KR20210064056A - 무선 신호 기반의 전력 또는 전력 및 정보 동시 수신 방법 및 시스템 - Google Patents

무선 신호 기반의 전력 또는 전력 및 정보 동시 수신 방법 및 시스템 Download PDF

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조동호
심유진
송용준
김효민
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한국과학기술원
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Abstract

무선 신호 기반의 전력 또는 전력 및 정보 동시 수신 방법은 전력 수신기가 전력 송신기와 통신 세션이 연결되는 단계, 신호 방향 조정 과정에서, 상기 전력 수신기가 상기 전력 송신기가 송신하는 전력 신호가 기준값 이상의 세기를 갖도록 상기 전력 신호의 방향을 조절하는 제1 정보를 상기 전력 송신기에 전송하는 단계, 상기 전력 신호와 정보 신호 사이의 간섭 조절 과정에서, 주파수 분할 통신 기반하여 상기 전력 신호와 상기 정보 신호를 동시에 수신하는 경우, 상기 전력 수신기가 상기 정보 신호의 에러율을 기준으로 상기 전력 신호의 크기를 제어하기 위한 제2 정보를 상기 송신기에 전송하는 단계 및 상기 전력 수신기가 조절된 신호 방향과 조절된 전력 신호 세기를 기준으로 상기 전력 송신기로부터 상기 전력 신호와 상기 정보 신호를 수신하는 단계를 포함한다.

Description

무선 신호 기반의 전력 또는 전력 및 정보 동시 수신 방법 및 시스템{SIMULTANEOUS WIRELESS POWER OR INFORMATION/POWER RECEIVING METHOD AND SYSTEM}
이하 설명하는 기술은 SWIPT(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer) 기법에 관한 것이다.
스마트 기기 및 IoT(Internet of Thing) 기기가 등장하면서, 무선 충전 기술의 수요가 늘어나고 있다. 무선 충전 기술은 몇 가지 방식이 있다. 현재 상용화된 대표적인 기술은 자기장 공명(magnetic resonance) 방식의 무선 충전 기술이다. 다만, 자기장 공명 방식은 단거리 무선 충전만 지원한다. 한편, RF(Radio Frequency) 신호를 이용한 무선 충전 기술도 연구되고 있다. 나아가, RF 신호를 이용하여 전력 신호와 함께 정보 신호도 전송하기 위한 SWIPT 기술도 연구되고 있다.
한국공개특허 제10-2017-0111705호
SWIPT는 전력 신호와 정보 신호를 동시에 전송하기 때문에 두 신호의 간섭이 해결되어야 한다. 이하 설명하는 기술은 자동으로 전력 수신기의 위치를 감지하여 송신 빔을 정렬(alignment)하여 전력 송신의 효율을 높이면서, 동시에 정보 신호의 오류율을 낮추기 위한 기법을 제공하고자 한다.
전력 또는 전력 및 정보 동시 수신 방법은 전력 수신기가 전력 송신기와 통신 세션이 연결되는 단계, 신호 방향 조정 과정에서, 상기 전력 수신기가 상기 전력 송신기가 송신하는 전력 신호가 기준값 이상의 세기를 갖도록 상기 전력 신호의 방향을 조절하는 제1 정보를 상기 전력 송신기에 전송하는 단계, 상기 전력 신호와 정보 신호 사이의 간섭 조절 과정에서, 주파수 분할 통신 기반하여 상기 전력 신호와 상기 정보 신호를 동시에 수신하는 경우, 상기 전력 수신기가 상기 정보 신호의 에러율을 기준으로 상기 전력 신호의 크기를 제어하기 위한 제2 정보를 상기 송신기에 전송하는 단계 및 상기 전력 수신기가 조절된 신호 방향과 조절된 전력 신호 세기를 기준으로 상기 전력 송신기로부터 상기 전력 신호와 상기 정보 신호를 수신하는 단계를 포함한다.
전력 송신기는 정보를 코딩하는 인코더, 전력 또는 정보 및 전력 신호를 전력 수신기에 송신하고, 상기 전력 수신기로부터 제1 정보 및 제2 정보를 수신하는 어레이 안테나, 상기 정보 및 전력 신호의 방향을 조절하는 빔포머 및 상기 전력 신호의 크기를 조절하는 전력증폭기를 포함한다.
이하 설명하는 기술은 RF 신호를 이용하여 다수의 스마트 기기 및 IoT 기기에 대하여 효과적으로 전력 및 정보를 전달할 수 있다.
도 1은 정보 및 전력을 동시에 전송하는 시스템에 대한 예이다.
도 2는 전력 전송 또는 정보 및 전력을 동시에 전송하기 위한 전체 과정에 대한 예이다.
도 3은 전력 수신기의 위치를 추정하는 과정 및 송신 신호의 방향을 조절하는 과정에 대한 예이다.
도 4는 전력 수신기의 위치 추정 과정에 대한 예이다.
도 5는 빔 패턴 정보를 이용한 신호 방향 조절 과정에 대한 예이다.
도 6은 정보 신호와 전력 신호의 간섭을 줄이기 위한 전력 신호의 크기 조절 과정에 대한 예이다.
도 7은 전력 송신기의 구조에 대한 예이다.
이하 설명하는 기술은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시례를 가질 수 있는 바, 특정 실시례들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 이하 설명하는 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이하 설명하는 기술의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 이하 설명하는 기술의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 용어에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 해석되지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함한다" 등의 용어는 설명된 특징, 개수, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 단계 동작 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도면에 대한 상세한 설명을 하기에 앞서, 본 명세서에서의 구성부들에 대한 구분은 각 구성부가 담당하는 주기능 별로 구분한 것에 불과함을 명확히 하고자 한다. 즉, 이하에서 설명할 2개 이상의 구성부가 하나의 구성부로 합쳐지거나 또는 하나의 구성부가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화되어 구비될 수도 있다. 그리고 이하에서 설명할 구성부 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성부가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성부 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성부에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다.
