KR102371494B1

KR102371494B1 - Cnoma 및 개선된 시간 스위칭 swipt를 결합한 데이터 전송 방법

Info

Publication number: KR102371494B1
Application number: KR1020210060590A
Authority: KR
Inventors: 신수용; 아민 아흐메드 알; 이혜영
Original assignee: 금오공과대학교 산학협력단
Priority date: 2021-05-11
Filing date: 2021-05-11
Publication date: 2022-03-04

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 CNOMA 및 개선된 시간 스위칭 SWIPT를 결합한 데이터 전송 방법은, 협력적 비직교 다중 액세스(CNOMA)에서의 데이터 전송 방법에 있어서, 기지국(BS)은 UE2보다 상대적으로 기지국(BS)에 거리가 가까운 UE1에 첫번째 세그먼트 시간 동안 UE1에 대한 에너지 수집을 위한 신호를 전송하는 단계; 상기 기지국은 상기 첫번째 세그먼트 시간 동안 UE2에 대한 직접 전송을 수행하는 단계; 상기 기지국은 두번째 세그먼트 시간 동안 NOMA 통신에 따라 상기 UE1 과 UE2 에 동시에 NOMA 신호를 전송하는 단계; 상기 UE1은 상기 두번째 세그먼트 시간 동안 하향링크 NOMA 프로토콜에 따라 수신한 NOMA 신호에 중첩된 UE2 신호를 디코딩한 다음 순차적 간섭 제거(SIC)를 실행하여 UE1 신호를 디코딩하는 단계; 상기 UE1은 세번째 세그먼트 시간 동안 상기 디코딩된 UE2 신호를 DF 중계를 이용하여 UE2로 전송하는 단계; 상기 기지국은 상기 세번째 세그먼트 시간 동안 UE1으로 UE1 신호를 직접 전송하는 단계를 포함한다.

Description

CNOMA 및 개선된 시간 스위칭 SWIPT를 결합한 데이터 전송 방법{Data transmission method using CNOMA and improved time-switching simultaneous wireless information and power transfer protocol}

본 발명은 무선 통신 데이터 전송 방법에 대한 것으로, 더욱 상세하게는 CNOMA(cooperative nonorthogonal multiple access) 및 개선된 시간 스위칭 SWIPT를 결합한 데이터 전송 방법에 대한 것이다.

NOMA(Nonorthogonal Multiple Access, 비직교 다중 액세스)는 시스템의 스펙트럼 효율성을 크게 높이고 사용자에게 충분한 서비스를 제공하는 산업분야와 학술 분야 모두 많이 고려되고 있다.

제 5 세대 무선 시스템 (B5G)을 넘어서는 다양한 요구 사항 중 에너지 효율 및 채널 용량은 가장 중요한 두 가지 과제이다.

이러한 문제에 대처하기 위해 다운 링크(DL) NOMA 및 동시 무선 정보 및 전력 전송(SWIPT : simultaneous wireless information and power transfer) 방식이 결합될 수 있다.

최근에는 B5G에서 네트워크를 사용하여 대규모 장치가 서로 연결되어 있기 때문에 B5G에서 기계 대 기계 및 장치 대 장치 네트워크의 경우 에너지 하베스팅(EH)이 있는 NOMA가 조사되고 있다.

NOMA는 채널 용량 달성으로 인해 B5G에서 중요한 역할을 하는 다중 액세스 방법을 개발하고 있다.

송신기 측에서 서로 다른 전력 레벨을 기반으로 다양한 신호가 중첩되어 시간을 유지하고 이것은 NOMA 시스템에서 기존 다중 시스템과 구별되는 주요 요소이다.

NOMA의 자세한 분류 및 과제는 종래의 기존 논문들에서 논의된다. 또한 기존 논문에서는 NOMA 사용자에게 최대한의 공정성을 보장하기 위한 적절한 최적화를 수행하고, 그 후 수신기에서 개별 신호를 디코딩하기 위해 연속적인 간섭 제거 (SIC)를 수행해야 하며, 이와 같은 방식의 NOMA는 B5G 무선 통신 시스템의 경우 광범위한 응용 분야에서 시행될 수 있다.

기존의 연구에서는 사용자가 협력 중계를 통해 셀룰러 무선 네트워크의 커버리지 영역과 데이터 신뢰성을 높이는 것으로 간주된다.

사용자 협력 중계에서는 기지국 (BS)에 가까운 사용자를 셀 에지에 가까운 사용자를 위한 릴레이로 사용한다.

일반적으로 기지국에 가까운 사용자를 CCU(Cell Center Users)라고 하며, 셀 에지 근처에 위치한 사용자를 셀 에지 사용자(CEU)라고 하며, 릴레이는 무선 링크의 신뢰성을 높이기위한 적절한 기술이다.

또한 CNOMA와 SWIPT는 에너지 및 스펙트럼 효율성을 제공하기 위해 최근 연구에서 함께 결합(CNOMA-SWIPT라고 함)한다..

두 가지 유형의 CNOMA-SWIPT 프로토콜을 분류할 수 있다.

첫 번째 유형에서 CCU는 에너지 제약 노드 인 CEU에 대한 릴레이로 수행되며, 전용 릴레이의 경우 EH 기반 전용 릴레이는 전체 NOMA 사용자에 대한 릴레이를 수행한다.

