KR20210121736A - 마이크로파 무선전력 전송 방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단말 사용자의 위치에 대응하는 인체 내부의 전자장 데이터를 획득하는 단계; 무선전력 수신장치로부터 수신된 파일럿 신호를 기반으로 무선전력 송신장치의 배열 안테나와 상기 무선전력 수신장치 간의 채널 응답 데이터를 검출하는 단계; 상기 인체 내부의 전자장 데이터 및 상기 채널 응답 데이터를 이용하여 상기 배열 안테나를 구성하는 각 안테나 소자에서 전송될 무선전력신호를 결정하는 단계; 및 상기 결정된 무선전력신호를 상기 무선전력 수신장치로 전송하는 단계를 포함한다.

Description

마이크로파 무선전력 전송 방법 및 그 장치{MICROWAVE WIRELESS POWER TRANSMISSION METHOD AND APPARATUS THEREOF}

본 발명은 마이크로파 무선전력 전송 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 인체 안전을 고려한 마이크로파 무선전력 전송 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

최근 들어 이동 단말기, 사물인터넷(IoT), 센서, 생체 이식 장치 등의 분야에서 소전력 및 초소형 무선 디바이스의 활용이 증대되면서 원거리 무선전력 전송 및 충전의 수요가 증가하고 있다.

무선전력 전송 기술은 크게 자기장을 이용한 근거리 방식과 전파를 이용한 원거리 방식으로 구분된다. 근거리 무선전력 전송은 코일을 이용하는 자기유도방식과 공명 회로를 이용하는 자기공명 방식을 통해 전력을 전송하는 데, 거리가 멀수록 효율이 급격히 떨어진다. 이에 반해, 원거리 무선전력 전송은 안테나를 통한 전자기파를 방사하여 중/장거리 전력 전송이 가능하다. 무선 전력을 원하는 지점에 집속시키기 위해 배열 안테나 기반의 빔포밍(beamforming)이 사용되지만, 빔포밍은 장애물이 많거나 단일 안테나를 사용할 경우 효율이 떨어진다. 따라서, 실내 환경과 같은 복잡한 전파 환경에서는 기존 방식의 원거리 무선전력 전송으로는 전파 집속의 한계가 존재한다. 이러한 한계를 보완하기 위해, 시간 역전(Time Reversal, TR) 방식을 기반으로 한 무선전력 전송 기술이 최근 제안되었다.

일반적으로 TR 방식은 실제 상황에서 인체 영향 문제를 고려하지 않으면 최대전송효율을 가지므로 지금까지 알려진 무선전력 전송 방식들 중 최적의 무선전력 전송 방식이다. 그러나 전자기파는 신체에 열을 발생시켜 인체에 위험을 초래할 수 있고, 무선전력 전송시스템을 인체에 가깝게 사용하면 해당 시스템의 송신기에서 높은 전력을 사용하기 때문에 다른 무선 장치보다 더 위험하다. 따라서, 무선전력 전송시스템의 설계 과정에서 인체 안전을 고려하여 많은 전력을 전송하는 기술이 필요하다. 하지만, 지금까지 전자기파가 인체에 미치는 영향을 고려한 무선전력 전송 기술이나 연구는 없는 실정이다.

본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은, 미리 결정된 최적화 알고리즘을 기반으로 인체의 안전을 고려한 최적의 무선전력신호를 결정하고, 상기 결정된 무선전력신호를 무선전력 수신장치로 전송할 수 있는 마이크로파 무선전력 전송 방법 및 그 장치를 제공함에 있다.

또 다른 목적은, 배열 안테나와 무선전력 수신장치 간의 채널 응답 데이터와 인체 내부의 전자장 데이터를 이용하여 인체의 안전을 고려한 최적의 무선전력을 상기 무선전력 수신장치로 전송할 수 있는 마이크로파 무선전력 전송 방법 및 그 장치를 제공함에 있다.

