KR20180056917A - 마이크로파 전력 전송을 위한 빔포밍 방법 및 빔 포밍으로 전력 전송을 위한 마이크로파를 송신하는 송신장치 - Google Patents

마이크로파 전력 전송을 위한 빔포밍 방법 및 빔 포밍으로 전력 전송을 위한 마이크로파를 송신하는 송신장치 Download PDF

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Abstract

마이크로파 전력 전송을 위한 빔포밍 방법은 송신기가 훈련 슬롯마다 랜덤한 위상으로 복수의 안테나를 통해 마이크로파를 송신하는 단계, 상기 송신기가 수신기로부터 상기 훈련 슬롯 각각에 대해 수신전력 측정값을 수신하는 단계, 상기 송신기가 상기 수신전력 측정값만을 이용하여 채널을 추정하는 단계 및 상기 송신기가 상기 추정된 채널에 대한 정보를 이용하여 빔포밍 가중치를 결정하는 단계를 포함한다.

Description

마이크로파 전력 전송을 위한 빔포밍 방법 및 빔 포밍으로 전력 전송을 위한 마이크로파를 송신하는 송신장치{BEAMFORMING METHOD FOR MICROWAVE POWER TRANSFER AND MICROWAVE TRANSMITTER FOR POWER TRANSFER BASED ON BEAMFORMING}
이하 설명하는 기술은 마이크로파 전력 전송을 위한 빔포밍 기법에 관한 것이다.
빔포밍 기법은 주로 무선통신에서 데이터 전송 효율을 높이기 위해 사용하는 기법이다. 빔포밍을 위한 채널이득추정 기법은 크게 두 가지로 분류 할 수 있다. 첫째, 수신단에서 보낸 마이크로파 신호를 송신단에서 측정하여 수신방향측정(DOA)를 통해 송신단의 위치를 파악하거나 채널 상호성을 이용하여 수신단까지의 채널 이득을 측정하는 시간역전(time reversal) 기법이 있다. 둘째, 수신단에서 수신받은 전력의 크기의 증가 유무를 활용하여 송신단의 마이크로파 위상을 조절하는 기법이 있다. 정리하면 종래 기법은 수신단으로부터 전달되는 정보를 기반으로 수신단의 위치를 파악하여 빔을 집중하는 기법이다.
미국공개특허 US2016/0049823
첫 번째 시간역전 기법은 매우 복잡한 하드웨어 구조를 요구한다. 송신기에 설치된 다수 안테나에 수신단으로 부터의 신호 위상을 측정하기 위한 위상 검출기가 필요하다. 또한 수신단에도 마이크로파 신호를 전송하기 위한 회로가 요구된다. 마이크로파 신호를 전송하기 위해서는 위상 동기 루프(phase-locked loop) 및 전력 증폭기를 갖춘 국부 발진기(local oscillator)와 같은 능동 회로소자를 포함하기 때문에 수신단에서의 에너지 소모가 크게 증가할 수 있다. 두 번째 수신단에서의 수신전력 크기의 증가 유무를 이용하여 빔포밍을 수행하는 기법은 단독으로 사용하는 경우 빔포밍 속도가 매우 느린 단점이 있다.
이하 설명하는 기술은 수신단에서 측정한 수신전력만을 기반으로 채널 이득을 추정하여 마이크로파 전력 전송을 위한 빔포밍을 하고자 한다.
마이크로파 전력 전송을 위한 빔포밍 방법은 송신기가 훈련 슬롯마다 랜덤한 위상으로 복수의 안테나를 통해 마이크로파를 송신하는 단계, 상기 송신기가 수신기로부터 상기 훈련 슬롯 각각에 대해 수신전력 측정값을 수신하는 단계, 상기 송신기가 상기 수신전력 측정값만을 이용하여 채널을 추정하는 단계 및 상기 송신기가 상기 추정된 채널에 대한 정보를 이용하여 빔포밍 가중치를 결정하는 단계를 포함한다.
빔 포밍으로 전력 전송을 위한 마이크로파를 송신하는 송신장치는 훈련 슬롯마다 랜덤한 위상으로 훈련용 마이크로파를 송신하는 복수의 안테나, 수신기로부터 수신전력 측정값을 수신하는 RF 수신기 및 상기 수신전력 측정값을 이용하여 채널을 추정하고, 추정된 채널에 대한 정보를 이용하여 빔포밍을 위한 빔포밍 가중치를 결정하는 제어기를 포함한다.
