[논문 리뷰] Range Expansion for Wireless Power Transfer: A Joint Beamforming and Waveform Architecture.

Jung-Hoon Kim, Bruno Clerckx|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 04.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 10인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 전력 전송 범위를 연장하고 DC 출력 전력을 향상시키기 위해 채널 조건에 적응하는 복합 안내성 및 웨이브포맷 아키텍처를 제안한다. 실내 사무실 테스트베드에서의 실험을 통해 채널 적응 신호 설계가 범위와 효율성을 크게 향상시킴을 입증하였으며, 분석 모델을 통해 전력 제약 조건 하에서 성능을 정확히 예측할 수 있음을 보였다.

ABSTRACT

Far-field Wireless Power Transfer (WPT) has emerged as a viable power source for Internet of Things (IoT) and Wireless Sensor Network (WSN). Expansion of the power transfer range is an important challenge to enable the design of efficient networks of small autonomous devices and drive the massive numbers of devices using a single wireless power source. Several signal design strategies have been proposed and verified to maximize the output DC power at the receiver under a transmit power constraint. In this paper, we study channel-adaptive beamforming and waveform to expand the power transfer range as well as output DC power performance. To that end, we have designed, prototyped a far-field WPT system and established a WPT testbed in a realistic indoor environment. The experiments have been conducted in a variety of wireless channel conditions in an indoor office environment with various distances. The measurement data have been fitted using simple analytical model to analyze the output DC power and achievable range improvement depending on the signal design schemes and the number of tones and antennas. The model shows a clear relationship between signal design versus output DC power and achievable range, and enables to predict the achievable power transfer range for given transmit power constraint and target received DC power. Results highlight the significant benefit of a channel-adaptive joint beamforming and waveform architecture to expand the power transfer range.

연구 동기 및 목표

• IoT 및 WSN 응용 분야에서의 원거리 무선 전력 전송(WPT) 시스템에서 제한된 전력 전송 범위 문제를 해결한다.
• 동적인 실내 무선 환경에서 고정된 신호 설계의 비효율성을 극복한다.
• 채널 조건에 적응하는 복합 안내성 및 웨이브포맷 아키텍처를 개발하고 검증하여 출력 DC 전력을 최대화하고 범위를 연장한다.
• 다양한 거리와 채널 조건에서 시스템 성능을 평가하기 위해 실내 WPT 테스트베드를 구축한다.
• 전송 전력과 목표 DC 전력 요구사항을 바탕으로 달성 가능한 전력 전송 범위를 예측할 수 있는 분석 모델을 구축한다.

제안 방법

• 다중 안테나 전송 및 다중 톤 웨이브포맷 기능을 갖춘 원거리 WPT 시스템을 설계하고 프로토타yped한다.
• 다양한 거리와 무선 채널 조건에서 실내 사무실 환경에서 실험을 수행한다.
• 채널 추정을 활용하여 전파 조건에 맞게 실시간으로 안내성 가중치와 웨이브포맷 파rameter를 적응시킨다.
• 측정된 DC 출력 전력 데이터를 단순한 분석 모델에 적합시켜 안테나 수와 톤 수가 성능에 미치는 영향을 정량화한다.
• 모델을 활용해 주어진 전송 전력과 목표 DC 전력 제약 조건 하에서 달성 가능한 전력 전송 범위를 예측한다.
• 안내성 이득 및 다중 톤 웨이브포맷 최적화를 포함한 다양한 신호 설계 기법의 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실내 환경에서 복합 안내성 및 웨이브포맷 적응 설계는 전력 전송 범위를 얼마나 향상시키는가?
• RQ2 안테나 수와 톤 수가 DC 출력 전력과 범위 연장에 미치는 정량적 영향은 무엇인가?
• RQ3 동적인 실내 채널에서 채널 적응 신호 설계가 고정된 신호 설계보다 얼마나 뛰어나게 성능을 발휘하는가?
• RQ4 분석 모델은 주어진 시스템 제약 조건 하에서 달성 가능한 범위와 DC 전력을 얼마나 정확히 예측할 수 있는가?
• RQ5 범위와 효율을 최대화하기 위해 전송 전력, 안테나 수, 웨이브포맷 설계 간의 상호 갈등은 어떻게 발생하는가?

주요 결과

• 복합 안내성 및 웨이브포맷 아키텍처는 기존의 고정 신호 설계 대비 전력 전송 범위를 크게 연장한다.
• 안테나 수와 톤 수를 늘일수록 동일한 전송 전력 조건에서 DC 출력 전력이 향상되고 더 긴 전력 전송 범위를 달성할 수 있다.
• 분석 모델은 신호 설계 파rameter와 출력 DC 전력 간의 관계를 정확히 포착하여 신뢰할 수 있는 성능 예측이 가능하다.
• 채널 적응 신호 설계는 모든 테스트 거리에서 수신기에서 더 높은 DC 전력을 달성하며, 특히 비선시각 및 다중 경로 환경에서 두드러진 성능 향상을 보였다.
• 실내 사무실 환경에서 실제 측정 결과를 통해 시스템의 범위 연장 효과를 입증하였으며, 이는 IoT 및 WSN 구현을 위한 적응형 WPT의 실용성을 입증한다.
• 실시간 채널 피드백에 기반한 안내성과 웨이브포맷의 공동 최적화가 최적의 성능을 달성함을 보였다.