KR20240025271A - 무선전력정보동시전송(swipt) 시스템에서 다중 에너지 수집 방법 및 이의 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 무선전력정보동시전송(SWIPT) 시스템에서 다중 에너지 수집 방법은, 송신 분할 비율에 따라 구분되는 정보 신호와 전력 신호가 결합된 주파수 분할 신호를 수신하는 과정; 상기 전력 신호에 기초하는 입력 전력과 포화 전력을 비교하여 전력 분할 비율을 식별하는 과정; 및 상기 전력 분할 비율에 기초하여 상기 입력 전력을 적어도 하나 이상의 에너지수집기 유닛에 저장하는 과정;을 포함할 수 있다.

Description

무선전력정보동시전송(SWIPT) 시스템에서 다중 에너지 수집 방법 및 이의 장치 {METHOD AND APPARATUS FOR HARVESTING MULTIPLE ENERGY OF SWIPT(SIMULTANEOUS WIRELESS INFORMATION AND POWER TRANSFER) SYSTEM}

본 발명은 무선전력정보동시전송 시스템에서 다중 에너지 수집 방법 및 이의 장치에 관한 것으로, 상세하게, 선택적 빔포밍 및 적응적 전력 분배를 통해 무선전력정보동시전송 시스템의 수신 장치에서 다중 에너지 수집을 수행하는 방법 및 이의 장치에 관한 것이다.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.

최근에 IoT 장치에 RF 신호를 이용하여 무선으로 전력을 공급하는 기술이 각광받고 있다. 기존의 유선으로 전력을 공급하던 방식은 IoT 장치의 수가 급격하게 늘어남에 따라 배터리 교체비용, 전선 교체 및 유지 비용도 늘어나는 문제점이 있기 때문이다. 여기서, RF 에너지 수집(energy harvesting) 기술이 활용될 수 있다. RF 에너지 수집 기술은 주변 환경을 이용하여 에너지를 획득하는 방법을 통칭하며, 일반적으로 기지국과 같은 RF 신호의 송신 장치로부터 RF 신호를 무선으로 수신하여 수신기의 에너지원으로 변환 및 활용하는 기술을 의미한다.

이러한 RF 에너지 수집 기술 중에서, 수신기가 데이터 통신에 사용하는 RF 신호를 수신하여 정보 복호와 에너지 수집을 함께 수행하는 무선전력정보동시전송(SWIPT: Simultaneous Wireless Information and Power Transmission) 기술은 에너지 수집을 위한 별도의 자원 할당이 요구되지 않는 장점이 있다. 무선전력정보동시전송 기술은 통신 신호와 전력 신호를 하나의 신호로 동시에 전송을 하는 기술을 지칭할 수 있다. 상기 두 신호를 같은 주파수로 전송하기 때문에 보다 적은 대역폭을 사용하게 되고, 다른 통신 시스템과의 간섭을 줄일 수 있다는 장점이 있다.

RF 신호를 이용하는 무선전력정보동시전송 기술은 기존의 자기 유도 방식 혹은 공진 유도 방식의 기술에 비해 상대적으로 먼 거리에서 정보와 전력을 동시에 전송할 수 있다는 특징이 있으며, 이러한 특징에 기인하여 기존의 무선 통신과 달리 동시 정보 및 전력 전송에서 중요한 파라미터 중 하나는 전력 전송 효율(PCE: Power conversion efficiency)이다.

한편, RF 신호의 수신 장치에서 통상적으로 사용되는 단일 에너지 수집 회로는 정류기(rectifier), 컨버터(Converter), 커패시터 등의 소자 특성에 의해 비 선형성(nonlinearity)을 가지며, 입력 전력에 따라 전력 변환 효율이 달라진다. 도 1(a)를 참조하면, 단일 에너지 수집 회로의 다이오드는 낮은 입력 전력에서 다이오드의 턴온 전압(turn-on voltage)로 인해 회로를 동작하기 어려워 출력 전력이 낮고, 높은 입력 전력에서 포화 영역이 존재하는 것이 확인되며, 도 1(b)를 참조하면, 높은 입력 전력에서 다이오드의 항복전압(reverse breakdown voltage)에 의해 포화영역이 생기게 되어 전력 변환 효율이 떨어지게 되어 에너지 변환 효율이 감소하는 것이 확인된다. 다시 말해서, 단일 에너지 수집 회로의 전력 변환 효율이 우수한 범위가 한정적임을 알 수 있다.