이하 설명하는 기술은 매우 단순한 하드웨어를 이용하여 마이크로파 전력 전송을 위한 빔포밍을 실현한다.
도 1은 마이크로파로 전력을 전송하는 장치에 대한 블록도의 예이다.
도 2는 마이크로파로 전력을 전송하는 프로토콜 구조에 대한 예이다.
도 3은 도 1의 장치가 마이크로파 전력 전송을 위한 빔포밍을 수행하는 과정에 대한 예이다.
이하 설명하는 기술은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시례를 가질 수 있는 바, 특정 실시례들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 이하 설명하는 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이하 설명하는 기술의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 이하 설명하는 기술의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 용어에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 해석되지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함한다" 등의 용어는 설시된 특징, 개수, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 단계 동작 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도면에 대한 상세한 설명을 하기에 앞서, 본 명세서에서의 구성부들에 대한 구분은 각 구성부가 담당하는 주기능 별로 구분한 것에 불과함을 명확히 하고자 한다. 즉, 이하에서 설명할 2개 이상의 구성부가 하나의 구성부로 합쳐지거나 또는 하나의 구성부가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화되어 구비될 수도 있다. 그리고 이하에서 설명할 구성부 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성부가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성부 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성부에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다.
또, 방법 또는 동작 방법을 수행함에 있어서, 상기 방법을 이루는 각 과정들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 과정들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
이하 설명하는 기술은 마이크로파(RF 신호)를 전송하여 전력을 전송하는 기법에 관한 것이다. 이하 설명하는 기술은 마이크로파를 전송하는 송신단이 복수의 안테나를 사용하여 전력을 전송하는 장치를 전제로 한다. 이하 설명하는 기술은 전력 전송을 위한 마이크로파를 수신단에 집중하기 위한 빔포밍(beamforming)을 목표로 한다. 이하 설명하는 기술은 종래 빔포밍 기법과는 달리 수신단에서 측정한 수신전력 값만을 기준으로 채널 이득을 추정하여 빔포밍을 수행하고자 한다.
도 1은 마이크로파로 전력을 전송하는 장치에 대한 블록도의 예이다. 도 1의 장치는 크게 마이크로파를 송신하는 송신기(100) 및 수신한 마이크로파로 전력을 공급하는 수신기(200)를 포함한다. 도 1의 장치가 정보를 획득하는 센서 노드에 전력을 공급하는 시스템이라면 송신기(100)는 파워 비콘(Power Beacon)에 해당하고, 수신기(200)는 센서 노드(Sensor Node)에 해당할 수 있다. 나아가 송신기(100)는 와이파이 AP, 이동통신기지국 등일 수도 있고, 전력 공급을 위한 전용 장치일 수도 있다. 수신기(100)는 수신한 마이크로파를 이용하여 전력을 공급받는 장치로 IoT 디바이스, 스마트기기, 웨어러블 기기, 자동차 등일 수도 있다.
송신기(100)는 발진기(Oscillator,110), 구동증폭기(Drive Amplifier, 120), 전력분배기(Power Splitter, 130), 위상변환기(Phase Shifter, 140), 가변증폭기(Variable Gain Amplifier, 150), 안테나(160), 제어기(Controller, 170), 제1 RF 송수신기(RF Transceiver, 180)를 포함한다. 제1 RF 송수신기(180)은 데이터 통신을 위한 별도의 안테나를 사용하지만, 도 1에는 도면부호를 표시하지 않았다. 한편 송신기(100)는 복수(N개)의 마이크로파를 전송하기 위한 전송로를 갖는다. 도 1은 전력분배기(130)가 분배한 하나의 신호를 처리하는 위상변환기(140), 가변증폭기(150) 및 하나의 안테나(160)에 대해서만 도면 부호를 표시하였다.
