JP7283689B2 - wireless power transmission system - Google Patents

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Description

本発明は、無線電力伝送システムに関する。 The present invention relates to wireless power transmission systems.

近年、センサーなどのIoT機器や、ドローンなどの無線航空機(Unmanned aerial vehicle, UAV)などの電力に制約がある機器、使用される個数も増加している。これらの機器は工場、災害時など様々な場面での活躍が期待されているが、バッテリーの取り換えや充電の手間がかかること、またその間に機器が停止してしまうこと、人体への影響や周辺機器への干渉などが問題点としてあげられる。この問題への解決策として、WPT(無線電力伝送)技術の適用が考えられる。無線電力伝送の中でも、IoT機器やUAVなどへの給電に必要な長距離伝送が可能であるものとしてマイクロ波による無線電力伝送が有望視されている。 In recent years, the number of IoT devices such as sensors and devices with power constraints such as unmanned aerial vehicles (UAVs) such as drones has been increasing. These devices are expected to play an active role in various situations such as factories and disasters. Problems include interference with equipment. As a solution to this problem, application of WPT (wireless power transfer) technology can be considered. Among wireless power transmissions, microwave power transmission is considered promising as it enables long-distance transmission necessary for power supply to IoT devices and UAVs.

無線電力伝送(Wireless Power Transfer あるいは、Wireless Power Transmission:WPT)は、無線による電力供給自体の他、伝送技術も含んでいる。無線電力伝送は大きく分けて以下の3つに分類される。
(1)電磁誘導による電力伝送方式。この電力伝送方式では、コイルを貫く磁束密度を変化させることによって生じる起電力を利用することで電力を伝送する。
(2)磁界共振による電力伝送方式。この電力伝送方式では、送電側と受電側のコイルを磁気的に同じ周波数でLC共振させることにより、磁気エネルギーを通して電力供給を行う。
(3)電磁波を利用した電力伝送方式。この電力伝送方式では、アンテナを用いて受電した電磁波を整流して直流に変換することによって電力伝送を行う。電磁波を用いた伝送方法では、アンテナ理論より伝送効率が比較的よくなることから、マイクロ波帯(GHz帯)、もしくはより周波数の高い高周波数帯域を用いることが多い。この場合の電力伝送方法は特にマイクロ波空間伝送方式と呼ばれている。マイクロ波を用いた無線電力伝送について、例えば特許文献1がある。
Wireless Power Transfer (or Wireless Power Transmission: WPT) includes transmission technology as well as wireless power supply itself. Wireless power transmission is roughly classified into the following three types.
(1) A power transmission method using electromagnetic induction. In this power transmission method, power is transmitted by utilizing an electromotive force generated by changing the magnetic flux density passing through the coil.
(2) A power transmission method using magnetic resonance. In this power transmission method, power is supplied through magnetic energy by LC resonance of the coils on the power transmission side and the power reception side at the same magnetic frequency.
(3) A power transmission method using electromagnetic waves. In this power transmission method, power is transmitted by rectifying electromagnetic waves received using an antenna and converting them into direct current. In the transmission method using electromagnetic waves, the microwave band (GHz band) or a higher frequency band is often used because the transmission efficiency is relatively better than that of the antenna theory. The power transmission method in this case is particularly called a microwave space transmission method. For wireless power transmission using microwaves, for example, Patent Document 1 is available.

特開2015-116029JP 2015-116029

無線電力伝送において、一般的に検討を要する要件として、無線給電の大容量化、長距離化、高効率化、高信頼化、人体に対する障害や他の無線機器への干渉の回避等があり、複数の中継器(ノード)を経由するネットワークを検討すると、ネットワーク全体の電力消費を低減する高効率化のためや、人体や他の機器への障害や干渉を低減する高信頼性化のために給電経路やアンテナの指向性の最適化が求められる。マイクロ波を用いた無線電力伝送では、送信源の近傍から離れると給電距離の二乗に比例して電力密度が小さくなるため、長距離で給電を行う際には給電効率、伝送効率の大幅な向上が課題となっている。 In wireless power transmission, the requirements that generally need to be considered include increasing the capacity of wireless power supply, extending the distance, improving efficiency, improving reliability, avoiding damage to the human body and interference with other wireless devices, etc. Considering a network that passes through multiple repeaters (nodes), it is necessary to improve efficiency by reducing the power consumption of the entire network, and to improve reliability by reducing damage and interference to the human body and other equipment. It is necessary to optimize the feed path and the directivity of the antenna. In wireless power transmission using microwaves, the power density decreases in proportion to the square of the power supply distance when moving away from the source of transmission. is an issue.

本発明は、送電機と受電機の間に中継器(ノード)を加え、電力を中継させて伝送するマルチホップリレーを用いる。本発明は、マルチホップリレーを用いて電力を伝送することにより、伝送系統において送電機、受電機、及び中継器の各ノード間の距離が短くなり、伝送距離による減衰の影響は低下される。本発明によれば、送電機と受電機の間を直接給電するときと比較して、マルチホップリレーを用いて中継器を介して電力伝送することにより、中継距離、中継経路や中継法に応じて長距離の給電効率が上昇する。 The present invention uses a multi-hop relay that adds a repeater (node) between a power transmitter and a power receiver to relay and transmit power. According to the present invention, by transmitting power using multi-hop relays, the distance between each node of the power transmitter, the power receiver, and the repeater in the transmission system is shortened, and the influence of attenuation due to the transmission distance is reduced. According to the present invention, compared to when power is directly supplied between the power transmitter and the power receiver, power is transmitted via a repeater using a multi-hop relay. long-distance power supply efficiency increases.

なお、送電機は電力を伝送する送電元のノードであり、受電機は送電された電力を受電するノードであり、中継器は送電機と受電機の間で電力の受け渡しを行うノードである。送電機については、電力を給電する意味合いから送電機に代えて給電機の用語で表す場合もあるが、本発明は受電機と対を成す送電機に用語を用いる。 A power transmitter is a node that transmits power, a power receiver is a node that receives the transmitted power, and a repeater is a node that transfers power between the power transmitter and the power receiver. A power transmitter may be referred to as a power transmitter instead of a power transmitter in the meaning of supplying electric power, but in the present invention, the term is used for a power transmitter paired with a power receiver.

マルチホップリレーにおいて、中継器のノードの候補が複数ある場合には、複数の給電経路(ルート)が設定可能となる。本発明は、これらの複数の給電ルートの中から、送電機と受電機の間のend-to-endの給電効率が最も高くなるような給電ルートを選択し得る。また、本発明は、人体や他の無線機器への干渉を最小にするルーティング(経路選択)を選択し得る。本発明は、中継器を設けることにより、送電距離が長い電力送電の他、通常の見通し(Line of Sight:LOS)環境ばかりでなく、建物内などの非見通し(Non Line of Sight:NLOS)環境においても干渉を回避した電力給電が可能となる。なお、中継器は電池や電源を備え、増幅する機能を有する場合もあり、この場合には、中継器は送電機としても機能する。 In a multi-hop relay, when there are multiple relay node candidates, multiple feed paths (routes) can be set. The present invention can select a power supply route that maximizes the end-to-end power supply efficiency between the power transmitter and the power receiver from among these power supply routes. Also, the present invention may select routing that minimizes interference to the human body and other wireless devices. By providing a repeater, the present invention can be used not only for power transmission with a long transmission distance, but also for normal line of sight (LOS) environments, as well as non-line of sight (Non Line of Sight: NLOS) environments such as inside buildings. Power feeding that avoids interference is also possible. Note that the repeater may have a battery or a power supply and have an amplifying function. In this case, the repeater also functions as a power transmitter.

本発明は、マルチホップリレーにおいて、給電量を最大にする他、人体や他の無線機器への干渉妨害を最小にする最適な中継器の個数を導出する。 The present invention derives the optimum number of repeaters that maximizes power supply and minimizes interference with the human body and other wireless devices in a multi-hop relay.

本発明は、マルチホップリレーにおいて、送電中の電力低下の課題に対して、中継器に電力増幅機能(ET 機能)を持たせ、中継増幅を行うことにより、電力電送中において電力を増幅し、送電中の電力低下を補う。 The present invention solves the problem of power reduction during power transmission in a multi-hop relay by providing a power amplification function (ET function) to a repeater and performing relay amplification to amplify power during power transmission, Compensate for power drop during transmission.

さらに、ノード間の電力伝送の間において、マイクロ波が大地や、ビルあるいは壁等の人工物等の反射物した反射波が次のノードに入力すると、直接波と反射波の2波の位相ずれの影響により給電量が小さくなるという課題がある。本発明は、この位相ずれによる課題に対して、ノードからの電力伝送の周波数を変更することにより給電量を改善する。 Furthermore, during power transmission between nodes, if the reflected waves from the ground, artificial objects such as buildings or walls, etc. enter the next node, the phase shift between the direct wave and the reflected wave will occur. There is a problem that the amount of power supply is reduced due to the influence of The present invention addresses the problem caused by this phase shift by changing the frequency of power transmission from the node to improve the power supply amount.

本発明は、マイクロ波により電力を無線伝送する無線電力伝送システムであり、
(a)ノード間の電力伝送をマルチホップリレーにより行うための第1層の物理層と、
(b)複数ノード間の送受電を制御するための第2層のMAC(Media Access Control)層と、
(c)複数ノードからなるネットワークの給電経路、ルーティング(routing)を最適化する第3層のネットワーク層を備える。
The present invention is a wireless power transmission system that wirelessly transmits power using microwaves,
(a) a physical layer of the first layer for performing power transmission between nodes by multi-hop relay;
(b) a second layer MAC (Media Access Control) layer for controlling power transmission and reception between multiple nodes;
(c) a layer 3 network layer that optimizes the routing of the network of nodes;

無線電力伝送システムは、第1層の物理層を構成する複数のノードを通して行う電力伝送において、各複数ノード間の送受電の制御を第2層のMAC層で行い、複数ノードから構成される複数のネットワークの中から、給電効率を評価指標として最適な給電経路を選択する。 In the wireless power transmission system, in power transmission performed through a plurality of nodes constituting a physical layer of the first layer, power transmission and reception between each of the plurality of nodes is controlled by the MAC layer of the second layer, and a plurality of nodes configured by the plurality of nodes are controlled. The optimum power supply route is selected from the network using the power supply efficiency as an evaluation index.

給電経路の選択は、
(1)中継器の他に、人や中継器以外の通信機器に対する侵襲や干渉による障害を回避するためにリレーを行うノードを選択する能動的な経路選択(アクティブルーティング)。
(2)大地や人工物等の反射体を経路の一部とする受動的な経路選択(パッシブルーティング)を含み、これら能動的な経路選択(アクティブルーティング)、及び受動的な経路選択(パッシブルーティング)において、ネットワークを構成するノードや反射体を選択して給電効率を最大化することにより最適な給電経路を選択する。
(3)既存の中継器(ノード)間で最適ルーティング化された給電経路において、目的とする最終給電対象の受電機への給電効率を最大化するために、追加する中継器(ノード)を配置する最適な配置を選択する。
The selection of the power supply path is
(1) Active route selection (active routing) for selecting relay nodes in order to avoid failures due to intrusion and interference to people and communication devices other than repeaters, in addition to repeaters.
(2) Including passive route selection (passive routing) in which reflectors such as the ground and artificial objects are part of the route, these active route selection (active routing) and passive route selection (passive routing) ), the optimum feed path is selected by selecting the nodes and reflectors that make up the network and maximizing the feed efficiency.
(3) Place additional repeaters (nodes) in order to maximize the efficiency of power supply to the target final power receiving power in the power supply path that is optimally routed between existing repeaters (nodes). select the best placement for

[物理層]
本発明の無線電力伝送システムは、ノード間の電力伝送をマルチホップリレーにより行うための第1層の物理層を備える。
[Physical layer]
The wireless power transmission system of the present invention includes a physical layer of the first layer for performing power transmission between nodes by multi-hop relays.

物理層のノードは、送電機、受電機、及び各ノード間の送受電を行う中継器であり、中継器を介して送電機から受電機へマルチホップリレーにより送電を行う。 A node in the physical layer is a power transmitter, a power receiver, and a repeater that transmits and receives power between each node. Power is transmitted from the power transmitter to the power receiver via the repeater by multi-hop relay.

(中継器)
中継器は、送電電力を中継することにより送電中の電力低減を軽減する一構成であるが、配置する個数、及び中継器間距離は無線電力伝送システムのコストに影響するため、適切は中継器の個数、及び適切な中継器間距離が求められる。
(repeater)
A repeater is one configuration that reduces power reduction during power transmission by relaying transmitted power. , and an appropriate inter-repeater distance are obtained.

・中継器の個数:
中継器の個数は、送受電間の給電量と、中継器の個数、距離減衰、及び中継器の損失の関係に基づいて、給電量を最大化する個数により最適な個数を得る。
・Number of repeaters:
The optimum number of repeaters is obtained by maximizing the amount of power supply based on the relationship between the power supply amount between power transmission and reception, the number of repeaters, distance attenuation, and repeater loss.

・中継器間の距離:
中継器間の距離は、送受電間の給電量と、中継器の個数、距離減衰、及び中継器の損失の関係に基づいて、給電量を最大化する距離により最適な中継器距離を得る。
・Distance between repeaters:
As for the distance between repeaters, the optimum repeater distance is obtained by the distance that maximizes the amount of power supply based on the relationship between the power supply amount between power transmission and reception, the number of repeaters, distance attenuation, and repeater loss.

・中継器の電力増幅機能:
中継器に受電電力を電力増幅する機能を持たせ、電力増幅した電力を送電する構成とすることにより、送電中の電力低減を軽減する。これにより、受電機側の要求電力に対して総送電力は低減する。ここで、総送電力は送電機側の送電電力と中継器の電力増幅に要した電力とを加算した電力である。
・Repeater power amplification function:
By providing the repeater with a function of power-amplifying received power and transmitting the power-amplified power, power reduction during power transmission can be reduced. As a result, the total transmission power is reduced with respect to the power requested by the receiving power. Here, the total transmitted power is the power obtained by adding the transmitted power of the power transmitter and the power required for power amplification of the repeater.

中継器に受電電力を電力増幅する機能を持たせた構成において、中継器の個数は、受電機の要求電力量に対する、中継器の電力増幅量の総和の総増幅量を最小化する個数である。 In a configuration in which a repeater has a function of amplifying received power, the number of repeaters is the number that minimizes the total amount of power amplification of the repeaters with respect to the amount of power required by the power receiver. .

・周波数変更:
送電機及び中継器のノード間では、主に空間伝搬による直接波の他に、伝搬環境により大地で反射されて届く反射波が含まれる場合がある。直接波と反射波の2波は、ノード間距離により位相ずれが生じる場合があり、この位相ずれは受電端末側での受電電力に影響し電力低下を招くおそれがある。この反射波の影響を低減するために、送電機及び中継器のノードで送電する送電周波数を、ノード間において直接に届く直接波と大地で反射されて届く反射波と位相ずれなどの無線伝搬空間の周波数伝搬特性に適した周波数から選択した周波数とする。
・Frequency change:
Between the nodes of the power transmitter and the repeater, in addition to the direct wave mainly due to spatial propagation, there are cases where the reflected wave arrives after being reflected by the ground due to the propagation environment. A phase shift may occur between the two waves, the direct wave and the reflected wave, depending on the distance between the nodes, and this phase shift may affect the received power on the power receiving terminal side, leading to a decrease in power. In order to reduce the influence of this reflected wave, the power transmission frequency for power transmission at the nodes of the transmitter and repeater is changed to a wireless propagation space such as a direct wave that reaches directly between nodes, a reflected wave that arrives after being reflected by the ground, and a phase shift. The frequency is selected from frequencies suitable for the frequency propagation characteristics of

送電機は、各ノード間の距離に基づいて各ノード間の周波数を選択することにより、各ノード間において最適な周波数で電力伝送を行うことができる。 By selecting the frequency between each node based on the distance between each node, the power transmitter can perform power transmission at the optimum frequency between each node.

第1層の物理層の各ノードにおいて、複数ノード間の送受電を制御するための第2層のMAC層と協働して、マイクロ波の位相調整、ビーム幅の調整、及びマルチビームの形成を行う。 In each node of the physical layer of the first layer, in cooperation with the MAC layer of the second layer for controlling power transmission and reception between multiple nodes, microwave phase adjustment, beam width adjustment, and multi-beam formation I do.

・位相調整:
多数の送電元から一受電端に送電を行う多対一電力伝送(multipoint-to-one)では、受電端での位相ずれによる電力の打ち消しを低減する。この電力減少を低減する構成として、送電元間において時刻同期、及び位相ずれ補償を行う。
・Phase adjustment:
Multipoint-to-one power transmission, in which power is transmitted from multiple sources to a single receiving end, reduces power cancellation due to phase shift at the receiving end. As a configuration for reducing this power reduction, time synchronization and phase shift compensation are performed between transmission sources.

時刻同期:受電機は、複数の送電機から直接に受電、又は複数の中継器を介して受電し、複数の送電機又は複数の中継器は時刻同期により送電する。 Time synchronization: A power receiver receives power directly from a plurality of power transmitters or receives power via a plurality of repeaters, and the power transmitters or the plurality of repeaters transmit power by time synchronization.

位相ずれ補償:複数のノードから受電機への電力送電において、ノードは、受電機から各ノードの方位角に基づいて受電機と各ノードとの距離を求め、距離に基づいてノード間の位相ずれ量を求め、位相ずれに基づいて送電の位相ずれを補償する。 Phase shift compensation: In the power transmission from multiple nodes to the receiving power, the node calculates the distance between the receiving power and each node based on the azimuth angle of each node from the receiving power, and the phase shift between the nodes based on the distance. A quantity is determined and compensated for transmission phase shift based on the phase shift.

・最適ビーム幅:
受電端と送電元のアンテナビームのメインローブ間に方位角及び/又は仰角の角度誤差による位相ずれにより受電電力が低下する。
・Optimal beam width:
The received power decreases due to the phase shift due to the angle error of the azimuth angle and/or the elevation angle between the main lobes of the antenna beams of the receiving end and the transmitting source.

送電機は、送電機と、中継器又は受電機とが成す方位角(Δθ)及び仰角(Δφ)に基づいて定まる送電機の送電アンテナのゲインにより、送電機の送電アンテナのビーム幅を最適化する。 The power transmitter optimizes the beam width of the power transmission antenna of the power transmitter by the gain of the power transmission antenna of the power transmitter determined based on the azimuth (Δθ) and elevation angle (Δφ) formed by the power transmitter and the repeater or receiver. do.

・最適ビーム形状
一送電元から複数の受電端に送電を行う一対多電力伝送(one-to-multipoint)では、アンテナのマルチビームにより複数の受電ノードに給電する。送電機は、マルチビームにより複数の受電機に送電するために最適なビームを形成する。
・アンテナの指向性
送電機は、電波放射方向にビームを絞り込む(ビームフォーミング)と共に、電波放射方向以外の方向にはビームが放射されない(ヌルステアリング)ように、アンテナの指向性を設計する。
・振動する給電対象に帯するアンテナの指向性
送電機は、ドローンのように移動したり、揺動する受電機(給電対象)に対して、送電機のアンテナから放射するビームを絞ることで最適な指向性を設計する。この指向性の最適化は、受電機(給電対象)の振動により位置が分散する振動分散に対して、分散に応じてビーム幅を広げることで受電効率を向上させる。
・複数の送電機あるいは複数の受電機に帯するアンテナの指向性
送電機は、複数の送電機(給電機)から一つの受電機への給電、および一つの送電機から複数の受電機に対して給電を行うアンテナの指向性の広がりを設計する。
- Optimal beam shape In one-to-multipoint power transmission, in which power is transmitted from one power source to multiple power receiving ends, power is supplied to multiple power receiving nodes by antenna multi-beams. A power transmitter forms an optimum beam for transmitting power to a plurality of receivers by multi-beam.
Antenna directivity The power transmitter designs the antenna directivity so that the beam is narrowed down in the radio wave radiation direction (beamforming) and the beam is not radiated in directions other than the radio wave radiation direction (null steering).
・Directivity of the antenna attached to the vibrating power supply target The power transmitter is optimal for the receiver (power supply target) that moves or swings like a drone by narrowing the beam emitted from the power transmitter antenna. design a directivity. This directivity optimization improves power receiving efficiency by widening the beam width according to the vibration dispersion in which the position is dispersed due to the vibration of the power receiver (power supply target).
・Directivity of antennas attached to multiple transmitters or multiple receivers Design the spread of the directivity of the antenna that feeds the

[ネットワーク層]
本発明の無線電力伝送システムは、複数ノードからなるネットワークの給電経路(ルート)を最適化する第3層のネットワーク層を備える。ネットワーク層は、マルチホップリレーにおける給電効率を最大となる最適給電ルートを選択する。
[Network layer]
The wireless power transmission system of the present invention comprises a third layer network layer that optimizes the power feeding path (route) of a network consisting of multiple nodes. The network layer selects the optimal power feeding route that maximizes the power feeding efficiency in the multi-hop relay.

ネットワーク層は、一対の送受電機と複数の中継器をノードとする経路において、経路の重みを隣接する中継器間の電力伝送効率に対応させた重み付きグラフを用い、給電効率を評価指標として最適給電リートを選択する。ダイクストラ法により送電機と受電機との間の経路の重みの和を給電効率とし、給電効率が最大となる経路を最適化したネットワークの給電経路とする。 The network layer uses a weighted graph in which the weight of the route corresponds to the power transmission efficiency between adjacent repeaters in a route with a pair of transmitter and receiver and multiple repeaters as nodes, and the power supply efficiency is optimized as an evaluation index. Select a power supply lead. The power supply efficiency is defined as the sum of the weights of the routes between the power transmitter and the power receiver by the Dijkstra method, and the route with the maximum power supply efficiency is set as the power supply route of the optimized network.

物理層において、(1)能動的な経路選択(アクティブルーティング)、及び(2)受動的な経路選択(パッシブルーティング)において、ネットワークを構成するノードや反射体を選択して給電効率を最大化することにより最適な給電経路を選択する。ネットワーク層は、重み付きグラフの経路の重みを用いることにより、物理層の給電効率の最大化する経路選択と協働して最適な給電経路を選択する。 In the physical layer, (1) active routing and (2) passive routing select nodes and reflectors that make up the network to maximize power supply efficiency. Therefore, the optimum power supply path is selected. The network layer uses the weights of the paths in the weighted graph to select the optimal powering path in cooperation with the powering efficiency maximizing path selection of the physical layer.

例えば、能動的な経路選択(アクティブルーティング)では重みを1以上の値に設定し、受動的な経路選択(パッシブルーティング)では重みを1未満に設定する。なお、受動的な経路選択(パッシブルーティングの重みにおいて、減衰することなく反射される場合には、重み1を含めた重み付けとしても良い。
経路選択、給電経路の選択において、給電効率や伝送効率を基準とする選択の他、人体や無線機器への干渉を避けることを基準とする選択を行う。この二つの選択基準による経路選択、給電経路の選択は、重み付けにより一元的に扱うことができる。例えば、人体や無線機器への干渉を避けることを基準とする選択では、干渉の危険がある経路の重みを零やマイナスの値に設定する等、危険度に応じて重みを設定することにより、給電効率や伝送効率の基準と干渉回避の基準とを同時に考慮した経路線絡(ルーティング)を選択することができる。
For example, the weight is set to a value greater than or equal to 1 for active routing, and the weight is set to less than 1 for passive routing. In the case of passive route selection (passive routing weights), weighting including weight 1 may be used when reflection is performed without attenuation.
In route selection and power supply route selection, in addition to selection based on power supply efficiency and transmission efficiency, selection based on avoidance of interference with the human body and wireless devices is performed. The selection of routes and the selection of power supply routes based on these two selection criteria can be handled in a unified manner by weighting. For example, in a selection based on avoiding interference with the human body or wireless devices, weighting of routes with risk of interference is set to zero or a negative value. It is possible to select a route that takes into account the criteria of power supply efficiency and transmission efficiency and the criteria of interference avoidance at the same time.

また、中継器間の電力伝送効率の取得において、
(1)受電機は位置情報を含む給電要求パケット(EREGパケット)をブロードキャストし、
(2)中継器は給電要求パケット(EREGパケット)を再ロードキャストし、
(3)送電機は受信した給電要求パケット(EREGパケット)に含まれる位置情報に基づいてノード間距離を求め、ノード間距離に基づいて電力伝送効率を取得する。
(4)送電機は、前記給電要求パケット(EREGパケット)により給電を要求する受電機に対して、パケット状の電力パケットにより電力供給する。
Also, in obtaining the power transmission efficiency between repeaters,
(1) The receiver broadcasts a power supply request packet (EREG packet) containing position information,
(2) the repeater reloadcasts the power supply request packet (EREG packet);
(3) The power transmitter obtains the inter-node distance based on the position information included in the received power supply request packet (EREG packet), and acquires the power transmission efficiency based on the inter-node distance.
(4) The power transmitter supplies power in a packet-shaped power packet to the power receiver requesting power supply by the power supply request packet (EREG packet).

(無線電力伝送及び無線情報伝送)
ネットワーク層は、物理層及びMAC層と共に、電力を無線伝送する無線電力伝送と、情報を無線伝送する無線情報伝送との同時伝送に対応することができる。
本発明は、電力を送る電力パケットと、位置や位相情報、およびパケットを送受するタイミングを連絡し合う情報通信の情報パケットとし、MAC層のアクセス制御プロトコルは電力パケットと情報パケットとを両方扱うことにより無線電力伝送及び無線情報伝送を行う。
(Wireless power transmission and wireless information transmission)
The network layer, together with the physical layer and the MAC layer, can support simultaneous transmission of wireless power transmission for wirelessly transmitting power and wireless information transmission for wirelessly transmitting information.
The present invention uses a power packet that transmits power and an information packet for information communication that communicates position and phase information and the timing of transmitting and receiving the packet, and the access control protocol of the MAC layer handles both the power packet and the information packet. performs wireless power transmission and wireless information transmission.