이러한 단일 에너지 수집 회로의 변환 성능 감소를 해결하기 위해, RF 신호 송신 장치에서 송신되는 전력은 제한이 있어 이를 증가시키지 않고 전력 전송 효율을 개선하기 위해 MIMO (Multiple-input and multiple-output) 송수신 구조를 갖는 다중 에너지 수집블록이 제안되었다.

이에, 저전력 및 저복잡도를 요구하는 IoT 기기에 적용될 수 있는 다중 에너지 수집블록을 구현하기 위한 무선전력정보동시전송 시스템 제어 방법 및 무선전력정보동시전송 시스템을 구성하는 구체적인 송수신 장치 구조가 필요하다.

한국 등록특허공보 제10-2245225호 (SWIPT 수신기를 위한 재구성 가능한 이종 에너지 수집부 및 에너지 수집부 재구성 방법, 2021년 4월 21일)

전술한 바와 같이, 무선전력정보동시전송 시스템에서 저전력 및 저복잡도를 요구하는 IoT 기기에 적용될 수 있는 다중 에너지 수집 방법으로, 서브어레이 빔포머를 통해 선택적으로 RF 신호 빔포밍을 수행하여 복잡도를 낮추고, 서브어레이 전력분배기를 통해 전력 전송 효율을 향상시키는 무선전력정보동시전송(SWIPT) 시스템에서 다중 에너지 수집 방법 및 이의 장치를 제공하는 것에 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 무선전력정보동시전송(SWIPT) 시스템에서 다중 에너지 수집 방법은, 송신 분할 비율에 따라 구분되는 정보 신호와 전력 신호가 결합된 주파수 분할 신호를 수신하는 과정; 상기 전력 신호에 기초하는 입력 전력과 포화 전력을 비교하여 전력 분할 비율을 식별하는 과정; 및 상기 전력 분할 비율에 기초하여 상기 입력 전력을 적어도 하나 이상의 에너지수집기 유닛에 저장하는 과정; 을 포함할 수 있다.

실시예에 따라, 상기 주파수 분할 신호를 수신하는 과정은, 적어도 하나의 서브어레이 빔포머의 빔포밍을 통해 상기 주파수 분할 신호를 수신하는 과정;을 포함할 수 있다.

실시예에 따라, 상기 정보 신호에 기초하는 데이터를 정보 복호기로 입력하는 과정;을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 따른 무선전력정보동시전송(SWIPT) 시스템에서 다중 에너지 수집 장치는, 송신 분할 비율에 따라 구분되는 정보 신호와 전력 신호가 결합된 주파수 분할 신호를 수신하는 RF 수신 빔포머; 상기 전력 신호에 기초하는 입력 전력과 포화 전력을 비교하여 전력 분할 비율을 식별하는 적응적 전력분할기; 및 상기 전력 분할 비율에 기초하여 상기 입력 전력을 적어도 하나 이상의 에너지수집기 유닛에 저장하는 에너지 수집기; 을 포함할 수 있다.

실시예에 따라, 상기 RF 수신 빔포머는 적어도 하나의 서브어레이 빔포머의 빔포밍을 통해 상기 주파수 분할 신호를 수신할 수 있다.

실시예에 따라, 상기 에너지 수집기는 상기 정보 신호에 기초하는 데이터를 정보 복호기로 입력할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예로서 제공되는 무선전력정보동시전송(SWIPT) 시스템에서 다중 에너지 수집 방법 및 이의 장치는 MIMO SWIPT 시스템에서 고효율 저복잡도로 동작하는 대규모 IoT 네트워크에 적용될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 적응적 전력 분배를 통해 에너지 수집기의 포화 전력 영역을 완화시킬 뿐 아니라, 수집 에너지를 증가시킬 수 있다.

한편, 본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 이하에서 설명할 내용으로부터 통상의 기술자에게 자명한 범위 내에서 다양한 효과들이 포함될 수 있다.

