JP6490792B2 - エネルギーハーベスティング - Google Patents

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Description

本開示はエネルギーハーベスティングに関する。詳細には、これに限定しないが、本開示は、RF信号のガードインターバル部分からのエネルギーの採取に関する。
近年、産業上及び学術上の関心は、通信システムのエネルギー効率の向上と炭素排出量の削減に重点が置かれてきた。そのような目標は、エネルギー消費量を削減することか、又は風力、太陽光、振動及び/又は電磁エネルギーのような周囲発生源からのエネルギーを採取することかのいずれかによって成し遂げられ得る。電磁エネルギーが、2地点間での情報送信と送電の両方のために使用され得る、ワイヤレス通信に使用されるような無線周波数(RF)信号から採取され得る。
本発明の態様及び特徴は、特許請求の範囲に詳述される。
次いで、添付の図面を参照しながら本開示の例が説明される。
本明細書に記載される方法を実行するように構成されたワイヤレス受信モジュールを示す図。 図1のワイヤレス受信モジュールを組み込んだワイヤレスデバイスを示す図。 RF信号を例示する図。 本明細書に記載される方法のステップの流れ図。 本明細書に記載される方法のステップの流れ図。 SNRの種々の値及びサイクリックプレフィックスの長さについてのOFDM(直交周波数分割多元接続)システムで採取され得る近似的な電力量をプロットする図。
図1は、アンテナ112を介してRF信号を受信するように構成された無線周波数(RF)受信回路114に結合されたアンテナ112を備える受信モジュール110を示す。RF受信回路114の出力は、マイクロプロセッサ(図示せず)によって制御可能であるスイッチ116に結合される。スイッチ116は、RF回路114の出力がエネルギー採取器118に結合される第1の位置と、RF回路114の出力がアナログ/デジタルコンバータ(ADC)120に結合される第2の位置との間で動くように動作可能である。図1は、スイッチ116を単純な機械スイッチとして示すが、スイッチ116は、代わりに、電子スイッチ、例えば、リレー、トランジスタ又は他の半導体スイッチによって具現され得ることを当業者は理解するだろう。エネルギー採取器118の出力は、エネルギー採取器によって抽出されるエネルギーを蓄積するように構成されたエネルギー蓄積要素122に結合される。エネルギー蓄積要素122の例は、ワイヤレスデバイスに直接又は間接的に電力を供給するように構成され得る電池又はコンデンサを含む。アナログ/デジタルコンバータ120は、高速フーリエ変換(FFT)モジュール124に結合され、高速フーリエ変換(FFT)モジュール124自体は、復号器モジュール128に結合された復調モジュール126に結合され、復号器モジュール128の出力は、その後、従来の処理のためにマイクロプロセッサ(図示せず)に搬送される。
図2は、ワイヤレスデバイス210のマクロ構成要素、例えば、ハブ又は周辺ノードの例示的なブロック図を示す。ワイヤレスデバイス210はマイクロプロセッサ212を備え、このマイクロプロセッサ212は、マイクロプロセッサ212がネットワークとワイヤレス通信できるように構成されたワイヤレス受信モジュール110;1つ又は複数のボタン、タッチスクリーン、キーボード及びボード接続(例えば、USB接続)を含む場合がある複数の入力/出力インターフェース216;及びメモリ218に記憶されている命令及びデータを取り出し、マイクロプロセッサ212に与えることができるように構成されたメモリ218;のうちの1つ又は複数を介してワイヤレスデバイス210に与えられ得るコンピュータ可読命令を実行するように構成される。マイクロプロセッサ212は更に、ユーザインターフェースが表示される場合があるとともに更に処理及び検知動作の結果が提示される場合があるモニタに結合され得る。この場合、入力/出力インターフェース216は、スイッチ116を制御し、復号器モジュール128から復号されたデータを受信するように構成される。
