KR102404183B1

KR102404183B1 - 적응적 무선전력전송 장치, 시스템 및 그 방법

Info

Publication number: KR102404183B1
Application number: KR1020200090433A
Authority: KR
Inventors: 홍순기; 박홍수
Original assignee: 숭실대학교산학협력단
Priority date: 2020-07-21
Filing date: 2020-07-21
Publication date: 2022-05-31
Also published as: KR20220011471A; WO2022019440A1

Abstract

본 발명의 일 실시예는 적응적 무선전력전송장치는 복수의 안테나가 구비되어 펄스신호를 수신하는 안테나 어레이부; 빔포밍 모드에서 설정된 타겟 위치로 전력신호를 지향하여 출력하게 하는 빔포밍 출력부; 시간역전 모드에서 설정된 타겟 위치로 전력신호를 시간역전하여 출력하게 하는 시간역전 출력부; 상기 펄스신호에 기초하여 상기 빔포밍 모드 및 시간역전 모드 중 어느 하나의 모드를 결정하는 모드 결정부; 및 상기 빔포밍 출력부, 시간역전 출력부 및 안테나 어레이부를 제어하여 상기 모드 결정부의 모드 결정에 따라 전력신호를 출력하도록 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

적응적 무선전력전송 장치, 시스템 및 그 방법{Adaptive Wireless Power Transmission Apparatus, System and Method Thereof}

본 발명은 적응적 무선전력 전송장치 및 그 방법에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 복잡한 무선환경에서 동일한 배열안테나를 사용하여 빔포밍 모드와 시간역전 모드 중 최적의 무선전력전송 모드를 결정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

최근 들어 모바일 기기, 사물인터넷(IoT), 센서, 생체 이식 장치 등의 분야에서 소전력 및 초소형 무선 디바이스의 활용이 증대되면서 원거리 무선전력전송 및 충전의 수요가 증가하고 있다. 하지만 기존의 무선전력전송 기술은 크게 자기장을 이용한 근거리 방식과 전파를 이용한 원거리 방식으로 구분되며, 근거리 무선전력전송은 코일을 이용하는 자기유도방식과 공명회로를 이용하는 자기공명 방식을 통해 전력을 전송하므로 거리가 멀수록 효율이 급격히 떨어진다. 이에 반해 원거리 무선전력전송은 안테나를 통한 전자기파를 방사하여 중·장거리 전력전송이 가능하며 주로 전력을 원하는 지점에 집속시키기 위해 고이득 안테나 및 배열 안테나 기반 빔포밍(beamforming)이 사용되고 있다.

특히, 역지향성(retrodirective) 빔포밍은 가장 널리 알려진 WPT 빔포밍 기술로, 수신 위치로부터 받은 비콘 신호의 위상을 역전(phase conjugation)하여 배열안테나를 급전, 생성된 빔이 수신 위치로 향해 전파가 전달될 수 있게 한다. 하지만 실내 환경과 같이 수많은 산란 및 반사체가 존재하는 복잡한 전파환경에서는, 다중경로에 의해 배열안테나로부터 생성된 빔이 망가지게 되어 빔포밍을 통해 원하는 위치에 에너지를 집속하는 것이 어렵다는 단점을 갖는다. 따라서 이러한 복잡한 전파환경에서 빔포밍의 한계를 극복하기 위한 대안으로, 최근 시간역전(time-reversal) 기반의 원거리 무선전력전송이 제안되었다. 시간역전 기반의 원거리 무선전력전송은 다중경로에 의해 발생한 시간 지연을 무효화함으로써, 적게는 단일 안테나로도 원하는 수신위치에 선택적인 전파의 시공간 집속을 가능하게 한다. 따라서 시간역전 기반의 무선전력전송은 다중경로를 활용하는 기술이므로, 빔포밍에 비해 복잡한 전파환경에서 원하는 수신 위치에 높은 피크 전력(peak power)을 전달할 수 있으며 전파환경이 복잡해질수록 시간역전의 효과는 증가하게 된다.

하지만, 시간역전 방식의 무선전력전송이 언제나 유리한 것은 아니며, 무선전력전송이 이루어지는 전파환경의 복잡도 (complexity)에 따라 빔포밍과 시간역전 방식의 상대적 성능이 달라질 수 있다.

따라서, 다양한 전파환경의 복잡도에 따라 적합한 무선전력전송 방법을 결정하기 위한 기술이 필요하다. 즉, 실제 무선전력 전파환경에서 각각의 무선전력전송 방식에 따른 성능을 예측하여 최적의 무선전력전송 방식을 결정하기 위한 방법이 요구된다.

