KR102064986B1 - 에너지 하베스팅 및 무선 전력 수신을 위한 장치 및 그 방법 - Google Patents

에너지 하베스팅 및 무선 전력 수신을 위한 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 에너지 하베스팅 및 무선 전력 수신을 위한 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 및 무선 전력 수신을 위한 장치는, 에너지를 수집하여 저장하는 에너지 하베스팅(EH) 수신기, 상기 에너지 하베스팅 수신기로부터 전력을 공급받아 정보를 디코딩하는 정보 디코딩(ID) 트랜시버, 입력되는 RF 신호의 전력 레벨에 기초하여 상기 에너지 하베스팅 수신기와 상기 정보 디코딩(ID) 트랜시버에 RF 전력을 적응형 전력 분배기, 상기 에너지 하베스팅 수신기의 전력 크기에 기초하여, 상기 정보 디코딩 트랜시버가 단일 톤(Single-tone) 모드 또는 다중 톤(Multi-tone) 모드로 동작하도록 제어하는 적응형 듀얼모드 제어기(Adaptive Dual Mode Controller), 상기 에너지 하베스팅 수신기를 통해 상기 정보 디코딩 트랜시버에 전력을 공급하기 위해 셀프 파워링(self-powering)을 수행하는 적응형 전압 스케일링 제어기(Adaptive Voltage Scaling Controller)를 포함한다.

Description

에너지 하베스팅 및 무선 전력 수신을 위한 장치 및 그 방법{APPARATUS AND METHOD OF ENERGY HARVESTING AND WIRELESS POWER RECEIVER}
본 발명은 에너지 하베스팅 및 무선 전력 수신을 위한 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 입력되는 RF 신호를 에너지 하베스팅 수신기와 정보 디코딩 트랜시버에 적절히 분배하고, 단일 톤(Single-tone)과 다중 톤(Multi-tone)을 입력받는 듀얼 모드로 동작하여, 정보를 복조하는 에너지 하베스팅 및 무선 전력 수신을 위한 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
Simultaneous Wireless Information and Power Transceiver (SWIPT)는 많은 연구원들의 관심을 받고 있으며, 무선 센서 네트워크 (WSN) 및 사물인터넷 (IoT)에서 저전력 노드들의 수명을 연장하기위한 유망한 연구 영역이다.
SWIPT 시스템의 수신기에서 정보전송 RF 신호를 에너지 하베스팅뿐만 아니라 동시에 정보를 디코딩하는 목적으로 사용한다. 이때 에너지 하베스팅(EH) 경로와 정보 디코딩 (ID) 경로간 전력 분배 문제를 야기한다. 두 경로 사이의 전력을 분배하기 위해 time switching (TS)과 power splitting (PS) 두 가지 방식을 사용한다. Time switching (TS)방식은 수신된 신호를 에너지 하베스팅 경로와 정보 디코딩 경로를 선택적으로 사용한다. 에너지 하베스팅 경로로 작동할 때 정보 손실이 발생한다. 반면 power splitting (PS)방식은 수신된 전력을 입력 전력 레벨에 따라 두 부분으로 나누고 동시에 가동 가능하도록 두 경로 둘 다 송신한다. 하지만 이 방식은 TS 방식보다 복잡한 수신기 및 두 경로간 전력 분할비의 최적화가 필요하다.
이에, 높은 전력 전송 효율을 가지되, 용이하게 회로로 구현 가능한 무선전력 및 정보 동시 수신에 관한 기술 개발이 요구되고 있다.
이와 관련 선행기술로는 대한민국등록특허 제10-1710012호(발명의 명칭: 수신기에서의 에너지 하베스팅 방법 및 상기 방법을 사용하는 수신기, 및 이를 위한 블라인드 변조방식 검출 방법 및 장치)가 있다.
본 발명의 목적은 배터리가 없는 저전력 노드의 수명을 연장하고, 입력되는 RF 신호를 에너지 하베스팅 수신기와 정보 디코딩 트랜시버에 적절히 분배할 수 있는 에너지 하베스팅 및 무선 전력 수신을 위한 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 에너지 하베스팅 수신기로부터 전달받은 RF신호를 이용하여 정보 디코딩 트랜시버가 self-power로 동작하기 위한 duty cycle control 동작을 수행하는 에너지 하베스팅 및 무선 전력 수신을 위한 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 단일 톤(Single-tone) 파형과 다중 톤(Multi-tone)파형을 복조할 수 있는 에너지 하베스팅 및 무선 전력 수신을 위한 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 및 무선 전력 수신을 위한 장치는, 에너지를 수집하여 저장하는 에너지 하베스팅(EH) 수신기, 상기 에너지 하베스팅 수신기로부터 전력을 공급받아 정보를 디코딩하는 정보 디코딩(ID) 트랜시버, 입력되는 RF 신호의 전력 레벨에 기초하여 상기 에너지 하베스팅 수신기와 상기 정보 디코딩(ID) 트랜시버에 RF 전력을 적응형 전력 분배기, 상기 에너지 하베스팅 수신기의 전력 크기에 기초하여, 상기 정보 디코딩 트랜시버가 단일 톤(Single-tone) 모드 또는 다중 톤(Multi-tone) 모드로 동작하도록 제어하는 적응형 듀얼모드 제어기(Adaptive Dual Mode Controller), 상기 에너지 하베스팅 수신기를 통해 상기 정보 디코딩 트랜시버에 전력을 공급하기 위해 셀프 파워링(self-powering)을 수행하는 적응형 전압 스케일링 제어기(Adaptive Voltage Scaling Controller)를 포함한다.