송신기(100)의 동작에 대해 간략하게 설명한다. 발진기(110)는 CW(Continuous Waveform) 마이크로파를 생성한다. 구동증폭기(120)는 발진기가 생성한 마이크로파를 증폭하여 전력분배기(130)에 전달한다. 전력분배기(130)는 공급받은 마이크로파를 N개의 전송로로 분할한다. 각각의 전송로로 보내진 신호는 위상변환기(140) 및 가변증폭기(150)에 의하여 동적으로 제어될 수 있다. 위상변환기(140)는 신호의 위상을 변환하고, 가변증폭기(150)는 신호의 파워값을 변환할 수 있다. 제어기(170)는 위상 변환기(140) 및 가변증폭기(150)를 제어하는 신호를 전달한다. 제어기(170)는 N개의 전송로에서 각 전송로에 위치하는 위상 변환기 및 가변 증폭기를 서로 다르게 제어할 수 있다. 즉, 제어기(170)가 빔포밍을 위한 제어를 수행한다. 안테나(160)는 위상 변환기(140) 및 가변증폭기(150)를 거쳐 변환된 마이크로파를 외부로 송신한다. 제1 RF 송수신기(180)은 수신기(200)와 데이터 통신을 수행한다. 제1 RF 송수신기(180)는 수신기(200)로부터 수신전력 측정값을 수신한다.
제어기(170)는 제1 RF 송수신기(180)가 수신하는 수신전력 측정값을 이용하여 채널 이득을 측정하고, N개의 안테나에서 전송하는 마이크로파가 수신기(200)에 집중할 수 있도록 빔포밍을 수행한다. 제어기(170)는 빔포밍을 위한 빔포밍 가중치(beamforming weight)를 결정한다.
수신기(200)는 안테나(210), 정류기(Rectifier, 220), 전력관리회로(Power Management, 230), 전력센서(Power Sensor, 240), 에너지 저장소(250), MCU(Microcontroller,260), 센서(270), 제2 RF 송수신기(280)를 포함한다. 도 1에서 수신기(200)는 센서 노드와 같은 장치를 가정한 것이다. MCU(260) 및 센서(270)는 정보 수집을 위한 구성에 해당한다.
수신기(200)의 동작에 대해서 간략하게 설명한다. 안테나(210)는 송신기(100)가 전송하는 마이크로파를 수신한다. 정류기(220)는 수신한 마이크로파를 다이오드나 트랜지스터를 이용하여 DC 전류로 정류한다. 전력관리회로(230)는 DC-DC 변환기 등을 포함하고, 정류된 DC 전류를 일정하게 변환하여 수신기(200)에서 전력이 필요한 구성에 공급한다. 예컨대, 전력관리회로(230)는 MCU(260) 및 제2 RF 송수신기(280)와 같은 능동 소자에 전력을 공급할 수 있다. 나아가 전력관리회로(230)는 잔여 전력을 에너지 저장소(250)에 전달한다. 에너지 저장소(250)는 수퍼커패시터 또는 배터리와 같이 전력을 저장하는 장치이다. 전력센서(240)는 정류기(220)를 통과한 DC 전력의 크기를 측정하여 수신안테나(210)의 수신전력값을 측정한다. 전력센서(240)가 측정한 수신 신호의 전력값을 수신전력 측정값이라고 한다. 제2 RF 송수신기(280)는 수신전력 측정값을 데이터 통신을 통해 송신기(100)에 전달한다.
제1 RF 송수신기(180) 및 제2 RF 송수신기(280)는 데이터 통신을 위해 동일한 종류의 통신 방식을 사용한다. 예컨대, 제1 RF 송수신기(180) 및 제2 RF 송수신기(280)는 이동통신, IEEE 802.11, IEEE 802.15.4, BLE(Bluetooth Low Energy) 등의 통신 방식을 사용할 수 있다.
송신기(100)의 하드웨어 구조는 종래 전력 전송을 위한 송신기와 동일하다. 수신기(200)의 하드웨어 구조는 종래 수신기에서 수신전력 측정값을 결정하는 전력 센서(240)만이 추가되었다. 따라서 제안하는 장치는 종래 빔포밍을 위한 장치보다 하드웨어의 복잡도가 낮다. 한편 전력 센서(240)는 전력관리회로(230)에 통합된 형태로 설계될 수도 있다.
송신기(100)의 제어기(170)가 빔포밍 가중치를 결정한다고 설명하였다. 관련된 수식 및 변수를 먼저 설명한다. n번째 전송로에 대한 빔포밍 가중치를
Figure pat00001
이라고 정의한다. 빔포밍 가중치는
Figure pat00002
이라고 표현할 수 있다. 여기서
Figure pat00003
은 n 번째 전송로에서 발생하는 CW 마이크로파의 파워이다.