또, 방법 또는 동작 방법을 수행함에 있어서, 상기 방법을 이루는 각 과정들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 과정들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
이하 설명하는 기술은 RF 신호를 이용한 무선 전력 전송 기술에 해당한다. 또한 이하 설명하는 기술은 정보와 전력을 동시에 전송하는 SWIPT 기술에 해당한다.
이하 설명에서 사용하는 용어를 먼저 설명한다.
전력 송신기는 무선 신호(RF 신호)로 전력 신호 및/또는 정보 신호를 송신하는 장치이다. 전력 송신기는 데이터를 전송하거나 중계하는 장치일 수 있다. 예컨대, 전력 송신기는 기지국, AP(access point), 게이트웨이, 라우터 등과 같은 장치일 수 있다.
전력 신호는 전력 전달을 위한 신호를 의미한다. 정보 신호는 일정한 통신 프로토콜에 따라 수신기에 전달할 정보를 담고 있는 신호를 의미한다.
전력 수신기는 전력 송신기로부터 전력 신호 및 정보 신호를 수신하는 장치이다. 전력 수신기는 다양한 유형의 장치일 수 있다. 예컨대, 전력 수신기는 스마트기기, 웨어러블 기기, IoT 기기, 노트북 등과 같이 무선 통신 기능이 있는 다양한 장치일 수 있다.
도 1은 정보 및 전력을 동시에 전송하는 시스템(100)에 대한 예이다. 시스템(100)은 전력 수신기(110), 전력 송신기(130) 및 제어장치(150)를 포함한다.
전력 송신기(130)는 전력 수신기(110)와 다양한 통신 방식으로 신호를 교환할 수 있다. 예컨대, 전력 송신기(130)는 이동통신(3G, LTE 등), Wi-Fi, 블루투스 등과 같은 다양한 방식 중 적어도 하나로 전력 수신기(110)와 통신 가능하다. 전력 송신기(130)는 다수의 통신 프로토콜을 지원하여 다양한 전력 수신기(110)와 통신할 수 있다. 나아가, 전력 송신기(130)는 동시에 서로 다른 통신 프로토콜을 사용하여 복수의 전력 송신기(110)들과 통신할 수도 있다.
도 1은 다수의 전력 수신기들(111 내지 114)을 도시한다. 전력 수신기들(111 내지 114)은 서로 종류가 다른 다양한 장치일 수 있다. 예컨대, 전력 수신기들은 스마트기기(111), 노트북(112), 스마트워치(113) 및 무선 센서(114)일 수 있다.
전력 송신기(130)는 자신의 커버리지(coverage) 내에 위치하는 전력 수신기들(111 내지 114)에게 정보 및 전력 신호를 동시에 전송할 수 있다. 전력 송신기(130)는 신호 방향을 조절할 수 있다. 전력 송신기(130)는 빔 포밍(beam forming) 기법을 이용하여 자신이 송신할 신호의 방향을 조절할 수 있다. 또한, 전력 송신기(130)는 서로 다른 각도로 다수의 빔을 방사할 수도 있다. 따라서, 전력 송신기(130)는 다수의 전력 수신기들(111 내지 114)에게 동시에 정보 신호 및/또는 전력 신호를 송신할 수 있다.
전력 수신기들(111 내지 114)은 각각 정보 신호 및 전력 신호가 효율적으로 전송되도록 자신의 위치 내지 방향 관련 정보(제1 정보)를 전력 송신기(130)에 전송할 수 있다. 또한, 전력 수신기들(111 내지 114)은 각각 정보 신호와 전력 신호의 간섭을 제거 내지 감소하기 위한 에러율 관련 정보(제2 정보)를 전력 송신기(130)에 전송할 수 있다.
제어장치(150)는 전력 송신기(130)로부터 일정한 정보를 수신할 수 있다. 제어장치(150)는 전력 수신기들(111 내지 114)의 위치를 추정할 수 있다. 또한, 제어장치(150)는 전력 수신기들(111 내지 114)로부터 수신한 제1 정보에 기반하여 전력 송신기(130)의 빔 방향을 조절할 수 있다. 나아가, 제어장치(150)는 전력 수신기들(111 내지 114)로부터 수신한 제2 정보에 기반하여 전력 송신기(130)의 전력 신호의 세기를 조절할 수도 있다.
도 1은 컴퓨터 장치 또는 서버와 같은 형태의 제어장치(150)를 별도로 도시하였다. 다만, 제어장치(150)는 전력 송신기(130)에 결합된 형태일 수 있다. 예컨대, 제어장치(150)는 전력 송신기(130)에 포함된 임베딩 칩일 수도 있다.
도 2는 전력 전송 또는 정보 및 전력을 동시에 전송하기 위한 전체 과정(200)에 대한 예이다.
전력 전송 또는 정보 및 전력 동시 전송 프로토콜은 통신 세션 연결(210), 호환성 확인(220), 서비스 지원 가능성 확인(230), 위치 추정(240), 편차 조정(250), 전력 신호 크기 조정(260) 및 전력 전송 또는 정보 및 전력 동시 전송(270)을 포함할 수 있다. 전체 과정을 순서대로 설명한다.
전력 전송 또는 정보 및 전력 동시 전송 프로토콜은 기본적으로 전력 송수신기 상호 간에 메시지를 송수신하는 구조로 되어 있다. 전력 송신기(130) 및 전력 수신기(110)는 메시지를 수신하면 다음 응답 메시지를 전송하고, 다시 메시지 수신을 대기하는 구조로 동작할 수 있다.
통신 세션 연결 단계(210)에서 충전 서비스를 원하는 전력 수신기(110)는 주변의 전력 송신기(들)에게 전력 수신기의 식별 정보를 포함한 연결 요청(Connection Request) 메시지를 브로드캐스팅할 수 있다(211). 전력 송신기(130)는 연결 요청 메시지에 대한 응답으로 전력 송신기의 식별자를 포함한 연결 응답 메시지(Connection Response)를 전력 수신기(110)에 전송할 수 있다. 전력 수신기(110)가 연결 응답 메시지를 정상 수신하면, 메시지 내의 식별 정보를 이용하여 전력 송신기(130)와 통신 세션을 연결할 수 있다.