최근에 CNOMA-SWIPT에 대해 두 가지 협력 자원 공유 프로토콜 시간 스위칭(TS : Time Switching) 및 전력 분할(PS : power splitting)이 있다

전용 릴레이는 CEU 용으로 에너지 제한 릴레이로 간주되고, 에르고딕 합 용량(ESC : Ergodic sum capacity) 및 불통 가능성(OP : outage probabilities)은 Nakagami-m 페이딩 채널을 통해 CNOMA-SWIPT-TS 및 CNOMA-SWIPT-PS에 대해 분석된다.

또 다른 연구에서는 Rayleigh 페이딩 채널을 통해 CNOMA-SWIPT 프로토콜이 도입된다.

그러나 CNOMA-SWIPT는 기존 연구에서 고려되지 않았으며, CNOMA-SWIPT 네트워크에 대한 에너지 효율 개선 및 비밀 분석을 수행하며, 이러한 기존의 연구는 CNOMA-SWIPT 네트워크의 채널 용량을 크게 향상시키지 못한다.

따라서, DL(downlink) CNOMA-SWIPT 프로토콜은 릴레이 작동의 에너지 효율에 기여하고 추가 리소스(시간 / 주파수 / 코드)없이 사용자의 향상된 채널 용량을 동시에 제공하기 위한 적절한 솔루션이 필요하다.

또한, 제 5 세대 무선 시스템(B5G)을 넘어서는 다양한 요구 사항 중 에너지 효율 및 채널 용량 문제에 대처하기 위해 개선된 시간 스위칭(Improved time switching, ITS)과 SWIPT(simultaneous wireless information and power transfer)를 결합한 프로토콜(SWIPT-ITS) 및 협력적 비직교 다중 액세스(Cooperative non-orthogonal multiple access, CNOMA)의 다운 링크 전송 방법(CNOMA-SWIPT-ITS)에 대해 연구할 필요가 있다.

Saito Y, Kishiyama Y, Benjebbour A, Nakamura T, Li A, Higuchi K. Non-orthogonal multiple access (NOMA) for cellular future radio access. Paper presented at: Proceedings of the 2013 IEEE 77th Vehicular Technology Conference (VTC Spring); June 2, 2013:1-5; IEEE; Dresden, Germany. Bega D, Gramaglia M, Bernardos Cano CJ, Banchs A, Costa-Perez X. Toward the network of the future: from enabling technologies to 5G concepts. Trans Emerg Tel Tech. 2017;28(8):e3205. 3. Yang Z, Xu W, Pan Y, Pan C, Chen M. Energy efficient resource allocation in machine-to-machine communications with multiple access and energy harvesting for IoT. IEEE Internet Things J. 2018;5(1):229-245.

본 발명에서는 개선된 시간 스위칭(ITS : improved time switching), 동시 무선 정보 및 전력 전송(SWIPT-ITS) 프로토콜과 함께 협력적 비직교 다중 액세스(CNOMA) 다운 링크(DL) 전송이 결합된 통신 방법(CNOMA-SWIPT-ITS)을 제공한다.

상기에 있어서, 상기 DF 중계는 무선 셀룰러 네트워크에서 데이터 신뢰성과 커버리지를 향상시키기 위해 UE1에서 UE2로 중계를 행하는 것에 해당하며, 상기 UE1을 사용하는 시간 스위칭(time switching) 기반 에너지 수집(energy harvesting)의 도움으로 UE1에서 UE2로 수행되는 것을 특징으로 한다.

상기에 있어서, 상기 기지국으로부터 UE1 및 UE2에는 각각 하기의 수학식 1 및 수학식 2의 신호를 수신하는 것을 특징으로 한다.

[수학식 1]

[수학식 2]

(여기서 n은 노이즈로

이며, CN(O,

)은 평균이 0, 분산

을 가지는 복수 가우시안 노이즈(complex Gaussian white noise)이다.

또한, x는 S로부터 송신된 신호(데이터)를 의미하며, y는 UE에서 수신된 신호(데이터)를 의미하며, h는 채널 계수이고,

은 채널 이득을 의미한다. P는 각 사용자에 대한 전력 할당 값을 의미한다.)

상기에 있어서, 상기 UE1은 하기의 수학식 3과 같은 에너지를 수집하며, 수학식 4와 같은 SINR을 얻는 것을 특징으로 한다.

[수학식 3]

(여기서 0 <η <1의 범위를 갖고, η는 에너지 변환 효율로 정의되며,

(rho)는 송신신호에 대한 신호 대 잡음 비(signal-to-noises ratio, SNR)이다.)

[수학식 4]

상기에 있어서, 상기 UE1과 UE2에 동시 전송되는 NOMA 신호는 UE1과 UE2에 각각 하기의 수학식 5 및 수학식 6과 같은 신호를 수신하는 것을 특징으로 한다.

[수학식 5]

[수학식 6]

상기에 있어서, 상기 UE1은 중첩된 NOMA 신호에서 UE2에 보낼 UE2신호를 디코딩한 다음 SIC를 이용하여 자신의 UE1 신호를 디코딩하여, 상기 UE1 신호에 대해 하기의 수학식 7 및 수학식 8과 같은 SINR(

)을 얻는 것을 특징으로 한다.