ネットワーク層において、
(1)無線電力伝送では、一対の送受電機と複数の中継器をノードとする経路において、経路の重みを隣接する中継器間の電力伝送効率に対応させた重み付きグラフにおいて、ダイクストラ法により送電機と受電機との間の電力伝送経路の重みの和を給電効率とする。
(2)無線情報伝送では、一対の送受電機と複数の中継器をノードとする経路において、経路の重みを隣接する中継器間の信号雑音比(S/N比)に対応させた重み付きグラフにおいて、ダイクストラ法により送電機と受電機との間の情報伝送経路の重みの和を経路信号雑音比とする。
(3)給電効率と経路信号雑音比とに重み付けして加算した和が最大となる経路を最適化したネットワークの給電経路とする。
(4)人体や無線機器への干渉を避けることを基準とする選択では、干渉の危険がある経路の重みを零やマイナスの値に設定する等、危険度に応じて重みを設定することにより、給電効率や伝送効率の基準と干渉回避の基準とを同時に考慮した経路線絡(ルーティング)を選択する。
これにより、無線電力伝送の電力伝送経路と無線情報伝送の情報伝送経路の両伝送経路の内から最適な経路を選択することができる。
At the network layer,
(1) In wireless power transmission, in a route having a pair of transmitter/receiver and a plurality of repeaters as nodes, transmission is performed by the Dijkstra method in a weighted graph in which the weight of the route corresponds to the power transmission efficiency between adjacent repeaters. The power supply efficiency is defined as the sum of the weights of the power transmission paths between the electric machine and the receiving machine.
(2) In wireless information transmission, in a route having a pair of transmitter/receiver and a plurality of repeaters as nodes, a weighted graph in which the weight of the route corresponds to the signal-to-noise ratio (S/N ratio) between adjacent repeaters. , the sum of the weights of the information transmission paths between the power transmitter and the power receiver is defined as the path signal-to-noise ratio by Dijkstra's method.
(3) The route that maximizes the sum of the weighted additions of the power feeding efficiency and the route signal-to-noise ratio is taken as the power feeding route of the optimized network.
(4) In the selection based on avoidance of interference with the human body and wireless devices, by setting the weight according to the degree of risk, such as setting the weight of the route with the danger of interference to zero or a negative value. , routing is selected by taking into consideration the criteria of power supply efficiency and transmission efficiency and the criteria of interference avoidance at the same time.
As a result, the optimum path can be selected from both the power transmission path for wireless power transmission and the information transmission path for wireless information transmission.

[MAC層]
本発明の無線電力伝送システムは、複数ノード間の送受電を制御するための第2層のMAC層を備える。複数ノード間の送受電は、複数の送電ノード(給電ノード)から1つの受電ノードへの送受電も含み、MAC層は複数のプロトコルを備える。
MAC層のプロトコルは、電力パケット同士の衝突回避を行う他、同じ周波数や空間を使用する無線情報伝送の情報パケットとの衝突回避を行うアクセル制御を行う。現在の電波法では、干渉を受ける受信側での受信電力で等価的に表されるEIRPの許容上限が電波法の技術条件となっており、情報であるか電力であるかに関わらず、アンテナからの放射電力が規定されている。本発明は、無線電力伝送のMACプロトコルと無線情報伝送のMACプロトコルとを共通化することにより、電波法上の技術条件を満足させることができる。
[MAC layer]
The wireless power transmission system of the present invention includes a MAC layer of the second layer for controlling power transmission and reception between multiple nodes. Power transmission/reception between multiple nodes includes power transmission/reception from multiple power transmission nodes (power supply nodes) to one power reception node, and the MAC layer includes multiple protocols.
The protocol of the MAC layer performs accelerator control for avoiding collision between power packets and information packets for wireless information transmission using the same frequency and space. Under the current Radio Law, the allowable upper limit of EIRP, which is equivalently represented by the received power on the receiving side receiving interference, is a technical condition of the Radio Law. radiated power from INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can satisfy the technical conditions under the Radio Law by standardizing the MAC protocol for wireless power transmission and the MAC protocol for wireless information transmission.

(1)MAC層は、送電間隔をパケット化し、複数ノードからの送電パケット(電力パケット)の衝突をキャリアセンスにより検出し回避し、再送するプロトコルを備える。
(2)MAC層は、複数ノードから時分割で送信パケット(情報パケット)の時間スロットを割り当てるプロトコルを備える。
(3)MAC層は、送電間隔をパケット化し、複数ノードからの送電パケット(電力パケット)の衝突をキャリアセンスにより検出し回避し、再送するプロトコルと、複数ノードから時分割で送信パケットの時間スロットを割り当てるプロトコルの両プロトコルを備える。
(4)MAC層は、複数ノードからの送電パケット(電力パケット)を位相合成し、受電力を最大化するプロトコルを備える。
(5)MAC層は、複数の送電ノード(給電ノード)から直交や疑似直交符号を使って1つの受電ノードで同時に受けるCDMA方式のプロトコルを備える。
CDMA方式のプロトコルは、符号の直交性において、複数の互いに直交する符号を送信ノードのID(認識識別子)とすることにより、同一時間に同一周波数で電力パケット(給電パケット)が重なった場合であっても、分離し受電することができる。
TDMA方式のプロトコルは、同じ周波数で同じ空間であっても時間軸上で直交して重ならないことにより、送電の電力パケット(給電パケット)の衝突を回避することができる。
FDAM方式のプロトコルは、周波数軸上の直交性により、複数の送電機のノードからそれぞれ異なる周波数の送電の電力パケット(給電パケット)を送ることにより、時間、空間で分離することができる。
SDMA方式のプロトコルは、アンテナ指向性や給電経路(ルート)上の直交性により、同じ時間で同じ周波数で同じ符号で送った複数の送電の電力パケット(給電パケット)が重なる場合であっても分離することができる。
これらのCDMA方式、TDMA方式、FDAM方式、およびSDMA方式の各プロトコルは、任意の方式の組み合わせを適用することができる。
(1) The MAC layer has a protocol for packetizing power transmission intervals, detecting and avoiding collisions of power transmission packets (power packets) from multiple nodes by carrier sense, and retransmitting the packets.
(2) The MAC layer has a protocol that allocates time slots for transmission packets (information packets) from multiple nodes in a time division manner.
(3) The MAC layer packetizes the power transmission interval, detects and avoids collisions of power transmission packets (power packets) from multiple nodes by carrier sense, and retransmits them, and time slots for transmission packets from multiple nodes in time division. , both protocols are provided.
(4) The MAC layer has a protocol for phase-combining transmission packets (power packets) from multiple nodes and maximizing received power.
(5) The MAC layer has a CDMA protocol for simultaneously receiving power from a plurality of power transmitting nodes (power feeding nodes) at one power receiving node using orthogonal or pseudo-orthogonal codes.
In the code orthogonality of the protocol of the CDMA system, a plurality of mutually orthogonal codes are used as IDs (recognition identifiers) of transmission nodes, so that power packets (feeding packets) overlap at the same time and at the same frequency. can be separated and received.
The TDMA protocol can avoid collisions of power packets for power transmission (power supply packets) by not overlapping orthogonally on the time axis even in the same space at the same frequency.
The FDAM protocol can be separated in time and space by transmitting power packets (feeding packets) of different frequencies from a plurality of power transmitting nodes due to orthogonality on the frequency axis.
The SDMA protocol separates multiple transmission power packets (power supply packets) sent at the same time with the same code at the same frequency due to antenna directivity and orthogonality on the power supply path (route), even if they overlap. can do.
These CDMA, TDMA, FDAM, and SDMA protocols can be applied in arbitrary combinations.

第3層のMAC層は、第1層の物理層と協働して、マイクロ波の位相調整、ビーム幅の調整、及びマルチビームの形成を行う。 The MAC layer of the third layer cooperates with the physical layer of the first layer to perform microwave phase adjustment, beam width adjustment, and multi-beam formation.

[無線電力・情報伝送システム]
本発明は、電力と情報とを同時に無線伝送する無線電力・情報伝送システムを備える。無線電力・情報伝送システムは、
(1)ノード間の電力伝送、及び情報伝送をマルチホップリレーにより行うための第1層の物理層
(2)複数ノード間の電力の送受電を制御するための第2層のMAC層
(3)複数ノードからなるネットワークの電力の給電経路、及び情報の送電経路を最適化する第3層のネットワーク層
を備え、
(4)無線電力伝送はマイクロ波により電力を無線伝送し、
(5)無線電力伝送は、電力伝送の給電経路を給電効率に基づいて最適化し、
(6)無線情報伝送は、情報伝送の送信経路を信号雑音比(S/N比)及び/又は通信路容量に基づいて最適化する。
[Wireless power/information transmission system]
The present invention comprises a wireless power/information transmission system that wirelessly transmits power and information simultaneously. Wireless power and information transmission system
(1) 1st layer physical layer for performing power transmission and information transmission between nodes by multi-hop relay (2) 2nd layer MAC layer for controlling power transmission and reception between multiple nodes (3 ) a third network layer that optimizes the power and information transmission paths of a network of nodes,
(4) Wireless power transmission wirelessly transmits power using microwaves,
(5) wireless power transmission optimizes the power supply path for power transmission based on power supply efficiency;
(6) Wireless information transmission optimizes the transmission path for information transmission based on signal-to-noise ratio (S/N ratio) and/or channel capacity.

電力と情報との同時無線伝送は複数の形態を適用することができる。
(第1の形態)
電力と情報との同時無線伝送の第1の形態は、マイクロ波の搬送波の振幅により電力伝送を行い、マイクロ波の位相による情報伝送を行う形態であり、これにより電力と情報を同時多重伝送する。搬送波は、マイクロ波帯域において、単一の波長により行う他に、複数波長を用いて行っても良い。複数波長として例えば2.4GHz、5.7GHz、24GHz等がある。第1の形態は、MAC層においてFDMA方式のプロトコルに対応する。
Multiple forms of simultaneous wireless transmission of power and information can be applied.
(first form)
A first mode of simultaneous wireless transmission of power and information is a mode in which power is transmitted by the amplitude of a microwave carrier wave and information is transmitted by the phase of the microwave, whereby power and information are simultaneously multiplexed and transmitted. . In the microwave band, the carrier wave may be a single wavelength or multiple wavelengths. For example, there are 2.4 GHz, 5.7 GHz, 24 GHz, etc. as multiple wavelengths. The first form corresponds to the FDMA protocol in the MAC layer.

(第2の形態)
電力と情報との同時無線伝送の第2の形態は、電力伝送を供給する電力をパケット化し、パケット化した電力パケットをオン/オフ変調する形態である。電力パケットによりパケットを単位として電力を伝送し、時分割された電力パケットに時間間隔により情報を伝送する。これにより電力と情報を同時多重伝送する。第2の形態は、MAC層においてTDMA方式のプロトコル、特にON/OFFkeyingの変調法に対応する。
(Second form)
A second form of simultaneous wireless transmission of power and information is a form of packetizing the power that supplies the power transmission and on/off modulating the packetized power packets. Power is transmitted in units of packets by power packets, and information is transmitted by time intervals in time-divided power packets. This enables simultaneous multiplex transmission of power and information. The second form corresponds to a TDMA protocol, particularly ON/OFF keying modulation, in the MAC layer.

以上説明したように、本発明によれば、無線電力伝送において、長距離給電の送電効率の向上を図ることができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to improve the power transmission efficiency of long-distance power supply in wireless power transmission.

本発明の無線電力伝送システムの概要を説明するための図である。1 is a diagram for explaining an overview of a wireless power transmission system of the present invention; FIG. ノード、及び複数のノードからなるネットワークを模式的に示す図である。1 is a diagram schematically showing a node and a network composed of a plurality of nodes; FIG. リクテナの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a rectenna. 周波数に対する電力変換効率(PCE)の関係を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the relationship of power conversion efficiency (PCE) to frequency; 周波数選択のシステムモデルを示す図である。FIG. 2 shows a system model of frequency selection; 送電アンテナモデルを示す図である。It is a figure which shows a power transmission antenna model. 自由空間伝搬における電力伝送効率の周波数特性を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing frequency characteristics of power transmission efficiency in free space propagation; 電力変換効率(PCE)の周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of power conversion efficiency (PCE). 送電機の周波数選択の流れを説明するためのフローチャートである。4 is a flowchart for explaining the flow of frequency selection of a power transmitter; 2パルスの伝搬モデルを示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a two-pulse propagation model; 給電効率の周波数特性を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing frequency characteristics of power supply efficiency; 周波数選択による無線電力伝送システムと単一周波数を用いたシステムとの平均給電効率を比較する図である。FIG. 3 is a diagram comparing average power supply efficiency between a wireless power transmission system by frequency selection and a system using a single frequency; マルチホップリレーによる給電モデルを示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a power feeding model using a multi-hop relay; マルチホップリレーによる給電量を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the amount of power supplied by a multi-hop relay; マルチホップリレーによる給電モデルを示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a power feeding model using a multi-hop relay; Distribution and Forward方式のブロック図である。It is a block diagram of a Distribution and Forward method. Rectification and Forward方式のブロック図である。It is a block diagram of a Rectification and Forward method. ホップ数とDifference of efficiencyの関係の一例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an example of the relationship between the number of hops and the difference of efficiency; ドローン等の移動可能な中継器ノード(受電端末)の測位誤差の概要を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an overview of positioning errors of a movable repeater node (power receiving terminal) such as a drone; 測位誤差を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing positioning errors; 最大角度ずれに対するEnd to end給電効率の評価を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing evaluation of end-to-end power supply efficiency with respect to maximum angular deviation; 周波数に対するEnd to end給電効率の評価を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing evaluation of end-to-end power supply efficiency with respect to frequency; 周波数とEnd to end給電効率との関係を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the relationship between frequency and end-to-end power supply efficiency; 要求電力量を送るための各中継器での総増幅量を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the total amount of amplification in each repeater for sending the required amount of power; 中継器で電力増幅する場合と送電機側で電力増幅する場合に各給電量を比較するための図である。FIG. 10 is a diagram for comparing each feed amount when power is amplified by a repeater and when power is amplified by a power transmitter; 中継器で電力増幅したときと送電機で電力増幅したときとを給電量で比較するための図である。FIG. 4 is a diagram for comparing power supply amounts when power is amplified by a repeater and when power is amplified by a power transmitter; 反射波を考慮した直接波と反射波の2波モデルを示す図である。It is a figure which shows the 2-wave model of a direct wave and a reflected wave which considered the reflected wave. 2波の重ね合わせにおいて位相が一致する面積で正規化した結果を示す図である。It is a figure which shows the result normalized by the area which a phase matches in the superposition of two waves. 最適周波数を導出する手順を説明するためのフローチャートである。4 is a flow chart for explaining a procedure for deriving an optimum frequency; 周波数を変更した場合の給電量を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the amount of power supplied when the frequency is changed; 周波数を変更した場合の総距離に対する最適なホップ数を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the optimum number of hops with respect to the total distance when the frequency is changed; ノード間距離(受電端末距離)に対する指摘周波数シミュレーション例を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing an example of an indicated frequency simulation for inter-node distance (receiving terminal distance); マルチホップリレーにより無縁電力伝送の概略構成を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of wireless power transmission using a multi-hop relay; 給電ルートの環境を説明するための図である。FIG. 2 is a diagram for explaining an environment of a power feeding route; FIG. 重み付きグラフを説明するための図である。FIG. 4 is a diagram for explaining a weighted graph; FIG. 給電用のマルチホップリレーにおける位置情報の通信を説明するための図である。FIG. 4 is a diagram for explaining communication of position information in a multi-hop relay for feeding; 位置情報を送信する送電機側の手順を説明するための図である。FIG. 4 is a diagram for explaining a procedure on the side of a power transmitter for transmitting position information; 位置情報を送信する中継器の手順を説明するための図である。FIG. 4 is a diagram for explaining a procedure of a repeater that transmits position information; 位置情報を送信する手順を説明するための図である。FIG. 4 is a diagram for explaining a procedure for transmitting position information; FIG. 位置情報を送信する受電機側の手順を説明するための図である。FIG. 4 is a diagram for explaining a procedure on the side of a power receiver for transmitting position information; end-to-end給電効率のノード数と平均給電効率のシミュレーションについて結果総送電距離が10mの場合を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a case where the total power transmission distance is 10 m as a result of simulating the number of nodes of end-to-end power supply efficiency and the average power supply efficiency; end-to-end給電効率のノード数と平均給電効率のシミュレーションについて総送電距離が20mの結果を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the results of a simulation of the number of nodes of end-to-end power supply efficiency and the average power supply efficiency when the total power transmission distance is 20 m; end-to-end給電効率のノード数と平均給電効率のシミュレーションについて総送電距離が30mの結果を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the results of a simulation of the number of nodes of end-to-end power supply efficiency and the average power supply efficiency when the total power transmission distance is 30 m; end-to-end給電効率のノード数と平均給電効率のシミュレーションについて総送電距離が40mの結果を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the results of a simulation of the number of nodes of end-to-end power supply efficiency and the average power supply efficiency when the total power transmission distance is 40 m; ノード数に対する通信による消費電力を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing power consumption by communication with respect to the number of nodes; 複数の送電機から給電を受ける概略構成を示す図である。1 is a diagram showing a schematic configuration for receiving power from a plurality of power transmitters; FIG. 複数の送電機から給電を受ける場合の複数のアンテナからの送電状態を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing power transmission from a plurality of antennas when power is supplied from a plurality of power transmitters; ノード(受電端末)Rx、アンテナTx1,Tx2の位置関係を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the positional relationship between a node (power receiving terminal) Rx and antennas Tx1 and Tx2; アンテナから見たドローンの方向と、アンテナのメインローブ方向との間に誤差がある状態を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a state in which there is an error between the direction of the drone as seen from the antenna and the direction of the main lobe of the antenna; 最適ビーム幅のシミュレーション例を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a simulation example of optimum beam width; ドローンの変動モデルを示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a variation model of a drone; ビーム形成のフローチャートである。4 is a flow chart of beamforming; 伝送距離を変化させた場合のビーム幅のシミュレーションを示す図である。FIG. 10 is a diagram showing simulation of beam width when transmission distance is changed; 角度誤差を考慮した最適ビーム幅とドローンの移動量との関係を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the optimum beam width considering the angle error and the amount of movement of the drone; ドローンが静止状態にある際の風に対する姿勢制御に伴う移動状態を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a moving state associated with attitude control against wind when the drone is in a stationary state; 静止しようとしたドローンが風や姿勢制御で移動したときの給電効率を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing power feeding efficiency when a drone that is about to stand still moves due to wind or attitude control; 遅延時間によるドローンの移動状態を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the movement state of the drone depending on the delay time; ドローンの平均移動量に対する給電効率を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing power supply efficiency with respect to the average amount of movement of the drone;

本発明の無線電力伝送システムは、ノード間の電力伝送をマルチホップリレーにより行うための第1層の物理層と、複数ノード間の送受電を制御するための第2層のMAC層と複数ノードからなるネットワークの給電経路を最適化する第3層のネットワーク層を備える。本発明の層構造の無線電力伝送システムにより、第1層の物理層を構成する複数のノードを通して行う電力伝送において、各複数ノード間の送受電の制御を第2層のMAC層で行い、複数ノードから構成される複数のネットワークの中から、給電効率を評価指標として最適な給電経路を選択し、各ノード間のマイクロ波による無線電力伝送をマルチホップリレーにより行う。 The wireless power transmission system of the present invention includes a first layer physical layer for performing power transmission between nodes by multi-hop relays, a second layer MAC layer for controlling power transmission and reception between multiple nodes, and multiple nodes and a network layer of layer 3 that optimizes the feed path of the network consisting of: According to the layered wireless power transmission system of the present invention, in power transmission performed through a plurality of nodes constituting the physical layer of the first layer, the MAC layer of the second layer controls power transmission and reception between each of the plurality of nodes. The optimal power supply route is selected from among multiple networks consisting of nodes using power supply efficiency as an evaluation index, and wireless power transmission using microwaves is performed between each node using multi-hop relays.

図1は本発明の無線電力伝送システムの概要を説明するための図である。無線電力伝送システム10は、図1(a)に示すように、第1層の物理層11、第2層のMAC層、及び第3層のネットワーク層の複数の階層により構成される。 FIG. 1 is a diagram for explaining the outline of the wireless power transmission system of the present invention. As shown in FIG. 1(a), the wireless power transmission system 10 is composed of a plurality of layers including a physical layer 11 as the first layer, a MAC layer as the second layer, and a network layer as the third layer.

第1層の物理層11は複数のノードにより構成され、マルチホップリレーリレーによりノード間を中継して電力伝送を行う階層である。複数のノードは、電力を供給する電力供給源である送電機、電力の供給を受ける受け手である受電機、送電機と受電機の間の給電経路において、電力を中継して次のノードに渡す中継器を備える。 The physical layer 11 of the first layer is composed of a plurality of nodes, and is a layer that performs power transmission by relaying between nodes by multi-hop relay relays. A plurality of nodes relay power to the next node in the power supply path between the power transmitter, which is the power supply source that supplies power, the power receiver, which is the recipient of the power supply, and the power supply path between the power transmitter and the power receiver. Equipped with a repeater.

第2層のMAC層12は、所定のプロトコルに従って複数ノード間の送受電を制御する階層である。 The MAC layer 12 of the second layer is a layer that controls power transmission and reception between multiple nodes according to a predetermined protocol.

第3層のネットワーク層13は、複数ノードからなるネットワークの給電経路を、給電効率を評価指標として最適化する階層である。 The network layer 13, which is the third layer, is a layer for optimizing a power supply route of a network consisting of a plurality of nodes using power supply efficiency as an evaluation index.

各層は協働して、第1層の物理層11の複数ノード間の電力伝送を、第2層のMAC層により制御し、第1層の物理層11の複数ノードから構成されるネットワークの複数の給電経路の中から、第3層のネットワーク層13により給電効率を評価指標として最適な給電経路を選択し、各ノード間のマイクロ波による無線電力伝送をマルチホップリレーにより行う。 Each layer cooperates to control power transmission between multiple nodes of the physical layer 11 of the first layer by the MAC layer of the second layer, and to control multiple nodes of the network composed of multiple nodes of the physical layer 11 of the first layer. From among the power supply routes, the network layer 13 of the third layer selects the optimum power supply route using the power supply efficiency as an evaluation index, and wireless power transmission by microwaves between nodes is performed by multi-hop relays.

第3層のネットワーク層13の上層には、セキュリティを担保する第4層のアプリケーション層14を設ける構成としても良い。 An application layer 14 that is a fourth layer that ensures security may be provided above the network layer 13 that is the third layer.

図2は、ノード、及び複数のノードからなるネットワークを模式的に示している。ここでは、ネットワーク4はノードとして複数の中継器3から構成される。なお、図2では、ネットワーク4は複数の中継器3のみにより構成される例を示しているが、送電機1、受電機2、及び中継器3を含めた構成として良い。 FIG. 2 schematically shows a node and a network of nodes. Here, the network 4 is composed of a plurality of repeaters 3 as nodes. Note that although FIG. 2 shows an example in which the network 4 is composed only of a plurality of repeaters 3 , the network 4 may include the power transmitter 1 , the power receiver 2 , and the repeaters 3 .

第2層のMAC層12は第1層の物理層11の各ノード間の電力の受け渡しをプロトコルに従って給電制御し、第3層のネットワーク層13は第1層の物理層11のネットワークが形成する複数の給電経路の中から給電効率を評価指標として最適な給電経路を選択する。 The MAC layer 12 of the second layer controls power transfer between each node of the physical layer 11 of the first layer according to the protocol, and the network layer 13 of the third layer is formed by the network of the physical layer 11 of the first layer. An optimum power supply route is selected from a plurality of power supply routes using the power supply efficiency as an evaluation index.

(電力と情報の同時無線伝送)
図1(b)は、本発明の無線電力伝送100と無線情報伝送200との関係を示している。本発明の無線電力伝送100と無線情報伝送200とは、類似する階層構造とすることにより、電力と情報の両方を同時に無線で伝送することを可能とする。
(Simultaneous wireless transmission of power and information)
FIG. 1(b) shows the relationship between wireless power transmission 100 and wireless information transmission 200 of the present invention. The wireless power transmission 100 and the wireless information transmission 200 of the present invention have a similar hierarchical structure, thereby making it possible to wirelessly transmit both power and information at the same time.

無線電力伝送100は、第1層の物理層11、第2層のMAC層12、第3層のネットワーク層13、及び第4層のアプリケーション層14に対応する構成として、マルチホップリレーの層101,無線給電制御の層102,最適給電経路の層103,セキュリティの層104を備える。 The wireless power transmission 100 includes a multi-hop relay layer 101 as a configuration corresponding to the physical layer 11 of the first layer, the MAC layer 12 of the second layer, the network layer 13 of the third layer, and the application layer 14 of the fourth layer. , a wireless power supply control layer 102 , an optimum power supply path layer 103 , and a security layer 104 .

一方、無線情報伝送200は、第1層の物理層11、第2層のMAC層、第3層のネットワーク層、及び第4層のアプリケーション層14に対応する構成として、変調・符号の層201,通信制御のプロトコルの層202,情報のルーティングの層203,セキュリティの層204を備える。無線電力伝送100及び無線情報伝送200において、無線電力伝送100は電力の伝送効率を評価する評価指標15として給電効率105を備え、無線情報伝送200は情報の伝送効率を評価する評価指標15としてS/N比205a、及び通信路容量205bを備える。 On the other hand, the radio information transmission 200 includes a modulation/coding layer 201 as a configuration corresponding to the physical layer 11 of the first layer, the MAC layer of the second layer, the network layer of the third layer, and the application layer 14 of the fourth layer. , a communication control protocol layer 202 , an information routing layer 203 , and a security layer 204 . In wireless power transmission 100 and wireless information transmission 200, wireless power transmission 100 has power supply efficiency 105 as an evaluation index 15 for evaluating power transmission efficiency, and wireless information transmission 200 has S as an evaluation index 15 for evaluating information transmission efficiency. It has a /N ratio 205a and a channel capacity 205b.

