KR101339691B1 - 근거리 통신 및 무선 전력 전송 시스템에서 전력 제어 장치 및 방법 - Google Patents

근거리 통신 및 무선 전력 전송 시스템에서 전력 제어 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 근거리 통신 및 무선 전력 전송 시스템에서 전력 제어 기술에 관한 것으로, 근거리 통신 및 무선 전력 전송을 동시에 수행하여 정보 및 전력의 전송을 가능하게 하며, 정보 전송을 위해 필요한 자기장 통신 용량을 보장하면서 무선 전력 전송 효율을 최대화하는 전력 제어를 수행하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 매립 센서 네트워크에서 저용량 자기장 통신뿐만 아니라 대용량 자기장 통신까지도 함께 지원하면서 전력 전송도 동시에 가능하게 함으로써, 필요한 일정 양의 정보 전송을 가능하게 하며 동시에 매립 센서의 배터리 문제도 해결할 수 있다.

Description

근거리 통신 및 무선 전력 전송 시스템에서 전력 제어 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING POWER IN A LOCAL COMMUNICAION AND WIRELESS POWER TRANSMISSION SYSTEM}
본 발명은 근거리 통신 및 무선 전력 전송 기술에 관한 것으로서, 특히 근거리 통신 및 무선 전력 전송을 동시에 수행하여 정보 및 전력을 전송하는 경우, 일정 양의 정보 전송을 위해 필요한 자기장 통신 용량을 보장하면서 동시에 무선 전력 전송 효율을 최대화할 수 있는 전력 제어를 수행하는데 적합한 근거리 통신 및 무선 전력 전송 시스템에서 전력 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
현대 사회의 도시화가 진행되면서 가스관, 전기관, 수도관 등의 많은 매립물들이 지중에 매설되고 있다. 이러한 지중 매립물들은 정확한 위치 파악이 쉽지 않아 새로운 건축물 건설 및 보수 공사 등은 기존 지중 매립물의 손상을 초래할 수 있다. 이러한 지중 매립물들은 사람들의 생활과 직접적인 연관이 있는 구조물로 지중 매립물의 손상은 금전적, 시간적 손해뿐만 아니라 사람들의 삶의 질적인 측면에서도 큰 피해를 줄 수 있다.
그러므로 지중 매립물의 위치를 정확히 파악하여 모니터링 하는 기술은 매우 중요하다. 이에 지중 매립물 관리를 위해서는 매립물과 함께 매립물의 위치 정보를 담고 있는 지중 센서를 매립한다. 매립된 지중 센서는 통신을 통해 지중 매립물의 위치 정보를 지상의 리더기에 알려주어 지중 매립물의 모니터링을 가능하게 하고 있다.
그러나 기존의 전자파 통신은 매질에 따라 전파 특성이 나빠지기 때문에 지중에 매립된 센서와의 통신이 곤란해질 수 있으므로 자기장 통신에 대한 필요성이 커지고 있다. 또한, 매립 센서는 그 환경의 특수성으로 인해 배터리 교환이 어렵기 때문에 무선 전력전송에 대한 필요성도 커지고 있다.
자기장 통신과 관련한 기존 연구로는 미국의 visible asset 사에서 자기장 통신 시스템을 개발하였다. 일반적으로 지중 매립물 모니터링을 위한 자기장 통신에서는 대용량의 정보 전송이 필요하진 않으므로 수 kbps 정도의 통신 용량만 지원 되면 충분하다. 이러한 요구에 맞춰 visible asset사의 제품도 수 kbps의 통신 용량을 최대 15미터의 거리까지 지원하고 있다. 하지만 visible asset사의 자기장 통신 시스템은 자기장 통신을 통해 매립 환경에서의 정보 전송은 가능하지만 매립된 태그(tag)의 배터리를 정기적으로 교환해 주어야 하는 단점이 있다.
무선 전력 전송과 관련된 기존 연구로는 (비특허문헌 1) MIT의 자기 공진(magnetic resonance)을 이용한 무선 전력 전송 방식이 대표적이다. MIT의 마린 솔랴치치 교수는 송수신 코일의 공진 특성을 이용하여 반지름 30cm 코일을 사용할 때 2m의 거리에서 40%의 무선 전력 전송 효율이 가능함을 실험을 통해 성공하였다.
Andre Kurs, Aristeidis Karalis, Robert Moffatt, J.D.Joannopoulos, Peter Fisher, and Marin Soljacic. "Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances", 2007, Science Vol.317, 83,
상기한 바와 같이 종래 기술에 의한 자기장 통신 또는 무선 전력 전송 방식에 있어서는, 자기장 통신 또는 무선 전력 전송 각각에 대한 연구를 진행할 뿐, 무선 전력 전송과 자기장 통신을 동시에 고려하지 않았다.
즉, 매립 센서 네트워크에서는 매립 환경이라는 특수성으로 인해 무선 전력 전송과 자기장 통신이 동시에 가능하여야 센서의 배터리 문제 및 정보 전송 문제를 동시에 해결할 수 있으나, 이에 대한 별다른 방안이 제시되지 않고 있다.