本発明者らは、信号に影響を及ぼすことなく、RF信号の幾つかの部分からエネルギーを採取する余地があるという洞察に達した。詳細には、パケット化された信号が広帯域/周波数選択チャネルを介して送信されるときに、シンボル間干渉に対応するために、送信信号の先頭にガードインターバルが付加される。RF信号内のガードインターバルは、最大でシンボル持続時間の25%を占有する可能性があり、多くの場合にサイクリックプレフィックスを含むが、固有ワード及びゼロパディングのような他の形態で現れる場合もある。図3は、ガードインターバル部分312、この場合には、サイクリックプレフィックスを含む、例示的なRF信号310の例示を示す。サイクリックプレフィックス手法では、メッセージパケットの最後のL個のシンボルが、パケットの先頭に付加される。但し、Lはチャネルタップの数より大きい。受信側では、メッセージの残りの部分に任意の信号処理が実行される前に、ガードインターバルが破棄される。従って、RF信号のメッセージ内容を劣化させることなく、ガードインターバル又はその一部からエネルギーが採取され得る。
周波数選択チャネルを介して動作する通信システムを考える。チャネルがL個のタップによって表されるものとする。デジタル送信信号は
T∈C(P+L)×Nは、送信されるメッセージの先頭に長さP>Lのガードインターバルを付加する役割を担う行列である。OFDMシステムの場合、
である。但し、Fは高速フーリエ変換(FFT)行列であり、xはメッセージシンボルのベクトルである。
ガードインターバルを除去する前の受信機における信号は以下のように表され得る。
但し、Hは第1の列[h0,h1,...hL-1,0,...0]Tを有するテプリッツチャネル行列であり、nは付加白色ガウス雑音ベクトルである。先に言及されたように、従来のシステムでは、ガードインターバルは通常、破棄される。ガードインターバルの挿入は、ISI(シンボル間干渉)に対応するには有益であるが、ガードインターバルの存在は、システムのエネルギー効率を低下させる。本明細書に記載される手法は、再生されなければ破棄されることになっていたガードインターバルからエネルギーを再生し、そのエネルギーを蓄積するか、又は他の構成要素によって使用するための電気エネルギーに変換する。
図4は、ガードインターバルからエネルギーを採取するための方法のステップの流れ図を示す。ステップS410において、ガードインターバルを含むRF信号が、例えば、アンテナ112によって受信される。ステップS412において、ガードインターバルの開始が生じる時点に関する決定が行われる。1つの可能性として、その決定は、RF信号内に含まれ、アンテナによって受信され、復号器モジュール128によって復号された情報に基づいて、マイクロプロセッサ212によって行われる。例えば、RF信号の構造によって、マイクロプロセッサが、ガードインターバルが生じ始めると予想される時点又はガードインターバルが生じているか否かを決定できる場合がある。同様に、RF信号の構造によって、マイクロプロセッサは、ガードインターバルの持続時間及び/又はガードインターバルの終了が生じることになる時点を決定できる場合がある。別の可能性又は更なる可能性として、マイクロプロセッサ212は、ガードインターバルが開始することになる時点、ガードインターバルが生じているか否か、ガードインターバルの持続時間及び/又はガードインターバルが終了することになる時点について明示的な情報を受信することができる。その情報は、アンテナ112によって受信され、その後、復号器モジュール128によって復号されるRF信号においてマイクロプロセッサ212によって受信される場合があり、その情報を含むRF信号は、エネルギーがそこから採取されるRF信号と同じである場合も、異なる場合もある。マイクロプロセッサ212がその情報を受信することができる他のやり方を当業者は認識されよう。
ステップS414において、ガードインターバル中にアンテナ112によって受信されたRF信号からエネルギーが採取される。図4の例では、エネルギーは、ガードインターバルの全持続時間にわたって採取される。しかしながら、エネルギーは、RF信号のガードインターバル部分の一部のみにわたって採取される場合もある。例えば、OFDM信号の場合、FFTタイミング窓は、ISIを除去するためにCP内で開始する場合があるので、エネルギー採取にはCPの一部のみが使用されることになる。チャネルの遅延スプレッドがkである場合には、ISIに影響を及ぼすことなく、P−kに等しい部分からエネルギーが採取され得る。