Figure pat00004
은 n 번째 전송로에서 발생하는 CW 마이크로파의 위상이다. 마이크로파를 전송하는 하나의 안테나가 전송할 수 있는 전력은 최대 전송 전력
Figure pat00005
으로 제한된다. 모든 전송로에 대해
Figure pat00006
인 관계이다. 제어기(170)는 동적으로 빔포밍 가중치 벡터인
Figure pat00007
를 조절할 수 있다.
송신기(100)의 n번째 전송 안테나로부터 수신기(200)의 수신 안테나로의 채널이득을
Figure pat00008
으로 정의한다. 채널이득 벡터는
Figure pat00009
로 표현할 수 있다. 이때, 수신기(200)의 수신 신호는
Figure pat00010
이고, 수신전력은
Figure pat00011
으로 표현할 수 있다.
도 2는 마이크로파로 전력을 전송하는 프로토콜 구조에 대한 예이다. 프로토콜은 시간을 기준으로 복수의 프레임을 구분한다. 하나의 프레임은 길이는 Tframe이다. 채널이득의 변화를 실시간으로 추적하기 위해 프레임의 길이는 충분히 짧게 설정하는 것이 바람직하다.
하나의 프레임은 여러 개의 훈련 슬롯과 하나의 에너지 전송 슬롯으로 구성할 수 있다. 하나의 프레임에 훈련슬롯이 S개가 포함된다고 할 때 프레임 하나의 길이는
Figure pat00012
로 나타낼 수 있다. 여기서 Tts는 훈련 슬롯의 길이이고, Tes는 에너지 전송 슬롯의 길이이다. 훈련 슬롯은 에너지 전송 슬롯의 길이에 비해 매우 작은 길이를 갖는 것이 바람직하다.
훈련 슬롯 동안에 송신기(100)는 채널이득을 추정하기 위한 훈련용 마이크로파 신호를 전송한다.
Figure pat00013
는 빔포밍 가중치 벡터를 의미한다. 여기서
Figure pat00014
는 송신기(100)의 n번째 안테나에서 전송되는 프레임 k의 s번째 훈련 슬롯의 빔포밍 가중치이다.
Figure pat00015
는 채널 이득 벡터를 의미한다. 여기서,
Figure pat00016
는 송신기(100)의 n번째 안테나 수신기(200)의 수신 안테나로의 채널 이득이다.
그렇다면 수신기(200)가 수신하는 k번째 프레임의 s번째 훈련슬롯의 신호는
Figure pat00017
로 나타낼 수 있다. 여기서,
Figure pat00018
는 전력 센서(240)에서 발생하는 오류 값이다.
k번째 프레임 동안에 수신기(200)의 전력 센서(240)는 각 훈련슬롯에서 수신전력 측정값 생성하여
Figure pat00019
와 같은 수신전력 측정값 벡터를 생성한다.
k번째 프레임에서 모든 훈련 슬롯이 종료되면 수신기(200)는 모든 훈련슬롯에서 측정된 수신전력에 기반한 수신전력 측정값 벡터
Figure pat00020
를 RF 송수신기(280)를 통해 송신기(100)에 전달한다. 데이터 통신에서 레포트 패킷(Report Packet)이 수신전력 측정값 벡터를 전달하는 패킷이다. 한편 비콘 패킷(Beacon Packet)은 송신기(100)가 하나의 프레임 시작 전에 프레임 시작을 알리는 의미로 전송하는 신호이다.
송신기(100)에서 채널을 추정하여 빔포밍 가중치를 결정하는 과정을 먼저 간략하게 설명한다. 도 3은 도 1의 장치가 마이크로파 전력 전송을 위한 빔포밍을 수행하는 과정에 대한 예이다. 하나의 프레임을 기준으로 설명한다. 송신기(100)는 훈련 슬롯에서 훈련용 마이크로파를 송신한다(①). 수신기(200)는 수신한 훈련용 마이크로파의 수신 전력 측정값을 연산하여 송신기(100)에 전달한다(②).
송신기(100)는 수신 전력 측정값에 기반하여 채널 이득을 추정하고, 빔포밍 가중치를 결정한다(③). 송신기(100)는 N개의 송신 안테나에 대해 채널이득 값을 추정한다.
