KR20230040568A - System and Method for wireless power transfer having receiving power based beam scanning algorithm to achieve optimized transfer efficiency - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 무선 전력 전송 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 지능형 반사표면(RIS: Reconfigurable Intelligent Surface)을 활용하여 전송 효율 최적화를 위한 수신 전력 기반 빔 스캐닝 알고리즘을 구현하는 무선 전력 전송 시스템 및 방법에 대한 것이다.The present invention relates to wireless power transmission technology, and more particularly, to a wireless power transmission system and method for implementing a received power-based beam scanning algorithm for optimizing transmission efficiency by utilizing a reconfigurable intelligent surface (RIS). will be.
무선 전력 전송 기술에 대해 이를 구현하기 위해 많은 제안이 있었다. 이중 3차원 메타 구조를 구현하여 무선 송전 시스템이 제안되었다. There have been many proposals to implement this for wireless power transmission technology. A wireless transmission system is proposed by implementing a double 3D metastructure.
이 경우, 무선 송전 시스템의 전체적인 소형화와 고효율을 이끌어냈지만, 근거리 무선전력전송에 초점을 맞춘 기술이며 원거리 무선전력전송을 위한 빔 조향 및 포커싱을 수행할 수 없다. 즉, 송신기와 수신기는 높은 전력 전달 효율을 보장하기 위해 나란히 배치되어야만 하는 문제점이 있다.In this case, although overall miniaturization and high efficiency of the wireless power transmission system have been achieved, it is a technology focused on short-distance wireless power transmission and beam steering and focusing for long-distance wireless power transmission cannot be performed. That is, there is a problem in that the transmitter and the receiver must be arranged side by side to ensure high power transfer efficiency.
또한, 전자기파를 집중시키기 위해 표층 반사 어레이 평면을 채택한 방식이 제안되었으나, 빔 조향 및 무선전력전송에 활용은 구현되지 않은 단점이 있다.In addition, although a method of adopting a surface reflection array plane has been proposed to focus electromagnetic waves, there is a disadvantage in that utilization for beam steering and wireless power transmission is not implemented.
또한, 송신기에서 수신기로 전자파 방사선을 집중시키기 위한 초점 렌즈로 금속 물질을 사용한 차량에 대한 무선전력전송 방법 및 장치가 제안되었다. 이 경우, 시스템에서는 전자기 유도 방식을 사용하는 근거리 무선전력전송에 대한 내용만이 개시되어 있다.In addition, a wireless power transmission method and apparatus for a vehicle using a metal material as a focusing lens for concentrating electromagnetic radiation from a transmitter to a receiver has been proposed. In this case, only information about short-distance wireless power transmission using electromagnetic induction is disclosed in the system.
또한, 또 다른 RF(Radio Frequency) 렌즈 어레이 방식이 제안되었다. 이 경우, RF 렌즈 배열에는 무선 전력 전송에 활용한 다수의 복사기가 포함되어 있다. 또한, 복사 전력을 좁은 공간에 집중시키고, 그 공간에 배치된 전자 장치에 전력을 공급하도록 변조되는 특징만이 개시되어 있다.In addition, another RF (Radio Frequency) lens array method has been proposed. In this case, the RF lens array includes a plurality of copiers used for wireless power transmission. In addition, only features are disclosed that are modulated to concentrate radiated power in a narrow space and to supply power to an electronic device disposed in the space.
또한, 수신기에서 송신된 상태/정보를 이용하여 무선전력전송의 효율을 높일 수 있는 기술이 제안되었다. 이 경우, 근거리 전력전송에 한정되어 있으며, RIS(reconfigurable intelligent surface)는 평면에 대한 언급이 없다는 문제점이 있다.In addition, a technique capable of increasing the efficiency of wireless power transmission using status/information transmitted from a receiver has been proposed. In this case, it is limited to short-distance power transmission, and there is a problem in that a reconfigurable intelligent surface (RIS) does not mention a plane.
또한, RIS를 활용한 빔 조향 기술이 제안되었다. 이 경우, RIS를 활용한 근축광선(paraxial ray) 빔 형성을 통해 프레넬(Fresnel) 영역에 수신단이 있다고 가정한 후 그 위치로의 빔 조향을 제시하고 있을 뿐이다.In addition, a beam steering technology using RIS has been proposed. In this case, after assuming that there is a receiving end in a Fresnel region through paraxial ray beam formation using RIS, beam steering to that position is only presented.
또한, 산란행렬(Scattering matrix) 기반 빔 조향에 대한 기술이 제안되었다. 이 경우, RIS의 각 단위셀의 임피던스값을 자유롭게 조정할 수 있는 환경아래에서 시스템의 산란행렬(Scattering matrix) 기반 빔 조향을 제시하고 있을 뿐이다. 즉, 단순히 빔 조향에 대한 기술만 개시되어 있다. In addition, a technique for beam steering based on a scattering matrix has been proposed. In this case, the beam steering based on the scattering matrix of the system is only presented under an environment where the impedance value of each unit cell of the RIS can be freely adjusted. That is, only a technology for beam steering is disclosed.
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해서 제안된 것으로서, 지능형 반사표면(RIS: Reconfigurable Intelligent Surface)을 활용하여 전송 효율 최적화를 위한 수신 전력 기반 빔 스캐닝 알고리즘을 구현하는 무선 전력 전송 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been proposed to solve the problems caused by the above background art, and a wireless power transmission system and method for implementing a received power-based beam scanning algorithm for optimizing transmission efficiency by utilizing a reconfigurable intelligent surface (RIS). Its purpose is to provide
또한, 본 발명은 수신 전력 레벨만으로 수신단의 위치에 따른 적응형 빔 포커싱 구현이 가능한 알고리즘을 갖는 무선 전력 전송 시스템 및 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.In addition, another object of the present invention is to provide a wireless power transmission system and method having an algorithm capable of implementing adaptive beam focusing according to the location of a receiving end only with a received power level.
또한, 본 발명은 수신단에 추가 하드웨어 설치를 필요로 하지 않고도 복잡도를 크게 낮출 수 있는 무선 전력 전송 시스템 및 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.In addition, another object of the present invention is to provide a wireless power transmission system and method capable of greatly reducing complexity without requiring additional hardware installation in a receiving end.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 지능형 반사표면(RIS: Reconfigurable Intelligent Surface)을 활용하여 전송 효율 최적화를 위한 수신 전력 기반 빔 스캐닝 알고리즘을 구현하는 무선 전력 전송 시스템을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a wireless power transmission system that implements a received power-based beam scanning algorithm for optimizing transmission efficiency by utilizing a reconfigurable intelligent surface (RIS).
상기 무선 전력 전송 시스템은, The wireless power transmission system,
다수의 제 1 RIS(Reconfigurable Intelligent Surface) 단위 셀로 이루어진 제 1 안테나를 갖는 송신단;a transmitter having a first antenna composed of a plurality of first RIS (Reconfigurable Intelligent Surface) unit cells;
다수개의 제 2 RIS 단위 셀로 이루어진 직사각형 모양의 RIS 타일이 다수개로 부분배열되어 구성되는 RIS 어레이 블럭;a RIS array block configured by partially arranging a plurality of rectangular RIS tiles composed of a plurality of second RIS unit cells;
다수개의 제 3 RIS 단위 셀로 이루어진 제 2 안테나를 갖는 수신단;을 포함하는 것을 특징으로 한다.It is characterized by including; a receiving end having a second antenna consisting of a plurality of third RIS unit cells.
이때, 상기 송신단은 상기 송신단, 상기 RIS 어레이 블록, 및 상기 수신단간의 채널 정보 분석을 통해 빔 형성 및 조향을 위한 각 단위셀 조정 값을 정의하고, 상기 각 단위셀 조정값을 기반으로 상기 부분배열마다 빔 스캐닝을 수행하는 것을 특징으로 한다.At this time, the transmitting end defines each unit cell adjustment value for beam forming and steering through channel information analysis between the transmitting end, the RIS array block, and the receiving end, and based on the unit cell adjustment value, for each subarray It is characterized by performing beam scanning.
또한, 상기 빔 형성은 상기 수신단에서의 수신 전력 레벨 감지를 이용하는 것을 특징으로 한다.In addition, the beam forming is characterized in that the detection of the received power level at the receiving end is used.
또한, 상기 제 1 안테나 및 상기 제 2 안테나는 좌표계를 갖도록 다수의 단일 안테나 구성요소가 x축과 y축에 배열되는 직사각형 평면 어레이 안테나인 것을 특징으로 한다.In addition, the first antenna and the second antenna are characterized in that a rectangular planar array antenna in which a plurality of single antenna elements are arranged in the x-axis and the y-axis to have a coordinate system.
또한, 송신단의 상기 제 1 RIS 단위 셀 (m,n) 인덱스 및 수신단의 상기 제 3 RIS 단위 셀 (m,n) 인덱스의 위치(μ)는 각각 수학식 및 (여기서, 는 각각 x 및 y 방향에서 인접한 단일 안테나 구성요소 간격이고, Tx는 송신단을 의미하고, Rx는 수신단을 의미하고, M,N,m,n은 양의 자연수이고,는 수학적 모델로써 J개를 가지는 어떠한 모델에서 j번째에 있는 것을 가리키며, T는 전치 행렬을 의미하고, , 는 가로로 M개의 단일 안테나 구성요소를 가지는 송신용 평면 안테나에서 가로로 m번 째 단일 안테나 구성요소, 는 세로로 N개의 단일 안테나 구성요소를 가질 때, 세로로 n번 째에 있는 단일 안테나 구성요소를 가리키며, 는 가로로 M개의 단일 안테나 구성요소를 가지는 수신용 평면 안테나에서 가로로 m번 째 단일 안테나 구성요소, 는 세로로 N개의 단일 안테나 구성요소를 가질 때, 세로로 n번 째에 있는 단일 안테나 구성요소를 가리킨다)으로 정의되는 것을 특징으로 한다.In addition, the positions (μ) of the first RIS unit cell (m,n) index of the transmitter and the third RIS unit cell (m,n) index of the receiver are respectively Equation and (here, are adjacent single antenna element spacings in the x and y directions, respectively, Tx denotes the transmitting end, Rx denotes the receiving end, M, N, m, n are positive natural numbers, Indicates the jth in any model with J as a mathematical model, T means a transposition matrix, , is the m-th single antenna element horizontally in a transmission planar antenna having M single antenna elements horizontally , When has N single antenna elements vertically, refers to the single antenna element in the nth position vertically, is the m-th single antenna element horizontally in a reception planar antenna having M single antenna elements horizontally , When having N number of single antenna elements in the vertical direction, it refers to the single antenna element in the nth position in the vertical direction).
또한, 상기 RIS 타일이 인덱싱된 타일(k)은 의 상기 제 2 RIS 단위셀의 부분배열을 가지며, 상기 제 2 RIS 단위셀 (m,n) 인덱스의 위치(μ)는 수학식 (여기서, , 및 은 각각 x 및 y 방향에서 정의된 RIS 단위 셀 간격이고, 는 RIS 타일 K가 가로로 M개의 단위셀을 가질 때 가로로부터 m번 째 있는 단위셀이고, 는 RIS 타일 K가 세로로 N개의 단위셀을 가질 때 세로로부터 n번 째 있는 단위셀이다)으로 정의되는 것을 특징으로 한다.In addition, the tile k indexed by the RIS tile is has a partial arrangement of the second RIS unit cell of, and the position (μ) of the second RIS unit cell (m, n) index is Equation (here, , and are the RIS unit cell spacing defined in the x and y directions, respectively, is the mth unit cell from the horizontal when the RIS tile K has M unit cells horizontally, is the n-th unit cell from the vertical when the RIS tile K has N unit cells vertically).
