KR20200041286A - 래디얼 uca를 사용하는 oam 기반 송수신 방법 - Google Patents

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Abstract

래디얼 UCA를 사용하는 OAM 시스템 기반의 통신 방법은 송신기가 UCA(uniform circular array) 기반 송신 안테나들 중 적어도 하나의 송신안테나를 통해 OAM(Orbital Angular Momentum) 다중 모드 신호를 전송하는 단계 및 수신기가 UCA 기반 수신 안테나들 중 적어도 하나의 수신안테나를 통해 상기 OAM 다중 모드 신호를 수신하는 단계를 포함한다. 상기 송신 안테나들은 각각 복수의 안테나 소자를 포함하고, 각 송신 안테나에서 동일한 순번의 안테나 소자는 동일한 래디얼 선(radial line)에 위치한다.

Description

래디얼 UCA를 사용하는 OAM 기반 송수신 방법{TRANSMISSION AND RECEPTION METHOD BASED ON OAM MULTI-MODE USING RADIAL UNIFORM CIRCULAR ARRAYS}
이하 설명하는 기술은 무선 채널 환경에서 OAM(Orbital Angular Momentum) 다중 모드를 활용하여 신호를 전송하는 송수신 안테나 구조와 송수신 기술에 관한 것이다.
OAM 다중화 기술은 서로 다른 나선형 파면(helical phase front)을 갖는 OAM 모드(mode)들을 동일한 무선통신 채널을 통하여 모드 분할 다중화(mode-division multiplexing)함으로써 무선통신 시스템의 시스템 용량과 주파수 효율을 증가시키는 기술이다.
종래 UCA(uniform circular array) 기반의 OAM 시스템 연구가 있었다. 종래 UCA 기반 OAM 시스템은 송신측과 수신측에서 N개의 안테나 소자들을 갖는 UCA를 사용한다. 종래 UCA 기반 OAM 시스템은 LoS(line-of-sight) 환경에서 송수신 거리가 증가함에 따라 모드 0보다 상위의 모드 신호들이 급격한 경로 감쇄를 갖게 되어 주파수 효율이 급격히 감소하는 한계가 있었다.
한국공개특허 제10-2018-0131085호
도 1은 OAM 다중모드 신호를 이용하는 송수신 개념도이다. 종래 UCA 안테나를 사용한 UCA OAM 전송의 경우, 도 1에서 보는 바와 같이 mode 0를 제외한 OAM mode 신호들이 먼 거리까지 도달하지 못하고, 또한 수신되는 mode 신호들 사이의 수신 전력이 서로 크게 차이가 나는 문제점을 가지고 있다. 결국, 종래 기술은 수신기에 수신되는 다중 모드 신호들 사이의 채널 조건수(condition number)를 크게 증가시켜 주어진 수신 SNR 조건에서 달성할 수 있는 시스템의 주파수 효율이 크게 감소하게 된다.
이하 설명하는 기술은 UAC 기반 OAM 시스템에서 OAM 다중 모드를 활용하여 2개 이상의 다중모드 신호를 전송하는 송수신 안테나 시스템을 제공하고자 한다. 이하 설명하는 기술은 안테나 송신측 또는 수신측 중 적어도 하나가 복수의 안테나 소자를 갖는 래디얼(radial) 서브어레이를 사용하면서, 채널의 조건 상수(condition number)가 최소화되는 안테나 시스템을 제공하고자 한다.
래디얼 UCA를 사용하는 OAM 시스템 기반의 통신 방법은 송신기가 UCA(uniform circular array) 기반 송신 안테나들 중 적어도 하나의 송신안테나를 통해 OAM(Orbital Angular Momentum) 다중 모드 신호를 전송하는 단계 및 수신기가 UCA 기반 수신 안테나들 중 적어도 하나의 수신안테나를 통해 상기 OAM 다중 모드 신호를 수신하는 단계를 포함한다. 상기 송신 안테나들은 각각 복수의 안테나 소자를 포함하고, 각 송신 안테나에서 동일한 순번의 안테나 소자는 동일한 래디얼 선(radial line)에 위치한다.