이에 본 발명의 실시예는, 근거리 통신 및 무선 전력 전송을 동시에 수행하여 정보 및 전력의 전송을 가능하게 하며, 정보 전송을 위해 필요한 자기장 통신 용량을 보장하면서 무선 전력 전송 효율을 최대화하는 전력 제어를 수행할 수 있는 근거리 통신 및 무선 전력 전송 시스템에서 전력 제어 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
또한 본 발명의 실시예는, 근거리 통신 및 무선 전력 전송을 동시에 수행하여 매립 센서 네트워크에서 필요로 하는 일정 양의 정보 전송을 위해 자기장 통신 용량을 보장하면서 동시에 무선전력전송 효율을 최대화 하기 위한 전력 제어를 수행할 수 있는 근거리 통신 및 무선 전력 전송 시스템에서 전력 제어 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 근거리 통신 및 무선 전력 전송 시스템에서 전력 제어 장치는, 대역폭 설정 및 채널을 측정한 후, 송신 정보 전송을 위한 자기장 통신 용량을 보장하며, 무선 전력 전송 효율이 최대화되는 전력 할당을 수행하고, 상기 송신 정보에 대한 인코딩 및 변조를 수행하고, 적어도 하나의 코일 안테나로 자기장의 상호 유도 특성을 이용한 송신 신호 및 전력을 송신하는 송신부와, 상기 송신 신호 및 전력을 적어도 하나의 코일 안테나로 수신하여 상기 전력을 저장하고, 상기 송신 신호에 대한 복조 및 디코딩을 수행하여 상기 송신 정보를 복원하는 수신부를 포함할 수 있다.
그리고 상기 송신부는, 채널 이득이 기 설정된 기준 보다 높은 서브 채널의 워터 레벨을 기 설정된 기준 보다 높여 일정 수준 이상의 전력을 할당하고, 상기 채널 이득이 기 설정된 기준 보다 낮은 서브 채널의 워터 레벨을 기 설정된 기준 보다 낮추어 일정 수준 이하의 전력을 할당할 수 있다.
그리고 상기 송신부는, 상기 수신부에 보장해야 하는 자기장 통신의 용량이 기 설정 용량보다 작은 경우에는 중심 주파수를 중심으로 기 설정된 기준보다 좁은 대역폭에 기 설정된 기준보다 많은 전력을 집중적으로 할당하고, 보장해야 하는 자기장 통신의 용량이 기 설정 용량보다 큰 경우에는 중심 주파수를 중심으로 기 설정된 기준보다 넓은 대역폭에 전력을 나눠서 할당할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 근거리 통신 및 무선 전력 전송 시스템에서 전력 제어 장치는, 전체 대역폭을 복수의 서브 채널로 나누어 대역폭 및 채널을 설정하고, 파일럿 신호로 설정된 채널을 측정한 후, 채널 측정 결과를 토대로 송신 정보 전송을 위한 자기장 통신 용량을 보장하며, 무선 전력 전송 효율이 최대화되는 전력 할당을 수행하는 제어부와, 상기 송신 정보에 대한 인코딩을 수행하는 인코더와, 인코딩된 송신 정보에 대한 변조를 수행하는 변조부와, 자기장의 상호유도 특성으로 변조된 송신 정보와 전력을 다중 반송파 기반으로 동시에 송신하는 적어도 하나의 코일 안테나를 포함할 수 있다.
그리고 상기 제어부는, 채널 이득이 기 설정된 기준 보다 높은 서브 채널의 워터 레벨을 기 설정된 기준 보다 높여 일정 수준 이상의 전력을 할당하고, 상기 채널 이득이 기 설정된 기준 보다 낮은 서브 채널의 워터 레벨을 기 설정된 기준 보다 낮추어 일정 수준 이하의 전력을 할당할 수 있다.
그리고 상기 제어부는, 라그랑지 계수를 초기화한 후, 매 타임 슬롯 마다 그레이디언트 알고리즘으로 업데이트를 수행하여 수렴하는 값을 산출하고, 상기 수렴하는 라그랑지 계수 값을 토대로 전력 할당량을 계산할 수 있다.
그리고 상기 제어부는, 수신부에 보장해야 하는 자기장 통신의 용량이 기 설정 용량보다 작은 경우에는 중심 주파수를 중심으로 기 설정된 기준보다 좁은 대역폭에 기 설정된 기준보다 많은 전력을 집중적으로 할당하고, 보장해야 하는 자기장 통신의 용량이 기 설정 용량보다 큰 경우에는 중심 주파수를 중심으로 기 설정된 기준보다 넓은 대역폭에 전력을 나눠서 할당할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 근거리 통신 및 무선 전력 전송 시스템에서 전력 제어 방법은, 대역폭 설정 및 채널을 측정한 후, 송신 정보 전송을 위한 자기장 통신 용량을 보장하며, 무선 전력 전송 효율이 최대화되는 전력 할당을 수행하는 과정과, 상기 송신 정보에 대한 인코딩 및 변조를 수행하여 송신 신호를 생성하는 과정과, 적어도 하나의 코일 안테나로 자기장의 상호 유도 특성을 이용한 상기 송신 신호 및 전력을 송신하는 과정과, 수신부에서 상기 송신 신호 및 전력을 적어도 하나의 코일 안테나로 수신하는 과정과, 상기 전력을 저장하는 과정과, 상기 송신 신호에 대한 복조 및 디코딩을 수행하여 상기 송신 정보를 복원하고 상기 송신 정보에 포함된 제어 명령을 수행하는 과정을 포함할 수 있다.