상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 단말 사용자의 위치에 대응하는 인체 내부의 전자장 데이터를 획득하는 단계; 무선전력 수신장치로부터 수신된 파일럿 신호를 기반으로 무선전력 송신장치의 배열 안테나와 상기 무선전력 수신장치 간의 채널 응답 데이터를 검출하는 단계; 상기 인체 내부의 전자장 데이터 및 상기 채널 응답 데이터를 이용하여 상기 배열 안테나를 구성하는 각 안테나 소자에서 전송될 무선전력신호를 결정하는 단계; 및 상기 결정된 무선전력신호를 상기 무선전력 수신장치로 전송하는 단계를 포함하는 무선전력 전송 방법을 제공한다. 여기서, 상기 인체 내부의 전자장 데이터는 EM(Electromagnetic) 시뮬레이션을 통해 미리 획득되는 것을 특징으로 한다.

좀 더 바람직하게는, 상기 획득 단계는 인체 검출부를 이용하여 무선전력 송신장치의 주변에 존재하는 단말 사용자의 위치를 검출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

좀 더 바람직하게는, 상기 결정 단계는 배열 안테나와 무선전력 수신장치 간의 채널 응답 데이터를 이용하여 각 안테나 소자에서 전송될 무선전력신호의 위상을 결정하는 것을 특징으로 한다.

좀 더 바람직하게는, 상기 결정 단계는 미리 결정된 최적화 알고리즘을 이용하여 각 안테나 소자에서 전송될 무선전력신호의 진폭을 결정하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 미리 결정된 최적화 알고리즘은 컨벡스(convex) 최적화 알고리즘임을 특징으로 한다.

좀 더 바람직하게는, 상기 컨벡스 최적화 알고리즘의 목적 함수는 무선전력 수신장치가 무선전력 송신장치로부터 수신하는 무선전력의 최대값으로 설정되는 것을 특징으로 한다. 상기 목적 함수에 적용되는 제한 조건은 인체 내부의 전자파 흡수율(Specific Absorption Rate, SAR)과 무선전력 송신장치의 송신 파워를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 단말 사용자의 위치를 검출하는 인체 검출부; 상기 단말 사용자의 위치에 따른 인체 내부의 전자장 데이터를 저장하는 메모리; 무선전력 수신장치로부터 수신된 파일럿 신호를 기반으로 배열 안테나와 상기 무선전력 수신장치 간의 채널 응답 데이터를 검출하는 채널 응답 검출부; 및 상기 인체 내부의 전자장 데이터 및 상기 채널 응답 데이터를 이용하여 상기 배열 안테나를 구성하는 각 안테나 소자에서 전송될 무선전력신호를 결정하는 제어부를 포함하는 무선전력 송신장치를 제공한다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 단말 사용자의 위치에 대응하는 인체 내부의 전자장 데이터를 획득하는 과정; 무선전력 수신장치로부터 수신된 파일럿 신호를 기반으로 무선전력 송신장치의 배열 안테나와 상기 무선전력 수신장치 간의 채널 응답 데이터를 검출하는 과정; 상기 인체 내부의 전자장 데이터 및 상기 채널 응답 데이터를 이용하여 상기 배열 안테나를 구성하는 각 안테나 소자에서 전송될 무선전력신호를 결정하는 과정; 및 상기 결정된 무선전력신호가 상기 무선전력 수신장치로 전송되도록 하는 과정이 컴퓨터 상에서 실행되도록 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 저장된 컴퓨터 프로그램을 제공한다.

본 발명의 실시 예들에 따른 마이크로파 무선전력 전송 방법 및 그 장치의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 배열 안테나와 무선전력 수신장치 간의 채널 응답 데이터와 사람의 위치에 따른 인체 내부의 전자장 데이터를 이용하여 최적의 무선전력신호를 전송함으로써, 국제 단체에서 요구하는 인체 안전 규정을 만족시키면서 최대 무선전력을 무선전력 수신장치로 전송할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 미리 결정된 최적화 알고리즘을 이용한 무선전력 전송 방식을 제공함으로써, 무선전력전송의 모든 시나리오 환경에서 적용 가능하고, 고속 충전이 가능하며, 기존의 TR 방식보다 많은 전력을 무선전력 수신장치로 전송할 수 있다는 장점이 있다.