無線電力伝送100と無線情報伝送200を類似の階層構造とすることにより、類似するノードのネットワークを利用すると共に、電力伝送制御と情報伝送制御を第1層の物理層11、第2層のMAC層、及び第3層のネットワーク層でのそれぞれの機能により干渉を回避して行う。 By making wireless power transmission 100 and wireless information transmission 200 have a similar hierarchical structure, a network of similar nodes is used, and power transmission control and information transmission control are performed by the physical layer 11 of the first layer and the MAC of the second layer. layer, and the network layer of the third layer to avoid interference.

また、複数のノードにより形成される複数の経路において、無線電力伝送100の給電効率105、及び無線情報伝送200のS/N比205a,通信路容量205bの各給電効率105を考慮して最適経路を選択する。 In addition, in a plurality of paths formed by a plurality of nodes, the optimum path is determined by considering the power supply efficiency 105 of the wireless power transmission 100, the S/N ratio 205a of the wireless information transmission 200, and the power supply efficiency 105 of the communication channel capacity 205b. to select.

(無線電力・情報伝送システム)
本発明の電力と情報とを同時に無線伝送する無線電力・情報伝送システムは、
(1)ノード間の電力伝送、及び情報伝送をマルチホップリレーにより行うための第1層の物理層
(2)複数ノード間の電力の送受電を制御するための第2層のMAC層
(3)複数ノードからなるネットワークの電力の給電経路、及び情報の送電経路を最適化する第3層のネットワーク層
を備える。
(Wireless power/information transmission system)
The wireless power/information transmission system for simultaneously wirelessly transmitting power and information according to the present invention includes:
(1) 1st layer physical layer for power transmission and information transmission between nodes by multi-hop relay (2) 2nd layer MAC layer for controlling power transmission/reception between multiple nodes (3) ) A third network layer that optimizes the power and information transmission paths of the network of nodes.

無線電力・情報伝送システムは、上記各層において
(a)無線電力伝送はマイクロ波により電力を無線伝送し、
(b)無線電力伝送は、電力伝送の給電経路を給電効率に基づいて最適化し、
(c)無線情報伝送は、情報伝送の送信経路を信号雑音比(S/N比)及び/又は通信路容量に基づいて最適化する。
無線電力・情報伝送システムにおいて、経路選択は、給電効率や送伝効率を評価基準とする最適化の他、人体や無線機器への干渉レベルを評価基準とした最適化を適用することができる。無線機器としては、例えば、既存の無線通信機器、無線情報伝送機器、他の無線電力伝送機器、電波障害の影響を受ける機器、小腸大腸用無線カプセル内視鏡などの無線医療機器のように電波を送受する医療機器等がある。
The wireless power/information transmission system consists of the following in each layer: (a) Wireless power transmission uses microwaves to wirelessly transmit power;
(b) wireless power transmission optimizes the power transmission feed path based on power feed efficiency,
(c) Wireless information transmission optimizes the transmission path for information transmission based on signal-to-noise ratio (S/N ratio) and/or channel capacity.
In wireless power/information transmission systems, route selection can be optimized using power supply efficiency and transmission efficiency as evaluation criteria, as well as optimization using interference levels to human bodies and wireless devices as evaluation criteria. Examples of wireless devices include existing wireless communication devices, wireless information transmission devices, other wireless power transmission devices, devices affected by radio wave interference, and wireless medical devices such as wireless capsule endoscopes for small and large intestines. There are medical devices that transmit and receive

電力と情報との同時無線伝送は複数の形態を適用することができる。
(同時無線伝送の第1の形態)
電力と情報との同時無線伝送の第1の形態は、マイクロ波の搬送波の振幅により電力伝送を行い、マイクロ波の位相による情報伝送を行う形態であり、これにより電力と情報を同時多重伝送する。搬送波は、マイクロ波帯域において、単一の波長により行う他に、複数波長を用いて行っても良い。複数波長として例えば2.4GHz、5.7GHz、24GHz等がある。
Multiple forms of simultaneous wireless transmission of power and information can be applied.
(First form of simultaneous wireless transmission)
A first mode of simultaneous wireless transmission of power and information is a mode in which power is transmitted by the amplitude of a microwave carrier wave and information is transmitted by the phase of the microwave, whereby power and information are simultaneously multiplexed and transmitted. . In the microwave band, the carrier wave may be a single wavelength or multiple wavelengths. For example, there are 2.4 GHz, 5.7 GHz, 24 GHz, etc. as multiple wavelengths.

(同時無線伝送の第2の形態)
電力と情報との同時無線伝送の第2の形態は、電力伝送を供給する電力をパケット化し、パケット化した電力パケットをオン/オフ変調する形態であり、情報通信におけるON/OFFキーイング(OOK)に類似する形態である。電力パケットによりパケットを単位として電力を伝送し、時分割された電力パケットに時間間隔により情報を伝送する。これにより電力と情報を同時多重伝送する。
(Second form of simultaneous wireless transmission)
A second form of simultaneous wireless transmission of power and information is a form of packetizing the power that supplies power transmission and ON/OFF-modulating the packetized power packets, which is ON/OFF keying (OOK) in information communication. It is a form similar to Power is transmitted in units of packets by power packets, and information is transmitted by time intervals in time-divided power packets. This enables simultaneous multiplex transmission of power and information.

[物理層]
以下、第1層の物理層に関連する構成について説明する。
(マイクロ波伝送)
マイクロ波を用いた無線電力伝送は、宇宙太陽光発電所や電気自動車,無人航空機(UAV)などの移動体への送電など,様々な分野での応用が期待されている。マイクロ波の利用周波数は1~30GHzであり、送電距離は数mから数km以上が可能であり、長距離電送に適している。マイクロ波伝送では受電アンテナにレクティファイアを用いて受電電力をDC変換する。人体への安全面や高効率伝送を考慮するとアレーアンテナ等の指向性を有した送電機が好適である。なお、受電機は、主に受電アンテナと整流器(レクティファイア)とで構成され、これらを合わせた造語としてレクテナと称される。
[Physical layer]
A configuration related to the physical layer of the first layer will be described below.
(microwave transmission)
Wireless power transmission using microwaves is expected to be applied in various fields, such as power transmission to moving objects such as space solar power plants, electric vehicles, and unmanned aerial vehicles (UAVs). The frequency of microwaves used is 1 to 30 GHz, and the power transmission distance can be from several meters to several kilometers or longer, making it suitable for long-distance transmission. In microwave transmission, a rectifier is used for a power receiving antenna to DC-convert the received power. Considering the safety of the human body and high-efficiency transmission, a power transmitter with directivity such as an array antenna is suitable. The power receiver is mainly composed of a power receiving antenna and a rectifier (rectifier), and is called a rectenna as a coined word combining these.

(遠方界・近傍界)
アンテナ周囲の電磁界分布はアンテナのサイズと送受電間の距離によって異なる。アンテナから十分離れた領域は遠方界と呼ばれ、放射された電磁波は球面波であり、平面波近似が有効である。一方、遠方界では受電電力Prはフリスの公式より以下の式で表される。
(far field/near field)
The electromagnetic field distribution around the antenna depends on the size of the antenna and the distance between the transmitter and receiver. The area far enough from the antenna is called the far field, and the radiated electromagnetic waves are spherical waves, for which plane wave approximation is valid. On the other hand, in the far field, the received power Pr is expressed by the following formula according to the Friis formula.

Figure 0007283689000001
(1)
ただし、λは波長、Gt及びGrはそれぞれ送電アンテナと受電アンテナの利得、At及びArはそれぞれ送電アンテナと受電アンテナの有効開口面積、Dは送受信間距離、Ptは送電電力である。
Figure 0007283689000001
(1)
is the wavelength, Gt and Gr are the gains of the power transmitting and receiving antennas, respectively, At and Ar are the effective aperture areas of the power transmitting and receiving antennas, D is the distance between the transmitter and receiver, and Pt is the transmitted power.

本来、電磁波は球面波であるため、電磁波エネルギーが平面波近似できるほど拡散する遠方界では、送電効率は1%にもならない。 Since an electromagnetic wave is originally a spherical wave, the power transmission efficiency is less than 1% in the far field where the electromagnetic wave energy spreads enough to approximate a plane wave.

一方、近傍界(フレネル界)では、アンテナとの距離が短くなるにつれてアンテナの放射パターンが徐々に変化するため、実用的なサイズのアンテナを用いて高効率の送電が行えるようになる。そこで、近傍界では、受電電力を受電アンテナ面で積分して計算する。近傍界におけるビーム収集効率は以下の式で表される。 On the other hand, in the near-field (Fresnel field), the radiation pattern of the antenna gradually changes as the distance to the antenna becomes shorter. Therefore, in the near field, the received power is integrated in the plane of the receiving antenna for calculation. The beam collection efficiency in the near field is expressed by the following equation.

Figure 0007283689000002
(2)
ここで、
Figure 0007283689000002
(2)
here,

Figure 0007283689000003
(3)
である。
Figure 0007283689000003
(3)
is.

なお、式(2)は送電アンテナと受電アンテナとが正対する二つの開口面アンテナを仮定している。近傍界と遠方界の明確な領域の境界は決まっておらず、以下の式により距離が大きい場合は遠方界とみなせる。 Note that Equation (2) assumes two aperture antennas in which the power transmitting antenna and the power receiving antenna face each other. A clear boundary between the near field and the far field is not determined, and according to the following formula, when the distance is large, it can be regarded as the far field.

Figure 0007283689000004
(4)
ここで、Dは送電距離、Lはアンテナの最大サイズである。
本発明の無線電力伝送システムでは近傍界を想定している。
Figure 0007283689000004
(4)
where D is the transmission distance and L is the maximum size of the antenna.
A near field is assumed in the wireless power transmission system of the present invention.

(レクテナ)
マイクロ波を用いた無線電力伝送では、受電機としてレクテナと呼ばれる整流アンテナ(Rectifying Antenna)が用いられる。
(rectenna)
In wireless power transmission using microwaves, a rectifying antenna called a rectenna is used as a power receiver.

図3はリクテナの構成を示している。レクテナ20はアンテナ21と整流器22から構成される。整流器22は、整流ダイオード22bを備えた受動素子であり、アンテナ21で受電したマイクロ波電力を整流し、DC電力を生成し、負荷30に給電する。レクテナ20は、整流ダイオード22bに加えて整合回路22a及びフィルタ22cを備える。整合回路22aはアンテナ21とのインピーダンスを整合し、反射電力の発生を抑制える。フィルタ22cはローパスフィルタと出力フィルタを備える。ローパスフィルタは、整流ダイオード22bからの高周波の再放射を抑制し、出力フィルタはDC電流を安定させることにより電力変換効率(PCE)を高める。 FIG. 3 shows the configuration of the rectenna. Rectenna 20 is composed of antenna 21 and rectifier 22 . The rectifier 22 is a passive element having a rectifying diode 22b, rectifies the microwave power received by the antenna 21, generates DC power, and supplies the load 30 with the DC power. The rectenna 20 includes a matching circuit 22a and a filter 22c in addition to a rectifying diode 22b. The matching circuit 22a matches the impedance with the antenna 21 and suppresses the generation of reflected power. Filter 22c comprises a low pass filter and an output filter. The low-pass filter suppresses high frequency re-radiation from the rectifier diode 22b, and the output filter stabilizes the DC current to increase power conversion efficiency (PCE).

図4は周波数に対する電力変換効率(PCE)の関係を示している。電力変換効率(PCE)は高周波数まで低下する特性がある。 FIG. 4 shows the power conversion efficiency (PCE) versus frequency. The power conversion efficiency (PCE) has the characteristic of degrading up to high frequencies.

(給電効率)
無線電力伝送において、給電効率は電力伝送効率と電力変換効率の積で表される。本発明は、給電効率を改善する形態として2つの形態を備える。
電力伝送効率と電力変換効率との間には、周波数についてトレードオフの関係がある。第1の形態は、この周波数により給電効率を改善する形態である。また、第2の形態は中継ノードにより給電効率を改善する形態である。
(Power supply efficiency)
In wireless power transmission, power supply efficiency is represented by the product of power transmission efficiency and power conversion efficiency. The present invention has two modes for improving power supply efficiency.
There is a trade-off relationship with respect to frequency between power transmission efficiency and power conversion efficiency. A first form is a form in which the power feeding efficiency is improved by this frequency. A second form is a form in which the power feeding efficiency is improved by a relay node.

(a)第1の形態:周波数選択による給電効率の改善形態
はじめに、周波数選択による第1の形態について説明する。第1の形態では、受電端末の位置によって給電効率を最適とする周波数が変わる特性に基づいて、受電端末の位置に応じて周波数を選択する。
(a) First Mode: Improvement Mode of Power Supply Efficiency by Frequency Selection First, the first mode by frequency selection will be described. In the first mode, the frequency is selected according to the position of the power receiving terminal based on the characteristic that the frequency that optimizes power supply efficiency changes depending on the position of the power receiving terminal.

現在、マイクロ波の周波数帯域では法規制の観点からISMバンドである「2.4GHz」か「5.8GHz」等、あるいは「22-29GHz等」準ミリ波帯が用いられている、あるいは、用いられる予定である。電力伝送効率と電力変換効率に周波数トレードオフがあることや、電力伝送効率を最大にする周波数はビームチルト角の大きさに依存性を有することから給電効率を最大にする波数が存在する。 Currently, in the microwave frequency band, the ISM band "2.4 GHz" or "5.8 GHz" or the like, or the quasi-millimeter wave band "22-29 GHz" is used from the viewpoint of legal regulations. It is planned to be Since there is a frequency trade-off between power transmission efficiency and power conversion efficiency, and the frequency that maximizes power transmission efficiency depends on the magnitude of the beam tilt angle, there is a wavenumber that maximizes power supply efficiency.

第1の形態による周波数選択は、マイクロ波の周波数を可変とし、給電効率(=電力伝送効率×電力変換効率)を最大にする最適な周波数を選択し、さらに受電端末の位置に応じて給電周波数を適応的に変更する。 In the frequency selection according to the first mode, the frequency of the microwave is made variable, the optimum frequency that maximizes the power supply efficiency (=power transmission efficiency x power conversion efficiency) is selected, and the power supply frequency is selected according to the position of the power receiving terminal. adaptively change

(システムモデルと前提条件)
図5は周波数選択のシステムモデルを示している。ここでは、1つの送電機1と1つの受電機2が存在し、送電機1はアンテナ素子数n、素子間隔dの理想リニアアレーアンテナを有し、固定されている状況を示している。
(system model and assumptions)
FIG. 5 shows a system model for frequency selection. Here, there is one power transmitter 1 and one power receiver 2, and the power transmitter 1 has an ideal linear array antenna with the number of antenna elements n and the element spacing d, and is fixed.

前提条件は以下のとおりである。
(1)素子間隔dは一定である。
(2)アンテナ素子は理想的な無指向性・広帯域を有する。
(3)送電機は受電機から受電機の位置情報を受け取り、内部で送電機から見たビームチルト角θと送電距離Dを計算し、その方向に電力を送電する。
(4)受電機は開口面積Arのアンテナを有する移動端末である。
(5)受電機は自身の位置情報を有し、一定間隔ごとに自身の位置を送電機に情報伝送する。
(6)送電機と受電機は正対し、直接波とマルチパス1波が存在する2波モデルの伝搬路環境である。
The prerequisites are as follows.
(1) Element spacing d is constant.
(2) The antenna element has ideal omnidirectionality and broadband.
(3) The power transmitter receives the position information of the power receiver from the power receiver, internally calculates the beam tilt angle θ 0 viewed from the power transmitter and the transmission distance D, and transmits power in that direction.
(4) The receiver is a mobile terminal having an antenna with an aperture area Ar.
(5) The receiver has its own position information, and transmits information about its position to the transmitter at regular intervals.
(6) The transmitter and receiver face each other, and the propagation path environment is a two-wave model in which a direct wave and one multipath wave exist.

(解析モデル)
以下、送電アレーアンテナのアンテナ利得と受電端末のレクテナの電力変換効率が周波数に依存することに基づいて、送電アンテナモデル及び電力伝送効率について解析する。
(Analysis model)
In the following, the power transmission antenna model and the power transmission efficiency are analyzed based on the fact that the antenna gain of the power transmission array antenna and the power conversion efficiency of the rectenna of the power receiving terminal depend on the frequency.

・送電アンテナモデル
図6は送電アンテナモデルを示し、理想的な2次元リニアアレーアンテナの例を示している。2次元リニアアレーアンテナは、1~Nの直線状に配列されたアンテナ1~Nを備え、アンテナ間距離はdとする。ビームチルト角θにおけるアレー利得Gは以下の式で表される。
- Power Transmission Antenna Model FIG. 6 shows a power transmission antenna model, showing an example of an ideal two-dimensional linear array antenna. The two-dimensional linear array antenna has 1 to N linearly arranged antennas 1 to N, and the distance between the antennas is d. The array gain G at the beam tilt angle θ 0 is expressed by the following equation.

Figure 0007283689000005
(5)
ここで,u=d/κ(sinθ-cosθ)であり、κ=2πλは波数、dはアンテナ素子間隔、Nはアンテナ素子数である。
Figure 0007283689000005
(5)
Here, u=d/κ 0 (sin θ−cos θ 0 ), κ 0 =2πλ is the number of waves, d is the antenna element spacing, and N is the number of antenna elements.

また、電力伝送効率(Power Transmission Efficiency:PTE) は以下の式により定義される Power Transmission Efficiency (PTE) is defined by the following formula

Figure 0007283689000006
(6)
ここで,Prは受電マイクロ波電力であり、Ptは送電マイクロ波電力である。また、Prfree(t)は自由空間伝搬環境における受電電力である。
Figure 0007283689000006
(6)
where Pr is the received microwave power and Pt is the transmitted microwave power. Prfree(t) is the received power in the free space propagation environment.

電力伝送効率は伝搬モデルによって異なるが、一例として自由空間伝搬モデルにおける電力伝送効率(PTE)を以下の式7に示す。 Although the power transfer efficiency varies depending on the propagation model, as an example, the power transfer efficiency (PTE) in the free space propagation model is shown in Equation 7 below.

Figure 0007283689000007
(7)
ここで、Dは送受電端末間の距離、Arは受電アンテナの開口面積である。
Figure 0007283689000007
(7)
Here, D is the distance between the power transmitting/receiving terminals, and Ar is the aperture area of the power receiving antenna.

図7は自由空間伝搬における電力伝送効率の周波数特性を示している。アレーアンテナにおいて素子間隔dが固定のとき、周波数fが高いほどアレー利得Gが高くなる。このことから電力伝送効率(PTE)は周波数が高くなるにつれてが高くなる。なお、ある程度周波数が高くなると、グレーティングローブの発生によりアレー利得Gが低下し、電力伝送効率(PTE)が低下する。 FIG. 7 shows frequency characteristics of power transmission efficiency in free space propagation. When the element spacing d in the array antenna is fixed, the higher the frequency f, the higher the array gain G. From this, the power transfer efficiency (PTE) increases as the frequency increases. When the frequency increases to some extent, the array gain G decreases due to the generation of grating lobes, and the power transmission efficiency (PTE) decreases.

・電力伝送効率
端末内にレクテナを有し、移動可能な受電端末の電力変換効率を示す。ここで、受電端末は端末内にバッテリーを保有し、受電した電力はバッテリーに充電可能であるとする。レクテナの電力変換効率(Power Conversion Efficiency:PCE)は以下の式で表される。
・Power transmission efficiency Indicates the power conversion efficiency of a mobile power receiving terminal that has a rectenna inside the terminal. Here, it is assumed that the power receiving terminal has a battery in the terminal, and the battery can be charged with the received power. The power conversion efficiency (PCE) of the rectenna is represented by the following formula.

Figure 0007283689000008
(8)
ここで、PDCは出力DC電力,Vは抵抗性負荷の出力自己バイアスDC電圧、Vbiはフォアードバイアス領域でのダイオードのビルトーイン電圧、Rsはダイオードの直列抵抗、RlはDC負荷抵抗である。
Figure 0007283689000008
(8)
where PDC is the output DC power, V0 is the output self-biased DC voltage of the resistive load, Vbi is the built-in voltage of the diode in the forward bias region, Rs is the series resistance of the diode, and Rl is the DC load resistance.

θonとCは以下の式で表される。 θ on and C j are represented by the following equations.

Figure 0007283689000009
(9)
Figure 0007283689000009
(9)

Figure 0007283689000010
(10)
ここで、Cは非線形ジャンクション容量であり、Cはゼロバイアスジャンクション容量である。図8はPCEの周波数特性を示している。一般的に、PCEは周波数が低いほど良い特性を示す。
Figure 0007283689000010
(10)
where C is the j non-linear junction capacitance and C0 is the zero-bias junction capacitance. FIG. 8 shows the frequency characteristics of PCE. In general, PCE exhibits better characteristics at lower frequencies.

・送電機の周波数選択
以下、送電機の周波数選択の流れを図9のフローチャートを用いて説明する。
(1)レクテナの電力伝送効率の情報PTE、電力変換効率の情報PCEを取得する。
(2)送電側において、レクテナの電力伝送効率の情報PTE、電力変換効率の情報PCEに基づいて電力伝送効率PTEを周波数ごとに計算し、同様に式(7)を用いて各ビームチルト角に対する電力伝送効率(PTE)の周波数特性を計算し、閾値θth、周波数flow、fhighを決定する。
(3)送電機が受電端末の位置情報を取得し、取得した位置情報と送電機自身の位置に基づいてビームチルト角θ(t)と送受電間距離D(t)を計算する。
(4)ビームチルト角θ(t)が閾値θthより大きいときflowを選択し電力伝送する。
(5)受電電力をフィードバックする。
(6)受電電力が自由空間伝搬環境における値Prfree(t)以下の場合、マルチパスの影響で逆相であると判断してfhighに周波数を変更する。
(7)ビームチルト角θ(t)が閾値θthより小さいときfhighを選択し同様に電力伝送する。
(8)(4)~(7)を繰り返して適応的に周波数を制御する。
・伝搬モデル
- Frequency Selection of Power Transmitter Below, the flow of frequency selection of the power transmitter will be described with reference to the flowchart of FIG.
(1) Acquire the information PTE of the power transmission efficiency of the rectenna and the information PCE of the power conversion efficiency.
(2) On the power transmission side, the power transmission efficiency PTE is calculated for each frequency based on the information PTE of the power transmission efficiency of the rectenna and the information PCE of the power conversion efficiency. A frequency characteristic of power transmission efficiency (PTE) is calculated to determine a threshold value θth, frequencies flow and fhigh.
(3) The power transmitter acquires the position information of the power receiving terminal, and calculates the beam tilt angle θ 0 (t) and the distance D(t) between power transmission and reception based on the acquired position information and the position of the power transmitter itself.
(4) When the beam tilt angle θ 0 (t) is greater than the threshold θth, flow is selected and power is transmitted.
(5) Feedback received power.
(6) If the received power is less than the value Prfree(t) in the free space propagation environment, it is determined that the phase is reversed due to multipath effects, and the frequency is changed to fhigh.
(7) When the beam tilt angle θ 0 (t) is smaller than the threshold θth, fhigh is selected and power is similarly transmitted.
(8) Repeat (4) to (7) to adaptively control the frequency.
・Propagation model

図10に伝搬モデルを示す。ここでは直接波1波とマルチパス1波からなる2パスモデルの伝搬モデルを示している。直接波の到来時間を0とし、遅延波は振幅a倍、位相δだけ遅れて受電されるものとしている。このときの合成波は以下の式で表される。 FIG. 10 shows the propagation model. Here, a two-path model propagation model consisting of one direct wave and one multipath wave is shown. It is assumed that the arrival time of the direct wave is 0, and the delayed wave is received with a delay of the amplitude a times and the phase δ. The composite wave at this time is represented by the following equation.

Figure 0007283689000011
(11)
Figure 0007283689000011
(11)

2波の絶対値平均を式(12)により算出した後、式(13)を用いて受電電力を計算する。ここでZは電磁波の特性インピーダンスである。 After calculating the average absolute value of the two waves using Equation (12), the received power is calculated using Equation (13). where Z0 is the characteristic impedance of the electromagnetic wave.

Figure 0007283689000012
(12)
Figure 0007283689000012
(12)

Figure 0007283689000013
(13)
Figure 0007283689000013
(13)

・シミュレーションによる性能評価
以下、評価関数f(θ,ω)=PTE*PCEによりシミュレーションによる性能評価を示す。
送電アレーアンテナのパラメータ、レクテナのパラメータ、伝搬環境のパラメータを示す。
Performance Evaluation by Simulation Hereinafter, performance evaluation by simulation will be shown using an evaluation function f(θ 0 , ω)=PTE*PCE.
The parameters of the transmission array antenna, the parameters of the rectenna, and the parameters of the propagation environment are shown.

Figure 0007283689000014
Figure 0007283689000014

Figure 0007283689000015
Figure 0007283689000015

Figure 0007283689000016
Figure 0007283689000016

図11は角度を15degずつ変更したときの給電効率の周波数特性を表している。ビームチルト角θ0を0degから60degまで変化させ給電効率を比較している。図11の給電効率の周波数特性は、ビームチルト角が変わることにより給電効率を最大にする周波数が変化していることを示している。例えば、theta0=0[deg]のときは約2.8GHzの一番効率が高く、theta0を大きくしていくに従って効率を最大にする周波数が低い周波数にシフトし、theta0=30[deg]を境に高い周波数の効率が高くなっていることを示している。 FIG. 11 shows the frequency characteristics of power supply efficiency when the angle is changed by 15 degrees. The power supply efficiency is compared while changing the beam tilt angle θ0 from 0° to 60°. The frequency characteristics of the power supply efficiency in FIG. 11 show that the frequency that maximizes the power supply efficiency changes as the beam tilt angle changes. For example, when theta0 = 0 [deg], the efficiency is highest at about 2.8 GHz. It shows that the efficiency of high frequencies is high.