Figure pat00021
을 k번째 프레임에서 n번째 안테나가 송신한 신호에 대한 채널이득 추정값이라 하고,
Figure pat00022
를 채널이득 추정값 벡터라고 한다. 송신기(100)가 k번째 프레임에 대한 수신전력 측정값 벡터
Figure pat00023
를 수신기(200)로부터 수신하면 이를 기반으로 채널이득 추정값 벡터를
Figure pat00024
에서
Figure pat00025
로 업데이트 한다. 송신기(100)는 에너지 전송 슬롯 동안에 채널이득 추정값을 기초로 하여 빔포밍가중치를 조절하여 수신기(200)가 최적의 전력을 수신하도록 한다.
k번째 프레임의 에너지 전송 슬롯의 에너지전송 빔포밍 가중치를
Figure pat00026
라고 하면, 송신기(100)는 채널이득 측정값 벡터를 통하여
Figure pat00027
을 결정한다. 이후 송신기(100)는 빔포밍 가중치에 따라 마이크로파를 송신하여 최적의 빔으로 전력용 마이크로파를 수신기(200)에 전달한다(④).
이하 송신기(100)가 채널 이득을 추정하는 과정 및 빔포밍 가중치를 결정하는 과정에 대하여 상세하게 설명한다. 송신기(100)는 칼만 필터(Kalman filter)를 기반으로 채널 추정을 수행할 수 있다. 이하 칼만 필터를 기준으로 송신기(100)가 채널을 추정하는 과정을 설명한다. 먼저 칼만 필터를 위한 상태 공간 모델(State Space Model)을 정의하고, 정의된 모델을 이용하여 칼만 필터를 채널을 추정하는 과정을 설명한다. 아래 과정은 송신기(100)가 수행하는 과정이다. 송신기(100)의 제어기(170)가 아래 과정을 수행할 수 있다.
마이크로파 전력 전송을 위한 상태 공간 모델
채널추정 알고리즘에서 상태(state)는 채널이득이고, 관찰(observation)은 수신전력이 된다. 관찰 모델은 채널이득과 수신전력 측정값 사이의 선형적 관계로 정의 할 수 있다. k번째 프레임의 s번째 훈련 슬롯에 대한 수신 전력 측정값은 아래의 수학식 1로 표현할 수 있다.
Figure pat00028
Figure pat00029
,
Figure pat00030
이다.
Figure pat00031
를 에너지 빔포밍 행렬이라고 하고,
Figure pat00032
를 에너지 채널 행렬이라고 한다.
칼만 필터 모델링을 위해 상기 수학식 1을 벡터 형태로 변환해야 한다. 상기 수학식 1을 에르미트 행렬(Hermitian matrix)을 이용하여 벡터 형태로 변경 할 수 있다. 에르미트 행렬의 대칭성 때문에, N × N 에르미트 행렬의 크기는 N2가 된다. 복소 행렬화(compelx vectorization) 연산자는 복소 에르미트 행렬을 실수 열벡터로 변경 할 수 있다. 복소 행렬화 연산자 'cvec'은 N × N 에르미트 행렬을 실수 원소의 N2 × 1 크기의 열백터로 변환한다.
에르미트 행렬을
Figure pat00033
와 같이 나타내면, 복소 백터화 한 X는 아래의 수학식 2로 표현할 수 있다.
Figure pat00034
Figure pat00035
는 N × 1 열 벡터이고,
Figure pat00036
는 (N - n) × 1의 열 벡터이고,
Figure pat00037
는 (N - n) × 1의 열 벡터이다. 각각 아래의 수학식 3 내지 수학식 5로 표현할 수 있다.
Figure pat00038
Figure pat00039
Figure pat00040
또한, a = cvec(A), b = cvec(B)라면,
Figure pat00041
이다. 위 성질을 이용하면 수학식 1을 아래의 수학식 6으로 표현할 수 있다.
Figure pat00042
Figure pat00043
이고,
Figure pat00044
이다. 상기 수학식 6에서 수신 전력 측정값 벡터
Figure pat00045
는 아래의 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00046
Figure pat00047
는 S × N2 크기의 행벡터
Figure pat00048
로부터 형성된 열벡터이며 아래의 수학식 8과 같이 정의할 수 있다.
Figure pat00049
수학식 7에서
Figure pat00050
는 수신 전력 측정값에 대한 오류 벡터이다.
Figure pat00051
이다.