래디얼 UCA를 사용하는 OAM 기반 송신기는 OAM(Orbital Angular Momentum) 다중 모드 중 송신에 사용할 모드를 결정하고, 송신심볼들에 가중치를 부여하는 모드결정기, 상기 모드결정기의 출력신호를 복조하는 복조기 및 상기 복조기가 복조한 신호를 복수의 송신 UCA(uniform circular array) 안테나 중 적어도 하나에 매핑하여 송신하는 UCA 구조 안테나를 포함한다. 상기 UCA 구조 안테나는 동일한 개수인 복수의 안테나 소자를 포함하고, 각 안테나에서 동일한 순번의 안테나 소자는 동일한 래디얼 선(radial line)에 위치한다.
래디얼 UCA를 사용하는 OAM 기반 수신기는 OAM(Orbital Angular Momentum) 다중 모드 신호를 수신하는 UCA 구조 안테나, 상기 UCA 구조 안테나가 수신하는 신호를 복조하는 복조기 및 상기 OAM 다중 모드 신호의 모드를 결정하고, 상기 복조기의 출력신호에 가중치를 부여하는 모드결정기를 포함한다. 상기 UCA 구조 안테나는 동일한 개수인 복수의 안테나 소자를 포함하고, 각 안테나에서 동일한 순번의 안테나 소자는 동일한 래디얼 선(radial line)에 위치한다.
이하 설명하는 동일한 총 송신전력을 기준으로 주어진 주파수 자원을 통해 기존 방식들보다 더 높은 데이터 전송속도를 달성할 수 있다.
도 1은 OAM 다중모드 신호를 이용하는 송수신 개념도이다.
도 2는 OAM 시스템 모델에 대한 예이다.
도 3은 UCA 안테나 쌍의 채널 모델에 대한 예이다.
도 4는 래디얼 UCA 안테나에 대한 예이다.
도 5는 성능 비교 시뮬레이션을 위한 4가지 안테나 구성 방식을 도시한다.
도 6은 도 5의 안테나들의 신호 진행방향에 수직인 평면상에 나타나는 위상 프로파일을 도시한다.
도 7은 도 5의 안테나들의 신호 진행방향에 수직인 평면상에 나타나는 신호 세기 프로파일을 도시한다.
도 8은 도 5의 안테나들에 대하여 가용한 총 송신 전력에 따른 주파수 효율을 도시한 그래프이다.
도 9는 도 5의 안테나들에 대하여 가용한 총 송신 전력에 따른 에너지 효율을 도시한 그래프이다.
도 10은 도 5의 안테나들이 송수신 거리에 따라 획득하는 주파수 효율을 도시한 그래프이다.
이하 설명하는 기술은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시례를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 이하 설명하는 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이하 설명하는 기술의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 이하 설명하는 기술의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 용어에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 해석되지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함한다" 등의 용어는 설시된 특징, 개수, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 단계 동작 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도면에 대한 상세한 설명을 하기에 앞서, 본 명세서에서의 구성부들에 대한 구분은 각 구성부가 담당하는 주기능 별로 구분한 것에 불과함을 명확히 하고자 한다. 즉, 이하에서 설명할 2개 이상의 구성부가 하나의 구성부로 합쳐지거나 또는 하나의 구성부가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화되어 구비될 수도 있다. 그리고 이하에서 설명할 구성부 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성부가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성부 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성부에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다.