ステップS414においてエネルギーを採取する1つのやり方は、RF信号がRF受信回路114からエネルギー採取器118に搬送されるように、マイクロプロセッサ212がスイッチ116を制御することである。1つの可能性として、RF信号はエネルギー採取ユニットに搬送されている間、無用な電力消費を回避するために、ADC120の動作が停止される。
ステップS416において、ガードインターバルが終了しようとしており、ガードインターバルの終了時に、又は終了前にエネルギー採取が中止されるという決定が(本明細書に記載される手法を用いて)行われる。
ステップS416においてエネルギー採取を中止する1つのやり方は、RF信号がRF受信回路114からADC120に搬送され、受信信号に関する通常の信号処理動作が実行され得るように、マイクロプロセッサ212がスイッチ116を制御することである。
図4に示されるように、ガードインターバルからエネルギーを採取するために、ADC動作前に、切替動作が実行される。OFDMの例では、これは実質的には、受信機をOFDMフレームに同期させる必要がある。
例えば、WIFIフレーム内の長いプリアンブルを用いて、おおまかな同期が得られると、受信系列内のガードインターバルの開始場所を知ることができる。この知識と、例えば受信機に明示的に送られ得るか、又はプリアンブルデータ内に含まれ得るサイクリックプレフィックスの長さとに基づいて、ガードインターバルの終了も決定され得る。切替動作を例示する流れ図が図5に示される。
ステップS510において、アンテナ112において受信されたフレームの先頭を用いて、初期同期が実行される。ステップS512において、ガードインターバルの開始が識別され、ステップS514において、例えば、送信機によって送られたシグナリング情報及び/又はアンテナ112によって受信された信号のプリアンブルから、ガードインターバルの持続時間が決定される。ステップS516において、ガードインターバルの開始が待たれ、ステップS518において、ガードインターバルが開始されると、ガードインターバルの持続時間以下の持続時間にわたって、受信されたRF信号をエネルギー採取器118に搬送するように、スイッチ116が動作する。その持続時間が経過すると、ステップS520において、受信されたRF信号を、アナログ/デジタル変換のためにADC120に搬送するように、スイッチ116が動作する。1つの可能性として、受信されたRF信号をADC120に搬送する代わりに、受信されたRF信号は、信号処理のために汎用信号処理ユニットに搬送され得る。そのような信号処理ユニットが、ADC120、FFTモジュール124、復調器モジュール126及び復号器モジュール128のいずれか又は全てを備える場合があることを当業者は認識されよう。
本明細書に記載される手法の可能性を例示するために、デジタル表現における受信信号が以下において検討される。エネルギー保存則によって、この表現は、アナログ領域内で採取可能なエネルギーの良好な近似を与える。従って、採取動作はアナログ/デジタル変換前に実行されるので、以下は実際に採取され得るエネルギー量の近似である。
採取される信号の部分は以下のように表され得る。
但し、REHは、CPから採取する役割を担う行列である。実用的観点から、シンボル間干渉を除去するために、FFTタイミング窓は通常、CP内で開始するので、EHのためにCPの全体が使用されるとは限らないことは理解されたい。代わりに、1つの可能性として、CPの一部のみが使用されることになる。
採取されるエネルギーの予想量は以下のように表され得る。
異なるサイクリックプレフィックス長Lcpを有する合計N=32個のサブキャリアが考えられる。従来のエネルギー採取しないシステムの場合、電力は採取されないが、本明細書に記載される手法では、サイクリックプレフィックスのエネルギーのうちのある量又は全量が採取される場合がある。