칼만 필터로 벡터화 된 에너지채널 행렬 상태는
Figure pat00052
이며,
Figure pat00053
의 상태천이(state transition) 모델은 아래의 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00054
여기서
Figure pat00055
는 채널 이득 상관관계(channel gain correlation)이다. 또한
Figure pat00056
은 N2 × 1 크기의 랜덤 벡터이다.
이와 같은 상태 천이 모델과 관찰 모델이 주어지면 칼만 필터를 이용하여 수신 전력 측정값
Figure pat00057
을 기반으로 백터화된 에너지채널 행렬인
Figure pat00058
를 얻을 수 있다.
칼만 필터 기반의 채널 추정 알고리즘
k번째 프레임의 훈련슬롯에서 송신기(100)는 훈련 빔포밍 가중치 벡터
Figure pat00059
를 이용하여 지속파 신호를 전송한다.
채널추정 알고리즘에서는 송신기(100)는 각각의 훈련슬롯마다 임의의 랜덤위상을 이용하여 훈련 빔포밍 가중치 벡터를 결정한다. 이를 위해 우선 송신기(100)는 임의의 위상 값
Figure pat00060
을 생성하고 아래의 수학식 10과 같이 훈련 빔포밍가중치를 결정한다.
Figure pat00061
여기서 j는 허수를 의미한다.
Figure pat00062
은 n번째 전송 안테나의 최대 전송 전력을 의미한다. 이렇게 생성된 값을 통하여
Figure pat00063
을 계산한다.
Figure pat00064
의 선형 추정 값을
Figure pat00065
로 나타내며
Figure pat00066
의 오류공분산 행렬을 아래의 수학식 11과 같이 나타 낼 수 있다.
Figure pat00067
각각의 프레임에서 칼만 필터는 시간 업데이트 및 측정 업데이트 과정을 수행한다. 시간 업데이트 단계에서 칼만 필터는 이전 프레임인 (k-1)번째 프레임의 수신전력 측정값에 기초하여
Figure pat00068
의 선형 측정인
Figure pat00069
을 유도한다. 이때
Figure pat00070
의 오류 공분산 매트릭스는
Figure pat00071
이다.
시간 업데이트 단계에서 아래의 수학식 12를 통해
Figure pat00072
를
Figure pat00073
로부터 연산할 수 있고, 수학식 13을 통해
Figure pat00074
를
Figure pat00075
로부터 연산할 수 있다.
Figure pat00076
Figure pat00077
여기서, Ix는 x ×x 크기의 단위 행렬이다.
측정 업데이트 단계에서는 전술한
Figure pat00078
,
Figure pat00079
,
Figure pat00080
,
Figure pat00081
을 이용하여 새로운 에너지 채널 행렬 추정값
Figure pat00082
를 아래의 수학식 14 내지 수학식 15를 이용하여 계산한다.
Figure pat00083
Figure pat00084
이때,
Figure pat00085
은 칼만 이득으로 아래의 수학식 16으로 연산할 수 있다
Figure pat00086
최적 에너지 빔포밍 알고리즘
최적 에너지빔포밍 알고리즘은 벡터화 된 에너지채널 이득 추정값 행렬로부터 최적의 에너지빔포밍 전송 벡터를 찾아낸다. 아래의 수학식 17을 이용하여
Figure pat00087
로부터
Figure pat00088
의 추정값인
Figure pat00089
를 얻을 수 있다.
Figure pat00090
여기서 cvec-1은 cvec의 역 연산이다.
하지만, 1열 이상의 값을 가질 수 있기 때문에 주 고유벡터값을 이용하여, 채널 이득 측정값 벡터
Figure pat00091
값을 계산한다.
Figure pat00092
의 고유값 분해(eigenvalue decomposition)는
Figure pat00093
을 통해 얻을 수 있다. 채널 이득 측정값 벡터
Figure pat00094
는 아래의 수학식 18로 나타낼 수 있다.
Figure pat00095
k번째 프레임에서 에너지 빔포밍 알고리즘은 에너지 슬롯의 에너지 전송 빔포밍 벡터 값을 채널 이득 측정값을 통하여 결정한다. 수신기(200)의 수신전력을 최대화하기 위해
Figure pat00096
의 위상을
Figure pat00097
와 같게하며 크기를
Figure pat00098
와 같게 한다. 즉, k 프레임의 에너지 전달 빔포밍 가중치는 아래의 수학식 19로 나타 낼 수 있다.
