[논문 리뷰] Prototyping and Experimentation of a Closed-Loop Wireless Power Transmission with Channel Acquisition and Waveform Optimization

Jung-Hoon Kim, Bruno Clerckx외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 06.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 3인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 소프트웨어 정의 무선(SDR) 플랫폼과 맞춤형 전압 두배기 수확기(rectenna)를 사용하여 실시간 채널 상태 정보 획득 및 적응형 파형 최적화를 수행하는 폐쇄형 루프 무선 전력 전송(WPT) 시스템의 첫 번째 실험적 프로토타입을 제시한다. 스케일드 매치 필터(SMF) 방법을 통해 추정된 채널 상태 정보를 기반으로 8개의 다중정현파 톤의 진폭과 위상을 동적으로 조정함으로써, 실생활 사무실 환경에서 비선형성(비선로, NLoS) 조건에서 비적응형 파형 대비 평균 수확된 DC 전력이 9.8%에서 36.8% 향상됨을 확인하였다.

ABSTRACT

A systematic design of adaptive waveform for Wireless Power Transfer (WPT) has recently been proposed and shown through simulations to lead to significant performance benefits compared to traditional non-adaptive and heuristic waveforms. In this study, we design the first prototype of a closed-loop wireless power transfer system with adaptive waveform optimization based on Channel State Information acquisition. The prototype consists of three important blocks, namely the channel estimator, the waveform optimizer, and the energy harvester. Software Defined Radio (SDR) prototyping tools are used to implement a wireless power transmitter and a channel estimator, and a voltage doubler rectenna is designed to work as an energy harvester. A channel adaptive waveform with 8 sinewaves is shown through experiments to improve the average harvested DC power at the rectenna output by 9.8% to 36.8% over a non-adaptive design with the same number of sinewaves.

연구 동기 및 목표

• 실시간 채널 획득 및 파형 최적화 기능을 갖춘 폐쇄형 루프 무선 전력 전송 시스템의 첫 번째 실생활 프로토타입을 구현하는 것.
• 실제 공중 환경에서 이론적 성능 향상 효과가 비적응형 및 히وري스틱 설계 대비 채널 적응형 파형에 의해 달성되는지 검증하는 것.
• 주파수 선택성(예: NLoS)이 실생활 WPT 시스템에서 적응형 파형 설계의 효과성에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 실시간 SDR 기반 시스템에서 스케일드 매치 필터(SMF) 방법을 사용한 저복잡도 파형 최적화의 실현 가능성과 성능을 평가하는 것.

제안 방법

• 시스템 아키텍처는 SDR 하드웨어와 LabVIEW 소프트웨어를 사용하여 채널 추정기, 파형 최적화기, 에너지 수확기로 구성된다.
• 채널 상태 정보(CSI)는 10 MHz 대역폭에서 20기지(320 μs)를 할애하여 훈련용 톤을 사용한 최소 제곱법 추정을 통해 획득된다.
• 파형 최적화기는 추정된 CSI를 바탕으로 8개의 균일하게 분포된 정현파에 대한 진폭 및 위상 파rameter를 스케일드 매치 필터(SMF) 방법을 통해 계산한다.
• 송신기는 SDR 플랫폼(USRP N210)을 사용하여 최적화된 다중정현파를 변조하고 2.4 GHz 중심 주파수에서 전송한다.
• 스카이웍스(Skyworks) SMS7630 쇼트키 다이오드를 사용한 맞춤형 전압 두배기 수확기를 설계하였으며, 50 Ω에 매칭되었고, 2.4 GHz에서 입력 반사 손실은 -30 dB였다.
• 시스템은 고정된 송신 전력 35 dBm으로 작동하며, 정적 사무실 조건에서 두 분 동안의 간격으로 수확된 DC 전력을 측정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실시간 채널 획득 및 적응형 파형 최적화를 갖춘 폐쇄형 루프 WPT 시스템이 실생활 환경에서 비적응형 설계 대비 측정 가능한 성능 향상을 이룰 수 있는가?
• RQ2 선로(LoS)와 비선로(NLoS) 전파 조건 간에 적응형 파형의 성능 향상은 어떻게 달라지는가?
• RQ3 스케일드 매치 필터(SMF) 방법이 실시간 SDR 플랫폼에서 채널 적응형 파형의 저복잡도 실현 가능성을 어느 정도 향상시키는가?
• RQ4 CSI 기반 파형 최적화를 사용할 경우, 정현파에 균일하게 전력 할당하는 것에 비해 수확된 DC 전력에 어떤 측정 가능한 향상이 있는가?

주요 결과

• CSI 추정 기반의 채널 적응형 파형 사용으로 선로(LoS) 환경에서 평균 수확된 DC 전력이 9.8% 향상되었다.
• 더 높은 주파수 선택성을 가지는 비선로(NLoS) 환경에서는 비적응형 파형 대비 성능 향상이 36.8%에 이르렀다.
• 두 번째 NLoS 테스트 케이스에서 수확된 DC 전력은 25.9% 향상되어 주파수 선택성 채널에서의 적응의 유용성을 확인하였다.
• 연속파 신호에서 -20 dBm 입력 전력에서 수확기의 RF-DC 변환 효율이 12%에 도달하여 에너지 수확기의 효과성을 검증하였다.
• 결과적으로 CSI 기반 파형 최적화가 비적응형 또는 히وري스틱 설계보다 훨씬 높은 종단 간 전력 전송 효율을 달성함을 확인하였으며, 특히 주파수 선택성 fading 환경에서 두드러진다.
• 프로토타입은 SDR 및 실용적 하드웨어 구성 요소를 사용한 동적 채널 획득 및 저복잡도 파형 최적화 기능을 갖춘 폐쇄형 루프 WPT의 실현 가능성과 실생활 이점을 입증하였다.