KR102179030B1 - 무선 전력 통신 네트워크에서 사용자들의 충전 시간을 최소화하기 위한 다중 안테나 전송 방법 및 장치 - Google Patents

무선 전력 통신 네트워크에서 사용자들의 충전 시간을 최소화하기 위한 다중 안테나 전송 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

다양한 실시예들에 따른 무선 전력 통신 네트워크에서 사용자들의 충전 시간을 최소화하기 위한 다중 안테나 전송 방법 및 장치는, 전력 송신 장치가 적어도 하나의 전력 수신 장치로부터 요구되는 에너지량에 기반하여, 전력 수신 장치의 충전 시간을 최소화하기 위한 공분산 행렬을 생성하고, 공분산 행렬을 이용하여, 빔포밍 벡터를 도출하고, 빔포밍 벡터에 기반하여, 전력 수신 장치로 무선 전력을 전송하도록 구성될 수 있다.

Description

무선 전력 통신 네트워크에서 사용자들의 충전 시간을 최소화하기 위한 다중 안테나 전송 방법 및 장치{METHOD AND METHOD FOR MULTI-ANTENNA TRANSMISSION TO MINIMIZE CHARGING TIME OF USERS IN WIRELESS POWERED COMMUNICATIONS NETWORKS}
다양한 실시예들은 무선 전력 통신 네트워크에서 사용자들의 충전 시간을 최소화하기 위한 송신 다중 안테나 전송 방법에 관한 것이다.
최근 IoT(Internet of Things) 통신 및 센서 네트워크에 대한 관심이 높아지고, 네트워크 안에서 스마트 폰 등과 같은 전자 기기의 수가 급격하게 증가함에 따라 배터리 충전에 관한 문제가 대두되고 있다. 유선 충전은 적은 수의 전자 기기를 충전하는 데 용이하지만, IoT 통신 및 센서 네트워크의 많은 수의 전자 기기를 충전하는 데 불편함이 있다. 이는, 각 전자 기기마다 하나의 유선 충전기가 필요하기 때문이다. 이로 인하여, 각 전자 기기의 배터리를 주기적으로 교체하거나, 각 전자 기기를 유선 충전기로 충전하는 데 따른 높은 운용 비용이 요구된다.
이러한 한계를 극복하기 위해, 최근 무선 전력 통신 네트워크(Wireless powered communications networks)가 큰 주목을 받고 있다. 네트워크의 스마트 폰, 웨어러블 전자 장치(Wearable electronic device), 무선 센서들이 무선 기지국으로부터 전력을 공급 받음으로써 무선 충전할 수 있는 연구에 대한 관심이 높아지고 있다. 유선 충전과 달리, 무선 충전은, 충전 수요가 급증하는 네트워크에서 불편함과 운용 비용을 감소시킬 수 있다.
무선 충전을 활용하면 전자 기기와 충전기 사이의 거리가 떨어져 있는 환경에서도 충전이 가능하며, 여러 전자 기기를 동시에 충전할 수 있는 장점이 있다. 최근 국내외 학계 및 산업계에서는 무선 충전 제품에 관한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 실제 산업계에서는 관련 제품을 출시하고 있다. 그러나, 현재의 무선 충전은 유선 충전과 비교해서 충전 효율이 낮은 문제점이 있다. 무선 충전을 위한 기술로서 RF(Radio frequency) 신호 기반과 자기장(Magnetic) 신호 기반의 무선 전력 전송에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 자기장 신호 기반 무선 전력 전송은 매우 짧은 거리에서 용이하나, 전자 기기와 충전기의 위치에 따라 충전 효율이 급격히 변하는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해 근거리 충전을 위한 RF 신호 기반의 무선 전력 전송에 대한 관심이 높아지고 있다.
하지만, RF 기반 무선 전력 전송은 거리에 따른 전파 경로 손실과 정류화 과정에서의 효율 저하로 인해 전자 기기에서 충전되는 에너지량이 작다는 한계점이 있다. 이러한 한계점을 극복하기 하여 실제 실용 가능한 네트워크 상황에서 무선 충전 기술을 활용할 수 있도록 전자 기기에서의 충전 에너지량 증가를 위한 연구가 필수적이다.
RF 기반 무선 전력 전송에서 사용자들의 충전 효율을 높이기 위해, 전력 송신기에서의 신호 처리 방법으로 송신 다중 안테나 전송 기술인 에너지 빔포밍(Energy beamforming) 기법에 관한 연구가 이루어지고 있다. 에너지 빔포밍 기법은 무선 통신 시스템에서 정보 전송의 전송률을 향상시키기 위한 빔포밍 기법과 비슷한 개념이다.