다만, 본 발명의 실시 예들에 따른 마이크로파 무선전력 전송 방법 및 그 장치가 달성할 수 있는 효과는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선전력 전송시스템의 구성을 나타내는 도면;
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선전력 송신장치의 구성을 나타내는 도면;
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 인체 내부의 전자장 데이터를 획득하는 방법을 설명하는 순서도;
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선전력 전송 방법을 설명하는 순서도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 출원에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 본 출원에서, "포함한다" 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.

본 발명은 미리 결정된 최적화 알고리즘을 기반으로 인체의 안전을 고려한 최적의 무선전력신호를 결정하고, 상기 결정된 무선전력신호를 무선전력 수신장치로 전송할 수 있는 마이크로파 무선전력 전송 방법 및 그 장치를 제안한다. 또한, 본 발명은 배열 안테나와 무선전력 수신장치 간의 채널 응답 데이터와 인체 내부의 전자장 데이터를 이용하여 인체의 안전을 고려한 최적의 무선전력을 상기 무선전력 수신장치로 전송할 수 있는 마이크로파 무선전력 전송 방법 및 그 장치를 제안한다.

이하에서는, 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여, 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선전력 전송시스템의 구성을 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선전력 전송시스템(100)은 마이크로파(Microwave)를 이용한 무선전력을 송신하는 무선전력 송신장치(110)와 상기 무선전력을 수신하는 무선전력 수신장치(120)를 포함한다. 이때, 상기 무선전력 송신장치(110) 및 무선전력 수신장치(120)는 실내 또는 실외에 위치할 수 있다. 이하, 본 명세서에서는, 상기 무선전력 송신장치(110) 및 무선전력 수신장치(120)가 실내에 위치하는 것을 예시하여 설명하도록 한다.

무선전력 송신장치(110)는 미리 결정된 패턴으로 배열된 복수의 안테나 소자들을 포함하는 배열 안테나(array antenna)를 이용하여 무선전력신호를 전송할 수 있다.

무선전력 송신장치(110)는 무선전력 수신장치(120)로부터 수신된 파일럿 신호(pilot signal)를 기반으로 배열 안테나를 구성하는 안테나 소자들과 무선전력 수신장치(120) 간의 채널 응답(channel response)을 획득할 수 있다.

무선전력 송신장치(110)는 미리 결정된 최적화 알고리즘(가령, 컨벡스(convex) 최적화 알고리즘)을 기반으로 인체의 안전을 고려한 최적의 무선전력신호를 결정하고, 상기 결정된 무선전력신호를 무선전력 수신장치(120)로 전송할 수 있다. 이때, 상기 무선전력 송신장치(110)는 배열 안테나와 무선전력 수신장치(120) 간의 채널 응답 데이터와 사람의 위치에 따른 인체 내부의 전자장 데이터를 이용하여 인체의 안전을 고려한 최적의 무선전력신호를 결정할 수 있다.

무선전력 수신장치(120)는 미리 결정된 패턴으로 배열된 복수의 안테나 소자들을 포함하는 배열 안테나를 이용하여 무선전력 송신장치(110)로부터 무선전력신호를 수신할 수 있다. 한편, 다른 실시 예로, 무선전력 수신장치(120)는 배열 안테나 대신 단일 안테나를 이용하여 무선전력신호를 수신할 수 있다.

무선전력 수신장치(120)는 무선전력신호와 동일한 주파수 대역 또는 다른 주파수 대역을 갖는 파일럿 신호를 생성하여 무선전력 송신장치(110)로 전송할 수 있다. 이때, 상기 파일럿 신호는 무선전력 송신장치(110)에서 배열 안테나와 무선전력 수신장치(120) 간의 채널 응답 특성을 검출하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 상기 파일럿 신호는 무선전력 송신장치(110)에서 무선전력 수신장치(120)의 위치를 추적하기 위해 사용될 수 있다.