바람직하게는, 안테나를 통해 수신된 상기 RF 신호의 최대 전력이 상기 전력 분배기로 전송되도록 상기 RF 신호의 세기를 일정하게 유지하는 매칭 네트워크(Adaptive matching network)를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 에너지 하베스팅(EH) 수신기는, 상기 RF 신호의 전력을 DC 전압으로 변환하는 정류부, 상기 정류부에서 출력되는 전압으로 충전되는 에너지 저장부를 포함하되, 상기 정류부는, 상기 RF 신호의 전력을 DC 전압으로 변환하는 RF-DC 컨버터, 상기 RF-DC 컨버터에서 출력된 직류 전압의 레벨을 유지시키는 DC-DC 컨버터, 상기 DC-DC 컨버터에서 출력되는 전압의 리플을 제거하여 출력 전압을 일정하게 유지시키는 LDO(Low drop-out regulator)를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 적응형 듀얼모드 제어기는, 상기 RF-DC 컨버터의 출력 전력을 감지하고, 상기 감지된 출력 전력 레벨이 기 설정된 임계값 이상일 경우, 상기 정보 디코딩 트랜시버가 단일 톤 모드로 동작하도록 하고, 상기 임계값 이상이 아닐 경우, 상기 정보 디코딩 트랜시버가 다중 톤 모드로 동작하도록 하는 모드 선택 신호를 출력할 수 있다.
바람직하게는, 상기 정보 디코딩 트랜시버는, 상기 적응형 듀얼 모드 제어기로부터의 모드 선택 신호에 따라, 단일 톤 모드 동작부 또는 다중 톤 모드 동작부로 스위칭하는 RF 스위치, 상기 RF 스위치를 통해 입력되는 단일 톤 파형으로부터 진폭 및 위상을 검출하는 단일 톤 모드 동작부, 상기 RF 스위치를 통해 입력되는 다중 톤 파형으로부터 PAPR 값을 산출하는 다중 톤 모드 동작부, 상기 단일 톤 모드 동작부에서 검출된 진폭 및 위상을 정합하여 정보를 복원하거나 또는 상기 다중 톤 모드 동작부에서 산출된 PAPR 값에 기초하여 정보를 복원하는 복조부를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 복조부에서 복조된 신호를 백스캐터링 변조하여 송신장치로 전송하는 백스캐터 변조부를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 적응형 듀얼모드 제어기는, 상기 에너지 저장부의 전력을 감지하여 적응형 셀프 파워링(adaptive self powering)을 수행하도록 상기 적응형 전압 스케일링 제어기를 제어할 수 있다.
바람직하게는, 상기 적응형 전압 스케일링 제어기는, 하베스팅 모드(Harvesting mode)동안 상기 에너지 하베스팅 수신기가 전력을 수집하고, 상기 수집된 전력이 기 설정된 임계 레벨에 도달한 경우 활성 모드(active mode)로 전환되어 셀프 파워링(self-powering)을 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 및 무선 전력 수신을 위한 방법은, 에너지를 수집하여 저장하는 에너지 하베스팅(EH) 수신기와 정보를 디코딩하는 정보 디코딩(ID) 트랜시버를 포함하는 장치가 에너지 하베스팅 및 정보를 디코딩하는 방법에 있어서, 적응형 전력 분배기는, 입력되는 RF 신호의 전력 레벨에 기초하여 상기 에너지 하베스팅 수신기와 상기 정보 디코딩(ID) 트랜시버에 RF 전력을 분배하는 단계, 적응형 듀얼모드 제어기는, 상기 에너지 하베스팅 수신기에서 변환된 DC 전력 크기에 기초하여, 상기 정보 디코딩 트랜시버가 단일 톤(Single-tone) 모드 또는 다중 톤(Multi-tone) 모드로 동작하도록 제어하는 단계, 상기 정보 디코딩 트랜시버는, 상기 에너지 하베스팅 수신기로부터 전력을 공급받고, 상기 적응형 듀얼모드 제어기의 제어에 따라 단일 톤(Single-tone) 모드 또는 다중 톤(Multi-tone) 모드로 정보를 디코딩하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 정보 디코딩 트랜시버는 상기 디코딩된 정보를 백스캐터링 변조하여 송신장치로 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 배터리가 없는 저전력 노드의 수명을 연장하고, adaptive power splitting ratio 알고리즘을 이용함으로써, 입력되는 RF 신호를 에너지 하베스팅 수신기와 정보 디코딩 트랜시버에 적절히 분배할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 에너지 하베스팅 수신기로부터 전달받은 RF신호를 이용하여 정보 디코딩 트랜시버가 self-power로 동작하기 위한 duty cycle control 동작을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 입력 전력의 레벨에 따라 단일 톤(Single-tone) 모드 또는 다중 톤(Multi-tone) 모드로 동작함으로써, 단일 톤(Single-tone) 파형과 다중 톤(Multi-tone)파형을 복조할 수 있다.
한편, 본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 이하에서 설명할 내용으로부터 통상의 기술자에게 자명한 범위 내에서 다양한 효과들이 포함될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 SWIPT 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 SWIPT 기반 수신 장치를 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 3은 도 2에 도시된 에너지 하베스팅 수신기를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장부 양단에 저장된 전압을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하베스팅 모드와 액티브 모드의 스위칭 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 6은 도 2에 도시된 단일 톤 모드 동작부와 다중 톤 모드 동작부의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 도 2에 도시된 위상 검출 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 도 2에 도시된 다중 톤 모드 동작부를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 SWIPT 구조의 듀티 사이클 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 도 2에 도시된 백스캐터 변조기를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 도 2에 도시된 적응형 듀얼 모드 제어기의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 수신기의 single-stage RF-DC converter의 측정결과를 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 (EH) 수신기와 정보 디코딩 (ID) 트랜시버간 다른 power splitting ratio (CEH/CID)에 따른 single-stage RF-DC converter의 측정 결과를 나타낸 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수개의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수개의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수개의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 SWIPT 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 SWIPT 시스템은 데이터와 전력을 동시에 송신하는 송신 장치(100) 및 데이터와 전력을 동시에 수신하는 수신 장치(200)를 포함한다. 여기서, 송신장치(100)는 예컨대, hybrid access point (HAP)일 수 있고, 수신 장치(200)는 예컨대, hybrid receiver point (HR)일 수 있으며, 송신장치(100)와 수신장치(200) 각각은 개별 안테나를 갖고 있다.
송신장치(100)는 변조된 데이터를 전달하는 통과대역 신호 S(t)를 전송한다. 이때, Channel co-efficient constant는 h이고, phase shift는 θ∈ [0, 2π] 일 수 있다.