하지만, 무선 통신 시스템에서는 전송률을 향상 시키기 위해 빔포밍 기법을 활용하여 사용자들간의 간섭을 제어하는 반면, 무선 전력 통신 네트워크에서는 전송률이 아닌 에너지 충전이 설계 목표이다. 정보 전송과 달리 에너지 충전의 경우 사용자들 간의 간섭을 고려하지 않으므로, 정보 전송에 사용되었던 빔포밍 기법과는 다른 기법의 설계가 요구된다. 그리고 에너지를 충전하는 수신기의 경우, 정보를 수신하는 수신기와 비교하여, 하드웨어 민감도가 높기 때문에, 정보 전송에 활용되었던 빔포밍 기법을 직접 적용하는 데 어려움이 있다. 이러한 수신기들의 회로 특성을 고려하였을 때, 에너지를 충전하는 수신기의 경우, 하드웨어 민감도가
Figure 112018127883732-pat00001
이고, 정보를 수신하는 수신기의 경우, 하드웨어 민감도가
Figure 112018127883732-pat00002
인 것으로 알려져 있으며, 에너지를 충전하는 수신기의 경우, 정보를 수신하는 수신기와 비교하여 더 높은 수신 전력이 요구된다. 따라서, 충전하는 에너지량을 향상시킬 수 있는 정교한 에너지 빔포밍 기법이 요구된다.
다양한 실시예들에 따른 무선 전력 통신 네트워크에서 전력 송신 장치의 다중 안테나 전송 방법은, 적어도 하나의 전력 수신 장치로부터 요구되는 에너지량에 기반하여, 상기 전력 수신 장치의 충전 시간을 최소화하기 위한 공분산 행렬을 생성하는 동작, 상기 공분산 행렬을 이용하여, 빔포밍 벡터를 도출하는 동작, 및 상기 빔포밍 벡터에 기반하여, 상기 전력 수신 장치로 무선 전력을 전송하는 동작을 포함할 수 있다.
다양한 실시예들에 따른 무선 전력 통신 네트워크에서 전력 송신 장치는, 다수개의 송신 안테나들, 및 상기 송신 안테나들에 연결되고, 상기 송신 안테나들을 통하여 적어도 하나의 전력 수신 장치로 무선 전력을 전송하도록 구성되는 프로세서를 포함하고, 상기 프로세서는, 상기 전력 수신 장치로부터 요구되는 에너지량에 기반하여, 상기 전력 수신 장치의 충전 시간을 최소화하기 위한 공분산 행렬을 생성하고, 상기 공분산 행렬을 이용하여, 빔포밍 벡터를 도출하고, 상기 빔포밍 벡터에 기반하여, 상기 전력 수신 장치로 상기 무선 전력을 전송하도록 구성될 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 전력 송신 장치가 전력 수신 장치에서 요구되는 에너지량에 상응하는 무선 전력을 전송하는 데 있어서, 전력 수신 장치의 충전 시간을 최소화할 수 있다. 즉 전력 송신 장치가 전력 수신 장치에서 요구되는 에너지량에 기반하여, 전력 수신 장치의 충전 시간이 최소화되도록, 무선 전력을 전송하기 위한 에너지 빔포밍을 수행할 수 있다.
도 1은 다양한 실시예들에 따른 무선 전력 통신 시스템을 도시하는 도면이다.
도 2는 다양한 실시예들에 따른 전력 송신 장치를 도시하는 도면이다.
도 3은 다양한 실시예들에 따른 전력 송신 장치의 다중 안테나 전송 알고리즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 다양한 실시예들에 따른 전력 송신 장치의 다중 안테나 전송 방법을 도시하는 도면이다.
도 5 및 도 6은 다양한 실시예들에 따른 전력 송신 장치의 성능을 설명하기 위한 도면들이다.
이하, 본 문서의 다양한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다.
본 문서의 다양한 실시예들 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시 예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 본 문서에서, "A 또는 B", "A 및/또는 B 중 적어도 하나", "A, B 또는 C" 또는 "A, B 및/또는 C 중 적어도 하나" 등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. "제 1", "제 2", "첫째" 또는 "둘째" 등의 표현들은 해당 구성요소들을, 순서 또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 어떤(예: 제 1) 구성요소가 다른(예: 제 2) 구성요소에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성요소(예: 제 3 구성요소)를 통하여 연결될 수 있다.
본 문서에서 사용된 용어 "모듈"은 하드웨어, 소프트웨어 또는 펌웨어로 구성된 유닛을 포함하며, 예를 들면, 로직, 논리 블록, 부품, 또는 회로 등의 용어와 상호 호환적으로 사용될 수 있다. 모듈은, 일체로 구성된 부품 또는 하나 또는 그 이상의 기능을 수행하는 최소 단위 또는 그 일부가 될 수 있다. 예를 들면, 모듈은 ASIC(application-specific integrated circuit)으로 구성될 수 있다.