도 1(a)은 단일 에너지 수집 회로에서 다이오드 동작 영역을, 도 1(b)는 단일 에너지 수집 회로에서 에너지 변환 효율을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 무선전력정보동시전송 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 무선전력정보동시전송 시스템에 포함되는 송신 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 무선전력정보동시전송 시스템에 포함되는 송신 장치의 주파수 분할 SWIPT 신호 스펙트럼을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 무선전력정보동시전송 시스템에 포함되는 수신 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 무선전력정보동시전송 시스템에 포함되는 수신 장치의 전력 분배 과정을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용으로서 본 발명의 바람직한 실시 예의 구성과 작용에 대해 구체적으로 설명하기로 한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 제한되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 도면 부호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 구성요소들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 비록 "제 1", "제 2" 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제 1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제 2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.

"예시적인"이라는 단어는 본 명세서에서 "예시 또는 예증으로서 사용된"의 의미로 사용된다. 본 명세서에서 "예시적인"것으로 설명된 임의의 실시예는 반드시 바람직한 것으로서 해석되거나 다른 실시예들보다 이점을 갖는 것으로 해석되어서는 안된다.

또한, 명세서에서 사용되는 "부"라는 용어는 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 엘리먼트를 의미하며, "부"는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 "부"는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. "부"는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 "부"는 소프트웨어 엘리먼트들, 객체지향 소프트웨어 엘리먼트들, 클래스 엘리먼트들 및 태스크 엘리먼트들과 같은 엘리먼트들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 엘리먼트들과 "부"들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 엘리먼트들 및 "부"들로 결합되거나 추가적인 엘리먼트들과 "부"들로 더 분리될 수 있다.

또한, 본 명세서에서 모든 “부”는 적어도 하나의 프로세서에 의해 제어될 수 있으며 본 개시의 “부”가 수행하는 동작을 적어도 하나의 프로세서가 수행할 수도 있다.

본 명세서의 실시예들은 기능 또는 기능을 수행하는 블록의 관점에서 설명될 수 있다. 본 개시의 '부' 또는 '모듈' 등으로 지칭될 수 있는 블록은 논리 게이트, 집적 회로, 마이크로 프로세서, 마이크로 컨트롤러, 메모리, 수동 전자 부품, 능동 전자 부품, 광학 컴포넌트, 하드와이어드 회로(hardwired circuits) 등과 같은 아날로그 또는 디지털 회로에 의해 물리적으로 구현되고, 선택적으로 펌웨어 및 소프트웨어에 의해 구동될 수 있다.

본 명세서의 실시예는 적어도 하나의 하드웨어 디바이스 상에서 실행되는 적어도 하나의 소프트웨어 프로그램을 사용하여 구현될 수 있고 엘리먼트를 제어하기 위해 네트워크 관리 기능을 수행할 수 있다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

이하, 도면을 참고하여 본 발명의 구체적인 실시 예들에 대해 설명하기로 한다.

도 1(a) 및 도 1(b)에서 단일 에너지 수집 회로에서의 전력 변환 효율의 한계를 설명하고, 상기 한계를 해결하기 위해 제안된 다중 에너지 수집 방법이 적용되는 무선전력정보동시전송(SWIPT) 시스템을 도 2에서 설명한다. 이후, 무선전력정보동시전송(SWIPT) 시스템에 포함되는 송신 장치에 대해서 도 3 및 도 4에서 설명하고, 수신 장치에 대해서 도 5 및 도 6에서 설명한다.

도 1(a)은 단일 에너지 수집 회로에서 다이오드 동작 영역을, 도 1(b)는 단일 에너지 수집 회로에서 에너지 변환 효율을 설명하기 위한 도면이며, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 무선전력정보동시전송 시스템을 설명하기 위한 도면이다.

도 1(a) 및 도 1(b)를 참조하면, 단일 에너지 수집 회로는 정류기의 비선형적 특성에 의해 높은 RF 수신 전력에서 포화 영역 때문에 낮은 에너지 변환 효율을 가지며, 특정 수신 전력 이상의 전력에서는 정류되는 DC 전력이 포화되어 증가하지 않아 낮은 에너지 변환 효율을 가질 수 있다. 이에, 본 발명의 일 실시예에서는 포화 전력 이상의 높은 전력이 수신되더라도, 복수의 안테나를 포함하고, 신호를 분할하여 송수신하는 다중 에너지 수집 회로로 각각 입출력함으로써 에너지 변환 효율을 높일 수 있다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 에너지 수집 회로를 이용하는 무선전력정보동시전송 시스템(200)은 기지국과 같은 RF 신호의 송신 장치(210, 또는 송신기로 지칭될 수 있음) 및 송신 장치(210)로부터 RF 신호를 무선으로 수신하여 에너지원으로 변환 및 활용하는 적어도 하나의 수신 장치(220, 또는 수신기로 지칭될 수 있음)를 포함할 수 있다.