그리고 상기 전력 할당을 수행하는 과정은, 채널 이득이 기 설정된 기준 보다 높은 서브 채널의 워터 레벨을 기 설정된 기준 보다 높여 일정 수준 이상의 전력을 할당하는 과정과, 상기 채널 이득이 기 설정된 기준 보다 낮은 서브 채널의 워터 레벨을 기 설정된 기준 보다 낮추어 일정 수준 이하의 전력을 할당하는 과정을 포함할 수 있다.
그리고 상기 전력 할당을 수행하는 과정은, 상기 수신부에 보장해야 하는 자기장 통신의 용량이 기 설정 용량보다 작은 경우에는 중심 주파수를 중심으로 기 설정된 기준보다 좁은 대역폭에 기 설정된 기준보다 많은 전력을 집중적으로 할당하는 과정과, 보장해야 하는 자기장 통신의 용량이 기 설정 용량보다 큰 경우에는 중심 주파수를 중심으로 기 설정된 기준보다 넓은 대역폭에 전력을 나눠서 할당하는 과정을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 근거리 통신 및 무선 전력 전송 시스템에서 전력 제어 방법은, 전체 대역폭을 복수의 서브 채널로 나누어 대역폭 및 채널을 설정하고, 파일럿 신호로 설정된 채널을 측정하는 과정과, 채널 측정 결과를 토대로 송신 정보 전송을 위한 자기장 통신 용량을 보장하며, 무선 전력 전송 효율이 최대화되는 전력 할당을 수행하는 과정과, 상기 송신 정보에 대한 인코딩을 수행하는 과정과, 인코딩된 송신 정보에 대한 변조를 수행하는 과정과, 적어도 하나의 코일 안테나를 이용하여 자기장의 상호유도 특성으로 변조된 송신 정보와 전력을 다중 반송파 기반으로 동시에 송신하는 과정을 포함할 수 있다.
그리고 상기 전력 할당을 수행하는 과정은, 채널 이득이 기 설정된 기준 보다 높은 서브 채널의 워터 레벨을 기 설정된 기준 보다 높여 일정 수준 이상의 전력을 할당하는 과정과, 상기 채널 이득이 기 설정된 기준 보다 낮은 서브 채널의 워터 레벨을 기 설정된 기준 보다 낮추어 일정 수준 이하의 전력을 할당하는 과정을 포함할 수 있다.
그리고 상기 전력 할당을 수행하는 과정은, 라그랑지 계수를 초기화한 후, 매 타임 슬롯 마다 그레이디언트 알고리즘으로 업데이트를 수행하여 수렴하는 값을 산출하는 과정과, 상기 수렴하는 라그랑지 계수 값을 토대로 전력 할당량을 계산하는 과정을 더 포함할 수 있다.
그리고 상기 전력 할당을 수행하는 과정은, 수신부에 보장해야 하는 자기장 통신의 용량이 기 설정 용량보다 작은 경우에는 중심 주파수를 중심으로 기 설정된 기준보다 좁은 대역폭에 기 설정된 기준보다 많은 전력을 집중적으로 할당하는 과정과, 보장해야 하는 자기장 통신의 용량이 기 설정 용량보다 큰 경우에는 중심 주파수를 중심으로 기 설정된 기준보다 넓은 대역폭에 전력을 나눠서 할당하는 과정을 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 실시예에 따른 근거리 통신 및 무선 전력 전송 시스템에서 전력 제어 장치 및 방법에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 근거리 통신 및 무선 전력 전송 시스템에서 전력 제어 장치 및 방법에 의하면, 매립 센서 네트워크에서 저용량 자기장 통신뿐만 아니라 대용량 자기장 통신까지도 함께 지원하면서 전력 전송도 동시에 가능하게 함으로써, 필요한 일정 양의 정보 전송을 가능하게 하며 동시에 매립 센서의 배터리 문제도 해결할 수 있다.
또한, 건설, 환경, 방재, 국방 등 다양한 응용분야에 접목할 수 있고 특히 극한 환경에서 저전력 무선 통신이 가능함으로써 지중이나 수중 시설물, 지반 상태, 유해 환경 등의 감시ㆍ관리용 센서네트워크 시스템 구축에 사용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 근거리 통신 및 무선 전력 전송 시스템의 구조를 도시한 블록도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 근거리 통신 및 무선 전력 전송 시스템에서 송수신 코일의 등가 회로도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 근거리 통신 및 무선 전력 전송 시스템에서 최적 전력 할당 절차를 도시한 흐름도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 워터 필링 전력 할당 방식을 도시한 그래프,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 최적 전력 할당 방식을 도시한 그래프,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 근거리 통신 및 무선 전력 전송 시스템에서 시뮬레이션을 통해 전력 할당 방안의 성능을 측정한 그래프.
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 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
첨부된 블록도의 각 블록과 흐름도의 각 단계의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수도 있다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 블록도의 각 블록 또는 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 블록도의 각 블록 또는 흐름도 각 단계에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다. 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 블록도의 각 블록 및 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.
또한, 각 블록 또는 각 단계는 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실시예들에서는 블록들 또는 단계들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들 또는 단계들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 블록들 또는 단계들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.