好ましくは、エネルギー採取動作はADC動作前に実行され、即ち、採取プロセスはアナログ信号に実行される。そのような場合には、上記のように切替動作が実行される。信号が受信されると、ガードインターバルに対応する持続時間にわたってEHユニットが動作し、その後、受信機はADCユニットに戻るように切り替わる。この場合、ADCユニット後に、ガードを除去する必要はなく、代わりに、ADC後に(OFDMのための)FFT動作が直接適用される。ADCは電力を大量に消費するので、ADCがRF信号を受信する前にエネルギー採取を実行することは、エネルギー採取中にADCを動作させるのを不要にし、それによりエネルギー消費量を削減する。
本明細書に記載される手法は、OFDMとの関連において提示されてきたが、それらの手法は、数ある中でも、SC−FDE又はSC−FDMAのような、ガードインターバルを有する任意のシステムに適用可能である。更に、本明細書に記載される手法は、他の形のRFエネルギー採取とともに利用され得る。
説明された手法の例が、以下の箇条リストに詳述される。
1.通常破棄される受信信号の部分がエネルギー採取のために使用される、通信システムの受信側における装置又は手順。例えば、OFDMシステムでは、この方法は、サイクリックプレフィックス又はガードインターバルからエネルギーを採取することになる。
2.ガードインターバルのタイミングに基づいて、受信ノードがエネルギー採取モードと信号処理モードとを切り替えることができる方法。
3.受信系列においてガードインターバルの開始及び持続時間を決定するための方法。この知識に基づいて、受信デバイスが、エネルギー採取段階と信号処理モードとを切り替えることができる。
4.送信ノードがガードインターバルの持続時間に関する情報を受信機に送る方法。
5.受信デバイスが、プリアンブル、トレーニング系列の存在などの信号構造に基づいて、ガードインターバルの開始を決定する。
6.通常破棄されることになる受信信号の部分からエネルギーを採取することによって、電池駆動受信ノードの寿命を延ばすための方法。
7.シンボル間干渉が信号に影響を及ぼさないように、受信デバイスにおいてガードインターバルの一部のみから採取する手段。
1つの可能性として、RF信号がエネルギー採取ユニットに搬送されている間に、例えば、その電源を取り除くことによって、ADCの動作が停止される。
本明細書において言及されるようなエネルギー採取器は一般に、動作するために電力を引き込まない受動デバイスである。採取されたエネルギーは、電池又はコンデンサのような従来の蓄積デバイスを用いて蓄積され得るか、又は他の低電力回路に電力を供給するために直接使用され得る。本明細書に記載される手法は、任意の特定のタイプのエネルギー採取器とともに使用することに限定される必要はなく、代わりに、任意の入手可能なエネルギー採取器とともに使用され得ることは当業者には理解されよう。
RF信号のガードインターバル部分が生じることになるか、又は生じていることを決定することと、その後、そこからエネルギーを採取することとを備える、エネルギーを採取するための方法が、本明細書において説明されてきた。
本明細書に記載される手法は、ハードウェア及び/又は、例えば、非一時的コンピュータ可読媒体とすることができるコンピュータ可読媒体上のファームウェア及び/又はソフトウェアを含む任意の適切な形において具現され得る。本明細書に記載される方法のいずれか、又は全てをプロセッサに実行させるために、プロセッサ上で実行するために構成されるコンピュータ可読命令を搬送するコンピュータ可読媒体。
コンピュータ可読媒体という用語は、本明細書において使用されるときに、プロセッサを特定の態様で動作させるためのデータ及び/又は命令を記憶する任意の媒体を指している。そのような記憶媒体は、不揮発性媒体及び/又は揮発性媒体を備えることができる。不揮発性媒体は、例えば、光ディスク又は磁気ディスクを含むことができる。揮発性媒体は、ダイナミックメモリを含むことができる。記憶媒体の例示的な形態は、フロッピー(登録商標)ディスク、フレキシブルディスク、ハードディスク、固体ドライブ、磁気テープ、任意の他の磁気データ記憶媒体、CD−ROM、任意の他の光データ記憶媒体、1つ又は複数の穴パターン又は突起パターンを有する任意の物理的媒体、RAM、PROM、EPROM、フラッシュEPROM、NVRAM、及び任意の他のメモリチップ又はカードリッジを含む。