실시예에 따라, 수신 장치(220)는 다수의 안테나를 포함할 수 있고, 수신 장치(220)에 포함되는 다중 에너지 수집 회로는 RF 결합(RF combining) 구조 또는 DC 결합 구조 또는 RF 결합(DC combining) 구조와 DC 결합 구조가 결합된 하이브리드 결합 구조로 구성될 수 있다.

실시예에 따라, RF 결합 구조를 갖는 수신 장치(220)는 복수의 수신 안테나와 상기 복수의 수신 안테나에 대응하는 RF 위상 천이기(RF phase shifter)를 통해 수신된 신호를 RF단에서 결합할 수 있다. 송신 장치(210) 및 수신 장치(220)는 송수신 안테나 빔포밍(Beamforming)으로 위상을 일치 또는 정렬시켜 RF 신호를 결합한 후 다중 에너지 수집기로 나누어 입력할 수 있다. RF 결합 구조는 다중 에너지 수집기로 전달되는 입력 전력을 증가시켜 최적의 에너지 변환 효율을 얻을 수 있는 반면, 복수의 모든 안테나에서 빔포밍을 수행해야하기 때문에 수신 안테나가 많아질수록 수신기(220)의 복잡도가 높아질 수 있다.

실시예에 따라, DC 결합 구조는 복수의 수신 안테나 각각에 에너지 수집기를 하나씩 연결하여 수집된 DC 전력을 결합하는 구조를 지칭할 수 있다. 복수의 수신 안테나는 RF 위상 천이기를 거치지 않고 정류기와 직접 연결되어 각각 생성된 DC 전력을 결합하여 전력 저장소에 저장하거나 에너지 수집기로 신호를 전달하기 때문에 수신단의 복잡도가 RF 결합 구조와 비교해서 상대적으로 낮을 수 있다. 하지만, 빔포밍으로 인한 전력 이득을 볼 수 없어 에너지 변환 효율이 RF 결합 구조에 비해 상대적으로 낮을 수 있다.

실시예에 따라, RF 결합 구조와 DC 결합 구조가 결합된 하이브리드 결합 구조는 복수의 모든 수신 안테나에서 빔포밍하는 RF 결합 구조와 달리, 적어도 하나 이상의 서브어레이 빔포머(subarray beamformer)를 포함하고 적어도 하나 이상의 서브어레이 빔포머 각각이 RF 서브 어레이 빔포밍을 수행할 수 있다. 수신 장치(220)의 모든 수신 안테나에 대한 빔포밍이 아닌 더 낮은 단계의 RF 서브어레이 빔포밍으로 인해 복잡도를 낮출 수 있다. 상기 하이브리드 결합 구조는 RF 결합 구조와 DC 결합 구조와 비교해서 전력 변환 효율과 하드웨어 복잡성 사이에서 절충점을 가질 수 있다. 다시 말해서, RF 결합 구조 대비 하드웨어 복잡성을 더하는 대신 제어 가능한 수신 안테나 빔포밍 이득으로 인해 상대적으로 더 높은 에너지 변환 효율을 가질 수 있다.

실시예에 따라, 무선전력정보동시전송 시스템(200)는 MIMO (Multiple-input and multiple-output) 송수신 구조를 갖는 다중 에너지 수집 회로를 포함할 수 있고, 정보를 동시에 수신하기 위해 전력 소모가 큰 전력 및 시간 분할 기법이 아닌 주파수 분할 기법으로 정보를 송수신할 수 있다. 다중 에너지 수집 회로를 포함하는 무선전력정보동시전송 시스템(200)은 하이브리드 결합 구조를 이용함으로써 RF 결합 구조보다 상대적으로 단순하게 구현될 수 있고, DC 결합 구조 보다 더 높은 에너지 변환 효율을 얻을 수 있으며, 수신 장치(220)는 낮은 전력으로 동작 가능하며, 낮은 복잡도를 가져야 하는 IoT 기기에 적용될 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 무선전력정보동시전송 시스템에 포함되는 송신 장치를 설명하기 위한 도면이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 무선전력정보동시전송 시스템에 포함되는 송신 장치의 주파수 분할 SWIPT 신호 스펙트럼을 설명하기 위한 도면이다.