통신 세션이 연결된 후 호환성 확인 단계(220)에서 전력 수신기(110)는 수신기의 호환 정보 메시지(Receiver Compatibility)를 전력 송신기(130)에 전송한다(221). 전력 송신기(130)는 이에 대한 응답으로 송신기의 호환 정보 메시지(Transmitter Compatibility)를 전력 수신기(110)에 송신한다(222). 전력 수신기(110)와 전력 송신기(130)는 서로 메시지를 주고받아 호환성을 확인할 수 있다. 호환 정보는 전력 전송 방식, 위치 추정 방식, 지원 가능한 파워값 등을 포함할 수 있다. 위치 추정 방식은 후술할 비콘 방식, 영상 기반 방식 등이 있다. 전력 수신기(110)는 지원받을 수 있는 최소 파워값을 기준으로 무선 전력 전송을 받을지 결정할 수 있다.
호환성이 확인된 후 서비스 지원 가능성을 확인한다(230). 서비스 지원 가능성 확인 단계(230)에서 전력 송신기(130)는 전력 수신기(110)의 상태 정보 메시지(Receiver Status)를 수신한다(231). 상태 정보 메시지(Receiver Status)는 현재 전력 수신기(110)가 전력 전송을 받을 수 있는 상태인지에 대한 정보를 포함한다. 또한, 전력 송신기(130)는 동시에 지원 가능한 전력 수신기의 개수에 제한이 있다. 따라서, 전력 송신기(130)는 전력 수신기(110)가 전력 전송을 받을 수 있는 상태이고, 전력 송신기(130)가 전력 전송이 가능한 경우, 상태 정보 메시지(Receiver Status)에 대한 응답으로 ACK 메시지(Status ACK)를 전력 수신기(110)에 전송한다(232).
서비스 지원 가능성이 확인된 후 전력 수신기(110)의 위치 추정 과정을 시작한다(240). 위치 추정 단계(240)에서 전력 송신기(130)는 위치 추정 요청 메시지(Location Estimation Request)를 전력 수신기(110)에 전송한다(241). 전력 수신기(110) 및/또는 전력 송신기(130)는 다양한 방법으로 전력 수신기(110)의 위치를 파악할 수 있다. 비콘 신호에 기반한 방식을 사용하는 경우, 전력 수신기(110)는 전력 송신기(130)로부터 위치 추정 요청 메시지 메시지를 수신한 후, 비콘 신호를 전송하기 시작하고, 응답 메시지(Location Estimation Response)를 전력 송신기(130)에 전송하여 비콘 신호 전송 상태가 정상인지 알린다. 전력 송신기(130)는 확인 메시지(Location Estimation Response)를 수신한 후, 비콘 신호 전송 상태가 정상인 경우 비콘 기반 위치 추정을 실행한다.
영상을 이용하여 전력 수신기(110)의 위치를 추정하는 경우, 전력 송신기(130)는 위치 추정 요청 메시지(Location Estimation Request)를 전송하지 않고, 영상으로 전력 수신기(110)의 위치를 추정한 후 확인 메시지(Location Estimation Response)만 전력 수신기(110)에 전송할 수도 있다. 위치 추정 단계(240)에서 추정된 전력 수신기(110)의 위치는 초기 위치 내기 초기 추정 위치이다.
위치 추정 단계(240)가 완료된 후 편차 조정(250) 단계가 수행된다. 편차 조정(250) 단계에서 전력 송신기(130)는 전력 수신기(110)에 전력 신호를 효율적으로 전송하기 위하여 빔의 방향을 조절하게 된다. 전력 송신기(130)는 편차 조정 요청 메시지(Alignment Check Request)를 전력 수신기(110)에 전송한다(251). 전력 수신기(110)는 편차 조정 요청 메시지(Alignment Check Request) 내지 별도의 테스트 신호에 대한 신호 세기를 기준으로 전력 신호의 방향(빔 방향)을 조절하기 위한 편차 조정 응답 메시지(Alignment Check Response)를 전력 송신기(130)에 전송한다(252).
편차 조정(250)이 완료되면 전력 신호 크기 조정(260) 단계가 수행될 수 있다. 전력 신호 크기 조정(260) 단계는 전력 및 정보를 동시에 전송하는 경우에만 수행된다. 전력 신호 크기 조정(260) 단계는 전력 신호와 정보 신호 사이의 간섭을 완화 내지 제거하고자 전력 신호의 크기를 조정하는 과정이다.
전력 신호 크기 조정(250) 단계에서 전력 송신기(130)는 전력 신호와 정보 신호를 동시에 송신하면서 정보 신호에 대한 에러율 검사 요청 메시지(BER(Bit Error Rat) Check Request)를 전력 수신기(110)에 전송한다(261). 전력 수신기(110)는 수신한 정보 신호에 대한 에러율을 계산하여 에러율 검사 요청에 대한 응답 메시지(BER Check Response)를 전송한다(262). 정보 신호의 에러율이 기준값 미만으로 전력 신호가 조절되면, 전력 신호 크기 조정(250) 단계는 종료된다.
