Wireless powered communication networks (WPCNs) are recently developed networking systems where a dedicated hybrid-access point (H-AP) broadcasts radio-frequency (RF) energy signals to distributed wireless devices and then the wireless devices transmit their independent information to the H-AP using the harvested energy. Since the wireless devices in WPCNs are remotely replenished by RF energy signals from the H-AP, the wireless devices can be free from periodical battery replacement and are able to recharge their batteries without wired energy sources. Consequently, WPCNs based on RF energy transfer technology have great potential to provide energy-constrained wireless devices with the capability of self-sustainability. Accordingly, this thesis considers joint optimization of transceivers for two types of WPCNs: cognitive WPCNs (C-WPCNs) and full-duplex (FD) WPCNs.
C-WPCNs consist of primary and secondary networks. In the secondary networks, a secondary H-AP equipped with multiple antennas communicates with energy-constrained secondary users equipped with a single antenna using the frequency resources allocated to primary networks under the condition that the secondary networks do not degrade quality of service (QoS) of primary users. In particular, in this thesis, beamforming and power allocation problems are formulated to maximize the sum rate of the secondary users. A hierarchical decomposition framework is employed to derive efficient algorithms to solve the optimization problems. From simulation results, it can be seen that the proposed algorithms exploiting multiple antennas offer substantial rate gain over the conventional approach.
In FD-WPCNs, an FD-enabled H-AP having multiple antennas broadcasts RF energy signals to users, and concurrently each user transmits its own information to the H-AP. Specifically, we focus on the doubly near-far phenomenon, in which users located far from the H-AP experience severe signal attenuation in both the energy harvesting and information transmission phases. Due to this phenomenon, the transmission schemes for sum-rate maximization in general cause an unfair rate distribution among users. As an alternative approach, the proportional fairness (PF) based schemes are known to provide a good balance between the sum rate and fairness of users. Thus, this thesis presents a beamforming and time allocation algorithm to maximize the PF of users' transmission rate in FD-WPCNs. Numerical results demonstrate that the proposed algorithm significantly improves fairness of users compared to the sum-rate maximization scheme.
Moreover, robust transceiver design is investigated for more practical environments of FD-WPCNs, where the realistic nonlinear energy harvesting model and imperfect estimation of channel state information (CSI) are considered. Furthermore, the complete FD-WPCNs are presented, in which each user also operates in an FD mode, as well as the H-AP. In the complete FD-WPCNs, The FD-enabled users transmit information signals and receive RF energy signals, simultaneously. Thus, the users are able to recycle some portion of their energy consumed for their information transmission. In this setup, the optimization problems are formulated to maximize the weighted sum rate of users against the uncertainty of CSI. In order to solve the problem, an effective algorithm is derived based on the transformation from the weighted sum rate to the weighted sum of mean-square error. It is shown that the proposed robust algorithms provide robustness against imperfect channel knowledge and benefits of utilizing multiple antennas in FD-WPCNs.
본 논문에서는 무선 전력 통신 네트워크(wireless powered communication network, WPCN)의 송수신기를 공동으로 최적화하기 위한 방법을 연구한다. WPCN은 하이브리드 액세스 포인트(hybrid access point, H-AP)와 분산 배치된 무선 장치들로 구성된다. H-AP는 무선 주파수(radio frequency, RF) 신호를 통해 무선 통신 장치들에 에너지를 송신하고, 무선 통신 장치는 수신한 에너지 신호를 사용 가능한 에너지로 전환하여 H-AP에 독립적인 정보를 송신한다. WPCN에 속한 무선 통신 장치는 원격으로 H-AP의 RF 에너지를 수확하여 사용할 수 있기 때문에 배터리를 교체하거나 유선으로 재충전할 필요가 없다. 결과적으로, RF 에너지 전송 기술에 기반한 WPCN은 에너지 제한적인 무선 통신 네트워크에서 무선 통신 장치들이 스스로 자립하여 통신을 지속할 수 능력을 제공하는 이점을 지닌 유망한 기술이다. 본 논문에서는 특히, 인지 무선 통신 기술이 적용된 WPCN(cognitive WPCN, C-WPCN)에 대한 송수신기와 전이중 전송 방식이 적용된 WPCN(full duplex WPCN, FD-WPCN)에 대한 송수신기를 최적화하기 위한 방법을 연구한다.