이와 같은 무선전력 수신장치(120)는 단말 사용자(130)와 인접하여 배치되는 이동 단말기, 고정 단말기, 사물인터넷(IoT), 센서, 휴대용 의료기기 및 생체 이식 장치 등과 같은 다양한 전자 장치에 탑재되어, 무선전력을 충전하는 용도로 사용될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선전력 송신장치의 구성을 나타내는 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선전력 송신장치(200)는 신호 발생기(210), 신호 전처리부(220), 신호 분배부(230), RF 신호 처리부(240), 배열 안테나(250), 인체 검출부(260), 채널 응답 검출부(270), 메모리(280) 및 제어부(290)를 포함한다. 도 2에 도시된 구성요소들은 무선전력 송신장치를 구현하는데 있어서 필수적인 것은 아니어서, 본 명세서 상에서 설명되는 무선전력 송신장치는 위에서 열거된 구성요소들보다 많거나 또는 적은 구성요소들을 가질 수 있다.

신호 발생기(210)는 무선전력 수신장치(120)로 무선전력을 전송하기 위한 기준 신호를 생성할 수 있다. 이때, 상기 신호 발생기(210)는 미리 결정된 마이크로 주파수 대역을 갖는 기준 신호를 생성할 수 있다. 또한, 신호 발생기(210)는, 제어부(290)의 전력 제어 명령에 따라, 미리 결정된 전력 세기를 갖는 기준 신호를 생성할 수 있다.

신호 전처리부(220)는 믹서(Mixer) 및 고출력 증폭기(High Power Amplifier, HPA)를 포함할 수 있다. 신호 전처리부(220)는 믹서를 통해 신호 발생기(210)로부터 수신된 기준 신호의 주파수를 변경할 수 있다. 이후, 신호 전처리부(220)는 고출력 증폭기(HPA)를 통해 주파수 변경된 기준 신호의 진폭(또는 세기)을 증폭할 수 있다. 한편, 상기 신호 전처리부(220)는 본 발명의 필수적인 구성요소는 아니며 실시 형태에 따라 생략 가능하도록 구성될 수 있다.

신호 분배기(230)는 신호 발생기(210) 또는 신호 전처리부(220)로부터 수신된 하나의 기준 신호를 복수 개의 무선전력신호로 분기하여 RF 신호 처리부(240)로 출력할 수 있다.

RF 신호 처리부(240)는 배열 안테나(250)를 구성하는 복수의 안테나 소자들(255)에 각각 대응하는 복수 개의 RF 신호 처리 유닛들(245)을 포함할 수 있다. 여기서, 각각의 RF 신호 처리 유닛(245)은 위상 천이기(PS) 및 고출력 증폭기(HPA)를 포함할 수 있다.

각각의 RF 신호 처리 유닛(245)은, 제어부(290)의 위상 제어 명령에 따라, 위상 천이기(PS)를 통해 무선전력신호의 위상을 조절할 수 있다. 또한, 각각의 RF 신호 처리 유닛(245)은, 제어부(290)의 전력 제어 명령에 따라, 고출력 증폭기를 통해 무선전력신호의 진폭을 조절할 수 있다.

배열 안테나(250)는 미리 결정된 패턴으로 배열된 복수의 안테나 소자들(255)을 포함할 수 있다. 각각의 안테나 소자(255)는 그에 대응하는 RF 신호 처리 유닛(245)으로부터 수신된 무선전력신호를 방사할 수 있다. 또한, 각각의 안테나 소자(255)는 무선전력 수신장치(120)로부터 전송된 파일럿 신호를 수신할 수 있다.

