Recently, for various purposes, sensor networks have been deployed in which the sensors are embedded in dense media including rock, soil, and water. For example, in ubiquitous home networks, sensors are embedded in the walls of building for convenience and aesthetic reasons. In addition, sensors are sometimes buried underground so that environmental conditions, the state of infrastructure, and other situations can be monitored. However, the embedding of sensors can present two main challenges to be considered. Sensors cannot be effective in communicating with other sensors through the dense media where they are embedded. And, any battery is unlikely to be practical as a power supply because it is difficult to replace. Therefore, a solution needs to be found to deal with these obstacles so that embedded sensors can operate reliably in practice. Therefore, in this thesis, we focus on the communication using magnetic induction for the transfer of information and wireless power transfer using magnetic resonance for supply of energy in embedded sensor networks.
First, we attempt to maximize the capacity of magnetic induction communication in strongly and loosely coupled regions. In a strongly coupled region, we investigate frequency splitting, which disturbs the resonance of transmitter and receiver coils. We find a splitting coupling point, which is the value just before frequency splitting occurs, and propose an adaptive frequency-tracking scheme for finding an optimal frequency. The proposed scheme compensates for the degradation of capacity, so guarantees large capacity even at regions where frequency splitting occurs. Next, in a loosely coupled region, we derive an optimal quality factor for maximizing capacity in a two-coil system. As the distance between coils increases, strong resonance is needed to overcome the serious attenuation of signal strength. As a result, the optimal quality factor should be increased. In addition, we find an optimal quality factor for a relay system, in order to guarantee reliable communication at long distance. Also, an optimal-Q scheme which adjusts the optimal quality factor according to a given distance can achieve near-optimal capacity. Finally, through simulations, we demonstrate the accuracy of our analytic results and the effectiveness of the proposed schemes.
Second, we investigate the effect of transmit diversity on power transfer efficiency under multiple transmitters. We derive closed-form equations for the power transfer efficiency and the optimal load from both coupled mode theory and equivalent circuit model analyses. We also show that the analytical results obtained from the two types of analysis are basically the same, so they can be expressed as an equivalent equation that consists of a quality factor and coupling coefficient. In addition, we perform simulations to demonstrate the accuracy of our analysis. The results show that a multiple-transmitter wireless power-transfer system can improve power transfer efficiency over all regions in both an angular aligned scenario and an angular misaligned scenario, due to the diversity in the transfer of power.
Third, we consider an adjustable power distribution among multiple receivers. In a multiple-receiver wireless power transfer system, it is reasonable to consider different size of coils, for example, a large transmitter and small receivers, in order to recharge multiple receivers simultaneously. In addition, most of power tends to be transferred to a receiver close to a transmitter. The imbalance of recharging power causes unfairness among receivers. Therefore, it is important to provide an amount of required power for each receiver as well as to improve overall power transfer efficiency. We provide a method for designing asymmetric coils that have different sizes but the same resonant frequency, and evaluate it through simulations. Next, we investigate an impedance matching method for adjustable power distribution among receivers with preserving high overall power transfer efficiency. Using coupled mode theory, we also derive an optimal matching condition and the upper bound of overall power transfer efficiency for performance comparison with the proposed method. Finally, we perform circuit-level simulations to validate the accuracy of our analysis and the effectiveness of the proposed method.
Fourth, we consider the use of magnetic fields, as the means of reliably transferring both information and power to embedded sensors. We focus on power allocation strategy in orthogonal frequency division multiplexing system to maximize transferred power under the required information capacity and total available power constraints. At first, we consider a co-receiver case where information and power can be extracted from the same signal. In this case, we find an optimal power allocation and provide the upper bound of achievable transferred power and capacity pairs. However, the exact calculation of the optimal power allocation is computationally complex. So, we propose a low-complexity power reallocation algorithm. For practical consideration, we also consider a separated receiver case where information and power are transferred separately through different resources, and propose two heuristic power allocation algorithms. Through simulations, we validate the characteristic of magnetic inductive channel. Also, we show the performances of proposed algorithms by providing achievable $\eta$-C regions. The proposed algorithms are useful to improve power transfer efficiency significantly in comparison with an equal power allocation. At the same time, a predefined information capacity can also be guaranteed.
