WO2022102811A1 - 무선 전력 전송 시스템에서 전력 증가를 위한 신호의 위상 정렬 송신 기법 - Google Patents

무선 전력 전송 시스템에서 전력 증가를 위한 신호의 위상 정렬 송신 기법 Download PDF

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Definitions

  • the following description relates to a technique for designing a technique for transmitting a power signal from a transmitter in order to increase received power in a wireless power transmission system.
  • the received signal gathers in time and space, thereby increasing the power of the received signal.
  • an inter-symbol interference signal is generated, and the interference signal may reduce reception power due to a phase difference with the target signal.
  • a wireless power transmission system including a single transmitter and a single energy receiver in a multipath channel is considered.
  • the TR transmission technique When the TR transmission technique is used in a multi-path channel, there is an advantage of temporally and spatially gathering signals, but a phase difference from the target signal occurs due to a phase having a continuous uniform distribution of the interference signal, which may reduce reception power.
  • a receiver periodically transmits a pilot symbol to measure a channel that changes according to a position due to movement of the receiver from the transmitter.
  • the transmitter may estimate the channel based on the pilot symbol from the receiver, and may perform pre-signal processing for power increase of the received signal based on the estimated channel information.
  • the received signal consists of the sum of the target signal and the interference signal, and in the TR scheme, the phase and magnitude of the target signal can be easily predicted due to matching with the multi-path channel. Accordingly, the value of the interference signal may be obtained by subtracting the value of the target signal from the received signal.
  • the phase can be obtained through the obtained value of the interference signal, and the phase of the transmission filter coefficients for aligning the phase of the target symbol with the phase of the interference signal is updated.
  • the proposed method can achieve additional receive power increase as well as compensate for the deterioration of the received power performance due to the interference signal when the conventional TR method is used.
  • the proposed method can simply obtain the interference signal from the difference between the estimated received signal and the easily calculated target signal without calculating numerous interference signals one by one.
  • 1 is a structure of a proposed multi-channel system.
  • Figure 3 is a schematic diagram of the flow of the signal is sent from the transmitter.
  • FIG. 5 is a result of increasing reception power through phase alignment when the phases of a target signal and an interference signal are different from each other in the conventional TR technique through phase alignment.
  • 6 is a performance result obtained by measuring received power using a phase alignment technique.
  • the transmit power is 1 in a single antenna
  • the receive power is also 1, and when the time regression technique is used, the performance increases to 1.9. It can be seen that the reception power increases up to 4.5 when the retrograde technique with phase alignment is used.
  • the transmitter configures a digital filter bank to use different filters for each energy symbol
  • the receiver consists of an energy receiver that receives an RF signal, converts it into DC power, and stores the converted power in a battery.
  • the transmitter can estimate channel information corresponding to a change in the position of the receiver.
  • the transmitter configures a transmit filter bank based on the estimated channel, and the initially configured transmit filter is an existing TR filter.
  • the transmitter Since the transmitter already knows the energy symbol to be transmitted, and the information of the transmission filter and the multipath channel through which the transmitted signal will pass through channel estimation, the transmitter can estimate the value of the received signal.
  • the transmitter updates the filter using such channel information and energy symbols, and transmits a signal using the updated filter, schematically illustrating a process in which a transmission signal meets a channel and power is received.
  • a received signal is divided into a target signal and an interference signal, and the phase and magnitude of the target signal can be easily estimated due to matching with the multi-path channel.