한국등록특허 제10-1641437호(2016.07.20.), 발명의 명칭: 시역전-기반 전송 방법, 및 이를 수행하는 장치

따라서 본 발명은 동일한 배열안테나 사용을 가정, 빔포밍과 시간역전 무선전력전송의 전력전송 성능을 예측하여 주어진 전파환경의 복잡도에 따라 더욱 적합한 무선전력전송 방법을 선택하기 위하여 동일한 조건에서 각각의 무선전력전송 성능을 예측하여 최적의 방식을 결정할 수 있는 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시 예에 따른 적응적 무선전력전송장치 복수의 안테나가 구비되어 펄스신호를 수신하는 안테나 어레이부; 빔포밍 모드에서 설정된 타겟 위치로 전력신호를 지향하여 출력하게 하는 빔포밍 출력부; 시간역전 모드에서 설정된 타겟 위치로 전력신호를 시간역전하여 출력하게 하는 시간역전 출력부; 상기 펄스신호에 기초하여 상기 빔포밍 모드 및 시간역전 모드 중 어느 하나의 모드를 결정하는 모드 결정부; 및 상기 빔포밍 출력부, 시간역전 출력부 및 안테나 어레이부를 제어하여 상기 모드 결정부의 모드 결정에 따라 전력신호를 출력하도록 제어하는 제어부를 포함한다.

일 실시예에서, 다중 안테나 시스템에서 무선전파환경에 대한 전송 모드를 결정하기 위한 모드결정부는, 상기 무선전파환경에서 수신되는 임펄스 응답에 기초하여 빔포밍 피크 전력 및 시간역전(time-reversal) 피크 전력을 검출하는 피크전력 검출모듈; 상기 빔포밍 피크 전력 및 시간역전 피크 전력의 비를 연산하는 피크전력 비 연산모듈; 및 연산된 피크전력 비에 기초하여 상기 빔포밍 모드 및 시간역전 모드 중 어느 하나의 모드를 결정하는 모드 결정모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 모드 결정모듈은 연산된 피크전력 비를 미리 설정된 기준값과 비교하여 연산된 피크전력의 비가 기준값보다 큰 경우 시간역전 모드를 선택하고, 연산된 피크전력의 비가 기준값보다 작은 경우 빔포밍 모드를 선택하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 피크전력 검출부는 송신 배열안테나와 수신안테나의 위치의 각도, 송신 안테나 간의 간격, 파동상수, 총 배열소자의 수에 의해 입력 신호를 산출하고, 산출된 입력 신호와 임펄스 응답에 기초하여 빔포밍 피크전력을 검출하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 피크전력 검출부는 수신되는 각각의 임펄스 응답을 시간역전하여 입력신호로 사용하며, 상기 입력 신호와 임펄스 응답에 기초하여 시간역전 피크전력을 검출하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 적응적 무선전력전송 시스템은, 비콘 신호를 브로드케스팅하는 무선전력수신장치; 복수의 안테나를 포함하고, 상기 비콘 신호에 대한 무선전파환경의 임펄스 응답을 수신하고, 상기 임펄스 응답에 기초하여 시간역전 모드 또는 빔포밍 모드 중 어느 하나의 모드를 결정하고, 결정된 무선전력전송 모드로 무선전력을 상기 무선전력수신장치에 전송하는 무선전력전송장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 무선전력전송장치는 상기 무선전파환경에서 수신되는 임펄스 응답에 기초하여 빔포밍 피크 전력 및 시간역전 피크 전력을 검출하여, 상기 빔포밍 피크 전력 및 시간역전 피크 전력의 비를 연산하고, 연산된 피크 전력의 비에 기초하여 상기 빔포밍 모드 및 시간역전 모드 중 어느 하나의 모드를 결정하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 무선전력전송장치는 연산된 피크전력 비를 미리 설정된 기준값과 비교하여 연산된 피크전력의 비가 기준값보다 큰 경우 무선전파환경이 복잡하다고 판단하여 시간역전 모드를 선택하고, 연산된 피크전력의 비가 기준값보다 작은 경우 무선전파환경이 비교적 한산하다고 판단하여 빔포밍 모드를 선택하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 다중 안테나 시스템에서 무선전력전송장치의 무선전파환경에 대한 적응적 전송 모드 결정 방법에 있어서, 상기 무선전파환경에서수신되는 임펄스 응답에 기초하여 빔포밍 피크 전력 및시간역전 피크 전력을 검출하는 단계; 상기 빔포밍 피크 전력 및 시간역전 피크 전력의 비를 연산하는 단계; 및 연산된 피크전력 비에 기초하여 상기 빔포밍 모드 및 시간역전 모드 중 어느 하나의 모드를 결정하는 단계를 포함한다.

일 실시예에서, 상기 빔포밍 모드 및 시간역전 모드 중 어느 하나의 모드를 결정하는 단계는, 연산된 피크전력 비를 미리 설정된 기준값과 비교하여 연산된 피크전력의 비가 기준값보다 큰 경우 시간역전 모드를 선택하고, 연산된 피크전력의 비가 기준값보다 작은 경우 빔포밍 모드를 선택하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 적응적 전송 모드 결정 방법은 결정된 무선전력전송 모드로 전력신호를 무선수신장치에 송신하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다양한 실시예에 따르면 무선전력전송을 하고자 하는 전파환경에서의 임펄스 응답을 측정하는 간단한 방법으로 빔포밍과 시간역전 기반 무선전력전송 효과를 예측할 수 있다.