또한, 상기 RIS 타일의 크기는 상기 송신단의 원점과 상기 RIS 타일 사이의 거리( ) 및 상기 RIS 타일의 원점과 상기 수신단 사이의 거리()에 비해 작은 것을 특징으로 한다.In addition, the size of the RIS tile is the distance between the origin of the transmitter and the RIS tile ( ) and the distance between the origin of the RIS tile and the receiving end ( ) is smaller than that of
또한, 상기 송신단에서 RIS 타일까지의 방향의 u-v 좌표(S)는 수학식 (여기서, 및 는 각각 상기 송신단에서 상기 RIS 타일까지의 고도각 및 방위각이고, 및 은 각각 상기 RIS 타일에서 상기 송신단까지의 고도각 및 방위각이고, T는 전치이다)으로 정의되는 것을 특징으로 한다.In addition, the uv coordinate (S) of the direction from the transmitter to the RIS tile is (here, and are elevation angles and azimuth angles from the transmitter to the RIS tile, respectively; and is an elevation angle and an azimuth angle from the RIS tile to the transmitter, respectively, and T is a transposition).
또한, 상기 RIS 타일에 대해 제어를 위한 제어 매개 변수가 설정되며, 상기 제어 매개 변수는 방향 제어 매개 변수(ck) 및 위상 제어 매개 변수(wk)로 이루어지며, 상기 방향 제어 매개 변수(ck)는 수학식 (여기서, 및 는 각각 IS 타일에서 반사된 전자기파의 고도각 및 방위각이고, T는 전치이다)으로 정의되는 것을 특징으로 한다.In addition, a control parameter for control is set for the RIS tile, the control parameter is composed of a direction control parameter (c k ) and a phase control parameter (w k ), and the direction control parameter (c k ) k ) is the equation (here, and are the elevation and azimuth angles of the electromagnetic wave reflected from the IS tile, respectively, and T is the displacement).
또한, 상기 방향 제어 매개 변수(ck) 및 위상 제어 매개 변수(wk)를 이용하여 연속 위상 편이시, RIS 타일의 상기 제 2 단위셀(121)(m,n) 인덱스의 반사계수()는 수학식 으로 정의되는 것을 특징으로 한다.In addition, when the continuous phase shift is performed using the direction control parameter (c k ) and the phase control parameter (w k ), the reflection coefficient of the index of the second unit cell 121 (m, n) of the RIS tile ( ) is the equation It is characterized by being defined as
또한, 상기 송신단의 방향 제어 매개 변수(q)는 수학식 (여기서, 및 는 각각 송신된 전자기파의 고도각 및 방위각이다)으로 정의되는 것을 특징으로 한다.In addition, the direction control parameter (q) of the transmitter is (here, and is an elevation angle and an azimuth angle of the transmitted electromagnetic wave, respectively).
또한, 상기 방향 제어 매개 변수(q)일 때, 상기 송신단의 단일 안테나 구성요소(m,n)에서 송신된 전자기파()는 수학식 (여기서, p는 송신되는 전력값이고, 이다)으로 정의되는 것을 특징으로 한다.In addition, when the direction control parameter (q), the electromagnetic wave transmitted from the single antenna element (m, n) of the transmitting end ( ) is the equation (Where, p is the transmitted power value, It is characterized by being defined as).
또한, 상기 송신단의 단일 안테나 구성요소(i,j)와 RIS 타일의 상기 제 2 단위셀(121)(m,n)사이의 거리(d)는 수학식 (여기서, , 그리고 는 상기 송신단과 상기 RIS 타일 사이의 공간적 관계(spatial relationship)이고, Tx는 송신단을 의미하고, Rx는 수신단을 의미하고, M,N,m,n,i,j,a,b)은 양의 자연수이다)로 정의되는 것을 특징으로 한다.In addition, the distance (d) between the single antenna element (i, j) of the transmitter and the second unit cell 121 (m, n) of the RIS tile is expressed by Equation (here, , and Is the spatial relationship between the transmitter and the RIS tile, Tx means the transmitter, Rx means the receiver, M, N, m, n, i, j, a, b) is positive It is characterized by being defined as a natural number).
또한, 상기 빔형성 및 조향에 관한 분석은 수학식 (여기서, h는 단일 안테나 구성요소(i,j)에서 상기 RIS 타일의 제 2 단위셀(m,n)로의 채널 이득이고, xi,j(q)는 방향 제어 매개 변수가 q일 때 송신단의 단일 안테나 구성요소(i,j)에서 송신된 전자기파를 의미하고, λ는 파장의 길이이고, 및 는 상기 RIS 타일(123)에 대한 상기 송신단 및 상기 수신단의의 안테나 이득을 나타내고, 및 는 상기 송신단 및 상기 수신단에 대한 상기 RIS 타일의 단위셀 이득이고, (a,b)는 수신단(130)의 단일 안테나 구성요소를 나타내고, ck는 방향 제어 매개 변수이고, wk는 위상 제어 매개 변수이고, , 그리고 는 상기 수신단과 상기 RIS 타일 사이의 공간적 관계(spatial relationship)이고, , 그리고 상기 송신단과 상기 RIS 타일 사이의 공간적 관계이다)을 통해 이루어지는 것을 특징으로 한다.In addition, the analysis of the beam forming and steering is performed by Equation (Where, h is the channel gain from a single antenna element (i, j) to the second unit cell (m, n) of the RIS tile, and x i, j (q) is the transmitting end when the direction control parameter is q Means an electromagnetic wave transmitted from a single antenna component (i, j) of , λ is the length of the wavelength, and Represents the antenna gain of the transmitting end and the receiving end for the
또한, 상기 조향의 경우, 상기 RIS 타일은 상기 방향 제어 매개 변수(ck)를 로 설정하는 것을 특징으로 한다.In addition, in the case of the steering, the RIS tile sets the direction control parameter (c k ) It is characterized by setting to .
또한, 상기 RIS 타일은 상기 위상 제어 매개 변수(wk)의 조절을 통해 모든 파동이 상기 수신단에서 결합되도록 상기 수신단에서 빔의 위상이 정렬되는 것을 특징으로 한다.In addition, the RIS tile is characterized in that the phases of beams at the receiving end are aligned so that all waves are combined at the receiving end through adjustment of the phase control parameter (w k ).
또한, 상기 빔 스캐닝에 따라 스캐닝된 점에서 상기 RIS 타일의 방향 제어(ck)는 수학식 (여기서, , 이고, u,v방향의 스캐닝 단계별 크기는 각각 이다)을 통해 이루어지는 것을 특징으로 한다.In addition, the direction control (c k ) of the RIS tile at the point scanned according to the beam scanning is expressed by Equation (here, , , and the size of each scanning step in the u and v directions is is) characterized in that it is made through.
또한, 상기 수신단은 상기 제 2 RIS 단위 셀의 온/오프 패턴에 따른 수신 전력 및, 상기 수신 전력과 현재 스캐닝하고 있는 부분 배열에 대응하는 빔 인덱스를 기록하고, 상기 수신 전력 및 상기 빔 인덱스의 정보를 상기 송신단에 전송하는 것을 특징으로 한다.In addition, the receiving end records the received power according to the on / off pattern of the second RIS unit cell and a beam index corresponding to the received power and a partial array currently being scanned, information of the received power and the beam index characterized in that it transmits to the transmitting end.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, 다수개의 제 1 RIS(Reconfigurable Intelligent Surface) 단위 셀로 이루어진 제 1 안테나를 갖는 송신단, 다수개의 제 2 RIS 단위 셀로 이루어진 직사각형 모양의 RIS 타일이 다수개로 부분배열되어 구성되는 RIS 어레이 블럭, 및 다수개의 제 3 RIS 단위 셀로 이루어진 제 2 안테나를 갖는 수신단;을 포함하는 무선 전력 전송 시스템의 무선 전력 전송 방법에 있어서, (a) 상기 송신단이 상기 송신단, 상기 RIS 어레이 블록, 및 상기 수신단간의 채널 정보 분석을 통해 빔 형성 및 조향을 위한 각 단위셀 조정 값을 정의하는 단계;및 (b) 상기 송신단이 상기 각 단위셀 조정값을 기반으로 상기 부분배열마다 빔 스캐닝을 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 방법을 제공한다.On the other hand, in another embodiment of the present invention, a transmitter having a first antenna made up of a plurality of first reconfigurable intelligent surface (RIS) unit cells, a plurality of rectangular RIS tiles made up of a plurality of second RIS unit cells. A wireless power transmission method of a wireless power transmission system comprising: a receiving end having a second antenna composed of arranged and configured RIS array blocks and a plurality of third RIS unit cells, wherein (a) the transmitting end comprises the transmitting end, the RIS Defining each unit cell adjustment value for beam formation and steering through channel information analysis between an array block and the receiving end; and (b) the transmitting end performing beam scanning for each sub-array based on the unit cell adjustment value. It provides a wireless power transmission method comprising the; step of performing.
본 발명에 따르면, 수신된 전력 정보만으로 최적의 전송효율을 달성할 수 있기 때문에 수신기에 추가 하드웨어를 필요로 하지 않아 저전력 IoT(Internet of Things) 기기 및 웨어러블 디바이스에 쉽게 적용이 가능하다. 이는 제조 비용을 낮추고 에너지 소모 또한 크게 줄일 수 있어 상용화의 관점에서 굉장한 이점을 가진다.According to the present invention, since optimal transmission efficiency can be achieved only with the received power information, additional hardware is not required for the receiver, so it can be easily applied to low-power Internet of Things (IoT) devices and wearable devices. This can lower manufacturing cost and greatly reduce energy consumption, which has great advantages in terms of commercialization.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 RIS(Reconfigurable Intelligent Surface)를 활용한 빔 조향 방법에 그치지 않고 수신기가 어느 위치에 있든 효과적으로 전력 전송을 수행하는 적응 형 빔 포커싱이 가능하기 때문에 실내공간에서의 자유 충전에 매우 적합하다는 점을 들 수 있다.In addition, as another effect of the present invention, it is not limited to the beam steering method using RIS (Reconfigurable Intelligent Surface), and it is possible to perform adaptive beam focusing that effectively transmits power no matter where the receiver is located. It can be said that it is very suitable.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 RIS의 단위 셀 수와 관계없이 적용이 가능하고, 이는 앞으로 상용화될 5G/6G에서의 수천, 수만개의 단위 셀로 구성된 RIS에도 별도의 수정 없이 사용이 가능하다는 점을 들 수 있다.In addition, another effect of the present invention is that it can be applied regardless of the number of unit cells of RIS, and it can be used without additional modification even for RIS composed of thousands or tens of thousands of unit cells in 5G/6G to be commercialized in the future. can be heard
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 RIS(Reconfigurable Intelligent Surface)를 활용한 무선 전력 전송 시스템의 개념도이다.
도 2는 도 1에 도시된 RIS 단위셀의 사시도 및 등가 회로이다.
도 3은 도 1에 도시된 송신단의 구성 블럭도이다.