도 1은 다양한 실시예들에 따른 무선 전력 통신 시스템을 도시하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 다양한 실시예들에 따르면, 무선 전력 통신 시스템(100)은, 다중 안테나 방송 채널 환경에서 구현되며, 적어도 하나의 전력 송신 장치(110)와 적어도 하나, 예컨대 K 개의 전력 수신 장치(120)를 포함할 수 있다. 전력 송신 장치(110)는 다수개, 예컨대
Figure 112018127883732-pat00003
개의 송신 안테나(111)들을 포함하고, 전력 수신 장치(120)는 다수개, 예컨대
Figure 112018127883732-pat00004
개의 수신 안테나(121)들을 가질 수 있다.
전력 송신 장치(110)는 송신 안테나(111)들과 수신 안테나(121)들 사이에 형성되는 다수개의 다중 입출력(multiple input multiple output) 채널들을 통하여, 무선 전력을 송신할 수 있다. 전력 송신 장치(110)는 무선 전력을 전송 신호로 구성하여, 전력 수신 장치(120)로 전송 신호를 출력할 수 있다. 전력 송신 장치(110)는 다수개, 예컨대
Figure 112018127883732-pat00005
개의 빔포밍 벡터들을 기반으로 형성되는 에너지 빔을 통하여, 전력 수신 장치(120)로 무선 전력을 송신할 수 있다. 이 때 빔포밍 벡터들의 개수
Figure 112018127883732-pat00006
은 설계 변수일 수 있다. 전력 송신 장치(110)의 전송 신호
Figure 112018127883732-pat00007
는 하기 [수학식 1]과 같이 표현될 수 있다. 아울러, 전력 송신 장치(110)에서, 전송 공분산 행렬
Figure 112018127883732-pat00008
가 하기 [수학식 2]와 같이 표현될 수 있다. 전송 공분산 행렬
Figure 112018127883732-pat00009
는 positive semi-definite(PSD) 행렬이므로, 하기 [수학식 3]과 [수학식 4]가 만족될 수 있다.
Figure 112018127883732-pat00010
여기서,
Figure 112018127883732-pat00011
은
Figure 112018127883732-pat00012
번째 빔포밍 벡터를 나타내고(
Figure 112018127883732-pat00013
),
Figure 112018127883732-pat00014
은 전력 송신 장치(110)에서 각각의 빔포밍 벡터로 전송될 에너지로부터 변조된 신호를 나타낼 수 있다.
Figure 112018127883732-pat00015
은 정보를 포함하고 있지 않기 때문에 평균이 0, 분산이 1인 임의의 분포를 가지는 독립적인 수열로 주어질 수 있으며(
Figure 112018127883732-pat00016
),
Figure 112018127883732-pat00017
는 expectation 함수를 나타낼 수 있다.
Figure 112018127883732-pat00018
Figure 112018127883732-pat00019
Figure 112018127883732-pat00020
여기서,
Figure 112018127883732-pat00021
는 전력 송신 장치(110)에 주어진 전송 전력을 나타내고,
Figure 112018127883732-pat00022
은 trace 함수를 나타낼 수 있다.
전력 수신 장치(120)는 송신 안테나(111)들과 수신 안테나(121)들 사이에 형성되는 다수개의 다중 입출력 채널들을 통하여, 무선 전력을 수신할 수 있다. 이 때 전력 수신 장치(120)는 다수개, 예컨대
Figure 112018127883732-pat00023
개의 빔포밍 벡터를 기반으로 형성되는 에너지 빔을 통하여, 수신 신호를 수신할 수 있다. 그리고 전력 수신 장치(120)는 수신 신호에 기반하여, 무선 전력을 충전할 수 있다.
Figure 112018127883732-pat00024
(
Figure 112018127883732-pat00025
) 번째 전력 수신 장치(120)의 수신 신호
Figure 112018127883732-pat00026
는 하기 [수학식 5]와 같이 표현될 수 있다. 이 때
Figure 112018127883732-pat00027
번째 전력 수신 장치(120)는 충전 시간
Figure 112018127883732-pat00028
동안 전력 송신 장치(110)로부터 에너지 빔포밍을 통해 무선 전력을 수신할 수 있다. 여기서, 잡음으로부터 충전되는 에너지량은 수신 신호로부터 충전되는 에너지량에서 매우 작기 때문에, 무시될 수 있다. 따라서,
Figure 112018127883732-pat00029
번째 사용자가 충전할 수 있는 에너지량
Figure 112018127883732-pat00030
는 하기 [수학식 6]과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112018127883732-pat00031
여기서,
Figure 112018127883732-pat00032
는 전력 송신 장치(110)에서
Figure 112018127883732-pat00033
(
Figure 112018127883732-pat00034
) 번째 전력 수신 장치(120) 사이의 다중 입출력 채널을 나타내고(
Figure 112018127883732-pat00035
),
Figure 112018127883732-pat00036
은 추가적인 가우시안(Gaussian) 잡음이다. 전력 송신 장치(110)에서 무선 전력을 전송하는 동안에, 전력 수신 장치(120)의 다중 입출력 채널
Figure 112018127883732-pat00037
은 유지되어야 하므로, 다중 입출력 채널들이 정적(static) 채널이라고 가정하며, 전력 송신 장치(110)에서 다중 입출력 채널들을 모두 파악하고 있다고 가정할 수 있다.