또한, 복잡한 전송환경에서 간단한 방법으로 빔포밍과 시간역전 기반 무선전력전송 효과의 예측에 따라 동일한 조건에서 최대의 효율로 원하는 수신 위치에 전력을 전달할 수 있게 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 지능적 원거리 무선전력전송 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 지능적 원거리 무선전력전송 시스템의 무선전력전송장치를 설명하는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 지능적 원거리 무선전력전송 시스템의 모드결정부의 구성을 설명하는 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔포밍 모드를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔포밍 모드 구성을 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 시간역전(time-reversal) 모드에 따른 무선전력전송 구성을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 지능적 원거리 무선전력전송 모드 결정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 지능적 원거리 무선전력전송 모드 결정 방법에 따라 서로 다른 복잡도를 갖는 전파환경에 대한 시뮬레이션 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전파환경 복잡도에 따른 최적의 무선전력 모드를 설명하기 위한 도면이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 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 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급될 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, 복수의 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 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다고 할때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 지능적 원거리 무선전력전송 시스템을 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 지능적 원거리 무선전력전송 시스템은 무선으로 전력을 송신하는 무선전력전송장치(100) 및 무선전력전송장치(100)로부터 전력을 제공받는 무선전력수신장치(200)를 포함한다.

무선전력전송장치(100)는 복수의 안테나가 구비되며, 무선전력전송장치(100)는 그 복수의 안테나를 통해 비콘신호 (임펄스 응답)를 수신하며, 상기 복수의 안테나를 통해 전력신호를 송신한다.

무선전력전송장치(100)는 복잡한 무선환경에 대한 최적의 성능을 갖도록, 빔포밍 출력모드와 시간역전 출력모드 중 어느 하나를 선택하여 선택된 모드로 무선전력을 출력한다.

무선전력전송장치(100)는 빔포밍 모드와 시간역전 모드는 모두 원하는 수신기가 최대 전력을 수신받도록 한다는 공통적인 목적이 있으나, 빔포밍 모드는 수신기의 방향으로 빔을 형성하기 위해 어레이 소자의 위상을 조정함으로써 전자기파를 전송하는 반면, 시간역전 모드는 다중 경로를 이용하여 전력을 전송할 수 있도록 한다는 차이점이 있다.

무선전력수신장치(200)는 비콘 신호를 방송하는 별도의 송신기를 포함하고, 상기 무선전력전송장치(100)로부터 RF의 전력신호를 수신하여 DC 전력으로 변환한다.

무선전력수신장치(200)는 무선 전원이 필요한 경우에만 비콘 신호를 브로드케스트한다. 비콘 신호는 전파 환경에 관한 정보를 업데이트하기 위해 주기적으로 방송될 수 있다. 업데이트 간격은 환경의 이동성과 변동성 수준에 따라 조정된다. 예컨대 환경의 이동성과 변동성이 큰 경우, 업데이트 간격을 좁게 조정하고, 환경의 이동성과 변동성이 작은 경우, 업데이트 간격을 넓게 조정할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 지능적 원거리 무선전력전송 시스템의 무선전력전송장치를 설명하는 개념도이다.

무선전력전송장치(100)는 안테나 어레이부(110), 송수신 스위치부(120), 모드 결정부(130), 빔포밍 출력부(140), 시간역전 출력부(150), RF 결합부(160), 시스템 제어부(170)를 포함할 수 있다.

안테나 어레이부(110)는 복수의 안테나를 포함할 수 있으며, 무선전력수신장치(200)로부터 펄스신호를 수신하고, RF 결합부(160)에서 출력되는 전력신호를 무선전력수신장치(200)로 송신한다. 여기서, 안테나부(110)는 여러개의 안테나를 적당한 위치에 배열하여, 특정 방향으로 방사되는 에너지가 커지도록 하여 고이득을 취하는 형태의 안테나로, 예컨대, 배열·분산 안테나일 수 있다.

송수신 스위치부(120)는 후술되는 제어부(170)에 기초하여 상기 복수의 안테나의 모드를 송신 모드 또는 수신 모드 중 어느 하나로 선택한다.

송수신 스위치부(120)에 의해 수신 모드가 선택되는 경우, 안테나 어레이부(110)는 무선전력수신장치(200)에 의해 송신되는 펄스신호를 수신하여 모드 결정부(130)에 전달한다. 송수신 스위치부(120)에 의해 송신 모드가 선택되는 경우, 안테나 어레이부(110)는 RF 결합부(160)에서 출력되는 전력신호를 무선전력수신장치(200)로 송신한다.