또, 방법 또는 동작 방법을 수행함에 있어서, 상기 방법을 이루는 각 과정들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 과정들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
도 2는 OAM 시스템 모델에 대한 예이다. 도 2(A)는 OAM 기반 송신기(100)를 도시한 예이다. 송신기(100)는 모드결정기(110), 변조기(120) 및 송신 안테나(130)를 포함한다. 송신기(200)는 송신 신호 s를 기준으로 j개의 신호 x를 송신한다. 모드결정기(110)는 OAM 모드를 선택하고, 송신 신호에 가중치를 곱한다. 변조기(120)는 OAM 변조를 수행한다.
s는 송신 신호들을 나타내는 벡터이다. s=[s1,s2,...,sK ]T로 표현된다. 변조기(120)는 각 신호 sk를 DFT(Discrete Fourier Transform) 행렬 Q의 칼럼 벡터(column vector)들 중 하나(qk)에 따라 변조한다.
송신 안테나(130)는 Mt개의 송신 UCA 안테나들을 갖는다. 송신 UCA 안테나는 Nt개의 안테나 소자들을 갖는다. 변조된 신호는 Mt개의 UCA 배열 안테나들 중 하나 이상의 송신 UCA 안테나에 매핑되어 송신된다.
따라서, 송신 UCA 안테나 j는 하나 이상의 OAM 변조된 신호들 {qksk,k = 1,..., K}이 합산된 신호 xj를 송신하게 된다.
Figure pat00001
fj는 송신 신호에 적용되는 가중치이다.
도 2(B)는 OAM 기반 수신기(200)를 도시한 예이다. 수신기(200)는 수신 안테나(210), 복조기(220), 모드결정기(230) 및 심볼 검출기(240)를 포함한다.
수신 안테나(210)는 Mr개의 수신 UCA 안테나들을 포함한다. 수신 UCA 안테나는 Nr개의 안테나 소자들을 갖는다.
복조기(220)는 수신 UCA 안테나들이 수신한 신호 {yi, i=1,...,Mr}의 선형 조합(linear combination)을 사용하여 OAM 복조한다. 복조기(220)는 IDFT(Inverse Discrete Fourier Transform) 행렬을 이용하여 신호를 복조할 수 있다. 모드결정기(230)는 OAM 모드를 선택하여 가중치를 곱하는 연산을 한다. 심볼 검출기(240)는 합산된 신호 r에서 신호
Figure pat00002
를 얻는다.
송신 UCA 안테나와 각 수신 UCA 안테나는 각각 Mt개와 Mr개다. 또 송신 UCA 안테나와 수신 UCA 안테나는 각각 Nt개와 Nr개의 안테나 요소를 갖는다. 이하 Nt= Nr= N인 경우를 중심으로 설명한다. 그러나, 송신측에서 다른 종류의 안테나를 사용하여 OAM 다중모드 신호를 발생시킬 수 있고, 이 경우에도 래디얼(Radial) UCA를 수신안테나로 사용할 수 있다. 따라서, 수신 안테나의 구성이 송신 안테나와 같지 않은 경우(예를 들면 Nt≠Nr인 경우)도 이하 설명하는 기술이 적용될 수 있다.
신호 모델
수신 UCA
Figure pat00003
의
Figure pat00004
개 안테나 소자들에 수신되는 신호들과 송신 UCA
Figure pat00005
의
Figure pat00006
개 안테나 소자들에서 송신되는 신호들을 각각 벡터
Figure pat00007
과 벡터
Figure pat00008
로 정의하고, 이 UCA들 사이의 채널을
Figure pat00009
으로 정의한다. 이 경우, 수신신호 벡터
Figure pat00010
는 아래 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00011
도 3은 UCA 안테나 쌍의 채널 모델에 대한 예이다. 도 3은 수신 UCA 안테나 i와 송신 UCA 안테나 j가 완벽하게 정렬되어 있는 경우에 대한 예이다. 도 3에서
Figure pat00012
는 송신 UCA 안테나 j의 n번째 안테나 소자가 x축 기준으로 갖는 각도를 나타낸다.
Figure pat00013
는 수신 UCA 안테나 i의 m번째 소자가 x축 기준으로 갖는 각도를 나타낸다.
