무선 전력전송기반의 IoT네트워크를 위한 효과적인 정보 및 전력 동시 전송 전략

Abstract

2016년 세계 경제포럼에서 ‘4차 산업혁명’에 대해 언급하며, 이에 대한 관심이 뜨거워지고 있다. 4차 산업혁명은 초연결, 초지능을 특징으로 하기 때문에 기존 산업혁명에 비해 더 광범위하고 빠르게 영향을 미칠 것이다.[1] IoT는 4차 산업혁명의 핵심기술로서, “지능화된 사물들이 연결되어 형성되는 네트워크상에서 사람과 사물, 사물과 사물간에 상호 소통하고, 상황인식 기반의 지식이 결합되어 지능적인 서비를 제공하는 글로벌 인프라”라고 정의 할 수 있다. [1,2] 미국의 경영컨설팅회사 맥킨지(MacKinsey)는 인류의 삶을 가장 크게 변화시킬 기술로 IoT기술을 선정했으며, IoT기술이 거의 모든 분야에 적용될 것으로 예측하였고,[3] 경제적인 파급효과는 지속적으로 증가하여 2025년에는 약 2.7 ̴ 6.2조 달러에 이를 것으로 전망하였다.[4] IoT의 경우, 여러 사용자가 인접해 있고 같은 주파수 대역을 사용할 경우, 인접사용자가 다른 사용자의 신호를 수신한다면 간섭으로 작용할 수 있다. 간섭없이 신호를 수신하기 위해서는 시 분할, 주파수 분할등의 방법을 이용하여 신호를 수신함으로써 인접 간섭신호의 영향을 최소화 시킬수 있다. 또한 IoT 노드들은 일반적으로 배터리가 제한적이기 때문에 배터리 고갈문제를 해결하기 위해 무선 전력전송, 태양전지 등 무선으로 전력을 수집할 수 있는 기술들이 연구되어 왔다. [5-8] 무선 전력전송 기술은 RF신호를 전송하는 AP로부터 노드들은 rectenna를 통해 RF신호를 DC로 바꾸어 저장하는 기술이다. 하지만 무선전력 전송기술은 전파거리에 따른 Path-Loss가 매우 크기 때문에 에너지 효율이 매우 떨어지는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 에너지 빔포밍과 같은 기법을 이용하여 노드가 채집하는 전력을 높일 수 있다. 본 논문에서는 무선 전력전송에 기반한 IoT시스템에서 활용할 수 있는 효과적인 정보 및 전력 전송 기법을 소개한다. 첫 번째로, 이종 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)시스템에서 주파수 공유정도에 따른 시스템의 성능을 분석한다. 두 OFDM시스템이 인접하여 서로 공존하고 있다면, 서로가 서로에게 간섭으로 작용할 수 있다.[9-10] 만약 이 두 OFDM시스템의 주파수를 공유해서 사용할 수 있다면 주파수를 더욱 효율적으로 사용할 수 있을 것이다. 이에 더욱 실제 구현환경을 고려하기 위해 OFDM에서 높은 Peak-to-Power Ratio(PAPR)로 고전력 증폭기(High Power Amplifier,HPA)에서 발생하는 비선형 왜곡을[11] 고려한 성능을 분석하였으며, 모의실험으로 이를 증명하였다. 두 번째로, 무선 전력전송에 기반한 IoT네트워크에서의 파라미터를 최적화 한다. 무선전력전송에 기반한 센서 네트워크에서는 센서의 배터리 제약 때문에 효율적으로 에너지를 전송하는 것이 매우 중요하다. AP의 에너지패킷 전송 주기가 길면, 노드가 에너지를 채집하지 못해 데이터큐에 데이터가 쌓여 데이터 손실이 발생하게 된다. 반대로 에너지 패킷 전송주기가 짧으면, 에너지 큐에 에너지가 쌓여 에너지 손실이 발생하게 된다.[12-13] 또한 최근에는 무인 항공기(Unmaned Aerial Vehicle,UAV)를 이용한 통신이 활발하게 연구되고 있음으로[14-16] UAV가 에너지를 전송하는 AP의 역할을 할 수 있다. 에너지 전송주기 및 에너지를 전송하는 AP의 위치를 최적화 하여 에너지 효율을 높일 수 있음을 보이고 모의실험을 통해 이를 검증하였다. 마지막으로, 분산 빔포밍에 이용될 수 있는 bisection 기반의 위상동기화 기법을 제안한다. 분산 빔포밍은 분산된 여러개의 노드들을 이용하여 빔을 형성하는 방법으로, 네트워크의 전송거리를 늘이기 위해 사용할 수 있는 방법이다.[17] 분산 빔포밍의 경우, 일반 빔포밍 기법과는 다르게 모든 노드들이 서로 다른 오실레이터를 가지고, 서로 다른 채널을 겪기 때문에, 동기화 과정이 더욱 복잡하고, Coherence Time 마다 동기화를 진행해야 하는 빔포밍의 특성상 동기화 과정이 빠르면 빠를수록 데이터 전송에 할애하는 시간이 많아 질 수 있다. 제안한 알고리즘은 기존 알고리즘보다 Local Maxima에 빠질 위험이 적고, 많은 노드에 대해 더욱 빠르게 위상 동기화가 가능함을 모의실험을 통해 검증하였다.

In this paper, we propose efficient transmit strategies in Wireless Powered Sensor Networks(WPSN). First, we analysis the performance consider a couple of Networks in a place. We analyze system performance according to spectrum sharing strategy. In other words, we analyze the performance difference considering the actual implementation environment (nonlinearity of the amplifier) ​​of the performance difference according to the case where the heterogeneous network shares the entire spectrum band and only the spectrum partially. Second, we propose an optimization method of network parameters (such as packet transmission period and AP position) to improve the performance of IoT network based on wireless power transmission. In other words, we propose an algorithm to optimize the transmission period of wireless power packet and information packet in IoT network, define the energy minimization problem for maintaining IoT network, and optimize the position of energy access point (EAP). Finally, we propose an algorithm based on the bisection method for fast and effective phase synchronization when we want to make cooperative communication using distributed transmit beamforming in sensor networks for effective information and power transmission. Through this algorithm, the received power can be maximized and the transmission distance can be increased, and synchronization can be achieved faster than the phase synchronization algorithm of the conventional distributed transmit beamforming.