: SWIPT) 전력 분할(Power Splitting: PS) 회로를 통해 협력통신할 때 사용할 에너지를 추가로 수집할 수 있다. 추가적으로 수집된 에너지를 재사용함으로써, 협력통신의 에너지 효율을 높일 수 있다.
후방산란 통신기법은 저속 전송을 지원하기 때문에 상술한 기법에서 볼 수 있듯이 주로 보조적인 접속방식(Secondary Access)으로 사용된다. 이러한 역할로써 서비스 영역 감소를 해결하는 다른 종래의 기법으로 복합 후방산란 통신기법(Hybrid Backscatter Communication)이 있다.
이 기법은 수집 후 전송 기법의 서비스 영역 감소 문제를 해결하고, 주변 신호에 의존적인 후방산란 통신의 전송율 분포를 균일하게 보장하도록 Active RF 통신을 주 접속방식(Primary Access)으로, 후방산란 기법들을 보조 접속방식(Secondary Access)으로 사용하는 듀얼모드 통신기법이다.
이를 사용하는 IoT 기기들은 통신망 내 존재하는 다양한 크기의 기지국의 도움을 받아 후방산란 통신 및 에너지 자급(self-powering)을 수행할 수 있으며, 이러한 통신망을 무선 전력 이종통신망(WPHetNet)으로 정의한다.
광역 기지국(즉, 매크로셀, 혼합 접속지점)의 서비스 영역에 있는 IoT 기기들은 주변 후방산란 기법을 활용한 다중 홉 릴레이 방식으로, 저전력 접속지점(즉, 스몰셀, Wi-Fi 노드)의 서비스 영역에 있는 기기들은 장거리 바이스태틱 후방산란 통신을 통해 원거리에 위치한 게이트웨이(Gateway)로 정보를 전송할 수 있으며, 이를 통해 음영지역에 위치한 노드들을 원활히 지원할 수 있다.
협력통신을 통해 수집 후 전송 기법의‘중복 원근 문제’를 어느 정도 해결할 수 있지만, 상술한 도 1 및 도 2의 협력통신 기법 모두 고전력 소모를 요구하는 Active RF 통신을 기반으로 접속지점에 정보를 전송하기 때문에, 서비스 영역 감소 문제를 완전히 극복하기 힘든 문제점이 있다.
다시말해, 많은 전력소모를 요구하는 Active RF 통신 기반의 통신기법은 저전력의 센서 노드들이 무전원으로 동작하도록하는 에너지 자급 통신망의 구현을 어렵게 하는 문제점이 있다.
후방산란 기법 기반 듀얼모드 동작의 경우, 단일 기기의 정보전송을 위한 기법이기 때문에 밀집된 분포를 갖는 IoT 센서 통신망을 충분히 지원하는데 한계가 있어서, 다수의 기기들을 지원하기 위한 기법이 추가적으로 필요한 실정이다.
대한민국 공개특허공보 제10-2018-0024371호(2018.03.08)
본 발명은 상술한 문제점과 필요에 따라 무선 전력 이종통신망(WPHetNet)에서 후방산란을 기반으로 하는 무선 전력 이종통신망에서의 후방산란 기반 협력통신 시스템 및 그 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위해 단거리 주변 후방산란(Ambient Backscatter: AB)과 장거리 바이스태틱 후방산란(Bistatic Backscatter: BB) 통신을 기반으로 하고 무선 전력 이종통신망(Wireless-Powered Heterogeneous Network: WPHetNet)을 지원하는 협력통신을 통해 서비스 영역 감쇄 문제를 해결하여, 최종적으로 대규모(large-scale) 밀집된 분포를 가지는 무전원(battery-less) 사물인터넷(IoT) 센서 통신망을 구축할 수 있는 무선 전력 이종통신망에서 후방산란 기반 협력통신 시스템 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무선 전력 이종통신망에서 후방산란 기반 협력통신 시스템은 무변조 반송파를 연속적으로 송신하는 저전력 접속지점; 주(Primary)기기와 통신중인 혼합 접속지점; 상기 저전력 접속지점과 상기 혼합 접속지점들의 신호를 사용해 에너지를 수집하고, 수집한 에너지를 이용하여 바이스태틱 후방산란 통신 기반의 협력통신 모드 또는 비협력통신 모드를 통해 혼합 접속지점에 정보를 순차적으로 전송하는 IoT 기기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무선 전력 이종통신망에서 후방산란 기반 협력통신 시스템의 IoT 기기들은 상기 복합 접속지점의 Primary 신호를 이용하여 단거리 주변 후방산란 기법(Ambient Backscatter Link)을, 상기 저전력 접속지점의 무변조 반송파를 사용하여 장거리 바이스태틱 후방산란 기법(Bistatic Backscatter Link)을 각각 사용하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무선 전력 이종통신망에서 후방산란 기반 협력통신 방법은 (a) IoT 기기들이 