도 4는 도 3에 도시된 제어부의 세부 구성 블럭도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 RIS를 활용한 무선 전력 전송 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 각 빔 인덱스에 대한 수신전력을 보여주는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 송신단의 위상 제어 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 RIS 최적 패턴을 보여주는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 송신단, 수신단 및 RIS의 위치를 보여주는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 거리 대 전력전송 효율의 관계를 보여주는 그래프이다. 1 is a conceptual diagram of a wireless power transfer system using a reconfigurable intelligent surface (RIS) according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view and an equivalent circuit of the RIS unit cell shown in FIG. 1 .
FIG. 3 is a configuration block diagram of a transmitter shown in FIG. 1;
FIG. 4 is a detailed block diagram of a control unit shown in FIG. 3 .
5 is a flowchart illustrating a process of wireless power transmission using RIS according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph showing received power for each beam index according to an embodiment of the present invention.
7 is a phase control graph of a transmitter according to an embodiment of the present invention.
8 is a graph showing a RIS optimal pattern according to an embodiment of the present invention.
9 is a graph showing locations of a transmitting end, a receiving end, and RIS according to an embodiment of the present invention.
10 is a graph showing the relationship of distance versus power transmission efficiency according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 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 이해되어야한다.Since the present invention can make various changes and have various embodiments, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all modifications, equivalents, or substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.In describing each figure, like reference numbers are used for like elements.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. Terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. These terms are only used for the purpose of distinguishing one component from another.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.For example, a first element may be termed a second element, and similarly, a second element may be termed a first element, without departing from the scope of the present invention. The term "and/or" includes any combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.
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 의미가 있다. Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs.
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 않아야 한다.Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and unless explicitly defined in this application, it should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning. Should not be.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 전송효율 달성을 위한 수신전력 기반 빔 스캐닝 알고리즘을 갖는 무선 전력 전송 시스템 및 방법을 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, a wireless power transmission system and method having a received power-based beam scanning algorithm for achieving transmission efficiency according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 일실시예는 수동소자만으로 제어가 가능한 RIS에 알맞는 간단하고 효율적인 빔 스캐닝 알고리즘이 개시된다.An embodiment of the present invention discloses a simple and efficient beam scanning algorithm suitable for RIS that can be controlled only with passive elements.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 RIS(Reconfigurable Intelligent Surface)를 활용한 무선 전력 전송 시스템(100)의 개념도이다. 도 1을 참조하면, 무선 전력 전송 시스템(100)은 송신단(110), RIS 어레이 블럭(120), 수신단(130) 등을 포함하여 구성될 수 있다.1 is a conceptual diagram of a wireless
송신단(110)은 RIS 단위 셀(111)이 배열되는 안테나를 포함하여 구성될 수 있다. The
RIS 어레이 블럭(120)은 RIS 단위 셀(121)이루어진 직사각형 모양의 타일(123)이 기판(122) 상에 배열된다.In the
수신단(130)은 RIS 단위 셀(131)로 이루어진 안테나를 포함하여 구성될 수 있다.The receiving
송신단(110)은 은 상기 송신단(110), 상기 RIS 어레이 블록(120), 및 상기 수신단(130)간의 채널 정보 분석을 통해 빔 형성 및 조향을 위한 각 단위셀 조정 값을 정의하고, 상기 각 단위셀 조정값을 기반으로 상기 부분배열마다 빔 스캐닝을 수행한다.The
RIS 어레이 블록(120)의 경우, RIS(Reconfigurable Intelligent Surface)의 단위셀 수, 즉 물리적 크기에 따라 달라지는 근/원거리장(Near field & Far field) 특성을 고려하여 RIS 어레이 블럭을 여러개의 부분 배열로 나누어 접근하기 때문에 근거리장에서 채널 특성이 달라지는 문제 또한 극복할 수 있다. In the case of the
일반적으로, 실내 공간 원거리 무선 자유 충전의 주요 타겟인 IoT(Internet of Things) 및 웨어러블 장치는 대부분 제한된 하드웨어와 계산 능력을 갖추고 있어 기존의 통신 시스템에서 널리 사용되는 알고리즘을 적용할 수 없다. In general, IoT (Internet of Things) and wearable devices, which are the main targets of indoor space long-distance wireless free charging, have limited hardware and computational power, so algorithms widely used in existing communication systems cannot be applied.
따라서, IoT 기기의 특징을 고려하여, 본 발명의 일실시예에 따른 알고리즘의 빔 포커싱 방식은 수신단(130)에서의 수신 전력 레벨 감지만을 통해 최적의 전력전송 효율을 달성할 수 있도록 제안된다.Therefore, in consideration of the characteristics of the IoT device, the beam focusing method of the algorithm according to an embodiment of the present invention is proposed to achieve optimal power transmission efficiency only by detecting the received power level in the receiving
RIS를 활용한 원거리 무선 전력 전송 시스템(100)에서 송신단(110)(또는 전력 비콘)은 전자기파를 방사하여 전력을 RIS 어레이 블럭(120)를 거쳐 수신단(130)으로 전달한다. 송신단(110)에서 전송된 전자기파는 RIS에서 반사되어 수신단(130)으로 전달되고, 이 때 각 RIS 단위 셀(121)은 입사된 전자기파의 특성(위상, Phase)을 0°혹은 180°(ON/OFF State에 따라)로 변환후 반사시킨다. 수신단으로 최적의 전력을 전달할 수 있는 각 단위 셀의 상태를 정의하는 것이 본 발명의 목적이다.In the remote wireless
도 1에 도시된 바와 같이, RIS를 활용한 원거리 무선전력전송 시스템 좌표계 모델을 구현할 수 있다. 이를 위해 본 발명의 일실시예에서는 다중 안테나를 갖는 송신단 1개, 다중 안테나를 갖는 수신단 1개, k개의 RIS 타일(123)을 가진 RIS 어레이 블럭(120)으로 구성된 RF(Radio Frequency) 무선 전력 전송 시스템에 대한 분석을 진행한다. 여기서 전체 RIS는‘타일’개념의 여러 하위(부분) 배열로 나누어 생각한다는 의미이다. As shown in FIG. 1, a long-distance wireless power transmission system coordinate system model using RIS can be implemented. To this end, in one embodiment of the present invention, RF (Radio Frequency) wireless power transmission consisting of one transmitter having multiple antennas, one receiver having multiple antennas, and a
송신단(110)와 수신단(130)의 위치는 각각 아래와 같이 3차원 벡터로 표시된다. 무선 전력을 전달하는 전자기파(EM파)는 송신기에서 전송되고 타일에서 반사되어 수신기에서 수신된다. 전자기파의 주파수는 로 표시되고 파장의 길이는 λ로 표시된다. The positions of the transmitting
송신단(110)과 수신단(130)은 각각 안테나 배열과 안테나 배열을 가지는 직사각형 평면 어레이 안테나로 구성한다. 여기서, N>M이고, M은 가로축(x축) 또는 세로축(y축)에 설치되는 서브 안테나의 갯수이고, N은 세로 또는 가로축에 설치되는 서브 안테나의 갯수이고 Tx는 송신단, Rx는 수신단이다. The transmitting
송신단(110)과 수신단(130)은 안테나 배열이 x축과 y축을 따라 평면에 배치되는 좌표계를 가지고, 각 단일 안테나 구성요소는 (m,n)으로 인덱싱된다. m,n은 양의 자연수이다.The transmitting
송신단(110)에서 인접한 단일 안테나 구성요소 간격은 각각 x 및 y 방향에서 로 정의할 때, 평면에서 송신단 (m,n) 인덱스에 해당하는 단일 안테나 구성요소의 위치(μ)는 아래와 같이 표현할 수 있다.The spacing of adjacent single antenna elements at the transmitting
여기서, 는, 원점을 중심으로 일정한 길이 J만큼의 균일한 격자 j번째 격자점을 의미한다. 또한, T는 전치 행렬을 나타낸다. M은 어레이 형태의 평면 안테나에서 가로로 놓인 단일 안테나 구성요소의 개수이고, N은 세로로 놓인 단일 안테나 구성요소의 개수이다. 예를들면, 송신 안테나를 이루는 단일 안테나 구성요소의 총개수는 이다. here, Means the j-th lattice point of a uniform lattice of a certain length J centered on the origin. Also, T denotes a transposition matrix. M is the number of horizontally placed single antenna elements in an array type planar antenna, and N is the number of vertically placed single antenna elements. For example, the total number of single antenna elements that make up a transmit antenna is am.
는 가로로 M개의 단일 안테나 구성요소를 가지는 송신용 평면 안테나에서 가로로 m번 째 단일 안테나 구성요소, 는 세로로 N개의 단일 안테나 구성요소를 가질 때, 세로로 n번 째에 있는 단일 안테나 구성요소를 가리킨다. is the m-th single antenna element horizontally in a transmission planar antenna having M single antenna elements horizontally , When having N number of single antenna elements in a vertical direction, denotes a single antenna element in the n-th position in the vertical direction.
는 수학적 모델로써 J개를 가지는 어떠한 모델에서 j번 째에 있는 것을 가리킨다. 다음과 같이 정의할 수 있다 is a mathematical model and refers to the jth item in any model with J. can be defined as
마찬가지로, 평면에서 수신단 (m,n) 인덱스에 해당하는 단일 안테나 구성요소의 위치(μ)는 아래와 같이 표현할 수 있다.Similarly, the position (μ) of a single antenna element corresponding to the (m,n) index of the receiving end in the plane can be expressed as follows.
여기서, 는 가로로 M개의 단일 안테나 구성요소를 가지는 수신용 평면 안테나에서 가로로 m번 째 단일 안테나 구성요소, 는 세로로 N개의 단일 안테나 구성요소를 가질 때, 세로로 n번 째에 있는 단일 안테나 구성요소를 가리킨다.here, is the m-th single antenna element horizontally in a reception planar antenna having M single antenna elements horizontally , When having N number of single antenna elements in a vertical direction, denotes a single antenna element in the n-th position in the vertical direction.