수신장치(200)는 수신된 신호 y(t) 를 이용하여 에너지 하베스팅과 정보 디코딩을 수행한다.
이러한 구성의 SWIPT 시스템은 배터리가 없는 저전력 노드의 수명을 연장하고, adaptive power splitting ratio 알고리즘으로 입력되는 RF 신호를 적절하게 분배하며, 에너지 하베스팅 (EH) 수신기로부터 전달받은 RF신호를 이용하여 정보 디코딩 트랜시버가 self-power로 동작하도록 duty cycle control 동작을 수행한다.
또한, SWIPT 시스템은 단일 톤 파형인 경우 진폭 감지를 위한 amplitude shift keying (ASK)와 위상 감지를 위한 binary phase shift keying (BPSK)를 사용한다. 또한, SWIPT 시스템은 다중 톤 파형인 경우 정보전송 RF 신호의 복조를 위한 multi-tone 기반 peak to average power ratio (PAPR) 방식을 사용한다.
또한, SWIPT 시스템은 adaptive power splitting (APS) 방식 기반으로, 에너지 하베스팅 (EH) 수신기와 정보 디코딩 (ID) 트랜시버의 전력을 입력 전력 레벨에 따라 분할한다. 여기서, Adaptive power splitting (APS) 방식은 에너지 하베스팅 (EH) 수신기에 큰 값의 커패시터를 배치하고, 정보 디코딩 (ID) 트랜시버에 작은 값의 커패시터를 배치한다. 또한, SWIPT 시스템에는 Adaptive control logic (FPGA)이 구비되어, 입력 전력 레벨에 따라 이 커패시터 값들을 제어한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 SWIPT 기반 수신 장치를 개략적으로 나타낸 블록도, 도 3은 도 2에 도시된 에너지 하베스팅 수신기를 설명하기 위한 도면, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장부 양단에 저장된 전압을 나타내는 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하베스팅 모드와 액티브 모드의 스위칭 동작을 설명하기 위한 타이밍도, 도 6은 도 2에 도시된 단일 톤 모드 동작부와 다중 톤 모드 동작부의 동작을 설명하기 위한 도면, 도 7은 도 2에 도시된 위상 검출 모듈을 설명하기 위한 도면, 도 8은 도 2에 도시된 다중 톤 모드 동작부를 설명하기 위한 도면, 도 9는 SWIPT 구조의 듀티 사이클 동작을 설명하기 위한 도면, 도 10은 도 2에 도시된 백스캐터 변조기를 설명하기 위한 도면, 도 11은 도 2에 도시된 적응형 듀얼 모드 제어기의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 SWIPT 기반 수신 장치(200)는 RF 신호를 수신하는 안테나(210), 적응형 전력 분배기(Adaptive power splitter, APS)(230), 에너지 하베스팅(EH) 수신기(240), 적응형 전압 스케일링 제어기(Adaptive Voltage Scaling Controller)(248). 정보 디코딩(ID) 트랜시버(250), 적응형 듀얼모드 제어기(Adaptive Dual Mode Controller)(260)를 포함한다.
또한, SWIPT 기반 수신 장치(200)는 안테나(210)를 통해 수신되는 RF 신호의 세기가 일정하지 않기 때문에 안테나(210)부터 적응형 전력 분배기(230)까지 최대 전력 전송을 보장하기 위해 adaptive reconfigurable matching network가 필요하다. 이에, 수신 장치(200)는 안테나(210)를 통해 수신된 RF 신호의 최대 전력이 적응형 전력 분배기(230)로 전송되도록 하는 매칭 네트워크(Adaptive matching network)(220)를 더 포함할 수 있다. 따라서, 안테나(210)는 주변 환경으로부터 정보전송 RF 신호를 수신하여 매칭 네트워크(220)에 전달하고, 매칭 네트워크(220)는 수신되는 RF 신호의 세기를 일정하게 유지하여 안테나(210)부터 적응형 전력 분배기(230)까지 최대 전력 전송을 보장한다. 이때, 매칭 네트워크(220)는 적응형 듀얼 모드 제어기(260)에 의해 제어될 수 있다.
적응형 전력 분배기(230)는 입력되는 RF 신호의 전력 레벨에 기초하여 에너지 하베스팅(EH) 수신기(240)와 정보 디코딩(ID) 트랜시버(250)에 RF 전력을 분배한다. 이때, 적응형 전력 분배기(230)는 전력 분배율(ρ)에 따라 에너지 하베스팅 수신기(240)와 정보 디코딩 트랜시버(250)에 적절히 RF 전력을 분배한다. 전력분배율(ρ)은 에너지 하베스팅과 정보 디코딩(ID: Information Decoding)의 비율로, 고정값 또는 시변적인 값일 수 있으며, 전력 분배율(ρ)에 따라 SWIPT 기법을 사용하는 수신장치(200)의 통신 품질과 하베스팅 효율이 결정될 수 있다.
에너지 하베스팅 수신기(240)는 적응형 전력 분배기(230)를 통해 분배된 RF 전력을 이용하여 에너지를 수집 및 저장한다.
이러한 에너지 하베스팅 수신기(230)는 도 3에 도시된 바와 같이 RF-DC Converter(242), DC-DC Converter(244), LDO(Low drop-out regulator)(245), 에너지 저장부(246)를 포함한다.
RF-DC Converter(242)는 RF 신호의 전력을 DC 전압으로 변환하고, 변환된 DC 전압을 DC-DC Converter(244)로 전송한다.
DC-DC Converter(244)는 RF-DC Converter(242)에서 출력된 직류 전압을 제어하는 구성으로, 예컨대, buck-boost converter일 수 있다.
따라서, buck-boost converter(244)는 RF-DC converter(242)의 DC 출력 전압이 약한 RF 입력 신호로 인해 특정 레벨보다 낮을 때, 출력 전압 레벨을 유지하기 위해 boost 동작을 한다. 만약 RF-DC converter(242)의 DC 출력 전압이 특정 레벨보다 높을 때, buck-boost converter(244)는 일정한 출력 전압을 전달하기 위해 buck 동작을 한다.
