KR102067727B1 - 듀얼 편광 안테나를 포함하는 uca 안테나를 사용하는 통신 장치 - Google Patents

듀얼 편광 안테나를 포함하는 uca 안테나를 사용하는 통신 장치 Download PDF

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Abstract

듀얼 편광 안테나를 포함하는 UCA 안테나를 사용하는 통신 장치가 개시된다. 일 실시예에 따른 송신 장치는 제1 신호들 및 제2 신호들에 OAM 변조를 수행하는 변조기와, OAM 변조된 제1 신호들을 송신하는 복수의 수평 편광 안테나를 포함하는 H-pol UCA 안테나와, OAM 변조된 제2 신호들을 송신하는 복수의 수직 편광 안테나를 포함하는 V-pol UCA 안테나를 포함한다.

Description

듀얼 편광 안테나를 포함하는 UCA 안테나를 사용하는 통신 장치{COMMUNICATION DEVICE USING UNIFORM CIRCULAR ARRAY ANTENNA COMPRISING DUAL POLARIZED ANTENNA}
아래 실시예들은 듀얼 편광 안테나를 포함하는 UCA 안테나를 사용하는 통신 장치에 관한 것이다.
전자기파는 선형 모멘텀(linear momentum), 공전각 모멘텀(Orbital Angular Momentum(OAM))은, 및 자전각 모멘텀(Spin Angular Momentum(SAM))의 모멘텀(momentum)들을 가질 수 있다.
전가기파가 갖는 모멘텀들 중에서 공전각 모멘텀(OAM)은 모멘텀 보존 법칙의 의하여 원거리까지 보전하여 전달할 수 있고, line-of-sight(LOS) 환경에서도 이론적으로 무한 개의 모드를 간섭 없이 전송 가능한 것으로 밝혀지면서 밀리미터 파(millimeter wave)와 라이트 빔(light beam) 통신분야에서 연구결과가 보고되는 등 이 기술에 대한 관심이 증가하고 있다.
무선 통신(radio communication)에서의 공전각 모멘텀(OAM) 기술에 대한 연구는 2012년 이탈리아의 PADOVA 대학의 연구진에 의해 처음 2개 모드를 spiral phase plate(SPP) 안테나와 Yaki 안테나를 사용하여 445m 거리에서 실시하여 성공적으로 데이터를 전송한 것으로 보고됨에 따라 주목을 받게 되다. 이후, 공전각 모멘텀(OAM) 신호를 생성하는 데에 UCA(Uniform Circular Array) 안테나를 사용하여 실현이 가능하다는 것이 무선 시뮬레이션과 수학적 분석을 통해 증명됨에 따라 UCA 안테나를 사용한 OAM 기술도 함께 주목을 받게 되었다.
일 실시예에 따른 송신 장치는 제1 신호들 및 제2 신호들에 OAM 변조(Orbital Angular Momentum modulation)를 수행하는 변조기(modulator)와, OAM 변조된 제1 신호들을 송신하는 복수의 수평 편광 안테나(horizontal polarized antenna)를 포함하는 H-pol UCA 안테나(uniform circular array antenna)와, OAM 변조된 제2 신호들을 송신하는 복수의 수직 편광 안테나(vertical polarized antenna)를 포함하는 V-pol UCA 안테나를 포함한다.
상기 제1 신호들의 수와 상기 제2 신호들의 수는 동일할 수 있다.
상기 복수의 수평 편광 안테나의 수는 상기 제1 신호들의 수보다 크거나 같을 수 있다.
상기 복수의 수직 편광 안테나의 수는 상기 제2 신호들의 수보다 크거나 같을 수 있다.
상기 H-pol UCA 안테나의 반경과 상기 V-pol UCA 안테나의 반경은 동일할 수 있다.
상기 H-pol UCA 안테나는, 가시선 경로(line-of-sight(LoS) path) 및 전파로(propagation path)에 기초하여 결정되는 제1 채널(channel)을 통해 상기 OAM 변조된 제1 신호들을 송신하고, 상기 V-pol UCA 안테나는, 상기 가시선 경로 및 상기 전파로에 기초하여 결정되는 제2 채널을 통해 상기 OAM 변조된 제2 신호들을 송신할 수 있다.
상기 제1 채널은, 상기 H-pol UCA 안테나와 수신 H-pol UCA 안테나 사이의 채널과, 상기 H-pol UCA 안테나와 수신 V-pol UCA 안테나 사이의 채널을 포함하고, 상기 제2 채널은, 상기 V-pol UCA 안테나와 상기 수신 H-pol UCA 안테나 사이의 채널과, 상기 V-pol UCA 안테나와 상기 수신 V-pol UCA 안테나 사이의 채널을 포함할 수 있다.
상기 H-pol UCA 안테나는, 상기 수신 H-pol UCA 안테나와 상기 수신 V-pol UCA 안테나로 상기 OAM 변조된 제1 신호들을 송신하고, 상기 V-pol UCA 안테나는, 상기 수신 H-pol UCA 안테나와 상기 수신 V-pol UCA 안테나로 상기 OAM 변조된 제2 신호들을 송신할 수 있다.
상기 장치는 상기 제1 신호들 및 상기 제2 신호들에 인터모드 스프레딩(intermode spreading)을 수행하는 스프레딩 모듈(spreading module)을 더 포함할 수 있다.
상기 스프레딩 모듈은, m*m의 유니테리 행렬(unitary matrix)을 사용하여 상기 인터모드 스프레딩을 수행하고, 상기 m은 상기 제1 신호들의 수와 상기 제2 신호들의 수의 합일 수 있다.
일 실시예에 따른 수신 장치는 제3 신호들을 수신하는 복수의 수평 편광 안테나를 포함하는 H-pol UCA 안테나와, 제4 신호들을 송신하는 복수의 수직 편광 안테나를 포함하는 V-pol UCA 안테나와, 상기 제3 신호들 및 상기 제4 신호들에 OAM 복조(demodulation)를 수행하는 복조기(demodulator)를 포함한다.
상기 장치는 OAM 복조된 제3 신호들 및 OAM 복조된 제4 신호들에 최소 제곱법(Least Square Method(LSM))을 사용하여 송신 신호를 검출하는 신호 검출기(signal detector)를 더 포함할 수 있다.
상기 제3 신호들 및 상기 제4 신호들은, 복수의 수평 편광 안테나를 포함하는 송신 H-pol UCA 안테나와 복수의 수직 편광 안테나를 포함하는 송신 V-pol UCA 안테나로부터 송신될 수 있다.
상기 제3 신호들의 수와 상기 제4 신호들의 수는 동일할 수 있다.
상기 H-pol UCA 안테나의 반경과 상기 V-pol UCA 안테나의 반경은 동일할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 통신 시스템의 블록도를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 송신 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 도 2에 도시된 H-pol UCA 안테나를 설명하기 위한 구조도이다.
도 4는 도 2에 도시된 V-pol UCA 안테나를 설명하기 위한 구조도이다.
도 5는 H-pol UCA 안테나와 V-pol UCA 안테나의 직경이 동일한 경우를 설명하기 위한 구조도이다.
도 6은 도 1에 도시된 수신 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 7은 도 6에 도시된 H-pol UCA 안테나를 설명하기 위한 구조도이다.