모드 선택부(130)는 안테나 어레이부(110)를 통해 수신되는 펄스 신호의 임펄스 응답에 기초하여 복잡한 무선환경에 대한 최적의 성능을 갖도록 빔포밍 출력 모드와 시간역전 출력부 중 어느 하나의 모드를 선택한다. 후술되는 도 7을 참조하면 알 수 있는 바와 같이, 임펄스 응답이 길고 전달함수에서 높은 피크(peak)를 갖는 복잡한 무선환경에서는 시간 역전 모드를 선택하고, 임펄스 응답이 짧고 전달함수의 피크가 낮은 상대적으로 복잡하지 않은 전파환경에서는 빔포밍 모드를 선택한다.

모드 선택부(130)가 무선환경의 복잡도를 판단하여 전력신호를 출력하기 위한 모드를 선택하는 구성은 도 3을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

빔포밍 출력부(140)는 안테나 어레이부(110)와 연계하여 신호발생부(미도시)로부터 발생된 전력신호를 빔포밍 모드로 출력한다. 빔포밍 모드는 상기 안테나 어레이부(110)에 의해 수신된 비콘 신호에 기초하여 어레이 요소들 간의 상대적인 위상차로부터 수신기 위치에 관한 정보를 추출하고 추출된 위치로 각 안테나 어레이의 위상 및 진폭이 원하는 방향으로 송신 신호를 지향시키는 무선전력송신 모드이다. 빔포밍 출력부(140)는 신호발생부(미도시)로부터 발생된 전력신호를 각각의 안테나 어레이에 분배하는 전력 분배기를 더 포함할 수 있다. 빔포밍 모드 방식에 관련하여는 도 5를 참조하여 상세히 후술한다.

신호발생부는 전력신호를 발생시키며 변조부 및 증폭기를 포함할 수 있다. 전력신호는 다양한 주파수 범위의 전자기파를 전송할 수 있다. 예를 들어, 전력신호는 라디오주파수(Radio Frequency)나 단파장주파수(MicrowaveFrequency) 범위를 포함하는 전자기파일 수 있다. 라디오주파수나 단파장주파수는 다른 통신 기기에 주는 간섭을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, ISM(Industrial Scientific Medical) 밴드 영역의 주파수를 사용할 수 있다.

시간역전 출력부(150)는 안테나 어레이부(110)와 연계하여 신호발생부(미도시)로부터 발생된 전력신호를 시간역전 모드로 출력한다. 시간역전 모드는 다중 경로 환경을 이용하여 원하는 위치에서 선택적으로 파동의 집속을 위해 전력신호를 시간역전시켜 송신하는 무선전력송신 모드이다. 시간역전 출력부(150)는 신호발생부로부터 전달받은 전력신호를 시역전 위상을 가지도록 변조할 수 있다. 예를 들어, 시역전위상은 파동을 복소켤레화(complex conjugate) 또는 수신된 임펄스응답의 디지털 프로세싱을 통해 신호자체를 (샘플된 복조된 신호 또는 RF 전파 신호) 역전시켜 얻을 수 있다. 예를 들어, 시역전 위상은 파동의 위상을 ð/2 만큼 반전시켜 얻거나. 디지털 프로세싱을 통해 샘플된 신호의 순서를 역전시켜 얻을 수 있다. 또한, 시간역전 출력부(150)는 제어부(120)의 제어에 따라 전력신호의 진폭을 증폭할 수 있다. 시역전 위상을 가지는 변조된 전력신호의 송신의 경우 고조파의 진폭의 크기는 전력 전송의 효율과 연관된다. 무선전력전송장치(100)의 전송가능한 전력의 양이 한정되어 있으므로, 효율적인 전력 전송을 위한 위상 진폭 제어 알고리즘이 요구될 수 있다. 예를 들어, 위상 진폭 제어 알고리즘은 비콘신호의 진폭의 크기를 참조하여 전력신호의 진폭 증폭율을 제어할 수 있다. 예를 들어, 위상 진폭 제어 알고리즘은 비콘신호의 진폭이 큰 경우에 더 큰 진폭의 전력신호를 송신하도록 제어부에서 연산된 가중치 값을 부여할 수 있다. 시간역전 출력부(150)는 제어부(170)로부터 이러한 위상 진폭 제어 알고리즘을 전달 받아 전력신호를 변조한다. 시간역전 모드 방식에 관련하여는 도 6을 참조하여 상세히 후술한다.

RF 결합부(160)는 빔포밍 출력부(140) 및 시간역전 출력부(150)와 안테나 어레이부(110) 사이에 배치되어, 제어부(170)의 지시에 따라 빔포밍 출력부(140) 또는 시간역전 출력부(150)로부터 출력되는 전력신호를 상기 안테나 어레이부(110)를 통해 송신한다.

제어부(170)는 무선전력전송장치(100)의 각 구성부의 전체적인 동작을 제어한다. 제어부(170)는 송수신 스위치부(120)를 제어하여 안테나 어레이부(110)의 송수신 모드를 변경하고, 모드 선택부(130)에 의해 선택된 모드에 따라 빔포밍 출력부(140) 또는 시간역전 출력부(150) 중 어느 하나의 출력부를 구동시킨다.