[수학식 7]

[수학식 8]

(여기서 ρ 는 전송 신호대 잡음비(Signal to Noise Ratio, SNR)을 의미한다.)

상기에 있어서, 상기 UE1에서 디코딩된 UE2신호에 대한 SINR은 하기의 수학식 9와 같이 얻는 것을 특징으로 한다.

[수학식 9]

(여기서 p1+p2=P이며, p1<p2로 가정하고, P는 총 전력을 의미한다.)

상기에 있어서, 상기 세번째 세그먼트 시간 동안 상기 디코딩된 UE2 신호를 DF 중계를 이용하여 UE2로 전송시, UE2에서 수신한 UE2 신호는 하기의 수학식 10과 같은 것을 특징으로 한다.

[수학식 10]

(여기서 중계를 수행하기 위해 중계에 대한 전송 전력은

로 표시되고 따라서

의 식은 하기 수학식 11과 같다.)

[수학식 11]

상기에 있어서, 상기 DF 중계로 인해 UE2 에서 수신된 SINR은 하기 수학식 12와 같은 것을 특징으로 한다.

[수학식 12]

상기에 있어서, 상기 기지국은 상기 세번째 세그먼트 시간 동안 UE1으로 UE1 신호를 직접 전송시, 하기의 수학식 13과 같은 신호를 수신하는 것을 특징으로 한다.

[수학식 13]

상기에 있어서, 직접 전송을 위해 상기 UE1에서 수신한 UE1 신호(x4)에 대한 SINR은 하기 수학식 14와 같은 것을 특징으로 한다.

[수학식 14]

상기에 있어서, 상기 UE1의 에르고딕 합 용량은 상기 수학식 7과 수학식 14를 이용하여 하기의 수학식 15와 같이 얻는 것을 특징으로 한다.

[수학식 15]

상기에 있어서, 상기 UE2의 에르고딕 합 용량은 상기 수학식 4, 수학식 8 및 수학식 9를 이용하여 하기의 수학식 16과 같이 얻는 것을 특징으로 한다.

[수학식 16]

본 발명의 CNOMA-SWIPT-ITS 통신 방법에서는 CNOMA-SWIPT-ITS 체계는 사용자에게 정보를 전송하고, 셀 중심 사용자(Cell Center User, CCU)에서 셀 외각 사용자(Cell Edge User, CEU)로의 릴레이(relay) 작업을 위한 에너지 하베스팅(EH)을 수행한다.

또한, CCU에서 에너지 하베스팅의 지속 시간을 이용하여 서로 다른 심볼 데이터를 전송하고, CCU에서 CEU로 협력 릴레이(cooperative relaying)를 수행하여 사용자의 채널 용량을 향상시킨다.

CNOMA-SWIPT-ITS 체계의 성능은 합계 용량(sum capacity) 및 outage 확률(outage probabilities) 측면에서 확인할 수 있으며, 시뮬레이션 및 분석 결과는 기존의 CNOMA 기반 SWIPT 방식과 일반적인 직교 다중 접속 기반 ITS-SWIPT 방식에 비해 제안된 방식이 성능이 향상됨을 보여준다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 CNOMA 및 개선된 시간 스위칭 SWIPT를 결합한 데이터 전송 방법의 시스템 모델을 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 CNOMA 및 개선된 시간 스위칭 SWIPT를 결합한 데이터 전송 방법의 프로토콜 아키텍처를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 CNOMA 및 개선된 시간 스위칭 SWIPT를 결합한 데이터 전송 방법의 순서도,
도 4는 SNR 전송에 관련된 ESC(에르고딕 합용량) 비교 예를 보인 그래프,
도 5는 CCU(UE1)에 대한 OP(불통 가능성)을 보인 그래프,
도 6은 CEU(UE2)에 대한 OP(불통 가능성)을 보인 그래프이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다. 또한, 각 실시예의 도면에 나타나는 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다.

우선 NOMA 기반 협력적 통신(CNOMA)은 하나 또는 다수의 중계의 도움을 통해 소스와 목적지 간의 통신 연결을 수행하는 협력 통신이며, 통신 범위를 확장하고 다중 경로 페이딩 효과에 효율적으로 대처하여 시스템 용량을 증가시키는 통신 기술로, 협력적 통신 시스템에서 중계(Relay)는 증폭 및 포워드(Amplify and Forward: AF) 및 디코드 및 포워드(Decode and Forward: DF) 등과 같은 포워딩 프로토콜을 적용하여 수신된 정보 신호를 관련 목적지로 전송한다.

또한, 중계는 동작에 따라 반이중(HD) 및 전이중(FD)으로 크게 분류된다. 협력적 통신(Cooperative communication)과 NOMA의 결합은 NOMA의 시스템 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

또한 협력 NOMA 전송 방식은 직접 전송 단계(Non-cooperative NOMA)와 협력(Cooperative)하여 전송하는 중계 전송 단계의 두 단계로 나누어진다.

