[논문 리뷰] Beamforming for Magnetic Induction based Wireless Power Transfer Systems with Multiple Receivers

S. Kisseleff, I. F. Akyildiz외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 11.

Wireless Power Transfer Systems인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 3D 전송 코ils과 다수의 단일 코ils 수신기를 갖춘 자기유도 기반 무선 전력 전송(WPT) 시스템을 위한 반복적 beamforming 알고리즘을 제안한다. 상호유도 및 반사 전력까지 고려하여 전송 신호의 진폭과 위상을 공동 최적화함으로써, 최대 96%의 전력 효율을 달성하며, 특히 강한 결합 조건에서 기존 기준 방법들인 가장 가까운 이웃 또는 고유값 기반 beamforming보다 뛰어난 성능을 보인다.

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.

연구 동기 및 목표

• 신호 위상과 진폭 최적화를 忽시한 탓에 발생하는 다중 수신기 자기유도 무선 전력 전송(MI-WPT) 시스템의 부적절한 전력 효율 문제를 해결하기 위해.
• 기존 방법이 간과하는 다수의 수신기와 전송기 간의 상호유도를 고려한 beamforming 솔루션을 개발하기 위해.
• 시스템 요구사항에 따라 특정 수신기에 우선순위를 부여하여 선별적 에너지 전달이 가능한 우선순위 인식 기반 전력 할당을 가능하게 하기 위해.
• 전송 전력 제약의 비볼록성도 고려하면서 전송 신호 파rameter를 공동 최적화하여 WPT 효율을 극대화하기 위해.
• 실제 다중 수신기 환경에서 기존 알고리즘인 가장 가까운 이웃 및 최대 고유값 기반 beamforming에 비해 뚜렷한 효율 향상을 입증하기 위해.

제안 방법

• 방향성 자기장 제어를 위해 상호직각으로 배치된 3개의 코ils를 갖춘 3D 전송 코일을 사용하여 beamforming을 구현한다.
• 각 코일에 대해 공진 LC 회로 모델을 적용하고, 반사 손실을 최소화하기 위해 수신기 측에 개별 부하 저항을 설정한다.
• 상호유도 및 결합 효과를 포함한 beamforming 계수의 함수로 전송 전력 지표를 유도한다.
• 모든 코일 간의 결합을 고려하여 전력 제약 조건 하에서 WPT 효율을 극대화하는 데 목적이 있는 반복적 알고리즘을 제안한다.
• 사용자 정의 우선순위에 따라 수신 전력을 조정할 수 있는 우선순위 인식 최적화 프레임워크를 도입하여 타겟 에너지 전달을 가능하게 한다.
• 결합 및 신호 구조에 대한 가정을 통해 문제 차원을 감소시켜 계산적으로 실현 가능한 비최적 접근법을 채택한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 수신기 MI 시스템에서 전송 신호 진폭과 위상을 공동 최적화하면 기존 방법에 비해 WPT 효율이 어떻게 향상되는가?
• RQ2 다수의 수신기와 전송기 간의 상호유도가 전송 전력과 효율에 미치는 영향은 어느 정도이며, 이를 어떻게 모델링하고 완화할 수 있는가?
• RQ3 반사 전력과 결합 효과를 고려한 beamforming 알고리즘이 가장 가까운 이웃 또는 고유값 기반 beamforming과 같은 기준 방법보다 뛰어나게 성능을 발휘할 수 있는가?
• RQ4 우선순위 기반 전력 할당이 전체 시스템 효율과 beam pattern의 정렬성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 제안된 beamforming 알고리즘을 사용할 경우 다중 수신기 MI-WPT 시스템에서 달성 가능한 최대 전력 효율은 얼마인가?

주요 결과

• 제안된 beamforming 알고리즘은 3개 이상의 수신기가 존재하는 다중 수신기 WPT 시스템에서도 최대 96%의 전력 효율을 달성하며, 전력 손실이 단지 4%에 불과함을 입증한다.
• 강한 결합 조건(F > 1)에서 기존 방법에 비해 더 급격한 효율 증가를 보이며, 평균 효율이 최대 37% 높아진다.
• 가장 가까운 이웃 및 최대 고유값 기반 beamforming 방식보다 뚜렷이 뛰어난 성능을 보이며, 특히 상호유도 효과가 두드러지는 고결합 영역에서 두각을 나타낸다.
• 우선순위 인식 최적화를 통해 타겟 에너지 전달이 가능해지며, 우선순위 요소를 1:1에서 2:1로 증가시킬 경우 선호 수신기의 수신 전력이 크게 증가하여 가장 가까운 이웃 방법을 초월할 수 있다.
• beamforming 요소 F가 증가할수록 비추정 방향의 손실을 최소화하면서 에너지가 선호 수신기 쪽으로 집중되는 방향성 있는 beam pattern을 형성한다.
• 반복적 알고리즘은 국소 최적 해로 수렴하며, 전송 전력, 상호유도, 위상 정렬을 효과적으로 균형 잡아 시스템 효율을 극대화한다.