Figure 112018127883732-pat00038
여기서,
Figure 112018127883732-pat00039
는 다중 입출력 채널
Figure 112018127883732-pat00040
과 관련된 변수를 나타내고, 하기 [수학식 7]과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112018127883732-pat00041
는
Figure 112018127883732-pat00042
번째 전력 수신 장치(120)의 에너지 저장 효율을 나타내며(
Figure 112018127883732-pat00043
1), 전력 수신 장치(120)의 특성에 따라 주어진 상수일 수 있으며,
Figure 112018127883732-pat00044
이라 가정할 수 있다.
Figure 112018127883732-pat00045
여기서,
Figure 112018127883732-pat00046
는 conjugate transpose를 나타낼 수 있다.
도 2는 다양한 실시예들에 따른 전력 송신 장치를 도시하는 도면이다. 도 3은 다양한 실시예들에 따른 전력 송신 장치의 다중 안테나 전송 알고리즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 다양한 실시예들에 따른 전력 송신 장치(110)는 다수개의 송신 안테나(111)들, 전력 송신 모듈(210) 및 프로세서(220)을 포함할 수 있다. 전력 송신 모듈(210)은 송신 안테나(111)들을 통하여 무선 전력을 출력할 수 있다. 전력 송신 모듈(210)은 무선 전력을 전송 신호로 구성하여, 송신 안테나(111)들을 통하여 전송 신호를 출력할 수 있다. 프로세서(220)는 전력 수신 장치(120)로부터 요구되는 에너지량
Figure 112018127883732-pat00047
에 기반하여, 전력 수신 장치(120)에서 요구되는 충전 시간
Figure 112018127883732-pat00048
을 최소화할 수 있는, 전송 공분산 행렬
Figure 112018127883732-pat00049
을 생성할 수 있다. 이를 통해, 프로세서(220)는 전송 공분산 행렬
Figure 112018127883732-pat00050
을 이용하여, 빔포밍 벡터를 도출하고, 전력 송신 모듈(210)을 통하여, 빔포밍 벡터를 기반으로 전력 수신 장치(120)에 무선 전력을 전송할 수 있다.
각각의 전력 수신 장치(120)에서 요구되는 충전 시간
Figure 112018127883732-pat00051
은 하기 [수학식 8]과 같이 표현될 수 있다. 이 때 각각의 전력 수신 장치(120)에서 요구되는 에너지량
Figure 112018127883732-pat00052
은 다르나, 전력 송신 장치(110)는 모든 전력 수신 장치(120)에서 요구되는 에너지량에 상응하도록 무선 전력을 전송해야 한다. 이를 위해, 하기 [수학식 9]와 같은 에너지 빔포밍 최적화 문제가 제시될 수 있다. 하기 [수학식 9]에 따르면, 전력 송신 장치(110)가 모든 전력 수신 장치(120)에서 요구되는 에너지량을 만족하면서, 모든 전력 수신 장치(120)의 충전 시간을 최소화할 수 있는 에너지 빔포밍 최적화 문제가 제시될 수 있다.
Figure 112018127883732-pat00053
Figure 112018127883732-pat00054
여기서, 목적 함수
Figure 112018127883732-pat00055
는 각각의 전력 수신 장치(120)에서 요구되는 충전 시간
Figure 112018127883732-pat00056
의 최대값을 나타낼 수 있다.
Figure 112018127883732-pat00057
는 전력 송신 장치(110)에 주어진 전송 전력
Figure 112018127883732-pat00058
를 만족하기 위함이며,
Figure 112018127883732-pat00059
는 전송 공분산 행렬
Figure 112018127883732-pat00060
이 positive semi-definite (PSD) 행렬이기 때문이다.
그리고 상기 [수학식 9]와 같은 에너지 빔포밍 최적화 문제의 해를 도출하기 위해, 추가적인 변수
Figure 112018127883732-pat00061
를 정의하면, 상기 [수학식 9]는 하기 [수학식 10]과 같이 동등한(equivalent) 문제로 표현될 수 있다. 이를 위해, positive semi-definite(PSD) 행렬의 하기 [수학식 11]과 같은 Schur complement 특성이 활용될 수 있다. 아울러, 하기 [수학식 10]은 하기 [수학식 12]와 같이 동등한 문제로 표현될 수 있다. 이를 위해, positive semi-definite(PSD) 행렬의 하기 [수학식 11]과 같은 Schur complement 특성이 활용될 수 있다. 이 때 하기 [수학식 12]는 semidefinite programming(SDP) 문제일 수 있다.