직접 전송 단계에서, 기지국은 사용자 A 및 사용자 B를 위한 메시지를 중첩시켜서 전송한다. 중계 전송 단계에서, 사용자 B는 자신의 메시지를 디코딩하기 위해 사용자 A의 신호에 대한 SIC(Successive Interference Cancellation)를 수행하며, 이후 디코딩된 정보를 사용자 A로 전송하기 위한 중계 역할을 한다. 따라서 사용자 A에는 2개의 동일한 메시지가 서로 다른 채널을 통해 수신된다.

결과적으로, NOMA 기반의 협력 통신은 채널 상태가 약한 사용자 B의 수신 신뢰도를 상당히 향상시킬 수 있다.

본 발명에서는 BS를 소스(S)로 하고 두 명의 사용자(예 : CCU 및 CEU)를 사용하는 CNOMA-SWIPT-ITS DL 네트워크를 고려한다.

도 1에 도시된 것과 같이 직접 CCU 및 CEU와 통신하는 S는 UE1(CCU에 해당)과 CEU에 해당하는 UE2를 참조한다. 또한 UE1에서 UE2로의 DF 기반 중계가 있어 데이터 신뢰성 및 셀 커버리지 영역을 개선한다.

구체적으로 본 발명에서는 기지국 (base station, BS)을 소스(source, S)로 정의하고, 두 명의 사용자(예 : CCU 및 CEU)를 사용하는 CNOMA-SWIPT-ITS 하향링크 네트워크를 도 1과 같이 가정할 수 있다.

또한 본 발명에서, UE는 User Equipment의 약어로, 사용자가 가진 이동통신 단말기를 의미한다.

도 1에서는 UE1이 UE2보다 상대적으로 기지국(BS)에 거리가 가깝기 때문에, UE1이 CCU(Cell Center User, 셀 중심 사용자)라고 볼 수 있고, UE2가 CEU(Cell Edge User,셀 외곽 사용자)라고 정의할 수 있다.

도 1을 참조하면, 기지국(BS)인 소스 S는 CCU(UE1) 및 CEU(UE2)과 직접 통신(direct transmission)한다. (S→UE1, 점선),(S→UE2, 파선)

또한, 무선 셀룰러 네트워크의 데이터 신뢰성과 셀 커버리지 영역을 향상시키기 위해서, UE1에서 UE2로의 DF(decode-and-forward) 중계가 있다.(UE1→UE2, 점선)

본 발명에서, DF 중계란 소스 메시지(source message)의 디코딩(decoding)을 하나의 블록에서 수행하고, 그 다음 블록에서 다시 인코딩(encoding)을 수행해서 전송하는 중계를 의미한다.

또한 DF 중계는 무선 셀룰러 네트워크에서 데이터 신뢰성과 커버리지를 향상시키기 위해 UE1에서 UE2로 중계를 행하는 것에 해당하며, UE1을 사용하는 시간 스위칭(TS : time switching) 기반 에너지 수집(EH :energy harvesting)의 도움으로 UE1에서 UE2로 수행된다. 이 상황에서 UE2는 데이터 신뢰성과 커버리지를 향상시키기 위해 직접 및 중계 링크에 의존한다.

이후 제안된 CNOMA-SWIPT-ITS 프로토콜의 신호 대 간섭 플러스 잡음비(SINR) 모델과 데이터 통신 전략은 아래에서 설명한다.

도 1과 도 2를 기반으로 단계별로 나누어 제안하는 방식의 전송 방식에 대해 설명하고, 전송 방식은 크게 두 단계(phase 1,2)로 나누어지며, 기지국과 두 사용자 간의 통신하는 단계 1과 중계 통신을 수행하는 단계 2로 이루어진다.

CNOMA-SWIPT-ITS 방식은 UE1이 TS기반 EH를 활용하는 중계기 역할을 한다는 것을 고려한다. 도 1과 2는 본 발명에서 제안한 시스템 모델과 프로토콜 아키텍처를 보여준다.

제안된 CNOMA-SWIPT-ITS 방식의 경우 단계 1의 첫 번째 세그먼트 시간(

T) 동안 UE1에 대한 EH와 S로부터 UE2에 대한 직접 전송이 동시에 수행된다.

NOMA는 S에서 UE1 및 UE2 로의 정보 전송을 위해 단계 1의 두 번째 세그먼트 시간((

)동안 동시에 수행된다.

또한, 단계 2(

, 세번째 세그먼트 시간에 해당) 동안 데이터 신뢰성과 커버리지 영역을 향상시키기 위해 UE1에서 UE2 로의 DF 중계한다. 또한 S에서 UE1 로의 직접 전송은 단계 2 동안 수행된다. 아래 첨자 S, 1, 2는 각각 S, UE1, UE2를 나타낸다.

또한 두 노드 i와 j(i, j

{S, UE1, UE2})와 i ≠ j) 사이의 채널 계수

∼ CN (0,

)은 분산

및 제로 평균을 갖는 가우스 랜덤 노이즈를 추가한 레일리 페이딩 채널을 받는 것으로 간주된다.

경로 손실 지수는 v로 표시되고,

는 거리 (인치)를 나타낸다.

<

및

<

이므로

>

및

>

로 간주된다. 모든 Rayleigh 페이딩 채널 게인은 복잡한 채널 계수로 간주된다.

또한 여기서 T는 전송이 이루어지는 단위 주기 시간을 의미하고,

는 0 <θ <1을 만족하는 실수를 의미한다. 즉, 단계 1과 단계 2의 시간의 합이, 전송이 이루어지는 단위 주기 시간(T)를 만족한다.