전력 신호 크기 조정(260) 단계까지 완료되면, 전력 송신기(130)는 전력을 전송하거나, 정보 신호와 전력 신호를 동시에 전송한다. 전력 송신기(130)는 전력 전송 또는 정보 신호 및 전력 신호 동시 전송 시작을 알리는 메시지(Start Transmission)를 전력 수신기(110)에 전송한다(271). 전력 수신기(110)는 일정한 주기로 자신의 상태 정보 메시지(Receiver Status)를 전력 송신기(130)에 전송한다(272). 상태 정보 메시지는 충전 상태 및/또는 수신한 전력량을 포함할 수 있다. 전력 송신기(130)는 상태 정보 메시지를 기준으로 전력 수신기(110)의 충전 상태를 모니터링할 수 있다. 이때, 과전류, 과전압, 과열 등의 비정상 상태가 발생한다면, 전력 송신기(130)는 즉시 정보 및 전력 전송을 중단하여 발생 가능한 사고를 방지한다. 목표 충전량에 도달한다면, 전력 송신기(130)는 전송 완료 메시지(End Transmission)를 전력 수신기(110)에 전송하여 충전 종료를 알린다(275). 전력 송신기(130)는 전송 완료 메시지를 전송한 후, 통신 세션을 종료할 수 있다.
한편, 전력 전송이 완료되어도 정보 신호가 전송될 수도 있다. 이 경우, 전력 송신기(130)는 전력 신호에 대한 크기를 매우 작게 줄이거나 전력 신호를 더 이상 전송하지 않고, 정보 신호만 전력 수신기(110)에 전송할 수도 있다.
도 3은 전력 수신기의 위치를 추정하는 과정 및 송신 신호의 방향을 조절하는 과정(300)에 대한 예이다.
전력 송신기(130)는 위치 추정 요청 메시지(Location Estimation Request)를 전력 수신기(110)에 전송한다(311). 전력 수신기(110)는 위치 추정을 위한 비콘 신호를 전송하기 시작한 후, 확인 메시지(Location Estimation Response)를 전력 송신기(130)에 전송하여 비콘 신호 전송 상태를 알린다(312). 전력 송신기(130)는 확인 메시지(Location Estimation Response)를 확인하여 비콘 신호가 정상임을 확인하고, 비콘 신호를 이용하여 전력 수신기(110)에 대한 위치 추정을 실행한다(313).
이후, 전력 송신기(130)는 추정된 위치로(전력 수신기(110)의 방향으로) 편차 조정 요청 메시지(Alignment Check Request)를 전력 수신기(110)에 전송하여, 편차 조정 단계를 시작하는 것을 알린다(321). 전력 수신기(110)는 편차 조정 요청 메시지의 신호를 기준으로 해당 신호의 세기가 임계값 이상인지 여부를 판단할 수 있다(322). 또는, 전력 송신기(130)가 편차 조정 요청 메시지(Alignment Check Request) 전송 후에 별도의 테스트용 신호를 전력 수신기(110)에 전송할 수 있다. 이 경우, 전력 수신기(110)는 테스트용 신호의 세기가 임계값 이상인지 여부를 판단할 수 있다. 즉, 테스트 신호는 편차 조정 요청 메시지(Alignment Check Request) 또는 별도의 신호일 수 있다.
전력 수신기(110)는 테스트 신호의 세기가 임계값 이상인지 여부를 기분으로 편차 조절이 필요한지 판단할 수 있다(322). 테스트 신호가 임계값 미만인 경우, 전력 수신기(110)는 편차 조절이 필요하다는 응답 메시지(Alignment Check Response)를 전력 송신기(130)에 전송할 수 있다(323). 편차 조절이 필요하다는 응답 메시지(Alignment Check Response)를 수신한 전력 송신기(130)는 빔 방향을 편차 조절 요청 내용에 따라 조절한다(324).
몇 가지 가능한 방식이 있다. (1) 전력 수신기(110)가 임의의 거리 내지 각도 정보(x, y, z 좌표계 상의 방향 거리 편차 및/또는 roll, pitch, yaw 각도 편차 포함)를 전력 송신기(130)에 전송할 수 있다. 이 경우, 전력 송신기(130)는 수신한 거리 내지 각도 정보를 기준으로 빔의 도달 거리 내지 각도를 조절할 수 있다. (2) 또는 전력 수신기(110)가 편차 조절이 필요하다는 정보만을 담은 응답 메시지(Alignment Check Response)를 전력 송신기(130)에 전송한다. 전력 송신기(130)는 정렬이 필요하다는 응답 메시지를 수신하면 빔의 각도를 상하좌우방향으로 약간 변경하여 정렬을 시도한다.
전력 송신기(130)는 신호 거리 내지 빔 방향을 조절하고, 다시 편차 조정 요청 메시지(Alignment Check Request)를 전력 수신기(110)에 전송한다(331). 전력 수신기(110)는 테스트 신호의 세기가 임계값 이상인지 여부를 기준으로 편차 조정이 필요하다고 판단한다(332). 테스트 신호가 임계값 미만인 경우, 전력 수신기(110)는 편차 조절이 필요하다는 응답 메시지(Alignment Check Response)를 다시 전력 송신기(130)에 전송할 수 있다(333). 편차 조절이 필요하다는 응답 메시지(Alignment Check Response)를 수신한 전력 송신기(130)는 빔 방향을 적응적으로 조절한다(334). 전력 송신기(130)는 신호 전송 거리 내지 빔 방향을 조절하고, 다시 편차 조정 요청 메시지(Alignment Check Request)를 전력 수신기(110)에 전송한다(341).
이와 같은 과정을 반복하면서, 전력 송신기(130)는 신호 전송 거리 내지 빔의 방향을 조절하게 된다. 전력 수신기(110)가 테스트 신호의 세기가 임계값 이상이라고 판단(372)한 경우, 해당 정보를 담은 응답 메시지(Alignment Check Response)를 전력 송신기(130)에 전송한다(373). 전력 송신기(130)는 응답 메시지(Alignment Check Response) 기준으로 더 이상 편차 조절이 필요 없는가를 판단한다. 전력 송신기(130)는 편차 조절이 완료되었다는 의미로 ACK 메시지(Alignment Check ACK)를 전력 수신기(110)에 전송할 수 있다(374).
도 4는 전력 수신기의 위치 추정 과정에 대한 예이다.