파일럿 신호를 전송하여 기기, 무변조 반송파를 연속적으로 송신하는 저전력 접속지점, 및 주(Primary)기기와 통신중인 혼합 접속지점 간 채널 정보를 측정하는 단계; (b) 상기 IoT 기기들이 정보교환 신호인 주변 후방산란 신호의 복호(decoding) 가능여부를 판단하는 단계; 및 (c) 상기 IoT 기기들이 상기 (b)단계에서의 복호 가능여부에 따라 (c-1) 협력통신 모드(Cooperation Mode)로 혼합 접속지점으로 정보를 전송하는 단계, 또는 (c-2) 비협력통신 모드(Non-Cooperation Mode)로 혼합 접속지점으로 정보를 전송하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무선 전력 이종통신망에서 후방산란 기반 협력통신 방법의 상기 (b)단계에서 상기 IoT 기기들은 주변 후방산란 기법(Ambient Backscatter Link)을 통해 정보교환을 수행하고, 상기 (a)단계에서 측정한 채널 정보를 이용해 계산된 신호대잡음비(SNR: Signal to Noise Ratio)로 정보교환 가능 여부를 결정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무선 전력 이종통신망에서 후방산란 기반 협력통신 방법에서 상기 IoT 기기들은
Figure 112018118427411-pat00001
, νi : 기기i에서의 수신 SNR, τB : 신호 복호를 위한 문턱값,을 만족한 경우 협력통신 모드로 정보를 전송하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무선 전력 이종통신망에서 후방산란 기반 협력통신 방법의 상기 (c-1)단계는 (c-1-1) 상기 IoT 기기들이 정보교환 및 협력통신을 수행하기 위한 에너지를 수집하는 단계; (c-1-2) 상기 IoT 기기들이 협력통신을 수행하기 위해 주변 후방산란을 통해 상기 혼합 접속지점으로 전송할 서로의 정보를 교환하는 단계; 및 (c-1-3) 상기 무선 기기들이 저전력 접속지점이 송신하는 무변조 반송파를 사용해 장거리 바이스태틱 후방산란 기법을 통해 협력통신을 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무선 전력 이종통신망에서 후방산란 기반 협력통신 방법의 상기 (c-2)단계는 (c-2-1) 상기 IoT 기기들이 dual band 에너지 수집기술을 활용해 후방산란 통신 회로 동작을 위한 에너지를 수집하는 단계; 및 (c-2-2) 상기 IoT 기기들이 저전력 접속지점의 무변조 반송파를 이용해 IoT 기기의 정보를 바이스태틱 후방산란 기술을 통해 혼합 접속지점으로 전송하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 무선 전력 이종통신망에서 후방산란 기반 협력통신 시스템 및 그 방법은 보조 접속 방식인 저전력 후방산란 기법을 기반으로 하는 협력통신 기법으로 보다 구체적으로 저전력 통신기법의 사용을 통해 종래 기술 대비 에너지 효율을 높일 수 있고, 장거리 바이스태틱 후방산란 기법을 통해 서비스 영역 증대 효과도 확인할 수 있으며, 노드들 간 형평성 문제가 완화될 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 따른 무선 전력 이종통신망에서 후방산란 기반 협력통신 시스템 및 그 방법은 협력통신 기법을 통해, 단일 기기의 전송만을 지원했던 종래의 듀얼모드 후방산란 통신기법을 다중 기기를 지원하는 기법으로 확장할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 무선 전력 이종통신망에서 후방산란 기반 협력통신 시스템 및 그 방법은 본 발명을 통해 서비스 영역이 확장된 경우, 에너지 충전 방법이 제한되거나 기기들의 관리가 어려운 Body Area Network (BAN), 밀집된 분포를 가져 전력 관리가 어렵기 때문에 관리 비용을 무시할 수 없는 사물인터넷 및 무선 센서 통신망 등에 적용할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 무선 전력 이종통신망에서 후방산란 기반 협력통신 시스템 및 그 방법은 최근 이슈가 되고 있는 스마트 홈 및 스마트 팩토리에 적용하면 보다 효율적인 운영 및 관리가 가능한 효과가 있고, 이종 통신망을 가정하고 있어 이미 설치된 통신망 내 다양한 종류의 접속지점을 활용할 수 있는 효과가 있으며, 광범위한(wide area) 무선 통신망 환경에서 적용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 협력통신 기반의 무선 전력 통신망(WPCN)의 시스템 및 시간 흐름도이다.
