무선 전력 통신 네트워크에서 총 처리량 최대화를 위한 Hybrid NOMA/SDMA 및 최적 전력 할당 방법

Abstract

무선 전력 통신 네트워크(Wireless Powered Communication Network)에서 하나의 셀에 대한 sum-throughput의 최대화를 연구한다. Sum-throughput은 셀 중앙에 위치한 HAP가 주변 무선 장치들로부터 수집하는 데이터의 총량을 나타낸다. 이 sum-throughput의 최대화는 주변 환경 정보를 분석하는 상황에서 중요할 것이다. 왜냐하면, 수집되는 정보량이 많아야만 더 정확한 분석을 할 수 있기 때문이다. 따라서 sum-throughput의 최대화를 위한 방안을 연구한다. Hybrid Access Point(HAP)가 전력을 전송하고, 이 전력을 수신하는 무선 장치(Wireless Device)들은 수집한 정보를 HAP로 전송한다. 이때 HAP가 수신하는 정보에 대한 sum-throughput을 최대화 하기 위하여 NOMA와 SDMA를 함께 적용한 정보 전송 방안인 Hybrid NOMA(Non-Orthogonal Multiple Access)/SDMA(Space Division Multiple Access) approach 및 Interior Penalty Method를 적용한 최적 전력 할당 방안인 섹터 별 최적 전력 할당을 제안한다. 따라서 무선 장치(WD) 사이의 간섭을 축소하기 위하여 하나의 셀을 여러 섹터로 나누고 섹터 별 전송되는 신호를 충첩한다. 또한 HAP가 하나의 셀로 전송하는 전력을 최대화 하면서 손실을 줄이고자 최적화를 구현한다. 여기서 HAP는 섹터 별 전력을 전송하고, 무선 장치(WD)들로부터 정보를 수신하기 위하여 다수 안테나를 장착한다. 또한, 무선 장치(WD)는 Wireless Energy Harvesting(WEH)와 Wireless Information Transfer(WIT)을 위하여 하나의 안테나를 장착한다. 먼저 HAP로 정보를 전송하는 무선 장치(WD) 사이의 간섭 축소를 고려한다. 이 간섭 때문에 인접하는 신호가 잡음으로 작용하여서 각 무선 장치(WD)로부터 전송되는 정보는 손실될 수 있다. 따라서 하나의 셀을 여러 섹터로 분할하고, 섹터 별 무선 장치(WD)들이 전송하는 정보를 HAP의 각 안테나가 수신하도록 하여서 신호 사이가 인접하지 않도록 한다. 또한 같은 섹터 내 무선 장치(WD)가 많아지면 간섭이 증가되어서 정보의 손실은 많아질 수 있다. 그래서 전송되는 정보의 손실을 줄이기 위하여 섹터 내 무선 장치(WD)의 수를 제한할 수 밖에 없을 것이다. 따라서 다수 무선 장치(WD)로부터의 신호를 전력 영역에서 다중화 하여서 섹터 내 무선 장치(WD) 사이의 간섭을 축소하고, 중첩되는 섹터 별 신호는 HAP가 수신 후, 분리하도록 한다. 다음으로 HAP가 하나의 셀로 전송하는 전력의 최대화를 고려한다. HAP와 각 무선 장치(WD) 사이의 거리차가 크면, HAP로부터 장치들로 전송되는 전력은 손실될 수 있다. 따라서 HAP가 하나의 셀에 대한 전력 전송의 시간을 섹터 별 최적 할당한다. 최적화를 구현하기 위하여 제약 조건 있는 최적화 문제를 정의한다. 이 문제의 최적 해를 얻기 위하여 Interior Penalty Method에 의하여 비 제약 조건 최적화 문제로 변환한다. 그런 다음 목적 함수의 극대값을 도출하는 최적 해를 모든 제약 조건을 충족하고, penalty term을 고려하면서 구한다. 이 최적 해에 따라서 HAP는 전력을 섹터 별 최적 전송한다. 이와 같은 고려하에서 섹터 별 최적 전력 할당과 Hybrid NOMA/SDMA approach로 하나의 셀에 대한 sum-throughput을 최대화 한다. Sum-throughput과 fairness를 하나의 셀이 분할되는 섹터 수에 따라서 분석한다. 실험 결과는 sum-throughput 측면, 제안하는 무선 전력 통신 네트워크(WPCN)에서 총 처리량 최대화를 위한 방안이 기존 방법보다 우세하고, fairness는 유지한다는 것을 보여준다.| We study the maximization of sum-throughput for one cell in wireless powered communication network. Sum-throughput represents the total amount of data collected by HAP located in the center of the cell from wireless devices. Maximizing this sum-throughput will be important in the situation of analyzing surrounding environmental information. This is because more accurate analysis can be performed only when the amount of information collected is large. Therefore, we study methods for maximizing sum-throughput. The HAP transfers power, and the wireless devices receiving the power transfer the collected information to the HAP. To maximize the sum-throughput for the information received by the HAP, we propose the hybrid NOMA/SDMA approach, an information transmission method that applies NOMA and SDMA. We also propose optimal power allocation by sector, an optimal power allocation method used with interior penalty method. Therefore, in order to reduce interference between wireless devices, one cell is divided into several sectors and signals transmitted for each sector are overlapped. In addition, optimization is implemented to reduce losses while maximizing the power transferred by HAP to one cell where the HAP is equipped with multiple antennas for transmitting power to each sector and receiving information from the wireless device. Also, the wireless device is equipped with one antenna for wireless energy harvesting and wireless information transfer. First of all, we consider reducing interference between wireless devices that transmit information to the HAP. Due to this interference, adjacent signals act as noise, and information transmitted from each wireless device may be lost. Therefore, one cell is divided into several sectors, and information transmitted by wireless devices for each sector is received by each antenna of the HAP so that signals are not adjacent. In addition, more wireless devices in the same sector may increase interference, resulting in more information loss. Therefore, the number of wireless devices in the sector should be limited to reduce the loss of transmitted information. Therefore, signals from multiple wireless devices are multiplexed in a power to reduce interference between wireless devices within a sector, and overlapping signals are separated after receiving by HAP. Next, we consider maximizing the power transmitted by the HAP to one cell. If the distance between the HAP and each wireless device is large, power transmitted from the HAP to the wireless devices may be lost. Therefore, the power transmitted by the HAP to one cell is allocated for each sector. We define a constraint optimization problem to implement optimization. To obtain the optimal solution to this problem, we convert it into a non-constraint optimization problem by using the interior penalty method. The optimal solution to derive the maximum value of the objective function is then obtained by satisfying all constraints and considering the penalty term. According to this optimal solution, HAP transmits power optimally by sector. Under such consideration, sum-throughput is maximized by optimal power allocation and the hybrid NOMA/SDMA approach. Sum-throughput and fairness are analyzed according to the number of sectors in which one cell is divided. In terms of sum-throughput, the experimental results show that a method of maximizing sum-throughput outperforms the existing method, and fairness is maintained.