본 발명의 실시예는, 근거리 통신 및 무선 전력 전송을 동시에 수행하여 필요로 하는 일정 양의 정보 전송을 위해 자기장 통신 용량을 보장하면서 동시에 무선 전력 전송 효율을 최대화 하기 위한 전력 제어를 수행하는 것이다.
실제 지중 매립물 관리와 같은 지중 센서 네트워크의 어플리케이션은 공유하는 정보의 양이 많지 않기 때문에 큰 통신 용량을 필요로 하지 않는다. 즉, 수 k bps의 통신 용량으로도 필요한 정보의 공유가 가능하다.
하지만 매립 센서 네트워크의 활용도가 커지면서 매립용 웹캠(WEB CAM)이나 홈 네트워크 환경에서는 대용량 정보 전송 지원을 위해 보다 큰 통신 용량을 필요로 하고 있다. 또한, 지중 매립 센서는 매립 환경의 특성상 배터리 교체가 쉽지 않다.
그러므로 본 발명의 실시예에서는 근거리 통신 및 무선 전력 전송 시스템에서 어플리케이션에 따라 저용량 혹은 대용량의 정보 전송을 위해 필요한 자기장 통신 용량을 보장하면서 동시에 무선 전력 전송 효율을 최대화하기 위한 전력 제어 방안을 제시한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 근거리 통신 및 무선 전력 전송 시스템의 구조를 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 근거리 통신 및 무선 전력 전송 시스템은 송신부(100)와 수신부(150)를 포함할 수 있다.
여기서 송신부(100)는 제어부(MCU: Micro Control Unit)(105), 인코더(encoder)(110), 변조부(modulation), 전원 공급부(super capacitor)(125) 및 송신 코일(120) 등을 포함할 수 있다. 제어부(105)는 정보 및 전력 전송을 위한 주파수의 대역폭과 채널을 설정하고, 파일럿 신호(pilot signal)를 이용한 채널 측정을 수행하여 각 채널 별 이득을 측정한 후, 채널 측정 결과를 바탕으로 설정된 대역폭에 할당되는 전력을 결정할 수 있다. 인코더(110)는 원자료(raw data)에 오류검출(error detection) 등을 위해 코딩을 수행할 수 있다.
그리고 변조부(115)는 실제 안테나 즉, 송신 코일(120)을 통한 신호를 보내기 위해 코딩된 기저대역 신호(baseband signal)에 반송파를 곱해주어 고주파수에 실어주는 변조 역할을 수행할 수 있다.
전원 공급부(125)는 제어부(105), 인코더(110) 및 변조부(115)에 전원을 공급하고, 제어부(105)의 제어하에 자기장 코일 안테나인 송신 코일(120)에 할당된 전력을 공급할 수 있다.
이에 제어부(105)에서는 변조부(115)로부터 출력된 신호를 수신부(150)로 전송하기 위해 기 할당된 전력을 송신 코일(120)에 전달함으로써, 송신 코일(120)에 신호를 포함한 전류
Figure 112011105452216-pat00001
가 흐르면 자기장이 생성되고, 이 자기장은 근거리에 위치한 수신 코일(155)에 새로운 자기장을 유도시켜 수신 코일(155)에도 전류가 흐를 수 있다. 이러한 자기장의 상호 유도적인 특성에 의해서 송신 코일(120)은 수신 코일(155)에 정보 및 전력을 동일 주파수 대역에서 전송할 수 있다.
한편, 수신부(150)는 수신 코일(155), 전력 저장부(super capacitor)(160), 복조부(demodulation)(165), 디코더(decoder)(170) 및 제어부(MCU)(175) 등을 포함할 수 있다. 이러한 수신부(150)는 송신부(100)를 통해 신호가 포함된 전력을 자기장 코일 안테나인 수신 코일(155)을 통해 수신할 수 있다.
전력 저장부(160)는 수신 코일(155)로부터 전달 받은 전력을 저장할 수 있으며, 저장된 전력을 수신부(150) 내에 공급하여 복조부(165), 디코더(170) 및 제어부(175) 등을 동작시킬 수 있다. 복조부(165)는 수신 코일(155)로 수신된 변조 신호에 반송파를 곱해주어 다시 기저대역 신호로 낮출 수 있다. 그리고 디코더(170)는 복조부(165)로부터 복조된 신호의 해석을 위해 디코딩을 수행할 수 있다. 이를 통해 제어부(175)는 디코더(170)로부터 디코딩된 신호를 해석하여 의미 있는 정보(예컨대, 수신부(150)에 대한 제어 명령 등)로 분석을 수행할 수 있다.
이러한 근거리 통신 및 무선 전력 전송 시스템에서 송신부(100) 내 제어부(105)에서는 예를 들어, 높은 정보 전송 용량 보다는 높은 전력 전송 효율을 얻고자 하는 경우, 대역폭을 기 설정된 기준 보다 좁게 설정한 뒤 공진 주파수에 기 설정된 기준보다 큰 전력을 할당한다. 반대로 높은 전력 전송 효율 보다는 높은 정보 전송 용량을 얻고자 하는 경우에는 대역폭을 기 설정된 기준 보다 넓게 설정한 뒤 전체 에너지 제한 조건에서 채널 용량을 최대화할 수 있는 워터 필링(Water-filling) 알고리즘으로 전력 할당을 수행하게 된다.