단계 1(phase 1) 에 대한 세부 설명은 아래와 같다.

첫 번째 세그먼트 시간(θT) 동안 UE1에 대한 에너지 하베스팅(EH) (S→UE1, 파선)와 S로부터 UE2에 대한 직접 전송(S→UE2, 파선)이 동시에 수행된다.

두 번째 세그먼트 시간((1-θ)T/2) 동안 NOMA는 S에서 UE1 및 UE2로의 정보 전송(S→UE1, 실선), (S→UE2, 실선)을 수행한다.

단계 1(Phase 1,t1)동안 S는

이 데이터 신호인 전체 전송 전력 P를 포함하는 신호 A =

를 전송한다.

x1은 UE1과 UE2에 동시에 전송되며, 단계 1의 지속 시간은 t1이다.

또한 총 시간 DL 전송은 도 2에 표시된 T라고 했을 때, UE1 및 UE2에서 수신 된 신호는 다음 수학식 1,2와 같이 표시된다.

여기서 n은 노이즈로

이며, CN(O,

)은 평균이 0, 분산

을 가지는 복수 가우시안 노이즈(complex Gaussian white noise)이며, x는 S로부터 송신된 신호(데이터)를 의미하며, y는 UE에서 수신된 신호(데이터)를 의미하며, h는 채널 계수이고,

은 채널 이득을 의미한다. P는 각 사용자에 대한 전력 할당 값을 의미한다.

단계1 동안 UE1은 x1에 의해 에너지를 수집하고(에너지 하베스팅), UE2는 수신된 신호에서 x1을 수신하고 직접 디코딩한다.

이는 도 2에도 나와 있으며, 여기서 0 <θ <1이다.

UE1에서 수집된 에너지(E)는 다음 수학식 3으로 나타낼 수 있다.

여기서 0 <η <1의 범위를 갖고, η는 에너지 변환 효율로 정의되며, UE1의 EH 회로뿐만 아니라 정류 프로세스에 의존한다. 또한, 수집된 에너지는 이후 DF 중계를 위한 전력 에너지로 소모될 수 있다.

또한,

(rho)는 송신신호에 대한 신호 대 잡음 비(signal-to-noises ratio, SNR)이다.

또한 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)

(gamma)는 다음 수학식 4로 주어진다.

두 번째 세그먼트 시간에서는 기지국에서 두 사용자에게 신호를 보내는데 이를 하향링크 NOMA의 통신 프로토콜 원리에 따라 기지국(S)는 UE1 신호(x2)와 UE2 신호(x3)가 중첩 코딩된 신호 B(

)를 보낸다.

여기서, (p1, p2) 및 (x2, x3)은 각각 전력 할당 계수와 데이터 심볼이고, (x2, p1) 및 (x3, p2)는 각각 UE1 및 UE2에 할당된다. 따라서 UE1과 UE2에서 수신된 신호는 이에 따라 다음 수학식 5로 표현된다.

처음에 UE1은 DL(Downlink) NOMA 프로토콜에 따라 UE2에 보낼 UE2 신호 x3을 디코딩한 다음 SIC를 실행하여 자신 UE1이 수신할 특정 심볼 UE1 신호 x2를 디코딩한다.

여기서 SIC란 순차적 간섭 제거(Successive Interference Cancellation)를 의미한다.

제안된 프로토콜에서는 t1 동안 UE2에 대한 UE1에서 디코딩이 수행된다. 따라서 x3 및 x2에 대해 UE1에서 획득된 SINR은 다음 수학식 7 및 수학식 8로 표현된다.

여기서 ρ 는 전송 신호대 잡음비(Signal to Noise Ratio, SNR)을 의미힌다.

따라서 x3의 경우 UE2에서 획득한 SINR은 다음 수학식 9로 표현된다. 여기서 p1+p2=P이며, p1<p2로 가정하고, P는 총 전력을 의미한다.

단계 2(phase 2)에 대한 세부 설명은 다음과 같다.

UE1에서 UE2 로의 DF중계(UE1→UE2, 점선)는 단계 2의 세부 단계의 송신시간(1-θ)T/2)동안 데이터 신뢰성과 커버리지 영역을 향상시킨다. 또한, S에서 UE1로의 UE1 신호의 직접 전송((S→UE1, 점선)은 단계 2 동안 수행된다.

본 발명에서 제안 된 프로토콜의 단계 2(t2)에서는 UE1에서 UE2로 x3 (Decoded x3)의 협력 DF 중계와 S에서 UE1로의 x4 직접 전송이 수행된다.

단계 2의 기간은 t2이다. DF 중계에 의해 UE2에서 수신된 UE2 신호는 다음과 같이 표현된다.

여기서 중계를 수행하기 위해 중계에 대한 전송 전력은

로 표시되고 따라서

의 식은 다음 수학식 11과 같이 쓸 수 있다.

따라서 DF 중계로 인해 UE2 에서 수신된 SINR은 다음 수학식 12로 유도된다.

추가 심볼 신호 x4는 단계 2의 t2동안 전력 할당 계수 p1이 있는 신호

의 직접 전송에 의해 기지국 S에서 UE1으로 전송된다.