인체 검출부(260)는 무선전력 송신장치(200)의 주변에 존재하는 사람(즉, 단말 사용자)의 위치를 검출할 수 있다. 이를 위해, 상기 인체 검출부(260)는 카메라, 레이더, 적외선 센서 및 초음파 센서 등을 포함할 수 있다.

채널 응답 검출부(270)는 배열 안테나(250)를 통해 수신된 파일럿 신호를 기반으로 상기 배열 안테나(250)의 안테나 소자들(255)과 무선전력 수신장치(120) 간의 채널 응답을 검출할 수 있다.

메모리(280)는 무선전력 송신장치(200)의 기능을 지원하는 데이터를 저장한다. 일 예로, 상기 메모리(280)는 특정 장소에 존재하는 사람의 위치에 따른 인체 내부의 전자장 데이터를 저장할 수 있다. 이때, 상기 인체 내부의 전자장 데이터는 EM(Electromagnetic) 시뮬레이션을 통해 미리 획득하여 저장될 수 있다.

메모리(280)는 무선전력 송신장치(200)에서 구동되는 응용 프로그램(application program), 무선전력 송신장치(200)의 동작을 위한 데이터들, 명령어들을 저장할 수 있다. 일 예로, 상기 메모리(280)는 인체의 안전을 고려하면서 최적의 무선전력을 전송하기 위한 최적화 알고리즘에 관한 정보를 저장할 수 있다. 이때, 상기 최적화 알고리즘은 컨벡스 최적화 알고리즘일 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.

제어부(또는 프로세서, 290)는 무선전력 송신장치(200)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 또한, 제어부(290)는 메모리(280)에 저장된 응용 프로그램을 구동하기 위하여, 무선전력 송신장치(200)에 포함된 구성요소들 중 적어도 일부를 제어할 수 있다.

제어부(290)는 배열 안테나(250)와 무선전력 수신장치(120) 간의 채널 응답 데이터와 사람의 위치에 따른 인체 내부의 전자장 데이터를 획득하고, 상기 획득된 데이터를 이용하여 배열 안테나(250)의 각 안테나 소자에서 전송할 최적의 무선전력신호를 결정할 수 있다.

이상 상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선전력 송신장치는 배열 안테나와 무선전력 수신장치 간의 채널 응답 데이터와 사람의 위치에 따른 인체 내부의 전자장 데이터를 이용하여 최적의 무선전력신호를 전송함으로써, 국제 단체에서 요구하는 인체 안전 규정을 만족시키면서 최대 무효전력을 무선전력 수신장치로 전송할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 인체 내부의 전자장 데이터를 획득하는 방법을 설명하는 순서도이다.

도 3을 참조하면, 무선전력 전송시스템의 운용자는 인체 내부의 전자장 분석이 가능한 EM 시뮬레이터를 구동한다(S310). 상기 EM 시뮬레이터는 컴퓨터 등에 설치된 응용 프로그램일 수 있다.

EM 시뮬레이터는, 시스템 운용자의 제어 명령 등에 따라, 무선전력 송신장치가 설치될 특정 장소를 설정한다(S320). 이때, 상기 특정 장소는 실내 공간이거나 혹은 실외 공간일 수 있다.

EM 시뮬레이터는, 시스템 운영자의 제어 명령 등에 따라, 인체 내부의 전자장 데이터를 획득할 특정 장소의 초기 위치를 설정한다(S330). 즉, EM 시뮬레이터는 상기 전자장 데이터의 획득 대상이 되는 사람의 초기 위치를 설정한다.

EM 시뮬레이터는 무선전력 송신장치의 배열 안테나를 구성하는 복수의 안테나 소자들에서 단위 전압 신호를 순차적으로 전송하도록 시뮬레이션한다(S340). 이때, 상기 단위 전압 신호는 1V의 크기를 갖는 정현파 신호일 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.

EM 시뮬레이터는 각각의 안테나 소자에서 전송한 단위 전압 신호로 인해 특정 위치에 존재하는 사람의 인체 내부에서 발생하는 전자장 데이터를 획득한다(S350).