이에 하기에서는 저용량 혹은 대용량의 정보 전송을 위해 필요한 자기장 통신 용량을 보장하면서 동시에 무선 전력 전송 효율을 최대화하기 위해 제어부(105)에서 수행할 수 있는 전력 제어 방안을 설명하도록 한다.
근거리 통신 및 무선 전력 전송 시스템의 송수신 자기장 코일 안테나(120, 155) 부분에서 자기장의 상호 유도적인 특성에 의한 정보 및 전력 전송 현상을 설명하기 위한 등가 회로도는 도 2와 같다.
도 2의 등가 회로도는 각각 송신부(t)와, 수신부(r)를 나타내는 것으로서, 여기서 Rt 및 Rr는 저항, Lt 및 Lr은 코일, Ct및 Cr은 콘덴서, it 및 ir은 전류, M은 상호 인덕턴스이다.
즉, 본 발명의 근거리 통신 및 무선 전력 전송 시스템에서는 공진 주파수를 자기장 통신의 중심 주파수로써 사용하며, 송신 코일과 수신 코일의 공진 주파수는 하기 <수학식 1>과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112011105452216-pat00002
또한, 본 발명의 실시예에서는 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)와 같은 다중 반송파(multi carrier) 기반의 정보 및 전력 전송 시스템을 고려할 수 있다. 그리고 공진 주파수를 중심으로 B라는 대역폭(bandwidth) 크기를 가지며, 이 전체 대역폭을 N개의 서브채널(subchannel)로 나누어 사용할 수 있다.
근거리 통신 및 무선 전력 전송 시스템에서는 전력 전송의 경우 수신 전력은 송신 전력과 전력 전송 효율의 곱으로 표현할 수 있다. 공진 주파수에서의 전력 전송 효율(
Figure 112011105452216-pat00003
)은 하기 <수학식 2>로 나타낼 수 있다.
Figure 112011105452216-pat00004
여기서, k는 결합 계수(coupling coefficient) 로써 송신 코일과 수신 코일이 얼마나 강하게 결합 되었는가를 나타내는 척도이다. 전력 전송 효율은 공진 주파수에서 가장 높게 나타나며, 공진 주파수에서 양쪽으로 멀어질수록 그 값이 떨어지게 된다. 정보 전송의 경우에는 수신 신호는 송신 신호와 채널 이득의 곱으로 표현할 수 있다.
통신 경로 사이에 있는 장애물이나 건물 등과 같은 매질이 바뀜에 따라 신호의 왜곡을 심하게 겪는 전자파 통신과는 다르게 매질에 따라 신호의 특성이 바뀌지 않는 자기장의 특성에 의해 자기장 통신의 경우 비교적 일정한 채널 환경을 얻을 수 있다. 그러므로 전력 전송 효율과 채널 이득은 같은 의미를 갖는다고 생각할 수 있다.
이에 서브 채널의 통신 용량(ci)은 샤논 용량(Shannon capacity) 식에 따라 다음 <수학식 3>과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112011105452216-pat00005
상기 <수학식 3>에서 pi는 서브 채널 별로 할당 되는 전력이고, ηi는 채널 별 이득이며, N0는 노이즈의 전력이다. 일정 양의 정보 전송을 위해 필요한 자기장 통신 용량을 보장하면서 동시에 무선 전력 전송 효율을 최대화하는 최적화 문제는 다음 <수학식 4>와 같이 정의할 수 있다.
Figure 112011105452216-pat00006
이와 같은 최적화 문제에서 목표는 수신 코일에 전달되는 전력 양을 최대화하는 것이고, 일정 양의 자기장 통신 용량(Cr)을 보장하는 제약(constraint)과, 사용할 수 있는 전력의 양(Ps)은 제한이 있다는 제약이 존재한다. 위의 최적화 문제를 풀면 다음 <수학식 5>와 같은 최적화한(optimal) 전력 할당량(pi *)을 구할 수 있다.
Figure 112011105452216-pat00007
상기 <수학식 5>에서 λ와 μ는 최적화 문제를 풀기 위해 필요한 라그랑지(Lagrange) 계수이다. 라그랑지 계수는 매 타임 슬롯마다 그레이디언트(gradient) 알고리즘을 이용하여 업데이트를 수행하며 수렴하는 값이 λ*와 μ*가 된다.
최적 전력 할당을 수행하는 동작 절차에 대해서는 도 3을 토대로 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 근거리 통신 및 무선 전력 전송 시스템에서 최적 전력 할당 절차를 도시한 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 300단계에서 근거리 통신 및 무선 전력 전송 시스템의 송신부 내 제어부에서는 먼저 λ와 μ값을 초기화 한 후, 302단계에서 정해진 λ와 μ값과 <수학식 5> 를 이용하여 pi를 계산하게 된다.
그리고 304단계에서는 그레이디언트 알고리즘 등을 이용하여 μ값을 업데이트 하게 된다. 306단계에서는 μ값의 수렴 여부를 판단하는 것으로서, t라는 시간에서의 μ값과 t+1이라는 시간에서의 μ값이 차이가 일정 오차 범위 안에 들어온다면 수렴한 것으로 판단하게 된다.
이에 306단계에서 μ값이 수렴한다면, 308단계로 진행하여 같은 방식으로 λ 값의 수렴 여부를 판단하게 된다. 그러나 306단계에서 μ값이 수렴되지 않은 것으로 판단된 경우에는 302단계로 복귀하여 pi 계산을 다시 수행하게 된다.
