[論文レビュー] Prototyping and Experimentation of a Closed-Loop Wireless Power Transmission with Channel Acquisition and Waveform Optimization

Jung-Hoon Kim, Bruno Clerckx+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2017

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 3被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、ソフトウェア定義無線（SDR）プラットフォームとカスタムの電圧倍圧整流素子を用いて、リアルタイムでのチャネル状態情報取得と波形最適化を実現した、閉ループ無線電力伝送（WPT）システムの初の実験的プロトタイプを提示する。スケールドマッチドフィルタ（SMF）法を用いて、推定されたチャネル状態情報に基づき8つのマルチシン音の振幅と位相を動的に調整することで、実際のオフィス環境、特に周波数選択性（NLoS）条件下で、非適応的波形と比較して平均受信直流電力が9.8%から36.8%向上することを確認した。

ABSTRACT

A systematic design of adaptive waveform for Wireless Power Transfer (WPT) has recently been proposed and shown through simulations to lead to significant performance benefits compared to traditional non-adaptive and heuristic waveforms. In this study, we design the first prototype of a closed-loop wireless power transfer system with adaptive waveform optimization based on Channel State Information acquisition. The prototype consists of three important blocks, namely the channel estimator, the waveform optimizer, and the energy harvester. Software Defined Radio (SDR) prototyping tools are used to implement a wireless power transmitter and a channel estimator, and a voltage doubler rectenna is designed to work as an energy harvester. A channel adaptive waveform with 8 sinewaves is shown through experiments to improve the average harvested DC power at the rectenna output by 9.8% to 36.8% over a non-adaptive design with the same number of sinewaves.

研究の動機と目的

• リアルタイムでのチャネル状態取得と波形最適化を実現した閉ループ無線電力伝送（WPT）システムの実世界プロトタイプを初めて実証すること。
• 理論的性能向上効果が、実際の空中伝搬環境における非適応的およびヒューリスティック設計と比較して、チャネル適応波形が示すものであることを検証すること。
• 周波数選択性（例：NLoS）が、実世界のWPTシステムにおける適応波形設計の有効性に与える影響を評価すること。
• リアルタイムSDRベースのシステムにおいて、スケールドマッチドフィルタ（SMF）法を用いた低複雑性の波形最適化の実現可能性と性能を評価すること。

提案手法

• システムアーキテクチャは、SDRハードウェアとLabVIEWソフトウェアを用いて、チャネル推定器、波形最適化器、およびエネルギー収集器を統合している。
• チャネル状態情報（CSI）は、10 MHz帯域幅で20シンボル（320 μs）をトレーニングに割り当て、最小二乗推定法を用いてパイロット音により取得される。
• 波形最適化器は、推定されたCSIに基づき、8つの等間隔に配置された正弦波の振幅と位相パラメータをスケールドマッチドフィルタ（SMF）法で計算する。
• 送信機は、SDRプラットフォーム（USRP N210）を用いて、2.4 GHz中心周波数で最適化されたマルチシン波形を変調・送信する。
• スカイワークスのSMS7630ショットキー・ダイオードを用いたカスタムの電圧倍圧整流素子を設計し、50 Ωに整合させ、2.4 GHzで入力リターンロスが-30 dBを達成した。
• システムは35 dBmの固定送信電力で動作し、静的なオフィス環境下で2分間隔の間隔で受信直流電力を測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リアルタイムでのチャネル状態取得と適応的波形最適化を備えた閉ループWPTシステムが、実世界環境における非適応的設計と比較して、測定可能な性能向上を達成できるか？
• RQ2 視線ライン（LoS）と非視線ライン（NLoS）伝搬状態の間で、適応的波形の性能向上はどのように変化するか？
• RQ3 スケールドマッチドフィルタ（SMF）法が、リアルタイムSDRプラットフォームにおけるチャネル適応波形の低複雑性かつ実用的実装をどの程度可能にするか？
• RQ4 CSIに基づく波形最適化を用いることで、正弦波に均等に電力を割り当てる設計と比較して、受信直流電力にどの程度の向上が見られるか？

主な発見

• CSI推定に基づくチャネル適応波形の使用により、視線ライン（LoS）環境下で平均受信直流電力が9.8%向上した。
• 周波数選択性が強い非視線ライン（NLoS）環境下では、非適応的波形と比較して性能向上が36.8%に達した。
• 2番目のNLoSテストケースでも、受信直流電力が25.9%向上し、周波数選択性チャネルにおける適応の有効性を裏付けた。
• 連続波信号を入力電力-20 dBmとして、整流素子は12%のRF-DC変換効率を達成した。これによりエネルギー収集器の有効性が検証された。
• 結果から、CSIに基づく波形最適化が、非適応的またはヒューリスティック設計と比較して、特に周波数選択性 fading 環境下で顕著に高いエンドツーエンド電力伝送効率を実現することが確認された。
• プロトタイプは、SDRおよび実用的ハードウェア部品を用いた動的チャネル取得と低複雑性波形最適化を備えた閉ループWPTの実現可能性と実世界での利点を示した。