Figure 112018127883732-pat00062
여기서,
Figure 112018127883732-pat00063
는 전력 수신 장치(120)에서 요구되는 충전 시간
Figure 112018127883732-pat00064
와 관련된 변수를 나타내며,
Figure 112018127883732-pat00065
로 정의될 수 있다.
Figure 112018127883732-pat00066
여기서,
Figure 112018127883732-pat00067
는 동등함(equivalence)를 나타낼 수 있다.
Figure 112018127883732-pat00068
이를 통해, 상기 [수학식 12]에 기반하여, 에너지 빔포밍 최적화 문제의 최적화 해가 도출될 수 있다. 이 때 CVX와 같은 SDP solver 프로그램에 의해, 최적화 해가 수치적으로 도출할 수 있다. CVX는 볼록 최적화 문제(Convex optimization problem)와 SDP 문제의 최적화 해를 도출하는데 용이하여, 볼록 최적화 기법으로 폭넓게 사용되고 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 프로세서(220)는, 도 3에 도시된 바와 같은 알고리즘에 기반하여, 동작할 수 있다. 프로세서(220)는 전력 수신 장치(120)들의 개수 K, 각각의 전력 수신 장치(120)를 위한 다중 입출력 채널
Figure 112018127883732-pat00069
및 각각의 전력 수신 장치(120)에서 요구되는 에너지량
Figure 112018127883732-pat00070
을 결정하고, 다중 입출력 채널
Figure 112018127883732-pat00071
과 관련된 변수
Figure 112018127883732-pat00072
를 결정할 수 있다. 그리고 프로세서(220)는 다중 입출력 채널
Figure 112018127883732-pat00073
과 에너지량
Figure 112018127883732-pat00074
에 기반하여, 전송 공분산 행렬
Figure 112018127883732-pat00075
을 생성할 수 있다. 프로세서(220)는 상기 [수학식 12]와 같은 에너지 빔포밍 최적화 문제의 해로서, 전송 공분산 행렬
Figure 112018127883732-pat00076
을 도출할 수 있다. 예를 들면, 프로세서(220)는, CVX와 같은 SDP solver 프로그램에 의해, 상기 [수학식 12]와 같은 에너지 빔포밍 최적화 문제의 해를 도출할 수 있다. 이를 통해, 프로세서(220)는 전송 공분산 행렬
Figure 112018127883732-pat00077
을 이용하여, 빔포밍 벡터를 도출할 수 있다. 프로세서(220)는 전송 공분산 행렬
Figure 112018127883732-pat00078
의 고유값 분해(eigenvalue decomposition)를 통하여, 빔포밍 벡터를 도출할 수 있다. 또한 프로세서(220)는 빔포밍 벡터에 기반하여, 전력 수신 장치(120)로 무선 전력을 전송할 수 있다. 프로세서(220)는 전력 송신 모듈(210)을 통하여 전송 신호를 구성하고, 전력 수신 장치(120)로 출력할 수 있다.
도 4는 다양한 실시예들에 따른 전력 송신 장치의 다중 안테나 전송 방법을 도시하는 도면이다. 도 5 및 도 6은 다양한 실시예들에 따른 전력 송신 장치의 성능을 설명하기 위한 도면들이다.
도 4를 참조하면, 전력 송신 장치(110)는 410 동작에서 전력 수신 장치(120)들의 개수 K, 각각의 전력 수신 장치(120)를 위한 다중 입출력 채널
Figure 112018127883732-pat00079
및 각각의 전력 수신 장치(120)에서 요구되는 에너지량
Figure 112018127883732-pat00080
을 결정할 수 있다. 이 때 요구되는 에너지량
Figure 112018127883732-pat00081
은 각각의 전력 수신 장치(120)를 위한 다중 입출력 채널
Figure 112018127883732-pat00082
, 각각의 전력 수신 장치(120)에서 요구되는 충전 시간
Figure 112018127883732-pat00083
또는 각각의 전력 수신 장치(120)의 에너지 저장 효율
Figure 112018127883732-pat00084
중 적어도 어느 하나를 기반으로 결정될 수 있다. 예를 들면, 요구되는 에너지량
Figure 112018127883732-pat00085
은 하기 [수학식 13]과 같이 표현될 수 있다. 그리고 전력 송신 장치(110)는 다중 입출력 채널
Figure 112018127883732-pat00086
과 관련된 변수
Figure 112018127883732-pat00087
를 결정할 수 있다. 예를 들면, 다중 입출력 채널
Figure 112018127883732-pat00088
과 관련된 변수
Figure 112018127883732-pat00089
는 하기 [수학식 14]와 같이 정의될 수 있다.