최근, 토양, 벽, 물 등의 밀한 매질에 센서가 매립되어 동작하는 매립 센서 네트워크 기술에 대한 관심이 커지고 있다. 예를 들어, 유비쿼터스 홈 네트워크의 경우 벽이나 가전기기 내부에 매립된 센서들간의 정보 교환을 통하여 홈 기능을 자동화 할 수 있으며, 이는 사용자에게 편의성과 심미성을 제공할 수 있다. 또한, 차량 프레임 내부에 매립된 센서와 외부의 콘트롤러 사이의 통신을 통하여 차량의 기능 역시 자동화 할 수 있으며, 지하에 매립된 센서는 토양과 대기의 상태 및 기반 시설 등을 안정적으로 모니터링 할 수 있다. 이러한 매립 센서의 실용화를 위해서는 안정적인 정보 및 전력 전송이라는 두 가지 필요 조건을 반드시 충족시켜야 한다. 기존의 전자파를 이용한 통신 기법의 경우 신호의 전달 매체가 공기에서 밀한 매질로 바뀌게 되면 대부분의 신호가 매질에 흡수되게 된다. 그에 따라 신호의 감쇄가 심해져 안정적인 정보 전송이 불가능하므로 이를 해결할 수 있는 새로운 통신 방안에 대한 연구가 필요하다. 또한, 센서가 매립되는 환경에서는 전원의 교체가 쉽지 않기 때문에 무선으로 전력을 반영구적으로 공급할 수 있는 방안에 대한 연구가 필요하다. 그러므로 본 논문에서는 자기장의 공진 특성을 이용하여 매립 센서에 정보 및 전력을 안정적으로 전송하는 방안에 대한 연구를 수행하였다.
기존에 연구된 근거리 자기장 통신의 경우 수 kbps 정도의 적은 데이터 용량만을 지원할 수 있었기 때문에 이를 적용할 수 있는 분야가 제한되어 있었다. 그러므로 2장에서는 전체 통신 구간을 송신단과 수신단이 강하게 결합된 구간과 느슨하게 결합된 구간으로 나누고, 이 모든 구간에서 자기장 통신의 용량을 최대화 하기 위한 방안을 제안하였다. 먼저, 송신단과 수신단이 강하게 결합된 구간에서는 송신단과 수신간의 거리가 가까워 질수록 자기 유도 결합력이 너무 강해져 자기장 신호가 수신단에 온전히 전달되지 않고, 오히려 대부분의 자기장 신호가 수신단에서 반사되어 공진점이 틀어지는 주파수 스필리팅 현상이 발생한다. 주파수 스플리팅 현상이 발생하게 되면 송신단과 수신단의 거리가 가까워 질수록 공진 주파수에서의 수신 신호의 크기가 감쇄된다. 그러므로 등가회로 이론을 이용하여 주파수 스플리팅이 발생하는 거리를 수학적으로 도출한 후, 이 거리보다 가까운 거리에서는 원래의 공진 주파수 대신 최적의 주파수를 찾아 통신을 위한 중심 주파수로 사용하는 방안을 제안하였다. 반면, 송신단과 수신단이 느슨하게 결합된 구간에서는 송신단과 수신단의 거리가 멀어질수록 자기 유도 결합력이 약해져 통신 용량이 저하된다. 이러한 경우 송신단과 수신단의 퀄리티 팩터를 최적의 값으로 조정하면 공진의 세기를 증가되어 송신단과 수신단 사이의 약화된 자기 유도 결합력을 보상할 수 있다. 이를 위해 각 거리마다 최적의 퀄리티 팩터의 값을 수학적으로 도출하였다. 또한, 자기장 통신의 전달 거리도 확장하기 위하여 송신단과 수신단 사이에 임의의 개수의 릴레이 노드가 존재하는 환경을 고려하고, 이 환경에서 각 거리마다 최적의 퀄리티 팩터 값을 도출하였다. Agilent사의 ADS를 이용한 시뮬레이션을 통하여 분석 결과의 정확성을 입증하였고, 제안 방안을 이용하면 전 구간에서 최적의 값에 근접한 통신 용량을 달성할 수 있음을 보였다.
3장에서는 수신단의 위치 변화에 관계없이 안정적으로 수신단에 전력을 공급하기 위하여 다수의 송신단을 이용하여 전력을 전송하는 방안을 제안하였다. 또한, 이때의 전체 전력전송 효율에 미치는 송신 다이버시티를 수학적으로 분석하였다. 등가회로 이론과 결합모드 이론을 이용하여 송신 다이버시티가 적용된 전력전송 효율과 최적의 임피던스 식을 각각 도출하였다. 도출된 수학식은 다수의 송신단이 충분히 떨어져 있는 환경에서는 송신 다이버시티로 인해 수신단의 위치에 관계없이 전 구간에서 전체 전력전송 효율이 향상됨을 보여준다. 또한, 등가회론 이론을 이용하여 도출한 식과 결합모드 이론을 이용하여 도출한 식이 동일함을 보였고, 두 수학식의 관계를 이용하여 최종적으로 두 식이 퀄리티 팩터와 결합 계수로 이루어진 단일식으로 표현 가능함을 보였다. Agilent사의 ADS와 Ansoft사의 HFSS를 이용한 시뮬레이션을 통하여 분석 결과의 정확성을 입증하였다. 또한, 송신단이 1개만 있는 시스템에서는 수신단이 송신단에서 멀어짐에 따라 효율이 급격히 떨어지는데 반해, 송신단이 2개 있는 시스템에서는 수신단이 제 1 송신단에서 멀어지더라도 제 2 송신단이 효율의 감쇄를 보상해주어 전 구간에서 비교적 안정적인 전력전송이 가능함을 보였다.