그리고 308단계에서 λ 값이 수렴하지 않는 것으로 판단된 경우에는 302단계로 복귀하여 pi 계산을 다시 수행하게 된다. 그러나 λ 값이 수렴한다면, 즉, λ와 μ값을 둘다 고려하여 두 값이 동시에 수렴하는 값인 λ*와 μ*를 찾게 된다. 이에 λ*와 μ*값을 찾게 되면 310단계로 진행하여 최종적으로 <수학식 5>를 이용하여 pi*값을 계산하여 찾을 수 있다.
최적 전력 할당량의 의미는 도 4 내지 도 5를 이용하여 워터 필링 전력 할당량과의 비교를 통하여 설명하고자 한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 워터 필링 전력 할당 방식을 도시한 그래프이다.
도 4는 워터 필링 전력 할당 방식으로써, 자기장 통신 용량을 최대화하는 경우의 전력 할당 방법이다. 워터 필링 전력 할당 방식은 다음 <수학식 6>과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112011105452216-pat00008
즉, 워터 필링 전력 할당은 모든 서브 채널에 대해 일정한 워터레벨(water-level)(1/ln2λ)을 기준으로 채널 이득(η)이 좋은 서브 채널에 많은 양의 전력을 할당한다. 반면 제안 방안인 최적 전력 할당 방식은 <수학식 5>와 같이 모든 서브 채널에 대해 일정한 워터 레벨(water-level)을 사용하지 않는다. 이를 통해 채널 이득이 좋은 서브 채널일수록 워터 레벨을 높여 워터 필링 전력 할당보다 더 많은 전력을 할당하고, 채널 이득이 나쁜 서브 채널일수록 워터 레벨을 낮춰 워터 필링 전력 할당보다 더 적은 전력을 할당할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 최적 전력 할당 방식을 도시한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 일정한 워터 레벨 대신 공진 주파수 대역을 포함하는 중심의 서브 채널에서 가장 높은 워터 레벨을 갖고 중심 서브 채널에서 멀어질수록 워터 레벨이 낮아지는 아치형의 워터 레벨 형태를 갖는다. 일반적으로 무선 전력 전송의 경우 전력 전송 효율이 가장 높은 한 주파수에 모든 전력을 할당하는 것이 전력 전송 효율 측면에서는 가장 좋다.
그러나 이러한 전력 할당은 0의 대역폭 사이즈를 가지므로 자기장 통신 용량 역시 0이 된다. 그러므로 자기장 통신의 경우 한 주파수에 전력을 모두 할당하는 것보다는 일정 수준 이상의 대역폭을 확보하여 전력을 할당 하는 것이 통신 용량을 높일 수 있다.
제안된 최적 전력 할당 방식은 워터 필링 전력 할당에 비해 정보 전송에 필요한 최소한의 자기장 통신 용량을 보장하면서도 전력 전송 효율을 최대화할 수 있다. 그러므로 워터 필링 전력 할당 방식에 비해 전력 전송 효율이 낮은 서브 채널l에 할당된 전력 양을 줄임으로써 최소한의 대역폭을 사용하여 필요한 자기장 통신 용량을 보장해줄 수 있다. 그리고 전력전송 효율이 높은 서브 채널에 많은 양의 전력 할당함으로써 전력전송 효율은 최대화한다.
이를 통해 최적 전력 할당 방식을 이용하는 경우로서, 보장해주어야 하는 자기장 통신의 용량이 기 설정된 용량보다 작은 경우에는 중심 주파수를 중심으로 기 설정된 기준보다 좁은 대역폭에 비교적 많은 전력을 집중적으로 할당한다. 반대로 보장해주어야 하는 자기장 통신의 용량이 기 설정된 용량보다 큰 경우에는 중심 주파수를 중심으로 넓은 대역폭에 전력을 나눠서 할당할 수 있다. 이 같은 방법으로 제안 최적 전력 할당 방식은 저용량 자기장 통신뿐만 아니라 대용량 자기장 통신을 함께 지원하면서 전력 전송도 동시에 수행 하는 것이 가능하다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 근거리 통신 및 무선 전력 전송 시스템에서 시뮬레이션을 통해 전력 할당 방안의 성능을 측정한 그래프이다.
도 6을 참조하면, 예를 들어, 송신부의 송신 코일과, 수신부의 수신 코일은 각각 30cm 길이의 반지름을 가지며 5번 감겨져 있다. 중심 주파수는 10MHz로 하였으며, 대역폭 크기는 50kHz로 하였다. 또한, 노이즈 전력은 1을 가정 하였으며, 송신 코일이 쓸 수 있는 총 전력양은 1W로 가정 하였다. 비교하는 기존 방안으로는 모든 서브 채널에 같은 양의 전력을 할당하는 균등 전력 할당(EPA: Equal Power Allocation) 방안과, 자기장 통신 용량의 최대화를 수행하는 워터 필링 전력 할당 방안을 이용하였다.
송신 코일과 수신 코일의 거리를 변화시켜가며 성능을 확인하였다. 도 6에서 제안하는 최적 전력 할당 방안(600)은 필요로 하는 최소한의 자기장 통신 용량을 보장하면서 나머지 전력은 전력전송에 유리한 서브 채널에 할당하므로 전력전송 효율이 기존 방안들인 균등 전력 할당(620)과, 워터 필링 전력 할당 방안(610)에 비해 높게 나타난다.
