KR20060062656A

KR20060062656A - 전리층을 이용한 통신 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20060062656A
Application number: KR1020040101572A
Authority: KR
Inventors: 이상헌
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2004-12-06
Filing date: 2004-12-06
Publication date: 2006-06-12
Also published as: US20060121859A1; KR100655210B1

Abstract

본 발명은 전리층을 이용한 장거리 통신 장치에 관한 것으로, 변조 주파수를 포함하는 신호를 전리층에 흡수될 수 있는 캐리어 주파수에 실어 전리층의 특정 영역으로 발사하는 지구국과, 상기 지구국으로부터의 신호에 의해 DC전류가 AC전류로 변경되며, 상기 AC전류에 의해 상기 변조 주파수 신호를 다시 지구로 방사하는 전리층을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 본 발명은 전리층을 이용한 장거리 통신이 가능하기 때문에 인공위성을 사용함으로써 발생되는 경제적인 비용지출과 지속적인 관리 등의 부담을 제거할수 있는 이점이 있다.

전리층, DC전류, AC전류, 전자온도, 장거리 통신, 지구국

Description

전리층을 이용한 통신 장치 및 방법{COMMUNICATION APPARATUS AND METHOD USING IONOSPHERE}

도 1은 전리층내 온도(T_e) 변화에 따른 전계(Electric field) 변화를 보여주는 시뮬레이션 결과 그래프.

도 2는 본 발명에 따른 전리층을 이용한 장거리 통신시스템의 개념을 도시하는 도면.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 지구국에서 전리층으로 신호를 송신하기 위한 장치의 구성을 도시하는 도면.

본 발명은 장거리 통신 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 전리층을 이용한 장거리 통신 장치 및 방법에 관한 것이다.

현재 통신위성은 육상 마이크로파 통신에서의 중계국의 기능과 비슷하여 어 떤 지구국에서 발사된 신호를 받아 증폭하여 다른 지구국에 재전송하는 기능을 수행하고 있다.

1970년대 말 미국에서 셀룰라(cellular) 방식의 무선 이동 통신 시스템(Mobile Telecommunication System)이 개발된 이래 국내에서는 아날로그 방식의 1세대(1G: 1st Generation) 이동 통신 시스템이라고 할 수 있는 AMPS(Advanced Mobile Phone Service) 방식으로 음성 통신 서비스를 제공하기 시작하였다. 이후, 1990년대 중반 2세대(2G: 2nd Generation) 이동 통신 시스템으로서 코드 분할 다중 접속(CDMA: Code Division Multiple Access, 이하 "CDMA"라 칭하기로 한다) 방식의 시스템을 상용화하여 음성 및 저속 데이터 서비스를 제공하였다.

또한, 1990년대 말부터 향상된 무선 멀티미디어 서비스, 범 세계적 로밍(roaming), 고속 데이터 서비스 등을 목표로 시작된 3세대(3G: 3rd Generation) 이동 통신 시스템인 IMT-2000(International Mobile Telecommunication-2000)은 현재 일부 상용화되어 서비스가 운영되고 있다. 이러한 시점에서 인공 위성을 통한 장거리 통신은 당업계에서 당연하게 고려하고 있는 기술중에 하나이다. 그러나 통신 위성을 쏘아 올리기에는 막대한 경제적인 지출과 지속적인 관리 등의 많은 문제점이 있다.

지표로부터 약 50Km 이상 떨어진 상공에는 전리층(Ionosphere)이라는 대기층이 존재한다. 현재까지, 장거리 통신은 전리층 통과파를 이용한 통신(예 : 위성 통신)과 전리층 반사파를 이용한 통신(예 : HAM)을 주류를 이루고 있고, 전리층 흡수파를 이용한 장거리 통신에 대해서는 전혀 알려진 바가 없다.

상기 전리층 통과파를 이용한 위성통신은 앞서 언급한 바와 같이 막대한 경제적 부담이 있으며, 상기 전리층 반사파를 이용한 햄(HAM) 통신은 음성 대화통신을 위한 것으로 대용량의 정보를 전송하는 것이 불가능하다. 따라서, 장거리 통신에 대한 새로운 대안이 필요한 실정이다.

