[논문 리뷰] Waveform Optimization for Radio-Frequency Wireless Power Transfer

Mohammad R. Vedady Moghadam, Yong Zeng외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 11.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 14인용 수 34

한 줄 요약

이 논문은 테일러 근사 없이 다이오드 거동을 정확히 반영하는 비선형 수확기 모델을 제안한다. 전송 전력 제약 하에 수확하는 직류(DC) 전력의 최대화를 목표로 다주파수 파형 최적화 문제를 수립하며, 두 가지 저복잡도 솔루션인 주파수 도메인 최대비율 전송(MRT)과 이차제약 선형계획문제로 근사하는 순차적 볼록 프로그래밍(SCP-QCLP)을 제안한다. 이는 이전 방법보다 효율성과 계산 속도 면에서 뛰어나다.

ABSTRACT

In this paper, we study the waveform design problem for a single-input single-output (SISO) radio-frequency (RF) wireless power transfer (WPT) system in frequency-selective channels. First, based on the actual non-linear current-voltage model of the diode at the energy receiver, we derive a semi-closed-form expression for the deliverable DC voltage in terms of the incident RF signal and hence obtain the average harvested power. Next, by adopting a multisine waveform structure for the transmit signal of the energy transmitter, we jointly design the multisine signal amplitudes and phases overall frequency tones according to the channel state information (CSI) to maximize the deliverable DC voltage or harvested power. Although our formulated problem is non-convex and difficult to solve, we propose two suboptimal solutions to it, based on the frequency-domain maximal ratio transmission (MRT) principle and the sequential convex optimization (SCP) technique, respectively. Using various simulations, the performance gain of our solutions over the existing waveform designs is shown.

연구 동기 및 목표

• RF 무선 전력 전송(WPT)에서 선형 에너지 수확(EH) 모델의 한계를 해결하기 위해, 실제 다이오드 비선형성을 정확히 반영하지 못하는 문제를 해결한다.
• 테일러 근사를 피하고 더 정확히 수확기 비선형성을 반영하는 일반적인 회로 기반 EH 모델을 개발한다.
• 전송 총전력 제약 하에 전달 가능한 DC 전력의 최대화를 목표로 다주파수 파형 최적화 문제를 수립한다.
• 비볼록 최적화 문제에 대해 성능과 계산 속도 면에서 기존 방법을 능가하는 저복잡도의 부분최적 솔루션을 설계한다.

제안 방법

• 비선형 다이오드 전류-전압 모델 기반으로 DC 전압에 대한 반폐쇄형 표현식을 유도하여, 정확한 수확 전력 추정이 가능하도록 한다.
• 다주파수 전송 신호 구조를 가정하고, 주파수 대역에서의 진폭과 위상을 동시에 최적화하는 비볼록 최적화 문제를 수립한다.
• 각 주파수 대역에서 채널 이득과 전송 전력이 일치하도록 정렬함으로써 폐쇄형 최적화를 달성하는 주파수 도메인 MRT 솔루션을 제안한다.
• 반복적으로 문제를 볼록 이차제약 선형계획문제(QCLP)로 근사하는 SCP-QCLP 알고리즘을 개발하였으며, 각 단계에서 폐쇄형으로 해결할 수 있다.
• 시간 평균 DC 전력 표현식을 단순화하기 위해 큰 LPF 커패시턴스를 가정하여 수신 신호의 지수함수 형태로 변환한다.
• 수렴 기준으로 ε = 10⁻³을 사용하고, 단일 주파수 선형 모델 및 4차 테일러 근사를 사용한 SCP-GP와의 비교를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 회로 분석 기반의 비선형 수확기 모델은 테일러 근사 모델에 비해 수확 전력 추정 정확도를 얼마나 향상시키는가?
• RQ2 전송 전력 제약 하에 주파수 선택적 fading 채널에서 DC 전력 전달을 최대화하는 최적의 다주파수 파형 설계는 무엇인가?
• RQ3 폐쇄형 주파수 도메인 MRT 솔루션은 비선형 WPT 시스템에서 기존 단일 주파수 설계보다 성능이 뛰어나다고 할 수 있는가?
• RQ4 전송 전력이 증가함에 따라 제안된 SCP-QCLP 알고리즘이 기존 SCP-GP 방법에 비해 수렴 속도와 정확도 면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ5 비선형 정류를 고려할 경우 파형의 PAPR는 수확 전력에 얼마나 큰 영향을 미치는가?

주요 결과

• SCP-QCLP 알고리즘은 모든 테스트된 전송 전력 수준(PT)과 주파수 대역 수(N)에서 가장 높은 수확 DC 전력을 달성하며, SCP-GP 및 주파수-MRT를 모두 능가한다.
• 주파수-MRT 솔루션은 SCP-QCLP 및 SCP-GP와 매우 유사한 성능를 보이며, 폐쇄형 설계로 인해 저복잡도 대안으로서 유리하다.
• 전송 전력이 증가함에 따라 SCP-QCLP와 SCP-GP 간 성능 격차가 커지는데, 이는 SCP-GP에서 사용하는 테일러 근사 모델이 높은 다이오드 전압에서 정확도가 떨어지기 때문이다.
• SCP-QCLP는 각 반복에서 더 단순한 QCLP 문제를 해결하기 때문에 SCP-GP보다 수렴 속도가 크게 빠르며, 시뮬레이션 결과 최대 50%까지 수렴 시간이 단축된다.
• N이 증가함에 따라 주파수-MRT 솔루션이 SCP-GP를 능가하는 것으로 나타나, 대역폭 증가에 따라 주파수 도메인 빔포밍 접근법이 더 잘 스케일링됨을 시사한다.
• 주파수-MRT 하에서 최적화된 전송 신호는 가장 높은 PAPR를 보였지만, 수확 DC 전력은 SCP-QCLP 및 SCP-GP보다 낮았으며, 이는 피크 앰플리튜드만으로는 효율성이 결정되지 않음을 확인한다.