도 8은 도 6에 도시된 V-pol UCA 안테나를 설명하기 위한 구조도이다.
도 9는 H-pol UCA 안테나와 V-pol UCA 안테나의 직경이 동일한 경우를 설명하기 위한 구조도이다.
도 10은 일 실시예에 따른 통신 시스템의 구조도를 나타낸다.
도 11은 일 실시예에 따른 송신 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 12는 시뮬레이션 결과의 일 예를 나타낸다.
도 13a는 시뮬레이션 결과의 다른 예를 나타낸다.
도 13b는 시뮬레이션 결과의 다른 예를 나타낸다.
도 14는 시뮬레이션 결과의 다른 예를 나타낸다.
도 15a는 시뮬레이션 결과의 다른 예를 나타낸다.
도 15b는 시뮬레이션 결과의 다른 예를 나타낸다.
도 16a는 시뮬레이션 결과의 다른 예를 나타낸다.
도 16b는 시뮬레이션 결과의 다른 예를 나타낸다.
도 17은 시뮬레이션 결과의 다른 예를 나타낸다.
도 18a는 시뮬레이션 결과의 다른 예를 나타낸다.
도 18b는 시뮬레이션 결과의 다른 예를 나타낸다.
도 19는 시뮬레이션 결과의 다른 예를 나타낸다.
도 20은 시뮬레이션 결과의 다른 예를 나타낸다.
도 21은 시뮬레이션 결과의 다른 예를 나타낸다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “연결되어” 있다거나 “접속되어” 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “직접 연결되어” 있다거나 “직접 접속되어” 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들어 “~사이에”와 “바로~사이에” 또는 “~에 직접 이웃하는” 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 명세서에서의 모듈(module)은 본 명세서에서 설명되는 각 명칭에 따른 기능과 동작을 수행할 수 있는 하드웨어를 의미할 수도 있고, 특정 기능과 동작을 수행할 수 있는 컴퓨터 프로그램 코드를 의미할 수도 있고, 또는 특정 기능과 동작을 수행시킬 수 있는 컴퓨터 프로그램 코드가 탑재된 전자적 기록 매체, 예를 들어 프로세서 또는 마이크로 프로세서를 의미할 수 있다.
다시 말해, 모듈이란 본 발명의 기술적 사상을 수행하기 위한 하드웨어 및/또는 상기 하드웨어를 구동하기 위한 소프트웨어의 기능적 및/또는 구조적 결합을 의미할 수 있다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 일 실시예에 따른 통신 시스템의 블록도를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 통신 시스템(communication system; 10)은 송신 장치(transmitting device; 100) 및 수신 장치(receiving device; 200)를 포함한다. 송신 장치(100)는 채널(channel)을 통해 수신 장치(200)로 신호를 전송할 수 있다.
송신 장치(100)는 듀얼 편광 UCA 안테나(dual polarized uniform circular array(UCA) antenna)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 송신 장치(100)는 수평 편광 UCA 안테나(horizontal-polarized UCA antenna, 이하 H-pol UCA 안테나) 및 수직 편광 UCA 안테나(vertical-polarized UCA antenna, 이하 V-pol UCA 안테나)를 포함할 수 있다. 이때, H-pol UCA 안테나는 어레이(array)를 따라 복수의 수평 편광 안테나(horizontal-polarized antenna)를 포함할 수 있다. 또한, V-pol UCA 안테나는 어레이를 따라 복수의 수직 편광 안테나(vertical-polarized antenna)를 포함할 수 있다. 송신 장치(100)는 듀얼 편광 UCA 안테나를 사용함으로써 신호의 전송 거리를 증가시킬 수 있다.
수신 장치(200)는 송신 장치(100)와 구조가 동일할 수 있다. 예를 들어, 수신 장치(200)는 송신 장치(100)와 같이 듀얼 편광 UCA 안테나를 포함할 수 있다. 즉, 수신 장치(200)는 복수의 수평 편광 안테나를 포함하는 H-pol UCA 안테나 및 복수의 수직 편광 안테나를 포함하는 V-pol UCA 안테나를 포함할 수 있다.
도 2 내지 도 10은 도 1에 도시된 통신 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 송신 장치를 설명하기 위한 블록도이고, 도 3은 도 2에 도시된 H-pol UCA 안테나를 설명하기 위한 구조도이고, 도 4는 도 2에 도시된 V-pol UCA 안테나를 설명하기 위한 구조도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 송신 장치(100)는 변조기(modulator; 110), H-pol UCA 안테나(120), 및 V-pol UCA 안테나(130)를 포함한다.
변조기(110)는 송신하고자 하는 신호들에 OAM 변조(Orbital Angular Momentum modulation)를 수행할 수 있다. 송신하고자 하는 신호들은 제1 신호들( s h ) 및 제2 신호들( s v )을 포함할 수 있다. 제1 신호들( s h ) 및 제2 신호들( s v )은 심볼(symbol)을 포함할 수 있다. 이때, 제1 신호들( s h )의 수와 제2 신호들( s v )의 수는 N으로 동일할 수 있다. 즉, 변조기(110)는 2N 개의 신호들에 OAM 변조를 수행할 수 있다.
변조기(110)는 수학식 1에 기초하여 OAM 변조를 수행할 수 있다.
Figure 112017121334309-pat00001
여기서, s h 는 송신하고자 하는 제1 신호들이고, s v 는 송신하고자 하는 제2 신호들이고, x h 는 OAM 변조된 제1 신호들이고, x v 는 OAM 변조된 제2 신호들이고, Q TX,v 는 송신 측 수직 편파와 관련된 N*N의 이산 푸리에 변환 행렬(Discrete Fourier Transform(DFT) matrix)이고, Q TX,h 는 송신 측 수평 편파와 관련된 N*N의 이산 푸리에 변환 행렬이고, S v는 Q TX,v 에서 신호 전송에 사용할 열(column)의 인덱스 세트(index set)이고, S h는 Q TX,h 에서 신호 전송에 사용할 열의 인덱스 세트이다.
변조기(110)는 OAM 변조된 제1 신호들( x h )을 H-pol UCA 안테나(120)로 출력할 수 있다. 또한, 변조기(110)는 OAM 변조된 제2 신호들( x v )을 V-pol UCA 안테나(130)로 출력할 수 있다.
H-pol UCA 안테나(120)는 반경이 RTX,h이고, 복수의 H-pol 안테나를 포함할 수 있다. 이때, 복수의 H-pol 안테나의 수는 제1 신호들( s h )의 수보다 크거나 같을 수 있다. 즉, 복수의 H-pol 안테나의 수는 N 이상일 수 있다. 예를 들어, 복수의 H-pol 안테나는 제1 H-pol 안테나(120-1), 제2 H-pol 안테나(120-2), 제3 H-pol 안테나(120-3), 및 제4 H-pol 안테나(120-4)를 포함할 수 있다.
H-pol UCA 안테나(120)는 OAM 변조된 제1 신호들( x h )을 채널을 통해 수신 장치(200)로 송신할 수 있다.
