[論文レビュー] Range Expansion for Wireless Power Transfer: A Joint Beamforming and Waveform Architecture.

Jung-Hoon Kim, Bruno Clerckx|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2020

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 10被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、電波伝送距離を延長し、直流出力電力を向上させるためにチャネル状態に適応する、遠方領域向け無線電力伝送（WPT）の共同ビームフォーミングおよび波形アーキテクチャを提案する。屋内オフィス環境での実験により、チャネルに適応する信号設計が範囲と効率を顕著に向上させることを示し、パワー制約下での性能予測に正確な解析的モデルを用いることができる。

ABSTRACT

Far-field Wireless Power Transfer (WPT) has emerged as a viable power source for Internet of Things (IoT) and Wireless Sensor Network (WSN). Expansion of the power transfer range is an important challenge to enable the design of efficient networks of small autonomous devices and drive the massive numbers of devices using a single wireless power source. Several signal design strategies have been proposed and verified to maximize the output DC power at the receiver under a transmit power constraint. In this paper, we study channel-adaptive beamforming and waveform to expand the power transfer range as well as output DC power performance. To that end, we have designed, prototyped a far-field WPT system and established a WPT testbed in a realistic indoor environment. The experiments have been conducted in a variety of wireless channel conditions in an indoor office environment with various distances. The measurement data have been fitted using simple analytical model to analyze the output DC power and achievable range improvement depending on the signal design schemes and the number of tones and antennas. The model shows a clear relationship between signal design versus output DC power and achievable range, and enables to predict the achievable power transfer range for given transmit power constraint and target received DC power. Results highlight the significant benefit of a channel-adaptive joint beamforming and waveform architecture to expand the power transfer range.

研究の動機と目的

• IoTおよびWSNアプリケーション向け遠方領域WPTシステムにおける電力伝送距離の制限を克服する。
• 変動する屋内無線環境における固定信号設計の非効率性を是正する。
• チャネル状態に適応する共同ビームフォーミングおよび波形アーキテクチャを構築・検証し、出力直流電力を最大限に高め、伝送距離を延長する。
• さまざまな距離およびチャネル状態でシステム性能を評価できる、現実的な屋内WPTテストベッドを構築する。
• 送信電力および目標直流電力要件に基づいて、達成可能な電力伝送距離を予測する解析的モデルを構築する。

提案手法

• 複数アンテナ送信および複数周波数帯域波形機能を備えた遠方領域WPTシステムを設計・プロトタイプ化した。
• 複数の距離および無線チャネル状態で、実際の屋内オフィス環境で実験を実施した。
• 伝搬状態に応じてリアルタイムでビームフォーミング重みおよび波形パラメータを適応させるために、チャネル推定を実施した。
• 測定された直流出力電力データを単純な解析的モデルにフィットさせ、アンテナ数および周波数帯域数が性能に与える影響を定量化した。
• モデルを用いて、与えられた送信電力および目標直流電力制約下での達成可能な電力伝送距離を予測した。
• ビームフォーミング利得および複数周波数帯域波形最適化を含む、さまざまな信号設計方式の性能を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実際の屋内環境において、共同ビームフォーミングおよび波形適応が、達成可能な電力伝送距離にどのように寄与するか？
• RQ2 アンテナ数および周波数帯域数が、直流出力電力および範囲拡張に与える定量的影響は何か？
• RQ3 変動する屋内チャネルにおいて、チャネルに適応する信号設計は、固定信号方式に比べてどの程度優れているか？
• RQ4 解析的モデルは、与えられたシステム制約下で、達成可能な範囲および直流電力をどの程度正確に予測できるか？
• RQ5 送信電力、アンテナ数、および波形設計の間には、範囲および効率を最大化するためのどのようなトレードオフがあるか？

主な発見

• 共同ビームフォーミングおよび波形アーキテクチャは、従来の固定信号設計と比較して、電力伝送距離を顕著に延長する。
• アンテナ数および周波数帯域数を増加させることで、同じ送信電力下でも直流出力電力が向上し、より長い伝送距離が達成可能になる。
• 解析的モデルは、信号設計パラメータと出力直流電力の関係を正確に捉えており、性能予測の信頼性を高めている。
• チャネルに適応する信号設計は、すべてのテスト距離で受信側の直流電力を高め、特に視線外（NLOS）および多径環境で顕著な効果を示す。
• 本システムは、実際の屋内オフィス環境で測定可能な範囲延長を示し、IoTおよびWSN展開に向けた適応的WPTの実用的妥当性を裏付けた。
• 実時間でのチャネルフィードバックに基づき、ビームフォーミングと波形を共同で最適化した場合に最適な性能が達成されることを示した。