도 3을 참조하면, 무선전력정보동시전송 시스템에 포함되는 송신 장치(300)는 통신과 전력 전송을 위한 신호의 송신 분할 비율을 식별하는 제어부(310), 송신 분할 비율에 따라 주파수 분할 신호(또는 SWIPT 신호)를 생성하는 신호생성기(320) 및 송신 안테나를 통해 빔포밍을 수행하는 RF 송신 빔포머(330, RF transmit beamformer)을 포함할 수 있다. 그 밖에, 송신 분할 비율과 관련된 알고리즘을 저장하는 메모리(도면 미도시), MIMO (Multiple-input and multiple-output) 송신을 위한 복수의 송신 안테나를 포함할 수 있으나, 반드시 상기 모든 구성을 반드시 포함해야 하는 것은 아니며, 제어부(310) 내지 빔포머(330)가 하나의 제어부로 구성될 수 있다.

실시예에 따라, 제어부(310)는 송신 장치(300)에서 전송되는 하나의 SWIPT 신호에서 정보 전송을 위한 통신 신호와 전력 신호 간의 송신 분할 비율을 결정할 수 있고, 정보와 전력을 동시에 전달하는 SWIPT 신호는 같은 주파수 영역 내에 정보 및 전력 신호를 동시에 할당하여 수신부에서 시간 혹은 전력 분할로 수신하는 방법과, 서로 다른 주파수 영역에 정보와 전력 신호를 할당하여 수신하는 주파수 전력 분할 방법 중 적어도 어느 하나를 식별할 수 있다.

실시예에 따라, 제어부(310)는 SWIPT 신호의 전송을 위해 반송 주파수(carrier frequency)에 기 설정된 전력을 단일 톤으로 할당하고, 주변 주파수 영역에 데이터를 할당할 수 있다. 실시예에 따라, 제어부(310)는 수신 장치의 QoS (Quality of Service)를 보장하기 위해 할당되는 전력 신호와 정보 신호의 전력을 적응적으로 조절할 수 있고, QoS를 고려하여 주파수 분할 SWIPT 신호를 생성할 수 있다.

실시예에 따라, 송신 장치(300)는 수신 장치 또는 다른 송신 장치로부터 QoS를 산출하기 위한 파라미터 정보를 수신할 수 있다. 제어부(310)는 정보 신호(패킷)의 전송지연, 전송지연변이(지터), 패킷 손실, 전송 대역 중 적어도 어느 하나 이상의 파라미터에 의해 QoS를 식별할 수 있고, nonlinear fractional programming과 최적화 기법을 이용해 정보 신호와 전력 신호 간의 송신 분할 비율을 식별할 수 있다.

실시예에 따라, 제어부(310)는 낮은 소비 전력을 요구하는 IoT 기기에 포함되는 수신 장치에서 SWIPT 신호의 수신 가능한 주파수 대역을 식별하여 해당 식별된 주파수 대역을 이용할 수 있고, IoT 기기에 적합한 주파수 분할 기법을 적용할 수 있다.

실시예에 따라, RF 송신 빔포머(330)는 주파수 분할 SWIPT 신호를 식별된 주파수 대역 또는 채널을 통해 수신 장치로 전송할 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 무선전력정보동시전송 시스템에 포함되는 수신 장치를 설명하기 위한 도면이다.

도 5를 참조하면, 무선전력정보동시전송 시스템에 포함되는 수신 장치(500)는 하이브리드 결합 구조로 구현될 수 있고, 하이브리드 결합 구조에 따른 수신 장치(500)는 적어도 하나의 서브어레이 빔포머(511)를 포함하는 RF 수신 빔포머(510, RF receive beamformer), 적어도 하나의 서브어레이 전력분할기(521)를 포함하는 적응적 전력분할기(520, adaptive power splitter), 복수의 에너지 수집 유닛(531)이 적어도 하나의 집합으로 포함되는 에너지 수집기(530)를 포함할 수 있다. 또한, MIMO 수신을 위한 복수의 수신 안테나, 복수의 에너지 수집 유닛으로부터 전력을 전달받는 배터리, 수신된 정보 신호를 기저대역(baseband)에서 변환 또는 결합하는 베이스밴드 결합기(baseband combiner), 정보 복호기(Information decoder)를 포함할 수 있고, 반드시 이들 구성을 반드시 포함하지 않고, 일부만을 포함할 수 있다.