이것은 p1 <p2 <P로 인해 UE1에서 직접 디코딩 할 수 있다.

또한 x4는 UE2에서 더 감쇠되고 노이즈로 처리된다. 또한 제안된 프로토콜의 t2 동안 수집된 전력 에너지를 활용하여 UE1에서 UE2로 동시에 DF 중계를 수행한다.

그러므로 p1은 기지국 S에서 UE1로 x4를 전송하는 데 사용되고, x4는 UE2에서 DF 중계 신호를 방해하지 않고 UE1에서만 수신한다.

따라서 S에서 UE1에서 수신된 신호 (단계2 동안 x4의 경우)는 다음 수학식 13과 같이 표현된다.

따라서 직접 전송(단계 2 동안)을 위해 UE1 에서 x4에 대해 수신된 SINR은 다음 수학식 14와 같이 표현될 수 있다

모든 사용자의 에르고딕 용량 EC와 전체 시스템의 에르고딕 합 용량 ESC는 Rayleigh 페이딩 채널을 통하여 분석된다.

여기서 에르고딕 합 용량(Ergodic sum capacity)은 에르고딕이란 수식적 과정을 통해 구한 합계 용량을 의미한다.

상기 에르고딕 용량에서 에르고딕이란 통계학에서 사용되는 개념으로 상당한 기간이 지난 후, 하나의 체계가 최초의 상태와 거의 비슷한 상태로 돌아가는 조건 하에 있다는 의미이며, 이는 대략적으로 평균의 개념을 포괄하는 것으로 이해될 수 있다. 즉, 상기 에르고딕 용량은 에르고딕 채널 용량을 의미하는 것으로 통신로가 단위 시간에 전송할 수 있는 최대 정보의 평균적인 값으로 이해된다.

시스템의 통신 성능은 몇 가지 지표를 통해 파악할 수 있는데, 그 중 하나가 상기 에르고딕 용량이며, 그 외에 적응성 링크(adaptive link)의 신뢰성을 나타내는 비트 에러율(BER)이나 불통 가능성(Outage Probability), 그리고 실질적으로 대역폭과 유사한 의미로 사용되는 주파수 효율(Spactral Efficiency) 등이 이용된다.

우선, UE1의 총 용량은 수학식 (7)과 수학식 (14)를 사용하여 다음 수학식 15와 같이 구할 수 있다

UE1 의 EC의 분석적 표현은 정리 1(Theorem 1)을 사용하여 유도할 수 있다. 변수의 값은 동일하다.

그러나 서로 다른 심볼 (즉, x2 및 x4)을 전송하여 정보 전송을 위해 서로 다른 변수를 고려한다.

전력 p1을 활용하는 제안된 CNOMA-SWIPT-ITS 방식의 경우 UE1에 대해 서로 다른 단계의 서로 다른 세그먼트에서 UE1의 EC의 분석적 표현은 Theorem 1을 사용하여 유도할 수 있다.

Theorem 1은 다음 수학식 16으로 표현되는 CNOMA-SWIPT-ITS에서 UE1의 EC

이다.

여기서,

와 Ei는 지수 적분 함수이다.

으로 놓고, W와 X의 누적 분포 함수 (CDF)는 다음 수학식 17, 18과 같이 결정될 수 있다.

UE1 의 EC는 다음을 해결하여 계산할 수 있다.

그러므로, UE1의 EC는 다음과 같이 계산될 수 있다.

여기서,

와 Ei는 지수 적분 함수이다.

UE2의 총 용량 EC는 (4), (8) 및 (9)를 사용하여 다음 수학식 20과 같이 얻을 수 있다

UE2 의 EC의 분석적 표현은 Theorem 2를 사용하여 유도할 수 있다.

Theorem 1은 다음 수학식 21으로 표현되는 CNOMA-SWIPT-ITS에서 UE2의 EC

이다.

CNOMA-SWIPT-ITS에서 UE2의 표현은 다음 수학식 21로 표현된다.

여기에서

와 Ei는 지수 적분 함수를 나타낸다.

증명.

와

라고 하면, E , F , Q , M 의 CDF는 다음 수학식 22 내지 25과 같이 쓸 수 있다.

를 이용하여 UE2 의 EC는 수학식 21과 같이 쓸 수 있다.

본 발명의 제안된 프로토콜의 달성 가능한 총 용량(ESC)은 수학식 15 및 20에 의해 달성되며, 따라서 제안된 프로토콜의 달성 가능한 총 용량은 다음 수학식 26으로 표현된다.

또한, 수학식 (16)과 (21)을 이용하여 제안된 CNOMA-SWIPT-ITS의 ESC 분석적 표현이 가능하다.

OMA-SWIPT-ITS 프로토콜은 제안된 것과 유효한 비교를 위한 벤치마크로 제안될 수 있다.

여기서는 시분할 다중 액세스 기반 OMA가 고려된다.

단일 시간 슬롯은 EH 및 정보 전송을 위해 할당되고, 따라서 타임 슬롯 t1에서 x1은 EH를 위해 UE1로 전송되며, 시간 슬롯 t2 동안 x1은 UE2로 전송된다.

순차적으로 시간 슬롯 t3 및 t4 동안 x2 및 x3이 UE1 및 UE2로 각각 전송된다.