먼저, 다수의 안테나를 장착한 2차 H-AP가 단일 안테나를 장착한 에너지 제한적인 2차 사용자와 통신하는 C-WPCN이 본 논문에서 고려된다. 즉, 2차 H-AP와 에너지 제한적인 2차 사용자로 구성된 2차 네트워크는 1차 사용자들의 서비스 품질(QoS)을 저해하지 않는 조건 하에 1차 사용자들로 구성된 네트워크에 미리 할당된 주파수 자원을 사용한다. 특히, 본 논문에서는 2차 네트워크의 합 전송률을 최대화하기 위한 효과적인 빔형성(beamforming) 및 전력 할당 방법을 제시한다. 모의 실험 결과를 통해, 제시된 해법은 단순한 에너지 빔형성 기법을 이용한 종래의 접근법에 비해 전송률 측면에서 큰 이득을 제공한다는 것을 확인한다.
다음으로, FD-WPCN에 대한 빔형성 및 시간 할당을 공동으로 최적화하기 위한 방법이 본 논문에서 제시된다. 다중 안테나를 갖고 전이중 전송이 가능한 H-AP는 RF 에너지 신호를 사용자들에게 송신하는 동시에 각 사용자들로부터 각각의 독립적인 정보를 수신한다. 본 연구에서는 H-AP에서 멀리 떨어진 사용자가 에너지 수확 및 정보 전송 단계에서 심각한 신호 감쇠를 겪는 이중 근거리/원거리 감쇠 현상에 중점을 둔다. 이러한 환경에서 전송률의 합을 최대화하기 위한 기법은 일반적으로 사용자간에 불균등한 전송률을 할당한다. 또한, 사용자간에 완벽히 균등한 전송률의 할당을 추구하게 되면, 전송률의 합 측면에서 큰 손해를 보게 된다. 대안적인 접근 방법으로서, 비례 공정성(proportional fairness, PF)을 최대화하기 위한 방식은 총 전송률과 사용자의 공정성 사이에 적절한 균형을 제공하는 것으로 알려져 있다. 따라서, FD-WPCN에 대한 비례 공정성을 최대화하기 위한 빔형성 및 시간 할당 방식이 제시된다. 모의 실험을 통해, 제안하는 기법이 전송률의 합을 최대화하기 위한 기법보다 전송률의 측면에서 약간의 손실을 가져오는 반면에, 공정성의 측면에서는 큰 이득을 준다는 것을 확인한다.
끝으로, FD-WPCN에서 H-AP가 정확한 채널의 상태 정보(channel state information, CSI)를 갖지 않는 경우에 사용할 수 있는 강건한 송수신 기법이 본 논문에서 제시된다. 일반적으로, WPCN에서 사용자들은 에너지를 H-AP에 의존하기 때문에 채널 정보가 오래된 과거의 정보일 가능성이 높다. 따라서, 본문에서는 그러한 채널의 불확실성을 고려하는 최적화 문제를 형성한다. 또한, 보다 실제적인 환경을 묘사하기 위해, 비선형 에너지 수확 모델(nonlinear energy harvesting model)을 문제에 적용한다. 이러한 상황에서, 사용자들이 달성 가능한 전송률의 가중치 합을 최대화하기 위한 송수신기의 동시 설계 기법이 제안된다. 종래의 시간 분할 다중 접속(time division multiple access, TDMA) 방식에 기반한 강건한 송수신기 기법과 공간 분할 다중 접속(space division multiple access, SDMA) 방식에 기반한 강건한 송수신기 기법을 제안한다. 특히, SDMA 기반의 FD-WPCN에서는 사용자들에게도 전이중 전송 능력을 부여한다. 즉, 사용자들은 정보를 송신하면서 에너지 신호를 수신할 수 있게 된다. 따라서, 사용자들은 H-AP측과는 달리, 자신이 소모한 에너지의 일정 부분을 재사용할 수 있게 된다. 모의 실험 결과를 통해, 채널 상태 정보가 불완전한 환경에서 제안된 알고리즘의 우수성을 확인한다.
