수신전력 피드백 정보를 이용한 효율적인 무선전력전송 시스템 연구

Abstract

무선전력전송은 1900년대 초 미국 니콜라 테슬라에 의해 처음으로 제시되었으나 오랜 기간동안 발전을 하지 못하였다. 그러나 시대가 발전함에 따라 사용하는 전자제품의 수가 급속도로 늘어나며 다시 무선전력전송이 관심을 받게 되었다. 이에 현재 연구는 크게 자기유도, 자기공명, 그리고 전자기파의 3가지 방식으로 진행중이다. 전자기파 방식은 3가지 방법 중 가장 원거리까지 충전이 가능한 방식으로 다른 두 방법에 비해 하드웨어와 알고리즘의 복잡도가 높다. 전자기파를 이용한 무선전력전송 알고리즘의 핵심은 위치를 알지 못하는 수신기에 전력을 RF 최적 효율(Efficient RF-RF efficiency)로 보내기 위해 송신기의 위상과 진폭 배열을 실시간(Real-time)으로 결정하는 것이다.

본 논문에서는 무선전력전송 시스템을 구성하고, 수신된 전력을 피드백 받아 송신기의 최적 위상과 진폭 배열을 결정하는 알고리즘을 제시하고 있다. 피드백 기반의 알고리즘은 알고리즘의 복잡도는 조금 높으나 하드웨어의 구성이 간단하고 정류기(rectifier)의 효율 문제에 자유롭다는 장점이 있다. 정류기는 입력 전력에 따라 그 효율이 달라지는데, 전력 피드백 기반의 알고리즘으로는 수신되는 전력에 정류기의 효율 정보가 이미 포함되어 있으므로 더 정확하게 최적 효율을 얻을 수 있다. 알고리즘은 최적 위상배열 결정, 최적 진폭배열 결정의 2가지 단계를 반복하여 최적 배열 값에 가까워진다. 송신기의 최적 위상은 1차원 배열을 아다마드 행렬(Hadamard matrix)를 기저(basis) 로 분리하여 결정하였고, 최적 진폭은 특이값 분해(SVD)를 수행하여 결정하였다. 또한 제시한 알고리즘의 효율과 최적 효율을 비교해보고자 convex 최적화로 구해진 최적 효율과 비교하여 근접함을 확인하였다. 해당 알고리즘은 MATLAB로 개발되어 주파수, 송수신기의 위치, 크기 등을 입력 값으로 넣어주면 효율, 최적 위상 및 진폭 배열 등을 결과로 얻을 수 있다.

본 논문에서 제시한 수신된 전력 피드백 방식의 알고리즘은 실시간 시스템(Real-time system)을 목표로 알고리즘의 복잡도를 줄였으므로 무선전력전송 뿐 아니라 실시간으로 수신기의 위치가 알려지지 않은 전자장치를 향해 전파를 방사하는 목적으로도 사용할 수 있을 것이다. 더불어 near-field 영역을 고려하여 주파수가 높거나 거리가 달라져도 이에 무관하게 모든 시나리오에서 적용이 가능하다. 마지막으로, 하드웨어의 복잡도가 낮아 비용적인 측면에서도 구현에 이점이 있다.