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[국내논문] RF 무선전력전송 기술과 관련 무선통신 연구 동향 원문보기

電子工學會誌 = The journal of Korea Institute of Electronics Engineers, v.44 no.7 = no.398, 2017년, pp.47 - 54  

이경재 (한밭대학교 전자.제어공학과) ,  김동완 (동아대학교 전자공학과) ,  임용석 (전자부품연구원 스마트네트워크연구센터)

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문제 정의

  • 또한 마이크로파 기반 무선전력전송과 무선통신을 접목한 “무선 전력 및 정보 동시전달” 기술과 “무선전력전송 기반 통신네트워크”와 관련된 최근 연구들을 살펴본다.
  • 본 고에서는 무선전력전송 기술의 동향과 마이크로파를 이용한 RF 방사형 무선전력전송과 통신을 결합하는 연구에 대하여 살펴보았다. 마이크로파 기반의 원거리 무선전력전송은 전자기기의 이동성 관점에서 이용의 편의성을 증대시킬 뿐만 아니라, 에너지 저장장치의 수명을개선시킬 수 있어 셀룰러 시스템뿐만 아니라 센서 네트워크 등의 다양한 분야에서 기대되는 기술 중 하나이다.
  • 따라서 무선 통신 시스템에서 무선으로 전송된 전자파의 전력을 이용하여 통신과 무선전력전송을 동시에 구현하고자 하는 연구가 활발히 진행되었다[6-8]. 본 논문에서는 무선전력전송 기술의 최근 개발 동향과 문제점 및 극복 방향을 분석하고, 주로 이론적으로 관심이 집중되었던 무선전력전송과 결합된 무선통신 연구의 최신 흐름을 소개하려고 한다.
  • 다중 어레이 안테나 빔포밍 기술은 무선통신에서도 매우 중요한 요소기술로 이용되어져 왔던 만큼 기술적인 성숙도는 이미 매우 높다고 할 수 있다. 본 장에서는 먼저 마이크로파 기반의 무선전력전송에서 효율성 및 인체안전성을 증대하기 위한 연구들을 소개한다. 또한 마이크로파 기반 무선전력전송과 무선통신을 접목한 “무선 전력 및 정보 동시전달” 기술과 “무선전력전송 기반 통신네트워크”와 관련된 최근 연구들을 살펴본다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
자기공진 방식은 무엇인가? 자기공진 방식은 수십 cm 내외로 인접한 근거리 자기장을 통해 공진주파수를 가지는 두 개의 코일 사이에 전력이 전달되는 공명현상을 이용하여 전력을 전송한다. 자기유도 방식에 비해 원거리 전송이 가능하고 송수신 코일의 방향성의 자유도가 높으나 상대적으로 전송 효율이 낮고 전자기파에 대한 인체 영향을 피할 수 있는 방법에 대한 연구가 필요한 상황이다[3].
전자 및 통신기기에 선을 없애면서 이동성과 휴대성이 생겼지만 이에 반하는 한계점은 무엇인가? 이처럼 그동안 무선통신의 발달은 전자 및 통신기기에 선을 없애면서 이동성과 상시 휴대성을 제공하였다. 그러나 이동기기의 전원을 공급하기 위하여 배터리를 사용하고 배터리 충전을 위해서는 전원선을 연결해야 하는 번거로움이 남아있다[1-2]. 이러한 배터리 충전의 문제를 해결하기 위하여, 저전력 기술 및 고효율 집적 배터리 등의 다양한 시도들이 있어왔다.
마이크로파 무선전력전송 방식의 장점은 무엇인가? 마이크로파 무선전력전송 방식은 원거리 충전이 가능하고 기기사용 중에 충전할 수 있는 자유도를 제공하여 배터리 수명 등 통신, IoT 기기의 한계를 극복할 수 있는 기술로 크게 주목을 받고 있다. 특히 기존에 문제가 되었던 1mW 이하의 낮은 에너지 수확량과 전자파 인체 노출 등의 안전성 문제를 해결하기 위한 노력이 진행되었고, 최근에는 1W 이상의 전력을 수 m의 원거리에서 전송하는 기술이 구현되어 상용화 시제품들이 나오고 있는 상황이다.
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참고문헌 (21)

  1. K. Huang and X. Zhou, "Cutting the Last Wires for Mobile Communications by Microwave Power Transfer,"IEEE Communications Magazine, vol. 53, no. 6, pp. 86-93, June 2015 