비콘 신호에 기반하여 전력 수신기(110)의 위치를 추정하는 경우, 복수의 비콘 신호 수신기(121, 122, 123)가 필요하다. 복수의 비콘 신호 수신기는 3개 이상이어야 한다. 비콘 신호 수신기는 비콘 신호를 수신하기 위한 전용 수신기일 수 있다. 비콘 신호 수신기는 비콘 신호 수신 가능한 다른 장치(스마트 기기, AP, 노트북 등)일 수도 있다. 한편, 전력 송신기(130)가 비콘 신호를 수신할 수도 있다. 복수의 비콘 신호 수신기(121, 122, 123)는 위치를 알고 있다고 전제한다. 복수의 비콘 신호 수신기(121, 122, 123)가 전력 수신기(110)의 비콘 신호를 수신하면, 알고 있는 비콘 신호 수신기의 위치를 이용하여 전력 수신기(110)의 위치를 추정할 수 있다. 제어장치(150)가 복수의 비콘 신호 수신기(121, 122, 123)가 수신하는 비콘 신호의 세기를 기준으로 전력 수신기(110)의 위치를 추정할 수 있다. 제어장치(150)는 전력 수신기(110)의 추정 위치를 전력 송신기(130)에 전달할 수 있다.
또는, 제어장치(150)는 복수의 비콘 신호 수신기(121, 122, 123) 중 가장 강한 신호를 수신한 비콘 신호 수신기가 전력 수신기(110)의 위치와 가장 가깝다고 추정할 수도 있다.
한편, 전력 수신기(110)가 위치한 영역을 캡쳐한 영상을 이용하여 전력 수신기(110)의 위치를 파악할 수도 있다. 이 경우, 영상 캡쳐를 위한 이미지 센서 내지 카메라(141, 142)가 필요하다. 카메라(141 및/또는 142)는 전력 수신기(110)가 포함된 영상을 캡쳐하여 유선 또는 무선으로 제어장치(150)에 전달할 수 있다. 제어장치(150)는 영상을 분석하여 영상 내에 전력 전송 대상인 기기(스마트기기, IoT 기기 등)을 식별할 수 있다. 이때, 제어장치(150)는 CNN(convolutional neural network)과 같은 딥러밍 모델을 이용하여 전력 수신기(110)의 위치를 파악할 수 있다. 제어장치(150)는 영상 프레임을 기준으로 전력 수신기(110)의 위치를 식별하고, 알려진 카메라의 위치 내지 시점을 기준으로 전력 수신기(110)의 위치를 추정할 수 있다. 한편, 전력 송신기(130)는 전술한 바와 같이 제어장치(150)를 포함하는 구성일 수도 있다. 즉, 이 경우 전력 송신기(130)가 전력 수신기(110)의 위치를 추정하게 된다.
도 5는 빔 패턴 정보를 이용한 신호 방향 조절 과정에 대한 예이다. 도 5는 빔 패턴 정보를 더 이용하여 편차 조절을 하는 예이다. 전력 수신기(110)가 빔의 메인 로브(Main lobe)의 신호를 수신하면 신호 세기가 최대치가 된다. 또한, 전력 수신기(110)가 빔의 메인 로드의 중앙이 아닌 위치 또는 사이드 로브(Side lobe)의 신호를 수신하면 상대적으로 약한 세기의 신호를 수신한다. 따라서, 빔 패턴 및 신호 세기를 기준으로 편차 조정 과정을 수행할 수 있다.
(1) 전력 송신기(130)는 빔 패턴 정보를 전력 수신기(110)에 전송할 수 있다. 빔 패턴은 도 5의 하단에 표시된 형태와 같이 빔의 모양에 대한 정보일 수 있다. 전력 수신기(110)는 편차 조정 과정에서 제1 테스트 신호를 수신하면 제1 테스트 신호의 세기를 파악할 수 있다. 전술한 바와 같이 신호의 세기가 임계값 미만이면, 전력 수신기(110)는 편차 조정 요청을 전력 송신기(130)에 전송한다. 이후 전력 수신기(110)는 신호 전송 거리 내지 빔의 방향이 조절된 제2 테스트 신호를 수신한다. 전력 수신기(110)는 제2 테스트 신호의 세기와 제1 테스트 신호를 비교한다. 제2 테스트 신호의 세기가 임계값 이상이라면, 편차 조정은 종료될 수 있다. (i) 그러나, 제2 테스트 신호가 여전히 임계값 미만이고, 제1 테스트 신호의 세기 > 제2 테스트 신호의 세기라면, 전력 수신기(110)는 직전에 조절된 신호의 전송 거리 내지 방향이 잘못되었다고 판단할 수 있다. 예컨대, 전력 수신기(110)가 제1 테스트 신호를 B 위치에서 수신하였는데, 제2 테스트 신호는 C 위치에서 수신한 경우이다. 이 경우, 전력 수신기(110)는 빔의 방향을 반대로 조절할 것을 요청하는 편자 조정 요청을 전력 송신기(130)에 전송할 수 있다. (ii) 또는 제2 테스트 신호가 여전히 임계값 미만이고, 제1 테스트 신호의 세기 < 제2 테스트 신호의 세기라면, 전력 수신기(110)는 직전에 조절된 방향으로 조금 더 조절할 것으로 요청하는 편자 조정 요청을 전력 송신기(130)에 전송할 수 있다. 예컨대, 전력 수신기(110)가 제1 테스트 신호를 C 위치에서 수신하였는데, 제2 테스트 신호는 B 위치에서 수신한 경우이다.