직사각형 모양의 K개 타일을 가지는 RIS의 경우, 각 타일은 로 인덱싱되고, 타일k는 의 RIS 단위셀의 부분배열을 가진다.In the case of RIS having K tiles of a rectangular shape, each tile is indexed by , and tile k is has a subarray of RIS unit cells of
각 RIS 타일의 좌표계에서 RIS 단위 셀은 xy 평면의 x축과 y축을 따라 배치된다. RIS 단위 셀 간격을 각각 x 및 y 방향에서 및 로 정의하면, RIS 어레이 블럭(120)에서의 RIS 단위셀 인덱스의 위치(μ)는 아래와 같이 표현된다.In the coordinate system of each RIS tile, the RIS unit cell is placed along the x-axis and y-axis of the xy plane. RIS unit cell spacing in the x and y direction respectively and If defined as, RIS unit cell in
여기서, 는 RIS 타일 K가 가로로 M개의 단위셀을 가질 때 가로로부터 m번 째 있는 단위셀이고, 는 RIS 타일 K가 세로로 N개의 단위셀을 가질 때 세로로부터 n번 째 있는 단위셀이다here, is the mth unit cell from the horizontal when the RIS tile K has M unit cells horizontally, is the nth unit cell from the vertical when the RIS tile K has N unit cells vertically
송신단(110)의 원점과 RIS 타일(k)(123) 사이의 거리를 로 정의하고, 마찬가지로 RIS 타일(k)(123)의 원점과 수신단(130) 사이의 거리는 로 정의한다. The distance between the origin of the
본 발명의 일실시예에 따른 무선전력 전송 시스템에서, 송신단(110)과 수신단(130)은 RIS 타일(123)을 기준으로 각각 원거리 영역(Far-field)에 위치한다고 가정한다. 즉, RIS 타일(123)의 크기는 송·수신단과의 거리 및 에 비해 충분히 작다. 이 조건이 충족되지 않는 환경이라고 해도 RIS 타일을 더 작은 크기의 RIS 타일로 나누어 생각할 수 있기 때문에 알고리즘상의 변경없이 다양한 환경에 적용시킬 수 있다.In the wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention, it is assumed that the
송신단(110)에서 RIS 타일(123)까지의 방향은 고도각 및 방위각 으로 나타나고, RIS 타일(123)에서 송신단(110)까지의 방향은 고도각 및 방위각 로 표시된다.The direction from the
같은 방식으로 수신단(130)과 RIS 타일(123) 간의 방향 관계는 로 표현할 수 있다. 및 에 대해서 본 발명에서는 방향을 나타내는데, u-v 좌표를 사용한다.In the same way, the directional relationship between the receiving
고도θ 및 방위각φ의 u-v 좌표는 로 표현되고, 송신단(110)에서 RIS 타일(123)까지의 방향의 u-v 좌표(S)는 다음과 같다. 여기서, T는 전치를 나타낸다.The uv coordinates of altitude θ and azimuth φ are , and the uv coordinate (S) of the direction from the
및 로 표시되는 다른 방향의 u-v 좌표도 같은 방식으로 정의 할 수 있다. and The uv coordinates of other directions, represented by , can be defined in the same way.
송신단(110)과 RIS 타일(123) 사이의 공간적 관계(spatial relationship)는 , 그리고 세 가지 매개 변수로 완전하게 정의할 수 있고, 마찬가지로 수신단(130)과 RIS 타일(123)의 관계는 , 그리고 로 정의된다. The spatial relationship between the
이러한 공간적 관계를 기반으로 RIS 타일을 통해 송신기에서 수신기로의 무선 전력 전송 모델링을 기술할 수 있다. 다만, 본 발명에서는 RIS 타일 간 전송되는 전력은 존재하지 않는다고 가정한다. RIS 타일(123)에 대한 송신단(110) 및 수신단(130)의 안테나 구성 요소의 이득은 각각 및 로 표시되고, 마찬가지로 송신단(110)와 수신단(130)에 대한 RIS 타일(123)의 단위 셀 이득은 각각 및 로 표시된다.Based on this spatial relationship, wireless power transfer modeling from a transmitter to a receiver through RIS tiles can be described. However, in the present invention, it is assumed that power transmitted between RIS tiles does not exist. The gains of the antenna elements of the
도 2는 도 1에 도시된 RIS 단위셀(111,121,131)의 사시도 및 등가 회로(230)이다. 도 2를 참조하면, RIS는 위상 천이기, 증폭기, 감쇄기 등과 같은 RF 체인으로 구성된 기존의 대규모 MIMO 및 위상 배열 안테나와는 다르게 커패시터, 인덕터, 버랙터(Varactor) 등의 매우 간단한 수동소자로 구성되어 있다. RIS 단위셀은(111,121,131)은 인쇄회로기판(210), 회로 패턴(220,221,222) 등으로 구성될 수 있다. FIG. 2 is a perspective view and an
도 2에 도시된 RIS 단위셀(111,121,131)의 구성부품의 파라미터 및 체적을 나타내면 다음 표와 같다.Parameters and volumes of components of the
RIS 타일(123)의 단위 셀을 모델링하고, 각 RIS 타일(123)의 제어 메커니즘에 대해 설명한다. 각 단위 셀은 선형 편광(Linearly polarized)되며 입사파 및 반사파의 E-필드는 단위 셀의 편광과 일치한다. 입사 자유 공간파는 단위 셀에서 유도파(guided wave)로 변환되고, 이 때, 정규화된 임피던스(ZL)로 제어 가능한 부하에 의해 반사된다. 반사된 유도파는 자유 공간파의 형태로 공기중으로 방사된다. 유도파는 다음 방정식에 따라 반사된다.A unit cell of the
여기서, x 및 y는 각각 입사 및 단위 셀의 반사 유도파의 전력이고, Γ는 다음과 같이 표현되는 반사 계수이다.Here, x and y are the powers of the incident and reflected guided waves of the unit cell, respectively, and Γ is the reflection coefficient expressed as
여기서, ZL는 정규화된 임피던스이다.where Z L is the normalized impedance.
단위 셀과 제어 가능한 부하는 반사 계수 변경을 통해 반사파의 위상을 제어하는 방식으로 설계했다. 그런 다음 반사 계수는 아래와 같이 표현할 수 있다.The unit cell and controllable load are designed in such a way that the phase of the reflected wave is controlled by changing the reflection coefficient. Then the reflection coefficient can be expressed as:
여기서, ξ는 위상 편이(phase shift)를 의미한다. 버랙터(varactor)로 제어 가능 부하를 구성하는 경우에는 위상 변화가 연속적이지만, 반면에 PIN 다이오드가 제어 가능한 부하로 사용되는 경우 위상 편이는 이산적(discrete)이다. 단위 셀의 제어 상태수를 L로 나타내면 단위 셀의 l번째 상태는 아래처럼 위상이 변환된 상태를 나타낸다.Here, ξ means a phase shift. When configuring a controllable load with a varactor, the phase shift is continuous, whereas when a PIN diode is used as a controllable load, the phase shift is discrete. If the number of controlled states of a unit cell is represented by L, the lth state of the unit cell represents a phase-transformed state as shown below.
여기서, L은 단위 셀의 제어 상태수를 의미한다.Here, L means the number of control states of a unit cell.
을 RIS 타일 k의 단위 셀(m,n)의 반사 계수로 정의한다. 하지만, 대규모 RIS 에서는 단위 셀이 매우 많기 때문에 각 단위 셀에 대한 최적의 반사 계수를 개별적으로 찾는 것은 비효율적이다. 따라서, 본 발명의 일실시예에서는 각 RIS 타일에 대해 높은 차원의 제어 매개 변수 도입을 통해 알고리즘을 제안한다. is defined as the reflection coefficient of the unit cell (m, n) of the RIS tile k. However, in large-scale RIS, since there are so many unit cells, it is inefficient to individually find the optimal reflection coefficient for each unit cell. Therefore, in one embodiment of the present invention, an algorithm is proposed by introducing a high-dimensional control parameter for each RIS tile.
도 1을 참조하면, RIS 타일(123)에서 반사된 전자기파의 방향은 고도각 및 방위각에 의해 결정되고, 이러한 제어 매개 변수를 설정하면 RIS 타일의 법선 방향에서 나오는 입사파가 고도각 및 방위각 방향으로 반사된다. 고도각 및 방위각의 u-v 좌표는 다음과 같이 나타낼 수 있다. 이 때 RIS 타일 k의 방향 제어 매개 변수(ck)는 아래와 같이 정의된다.Referring to FIG. 1, the direction of the electromagnetic wave reflected from the
또한, 반사파(즉 반사된 전자기파)의 위상은 RIS 타일(123)에 대한 위상 제어 매개 변수(wk)에 의해 제어된다. 방향 제어 파라미터(ck)와 위상 제어 파라미터(wk)를 이용하여 연속 위상 편이시 각 단위 셀의 반사 계수는 아래와 같이 정의된다. 위상 제어 파라미터(wk)는 임의의 하나의 값이다.In addition, the phase of the reflected wave (ie the reflected electromagnetic wave) is controlled by the phase control parameter w k for the
도 3은 도 1에 도시된 송신단(110)의 구성 블럭도이다. 도 3을 참조하면, 송신단(110)은 센서(301)와 연결되어 전송 요청을 받는 제어부(310), 제어부(310)의 명령에 따라 전자기파를 생성하는 제 1 내지 제 k 제어 구성요소(320-1 내지 320-n), 제 1 내지 제 n 안테나 구성요소(330-1 내지 330-n)을 포함하는 안테나(330) 등을 포함하여 구성될 수 있다. 센서(301)는 IoT 센서가 되나, 다른 센서도 가능하다.FIG. 3 is a block diagram of the
본 발명의 일실시예에서 송신단(110)는 위상 안테나 배열로 구성되어 있고, 각 안테나 구성요소(330-1 내지 330-n)에는 방사되는 전자기파의 위상을 제어하는 위상 천이기(미도시)가 배치되어 있다. 송신단(110)의 모든 안테나 구성요소에서는 동일한 전력을 송신하고, 이 전력값을 p로 정의한다.In one embodiment of the present invention, the
RIS 제어와 유사하게 송신단은 높은 차원의 제어 매개 변수에 의해 제어된다. 송신된 전자기파의 방향은 고도각 및 방위각 로 표시된다. 송신단(110)의 방향 제어 매개 변수(q)는 및 의 u-v 좌표이다. 이를 수식으로 나타내면 다음과 같다.Similar to RIS control, the transmitting end is controlled by high-order control parameters. The direction of the transmitted electromagnetic wave is the elevation angle and azimuth is indicated by The direction control parameter (q) of the transmitting
는 방향 제어 매개 변수가 q일 때 송신단(110)의 단일 안테나 구성요소(m,n)에서 송신된 전자기파를 의미하고 아래와 같이 표현된다. denotes an electromagnetic wave transmitted from a single antenna element (m, n) of the
수신단(130)의 경우 각 안테나 요소에서 RF 전력을 수신하는 안테나 배열로 구성된다. 단일 안테나 구성요소에서 수신된 RF 전력은 각 요소에 배치된 정류기를 통해 DC(Direct Current) 전력으로 변환되고, DC 결합 기법을 통해 전력을 수확한다. 수신된 RF 전력을 정류된 DC 전력에 매핑하는 RF-DC 변환 함수를 로 정의하고, ym,n을 수신단(130)의 안테나 배열(m,n)에서 수신된 파동으로 정의하면 총 수신 전력 P는 아래와 같이 표현된다.The receiving
위에서 기술한 수학식들을 갖는 모델을 기반으로 전체 RIS를 포함한 RF 원거리 무선전력 전송 시스템을 분석한다.Based on the model with the equations described above, the RF long-distance wireless power transmission system including the entire RIS is analyzed.
먼저, 송신단(110) 또는 수신단(130)의 단일 안테나 요소(330-1 내지 330-n)와 RIS 타일(123)의 단위 셀간의 채널 이득 분석을 살펴보면 일반적으로 두 단일 안테나 구성요소 사이의 채널 이득(h)은 다음과 같이 주어진다.First, looking at the channel gain analysis between the single antenna elements 330-1 to 330-n of the
여기서, d는 두 단일 안테나 구성요소 사이의 거리이고, GA 및 GB는 두 단일 안테나 구성요소의 각각 이득을 나타낸다. 위 식을 기반으로 먼저 송신단의 단일 안테나 구성요소(i,j)와 RIS 타일(123)의 단위 셀(m,n) 사이의 채널 이득을 유도할 수 있다. 원거리 장에서 단일 안테나 구성요소와 단위 셀 사이의 거리는 다음과 같다.Here, d is the distance between two single antenna elements, and G A and G B represent the respective gains of the two single antenna elements. Based on the above equation, first, a channel gain between a single antenna element (i, j) of a transmitter and a unit cell (m, n) of the
수학식16을 식학식15에 연결하고 안테나 이득을 및 로 바꾸면, 송신단(110)의 단일 안테나 구성요소(i,j)에서 RIS 타일(123)의 단위 셀(m,n)로의 채널 이득을 다음과 같이 유도할 수 있다.