Figure pat00014
이고,
Figure pat00015
이다. 이와 같은 구성에서 송신 UCA 안테나의 n번째 소자와 수신 UCA 안테나의 m번째 소자 사이의 거리 dm,n은 아래의 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00016
θm,n은 아래 수학식 4와 같이 정의된다.
Figure pat00017
θm,n은 이 m과 n 값 자체가 아닌 그 차이에 의해서 결정된다. 따라서, dm,n도 마찬가지로 m-n이 같은 (m,n) 쌍들에 대해서 동일한 값을 가진다. 한편, 두 안테나 소자들 사이의 거리가 dm,n으로 주어지고
신호 파장이 λ이고, 안테나 패턴 이득이 β일 때, 자유 공간에서 두 안테나 소자 m과 n 사이의 채널은 아래의 수학식 5와 같이 표현된다.
Figure pat00018
m-n이 동일한 값을 갖는 H ( i,j )의 요소들 {hm,n}은 모두 같은 값을 갖게 되고, H (i,j)는 순환 행렬(circulant matrix)가 된다. N×N UCA 안테나 쌍의 채널 행렬이 순환 행렬은 경우 H (i,j)는 아래 수학식 6과 같다.
Figure pat00019
H ( i,j )는 N-point DFT 행렬
Figure pat00020
와 복소수
Figure pat00021
를 원소로 갖는 대각 행렬
Figure pat00022
의 함수로 나눌 수 있다. 수학식 6을 수학식 1에 대입하면 UCA 안테나 i에 의한 수신신호
Figure pat00023
는 아래 수학식 7과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00024
여기서,
Figure pat00025
는 백색 가우스 잡음(additive white Gaussian noise)이다.
Figure pat00026
송신 UCA 안테나 i의 반경
Figure pat00027
, 수신 UCA 안테나 j의 반경
Figure pat00028
및 송수신 UCA들 사이의 거리 D가 상기 수학식 8의 조건을 만족하는 경우,
Figure pat00029
의 k번째 대각 요소인
Figure pat00030
는 아래 수학식 9와 같이 근사적으로 구할 수 있다.
Figure pat00031
Figure pat00032
는 k 번째 제1종 베셀 함수(Bessel function of the first kind)이다. gD는 아래 수학식 10과 같이 표현된다.
Figure pat00033
β는 송수신 안테나의 이득(gain)을 나타내는 변수이다. 전방향성(omni-directional) 안테나의 경우에는 상수이다.
전체 K개의 송신 신호들
Figure pat00034
중에서 일부가 송신 UCA 안테나 j를 통해 송신된다.
Figure pat00035
는 송신신호
Figure pat00036
가 송신 UCA 안테나 j를 통해 송신될 때 곱해지는 가중치라고 정의한다. 그러면, 송신 UCA 안테나 j를 통해 송신되는 신호 벡터 xj는 아래의 수학식 11과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00037
xj는 다시 아래 수학식 12와 같이 표현할 수 있다.
Figure pat00038
여기서,
Figure pat00039
이고,
Figure pat00040
이다. 따라서, 수학식 12를 수학식 7에 대입하면,
Figure pat00041
이므로, yi는 아래 수학식 13과 같이 표현할 수 있다.
Figure pat00042
수신 UCA 안테나 i의 안테나 소자들을 통해 수신된 신호 {
Figure pat00043
}들은 각각 IDFT 방식으로 OAM 복조되고, 그 결과 {
Figure pat00044
}로 출력된다. 여기서,
Figure pat00045
이다.
송신신호 {
Figure pat00046
}의 검파에는
Figure pat00047
개의 수신 UCA의 수신신호들의 선형 조합, 즉
Figure pat00048
를 사용하며
Figure pat00049
는 아래 수학식 14와 같이 표현된다.
Figure pat00050
Figure pat00051
는 수신 UCA 안테나 i에 의해 수신된 신호
Figure pat00052
에 해당하는 가중치이다.