이후 UE1에서 UE2로 디코딩된 x3는 t5 동안 전송되고 t6 동안 x4는 UE1로 직접 전송된다.

모든 에너지 및 정보 전송은 OMA-ITS 방식을 위해 최대 전력 P로 수행된다.

TS 기반 EH를 가정한 OMA-SWIPT-ITS의 ESC는 다음과 같다.

본 발명에서 제안된 방법을 통하여 SNR ρ 전송과 관련된 합 채널 용량 성능은 CNOMA-SWIPT-PS [26], CNOMA-SWIPT-TS [26] 및 OMA-SWIPT-ITS 프로토콜과 비교하여 제안된 CNOMA-SWIPT-ITS에 대해 도 4에 설명되어 있다.

여기서 매개 변수 p1 = 0.4, p2 = 0.6, η = 1 및 θ = δ = 0.3이 지정된다.

또한 모든 프로토콜의 ESC는 ρ 증가에 따라 선형적으로 향상된다.

제안된 CNOMA-SWIPT-ITS는 더 낮고 더 높은 SNR에 대해 CNOMA-SWIPT-PS [26], CNOMA-SWIPT-TS [26] 및 OMA-SWIPT-ITS보다 더 나은 ESC(Ergodic Sum Capacity)를 제공한다.

CNOMA-SWIPT-ITS 프로토콜은 각각 t2 및 t1 동안 UE1 및 UE2에 추가 심볼이 전송되기 때문에 다른 것보다 훨씬 높은 ESC를 제공한다.

따라서 사용자와 ESC의 채널 용량도 크게 향상되며, 또한 분석 결과는 제안 된 CNOMA-SWIPT-ITS에 대한 시뮬레이션 결과를 정당화한다.

또한 CCU 및 CEU의 불통 확률(outage probabilities)은 편리한 SWIPT 프로토콜을 사용하는 CNOMA 및 도 5와 도 6에 표시된 ITS SWIPT 프로토콜을 사용하는 OMA와 동일하다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 CNOMA 및 개선된 시간 스위칭 SWIPT를 결합한 데이터 전송 방법의 순서도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 CNOMA 및 개선된 시간 스위칭 SWIPT를 결합한 데이터 전송 방법은 협력적 비직교 다중 액세스(CNOMA)에서 다음과 같은 과정으로 수행될 수 있다.

먼저, 기지국(BS)은 UE2보다 상대적으로 기지국(BS)에 거리가 가까운 UE1에 첫번째 세그먼트 시간 동안 UE1에 대한 에너지 수집을 위한 신호를 전송한다(S300).

또한 상기 기지국은 상기 첫번째 세그먼트 시간 동안 UE2에 대한 직접 전송을 수행한다(S302).

이후 상기 기지국은 두번째 세그먼트 시간 동안 NOMA 통신에 따라 상기 UE1 과 UE2 에 동시에 NOMA 신호를 전송한다(S304).

또한 상기 UE1은 상기 두번째 세그먼트 시간 동안 하향링크 NOMA 프로토콜에 따라 수신한 NOMA 신호에 중첩된 UE2 신호를 디코딩한 다음 순차적 간섭 제거(SIC)를 실행하여 UE1 신호를 디코딩한다(S306).

다음, UE1은 세번째 세그먼트 시간 동안 상기 디코딩된 UE2 신호를 DF 중계를 이용하여 UE2로 전송한다(S308).

또한 상기 기지국은 상기 세번째 세그먼트 시간 동안 UE1으로 UE1 신호를 직접 전송한다(S310).

Claims

협력적 비직교 다중 액세스(CNOMA)에서의 데이터 전송 방법에 있어서,
기지국(BS)은 UE2보다 상대적으로 기지국(BS)에 거리가 가까운 UE1에 첫번째 세그먼트 시간 동안 UE1에 대한 에너지 수집을 위한 신호를 전송하는 단계;
상기 기지국은 상기 첫번째 세그먼트 시간 동안 UE2에 대한 직접 전송을 수행하는 단계;
상기 기지국은 두번째 세그먼트 시간 동안 NOMA 통신에 따라 상기 UE1 과 UE2 에 동시에 NOMA 신호를 전송하는 단계;
상기 UE1은 상기 두번째 세그먼트 시간 동안 하향링크 NOMA 프로토콜에 따라 수신한 NOMA 신호에서 UE1 신호와 중첩된 UE2 신호를 디코딩한 다음 순차적 간섭 제거(SIC)를 실행하여 UE1 신호를 디코딩하는 단계;
상기 UE1은 세번째 세그먼트 시간 동안 상기 디코딩된 UE2 신호를 DF 중계를 이용하여 UE2로 전송하는 단계;
상기 기지국은 상기 세번째 세그먼트 시간 동안 UE1으로 UE1 신호를 직접 전송하는 단계
를 포함하는 CNOMA 및 개선된 시간 스위칭에서의 SWIPT를 결합한 데이터 전송 방법.
제1항에 있어서,
상기 DF 중계는
무선 셀룰러 네트워크에서 데이터 신뢰성과 커버리지를 향상시키기 위해 UE1에서 UE2로 중계를 행하는 것에 해당하며,
상기 UE1을 사용하는 시간 스위칭(time switching) 기반 에너지 수집(energy harvesting)의 도움으로 UE1에서 UE2로 수행되는 것을 특징으로 하는 CNOMA 및 개선된 시간 스위칭에서의 SWIPT를 결합한 데이터 전송 방법.
제2항에 있어서,
상기 기지국으로부터 UE1 및 UE2에는 각각 하기의 수학식 1 및 수학식 2의 신호를 수신하는 것을 특징으로 하는 CNOMA 및 개선된 시간 스위칭 SWIPT를 결합한 데이터 전송 방법.
[수학식 1]