제어부(170)는 마이크로 프로세서(microprocessor) 또는 다양한 아날로그-디지털 로직의 구성으로 이루어질 수 있다.

상술한 바와 같이 구성된 무선전력전송장치는 안테나 어레이부(110)를 통해 수신한 비콘신호에 기초하여 모드 결정부(130)가 복잡한 무선환경에 대한 최적의 성능을 갖도록 모드를 결정하고, 결정된 모드에 따라 빔포밍 출력부(140) 또는 시간역전 출력부(150)가 전력신호를 송신한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 지능적 원거리 무선전력전송 시스템의 모드결정부의 구성을 설명하는 블럭도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔포밍 모드를 나타내는 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔포밍 모드 구성을 설명하는 도면이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 시간역전(time-reversal) 모드에 따른 무선전력전송 구성을 나타낸 도면이다.

도 3을 참조하면, 모드결정부(130)는 피크전력 검출모듈(131), PRPR 연산모듈(132) 및 모드 결정모듈(133)을 포함한다.

피크전력 검출모듈(131)은 상기 무선전파환경에서 수신되는 임펄스 응답에 기초하여 빔포밍 피크 전력 및 시간역전 피크 전력을 검출한다. 예를 들어, 피크전력 검출모듈(131)은 송신 배열안테나와 수신안테나의 위치의 각도, 송신 안테나 간의 간격, 파동상수, 총 배열소자의 수에 의해 입력 신호를 산출하고, 산출된 입력 신호와 임펄스 응답에 기초하여 빔포밍 피크전력을 검출한다. 또한, 피크전력 검출모듈(131)은 수신되는 각각의 임펄스 응답을 시간역전하여 입력신호로 사용하며, 상기 입력 신호와 임펄스 응답에 기초하여 시간역전 피크전력을 검출한다. 빔포밍 모드의 피크전력 검출에 대하여는 도 4 및 도 5를 참조하여 상세히 설명한다. 시간역전모드의 피크전력 검출에 대하여는 도 6을 참조하여 상세히 설명한다.

도 4의 (a)는 수신안테나와 전송 안테나의 상대적인 위치를 설명하기 위한 도면이고, 도 4의 (b)는 수신안테나와 각각의 전송 안테나의 상대적인 위상을 설명하기 위한 도면이다.

빔포밍 모드에서 무선전력전송장치는 각 안테나 어레이의 위상 및 진폭이 원하는 방향으로 메인 빔을 생성하도록 조정한다. 무선전력송신 환경에서 빔포밍 모드는 소급적 방식으로 수행된다. 소급적 방식이란, 송신 안테나 어레이는 원하는 수신기로부터 전송된 비콘 신호를 수신하고, 어레이 요소들 간의 상대적인 위상차로부터 수신기 위치에 관한 정보를 추출하고, 그 이후, 그 위치 정보에 기초하여 송신기는 송신 신호를 수신기로 지향시키는 방식이다.

수신기가 송신 배열안테나로부터

의 각도에 위치해 있을 때, 각 어레이 요소의 상대적인 위상(phasing)은 다음과 같다.

, n=1,...,N

여기서, d 는 송신 배열 소자간 간격,

는 파동 상수, 그리고 N 은 총 배열소자 수를 나타낸다. 따라서, 수신 위치를 향하는 빔을 생성하기 위해 각 배열 소자 안테나는

의 입력 신호를 사용하게 되며, 입력 신호

는 다음과 같이 표현될 수 있다.

여기서 A 는 입력 전력에 따른 신호의 증폭을 나타내는 상수이다. 그 결과, 빔포밍을 통해 수신기에 도달하여 수신되는 신호

는 임펄스 응답

와 컨볼루션 (*)을 사용하여 다음과 같이 표현될 수 있다.

따라서, 빔포밍에 의해 수신되는 피크 전력

은 주파수 영역 표현을 통해 다음과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, 임펄스 응답

의 푸리에 변환인 전달 함수

은 크기

와 위상

으로 표현될 수 있다.

이하, 도 6을 참조하여 시간역전(time-reversal) 모드의 피크 전력을 검출하는 방법을 설명한다. 복잡한 전파 환경에서 짧은 펄스는 산란되고 반사되어 여러 개의 다중 경로로 수신기에 도달한다. 따라서, 시간역전 모드는 다중 경로 환경을 이용하여 원하는 위치에서 선택적으로 파동의 집속을 가능하게 할 수 있다.

시간역전 모드는 빔포밍 모드에서와 동일한 안테나 어레이를 채택한다. 다만, 시간역전 모드에서는 스위칭 방식으로 작동하여 빔포밍 모드와 달리 한번에 하나의 안테나만 신호를 전송한다. 모든 어레이 요소가 시간역전을 위해 동시에 전송하는 것이 가능하다. 그러나 시간역전신호를 생성하려면 각 어레이 요소에 자체 소스가 있어야 한다. 따라서, 빔포밍 모드에서와 동일한 안테나 어레이 및 소스를 통해 시간역전을 위한 신호를 전송하기 위하여 수신 안테나로부터 짧은 비콘 펄스

가 전송될 때 각 배열 소자에서 수신되는 신호는 T 의 길이를 갖는 임펄스 응답

가 된다. 각 임펄스 응답을 시간역전 하여 전력전송을 위한 배열안테나의 입력신호로 사용하게 된다. 각 배열 소자 안테나의 급전 입력신호

는 다음과 같이 표현할 수 있다.

