[논문 리뷰] Signal and System Design for Wireless Power Transfer : Prototype, Experiment and Validation

Jung-Hoon Kim, Bruno Clerckx외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 04.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 36인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 채널 적응형 빔포밍과 웨이브포밍 설계를 통합하여 수확된 DC 전력을 최대화하는 소프트웨어 정의 무선(SDR) 기반 무선 전력 전송(WPT) 프로토타입을 제안하고 실험적으로 검증한다. 정류기 비선형성과 실시간 채널 상태 정보를 활용함으로써, 주파수 선택성과 fading 환경에서 연속파 전송 대비 최대 60% 높은 DC 전력을 달성하며, 이는 실제 환경에서 이론적 예측을 확인한다.

ABSTRACT

A new line of research on communications and signals design for Wireless Power Transfer (WPT) has recently emerged in the communication literature. Promising signal strategies to maximize the power transfer efficiency of WPT rely on (energy) beamforming, waveform, modulation and transmit diversity, and a combination thereof. To a great extent, the study of those strategies has so far been limited to theoretical performance analysis. In this paper, we study the real over-the-air performance of all the aforementioned signal strategies for WPT. To that end, we have designed, prototyped and experimented an innovative radiative WPT architecture based on Software-Defined Radio (SDR) that can operate in open-loop and closed-loop (with channel acquisition at the transmitter) modes. The prototype consists of three important blocks, namely the channel estimator, the signal generator, and the energy harvester. The experiments have been conducted in a variety of deployments, including frequency flat and frequency selective channels, under static and mobility conditions. Experiments highlight that a channeladaptive WPT architecture based on joint beamforming and waveform design offers significant performance improvements in harvested DC power over conventional single-antenna/multiantenna continuous wave systems. The experimental results fully validate the observations predicted from the theoretical signal designs and confirm the crucial and beneficial role played by the energy harvester nonlinearity.

연구 동기 및 목표

• 이론적 WPT 신호 설계와 실제 성능 사이의 격차를 해소하기 위해 고도화된 신호 전략을 프로토타이핑하고 테스트한다.
• 실제 WPT 시스템에서 RF에서 DC로의 변환 효율에 정류기 비선형성이 미치는 영향을 조사한다.
• 오픈 루프 및 클로즈드 루프(CSIT 기반) 운영 조건에서 빔포밍과 웨이브포밍 설계의 통합이 가져오는 성능 향상을 평가한다.
• 실제 공중 환경에서 기존 변조 방식, 에너지 특화 변조 방식, 그리고 전송 다각도를 통한 인공적인 fading을 비교한다.
• 회로 시뮬레이션과 실제 하드웨어 실험을 통해 DC 전력 전달에 대한 이론적 스케일링 법칙을 검증한다.

제안 방법

• 채널 추정기, 신호 생성기, 에너지 수확 장치를 포함하는 세 핵심 구성 요소를 갖춘 SDR 기반 WPT 프로토타입을 개발하여 오픈 루프 및 클로즈드 루프 운영을 모두 지원한다.
• 전송기에서의 채널 상태 정보(CSIT)를 활용하여 빔포밍과 웨이브포밍 설계를 통합하며, 주파수 선택성과 정류기 비선형성에 맞춰 웨이브포밍 최적화를 수행한다.
• 신호 생성은 MATLAB로 구현하고 SDR 하드웨어를 통해 전송하며, 클로즈드 루프 운영을 위한 실시간 피드백을 제공한다.
• PSPICE를 사용한 회로 시뮬레이션을 통해 이론적 스케일링 법칙을 검증하고, 플래시 신호 전송 및 기존 변조 방식을 포함한 다양한 변조 형식 간 성능을 비교한다.
• 다양한 환경에서 실험을 수행하였으며, 주로 주파수 평탄성 및 주파수 선택성 fading 채널에서 정적 및 이동 중 조건을 모두 포함한다.
• 에너지 수확 장치의 비선형 I-V 특성을 모델링하고 이를 활용하여 RF에서 DC로의 변환 효율을 향상시켰으며, 선형화된 모델과의 결과를 대조하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 WPT 시스템에서 빔포밍과 웨이브포밍 설계의 통합은 기존 연속파 전송 대비 수확된 DC 전력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 정류기 비선형성이 RF에서 DC로의 변환 효율에 얼마나 기여하며, 이를 신호 설계를 통해 어떻게 활용할 수 있는가?
• RQ3 WPT에서 에너지 특화 변조 방식(예: 플래시 신호 전송, RG)은 기존 통신 변조 방식 대비 어떤 성능 향상을 가져오는가?
• RQ4 CSIT의 가용성이 주파수 선택성 및 fading 채널에서 WPT 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 실제 SDR 기반 테스트베드를 통해 DC 전력 전달에 대한 이론적 스케일링 법칙을 실험적으로 검증할 수 있는가?

주요 결과

• 프로토타입은 CSIT 기반 빔포밍과 웨이브포밍 설계의 통합이 수확된 DC 전력에 상당한 향상을 가져옴을 입증하였으며, 연속파 전송 대비 최대 60%의 성능 향상을 달성하였다.
• l=4인 플래시 신호 전송이 가장 높은 성능을 보였으며, 연속파 전송 대비 60% 높은 DC 전력을 제공하였고, 16QAM과 같은 기존 변조 방식은 단지 17%의 향상에 그쳤다.
• RG 및 플래시 신호 전송과 같은 에너지 변조 방식은 표준 변조 방식보다 정류기 비선형성을 더 효과적으로 활용하며, 일정 전압 신호에 의해 제한되는 기존 변조 방식에 비해 우수하다.
• 회로 시뮬레이션은 이론적 스케일링 법칙을 확인하였고, 웨이브포밍 및 빔포밍의 성능 향상이 시뮬레이션과 실제 하드웨어 실험 모두에서 일관되게 나타남을 보여주었다.
• 선형화된 수확기 모델을 사용할 경우, 실제 비선형성이 효율 향상에 기여하는 바를 반영하지 못하여 부적절한 신호 설계가 이루어짐을 확인하였다.
• 실험 결과는 최적의 신호 설계가 주파수 선택성, 빔포밍 이득, 정류기 비선형성을 종합적으로 고려해야 최대 효율을 달성할 수 있음을 검증하였다.