(2) 전력 송신기(130)는 빔 패턴 정보를 알고 있다고 전제한다. 전력 수신기(110)는 편차 조정 과정에서 제1 테스트 신호를 수신하면 제1 테스트 신호의 세기를 파악할 수 있다. 전술한 바와 같이 신호의 세기가 임계값 미만이면, 전력 수신기(110)는 편차 조정 요청을 전력 송신기(130)에 전송한다. 전력 송신기(130)는 편차 조정 요청에 따라 적응적으로 전송 거리 내지 빔 방향을 조절하여 제2 테스트 신호를 전력 수신기(110)에 송신한다. 전력 수신기(110)는 제2 테스트 신호의 세기와 제1 테스트 신호를 비교한다. 제2 테스트 신호의 세기가 임계값 이상이라면, 편차 조정은 종료될 수 있다. (i) 그러나, 제2 테스트 신호가 여전히 임계값 미만이고, 제1 테스트 신호의 세기 > 제2 테스트 신호의 세기라면, 전력 수신기(110)는 해당 정보를 전력 송신기(130)에 송신할 수 있다. 예컨대, 전력 수신기(110)가 제1 테스트 신호를 B 위치에서 수신하였는데, 제2 테스트 신호는 C 위치에서 수신한 경우이다. 이 경우, 전력 송신기(130)는 빔의 방향을 적응적으로 조절하고 다시 테스트 신호를 전력 수신기(110)에 송신할 수 있다. (ii) 또는 제2 테스트 신호가 여전히 임계값 미만이고, 제1 테스트 신호의 세기 < 제2 테스트 신호의 세기라면, 전력 수신기(110)는 해당 정보를 전력 송신기(130)에 전송할 수 있다. 예컨대, 전력 수신기(110)가 제1 테스트 신호를 C 위치에서 수신하였는데, 제2 테스트 신호는 B 위치에서 수신한 경우이다. 이 경우, 전력 송신기(130)는 빔의 방향을 현재 방향으로 적응적으로 더 조절하고 다시 테스트 신호를 전력 수신기(110)에 송신할 수 있다.
도 6은 정보 신호와 전력 신호의 간섭을 줄이기 위한 전력 신호의 크기 조절 과정(400)에 대한 예이다.
전력 송신기(130)는 오류율을 테스트하기 위한 바이너리 시퀀스(binary sequence)를 생성한다(411). 전력 송신기(130)는 바이너리 시퀀스를 포함하는 에러율 검사 요청 메시지(BER Check Request)를 전력 수신기(110)에 전송한다(421). 421은 전력 신호 전송 없이 정보 신호만 전달할 수 있다. 전력 송신기(130)는 정보 신호 및 전력 신호를 동시에 전송한다(422). 전력 수신기(110)는 422 단계에서 수신한 정보 신호에 포함된 정보를 디코딩한 결과와 421 단계에서 전달된 바이너리 시퀀스와 비교하여 정보 에러율을 계산할 수 있다(423). 전력 수신기(110)는 계산한 에러율을 응답 메시지(BER Check Response)를 통해 전력 송신기(130)에 전달할 수 있다(424). 에러율이 임계값 이상인 경우, 전력 송신기(130)는 에러율을 기준으로 전력 신호 크기를 조절할 수 있다(425).
또는 전력 수신기(110)는 계산한 에러율을 기준으로 결정한 전력 신호에 대한 조절 정보를 포함하는 응답 메시지(BER Check Response)를 통해 전력 송신기(130)에 전달할 수 있다(424). 에러율이 임계값 이상인 경우, 전력 송신기(130)는 수신한 정보를 기준으로 전력 신호 크기를 조절할 수 있다(425).
전력 신호 크기를 조절하고, 전력 송신기(130)는 다시 에러율 검사 요청 메시지(BER Check Request)를 전력 수신기(110)에 전송한다(431). 이때 새로운 바이너리 시퀀스를 전송할 수도 있다. 전력 송신기(130)는 정보 신호 및 전력 신호를 동시에 전송한다(432). 전력 수신기(110)는 432 단계에서 수신한 정보 신호에 포함된 정보를 디코딩한 결과와 알고 있는 바이너리 시퀀스와 비교하여 정보 에러율을 계산할 수 있다(433). 전력 수신기(110)는 계산한 에러율 또는 에러율 기반한 전력 신호 조절 요청을 응답 메시지(BER Check Response)를 통해 전력 송신기(130)에 전달할 수 있다(434). 에러율이 임계값 이상인 경우, 전력 송신기(130)는 수신한 정보를 기준으로 전력 신호 크기를 조절한다(435).
이와 같은 과정을 반복하면서 전력 송신기(130)는 적응적으로 전력 신호의 크기를 조절한다.
전력 수신기(110)는 직전에 수신한 정보 신호에 포함된 정보를 디코딩한 결과와 알고 있는 바이너리 시퀀스와 비교하여 정보 에러율을 계산할 수 있다(473). 전력 수신기(110)는 계산한 에러율 또는 에러율 기반한 전력 신호 조절 요청을 응답 메시지(BER Check Response)를 통해 전력 송신기(130)에 전달할 수 있다(474). 에러율이 임계값 미만인 경우, 전력 송신기(130)는 전력 신호 크기 조절이 완료되었다는 메시지(BER Check ACK)를 전력 수신기(110)에 전송할 수 있다(475).
도 7은 전력 송신기(500)의 구조에 대한 예이다. 도 7은 전력 송신기(500)의 구성 중 일부 구성만을 도시한 것이다. 따라서, 전력 송신기(500)는 도 7과 다른 송신기 구성을 더 포함할 수도 있다.
전력 송신기(500)는 인코더(510), 빔포머(520), 역푸리에변환기(IFFT, 530), DAC(540), 믹서(550), 전력 증폭기(560) 및 어레이 안테나(570)를 포함할 수 있다.
인코더(510)는 전달한 정보를 코딩한다.
빔포머(520)는 빔의 방사 거리 내지 방향을 조절할 수 있다. 여기서, 빔포머(520)는 디지털 빔포머, 아날로그빔포머 및 하이브리드 빔포머 중 적어도 하나일 수 있다. 즉, 빔을 조절하는 방식에 제한을 두지 않는다. 다만, 도 7은 설명의 편의를 위하여 디지털 빔포머를 가정한다.
역푸리에변환기(530)는 신호를 시간 영역으로 변환한다.