V-pol UCA 안테나(130)는 반경이 RTX,v이고, 복수의 V-pol 안테나를 포함할 수 있다. 이때, 복수의 V-pol 안테나의 수는 제2 신호들( s v )의 수보다 크거나 같을 수 있다. 즉, 복수의 V-pol 안테나의 수는 N 이상일 수 있다. 예를 들어, 복수의 V-pol 안테나는 제1 V-pol 안테나(130-1), 제2 V-pol 안테나(130-2), 제3 V-pol 안테나(130-3), 및 제4 V-pol 안테나(130-4)를 포함할 수 있다.
V-pol UCA 안테나(130)는 OAM 변조된 제2 신호들( x v )을 채널을 통해 수신 장치(200)로 송신할 수 있다.
도 3에서는 설명의 편의를 위하여 H-pol UCA 안테나(120)가 네 개의 H-pol 안테나를 포함하는 것으로 도시하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 실시예에 따라 복수 개의 H-pol 안테나를 포함할 수 있다.
또한, 도 4에서는 설명의 편의를 위하여 V-pol UCA 안테나(130)가 네 개의 V-pol 안테나를 포함하는 것으로 도시하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 실시예에 따라 복수 개의 V-pol 안테나를 포함할 수 있다.
도 5는 H-pol UCA 안테나와 V-pol UCA 안테나의 직경이 동일한 경우를 설명하기 위한 구조도이다.
도 5를 참조하면, 일 실시예에 따른 송신 장치(300)는 원형 어레이 상에 H-pol UCA 안테나 및 V-pol UCA 안테나를 포함할 수 있다. 이때, 원형 어레이의 반경은 RTX일 수 있다. 즉, H-pol UCA 안테나 및 V-pol UCA 안테나는 반경이 RTX로 동일할 수 있다.
H-pol UCA 안테나는 복수의 H-pol 안테나를 포함할 수 있다. 예를 들어, H-pol UCA 안테나는 제1 H-pol 안테나(140-1), 제2 H-pol 안테나(140-2), 제3 H-pol 안테나(140-3), 및 제4 H-pol 안테나(140-4)를 포함할 수 있다. 제1 H-pol 안테나(140-1), 제2 H-pol 안테나(140-2), 제3 H-pol 안테나(140-3), 및 제4 H-pol 안테나(140-4)는 OAM 변조된 제1 신호들을 송신할 수 있다.
또한, V-pol UCA 안테나는 복수의 V-pol 안테나를 포함할 수 있다. 예를 들어, V-pol UCA 안테나는 제1 V-pol 안테나(150-1), 제2 V-pol 안테나(150-2), 제3 V-pol 안테나(150-3), 및 제4 V-pol 안테나(150-4)를 포함할 수 있다. 제1 V-pol 안테나(150-1), 제2 V-pol 안테나(150-2), 제3 V-pol 안테나(150-3), 및 제4 V-pol 안테나(150-4)는 OAM 변조된 제2 신호들을 송신할 수 있다.
도 5에서는 설명의 편의를 위하여 H-pol UCA 안테나가 네 개의 H-pol 안테나를 포함하고, V-pol UCA 안테나가 네 개의 V-pol 안테나를 포함하는 것으로 도시하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 실시예에 따라 H-pol 안테나의 개수와 V-pol 안테나의 개수는 상이할 수 있다. 또한, 도 5에서는 H-pol 안테나와 V-pol 안테나가 교차되어 배치되는 구성으로 도시하였으나, 안테나의 개수에 따라 자유롭게 배치될 수 있음은 자명한 구성이다.
도 6은 도 1에 도시된 수신 장치를 설명하기 위한 블록도이고, 도 7은 도 6에 도시된 H-pol UCA 안테나를 설명하기 위한 구조도이고, 도 8은 도 6에 도시된 V-pol UCA 안테나를 설명하기 위한 구조도이다.
도 1과, 도 6 내지 도 8을 참조하면, 수신 장치(200)는 H-pol UCA 안테나(210), V-pol UCA 안테나(220), 및 복조기(demodulator; 230)를 포함한다.
H-pol UCA 안테나(210)는 제3 신호들( y h )을 수신할 수 있다. 제3 신호들( y h )은 복수의 수평 편광 안테나를 포함하는 송신 H-pol UCA 안테나와 복수의 수직 편광 안테나를 포함하는 송신 V-pol UCA 안테나로부터 송신되는 신호들일 수 있다.
H-pol UCA 안테나(210)는 반경이 RRX,h이고, 복수의 H-pol 안테나를 포함할 수 있다. 이때, 복수의 H-pol 안테나의 수는 제3 신호들( y h )의 수보다 크거나 같을 수 있다. 즉, 복수의 H-pol 안테나의 수는 N 이상일 수 있다. 예를 들어, 복수의 H-pol 안테나는 제1 H-pol 안테나(210-1), 제2 H-pol 안테나(210-2), 제3 H-pol 안테나(210-3), 및 제4 H-pol 안테나(210-4)를 포함할 수 있다.
H-pol UCA 안테나(210)는 수신한 제3 신호들( y h )을 복조기(230)로 출력할 수 있다.
V-pol UCA 안테나(220)는 제4 신호들( y v )을 수신할 수 있다. 제4 신호들( y v )은 복수의 수평 편광 안테나를 포함하는 송신 H-pol UCA 안테나와 복수의 수직 편광 안테나를 포함하는 송신 V-pol UCA 안테나로부터 송신되는 신호들일 수 있다.
V-pol UCA 안테나(220)는 반경이 RRX,v이고, 복수의 V-pol 안테나를 포함할 수 있다. 이때, 복수의 V-pol 안테나의 수는 제4 신호들( y v )의 수보다 크거나 같을 수 있다. 즉, 복수의 V-pol 안테나의 수는 N 이상일 수 있다. 예를 들어, 복수의 V-pol 안테나는 제1 V-pol 안테나(220-1), 제2 V-pol 안테나(220-2), 제3 V-pol 안테나(220-3), 및 제4 V-pol 안테나(220-4)를 포함할 수 있다.
V-pol UCA 안테나(220)는 수신한 제4 신호들( y v )을 복조기(230)로 출력할 수 있다.
복조기(230)는 수신한 제3 신호들( y h ) 및 제4 신호들( y v )에 OAM 복조(Orbital Angular Momentum demodulation)를 수행할 수 있다. 이때, 제3 신호들( y h )의 수와 제4 신호들( y v )의 수는 N으로 동일할 수 있다. 즉, 복조기(230)는 2N 개의 신호들에 OAM 복조를 수행할 수 있다.
복조기(230)는 수학식 2에 기초하여 OAM 복조를 수행할 수 있다.
Figure 112017121334309-pat00002
여기서, y h 는 수신한 제3 신호들이고, y v 는 수신한 제4 신호들이고, z h 는 OAM 복조된 제3 신호들이고, z v 는 OAM 복조된 제4 신호들이고,
Figure 112017121334309-pat00003
는 수신 측 수직 편파와 관련된 N*N의 이산 푸리에 변환 행렬( Q RX,v )의 에르미트 행렬(Hermitian matrix)이고,
Figure 112017121334309-pat00004
는 수신 측 수평 편파와 관련된 N*N의 이산 푸리에 변환 행렬( Q RX,h )의 에르미트 행렬이고, S v는
Figure 112017121334309-pat00005
에서 OAM 복조에 사용할 열의 인덱스 세트이고, S h는
Figure 112017121334309-pat00006
에서 OAM 복조에 사용할 열의 인덱스 세트이다.