이 때, B 는 입력 전력에 따른 신호의 증폭을 나타내는 상수이다. 그 결과, 시간역전에 의해 수신되는 신호

는 다음과 같다.

따라서, 시간역전 기반 무선전력전송에 의해 수신되는 피크 전력

은 주파수 영역 표현을 통해 다음과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, 시간역전은 빔포밍과 다르게 모든 송신 배열 안테나 소자들이 동시에 송신하는 것이 아닌, 각 배열 소자가 서로 다른 주기에서 송신하므로, 빔포밍과 동일한 입력 전력에서의 비교를 위해 n=1로 가정하였다.

여기서 빔포밍 모드와 시간역전 모드의 전력전송 성능 비교를 위해서 동일한 시평균 입력전력

이 사용된 것을 가정한다. 따라서, 빔포밍과 시간역전 각 입력 신호의 증폭을 나타내는 상수 A와 B는 다음과 같이 표현된다.

여기서

은 각 배열 소자 안테나의 입력 임피던스 이다.

다시 도 3으로 되돌아와서, PRPR 연산모듈(132)은 피크 전력 검출모듈(131)에서 검출한 빔포밍 모드 피크 전력 P_{peak, BF}에 대한 시간역전 모드의 피크 전력 P_{peak, TR}의 비를 연산하여 PRPR(peak received power ratio)을 다음과 같이 구한다.

PRPR 은 결과적으로 임펄스 응답의 함수가 되며, 이를 통해 무선전력전송이 이루어지는 전파 환경에서의 임펄스 응답을 통해 빔포밍 모드와 시간역전 모드의 효과를 예측 가능함을 알 수 있다.

모드 결정모듈(133)은 상기 PRPR에 기초하여 빔포밍 모드와 시간역전 모드 중 최적의 모드를 결정한다. 모드 결정모듈(133)은 상기 PRPR을 미리 설정된 기준값(α)과 비교하여 최적의 모드를 결정한다. 예를들어, 모드 결정모듈(133)은 임펄스 응답을 통해 계산된 PRPR이 미리 설정된 기준값(α) 보다 큰 경우, 시간역전 모드의 전송 효율이 빔포밍 모드의 전송효율보다 보다 더 높다고 판단하여, 현 무선환경에서 무선전력 모드를 시간역전 모드로 결정한다. 반면, 모드 결정모듈(133)은 임펄스 응답을 통해 계산된 PRPR이 미리 설정된 기준값(α) 보다 작은 경우, 빔포밍 모드의 전송 효율이 시간역전 모드의 전송효율보다 보다 더 높다고 판단하여, 현 무선환경에서 무선전력 모드를 빔포밍 모드로 결정한다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 지능적 원거리 무선전력전송 모드 결정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

먼저, 단계 S110에서 모드결정부는 상기 무선전파환경에서 수신되는 임펄스 응답에 기초하여 빔포밍 피크 전력 P_{peak, BF}을 검출한다.

단계 S120에서 모드결정부는 상기 무선전파환경에서 수신되는 임펄스 응답에 기초하여 시간역전 피크 전력 P_{peak, TR}을 검출한다.

단계 S130에서 모드결정부는 빔포밍 모드의 피크 전력 P_{peak, BF} 에 대한 시간역전 모드의 피크 전력 P_{peak, TR}의 비(PRPR)를 구한다.

단계 S140에서 모드결정부는 빔포밍 모드에 의해 수신되는 피크 전력 P_{peak, BF} 에 대한 시간역전 모드에 의해 수신되는 피크 전력 P_{peak, TR}의 비(PRPR)에 기초하여 무선환경에 대한 최적의 모드를 결정한다. 이를 위해 PRPR을 미리 설정된 기준값(α)과 비교한다. PRPR이 기준값(α)보다 작으면 빔포밍 모드로 결정하여 단계 S160으로 진행하고 PRPR이 기준값(α)보다 작지 않으면 시간역전 모드로 결정하여 단계 S150으로 진행한다.

단계 S160에서 무선전력전송장치의 빔포밍 출력부(140)는 빔포밍 모드로 안테나 어레이부(110)를 통해 무선전력을 전송하고, 단계 S150에서 무선전력전송장치의 시간역전 출력부(150)는 시간역전 모드로 안테나 어레이부(110)로 무선전력을 전송한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 지능적 원거리 무선전력전송 모드 결정 방법에 따라, 임펄스 응답에 기초하여 전파환경에 따라 더 효과적인 무선전력전송 방식을 채택하여, 동일한 조건에서 최대 효율로 원하는 수신 위치에 전력을 전달할 수 있게 된다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 지능적 원거리 무선전력전송 모드 결정 방법에 따라 서로 다른 복잡도를 갖는 전파환경에 대한 시뮬레이션 그래프이다.