도 2는 후방산란의 도움을 받는 협력통신 기반의 무선 전력 통신망(WPCN)의 시스템 및 시간 흐름도이다.
도 3은 본 발명에 따른 무선 전력 이종통신망에서 후방산란 기반 협력통신 시스템도이다.
도 4는 본 발명에 따른 무선 전력 이종통신망에서 후방산란 기반 협력통신 방법에 따른 흐름도이다.
도 5는 본 발명에 따른 무선 전력 이종통신망에서 후방산란 기반 협력통신 시스템의 시간 구조도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급될 때에는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다고 할때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 무선 전력 이종통신망에서 후방산란 기반 협력통신 시스템의 구성도이다.
도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 무선 전력 이종통신망에서 후방산란 기반 협력통신 시스템은 통신망 내에는 하나의 혼합 접속지점(200), 저전력 접속지점(100), 그리고 두 개의 무선 IoT 기기(300a,300b)를 포함한다.
이때, 상기 혼합 접속지점(200)은 Primary 기기와 통신 중이고, 해당 통신을 통해 상기 무선 IoT기기(300a, 300b)에서 전달되는 정보를 외부서버 또는 개인 휴대 단말기 등에 전달한다.
상기 저전력 접속지점(100)은 상기 무선 IoT기기(300a, 300b)가 협력통신을 하는데 필요한 무변조 반송파를 연속적으로 송신한다.
상기 무선 IoT기기(300a, 300b)는 무변조 반송파를 사용해 장거리 바이스태틱 후반산란 기법을 통해 협력통신을 수행한다.
이때, 상기 무선 IoT기기(300a, 300b)는 별도의 전원없이 주변의 상기 혼합 접속지점(200)과 상기 저전력 접속지점(100)의 신호를 사용해 self-powering을 수행하여 에너지를 수집하여 협력통신을 수행한다.
이하에서 도면을 참조하여 상기 혼합 접속지점(200), 저전력 접속지점(100), 그리고 두 개의 무선 IoT 기기(300a,300b) 사이의 유기적인 연결관계 및 신호 송수신 관계에 대해 좀더 상세히 설명한다.
상기 IoT 기기들(300a,300b)은 도 3에 도시된 바와 같이 상기 복합 접속지점(200)의 서비스 영역 내에 존재하는 상기 저전력 접속지점(100)의 서비스 영역에 존재한다.
따라서, 상기 IoT 기기들(300a,300b)은 상기 복합 접속지점(200)의 Primary 신호를 이용하여 단거리 주변 후방산란 기법을, 저전력 접속지점(100)의 무변조 반송파를 사용하여 장거리 바이스태틱 후방산란 기법을 각각 사용할 수 있다.
그리고 상기 IoT 기기(300a, 300b)들은 바이스태틱 후방산란 통신 기반의 협력통신을 통해 혼합 접속지점(200)에 정보를 순차적으로 전송한다.
본 발명은 무전원 통신망의 구현을 최종 목적으로 하기 때문에, IoT 기기(300a, 300b)는 추가적인 전원없이 주변의 접속지점들의 신호를 사용해 self-powering을 수행하여 에너지를 수집하고, 이때 수집한 에너지만을 이용하여 협력통신을 수행한다.