도 7에서는 설명의 편의를 위하여 H-pol UCA 안테나(210)가 네 개의 H-pol 안테나를 포함하는 것으로 도시하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 실시예에 따라 복수 개의 H-pol 안테나를 포함할 수 있다.
또한, 도 8에서는 설명의 편의를 위하여 V-pol UCA 안테나(220)가 네 개의 V-pol 안테나를 포함하는 것으로 도시하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 실시예에 따라 복수 개의 V-pol 안테나를 포함할 수 있다.
도 9는 H-pol UCA 안테나와 V-pol UCA 안테나의 직경이 동일한 경우를 설명하기 위한 구조도이다.
도 9를 참조하면, 일 실시예에 따른 수신 장치(400)는 원형 어레이 상에 H-pol UCA 안테나 및 V-pol UCA 안테나를 포함할 수 있다. 이때, 원형 어레이의 반경은 RRX일 수 있다. 즉, H-pol UCA 안테나 및 V-pol UCA 안테나는 반경이 RRX로 동일할 수 있다.
H-pol UCA 안테나는 복수의 H-pol 안테나를 포함할 수 있다. 예를 들어, H-pol UCA 안테나는 제1 H-pol 안테나(240-1), 제2 H-pol 안테나(240-2), 제3 H-pol 안테나(240-3), 및 제4 H-pol 안테나(240-4)를 포함할 수 있다. 제1 H-pol 안테나(240-1), 제2 H-pol 안테나(240-2), 제3 H-pol 안테나(240-3), 및 제4 H-pol 안테나(240-4)는 제1 신호들을 수신하여 복조기로 출력할 수 있다.
또한, V-pol UCA 안테나는 복수의 V-pol 안테나를 포함할 수 있다. 예를 들어, V-pol UCA 안테나는 제1 V-pol 안테나(250-1), 제2 V-pol 안테나(250-2), 제3 V-pol 안테나(250-3), 및 제4 V-pol 안테나(250-4)를 포함할 수 있다. 제1 V-pol 안테나(250-1), 제2 V-pol 안테나(250-2), 제3 V-pol 안테나(250-3), 및 제4 V-pol 안테나(250-4)는 제4 신호들을 수신하여 복조기로 출력할 수 있다.
도 9에서는 설명의 편의를 위하여 H-pol UCA 안테나가 네 개의 H-pol 안테나를 포함하고, V-pol UCA 안테나가 네 개의 V-pol 안테나를 포함하는 것으로 도시하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 실시예에 따라 H-pol 안테나의 개수와 V-pol 안테나의 개수는 상이할 수 있다. 또한, 도 9에서는 H-pol 안테나와 V-pol 안테나가 교차되어 배치되는 구성으로 도시하였으나, 안테나의 개수에 따라 자유롭게 배치될 수 있음은 자명한 구성이다.
도 10은 일 실시예에 따른 통신 시스템의 구조도를 나타낸다.
도 10을 참조하면, 일 실시예에 따른 통신 시스템(20)은 송신 장치(500) 및 수신 장치(600)를 포함한다.
송신 장치(500)는 변조기(510) 및 듀얼 편광 UCA 안테나를 포함한다. 예를 들어, 듀얼 편광 UCA 안테나는 송신 H-pol UCA 안테나(520) 및 송신 V-pol UCA 안테나(530)를 포함할 수 있다.
변조기(510)는 송신하고자 하는 신호들에 OAM 변조를 수행할 수 있다. 송신하고자 하는 신호들은 제1 신호들( s h ) 및 제2 신호들( s v )을 포함할 수 있다. 이때, 제1 신호들( s h )의 수와 제2 신호들( s v )의 수는 N으로 동일할 수 있다. 즉, 변조기(110)는 2N 개의 신호들에 OAM 변조를 수행할 수 있다.
변조기(510)는 수학식 1에 기초하여 OAM 변조를 수행할 수 있다.
변조기(510)는 OAM 변조된 제1 신호들( x h )을 송신 H-pol UCA 안테나(520)로 출력할 수 있다. 또한, 변조기(510)는 OAM 변조된 제2 신호들( x v )을 송신 V-pol UCA 안테나(530)로 출력할 수 있다.
송신 H-pol UCA 안테나(520)는 반경이 RTX,h이고, 복수의 송신 H-pol 안테나를 포함할 수 있다. 이때, 복수의 송신 H-pol 안테나의 수는 제1 신호들( s h )의 수보다 크거나 같을 수 있다. 즉, 복수의 송신 H-pol 안테나의 수는 N 이상일 수 있다. 예를 들어, 복수의 송신 H-pol 안테나는 제1 송신 H-pol 안테나(520-1), 제2 송신 H-pol 안테나(520-2), 제3 송신 H-pol 안테나(520-3), 및 제4 송신 H-pol 안테나(520-4)를 포함할 수 있다.
송신 H-pol UCA 안테나(520)는 OAM 변조된 제1 신호들( x h )을 채널을 통해 수신 장치(600)로 송신할 수 있다.
송신 V-pol UCA 안테나(530)는 반경이 RTX,v이고, 복수의 송신 V-pol 안테나를 포함할 수 있다. 실시예에 따라 송신 H-pol UCA 안테나(520)의 반경과 송신 V-pol UCA 안테나(530)의 반경은 동일하게 구현될 수도 있다. 이때, 복수의 송신 V-pol 안테나의 수는 제2 신호들( s v )의 수보다 크거나 같을 수 있다. 즉, 복수의 송신 V-pol 안테나의 수는 N 이상일 수 있다. 예를 들어, 복수의 송신 V-pol 안테나는 제1 송신 V-pol 안테나(530-1), 제2 송신 V-pol 안테나(530-2), 제3 송신 V-pol 안테나(530-3), 및 제4 송신 V-pol 안테나(530-4)를 포함할 수 있다.
송신 V-pol UCA 안테나(530)는 OAM 변조된 제2 신호들( x v )을 채널을 통해 수신 장치(600)로 송신할 수 있다.
송신 장치(500)가 전송한 제1 신호들 및 제2 신호들은 LoS 채널(line-of-sight channel)을 통해 제3 신호들 또는 제4 신호들로서 수신 장치(600)에 수신될 수 있다. 이때, 송신 장치(500)와 수신 장치(600) 사이의 LoS 채널을
Figure 112017121334309-pat00007
로 정의할 수 있다. 즉, LoS 채널(H)은 복소수(complex number(C))의 성분을 포함할 수 있다. 이때, K는 수신 UCA 안테나의 수를 나타내고, M은 송신 UCA 안테나의 수를 나타낸다. 즉, K는 송신 H-pol UCA 안테나(520)의 수와 송신 V-pol UCA 안테나(530)의 수를 합한 수이고, M은 수신 H-pol UCA 안테나(610)의 수와 수신 V-pol UCA 안테나(620)의 수를 합한 수일 수 있다.
LoS 채널(H)에서, m번째 송신 안테나와 k번째 수신 안테나 사이의 채널 성분은 수학식 3과 같을 수 있다.
