[논문 리뷰] Mobile Energy Internet

Mingqing Liu, Mingliang Xiong외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 03.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 9인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 장거리, 고출력, 안전한 에너지 전달을 몇 미터에서 수십 미터의 거리에서 가능하게 하는 차세대 무선 전력 전송 네트워크인 모바일 에너지 인터넷(MEI)을 제안한다. 공진 빔 충전(RBC)을 활용해 동시에 여러 장치를 충전할 수 있도록 함으로써, IoT의 핵심 과제인 배터리 재충전 문제를 해결하고, 인터넷의 에너지화(IoE) 개념을 모바일 환경으로 확장한다.

ABSTRACT

Similar to the evolution from wired Internet to mobile Internet (MI), the growing demand of power delivery anywhere and anytime appeals for power grid transformation from wired to mobile domain. We propose here the next generation of power delivery network -- mobile energy internet (MEI) for wireless energy transfer within a mobile range from several meters to tens of meters. MEI will be a significant complement for Internet of things (IoT), because battery charging is one of the biggest headaches for IoT devices. Since MEI relies on wireless power transfer (WPT), we at first review various WPT technologies and particularly introduce a promising long-range high-power WPT method, namely resonant beam charging (RBC), which can transmit wireless power to multiple devices concurrently and safely. Then, we specify the MEI application, configuration, and topology. Furthermore, we present the MEI layered functional architecture and software-defined MEI model. Finally, we discuss the features of MEI and outline its opportunities and challenges. MEI can be viewed as the expansion from Internet of energy (IoE) to mobile domain, which has the potential to play the similar role of MI in information technology.

연구 동기 및 목표

• 유선 전력 그물망을 이동형 무선 에너지 네트워크로 전환하여 언제 어디서나 전력 공급 수요를 충족시킨다.
• IoT 배포의 주요 장애 요인인 빈번한 배터리 재충전 문제를 해결하기 위해 지속적이고 무선적인 전력 공급을 가능하게 한다.
• 여러 장치를 동시에 지원할 수 있는 확장성 있고 안정적이며 효율적인 무선 전력 전송 프레임워크를 개발한다.
• MEI의 동적 관리와 상호운용성을 가능하게 하는 계층적 기능 아키텍처와 소프트웨어 정의 모델을 수립한다.
• MEI를 인터넷의 에너지화(IoE)의 이동형 진화로 위치지어, 정보 기술 분야에서 고정식 인터넷에서 이동형 인터넷으로의 전환과 유사한 발전을 이룬다.

제안 방법

• 기존의 무선 전력 전송(WPT) 기술을 검토하고 비교하여 범위, 효율성, 다중 장치 지원 측면에서의 한계를 규명한다.
• 장거리, 고출력 WPT에 적합한 공진 빔 충전(RBC) 기술을 제안하여 다중 장치에 안전하고 동시 전력 공급이 가능한 방법을 확보한다.
• 실내 및 실외 이동 환경에서의 MEI 응용 시나리오, 시스템 구성 및 네트워크 토폴로지 정의를 수행한다.
• 물리 계층, 데이터 링크 계층, 네트워크 계층, 전송 계층, 응용 계층을 포함한 계층적 기능 아키텍처를 제안하여 모듈화 설계와 확장성을 지원한다.
• 이동형 에너지 네트워크에서의 자원 할당, 네트워크 제어, 전력 전송 파rameter의 실시간 적응을 지원하기 위해 소프트웨어 정의 MEI 모델을 개발한다.
• 운영 중 인간 노출 한도를 준수할 수 있도록 RBC 프레임워크에 안전 메커니즘을 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 하면 이동 환경에서 몇 미터에서 수십 미터의 장거리 및 고출력 전력 전달을 위한 무선 전력 전송을 확장할 수 있는가?
• RQ2 어떤 WPT 기술이 장거리 이동 환경에서 여러 IoT 장치를 안전하고 동시에 충전할 수 있는가?
• RQ3 이동형 인터넷과 유사한 이동형 에너지 네트워크를 위한 확장성 있고 관리 가능한 아키텍처는 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ4 MEI에서 동적, 적응형, 안정적인 에너지 전달을 가능하게 하기 위해 필요한 기능 계층과 소프트웨어 정의 제어 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 확장성, 안전성, 응용 잠재력 측면에서 MEI는 기존의 에너지 및 정보 네트워크와 비교해 어떻게 다른가?

주요 결과

• 공진 빔 충전(RBC)은 동시에 여러 장치를 안전하고 효과적으로 충전할 수 있는 장거리 고출력 무선 에너지 전달이 가능하다.
• MEI는 이동형 인터넷(MI)이 고정식 인터넷에서 진화한 것과 유사하게, 인터넷의 에너지화(IoE)의 이동형 확장으로 제안된다.
• MEI의 계층적 기능 아키텍처는 다양한 응용 분야에서 에너지 전달의 모듈화 설계, 상호운용성, 동적 관리 지원을 가능하게 한다.
• 소프트웨어 정의 MEI 모델은 중앙 집중식 제어, 실시간 적응, 이동형 에너지 네트워크 내 효율적 자원 할당을 가능하게 한다.
• 지속적이고 무선적인 전력 공급을 통해 IoT 장치의 배터리 의존도를 크게 감소시킬 잠재력을 지닌다.
• MEI는 확장성 있고 이동형이며 안전한 무선 에너지 전달을 통해 IoT 배포에서 지속적인 배터리 재충전 문제를 해결함으로써 핵심적 격차를 메운다.