실시예에 따라, SWIPT 신호로부터 에너지 수집을 목적으로 하는 에너지 수집기(530)는 전력을 수신해 전압을 정류하고 원하는 DC(Direct Current) level로 출력하는 정류기(rectifier)와 컨버터(DC-DC Converter), 정류된 DC 전력을 일시 저장하는 커패시터 혹은 배터리를 포함할 수 있다.

실시예에 따라, RF 수신 빔포머(510)는 복수의 수신 안테나를 통해 SWIPT 신호를 수신할 수 있다. 수신 장치(500)는 복수의 모든 수신 안테나에 대한 빔포밍이 아닌 그룹화된 적어도 하나의 서브어레이 빔포머(511)를 통해 낮은 단계의 RF 수신 서브어레이 빔포밍으로 인해 복잡도를 낮출 수 있다.

수신 장치(500)는 송신 장치의 위치 정보, SWIPT 신호의 주파수 대역, 진폭, 위상, 변조 방식 등의 정보에 기초하여 RF 수신 서브어레이 빔포밍을 수행할 적어도 하나의 서브어레이 빔포머(511) 또는 적어도 하나의 서브어레이 빔포머(511)를 포함하는 그룹을 식별할 수 있다.

실시예에 따라, 에너지 수집부(530)는 포락선 검파기(Envelope Detector)를 포함할 수 있고, DC 전력과 기저대역 정보 신호로 분리하여 분리된 신호 각각을 배터리와 정보 복호기로 입력할 수 있다.

실시예에 따라, 무선전력정보동시전송 시스템은 MIMO 통신을 위해 개의 송신 안테나를 포함하는 송신 장치와 개의 수신 안테나를 가진 수신 장치(500)을 포함할 수 있다.

실시예에 따라, 에너지 수집부(530)는 단일 에너지 수집 회로를 포함하는 에너지 수집부와 달리 적어도 둘 이상의 병렬로 구성된 다중 에너지 수집 유닛(531)을 포함할 수 있다. 개의 수신 안테나는 개의 서브어레이 빔포머(511) 또는 서브어레이 전력분할기(521)과 대응될 수 있다. 번째 서브어레이 빔포머(511)에 대응되는 수신 안테나의 개수는 개 ( )로 이는 개의 에너지 수집부 유닛과 연결될 수 있고, 수신 장치(5100)는 총 개의 에너지 수집기 유닛을 포함할 수 있다.

복수의 수신 안테나를 통해 수신된 SWIPT 신호는 RF 수신 빔포머(510)를 통해 수신될 수 있다. 이때, 서브어레이 빔포머(511)를 통해 RF 결합 구조에 따른 빔포밍 이득을 얻게 되고, SWIPT 신호는 적응적 전력 분할기(520)로 전달될 수 있다. 적응적 전력 분할기(520)는 입력된 전력의 양과 에너지 수집기(530)의 포화 전력을 비교하여 수집 전력을 기 설정된 포화 전력에 이르기 전까지 최적의 분할 비율을 결정할 수 있다. 이후, 분할된 신호는 포락선 검파기를 포함한 에너지 수집기(530)를 통해 할당된 DC 전력과 기저대역 정보 신호를 분리될 수 있다.

실시예에 따라, 하이브리드 결합 구조에 따라 구현되는 수신 장치(500)는 RF 결합 구조 및 DC 결합 구조의 일부 구성이 결합된 형태로 구현할 수 있다. 실시예에 따라, RF 결합 구조로 구현되는 수신 장치는 하나의 서브 어레이( ) 만을 갖는 하이브리드 결합 수신기로 활용될 수 있고, 복수의 수신 안테나에서 수신된 복수의 SWIPT 신호를 동시에 결합한 다음, 전력을 분할하여 다중 에너지 수집기에 공급할 수 있다. 또한, DC 결합 구조로 구현되는 수신 장치는 서브 어레이의 수( )가 복수의 수신 안테나 수와 동일한 하이브리드 결합 구조로 구현되는 수신 장치로 활용될 수 있고, 복수의 수신 안테나 각각에서 수신된 하나의 신호를 에너지 수집기에 직접 연결하여 수집된 모든 DC 전력을 배터리에 공급할 수 있다. 이에 따라, 하이브리드 결합 구조로 구현된 수신 장치(500)는 RF 결합 구조 및 DC 결합 구조 대비 에너지 수집 성능과 하드웨어 복잡성 간의 균형을 고려하여 절충적으로 구현된 구조로 해석될 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 무선전력정보동시전송 시스템에 포함되는 수신 장치의 전력 분배 과정을 설명하기 위한 도면이다.