以下に、出願当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
[C1]
RF信号のガードインターバル部分からエネルギーを採取するための方法であって、
(a)前記RF信号の前記ガードインターバル部分が生じることになる時点と、
前記RF信号の前記ガードインターバル部分が生じていることと、
のうちの少なくとも1つを決定するステップと、
(b)ステップ(a)の後に、前記RF信号の前記ガードインターバル部分が生じている間に、前記RF信号を、蓄積するために前記RF信号からエネルギーを採取するように構成されたエネルギー採取ユニットに搬送するステップとを備える、方法。
[C2]
(c)前記RF信号の前記ガードインターバル部分が生じない時点を決定するステップと、
(d)ステップ(c)の後に、前記ガードインターバルが生じていない間に、前記RF信号を信号処理ユニットに搬送するステップとを更に備える、上記C1に記載の方法。
[C3]
ステップ(b)の後であるがステップ(d)の前に、前記ガードインターバルが生じている間に、前記RF信号を信号処理ユニットに搬送することを更に備える、上記C2に記載の方法。
[C4]
ステップ(c)は、前記RF信号の前記ガードインターバル部分の終了が生じることになる時点を決定することを備える、上記C2又は3に記載の方法。
[C5]
前記RF信号の前記ガードインターバル部分の前記終了が生じることになる時点を前記決定することは、
前記RF信号の前記ガードインターバル部分の前記終了が生じることになる時点についての情報を受信することと、
前記RF信号の構造に基づいて、前記RF信号の前記ガードインターバル部分の終了が生じることになる時点を決定することと
のうちの少なくとも1つを備える、上記C4に記載の方法。
[C6]
ステップ(c)は、前記RF信号の前記ガードインターバル部分の持続時間を決定することを備える、上記C2〜5のいずれかに記載の方法。
[C7]
前記RF信号の前記ガードインターバル部分の前記持続時間を前記決定することは、
前記RF信号の前記ガードインターバル部分の前記持続時間についての情報を受信することと、
前記RF信号の前記構造に基づいて前記RF信号の前記ガードインターバル部分の前記持続時間を決定することと
のうちの少なくとも1つを備える、上記C6に記載の方法。
[C8]
ステップ(a)は、前記RF信号の前記ガードインターバル部分の開始が生じることになる時点を決定するステップを備える、上記C1〜7のいずれかに記載の方法。
[C9]
前記RF信号の前記ガードインターバル部分の前記開始が生じることになる時点を決定する前記ステップは、
前記RF信号の前記ガードインターバル部分の前記開始が生じることになる時点についての情報を受信することと、
前記RF信号の前記構造に基づいて、前記RF信号の前記ガードインターバル部分の開始が生じることになる時点を決定することと
のうちの少なくとも1つを備える、上記C8に記載の方法。
[C10]
ステップ(b)は、前記RF信号の前記ガードインターバル部分の前記開始後に行われる、上記C8又は9に記載の方法。
[C11]
前記エネルギー採取ユニットは、前記RF信号から採取されたエネルギーを蓄積するための電池及び/又はコンデンサを備える、上記C1〜10のいずれかに記載の方法。
[C12]
前記RF信号の前記ガードインターバル部分はサイクリックプレフィックスを備える、上記C1〜11のいずれかに記載の方法。
[C13]
ステップ(b)において前記エネルギー採取ユニットに搬送される前記RF信号の前記ガードインターバル部分は、前記受信されたRF信号を処理するように構成されたアナログ/デジタルコンバータADCによって処理されることなく搬送される、上記C1〜12のいずれかに記載の方法。
[C14]
上記C1〜13のいずれかに記載の方法を実行するように構成された装置。
[C15]
1つ以上のプロセッサによって実行されると、前記1つ以上のプロセッサに、上記C1〜13のいずれかに記載の方法を実行させるように構成された機械可読命令を備える非一時的コンピュータ可読媒体。

Claims (15)

  1. RF信号のガードインターバル部分からエネルギーを採取するための方法であって、