LDO(245)는 DC-DC Converter(244)에 출력되는 전압의 리플을 제거하여 출력 전압을 일정하게 유지한다. LDO(245)의 출력 전압은 에너지 저장부(246)에 저장되고 ID 트랜시버(250)와 배터리 충전기에 공급된다.
에너지 저장부(246)는 LDO(245)의 출력 전압을 저장하는 구성으로, 슈퍼 커패시터(super capacitor), 충전 가능한 배터리(rechargeable battery, 커패시터 등의 에너지 저장 소자를 포함하며, 전력 전송 신호를 통하여 전송된 에너지를 저장한다.
한편, SWIPT 기반 수신장치(200)에서 에너지 하베스팅 (EH) 수신기(240)를 통해 전력을 ID 트랜시버(250)로 공급하기 위해 self-powering은 필수적이나, 매우 어려운 과제이다. 이는 무선 센서 네트워크 (WSN) 및 사물인터넷 (IoT)에서 사용하는 디바이스들이 동작하기 위한 에너지가 에너지 하베스팅 (EH) 수신기(240)를 통해 획득된 에너지보다 더 크기 때문이다. 이러한 문제를 극복하기 위해, SWIPT 수신장치(200)는 하베스팅 모드(harvesting mode)와 활성 모드(active mode)의 두 모드 동작을 제어하는 적응형 전압 스케일링 제어기(248)을 포함한다.
적응형 전압 스케일링 제어기(248)는 에너지 하베스팅 수신기(240)를 통해 정보 디코딩 트랜시버(250)에 전력을 공급하기 위해 셀프-파워링(self-powering)을 수행한다. 즉, Harvesting mode 동안 에너지 하베스팅 (EH) 수신기(240)로 충분한 에너지를 모으고, 에너지 저장부(246)에 저장한다. 정보 디코딩 (ID) 송수신기(250)는 harvesting mode동안 비활성화된다. Harvesting mode가 특정 하베스팅 문턱 전압 레벨에 도달하면, 적응형 전압 스케일링 제어기(248)는 active mode로 전환하여 self-powering을 시작한다. Active mode에서 ID 트랜시버(250)의 모든 디바이스는 에너지 저장부에서 전력을 공급받아 정상적인 통신 작업을 수행한다.
이러한 적응형 전압 스케일링 제어기(248)의 스위칭 동작에 대해 도 4 및 도 5를 참조하여 설명하기로 한다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 에너지 저장부(246)는 주위의 RF 에너지가 높을 때 빨리 충전되며 active mode에서는 파워 서플라이 역할을 한다. ID 트랜시버(250)에서 디바이스의 동작에 필요한 에너지 양도 중요하다. 높은 에너지가 필요한 경우, 에너지 저장부(246)는 빠르게 방전되고, 다시 harvesting mode로 전환하여 에너지 저장부(246)를 다시 충전한다. ID 트랜시버(250)의 디바이스 동작에 필요한 에너지양이 에너지 하베스팅 (EH) 수신기(240)에 의해 획득되는 에너지보다 작거나 같으면 ID 트랜시버(250)는 하베스팅 모드로 전환하지 않고 계속 동작한다.
다시 도 2를 참조하면, 정보 디코딩 트랜시버(250)는 에너지 하베스팅 수신기(240)를 통해 전력을 공급받아 정보를 디코딩한다. 즉, 정보 디코딩 트랜시버(250)는 사용 가능한 입력 RF 신호가 인가될 경우 에너지 하베스팅 수신기(240)를 통해 전력을 공급받아 동작한다. 이때, 정보 디코딩 트랜시버(250)는, 초기에는 입력되는 RF 신호의 종류에 따라 단일 톤 모드 또는 다중 톤 모드로 동작하여 정보를 디코딩할 수 있다.
구체적으로, 정보 디코딩 트랜시버(250)는 단일 톤 모드로 동작하는 경우, 단일 톤 파형으로부터 진폭 및 위상을 검출하여 정보를 복조하고, 다중 톤 모드로 동작하는 경우, 다중 톤 파형으로부터 PAPR(Peak-to-Average-Power Ratio) 값을 연산하여 정보를 복조한다. 여기서, 다중 톤 파형은 서로 다른 주파수를 가지는 정현파인 톤(tone)들의 선형 조합에 의한 신호일 수 있다.
한편, 단일 톤 파형 및 다중 톤 파형이 사용되는 듀얼 모드 동작은 SWIPT 시스템이 에너지를 획득함과 동시에 정보를 전달하기 위해 넓은 입력 전력 범위에서 작동할 수 있게 한다. 일반적으로 SWIPT 시스템은 복잡성이 낮은 장치에 대해 진폭 및 위상 변조, 복조 기능이 있는 단일 톤(캐리어)을 기반으로 한다. 최근에는 다중 톤 파형이 들어오는 RF 신호의 낮은 입력 전력 레벨에서 단일 톤보다 에너지 하베스팅에 더 나은 효율을 제공할 수 있다는 것이 입증되었다. 그러나 단일 톤 파형에 사용되는 단순 복조를 다중 톤 파형에 적용할 수 없다는 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 SWIPT 시스템은 WPT 및 저전력 정보 디코딩의 효율을 높이기 위해 PAPR(peak-to-average power ratio) 기법을 이용한다.
이러한 정보 디코딩 트랜시버(250)는 RF 스위치(252), 단일 톤 모드 동작부(254), 다중 톤 모드 동작부(255), 복조부(256), 백스캐터 변조부(258)를 포함한다.
RF 스위치(252)는 적응형 듀얼 모드 제어기(260)로부터 전송된 모드 선택 신호에 따라 단일 톤 모드 동작부(254) 또는 다중 톤 모드 동작부(255)로 스위칭한다. 적응형 듀얼 모드 제어기(260)는 에너지 하베스팅 수신기(240)의 RF-DC 컨버터(242)에서 출력되는 전력을 감지하고, 그 감지결과에 기초하여 단일 톤 모드 동작부(254) 또는 다중 톤 모드 동작부(255)가 동작하도록 하는 모드 선택 신호를 출력한다.
RF 스위치(252)는 모드 선택 신호가 단일 톤 모드 선택 신호인 경우 단일 톤 모드 동작부(254)로 스위칭되고, 다중 톤 모드 선택 신호인 경우 다중 톤 모드 동작부(255)로 스위칭된다.