따라서 본 발명의 목적은 전리층을 이용한 장거리 통신 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 전리층 흡수파를 이용한 장거리 통신 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 전리층내 DC 전류를 이용한 장거리 통신 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 전리층내 온도 변화를 이용한 장거리 통신 장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기 목적들들 달성하기 위한 본 발명의 제1견지에 따르면, 전리층을 이용한 장거리 통신 장치에 있어서, 변조 주파수를 포함하는 신호를 전리층에 흡수될 수 있는 캐리어 주파수에 실어 전리층의 특정 영역으로 발사하는 지구국과, 상기 지구국으로부터의 신호에 의해 DC전류가 AC전류로 변경되며, 상기 AC전류에 의해 상기 변조 주파수 신호를 다시 지구로 방사하는 전리층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하기로, 상기 지구국은, 상기 변조 주파수 신호와 상기 캐리어 주파수 신호를 합성하여 출력하는 합성기와, 상기 합성기로부터의 고주파 신호를 전리층에 충분히 도달될 수 있는 크기로 전력 증폭하여 출력하는 증폭기와, 상기 증폭기로부터의 신호를 상기 전리층의 특정 영역에 발사하기 위한 지향성 안테나를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하기로, 상기 캐리어 주파수는 수백 MHz ∼ 2GHz의 주파수를 사용하는 것을 특징으로 하는 한다.

바람직하기로, 상기 변조 주파수는 상기 캐리어 주파수 보다 낮은 수백 MHz의 주파수를 사용하는 것을 특징으로 하는 한다.

바람직하기로, 상기 지구국으로부터 발사된 신호는 상기 전리층내에 에너지로 축적되어 전자 온도를 변동시키고, 상기 변동되는 전자 온도에 의해 상기 DC전류가 상기 AC전류로 변경되는 것을 특징으로 한다.

바람직하기로, 상기 AC전류는 상기 변조 주파수와 동일하게 발진(oscillating)하는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

이하 본 발명은 전리층(Ionosphere)을 이용한 장거리 통신 방안에 대해 살펴 보기로 한다.

앞서 언급한 바와 같이, 상기 전리층에는 자연 발생적으로 전리층 전류(Ionosphere current)라 불리는 DC 전류가 흐리고 있다. 따라서, 상기 전리층에 변조 주파수(modulation frequency)를 포함한 신호를 특정 캐리어 주파수(carrier frequency)에 실어 전송하면, 상기 전리층의 DC 전류가 변조 주파수(modulation frequency)로 발진(oscillating)하는 AC 전류로 변경된다. 이렇게 변경된 AC 전류는 마치 안테나 역할을 하여 상기 변조 주파수 신호를 다시 지구로 방사하게 된다.

그러면, 여기서 전리층내 DC전류가 AC전류로 변경되는 원리를 설명하기로 한다.

먼저, 전리층내의 일렉트로 제트(electrojet) 전류는 하기 수학식 1과 같이 나타난다.

여기서, υ_en 은 'electron-neutral collision frequency'를 나타내며, 전자(electron)의 온도(temperature) T_e에 대해 비례한다.( υ_en∝ T_e)

전리층에 특별한 에너지(Energy)가 인가되지 않으면 전자 온도(electron temperature)에 변화가 없고, 따라서 υ_en , T_e모두 상수(constant)가 된다. 따라서, 일렉트로 제트 전류는 DC 전류가 되는 것이다.

한편, 전리층내 특정 지역의 전자 온도(T_e)와 지구국으로부터 상기 특정 지역으로 발사한 에너지(Q)와의 관계는 'Electron Thermal Energy Equation'에 의해 하기 수학식 2와 같이 정의된다.

상기 수학식 2를 살펴보면, 변조 주파수(예 : QPSK 등)를 포함한 신호를 캐리어 주파수에 실어 특정 전리층에 발사하면, 에너지(Q)가 전리층에 축적되고, 상기 축적되는 에너지에 따라 온도(T_e)가 발진(oscillating)하게 된다. 통상 에너지는 신호(signal)의 제곱으로 나타낼 수 있는데, 따라서 캐리어 주파수에 실리는 정보(변조 주파수)에 따라 에너지가 변동하게 된다. 상기 에너지의 변동에 따라 전리층내 온도(T_e)가 발진(oscillating)하게 되며, υ_en∝ T_e에 따라 υ _en 도 발진(oscillating)하여 수학식 1로부터 DC 전류가 상기 변조 주파수를 갖는 AC 전류로 변경하게 된다.