EM 시뮬레이터는 각 안테나 소자 별 인체 내부의 전자장 데이터를 메모리에 저장한다(S360). 상기 메모리에 저장된 인체 내부의 전자장 데이터는 추후 무선전력 송신장치에서 인체 안전을 고려한 최적의 무선전력신호를 결정하는데 사용된다.

EM 시뮬레이터는 특정 장소의 모든 위치에서 인체 내부의 전자장 데이터를 획득하였는지 여부를 확인한다(S370).

상기 370 단계의 확인 결과, 특정 장소의 모든 위치에서 인체 내부의 전자장 데이터를 획득하지 않은 경우, EM 시뮬레이터는 인체 내부의 전자장 데이터를 획득할 사람의 위치를 변경한다(S380). 이 후, EM 시뮬레이터는 상술한 340 단계 내지 360 단계의 동작을 수행한다. 이러한 과정은 특정 장소의 모든 위치에서 인체 내부의 전자장 데이터를 획득할 때까지 반복될 수 있다.

한편, 상기 370 단계의 확인 결과, 특정 장소의 모든 위치에서 인체 내부의 전자장 데이터를 획득한 경우, EM 시뮬레이터는 인체 내부의 전자장 데이터를 획득하는 프로세스를 종료한다.

이와 같이, EM 시뮬레이터를 구동하여 특정 장소에서의 사람 위치에 따른 인체 내부의 전자장 데이터를 획득할 수 있으며, 상기 획득된 전자장 데이터는 무선전력 송신장치로 제공되어 사용될 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선전력 전송 방법을 설명하는 순서도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 무선전력 송신장치(200)는 인체 검출부(260)를 이용하여 주변에 존재하는 단말 사용자의 위치를 검출할 수 있다(S410). 이때, 상기 인체 검출부(260)는 카메라, 레이더, 적외선 센서 및 초음파 센서 등을 포함할 수 있다.

무선전력 송신장치(200)는 단말 사용자의 위치에 대응하는 인체 내부의 전자장 데이터를 메모리(280)로부터 획득할 수 있다(S420). 상기 메모리(280)에 저장된 인체 내부의 전자장 데이터는 상술한 EM 시뮬레이션을 통해 미리 획득될 수 있다.

무선전력 송신장치(200)는 배열 안테나(250)를 구성하는 복수의 안테나 소자들을 통해 무선전력 수신장치(120)에서 전송된 파일럿 신호를 수신할 수 있다(S430). 이때, 상기 파일럿 신호는 단위 전압 크기(가령, 1V)를 갖는 정현파 신호일 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.

무선전력 송신장치(200)는 무선전력 수신장치(120)로부터 수신된 파일럿 신호를 기반으로 배열 안테나(250)를 구성하는 복수의 안테나 소자들과 무선전력 수신장치(120) 간의 채널 응답 데이터를 검출할 수 있다(S440).

무선전력 송신장치(200)는 각 안테나 소자와 무선전력 수신장치 간의 채널 응답 데이터를 이용하여 각 안테나 소자에서 전송될 무선전력신호의 최적 위상(phase)을 결정할 수 있다(S450). 좀 더 구체적으로, 무선전력 송신장치(200)는 각 안테나 소자와 무선전력 수신장치 간의 채널 응답 데이터의 위상을 검출하고, 상기 검출된 위상과 반대되는 위상(즉, 위상 부호가 반대인 값)을 각 안테나 소자에서 전송될 무선전력신호의 최적 위상으로 결정할 수 있다.

무선전력 송신장치(200)는 미리 결정된 최적화 알고리즘을 이용하여 배열 안테나를 구성하는 각 안테나 소자에서 전송될 무선전력신호의 최적 진폭을 결정할 수 있다(S460). 이때, 미리 결정된 최적화 알고리즘은 컨벡스 최적화 알고리즘일 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.