먼저, RF 스위치(252)가 단일 톤 모드 동작부(254)로 스위칭된 경우에 대해 설명하기로 한다.
단일 톤 모드 동작부(254)는 단일 톤 파형으로부터 진폭 및 위상을 검출하고, 검출된 진폭 및 위상을 복조부(256)로 전송한다.
이러한, 단일 톤 모드 동작부(254)는 진폭 검출모듈(254a) 및 위상 검출모듈(254b)을 포함한다.
진폭 검출모듈(254a)은 amplitude shift-keying (ASK) 기법을 이용하여 입력 RF 신호에서 진폭을 검출하는 구성으로, 도 6에 도시된 바와 같이 제1 진폭 검출모듈 및 제2 진폭 검출모듈을 포함할 수 있다.
제1 진폭 검출모듈은 에너지 하베스팅 수신기(240)내 RF-DC Converter(242)의 출력 전압의 이득을 증폭하고, 증폭된 전압과 기준 전압을 비교하여 2진수로 출력하는 구성으로, 예컨대, coarse 진폭 검출모듈일 수 있다.
따라서, coarse 진폭 검출모듈은 에너지 하베스팅 수신기(240)내 RF-DC Converter(242)의 출력 VRECT의 이득을 증폭하는 제1 VGA(미도시)와 1-bit ADC(미도시)로 구성될 수 있다. 제1 VGA은 RF-DC Converter의 출력 VRECT 의 이득을 증폭하여 1-bit ADC로 전송하고, 1-bit ADC는 증폭된 전압과 기준 전압을 비교하여 2진수로 출력을 내보낸다. 이때, 1-bit 2진수 출력은 ASK 신호 복조에서 MSB(Most Significant Bit)와 같은 역할을 한다.
제2 진폭 검출모듈은 RF 스위치(252)를 통해 입력되는 고주파 RF 신호를 포락선 검파(envelope detection)하고, 포락선 검파된 출력의 이득을 증폭하며, 증폭된 전압과 기준 전압을 비교하여 2진수로 출력하는 구성으로, 예컨대, Fine 진폭 검출모듈일 수 있다.
따라서, Fine 진폭 검출모듈은 포락선 검출기(envelope detector(ED), 미도시),와 제2 VGA(미도시), 2-bit ADC(미도시)로 구성될 수 있다. Envelope detector는 다이오드와 저역 통과 필터로 구성되어 있으며, 고주파 RF 신호를 입력받아 원신호의 포락선을 출력한다. Envelope detector의 출력은 제2 VGA에 공급되어 이득을 증가시키고, 최종적으로 2-bit ADC로 보내진다. 2-bit ADC는 제2 VGA로부터 전송된 신호를 2진수로 변환하고, coarse 진폭 검출모듈의 1-bit과 결합한 다음 경로간 지연을 조정한 후 information combiner로 보낸다.
상술한 바와 같이 제1 진폭 검출모듈과 제2 진폭 검출모듈로 구성된 진폭 검출모듈(254a)은 고주파 RF 신호의 진폭을 검출한다.
위상 검출 모듈(254b)은 binary phase shift keying (BPSK) 기법으로 입력 RF 신호에서 위상을 검출한다. 위상 검출 모듈(254b)은 DCO(Digitally Controlled Oscillator)로 구성되어 있으며, 에너지 하베스팅(EH) 수신기(240)의 저전력 공급 장치에서 더 잘 작동한다.
이러한 위상 검출모듈(254b)은 도 7에 도시된 바와 같이 LNA(710), 오실레이터(720), envelope detector(730), decision circuit(740)로 구성된다.
LNA(710)는 안테나와 Matching network를 통해 입력된 신호를 증폭하여 오실레이터(720)에 입력한다. 그러면, 오실레이터(720)는 입력 신호의 위상 변화를 검출하고, 검출된 위상변화를 ASK 신호로 변환한다. 이때, 오실레이터(720)는 입력 신호 위상의 급격한 변화(BPSK)에 대해 injection lock LC-DCO를 기반으로 동작한다. 따라서, 오실레이터(720)는 입력신호의 위상 변화를 ILO(Injection Locked Oscillator)를 통해 검출하고, 검출된 위상변화를 ILO에 의해 ASK 신호로 변환한다. Envelope detector(730)는 변환된 ASK 신호를 포락선 검파하고, decision circuit(740)는 포락선 검파된 신호를 기저 대역으로 복조하여 위상 데이터를 출력한다.
상기와 같이 구성된 위상 검출 모듈(254b)은 BPSK 신호를 ASK 신호로 변환하고, ASK 신호를 포락선 검파하여 위상을 검출한다.
다음으로, RF 스위치(252)가 다중 톤 모드 동작부(255)로 스위칭된 경우에 대해 설명하기로 한다.
디지털 정보가 다중 파형으로 변조될 때 여러 PAPR 값이 얻어진다. 수신장치(200)에서의 PAPR 값은 각각의 심볼에 대해 계산되고, look-up table은 디지털 정보를 검색하는데 사용된다. 이는 SWIPT에서 데이터 전송뿐만 아니라 에너지 하베스팅의 효율도 향상시킨다.
그리고, 송신 장치가 전송할 데이터는 입력 bit stream으로서 변조기에 제공된다. 입력 bit stream은 심볼당 M 비트 수에 따라 심볼로 패킹되고, 이 심볼들은 PAPR 파형에 맵핑된다. PAPR 파형의 수 WPAPR은 각 심볼을 나타내기 위해 생성된다.
아래 표 1은 PAPR 파형의 룩업테이블을 나타낸다.
[표 1]
Figure 112018106203960-pat00001
M-bit 심볼을 나타내기 위해 2M 세트의 주파수가 필요하다. 표 1에서는 심볼당 3비트를 위해 각각 특정 데이터 심볼 값을 나타내는 8개의 주파수 세트가 필요하다. 각 주파수 세트는 특정 PAPR 파형을 갖게 된다. PAPR 파형을 생성하기 위해 심볼당 M-bits, start frequency 및 대역폭이 필요하다. 이때, 심볼당 M-bits는 M-bits를 나타내기 위해 얼마나 많은 주파수 세트가 필요한지 나타내고, Start frequency는 시작하는 주파수를 의미하며, 대역폭은 이러한 주파수들이 제한되는 밴드를 지정한다. 심볼당 3비트와 1MHz 대역폭을 위해 모든 8개의 주파수는 지정된 1MHz 대역폭으로 제한된다.