또 다른 실시예로서, 본 발명에 따른 무선 전력 이종통신망에서 후방산란 기반 협력통신 방법에 대해 도 4 및 도 5를 참조하여 상세히 설명한다.
참고로, 도 4는 본 발명에 따른 무선 전력 이종통신망에서 후방산란 기반 협력통신 방법에 따른 흐름도이고, 도 5는 본 발명에 따른 무선 전력 이종통신망에서 후방산란 기반 협력통신 시스템의 시간 구조도 이다.
먼저, IoT 기기(300a, 300b)들은 파일럿 신호를 전송함으로써 기기 및 접속지점 간 채널 정보를 측정하는 단계를 수행한다(S100).
이후, 상기 IoT 기기(300a, 300b)들은 협력통신을 위한 상호 정보교환이 이루어질 수 있는지를 판단하는 단계를 수행한다(S200).
상기 정보교환은 주변 후방산란 기법을 통해 이루어지며, 상기 (S200)단계에서 정보교환 가능 여부는 상기 (S100)단계에서 측정된 채널 정보를 활용해 계산된 수신 신호대잡음비(SNR: Signal to Noise Ratio)을 바탕으로 결정된다.
즉, 상기 IoT 기기(300a, 300b)는 정보교환에 사용되는 주변 후방산란 신호를 복호(decoding) 할 수 있는 조건을 수식으로 표현하면 다음과 같다.
Figure 112018118427411-pat00002
참고로, 상기 [수학식 1]에서 νi는 기기i에서의 수신 SNR, 그리고 τB는 신호 복호를 위한 문턱값을 나타낸다.
상기 [수학식 1]을 상기 두 IoT 기기(300a, 300b)가 모두 만족하면, 상기 IoT 기기(300a, 300b)는 정보교환에 사용되는 주변 후방산란 신호를 복호(decoding) 가능하여 상호 정보교환이 이루어질 수 있어서 협력통신을 수행할 수 있다.
따라서, 상기 IoT 기기(300a, 300b)는 상기 (S200)단계에서 정보교환 가능 여부 판단에 따라 가능한 경우 협력통신 모드(Cooperation Mode)로 로 정의한다.
반대로 상기 [수학식 1]을 상기 IoT 기기(300a, 300b) 들 중 하나의 IoT 기기라도 만족하지 않는다면, 상기 IoT 기기(300a, 300b)들 사이에 정보교환이 이루어질 수 없기 때문에 협력통신을 수행할 수 없다. 이러한 통신모드를 비협력통신 모드(Non-Cooperation Mode)로 정의한다.
상술한 바와 같이 정의된 협력통신 모드(Cooperation Mode)와 비협력통신 모드(Non-Cooperation Mode)는 후술한 바와 같이 동작한다.
마지막으로 상기 IoT 기기(300a, 300b)들은 상기 (S200)단계에서 협력통신을 위한 상호 정보교환의 가능여부에 따라 상술한 바와 같이 정의된 협력통신 모드, 또는 비협력통신 모드로 혼합 접속지점(200)에 정보를 전송하는 단계를 수행한다(S300).
상기 협력통신 모드에서 IoT 기기들(300a, 300b)은 후방산란을 기반으로 한 협력통신을 통해 각 기기의 정보를 혼합 접속지점(200)에 순차적으로 전송하는데, 먼저 상기 IoT 기기(300a, 300b)들은 협력통신 모드로 혼합 접속지점(200)에 정보를 전송하는 단계(S310)는 self-powering 단계로, 무전원 무선 기기들은 정보교환 및 협력통신을 수행하기 위한 에너지를 수집하는 단계를 수행한다(S311).
이때, 상기 IoT 기기(300a, 300b)들은 혼합 접속지점(200)과 저전력 접속지점(100)으로부터 두 종류의 신호를 모두 수신할 수 있기 때문에, dual band 에너지 수집기술을 통해 에너지를 수집하여 통신 효율을 높인다.
상기 IoT 기기(300a, 300b)들은 후방산란 회로를 동작시킬 수 있을 만큼의 에너지를 수집한 후, 협력통신을 수행하기 위해 주변 후방산란을 통해 혼합 접속지점(200)으로 전송할 서로의 정보를 교환하는 단계를 수행한다(S312).