Figure pat00099
송신기(100)가 최적 에너지빔포밍 가중치로 전송했을 경우 에너지 전송 슬롯에서의 최적 수신 전력은 아래의 수학식 20과과 같다.
Figure pat00100
본 실시례 및 본 명세서에 첨부된 도면은 전술한 기술에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 전술한 기술의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시례는 모두 전술한 기술의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.
100 : 송신기
110 : 발진기
120 : 구동증폭기
130 : 전력분배기
140 : 위상변환기
150 : 가변증폭기
160 : 안테나
170 : 제어기
180 : 제1 RF 송수신기
200 : 수신기
210 : 안테나
220 : 정류기
230 : 전력관리회로
240 : 전력센서
250 : 에너지 저장소
260 : MCU
270 : 센서
280 : 제2 RF 송수신기

Claims (11)

  1. 송신기가 훈련 슬롯마다 랜덤한 위상으로 복수의 안테나를 통해 마이크로파를 송신하는 단계;
    상기 송신기가 수신기로부터 상기 훈련 슬롯 각각에 대해 수신전력 측정값을 수신하는 단계;
    상기 송신기가 상기 수신전력 측정값만을 이용하여 채널을 추정하는 단계; 및
    상기 송신기가 상기 추정된 채널에 대한 정보를 이용하여 빔포밍 가중치를 결정하는 단계를 포함하는 마이크로파 전력 전송을 위한 빔포밍 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 송신기는 상기 수신기에서의 수신전력을 최대화하도록 상기 빔포밍 가중치를 결정하는 마이크로파 전력 전송을 위한 빔포밍 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 송신기는 상기 수신전력 측정값과 선형적 관계인 채널 이득을 정의한 상태 공간 모델을 칼만 필터에 적용하여 상기 채널을 추정하는 마이크로파 전력 전송을 위한 빔포밍 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 송신기는 상기 추정하는 단계에서 상기 수신전력 측정값으로 연산되는 에너지채널 행렬을 칼만 필터에 적용하여 새로운 에너지채널 행렬을 생성하는 마이크로파 전력 전송을 위한 빔포밍 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 송신기는 복수의 안테나에 대해 각각 이전 프레임에서 추정된 채널의 위상과 하나의 안테나로 전송 가능한 최대 파워의 루트값인 파워값을 갖도록 상기 빔포밍 가중치를 결정하는 마이크로파 전력 전송을 위한 빔포밍 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 송신기는 상기 빔포밍 가중치를 기반으로 상기 복수의 안테나로 전력 전송을 위한 마이크로파를 송신하는 단계를 더 포함하는 마이크로파 전력 전송을 위한 빔포밍 방법.
  7. 훈련 슬롯마다 랜덤한 위상으로 훈련용 마이크로파를 송신하는 복수의 안테나;
    수신기로부터 수신전력 측정값을 수신하는 RF 수신기; 및
    상기 수신전력 측정값을 이용하여 채널을 추정하고, 추정된 채널에 대한 정보를 이용하여 빔포밍을 위한 빔포밍 가중치를 결정하는 제어기를 포함하는 빔 포밍으로 전력 전송을 위한 마이크로파를 송신하는 송신장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 수신기에서의 수신전력을 최대화하도록 상기 빔포밍 가중치를 결정하는 빔 포밍으로 전력 전송을 위한 마이크로파를 송신하는 송신장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제어기는 복수의 안테나에 대해 각각 이전 프레임에서 추정된 채널의 위상과 하나의 안테나로 전송 가능한 최대 파워의 루트값인 파워값을 갖도록 상기 빔포밍 가중치를 결정하는 빔 포밍으로 전력 전송을 위한 마이크로파를 송신하는 송신장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 복수의 안테나에 대해 상기 빔포밍 가중치를 기반으로한 빔포밍을 수행하여 전력 전송을 위한 마이크로파를 송신하는 빔 포밍으로 전력 전송을 위한 마이크로파를 송신하는 송신장치.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 수신전력 측정값과 선형적 관계인 채널 이득을 정의한 상태 공간 모델을 칼만 필터에 적용하여 상기 채널을 추정하는 빔 포밍으로 전력 전송을 위한 마이크로파를 송신하는 송신장치.
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