KR101803035B1 - 상쇄 기반의 무선 정보 및 전력 동시 전송 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 간섭 효과를 제거하는 것이 가능한 무선 정보 및 전력 동시 전송 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 상쇄 기반의 무선 정보 및 전력 동시 전송 시스템은 전력 수신 안테나가 수신한 전력 시그널을 분배하되, 분배된 제1 전력 시그널을 전력 수신부로 전달하여 전력 에너지로 저장시키는 신호파워 분배기 및 분배된 제2 전력 시그널을 수신하여, 신호 상쇄를 위한 전처리를 수행하는 간섭 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

상쇄 기반의 무선 정보 및 전력 동시 전송 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR SIMULTANEOUS WIRELESS INFORMATION AND POWER TRANSFER BASED ON CANCELLATION}
본 발명은 간섭 효과를 제거하는 것이 가능한 무선 정보 및 전력 동시 전송 시스템 및 방법에 관한 것이다.
무선 통신 기술은 우리의 삶에서 빼놓을 수 없는 필수 기술이 되었으며, 2007년 이후에는 무선 전력 전송에 대하여 많은 연구가 진행되고 있다.
무선 전력 전송 기술은 전기 에너지를 전자기파의 형태로 변환하여 전송선 없이 에너지를 전달하는 기술로서, 최근에는 정보와 전력을 동시에 무선으로 전송하는 시스템인 SWIPT(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer) 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
SWIPT 시스템은 정보와 전력을 나누는 영역에 따라서 크게 TS(Time Switching), PS(Power Splitting), AS(Antenna Switching), SS(Spatial Switching)의 4가지로 나눌 수 있으며, 정보 이론을 기반으로 하는 이론 연구가 활발히 진행되고 있다.
하지만 종래 기술에 따른 SWIPT 시스템의 상용화까지는 아직까지 해결해야 할 문제들이 있다.
첫 번째로, 정보 전달과 전력 전달의 신호의 크기 비 차이가 크기 때문에 전력 신호가 정보 신호에 Interference로 작용하여, 정보 전달에 충분한 Signal to Interference and Noise Ratio(SINR)을 만족하기가 어려운 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서 정보 Base Station (BS)과 전력 BS를 거리를 두어 별개로 두는 것이 고려되고 있으나, 충분한 전력 전송 효율을 위해서 정보 BS 보다 짧은 최적 전송거리를 갖는 전력 BS는 보다 촘촘히 배치할 필요가 있기 때문에, 이 상황에서도 Interference 문제는 피할 수가 없다 (정보 BS 최적거리: 50 m - 1 km, 전력 BS 최적거리: 10 - 20 m).
이론적인 SWIPT는 개념상 하나의 신호로 전력과 정보를 동시에 전송하는 것이나, 실제 구현의 이슈를 고려하여 전술한 4가지의 모델이 제안되었다.
TS는 시간에 따라 정보와 전력을 받는 방식으로 구현 측면에서는 간단하지만, 성능이 최적에 미치지 못한다.
PS는 단일 신호에서 정보와 전력을 분배해서 얻기 때문에, 이론적인 최적 성능에 가장 근사한 성능을 보여주고 있다.
AS는 구현이 용이하지만, 안테나가 적을 경우에는 성능이 낮으며, 안테나가 충분히 많을 때에만 PS에 근사한 성능을 보일 수 있다.
SS의 경우에는 신호처리의 복잡도가 너무 높다는 단점이 있다.
이 중에서 성능이 가장 우수한 PS는 실제 구현에서는 Power splitter에서 발생하는 손실로 성능이 저하되어, 오히려 TS의 성능이 더 좋을 수 있다는 문제가 있다.
