다중캐리어 SWIPT을 위한 주파수 스위칭 기반 서브캐리어 할당 최적화

본 논문은 다중캐리어 통신 시스템에서 동시에 정보 전송과 무선 전력 전송을 수행하는 SWIPT 기술을 개선하기 위해 ‘주파수 스위칭(Frequency Switching, FS)’ 기반 수신 구조를 제안한다. 전통적인 TS(Time Switching)와 PS(Power Splitting) 방식은 시간 혹은 전력 비율을 조절해 하나의 수신 안테나에서 정보를 디코딩하고 에너지를 수집한다는 물리적 한계가 있다. 반면, FS는 각 서브캐리어를 완전히 정보 디코딩(ID) 혹은 에너지 하베스터(EH) 중 하나에 할당함으로써 회로 설계를 단순화하고, 서브캐리어 별 채널 상태를 직접 활용한다. **시스템 모델** - 송신기는 K개의 서브캐리어에 동일한 전력 P_t,e를 할당하고, 각 서브캐리어 k에 대해 수신 신호 Y_k = √(P_t,k)·H_k·X_k + Z_k 로 모델링한다. - 수신기 내부에 필터뱅크와 베이스밴드 변환기를 두고, 각 서브캐리어를 BPF_k를 통해 분리한 뒤 1비트 피드백(‘정보’/‘전력’)에 따라 SA(Subcarrier Allocation) 모듈이 서브캐리어를 ID 혹은 EH로 라우팅한다. **성능 지표** - 정보 전송 시 채널 용량 C_k = B·log₂(1+|H_k|²·γ_k) (γ_k = P_t,k/σ_z²). - 전력 수집 시 수집 전력 Q_k = η_k·|H_k|²·P_t,k (η_k≈0.5). **최적화 문제** 두 가지 목표를 설정한다. 1. (P1) 총 채널 용량 C_T를 최대화하면서 최소 수집 전력 Q_min을 만족하도록 서브캐리어 할당을 결정한다. 2. (P2) 총 수집 전력 Q_T를 최대화하면서 최소 채널 용량 C_min을 만족하도록 할당한다. 각 문제는 이진 변수 s_k∈{0,1} (1: 정보, 0: 전력) 로 표현되며, 제약식은 Q_T≥Q_min 혹은 C_T≥C_min 형태가 된다. 이를 각각 이진 배낭 문제 형태(8), (9) 로 변환한다. **알고리즘** - **동적 프로그래밍(DP)**: 배낭 문제의 전형적인 DP 테이블을 이용해 O(K·Q_th) 혹은 O(K·C_th) 복잡도로 최적 해를 구한다. - **연속 완화(Continuous Relaxation)**: 정수 제약을 풀어 상한 C_up, Q_up을 도출하고, 비율 C_k/Q_k 를 내림차순 정렬해 ‘임계 서브캐리어’ d₁, d₂ 를 찾는다. 이론적 상한은 (13), (14) 식으로 제시된다. **전력 할당 연계** 서브캐리어 할당 후 전송 전력을 추가 최적화한다. - (P3) 정보 서브캐리어에 대해 물‑채우기 형태의 해 P_t,k =