일반적으로 최적화 문제(Optimization problem)란 여러 개의 선택 가능한 후보들 중에서 최적의 해(Optimal value) 또는 최적의 해에 근접한 값을 찾는 문제를 일컫는다. 일반적으로 기계학습 분야에서는 비용함수(Cost function)를 최소화 또는 최대화시키는 모델의 파라미터(또는 변수)를 구하게 되는데, 이것은 최적화 문제로 정의될 수 있다.

컨벡스 최적화 문제는 이러한 최적화 문제의 한 종류이다. 컨벡스 최적화 알고리즘은 문제를 컨벡스 함수(convex function)로 정의해서 최대값 또는 최소값을 구하는 기법을 지칭한다. 본 발명에 적용되는 컨벡스 최적화 알고리즘은 제한된 전자파 흡수율과 송신 파워를 만족시키며 무선전력 수신장치로 최대 파워를 전송하는 알고리즘이다. 이러한 컨벡스 최적화 알고리즘을 통해 구하고자 하는 변수는 무선전력 송신장치의 각 안테나 소자에서 전송될 무선전력신호의 진폭(amplitude)이다.

이와 같은 컨벡스 최적화 알고리즘의 목적 함수(target function)는 무선전력 수신장치가 무선전력 송신장치로부터 수신하는 무선전력의 최대값으로 설정될 수 있다. 이에 따라, 상기 목적 함수(f)는 아래 수학식 1과 같이 정의될 수 있다. 참고로, 무선전력 수신장치에서의 저항(R)은 고정된 값이므로 수신 무선전력을 최대화하는데 영향을 미치지 않아, 하기 수학식 1에서는 전력 계산식에서 저항(R) 성분을 생략하여 수식을 단순화였다.

여기서,

는 무선전력 수신장치가 무선전력 송신장치로부터 수신하는 무선전력신호의 전압으로서, 아래 수학식 2와 같이 표현될 수 있다. 그리고,

는 무선전력 송신장치의 배열 안테나에서 전송하는 무선전력신호의 진폭으로서 아래 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.

여기서,

는 N번째 송신 안테나와 무선전력 수신장치 간의 채널 응답(channel response)이고,

는 N번째 송신 안테나에서 전송하는 무선전력 신호의 진폭임.

컨벡스 최적화 알고리즘의 목적 함수(f)에 적용되는 제한 조건은 인체 내부의 전자파 흡수율(Specific Absorption Rate, SAR)과 무선전력 송신장치의 송신 파워이다. 상기 제한된 전자파 흡수율은 아래 수학식 4와 같이 정의될 수 있고, 상기 제한된 무선전력 송신장치의 송신 파워는 아래 수학식 5와 같이 정의될 수 있다.

여기서,

은 전자파 흡수율의 계산식,

는 IEEE에 의해 허용된 최대 전자파 흡수율,

는 인체 내부의 위치 r에서의 전기장,

는 인체의 밀도,

는 인체의 전기 전도도임.

여기서,

은 무선전력 송신장치의 배열 안테나에서 전송하는 총 송신 전력의 계산식,

는 최대 송신 파워, R은 무선전력 송신장치의 배열 안테나의 radiation 저항,

임.

상술한 제한 조건과 목적 함수를 갖는 컨벡스 최적화 알고리즘을 이용하여 무선전력 송신장치의 각 안테나 소자에서 전송될 무선전력신호의 최적 진폭(

)을 결정할 수 있다.

무선전력 송신장치(200)는 배열 안테나를 구성하는 복수의 안테나 소자들을 이용하여 상술한 과정을 통해 결정된 최적의 위상 및 진폭 값을 갖는 무선전력신호들을 전송할 수 있다(S470). 이에 따라, 무선전력 송신장치(200)는 인체의 안전 규정을 만족시키면서 무선전력 수신장치로 최대의 무선전력을 전송할 수 있게 된다.