그리고, 이렇게 만들어진 AC 전류는 실제 다이폴(dipole) 안테나 역할을 하게 되어 상기 정보를 실은 신호(변조 주파수 신호)는 다시 지구로 방사된다. 여기서, 상기 방사되는 자계(magnetic field) B는 하기 수학식 3과 같이 나타난다.

여기서, G₀과 b는 상수(constant)이고, χ는 T_e/T_e0으로 정규화된(normalized) 전자 온도(electron temperature)를 나타낸다.

상술한 수학식 1 내지 수학식 3과 물리적 의미는 아래 문헌에 상세히 기재되어 있으므로, 여기서는 그 자세한 설명을 생략하기로 한다.

" Gurevich, V. A. (1978), Nonlinear Phenomena in the Ionosphere, Springer-Verlag, New York "

이상 살펴본 바와 같이, 정보를 나타내는 변조 주파수를 가지는 신호를 캐리어 주파수(carrier frequency)에 실어 전리층의 특정 영역으로 전송하면, 그 전리층에 있는 전자(electron)의 온도(temperature)가 에너지(Q)의 변동에 따라 상기 변조 주파수와 동일하게 발진(oscillating)하며, 그 결과 전리층에 자연적으로 흐르고 있던 DC 전류가 AC 전류로 변경하게 된다. 이렇게 변경된 AC 전류는 안테나 역할을 하여 상기 변조 주파수 신호를 다시 지상으로 방사하게 된다.

도 1은 전리층내 온도(T_e) 변화에 따른 전계(Electric field) 변화를 보여주는 시뮬레이션 결과 그래프이다.

(a) 그래프는 시간축을 기준으로 온도(T_e) 변화를 나타낸 그래프이고, (b)는 온도 변화에 따른 전계(Electric field)를 타나낸 그래프이다. 도시된 바와 같이, 전리층내 전자 온도가 발진(oscillating)할 경우, 전계도 비례하여 발진하는 것을 알 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 전리층을 이용한 장거리 통신시스템의 개념을 도시하고 있다.

도 2를 참조하면, 제1지구국(110)은 단말기(100) 혹은 이동통신시스템의 네트워크 장치들(BTS, BSC, MSC 등)로부터 무선 혹은 유선을 통해 수신되는 신호를 전리층에 흡수될 수 있는 캐리어 주파수 신호(예 : 수백 MHz∼수GHz)에 실어 전리층(160)의 특정 지역(150)으로 발사한다. 이때, 상기 발사된 신호가 전리층(160)에 도달할수 있도록 최대출력전력이 큰 전력증폭기를 사용하게 되며, 전리층(160)내 특정 지역으로 발사하기 위해 지향성 안테나를 사용하게 된다.

그러면, 상기 전리층(160)은 상기 제1지구국(110)으로부터의 신호에 DC전류를 AC 전류를 변경하며, 상기 AC전류를 이용해 상기 제1지구국(110)으로부터의 신호를 다시 지구로 방사한다.

제2지구국(120)은 상기 전리층(160)으로부터 방사되는 신호를 수신하여 해당 단말기(130) 혹은 이동통신시스템의 해당 네트워크 장치들(BTS, BSC, MSC 등)로 전송한다.