  • the phase difference between the target signal and the interference signal constituting the received signal is at least 90 degrees different, so that the power of the received signal is reduced. can be considered to be lowered.
  • the phases of the filter coefficients for the transmission filters constituting the target symbol in the received signal are aligned in the direction of the interference signal.
  • the transmitter subtracts the value of the target signal from the received signal to obtain the magnitude and phase of the interference signal.
  • 4 is a conceptual diagram capable of increasing received signal power by performing phase alignment.
  • a phase is derived based on the calculated value of the interference signal, and the phase of the filter corresponding to the target signal is aligned with the phase of the interference signal.
  • 5 is a result of increasing actual received signal power by performing phase alignment. After aligning the target signal in the direction of the interference signal, it is possible to check the increased reception power.
  • the filter bank is reconfigured using the updated filter coefficients, and energy symbols are passed through to perform wireless power transmission.
  • the phase-aligned target signal and the interference signal not only compensate for the decrease in reception power caused by the interference signal that may occur when the conventional TR technique is used, but also increase the reception power. can bring the received signal.
  • the device described above may be implemented as a hardware component, a software component, and/or a combination of the hardware component and the software component.
  • devices and components described in the embodiments may include, for example, a processor, a controller, an arithmetic logic unit (ALU), a digital signal processor, a microcomputer, a field programmable gate array (FPGA). , a programmable logic unit (PLU), microprocessor, or any other device capable of executing and responding to instructions, may be implemented using one or more general purpose or special purpose computers.
  • the processing device may execute an operating system (OS) and one or more software applications running on the operating system.
  • a processing device may also access, store, manipulate, process, and generate data in response to execution of the software.
  • OS operating system
  • a processing device may also access, store, manipulate, process, and generate data in response to execution of the software.
  • the processing device includes a plurality of processing elements and/or a plurality of types of processing elements. It can be seen that can include For example, the processing device may include a plurality of processors or one processor and one controller. Other processing configurations are also possible, such as parallel processors.
  • Software may comprise a computer program, code, instructions, or a combination of one or more thereof, which configures a processing device to operate as desired or is independently or collectively processed You can command the device.
  • the software and/or data may be any kind of machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage medium or apparatus, to be interpreted by or to provide instructions or data to the processing device. may be embodied in The software may be distributed over networked computer systems and stored or executed in a distributed manner. Software and data may be stored in one or more computer-readable recording media.
  • the method according to the embodiment may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and recorded in a computer-readable medium.
  • the computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination.
  • the program instructions recorded on the medium may be specially designed and configured for the embodiment, or may be known and available to those skilled in the art of computer software.
  • Examples of the computer-readable recording medium include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs and DVDs, and magnetic media such as floppy disks.
  • - includes magneto-optical media, and hardware devices specially configured to store and execute program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, and the like.
  • Examples of program instructions include not only machine language codes such as those generated by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter or the like.

