[논문 리뷰] On the Radio Stripe Deployment for Indoor RF Wireless Power Transfer

Amirhossein Azarbahram|arXiv (Cornell University)|2023. 10. 14.

Energy Harvesting in Wireless NetworksEngineering참고 문헌 15인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 실내 RF 무선 전력 전송 시스템에서 에너지 수확 핫스팟에서의 최소 수신 전력을 최대화하기 위해 라디오 스트립 네트워크의 최적 배치 전략을 제안한다. 기하학적 프로그래밍을 사용하여 직선형 및 다각형 형태의 라디오 스트립을 설계함으로써, 경로 손실을 감소시키고 근거리 빔포커싱을 가능하게 하여, 특히 스트립 길이가 길고 주파수도 낮을수록 중심 집중형 풀디지털 어레이보다 우수한 성능을 달성한다.

ABSTRACT

One of the primary goals of future wireless systems is to foster sustainability, for which, radio frequency (RF) wireless power transfer (WPT) is considered a key technology enabler. The key challenge of RF-WPT systems is the extremely low end-to-end efficiency, mainly due to the losses introduced by the wireless channel. Distributed antenna systems are undoubtedly appealing as they can significantly shorten the charging distances, thus, reducing channel losses. Interestingly, radio stripe systems provide a cost-efficient and scalable way to deploy a distributed multi-antenna system, and thus have received a lot of attention recently. Herein, we consider an RF-WPT system with a transmit radio stripe network to charge multiple indoor energy hotspots, i.e., spatial regions where the energy harvesting devices are expected to be located, including near-field locations. We formulate the optimal radio stripe deployment problem aimed to maximize the minimum power received by the users and explore two specific predefined shapes, namely the straight line and polygon-shaped configurations. Then, we provide efficient solutions relying on geometric programming to optimize the location of the radio stripe elements. The results demonstrate that the proposed radio stripe deployments outperform a central fully-digital square array with the same number of elements and utilizing larger radio stripe lengths can enhance the performance, while increasing the system frequency may degrade it.

연구 동기 및 목표

• 고경로 손실로 인해 실내 환경에서 RF 무선 전력 전송(WPT)의 종단 간 효율이 낮은 문제를 해결하기 위해.
• 충전 거리를 단축하고 에너지 전달 성능을 향상시키기 위해, 집중형 어레이에 대한 비용 효율적인 대안으로 분산형 안테나 배치인 라디오 스트립을 탐색하기 위해.
• 사전 정의된 실내 에너지 핫스팟에서 수신하는 최소 전력을 최대화하는 최적화 문제를 수립하고 해결하기 위해.
• 동일한 하드웨어 제약 조건 하에서 중심 풀디지털 정사각형 어레이 기준과의 성능 비교를 위해.
• 라디오 스트립의 형태(선형 대 다각형), 길이, 운영 주파수의 시스템 성능에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 사용자 위치에서의 최소 수신 전력을 최대화하기 위해 라디오 스트립 설치 문제를 기하학적 프로그래밍(GP) 최적화 문제로 수립한다.
• 송신기를 케이블에 배열된 안테나 요소의 분산 어레이로 모델링하며, 등간격 및 위상 제어를 적용한다.
• 두 가지 사전 정의된 형태인 직선형 및 다각형 형태의 구성 방식을 고려하여, 빔포밍 이득을 위해 요소의 위치를 최적화한다.
• 최대 비율 전송(MRT) 및 정수형 프로그래밍(SDP)-기반 예비코드를 사용하여 빔포밍 가중치를 계산한다.
• 구면 파면을 고려하기 위해 근거리 채널 모델을 사용하여, 원거리 빔포밍을 초월한 공간적 전력 집중을 가능하게 한다.
• 주파수, 총 전력, 요소 수, 핫스팟 위치 등의 시스템 파라미터를 설정하여 다양한 구성에서의 성능을 평가한다.

Figure 1 : Radio stripe system model with a central processing unit (CPU), exemplified with a restaurant scenario.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실내 RF-WPT에서 라디오 스트립 설치의 성능은 중심 풀디지털 어레이와 비교해 최소 수신 전력 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ2 실내 핫스팟에서 최소 에너지 수확을 극대화하기 위해 라디오 스트립 요소를 선형 또는 다각형 형태로 어떻게 배치해야 하는가?
• RQ3 라디오 스트립 길이를 늘일 경우 시스템 성능에 어떤 영향을 미치며, 에너지 전달 성능이 일관되게 향상되는가?
• RQ4 높은 주파수에서 경로 손실이 증가함에도 불구하고 단위 길이당 더 많은 안테나 요소를 가질 수 있음에 비춰, 운영 주파수가 시스템 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 다양한 형태(선형 대 다각형)는 빔포밍의 정렬성과 근거리 집중 능력에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 라디오 스트립 설치 방식은 특히 근거리 조건에서 중심 풀디지털 정사각형 어레이보다 최소 수신 전력 측면에서 뛰어난 성능을 보인다.
• 라디오 스트립 길이를 늘임으로써 더 큰 영역에 더 많은 요소를 분산 배치함으로써 빔포밍 자유도를 향상시키고 사용자까지의 평균 거리를 줄여 성능 향상을 이룬다.
• 높은 운영 주파수에서는 단위 길이당 더 많은 안테나 요소가 있음에도 불구하고 경로 손실 증가로 인해 시스템 성능이 열악해진다.
• 다각형 형태의 라디오 스트립은 MRT 기반 예비코드를 사용할 경우 선형 형태보다 더 우수한 성능을 보이며, 핫스팟과의 균일한 접근성을 통해 유리하다.
• 더 큰 영역에서는 중심 어레이가 공통된 요소로 인해 더 높은 경로 손실을 겪기 때문에, 라디오 스트립과 중심 어레이 간의 성능 격차가 커진다.
• SDP 기반 예비코드를 사용할 경우 다각형 형태의 배치가 가장 우수한 성능을 보이며, 선형 형태의 배치는 심각하게 성능 저하를 겪어 중심-FD 기준 성능에 가까워진다.

Figure 2 : Fraunhofer and Fresnel distances as a function of (a) the radio stripe length with $f=10$ GHz (left) and (b) the frequency for a 1 m radio stripe length (right). The Square-FD refers to a square planar array with its number of elements matching the nearest square number to the number of r