[論文レビュー] Signal and System Design for Wireless Power Transfer : Prototype, Experiment and Validation

Jung-Hoon Kim, Bruno Clerckx+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 4, 2019

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 36被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、周波数選択性および fading 環境において、受信器の非線形性とリアルタイムのチャネル状態情報（CSI）を活用することで、直流（DC）電力の収集を最大化するための、ソフトウェア定義無線（SDR）ベースの無線電力伝送（WPT）プロトタイプを提案し、実験的に検証した。チャネル適応型ビームフォーミングと波形設計を統合した本システムは、連続波（CW）送信と比較して最大60％高いDC電力を達成し、実世界の周波数選択性およびフェージング環境において理論的予測を確認した。

ABSTRACT

A new line of research on communications and signals design for Wireless Power Transfer (WPT) has recently emerged in the communication literature. Promising signal strategies to maximize the power transfer efficiency of WPT rely on (energy) beamforming, waveform, modulation and transmit diversity, and a combination thereof. To a great extent, the study of those strategies has so far been limited to theoretical performance analysis. In this paper, we study the real over-the-air performance of all the aforementioned signal strategies for WPT. To that end, we have designed, prototyped and experimented an innovative radiative WPT architecture based on Software-Defined Radio (SDR) that can operate in open-loop and closed-loop (with channel acquisition at the transmitter) modes. The prototype consists of three important blocks, namely the channel estimator, the signal generator, and the energy harvester. The experiments have been conducted in a variety of deployments, including frequency flat and frequency selective channels, under static and mobility conditions. Experiments highlight that a channeladaptive WPT architecture based on joint beamforming and waveform design offers significant performance improvements in harvested DC power over conventional single-antenna/multiantenna continuous wave systems. The experimental results fully validate the observations predicted from the theoretical signal designs and confirm the crucial and beneficial role played by the energy harvester nonlinearity.

研究の動機と目的

• 理論的WPT信号設計と実世界の性能のギャップを埋めるために、高度な信号戦略のプロトタイピングと実験的評価を行う。
• 実用的WPTシステムにおけるRF-DC変換効率に及ぼす整流器の非線形性の影響を調査する。
• オープンループおよびクローズドループ（CSIT対応）運用下における、統合ビームフォーミングと波形設計の性能向上を評価する。
• 実際の空中電波環境下で、従来の変調方式、エネルギー特化型変調方式、および送信 diversity を用いた人工フェージングを比較する。
• 回路シミュレーションと実ハードウェア実験を用いて、DC電力供給の理論的スケーリング則を実験的に検証する。

提案手法

• チャネル推定器、信号発生器、エネルギー収集器の3つの主要部品を備えたSDRベースのWPTプロトタイプを開発し、オープンループおよびクローズドループ両運転を可能にした。
• 送信側チャネル状態情報（CSIT）を用いて、ビームフォーミングと波形設計を統合し、周波数選択性および整流器の非線形性に適応した波形最適化を実現した。
• 信号発生はMATLABで実装し、SDRハードウェアを介して送信した。クローズドループ運用にはリアルタイムフィードバックを導入した。
• PSPICEを用いた回路シミュレーションにより、理論的スケーリング則の妥当性を検証し、フラッシュ信号伝送や従来の変調方式を含むさまざまな変調形式の性能を比較した。
• 周波数平坦および周波数選択性フェージングチャネル、静止および移動状態の両方の環境で実験を実施した。
• エネルギー収集器の非線形なI-V特性をモデル化し、RF-DC変換効率の向上に活用した。その結果は、線形化モデルと対比された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実世界のWPTシステムにおいて、ビームフォーミングと波形設計を統合することで、従来の連続波送信と比較して、収集DC電力はどの程度向上するか？
• RQ2 整流器の非線形性はRF-DC変換効率をどの程度向上させ、信号設計によってどのように活用できるか？
• RQ3 エネルギー特化型変調方式（例：フラッシュ信号伝送、RG）と従来の通信変調方式の間で、WPTにおける性能向上はどの程度達成可能か？
• RQ4 CSITの可用性が、周波数選択性およびフェージングチャネル環境下でのWPTシステム性能に与える影響はいかほどか？
• RQ5 実際のSDRベースのテストベッドを用いて、DC電力供給の理論的スケーリング則を実験的に検証できるか？

主な発見

• プロトタイプは、CSITに基づく統合ビームフォーミングと波形設計が、連続波送信と比較して収集DC電力を顕著に向上させることを実証した。最大60％の向上が達成された。
• l=4のフラッシュ信号伝送が最高の性能を示し、連続波送信と比較して60％高いDC電力を供給した。16QAMなどの従来の変調方式はわずか17％の改善にとどまった。
• RG やフラッシュ信号伝送などのエネルギー変調方式は、定幅信号に制限される従来の変調方式と比較して、整流器の非線形性をより効果的に活用している。
• 回路シミュレーションにより理論的スケーリング則が確認され、波形設計およびビームフォーミングによる性能向上は、シミュレーションと実ハードウェア実験の両方で一貫性を示した。
• 線形化された収集器モデルの使用は、非線形性を正しく捉えられていないため、信号設計に悪影響を及ぼし、性能が著しく劣化する。
• 実験結果は、最適な信号設計が、周波数選択性、ビームフォーミング利得、整流器の非線形性を統合的に考慮することで、最大効率が達成できることを裏付けた。