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Abstract

무선 전력 전송 시스템에서 전력 증가를 위한 신호의 위상 정렬 송신 기법이 개시된다. 필터 뱅크 기반 송신기에서 수신 신호를 추정하고 목적 신호를 계산하고, 추정된 수신 신호와 목적 신호의 차로부터 간단하게 간섭 신호를 구할 수 있다. 계산된 간섭 신호의 위상을 기반으로 간단하게 목적 신호의 위상을 간섭 신호의 위상으로 정렬하기 위하여 목적 신호를 구성하는 해당 필터 계수의 위상만 업데이트 한다.

Description

무선 전력 전송 시스템에서 전력 증가를 위한 신호의 위상 정렬 송신 기법
아래의 설명은 무선 전력 전송 시스템에서 수신 전력을 증가시키기 위해 송신기에서 전력 신호를 전송하는 기법을 설계하는 기술에 관한 것이다.
과제고유번호: 20170007080041001　　
부처명:　과학기술정보통신부　　
연구사업명: 정보통신.방송 연구개발사업
연구과제명: (EZBARO)다중 안테나 기반 동일 자원을 활용한 정보 및 전력 동시 전송 시스템 개발(2020)　
주관기관: 한국과학기술원　　
연구관리전문기관: 정보통신기획평가원　　
연구기간: 2020-01-01 ~ 2020-12-31　 　
대부분의 무선 전송 환경에서 발생하는 다중 경로 채널에서 time-reversal (TR)기법을 사용하면 수신 신호가 시간과 공간에서 모이게 되어 수신 신호의 전력이 증가하는 이점이 있다.
TR기법을 사용하여 신호를 보낼 경우 심볼 간 간섭 신호가 생기게 되고 이러한 간섭 신호는 목적 신호와의 위상 차이로 인하여 수신 파워를 저하시킬 수 있다.
효율적인 전력 전송을 위해서는 수신 전력을 최대화해야 하며, 따라서 간섭 신호에 의한 성능 저하를 보상하기 위한 기법이 필요하다.
본 발명에서는 다중 경로 채널에서 단일 송신기와 단일 에너지 수신기로 구성된 무선 전력 전송 시스템을 고려한다.
다중 경로 채널에서 TR 전송 기법을 사용하면 시간적, 공간적으로 신호가 모이는 이점이 있지만 간섭 신호의 연속 균등 분포를 가지는 위상에 의하여 목적 신호와 위상 차이가 발생하며, 이로 인하여 수신 전력이 저하될 수 있다.
에너지 수신기는 수신기에서 어떠한 신호 처리도 수행할 수 없기 때문에, 수신 전력을 증가시키기 위해서는 송신기에서 간섭에 의한 성능저하를 보상할 수 있는 기법이 필요하다.
송신기에서 수신기의 이동으로 위치에 따라 변화하는 채널 측정을 위해 수신기는 주기적으로 파일럿 심볼을 전송한다.
송신기는 수신기로부터의 파일럿 심볼을 기반으로 채널을 추정하며, 추정된 채널 정보를 기반으로 수신 신호의 전력 증대를 위한 사전 신호 처리를 수행할 수 있다.
수신 신호는 목적 신호와 간섭 신호의 합으로 이루어져 있으며, TR 기법에서 목적 신호는 다중 경로 채널과의 정합으로 인하여 위상 및 크기를 쉽게 예측할 수 있다. 따라서, 수신 신호에서 목적 신호의 값을 빼서 간섭 신호의 값을 구할 수 있다.
Figure PCTKR2020015874-appb-img-000001
구해진 간섭 신호의 값을 통하여 위상을 구할 수 있으며, 간섭 신호의 위상을 기준으로 목적 심볼의 위상을 정렬시키기 위한 송신 필터 계수의 위상을 업데이트한다.
Figure PCTKR2020015874-appb-img-000002
이러한 간섭 신호와 목적 신호의 위상 정렬을 통해 수신 전력 증대를 달성한다.
제안한 기법은 기존의 TR기법을 사용했을 때 간섭 신호에 의한 수신 전력 성능 저하를 보상할 뿐 아니라 추가적인 수신 전력 증대를 달성할 수 있다.
제안한 기법은 수많은 간섭 신호를 일일이 계산하지 않고 추정된 수신 신호와 쉽게 계산할 수 있는 목적 신호의 차로부터 간단하게 간섭 신호를 구할 수 있다.
계산된 간섭 신호의 위상을 기반으로 간단하게 목적 신호의 위상을 간섭 신호의 위상으로 정렬하기 위하여 목적 신호를 구성하는 해당 필터 계수의 위상만 업데이트한다.
대부분의 무선 전송 환경에서 발생하는 다중 경로 채널 무선 전력 전송 시스템에서 전력 전송 효율 증대를 위해 유용하게 사용될 수 있다
도면 1은 제안하는 다중 채널 시스템의 구조이다.
도면 2는 전체 시스템의 블럭도이다.
도면 3는 송신기에서 신호가 보내지는 흐름을 도식화한 것이다.
도면 4은 위상 정렬 원리이다.
도면 5는 위상 정렬을 통해 기존의 TR 기법에서 목적 신호와 간섭 신호의 위상이 다를 때 이를 위상 정렬을 통해 수신 파워를 증가시킨 결과이다.
도면 6는 위상 정렬 기법을 이용하여 수신 파워를 측정한 성능 결과이다. 랜덤 신호를 보낼 경우 싱글 안테나에서 송신 파워가 1일 경우 수신 파워도 1이고 시간 역행 기법을 사용할 경우 1.9까지 성능이 증가한다. 위상 정렬을 추가한 역행 기법을 사용할 경우 4.5까지 수신 파워가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