비슷한 방식으로 RIS 타일(123)의 단위 셀(m,n)에서 수신단(130)의 단일 안테나 구성요소(a,b)까지의 채널 이득을 다음과 같이 유도할 수 있다.In a similar manner, the channel gain from the unit cell (m,n) of the
수학식 11, 수학식 15, 수학식 16을 통해 송신단(110)의 안테나 구성요소(i,j)에서 송신된 후 RIS 타일(123)의 단위 셀(m,n)에서 반사되어 수신단(130)의 단일 안테나 구성요소(a,b)로의 채널 이득은 다음과 같이 도출된다.After being transmitted from the antenna element (i, j) of the
최종적으로, 수신단(130)의 단일 안테나 구성요소에서 수신된 전자기파 신호는 다음과 같다. Finally, the electromagnetic wave signal received by the single antenna component of the receiving
여기서, 는 송신단(110)의 단일 안테나 구성요소(i,j)에서 수신단(130)의 단일 안테나 구성요소(a,b)로의 직접 전달되는 채널 이득을 의미한다.here, Means a channel gain directly transferred from the single antenna element (i, j) of the transmitting
실제로 송신단(110)의 안테나 배열 및 RIS 타일(123)에서 빔을 형성 및 조향하여 전력이 전달될 때 효율적으로 에너지를 전달할 수 있다. 수학식 10을 기반으로 빔형성 및 조향에 관한 분석 또한 진행할 수 있다. 이를 나타내면 다음과 같다.In fact, energy can be efficiently transferred when power is transmitted by forming and steering a beam in the antenna array of the
여기서, h는 단일 안테나 구성요소(i,j)에서 상기 RIS 타일의 제 2 단위셀(m,n)로의 채널 이득이고, xi,j(q)는 방향 제어 매개 변수가 q일 때 송신단의 단일 안테나 구성요소(i,j)에서 송신된 전자기파를 의미하고, λ는 파장의 길이이고, 및 는 상기 RIS 타일(123)에 대한 상기 송신단 및 상기 수신단의의 안테나 이득을 나타내고, 및 는 상기 송신단 및 상기 수신단에 대한 상기 RIS 타일의 단위셀 이득이고, (a,b)는 수신단(130)의 단일 안테나 구성요소를 나타내고, ck는 방향 제어 매개 변수이고, wk는 위상 제어 매개 변수이고, , 그리고 는 상기 수신단과 상기 RIS 타일 사이의 공간적 관계(spatial relationship)이고, , 그리고 상기 송신단과 상기 RIS 타일 사이의 공간적 관계이다.Here, h is the channel gain from a single antenna component (i, j) to the second unit cell (m, n) of the RIS tile, and x i, j (q) is the transmit end when the direction control parameter is q Means an electromagnetic wave transmitted from a single antenna element (i, j), λ is the length of the wavelength, and Represents the antenna gain of the transmitting end and the receiving end for the
위 식은 다음과 같이 단순화할 수 있다.The above expression can be simplified as follows.
여기서, 는 수신단(130)에서 수신된 전자기파의 크기와 위상을 나타내고, 이는 송신단, RIS 타일, 그리고 수신단의 단일 안테나 구성요소(a,b)까지의 전체 거리와 연관이 있고 아래와 같이 표현할 수 있다.here, Represents the magnitude and phase of the electromagnetic wave received at the receiving
또한 수학식 22에서 는 RIS 타일(123)의 빔 조향 기능을 나타내고, 이는 u-v 좌표에서의 방향벡터 로의 빔 이득(beam gain)을 의미한다. 는 아래와 같이 정의할 수 있다.Also in Equation 22 Represents the beam steering function of the
여기서, 는 다음과 같은 주기 sinc 함수이다.here, is the periodic sinc function as
주기 sinc 함수 는 가 0일 때, 최대가 되므로 는 가 0벡터일 때 최대 이득를 가진다. 이는 곧 RIS 타일(123)에서 수신단(130)으로의 빔 이득()은 RIS 타일(123)의 방향 제어 매개 변수를 로 설정 할 때 최대화됨을 의미한다.periodic sinc function is maximum when is 0, so is the maximum gain when is a zero vector have This is the beam gain from the
마찬가지로 는 송신단의 빔 조향 기능을 나타내며 다음과 같이 정의된다.Likewise represents the beam steering function of the transmitting end and is defined as follows.
의 v가 0벡터일 때 최대 이득 을 가지므로, 송신단(130)에서 RIS 타일(123)까지의 빔 이득()은 송신단의 방향 제어 매개 변수가 일 때 최대화된다. Maximum gain when v of is a 0 vector Since it has, the beam gain from the
수학식 23에서 송신단의 단일 안테나 구성요소(a,b)에서 수신된 신호는 아래와 같이 다시 정리할 수 있다.In Equation 23, the signals received from the single antenna elements (a, b) of the transmitting end can be rearranged as follows.
여기서, 는 RIS 타일을 거치지 않고 수신단의 안테나 구성요소(a,b)로 직접 전송되는 전력을 의미한다.here, Denotes power transmitted directly to the antenna elements (a, b) of the receiving end without passing through the RIS tile.
를 다음과 같이 정의한다. is defined as:
위에서 정의했던 총 수신 전력 P 및 수학식 27을 통해 수신단의 총 수신 전력을 계산할 수 있다.The total received power of the receiving end can be calculated through the total received power P defined above and Equation 27.
수학식 27의 방정식은 다음과 같이 직관적으로 해석할 수 있다. 송신단은 방향 제어 매개 변수 q를 제어하여 선택된 RIS 타일로 빔을 조향한다. 이 때 송신단에서 선택된 RIS 타일로의 빔 이득이 높다.The equation of Equation 27 can be intuitively interpreted as follows. The transmitting end controls the direction control parameter q to steer the beam to the selected RIS tile. At this time, the beam gain from the transmitter to the selected RIS tile is high
RIS 타일(123)은 송신단에서 전달받은 빔을 방향 제어 매개 변수ck에 따라 특정한 방향으로 빔을 반사한다. The
이 때. RIS 타일(123)은 방향 제어 매개 변수ck를 로 설정해야 반사된 빔을 수신기로 조향할 수 있다.At this time. The
수신기는 여러 RIS 타일에서 반사된 빔과 송신기에서 직접 전송된 전자기파 모두를 수신한다. 이 때,The receiver receives both reflected beams from the various RIS tiles and electromagnetic waves transmitted directly from the transmitter. At this time,
RIS 타일(123)의 빔 위상은 에 따라 달라지며 이는 송신단(110)으로부터 직접 전달받은 위상과 일치하지 않는다. 따라서, 각 RIS 타일은 위상제어 변수 wk의 조절을 통해 모든 파동이 수신단(130)에서 최적으로 결합되도록 수신단(110)에서 빔의 위상을 정렬해야 한다.The beam phase of the
도 4는 도 3에 도시된 제어부(310)의 세부 구성 블럭도이다. 도 4를 참조하면, 제어부(310)는 센서(301)로부터 전송 요청을 수신하는 수신 모듈(410), RIS 타일의 동기화를 위한 동기화 모듈(420), 각 송신단 빔코드에 대한 수신 전력값 분석 및 최적값을 도출하는 계산 모듈(430), 최적의 송신단 빔패턴 선택, 최적의 RIS 위상 조정값 결정후 최적의 on/off 패턴을 결정하는 결정 모듈(440) 등을 포함하여 구성될 수 있다.FIG. 4 is a detailed block diagram of the
도면 기재된 "동기화 모듈(420)", 계산 모듈(430)", 및 "결정 모듈(440)"의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 소프트웨어 및/또는 하드웨어로 구현될 수 있다. 하드웨어 구현에 있어, 상술한 기능을 수행하기 위해 디자인된 ASIC(application specific integrated circuit), DSP(digital signal processing), PLD(programmable logic device), FPGA(field programmable gate array), 프로세서, 마이크로프로세서, 다른 전자 유닛 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 소프트웨어 구현에 있어, 소프트웨어 구성 컴포넌트(요소), 객체 지향 소프트웨어 구성 컴포넌트, 클래스 구성 컴포넌트 및 작업 구성 컴포넌트, 프로세스, 기능, 속성, 절차, 서브 루틴, 프로그램 코드의 세그먼트, 드라이버, 펌웨어, 마이크로 코드 , 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조, 테이블, 배열 및 변수를 포함할 수 있다. 소프트웨어, 데이터 등은 메모리에 저장될 수 있고, 프로세서에 의해 실행된다. 메모리나 프로세서는 당업자에게 잘 알려진 다양한 수단을 채용할 수 있다.The terms "
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 RIS를 활용한 무선 전력 전송 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 5를 참조하면, 송신단(140)이 IoT 디바이스 등의 센서(301)로부터 에너지 전송 요청을 받으면 RIS 어레이 블럭(120)의 첫 번째 부분배열부터 빔 스캐닝을 시작한다(단계 S510,S520).5 is a flowchart illustrating a process of wireless power transmission using RIS according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 5 , when the transmitter 140 receives an energy transmission request from a
부연하면, 빔스캐닝을 기반으로 최적의 전력 전송효율을 달성하기 위해 빔스캐닝 기법을 수행한다. 본 발명의 일실시예에서는 수신전력만을 이용하여 RIS 타일의 적절한 제어 매개 변수와 위상 제어 매개 변수 그리고 송신기의 방향 제어 매개 변수 를 추정하는 빔스캐닝 기법을 제안한다. To elaborate, a beam scanning technique is performed to achieve optimal power transmission efficiency based on beam scanning. An embodiment of the present invention proposes a beam scanning technique that estimates appropriate control parameters and phase control parameters of a RIS tile and direction control parameters of a transmitter using only received power.
좌표를 스캔하기 위해 M x N배열에 맞는 빔 코드를 생성한다. 이 때, Nu와 Nv을 각각 u와 v 방향으로 스캐닝할 점의 개수로 한다. 총 스캐닝할 패턴의 개수는 로 나타낼 수 있다. l번째 스캔된 점에서 RIS 타일(123)의 방향 제어 ck,l는 아래와 같이 정의된다. To scan the coordinates, generate beam codes that fit the M x N array. At this time, N u and N v are the number of points to be scanned in the u and v directions, respectively. The total number of patterns to be scanned is can be expressed as The direction control c k,l of the
여기서 , , 이고 u,v방향의 스캐닝 단계별 크기는 각각 이다.here , , and the size of each scanning step in the u and v directions is am.
빔이 점 으로 향하게 하도록 RIS 타일(123)의 구성요소(m,n)에 대한 반사 신호는 아래와 같다. beam point The reflected signal for the components (m,n) of the
l번째 스캔된 점에서 송신단(110)의 각 단일 안테나 구성요소에 대한 송신 신호를 같은 방식으로 정의할 수 있다. RIS 타일(123)의 반사 계수 행렬은 ck,l와 wk을 이용하여 다음과 같이 나타낸다.A transmission signal for each single antenna element of the
RIS 타일(123)의 최적 방향 제어와 위상 제어값을 얻기 위해서, 다른 타일은 고정한 채 로 RIS 타일을 스캔한다. 이 후 k번째 타일이 스캔되었을 때, 전체 RIS의 반사 계수 행렬을 다음과 같이 한다. In order to obtain the optimal direction control and phase control values of the
이 때, 로 M x N 행렬에 대한 벡터화이다. 끝으로, 수학식 19을 아래와 같이 다시 나타낼 수 있다.At this time, is a vectorization of an M x N matrix. Finally, Equation 19 can be re-expressed as follows.