도면에서, 설명의 편의를 위해 지구국들이 일방 통신을 하는 것으로 도시하고 있지만, 실제로 지구국들은 양방향 통신을 수행하게 된다. 또한, 지구국들이 이동 단말기와 통신하는 것으로 도시하고 있지만, 다른 네트워크 장치들(BTS, BSC, MSC 등)과 통신하는 것으로 구현할수도 있다. 이하 설명은 지구국이 단말기와 통신하는 것으로 가정하기로 한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 지구국에서 전리층으로 신호를 송신하기 위한 장치의 구성을 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 지구국은, 크게 이동통신시스템과 통신하기 위한 A 부분과, 전리층으로 신호를 송신하기 위한 B부분으로 구분된다. 상기 A 부분은 제1안테나(300), 제1듀플렉서(302), 저잡음증폭기(304), 필터(306), 제1합성기(310), 제1국부발진기(308)를 포함하여 구성되고, 상기 B부분은 제2국부발진기(312), 제2합성기(314), 구동 증폭기(316), 전력증폭기(318), 제2듀플렉서(320), 제2안테나(322)를 포함하여 구성된다.

도 3을 참조하면, 먼저 단말기로부터의 신호는 제1안테나(300)를 통해 수신된다. 듀플렉서(302)는 상기 제1안테나(300)를 통해 수신되는 신호를 대역 필터링하여 출력한다. 안테나로 수신된 신호는 잡스런 주파수들이 섞여 있으므로, 원하는 주파수 대역만 증폭시켜줄 수 있도록 대역통과 필터링을 한다.

저잡음증폭기(304)는 상기 듀플렉서(302)로부터의 신호를 잡음을 억제하면서 증폭하여 출력한다. 필터(306)는 치명적인 이미지(image) 주파수(및 스퓨리어스(spurious) 주파수)를 제거하기 위해 상기 저잡음증폭기(304)로부터의 신호를 대역 필터링하여 출력한다.

제1국부발진기(308)는 상기 단말기로부터의 신호에서 캐리어 주파수를 제거하기 위한 국부 발진(LO : Local Oscillating) 주파수를 제1합성기(310)로 공급한다. 상기 제1합성기(310)는 상기 필터(306)로부터의 신호와 상기 제1국부발진기(308)로부터의 LO 주파수를 합성하여 출력한다. 이와 같이, 단말기로부터 수신되는 신호에서 이동통신시스템이 사용하는 캐리어 주파수를 제거한다.

제2국부발진기(312)는 전리층에 흡수될 수 있는 캐리어 주파수를 제2합성기(314)로 공급한다. 상기 제2합성기(314)는 상기 제1합성기(310)로부터의 신호(변조 주파수 신호를 포함하는 신호)와 상기 제2국부발진기(312)로부터의 캐리어 주파수를 합성하여 출력한다. 일반적으로, 인공위성으로 발사되는 신호의 캐리어 주파수는 보통 수 GHz 정도로 그 이유는 이보다 낮은 캐리어 주파수를 사용하게 되면 전리층을 아무 영향 없이 통과하기가 어렵기 때문이다. 한편, 캐리어 주파수가 수 MHz 정도가 되면 전리층으로부터 전반사가 된다. 따라서, 본 발명에 따른 캐리어 주파수는 수백MHz∼2GHz로 사용하는 것으로 가정하기로 한다.

구동증폭기(316)는 전력증폭기(318)의 게인(gain) 부족을 해결하고, 상기 전력증폭기(318)에 충분한 입력전력을 만들어 주기 위해서 상기 혼합기(314)의 출력신호를 증폭하여 출력한다. 상기 전력증폭기(318)는 상기 구동증폭기(316)로부터의 고주파 신호를 전리층에 충분히 도달될 수 있는 크기로 전력 증폭하여 출력한다.

듀플렉서(320)는 스퓨리어스(spurious) 주파수 성분들을 제거하기 위해 상기 전력증폭기(318)로부터의 신호를 대역 필터링하여 출력한다. 제2안테나(322)는 지향성 안테나로, 상기 듀플렉서(320)로부터의 신호를 상기 전리층의 특정 영역으로 발사한다. 이렇게 발사된 신호는 상기 전리층에 흡수되어 전리층내 DC전류를 AC전류로 만들고, 상기 AC전류에 의해 다시 지구로 방사된다.