도 7의 (a)는 서로 다른 복잡도를 갖는 모의 전파환경에서 시간에 따른 임펄스 응답신호를 나타낸 그래프이고, 도 7의 (b)는 도 7의 (a)의 그래프에 대한 전달함수의 크기를 나타낸 그래프이다.

도 7을 참조하여, 서로 다른 복잡도를 갖는 모의 전파환경을 구축하고 그에 따른 임펄스 응답을 사용하여, PRPR을 통한 무선전력전송의 효과 예측의 효용성을 입증하였다.

전파환경은 복잡한 정도에 따라 약한 다중경로 (Weak Multipath), 중간 다중경로 (Medium Multipath), 강한 다중경로 (Strong Multipath)로 구분되었으며, 다중경로가 많을수록 더욱 복잡한 전파환경임을 의미한다.

도 7의 (a)는 서로 다른 무선환경에서 시간(ns)에 따른 임펄스 응답 h(t)를 나타낸 그래프이고, 도 7의 (b)는 서로 다른 무선환경에서 주파수에 따른 전달함수(H(ω))의 크기를 나타낸 그래프이다.

도 7의 (a)를 참조하면, 복잡도가 높아질수록 시간영역의 임펄스 응답 h(t) 는 신호의 길이 측면에서 명확한 차이가 생긴다. 강한 다중경로의 경우, 반사되는 전파에 의해 신호는 천천히 감소하게 되지만, 약한 다중경로의 경우에는 신호가 아주 짧은 펄스로 나타남을 알 수 있다. 도 7의 (b)를 참조하면, 또한 주파수 영역의 전달 함수에서는, 강한 다중경로에서는 크기가 큰 좁은 간격을 갖는 여러 개의 피크(peak)가 나타나게 되는 반면, 약한 다중경로에서는 크기가 작고 상대적으로 평평한 모양이 나타나게 된다.

본 발명의 실시 예에 따른 모의 전파환경에서의 임펄스 응답을 통해 계산된 PRPR는 표 1과 같으며, 이 때 기준값(α)는 1로 가정되었다.

다중경로	PRPR	PRPR (dB)
약(Weak)	0.916	-0.38
중(Medium)	7.96	9.01
강(Strong)	24.04	13.81

이러한 서로 다른 복잡도를 갖는 모의 전파환경에서의 임펄스 응답을 통해 계산된 PRPR은 각 신호들의 특성과 직접적으로 연결된다. 전달함수에서 높은 피크(peak)를 갖고, 임펄스 응답에서 긴 T 를 갖는 강한(strong) 다중경로 와 중간(Medium) 다중 경로의 환경에서는 1 보다 상당히 큰 PRPR 값이 계산되었으며, 이러한 환경에서는 빔포밍보다 시간역전 모드가 더 적합함을 의미한다. 그러나 전달함수의 피크(peak)가 낮고 임펄스 응답이 급격히 감소하여 짧은 T 를 갖는 약한(week) 다중경로의 경우에는, 1 보다 작거나 비슷한 PRPR을 생성한다. 따라서 약한 다중경로와 같이 비교적 복잡하지 않은 전파 환경에서는, 빔포밍 모드가 더 적합함을 의미한다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전파환경 복잡도에 따른 최적의 무선전력 모드를 설명하기 위한 도면이다.

도 8을 참조하면, 복잡도가 높은 전파 환경에서는 시간역전 모드가 빔포밍 모드 보다 높은 성능을 내고, 반대로 복잡도가 낮은 전파 환경에서는 빔포밍 모드가 시간역전 모드 보다 높은 성능을 낼 수 있다.

또한, PRPR의 값이 커질수록 복잡도가 높은 전파환경을 의미하므로, PRPR 값은 전송장치와 수신장치 사이의 임펄스 응답의 함수가 된다. 따라서 PRPR는 주어진 전파 환경에서 빔포밍 모드와 시간역전 모드의 무선전력전송의 성능 예측을 위한 값이 될 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 무선전력전송장치 200 : 무선전력수신장치
110 : 안테나 어레이부
120 : 송수신 스위치부
130 : 모드 결정부
140 : 빔포밍 출력부
150 : 시간역전 출력부
160 : RF 결합부
170 : 시스템 제어부