여기서, 는 아다마르 곱이고, 는 각각 송신기에서 RIS로의 채널, RIS에서 수신단 으로의 채널, 직접 전달되는 채널에서 채널 이득의 행렬 형태이다. x(q)는 송신단에서 방향 제어 매개 변수가 q일 때 송신되는 신호의 행렬 형태이다.here, is the Hadamard product, is a matrix form of the channel gain in the channel from the transmitter to the RIS, the channel from the RIS to the receiver, and the channel directly transmitted. x(q) is a matrix form of a signal transmitted when the direction control parameter is q at the transmitting end.
RIS에서의 반사 계수 행렬와 송신단의 방향 제어 매개 변수 q 에 대한 수신 전력은 아래와 같다.Reflection coefficient matrix in RIS and the received power for the direction control parameter q of the transmitter is as follows.
여기서, ζ은 RF-DC(Radio-Frequency) 변한 효율을 의미한다. Here, ζ means RF-DC (Radio-Frequency) changed efficiency.
위의 분석과 같이, 수신전력 정보만을 이용하여 빔스캐닝 알고리즘 순서도를 도 5과 같이 수행할 수 있다.As in the above analysis, the beam scanning algorithm flowchart can be performed as shown in FIG. 5 using only received power information.
최적 방향 제어 , 모든 RIS 타일에 대한 최적의 위상 제어 와 송신단(130)의 최적 방향 제어τ을 출력한다. 매 송신단 빔 코드i에 대하여, 빔 코드들 및 위상 제어 0, 을 이용하여 RIS 타일 j를 스캔한다(단계 S530,S540,S550). Optimal direction control , optimal phase control for all RIS tiles and the optimal direction control τ of the
그러고 나면, 수신 전력에 가장 큰 차이를 주는 방향 제어 한 개가 선택되고 이는 로 표시된다. Pt의 평균값은 로 나타낸다. 최적의 위상 제어 은 위상제어가 더 높은 수신 전력을 전달할 때마다 갱신된다.Then, the one direction control that gives the largest difference to the received power is selected, which is indicated by The average value of P t is represented by Optimal phase control is updated each time the phase control delivers a higher received power.
RIS 타일j의 최적 방향 제어와 위상 제어는 반사 계수 행렬 G0에 갱신된다. 최적의 위상 제어는 두 번의 하강 추세가 반복되면 얻을 수 있다. RIS 타일 j를 제어하여 얻은 최적 값들을 통해 수신 전력을 높게 개선시킨 RIS 타일을 정한다. Optimum direction control and phase control of RIS tile j are updated in the reflection coefficient matrix G 0 . Optimal phase control can be obtained by repeating two downward trends. An RIS tile with highly improved received power is determined through optimal values obtained by controlling the RIS tile j.
RIS 타일의 모든 최적 매개 변수를 구한 후, 각 송신 빔 i에 대한 최대 송신 전력을 얻을 수 있다. 스캔 과정이 끝나면 가장 높은 수신 전력을 내는 전송 빔을 선택한다. 알고리즘에서는τ 값, 최적 RIS 방향 제어와 위상 제어에 대한 벡터를 반환한다. 최적의 효율을 나타낸 송신단 측 빔 STx 와 그에 따른 RIS 타일 STile에 대한 벡터값은 이후 스캐닝에서 사용된다(단계 S560,S570,S571,S580,S581,S590).After obtaining all optimal parameters of the RIS tile, the maximum transmit power for each transmit beam i can be obtained. After the scan process is finished, a transmit beam having the highest received power is selected. The algorithm controls the τ value, the optimal RIS direction and returns a vector for phase control. The vector values for the transmitter-side beam S Tx and the resulting RIS tile S Tile showing the optimal efficiency are used in subsequent scanning (steps S560, S570, S571, S580, S581, and S590).
수신단(130)은 각 단위셀의 온/오프 패턴에 따른 수신 전력을 기록하고 그 중 최대 수신 전력과 현재 스캐닝하고 있는 부분 배열의 해당 빔 인덱스를 기록하고 저장한다. 이 정보는 송신단으로 전송되고, RIS로 전달되어 첫 번째 부분 배열에 대한 최적의 빔 코드 (각 단위셀의 ON / OFF 패턴)을 업데이트한다. 그런 다음 모든 부분 배열이 스캔 될 때까지 차례로 다음 부분 배열 스캔을 진행하고, 결과적으로 전체 RIS에 대한 최적의 ON / OFF 패턴을 통해 수신단으로 최적의 전력을 전송한다.The receiving terminal 130 records the received power according to the on/off pattern of each unit cell, and records and stores the maximum received power among them and the corresponding beam index of the partial array currently being scanned. This information is transmitted to the transmitter and transmitted to RIS to update the optimal beam code (ON/OFF pattern of each unit cell) for the first subarray. Then, the next subarray is scanned in turn until all subarrays are scanned, and as a result, the optimal power is transmitted to the receiving end through the optimal ON/OFF pattern for the entire RIS.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 각 빔 인덱스에 대한 수신전력을 보여주는 그래프이고, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 송신단의 위상 제어 그래프이고, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 RIS 최적 패턴을 보여주는 그래프이다. 도 6 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 일실시예를 검증하기 위한 시뮬레이션의 결과이다. 시뮬레이션에서는, 4x4 단위 셀로 구성된 타일, 그 타일 100개로 구성된 대면적 1비트-RIS을 사용했다. 이 때, RIS의 좌표는 원점 (0,0,0)으로 위치시키고, 4x4 안테나로 구성된 송신기는 (3m, -4m, 2m), 2x2 수신기는 (5m, 2m, -1m)에 위치한다. 송신기에서 수신기로 직접 전달되는 채널은 없다고 가정한다. 6 is a graph showing received power for each beam index according to an embodiment of the present invention, FIG. 7 is a phase control graph of a transmitter according to an embodiment of the present invention, and FIG. 8 is an embodiment of the present invention. It is a graph showing the RIS optimal pattern according to . 6 to 8 are simulation results for verifying an embodiment of the present invention. In the simulation, a tile composed of 4x4 unit cells and a large-area 1-bit-RIS composed of 100 of those tiles were used. At this time, the coordinates of RIS are located at the origin (0,0,0), the transmitter composed of 4x4 antenna is located at (3m, -4m, 2m), and the 2x2 receiver is located at (5m, 2m, -1m). It is assumed that no channel is passed directly from the transmitter to the receiver.
도 6에 도시된 바와 같이, 가장 높은 수신 전력은 첫 번째 스캐닝 (611)이후 13번째 전송 빔에서 얻을 수 있다. RIS가 OFF 상태(622)일 때보다 제안된 기법(621)을 사용했을 때 약 25dB의 전력 이득을 갖는다. As shown in FIG. 6, the highest received power can be obtained in the 13th transmission beam after the first scanning (611). It has a power gain of about 25 dB when using the proposed technique (621) than when the RIS is in the OFF state (622).
도 7 및 도 8의 경우, 송신단의 전송 위상과 RIS의 반사 위상이 알맞게 구해지는 것을 볼 수 있다. In the case of FIGS. 7 and 8 , it can be seen that the transmission phase of the transmitter and the reflection phase of the RIS are properly obtained.
한편, 원거리 무선전력 전송 기술의 실질적 활용 및 상용화를 위해서는 아래와 같은 사항이 요구된다.On the other hand, for the practical use and commercialization of long-distance wireless power transmission technology, the following items are required.
1) 효율 및 거리 증대: RF 무선전력전송의 특성 상 효율이 상대적으로 낮고 저전력 IoT 기기를 충전하는 경우에도 10-20미터 정도가 현재의 최대 거리라고 볼 수 있다. 현재도 여러 응용분야(예: 닿기 어려운 곳에 설치된 센서 충전 등)에 적용될 수 있지만 응용분야 확장을 위해서는 효율/거리의 개선이 요구된다. 또한 경로 상에 장애물이나 사람 등이 위치할 경우 전력전송 효율이 급격히 떨어진다는 큰 결점이 존재한다. 전자기파의 직진성으로 인해 LOS(line of sight)가 유지되지 않는 장소에 대해서는 음영 지역이 생긴다.1) Efficiency and distance increase: Due to the nature of RF wireless power transmission, efficiency is relatively low, and even when charging low-power IoT devices, 10-20 meters can be considered the current maximum distance. Even now, it can be applied to many applications (e.g., charging sensors installed in hard-to-reach places), but improvement in efficiency/distance is required to expand the application field. In addition, when an obstacle or a person is located on the path, there is a major drawback in that the power transmission efficiency drops sharply. Due to the straightness of the electromagnetic wave, a shadow area is created in a place where a line of sight (LOS) is not maintained.
2) 인체 안전성: 전자기파가 인체에 미칠 수 있는 악영향을 고려하여 사람이 주변에 존재하는 환경에서 사용할 경우 인체 안전성을 보장할 수 있는 기술의 추가적으로 필요하다. 예를 들어 사람이 탐지되면 전송을 멈추거나 빔을 다른 방향으로 돌리는 기술 등으로 인체 안전성을 보장하여야 상용화를 앞당길 수 있다.2) Human safety: In consideration of the adverse effects that electromagnetic waves can have on the human body, additional technology is needed to ensure human safety when used in an environment where people exist. For example, when a person is detected, transmission is stopped or the beam is diverted in a different direction to ensure human safety to speed up commercialization.
3) 기기 가격: 원거리 무선전력전송에서 송신단으로 사용되는 위상배열안테나의 경우 제작 가격이 매우 비싸 상용화에 걸림돌이 되고 있다. 구매 가능한 IC(Integrated Circuit)를 기반으로 구현할 경우 가격이 높아지는 문제가 있어 송수신단 전용의 IC를 제작하여 비용을 낮추는 등의 노력이 요구된다.3) Device price: In the case of phased array antennas used as transmitters in long-distance wireless power transmission, the production cost is very high, which is an obstacle to commercialization. When implemented based on a commercially available IC (Integrated Circuit), there is a problem in that the price is increased, so efforts are required to lower the cost by manufacturing an IC dedicated to the transmitter and receiver.
본 발명의 일실시예에서 제시하는 반사형 RIS(reconfigurable intelligent surface) 기술을 원거리 무선전력전송 시스템에 도입하여 위 세가지 문제에 대한 해결책을 제시할 수 있다.A solution to the above three problems can be proposed by introducing the reflective reconfigurable intelligent surface (RIS) technology proposed in an embodiment of the present invention to a long-distance wireless power transmission system.
먼저, RIS(reconfigurable intelligent surface) 기술은 수많은 단위셀(unit cell)로 구현되어 있으며 이러한 RIS의 각각의 단위셀은 이를 통과하거나 반사되는 전자기파의 위상, 전력, 편파 등의 특성을 변경시킬 수 있다. First, RIS (reconfigurable intelligent surface) technology It is implemented with numerous unit cells, and each unit cell of such RIS can change characteristics such as phase, power, and polarization of an electromagnetic wave passing through or being reflected.