이상 상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선전력 전송 방법은 배열 안테나와 무선전력 수신장치 간의 채널 응답 데이터와 사람의 위치에 따른 인체 내부의 전자장 데이터를 이용하여 최적의 무선전력신호를 전송함으로써, 국제 단체에서 요구하는 인체 안전 규정을 만족시키면서 최대 무효전력을 무선전력 수신장치로 전송할 수 있다.

전술한 본 발명은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다. 또한, 상기 컴퓨터는 단말기의 제어부(180)를 포함할 수도 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

100: 무선전력 전송시스템 110/200: 무선전력 송신장치
120: 무선전력 수신장치 210: 신호 발생기
220: 신호 전처리부 230: 신호 분배부
240: RF 신호 처리부 250: 배열 안테나
260: 인체 검출부 270: 채널 응답 검출부
280: 메모리 290: 제어부

Claims (10)

1. 단말 사용자의 위치에 대응하는 인체 내부의 전자장 데이터를 획득하는 단계;
   무선전력 수신장치로부터 수신된 파일럿 신호를 기반으로 무선전력 송신장치의 배열 안테나와 상기 무선전력 수신장치 간의 채널 응답 데이터를 검출하는 단계;
   상기 인체 내부의 전자장 데이터 및 상기 채널 응답 데이터를 이용하여 상기 배열 안테나를 구성하는 각 안테나 소자에서 전송될 무선전력신호를 결정하는 단계; 및
   상기 결정된 무선전력신호를 상기 무선전력 수신장치로 전송하는 단계를 포함하는 무선전력 송신장치에서의 무선전력 전송 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 인체 내부의 전자장 데이터는, EM(Electromagnetic) 시뮬레이션을 통해 미리 획득되는 것을 특징으로 하는 무선전력 송신장치에서의 무선전력 전송 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 획득 단계는,
   인체 검출부를 이용하여 상기 무선전력 송신장치의 주변에 존재하는 단말 사용자의 위치를 검출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력 송신장치에서의 무선전력 전송 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 결정 단계는,
   상기 채널 응답 데이터를 이용하여 각 안테나 소자에서 전송될 무선전력신호의 위상을 결정하는 것을 특징으로 하는 무선전력 송신장치에서의 무선전력 전송 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 결정 단계는,
   미리 결정된 최적화 알고리즘을 이용하여 각 안테나 소자에서 전송될 무선전력신호의 진폭을 결정하는 것을 특징으로 하는 무선전력 송신장치에서의 무선전력 전송 방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 미리 결정된 최적화 알고리즘은 컨벡스(convex) 최적화 알고리즘임을 특징으로 하는 무선전력 송신장치에서의 무선전력 전송 방법.
7. 제5항에 있어서,
   상기 컨벡스 최적화 알고리즘의 목적 함수는, 상기 무선전력 수신장치가 상기 무선전력 송신장치로부터 수신하는 무선전력의 최대값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 무선전력 송신장치에서의 무선전력 전송 방법.
8. 제7항에 있어서,
   상기 목적 함수에 적용되는 제한 조건은, 인체 내부의 전자파 흡수율(Specific Absorption Rate, SAR)과 상기 무선전력 송신장치의 송신 파워를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력 송신장치에서의 무선전력 전송 방법.
9. 청구항 제1항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 따른 방법이 컴퓨터 상에서 실행되도록 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
10. 단말 사용자의 위치를 검출하는 인체 검출부;
    상기 단말 사용자의 위치에 따른 인체 내부의 전자장 데이터를 저장하는 메모리;
    무선전력 수신장치로부터 수신된 파일럿 신호를 기반으로 배열 안테나와 상기 무선전력 수신장치 간의 채널 응답 데이터를 검출하는 채널 응답 검출부; 및
    상기 인체 내부의 전자장 데이터 및 상기 채널 응답 데이터를 이용하여 상기 배열 안테나를 구성하는 각 안테나 소자에서 전송될 무선전력신호를 결정하는 제어부를 포함하는 무선전력 송신장치.

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