    (a)前記RF信号の前記ガードインターバル部分が生じることになる時点と、
    前記RF信号の前記ガードインターバル部分が生じていることと、
    のうちの少なくとも1つを決定するステップと、
    (b)ステップ(a)の後に、前記RF信号の前記ガードインターバル部分が生じている期間のうち、チャネルの遅延スプレッドに応じた期間にわたって、前記RF信号を、蓄積するために前記RF信号からエネルギーを採取するように構成されたエネルギー採取ユニットに搬送するステップとを備える、方法。
  2. (c)前記RF信号の前記ガードインターバル部分が生じない時点を決定するステップと、
    (d)ステップ(c)の後に、少なくとも前記ガードインターバル部分が生じていない間に、前記RF信号を信号処理ユニットに搬送するステップとを更に備える、請求項1に記載の方法。
  3. ステップ(b)の後であるがステップ(d)の前に、前記ガードインターバル部分が生じている間に、前記RF信号を信号処理ユニットに搬送することを更に備える、請求項2に記載の方法。
  4. ステップ(c)は、前記RF信号の前記ガードインターバル部分の終了が生じることになる時点を決定することを備える、請求項2又は3に記載の方法。
  5. 前記RF信号の前記ガードインターバル部分の前記終了が生じることになる時点を前記決定することは、
    前記RF信号の前記ガードインターバル部分の前記終了が生じることになる時点についての情報を受信することと、
    前記RF信号の構造に基づいて、前記RF信号の前記ガードインターバル部分の終了が生じることになる時点を決定することと
    のうちの少なくとも1つを備える、請求項4に記載の方法。
  6. ステップ(c)は、前記RF信号の前記ガードインターバル部分の持続時間を決定することを備える、請求項2〜5のいずれかに記載の方法。
  7. 前記RF信号の前記ガードインターバル部分の前記持続時間を前記決定することは、
    前記RF信号の前記ガードインターバル部分の前記持続時間についての情報を受信することと、
    前記RF信号の構造に基づいて前記RF信号の前記ガードインターバル部分の前記持続時間を決定することと
    のうちの少なくとも1つを備える、請求項6に記載の方法。
  8. ステップ(a)は、前記RF信号の前記ガードインターバル部分の開始が生じることになる時点を決定するステップを備える、請求項1〜7のいずれかに記載の方法。
  9. 前記RF信号の前記ガードインターバル部分の前記開始が生じることになる時点を決定する前記ステップは、
    前記RF信号の前記ガードインターバル部分の前記開始が生じることになる時点についての情報を受信することと、
    前記RF信号の構造に基づいて、前記RF信号の前記ガードインターバル部分の開始が生じることになる時点を決定することと
    のうちの少なくとも1つを備える、請求項8に記載の方法。
  10. ステップ(b)は、前記RF信号の前記ガードインターバル部分の前記開始後に行われる、請求項8又は9に記載の方法。
  11. 前記エネルギー採取ユニットは、前記RF信号から採取されたエネルギーを蓄積するための電池及び/又はコンデンサを備える、請求項1〜10のいずれかに記載の方法。
  12. 前記RF信号の前記ガードインターバル部分はサイクリックプレフィックスを含む、請求項1〜11のいずれかに記載の方法。
  13. ステップ(b)において前記エネルギー採取ユニットに搬送される前記RF信号の前記ガードインターバル部分は、受信されたRF信号を処理するように構成されたアナログ/デジタルコンバータADCによって処理されることなく搬送される、請求項1〜12のいずれかに記載の方法。
  14. 請求項1〜13のいずれかに記載の方法を実行するように構成された装置。
  15. 1つ以上のプロセッサによって実行されると、前記1つ以上のプロセッサに、請求項1〜13のいずれかに記載の方法を実行させるように構成された機械可読命令を備える非一時的コンピュータ可読媒体。
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