[논문 리뷰] Powering the Next Billion Devices with Wi-Fi

Vamsi Talla, Bryce Kellogg외 4명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 26.

Energy Harvesting in Wireless NetworksEngineering참고 문헌 24인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 기존 Wi-Fi 라우터와 칩셋을 사용하여 네트워크 성능 저하 없이 원거리 무선 전력 전달을 가능하게 하는 PoWiFi를 소개한다. 초과 브로드캐스트 트래픽와 다중 대역 에너지 수확 장치를 공동 설계함으로써, PoWiFi는 배터리가 없는 센서를 28피트 이내에서 구동시키고, 동전형 배터리를 재충전할 수 있으며, 실제 주거 환경에서 검증되었다. 센서의 경우 20~17피트 범위에서, 착용 기기의 경우 2.5시간 내에 41% 충전이 가능하다.

ABSTRACT

We present the first power over Wi-Fi system that delivers power and works with existing Wi-Fi chipsets. Specifically, we show that a ubiquitous piece of wireless communication infrastructure, the Wi-Fi router, can provide far field wireless power without compromising the network's communication performance. Building on our design we prototype, for the first time, battery-free temperature and camera sensors that are powered using Wi-Fi chipsets with ranges of 20 and 17 feet respectively. We also demonstrate the ability to wirelessly recharge nickel-metal hydride and lithium-ion coin-cell batteries at distances of up to 28 feet. Finally, we deploy our system in six homes in a metropolitan area and show that our design can successfully deliver power via Wi-Fi in real-world network conditions.

연구 동기 및 목표

• 기존 Wi-Fi 인fra를 활용하여 통신 성능 저하 없이 원거리 무선 전력 전달을 가능하게 하기.
• Wi-Fi의 침묵 기간으로 인한 에너지 누설 문제를 해결하기.
• 라우터 전송과 에너지 수확 하드웨어를 공동 설계하여 다중 Wi-Fi 채널을 통해 지속적인 효과적 전력 신호를 생성하기.
• 실제 실내 환경에서 에너지 수확 센서와 배터리 충전기의 실용적 구현을 보여주기.
• 광범위하게 사용되는 2.4GHz ISM 대역을 활용해 확장 가능하고 저비용이며 보편적인 무선 전력 전달을 실현하기.

제안 방법

• PoWiFi 라우터는 다중 Wi-Fi 채널(1, 6, 11)을 통해 초과 UDP 브로드캐스트 패킷을 전송하여 높은 누적 채널 점유율을 유지함으로써 지속적인 전송을 시뮬레이션한다.
• 2.4GHz 대역 전역에서 RF 에너지를 수확할 수 있도록 다중 채널 에너지 수확 장치를 설계하였으며, 주파수 간의 임피던스 매칭을 최적화하여 신호 반사 감소를 달성하였다.
• 표준 Wi-Fi 칩셋에서 유도된 OFDM 웨이브폼을 사용하여 고 피크 대 평균 전력 비율을 활용해 효율적인 전력 전달을 실현하였다.
• 수확된 에너지는 배터리가 없는 센서(온도 및 카메라)를 구동시키고, NiMH 및 리튬이온 동전형 배터리를 무선으로 재충전한다.
• 수평 방향에 관계없이 수확 성능을 극대화하기 위해 2 dBi 옴니 방향성 안테나를 수확 장치와 통합하였다.
• Jawbone UP24 기기와 같은 소비자용 착용 기기의 충전을 검증하기 위해 일반 목적의 USB 충전기 프로토타입을 제작하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 Wi-Fi 라우터를 수정하여 네트워크 성능 저하 없이 실용적인 원거리 무선 전력 전달을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 분산형 중복 액세스 프로토콜에서 발생하는 침묵 기간으로 인한 에너지 누설 문제를 다중 채널 전송 전략이 해결할 수 있는가?
• RQ3 표준 Wi-Fi 칩셋과 안테나를 사용하여 실용적인 거리에서 배터리가 없는 센서와 소형 배터리를 구동하거나 재충전할 수 있는가?
• RQ4 일반적인 간섭과 채널 조건이 존재하는 실제 주거용 Wi-Fi 환경에서 이러한 시스템을 구현하는 것이 가능한가?
• RQ5 표준 USB 인터페이스를 사용하여 상용 착용 기기의 충전을 지원할 수 있도록 시스템을 확장할 수 있는가?

주요 결과

• PoWiFi는 실제 환경에서 20피트 거리에서 배터리가 없는 온도 센서를, 17피트 거리에서 배터리가 없는 카메라 센서를 성공적으로 구동시켰다.
• 표준 Wi-Fi 신호를 사용하여 Ni-MH 및 리튬이온 동전형 배터리를 최대 28피트 거리에서 재충전할 수 있었다.
• PoWiFi 기반 프로토타입 USB 충전기는 5~7cm 거리에서 라우터로부터 2.5시간 내에 Jawbone UP24 착용 기기를 0%에서 41%까지 충전하였다.
• 6개의 도시 주거지에서의 배치 결과, 간섭과 다중 사용자 경쟁 조건이 존재하는 실제 Wi-Fi 환경에서도 신뢰할 수 있는 전력 전달이 가능함을 확인하였다.
• 다중 채널 전송 전략은 높은 누적 채널 점유율을 유지하여, 프로토콜에 의해 예약된 침묵 기간이 존재하더라도 지속적인 에너지 수확을 가능하게 하였다.
• 추가 트래픽가 낮은 브로드캐스트 UDP 패킷이므로 복호화가 필요 없고, Wi-Fi 성능에 미치는 영향이 최소화되어 효율적인 전력 전달이 가능하였다.