4장에서는 한 개의 송신단과 여러 개의 수신단이 존재하는 환경에서의 전력전송을 고려하였다. 한 개의 송신단이 여러 개의 수신단에 동시에 전력전송을 하는 경우에는 송신 안테나의 크기는 크게 디자인하는 반면 수신 안테나의 크기는 작게 디자인하는 것이 합리적이다. 그러므로 다른 크기를 갖는 송신 안테나와 수신 안테나가 같은 주파수에서 공진할 수 있도록 하는 헬리컬 코일 안테나 디자인 방안을 제안하였다. 또한, 여러 개의 수신단이 존재하는 경우 송신단과 가장 가까운 거리에 위치한 수신단에 대부분이 전력이 전달되어 수신단 사이에 전력 불균형 문제가 발생한다. 이러한 전력 불균형 문제는 사용자의 만족도와 직접적으로 연관이 되므로, 각 수신단이 필요로 하는 양만큼의 전력량을 전달해주어 수신단간의 전력 형평성을 맞춰주는 것이 중요하다. 그러므로 상황에 적응적인 전력 분배를 통해 전체 효율의 감소없이 각 수신단 필요로 하는 양의 전력을 전달해 줄 수 있는 임피던스 매칭 방안을 제안하였다. 또한, 제안 방안과의 성능 비교를 위해, 결합모드 이론을 이용하여 전력효율을 최대화 할 수 있는 최적의 매칭 조건과 전력전송 효율의 상계값을 도출 하였다. Agilent사의 ADS를 이용한 시뮬레이션을 통하여 분석 결과의 정확성을 입증하였고, 효율 상계값 및 기존 방안과의 성능 비교를 통하여 제안 방안은 전력효율의 감소없이 수신단이 필요로 하는 양의 전력을 정확하게 분배하여 수신단간의 형평성을 보장함을 보였다.
5장에서는 매립 센서의 실용화를 위해 자기 공진을 이용하여 정보와 전력을 동시에 전송하기 위한 자원할당 방안을 제안하였다. 먼저, 자기 유도 채널 특성을 수학적으로 도출하고 Agilent사의 ADS를 이용한 시뮬레이션을 통하여 이를 검증하였다. 또한, OFDM 환경에서 센서가 필요로 하는 최소한의 정보 전송 용량을 보장하면서 전력 전송량을 최대화 하기 위한 파워 할당 방안을 제안하였다. 송신단이 전송한 단일 신호로부터 정보 복원 및 전력 충전을 동시에 수행하는 결합 수신단 상황과 송신단이 다른 자원을 이용하여 전송한 정보와 전력을 각각 따로 추출하는 분리 수신단 상황을 고려하였다. 먼저 결합 수신단 상황에서는 최적화 기법을 이용하여 최적의 파워 할당 방안을 수학적으로 도출하였다. 최적의 파워 할당 방안을 이용하면 달성 가능한 전력 전송량 및 정보 전송 용량의 상계값을 구할 수 있다. 같은 환경에서 최적의 파워 할당 방안의 높은 복잡도를 줄이기 위하여 복잡도가 낮은 파워 재할당 방안도 제안하였다. 파워 재할당 방안은 최적의 파워 할당 방안과 비교하여 복잡도는 제곱근 단위만큼 줄이면서 거의 동일한 성능을 보였다. 분리 수신단 상황에서는 실제 구현 가능성을 고려하여 주파수 분할 기반 파워 할당 방안과 시간 분할 기반 파워 할당을 각각 제안하였다. 시뮬레이션을 통하여 각 알고리즘의 달성 가능한 전력 전송량 및 정보 전송 용량의 범위를 보이고, 알고리즘 간의 성능을 비교하였다. 제안 방안은 수신단이 필요로 하는 최소한의 정보 전송 용량을 정확히 보장하면서 동시에 전력 전송량은 최대화함을 보였다.
