[논문 리뷰] Enabling Wireless Power Transfer in Cellular Networks: Architecture, Modeling and Deployment

Kaibin Huang, Vincent K. N. Lau|arXiv (Cornell University)|2012. 07. 24.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 19인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 마이크로파 전력 전송(MPT)을 통해 무선 충전을 가능하게 하기 위해 무작위로 배치된 전력 비콘(PB)으로 상향링크 기지국(BS)을 오버레이하는 하이브리드 세포망 아키텍처를 제안한다. 포아송 점 프로세스를 사용한 스토하스틱 기하학을 통해 유도된 핵심 트레이드오프는, 등방성 MPT의 경우 $ q\tau_p\tau_b^{\alpha/2} $ 가 임계값을 초과해야 하며, 방향성 MPT의 경우 어레이 이득 $ z_m $ 와 $ (z_m q)^{2/\alpha} \tau_b $ 가 충분히 크게 유지되어야 하행성 전력 전달이 외부 장애 조건 하에서도 신뢰성 있게 이루어질 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

Microwave power transfer (MPT) delivers energy wirelessly from stations called power beacons (PBs) to mobile devices by microwave radiation. This provides mobiles practically infinite battery lives and eliminates the need of power cords and chargers. To enable MPT for mobile charging, this paper proposes a new network architecture that overlays an uplink cellular network with randomly deployed PBs for powering mobiles, called a hybrid network. The deployment of the hybrid network under an outage constraint on data links is investigated based on a stochastic-geometry model where single-antenna base stations (BSs) and PBs form independent homogeneous Poisson point processes (PPPs) and single-antenna mobiles are uniformly distributed in Voronoi cells generated by BSs. In this model, mobiles and PBs fix their transmission power at p and q, respectively; a PB either radiates isotropically, called isotropic MPT, or directs energy towards target mobiles by beamforming, called directed MPT. The model is applied to derive the tradeoffs between the network parameters including p, q, and the BS/PB densities under the outage constraint. First, consider the deployment of the cellular network. It is proved that the outage constraint is satisfied so long as the product the BS density decreases with increasing p following a power law where the exponent is proportional to the path-loss exponent. Next, consider the deployment of the hybrid network assuming infinite energy storage at mobiles. It is shown that for isotropic MPT, the product between q, the PB density, and the BS density raised to a power proportional to the path-loss exponent has to be above a given threshold so that PBs are sufficiently dense; for directed MPT, a similar result is obtained with the aforementioned product increased by the array gain. Last, similar results are derived for the case of mobiles having small energy storage.

연구 동기 및 목표

• 전용 전력 비콘(PB)을 통해 마이크로파 전력 전송(MPT)을 이용해 세포망 내에서 무선 전력 전송(WPT)을 가능하게 하기.
• 모바일 기기를 무선로 충전하면서도 상향링크 세포망 연결성을 안정적으로 유지하는 과제를 해결하기.
• 외부 장애 조건 하에서 기지국(BS) 및 전력 비콘(PB) 밀도, 전송 전력, 빔포밍 기법 간의 트레이드오프를 모델링하고 분석하기.
• 대용량 또는 소용량 에너지 저장 능력을 갖춘 모바일 기기들을 위한 등방성 또는 방향성 MPT를 활용한 하이브리드 네트워크 구축 설계 가이드라인 제공하기.

제안 방법

• 기지국(BS)과 전력 비콘(PB)을 각각 독립적이고 균일한 포아송 점 프로세스(PPP)로 모델링하고, 모바일 기기는 BS의 바르노이 세포 내에 균일하게 분포되어 있음을 가정한다.
• 스토하스틱 기하학을 적용하여, 모바일 기기가 PB로부터 충분한 전력을 수신해야 한다는 조건 하에서 상향링크 데이터 링크의 외부 장애 확률을 분석한다.
• 두 가지 MPT 모드를 고려한다: 등방성 복사(무방향성 PB)와 방향성 MPT(대상 모바일 기기로 향하는 빔포밍)로 어레이 이득 $ z_m $ 이 포함된다.
• 경로 손실 지수 $ \alpha $ 에 의해 스케일링된 PB 전송 전력 $ q $, PB 밀도 $ \tau_p $, BS 밀도 $ \tau_b $ 의 곱에 대한 해석적 표현을 유도한다.
• 모바일 기기의 에너지 저장 용량이 크기 때문에 가능한 매개변수 영역을 수치적으로 계산하기 위해 레마 3를 활용하고, 저장 용량이 작은 경우 시뮬레이션을 수행한다.
• 빔포밍에서 어레이 이득 $ z_m $ 의 영향을 반영하여 효과적인 전력 증가를 모델링하고, 방향성 MPT의 경우 수정된 임계값을 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 세포망에서 기지국 밀도에 따라 상향링크 외부 장애 조건을 유지하기 위해 필요한 최소 모바일 전송 전력은 얼마인가?
• RQ2 등방성 MPT 하에서 PB 전송 전력 $ q $, PB 밀도 $ \tau_p $, BS 밀도 $ \tau_b $ 는 어떻게 상호 보완되어야 하며, 이는 신뢰성 있는 에너지 전달을 보장하는가?
• RQ3 어레이 이득 $ z_m $ 를 갖는 빔포밍(방향성 MPT)은 등방성 MPT에 비해 필요한 PB 밀도와 전송 전력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 다양한 저장 용량과 MPT 구성 조건 하에서 충분한 전력 전달을 확보하기 위한 $ q\tau_p\tau_b^{\alpha/2} $ 와 $ (z_m q)^{2/\alpha}\tau_b $ 의 임계값은 무엇인가?
• RQ5 모바일 기기의 제한된 에너지 저장 용량은 하이브리드 네트워크 배치의 타당성과 필요한 PB 밀도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 세포망만 존재하는 경우, 분석에서 간섭이 없기 때문에 노이즈의 영향 없이 $ p\tau_b^{\alpha/2} $ 가 임계값을 초과하면 외부 장애 조건이 충족된다.
• 대용량 모바일 기기와 함께 등방성 MPT를 사용할 경우, 충분한 전력 전달을 확보하기 위해 $ q\tau_p\tau_b^{\alpha/2} $ 가 주어진 임계값을 초과해야 한다.
• 대용량 저장 용량과 함께 방향성 MPT를 사용할 경우, $ z_m q \tau_p \tau_b^{\alpha/2} $ 가 다른 임계값을 초과해야 하며, 어레이 이득 $ z_m $ 이 효과적인 전력 전달을 증가시킨다.
• 방향성 MPT의 경우, 거리에 관계없이 충분한 전력 전달을 보장하기 위해 $ (z_m q)^{2/\alpha} \tau_b $ 가 충분히 크게 유지되어야 하며, 그렇지 않으면 PB가 최소 전력 요구량을 충족하지 못한다.
• 소용량 에너지 저장 기능을 갖춘 모바일 기기의 경우, $ q^{2/\alpha} \tau_p \tau_b^{\alpha/\alpha} $ 와 $ q^{2/\alpha} \tau_b $ 가 모두 충분히 크게 유지되어야 다수의 PB로부터의 에너지 누적 효과를 보상할 수 있다.
• 가능성 영역 분석 결과, 저밀도 기지국 환경에서는 등방성 MPT가 더 우수하고, 고밀도 기지국 환경에서는 빔포밍에 의존도가 낮아지기 때문에 방향성 MPT가 더 효율적임을 확인할 수 있다.