This paper explores wireless power transfer (WPT) in multi-user multi-input multi-output (MU-MIMO) systems. Single-tone MIMO (ST-MIMO) scheme is optimal when it comes to power transfer in the respect of periodic tone signal. However, it has high complexity when the number of antennas increases. Additionally, it is not appropriate for multi-user system because this scheme has an inclination to send power to one receiver. In this paper, we propose wireless power transfer scheme that increases the received signal power by aligning the phase of the time-reversal (TR) transmit filter in MU-MIMO system considering user fairness. What’s different from the conventional TR-MIMO scheme is that it uses distinctively aligned TR filter. When TR-MIMO scheme is used for power transfer, the received signal is sum of matched signal and unmatched signal and the unmatched signal is sum of inter symbol signal and inter user signal. Unmatched signal makes received power degradation if the phase of it is much different from the phase of matched signal. The proposed scheme changes the phase and magnitude of each TR filter according to the corresponding unmatched signal. In transmitter, energy symbol, channel and TR filter are known so the overall received signal when using TR filter can be predicted. Therefore, unmatched signal can be predicted in transmitter and then TR filter is aligned with scaling factor to match the phase of matched signal to the phase of unmatched signal. In this process, the scaling factor is used for user fairness. This scheme cannot only eliminate received power degradation caused by unmatched signal but also increase received power using phase matching considering user fairness. Also, in MU-MIMO system that large number of transmit antennas are used, its complexity is much lower than ST-MIMO scheme. Simulation shows that the proposed scheme has lower complexity than ST-MIMO scheme as the number of transmit antennas increases and that performance of user fairness is satisfied while maintaining similar received power performance with ST-MIMO scheme. In USRP experiment run on real indoor channel, we can verify that the received power performance of the proposed scheme outperformed direct transmission and conventional TR-MIMO and followed ST-MIMO scheme well satisfying user fairness.
본 논문은 다중 사용자 다중 안테나 시스템의 무선 전력 전송에 대한 연구이다. ST-다중 안테나 기법은 단일 톤 주기 신호 관점에서 최적의 전력 전송 기법이다. 그러나 이 기법은 송신기의 수가 증가하면 계산 복잡도가 증가하게 된다. 또한, 이 기법은 하나의 수신자에게 전력을 몰아서 보내는 경향이 있기 때문에 다중 사용자 시스템에는 적절하지 않다. 이 논문에서는 사용자 공정성을 고려하면서 다중 사용자 다중 안테나 시스템에서 TR 전송 필터의 위상을 정렬하여 수신 신호 전력을 증가시키는 무선 전력 전송 방식은 제안 한다. 기존의 TR-다중 안테나 기법과 다른 점은 개별적으로 정렬된 TR 필터를 사용한다는 점이다. 전력 전송에 TR-다중 안테나 기법을 사용할 때 수신 신호는 정합 신호와 부정합 신호의 합이고 부정합 신호는 심볼 간 신호와 사용자 간 신호의 합이다. 부정합 신호의 위상이 정합 신호의 위상과 크게 다를 경우 수신 전력 저하 현상이 발생한다. 제안된 기법은 부정합 신호에 맞춰 TR 필터의 위상과 크기를 바꾸는 기법이다. 송신기에서는 에너지 심볼, 채널 그리고 TR 필터의 정보를 알기 때문에 결국 TR 필터를 사용하였을 때 수신 신호를 예측할 수 있다. 그러므로 송신기에서 부정합 신호 또한 예측할 수 있고 TR 필터의 위상을 크기 조절 요소와 함께 정합 신호의 위상이 부정합 신호의 위상으로 맞춰지도록 정렬시킨다. 이때 크기 조절 요소는 사용자 공정성을 위해서 사용되었다. 이 기법은 부정합 신호에 의한 성능 저하를 없앨 뿐만 아니라 위상 정합을 통해 사용자 공정성을 고려하면서 수신 파워를 증가시킨다. 또한 많은 수의 송신기를 사용하는 다중 사용자 다중 안테나 시스템에서 계산 복잡도가 ST-다중 안테나 기법보다 낮다. 모의 실험을 통해 송신기 수가 증가하면 제안 기법의 계산 복잡도가 ST-다중 안테나 기법보다 낮은 것을 확인하였고 수신 신호 성능이 ST-다중 안테나 기법과 거의 유사하면서 제안 기법의 유저 공정성 성능이 만족되는 것을 확인하였다. 실제 실내 환경에서 USRP를 이용한 실험을 통해 제안된 기법의 수신 파워 성능이 무작위 전송과 TR-다중 안테나 기법보다 좋고 유저 공정성을 만족시키면서 ST-다중 안테나 기법의 수신 파워 성능을 잘 따라가는 것을 확인하였다.