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Ⅰ. 서 론
최근 무선통신의 발달로 시간과 공간의 제약 없이 정보의 접근이 가능한 시대가 열리고 있다. IoT(internet of things), 사물통신, 차량 간 통신 등 기존의 사용자 간의 서비스뿐만 아니라, 사물간의 수많은 응용 서비스가 가능해질 것으로 기대되고 있다. 이러한 흐름에 따라 6세대 무선 표준에서는 좀 더 빠르고 안정적으로 거대 연결 통신을 구현하기 위하여 많은 연구들이 진행되고 있다[1]. 결과적으로 가까운 시기에 다양한 사용자, 사물, 기기들이 복잡한 선 없이도 무선으로 서로 소통하고 정보를 전달하며 공유하게 될 것이다.
이처럼 통신 기술의 발달 및 스마트폰의 급속한 보급으로 인하여 무선으로 영상, 음성 등의 정보를 전송함에 따라 모바일 기기의 사용량이 큰 폭으로 증가되었다. 스마트폰의 대중화에 따라 유선충전기 없이 언제, 어디서나 자유롭게 배터리를 충전시킬 수 있는 기술이 주목받으면서, 이제는 무선으로 에너지를 전송하는 기술인 무선전력전송(wireless power transfer: WPT) 시대를 맞이하고 있다[2]. 무선전력전송 기술은 라디오 주파수(radio frequency: RF)를 사용하는 방식이 주요 연구대상이며, 현재 다양한 기술들이 개발되고 있다. RF 신호에 담겨져 전달되는 에너지를 이용하는 방법으로 전자파를 이용한 원거리 무선 전력 전송은 통신 기기의 이동성을 증가시킨다는 점에서 매우 주목되는 기술이다[3],[4].
전자파를 이용한 원거리 무선 전력 전송은 이동 중에도 언제 어디서나 충전이 가능하기 때문에 무선 통신 기기나 5G(5th generation)의 IoT 센서의 이동성을 더할 수 있는 것이 장점이다[5]. 원거리 무선 전력 전송이 가능하다면, 상시 충전이 가능해지기 때문에 에너지 저장장치의 용량을 줄일 수 있다.
기존의 무선전력전송 시스템은 전력전송부와 충전부 1:1 방식만 가능했다. 그러나 효율적인 RF 무선전력전송을 위하여 1:N 충전방식 시스템 연구가 진행되어 왔다. 본 연구에서는 다수 전력 수신기에 효율적인 RF 무선전력전송을 위한 시스템을 제시한다. Power Pilot을 기반으로 하는 CDMA, TDMA, RDA(retrodirective array) 시스템을 설계하였으며, 각 조건에 따라 시뮬레이션을 진행하여 시스템 성능 분석 결과를 제시하였다. 1장 서론에 이어 2장에서는 Power Pilot을 기반으로 하는 CDMA 시스템에 대해 설명한다. 3장에서는 Power Pilot을 기반으로 하는 TDMA 시스템을 설명하고, 4장에서는 PLL(phase locked loop) 기반의 RDA 시스템의 성능을 확인하였다. 5장에서는 비균등 TDMA의 균등 TDMA 대비 효율을 구하여 다수 전력 수신기를 위한 무선전력전송 시스템을 구성하였다.
Ⅱ. 다중 사용자 무선전력전송 시스템 구성
무선으로 에너지를 전송하는 기술인 무선전력전송은 최근 개인 휴대기기에 대한 무선 충전과 전기자동차 무선충전을 중심으로 발전하고 있는 기술이다[6]. 무선전력전송 기술의 목표는 전력 전송 시에 안정성을 갖추며, 먼 전송거리와 고효율을 확보하는 것이다[7],[8].
그림 1은 다중 사용자 무선전력 전송 시스템을 나타낸다. 다중 사용자 무선전력 전송 시스템은 전력전송부와 User Device로 나뉜다. 전력전송부는 다중 사용자 수신처리, 다중 사용자 시간 할당, 사용자의 역방향 처리 그리고 전력 저장 배터리 부분으로 나뉜다.
전력 전송부는 사용자 Device에 무선으로 전력을 전송하는 Power Station으로, 허가된 사용자에게만 사용자의 배터리 상태에 따라 전력을 전송하는 데에 목적이 있다.
그림 2와 그림 3은 각각 다중 사용자 무선전력전송 시스템의 파일럿 송신 및 전력 송신 방법을 나타낸다. 다중 사용자에 전력을 전송하기 위해서 전력전송부에서는 파일럿 심볼로 수신 받은 허가된 다중 사용자를 접속하기 위한 다중 사용자 수신 처리가 필요하다. 또한, 전력 전송부에서 사용자에 전력전송을 할 때 시간 할당 시스템을 추가적으로 구성하였다. Power pilot 심볼이란, 허가된 사용자의 전력 상태 정보를 전력전송부에 전송하는 역할을 한다. 사용자의 배터리 전력 상태에 따라 충전 우선순위를 정하여 순위에 맞게 전력을 전송한다. 내부 시스템에서 허가된 사용자의 전력 상태를 확인하고, RDA 시스템으로 파일럿으로부터 들어온 입사각의 역방향으로 전력을 전송한다.