Figure 112017121334309-pat00008
여기서,
Figure 112017121334309-pat00009
는 m번째 송신 안테나와 k번째 수신 안테나 사이의 채널 성분이고,
Figure 112017121334309-pat00010
는 m번째 송신 안테나와 k번째 수신 안테나 사이의 전파로(propagation path; p( k,m ))가 방사 패턴(radiation pattern)에 의해 경험하는 전파전달특성을 반영하는 파라미터(parameter)로서 수학식 4와 같고,
Figure 112017121334309-pat00011
는 m번째 송신 안테나와 k번째 수신 안테나 사이의 가시선 경로(LoS path)의 거리에 의한 신호의 이득(gain)/위상(phase)의 변위(displacement)로서 수학식 8과 같을 수 있다.
Figure 112017121334309-pat00012
여기서,
Figure 112017121334309-pat00013
는 m번째 송신 안테나와 k번째 수신 안테나 사이의 신호에 대한 k번째 수신 안테나의 방사 패턴의 성분으로서 수학식 5와 같고,
Figure 112017121334309-pat00014
는 m번째 송신 안테나와 k번째 수신 안테나 사이의 신호에 대한 m번째 송신 안테나의 방사 패턴의 성분으로서 수학식 6과 같고,
Figure 112017121334309-pat00015
은 수학식 7과 같을 수 있다.
Figure 112017121334309-pat00016
여기서,
Figure 112017121334309-pat00017
는 m번째 송신 안테나와 k번째 수신 안테나 사이의 신호에 대한 k번째 수신 안테나의 방사 패턴의 수직 편광 성분이고,
Figure 112017121334309-pat00018
는 m번째 송신 안테나와 k번째 수신 안테나 사이의 신호에 대한 k번째 수신 안테나의 방사 패턴의 수평 편광 성분일 수 있다.
Figure 112017121334309-pat00019
여기서,
Figure 112017121334309-pat00020
는 m번째 송신 안테나와 k번째 수신 안테나 사이의 신호에 대한 m번째 송신 안테나의 방사 패턴의 수직 편광 성분이고,
Figure 112017121334309-pat00021
는 m번째 송신 안테나와 k번째 수신 안테나 사이의 신호에 대한 m번째 송신 안테나의 방사 패턴의 수평 편광 성분일 수 있다.
Figure 112017121334309-pat00022
여기서,
Figure 112017121334309-pat00023
은 m번째 송신 안테나와 k번째 수신 안테나 사이의 가시선 경로(LoS path)의 수직 교차 편파 식별도(vertical cross polarization discrimination(XPD))이고,
Figure 112017121334309-pat00024
은 m번째 송신 안테나와 k번째 수신 안테나 사이의 가시선 경로(LoS path)의 수평 교차 편파 식별도(horizontal XPD)이고,
Figure 112017121334309-pat00025
은 m번째 송신 안테나와 k번째 수신 안테나 사이의 가시선 경로(LoS path)의 동편파비(co-polarization ratio(CPR))일 수 있다.
Figure 112017121334309-pat00026
여기서,
Figure 112017121334309-pat00027
는 신호의 파장이고,
Figure 112017121334309-pat00028
은 m번째 송신 안테나와 k번째 수신 안테나 사이의 가시선 경로(LoS path)의 거리일 수 있다.
또한, 수학식 4의
Figure 112017121334309-pat00029
을 모든 송신 안테나와 모든 수신 안테나에 대하여 평균과 편차를 사용하여
Figure 112017121334309-pat00030
로 나타내면, 수학식 3의
Figure 112017121334309-pat00031
은 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다. 수학식 9는 수학식 10과 같이 벡터(vector)로서 표현될 수 있다.
Figure 112017121334309-pat00032
여기서,
Figure 112017121334309-pat00033
는 평균이고,
Figure 112017121334309-pat00034
은 편차일 수 있다.
Figure 112017121334309-pat00035
여기서, E는
Figure 112017121334309-pat00036
로 정의되는 나머지(remainder)일 수 있다. 이때,
Figure 112017121334309-pat00037
는 서큘런트한(circulant) 특성을 가지므로, 수학식 10은 수학식 11과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112017121334309-pat00038
여기서,
Figure 112017121334309-pat00039
는 수신 측 이산 푸리에 변환 행렬(DFT matrix)이고,
Figure 112017121334309-pat00040
는 송신 측 이산 푸리에 변환 행렬(DFT matrix)의 에르미트 행렬(Hermitian matrix)이고,
Figure 112017121334309-pat00041
는 대각 행렬(diagonal matrix)일 수 있다.
Figure 112017121334309-pat00042
는 수학식 2에서의
Figure 112017121334309-pat00043
및
Figure 112017121334309-pat00044
와 연관되고,
Figure 112017121334309-pat00045
는 수학식 1에서의 Q TX,h 및 Q TX,v 와 연관될 수 있다.
OAM 변조된 제1 신호들( x h )과 OAM 변조된 제2 신호들( x v )이 LoS 채널(H)을 통과하여 제3 신호들( y h ) 또는 제4 신호들( y v )로서 수신 장치(600)에 전파될 수 있다. 이때, OAM 변조된 제1 신호들( x h ) 및 OAM 변조된 제2 신호들( x v )과, 제3 신호들( y h ) 및 제4 신호들( y v )의 관계는 수학식 12와 같이 벡터로서 표현할 수 있다.
Figure 112017121334309-pat00046
여기서, y는 제3 신호들( y h ) 및 제4 신호들( y v )로서
Figure 112017121334309-pat00047
이고, x는 OAM 변조된 제1 신호들( x h ) 및 OAM 변조된 제2 신호들( x v )로서
Figure 112017121334309-pat00048
이고, H는 LoS 채널로서
Figure 112017121334309-pat00049
이고, n은 부가 백색 가우스 잡음(additive white Gaussian noise(AWGN))으로서
Figure 112017121334309-pat00050
일 수 있다.
이때,
Figure 112017121334309-pat00051
는 K*M 행렬로서, 송신 V-pol UCA 안테나(530)와 수신 V-pol UCA 안테나(620) 사이의 채널을 의미할 수 있다.
Figure 112017121334309-pat00052
는 K*M 행렬로서, 송신 V-pol UCA 안테나(530)와 수신 H-pol UCA 안테나(610) 사이의 채널을 의미할 수 있다.
Figure 112017121334309-pat00053
는 K*M 행렬로서, 송신 H-pol UCA 안테나(520)와 수신 V-pol UCA 안테나(620) 사이의 채널을 의미할 수 있다.
Figure 112017121334309-pat00054
는 K*M 행렬로서, 송신 H-pol UCA 안테나(520)와 수신 H-pol UCA 안테나(610) 사이의 채널을 의미할 수 있다.
수신 장치(600)는 듀얼 편광 UCA 안테나, 복조기(630), 및 신호 검출기(signal detector; 640)를 포함한다. 예를 들어, 듀얼 편광 UCA 안테나는 수신 H-pol UCA 안테나(610) 및 수신 V-pol UCA 안테나(620)를 포함할 수 있다.
수신 H-pol UCA 안테나(610)는 제3 신호들( y h )을 수신할 수 있다. 제3 신호들( y h )은 복수의 송신 H-pol 안테나를 포함하는 송신 H-pol UCA 안테나(520)와 복수의 송신 V-pol 안테나를 포함하는 송신 V-pol UCA 안테나(530)로부터 송신되는 신호들일 수 있다.