다음으로, 상기 무선 기기들(300a, 300b)은 저전력 접속지점(100)이 송신하는 무변조 반송파를 사용해 장거리 바이스태틱 후방산란 기법을 통해 협력통신을 수행하는 단계를 수행한다(S313).
이때, 사용 가능한 협력통신 기법은 시공간 블록코드(STBC)와 분산 빔 형성(DTB) 기법으로, IoT 기기((300a, 300b))에서 혼합 접속지점(200) 간 채널 정보가 원활히 측정되어 이를 활용할 수 있다면 분산 빔 형성 기법을, 그렇지 않다면 시공간 블록코드 기법을 사용하여 순차적으로 전송한다.
이러한 내용을 바탕으로, 도 5의 시간 구조는 각 IoT 기기의 처리량의 형평성을 고려해 최적화될 수 있다. 이를 위해 공통 처리량 최대화 문제를 형성할 수 있으며, 이 때 두 IoT 기기들(300a, 300b)의 처리량은
Figure 112018118427411-pat00003
,
Figure 112018118427411-pat00004
로 정의할 수 있다. Rij(t)는 노드 i,j∈{1,2,H}, 사이의 처리량을 나타내며, H는 혼합 접속지점(200)을 나타낸다. 최종적으로 최적화 문제는 다음과 같이 정의할 수 있다.
Figure 112018118427411-pat00005
상기 [수학식 2]에서 t=[t0,tE,t12,t21,t1H,t2H]는 시간 벡터를, Ei(t)는 노드 i∈{1, 2}에서 수집한 에너지의 총량을 나타낸다. 제약조건으로는 시간과 관련된 시간 제약 조건과, 후방산란 송수신 회로를 동작시키기 위한 에너지 제약조건(Energy Causality) 두 가지로 구성되어 있다. 정의된 공통 처리량 최대화 문제는 볼록 최적화기법(Convex Optimization)을 통해 최적의 시간 분배를 구할 수 있다.
상기 IoT 기기들(300a, 300b) 중, 하나의 무선 기기라도 수신 SNR(νi)이 일정 문턱값을 넘지 못한다면, 주변 후방산란 기법을 동작시켜도 신호를 복호 할 수 없다.
따라서, IoT 기기(300a, 300b)들은 협력통신을 위한 상호 정보교환을 수행할 수 없다. 이 경우, 비협력통신 모드로 혼합 접속지점에 정보를 전송 할 수밖에 없다.
상기 비협력통신 모드에서도 IoT 기기들(300a, 300b)은 후방산란을 기반으로 한 협력통신을 통해 각 기기의 정보를 혼합 접속지점(200)에 순차적으로 전송하는데, 먼저 상기 IoT 기기(300a, 300b)들은 비협력통신 모드로 혼합 접속지점(200)에 정보를 전송하는 단계(S320)는 협력통신 모드와 마찬가지로 dual band 에너지 수집기술을 활용해 후방산란 통신 회로 동작을 위한 에너지를 수집하는 단계를 수행한다(S321).
이후 상기 IoT 기기(300a, 300b)들은 저전력 접속지점(100)의 무변조 반송파를 이용해 IoT 기기(300a, 300b)의 정보를 바이스태틱 후방산란 기술을 통해 혼합 접속지점(200)으로 전송하는 단계를 수행한다(S322).
이를 바탕으로, 무선 기기의 형평성을 고려한 공통 처리량 성능 최대화 문제를 형성할 수 있다. 협력통신 모드와 문제 형태가 비슷하게 형성될 수 있으며, 같은 형태의 에너지 제약조건과 시간 제약조건을 갖는다. 형성된 문제에서는 협력통신 모드에서와 동일하게 최적화 기법을 통해 기기 간 형평성(fairness)을 고려한 최적의 시간 분배를 구할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 저전력 접속지점
200 : 혼합 접속지점
300a, 300b : 무선 IoT 기기

Claims (8)

  1. 무변조 반송파를 연속적으로 송신하는 저전력 접속지점;
    주(Primary)기기와 통신중인 혼합 접속지점;
    상기 저전력 접속지점과 상기 혼합 접속지점들의 신호를 사용해 에너지를 수집하고, 수집한 에너지를 이용하여 바이스태틱 후방산란 통신 기반의 협력통신 모드 또는 비협력통신 모드를 통해 혼합 접속지점에 정보를 순차적으로 전송하는 IoT 기기;를 포함하고,
    상기 IoT 기기들은 각 IoT 기기에서 수신되는 신호대잡음비(signal to noise ratio, SNR)와 신호 복호를 위한 문턱값에 기반하여 협력통신 모드로 상기 정보를 전송할지 여부를 결정하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 이종통신망에서 후방산란 기반 협력통신 시스템.