워터 필링 전력 방안(610)도 기본적으로 전력전송 효율이 높은 서브 채널에 많은 전력을 할당하는 방안이므로 상당히 높은 전력 전송 효율을 보인다. 하지만 워터 필링 전력 할당 방안(610)의 목적은 자기장 통신 용량의 최대화이기 때문에 정해진 최소한의 자기장 통신 용량 이상을 보장해 주므로 그로 인해 본 발명의 실시예에 비해 전력 전송 효율에 있어서 5% 정도의 손해를 볼 수 있다.
균등 전력 할당 방안(620)의 경우는 일반적으로 사용되는 전력 할당 방안으로서 구현이 간단한 반면에 전력 할당 시 채널 특성을 전혀 고려하지 않기 때문에 제안 방안(600)과 상당한 큰 성능 차이를 보인다. 또한, 송신 코일과 수신 코일 사이의 거리가 늘어남에 따라 송수신 코일 사이에 커플링(coupling) 되는 세기가 약해져서 전체적으로 전력 전송 효율이 감소함을 볼 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 근거리 통신 및 무선 전력 전송 시스템에서 전력 제어 장치 및 방법은, 근거리 통신 및 무선 전력 전송 시스템에서 어플리케이션에 따라 저용량 혹은 대용량의 정보 전송을 위해 필요한 자기장 통신 용량을 보장하면서 동시에 무선 전력 전송 효율을 최대화하기 위한 전력 제어 방안을 제시한다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 송신부 105: 제어부
110: 인코더 115: 변조부
120, 155: 자기장 코일 안테나 125: 전원 공급부
150: 수신부 160: 전력 저장부
165: 복조부 170: 디코더
175: 제어부

Claims (14)

  1. 대역폭 설정 및 채널을 측정한 후, 송신 정보 전송을 위한 자기장 통신 용량을 보장하며, 무선 전력 전송 효율이 최대화되는 전력 할당을 수행하고, 상기 송신 정보에 대한 인코딩 및 변조를 수행하고, 적어도 하나의 코일 안테나로 자기장의 상호 유도 특성을 이용한 송신 신호 및 전력을 송신하는 송신부와,
    상기 송신 신호 및 전력을 적어도 하나의 코일 안테나로 수신하여 상기 전력을 저장하고, 상기 송신 신호에 대한 복조 및 디코딩을 수행하여 상기 송신 정보를 복원하는 수신부
    를 포함하고,
    상기 송신부는,
    채널 이득이 기 설정된 기준 보다 높은 서브 채널의 워터 레벨을 기 설정된 기준 보다 높여 일정 수준 이상의 전력을 할당하고,
    상기 채널 이득이 기 설정된 기준 보다 낮은 서브 채널의 워터 레벨을 기 설정된 기준 보다 낮추어 일정 수준 이하의 전력을 할당하는 것을 특징으로 하는 근거리 통신 및 무선 전력 전송 시스템에서 전력 제어 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 송신부는,
    상기 수신부에 보장해야 하는 자기장 통신의 용량이 기 설정 용량보다 작은 경우에는 중심 주파수를 중심으로 기 설정된 기준보다 좁은 대역폭에 기 설정된 기준보다 많은 전력을 집중적으로 할당하고,
    보장해야 하는 자기장 통신의 용량이 기 설정 용량보다 큰 경우에는 중심 주파수를 중심으로 기 설정된 기준보다 넓은 대역폭에 전력을 나눠서 할당하는 것을 특징으로 하는 근거리 통신 및 무선 전력 전송 시스템에서 전력 제어 장치.
  4. 전체 대역폭을 복수의 서브 채널로 나누어 대역폭 및 채널을 설정하고, 파일럿 신호로 설정된 채널을 측정한 후, 채널 측정 결과를 토대로 송신 정보 전송을 위한 자기장 통신 용량을 보장하며, 무선 전력 전송 효율이 최대화되는 전력 할당을 수행하는 제어부와,
    상기 송신 정보에 대한 인코딩을 수행하는 인코더와,
    인코딩된 송신 정보에 대한 변조를 수행하는 변조부와,
    자기장의 상호유도 특성으로 변조된 송신 정보와 전력을 다중 반송파 기반으로 동시에 송신하는 적어도 하나의 코일 안테나
    를 포함하고,
    상기 제어부는,
    채널 이득이 기 설정된 기준 보다 높은 서브 채널의 워터 레벨을 기 설정된 기준 보다 높여 일정 수준 이상의 전력을 할당하고,
    상기 채널 이득이 기 설정된 기준 보다 낮은 서브 채널의 워터 레벨을 기 설정된 기준 보다 낮추어 일정 수준 이하의 전력을 할당하는 근거리 통신 및 무선 전력 전송 시스템에서 전력 제어 장치.