DAC(540)는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환한다.
믹서(550)는 고주파 신호를 중간 주파수(intermediate frequency) 대역으로 변환한다.
전력 증폭기(560)는 전송할 신호의 전력을 조절한다.
어레이 안테나(570)는 전력 또는 전력 및 정보 신호를 송신한다. 또한, 어레이 안테나(570)는 전력 수신기측으로부터 필요한 정보를 수신한다.
도 7은 단순하게 전력 송신기(500)의 구조를 도시한 예이다. 전력 송신기(500)는 정보 신호와 전력 신호를 동시에 송신할 수 있다. 따라서, 전력 송신기(500)는 정보 신호와 전력 신호를 병렬로 처리하기 위한 구성을 포함할 수도 있다. 전력 송신기(500)는 주파수 대역을 나누어 정보 신호와 전력 신호를 동시에 송신할 수 있다.
전력 송신기(500)는 비콘 신호 수신기(들)로부터 정보를 수신하여 전력 수신기의 위치를 추정할 수 있다. 또는 전력 송신기(500)는 제어장치로부터 전력 수신기의 위치를 수신할 수도 있다.
빔포머(520)는 전력 수신기의 초기 추정 위치로 신호 전송 거리 및 방향을 설정할 수 있다.
어레이 안테나(570)는 전력 수신기가 수신하는 전력 신호의 세기가 임계값 미만인 경우, 전력 신호의 송신 방향 변경 요청 또는 전력 신호의 송신 방향에 대한 조절값을 포함하는 상기 제1 정보를 수신할 수 있다.
한편, 어레이 안테나(570)는 전력 신호에 대한 빔 패턴 정보를 송신할 수도 있다.
또한, 어레이 안테나(570)는 전력 신호의 신호 세기와 빔 패턴 정보를 기준으로 전력 신호의 빔의 메인 로브의 중심 또는 중심에서 기준 거리 범위 내에 전력 수신기가 위치하도록 제어하기 위한 제1 정보를 수신할 수도 있다.
빔포머(520)는 전술한 바와 같이 전력 수신기로부터 수신하는 피드백 정보(제1 정보)를 기준으로 적응적으로 빔의 방향을 조절할 수 있다.
어레이 안테나(570)는 전력 수신기가 수신하는 정보 신호의 에러율이 기준값 이상인 경우 에러율 또는 신호 세기 조절 요청을 포함하는 제2 정보를 수신할 수 있다.
전력증폭기(560)는 전술한 바와 같이 전력 수신기가 수신하는 테스트 신호의 에러율 관련 정보(제2 정보)를 기준으로 전력 신호의 크기를 제어할 수 있다.
또한, 상술한 바와 같은 정보 및 전력을 동시 전송 방법, 전력 수신기 위치 추정 방법, 빔 방향 조절 방법 및 전력 신호 세기 조절 방법은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 실행가능한 알고리즘을 포함하는 프로그램(또는 어플리케이션)으로 구현될 수 있다. 상기 프로그램은 일시적 또는 비일시적 판독 가능 매체(non-transitory computer readable medium)에 저장되어 제공될 수 있다.
비일시적 판독 가능 매체란 레지스터, 캐쉬, 메모리 등과 같이 짧은 순간 동안 데이터를 저장하는 매체가 아니라 반영구적으로 데이터를 저장하며, 기기에 의해 판독(reading)이 가능한 매체를 의미한다. 구체적으로는, 상술한 다양한 어플리케이션 또는 프로그램들은 CD, DVD, 하드 디스크, 블루레이 디스크, USB, 메모리카드, ROM (read-only memory), PROM (programmable read only memory), EPROM(Erasable PROM, EPROM) 또는 EEPROM(Electrically EPROM) 또는 플래시 메모리 등과 같은 비일시적 판독 가능 매체에 저장되어 제공될 수 있다.
일시적 판독 가능 매체는 스태틱 램(Static RAM，SRAM), 다이내믹 램(Dynamic RAM，DRAM), 싱크로너스 디램 (Synchronous DRAM，SDRAM), 2배속 SDRAM(Double Data Rate SDRAM，DDR SDRAM), 증강형 SDRAM(Enhanced SDRAM，ESDRAM), 동기화 DRAM(Synclink DRAM，SLDRAM) 및 직접 램버스 램(Direct Rambus RAM，DRRAM) 과 같은 다양한 RAM을 의미한다.
본 실시례 및 본 명세서에 첨부된 도면은 전술한 기술에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 전술한 기술의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시례는 모두 전술한 기술의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.