Claims

복수의 안테나가 구비되어 펄스신호를 수신하는 안테나 어레이부;
빔포밍 모드에서 설정된 타겟 위치로 전력신호를 지향하여 출력하게 하는 빔포밍 출력부;
시간역전 모드에서 설정된 타겟 위치로 전력신호를 시간역전하여 출력하게 하는 시간역전 출력부;
상기 펄스신호에 기초하여 상기 빔포밍 모드 및 시간역전 모드 중 어느 하나의 모드를 결정하는 모드 결정부; 및
상기 빔포밍 출력부, 시간역전 출력부 및 안테나 어레이부를 제어하여 상기 모드 결정부의 모드 결정에 따라 전력신호를 출력하도록 제어하는 제어부
를 포함하는 적응적 무선전력전송장치.
제1항에 있어서,
상기 모드 결정부는
무선전파환경에서 수신되는 임펄스 응답에 기초하여 빔포밍 피크 전력 및 시간역전 피크 전력을 검출하는 피크전력 검출모듈;
상기 빔포밍 피크 전력 및 시간역전 피크 전력의 비를 연산하는 피크전력 비 연산모듈; 및
연산된 피크전력 비에 기초하여 상기 빔포밍 모드 및 시간역전 모드 중 어느 하나의 모드를 결정하는 모드 결정모듈
를 포함하는 적응적 무선전력전송장치.
제2항에 있어서,
상기 모드 결정모듈은 연산된 피크전력 비를 미리 설정된 기준값과 비교하여 연산된 피크전력의 비가 기준값보다 큰 경우 무선전파환경이 복잡하다고 판단하여 시간역전 모드를 선택하고, 연산된 피크전력의 비가 기준값보다 작은 경우 무선전파환경이 비교적 한산하다고 판단하여 빔포밍 모드를 선택하는 것을 특징으로 하는 적응적 무선전력전송장치.
제2항에 있어서,
상기 피크전력 검출모듈은 송신 배열안테나와 수신안테나의 위치의 각도, 송신 안테나 간의 간격, 파동상수, 총 배열소자의 수에 의해 입력 신호를 산출하고, 산출된 입력 신호와 임펄스 응답에 기초하여 빔포밍 피크전력을 검출하는 것을 특징으로 하는 적응적 무선전력전송장치.
제2항에 있어서,
상기 피크전력 검출모듈은 수신되는 각각의 임펄스 응답을 시간역전하여 입력신호로 사용하며, 상기 입력 신호와 임펄스 응답에 기초하여 시간역전 피크전력을 검출하는 것을 특징으로 하는 적응적 무선전력전송장치.
비콘 신호를 브로드케스팅하는 무선전력수신장치; 및
복수의 안테나를 포함하고, 상기 비콘 신호에 대한 무선전파환경의 임펄스 응답을 수신하고, 상기 임펄스 응답에 기초하여 시간역전 모드 또는 빔포밍 모드 중 어느 하나의 모드를 결정하고, 결정된 무선전력전송 모드로 전력신호를 상기 무선전력수신장치에 전송하는 무선전력전송장치를 포함하는 적응적 무선전력송수신 시스템.
제6항에 있어서,
상기 무선전력전송장치는 상기 무선전파환경에서 수신되는 임펄스 응답에 기초하여 빔포밍 피크 전력 및 시간역전 피크 전력을 검출하여, 상기 빔포밍 피크 전력 및 시간역전 피크 전력의 비를 연산하고, 연산된 피크 전력의 비에 기초하여 상기 빔포밍 모드 및 시간역전 모드 중 어느 하나의 모드를 결정하는 것을 특징으로 하는 적응적 무선전력송수신 시스템.
제6항에 있어서,
상기 무선전력전송장치는 연산된 피크전력 비를 미리 설정된 기준값과 비교하여 연산된 피크전력의 비가 기준값보다 큰 경우 무선전파환경이 복잡하다고 판단하여 시간역전 모드를 선택하고, 연산된 피크전력의 비가 기준값보다 작은 경우 무선전파환경이 비교적 한산하다고 판단하여 빔포밍 모드를 선택하는 것을 특징으로 하는 적응적 무선전력송수신 시스템.
다중 안테나 시스템에서 무선전력전송장치의 무선전파환경에 대한 적응적 전송 모드 결정 방법에 있어서,
상기 무선전파환경에서 수신되는 임펄스 응답에 기초하여 빔포밍 피크 전력 및 시간역전 피크 전력을 검출하는 단계;
빔포밍 피크 전력 및 시간역전 피크 전력의 비를 연산하는 단계; 및
연산된 피크전력 비에 기초하여 상기 빔포밍 모드 및 시간역전 모드 중 어느 하나의 모드를 결정하는 단계
를 포함하는 적응적 무선전력전송 모드 결정 방법.
제9항에 있어서,
상기 빔포밍 모드 및 시간역전 모드 중 어느 하나의 모드를 결정하는 단계는,
연산된 피크전력 비를 미리 설정된 기준값과 비교하여 연산된 피크전력의 비가 기준값보다 큰 경우 시간역전 모드를 선택하고, 연산된 피크전력의 비가 기준값보다 작은 경우 빔포밍 모드를 선택하는 것을 특징으로 하는 적응적 무선전력전송 모드 결정 방법.
제9항에 있어서,
결정된 무선전력전송 모드로 전력신호를 무선수신장치에 송신하는 단계
를 더 포함하는 적응적 무선전력전송 모드 결정 방법.