이것이 두 번째 문제인 실제 구현한 시스템의 성능과 이론적 시스템의 성능 차이이다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 송신된 전력 시그널을 이용하여 전력 신호의 간섭(interference)을 상쇄하여 높은 SINR(Signal to Interference and Noise Ratio, 신호 대 간섭 및 잡음 비율)를 확보하는 것이 가능한 상쇄 기반의 무선 정보 및 전력 동시 전송 시스템 및 방법을 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명에 따른 상쇄 기반의 무선 정보 및 전력 동시 전송 시스템은 전력 수신 안테나가 수신한 전력 시그널을 분배하되, 분배된 제1 전력 시그널을 전력 수신부로 전달하여 전력 에너지로 저장시키는 신호파워 분배기 및 분배된 제2 전력 시그널을 수신하여, 신호 상쇄를 위한 전처리를 수행하는 간섭 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 상쇄 기반의 무선 정보 및 전력 동시 전송 방법은 수신한 전력 시그널을 제1 전력 시그널 및 제2 전력 시그널로 분배하는 단계와, 제1 전력 시그널을 전력 에너지로 저장시키는 단계와, 제2 전력 시그널에 대한 전처리를 수행하여 그 결과 간섭 제거 시그널을 전송하는 단계 및 간섭 제거 시그널을 이용하여 통신 시그널 수신 시 유입되는 간섭 효과를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 상쇄 기반의 무선 정보 및 전력 동시 전송 시스템 및 방법은 상쇄 가능한 전력 신호를 생성하고, 송신된 전력 신호를 이용하여 통신 시그널(정보 시그널) 수신단에서 전력 신호의 간섭(interference)을 제거함으로써, 높은 신호 대 간섭 및 잡음 비율을 확보하여 높은 통신 및 전력 수신률을 동시에 달성하는 것이 가능한 효과가 있다.
본 발명에 따르면 기존의 현실성이 결여된 무선 정보 및 전력 동시 전송 시스템의 디자인 요소들을 제거하고, 실제로 구현이 가능한 고효율의 전력 수집 시스템 형태로 제공하는 것이 가능한 장점이 있다.
또한, 전력 시그널 및 정보 시그널의 전송 노드는 개별적으로 존재하므로, 기존의 통신 단말 장치의 변형을 요구하지 않음으로써, 본 발명의 적용이 용이한 효과가 있다.
본 발명에 따르면 전력을 수신하면서 간섭 신호를 제거하는 모듈화된 전력 수신기를 기존의 무선 노드에 적용함으로써, 높은 전력 수신률 및 통신 수신률을 확보하는 것이 가능한 효과가 있다.
본 발명에 따르면 전송 받는 전력 시그널이 없는 경우에도 채널에 존재하는 에너지 시그널을 상시적으로 에너지로 수집함으로써, 센서 네트워크 또는 이동통신 터미널에 적용되는 경우 제한적인 배터리 용량의 문제를 개선하는 데 큰 장점이 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 상쇄 기반의 무선 정보 및 전력 동시 전송 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 상쇄 기반의 무선 정보 및 전력 동시 전송 방법을 나타내는 순서도이다.
본 발명의 전술한 목적 및 그 이외의 목적과 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 이하의 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 목적, 구성 및 효과를 용이하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐으로서, 본 발명의 권리범위는 청구항의 기재에 의해 정의된다.
한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가됨을 배제하지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 상쇄 기반의 무선 정보 및 전력 동시 전송 시스템을 나타내는 블록도이다.
본 발명의 실시예에 따른 상쇄 기반의 무선 정보 및 전력 동시 전송 시스템은 전력 수신 안테나(120)가 수신한 전력 시그널을 분배하되, 분배된 제1 전력 시그널을 전력 수신부(400)로 전달하여 전력 에너지로 저장시키는 신호파워 분배기(300) 및 신호파워 분배기(300)로부터 분배된 제2 전력 시그널을 수신하여, 신호 상쇄를 위한 전처리를 수행하는 간섭 제어부(500)를 포함하여 구성된다.
전력 송신 안테나(110)와 전력 전송부(100)는 상쇄 가능한 전력 신호를 생성한다.
전력 전송부(100)는 강한 파워의 전력 시그널을 전송하며, 통신 터미널(200)은 이보다 상대적으로 약한 통신 시그널을 동일한 채널(In-band)에 전송한다.
이 때, 전력 송수신 안테나(110, 120) 및 통신 송수신 안테나(210, 220)는 상이한 편파를 사용하여 전송하게 되므로, 전력 시그널의 간섭 효과를 편파 안테나를 이용하여 일정량 감쇠시키는 것이 가능하다.
다시 말하면, 통신 수신 안테나(220)는 전력 수신 안테나(120)와 상이한 편파 특성을 통하여 간섭 효과를 1차적으로 제거하고, 신호 수신부(600)는 이러한 간섭 효과가 1차적으로 제거된 신호를 수신하게 되는 것이다.