Figure 112018127883732-pat00090
Figure 112018127883732-pat00091
전력 송신 장치(110)는 420 동작에서 전력 수신 장치(120)의 충전 시간
Figure 112018127883732-pat00092
을 최소화하기 위한 전송 공분산 행렬
Figure 112018127883732-pat00093
을 생성할 수 있다. 이 때 전력 송신 장치(110)는 각각의 전력 수신 장치(120)를 위한 다중 입출력 채널
Figure 112018127883732-pat00094
과 각각의 전력 수신 장치(120)에서 에너지량
Figure 112018127883732-pat00095
에 기반하여, 전송 공분산 행렬
Figure 112018127883732-pat00096
을 생성할 수 있다. 예를 들면, 전력 송신 장치(110)는 CVX와 같은 SDP solver 프로그램에 의해, 하기 [수학식 15]와 같은 에너지 빔포밍 최적화 문제의 해로서, 전송 공분산 행렬
Figure 112018127883732-pat00097
을 도출할 수 있다.
Figure 112018127883732-pat00098
여기서,
Figure 112018127883732-pat00099
는 전력 수신 장치(120)에서 요구되는 충전 시간
Figure 112018127883732-pat00100
와 관련된 변수를 나타내며,
Figure 112018127883732-pat00101
로 정의될 수 있다.
전력 송신 장치(110)는 430 동작에서 전송 공분산 행렬
Figure 112018127883732-pat00102
을 이용하여, 빔포밍 벡터를 도출할 수 있다. 전력 송신 장치(110)는 전송 공분산 행렬
Figure 112018127883732-pat00103
의 고유값 분해(eigenvalue decomposition)를 통하여, 빔포밍 벡터를 도출할 수 있다.
전력 송신 장치(110)는 440 동작에서 빔포밍 벡터에 기반하여, 전력 수신 장치(120)로 무선 전력을 전송할 수 있다. 전력 송신 장치(110)는 빔포밍 벡터를 기반으로, 무선 전력을 변조하여 전송 신호를 구성할 수 있다. 전력 송신 장치(110)는 하기 [수학식 16]과 같이 전송 신호를 구성할 수 있다. 그리고 전력 송신 장치(110)는 송신 안테나(111)들을 통하여, 전송 신호를 전력 수신 장치(120)로 출력할 수 있다.
Figure 112018127883732-pat00104
여기서,
Figure 112018127883732-pat00105
은 전력 송신 장치(110)에서 각각의 빔포밍 벡터로 전송될 에너지로부터 변조된 신호를 나타낼 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 전력 송신 장치(110)가 전력 수신 장치(120)에서 요구되는 에너지량에 기반하여, 전력 수신 장치(120)의 충전 시간이 최소화되도록, 무선 전력을 전송하기 위한 에너지 빔포밍을 수행할 수 있다. 전력 송신 장치(110)가 전력 수신 장치(120)에서 요구되는 에너지량에 상응하는 무선 전력을 전송하는 데 있어서, 전력 수신 장치(120)의 충전 시간을 최소화할 수 있다. 즉 다양한 실시예들에 따른 전력 송신 장치(110)에 의한 전력 수신 장치(120)의 충전 시간은, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 다양한 일반 기술들에 의한 충전 시간 보다 현저하게 짧을 수 있다. 도 5 및 도 6은, 모든 전력 수신 장치(120)에서 요구되는 에너지량을 완전히 충전하는 시간, 즉 모든 전력 수신 장치(120)의 각각의 충전 시간 중 최대값을 나타낼 수 있다.
제 1 일반 기술은 전력 수신 장치의 수신 전력들의 선형 가중 합(weighted sum)을 최대화하는 에너지 빔포밍 기법으로서, 전력 송신 장치가 각각의 전력 수신 장치를 위한 다중 입출력 채널의 크기에 기반하여 전송 공분산 행렬을 도출할 수 있습니다. 제 2 일반 기술은 수신 전력이 최소인 전력 수신 장치의 전력을 최대화하는 에너지 빔포밍 기법으로서, 전력 송신 장치가 각각의 전력 수신 장치를 위한 다중 입출력 채널에 기반하여 전송 공분산 행렬을 도출할 수 있습니다. 즉 제 1 일반 기술과 제 2 일반 기술은 전력 송신 장치가 각각의 전력 수신 장치를 위한 다중 입출력 채널을 고려하여, 전송 공분산 행렬을 도출할 뿐입니다. 이에 반해, 다양한 실시예들에 따른 전력 송신 장치(110)는 전력 수신 장치(120)에서 요구되는 에너지량을 고려하여, 전송 공분산 행렬을 도출할 수 있다.