상술한 도 3의 실시예에서, 제1합성기(310)로부터 출력되는 신호는 중간주파수(IF : Intermediate Frequency) 신호일수도 있고, 기저대역(BB : Base-Band) 신호일수 있다. 만일 상기 기저대역 신호이면, 상기 제1합성기(310) 및 제2합성기 (314)는 RF와 기저대역을 직접 변환하는 다이렉트 컨버젼(Direct Conversion) 소자가 된다. 다른 실시예로, 단말기로부터 수신되는 고주파 신호를 중간주파수를 거쳐 기저대역 신호로 변환하고, 상기 기저대역 신호를 다시 중간주파수를 거쳐 고주파 신호를 변환하여 전리층으로 발사할 수 있다.

상술한 바와 같이, 전리층으로 발사되는 신호의 캐리어 주파수와 신호 크기(전력증폭기의 출력레벨)를 최적화하는 것으로 전리층을 이용한 장거리 통신이 가능함을 알 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 캐리어 주파수는 전리층에 흡수될 수 있는 주파수 대역을 사용하며, 전력증폭기는 송신되는 신호가 전리층에 도달될 수 있을 정도의 출력전력을 가지면 된다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 전리층을 이용한 장거리 통신이 가능하기 때문에 인공위성을 사용함으로써 발생되는 경제적인 비용지출과 지속적인 관리 등의 부담을 제거할수 있는 이점이 있다.

Claims

전리층을 이용한 장거리 통신 장치에 있어서,

변조 주파수를 포함하는 신호를 전리층에 흡수될 수 있는 캐리어 주파수에 실어 전리층의 특정 영역으로 발사하는 지구국과,

상기 지구국으로부터의 신호에 의해 DC전류가 AC전류로 변경되며, 상기 AC전류에 의해 상기 변조 주파수 신호를 다시 지구로 방사하는 전리층을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 지구국은,

상기 변조 주파수 신호와 상기 캐리어 주파수 신호를 합성하여 출력하는 합성기와,

상기 합성기로부터의 고주파 신호를 전리층에 충분히 도달될 수 있는 크기로 전력 증폭하여 출력하는 증폭기와,

상기 증폭기로부터의 신호를 상기 전리층의 특정 영역에 발사하기 위한 지향성 안테나를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서,

상기 캐리어 주파수는 수백 MHz ∼ 2GHz의 주파수를 사용하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서,

상기 변조 주파수는 상기 캐리어 주파수 보다 낮은 수백 MHz의 주파수를 사용하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서,

상기 지구국으로부터 발사된 신호는 상기 전리층내에 에너지로 축적되어 전자 온도를 변동시키고, 상기 변동되는 전자 온도에 의해 상기 DC전류가 상기 AC전류로 변경되는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서,

상기 AC전류는 상기 변조 주파수와 동일하게 발진(oscillating)하는 것을 특징으로 하는 장치.
전리층을 이용한 장거리 통신 방법에 있어서,

지구국에서 변조 주파수를 포함하는 신호를 전리층에 흡수될 수 있는 캐리어 주파수에 실어 전리층의 특정 영역으로 발사하는 과정과,

상기 지구국으로부터의 신호에 의해 전리층내 DC전류가 AC전류로 변경되며, 상기 AC전류에 의해 상기 변조 주파수 신호가 다시 지구로 방사되는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제7항에 있어서, 상기 발사하는 과정은,

상기 변조 주파수 신호와 상기 캐리어 주파수 신호를 합성하여 고주파 신호를 생성하는 과정과,

상기 고주파 신호를 전리층에 충분히 도달될 수 있는 크기로 전력 증폭하여 과정과,

상기 전력 증폭된 신호를 지향성을 가지고 상기 전리층의 특정 영역에 발사하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제7항에 있어서,

상기 캐리어 주파수는 수백 MHz ∼ 2GHz의 주파수를 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
제7항에 있어서,

상기 변조 주파수는 상기 캐리어 주파수 보다 낮은 수백 MHz의 주파수를 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
제7항에 있어서,

상기 지구국으로부터 발사된 신호는 상기 전리층내에 에너지로 축적되어 전자 온도를 변동시키고, 상기 변동되는 전자 온도에 의해 상기 DC전류가 상기 AC전류로 변경되는 것을 특징으로 하는 방법.
제7항에 있어서,

상기 AC전류는 상기 변조 주파수와 동일하게 발진(oscillating)하는 것을 특징으로 하는 방법.