シミュレーション結果は、
(1)受電端末の位置に応じて周波数を可変させて電力伝送を行うことが有効であること。
(2)自由空間伝搬環境において、ビームチルト角θ0を変更したときの給電効率を最大化する最適な周波数が変わること。
(3)マルチパス環境において、単一周波数を用いる場合の無線電力伝送システムに比べて給電効率が向上すること。
を示している。
The simulation result is
(1) It is effective to transmit power by varying the frequency according to the position of the receiving terminal.
(2) In a free-space propagation environment, the optimum frequency that maximizes the power supply efficiency changes when the beam tilt angle θ0 is changed.
(3) In a multipath environment, power supply efficiency is improved compared to a wireless power transmission system using a single frequency.
is shown.

・無線電力伝送システムの角度平均効率
次に、実際のハードウェアと実装することを想定し、図11で選択した2.4GHzと3.8GHz、及び5.8GHzの3周波数の例において、本発明による周波数切り替えの性能を評価する。
Angular average efficiency of wireless power transmission system Evaluate the performance of frequency switching by

ここでは、図11の結果を参考にして給電効率の高かった2.4GHzと3.8GHzを選択しているが、給電効率を最適化する周波数はアンテナの素子間隔に依存するため、必ずしも上記の周波数を最適とするものではない。 Here, 2.4 GHz and 3.8 GHz, which have high power feeding efficiency, are selected with reference to the results of FIG. It does not optimize frequency.

3.8GHzの単一周波数を既存方式として性能比較する。伝搬モデルは2波モデルとして受電端末が0[deg]から60[deg]までランダムに動いた場合の平均給電効率を評価する。試行回数は100回とする。 A single frequency of 3.8 GHz is used for performance comparison as an existing method. The propagation model evaluates the average power supply efficiency when the power receiving terminal randomly moves from 0 [deg] to 60 [deg] as a two-wave model. The number of trials is 100 times.

図12は本発明のアルゴリズムを用いた周波数選択による無線電力伝送システムと単一周波数を用いたシステムとの平均給電効率を比較している。本発明の周波数選択によれば既存の周波数固定と比較して給電効率が向上する。図12では、逆位相のマルチパスが受電された時にその周波数を使わず同位相の周波数を用いている。 FIG. 12 compares the average power supply efficiency between a wireless power transmission system by frequency selection using the algorithm of the present invention and a system using a single frequency. The frequency selection of the present invention improves power supply efficiency compared to existing fixed frequencies. In FIG. 12, the same phase frequency is used instead of using the frequency when the anti-phase multipath is received.

(b)第2の形態:マルチホップリレーによる給電効率の改善形態
次に、マルチホップリレーによる第2の形態について説明する。電力伝送効率の向上は電力伝送距離が大きい場合には困難であるという問題がある。第2の形態は、中継器ノード(ドローン)を配置し、電力をマルチホップリレーにより電力伝送することにより、給電効率を改善する。
(b) Second Form: Improvement of Power Supply Efficiency by Multihop Relay Next, a second form by multihop relay will be described. There is a problem that it is difficult to improve the power transmission efficiency when the power transmission distance is long. A second form improves power supply efficiency by arranging a repeater node (drone) and transmitting power by a multi-hop relay.

マイクロ波伝送の無線電力伝送では距離の二乗に減衰するため給電効率に影響を与える。例えば、ドローンへの給電では、無線電力伝送可能なドローン間隔が課題の一つとなる。本発明はマルチホップリレーにより長距離の電力伝送を可能にする。送電機と受電機との間に中継器を設け、中継器を介して送受電することによりマルチホップリレーによる電力給電を行う。これにより、送電距離による送電の電力減衰が小さくなり、給電量が向上する。
また、ドローンなどの移動(モビリティ)が想定される給電対象の受電ノードに関してはホバリングによる位置の揺らぎ、また、携帯電話などのモバイル端末やIoT機器においても固定に限らず、移動が想定される移動方向、速度、加速度などに応じた物理層での適応指向性制御(アダプティブビームフォーミング)や、MAC層での適応アクセス制御プロトコル、及びネットワーク層での適応経路選択(ルーティング)を適用することができる。
以下、マルチホップリレーの第1の形態、及び第2の形態について説明する。
In wireless power transmission of microwave transmission, power supply efficiency is affected because attenuation occurs in the square of the distance. For example, in power supply to drones, one of the issues is the spacing between drones that enables wireless power transmission. The present invention enables long-distance power transmission through multi-hop relays. A repeater is provided between the power transmitter and the power receiver, and power is transmitted and received via the repeater, thereby performing power feeding by a multi-hop relay. As a result, power attenuation in power transmission due to power transmission distance is reduced, and the amount of power supplied is improved.
In addition, regarding power receiving nodes that are expected to move (mobility) such as drones, position fluctuation due to hovering. Adaptive directivity control (adaptive beamforming) in the physical layer according to direction, speed, acceleration, etc., adaptive access control protocol in the MAC layer, and adaptive route selection (routing) in the network layer can be applied. .
A first form and a second form of multi-hop relay will be described below.

(b1)マルチホップリレーの第1の形態
マルチホップリレーの第1の形態について説明する。図13はマルチホップリレーによる給電モデルを示している。ここでは、固定された送電機1から複数の中継器3を介して受電機2に電力給電を行う給電モデルを示している。ここでは、中継器3として移動可能な受電端末RS1~RSn-1を示している。受電端末RS1~RSn-1として、例えばドローンを用いることができる。
(b1) First form of multi-hop relay A first form of multi-hop relay will be described. FIG. 13 shows a power supply model using multi-hop relays. Here, a power supply model is shown in which power is supplied from a fixed power transmitter 1 to a power receiver 2 via a plurality of repeaters 3 . Here, movable power receiving terminals RS1 to RSn-1 are shown as the repeater 3. FIG. For example, drones can be used as the power receiving terminals RS1 to RSn-1.

送電機1は理想的なリニアアレーアンテナと仮定し、中継器3を含む受電端末RS1~RSn-1は移動可能とし、送電機1、各受電端末RS1~RSn-1と受電機2との間の距離はD1~Dnとし、全端末の送電パワーは同じであり、送電機1及び受電機2のアンテナ開口面積はAt,Arとし、ノイズ、干渉などの影響を無視し,自由伝搬による距離減衰のみを考慮し、中継器による損失率をLOSSとする。 It is assumed that the power transmitter 1 is an ideal linear array antenna, the power receiving terminals RS1 to RSn-1 including the repeater 3 are movable, and the power receiving terminals RS1 to RSn-1 and the power receiver 2 are connected. are D1 to Dn, the transmission power of all terminals is the same, the antenna aperture areas of the transmitter 1 and the receiver 2 are At and Ar, the effects of noise and interference are ignored, and the distance attenuation due to free propagation is LOSS is the loss rate due to the repeater.

本発明の無線電力伝送によれば、全中継器による損失と全中継器間の距離減衰の総減衰量は、送電機と受電機の間を直接送電することによる総距離Dの減衰量よりも低減される。 According to the wireless power transmission of the present invention, the total attenuation of the loss due to all repeaters and the distance attenuation between all repeaters is greater than the attenuation of the total distance D due to direct power transmission between the transmitter and the receiver. reduced.

・End to End 給電効率
受電端末間の距離をD1,D2,・・・とすると、近傍界を考慮したフリスの公式を用いると、自由空間伝搬モデルでの給電量は以下の式で表される。
・End to End Power Supply Efficiency Assuming that the distances between power receiving terminals are D1, D2, etc., using the Friis formula that considers the near field, the power supply amount in the free space propagation model is expressed by the following formula. .

Figure 0007283689000017
(14)
ここで、Pは送電機の送電電力、PCEはレクテナの電力変換効率、LOSSは中継ノードの損失、Atは送電機のアンテナの開口面積、Arは中継ノードのアンテナ開口面積、λはマイクロ波の波長である。
Figure 0007283689000017
(14)
where P 0 is the transmitted power of the transmitter, PCE is the power conversion efficiency of the rectenna, LOSS is the relay node loss, At is the transmitter antenna aperture area, Ar is the relay node antenna aperture area, and λ is the microwave is the wavelength of

式(14)において、(1-exp(-At・Ar/(λ・D1)))は送電機と中継器との間の距離減衰により送られる給電率を表し、(1-exp(-Ar/(λ・Di))は中継器間の距離減衰により送られる給電率を表している。中継器数が(M-1)個のときには距離減衰はm回あり、中継器の損失LOSSは(m-1)回である。PCEはレクテナの電力変換効率である。 In equation (14), (1-exp(-At.Ar/( λ2.D12 ))) represents the feed rate sent due to distance attenuation between the transmitter and the repeater, and (1-exp( -Ar 2 /(λ 2 Di 2 )) represents the feed rate sent due to distance attenuation between repeaters.When the number of repeaters is (M-1), distance attenuation occurs m times, is (m-1) times, PCE is the power conversion efficiency of the rectenna.

・マルチホップリレーのシミュレーション例
以下に、本発明の無線電力伝送のシミュレーション例を示す。なお、ここでは、受電端末のドローンが風による影響は受けず、周りに人や建物がなどの障害物がなく、遅延波などの影響はないものとし、ノイズ,干渉を考えず,自由空間伝搬モデルで距離伝搬による減衰のみを考慮している。
- Simulation example of multi-hop relay Below, the simulation example of the wireless power transmission of this invention is shown. Here, it is assumed that the drone of the power receiving terminal is not affected by wind, there are no obstacles such as people or buildings around, and there is no effect of delayed waves, etc., and free space propagation is assumed without considering noise and interference. Only attenuation due to distance propagation is considered in the model.

送電機から受電機まで各ノードの中継器が一直線上に配置され、高さや各ノードの送電パワーもすべて等しいとし、直接波は各アンテナ面に対して垂直に入射するとする。また、送電機は線形アレーアンテナを使用する。以下の表4はシミュレーション諸元を示している。 It is assumed that the repeaters of each node are arranged in a straight line from the transmitter to the receiver, the height and transmission power of each node are all equal, and the direct wave is incident perpendicularly to each antenna plane. Also, the transmitter uses a linear array antenna. Table 4 below shows the simulation specifications.

Figure 0007283689000018
Figure 0007283689000018

図14はマルチホップリレーによる給電量を示し、ホップ数に対する電力効率[%]を示している。中継器による中継器数を0から9まで変えた時の給電量は式(14)を用いて算出される。 FIG. 14 shows the amount of power supplied by the multi-hop relay, showing power efficiency [%] against the number of hops. The amount of power supplied when the number of repeaters is changed from 0 to 9 is calculated using equation (14).

図14において、ホップ数0は中継器を設けずに直接波により電力伝送を行う場合であり、ホップ数1~9は中継器を介して電力伝送を行う場合である。図14は、中継器をリレーしながら電力を送るマルチホップリレーの給電量は、直接波による電力伝送よりも大きくなり、ホップ数5による給電量が最大となることを示している。 In FIG. 14, the number of hops is 0 when power is transmitted by direct waves without a repeater, and the numbers of hops 1 to 9 are when power is transmitted via a repeater. FIG. 14 shows that the power supply amount of a multi-hop relay that transmits power while relaying relays is greater than that of power transmission by direct waves, and that the power supply amount with 5 hops is the maximum.

以下に、ポップの最適数の簡易例について説明する。
ポップの最適数、及び中継器の最適個数は式(14)に基づいて求めることができる。
A simple example of the optimal number of pops is described below.
The optimum number of pops and the optimum number of repeaters can be determined based on equation (14).

給電量を表す式(14)において、(1-exp(-Ar/(λ・Di)))は中継器間の距離減衰により送られる給電率を表している。この給電率の対数について中継器の個数iで微分演算し、ln(i)=(-ln(Ar/(λ・Di)))を満たす個数iから中継器の最適個数を求めることができる。 In the equation (14) representing the feed amount, (1-exp(-Ar 2 /(λ 2 ·Di 2 ))) represents the feed rate sent due to distance attenuation between repeaters. The logarithm of this feed rate is differentiated by the number i of repeaters, and the optimum number of repeaters is obtained from the number i that satisfies ln(i)=(-ln(Ar 2 /(λ 2 Di 2 ))). can be done.

・中継器間の最適距離
中継器間の最適距離について説明する。中継器間の最適距離は式(14)に基づいて求めることができる。
- Optimal distance between repeaters The optimum distance between repeaters will be explained. The optimum distance between repeaters can be obtained based on equation (14).

総送電距離Dとしたとき、中継器が1個のマルチホップリレーモデルでは、中継器の中継距離D1及びD2にはD=D1+D2の関係がある。このときの式(14)の給電量の対数について中継距離D1で微分演算し、微分値が零となる中継距離D1から、中継器の最適距離としてD1=(D/2)1/2が得られる。 Assuming that the total transmission distance is D, in a multi-hop relay model with one repeater, the relay distances D1 and D2 of the repeater have a relationship of D=D1+D2. Differentiate the logarithm of the feed amount in equation (14) at this time with the relay distance D1, and from the relay distance D1 at which the differential value is zero, D1 = (D/2) 1/2 is obtained as the optimum distance of the repeater. be done.

中継器が2個を越えるマルチホップリレーモデルでは、中継距離D1を除く残りの中継距離を、中継器が1個のマルチホップリレーモデルの中継距離D1に対応付けることで求めることができる。例えば、中継器が2個の場合には、中継距離D1を除く残りの中継距離(D2+D3)を中継器が1個のマルチホップリレーモデルの中継距離D1に対応付けることにより、
D2=((D-(D/2)1/21/2)/21/2
D3=D-D1-D2
を用いて中継器間の最適距離を求める。
In a multi-hop relay model with more than two repeaters, the rest of the relay distances excluding the relay distance D1 can be found by associating with the relay distance D1 of the multi-hop relay model with one repeater. For example, when there are two repeaters, by associating the remaining repeater distance (D2 + D3) excluding the repeater distance D1 with the repeater distance D1 of the multi-hop relay model with one repeater,
D2 = ((D-(D/2) 1/2 ) 1/2 )/2 1/2
D3 = D - D1 - D2
is used to determine the optimum distance between repeaters.

(b2)マルチホップリレーの第2の形態
次に、マルチホップリレーの第2の形態について説明する。
(b2) Second form of multi-hop relay Next, a second form of multi-hop relay will be described.

・システムモデル及び前提条件
システムモデルを図15に示す。送電機Txと受電端末Rxとの間にリレーノード(中継ノード)RSを導入する。リレーノードRSは受電端末であり、中継器により構成することができる。
- System model and preconditions The system model is shown in FIG. A relay node (relay node) RS is introduced between the power transmitter Tx and the power receiving terminal Rx. The relay node RS is a power receiving terminal and can be configured by a repeater.

リレーノードRSは以下の条件を備える。
(1)十分に開口面積Arの大きい受電アンテナを有する。
(2)十分に多いN本の送電アンテナ素子を有する。
(3)受電されたRF電力はリレーノード(中継ノード)内で分配され、その分配過程で位相制御可能である。
The relay node RS has the following conditions.
(1) It has a power receiving antenna with a sufficiently large aperture area Ar.
(2) having a sufficiently large number of N power transmission antenna elements;
(3) The received RF power is distributed within a relay node (relay node), and the phase can be controlled during the distribution process.

・リレーノードの種類
リレーノードは、"Distribution and Forward方式" と"Rectification and Forward方式"の二種類を備える。
・Types of relay nodes There are two types of relay nodes: "Distribution and Forward method" and "Rectification and Forward method".

(Distribution and Forward方式)
Distribution and Forward方式のブロック図を図16に示す。Distribution and Forward方式とは、受電アンテナに受電されたマイクロ波電力を直流に変換せず、マイクロ波電力を直接分配器で分配し、位相を制御してアンテナから送電する完全なパッシブ回路の方式である。
(Distribution and Forward method)
A block diagram of the Distribution and Forward method is shown in FIG. The distribution and forward method is a completely passive circuit method in which the microwave power received by the power receiving antenna is not converted to direct current, but the microwave power is directly distributed by a distributor, the phase is controlled, and the power is transmitted from the antenna. be.

このDistribution and Forward方式のメリットは、電力を直流に変換しないため、リレーノード(中継ノード)における電力損失が少ない点にある。一方、リレーノード(中継ノード)は電力を受け取らないため、中継ノードがドローン等の移動体である場合には、飛行時間等の移動時間に課題がある。 The advantage of this Distribution and Forward method is that the power loss at the relay node (relay node) is small because the power is not converted to direct current. On the other hand, since a relay node (relay node) does not receive power, if the relay node is a moving object such as a drone, there is a problem in travel time such as flight time.

(Rectification and Forward方式)
Rectification and Forward方式のブロック図を図17に示す. Rectification and Forward方式とは、リレーノード(中継ノード)に電力を整流してバッテリーに電力を貯め、再度マイクロ波を生成して電力を伝送する方式である. Rectification and Forward方式のメリットとは、リレーノード(中継ノード)に電力を伝送するため、中継ノードがドローン等の移動体である場合には、飛行時間等の移動時間が延びる可能性がある。一方、リレーノード(中継ノード)は整流して直流に変換した後、再度マイクロ波を生成するため、リレーノード(中継ノード)による損失が大きい点がある。
(Rectification and forward method)
A block diagram of the rectification and forward method is shown in Figure 17. The rectification and forward method is a method in which power is rectified at a relay node (relay node), stored in a battery, and microwaves are generated again to transmit power. The advantage of the rectification and forward method is that the power is transmitted to the relay node (relay node), so if the relay node is a mobile object such as a drone, the travel time such as flight time may be extended. be. On the other hand, a relay node (relay node) rectifies and converts it into direct current, and then generates microwaves again, so there is a large loss due to the relay node (relay node).

(伝送効率の比較)
以下、ビームチルト角度ずれのない理想的な環境において、Difference of efficiency(n ホップ電力伝送時の効率―直接伝送時の効率)について説明する。Difference of efficiencyはn ホップ電力伝送時の効率と直接伝送時の効率との効率比較であり、Difference of efficiencyの値が正ならばマルチホップ伝送時のEnd to end 効率は直接伝送時の効率より高い。このことは、マルチホップ伝送が有効であるという意味する。なお、直接伝送を0ホップとする。
(Comparison of transmission efficiency)
In the following, the difference of efficiency (efficiency during n-hop power transmission - efficiency during direct transmission) in an ideal environment with no beam tilt angle deviation will be described. Difference of efficiency is the efficiency comparison between the efficiency of n-hop power transmission and the efficiency of direct transmission. If the value of difference of efficiency is positive, the end-to-end efficiency of multi-hop transmission is higher than the efficiency of direct transmission. . This means that multi-hop transmission is effective. Note that direct transmission is assumed to be 0 hops.

図18は直接送電時の効率が2.9%であるときの、ホップ数とDifference of efficiencyの関係の一例を示している。図18によれば、シミュレーションにおいて、
(1)あるホップ数n1まではホップするたびにマルチホップリレー特性が改悪する。図18ではn1が2である場合を示している。
(2)ホップ数n1以降からマルチホップリレー特性が改善し、あるホップ数n2からマルチホップ伝送の有効性が確認される。図18ではn2が3である場合を示している。
(3)ホップ数n2以降、nホップ伝送に比べて(n+1)伝送の効率が高くなる。
(4)ホップ数nを大きくし過ぎると、あるホップ数n3から効率が劣化する。
上記のホップ数n1からn3を求めることにより、伝送効率を良好とする最適なホップ数が求まる。
FIG. 18 shows an example of the relationship between the number of hops and the difference of efficiency when the efficiency during direct power transmission is 2.9%. According to FIG. 18, in the simulation,
(1) The multi-hop relay characteristic deteriorates each time the hop is performed up to a certain number of hops n1. FIG. 18 shows the case where n1 is two.
(2) Multi-hop relay characteristics are improved from the hop number n1 onwards, and the effectiveness of multi-hop transmission is confirmed from a certain hop number n2. FIG. 18 shows the case where n2 is 3.
(3) After n2 hops, the efficiency of (n+1) transmission is higher than that of n-hop transmission.
(4) If the number of hops n is too large, the efficiency deteriorates from a certain number of hops n3.
By obtaining the above hop numbers n1 to n3, the optimum hop number for good transmission efficiency can be obtained.

(仮定及び変数)
以下の条件を仮定する。
(1) 一直線上に送電機・中継ノード・受電ノードが並んでいるものとする。
(2) 遠方界・自由空間伝搬モデルを仮定する。
(3) 各ノードの大きさを無視する
(4) 考慮する損失は以下とする。
伝搬路における損失
中継ノードにおいて、電力を分配して再放射する時の損失
受電ノードにおいて、マイクロ波電力を直流に変換する時の損失
(Assumptions and variables)
Assume the following conditions:
(1) Assume that the power transmitter, relay node, and power receiving node are arranged in a straight line.
(2) A far-field, free-space propagation model is assumed.
(3) Ignore the size of each node. (4) Consider the following losses.
Loss in the propagation path Loss when distributing and re-radiating power at the relay node Loss when converting microwave power to DC at the receiving node

また、G(θ,f)をアレーアンテナの利得、ArをRSとRxの受電アンテナの開口面積、DallをTxとRxの総合送電距離、PCE(f)を電力変換効率、LOSSDviを中継ノードでの損失、nをホップ数とする。以降、n∈Nである。 Also, G(θ 0 , f) is the gain of the array antenna, Ar is the aperture area of the power receiving antenna of RS and Rx, Dall is the total transmission distance of Tx and Rx, PCE(f) is the power conversion efficiency, and LOSSDvi is the relay node. , and let n be the number of hops. Henceforth, n∈N.

以下、ホップ数n1、ホップ数n2、及びホップ数n3について説明する。
(ホップ数n1)
はじめに、ホップ数n1を求める。ホップ数n1は、(n+1)ホップがnホップよりも効率が高くなるようなホップ数であり、マルチホップリレーによる無線電力伝送が直接波による電力伝送よりも有効性を有することを示すものである。
n>√(1/β)のとき、(n+1)ホップがnホップよりも効率が高くなることを示す。このことは、次の式を満たすnを求めることと等価である。
The hop count n1, hop count n2, and hop count n3 will be described below.
(Number of hops n1)
First, the number of hops n1 is obtained. The number of hops n1 is the number of hops at which (n+1) hops are more efficient than n hops, indicating that wireless power transmission by multi-hop relays is more effective than power transmission by direct waves. .
We show that (n+1) hops are more efficient than n hops when n>√(1/β). This is equivalent to finding n that satisfies the following equation.

Figure 0007283689000019
(15)
Figure 0007283689000019
(15)

式(15)から次の式(16)を満たす最小のnを求める。 The minimum n that satisfies the following equation (16) is obtained from equation (15).

Figure 0007283689000020
(16)
Figure 0007283689000020
(16)

βをβ=(G(θ,f)・Ar)/(4π・(Dall)))LOSSdvi とおくと、式(16)の左辺は以下の式で表される。 Assuming that β=(G(θ 0 , f)·Ar)/(4π·(Dall) 2 )) LOSSdvi, the left side of equation (16) is expressed by the following equation.

Figure 0007283689000021
(17)
上記から、n>√(1/β)のとき、(n+1)ホップがnホップよりも効率が高くなる。
Figure 0007283689000021
(17)
From the above, when n>√(1/β), (n+1) hops are more efficient than n hops.

(ホップ数n2)
次に、ホップ数n2を求める。ホップ数n2は、直接伝送時の効率よりもマルチホップ伝送時におけるEnd to endの給電効率が高くなるホップ数である。
直接伝送時の効率よりもマルチホップ電力伝送時におけるEnd to endの給電効率が高くなるホップ数n2は次の式を満たすnである。
(Number of hops n2)
Next, the number of hops n2 is obtained. The number of hops n2 is the number of hops at which the end-to-end power supply efficiency during multi-hop transmission is higher than the efficiency during direct transmission.
The number of hops n2 at which the end-to-end power supply efficiency during multi-hop power transmission is higher than the efficiency during direct transmission is n that satisfies the following equation.

Figure 0007283689000022
(18)
Figure 0007283689000022
(18)

式(18)は、βをβ=((θ,f)・Ar)/(4π・(Dall)))・LOSSdvi とおくと、(β*n-β>0を解くことに相当し、ホップ数n2は以下の式を満たす数となる。 Equation (18) can be solved by solving (β*n 2 ) n −β>0, where β is set to β=((θ 0 , f) Ar)/(4π (Dall) 2 )) LOSSdvi , and the number of hops n2 satisfies the following equation.

Figure 0007283689000023
(19)
Figure 0007283689000023
(19)

式(19)を満足するホップ数n2以上において、直接伝送時の効率よりもマルチホップ伝送時におけるEnd to endの給電効率のほうが高い効率となる。 For the number of hops n2 or more that satisfies Equation (19), the end-to-end power supply efficiency during multi-hop transmission is higher than the efficiency during direct transmission.

(ホップ数n3)
次に、ホップ数n3を求める。ホップ数n3は、End to endの給電効率を最大にするホップ数である。ホップ数n1を求める過程において、n>√(1/β)のとき、(n+1)ホップがnホップよりも効率が高くなることから、n<((4π・(Dall))/G(θ,f)・Ar))1/2のとき(n + 1)ホップ伝送がnホップ伝送に比べてEnd to end 給電効率がよい。一方、n>((4π・(Dall))/G(θ,f)・Ar))1/2のとき、End to end給電効率はRSの損失の影響が小さくなる。したがって、End to end給電効率を最大にするn3は以下の式で表される。
(Number of hops n3)
Next, the number of hops n3 is obtained. The number of hops n3 is the number of hops that maximizes the end-to-end power supply efficiency. In the process of finding the number of hops n1, when n>√(1/β), (n+1) hops are more efficient than n hops, so n<((4π·(Dall) 2 )/G(θ 0 , f)·Ar)) 1/2 , (n+1) hop transmission has better end-to-end power feeding efficiency than n hop transmission. On the other hand, when n>((4π·(Dall) 2 )/G(θ 0 , f)·Ar)) 1/2 , the end-to-end power supply efficiency is less affected by RS loss. Therefore, n3 that maximizes the end-to-end power supply efficiency is expressed by the following equation.

Figure 0007283689000024
(20)
Figure 0007283689000024
(20)

さらに、そのときの最大値は以下の式で表される。 Furthermore, the maximum value at that time is represented by the following formula.