수신 H-pol UCA 안테나(610)는 반경이 RRX,h이고, 복수의 수신 H-pol 안테나를 포함할 수 있다. 이때, 복수의 수신 H-pol 안테나의 수는 제3 신호들( y h )의 수보다 크거나 같을 수 있다. 즉, 복수의 수신 H-pol 안테나의 수는 N 이상일 수 있다. 예를 들어, 복수의 수신 H-pol 안테나는 제1 수신 H-pol 안테나(610-1), 제2 수신 H-pol 안테나(610-2), 제3 수신 H-pol 안테나(610-3), 및 제4 수신 H-pol 안테나(610-4)를 포함할 수 있다.
수신 H-pol UCA 안테나(610)는 수신한 제3 신호들( y h )을 복조기(630)로 출력할 수 있다.
수신 V-pol UCA 안테나(620)는 제4 신호들( y v )을 수신할 수 있다. 제4 신호들( y v )은 복수의 송신 H-pol 안테나를 포함하는 송신 H-pol UCA 안테나(520)와 복수의 송신 V-pol 안테나를 포함하는 송신 V-pol UCA 안테나(530)로부터 송신되는 신호들일 수 있다.
수신 V-pol UCA 안테나(620)는 반경이 RRX,v이고, 복수의 수신 V-pol 안테나를 포함할 수 있다. 실시예에 따라 수신 H-pol UCA 안테나(610)의 반경과 수신 V-pol UCA 안테나(620)의 반경은 동일하게 구현될 수도 있다. 이때, 복수의 수신 V-pol 안테나의 수는 제4 신호들( y v )의 수보다 크거나 같을 수 있다. 즉, 복수의 수신 V-pol 안테나의 수는 N 이상일 수 있다. 예를 들어, 복수의 수신 V-pol 안테나는 제1 수신 V-pol 안테나(620-1), 제2 수신 V-pol 안테나(620-2), 제3 수신 V-pol 안테나(620-3), 및 제4 수신 V-pol 안테나(620-4)를 포함할 수 있다.
수신 V-pol UCA 안테나(620)는 수신한 제4 신호들( y v )을 복조기(630)로 출력할 수 있다.
복조기(630)는 수신한 제3 신호들( y h ) 및 제4 신호들( y v )에 OAM 복조(Orbital Angular Momentum demodulation)를 수행할 수 있다. 이때, 제3 신호들( y h )의 수와 제4 신호들( y v )의 수는 N으로 동일할 수 있다. 즉, 복조기(630)는 2N 개의 신호들에 OAM 복조를 수행할 수 있다.
복조기(630) 및 신호 검출기(640)가 제3 신호들( y h ) 및 제4 신호들( y v )로부터 제1 신호들( s h ) 및 제2 신호들( s v )을 산출하는 구성은 다음과 같을 수 있다.
수학식 13과 같은 정의를 내린 경우, 수학식 12는 수학식 14과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112017121334309-pat00055
Figure 112017121334309-pat00056
여기서,
Figure 112017121334309-pat00057
는 수학식 13으로 정의되는 행렬일 수 있다.
수학식 11로부터 수학식 15 및 수학식 16을 도출한 뒤, 수학식 14에 대입하면 수학식 17과 같을 수 있다.
Figure 112017121334309-pat00058
Figure 112017121334309-pat00059
Figure 112017121334309-pat00060
이때, 수학식 2 및 수학식 17를 사용하면 수학식 18이 도출될 수 있다.
Figure 112017121334309-pat00061
여기서,
Figure 112017121334309-pat00062
이고,
Figure 112017121334309-pat00063
일 수 있다. 즉,
Figure 112017121334309-pat00064
와
Figure 112017121334309-pat00065
에 대한 추정치를 아는 경우, 제3 신호들( y h ) 및 제4 신호들( y v )로부터 제1 신호들( s h ) 및 제2 신호들( s v )을 산출할 수 있다.
신호 검출기(640)는 수학식 19과 같이 최소 제곱법(Least Square Method(LSM))을 사용하여 송신 신호를 검출할 수 있다. 송신 신호는 검출된 제1 신호들(
Figure 112017121334309-pat00066
) 및 검출된 제2 신호들(
Figure 112017121334309-pat00067
)일 수 있다.
Figure 112017121334309-pat00068
여기서,
Figure 112017121334309-pat00069
는 검출된 제1 신호들 및 검출된 제2 신호들이고, F는 변조 행렬로서 수학식 20과 같고, W는 복조 행렬로서 수학식 21과 같을 수 있다.
Figure 112017121334309-pat00070
Figure 112017121334309-pat00071
Figure 112017121334309-pat00072
와
Figure 112017121334309-pat00073
가 작은 경우에는, 신호 검출기(640)는 수학식 19를 수학식 22와 수학식 23으로 분리하여 송신 신호를 검출할 수도 있다.
Figure 112017121334309-pat00074
Figure 112017121334309-pat00075
도 11은 일 실시예에 따른 송신 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 11을 참조하면, 일 실시예에 따른 송신 장치(700)는 스프레딩 모듈(spreading module; 710), 변조기(720), H-pol UCA 안테나(730), 및 V-pol UCA 안테나(740)를 포함한다. 송신 장치(700)는 수신 장치(200)로 신호를 전송할 수 있다. 신호는 심볼을 포함할 수 있다.
도 11에 도시된 변조기(720), H-pol UCA 안테나(730), 및 V-pol UCA 안테나(740)는 도 2에 도시된 변조기(110), H-pol UCA 안테나(120), 및 V-pol UCA 안테나(130)와 구성 및 동작이 실질적으로 동일할 수 있다. 즉, 송신 장치(700)는 송신 장치(100)와 비교하여 스프레딩 모듈(710)을 더 포함할 수 있다.
스프레딩 모듈(710)은 제1 신호들( s h ) 및 제2 신호들( s v )에 인터모드 스프레딩(intermode spreading)을 수행할 수 있다. 예를 들어, 스프레딩 모듈(710)은 m*m의 유니테리 행렬(unitary matrix)을 사용하여 인터모드 스프레딩을 수행할 수 있다. 이때, 스프레딩 모듈(710)이 사용하는 유니테리 행렬은 모든 성분이 0이 아닐 수 있다(non-zero). 또한, m은 제1 신호들( s h )의 수와 제2 신호들( s v )의 수의 합일 수 있다. 즉, N개의 제1 신호들( s h )과 N개의 제2 신호들( s v )을 송신하는 경우, m은 2N과 같을 수 있다.
스프레딩 모듈(710)은 인터모드 스프레딩된 신호들을 변조기(720)로 출력할 수 있다.
송신 장치(700)에서, H-pol UCA 안테나(730)를 통해 송신되는 OAM 변조된 제1 신호들( x h )과 V-pol UCA 안테나(740)를 통해 송신되는 OAM 변조된 제2 신호들( x v )은 모두 동일한 채널을 공유할 수 있다.
