In this dissertation, we consider simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) systems in wireless interference network. In particular, we propose the power waveform design for multi-user and cooperative resource allocation scheme for SWIPT networks based on time-reversal (TR) and orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), which are efficient transmission waveforms in the multipath channels. First, the achievable rate-energy (R-E) region of the TR waveform for SWIPT with linear energy harvesting (EH) model in a point-to-point environment is numerically analyzed. Due to the temporal and spatial focusing characteristics of the TR waveform, the TR waveform achieves improved R-E region than the direct transmission (DT), which is not performed any preprocessing in the transmitter, in the multipath channel. The superior performance of the TR waveform is verified by simulation, and it is confirmed that the derived numerical analysis is consistent with the simulation results. Next, we propose a phase aligned time-reversal (PATR) waveform design considering inter-user interference (IUI) for wireless power transfer (WPT) in the multi-user environment. Unlike the conventional waveforms design which has performed in the frequency domain, it is possible to design the power waveform in the time domain by applying the modified TR waveform to WPT. When the modified TR waveform is applied to the multi-user environment, the received peak signal at each user for the given channel consists of the IUI signal component due to the transmitted signal for other users and the desired signal component. The proposed PATR waveform pre-rotates the phase difference between the IUI signal component and the desired signal component in the transmitter. As a result, the desired signal and the interference signal in the received peak signal of the proposed PATR are merged into in-phase, thus the received signal power increases in the multi-user WPT systems. Simulation results show that the proposed PATR waveform achieves larger harvested energy than the modified TR and single-tone transmission which is the optimal transmission with linear EH model. In addition, the performance of the PATR waveform is further improved as the number of transmit antennas and the number of users increases. Third, we propose the cooperative resource allocation scheme for OFDM-based SWIPT in a wireless cooperative Internet of Things (IoT) network which is prone to interference. The proposed scheme allocates a dedicated energy subcarrier set, and increases the harvested energy at the energy receiver by using the cooperative WPT with transmit diversity on the assigned dedicated energy subcarrier set. On the other hand, the interference from the energy transmitter to the information receivers can be avoided by allocating the subcarrier set which is orthogonal to the dedicated energy subcarrier set. Simulation results show that the proposed cooperative resource allocation scheme achieves an improved R-E region compared to the benchmark schemes for wireless interference networks. Moreover, the improved performance of the proposed schemes is maintained even when the number of users and the number of energy transmitters increases. Our study provides an efficient waveform design method for increasing the wireless power transmission efficiency in the presence of multiple users in a multi-channel environment, and useful insights on how to transmit signals for improving performance in IoT interference networks with SWIPT.
이 논문에서는 무선 간섭 네트워크에서 동시 무선 정보 및 전력 전송 (SWIPT: simultaneous wireless information and power transfer) 시스템을 고려한다. 특히, 다중 경로 채널에서 효율적인 전송 기법인 TR (time-reversal)과 OFDM (orthogonal frequency division multiplexing)을 기반으로 한 파형 설계 및 자원 할당 기법을 제안한다. 첫 번째로, 단일 사용자 환경에서 선형 에너지 하베스팅 (EH: energy harvesting) 모델을 가정하여 TR 파형의 달성 가능한 R-E (rate-energy) 영역을 수치적으로 분석한다. TR 파형의 시간 및 공간 집중화 특성으로 인하여, 제안된 TR 기반의 SWIPT 기법은 다중 경로 채널에서 전처리 과정 없는 직접 전송 방식보다 우수한 성능을 달성한다. 시뮬레이션을 통하여 TR 파형의 우수한 성능을 입증하였으며, 유도된 수치적 분석은 시뮬레이션 결과와 일치함을 확인하였다. 다음으로 다중 사용자 환경에서 무선 전력 전송을 위하여 비선형 EH 모델을 가정하여 사용자 간 간섭을 고려한 PATR (Phase aligned time-reversal) 파형 설계를 제안하였다. 다중 사용자를 위한 전력 전송 시스템에 수정된 TR 전송 기법을 적용함으로써, 기존 기법들이 주파수 영역에서 파형 설계를 수행하는 것과 다르게 시간영역에서 파형 설계가 가능하다. 다중 사용자 환경에서 수정된 TR 파형의 피크 수신 신호는 사용자 간 간섭 신호와 해당 사용자를 위한 desired 신호로 구성되는데, 제안된 PATR 기법은 두 신호의 위상 차이에 해당하는 위상을 송신기에서 사전 회전한다. 결과적으로, 피크 수신 신호에서 desired 신호와 사용자 간 간섭 신호는 동위상으로 더해지게 되며, 이를 통하여 다중 사용자 무선 전력 전송 시스템에서 수신 에너지 증가를 달성한다. 시뮬레이션 결과는 제안된 PATR 전송기법이 수정된 TR 파형과 선형 EH 모델에서 최적의 전송 기법인 단일 톤 전송 기법보다 높은 수신 에너지를 달성함을 보인다. 또한, PATR 파형의 성능은 송신 안테나 수와 사용자 수가 증가할수록 보다 향상된다. 마지막으로 간섭이 발생하기 쉬운 무선 협력 IoT (Internet of Things) 네트워크에서 OFDM 기반 SWIPT를 위한 협력적 무선 자원 할당 기법을 제안하였다. 제안된 기법은 전용 에너지 부반송파 집합을 할당하고, 할당된 에너지 전용 부반송파 집합에서 전송 다이버시티가 적용된 협력 무선 전력 전송 기법을 사용하여 에너지 수신기에서 에너지 수확을 증가시킨다. 반면, 정보 수신기에서는 전용 부반송파 할당과 직교한 부반송파를 할당함으로써 에너지 송신기로부터의 간섭을 회피할 수 있다. 시뮬레이션 결과는 제안된 협력적 자원 할당 기법이 간섭 무선 네트워크를 위해 제안된 기존 기법에 비하여 향상된 R-E 영역을 달성함을 보이며, 사용자 수와 에너지 송신기의 수가 증가하는 경우에도 여전히 효과적임을 증명한다. 본 논문의 연구 결과는 다중 채널 환경에서 다중 사용자가 존재하는 경우, 무선 전력 전송 효율 증대를 위한 효율적 파형 설계 방법을 제공하고, 무선 간섭 네트워크에서 성능 향상을 위해 어떠한 방식으로 신호를 전송해야 하는지에 대한 접근방법을 제공한다.