Figure 0007283689000025
(21)
Figure 0007283689000025
(21)

次に、式(20)のどちらを選ぶかの閾値を求めるために、以下の式(22)で表される伝送経路中の損失と、式(23)で表される中継器ノードの損失とを比較する。 Next, in order to obtain a threshold value for selecting one of the equations (20), the loss in the transmission path represented by the following equation (22) and the loss of the repeater node represented by the following equation (23) compare.

Figure 0007283689000026
(22)
Figure 0007283689000026
(22)

Figure 0007283689000027
(23)
Figure 0007283689000027
(23)

二つの損失の比較は、以下の式の大小を比較することに相当する。 Comparing the two losses corresponds to comparing the magnitudes of the following equations.

Figure 0007283689000028
(24)
Figure 0007283689000028
(24)

ここで、a=(G(θ,f)・Ar)/(4π・Dall)であり、κ=LOSSdviとおくとnは以下の式で表される。 Here, if a=(G(θ 0 , f)·Ar)/(4π·Dall) and κ=LOSS dvi , n is expressed by the following equation.

Figure 0007283689000029
(25)
Figure 0007283689000029
(25)

このnにより、最適なホップ数n3は以下の式で表される。 With this n, the optimum number of hops n3 is expressed by the following equation.

Figure 0007283689000030
(26)
Figure 0007283689000030
(26)

(ビームチルト角誤差を考慮したマルチホップリレーの性能評価)
次に、前記したマルチホップリレーの第1の形態及び第2の形態について、ビームチルト角誤差を考慮した性能評価について説明する。
(Performance evaluation of multi-hop relay considering beam tilt angle error)
Next, performance evaluation considering the beam tilt angle error will be described for the first and second forms of the multi-hop relay described above.

(測位誤差の影響)
図19は、ドローン等の移動可能な中継器ノード(受電端末)の測位誤差の概要を示している。中継器ノード(受電端末)の測位誤差は、屋外ではGNSSシステムを用いて測位される。一方、ビル等の人工物内部など、GNSSシステムの電波が届かないため領域やより高精度測位測距が必要な屋内外では、超広帯域(Ultra Wide Band:UWB)システムによる測位が行われる。このような環境の違いにより、図20に示すように測位誤差の存在が想定され、また、UWBシステムの逐次測位によって測位誤差は累積的に蓄積されていく。
なお、現在の国内外の電波法では、UWB無線は、帯域幅450MHz(500MHz)以上か、比帯域幅(帯域幅/中心周波数)が20%以上の無線電波であり。マイクロ波帯ではLow Bandの3.4=4.8GHzと、High Bandの7.25-10.25GHzが日本の電波法で規定され、準ミリ波帯では、日本では自動車の衝突防止レーダ用に22-29GHzが規定され、海外では79GHzが規定されている。特に、無線電力伝送では、ISM帯以外に準ミリ波帯22-29GHzも対象になっており、準ミリ波帯UWBも電波法上において実用化される。
(Influence of positioning error)
FIG. 19 shows an outline of the positioning error of a movable repeater node (power receiving terminal) such as a drone. The positioning error of the repeater node (power receiving terminal) is measured outdoors using the GNSS system. On the other hand, in areas where radio waves from the GNSS system do not reach, such as inside man-made objects such as buildings, and indoors and outdoors where higher-precision positioning and ranging are required, positioning is performed by an Ultra Wide Band (UWB) system. Due to such differences in environment, it is assumed that positioning errors exist as shown in FIG. 20, and the positioning errors are cumulatively accumulated by sequential positioning of the UWB system.
According to the current domestic and international radio laws, UWB radio is a radio wave with a bandwidth of 450 MHz (500 MHz) or more or a relative bandwidth (bandwidth/center frequency) of 20% or more. In the microwave band, 3.4 = 4.8 GHz for Low Band and 7.25 to 10.25 GHz for High Band are stipulated by the Radio Law of Japan. 22-29 GHz is specified, and 79 GHz is specified overseas. In particular, in wireless power transmission, the quasi-millimeter wave band 22 to 29 GHz is also targeted in addition to the ISM band, and the quasi-millimeter wave band UWB is also put into practical use under the Radio Law.

(シミュレーション例)
・シミュレーション環境
マルチホップリレーの第2の形態において、受電ノードのパラメータを表5、リレーノードのパラメータを表6、伝搬モデルのパラメータを表7に示す。
(Simulation example)
- Simulation environment Table 5 shows the parameters of the receiving node, Table 6 shows the parameters of the relay node, and Table 7 shows the parameters of the propagation model in the second form of the multi-hop relay.

Figure 0007283689000031
Figure 0007283689000031

Figure 0007283689000032
Figure 0007283689000032

Figure 0007283689000033
なお、ビームチルト角誤差はドローンのピッチ角とビームチルト角の差と定義され、その誤差分布はガウス分布もしくは一様分布に従うものとしている。
Figure 0007283689000033
The beam tilt angle error is defined as the difference between the pitch angle of the drone and the beam tilt angle, and the error distribution follows Gaussian distribution or uniform distribution.

・想定環境
図20に想定する環境を示し、ここでは、受電ノードに近いノードほどUWBシステムの累積誤差の影響でビームチルト角誤差が大きくなるものとする。
-Assumed Environment FIG. 20 shows an assumed environment. Here, it is assumed that the closer the node is to the power receiving node, the larger the beam tilt angle error due to the influence of the cumulative error of the UWB system.

(シミュレーション結果)
以下、角度誤差が一様分布に従う場合と、ホップごとに送電周波数を変えた場合のシミュレーション結果を示す。
(simulation result)
Simulation results for a case where the angular error follows a uniform distribution and a case where the power transmission frequency is changed for each hop are shown below.

・角度誤差が一様分布に従う場合
誤差の分布が一様分布に従う場合について、図21は最大角度ずれに対するEnd to end給電効率の評価を示し、図22は周波数に対するEnd to end 給電効率の評価を示している。
End to end給電効率は、角度ずれに対して負の傾きの特性を有し、低周波数域では周波数に対してほぼ正の傾きの特性を有し、角度ずれが大きいほど低い周波数が好適となることを示している。
・When the angular error follows a uniform distribution For the case where the error distribution follows a uniform distribution, FIG. showing.
The end-to-end power supply efficiency has a characteristic with a negative slope with respect to angular deviation, and in the low frequency range, has a characteristic with almost positive slope with respect to frequency. It is shown that.

・ホップごとの送電周波数の変更
図23は、周波数とEnd to end給電効率との関係を示し、ホップごとに周波数を変更した場合のEnd to end給電効率をPropで示し、1,5GHz、2.0GHz、2.5GHz、及び3.00GHzの単一周波数場合のEnd to end給電効率と比較して示している。この結果は、ホップごとに周波数を変えるマイクロ波周波数選択型のマルチホップリレーによる無線電力伝送システムの有効性を示している。
- Change of power transmission frequency for each hop Fig. 23 shows the relationship between the frequency and the end-to-end power supply efficiency. The end-to-end power supply efficiency for single frequencies of 0 GHz, 2.5 GHz, and 3.00 GHz is shown in comparison. This result indicates the effectiveness of the wireless power transmission system using microwave frequency selective multi-hop relays that change the frequency for each hop.

(増幅機能を有した中継器)
マルチホップリレーにより給電量の向上が図られるが、長距離の電力送電では給電量は小さくなる。
(repeater with amplification function)
Multi-hop relays improve the amount of power supply, but the amount of power supply decreases for long-distance power transmission.

本発明の中継器に増幅機能(ET(Energy Transmitter)機能を持たせる構成とすることにより、中継器で電力を増幅させて長距離送電における給電量の減少を緩和する。 By configuring the repeater of the present invention to have an amplification function (ET (Energy Transmitter) function), power is amplified by the repeater, thereby alleviating a decrease in the amount of power supplied in long-distance transmission.

送電機の送電電力をP、受電機の要求電力量をYとし、n個の中継器数を用いてマルチホップリレーにより給電を行うとき、各中継器で電力xを増幅させるとする。 Let P be the transmitted power of the transmitter, Y be the required power amount of the receiver, and when power is supplied by multi-hop relays using n repeaters, each repeater amplifies the power x.

このとき、一ホップ目で増幅された後の電力量P1と、送電元から送られる送電電力Pとの関係は以下の式で表される。 At this time, the relationship between the power amount P1 after being amplified at the first hop and the transmitted power P sent from the power transmission source is represented by the following equation.

Figure 0007283689000034
(27)
Figure 0007283689000034
(27)

(n―2)ホップ目の電力量Pn-2と(n-1)ホップ目の電力量Pn-1の関係は以下の式で表される。 The relationship between the (n-2)th hop power amount Pn-2 and the (n-1)th hop power amount Pn-1 is expressed by the following equation.

Figure 0007283689000035
(28)
Figure 0007283689000035
(28)

また、(n―1)ホップ目の電力量Pn-1とnホップ目の電力量Pnの関係は以下の式で表される。 Also, the relationship between the (n-1)-th hop power amount Pn-1 and the n-th hop power amount Pn is represented by the following equation.

Figure 0007283689000036
(29)
Figure 0007283689000036
(29)

ここで、Aは、 where A is

Figure 0007283689000037
(30)
としている。
Figure 0007283689000037
(30)
and

これらの式から、nホップ目の受電電力P(n)は以下の式で表される。 From these equations, the received power P(n) at the n-th hop is expressed by the following equation.

Figure 0007283689000038
(31)
Figure 0007283689000038
(31)

要求電力量Yと電力変換効率PCEと受電電力P(n)との間には、以下の式で表される関係がある。 There is a relationship represented by the following formula among the required power amount Y, the power conversion efficiency PCE, and the received power P(n).

Figure 0007283689000039
(32)
各中継器で増幅する中継増幅量xは以下の式により導出される。
Figure 0007283689000039
(32)
A relay amplification amount x amplified by each repeater is derived from the following equation.

Figure 0007283689000040
(33)
Figure 0007283689000040
(33)

(増幅機能を有した中継器のシミュレーション例)
図24は要求電力量を送るための各中継器での総増幅量を示し、送電機から電力Pで送電を行い、最後の受電機の要求電力量をO.5PからPまでO.1の幅で変化させた場合のシミュレーション例を示している。なお、シミュレーションの諸元は表1と同様であり、自由空間伝搬モデルである。
(Simulation example of repeater with amplification function)
FIG. 24 shows the total amount of amplification in each repeater for sending the required amount of power. 5P to P O.D. A simulation example in the case of changing by a width of 1 is shown. The specifications of the simulation are the same as those in Table 1, and are a free space propagation model.

図24のシミュレーション例によれば、各中継器の総増幅量は中継器の個数を5とする5ホップの場合が最小となる。この結果は、総距離が10mでLOSS=0.8のときには、5ホップの総増幅量が最小となる結果と一致するものである。 According to the simulation example of FIG. 24, the total amplification amount of each repeater is the minimum in the case of 5 hops where the number of repeaters is 5. This result agrees with the result that the total amplification amount of 5 hops is the minimum when the total distance is 10m and LOSS=0.8.

中継増幅の有効性を図25及び表8を用いて比較する。
図25は中継器で電力増幅する場合と、送電機側で電力増幅する場合に各給電量を比較するための図であり、図25(a)は中継器で電力増幅する場合を示し、図25(b)は送電機側で電力増幅する場合を示し、総電力量は共に1.5Pとしている。
The effectiveness of relay amplification is compared using FIG. 25 and Table 8.
25A and 25B are diagrams for comparing the amount of power supplied when power is amplified by a repeater and when power is amplified on the transmitter side. FIG. 25(b) shows the case where the power is amplified on the transmitter side, and the total power amount is 1.5P for both.

図25(a)の中継器で電力増幅する構成では、要求電力量0.5Pに対して、送電機から送電電力量Pを送出し、各受電端末RSの中継器において増幅電力量O.1Pを増加する。一方、図25(b)の送電機側で電力増幅する構成では、送電機でO.5Pを電力増幅して(P+0.5P)を送電する。 In the configuration shown in FIG. 25(a) where power is amplified by a repeater, the power transmission power amount P is sent from the power transmitter for a required power amount of 0.5P, and the amplified power amount is O.P. Increase 1P. On the other hand, in the configuration shown in FIG. 5P is power-amplified and (P+0.5P) is transmitted.

図26、及び表8は、中継器で電力増幅したときと送電機で電力増幅したときとを、最後の受電ノードでの給電量で比較している。 FIG. 26 and Table 8 compare power supply amounts at the last power receiving node when power is amplified by the repeater and when power is amplified by the power transmitter.

例えば、受電端末RSを2個の場合の最後の受電ノードの給電量は、送電機で電力増幅した場合は0.24Pであるのに対して、中継器で電力増幅した場合には0.5Pとなる。中継器で電力増幅することによる給電量の増加幅は、送電機での電力増幅と比較して0.14P~0.26Pであることを示している。 For example, when there are two power receiving terminals RS, the amount of power supplied to the last power receiving node is 0.24 P when the power is amplified by the transmitter, whereas it is 0.5 P when the power is amplified by the repeater. becomes. It is shown that the amount of increase in power supply due to power amplification by the repeater is 0.14P to 0.26P compared to power amplification by the power transmitter.

Figure 0007283689000041
Figure 0007283689000041

(反射波を考慮した周波数選択による給電効率の改善)
マイクロ波が伝搬する環境において、反射波を考慮しない自由空間伝搬モデルに対して、より現実的な環境の伝搬モデルでは反射波による影響を考慮することが求められる。
(Improvement of power supply efficiency by frequency selection considering reflected waves)
In an environment where microwaves propagate, a propagation model in a more realistic environment is required to consider the effects of reflected waves, as opposed to a free-space propagation model that does not consider reflected waves.

図27は、反射波を考慮した、直接波と反射波の2波モデルを示している。送電機と受電端末RSの間、隣接する受電端末RS間、及び受電端末RSと受電機の間では、直接波に加えて大地で反射した反射波が受電される。この2波モデルの場合では、受電端末間等の距離によって2波の位相関係により給電電力に強弱が発生し、給電量が非常に小さくなる場合が生じる。 FIG. 27 shows a two-wave model of a direct wave and a reflected wave in consideration of reflected waves. Between the power transmitter and the power receiving terminal RS, between the adjacent power receiving terminals RS, and between the power receiving terminal RS and the power receiver, in addition to direct waves, reflected waves reflected by the ground are received. In the case of this two-wave model, there is a case where the amount of power supplied becomes extremely small due to the phase relationship between the two waves depending on the distance between the receiving terminals.

2波モデルにおける位相ずれΔθを考慮した給電量P(Δθ)は以下の式で表される。 The feed amount P(Δθ) considering the phase shift Δθ in the two-wave model is expressed by the following equation.

Figure 0007283689000042
(34)
Figure 0007283689000042
(34)

式(34)で2波の重ね合わせにおいて位相が一致する面積で正規化した結果を図28に示す。ここでΔθは位相ずれである。図28において、反射波を直接波の1/5(=-7[dB])とした場合には、位相ずれΔθが96°から180°のときに、直接波が伝送された場合よりも位相ずれによる給電量の低下が大きくなることを示している。 FIG. 28 shows the result of normalization by the area where the phases match in the superimposition of two waves in Equation (34). where Δθ is the phase shift. In FIG. 28, when the reflected wave is 1/5 (=-7 [dB]) of the direct wave, when the phase shift Δθ is between 96° and 180°, the phase is lower than when the direct wave is transmitted. This indicates that the amount of power supplied decreases due to the deviation.

本発明は、受電端末(中継器)間の距離に応じて送電するマイクロ波の周波数を最適周波数に選択する構成により位相ずれを解消し、2波の電力が強め合うように位相を合わせで給電量を大きくする。 The present invention eliminates the phase shift by selecting the optimal frequency for the microwave frequency to be transmitted according to the distance between the receiving terminals (repeaters), and feeds power by matching the phases so that the power of the two waves strengthens each other. Increase quantity.

(最適周波数の導出フロー)
最適周波数を導出する手順を図29のフローチャートを用いて説明する。はじめに、中継ノード間距離情報を送電機側に送り(S1)、送電機は中継ノード間距離情報を取得する(S2)。送電機は、取得した中継ノード間距離に基づいて、直接波と大地反射波の2波の経路差を算出し(S3)、経路差とマイクロ波の波長に基づいて直接波と大地反射波の2波の位相ずれΔθを算出する(S4)。
(Optimal frequency derivation flow)
A procedure for deriving the optimum frequency will be described with reference to the flowchart of FIG. First, relay node distance information is sent to the power transmitter side (S1), and the power transmitter acquires the relay node distance information (S2). Based on the obtained distance between relay nodes, the power transmitter calculates the path difference between the direct wave and the ground-reflected wave (S3). A phase shift Δθ between the two waves is calculated (S4).

図28に示す位相ずれΔθと電力との関係において、電力が設定電力量を下回る位相ずれΔθの範囲を求め、算出した直接波と大地反射波の位相ずれΔθが求めた範囲にあるとき、直接波と反射波の給電量は直接波のみの場合よりも小さいと判断し、マイクロ波の周波数を変更する。前記の位相ずれ96°から180°の範囲は、反射波が直接波の1/5(=-7[dB])を越えた場合には相当しており、位相ずれの範囲は設定値に応じた値に設定される。 In the relationship between the phase shift Δθ and the power shown in FIG. 28, the range of the phase shift Δθ where the power is less than the set amount of power is obtained. Judging that the feed amount of the wave and the reflected wave is smaller than that of the direct wave only, the frequency of the microwave is changed. The range of phase shift from 96° to 180° corresponds to the case where the reflected wave exceeds 1/5 (=-7 [dB]) of the direct wave, and the phase shift range depends on the set value. set to the value

最適周波数の導出は、中継ノード間距離と直接波の周波数から求めた直接波の位相と、中継ノードと大地との間の距離と大地反射波の周波数から求めた大地反射波の位相との位相ずれが設定範囲となるような周波数により求められる。なお、直接波の周波数と大地反射波の周波数との間に周波数ずれがない場合には、送電機から送出するマイクロ波の周波数を共通して用いることができる(S5)。算出した最適周波数のマイクロ波で給電を行う(S6)。 The optimum frequency is derived from the phase of the direct wave obtained from the distance between relay nodes and the frequency of the direct wave, and the phase of the ground reflected wave obtained from the distance between the relay node and the ground and the frequency of the ground reflected wave. It is determined by the frequency at which the deviation is within the set range. If there is no frequency difference between the frequency of the direct wave and the frequency of the ground reflected wave, the frequency of the microwave sent from the power transmitter can be used in common (S5). Power is supplied with microwaves of the calculated optimum frequency (S6).

(周波数選択によるシミュレーション例)
図30は周波数を変更した場合の給電量を示している。ここでは、2波モデルにおいて直接波と反射波が位相ずれの影響により弱めあい、位相ずれが96°を越えたときに、マイクロ波の周波数を1,5GHzから3.0GHzに変更していき、この周波数変更の中で最も給電量が良好となる周波数を選択した場合の給電量を、周波数を変更する前の給電量と比較している。図30によれば、周波数変更することにより給電量の改善が確認される。
(Simulation example by frequency selection)
FIG. 30 shows the amount of power supplied when the frequency is changed. Here, in the two-wave model, the direct wave and the reflected wave weaken each other due to the phase shift, and when the phase shift exceeds 96°, the microwave frequency is changed from 1.5 GHz to 3.0 GHz, The amount of power supplied when the frequency that provides the best amount of power is selected from among these frequency changes is compared with the amount of power supplied before the frequency is changed. According to FIG. 30, it is confirmed that the power supply amount is improved by changing the frequency.

図31は周波数を変更した場合の総距離に対する最適なホップ数を示し、周波数を変更する前後で比較している。図31によれば、周波数を変更した場合には、最適ホップ数が少なくなることが確認される。 FIG. 31 shows the optimum number of hops with respect to the total distance when the frequency is changed, comparing before and after changing the frequency. According to FIG. 31, it is confirmed that the optimum number of hops decreases when the frequency is changed.

図30,及び図31から、周波数選択により、最適ホップ数の減少、及び最適ホップ数のときの給電量の向上の有効性が確認される。 From FIGS. 30 and 31, it is confirmed that frequency selection is effective in reducing the optimum number of hops and improving the power supply amount at the optimum number of hops.

図32はノード間距離(受電端末距離)に対する最適周波数シミュレーション例を示している。なお、ここではノードの大地からの高さを3mとしている。 FIG. 32 shows an example of optimal frequency simulation for the distance between nodes (the distance between power receiving terminals). Note that the height of the node from the ground is 3 m here.

(無線電力伝送と無線情報伝送)
本発明のマルチホップリレーにより無線電力伝送(WPT)と無線情報伝送(WICT)とを同時に行う際、無線電力伝送における給電効率と、無線情報伝送における経路信号雑音比の和を評価指標として、最適な給電経路を選択することができる。
(Wireless power transmission and wireless information transmission)
When wireless power transmission (WPT) and wireless information transmission (WICT) are performed simultaneously by the multi-hop relay of the present invention, the sum of the power supply efficiency in wireless power transmission and the path signal-to-noise ratio in wireless information transmission is used as an evaluation index. power supply route can be selected.

一対の送受電機と複数の中継器をノードとする経路において、
(1)無線電力伝送においては、経路の重みを隣接する中継器間の電力伝送効率に対応させた重み付きグラフにおいて、ダイクストラ法により送電機と受電機との間の電力伝送経路の重みの和を給電効率とし、
(2)無線情報伝送においては、一対の送受電機と複数の中継器をノードとする経路において、経路の重みを隣接する中継器間の信号雑音比(S/N比)に対応させた重み付きグラフにおいて、ダイクストラ法により送電機と受電機との間の情報伝送経路の重みの和を経路信号雑音比とし、
(3)給電効率と経路信号雑音比とに重み付けして加算した和が最大となる経路を最適化したネットワークの給電経路とする。
In a route with a pair of transmitter and receiver and multiple repeaters as nodes,
(1) In wireless power transmission, in a weighted graph in which the weight of the path corresponds to the power transmission efficiency between adjacent repeaters, the sum of the weights of the power transmission paths between the transmitter and the receiver is calculated using the Dijkstra method. is the power supply efficiency, and
(2) In wireless information transmission, in a route with a pair of transmitter/receiver and multiple repeaters as nodes, the weight of the route corresponds to the signal-to-noise ratio (S/N ratio) between adjacent repeaters. In the graph, the sum of the weights of the information transmission paths between the transmitter and the receiver is defined as the path signal-to-noise ratio by Dijkstra's method,
(3) The route that maximizes the sum of the weighted additions of the power feeding efficiency and the route signal-to-noise ratio is taken as the power feeding route of the optimized network.

(物理層の関連技術)
複数のドローンやモバイル端末等の移動可能な受電端末間においてリレーにより長距離の無線電力伝送を可能とするマルチホップリレーWPT方式の他、物理層に適用される関連技術として以下の技術がある。
(Technology related to physical layer)
In addition to the multi-hop relay WPT method, which enables long-distance wireless power transmission between multiple drones, mobile terminals, and other mobile power receiving terminals, there are the following related technologies applied to the physical layer.

(1)物理層における変調方式及び伝送路符号技術として、On/Off Keying(OOK),CODE Shift Keying(CSK)がある。
(2)物理層における誤り訂正技術として、制約条件付きRunLength制限・重み分布制限誤り訂正符号(LDPC/ポーラ符号等)がある。
(3)複数のアンテナからの送電と受電による空間ダイバーシティ・MIMO-WPT方式。
(4)複数の送電端末から単一の受電端末へのMISO-WPT方式、あるいは単数の送電端末から複数の受電端末へのSIMO-WPT方式。
(5)電力伝送路の特性や干渉等の擾乱に耐性があるスペクトル拡散伝送方式および、超広帯域(UWB)伝送方式。
(6)符号の直交性を用いた複数送受電モードによる符号分割多元接続CDMA-WPT方式。
(7)周波数・時間・空間・符号分割多元接続統合FDMA/TDMA/SDMA/CDMA-WPT送受電方式。
(8)送受電端末や伝送路環境に応じた適応指向性・送電力・DutyCycle制御方式。
(1) On/Off Keying (OOK) and CODE Shift Keying (CSK) are available as modulation schemes and channel coding techniques in the physical layer.
(2) As an error correction technique in the physical layer, there is RunLength-limited/weight-distribution-limited error correction code with constraints (LDPC/polar code, etc.).
(3) Spatial diversity/MIMO-WPT system by transmitting and receiving power from multiple antennas.
(4) MISO-WPT scheme from a plurality of power transmitting terminals to a single power receiving terminal, or SIMO-WPT scheme from a single power transmitting terminal to a plurality of power receiving terminals.
(5) A spread spectrum transmission system and an ultra-wideband (UWB) transmission system that are resistant to disturbances such as the characteristics of power transmission lines and interference.
(6) Code division multiple access CDMA-WPT system with multiple transmission/reception modes using code orthogonality.
(7) Frequency/time/space/code division multiple access integrated FDMA/TDMA/SDMA/CDMA-WPT transmission/reception system.
(8) Adaptive directivity/transmission power/Duty Cycle control system according to transmission/reception terminal and transmission path environment.

[ネットワーク層]
次に、第2層のネットワーク層に関連する構成について説明する。
(最適給電ルートの選択)
図33はマルチホップリレーによる無線電力伝送システムにおいて、送電機1、中継器3、及び受電機2の概略構成を示している。この構成において、伝搬モデルを自由空間伝搬とし、受電機及び中継器の損失は定数とし、送受電アンテナは十分に大きな素子数を保有していると仮定し、お互いに正対していることを前提とした場合の端から端までのend-to-end給電効率effは式(35)により定式化される。
[Network layer]
Next, a configuration related to the network layer of the second layer will be described.
(Selection of optimum power supply route)
FIG. 33 shows a schematic configuration of a power transmitter 1, a repeater 3, and a power receiver 2 in a wireless power transmission system using multi-hop relays. In this configuration, it is assumed that the propagation model is free space propagation, the loss of the power receiver and the repeater is constant, the power transmission and reception antenna has a sufficiently large number of elements, and that they are facing each other. The end-to-end power supply efficiency eff from end to end is formulated by equation (35).