이에, 수학식 1을 송신 장치(700)에 적용하면 수학식 24와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112017121334309-pat00076
여기서, P v 는 N*N로서 제1 신호들( s h )에 대하여 인터모드 스프레딩을 수행하는 유니테리 행렬이고, P h 는 N*N로서 제2 신호들( s v )에 대하여 인터모드 스프레딩을 수행하는 유니테리 행렬일 수 있다. 즉, 스프레딩 모듈(710)의 m*m의 유니테리 행렬은 수학식 25와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112017121334309-pat00077
이에, 수신 장치(200)에서 신호 검출기는 수학식 26을 사용하여 송신 신호를 검출할 수 있다.
Figure 112017121334309-pat00078
송신 장치(700)가 제1 신호들( s h ) 및 제2 신호들( s v )에 인터모드 스프레딩을 수행함으로써, 모드(mode)들 간에 간섭을 최소화하고 전송 거리를 증가시킬 수 있다. 또한, H-pol UCA 안테나(730) 및 V-pol UCA 안테나(740)를 사용하여 낮은 OAM 모드를 통해 각각 Nmod/2개의 모드들을 전송하게 함으로써, 동일한 전송 거리에서 낮은 에러율(error rate)로 더 많은 수의 OAM 모드들을 전송할 수 있게 된다.
도 12는 시뮬레이션 결과의 일 예를 나타내고, 도 13a는 시뮬레이션 결과의 다른 예를 나타내고, 도 13b는 시뮬레이션 결과의 다른 예를 나타낸다.
도 12 내지 도 13b를 참조하면, dual polarized UCA OAM 기술의 유효성을 분석할 수 있다.
A. Simulation Model
시뮬레이션에는 도 4와 같은 radiation pattern을 갖는 half-wavelength dipole UCA안테나를 사용하였다. 이 half-wavelength dipole antenna의 radiation pattern들의 mathematic expression은 수학식 27 및 28로 나타낼 수 있다.
Figure 112017121334309-pat00079
Figure 112017121334309-pat00080
여기서,
Figure 112017121334309-pat00081
이고,
Figure 112017121334309-pat00082
는 vertical Z-X plane안에서 z-axis로부터 기운 각도(slant)를 나타낸다.
시뮬레이션에 사용된 송신 UCA와 수신 UCA는 도 13a 및 도 13b에서 보는 바와 같이 모두 동일하게 8개의 v-pol과 8개의 h-pol 안테나 소자를 가지고 있으며, 반경은 30 λ이다. H-pol용으로는 slot 안테나를 사용하는 것이 polarization간의 간섭을 완화시키기 위해 더 바람직하지만 polarization domain간의 간섭효과도 함께 살펴보기 위해 slot 안테나 대신 dipole antenna을 시계방향으로 90도 기울인 dipole 안테나를 적용하였다.
도 14는 시뮬레이션 결과의 다른 예를 나타낸다.
도 14를 참조하면 dual polarized UCA OAM 기술의 유효성을 분석할 수 있다.
B. Spectral efficiency
SNR = 20 dB 조건에서 얻을 수 있는 T-R distance(transmit-receive distance)에 따른 최대 spectral efficiency를 보여준다. 이때, T-R distance는 LoS path의 거리와 동일할 수 있다. 도 14에서 UCA OAM의 spectral efficiency는 Rayleigh distance dR에서 최대 값을 가지며(Rayleigh distance는
Figure 112017121334309-pat00083
로 표현된다.), T-R distance가 Rayleigh distance 이상으로 증가함에 따라 단조적으로 감소하는 것을 볼 수 있다. 반면, Dual-polarized UCA OAM의 경우는 spectral efficiency가 2 dR에서 최대 값을 가지며 T-R distance가 2 dR에서 10 dR로 증가하는 동안 spectral efficiency가 약 11.7 bps/Hz만큼 감소하여 기존 UCA OAM이 약 21.2 bps/Hz만큼 감소하는 것보다 0.55배 이하의 작은 감소폭을 보여 준다.
기존 UCA OAM 방식의 spectral efficiency가 dR에서 최대값을 가지는 것과 달리 Dual-polarized UCA OAM의 spectral efficiency가 2 dR에서 최대값을 가지는 것은 이 방식이 기존 UCA OAM 방식에 비해 유효 T-R distance를 최소 2배 이상으로 개선함을 의미한다.
도 15a 및 도 15b는 시뮬레이션 결과의 다른 예를 나타낸다.
도 15a 및 도 15b를 참조하면, dual polarized UCA OAM 기술의 유효성을 분석할 수 있다.
C. E-field intensity of OAM states
zero-degree slanted transmit UCA에서 송신된 mode들과 90-degree slanted transmit UCA에서 송신된 mode들이 송신기로부터 500 m 떨어진 지점에서 갖는 E-field intensity의 V-pol 성분과 H-pol 성분을 plot한 것이다.
도 15a는 zero-degree slanted UCA에서 송신된 신호들의 v-pol 성분이 h-pol 성분보다 크게 수신되는 것을 보여주며, 이것은 zero-degree slanted 수신 UCA로 수신되는 mode 0, 1, -1을 갖는 v-pol 신호가 h-pol신호의 간섭을 작게 받게 됨을 의미한다.
도 15b는 90-degree slanted UCA에서 송신된 신호들의 h-pol 성분이 v-pol 성분보다 상대적으로 강하게 수신되는 것을 보여주며, 이것은 90-degree slanted 수신 UCA로 수신되는 mode 0, 1, -1을 갖는 h-pol 신호가 v-pol 신호의 간섭을 작게 받게 됨을 의미한다.
도 16a 및 도 16b는 시뮬레이션 결과의 다른 예를 나타낸다.
도 16a 및 도 16b를 참조하면, dual polarized UCA OAM 기술의 유효성을 분석할 수 있다.
D. Decoding performance
64-QAM 신호 6개를 6개 OAM mode를 통해 송신하고, 신호를 수신하여 equalization한 이후에 나타나는 신호의 constellation을 plot한 것이다.
도 16a에서 기존의 single polarized UCA 시스템은 6개 mode들 중에서 3개 mode를 낮은 SER로 수신할 수 있는 반면, 도 16b로부터 dual polarized UCA 시스템은 6개 mode의 신호를 모두 낮은 SER로 수신할 수 있음을 알 수 있다.
도 17은 시뮬레이션 결과의 다른 예를 나타낸다.
도 17을 참조하면, SNR에 따른 SER의 변화를 plot한 것이다. 기존의 single-polarized UCA OAM은 SNR에 따른 error floor가 확연히 관찰되는 반면, dual-polarized UCA OAM 기술은 SNR이 10 dB 증가할 때 SER이 1/100배로 감소하는 경향을 보여준다.
도 18a 및 도 18b는 시뮬레이션 결과의 다른 예를 나타내고, 도 19는 시뮬레이션 결과의 다른 예를 나타낸다.
도 18a 내지 도 19를 참조하면, dual polarized UCA OAM 기술의 유효성을 분석할 수 있다.
E. Impact of intermode spreading
도 18a 및 도 18b는 송신기에서 OAM mode들 간의 intermode spreading을 적용하는 경우에 baseband 신호들의 effective field intensity를 plot한 것이고, 도 19는 이렇게 송신된 신호를 수신기에서 intermode despreading을 적용하여 각각의 OAM mode들이 동일한 채널을 경험하게 하는 intermode spreading OAM 기술의 효과를 보여준다.