Claims (13)

  1. 전력 수신기가 전력 송신기와 통신 세션이 연결되는 단계;
    신호 방향 조정 과정에서, 상기 전력 수신기가 상기 전력 송신기가 송신하는 전력 신호가 기준값 이상의 세기를 갖도록 상기 전력 신호의 방향을 조절하는 제1 정보를 상기 전력 송신기에 전송하는 단계;
    상기 전력 신호와 정보 신호 사이의 간섭 조절 과정에서, 주파수 분할 통신 기반하여 상기 전력 신호와 상기 정보 신호를 동시에 수신하는 경우, 상기 전력 수신기가 상기 정보 신호의 에러율을 기준으로 상기 전력 신호의 크기를 제어하기 위한 제2 정보를 상기 송신기에 전송하는 단계; 및
    상기 전력 수신기가 조절된 신호 방향과 조절된 전력 신호 세기를 기준으로 상기 전력 송신기로부터 상기 전력 신호와 상기 정보 신호를 수신하는 단계를 포함하는 무선 신호 기반의 전력 또는 전력 및 정보 동시 수신 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 신호 방향 조정 과정에서
    상기 전력 송신기는 상기 전력 수신기의 비콘 신호 또는 상기 전력 수신기가 위치한 영역을 캡쳐한 영상 중 적어도 하나를 기준으로 추정한 상기 전력 수신기의 위치를 향하는 방향으로 최초 상기 전력 신호를 송신하는 무선 신호 기반의 전력 또는 전력 및 정보 동시 수신 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전력 수신기의 위치는
    상기 비콘 신호를 이용하는 경우, 상기 전력 수신기의 상기 비콘 신호를 수신한 복수 개의 수신 단말들의 위치를 기준으로 결정되고,
    상기 캡쳐한 영상을 이용하는 경우, 상기 캡쳐한 영상에서 상기 전력 수신기의 위치를 검출하는 딥러닝 모델을 이용하여 결정되는 무선 신호 기반의 전력 또는 전력 및 정보 동시 수신 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 신호 방향 조정 과정에서
    상기 전력 수신기와 상기 전력 송신기는 상기 전력 신호가 상기 기준값 이상의 세기를 갖도록 상기 전력 송신기가 송신하는 신호의 방향을 조절하는 과정을 반복하는 무선 신호 기반의 전력 또는 전력 및 정보 동시 수신 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 신호 방향 조정 과정에서
    상기 전력 수신기가 수신하는 상기 전력 신호의 세기가 상기 기준값 미만이면 상기 전력 신호의 송신 방향 변경 요청 또는 상기 전력 신호의 송신 방향에 대한 조절값을 포함하는 상기 제1 정보를 상기 수신기에 전송하는 무선 신호 기반의 전력 또는 전력 및 정보 동시 수신 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 신호 방향 조정 과정에서
    상기 전력 수신기는 상기 전력 송신기로부터 상기 전력 신호에 대한 빔 패턴 정보를 더 수신하고,
    상기 전력 신호의 신호 세기와 상기 빔 패턴 정보를 기준으로 상기 전력 신호의 빔의 메인 로브의 중심 또는 상기 중심에서 기준 거리 범위 내에 상기 전력 수신기가 위치하도록 제어하기 위한 상기 제1 정보를 전송하는 무선 신호 기반의 전력 또는 전력 및 정보 동시 수신 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 간섭 조절 과정에서
    상기 전력 수신기는 상기 전력 송신기로부터 수신하는 상기 정보 신호의 에려율이 기준값 미만인지 결정하고, 상기 에러율이 기준값 이상인 경우 상기 에러율 또는 신호 세기 조절 요청을 포함하는 상기 제2 정보를 상기 전력 송신기에 전송하는 과정을 반복하고,
    상기 전력 송신기는 상기 에러율이 기준값 이상인 경우 상기 전력 신호의 세기를 기준값만큼 줄여서 상기 정보 신호를 송신하는 무선 신호 기반의 전력 또는 전력 및 정보 동시 수신 방법.
  8. 정보를 코딩하는 인코더;
    전력 또는 정보 및 전력 신호를 전력 수신기에 송신하고, 상기 전력 수신기로부터 제1 정보 및 제2 정보를 수신하는 어레이 안테나;
    상기 정보 및 전력 신호의 방향을 조절하는 빔포머; 및
    상기 전력 신호의 크기를 조절하는 전력증폭기를 포함하되,
    신호 방향 조정 과정에서 상기 빔포머는 상기 전력 수신기의 초기 추정 위치로 상기 전력 신호의 방향을 설정하고, 상기 제1 정보를 기준으로 상기 전력 신호의 방향을 조절하고,
    상기 전력 신호와 정보 신호 사이의 간섭 조절 과정에서, 상기 전력증폭기는 상기 전력 수신기가 수신하는 상기 정보 신호의 에러율을 기준으로 상기 전력 신호의 크기를 제어하기 위한 상기 제2 정보를 기준으로 상기 전력 신호의 크기를 조절하는 전력 송신기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 초기 추정 위치는 상기 전력 수신기의 비콘 신호 또는 상기 전력 수신기가 위치한 영역을 캡쳐한 영상 중 적어도 하나를 기준으로 추정되는 전력 송신기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 초기 추정 위치는
    상기 비콘 신호를 이용하는 경우, 상기 전력 수신기의 상기 비콘 신호를 수신한 복수 개의 수신 단말들의 위치를 기준으로 결정되고,
    상기 캡쳐한 영상을 이용하는 경우, 상기 캡쳐한 영상에서 상기 전력 수신기의 위치를 검출하는 딥러닝 모델을 이용하여 결정되는 전력 송신기.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 신호 방향 조정 과정에서
    상기 어레이 안테나는 상기 전력 수신기가 수신하는 상기 전력 신호의 세기가 상기 기준값 미만인 경우, 상기 전력 신호의 송신 방향 변경 요청 또는 상기 전력 신호의 송신 방향에 대한 조절값을 포함하는 상기 제1 정보를 수신하는 전력 송신기.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 신호 방향 조정 과정에서
    상기 어레이 안테나는 상기 전력 신호에 대한 빔 패턴 정보를 더 송신하고,
    상기 전력 신호의 신호 세기와 상기 빔 패턴 정보를 기준으로 상기 전력 신호의 빔의 메인 로브의 중심 또는 상기 중심에서 기준 거리 범위 내에 상기 전력 수신기가 위치하도록 제어하기 위한 상기 제1 정보를 수신하는 전력 송신기.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 간섭 조절 과정에서
    상기 어레이 안테나는 상기 전력 수신기가 수신하는 상기 정보 신호의 에러율이 기준값 이상인 경우 상기 에러율 또는 신호 세기 조절 요청을 포함하는 상기 제2 정보를 수신하고,
    상기 전력증폭기는 상기 제2 정보를 수신하면, 상기 전력 신호의 세기를 기준값만큼 줄이는 전력 송신기.
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KR1020200150878A KR20210064056A (ko) 2019-11-25 2020-11-12 무선 신호 기반의 전력 또는 전력 및 정보 동시 수신 방법 및 시스템

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20170111705A (ko) 2016-03-29 2017-10-12 재단법인대구경북과학기술원 상쇄 기반의 무선 정보 및 전력 동시 전송 시스템 및 방법

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