이러한 PAPR 파형은 입력 심볼에 매핑되어 수신장치로 전달된다. 수신장치(200)에서 다중 톤 신호는 주로 무선 전력 전송을 위해 수신된다. 그러나 동시 데이터 통신을 위해 전송된 bit stream을 복구하기 위해 PAPR 복조기가 필요하다.
이러한 PAPR 복조기는 다중 톤 모드 동작부(255)일 수 있다.
다중 톤 모드 동작부(255)는 RF 스위치(252)를 통해 입력되는 저전력 RF 신호(다중 통 신호)에 대해 PAPR 값을 연산하고, PAPR 값에 기초하여 각 심볼을 2진수로 변환한다. 즉, 다중 톤 모드 동작부(255)는 각 심볼에 대해 PAPR 값을 연산하고, PAPR 값에 기초하여 각 각 심볼을 2진수로 변환한다.
이러한 다중 톤 모드 동작부(255)에 도 8을 참조하면, 다중 톤 모드 동작부(255)는 다중 톤 수신모듈(810), PAPR 연산부(820), 데이터 심볼 추정부(830), 심볼/바이너리 변환부(840)를 포함한다.
다중 톤 수신 모듈(810)은 다중 톤 신호를 수신하여 PAPR 연산부(820)로 전송한다. 이때, 다중 톤 신호는 PAPR 변조된 신호일 수 있다.
PAPR 연산부(820)는 PAPR 변조된 신호의 모든 심볼에 대해 PAPR 값을 각각 산출한다.이때, PAPR 연산부(820)는 아래 수학식 1을 이용하여 각 심볼의 PAPR값을 산출할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112018106203960-pat00002
PAPR 연산부(820)는 수학식 1과 같이 각 심볼의 피크 전력값(Peak Powersymbol)과 각 심볼의 전력 평균값(Average Powersymbol)의 비(PAPR, Peak-to-Average-Power Ratio)를 연산하여 각 심볼의 PAPR값을 얻을 수 있다.
PAPR 연산부(820)는 산출된 PAPR 값을 데이터 심볼 추정부(data symbol estimation)(830)로 전달한다.
데이터 심볼 추정부(830)는 복잡성과 계산을 줄이기 위해 lookup table(LUT) 접근법을 사용하여 데이터 심볼을 추정한다. 이때, 룩업 테이블에는 PAPR 파형에 대한 PAPR 값, 각 PAPR 값에 대응하는 데이터 심볼 값이 함께 저장되어 있다. 따라서, 데이터 심볼 추정부(830)는 산출된 PAPR 값을 룩업테이블에 저장된 PAPR 값과 비교하여, 대응하는 데이터 심볼 값을 출력한다. 이때, PAPR 연산부에서 산출된 PAPR 값은 채널 잡음으로 인해 룩업테이블에 저장된 PAPR 파형 값에서 벗어날 수 있다. 이에, 데이터 심볼 추정부(830)는 산출된 PAPR 값의 편차를 허용하기 위해 채널의 잡음 영향을 상쇄하였으며 error tolerance parameter를 백분율로 사용할 수 있다.
심볼/바이너리 변환부(840)는 데이터 심볼 추정부(830)에서 추정된 심볼들을 2진수로 변환하여 bit stream을 복구한다.
복조부(256)는 단일 톤 모드 동작부(254)에서 검출된 진폭 및 위상을 정합하여 정보를 복원한다.
또한, 복조부(256)는 다중 톤 모드 동작부(255)에서 각 심볼의 PAPR 값에 기초하여 변조된 신호를 복조하여 정보를 복원한다.
한편, 상기와 같은 구성된 SWIPT 구조의 듀티 사이클 동작은 도 9와 같다, 도 9를 참조하면, 에너지 하베스팅 수신기(240)는 충분한 양의 입력 파워 P1을 획득하기 위해 더 긴 시간 T1동안 켜진다. 에너지 저장부(246)가 충분한 양의 에너지를 저장할 때, 정보 디코딩 (ID) 트랜시버(2500는 짧은 시간 T2동안 켜지고 에너지 저장부(246)에서 전력을 공급받는 동안 정보전송 RF 신호의 디코딩을 시작한다. P2는 ID 트랜시버(250)에 의한 전력 소모를 나타낸다. 아래 표 2는 입력 전력 레벨과 톤의 수에 따른 듀티 사이클 동작을 나타낸다.
[표 2]
Figure 112018106203960-pat00003
백스캐터 변조부(258)는 ID 트랜시버(250)에서 복조된 신호를 변조하여 송신장치로 전송한다. RF 신호의 세기는 제한적이다. ID 트랜시버(250)에서 복조된 신호를 송신장치로 보내는 것은 매우 어렵고, 기존의 변조 방식으로는 가능하지 않다. 이런 이유로 passive RFID tag를 사용한 backscattering 변조가 널리 사용된다. 이때, 벡스캐터 변조부(258)의 스위치는 도 10에 도시된 바와 같이 안테나 출력을 차단하는 임베디드 컨트롤러에 의해 제어된다.
이처럼, 이러한 백스캐터 변조부(258)는 Backscattering 기법으로 변조하는 구성으로, 발진기 없이 신호를 전송할 수 있고 이로 인해 전력 소모를 상당히 감소시킬 수 있다.
적응형 듀얼 모드 제어기(260)는 단일 톤 파형 및 다중 톤 파형이 사용될 때 전력 관리 및 정보 디코딩을 모니터링한다. 본 발명에 따른 SWIPT에서 듀얼 모드 동작으로 인해 액세스 포인트 (AP)와의 거리에 따른 속도 차이가 완화되고 동작 범위가 확대될 수 있다.