본 발명에 따르면, 송신된 전력 시그널을 이용하여 interference를 상쇄시킴으로써 높은 SINR을 확보하는 것을 그 목적으로 한다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 간섭 제어부(500)는 통신 수신 안테나(220)가 받는 간섭을 상쇄하기 위하여, 기설정된 양으로 분배된 제2 전력 시그널의 위상차 및 시간차를 조정하여 전처리를 수행하고, 그 결과로서 간섭 제거 시그널을 전송한다.
전력 전송부(100)를 통하여 전송되는 전력 시그널에 대한 정보를 이미 알고 있기 때문에, 이에 대한 위상차 및 시간차를 조정하는 전처리를 수행함으로써, 간섭을 상쇄시키기 위한 간섭 제거 시그널을 생성하는 것이 가능하다.
간섭 제어부(500)는 통신 수신 안테나(220)가 전력 시그널로부터 받는 간섭 효과의 양만큼 미리 분배된 제2 전력 시그널을 이용하여, 간섭 제거 시그널을 생성하고 이를 신호 수신부(600)로 전송한다.
신호 수신부(600)는 수신한 간섭 제거 시그널을 이용하여, 통신 수신 안테나(220)가 통신 시그널을 수신할 시에 유입되는 간섭 효과를 제거한다.
즉, 신호 수신부(600)는 전술한 바와 같이 통신 수신 안테나(220)의 편파 특성으로부터 1차적으로 감쇠되고 남은 나머지 간섭 효과를 제거하기 위하여, 간섭 제거 시그널을 이용하고, 이를 통하여 높은 SINR을 확보하여 높은 통신 수신율을 달성하는 것이 가능하다.
통신 제어부(700)는 통신 시그널에 대한 복호화를 수행하고, 이미 알고 있는 통신 터미널(200)로부터의 전송 데이터와 비교를 통하여, 신호파워 분배기(300)에서 얼마만큼의 분배 규칙으로 제1 및 제2 전력 시그널이 분배되어야 할지에 대한 피드백 신호를 전송한다.
본 발명에 따른 신호파워 분배기(300) 및 간섭 제어부(400)는 모듈 형태로 제작되는 것이 가능하고, 종래 기술에 따른 시스템에 모듈 형태로 이를 부착하여 기존의 정보 전달 네트워크를 SWIPT 시스템으로 확장하는 것이 가능한 효과가 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 상쇄 기반의 무선 정보 및 전력 동시 전송 방법을 나타내는 순서도이다.
본 발명의 실시예에 따른 상쇄 기반의 무선 정보 및 전력 동시 전송 방법은 수신한 전력 시그널을 제1 전력 시그널 및 제2 전력 시그널로 분배하는 단계(S100)와, 제1 전력 시그널을 전력 에너지로 저장시키는 단계(S200)와, 제2 전력 시그널에 대한 전처리를 수행하여 그 결과 간섭 제거 시그널을 전송하는 단계(S300) 및 간섭 제거 시그널을 이용하여 통신 시그널 수신 시 유입되는 간섭 효과를 제거하는 단계(S400)를 포함하여 구성된다.
S100 단계는 통신 시그널과 동일한 채널(In-band)로 전송되는 전력 시그널을 전력 수신 안테나를 통하여 수신하고, 이를 기설정된 분배 규칙 대로 제1 및 제2 전력 시그널로 분배하는 단계이다.
S200 단계는 S100 단계에서 수신한 대부분의 전력 시그널을 전력 에너지로 저장한다.
S300 단계는 제2 전력 시그널에 대한 위상차 및 시간차 조정을 수행함으로써, 전처리를 수행하게 된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전력 시그널 중 일부를 이용하여 전력 시그널에 의한 interference를 제거하는 것을 그 목적으로 하며, 전송하는 전력 시그널에 대한 정보는 미리 알고 있기 때문에, S100 단계에서 분배된 제2 전력 시그널의 위상차 및 시간차를 조정함으로써 이러한 간섭을 제거하는 시그널을 생성하는 것이 가능하다.
S400 단계는 간섭 제거 시그널을 이용하여 간섭 효과를 제거하는 단계로서, 간섭 효과는 전력 수신 안테나와 상이한 편파를 가지는 통신 수신 안테나에 의하여 1차적으로 제거가 이루어진 나머지 간섭 효과로 정의된다.