Figure 0007283689000043
(35)
Figure 0007283689000043
(35)

なお、式(35)において、nはホップ数、Pt、Prは送受電電力、At、Arは送受電アンテナの実効面積、Diはiホップ間の距離、λは電磁波の波長、LOSSは中継による損失、PCE(Power Conversion Efficiency)はレクテナの電力変換効率である。 In equation (35), n is the number of hops, Pt and Pr are power transmission and reception power, At and Ar are the effective area of the power transmission and reception antenna, Di is the distance between i hops, λ is the wavelength of the electromagnetic wave, and LOSS is the relay. Loss, PCE (Power Conversion Efficiency), is the power conversion efficiency of the rectenna.

図34に示すような、送電機と受電機のend-to-endの間に中継器(受電端末)の候補が複数存在する環境を想定し、この複数の中継器をつなぐ電力給電を行う複数の給電ルートから最適給電ルートを選択する。 As shown in FIG. 34, assuming an environment in which there are multiple repeater (power receiving terminal) candidates between the end-to-end of the power transmitter and the power receiver, multiple Select the optimum power supply route from the power supply routes of

最適給電ルートの選択には、どのノードの中継器を利用するか、あるいは中継器を用いずに1ホップで直接に給電するかを選択肢がある。受信電力密度は伝送距離の二乗に比例して小さくなってしまうことから、利用する中継器によってはend-to-end給電効率が大きく低下する。 Selection of the optimum power supply route includes the choice of which node's repeater to use, or direct power supply in one hop without using a repeater. Since the received power density decreases in proportion to the square of the transmission distance, the end-to-end power supply efficiency greatly decreases depending on the repeater used.

本発明は、ダイクストラ法を用いてend-to-end給電効率が最もよくなる最適な給電ルートを選択する。 The present invention uses Dijkstra's method to select the optimum power supply route with the best end-to-end power supply efficiency.

ダイクストラ法は、重み付きグラフにおいて、ある2つのノード間の経路の重みの和が最小となる経路を求める方法である。本発明のダイクストラ法を用いた最適給電ルートの選択では、経路の重みを1ホップ当たりの電力伝送効率に対応させることにより、end-to-end給電効率が最大の給電ルートを求める。このとき、送電機は自身の位置情報、中継効率としての損失LOSS、レクテナの電力変換効率PCE、全てのノードの中継器のアンテナの開口面積、給電に使用する波長λは既知であるとする。また、中継器と受電機は自身と送電機の位置情報が既知であるとする。 The Dijkstra method is a method of finding a route that minimizes the sum of weights of routes between two nodes in a weighted graph. In the selection of the optimum power supply route using the Dijkstra method of the present invention, the power supply route with the maximum end-to-end power supply efficiency is obtained by associating the weight of the route with the power transmission efficiency per hop. At this time, it is assumed that the power transmitter knows its own position information, loss LOSS as repeater efficiency, power conversion efficiency PCE of rectenna, aperture area of repeater antennas of all nodes, and wavelength λ used for power supply. Also, it is assumed that the repeater and the power receiver have known location information of themselves and the power transmitter.

図35は重み付きグラフを説明するための図である。図35において、丸印はノードを示し、Sの符号が付された始点ノードを示している。各ノードを結ぶ経路に付された数字は重みを示している。ダイクストラ法は、始点とノード間の経路の重みの和が最小となる経路を求める。 FIG. 35 is a diagram for explaining the weighted graph. In FIG. 35, a circle indicates a node, and a start node marked with S is indicated. The number attached to the route connecting each node indicates the weight. Dijkstra's method finds a route that minimizes the sum of the weights of the routes between the starting point and the node.

(重み)
ダイクストラ法を用いた最適給電ルートの選択において、end-to-end給電効率effを最大にするような重み付けを行う。ダイクストラ法では重みの和が最小となるようなルートを選択するため、給電効率effの最大化は、給電効率effの逆数の(1/eff)を最小にする問題に帰着する。(1/eff)は以下の式で表される。
(weight)
In the selection of the optimum power supply route using the Dijkstra method, weighting is performed to maximize the end-to-end power supply efficiency eff. Since the Dijkstra method selects a route that minimizes the sum of weights, maximizing the power supply efficiency eff comes down to minimizing the reciprocal of the power supply efficiency eff (1/eff). (1/eff) is represented by the following formula.

Figure 0007283689000044
(36)
Figure 0007283689000044
(36)

また、1ホップの(1/eff)を最小にするということは、log(1/eff)を最小にすることと等価である。log(1/eff)は以下の式で表される。 Also, minimizing (1/eff) of one hop is equivalent to minimizing log(1/eff). log(1/eff) is represented by the following formula.

Figure 0007283689000045
(37)
Figure 0007283689000045
(37)

式(37)の i番目の項は(iホップでの電力)/(i-1ホップでの電力)の逆数に対数をとったものであり、iホップ間の効率の逆数の対数に相当する。
式(37)の各項を、送受電間をつなぐリンクからなる給電ルートの重みとする。最適給電ルートの選択は、送電機が重み付けを行い、この重みを用いてダイクストラ法を用いることによりend-to-end 給電効率が最もよい給電ルートを求める。
The i-th term in equation (37) is the logarithm of the reciprocal of (power at i hops)/(power at i-1 hops), which corresponds to the logarithm of the reciprocal of the efficiency between i hops. .
Let each term in Equation (37) be the weight of the power feeding route formed by the link connecting the power transmission and reception. The optimum power supply route is selected by the power transmitter, and the weight is used to determine the power supply route with the best end-to-end power supply efficiency by using the Dijkstra method.

この最適給電ルートの選択において、送電機が重み付けを行うためには、送電機は中継機及び受電機の位置情報が既知であることが求められる。中継機または受電機は、送電機に位置情報を送信することにより、送電機は中継機及び受電機の位置情報を取得する。 In order for the power transmitter to perform weighting in selecting the optimum power supply route, the power transmitter is required to know the positional information of the repeater and the power receiver. The relay or the power receiver transmits the position information to the power transmitter, and the power transmitter acquires the position information of the relay and the power receiver.

(位置情報の送信方法)
次に、受電機及び中継機の位置情報の送電機への送信方法について説明する。 長距離の給電を想定すると、送電機と中継器(ノード)の距離が通信可能範囲を超える可能性がある。そのため、距離情報の通信においてもマルチホップリレーにより送信する必要性がある。この際、各中継器(ノード)が既存の通信用ルーティング手法 (AODV等) を用いて位置情報を送信する、消費電力が大きくなる場合がある。
(How to send location information)
Next, a method of transmitting the positional information of the power receiver and the repeater to the power transmitter will be described. Assuming long-distance power supply, the distance between the power transmitter and the repeater (node) may exceed the communication range. Therefore, it is necessary to transmit the distance information using a multi-hop relay as well. In this case, each repeater (node) uses existing communication routing methods (AODV, etc.) to transmit location information, which may increase power consumption.

そこで、給電用のマルチホップリレーにおいて、本発明は以下に説明する送信方法により、消費電力が小さい位置情報の送信を行う。 Therefore, in the multi-hop relay for power supply, the present invention transmits location information with low power consumption by the transmission method described below.

図36は給電用のマルチホップリレーにおける位置情報の通信を説明するための図である。位置情報は、受電機から各中継器を介して送電機に向かって位置情報を含むパケットをフラディングすることで送信する。受電機はEREQ(Energy Request)パケットをブロードキャストし、中継器は受信したEREQ(Energy Request)パケットを再ブロードキャストし、送電機は受信したEREQ(Energy Request)パケットに含まれる位置情報を取得して重み付けグラフを作成する。 FIG. 36 is a diagram for explaining communication of position information in a multi-hop relay for feeding. The location information is transmitted by flooding a packet including the location information from the power receiver to the power transmitter via each repeater. The receiver broadcasts EREQ (Energy Request) packets, the repeater rebroadcasts the received EREQ (Energy Request) packets, and the transmitter acquires and weights the location information contained in the received EREQ (Energy Request) packets Create graphs.

なお、ブロードキャストはブロードキャストMACアドレスへの伝送に基づいて意図的に全ポートから伝送を行うのに対して、フラディングはMACアドレステーブルに伝送先のMACアドレスが無い場合に全ポートから伝送を行う。 Note that broadcasting intentionally performs transmission from all ports based on transmission to the broadcast MAC address, whereas flooding performs transmission from all ports when there is no transmission destination MAC address in the MAC address table.

以下、図37,38,40のフローチャート、及び図39を用いて位置情報の送信方法を説明する。 A method of transmitting position information will be described below with reference to the flow charts of FIGS.

・受電機のフロー
図37はEREQ(Energy Request)パケットをブロードキャストする受電機のフローを示している。EREQパケットは、受電機が給電を要求していることを送電機に知らせるためのパケットである。受電機と送電機間の距離が長距離の場合には直接通信できない可能性があるため、EREQパケットをフラッディングすることにより、送電機に給電要求を知らせる。この際、受電機の位置情報を EREQパケットに追加すること(S11)により、給電要求と同時に受電機の位置情報を送信する(S12)。
- Flow of receiving power Fig. 37 shows the flow of receiving power for broadcasting an EREQ (Energy Request) packet. The EREQ packet is a packet for notifying the power transmitter that the power receiver requests power supply. If the distance between the receiver and transmitter is long, direct communication may not be possible, so EREQ packets are flooded to inform the transmitter of the power supply request. At this time, by adding the location information of the power receiver to the EREQ packet (S11), the location information of the power receiver is transmitted at the same time as the power supply request (S12).

・中継器(ノード)のフロー
図38は中継器(ノード)によるEREQパケットを再ブロードキャストのフローを示している。
- Repeater (node) flow Fig. 38 shows the flow of rebroadcasting an EREQ packet by a repeater (node).

中継器(ノード)はEREQパケットを受信すると(S21)、EREQパケットを再ブロードキャストする。この際、以下の条件を同時に満たす場合(S22)に、中継機は自身の位置情報をEREQパケットに追加して(S23)からブロードキャストを行う(S24)。
条件1:受電機、送電機間の距離 > 中継器、受電機間の距離
条件2:受電機、送電機間の距離 > 中継器、送電機間の距離
When the repeater (node) receives the EREQ packet (S21), it rebroadcasts the EREQ packet. At this time, if the following conditions are simultaneously satisfied (S22), the repeater adds its own location information to the EREQ packet (S23) and then broadcasts (S24).
Condition 1: Distance between receiver and transmitter > Distance between repeater and receiver Condition 2: Distance between receiver and transmitter > Distance between repeater and transmitter

図39は、中継器の位置情報の送信条件を説明するための図である。
上記の条件1及び条件2を共に満たす中継機を中継に利用した場合には、
(受電機、中継機間の距離+中継機、受電機間距離)<(受電機、送電機間の距離)
の関係となるため、マルチホップリレーによる電力給電は、直接給電よりもend-to-end給電効率が高くなる。図39中の星印のノードは条件1及び条件2を共に満たす中継機を示している。
FIG. 39 is a diagram for explaining conditions for transmitting location information of a repeater.
If a repeater that satisfies both the above conditions 1 and 2 is used for relaying,
(distance between receiver and repeater + distance between repeater and receiver) < (distance between receiver and transmitter)
Therefore, power feeding by multi-hop relay has higher end-to-end power feeding efficiency than direct power feeding. A star node in FIG. 39 indicates a repeater that satisfies both condition 1 and condition 2. FIG.

一方、条件1及び条件2を満たさない中継機を中継に利用した場合には、
(受電機、中継機間の距離+中継機、受電機間距離)>(受電機、送電機間の距離)
の関係となるため、マルチホップリレーによる電力給電は、直接給電よりもend-to-end給電効率が低い。図39中の三角印のノードは条件1及び条件2を満たさない中継機を示している。
On the other hand, if a repeater that does not satisfy conditions 1 and 2 is used for relaying,
(distance between receiver and repeater + distance between repeater and receiver) > (distance between receiver and transmitter)
Therefore, power feeding by multi-hop relay has lower end-to-end power feeding efficiency than direct power feeding. Nodes marked with triangles in FIG. 39 indicate repeaters that do not satisfy the conditions 1 and 2. FIG.

したがって、条件1および条件2を満たさない中継器(ノード)は中継に利用することはないため、その中継器の位置情報を送信する必要がない。これにより、位置情報を送信するノードを限定することができ、不要な位置情報の送信を行わないことにより消費電力の削減を図ることができる。 Therefore, repeaters (nodes) that do not satisfy conditions 1 and 2 are not used for relaying, so there is no need to transmit the position information of those repeaters. As a result, it is possible to limit the nodes that transmit position information, and to reduce power consumption by not transmitting unnecessary position information.

・送電機のフロー
図40は中継器(ノード)によるEREQパケットを再ブロードキャストのフローを示している。
送電機は、EREQパケットを受信した後(S31)、EREQパケットに含まれている受電機又は中継機の位置情報を取得して新規位置情報をリストに追加し(S32)、EREQパケットを受信してか一定時間経過した後に(S33)、重みを計算で求めて重み付きグラフを作成し(S34)、ダイクストラ法を用いて給電ルートを探索し(S35)、決定した給電ルートを用いて電力給電を行う。電力供給は、連続給電に代えて、パケット状に分割した電力パケットで行う(S36)。
Flow of Power Transmitter FIG. 40 shows a flow of rebroadcasting an EREQ packet by a repeater (node).
After receiving the EREQ packet (S31), the power transmitter acquires the location information of the receiver or repeater included in the EREQ packet, adds the new location information to the list (S32), and receives the EREQ packet. After a certain amount of time has passed (S33), weights are calculated to create a weighted graph (S34), a power supply route is searched using the Dijkstra method (S35), and power is supplied using the determined power supply route. I do. Instead of continuous power supply, power is supplied in power packets divided into packets (S36).

通信方法は、EREQパケット(給電要求パケット)と同時に位置情報の送信を行うことに加えて、位置情報を送信するノードを限定することにより、消費電力の削減が図られる。 In the communication method, power consumption can be reduced by transmitting location information at the same time as an EREQ packet (power supply request packet) and limiting the nodes that transmit location information.

(シミュレーション例)
次に、マルチホップリレーによる無線電力給電の給電ルートの選択についてのシミュレーションを示す。この際、理想的な給電効率と、本発明を用いた給電効率と、1ホップ給電した場合のend-to-end給電効率を比較して示している。なお、理想的な給電効率とは、与えられた送電機、中継機、及び受電機の配置において、最も給電効率の高いルートの給電効率である。また、消費電力についても示す。
(Simulation example)
Next, a simulation of selection of a power feeding route for wireless power feeding by a multi-hop relay will be shown. At this time, the ideal power supply efficiency, the power supply efficiency using the present invention, and the end-to-end power supply efficiency in the case of one-hop power supply are shown in comparison. The ideal power supply efficiency is the power supply efficiency of the route with the highest power supply efficiency in the given arrangement of the power transmitter, repeater, and power receiver. Power consumption is also shown.

なお、シミュレーションの前提条件は以下のとおりとしている。
・シミュレートする伝搬空間は二次元空間を仮定する。
・送電を行うノードを中心とする円内にノードを配置する。
・ノードは一様乱数を用いて配置する。
・送電機及び受電機以外のノードは、全て中継器(ノード)の候補とする。
・パケットの衝突や干渉などによる送電エラーは考慮しない。
・中継器(ノード)の移動は考慮しない。
・50回の平均値を評価する。
なお、シミュレーション諸元は以下のとおりである。
The preconditions for the simulation are as follows.
・The simulated propagation space is assumed to be a two-dimensional space.
・Place the nodes in a circle centered on the node that transmits power.
・Nodes are arranged using uniform random numbers.
・All nodes other than transmitters and receivers are candidates for repeaters (nodes).
・Transmission errors due to packet collisions and interference are not considered.
・Do not consider the movement of repeaters (nodes).
- Evaluate the average value of 50 times.
The simulation specifications are as follows.

Figure 0007283689000046
(想定環境の諸元)
Figure 0007283689000046
(Specifications of assumed environment)

Figure 0007283689000047
(アンテナの諸元)
Figure 0007283689000047
(Antenna specifications)

Figure 0007283689000048
(EREQパケットの諸元)
Figure 0007283689000048
(Specifications of EREQ packet)

図41~図44は、end-to-end給電効率のノード数と平均給電効率のシミュレート結果を示し、それぞれ総送電距離が10m,20m,30m,及び40mの場合を示している。 41 to 44 show the simulation results of the number of nodes and the average power supply efficiency of the end-to-end power supply efficiency, and show the cases where the total power transmission distance is 10m, 20m, 30m, and 40m, respectively.

送電範囲が10m~30mの場合には、理想的な給電効率と本発明によるマルチホップリレーによる給電ルートの給電効率が一致している。このことは、本発明による給電ルートは、end-to-end給電効率が最大となるような給電ルートを選択していることを示している。また、ノード数の増加に伴って1ホップの場合に比べて給電効率が増加している。このことにより、本発明のマルチホップリレーよる長距離給電の高効率化が確認される。 When the power transmission range is 10m to 30m, the ideal power supply efficiency and the power supply efficiency of the power supply route by the multi-hop relay according to the present invention match. This indicates that the power supply route according to the present invention selects a power supply route that maximizes the end-to-end power supply efficiency. Also, as the number of nodes increases, the power supply efficiency increases compared to the one-hop case. This confirms that the multi-hop relay of the present invention improves the efficiency of long-distance power supply.

図45は、ノード数に対する通信による消費電力を示している。図45において、ノード数の増加に伴い、パケットの送受信が多くなるため消費電力が増加することを示している。また、送電範囲の拡大に伴って、位置情報が多いパケットの送受信が増え、消費電力が増加する。 FIG. 45 shows power consumption by communication with respect to the number of nodes. FIG. 45 shows that as the number of nodes increases, the power consumption increases due to the increase in transmission and reception of packets. In addition, as the power transmission range expands, transmission and reception of packets containing a lot of location information increases, resulting in an increase in power consumption.

(ネットワーク層の関連技術)
ネットワーク層に適用される関連技術として以下の技術がある。
(Technology related to network layer)
Related technologies applied to the network layer include the following technologies.

(1)送電距離をパケット化し、複数のノードからの送電パケット(電力パケット)の集突(Contention)をキャリアセンスにより検知して回避すると共に衝突回避して再送させるContention BaseのCSMAS-CA型WPTプロトコル。
(2)複数のノードから時分割で送信パケット(情報パケット)の時間スロットを割り当てるPreserve 型、Contention FreeのTDMA型WPTプロトコル。
(3)医療用無線BANの標準であるContention FreeとContention BaseのハイブリッドWPTプロトコル。
(4)複数のノードからの送電パケット(電力パケット)の衝突を位相合成して受電力を最大化するWPTプロトコル。
(1) Contention-based CSMAS-CA-type WPT that packetizes the power transmission distance, detects and avoids the concentration (contention) of power transmission packets (power packets) from multiple nodes by carrier sense, and avoids collisions and retransmits protocol.
(2) Preserve-type, Contention-free TDMA-type WPT protocol that allocates time slots for transmission packets (information packets) from multiple nodes in a time division manner.
(3) A hybrid WPT protocol of Contention Free and Contention Base, which is the standard for medical wireless BANs.
(4) A WPT protocol that phase-synthesizes collisions of transmission packets (power packets) from multiple nodes to maximize received power.

[MAC層]
次に、第2層のMAC層に関連する構成について説明する。
(MAC層によるアクセス制御)
本発明の無線電力伝送システムにおいて、複数ノード間の送受電を制御するための第2層のMAC層は複数のプロトコルを備え、複数の送電ノード(給電ノード)から1つの受電ノードへの送受電、1つの受電ノードから複数の送電ノード(給電ノード)への総受電の複数ノード間の送受電におけるアクセス制御を行う。
[MAC layer]
Next, a configuration related to the MAC layer of the second layer will be described.
(Access control by MAC layer)
In the wireless power transmission system of the present invention, the MAC layer of the second layer for controlling power transmission and reception between a plurality of nodes has a plurality of protocols, and transmits and receives power from a plurality of power transmission nodes (power supply nodes) to one power reception node. , access control in power transmission and reception between a plurality of nodes for total power reception from one power receiving node to a plurality of power transmission nodes (power feeding nodes).

このMAC層のアクセス制御は、ネットワーク層と協働して、電力と情報との同時多重伝送を制御する。MAC層のアクセス制御では、通信制御に係る情報パケットによりタイムスロットを確保した後に電力パケットを送るという、電力パケットと情報パケットの時系列制御を行うことにより、電力と情報の同時多重伝送を可能とする。 This MAC layer access control cooperates with the network layer to control the simultaneous multiplexing of power and information. In the access control of the MAC layer, simultaneous multiplex transmission of power and information is possible by performing time-series control of power packets and information packets. do.

以下に、MAC層のプロトコルの一例を示す。(1)~(3)のプロトコルは、電力パケットの衝突を回避するプロトコルの例である。なお、以下では電力パケットを送電パケットの用語を用い、情報パルスを送信パケットの用語を用いている。
(1)MAC層は、送電間隔をパケット化し、複数ノードからの送電パケットの衝突をキャリアセンスにより検出し回避し、再送するプロトコルを備える。
(2)MAC層は、複数ノードから時分割で送信パケットの時間スロットを割り当てるプロトコルを備える。
(3)MAC層は、送電間隔をパケット化し、複数ノードからの送電パケットの衝突をキャリアセンスにより検出し回避し、再送するプロトコルと、複数ノードから時分割で送信パケットの時間スロットを割り当てるプロトコルの両プロトコルを備える。
(4)MAC層は、複数ノードからの送電パケットを位相合成し、受電力を最大化するプロトコルを備える。
(5)MAC層は、複数の送電ノード(給電ノード)から直交や疑似直交符号を使って1つの受電ノードで同時に受けるCDMA方式のプロトコルを備える。
An example of the MAC layer protocol is shown below. Protocols (1) to (3) are examples of protocols that avoid power packet collisions. In the following description, the term "power packet" is used for the power packet, and the term "transmission packet" is used for the information pulse.
(1) The MAC layer has a protocol for packetizing power transmission intervals, detecting and avoiding collisions of power transmission packets from multiple nodes by carrier sense, and retransmitting the packets.
(2) The MAC layer has a protocol that allocates time slots for transmission packets from multiple nodes in a time division manner.
(3) The MAC layer consists of a protocol that packetizes the power transmission interval, detects and avoids collisions of power transmission packets from multiple nodes by carrier sense, and retransmits them, and a protocol that allocates time slots for transmission packets from multiple nodes in a time division manner. It has both protocols.
(4) The MAC layer has a protocol for phase-combining transmission packets from multiple nodes and maximizing received power.
(5) The MAC layer has a CDMA protocol that simultaneously receives power from a plurality of power transmission nodes (power supply nodes) at one power receiving node using orthogonal or pseudo-orthogonal codes.

以下、多対一(multipoint-to-one)電力伝送の場合と一対一(one-to-one)電力伝送の場合について示す。
(多対一(multipoint-to-one)電力伝送)
図46は複数の送電機から給電を受ける概略構成を示している。複数の送電機から給電を行う際、給電を受ける中継器や受電機の受電端では、複数のマイクロ波の打ち消しによる受電力の低下を回避する必要があり、複数の送電機から給電されるマイクロ波の位相調整が必要となる。本発明では、複数の送電機のマイクロ波の位相をそろえるために時刻同期を行う。
A case of multipoint-to-one power transmission and a case of one-to-one power transmission will be described below.
(multipoint-to-one power transmission)
FIG. 46 shows a schematic configuration for receiving power from a plurality of power transmitters. When power is supplied from multiple power transmitters, it is necessary to avoid reduction in received power due to cancellation of multiple microwaves at the receiving end of the power receiving device or repeater receiving power. Wave phase adjustment is required. In the present invention, time synchronization is performed in order to align the phases of microwaves of a plurality of power transmitters.

本発明はMAC層の制御により、2つの送電機の時刻誤差が最大許容時刻誤差内に収まり、2波の位相差が最大許容位相誤差内に収まるような送電機のマイクロ波の周波数を制御し、時刻同期を行う。 The present invention controls the microwave frequency of the power transmitter so that the time error between the two power transmitters falls within the maximum permissible time error and the phase difference between the two waves falls within the maximum permissible phase error by controlling the MAC layer. , to perform time synchronization.

位相誤差Phase errorは、fをマイクロ波の周波数、Δtを位相差としたとき、Phase error=2πfΔtで表される。 The phase error Phase error is expressed by Phase error=2πfΔt, where f is the microwave frequency and Δt is the phase difference.

時刻同期の誤差は一般に数十ns~数百nsであり、2波の位相差が120(deg)以上になると負の影響が生じる。一例として、最大の時刻誤差を300nsとし、最大許容位相誤差を100(deg)としたとき、
(5π/9)>2πf・300ns
の演算から周波数fとしておよそ1MHzのマイクロ波を用いることにより時刻同期の誤差は回避される。
The time synchronization error is generally several tens of ns to several hundreds of ns, and a negative effect occurs when the phase difference between the two waves is 120 (deg) or more. As an example, when the maximum time error is 300 ns and the maximum allowable phase error is 100 (deg),
(5π/9) > 2πf 300ns
Using a microwave of about 1 MHz as the frequency f from the calculation of , an error in time synchronization can be avoided.

図47は複数の送電機から給電を受ける場合の複数のアンテナからの送電状態を示し、図48はノード(受電端末)Rx、アンテナTx1,Tx2の位置関係を示している。ここで、ノード(受電端末)Rxは給電電力を受ける受電端末であり、Tx1,Tx2は送電を行うアンテナである。位相情報は以下の手順で取得される。 FIG. 47 shows power transmission from a plurality of antennas when power is supplied from a plurality of power transmitters, and FIG. 48 shows the positional relationship between a node (power receiving terminal) Rx and antennas Tx1 and Tx2. Here, a node (power receiving terminal) Rx is a power receiving terminal that receives power, and Tx1 and Tx2 are antennas that transmit power. Phase information is obtained by the following procedure.