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  2. S. M. Kim, S. W. Kim, J. I. Moon, and I. K. Cho, "Trends and Future Directions of Wireless Charging,"Electronics and Telecommunications Trends, vol. 31, no. 3, pp. 32-41, June 2016 

  3. Y. Zeng, B. Clerckx, and R. Zhang "Communications and Signal Design for Wireless Power Transmission,"IEEE Transactions on Communications, vol. 65, no. 5, pp. 2264-2290, May 2017 

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  4. M. M. Tentzeris and Y. Kawahara, "Design Optimization and Implementation for RF Energy Harvesting Circuits," IEEE Journal on Emerging and Selected Topics in Circuits and Systems, pp. 24-33, March 2012. 

  5. M. Piuela, P. D. Mitcheson, and S. Lucyszyn, "Ambient RF Energy Harvesting in Urban and Semi-Urban Environments," IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 61, pp. 2715-2726, July 2013. 

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  6. C. K. Ho and R. Zhang, "Optimal Energy Allocation for Wireless Communications With Energy Harvesting Constraints," IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 60, pp. 4808-4818, September 2012. 

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  7. R. Zhang and C. K. Ho, "MIMO Broadcasting for Simultaneous Wireless Information and Power Transfer," IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 12, pp. 1989-2001, May 2013. 

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  8. R. Y. Miyamoto and T. Itoh "Retrodirctive Arrays for Wireless Communications,"IEEE Microwave Magazine, vol. 3, no. 1, pp. 71-79, March 2002 

  9. S. Lee, Y. Zeng, and R. Zhang,"Retrodirective Multi-User Wireless Power Transfer with Massive MIMO,"submitted to IEEE Wireless Communications Letters, Online: https://ArXiv.org/abs/1706.07549. 

  10. K. W. Choi, D. I. Kim, and M. Y. Chung "Received Power-Based Channel Estimation for Energy Beamforming in Multiple-Antenna RF Energy Transfer System,"IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 65, no. 6, pp. 1461-1476, March 2017. 

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  11. S. Lee and R. Zhang,"Distributed Wireless Power Transfer With Energy Feedback,"IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 65, no. 7, pp. 1685-1699, April 2017 

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  12. J. Park and B. Clerckx, "Joint Wireless Information and Energy Transfer in a Two-User MIMO Interference Channel," IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 12, pp. 4210-4221, August 2013. 

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  13. H. Lee, S.-R. Lee, K.-J. Lee, and I. Lee, "Optimal Beamforming Designs for Wireless Information and Power Transfer in MISO Interference Channels," IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 14, no. 9, pp. 4810-4821, Sept. 2015. 

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  14. C. Song, J. Park, B. Clerckx, I. Lee, and K.-J. Lee, "Generalized Precoder Designs Based on Weighted MMSE Criterion for Energy Harvesting Constrained MIMO and Multi-user MIMO Channels", IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 15, no. 12, pp. 7941-7954, December 2016. 

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  15. A. A. Nasir, X. Zhou, S. Durrani, and R. A. Kennedy, "Relaying Protocols for Wireless Energy Harvesting and Information Processing," IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 12, pp. 3622-3636, July 2013. 

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  16. S. Mahama, D. K. P. Asiedu, and K.-J. Lee, "Simultaneous Wireless Information and Power Transfer for Cooperative Relay Networks With Batter," to appear in IEEE Access, August 2017 

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  18. K. Huang, "Enabling Wireless Power Transfer in Cellular Networks: Architecture, Modeling and Deployment," IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 13, no. 2, pp. 902-912, February 2014 

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  19. H. Ju and R. Zhang, "Optimal Resource Allocation in Full-Duplex Wireless-Powered Communication Network," IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 62, no. 10, pp. 3528-3540, Octobor 2014. 

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  20. H. Lee, K.-J. Lee, H. Kim, B. Clerckx, and I. Lee, "Resource Allocation Techniques for Wireless Powered Communication Networks with Energy Storage Constraint", IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 15, no. 4, pp. 2619-2628, April 2016 

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  21. H. Lee, K.-J. Lee, H.-B. Kong, and I. Lee, "Sum Rate Maximization for Multi-user MIMO Wireless Powered Communication Networks," IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 65, no. 11, pp. 9420-9424, Nov. 2016. 

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