표 1은 기존 시스템과 제안하는 시스템 구성의 차이를 보여준다. 제안하는 시스템은 비균등 TDMA 방법을 사용하여 전송 효율을 개선한다. 비균등 TDMA 시스템은 사용자로부터 받은 Power Pilot의 전력 상태에 따라 시간 할당의 우선순위를 정한다. 동시에 4명의 다중 사용자가 Power Station으로 Power Pilot을 전송하였을 때에, 전력상태가 가장 나쁜 사용자부터 전력을 충전할 수 있도록 설계하였다. 전력 상태가 가장 나쁜 사용자에는 가장 먼저, 가장 긴 시간으로 시간 할당을 하였으며, 전력 상태가 가장 좋은 사용자는 마지막에 가장 짧은 시간으로 시간 할당이 되어 전력을 충전할 수 있도록 설계하였다.
| Prior research | Proposed wireless power transmission system |
|---|---|
| CDMA system | CDMA system |
| PLL based RDA system | PLL based RDA system |
| Uniform TDMA system | Nonuniform TDMA system |
그림 4는 CDMA 시스템의 구성도이다. CDMA 시스템의 spreading 과정을 보여준다. input symbol을 mapping하여 spreading을 적용한다. 이는 단일 사용자일 때의 과정이다. spreader에 사용된 코드는 각 사용자마다 다르며, 이 코드를 수신 단에서 복조하여 사용자를 구분한다.
그림 5는 PLL 구조를 이용하여 구성한 위상 공액 회로를 보여준다. 위상 공액이란, 전파 방향을 반전시키는 것을 뜻한다. 각 위상 공액 회로는 안테나로 들어온 신호의 위상을 반전시켜 다시 송신한다. PLL 기반의 RDA 시스템의 회로이다. Rx로 들어온 2.45 GHz 신호와 루프를 돌다 Tx로 나갈 신호가 합쳐져 Band pass filter로 입력된다. 이때 Band pass filter는 필요한 신호를 필터링하기 위해 쓰였다. 필요한 부분만 필터링된 신호는 참조신호(reference signal)와 위상-주파수 검출기(phase frequency detetor)를 비교한 뒤에 루프 필터를 거쳐 VCO(voltage controlled oscillator)에서 신호가 생성되어 Tx로 재송신한다[9].
Ⅲ. 비균등 TDMA 시스템
무선전력전송의 경우, 안테나 이득과 같은 안테나의 특성에 따라 전력전송 효율이 영향을 받는다. 또한, 안테나의 특성과 커플링의 영향으로 빔 생성에 문제가 발생할 수 있다. 그러나 본 논문에서는 안테나의 특성 등 조건이 동일하다는 가정에서 다수의 사용자에 효율적인 무선전력전송 시스템을 위한 시간 할당 시스템을 제안하기 위하여 비균등 TDMA 시스템과 기존의 균등 TDMA 시스템을 비교하였다.
그림 6에서 나타내듯 전력 상태는 USER1, USER2, USER3의 순서로 좋다. 이에 따라서 Time 1, Time 2, Time 3의 전력 전송 시간은 점점 짧아지며, 전력 전송 우선순위 또한 동일하다. 전력 전송을 위한 시간 할당 시스템은 비균등 TDMA 시스템으로, 사용자의 전력 상태 우선순위에 따라 순차적으로 전송된다.
(Time 1, Time 2, Time 3)은 충전 할당 시간을 나타낸다. 전력 충전 시간은 Time 1>Time 2>Time 3의 순서로 Time 1이 가장 길다. 이 때 Power Pilot으로부터 수신된 전력량은 USER 1<USER 2<USER 3이다. 이 경우의 수에는 Time 1에 입력될 사용자를 A, Time 2에 입력될 사용자를 B, Time 3은 C로 지칭하며 (A,B,C) 라고 정리하면, 그림 7의 경우의 수가 나온다. 그림 7에서 설명하듯이, A, B, C에 입력될 사용자의 전력 상태의 경우의 수는 총 여섯 가지이다. (USER1, USER2, USER3)은 전력 상태 순서가 USER1<USER2<USER3일 경우를 의미한다.