  5. 삭제
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    라그랑지 계수를 초기화한 후, 매 타임 슬롯 마다 그레이디언트 알고리즘으로 업데이트를 수행하여 수렴하는 값을 산출하고,
    상기 수렴하는 라그랑지 계수 값을 토대로 전력 할당량을 계산하는 것을 특징으로 하는 근거리 통신 및 무선 전력 전송 시스템에서 전력 제어 장치.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    수신부에 보장해야 하는 자기장 통신의 용량이 기 설정 용량보다 작은 경우에는 중심 주파수를 중심으로 기 설정된 기준보다 좁은 대역폭에 기 설정된 기준보다 많은 전력을 집중적으로 할당하고,
    보장해야 하는 자기장 통신의 용량이 기 설정 용량보다 큰 경우에는 중심 주파수를 중심으로 기 설정된 기준보다 넓은 대역폭에 전력을 나눠서 할당하는 것을 특징으로 하는 근거리 통신 및 무선 전력 전송 시스템에서 전력 제어 장치.
  8. 청구항 8은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    대역폭 설정 및 채널을 측정한 후, 송신 정보 전송을 위한 자기장 통신 용량을 보장하며, 무선 전력 전송 효율이 최대화되는 전력 할당을 수행하는 과정과,
    상기 송신 정보에 대한 인코딩 및 변조를 수행하여 송신 신호를 생성하는 과정과,
    적어도 하나의 코일 안테나로 자기장의 상호 유도 특성을 이용한 상기 송신 신호 및 전력을 송신하는 과정과,
    수신부에서 상기 송신 신호 및 전력을 적어도 하나의 코일 안테나로 수신하는 과정과,
    상기 전력을 저장하는 과정과,
    상기 송신 신호에 대한 복조 및 디코딩을 수행하여 상기 송신 정보를 복원하고 상기 송신 정보에 포함된 제어 명령을 수행하는 과정
    을 포함하고,
    상기 전력 할당을 수행하는 과정은,
    채널 이득이 기 설정된 기준 보다 높은 서브 채널의 워터 레벨을 기 설정된 기준 보다 높여 일정 수준 이상의 전력을 할당하는 과정과,
    상기 채널 이득이 기 설정된 기준 보다 낮은 서브 채널의 워터 레벨을 기 설정된 기준 보다 낮추어 일정 수준 이하의 전력을 할당하는 과정
    을 포함하는 근거리 통신 및 무선 전력 전송 시스템에서 전력 제어 방법.
  9. 삭제
  10. 청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 8항에 있어서,
    상기 전력 할당을 수행하는 과정은,
    상기 수신부에 보장해야 하는 자기장 통신의 용량이 기 설정 용량보다 작은 경우에는 중심 주파수를 중심으로 기 설정된 기준보다 좁은 대역폭에 기 설정된 기준보다 많은 전력을 집중적으로 할당하는 과정과,
    보장해야 하는 자기장 통신의 용량이 기 설정 용량보다 큰 경우에는 중심 주파수를 중심으로 기 설정된 기준보다 넓은 대역폭에 전력을 나눠서 할당하는 과정
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 근거리 통신 및 무선 전력 전송 시스템에서 전력 제어 방법.
  11. 청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    전체 대역폭을 복수의 서브 채널로 나누어 대역폭 및 채널을 설정하고, 파일럿 신호로 설정된 채널을 측정하는 과정과,
    채널 측정 결과를 토대로 송신 정보 전송을 위한 자기장 통신 용량을 보장하며, 무선 전력 전송 효율이 최대화되는 전력 할당을 수행하는 과정과,
    상기 송신 정보에 대한 인코딩을 수행하는 과정과,
    인코딩된 송신 정보에 대한 변조를 수행하는 과정과,
    적어도 하나의 코일 안테나를 이용하여 자기장의 상호유도 특성으로 변조된 송신 정보와 전력을 다중 반송파 기반으로 동시에 송신하는 과정
    을 포함하고,
    상기 전력 할당을 수행하는 과정은,
    채널 이득이 기 설정된 기준 보다 높은 서브 채널의 워터 레벨을 기 설정된 기준 보다 높여 일정 수준 이상의 전력을 할당하는 과정과,
    상기 채널 이득이 기 설정된 기준 보다 낮은 서브 채널의 워터 레벨을 기 설정된 기준 보다 낮추어 일정 수준 이하의 전력을 할당하는 과정을 포함하는 근거리 통신 및 무선 전력 전송 시스템에서 전력 제어 방법.
  12. 삭제
  13. 청구항 13은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 11항에 있어서,
    상기 전력 할당을 수행하는 과정은,
    라그랑지 계수를 초기화한 후, 매 타임 슬롯 마다 그레이디언트 알고리즘으로 업데이트를 수행하여 수렴하는 값을 산출하는 과정과,
    상기 수렴하는 라그랑지 계수 값을 토대로 전력 할당량을 계산하는 과정
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 근거리 통신 및 무선 전력 전송 시스템에서 전력 제어 방법.
  14. 청구항 14은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 11항에 있어서,
    상기 전력 할당을 수행하는 과정은,
    수신부에 보장해야 하는 자기장 통신의 용량이 기 설정 용량보다 작은 경우에는 중심 주파수를 중심으로 기 설정된 기준보다 좁은 대역폭에 기 설정된 기준보다 많은 전력을 집중적으로 할당하는 과정과,
    보장해야 하는 자기장 통신의 용량이 기 설정 용량보다 큰 경우에는 중심 주파수를 중심으로 기 설정된 기준보다 넓은 대역폭에 전력을 나눠서 할당하는 과정
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 근거리 통신 및 무선 전력 전송 시스템에서 전력 제어 방법.
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