Figure pat00053
는 OAM 복조기의 출력단에서 관찰되는 백색 가우시안 잡음(AWGN)이다.
Mode k에 대한 채널응답
수학식 14에 수학식 13을 대입하면, 아래 수학식 15와 같다.
Figure pat00054
Figure pat00055
는 k 번째 요소만 1이고 나머지는 0인 벡터라고 정의한다.
Figure pat00056
이므로 수학식 15는 아래 수학식 16과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00057
수학식 16에서
Figure pat00058
는
Figure pat00059
의 k 번째 열(row) 벡터이기 때문에,
Figure pat00060
는 아래 수학식 17과 같다.
Figure pat00061
는 아래 수학식 18과 같다.
Figure pat00062
Figure pat00063
Figure pat00064
는 아래 수학식 19과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00065
수학식 19를 수학식 16에 대입하면 아래 수학식 20과 같이 정리될 수 있다.
Figure pat00066
Figure pat00067
는 아래 수학식 21과 같이 나타나며,
Figure pat00068
가 경험하는 채널응답을 나타낸다.
Figure pat00069
수학식 21은
Figure pat00070
를 변화시킴으로써 채널응답
Figure pat00071
를 원하는 값으로 제어할 수 있음을 의미한다. 즉, 채널 응답은 송신기의 가중치와 수신기의 가중치를 조절하여 제어할 수 있다.
수신 SNR을 최대화하기 위한 UCA angle offset에 대한 조건
수학식 14를
Figure pat00072
에 대한 식으로 쓰면, 아래 수학식 22와 같다.
Figure pat00073
여기서,
Figure pat00074
이고,
Figure pat00075
이다. 수학식 13을 수학식 22에 대입하면, 아래 수학식 23과 같다.
Figure pat00076
Figure pat00077
수학식 24와 같이, Si,j를 정의하면, 수학식 23은 아래 수학식 25와 같이 쓸 수 있다.
Figure pat00078
수학식 25로부터 수신신호 r의 파워(power)는 아래 수학식 26같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00079
Figure pat00080
의 k 번째 대각 요소를
Figure pat00081
와 같이 강도(magnitude) 성분과 위상(phase) 성분으로 분해하면 아래 수학식 27과 같다.
Figure pat00082
따라서, 수학식 26은 아래 수학식 28과 같이 다시 쓸 수 있다.
Figure pat00083
Figure pat00084
Pr은 상기 수학식 29와 같은 조건이 성립된다. 여기서, 이퀄리티(equality)는 (i,j,i',j')의 모든 조합에 대하여 아래 수학식 30의 조건이 만족될 때 성립한다.
Figure pat00085
수학식 30의 충분조건은 아래 수학식 31과 같이
Figure pat00086
가 (i,j)와 상관없는 값이 되는 것이다.
Figure pat00087
수학식 31이 만족되기 위한 보다 구체적인 조건은 다음과 같이 구할 수 있다. 수학식 24로부터
Figure pat00088
의 k 번째 대각 요소는
Figure pat00089
=
Figure pat00090
이고, 그 위상 성분은 아래 수학식 32와 같이 분해할 수 있다.
Figure pat00091
수학식 9로부터
Figure pat00092
이고, 수학식 32는 아래 수학식 33과 같이 다시 쓸 수 있다.
Figure pat00093
Figure pat00094
가 (i,j)와 관계없는 값이 되기 위해서는 다음 조건 1을 만족해야 한다.
(조건 1)
Figure pat00095
가 수신 UCA 인덱스 i와 상관없는 상수가 되어야 하고, 동시에
Figure pat00096
가 송신 UCA 인덱스 j와 상관없는 상수가 되어야 한다.
