실내 로그정규 페이딩 환경에서 에너지 수집 기반 반이중 전이중 AF DF 릴레이 성능 분석

본 논문은 에너지 수집(EH) 및 무선 전력 전송(WPT) 기술을 적용한 협업 릴레이 네트워크를 실내 환경에 맞는 로그정규 페이딩 채널 모델을 사용해 종합적으로 분석한다. 연구 배경으로, 기존 대부분의 SWIPT(동시 무선 정보 및 전력 전송) 연구가 실외 채널을 모델링하는 Rayleigh, Nakagami‑m, Rician 등에 초점을 맞추었으나, 실내에서는 그림자와 다중 경로가 복합적으로 작용해 로그정규 분포가 더 적합하다는 점을 강조한다. 시스템 모델은 단일 소스‑릴레이‑목적지 3노드 구조이며, 직접 링크는 존재하지 않는다. 소스는 전력 P_s 로 신호를 송신하고, 릴레이는 전적으로 수신된 RF 에너지로 구동된다. 릴레이는 DF(복호‑전송)와 AF(증폭‑전송) 두 방식을 모두 고려한다. HD와 FD 두 전송 모드가 제시되는데, HD는 단일 안테나 릴레이가 두 타임 슬롯에 걸쳐 순차적으로 동작하고, FD는 두 안테나를 이용해 동시에 수신·전송하지만 루프백 간섭(g²)으로 인한 성능 저하가 발생한다. g² 역시 로그정규 분포를 따르며, μ_g와 σ_g 로 파라미터화한다. 에너지 수집 스킴은 세 가지로 구분된다. 첫 번째 TSR(Time Switching Relaying)은 프레임을 에너지 수집 시간 τ·T와 정보 전송 시간 (1‑τ)·T/2 로 나눈다. 두 번째 PSR(Power Splitting Relaying)은 수신 신호 전력을 ρ와 1‑ρ 로 분할해 동시에 에너지와 정보를 추출한다. 세 번째 IRR(Ideal Relaying Receiver)은 이상적인 수신기로, 에너지와 정보를 완벽히 분리한다는 가정 하에 하한 성능을 제공한다. 각 스킴에 대해 에너지 수집 효율 η 를 도입하고, 수집된 에너지 E_H 를 기반으로 릴레이 전송 전력 P_r 를 계산한다. 성능 평가는 평균 차단 확률(ergodic outage probability)으로 정의한다. DF의 경우 C_r와 C_d 두 링크의 용량 중 최소값이 목표 용량 C_th 이하가 되는 확률을 구하고, AF는 단일 종단 SNR 기반 용량이 C_th 이하가 되는 확률을 구한다. 로그정규 변수 X=h₁², Y=h₂², Z=g² 를 도입해 SNR 식을 정리하고, 로그정규 분포의 CDF와 PDF를 Q‑함수 형태로 표현한다. 이를 통해 O_TSR₁, O_TSR₂ 등 두 단계 확률을 각각 1‑F_X(a₁v) 와 ∫ f_X(z)·F_Y(a₂vz) dz 로 변환한다. 이러한 식은 폐쇄형이 아니지만, 수치 적분만으로 정확히 평가 가능하며, Monte‑Carlo 시뮬레이션과 일치함을 검증한다. 시뮬레이션 파라미터는 평균 μ_h₁=μ_h₂=−30 dB, σ_h₁=σ_h₂를 2~6 dB 범위로 변동시키고, 루프백 간섭 μ_g=−40 dB, σ_g를 2~4 dB 로 설정한다. 주요 결과는 다음과 같다. (1) FD는 루프백 간섭이 충분히 낮을 경우(σ_g≤3 dB) HD보다 평균 차단 확률이 10% 이상 개선된다. (2) DF는 이론적으로 최적이지만, 실제 디코딩 전력 소모를 고려하면 AF가 전체 에너지 효율 면에서 유리하다. (3) TSR과 PSR 모두 최적 τ 혹은 ρ 값을 찾는 것이 성능에 큰 영향을 미치며, 최적값은 채널 평균·분산과 목표 용량에 따라 달라진다. (4) 로그정규 채널의 분산 σ_h² 가 증가하면, 채널 변동성이 커져 차단 확률이 급격히 상승한다. 특히 σ_h²가 6 dB 이상일 경우, 모든 스킴에서 차단 확률이 0.5를 초과한다. (5) IRR은 이상적인 하한을 제공하지만, 실제 구현이 어려워 실용적인 설계에서는 TSR 또는 PSR을 선택하고, 파라미터 최적화를 수행하는 것이 현실적이다. 논문은 또한 최적화 문제를 수학적으로 정의하고, τ와 ρ에 대한 그라디언트 기반 수치 최적화 알고리즘을 제시한다. 이를 통해 목표 차단 확률 이하를 만족하면서 전송 효율을 최대화하는 파라미터 조합을 도출한다. 최종적으로, 실내 IoT 디바이스, 스마트 홈, 무선 센서 네트워크 등 에너지 제약이 큰 환경에서, 로그정규 페이딩을 고려한 HD/FD AF/DF 릴레이 설계 가이드라인을 제공한다.