이하, 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 제안하는 다중 채널 시스템의 구조이다. 송신기는 에너지 심볼 마다 각기 다른 필터를 사용하도록 디지털 필터 뱅크를 구성하며, 수신기는 RF 신호를 수신하여 DC 전력으로 전환하고, 전환된 전력을 배터리에 저장하는 형태의 에너지 수신기로 구성된다.
수신기에서 주기적인 프리앰블을 전송함으로써 송신기는 수신기의 위치 변화에 대응하는 채널 정보를 추정할 수 있다.
송신기는 추정된 채널을 기반으로 송신 필터 뱅크를 구성하며, 초기에 구성되는 송신 필터는 기존 TR 필터이다.
송신기는 전송할 에너지 심볼을 이미 알고 있으며, 채널 추정을 통해 송신 필터와 송신된 신호가 통과할 다중 경로 채널의 정보를 알 수 있으므로, 수신 신호의 값을 추정할 수 있다.
도 2에서 송신기에서 이러한 채널 정보와 에너지 심볼을 이용하여 필터를 업데이트하고 업데이트한 필터를 이용하여 신호를 송신하여 송신 신호가 채널을 만나 전력이 수신되는 과정을 도식화 하였다.
도 3에서 각 에너지 심볼이 해당하는 송신 필터를 통과하여 송신기에서 송신하는 송신 신호의 흐름을 도식화 하였다.
한편, TR기법에 의해서 수신 신호는 목적 신호와 간섭 신호로 구분되며, 목적 신호는 다중 경로 채널과의 정합으로 인하여 위상과 크기를 쉽게 추정할 수 있다.
추정된 수신 신호의 전력 중 계산된 목적 신호의 전력보다 작은 값을 가지는 수신 신호가 발생한다면 해당 수신 신호를 구성하는 목적 신호와 간섭 신호의 위상이 최소 90도 이상의 차이가 발생하여 수신 신호의 전력이 낮아진 것으로 판단할 수 있다.
따라서 해당 수신 신호에서 목적 심볼을 구성하는 송신 필터들에 대한 필터 계수의 위상을 간섭 신호방향으로 정렬시킨다.
필터 계수의 위상 정렬을 위해 먼저 송신기에서 수신 신호에서 목적 신호의 값을 빼서 간섭 신호의 크기와 위상을 구한다.
도 4은 위상 정렬을 수행하여 수신 신호 전력을 증가 시킬 수 있는 개념도이다.
계산된 간섭 신호의 값을 기반으로 위상을 도출하여 목적 신호에 해당하는 필터의 위상을 간섭 신호의 위상으로 정렬시킨다.
도 5는 위상 정렬을 수행하여 실제 수신 신호 전력을 증가시킨 결과이다. 목적 신호를 간섭 신호 방향으로 정렬 후 증가된 수신 전력을 확인할 수 있다.
이와 같은 방식으로 업데이트 된 필터 계수를 사용하여 필터 뱅크를 재구성하고, 에너지 심볼을 통과시켜 무선 전력 전송을 수행한다.
수신 신호는 목적 신호와 간섭 신호의 합으로 구성되므로 위상 정렬된 목적 신호와 간섭 신호는 기존 TR 기법을 사용한 경우에 발생할 수 있는 간섭 신호에 의한 수신 전력 저하를 보상할 뿐 아니라, 추가적인 수신 전력 증대를 가져올 수 있다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 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, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 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 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (6)

  1. 필터 뱅크 기반 송신기에서 수신 신호를 추정하고 목적 신호를 계산하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    추정된 수신 신호에서 목적 신호를 이용하여 간섭 신호를 계산하여 위상을 추정하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    목적 신호와 간섭 신호의 위상 차이로 인한 수신 전력이 감소된 수신 신호를 찾아내는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    수신 전력 감소된 수신 신호를 구성하는 송신 필터와 해당 목적 신호를 추정하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    목적 신호에 해당하는 송신 필터의 위상을 업데이트하는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    필터 업데이트를 통해 목적 신호와 간섭 신호의 위상을 정렬하는 방법.
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