또한, 적응형 듀얼 모드 제어기(260)는 매칭 네트워크, 적응형 전력 분배기, RF 스위치를 자동으로 제어하여 최적의 효율 및 Path를 선택한다. 구체적으로, 적응형 듀얼 모드 제어기(260)는 도 11에 도시된 바와 같이 RF input power를 감지하여 매칭 네트워크를 제어하고, RF-DC 컨버터(242)의 출력 전력을 감지하여 단일 톤 모드/다중 톤 모드를 제어하며, 에너지 저장부(246)의 전력을 감지하여 적응형 셀프 파워링(adaptive self powering)을 수행하도록 제어한다.
특히, 적응형 듀얼 모드 제어기(260)는 에너지 하베스팅 수신기(240)내 RF-DC 컨버터(242)의 출력 전력 레벨에 기초하여, 정보 디코딩 트랜시버(250)가 단일 톤(Single-tone) 모드 또는 다중 톤(Multi-tone) 모드로 동작하도록 제어하는 모드 선택 신호를 출력한다.
입력 전력이 높을 때 단일 톤 파형이 선호된다. APS(230)는 들어오는 전력을 에너지 하베스팅 (EH) 수신기(240)와 정보 디코딩 (ID) 트랜시버(250)로 나눈다. 에너지 하베스팅 (EH) 수신기(240)는 최대 에너지를 획득하여 에너지 저장부(246)에 저장하며, 이 에너지 저장부(246)에 저장된 에너지는 나중에 듀티 사이클 작동 중에 정보 디코딩 트랜시버(250)에 제공하는데 사용된다. 이때, 적응형 듀얼 모드 제어기(260)는 단일 톤 모드 동작부(254)가 동작하도록 RF 스위치(252)를 스위칭시킨다. 그러면, 정보 디코딩 트랜시버(250)의 단일 톤 모드 동작부(254)는 단일 톤 파형으로부터 진폭 및 위상을 검출하여 정보를 복조한다. 단일 톤 모드 동작부(254)가 동작하는 동안 다중 톤 모드 동작부(255)는 닫혀있다.
입력 전력이 낮으면 다중 톤 파형을 사용하여 무선 전력 전송(WPT)의 효율을 향상시킨다. 다중 톤 모드 동작 중에 에너지 하베스팅 수신기(240)는 에너지를 획득하여 진폭 검출 모듈(254a)로 보내고, 이 하베스팅 신호는 정보를 가지고 적응형 듀얼 모드 제어기(260)에 도달한다. 그러나, 다중 톤 파형의 신호 강도가 제한되어 있으므로 진폭 검출모듈(254a) 및 위상 검출모듈(254b)을 켜기에 충분하지 않다. 따라서 적응형 듀얼 모드 제어기(260)는 PAPR 경로에 대해서만 RF 스위치(252)를 켠다. PAPR 경로는 다중 톤 파형을 복조하고, 적응형 듀얼 모드 제어기(260)로 보낸다. 적응형 듀얼 모드 제어기(260)는 디코딩된 정보를 백스캐터 변조부(258)로 전송하며, 궁극적으로 이 정보는 안테나(210)로 송신장치로 전송된다.
이처럼, 입력 전력이 낮으면 다중 톤 파형을 사용하여 무선 전력 전송 (WPT)의 효율을 향상시키며, Adaptive Dual Mode Controller(260)는 PAPR 경로에 대해서 동작함을 알 수 있다.
또한, 적응형 듀얼 모드 제어기(260)는 에너지 하베스팅 수신(240)내 에너지 저장부(246)에 저장된 전력을 감지하고, 그 감지 결과에 따라 Adaptive Voltage Scaling Controller(248)로 정보를 전송하여 에너지 하베스팅 수신기(240)의 효율을 최대화할 수 있도록 제어한다. 이를 통해 에너지 하베스팅 수신기(240)의 효율을 최대화하여 전체 시스템의 동작 효율을 향상시킨다.
이하,본 발명에 대해 시뮬레이션 및 측정 결과를 설명하기로 한다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 수신기의 single-stage RF-DC converter의 측정결과를 나타낸 도면이다. 도 12의 (a)에서 톤 수에 따른 RF 입력 파워 대비 PCE를 확인할 수 있다. 낮은 입력 파워 레벨의 경우, 다중 톤은 단일 톤에 비해 PCE 성능이 더 우수하다. 입력 파워 레벨이 높아지면 단일 톤의 영향이 더 크고, 다중 톤보다 더 우수한 성능을 보인다. -10dBm 입력 파워 레벨의 single stage RF-DC converter에 16개 톤은 최대 PCE가 12.8 %이다. 반면 단일톤은 15dBm 입력 파워 레벨에서 최대 69%의 PCE를 보인다. 모든 톤은 PCE cross point인 -3dBm 입력 파워 레벨에서 같은 PCE를 경향을 보인다.
도 12의 (b)는 톤의 수에 따른 입력 파워 레벨 대비 출력 전압 VOUT이다. 다중 톤은 낮은 입력 파워 레벨에서 단일톤과 비교했을 때 sensitivity가 더 좋다. 반면 높은 입력 파워 레벨에서 단일톤은 다중 톤보다 높은 VOUT을 갖는다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 (EH) 수신기와 정보 디코딩 (ID) 트랜시버간 다른 power splitting ratio (CEH/CID)에 따른 single-stage RF-DC converter의 측정 결과를 나타낸 도면이다. 이때, CEH와 CID는 각각 에너지 하베스팅 (EH) 수신기 및 정보 디코딩 (ID) 트랜시버에서 power splitting을 위해 사용된 커패시터이다.