(1)ノード(受電端末)Rxは、パイロット信号(REF)をブロードキャストする。
(2)各アンテナTx1,Tx2は、パイロット信号(REF)の到来方向(DOA)を求め、(DOA)の情報をブロードキャストする。
(3)各アンテナTx1,Tx2は、他のアンテナからブロードキャストされた(DOA)の情報を用いて各アンテナ間の距離(distance)を演算する。
(4)アンテナ間の距離(distance)に基づいて、ノード(受電端末)Rxに最も近いアンテナの位相シフト量ΔΦを求め、位相シフト量ΔΦを他のアンテナにData(Ps)をブロードキャストする。
(1) A node (power receiving terminal) Rx broadcasts a pilot signal (REF).
(2) Each antenna Tx1, Tx2 obtains the direction of arrival (DOA) of the pilot signal (REF) and broadcasts the information of (DOA).
(3) Each antenna Tx1, Tx2 calculates the distance between each antenna using (DOA) information broadcast from other antennas.
(4) Obtain the phase shift amount ΔΦ of the antenna closest to the node (power receiving terminal) Rx based on the distance between the antennas, and broadcast the phase shift amount ΔΦ to other antennas as Data (Ps).

位相シフト量ΔΦは以下の式で表される。 The phase shift amount ΔΦ is represented by the following formula.

Figure 0007283689000049
(38)
ノード(受電端末)RxとアンテナTx1,Tx2間の距離は以下の式で表される。
Figure 0007283689000049
(38)
The distance between the node (power receiving terminal) Rx and the antennas Tx1 and Tx2 is expressed by the following equations.

Figure 0007283689000050
(39)
Figure 0007283689000050
(39)

(一対一(one-to-one)電力伝送)
ここでは、ドローンとアンテナのメインローブ間に角度誤差があるときの最適ビーム幅について説明する。図49は、アンテナから見たドローンの方向と、アンテナのメインローブ方向との間に誤差がある状態を示している。角度誤差として方位角Δθ及び仰角Δφがある。このようにドローンとアンテナのメインローブ間に方位角Δθ及び仰角Δφの角度誤差は、ドローンへの給電効率に影響を与える。
(one-to-one power transmission)
Here, we discuss the optimum beamwidth when there is an angular error between the main lobe of the drone and the antenna. FIG. 49 shows a state in which there is an error between the direction of the drone as seen from the antenna and the main lobe direction of the antenna. Angle errors include an azimuth angle Δθ and an elevation angle Δφ. Thus, the angular errors in the azimuth angle Δθ and the elevation angle Δφ between the main lobes of the drone and the antenna affect the power feeding efficiency to the drone.

本発明は、方位角Δθ及び仰角Δφの角度誤差に基づいてアンテナの受電電力は以下の式で表される。 According to the present invention, the power received by the antenna is expressed by the following equation based on the angle errors of the azimuth angle Δθ and the elevation angle Δφ.

Figure 0007283689000051
(40)
ここで、Gtはアンテナのゲイン、Arはアンテナの有効開口面積である。
Figure 0007283689000051
(40)
Here, Gt is the gain of the antenna and Ar is the effective aperture area of the antenna.

一方、アンテナのゲインGtは方位角Δθ及び仰角Δφを変数として以下の式で表される。 On the other hand, the gain Gt of the antenna is expressed by the following equation using the azimuth angle Δθ and the elevation angle Δφ as variables.

Figure 0007283689000052
(41)
Figure 0007283689000052
(41)

したがって、方位角Δθ及び仰角Δφに基づいてアンテナのゲインGtを最大化することにより、最適ビーム幅を得ることができる。 Therefore, the optimum beam width can be obtained by maximizing the gain Gt of the antenna based on the azimuth angle Δθ and elevation angle Δφ.

(シミュレーション)
図50は最適ビーム幅のシミュレーション例であり、ビームチルト角とドローンの角度ずれに対する最適ビーム幅を示している。
(simulation)
FIG. 50 is a simulation example of the optimum beam width, showing the optimum beam width with respect to the beam tilt angle and the angular deviation of the drone.

(アンテナ指向性ビームの最適化)
受電ノードにおいて、移動可能な受電端末としてドローンなどの産業用の無人航空機(UAV)が知られている。特に、災害時調査の分野においてドローンの空撮を用いた被害状況の把握、ドローンにUWBレーダを搭載し被災者の位置を特定するといった災害時における救助の効率化が検討されている。ドローンの課題の一つとしてドローンの滞空時間がある。ドローンの滞空時間はバッテリーの大きさとドローンの質量に関係しており、その二つはトレードオフの関係にある。
(Optimization of antenna directional beam)
Industrial unmanned aerial vehicles (UAVs) such as drones are known as mobile power receiving terminals at power receiving nodes. In particular, in the field of disaster investigation, studies are underway to improve the efficiency of rescue operations in the event of a disaster, such as grasping the damage situation using drone aerial photography and identifying the position of victims by mounting a UWB radar on the drone. One of the problems with drones is the flight time of drones. The flight time of a drone is related to the size of the battery and the mass of the drone, and the two are in a trade-off relationship.

つまり、バッテリーが大きいほど充電されている電力は増加するが、ドローンの全体の質量が増加するので消費電力が増加する。現状では、ドローンは充電がなくなる前に自動で給電地点まで戻り、給電地点で給電を行うというシステムが使われている。しかしながら、災害対策等での効率化を考慮すると、飛行中の給電が望ましい。給電方式として無線電力伝送(WPT)があり、無線電力伝送としてマイクロ波伝送を適用するにはドローンでの給電効率が課題である。 In other words, the larger the battery, the more power it holds, but the more power it consumes as the overall mass of the drone increases. Currently, a system is used in which the drone automatically returns to the power supply point before the battery runs out, and supplies power at the power supply point. However, in consideration of efficiency in disaster countermeasures, it is desirable to supply power during flight. There is wireless power transmission (WPT) as a power supply method, and power supply efficiency in drones is a problem in applying microwave transmission as wireless power transmission.

マイクロ波伝送では、ビームを受電体に向けて照射することにより給電を行う。しかしながら、ドローンは上空の環境による影響やホバリングによって送電側が形成したビームの範囲から外れてしまう可能性があり、その場合には給電効率が著しく低下する。 In microwave transmission, power is supplied by irradiating a beam toward a receiving object. However, the drone may deviate from the range of the beam formed by the power transmission side due to the influence of the environment in the sky or hovering, in which case the power supply efficiency will be significantly reduced.

ドローンの特性を考慮した上での給電効率の向上を目標とし,ドローンへの伝送距離と推定誤差を考慮したビーム幅とその動的変化による給電効率の向上を図る。ビーム方向の推定誤差による影響はドローンまでの伝送距離が大きくなるほど小さくなるため、伝送距離が大きいほどビーム幅を狭くし、給電効率を高める。 The goal is to improve the power supply efficiency by considering the characteristics of the drone, and to improve the power supply efficiency by considering the transmission distance to the drone and the estimation error and the beam width and its dynamic change. As the transmission distance to the drone increases, the impact of beam direction estimation errors decreases.

(フェーズドアレーによる無線給電)
マイクロ波給電方式としてフェーズドアレーを用いる給電が知られている。フェーズドアレーによる給電は、アンテナ素子を固定して配置し、アンテナ素子の放射電界を特定の方向で共相とする励振位相を各アンテナ素子に与えることによりメインローブの方向を変える。ドローンなどの移動する対象への給電では,対象がパイロット信号を送信し、送電側は受信したパイロット信号に基づいてメインローブの方向を給電対象の方向に合わせることにより給電を行う。
(Wireless power supply by phased array)
Power feeding using a phased array is known as a microwave power feeding method. Feeding by a phased array changes the direction of the main lobe by arranging the antenna elements in a fixed manner and giving each antenna element an excitation phase that makes the radiated electric fields of the antenna elements cophase in a specific direction. In power feeding to a moving target such as a drone, the target transmits a pilot signal, and the power transmission side aligns the direction of the main lobe with the direction of the power feeding target based on the received pilot signal.

ドローン等の移動体へのマイクロ波による給電では、ドローンの移動を考慮する必要があるという特有の課題がある。既存の給電方式は、ビーム幅を一定にして電力を放射するため、給電効率を向上させるためにはビーム幅を狭くする必要がある。しかしながら、ビーム幅を過剰に狭くしてしまうと、ドローンの移動によってドローンがメインローブから外れてしまう可能性がある。また、ドローンの移動に対して常にメインローブで捉えられるようビーム幅を広くした場合には、ビーム幅が過剰に広くなってしまうため、給電効率を向上させることは難しいという課題がある。 Microwave power supply to a moving object such as a drone has a unique problem that it is necessary to consider the movement of the drone. The existing power feeding method radiates power with a constant beam width, so it is necessary to narrow the beam width in order to improve the power feeding efficiency. However, if the beam width is made too narrow, the movement of the drone may cause the drone to deviate from the main lobe. In addition, if the beam width is widened so that the main lobe can always catch the movement of the drone, the beam width becomes excessively wide, making it difficult to improve the power supply efficiency.

(ドローンの移動によるビームチルト角との角度誤差)
アレーアンテナの指向特性のビームチルト角とドローンとの間には角度誤差があり、誤差の要因は主に次の3つがある。
(Angle error with beam tilt angle due to movement of drone)
There is an angular error between the beam tilt angle of the directional characteristics of the array antenna and the drone, and there are mainly the following three factors for the error.

(1)アレーアンテナの位相制御における誤差
アレーアンテナにおけるビームフォーミングでは、移相器や増幅器を用いることによりメインビームを特定の方向に向けることができる。しかしながら、メインビームを向ける方向がアンテナ面の法線方向に対して±90°に近づくほど実際の方向に対して誤差が生じる。
(1) Error in Phase Control of Array Antenna In beam forming in an array antenna, the main beam can be directed in a specific direction by using phase shifters and amplifiers. However, as the direction in which the main beam is directed approaches ±90° with respect to the normal direction of the antenna surface, an error occurs with respect to the actual direction.

(2)ドローンの姿勢制御に伴う運動
ドローンが静止する際に、風などの外部の影響に対して姿勢制御を行うと、ドローンが移動し位置変動を起こし、角度誤差に影響を与える。この影響はドローンの大きさに左右される。
(2) Motion associated with drone attitude control When the drone is stationary, if attitude control is performed against external influences such as wind, the drone will move and cause positional fluctuations, affecting the angle error. This effect depends on the size of the drone.

(3)パイロット信号を送信してから給電されるまでの間におけるドローン自身の移動
ドローンからのパイロット信号の送信から給電されるまでの時間は、パイロット信号の伝搬時間、アレーアンテナにおける位相制御の処理時間、及び電力信号の伝搬時間の和で変動し、この時間は遅延時間として角度誤差に影響する。
(3) Movement of the drone itself from the time the pilot signal is transmitted to the time power is supplied It varies with time plus the propagation time of the power signal, and this time affects the angle error as a delay time.

(評価指標)
アレーアンテナの指向特性の評価指標として給電効率を用いる。ただし、給電効率は電力伝送効率(PTE)と、RE-DC(高周波-直流)変換効率(PCE)の積で表されるが、ここではRE-DC変換効率を100%と仮定し、給電効率は電力伝送効率に等しいものとする。この条件では給電効率を次式で表される。
(Evaluation index)
Power supply efficiency is used as an evaluation index for the directivity characteristics of an array antenna. However, the power supply efficiency is expressed as the product of the power transfer efficiency (PTE) and the RE-DC (high frequency-direct current) conversion efficiency (PCE). is equal to the power transfer efficiency. Under these conditions, the power supply efficiency is expressed by the following equation.

Figure 0007283689000053
(42)
Figure 0007283689000053
(42)

(ドローンの移動を考慮したビーム幅)
アレーアンテナの指向特性のビームチルト角とドローン間の角度誤差に対して、式(42)が最大となるビーム幅を求める。ここでは、ビームチルト角とドローンの間の角度誤差に対して、式(42)で表される給電効率が最大となるビーム幅を最適ビーム幅とし、角度誤差に対して利得Gtが最大になるビーム幅θHPを求める。
(Beam width considering the movement of the drone)
A beam width that maximizes the expression (42) with respect to the beam tilt angle of the directivity characteristics of the array antenna and the angle error between the drones is obtained. Here, with respect to the angle error between the beam tilt angle and the drone, the beam width that maximizes the power supply efficiency represented by Equation (42) is the optimum beam width, and the gain Gt is maximized with respect to the angle error. Obtain the beam width θHP.

また、本来ドローンの移動は伝送距離とビームチルト角との角度誤差の両方が影響因子であるが、ここでは角度誤差のみをドローンの移動の影響因子とし、ドローンの動きを円弧で仮定し,図51のような単振り子とするモデルを用いる。図51において、アレーアンテナの一アンテナ素子からドローンを見たときの角度誤差をΔθとし、アンテナ素子とドローンとの距離をD、アンテナ素子のメインローブとドローンとのずれ距離をxとしている。 In addition, both the transmission distance and the angular error of the beam tilt angle are factors that affect the movement of the drone. A simple pendulum model such as 51 is used. In FIG. 51, Δθ is the angle error when the drone is viewed from one antenna element of the array antenna, D is the distance between the antenna element and the drone, and x is the deviation distance between the main lobe of the antenna element and the drone.

アレーアンテナの利得Gは、G=4π/Ωで定義される。Ωはビーム立体角であり、
dΩ=dA/r=sinθ・dθ・dφ
で定義される。
また、ビーム立体角ΩAは次式で表される.
The gain G of an array antenna is defined as G=4π/ ΩA . Ω A is the beam solid angle,
dΩ=dA/r 2 =sinθ・dθ・dφ
defined by
The beam solid angle ΩA is expressed by the following equation.

Figure 0007283689000054
(43)
Pn(θ,φ)は電力パターンを正規化したものである。
Figure 0007283689000054
(43)
Pn(θ,φ) is the normalized power pattern.

式(43)は次のように近似することができる。 Equation (43) can be approximated as follows.

Figure 0007283689000055
(44)
式(44)は、ビーム立体角Ωは、ビーム幅θHPと仰角φの幅φHPとの積で表され、ビーム幅θHPによって近似的に指向性利得が求められることを示している。
Figure 0007283689000055
(44)
Equation (44) indicates that the beam solid angle ΩA is expressed by the product of the beam width θHP and the width φHP of the elevation angle φ, and that the beam width θHP can be used to approximately obtain the directivity gain.

次に、指向特性パターンのメインローブを、最大利得とビーム幅から二次曲線で近似すると、角度誤差Δθに対する利得G(θ)は次式で表される。 Next, when the main lobe of the directivity pattern is approximated by a quadratic curve from the maximum gain and beam width, the gain G(θ) with respect to the angular error Δθ is expressed by the following equation.

Figure 0007283689000056
(45)
Figure 0007283689000056
(45)

式(45)が最大となるビーム幅θHPは次式で表される。 The beam width θHP that maximizes the expression (45) is expressed by the following expression.

Figure 0007283689000057
(46)
Figure 0007283689000057
(46)

Figure 0007283689000058
(47)
Figure 0007283689000058
(47)

(システムフローチャート)
ドローンの移動によるビームチルト角との角度誤差は伝送距離Dによって変化する。ドローンの移動量がある平均値Δxであるとすると、メインローブの中心との角度誤差Δθは次式で表される。
(system flowchart)
The angle error from the beam tilt angle due to the movement of the drone changes depending on the transmission distance D. Assuming that the amount of movement of the drone is a certain average value Δx, the angle error Δθ with respect to the center of the main lobe is expressed by the following equation.

Figure 0007283689000059
(48)
式(48)は、伝送距離Dが大きい場合、ビームチルト角とドローンとの角度誤差Δθが小さくなるのでビーム幅θHPを狭くしてもドローンがメインローブから外れる確率は低くなることを示している。
Figure 0007283689000059
(48)
Equation (48) indicates that when the transmission distance D is large, the angle error Δθ between the beam tilt angle and the drone becomes small, so even if the beam width θHP is narrowed, the probability that the drone deviates from the main lobe becomes low. .

ドローンはパイロット信号を送信し、ドローンのパイロット信号の到来方向を二つの送電機で推定し、ドローンまでの距離を測距する。測距した距離とドローンの移動量を考慮してビーム幅を変化させることで給電効率を向上させる。また、送電機は、ドローンのように移動したり、揺動する受電機(給電対象)に対して、送電機のアンテナから放射するビームを絞ることで最適な指向性を設計する。この指向性の最適化は、受電機(給電対象)の振動により位置が分散する振動分散に対して、分散に応じてビーム幅を広げることで受電効率を向上させる。 The drone transmits a pilot signal, the arrival direction of the pilot signal of the drone is estimated by two power transmitters, and the distance to the drone is measured. The power supply efficiency is improved by changing the beam width in consideration of the distance measured and the amount of movement of the drone. In addition, the transmitter designs the optimal directivity by narrowing the beam emitted from the antenna of the transmitter for the receiver (power supply target) that moves and swings like a drone. This directivity optimization improves power receiving efficiency by widening the beam width according to the vibration dispersion in which the position is dispersed due to the vibration of the power receiver (power supply target).

図52は本発明によるビーム形成のフローチャートを示している。
(1)ドローンは、パイロット信号(REF)を送信する。
(2)アレーアンテナは、パイロット信号(REF)の到来方向(DOA)をMUSIC法により求める。
(3)アレーアンテナは、到来方向(DOA)の情報を用いて三角測量によりアレーアンテナとドローンとの距離を測距する。
(4)距離に基づいて、アレーアンテナのビーム幅を調整する。
(5)ビームを形成し、電力をドローンに伝送する。
FIG. 52 shows a flowchart of beamforming according to the present invention.
(1) The drone transmits a pilot signal (REF).
(2) The array antenna obtains the direction of arrival (DOA) of the pilot signal (REF) by the MUSIC method.
(3) The array antenna uses direction of arrival (DOA) information to measure the distance between the array antenna and the drone by triangulation.
(4) adjust the beam width of the array antenna based on the distance;
(5) Form a beam and transmit power to the drone.

(シミュレーション評価)
最適ビーム幅のシミュレーション評価を示す。以下では、最適ビーム幅の式(47)について、ドローンの移動を風や姿勢制御に伴う振動を考慮した場合と、遅延時間における移動を考慮した場合の2つにシミュレーション評価を示す。シミュレーションにおける送電機と受電機の諸元は以下のとおりである。
(Simulation evaluation)
A simulation evaluation of the optimum beam width is shown. In the following, two simulation evaluations are shown for Equation (47) of the optimum beam width, one in consideration of wind and vibration due to attitude control, and the other in consideration of movement in the delay time. The specifications of the transmitter and receiver in the simulation are as follows.

Figure 0007283689000060
(送電機の諸元)
Figure 0007283689000060
(Specifications of power transmitter)

Figure 0007283689000061
(受電機の諸元)
なお、ここでは、マルチパスによる影響はないものとし、ドローンに搭載する受電アンテナは等方性アンテナとする。また、所望波がアンテナ面の法線方向に対して角度をもつ場合、各受電アンテナにおいて入力信号に位相差が生じることにより合成した出力信号の振幅が小さくなることを考慮して、所望波はアンテナ面に対して垂直に入射するものと仮定する。
Figure 0007283689000061
(Specifications of receiving power)
In this case, it is assumed that there is no influence of multipath, and the power receiving antenna mounted on the drone is an isotropic antenna. In addition, when the desired wave has an angle with respect to the normal direction of the antenna surface, considering that the amplitude of the combined output signal becomes small due to the phase difference between the input signals at each power receiving antenna, the desired wave is It is assumed that the incident light is perpendicular to the antenna plane.

(最適ビーム幅)
図53は伝送距離を変化させた場合において、式(42)で示される給電効率を最大にするビーム幅のシミュレーション結果と、式(48)の近似式による最適ビーム幅を示している。伝送距離が短いには、ドローンの移動に対して最適ビーム幅が大きくなり、伝送距離が長くなるほど最適ビーム幅が狭くなることを示している。この諸元におけるビーム幅は3.4~38(deg)である。なお、図53のシミュレーションでは、ドローンの移動量xは0.9(m)である。
(optimal beam width)
FIG. 53 shows the simulation result of the beam width maximizing the power supply efficiency shown by the equation (42) and the optimum beam width by the approximation of the equation (48) when the transmission distance is changed. It shows that the optimum beam width increases with the movement of the drone when the transmission distance is short, and the optimum beam width narrows as the transmission distance increases. The beam width in these specifications is 3.4 to 38 (deg). Note that in the simulation of FIG. 53, the amount of movement x of the drone is 0.9 (m).

(ドローンの移動量を考慮した最適ビーム幅)
式(47)、及び式(48)は、最適ビーム幅θHPはドローンの平均移動量xと伝送距離Dにより定まることを示している。図54は、角度誤差を考慮した最適ビーム幅とドローンの移動量との関係について、ドローンの移動量xが0.5m、0.8m、及び1.0mの場合を示している。
(Optimal beam width considering the amount of movement of the drone)
Equations (47) and (48) show that the optimum beam width θHP is determined by the average moving amount x and transmission distance D of the drone. FIG. 54 shows the relationship between the optimum beam width and the amount of movement of the drone considering the angle error when the amount of movement x of the drone is 0.5 m, 0.8 m, and 1.0 m.

静止に伴うドローンのずれを考慮した特性について示す。ドローンとビームチルト角の間の角度誤差としては、ドローンの移動による到来角の誤差とアレーアンテナの追従性による誤差の2つである。 The characteristics considering the deviation of the drone when it is stationary are shown. There are two angle errors between the drone and the beam tilt angle: an error in the angle of arrival due to movement of the drone and an error due to the followability of the array antenna.

到来角の推定に伴う誤差については、アンテナの素子数が十分に多い場合には、誤差がアンテナ面の垂線方向に対して±90°に近づいても誤差がほとんどないことから、ドローンの静止時の風による移動と、遅延時間における移動の2つが主たる要因となる。ここで、ドローンの静止時の移動は、風等による移動を考慮してビームチルト角に対して振動的に動くものとする。図55はドローンが静止状態にある際、風に対する姿勢制御に伴う移動状態を示している。 Regarding the error associated with the estimation of the angle of arrival, if the number of antenna elements is sufficiently large, there is almost no error even if the error approaches ±90° with respect to the direction perpendicular to the antenna surface. There are two main factors: movement due to the wind and movement in the delay time. Here, the movement of the drone when it is stationary is assumed to move vibratingly with respect to the beam tilt angle in consideration of movement due to wind or the like. FIG. 55 shows a moving state associated with attitude control against the wind when the drone is in a stationary state.

風等による移動を考慮した特性のシミュレーション諸元は以下のとおりである。 The characteristics of the simulation considering the movement due to wind etc. are as follows.

Figure 0007283689000062
Figure 0007283689000062

図56は、各伝送距離において、静止しようとしたドローンが風や姿勢制御で移動したときの給電効率を示している。図56は、最適ビーム幅とシミュレーションで最もビーム幅が狭くなる場合と、ドローンが常にメインローブ内に存在するビーム幅とを比較している。風などによるドローンの移動は角度のみの影響を考慮するために円弧上であると仮定している。 FIG. 56 shows the power supply efficiency when the drone, which was about to stand still, moved due to wind and attitude control at each transmission distance. FIG. 56 compares the optimum beamwidth, the narrowest beamwidth in the simulation, and the beamwidth where the drone is always in the main lobe. Drone movement due to wind etc. is assumed to be on an arc to consider the effect of angle only.

図56に示す特性は、給電効率が低い方から順に、ビーム幅が3.4[deg]、20[deg]、及び本発明による最適ビーム幅を示し、最適ビーム幅の有効性が示されている。ドローンの移動による角度の影響は伝送距離が大きくなるほどが小さいため、この場合には既存方式によりビーム幅を狭くした場合と近い性能を示す。 The characteristics shown in FIG. 56 show the beam widths of 3.4 [deg], 20 [deg], and the optimum beam width according to the present invention in order from the lowest power feeding efficiency, indicating the effectiveness of the optimum beam width. there is Since the effect of the angle due to the movement of the drone decreases as the transmission distance increases, in this case, the performance is similar to the case of narrowing the beam width by the existing method.

(伝搬遅延でのドローンの動きを考慮した最適ビーム幅)
図57は遅延時間によるドローンの移動状態を示している。ドローンは、パイロット信号を送信してから給電されるまでに移動することが予想され、パイロット信号と給電との間に遅延時間が生じる。
(optimal beam width considering drone movement at propagation delay)
FIG. 57 shows the movement state of the drone depending on the delay time. The drone is expected to move after transmitting the pilot signal until it is powered, and a delay time occurs between the pilot signal and the power supply.

ドローン自体の移動による遅延時間を考慮した特性のシミュレーション諸元は以下のとおりである。 The characteristics of the simulation considering the delay time due to the movement of the drone itself are as follows.

Figure 0007283689000063
Figure 0007283689000063

図58はドローンの平均移動量に対する給電効率を示している。ビームチルト角とドローンの角度誤差は、遅延時間の間の移動に伴う平均値となることから、得られる給電効率も平均値となると想定される。 FIG. 58 shows the power supply efficiency with respect to the average amount of movement of the drone. Since the beam tilt angle and the angle error of the drone are average values due to movement during the delay time, it is assumed that the obtained power supply efficiency is also an average value.

図58に示す特性は、給電効率が低い方から順に、ビーム幅が3.4[deg]、20[deg]、及び本発明による最適ビーム幅を示し、既存方式としてビーム幅を狭くした場合とドローンの移動によってもメインローブから外れないビーム幅を用いている。 The characteristics shown in FIG. 58 show the beam widths of 3.4 [deg], 20 [deg], and the optimum beam width according to the present invention in descending order of power supply efficiency. A beam width that does not deviate from the main lobe even when the drone moves is used.

ビーム幅が狭い場合には、ドローンがメインローブから外れる可能性が高いため、給電効率はドローンがメインローブから外れない場合と比較して低くなる。 If the beam width is narrow, there is a high possibility that the drone will deviate from the main lobe, so the power supply efficiency will be lower than if the drone does not deviate from the main lobe.

本発明において、伝送距離によってビーム幅を最適ビーム幅に適応的に変化させることにより給電効率は向上する。また、本発明の最適ビーム幅においても、ドローンの移動量が大きくなるほどビーム幅が広くなるため、給電効率は既存方式に近い性能を示す。 In the present invention, the power feeding efficiency is improved by adaptively changing the beam width to the optimum beam width according to the transmission distance. Also, even with the optimum beam width of the present invention, the beam width becomes wider as the amount of movement of the drone increases, so the power supply efficiency exhibits performance close to that of the existing system.