일 예로, 전력 송신 장치가 16 개의 송신 안테나들을 갖고, 4 개의 전력 수신 장치가 각각 2 개의 수신 안테나들을 갖는 무선 전력 통신 네트워크를 가정할 수 있다. 이 때 전력 송신 장치와 전력 수신 장치 사이의 Rayleigh 채널이 고려되고, 10000 회의 iteration을 기반으로 하는 충전 시간의 평균값이 도 5에 도시된 바와 같이 표현될 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 각각의 전력 수신 장치에서 요구되는 에너지량은, 하기 [수학식 17]과 같이 각각의 iteration에서 랜덤하게 변화하도록 설정될 수 있다. 이러한 무선 전력 통신 네트워크에서, 다양한 실시예들에 따른 전력 송신 장치(110)에 의한 전력 수신 장치(120)의 충전 시간은 대략 188 초로서, 제 1 일반 기술에 의한 충전 시간인 470 초 및 제 2 일반 기술에 의한 충전 시간인 255 초 보다 현저하게 짧을 수 있다.
Figure 112018127883732-pat00106
여기서,
Figure 112018127883732-pat00107
이 각각의 iteration에서, 0과 1 사이에의 값으로 균일 확률에 따라 랜덤하게 설정될 수 있다.
다른 예로, 전력 송신 장치가 16 개의 송신 안테나들을 갖고, 8 개의 전력 수신 장치가 각각 2 개의 수신 안테나들을 갖는 무선 전력 통신 네트워크를 가정할 수 있다. 이 때 전력 송신 장치와 전력 수신 장치 사이의 Rayleigh 채널이 고려되고, 10000 회의 iteration을 기반으로 하는 충전 시간의 평균값이 도 6에 도시된 바와 같이 표현될 수 있다. 각각의 전력 수신 장치(120)에서 요구되는 에너지량은, 상기 [수학식 17]과 같이 각각의 iteration에서 랜덤하게 변화하도록 설정될 수 있다. 이러한 무선 전력 통신 네트워크에서, 다양한 실시예들에 따른 전력 송신 장치(110)에 의한 전력 수신 장치(120)의 충전 시간은 대략 277 초로서, 제 1 일반 기술에 의한 충전 시간인 1209 초 및 제 2 일반 기술에 의한 충전 시간인 401 초 보다 현저하게 짧을 수 있다.
본 문서의 다양한 실시예들에 관해 설명되었으나, 본 문서의 다양한 실시예들의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능하다. 그러므로, 본 문서의 다양한 실시예들의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 특허청구의 범위 뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (15)

  1. 무선 전력 통신 네트워크에서 전력 송신 장치의 다중 안테나 전송 방법에 있어서,
    적어도 하나의 전력 수신 장치로부터 요구되는 에너지량에 기반하여, 상기 전력 수신 장치의 충전 시간을 최소화하기 위한 공분산 행렬을 생성하는 동작;
    상기 공분산 행렬을 이용하여, 빔포밍 벡터를 도출하는 동작; 및
    상기 빔포밍 벡터에 기반하여, 상기 전력 수신 장치로 무선 전력을 전송하는 동작을 포함하고,
    상기 공분산 행렬 생성 동작은,
    상기 전력 송신 장치와 전력 수신 장치 사이에 형성되는 적어도 하나의 채널과 상기 요구되는 에너지량을 결정하는 동작; 및
    상기 채널과 상기 요구되는 에너지량에 기반하여, 상기 공분산 행렬을 생성하는 동작을 포함하고,
    상기 요구되는 에너지량은,
    상기 전력 수신 장치에서 요구되는 충전 시간, 상기 전력 수신 장치의 에너지 저장 효율 및 상기 채널과 관련된 변수를 기반으로 결정되고,
    상기 요구되는 에너지량과 상기 공분산 행렬은 하기 수학식과 같이 관련되는 방법.
    Figure 112020042822419-pat00134

    여기서, 상기
    Figure 112020042822419-pat00135
    는 상기 요구되는 에너지량을 나타내고, 상기
    Figure 112020042822419-pat00136
    는 상기 공분산 행렬을 나타내고, 상기
    Figure 112020042822419-pat00137
    는 상기 에너지 저장 효율을 나타내고, 상기
    Figure 112020042822419-pat00138
    는 상기 요구되는 충전 시간을 나타내고, 상기
    Figure 112020042822419-pat00139
    는 상기 채널과 관련된 변수를 나타내고, 상기
    Figure 112020042822419-pat00140
    은 trace 함수를 나타냄.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 빔포밍 벡터 도출 동작은,
    상기 공분산 행렬의 고유값 분해를 통하여, 상기 빔포밍 벡터를 도출하는 동작을 포함하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 무선 전력 전송 동작은,
    상기 빔포밍 벡터를 기반으로 상기 무선 전력을 변조하여 전송 신호를 구성하는 동작; 및
    상기 전력 수신 장치로 상기 전송 신호를 출력하는 동작을 포함하는 방법.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 공분산 행렬 생성 동작은,
    하기 수학식으로부터 상기 공분산 행렬을 도출하는 동작을 포함하는 방법.