RIS 기술은 각 단위셀에 PIN 다이오드나 Varactor 등의 가변 소자를 추가하여 전압을 인가함에 따라 단위셀의 특성이 바뀌어 전체 RIS의 반응을 제어할 수 있는 기술을 의미한다. RIS는 외부로부터 인가되는 전자기파를 자유롭게 변형할 수 있으므로 원거리 무선전력 전송뿐 아니라 무선통신 활용에 높은 잠재적 가치가 있다.RIS technology means a technology that can control the reaction of the entire RIS by adding a variable element such as a PIN diode or a varactor to each unit cell so that the characteristics of the unit cell change as voltage is applied. Since RIS can freely transform electromagnetic waves applied from the outside, it has high potential value for wireless communication as well as long-distance wireless power transmission.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 송신단, 수신단 및 RIS의 위치를 보여주는 그래프이다. 즉, 도 9는 시뮬레이션을 위한 테스트 베드의 구성시 송신단/수신단과 RIS의 거리는 약 2m이고, 송신단과 수신단의 거리는 1m차이다.9 is a graph showing locations of a transmitting end, a receiving end, and RIS according to an embodiment of the present invention. That is, in FIG. 9 , when configuring a test bed for simulation, the distance between the transmitter/receiver and RIS is about 2 m, and the distance between the transmitter and receiver is 1 m.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 거리 대 전력전송 효율의 관계를 보여주는 그래프이다. 도 10을 참조하면, RIS 타일의 부분 배열의 크기에 따른 거리와 전력전송 효율의 관계이다. 도 10에 도시된 바와 같이, RIS가 없는 경우, 가장 낮은 효율성을 보여주며, 배열의 크기 및 거리에 따라 전력전송의 효율이 다르게 나타난다. 10 is a graph showing the relationship of distance versus power transmission efficiency according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 10 , it is a relationship between distance and power transfer efficiency according to the size of a partial array of RIS tiles. As shown in FIG. 10, when there is no RIS, the lowest efficiency is shown, and the efficiency of power transmission is different depending on the size and distance of the array.
또한, 여기에 개시된 실시형태들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계들은, 마이크로프로세서, 프로세서, CPU(Central Processing Unit) 등과 같은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 (명령) 코드, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. In addition, the steps of a method or algorithm described in connection with the embodiments disclosed herein are implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means such as a microprocessor, processor, CPU (Central Processing Unit), etc. It can be recorded on any available medium. The computer readable medium may include program (instruction) codes, data files, data structures, etc. alone or in combination.
상기 매체에 기록되는 프로그램 (명령) 코드는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프 등과 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD, 블루레이 등과 같은 광기록 매체(optical media) 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 (명령) 코드를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 반도체 기억 소자가 포함될 수 있다. The program (command) code recorded on the medium may be specially designed and configured for the present invention, or may be known and usable to those skilled in computer software. Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs, DVDs, and Blu-rays, and ROMs and RAMs ( A semiconductor storage element specially configured to store and execute program (instruction) codes such as RAM), flash memory, or the like may be included.
여기서, 프로그램 (명령) 코드의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.Here, examples of the program (command) code include high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter, as well as machine language codes such as those produced by a compiler. The hardware devices described above may be configured to act as one or more software modules to perform the operations of the present invention, and vice versa.
100: 무선 전력 전송 시스템
110: 송신단 111: 제 1 RIS(Reconfigurable Intelligent Surface) 단위 셀
120: RIS 어레이 블럭 121: 제 2 RIS 단위 셀
122: 기판 123: RIS 타일
130: 수신단 131: 제 3 RIS 단위 셀
301: 센서
310: 제어부
320-1 내지 320-n: 제 1 내지 제 n 제어 구성요소
330: 안테나
330-1 내지 330-n: 제 1 내지 제 n 단위 안테나 구성요소
410: 수신 모듈 420: 동기화 모듈
430: 계산 모듈 440: 결정 모듈100: wireless power transmission system
110: transmitter 111: first RIS (Reconfigurable Intelligent Surface) unit cell
120: RIS array block 121: second RIS unit cell
122
130: receiving terminal 131: third RIS unit cell
301: sensor
310: control unit
320-1 to 320-n: first to nth control components
330: antenna
330-1 to 330-n: first to nth unit antenna elements
410: receiving module 420: synchronization module
430
Claims (18)
다수개의 제 2 RIS 단위 셀(121)로 이루어진 직사각형 모양의 RIS 타일(123)이 다수개로 부분배열되어 구성되는 RIS 어레이 블럭(120);
다수개의 제 3 RIS 단위 셀(131)로 이루어진 제 2 안테나를 갖는 수신단(130);을 포함하며,
상기 송신단(110)은 상기 송신단(110), 상기 RIS 어레이 블록(120), 및 상기 수신단(130)간의 채널 정보 분석을 통해 빔 형성 및 조향을 위한 각 단위셀 조정 값을 정의하고, 상기 각 단위셀 조정값을 기반으로 상기 부분배열마다 빔 스캐닝을 수행하는 것을 특징으로 하는 전송효율 달성을 위한 수신전력 기반 빔 스캐닝 알고리즘를 갖는 무선 전력 전송 시스템.
a transmitter 110 having a first antenna composed of a plurality of first RIS (Reconfigurable Intelligent Surface) unit cells 111;
a RIS array block 120 configured by partially arranging a plurality of rectangular RIS tiles 123 composed of a plurality of second RIS unit cells 121;
A receiving end 130 having a second antenna composed of a plurality of third RIS unit cells 131; includes,
The transmitter 110 defines each unit cell adjustment value for beam forming and steering through channel information analysis between the transmitter 110, the RIS array block 120, and the receiver 130, and each unit A wireless power transmission system having a received power-based beam scanning algorithm for achieving transmission efficiency, characterized in that beam scanning is performed for each subarray based on a cell adjustment value.
상기 빔 형성은 상기 수신단(130)에서의 수신 전력 레벨 감지를 이용하는 것을 특징으로 하는 전송효율 달성을 위한 수신전력 기반 빔 스캐닝 알고리즘를 갖는 무선 전력 전송 시스템.
According to claim 1,
The beam forming is a wireless power transmission system having a received power-based beam scanning algorithm for achieving transmission efficiency, characterized in that using the received power level detection at the receiving end (130).
상기 제 1 안테나 및 상기 제 2 안테나는 좌표계를 갖도록 다수의 단일 안테나 구성요소 (330-1 내지 330-n)가 x축과 y축에 배열되는 직사각형 평면 어레이 안테나인 것을 특징으로 하는 전송효율 달성을 위한 수신전력 기반 빔 스캐닝 알고리즘를 갖는 무선 전력 전송 시스템.
According to claim 1,
The first antenna and the second antenna are rectangular planar array antennas in which a plurality of single antenna elements (330-1 to 330-n) are arranged in the x-axis and the y-axis to have a coordinate system. A wireless power transmission system having a beam scanning algorithm based on received power for
송신단(110)의 상기 제 1 RIS 단위 셀(111) (m,n) 인덱스 및 수신단(130)의 상기 제 3 RIS 단위 셀(131) (m,n) 인덱스의 위치(μ)는 각각 수학식 및 (여기서, 는 각각 x 및 y 방향에서 인접한 단일 안테나 구성요소 간격이고, Tx는 송신단을 의미하고, Rx는 수신단을 의미하고, M,N,m,n은 양의 자연수이고,는, 원점을 중심으로 일정한 길이 J만큼의 균일한 격자 j번째 격자점을 의미하고, T는 전치 행렬을 의미하고, ,는 가로로 M개의 단일 안테나 구성요소를 가지는 송신용 평면 안테나에서 가로로 m번 째 단일 안테나 구성요소, 는 세로로 N개의 단일 안테나 구성요소를 가질 때, 세로로 n번 째에 있는 단일 안테나 구성요소를 가리키며, 는 가로로 M개의 단일 안테나 구성요소를 가지는 수신용 평면 안테나에서 가로로 m번 째 단일 안테나 구성요소, 는 세로로 N개의 단일 안테나 구성요소를 가질 때, 세로로 n번 째에 있는 단일 안테나 구성요소를 가리킨다)으로 정의되는 것을 특징으로 하는 전송효율 달성을 위한 수신전력 기반 빔 스캐닝 알고리즘를 갖는 무선 전력 전송 시스템.
According to claim 3,
The position (μ) of the first RIS unit cell 111 (m, n) index of the transmitter 110 and the (m, n) index of the third RIS unit cell 131 of the receiver 130 are respectively Equation and (here, are adjacent single antenna element spacings in the x and y directions, respectively, Tx denotes the transmitting end, Rx denotes the receiving end, M, N, m, n are positive natural numbers, Means the j-th lattice point of a uniform lattice of a certain length J centered on the origin, T means a transposition matrix, , is the m-th single antenna element horizontally in a transmission planar antenna having M single antenna elements horizontally , When has N single antenna elements vertically, refers to the single antenna element in the nth position vertically, is the m-th single antenna element horizontally in a reception planar antenna having M single antenna elements horizontally , A wireless power transmission system having a received power-based beam scanning algorithm for achieving transmission efficiency, characterized in that defined as a single antenna element vertically n when having N single antenna elements vertically) .
상기 RIS 타일(123)이 인덱싱된 타일(k)은 의 상기 제 2 RIS 단위셀(121)의 부분배열을 가지며, 상기 제 2 RIS 단위셀(121) (m,n) 인덱스의 위치(μ)는 수학식 (여기서, , 및 은 각각 x 및 y 방향에서 정의된 RIS 단위 셀 간격이고,, 는 RIS 타일 K가 가로로 M개의 단위셀을 가질 때 가로로부터 m번 째 있는 단위셀이고, 는 RIS 타일 K가 세로로 N개의 단위셀을 가질 때 세로로부터 n번 째 있는 단위셀이다)으로 정의되는 것을 특징으로 하는 전송효율 달성을 위한 수신전력 기반 빔 스캐닝 알고리즘를 갖는 무선 전력 전송 시스템.
According to claim 3,
The tile k indexed by the RIS tile 123 is has a partial arrangement of the second RIS unit cell 121 of, and the position (μ) of the (m, n) index of the second RIS unit cell 121 is Equation (here, , and are the RIS unit cell spacing defined in the x and y directions, respectively, is the mth unit cell from the horizontal when the RIS tile K has M unit cells horizontally, is the nth unit cell from the vertical when the RIS tile K has N unit cells vertically). Wireless power transmission system having a received power-based beam scanning algorithm for achieving transmission efficiency, characterized in that.
상기 RIS 타일(123)의 크기는 상기 송신단(110)의 원점과 상기 RIS 타일 (123) 사이의 거리( ) 및 상기 RIS 타일(123)의 원점과 상기 수신단(130) 사이의 거리()에 비해 작은 것을 특징으로 하는 전송효율 달성을 위한 수신전력 기반 빔 스캐닝 알고리즘를 갖는 무선 전력 전송 시스템.
According to claim 5,
The size of the RIS tile 123 is the distance between the origin of the transmitter 110 and the RIS tile 123 ( ) and the distance between the origin of the RIS tile 123 and the receiving end 130 ( A wireless power transmission system having a received power-based beam scanning algorithm for achieving transmission efficiency, characterized in that it is smaller than ).