도 13a 및 13b는, 각각 13dBm, -7dBm 입력 파워 레벨의 power splitting ratio에 따른 출력전압 VRECT 및 PCE를 나타낸다. Power splitting ratio가 증가되면 PCE와 VRECT는 같이 증가한다. 도 13c는 다른 입력 파워 레벨에서 power splitting ratio에 따른 PCE 및 data rate를 나타낸다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 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 : 송신 장치
200 : 수신 장치
210 : 안테나
220 : 매칭 네트워크
230 : 적응형 전력 분배기
240 : 에너지 하베스팅(EH) 수신기
242 : RF-DC Converter
244 : DC-DC Converter
245 : LDO(Low drop-out regulator)
246 : 에너지 저장부
248 : 적응형 전압 스케일링 제어기
250 : 정보 디코딩(ID) 트랜시버
252 : RF 스위치
254 : 단일 톤 모드 동작부
255 : 다중 톤 모드 동작부
256 : 복조부
258 : 백스캐터 변조부
260 : 적응형 듀얼모드 제어기

Claims (10)

  1. 에너지를 수집하여 저장하는 에너지 하베스팅(EH) 수신기;
    상기 에너지 하베스팅 수신기로부터 전력을 공급받아 정보를 디코딩하는 정보 디코딩(ID) 트랜시버;
    입력되는 RF 신호의 전력 레벨에 기초하여 상기 에너지 하베스팅 수신기와 상기 정보 디코딩(ID) 트랜시버에 RF 전력을 분배하는 적응형 전력 분배기;
    상기 에너지 하베스팅 수신기의 전력 크기에 기초하여, 상기 정보 디코딩 트랜시버가 단일 톤(Single-tone) 모드 또는 다중 톤(Multi-tone) 모드로 동작하도록 제어하는 적응형 듀얼모드 제어기(Adaptive Dual Mode Controller); 및
    상기 에너지 하베스팅 수신기를 통해 상기 정보 디코딩 트랜시버에 전력을 공급하기 위해 셀프 파워링(self-powering)을 수행하는 적응형 전압 스케일링 제어기(Adaptive Voltage Scaling Controller)
    를 포함하는, 에너지 하베스팅 및 무선 전력 수신을 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    안테나를 통해 수신된 상기 RF 신호의 최대 전력이 상기 전력 분배기로 전송되도록 상기 RF 신호의 세기를 일정하게 유지하는 매칭 네트워크(Adaptive matching network)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 및 무선 전력 수신을 위한 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 하베스팅(EH) 수신기는,
    상기 RF 신호의 전력을 DC 전압으로 변환하는 정류부; 및
    상기 정류부에서 출력되는 전압으로 충전되는 에너지 저장부를 포함하되,
    상기 정류부는,
    상기 RF 신호의 전력을 DC 전압으로 변환하는 RF-DC 컨버터;
    상기 RF-DC 컨버터에서 출력된 직류 전압의 레벨을 유지시키는 DC-DC 컨버터; 및
    상기 DC-DC 컨버터에서 출력되는 전압의 리플을 제거하여 출력 전압을 일정하게 유지시키는 LDO(Low drop-out regulator)를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 및 무선 전력 수신을 위한 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 적응형 듀얼모드 제어기는,
    상기 RF-DC 컨버터의 출력 전력을 감지하고, 상기 감지된 출력 전력 레벨이 기 설정된 임계값 이상일 경우, 상기 정보 디코딩 트랜시버가 단일 톤 모드로 동작하도록 하고, 상기 임계값 이상이 아닐 경우, 상기 정보 디코딩 트랜시버가 다중 톤 모드로 동작하도록 하는 모드 선택 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 및 무선 전력 수신을 위한 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 정보 디코딩 트랜시버는,
    상기 적응형 듀얼 모드 제어기로부터의 모드 선택 신호에 따라, 단일 톤 모드 동작부 또는 다중 톤 모드 동작부로 스위칭하는 RF 스위치;
    상기 RF 스위치를 통해 입력되는 단일 톤 파형으로부터 진폭 및 위상을 검출하는 단일 톤 모드 동작부;
    상기 RF 스위치를 통해 입력되는 다중 톤 파형으로부터 PAPR 값을 산출하는 다중 톤 모드 동작부;
    상기 단일 톤 모드 동작부에서 검출된 진폭 및 위상을 정합하여 정보를 복원하거나 또는 상기 다중 톤 모드 동작부에서 산출된 PAPR 값에 기초하여 정보를 복원하는 복조부를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 및 무선 전력 수신을 위한 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복조부에서 복조된 신호를 백스캐터링 변조하여 송신장치로 전송하는 백스캐터 변조부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 및 무선 전력 수신을 위한 장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 적응형 듀얼모드 제어기는,
    상기 에너지 저장부의 전력을 감지하여 적응형 셀프 파워링(adaptive self powering)을 수행하도록 상기 적응형 전압 스케일링 제어기를 제어하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 및 무선 전력 수신을 위한 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 적응형 전압 스케일링 제어기는,
    하베스팅 모드(Harvesting mode)동안 상기 에너지 하베스팅 수신기가 전력을 수집하고, 상기 수집된 전력이 기 설정된 임계 레벨에 도달한 경우 활성 모드(active mode)로 전환되어 셀프 파워링(self-powering)을 수행하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 및 무선 전력 수신을 위한 장치.
  9. 에너지를 수집하여 저장하는 에너지 하베스팅(EH) 수신기와 정보를 디코딩하는 정보 디코딩(ID) 트랜시버를 포함하는 장치가 에너지 하베스팅 및 정보를 디코딩하는 방법에 있어서,
    적응형 전력 분배기는, 입력되는 RF 신호의 전력 레벨에 기초하여 상기 에너지 하베스팅 수신기와 상기 정보 디코딩(ID) 트랜시버에 RF 전력을 분배하는 단계;
    적응형 듀얼모드 제어기는, 상기 에너지 하베스팅 수신기에서 변환된 DC 전력 크기에 기초하여, 상기 정보 디코딩 트랜시버가 단일 톤(Single-tone) 모드 또는 다중 톤(Multi-tone) 모드로 동작하도록 제어하는 단계; 및
    상기 정보 디코딩 트랜시버는, 상기 에너지 하베스팅 수신기로부터 전력을 공급받고, 상기 적응형 듀얼모드 제어기의 제어에 따라 단일 톤(Single-tone) 모드 또는 다중 톤(Multi-tone) 모드로 정보를 디코딩하는 단계;
    를 포함하는, 에너지 하베스팅 및 무선 전력 수신을 위한 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 정보 디코딩 트랜시버는 상기 디코딩된 정보를 백스캐터링 변조하여 송신장치로 전송하는 단계를 더 포함하는 에너지 하베스팅 및 무선 전력 수신을 위한 방법.
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