Ⅳ. 시뮬레이션 결과 및 분석
표 2는 유저 수에 따른 CDMA 시뮬레이션을 위한 조건를 나타낸다. 그림 8은 사용자가 네 명일 때에 CDMA 시스템의 BER 성능이다. 시뮬레이션 결과, 단일 사용자일 경우와 2명 이상의 사용자인 경우, 모두 같은 BER 성능을 가졌음을 확인하였다.
| Simulation condition | |
|---|---|
| System | CDMA |
| Symbol mapping | QPSK |
| Spread length | 2,4,6,8 bits |
| Number of users | 1~4 |
| Channel | AWGN channel |
표 3은 RDA 시스템의 시뮬레이션 조건을 나타낸다. PLL을 기반으로 하는 역지향성 배열 안테나를 위한 PLL 기반의 위상 공액 회로를 설계하고 성능을 평가하였다. 수신 신호의 주파수는 2.45 GHz이며, 재전송하는 주파수는 2.45 GHz이다.
| Simulation condition | |
|---|---|
| RDA type | PLL-based RDA |
| Received signal frequency | 2.45 GHz |
| Retransmitted signal frequency | 2.45 GHz |
| Filter type | Bandpass filter |
| Filter center frequency | 4.9 GHz |
| Received phase | |
위상 공액 회로가 정상적으로 작동할 경우, 재송신 신호의 위상은 수신 신호가 π/4일 때는 −π/4가 출력된다. 그림 9와 그림 10은 수신 위상이 π/4일 때 송신 신호의 위상 변화를 나타낸 것이다. 그림 9처럼 VCO 출력되는 Tx 지점과 초기에 Power Pilot이 입력되는 Rx의 초기 위상차는 π/4이다. PLL로 위상 공액된 후에는 Tx 송신 신호의 위상이 −π/4가 되어 그림 10과 같이 π/2의 위상차를 나타내게 된다.
그림 11은 1번 사용자에 시간을 할당하는 다중 사용자 전력 전송 시뮬레이션 결과이다. Power Station에서 사용자들의 우선순위에 따라 Beam을 Switching한다. 우선순위는 사용자의 전력 상태에 따라 결정된다. TDMA 시스템은 다중 사용자를 시간영역에서 사용자의 배터리 전력 상태에 따라 충전 우선순위를 정하여 순위에 맞게 전력을 전송한다. 내부 시스템에서 허가된 사용자의 전력 상태를 확인하고, RDA 시스템으로 파일럿으로부터 들어온 입사각의 역방향에 전력을 전송한다.
그림 12는 사용자가 N명일 때의 개선효율 공식을 나타낸다. 각 사용자가 100 % 충전 시에 1 sec가 할당된다고 하였을 때, 50 % 충전 시에는 0.5 sec가 할당된다. 따라서 이에 따라 개선 효율을 구할 때에 위의 공식을 대입할 수 있다. 개선 효율을 구하는 공식은 식 (1)에 나타내었다.
공식에 따르면 불필요한 전력을 전송하지 않기 때문에 충전 시간이 적게 필요한 사용자를 먼저 충전할 경우의 효율도 동일한 효율이 나오게 된다.
표 4는 사용자가 3명일 때의 효율을 정리한 표이다. 표 5는 전력상태 100 %, 50 %, 25 %인 사용자를 30명, 40명, 50명의 경우로 나누워 개선 효율을 구하여 정리한 표이다. 균등 TDMA 시스템은 사용자의 전력 상태를 모르기 때문에 각각의 사용자에 100 %의 전력 충전 시간을 할당한다.
그러나 비균등 TDMA 시스템은 Power Pilot을 통하여 사용자의 전력 상태를 미리 알고 있다. 따라서 전력 상태에 따른 시간 할당이 가능하다. 표 4의 경우, 전력량 100 % 20명, 50 % 10명, 25 % 10명인 경우, 개선 효율이 가장 컸음을 알 수 있다.
Ⅴ. 결 론
본 연구에서는 다수 전력수신기에 효율적인 RF 무선전력전송을 위한 신호설계와 시스템을 구성하였다. 기존의 전력전송부와 충전부 1:1 방식만 가능했던 무선 전력 시스템에서, 1:N 충전방식이 가능하게 설계된 시스템이다. 다중 사용자를 지원하는 무선전력 전송 시스템은 Power Pilot 기반으로 설계되었다. Power Pilot은 허가된 사용자 정보와 사용자의 전력상태 정보를 Power Station에 전송하는 역할이다. 이러한 Power Pilot으로 Power Station에서는 전력상태가 가장 낮은 사용자에 가장 먼저 가장 긴 시간으로 전력을 전송하게 된다. 비균등 TDMA 시스템은 다중 사용자를 시간영역에서 사용자의 전력 상태에 따라 충전 우선순위를 정하여 순위에 맞게 전력을 전송한다. 무선전력전송은 전력송신부와 수신부의 거리가 멀수록 심해지는 감쇄로 효율이 감소된다. 따라서 사용자의 위치에 정확하게 전력을 전송하여 효율을 높여야 한다. 그러나 본 논문에서 구성한 RDA 시스템은 단일 사용자만을 지원하는 한계가 있다. 다수 전력 수신기에 효율적인 시스템을 구성하기 위한 다중 사용자에 대한 RDA 시스템은 향후 연구되어야 할 남아있는 과제이다. 또한, 다수 전력수신기에 효율적인 RF 무선전력전송을 위한 비균등 TDMA 시스템은 기존의 TDMA 시스템을 적용하였을 때보다 효율이 개선되었음을 확인할 수 있었다.