상기 송신단(110)에서 RIS 타일(123)까지의 방향의 u-v 좌표(S)는 수학식 (여기서, 및 는 각각 상기 송신단(110)에서 상기 RIS 타일(123)까지의 고도각 및 방위각이고, 및 은 각각 상기 RIS 타일(123)에서 상기 송신단(110)까지의 고도각 및 방위각이고, T는 전치이다)으로 정의되는 것을 특징으로 하는 전송효율 달성을 위한 수신전력 기반 빔 스캐닝 알고리즘를 갖는 무선 전력 전송 시스템.
According to claim 5,
The uv coordinate (S) of the direction from the transmitter 110 to the RIS tile 123 is expressed by Equation (here, and are elevation angles and azimuth angles from the transmitter 110 to the RIS tile 123, respectively; and is an elevation angle and an azimuth angle from the RIS tile 123 to the transmitter 110, and T is a transpose), characterized in that defined as), a wireless power transmission system having a beam scanning algorithm based on received power for achieving transmission efficiency .
상기 RIS 타일(123)에 대해 제어를 위한 제어 매개 변수가 설정되며, 상기 제어 매개 변수는 방향 제어 매개 변수(ck) 및 위상 제어 매개 변수(wk)로 이루어지며,
상기 방향 제어 매개 변수(ck)는 수학식 (여기서, 및 는 각각 IS 타일(123)에서 반사된 전자기파의 고도각 및 방위각이고, T는 전치이다)으로 정의되는 것을 특징으로 하는 전송효율 달성을 위한 수신전력 기반 빔 스캐닝 알고리즘를 갖는 무선 전력 전송 시스템.
According to claim 5,
A control parameter for control is set for the RIS tile 123, and the control parameter is composed of a direction control parameter (c k ) and a phase control parameter (w k ),
The direction control parameter (c k ) is expressed by Equation (here, and are the elevation and azimuth angles of electromagnetic waves reflected from the IS tile 123, respectively, and T is a transposition). A wireless power transmission system having a received power-based beam scanning algorithm for achieving transmission efficiency, characterized in that.
상기 방향 제어 매개 변수(ck) 및 위상 제어 매개 변수(wk)를 이용하여 연속 위상 편이시, RIS 타일(123)의 상기 제 2 단위셀(121)(m,n) 인덱스의 반사계수()는 수학식 으로 정의되는 것을 특징으로 하는 전송효율 달성을 위한 수신전력 기반 빔 스캐닝 알고리즘를 갖는 무선 전력 전송 시스템.
According to claim 8,
Reflection coefficient of the index of the second unit cell 121 (m,n) of the RIS tile 123 when the continuous phase shift is performed using the direction control parameter (c k ) and the phase control parameter (w k ) ) is the equation A wireless power transmission system having a received power-based beam scanning algorithm for achieving transmission efficiency, characterized in that defined as.
상기 송신단(110)의 방향 제어 매개 변수(q)는 수학식 (여기서, 및 는 각각 송신된 전자기파의 고도각 및 방위각이다)으로 정의되는 것을 특징으로 하는 전송효율 달성을 위한 수신전력 기반 빔 스캐닝 알고리즘를 갖는 무선 전력 전송 시스템.
According to claim 5,
The direction control parameter (q) of the transmitter 110 is Equation (here, and is an elevation angle and an azimuth angle of the transmitted electromagnetic wave, respectively).
상기 방향 제어 매개 변수(q)일 때, 상기 송신단(110)의 단일 안테나 구성요소(m,n)에서 송신된 전자기파()는 수학식 (여기서, p는 송신되는 전력값이고, 이다)으로 정의되는 것을 특징으로 하는 전송효율 달성을 위한 수신전력 기반 빔 스캐닝 알고리즘를 갖는 무선 전력 전송 시스템.
According to claim 10,
When the direction control parameter (q) is the electromagnetic wave transmitted from the single antenna element (m, n) of the transmitting end 110 ( ) is the equation (Where, p is the transmitted power value, A wireless power transmission system having a received power-based beam scanning algorithm for achieving transmission efficiency, characterized in that defined as).
상기 송신단(110)의 단일 안테나 구성요소(i,j)와 RIS 타일(123)의 상기 제 2 단위셀(121)(m,n)사이의 거리(d)는 수학식 (여기서, , 그리고 는 상기 송신단(110)과 상기 RIS 타일(123) 사이의 공간적 관계(spatial relationship)이고, Tx는 송신단을 의미하고, Rx는 수신단을 의미하고, M,N,m,n,i,j,a,b)은 양의 자연수이다)로 정의되는 것을 특징으로 하는 전송효율 달성을 위한 수신전력 기반 빔 스캐닝 알고리즘를 갖는 무선 전력 전송 시스템.
According to claim 5,
The distance (d) between the single antenna element (i, j) of the transmitter 110 and the second unit cell 121 (m, n) of the RIS tile 123 is expressed by Equation (here, , and Is a spatial relationship between the transmitting end 110 and the RIS tile 123, Tx means a transmitting end, Rx means a receiving end, M, N, m, n, i, j, a , b) is a positive natural number) A wireless power transmission system having a received power-based beam scanning algorithm for achieving transmission efficiency, characterized in that defined as.
상기 빔형성 및 조향에 관한 분석은 수학식 (여기서, h는 단일 안테나 구성요소(i,j)에서 상기 RIS 타일의 제 2 단위셀(m,n)로의 채널 이득이고, xi,j(q)는 방향 제어 매개 변수가 q일 때 송신단의 단일 안테나 구성요소(i,j)에서 송신된 전자기파를 의미하고, λ는 파장의 길이이고, 및 는 상기 RIS 타일(123)에 대한 상기 송신단 및 상기 수신단의의 안테나 이득을 나타내고, 및 는 상기 송신단 및 상기 수신단에 대한 상기 RIS 타일의 단위셀 이득이고, (a,b)는 수신단(130)의 단일 안테나 구성요소를 나타내고, ck는 방향 제어 매개 변수이고, wk는 위상 제어 매개 변수이고, , 그리고 는 상기 수신단과 상기 RIS 타일 사이의 공간적 관계(spatial relationship)이고, , 그리고 상기 송신단과 상기 RIS 타일 사이의 공간적 관계이다)을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 전송효율 달성을 위한 수신전력 기반 빔 스캐닝 알고리즘를 갖는 무선 전력 전송 시스템.
According to claim 12,
Analysis of the beam forming and steering is expressed by Equation (Where, h is the channel gain from a single antenna element (i, j) to the second unit cell (m, n) of the RIS tile, and x i, j (q) is the transmitting end when the direction control parameter is q Means an electromagnetic wave transmitted from a single antenna component (i, j) of , λ is the length of the wavelength, and Represents the antenna gain of the transmitting end and the receiving end for the RIS tile 123, and Is the unit cell gain of the RIS tile for the transmitting end and the receiving end, (a, b) represents a single antenna element of the receiving end 130, c k is a direction control parameter, and w k is a phase control parameter is a variable, , and Is a spatial relationship between the receiving end and the RIS tile, , and A wireless power transmission system having a received power-based beam scanning algorithm for achieving transmission efficiency, characterized in that achieved through a spatial relationship between the transmitter and the RIS tile).
상기 조향의 경우, 상기 RIS 타일(123)은 상기 방향 제어 매개 변수(ck)를 로 설정하는 것을 특징으로 하는 전송효율 달성을 위한 수신전력 기반 빔 스캐닝 알고리즘를 갖는 무선 전력 전송 시스템.
According to claim 13,
In the case of the steering, the RIS tile 123 determines the direction control parameter c k Wireless power transmission system having a received power-based beam scanning algorithm for achieving transmission efficiency, characterized in that set to.
상기 RIS 타일(123)은 상기 위상 제어 매개 변수(wk)의 조절을 통해 모든 파동이 상기 수신단(130)에서 결합되도록 상기 수신단(110)에서 빔의 위상이 정렬되는 것을 특징으로 하는 전송효율 달성을 위한 수신전력 기반 빔 스캐닝 알고리즘를 갖는 무선 전력 전송 시스템.
According to claim 13,
The RIS tile 123 achieves transmission efficiency, characterized in that the phase of the beam at the receiving end 110 is aligned so that all waves are combined at the receiving end 130 through adjustment of the phase control parameter (w k ) A wireless power transmission system having a beam scanning algorithm based on received power for
상기 빔 스캐닝에 따라 스캐닝된 점에서 상기 RIS 타일(123)의 방향 제어(ck)는 수학식 (여기서, , 이고, u,v방향의 스캐닝 단계별 크기는 각각 이다)을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 전송효율 달성을 위한 수신전력 기반 빔 스캐닝 알고리즘를 갖는 무선 전력 전송 시스템.
According to claim 1,
The direction control (c k ) of the RIS tile 123 at the point scanned according to the beam scanning is expressed by Equation (here, , , and the size of each scanning step in the u and v directions is A wireless power transmission system having a received power-based beam scanning algorithm for achieving transmission efficiency, characterized in that made through.
상기 수신단(120)은 상기 제 2 RIS 단위 셀(121)의 온/오프 패턴에 따른 수신 전력 및, 상기 수신 전력과 현재 스캐닝하고 있는 부분 배열에 대응하는 빔 인덱스를 기록하고, 상기 수신 전력 및 상기 빔 인덱스의 정보를 상기 송신단(110)에 전송하는 것을 특징으로 하는 전송효율 달성을 위한 수신전력 기반 빔 스캐닝 알고리즘를 갖는 무선 전력 전송 시스템.
According to claim 1,
The receiving end 120 records the received power according to the on/off pattern of the second RIS unit cell 121 and a beam index corresponding to the received power and a partial array currently being scanned, and the received power and the A wireless power transmission system having a received power-based beam scanning algorithm for achieving transmission efficiency, characterized in that for transmitting beam index information to the transmitter (110).
(a) 상기 송신단(110)이 상기 송신단(110), 상기 RIS 어레이 블록(120), 및 상기 수신단(130)간의 채널 정보 분석을 통해 빔 형성 및 조향을 위한 각 단위셀 조정 값을 정의하는 단계;및
(b) 상기 송신단(110)이 상기 각 단위셀 조정값을 기반으로 상기 부분배열마다 빔 스캐닝을 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 방법.
A transmitter 110 having a first antenna made up of a plurality of first RIS (Reconfigurable Intelligent Surface) unit cells 111, and a plurality of rectangular RIS tiles 123 made up of a plurality of second RIS unit cells 121. In a wireless power transmission method of a wireless power transmission system including a RIS array block 120 configured in a partial array, and a receiving terminal 130 having a second antenna composed of a plurality of third RIS unit cells 131,
(a) Defining, by the transmitting end 110, each unit cell adjustment value for beam forming and steering through channel information analysis between the transmitting end 110, the RIS array block 120, and the receiving end 130 ;and
(b) the transmitter 110 performing beam scanning for each subarray based on the unit cell adjustment value; wireless power transmission method characterized in that it comprises a.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
KR1020210123867A KR20230040568A (en) | 2021-09-16 | 2021-09-16 | System and Method for wireless power transfer having receiving power based beam scanning algorithm to achieve optimized transfer efficiency |
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CN117221978A (en) * | 2023-09-11 | 2023-12-12 | 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院 | Passive array-assisted data transmission method and device between nodes of electric power Internet of things |
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KR20190109809A (en) | 2018-03-19 | 2019-09-27 | 공주대학교 산학협력단 | Wireless power transfer system using transparent flat type meta-material structure |
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2021
- 2021-09-16 KR KR1020210123867A patent/KR20230040568A/en not_active Application Discontinuation
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