[論文レビュー] Beamforming for Magnetic Induction based Wireless Power Transfer Systems with Multiple Receivers

S. Kisseleff, I. F. Akyildiz+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 11, 2015

Wireless Power Transfer Systems被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、3次元送信コイルと複数の単一コイル受信機を備えた磁気誘導型無線電力伝送（WPT）システムに向けた反復的ビームフォーミングアルゴリズムを提案する。送信信号の位相と振幅を同時に最適化するとともに、相互インダクタンスと反射電力の影響を考慮することで、最大96%の電力効率を達成し、最近接近接法や固有値に基づくビームフォーミングといったベースライン手法を著しく上回る。特に強い結合条件下での性能向上が顕著である。

ABSTRACT

Magnetic induction (MI) based communication and power transfer systems have gained an increased attention in the recent years. Typical applications for these systems lie in the area of wireless charging, near-field communication, and wireless sensor networks. For an optimal system performance, the power efficiency needs to be maximized. Typically, this optimization refers to the impedance matching and tracking of the split-frequencies. However, an important role of magnitude and phase of the input signal has been mostly overlooked. Especially for the wireless power transfer systems with multiple transmitter coils, the optimization of the transmit signals can dramatically improve the power efficiency. In this work, we propose an iterative algorithm for the optimization of the transmit signals for a transmitter with three orthogonal coils and multiple single coil receivers. The proposed scheme significantly outperforms the traditional baseline algorithms in terms of power efficiency.

研究の動機と目的

• 信号の位相と振幅最適化が無視されることが原因で生じる多受信機磁気誘導無線電力伝送（MI-WPT）システムにおける電力効率の低さを是正すること。
• 従来の手法が無視する、複数の受信機と送信機間の相互結合を考慮したビームフォーミングソリューションの開発。
• システム要件に応じて特定の受信機に優先的に電力を供給できる、優先度対応の電力割り当てを可能にすること。
• 送信電力制約の非凸性を考慮しつつ、送信信号パラメータを共同最適化することでWPT効率を最大化すること。
• 現実的な多受信機環境において、最近接近接法や最大固有値ビームフォーミングといったベースラインアルゴリズムに比べ顕著な効率向上を実証すること。

提案手法

• 送信側に3つの直交配置されたコイルを備えた3次元送信コイルを用い、ビームフォーミングにより磁界の指向性制御を実現する。
• 各コイルを共振LC回路としてモデル化し、反射を最小限に抑えるために受信側に個別の負荷抵抗を設ける。
• ビームフォーミング係数を含む、相互インダクタンスおよび結合効果を考慮した送信電力指標を導出する。
• すべてのコイル間結合を考慮しつつ、送電制約のもとでWPT効率を最大化するようにビームフォーミングベクトルを最適化する反復的アルゴリズムを提案する。
• ユーザー定義の優先度に応じて受信電力をスケーリングする、優先度対応の最適化フレームワークを導入し、標的指向のエネルギー供給を可能にする。
• 結合および信号構造に関する仮定を導入することで問題の次元を低減し、部分的に最適だが計算的に実行可能な手法を採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 送信信号の振幅と位相を共同最適化することで、従来手法と比較して多受信機MIシステムにおけるWPT効率はどの程度向上するか？
• RQ2 複数の受信機と送信機間の相互結合が送信電力と効率に及ぼす影響はどの程度で、どのようにモデル化・低減できるか？
• RQ3 反射電力および結合効果を考慮したビームフォーミングアルゴリズムは、最近接近接法や固有値ベースのビームフォーミングといったベースライン手法を上回るか？
• RQ4 優先度ベースの電力割り当てを組み込むことで、全体のシステム効率およびビームパターンの指向性はどのように変化するか？
• RQ5 提案されたビームフォーミングアルゴリズムを用いた多受信機MI-WPTシステムで、得られる最大の電力効率はどの程度か？

主な発見

• 提案されたビームフォーミングアルゴリズムは、3つを超える受信機を有する多受信機WPTシステムでも最大96%の電力効率を達成し、わずか4%の損失に抑えられることを示した。
• 強い結合条件（F > 1）では、ベースライン手法と比較して本手法の効率上昇がより急峻であり、平均効率が最大37%高い結果となった。
• 最近接近接法および最大固有値ベースのビームフォーミング手法を上回り、特に結合効果が顕著に現れる高結合領域で顕著な性能向上を示した。
• 優先度対応最適化により、標的受信機への電力供給が可能となった。優先度係数を1:1から2:1に引き上げると、優先受信機の受信電力が著しく増加し、最近接近接法をも上回った。
• ビームフォーミング係数Fが増加するにつれてビームパターンはますます指向性を増し、エネルギーが優先受信機に向かって集中し、非優先方向の損失が最小限に抑えられた。
• 反復的アルゴリズムは局所最適解に収束し、送電パワー、結合効果、位相整合を効果的にバランスさせることで、システム全体の効率を最大化した。