    Figure 112020042822419-pat00108

    여기서, 상기
    Figure 112020042822419-pat00110
    는 상기 요구되는 충전 시간과 관련된 변수를 나타내고, 상기 N은 상기 전력 송신 장치에서 송신 안테나의 개수를 나타내고, 상기
    Figure 112020042822419-pat00113
    는 상기 전력 송신 장치에 주어진 전송 전력을 나타냄.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 요구되는 충전 시간과 관련된 변수는,
    하기 수학식과 같이, 상기 요구되는 충전 시간으로부터 정의되는 방법.
    Figure 112020042822419-pat00114

  8. 제 1 항에 있어서, 상기 채널과 관련된 변수는,
    하기 수학식과 같이, 상기 채널로부터 정의되는 방법.
    Figure 112020042822419-pat00116

    여기서, 상기
    Figure 112020042822419-pat00117
    는 상기 채널을 나타냄.
  9. 무선 전력 통신 네트워크에서 전력 송신 장치에 있어서,
    다수개의 송신 안테나들; 및
    상기 송신 안테나들에 연결되고, 상기 송신 안테나들을 통하여 적어도 하나의 전력 수신 장치로 무선 전력을 전송하도록 구성되는 프로세서를 포함하고,
    상기 프로세서는,
    상기 전력 수신 장치로부터 요구되는 에너지량에 기반하여, 상기 전력 수신 장치의 충전 시간을 최소화하기 위한 공분산 행렬을 생성하고,
    상기 공분산 행렬을 이용하여, 빔포밍 벡터를 도출하고,
    상기 빔포밍 벡터에 기반하여, 상기 전력 수신 장치로 상기 무선 전력을 전송하도록 구성되고,
    상기 프로세서는,
    상기 전력 송신 장치와 전력 수신 장치 사이에 형성되는 적어도 하나의 채널과 상기 요구되는 에너지량을 결정하고,
    상기 채널과 상기 요구되는 에너지량에 기반하여, 상기 공분산 행렬을 생성하도록 구성되고,
    상기 요구되는 에너지량은,
    상기 전력 수신 장치에서 요구되는 충전 시간, 상기 전력 수신 장치의 에너지 저장 효율 및 상기 채널과 관련된 변수를 기반으로 결정되고,
    상기 요구되는 에너지량과 상기 공분산 행렬은 하기 수학식과 같이 관련되는 전력 송신 장치.
    Figure 112020042822419-pat00141

    여기서, 상기
    Figure 112020042822419-pat00142
    는 상기 요구되는 에너지량을 나타내고, 상기
    Figure 112020042822419-pat00143
    는 상기 공분산 행렬을 나타내고, 상기
    Figure 112020042822419-pat00144
    는 상기 에너지 저장 효율을 나타내고, 상기
    Figure 112020042822419-pat00145
    는 상기 요구되는 충전 시간을 나타내고, 상기
    Figure 112020042822419-pat00146
    는 상기 채널과 관련된 변수를 나타내고, 상기
    Figure 112020042822419-pat00147
    은 trace 함수를 나타냄.
  10. 삭제
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 프로세서는,
    상기 공분산 행렬의 고유값 분해를 통하여, 상기 빔포밍 벡터를 도출하도록 구성되는 전력 송신 장치.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 프로세서는,
    상기 빔포밍 벡터를 기반으로 상기 무선 전력을 변조하여 전송 신호를 구성하고,
    상기 송신 안테나들을 통하여, 상기 전송 신호를 출력하도록 구성되는 전력 송신 장치.
  13. 삭제
  14. 제 9 항에 있어서, 상기 프로세서는,
    하기 수학식으로부터 상기 공분산 행렬을 도출하도록 구성되는 전력 송신 장치.
    Figure 112020042822419-pat00118

    여기서, 상기
    Figure 112020042822419-pat00120
    는 상기 요구되는 충전 시간과 관련된 변수를 나타내고, 상기 N은 상기 전력 송신 장치에서 송신 안테나의 개수를 나타내고, 상기
    Figure 112020042822419-pat00123
    는 상기 전력 송신 장치에 주어진 전송 전력을 나타냄.
  15. 제 9 항에 있어서, 상기 채널과 관련된 변수는,
    하기 수학식과 같이, 상기 채널로부터 정의되는 전력 송신 장치.
    Figure 112020042822419-pat00125

    여기서, 상기
    Figure 112020042822419-pat00127
    는 상기 채널을 나타냄.
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