[논문 리뷰] Near-field Wireless Power Transfer for 6G Internet-of-Everything Mobile Networks: Opportunities and Challenges

Haiyang Zhang, Nir Shlezinger외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 17.

Energy Harvesting in Wireless Networks인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 6G 인터넷 오브 エverything (IoE) 네트워크를 위한 근거리 무선 전력 전송(WPT)을 제안하며, 대규모 밀리미터파(mmWave) 안테나 어레이를 활용해 에너지 빔을 집중시켜 고효율의 다중 사용자 충전을 가능하게 한다. 주요 기여는 근거리 영역의 구형 파면이 멀리 떨어진 영역의 평면 파면보다 뛰어난 에너지 집중과 에너지 오염 감소를 가능하게 하여, 밀도 높은 IoE 환경에서 효율적이고 정밀한 전력 전달을 실현한다는 점이다.

ABSTRACT

Radiating wireless power transfer (WPT) brings forth the possibility to cost-efficiently charge wireless devices without requiring a wiring infrastructure. As such, it is expected to play a key role in the deployment of limited-battery communicating devices, as part of the 6G enabled Internet-of-Everything (IoE) vision. To date, radiating WPT technologies are mainly studied and designed assuming that the devices are located in the far-field region of the power radiating antenna, resulting in a relatively low energy transfer efficiency. However, with the transition of 6G systems to mmWave frequencies combined with the usage of large-scale antennas, future WPT devices are likely to operate in the radiating near-field (Fresnel) region. In this article, we provide an overview of the opportunities and challenges which arise from radiating near-field WPT. In particular, we discuss about the possibility to realize beam focusing in near-field radiating conditions, and highlight its possible implications for WPT in future {IoE} networks. Besides, we overview some of the design challenges and research directions which arise from this emerging paradigm, including its simultaneous operation with wireless communications, radiating waveform considerations, hardware aspects, and operation with typical antenna architectures.

연구 동기 및 목표

• 분산에 의해 제한되는 빔폭과 낮은 에너지 농도로 인해 6G IoE 네트워크에서의 원거리 WPT의 비효율성을 해결한다.
• 구형 파면이 원거리 평면 파보다 더 좁은 빔 집중을 가능하게 하므로, 복사 근거리 WPT의 실현 가능성과 이점을 조사한다.
• 근거리 WPT를 동시에 무선 정보 및 전력 전송(SWIPT)과 기타 공통 기능(예: 위치 추적 및 센싱)과 통합하는 방법을 탐색한다.
• 근거리 WPT 시스템의 채널 추정, 웨이브폼 설계, 하드웨어 구현과 관련된 주요 설계 과제를 규명한다.
• 환경 인식 기반의 지능형 빔포밍을 통해 다이나믹한 6G IoE 환경에서 강건하고 낮은 에너지 오염을 유도하는 전력 전달을 실현한다.

제안 방법

• 프레넬 영역에서 전자기파의 파면 곡률을 고려하여, 평면 파가 아닌 구형 파면을 사용해 근거리 WPT를 모델링한다.
• 대규모 완전 디지털 또는 하이브리드 아날로그/디지털 안테나 어레이를 활용해 에너지 빔 집중을 실현하여 대상 장치에 전력을 집중시킨다.
• 정확한 채널 상태 정보(CSI)를 활용해 에너지 누설을 최소화하고 효율을 극대화하는 방향성 빔을 설계한다.
• 고입력 전력 하에서 정류 안테나의 비선형 RF-DC 변환 효율을 고려해 근거리 전파 특성을 반영한 웨이브폼을 설계한다.
• SWIPT 기법을 활용해 다중 사용자 무선 통신과 WPT를 통합하여 동시에 데이터와 전력을 전송할 수 있도록 한다.
• 기기 위치 및 환경 조건에 따라 빔 패턴을 동적으로 적응시키는 지능형 환경 인식 알고리즘을 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 6G IoE 네트워크에서 구형 파면을 갖는 근거리 WPT는 원거리 WPT에 비해 에너지 전송 효율을 어떻게 향상시키는가?
• RQ2 대규모 mmWave 안테나 어레이를 사용할 경우 복사 근거리에서 빔 집중과 에너지 농도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 비선형 정류 안테나 거동과 채널 특성을 고려해 근거리 WPT를 위한 웨이브폼 설계를 어떻게 최적화할 수 있는가?
• RQ4 6G 시스템에서 근거리 WPT를 통신, 위치 추적, 센싱과 공통 설계할 경우 발생하는 과제는 무엇인가?
• RQ5 지능형 환경 인식 빔포밍은 다이나믹한 IoE 환경에서 고효율을 유지하면서 에너지 오염을 어떻게 줄일 수 있는가?

주요 결과

• 근거리 WPT는 구형 파면의 곡률 덕분에 원거리 WPT보다 훨씬 좁은 빔 집중을 가능하게 하여, 대상 장치에 더 높은 에너지 농도를 집중시킬 수 있다.
• 수치적 결과는 근거리 WPT가 다수의 장치를 효율적으로 동시에 충전하면서도 원거리 시스템에 비해 에너지 누설을 최소화해 에너지 오염을 감소시킴을 보여준다.
• 대규모 안테나 어레이(특히 완전 디지털)는 빔 집중을 향상시키고 복사 근거리 영역을 확장시켜 에너지 전송 효율을 향상시킨다.
• 근거리 영역에서 정류 안테나의 RF-DC 변환 효율은 웨이브폼에 따라 달라지므로, 최적 성능을 내기 위해 특수 웨이브폼 설계가 필수적이다.
• 근거리 WPT는 SWIPT와 호환되며, 위치 추적 및 센싱 기능과 공통 설계가 가능해 다기능 6G 액세스 포인트를 실현할 수 있다.
• 비용, 전력 소모, 아날로그 빔포밍 복잡성과 같은 하드웨어 과제는 특히 대규모 구현에서 여전히 주요 과제로 남아 있다.