도 6을 참조하면, 무선전력정보동시전송 시스템에 포함되는 수신 장치는 분할되는 전력 비율과 송수신 빔포밍 벡터를 동시에 최적화하기 위해 각각의 단일 에너지 수집의 포화 전력 값, 비선형성 파라미터, 송신 전력, 수신 전력, 무선 채널, 하이브리드 결합 구조를 파라미터로 가질 수 있다. 실시예에 따라, 비선형성 파라미터는 인덕턴스, 커패시턴스, 전송주파수 대역 등 일정하지 않은 회로 매개 변수일 수 있다.

실시예에 따라, 무선전력정보동시전송 시스템에 포함되는 수신 장치는 송신 분할 비율에 따라 구분되는 정보 신호와 전력 신호가 결합된 주파수 분할 신호를 생성하는 송신 장치로부터 SWIPT 신호를 수신할 수 있다(S610).

복수의 수신 안테나 및 RF 수신 빔포머를 통해 SWIPT 신호를 수신한 수신 장치는 적응적 전력 분할기를 통해 입력된 전력의 양과 에너지 수집기의 포화 전력을 비교하여 수집 전력을 최대화하기 위해 최적의 전력 분할 비율을 결정할 수 있다(S620).

실시예에 따라, 무선전력정보동시전송 시스템에 포함되는 수신 장치는 할당된 전력 신호의 송신 전력( )에 따라 RF 송신 안테나 빔포밍과 RF 수신 빔포밍을 동시에 최적화하여 [수학식 1]에 따라 수집 에너지를 최대화할 수 있다.

[수학식 1]

여기서, 은 번째 서브어레이(서브어레이 빔포머 또는 서브어레이 전력분할기)에서 번째 에너지 수집기 유닛으로 분할되는 전력 비율, 는 송신기 빔포밍 벡터, 은 모든 RF 송신 안테나와 번째 서브어레이에 대응하는 RF 수신 안테나 사이의 채널, 은 번째 서브 어레이 수신 빔포밍 벡터, 은 의 행렬식 및 은 의 대각행렬식을 지시할 수 있다.

실시예에 따라, 수학식 1에 따른 수집 에너지는 2차 변환(quadratic transform)을 통해 식별될 수 있다.

실시예에 따라, 적응적 전력분할기는 적응적 전력분할기의 수신 전력이 기 설정된 포화 전력을 넘지 않는 경우, 적응적 전력분할기에 입력된 수신 전력의 값과 포화 전력이 포함된 비선형 에너지 수집기 파라미터를 통해 전력을 분할하여 2개의 에너지수집기 유닛으로 전송할지, 단일 전력 수집기로 전송할지 여부를 식별할 수 있다.

실시예에 따라, 적응적 전력분할기는 적응적 전력분할기로 입력된 수신 전력이 포화 전력을 넘는 경우, 적응적 전력분할기에서 전력을 2개 혹은 그 이상의 에너지수집 유닛으로 분할할지 여부를 식별할 수 있고, 전력을 분할하여 에너지 수집기에 전송함으로써, 포화 영역에 도달하지 않게 전력을 조절하여 수집되는 전력을 최대화할 수 있다.

실시예에 따라, 무선전력정보동시전송 시스템에 포함되는 수신 장치는 포락선 검파기를 통해 각각 DC전력 및 기저대역 정보 신호로 분리하여 적어도 하나 이상의 에너지수집기 유닛 및 정보 복호기로 입력할 수 있다(S630).