도 18a 및 도 18b에서 zero-degree slanted transmit UCA에서 송신된 baseband 신호들의 E-field intensity가 서로 동일하고, 90-degree slanted transmit UCA에서 송신된 baseband 신호들의 E-field intensity가 모두 서로 동일한 것을 알 수 있다. 이것은 송신신호들이 모두 동일한 수준의 error rate을 경험하게 되기 때문에 전체 평균 error rate을 감소시키는 효과를 가져오게 된다.
도 19에서는 이 평균 error rate을 감소시키는 정도를 보여준다. 도 19에서 모두 high SNR region에서 intermode spreading을 통해 1 dB 이상의 SNR gain을 얻을 수 있음을 알 수 있음을 보여준다.
도 20은 시뮬레이션 결과의 다른 예를 나타낸다.
도 20을 참조하면, intermode spreading까지 적용하는 dual polarized UCA OAM 기술을 통해 6개의 mode들을 500 m 거리에서 송수신하는데에 기존의 single polarized UCA OAM 기술에서 3개 mode를 전송하는데 필요한 SNR에 비하여 추가적으로 요구되는 SNR이 3 dB에 불과함을 보여 준다.
도 21은 시뮬레이션 결과의 다른 예를 나타낸다.
도 21을 참조하면, SNR = 20 dB의 조건에서 6 modes를 전송하는 경우의T-R distance에 따른 SER을 보여준다. 도면에 나타난 바와 같이 Dual UCA OAM 기술을 통해 기존 UCA OAM 기술에 비해 신호를 일정 수준 이하의 SER로 전송 가능한 유효 T-R distance가 SER = 10-2를 기준으로 할 때, 64-QAM 신호의 경우도 1 dR에서 3.6 dR로 2.7배 개선되고, 16-QAM 신호의 경우 1.7 dR에서 8.1 dR로 4.7배, 그리고 QPSK 신호의 경우 2.1 dR에서 19 dR로 9 배 개선되는 것이 관찰된다.
안테나 소자의 편파 특성에 의한 2개의 basis(dual polarized UCA 안테나)를 활용하여 전송거리를 증가시키는 방법을 제시하고, 제안된 기술이 기존 기술에 비해 갖는 장점을 검증하기 위해 이론적 half wavelength dipole antenna의 radiation pattern을 적용한 시뮬레이터를 구현하고, SNR과 송수신 거리에 따른 성능을 비교 검증하였다.
제안된 기술은 dual polarized UCA 안테나를 사용하여 특정 송수신 거리에서 동시 전송 가능한 mode 수를 증가시키고, 각 polarization domain에 속한 mode들 간에 intermode spreading을 사용하여 다중 모드 신호들의 도달거리를 추가적으로 확장한다.
시뮬레이션 결과는 제안된 Dual polarization UCA OAM 기술이 기존의 single polarized UCA OAM 기술에 비해 주어진 수의 mode 신호들의 도달거리를 성공적으로 증가시킴을 보여주며, 제안 기술을 통해 반경 30 λ인 Dual-polarized UCA 안테나를 사용하여 500 m 거리에서 6개 OAM mode를 전송할 수 있으며, 동일 거리에서 기존 UCA OAM 기술보다 2배의 mode 수를 전송하는데 3 dB 이하의 SNR loss를 수반함을 보여주었다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (15)

  1. 제1 신호들 및 제2 신호들에 OAM 변조(Orbital Angular Momentum modulation)를 수행하는 변조기(modulator);
    OAM 변조된 제1 신호들을 송신하는 복수의 수평 편광 안테나(horizontal polarized antenna)를 포함하는 H-pol UCA 안테나(Uniform Circular Array antenna); 및
    OAM 변조된 제2 신호들을 송신하는 복수의 수직 편광 안테나(vertical polarized antenna)를 포함하는 V-pol UCA 안테나
    를 포함하는 송신 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 신호들의 수와 상기 제2 신호들의 수는 동일한
    송신 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 수평 편광 안테나의 수는 상기 제1 신호들의 수보다 크거나 같은
    송신 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 수직 편광 안테나의 수는 상기 제2 신호들의 수보다 크거나 같은
    송신 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 H-pol UCA 안테나의 반경과 상기 V-pol UCA 안테나의 반경은 동일한
    송신 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 H-pol UCA 안테나는,
    가시선 경로(line-of-sight(LoS) path) 및 전파로(propagation path)에 기초하여 결정되는 제1 채널(channel)을 통해 상기 OAM 변조된 제1 신호들을 송신하고,
    상기 V-pol UCA 안테나는,
    상기 가시선 경로 및 상기 전파로에 기초하여 결정되는 제2 채널을 통해 상기 OAM 변조된 제2 신호들을 송신하는
    송신 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 채널은,
    상기 H-pol UCA 안테나와 수신 H-pol UCA 안테나 사이의 채널과, 상기 H-pol UCA 안테나와 수신 V-pol UCA 안테나 사이의 채널을 포함하고,
    상기 제2 채널은,
    상기 V-pol UCA 안테나와 상기 수신 H-pol UCA 안테나 사이의 채널과, 상기 V-pol UCA 안테나와 상기 수신 V-pol UCA 안테나 사이의 채널을 포함하는
    송신 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 H-pol UCA 안테나는,
    상기 수신 H-pol UCA 안테나와 상기 수신 V-pol UCA 안테나로 상기 OAM 변조된 제1 신호들을 송신하고,
    상기 V-pol UCA 안테나는,
    상기 수신 H-pol UCA 안테나와 상기 수신 V-pol UCA 안테나로 상기 OAM 변조된 제2 신호들을 송신하는
    송신 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 신호들 및 상기 제2 신호들에 인터모드 스프레딩(intermode spreading)을 수행하는 스프레딩 모듈(spreading module)
    을 더 포함하는 송신 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 스프레딩 모듈은,
    m*m의 유니테리 행렬(unitary matrix)을 사용하여 상기 인터모드 스프레딩을 수행하고,
    상기 m은 상기 제1 신호들의 수와 상기 제2 신호들의 수의 합인
    송신 장치.
  11. 제3 신호들을 수신하는 복수의 수평 편광 안테나를 포함하는 H-pol UCA 안테나(Uniform Circular Array antenna);
    제4 신호들을 송신하는 복수의 수직 편광 안테나(vertical polarized antenna)를 포함하는 V-pol UCA 안테나; 및
    상기 제3 신호들 및 상기 제4 신호들에 OAM(Orbital Angular Momentum modulation) 복조(demodulation)를 수행하는 복조기(demodulator)
    를 포함하는 수신 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    OAM 복조된 제3 신호들 및 OAM 복조된 제4 신호들에 최소 제곱법(Least Square Method(LSM))을 사용하여 송신 신호를 검출하는 신호 검출기(signal detector)
    를 더 포함하는 수신 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제3 신호들 및 상기 제4 신호들은,
    복수의 수평 편광 안테나를 포함하는 송신 H-pol UCA 안테나와 복수의 수직 편광 안테나를 포함하는 송신 V-pol UCA 안테나로부터 송신되는
    수신 장치.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 제3 신호들의 수와 상기 제4 신호들의 수는 동일한
    수신 장치.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 H-pol UCA 안테나의 반경과 상기 V-pol UCA 안테나의 반경은 동일한
    수신 장치.
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