[수학식 2]

(여기서 n은 노이즈로
이며, CN(O,
)은 평균이 0, 분산
을 가지는 복수 가우시안 노이즈(complex Gaussian white noise)이다.
또한, x는 S로부터 송신된 신호(데이터)를 의미하며, y는 UE에서 수신된 신호(데이터)를 의미하며, h는 채널 계수이고,
은 채널 이득을 의미한다. P는 각 사용자에 대한 전력 할당 값을 의미한다.)
제3항에 있어서,
상기 UE1은 하기의 수학식 3과 같은 에너지를 수집하며, 수학식 4와 같은 SINR을 얻는 것을 특징으로 하는 CNOMA 및 개선된 시간 스위칭 SWIPT를 결합한 데이터 전송 방법.
[수학식 3]

(여기서 0 <η <1의 범위를 갖고, η는 에너지 변환 효율로 정의되며,
(rho)는 송신신호에 대한 신호 대 잡음 비(signal-to-noises ratio, SNR)이다.)
[수학식 4]
제4항에 있어서,
상기 UE1과 UE2에 동시 전송되는 NOMA 신호는
UE1과 UE2에 각각 하기의 수학식 5 및 수학식 6과 같은 신호를 수신하는 것을 특징으로 하는 CNOMA 및 개선된 시간 스위칭 SWIPT를 결합한 데이터 전송 방법.
[수학식 5]

[수학식 6]
제5항에 있어서,
상기 UE1은 중첩된 NOMA 신호에서 UE2에 보낼 UE2신호를 디코딩한 다음 SIC를 이용하여 자신의 UE1 신호를 디코딩하여, 상기 UE1 신호에 대해 하기의 수학식 7 및 수학식 8과 같은 SINR(
)을 얻는 것을 특징으로 하는 CNOMA 및 개선된 시간 스위칭 SWIPT를 결합한 데이터 전송 방법.
[수학식 7]

[수학식 8]

(여기서 ρ 는 전송 신호대 잡음비(Signal to Noise Ratio, SNR)을 의미한다.)
제6항에 있어서,
상기 UE1에서 디코딩된 UE2신호에 대한 SINR은 하기의 수학식 9와 같이 얻는 것을 특징으로 하는 CNOMA 및 개선된 시간 스위칭 SWIPT를 결합한 데이터 전송 방법.
[수학식 9]

(여기서 p1+p2=P이며, p1<p2로 가정하고, P는 총 전력을 의미한다.)
제1항에 있어서,
상기 세번째 세그먼트 시간 동안 상기 디코딩된 UE2 신호를 DF 중계를 이용하여 UE2로 전송시, UE2에서 수신한 UE2 신호는 하기의 수학식 10과 같은 것을 특징으로 하는 CNOMA 및 개선된 시간 스위칭 SWIPT를 결합한 데이터 전송 방법.
[수학식 10]

(여기서 중계를 수행하기 위해 중계에 대한 전송 전력은
로 표시되고 따라서
의 식은 하기 수학식 11과 같다.)
[수학식 11]
제8항에 있어서,
상기 DF 중계로 인해 UE2 에서 수신된 SINR은 하기 수학식 12와 같은 것을 특징으로 하는 CNOMA 및 개선된 시간 스위칭 SWIPT를 결합한 데이터 전송 방법.
[수학식 12]
제7항에 있어서,
상기 기지국은 상기 세번째 세그먼트 시간 동안 UE1으로 UE1 신호를 직접 전송시,
하기의 수학식 13과 같은 신호를 수신하는 것을 특징으로 하는 CNOMA 및 개선된 시간 스위칭 SWIPT를 결합한 데이터 전송 방법.
[수학식 13]
제10항에 있어서,
직접 전송을 위해 상기 UE1에서 수신한 UE1 신호(x4)에 대한 SINR은 하기 수학식 14와 같은 것을 특징으로 하는 CNOMA 및 개선된 시간 스위칭 SWIPT를 결합한 데이터 전송 방법.
[수학식 14]
제11항에 있어서,
상기 UE1의 에르고딕 합 용량은 상기 수학식 7과 수학식 14를 이용하여 하기의 수학식 15와 같이 얻는 것을 특징으로 하는 CNOMA 및 개선된 시간 스위칭 SWIPT를 결합한 데이터 전송 방법.
[수학식 15]
제7항에 있어서,
상기 UE2의 에르고딕 합 용량은 상기 수학식 4, 수학식 8 및 수학식 9를 이용하여 하기의 수학식 16과 같이 얻는 것을 특징으로 하는 CNOMA 및 개선된 시간 스위칭 SWIPT를 결합한 데이터 전송 방법.
[수학식 16]