(조건 1)은 모든
Figure pat00097
∈{1,2,...,K}에 대하여,
Figure pat00098
를 만족하도록
Figure pat00099
를 선택해야 하며, 동시에
Figure pat00100
를 만족하도록
Figure pat00101
를 결정해야 함을 의미한다. 이 경우,
Figure pat00102
와
Figure pat00103
i, j와 독립인 값일 필요가 없으므로 임의의 값으로 정하고,
Figure pat00104
와
Figure pat00105
각도가 위 조건을 만족하도록 선택하면 된다. 따라서, 각 가중치
Figure pat00106
와
Figure pat00107
는 0을 포함한 임의의 복소수 값을 가질 수 있다. 상기 도 2에서, 모드결정기(110) 및 모드결정기(230)은 각각 임의의 가중치를 입력 신호에 부여할 수 있다.
이 방식의 문제점은
Figure pat00108
와
Figure pat00109
의 각도를 결정하는 데에
Figure pat00110
와
Figure pat00111
의 정확한 값을 알아야 한다는 점이다.
한편,
Figure pat00112
와
Figure pat00113
가 파워 할당 용도로 사용하는 경우와 같이 실수 값을 갖는 경우에는
Figure pat00114
이므로, 수학식 33은 아래 수학식 34와 같이 다시 쓸 수 있다.
Figure pat00115
따라서, 이 경우에
Figure pat00116
가 (i,j)와 관계없는 값이 되기 위해서는 다음 조건 2을 만족해야 하고, 이때 수신 신호의 SNR이 최대화된다.
(조건 2)
Figure pat00117
가 수신 UCA 인덱스 i와 상관없는 상수가 되어야 하고, 동시에
Figure pat00118
가 송신 UCA 인덱스 j와 상관없는 상수가 되어야 한다.
도 4는 래디얼 UCA 안테나에 대한 예이다. 도 4는 송신 안테나 및 수신 안테나가 공통적으로 갖는 구조에 대한 예이다. 조건 2는
Figure pat00119
개의 송신 UCA 안테나들의 각도 오프셋(angle offset)들 {
Figure pat00120
}이 모두 동일해야 함을 의미한다. 따라서,
Figure pat00121
개 송신 UCA 안테나들의 n번째 소자들은 동일한 래디얼 선(radial line) 상에 위치하게 된다. 마찬가지로
Figure pat00122
개의 수신 UCA 안테나들의 각도 오프셋들 {
Figure pat00123
}이 모두 동일해야 하므로,
Figure pat00124
개 수신 UCA 안테나들의 n번째 소자들은 동일한 래디얼 선 상에 위치하게 된다. 이와 같이 동일한 래디얼 선 상에 위치하는 안테나 소자들은, 도 5에서 보는 바와 같이, 하나의 서브어레이(subarray)를 형성하게 된다. 이와 같은 서브 어레이를 래디얼 서브어레이(radial subarray)라고 명명한다. 각 안테나에서 래디얼 서브어레이는 UCA 중심을 기준으로 동일한 방위각에 존재하는 소자들로 구성된다. 래디얼 서브어레이들로 구성된 UCA를 래디얼(radial) UCA라고 정의한다.
이하 래디얼 UCA를 사용하는 통신 방법에 대한 유효성을 검증하는 실험을 설명한다. 기술의 유효성을 검증하기 위하여 140 GHz 대역에서 40 MHz의 대역폭을 갖는 OFDM 신호를 사용하였다. 이 OFDM 신호는 1,024 FFT를 사용하고, 600개의 가용한 서브캐리어를 갖는다. 수신기의 잡음 지수(Noise figure)는 6 dB, SNR level은 20 dB를 가정하였다. 수신단에서 OAM 복조는 아날로그 OAM 복조기를 사용하는 것으로 가정하였다.