본 발명의 다양한 실시예들은 기기(machine)(예를 들어, 차량 생성 데이터 기록장치 또는 컴퓨터)에 의해 읽을 수 있는 저장 매체(storage medium)(예를 들어, 메모리)에 저장된 하나 이상의 인스트럭션들을 포함하는 소프트웨어로서 구현될 수 있다. 예를 들면, 기기의 프로세서는, 저장 매체로부터 저장된 하나 이상의 인스트럭션들 중 적어도 하나의 명령을 호출하고, 그것을 실행할 수 있다. 이것은 기기가 상기 호출된 적어도 하나의 인스트럭션에 따라 적어도 하나의 기능을 수행하도록 운영되는 것을 가능하게 한다. 상기 하나 이상의 인스트럭션들은 컴파일러에 의해 생성된 코드 또는 인터프리터에 의해 실행될 수 있는 코드를 포함할 수 있다. 기기로 읽을 수 있는 저장매체는, 비일시적(non-transitory) 저장매체의 형태로 제공될 수 있다. 여기서, '비일시적 저장매체'는 실재(tangible)하는 장치이고, 신호(signal)(예를 들어, 전자기파)를 포함하지 않는다는 것을 의미할 뿐이며, 이 용어는 데이터가 저장매체에 반영구적으로 저장되는 경우와 임시적으로 저장되는 경우를 구분하지 않는다. 예를 들어, '비일시적 저장매체'는 데이터가 임시적으로 저장되는 버퍼를 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 본 명세서에 개시된 다양한 실시예들에 따른 방법은 컴퓨터 프로그램 제품(computer program product)에 포함되어 제공될 수 있다. 컴퓨터 프로그램 제품은 상품으로서 판매자 및 구매자 간에 거래될 수 있다. 컴퓨터 프로그램 제품은 기기로 읽을 수 있는 저장 매체(예를 들어, compact disc read only memory (CD-ROM))의 형태로 배포되거나, 또는 어플리케이션 스토어(예: 플레이 스토어TM)를 통해 또는 두개의 사용자 장치들(예: 스마트폰들) 간에 직접, 온라인으로 배포(예: 다운로드 또는 업로드)될 수 있다. 온라인 배포의 경우에, 컴퓨터 프로그램 제품(예: 다운로더블 앱(downloadable app))의 적어도 일부는 제조사의 서버, 어플리케이션 스토어의 서버, 또는 중계 서버의 메모리와 같은 기기로 읽을 수 있는 저장 매체에 적어도 일시 저장되거나, 임시적으로 생성될 수 있다. 이상, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 제한적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (6)

1. 송신 분할 비율에 따라 구분되는 정보 신호와 전력 신호가 결합된 주파수 분할 신호를 수신하는 과정;
   상기 전력 신호에 기초하는 입력 전력과 포화 전력을 비교하여 전력 분할 비율을 식별하는 과정; 및
   상기 전력 분할 비율에 기초하여 상기 입력 전력을 적어도 하나 이상의 에너지수집기 유닛에 저장하는 과정;
   을 포함하는,
   무선전력정보동시전송(SWIPT) 시스템에서 다중 에너지 수집 방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 주파수 분할 신호를 수신하는 과정은,
   적어도 하나의 서브어레이 빔포머의 빔포밍을 통해 상기 주파수 분할 신호를 수신하는 과정;을 포함하는,
   무선전력정보동시전송(SWIPT) 시스템에서 다중 에너지 수집 방법.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 정보 신호에 기초하는 데이터를 정보 복호기로 입력하는 과정;을 더 포함하는,
   무선전력정보동시전송(SWIPT) 시스템에서 다중 에너지 수집 방법.
   
4. 송신 분할 비율에 따라 구분되는 정보 신호와 전력 신호가 결합된 주파수 분할 신호를 수신하는 RF 수신 빔포머;
   상기 전력 신호에 기초하는 입력 전력과 포화 전력을 비교하여 전력 분할 비율을 식별하는 적응적 전력분할기; 및
   상기 전력 분할 비율에 기초하여 상기 입력 전력을 적어도 하나 이상의 에너지수집기 유닛에 저장하는 에너지 수집기;
   을 포함하는,
   무선전력정보동시전송(SWIPT) 시스템에서 다중 에너지 수집 장치.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 RF 수신 빔포머는 적어도 하나의 서브어레이 빔포머의 빔포밍을 통해 상기 주파수 분할 신호를 수신하는,
   무선전력정보동시전송(SWIPT) 시스템에서 다중 에너지 수집 장치.
   
6. 제4항에 있어서,
   상기 에너지 수집기는 상기 정보 신호에 기초하는 데이터를 정보 복호기로 입력하는,
   무선전력정보동시전송(SWIPT) 시스템에서 다중 에너지 수집 장치.
   

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