  2. 제 1항에 있서서,
    상기 IoT 기기들은
    Figure 112018118427411-pat00006
    ,
    νi : 기기i에서의 수신 SNR,
    τB : 신호 복호를 위한 문턱값,
    을 만족한 경우 협력통신 모드로 정보를 전송하는 무선 전력 이종통신망에서 후방산란 기반 협력통신 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 IoT 기기들은
    상기 혼합 접속지점의 Primary 신호를 이용하여 단거리 주변 후방산란 기법(Ambient Backscatter Link)을, 상기 저전력 접속지점의 무변조 반송파를 사용하여 장거리 바이스태틱 후방산란 기법(Bistatic Backscatter Link)을 각각 사용하는 무선 전력 이종통신망에서 후방산란 기반 협력통신 시스템.
  4. (a) IoT 기기들이 파일럿 신호를 전송하여 기기, 무변조 반송파를 연속적으로 송신하는 저전력 접속지점, 및 주(Primary)기기와 통신중인 혼합 접속지점간 채널 정보를 측정하는 단계;
    (b) 상기 IoT 기기들이 정보교환 신호인 주변 후방산란 신호의 복호(decoding) 가능여부를 판단하는 단계; 및
    (c) 상기 IoT 기기들이 상기 (a)단계를 통해 결정되는 신호대잡음비(signal to noise ratio, SNR)와 상기 (b)단계에 이용되는 복호를 위한 문턱값에 기반하여 (c-1) 협력통신 모드(Cooperation Mode)로 혼합 접속지점으로 정보를 전송하는 단계, 또는 (c-2) 비협력통신 모드(Non-Cooperation Mode)로 혼합 접속지점으로 정보를 전송하는 단계;를 포함하는 무선 전력 이종통신망에서 후방산란 기반 협력통신 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 (b)단계에서 상기 IoT 기기들은
    주변 후방산란 기법(Ambient Backscatter Link)을 통해 정보교환을 수행하고, 상기 (a)단계에서 측정한 채널 정보를 이용해 계산된 상기 신호대잡음비(SNR: Signal to Noise Ratio)로 정보교환 가능 여부를 결정하는 무선 전력 이종통신망에서 후방산란 기반 협력통신 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 IoT 기기들은
    Figure 112018118427411-pat00007
    ,
    νi : 기기i에서의 수신 SNR,
    τB : 신호 복호를 위한 문턱값,
    을 만족한 경우 협력통신 모드로 정보를 전송하는 무선 전력 이종통신망에서 후방산란 기반 협력통신 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 (c-1)단계는
    (c-1-1) 상기 IoT 기기들이 정보교환 및 협력통신을 수행하기 위한 에너지를 수집하는 단계;
    (c-1-2) 상기 IoT 기기들이 협력통신을 수행하기 위해 주변 후방산란을 통해 상기 혼합 접속지점으로 전송할 서로의 정보를 교환하는 단계; 및
    (c-1-3) 상기 IoT 기기들이 저전력 접속지점이 송신하는 무변조 반송파를 사용해 장거리 바이스태틱 후방산란 기법을 통해 협력통신을 수행하는 단계;를 포함하는 무선 전력 이종통신망에서 후방산란 기반 협력통신 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 (c-2)단계는
    (c-2-1) 상기 IoT 기기들이 dual band 에너지 수집기술을 활용해 후방산란 통신 회로 동작을 위한 에너지를 수집하는 단계; 및
    (c-2-2) 상기 IoT 기기들이 저전력 접속지점의 무변조 반송파를 이용해 IoT 기기의 정보를 바이스태틱 후방산란 기술을 통해 혼합 접속지점으로 전송하는 단계;를 포함하는 무선 전력 이종통신망에서 후방산란 기반 협력통신 방법.
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