固定の基地局からのドローンへのマイクロ波による無線電力伝送によれば、風などの外的要因や、パイロット信号を送信してから給電されるまでのドローン自身の移動による遅延時間の要因による、指向パターンのメインローブからの逸脱が予想される。 According to wireless power transmission by microwave from a fixed base station to the drone, due to external factors such as wind and delay time due to the movement of the drone itself from the transmission of the pilot signal to the power supply, Deviations from the main lobe of the directivity pattern are to be expected.

本発明の無線電力伝送システムは、ドローンの移動を考慮に入れてビーム幅を適応的に変化させ給電効率の向上を図る。また、ビームチルト角とドローンの間の角度誤差に対して最大の給電効率となるビーム幅を近似的に求めて適応的に変化させることにより、給電効率の向上を図る。 The wireless power transmission system of the present invention aims to improve power supply efficiency by adaptively changing the beam width in consideration of the movement of the drone. In addition, the power supply efficiency is improved by approximately obtaining the beam width that maximizes the power supply efficiency with respect to the angular error between the beam tilt angle and the drone, and by adaptively changing the beam width.

なお、上記実施の形態及び変形例における記述は、本発明に係る直流パルス電源装置の一例であり、本発明は各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形することが可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。 It should be noted that the description in the above embodiment and modifications is an example of the DC pulse power supply device according to the present invention, and the present invention is not limited to each embodiment, and various modifications are made based on the gist of the present invention. are possible and are not excluded from the scope of the present invention.

本発明の無線電力伝送システムは、災害時の救助や常時のインフラ管理・宅配のためのドローン、携帯電話などのモバイル機器、カプセル内視鏡などのインプラント医療機器等を長時間使用に適用することができる。 The wireless power transmission system of the present invention can be applied to long-term use of drones for disaster relief, constant infrastructure management and home delivery, mobile devices such as mobile phones, and implantable medical devices such as capsule endoscopes. can be done.

1 送電機
2 受電機
3 中継器
4 ネットワーク
10 無線電力伝送
11 物理層
12 MAC層
13 ネットワーク層
14 アプリケーション層
15 評価指標
20 レクテナ
21 アンテナ
22 整流器
22a 整合回路
22b ダイオード
22c フィルタ
30 負荷
100 無線電力伝送
101 マルチホップリレー
102 無線給電制御
103 最適給電経路
104 セキュリティ
105 給電効率
200 無線情報伝送
201 変調・符号化
202 プロトコル
203 ルーティング
204 セキュリティ
205a S/N比
205b 通信路容量
RS 受電端末
Rx(受電端末) ノード
Tx1、Tx2 アンテナ
1 transmitter 2 receiver 3 repeater 4 network 10 wireless power transmission 11 physical layer 12 MAC layer 13 network layer 14 application layer 15 evaluation index 20 rectenna 21 antenna 22 rectifier 22a matching circuit 22b diode 22c filter 30 load 100 wireless power transmission 101 Multihop relay 102 Wireless power supply control 103 Optimal power supply path 104 Security 105 Power supply efficiency 200 Wireless information transmission 201 Modulation/coding 202 Protocol 203 Routing 204 Security 205a S/N ratio 205b Communication channel capacity RS Power receiving terminal Rx (power receiving terminal) Node Tx1 , Tx2 Antenna

Claims (23)

マイクロ波により電力を無線伝送する無線電力伝送システムであり、
電力を伝送する送電元のノードを成す送電機と、伝送された電力を受電するノードを成す受電機と、前記送電機と前記受電機の間で電力の受け渡しを行うノードを成す複数の中継器と、前記送電機と前記受電機と前記中継器の各ノードで構成される第1層の物理層と、前記第1層の物理層における前記各ノードの電力の無線伝送を制御する第2層のMAC層と、第3層のネットワーク層と、を備え、
前記第1層の物理層は、上記した複数のノードが、前記送電機と前記受電機との間で前記複数の中継器のノードを経由するネットワークを形成し、前記ネットワークが、前記送電機と前記受電機との間を、前記中継器をリレーして電力伝送を行うマルチホップリレーを構成するものであり、
前記第2層のMAC層は、前記第1層の物理層の各ノードが、各ノード間の電力の受け渡しを制御するノード間のアクセス制御によって受電機から送電機への給電制御を行うものであり、
前記第3層のネットワーク層は、前記送電機が、前記第1層の物理層のマルチホップリレーにおいて、各ノード間で受け渡す電力の1ホップ当たりの電力伝送効率及び/又は干渉レベルを各ノード間の経路の重みに対応付け、前記送電機と前記受電機との間の経路において、前記ノード間の経路に対応づけた重みの和が最大となる給電経路を、前記第1層の物理層のネットワークの複数の給電経路の中から最適な給電経路として選択するものである
ことを特徴とする無線電力伝送システム。
A wireless power transmission system that wirelessly transmits power using microwaves,
A power transmitter serving as a power transmission source node that transmits power, a power receiver serving as a node that receives the transmitted power, and a plurality of repeaters serving as nodes that transfer power between the power transmitter and the power receiver. a physical layer of a first layer composed of each node of the power transmitter, the power receiver, and the repeater; and a second layer that controls wireless transmission of power of each node in the physical layer of the first layer. A MAC layer of and a network layer of the third layer,
In the physical layer of the first layer, the plurality of nodes form a network between the power transmitter and the power receiver via the nodes of the plurality of repeaters, and the network includes the power transmitter and the power receiver. A multi-hop relay that relays the relay and performs power transmission between the power receiver and the power receiver,
In the MAC layer of the second layer, each node of the physical layer of the first layer performs power supply control from the power receiver to the power transmitter by means of access control between nodes that controls the transfer of power between the nodes. can be,
In the network layer of the third layer, the power transmission efficiency and/or the interference level per hop of the power transferred between each node by the power transmitter in the multi-hop relay of the physical layer of the first layer is determined by each node. in the path between the power transmitter and the power receiver, the power supply path that maximizes the sum of the weights associated with the paths between the nodes is determined as the physical layer of the first layer. It selects the optimum power supply route from among the multiple power supply routes of the network
A wireless power transmission system characterized by:
前記第1層の物理層において前記ノードを成す前記中継器の最適個数は、中継器間の距離減衰により送られる給電率(1-exp(-Ar /(λ ・Di )))の対数について中継器の個数iで微分演算により得られる個数である、(なお、Arは中継器ノードのアンテナ開口面積、λはマイクロ波の波長、Diは中継器の中継器距離である)
ことを特徴とする、請求項1に記載の無線電力伝送システム。
The optimum number of the repeaters forming the nodes in the physical layer of the first layer is the feed rate (1-exp(-Ar 2 /(λ 2 Di 2 ))) sent by the distance attenuation between the repeaters. The logarithm is the number obtained by differential operation with the number of repeaters i (where Ar is the antenna aperture area of the repeater node, λ is the wavelength of the microwave, and Di is the repeater distance of the repeater).
The wireless power transmission system according to claim 1, characterized by:
前記第1層の物理層において、前記中継器が2個を越えるマルチホップリレーモデルの前記中継器の最適距離は、前記送電機と前記中継器との間の距離減衰により送られる給電率(1-exp(-At・Ar/(λ ・Di )))と、前記中継器間の距離減衰により送られる給電率(1-exp(-Ar /(λ ・Di ))と、を用いて表される給電量

Figure 0007283689000064

に関して、当該給電量の対数の中継距離の微分演算において中継器が1個のときに得られる中継距離D1と総送電距離Dとの関係を、前記中継器が2個を越えるマルチホップリレーモデルの他の中継距離Diに順に対応付けることで求められる中継距離である(なお、前記式において、PCEはレクテナの電力変換効率、LOSSは中継ノードの損失、Atは送電機のアンテナの開口面積、Arは中継ノードのアンテナ開口面積、λはマイクロ波の波長、mは距離減衰の回数である)
ことを特徴とする、請求項に記載の無線電力伝送システム。
In the physical layer of the first layer, the optimal distance of the repeater in a multi-hop relay model with more than two repeaters is the feed rate (1 -exp (-At · Ar / (λ 2 · Di 2 ))) and the feed rate sent by the distance attenuation between the repeaters (1-exp (-Ar 2 / (λ 2 · Di 2 ))), The amount of power supplied is expressed using

Figure 0007283689000064

Regarding the relationship between the relay distance D1 and the total power transmission distance D obtained when the number of repeaters is one in the differential calculation of the relay distance of the logarithm of the power supply, the relationship between the relay distance D1 and the total power transmission distance D of the multi-hop relay model with more than two repeaters (In the above formula, PCE is the power conversion efficiency of the rectenna, LOSS is the loss of the relay node, At is the aperture area of the antenna of the power transmitter, and Ar is the is the antenna aperture area of the relay node, λ is the wavelength of the microwave, and m is the number of distance attenuations)
The wireless power transmission system according to claim 1 , characterized by:
前記中継器は、受電電力を電力増幅し、当該電力増幅した電力を送電する
ことを特徴とする、請求項に記載の無線電力伝送システム。
2. The wireless power transmission system according to claim 1 , wherein said repeater amplifies received power and transmits the amplified power.
前記中継器の個数は、受電機の要求電力量に対する、中継器の電力増幅量の総和の総増幅量を最小化する個数である The number of repeaters is the number that minimizes the total amplification amount of the sum of the power amplification amounts of the repeaters with respect to the amount of power required by the power receiver.
ことを特徴とする、請求項4に記載の無線電力伝送システム。The wireless power transmission system according to claim 4, characterized by:
前記ノードの送電周波数は、中継器間距離と直接波の周波数から求まる直接波の位相と、前記中継器と大地との間の距離と大地反射波の周波数から求まる大地反射波の位相と、の位相ずれが設定範囲となる周波数であり、
前記直接波と前記大地反射波の前記位相ずれは、中継器間距離に基づいて算出される直接波と大地反射波の2波の経路差と、前記マイクロ波の波長に基づいて算出される
ことを特徴とする、請求項に記載の無線電力伝送システム。
The transmission frequency of the node is the phase of the direct wave determined from the distance between the repeaters and the frequency of the direct wave, and the phase of the ground reflected wave determined from the distance between the repeater and the ground and the frequency of the ground reflected wave. is the frequency at which the phase shift is within the setting range,
The phase shift between the direct wave and the ground-reflected wave is calculated based on the path difference between the direct wave and the ground-reflected wave, which is calculated based on the distance between repeaters, and the wavelength of the microwave.
The wireless power transmission system according to claim 1 , characterized by:
前記受電機は、多対一電力伝送において、複数の送電機から直接に受電、又は複数の中継器を介して受電し、前記複数の送電機又は複数の中継器は時刻同期により送電し、前記マイクロ波の位相を揃え
前記時刻同期は、位相誤差=2π・周波数・Δtの関係から、複数の前記送電機の時刻誤差Δtが最大許容時刻誤差内に収まり、2波の送信波の位相誤差が最大許容位相誤差内に収まる周波数の制御である
ことを特徴とする、請求項記載の無線電力伝送システム。
The power receiver directly receives power from a plurality of power transmitters or receives power via a plurality of repeaters in many-to-one power transmission , the power transmitters or the plurality of repeaters transmit power by time synchronization , Align the phase of the microwave ,
The time synchronization is such that the time error Δt of the plurality of power transmitters falls within the maximum permissible time error, and the phase error of the two transmission waves falls within the maximum permissible phase error from the relationship of phase error = 2π · frequency · Δt. It is the control of the frequency that fits
The wireless power transmission system according to claim 1 , characterized by:
前記複数のノードから受電機への多対一電力送電において、
前記ノードは、
受電機から各ノードの方位角に基づいて受電機と各ノードとの距離を求め、前記距離に基づいて受電機での電力のノード間の位相ずれ量を求め、前記位相ずれに基づいて送電の位相を補償し、前記受電機での位相ずれによる電力の打ち消しを低減する
ことを特徴とする、請求項記載の無線電力伝送システム。
In the many-to-one power transmission from the plurality of nodes to the receiving power,
The node is
A distance between the power receiving power and each node is obtained from the power receiving power based on the azimuth angle of each node, a phase shift amount between the power nodes in the power receiving power is obtained based on the distance, and power transmission is performed based on the phase shift. 2. The wireless power transmission system according to claim 1 , wherein phase is compensated to reduce cancellation of power due to phase shift in said power receiver .
前記送電機は、
前記送電機と、前記中継器又は前記受電機とが成す方位角(Δθ)及び仰角(Δφ)、ビーム幅θ HP 及び仰角の幅φ HP に基づいて定まる前記送電機の送電アンテナのゲインGt(Δθ,ΔΦ)

Figure 0007283689000065

を最大とするビーム幅θ HP を前記送電機の送電アンテナの最適化ビーム幅とする
ことを特徴とする、請求項記載の無線電力伝送システム。
The power transmitter is
Gain Gt ( _ _ _ _ _ _ Δθ, ΔΦ)

Figure 0007283689000065

Let HP be the optimized beam width of the power transmission antenna of the power transmitter
The wireless power transmission system according to claim 1 , characterized by:
一つの送電元から複数の受電端に送電を行う一対多電力伝送において、前記送電機のビーム形状はマルチビームである
ことを特徴とする、請求項記載の無線電力伝送システム。
The wireless power transmission system according to claim 1 , wherein in one-to-many power transmission in which power is transmitted from one power transmission source to a plurality of power receiving ends, the beam shape of the power transmitter is multi-beam.
前記送電機は、単一の送電機から複数の受電機へのビーム、又は複数の送電機から単一の受電機へのビームを放射するアンテナ指向性を有する
ことを特徴とする、請求項記載の無線電力伝送システム。
2. The power transmitter has an antenna directivity that radiates beams from a single power transmitter to multiple receivers or beams from multiple power transmitters to a single receiver. A wireless power transfer system as described.
前記ネットワーク層は、
前記経路の重みにおいて、重み1を境界とし、1以上の重みを設定する能動的な経路選択を行うアクティブルーティング、及び1未満の重みを設定する受動的な経路選択を行うパッシブルーティングを含むルーティングを行うものであり、前記ルーティングにより前記ネットワークの給電経路の最適化を行う
ことを特徴とする請求項に記載の無線電力伝送システム。
The network layer comprises:
In the weight of the route, with a weight of 1 as a boundary, routing including active routing that performs active route selection by setting a weight of 1 or more and passive routing that performs passive route selection by setting a weight of less than 1 2. The wireless power transmission system according to claim 1 , wherein the routing optimizes a power supply route of the network.
前記パッシブルーティングは、干渉がある経路、反射体がある経路に対して負を含む1未満の重みを設定する
ことを特徴とする請求項12に記載の無線電力伝送システム。
The wireless power transmission system according to claim 12 , wherein the passive routing sets weights less than 1 including negative weights for paths with interference and paths with reflectors .
前記ネットワーク層において、
前記重みの和が最大となる前記最適な給電経路の選択は、重み付きグラフを用いたダイクストラ法による最適給電ルートを選択するものであり、前記電力伝送効率と電力変換効率の積で表される給電効率の逆数が最小となる給電経路を選択する
ことを特徴とする、請求項に記載の無線電力伝送システム。
In the network layer,
The selection of the optimum power supply route that maximizes the sum of the weights is to select the optimum power supply route by the Dijkstra method using a weighted graph, and is represented by the product of the power transmission efficiency and the power conversion efficiency. Select the power supply path that minimizes the reciprocal of the power supply efficiency
The wireless power transmission system according to claim 1 , characterized by:
前記ネットワーク層において、
前記受電機は位置情報を含む給電要求パケット(EREGパケット)をブロードキャストし、
前記中継器は、前記給電要求パケット(EREGパケット)を再ブロードキャストし、
前記送電機は、受信した前記給電要求パケット(EREGパケット)に含まれる位置情報に基づいてノード間距離を求め、当該ノード間距離に基づいて前記電力伝送効率を取得する
ことを特徴とする、請求項に記載の無線電力伝送システム。
In the network layer,
the receiver broadcasts a power supply request packet (EREG packet) containing position information;
the repeater rebroadcasts the power request packet (EREG packet);
The power transmitter obtains a distance between nodes based on position information included in the received power supply request packet (EREG packet), and acquires the power transmission efficiency based on the distance between nodes. Item 1. The wireless power transmission system according to item 1 .
前記送電機は、前記給電要求パケット(EREGパケット)により給電を要求する受電機に対して、電力をパケット化した電力パケットにより電力供給する
ことを特徴とする、請求項15に記載の無線電力伝送システム。
16. The wireless power transmission according to claim 15 , wherein the power transmitter supplies power in a power packet obtained by packetizing power to a power receiver requesting power supply by the power supply request packet (EREG packet). system.
前記MAC層は、
前記各ノードが前記第1層の物理層の各ノード間で行う電力送電の前記アクセス制御において、前記ノード間で行う電力送電の送電間隔をパケット化し、前記複数ノードからの電力をパケット化した電力パケットの衝突をキャリアセンスにより検出し回避し、前記電力パケットを再送するプロトコルを備える
ことを特徴とする、請求項に記載の無線電力伝送システム。
The MAC layer is
In the access control of power transmission performed by each node between each node of the physical layer of the first layer, power transmission intervals of power transmission performed between the nodes are packetized, and power is packetized from the plurality of nodes . 2. The wireless power transmission system according to claim 1 , comprising a protocol for detecting and avoiding collision of packets by carrier sense and retransmitting said power packet .
前記MAC層は、
前記各ノードが前記第1層の物理層の各ノード間で行う電力送電の前記アクセス制御において、通信制御に係る情報パケットにより時分割で時間スロットを割り当てるプロトコルと、
前記情報パケットの後に電力をパケット化した電力パケットを送る時系列制御を行うプロトコルと、の両プロトコルを備える
ことを特徴とする、請求項に記載の無線電力伝送システム。
The MAC layer is
a protocol for allocating time slots in a time-division manner by information packets related to communication control in the access control of power transmission performed by each node between each node of the physical layer of the first layer;
2. The wireless power transmission system according to claim 1 , further comprising a protocol for performing time-series control for sending power packets in which power is packetized after said information packets .
前記MAC層は、
前記各ノードが前記第1層の物理層の各ノード間で行う電力送電の前記アクセス制御において、前記ノード間で行う電力送電の送電間隔をパケット化し、前記複数ノードからの電力パケットの衝突をキャリアセンスにより検出し回避し、前記電力パケットを再送するプロトコルと、
前記複数ノードからの通信制御に係る情報パケットを時分割し時間スロットを割り当て、供給電力をパケット化した電力パケットと情報パケットとの衝突回避を行うプロトコルと、の両プロトコルを備える
ことを特徴とする、請求項に記載の無線電力伝送システム。
The MAC layer is
In the access control of power transmission performed between each node of the physical layer of the first layer by each node, a power transmission interval of power transmission performed between the nodes is packetized, and a collision of power packets from the plurality of nodes is a carrier . a protocol for sensing, avoiding and retransmitting said power packet ;
and a protocol for time-dividing information packets relating to communication control from the plurality of nodes, allocating time slots, and avoiding collisions between power packets obtained by packetizing supplied power and information packets. , The wireless power transmission system according to claim 1 .
前記MAC層は、
前記各ノードが前記第1層の物理層の各ノード間で行う電力送電のアクセス制御において、前記複数ノードからの電力をパケット化した電力パケットを位相合成し、受電力を最大化するプロトコルを備える
ことを特徴とする、請求項に記載の無線電力伝送システム。
The MAC layer is
In the access control of power transmission performed by each node between each node of the physical layer of the first layer, a protocol for phase combining power packets obtained by packetizing power from the plurality of nodes and maximizing received power is provided.
The wireless power transmission system according to claim 1 , characterized by:
電力及び情報を無線伝送する無線電力・情報伝送システムであり、
電力を伝送する送電元のノードを成す送電機と、伝送された電力を受電するノードを成す受電機と、前記送電機と前記受電機の間で電力及び情報の受け渡しを行うノードを成す複数の中継器と、前記送電機と前記受電機と前記中継器の各ノードで構成される第1層の物理層と、前記第1層の物理層における前記各ノードの電力の無線伝送及び情報の情報伝送を制御する第2層のMAC層、及び第3層のネットワーク層と、を備え、
前記第1層の物理層は、上記した複数のノードが、前記送電機と前記受電機との間で前記複数の中継器のノードを経由するネットワークを形成し前記ネットワークが、前記送電機と前記受電機との間を、前記中継器をリレーして電力伝送及び情報伝送を行うマルチホップリレーを構成するものであり
前記第2層のMAC層は、前記第1層の物理層の各ノードが、各ノード間の電力及び情報の受け渡しを制御するノード間のアクセス制御によって受電機から送電機への電力と情報の同時多重伝送を行うものであり、
前記第3層のネットワーク層は、前記送電機が、前記第1層の物理層のマルチホップリレーにおいて、各ノード間で受け渡す電力の1ホップ当たりの電力伝送効率及び/又は干渉レベルを各ノード間の経路の重みに対応付け、前記送電機と前記受電機との間の経路において前記ノード間の経路に対応づけた重みの和を電力伝送経路の給電効率とし、前記第1層の物理層のネットワークの複数の経路の中から前記給電効率が最大となる経路を最適な電力伝送経路として選択するものであり、
前記第1層の物理層のマルチホップリレーにおいて、隣接するノード間の信号雑音比(S/N比)を経路の重みに対応付け、前記送電機と前記受電機との間の経路において前記ノード間の経路に対応づけた重みの和を情報伝送経路の経路信号雑音比とし、
前記第1層の物理層の前記ネットワークにおける複数の経路の中から、前記経路信号雑音比及び/又は通信路容量が最大となる経路が最適な情報伝送経路として選択され、電力と情報が同時多重伝送される
ことを特徴とする無線電力・情報伝送システム。
A wireless power/information transmission system that wirelessly transmits power and information,
A power transmitter that constitutes a power transmission source node that transmits power, a power receiver that constitutes a node that receives the transmitted power, and a plurality of nodes that constitute a node that exchanges power and information between the power transmitter and the power receiver. A first layer physical layer composed of a repeater, each node of the power transmitter, the power receiver, and the repeater, and wireless transmission of power and information of each node in the first layer physical layer a layer 2 MAC layer for controlling transmission and a layer 3 network layer;
In the physical layer of the first layer, the plurality of nodes form a network between the power transmitter and the power receiver via the nodes of the plurality of repeaters, and the network includes the power transmitter and the power receiver . A multi-hop relay that relays power and information between the power receiver and the relay,
In the MAC layer of the second layer, each node of the physical layer of the first layer transmits power and information from the power receiver to the power transmitter by access control between nodes that controls power and information transfer between each node. Simultaneous multiplex transmission is performed,
In the network layer of the third layer, the power transmission efficiency and/or the interference level per hop of the power transferred between each node by the power transmitter in the multi-hop relay of the physical layer of the first layer is determined by each node. and the sum of the weights associated with the route between the nodes in the route between the power transmitter and the power receiver is set as the power supply efficiency of the power transmission route, and the physical layer of the first layer selecting the route with the maximum power supply efficiency from among the plurality of routes of the network as the optimum power transmission route,
In the multi-hop relay of the physical layer of the first layer, the signal-to-noise ratio (S/N ratio) between adjacent nodes is associated with the weight of the route, and the node in the route between the power transmitter and the power receiver Let the sum of the weights associated with the paths between be the path signal-to-noise ratio of the information transmission path,
A path that maximizes the path signal-to-noise ratio and/or communication path capacity is selected from among a plurality of paths in the network of the physical layer of the first layer as an optimum information transmission path, and power and information are simultaneously multiplexed. be transmitted
A wireless power/information transmission system characterized by:
前記ネットワーク層において、 In the network layer,
前記送電機と受電機との間の電力伝送経路の重みの和、及び前記送電機と受電機との間の情報伝送経路の重みの和は、重み付きグラフにおいて2つのノード間の経路の重みの和が最小となる経路を求めるダイクストラ法により求められ、 The sum of the weights of the power transmission paths between the power transmitter and the power receiver and the sum of the weights of the information transmission paths between the power transmitter and the power receiver are the weights of the paths between the two nodes in the weighted graph. Dijkstra's algorithm, which finds the path that minimizes the sum of
前記MAC層において、In the MAC layer,
前記電力の無線伝送は、前記マイクロ波の搬送波の振幅による電力伝送により行われ、前記情報の無線伝送は、前記マイクロ波の搬送波の位相による情報伝送により行うことにより電力と情報の同時多重伝送が行われる The wireless transmission of power is performed by power transmission using the amplitude of the carrier wave of the microwave, and the wireless transmission of information is performed by information transmission using the phase of the carrier wave of the microwave, whereby simultaneous multiplex transmission of power and information is performed. be done
ことを特徴とする、請求項21に記載の無線電力・情報伝送システム。The wireless power/information transmission system according to claim 21, characterized by:
前記ネットワーク層において、In the network layer,
前記送電機と受電機との間の電力伝送経路の重みの和、及び前記送電機と受電機との間の情報伝送経路の重みの和は、重み付きグラフにおいて2つのノード間の経路の重みの和が最小となる経路を求めるダイクストラ法により求められ、 The sum of the weights of the power transmission paths between the power transmitter and the power receiver and the sum of the weights of the information transmission paths between the power transmitter and the power receiver are the weights of the paths between the two nodes in the weighted graph. Dijkstra's algorithm, which finds the path that minimizes the sum of
前記MAC層において、 In the MAC layer,
前記電力をパケット化した電力パケットをオン/オフ変調して時分割し、当該時分割された電力パケットと情報通信の情報パケットの時系列制御を行うことにより、電力と情報の同時多重伝送が行われるSimultaneous multiplex transmission of power and information is performed by performing on/off modulation and time division of the power packet obtained by packetizing the power, and performing time-series control of the time-divided power packet and the information packet of information communication. be beaten
ことを特徴とする請求項21に記載の無線電力・情報伝送システム。22. The wireless power/information transmission system according to claim 21, characterized by:
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