즉, S400 단계는 1차적으로 제거가 이루어진 나머지의 간섭 효과를 간섭 제거 시그널을 이용하여 제거함으로써, 높은 SINR을 달성하여 높은 통신 수신율을 확보하는 효과가 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 통신 시그널에 대한 복호화 결과 제1 및 제2 전력 시그널에 대한 분배 정도를 피드백 신호로 전송하는 단계(S500)를 더 포함한다.
전송되는 통신 시그널에 대한 정보는 이미 알고 있기 때문에, S500 단계는 수신한 통신 시그널을 복호화하여, BER(Bit Error Ratio) 등을 이용하여 간섭 효과를 제거하기 위한 전력 시그널에 대한 분배 규칙을 피드백 신호로 전송하게 된다.
이제까지 본 발명의 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 전력 전송부 110: 전력 송신 안테나
120: 전력 수신 안테나 200: 통신 터미널
210: 통신 송신 안테나 220: 통신 수신 안테나
300: 신호파워 분배기 400: 전력 수신부
500: 간섭 제어부 600: 신호 수신부
700: 통신 제어부

Claims (10)

  1. 전력 시그널을 전송하는 전력 송신 안테나;
    정보 시그널을 전송하는 통신 송신 안테나;
    전력 수신 안테나가 수신한 상기 전력 시그널을 제1 전력 시그널 및 제2 전력 시그널로 분배하고, 분배된 상기 제1 전력 시그널을 전력 수신부로 전달하여 전력 에너지로 저장시키는 신호파워 분배기;
    상기 신호파워 분배기로부터 기설정된 양으로 분배된 상기 제2 전력 시그널을 수신하고 위상차 및 시간차를 조정하는 전처리를 수행하여, 상기 정보 시그널을 수신하는 통신 수신 안테나가 상기 전력 시그널에 의해 받는 간섭을 상쇄하는 간섭 제거 시그널을 생성하는 간섭 제어부; 및
    상기 간섭 제거 시그널을 수신하고, 이를 이용하여 통신 수신 안테나로부터 상기 정보 시그널을 수신할 시 유입되는 간섭 효과를 제거하는 신호 수신부
    를 포함하는 상쇄 기반의 무선 정보 및 전력 동시 전송 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 신호 수신부는 상기 전력 수신 안테나와 상이한 편파를 가지는 상기 통신 수신 안테나에 의하여 1차적으로 간섭 효과가 감쇠된 나머지 전력 시그널을 상기 간섭 제거 시그널을 이용하여 상쇄시키는 것
    인 상쇄 기반의 무선 정보 및 전력 동시 전송 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 신호 수신부가 상기 정보 시그널을 복호화한 결과에 따라, 간섭 효과 제거를 위한 상기 제1 및 제2 전력 시그널의 분배 정도를 피드백 신호로서 전송하는 통신 제어부
    를 더 포함하는 상쇄 기반의 무선 정보 및 전력 동시 전송 시스템.
  6. (a) 통신 시그널과 동일한 채널로 전송되는 전력 시그널을 수신하고, 기설정된 분배 규칙 대로 상기 전력 시그널을 제1 전력 시그널 및 제2 전력 시그널로 분배하는 단계;
    (b) 상기 제1 전력 시그널을 전력 에너지로 저장시키는 단계;
    (c) 상기 제2 전력 시그널에 대한 위상차 및 시간차 조정을 통해 전처리를 수행하여 그 결과 통신 시그널 수신 시 간섭을 제거하는 간섭 제거 시그널을 생성하는 단계; 및
    (d) 상기 간섭 제거 시그널을 이용하여 통신 시그널 수신 시 유입되는 상기 전력 시그널에 의한 간섭 효과를 제거하는 단계
    를 포함하는 상쇄 기반의 무선 정보 및 전력 동시 전송 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제6항에 있어서,
    상기 (d) 단계는 전력 수신 안테나와 상이한 편파를 가지는 통신 수신 안테나에 의하여 1차적으로 제거가 이루어진 나머지 간섭 효과를 상기 간섭 제거 시그널을 이용하여 상쇄시키는 것
    인 상쇄 기반의 무선 정보 및 전력 동시 전송 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    (e) 상기 (d) 단계의 간섭 효과 제거 후, 통신 시그널에 대한 복호화 결과 상기 제1 및 제2 전력 시그널에 대한 분배 정도를 피드백 신호로 전송하는 단계
    를 더 포함하는 상쇄 기반의 무선 정보 및 전력 동시 전송 방법.
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