도 5는 성능 비교 시뮬레이션을 위한 4가지 안테나 구성 방식을 도시한다. 도 5에서 4가지 안테나 구성은 모두 동일한 개수의 안테나 소자들을 가지며, 또한 모두 동일하게 반경이 16λ (여기서, λ는 신호의 파장을 나타냄)인 원 안에 모든 안테나 소자들이 위치하도록 하였다. 도 5(A)의 단순(Simple) UCA 구조는 중첩된 4개의 UCA 안테나들로 구성된다. 도 5(B)의 서브어레이(Subarray) UCA 구조는 각 서브어레이가 정사각형의 공간 안에 4개의 안테나 소자들을 갖는 4개의 서브어레이로 구성된다. 도 5(C)의 동심원(Concentric) UCA 구조는 동심원 상에 위치한 4개 UCA로 구성되어 4개 mode 신호들을 4개 UCA로 동시에 전송한다. 마지막으로 도 5(D)의 래디얼 UCA 구조는 UCA의 중심에서 방사형으로 배치되는 4개의 서브어레이들로 구성된다. 래디얼 UCA에서 mode 0는 반경이 가장 작은 안쪽의 4개 소자만을 사용하여 전송하고 다른 mode들은 모든 안테나 소자를 사용하여 송수신하도록 하였다.
도 6은 도 5의 안테나들의 신호 진행방향에 수직인 평면상에 나타나는 위상 프로파일(phase profile)을 도시한다. 도 6은 송신 안테나 기준 11m 거리에서 신호의 진행방향에 수직인 평면(transversal plane)에 나타나는 140GHz OAM 모드 신호들의 위상 프로파일이다. 도 6을 살펴보면, 4가지 방식에 의해 생성된 OAM 신호들이 모두 유사한 OAM 파면(phase front)를 갖는 것을 볼 수 있다. 특히 mode 1, mode -1, mode 2의 경우 동일 위상을 갖는 지점들이 중심에서 방사상의 선 상에 위치하는 것을 볼 수 있다. 이것은 래디얼 UCA 방식과 같이 서브어레이를 방사상의 선 상에 배치함으로써 동일한 위상으로 도착하는 다중 신호들을 서브어레이 안테나 소자들로 수신하여 다이버시티(diversity) 이득을 얻을 수 있음을 나타낸다.
도 7은 도 5의 안테나들의 신호 진행방향에 수직인 평면상에 나타나는 신호 세기 프로파일(intensity profile)을 도시한다. 도 7은 송신 안테나 기준 11m 거리에서 신호의 진행방향에 수직인 평면에 나타나는 신호 세기이다. 도 7을 살펴보면, 4가지 방식에 의해 생성된 OAM 신호들에서 공통적으로, mode 0, mode 1, mode -1, mode 2의 순으로 그 세기가 약하게 수신되는 것을 볼 수 있다. 래디얼 UCA 방식에서는 다른 방식에 비해 mode 1과 mode -1 신호의 세기가 상대적으로 크게 수신되는 것을 볼 수 있다. 이 결과는 송신기에서 mode 0 신호는 반경이 가장 작은 안쪽의 4개 소자만을 사용하여 전송하고 다른 mode들은 모든 안테나 소자를 사용하여 송수신하도록 설정함으로써 얻어진 효과로 분석된다.
도 8은 도 5의 안테나들에 대하여 가용한 총 송신 전력에 따른 주파수 효율(spectral efficiency)을 도시한 그래프이다. 도 8은 송신 안테나와 수신 안테나의 거리가 11m인 조건에서 생성된 채널을 분석한 예이다. 도 8은 송신측에서 최대로 사용할 수 있는 총 송신전력의 수준에 따라서 SNR 레벨 = 20 dB에서 얻을 수 있는 주파수 효율을 분석한 결과를 보여 준다. 각 UCA 구조별로 단위 안테나 소자의 자리에 수직 편파(vertical polarization)를 갖는 안테나 소자와 수평 편파(horizontal polarization)를 갖는 안테나 소자를 동시에 사용하는 것으로 가정하였다. 도 8을 살펴보면, 가용한 총 송신전력이 7.5 dBm보다 작은 경우에는 동심원 UCA 방식이 가장 높은 주파수 효율을 갖는 반면, 가용한 총 송신전력 이 7.5 dBm보다 큰 경우에는 래디얼 UCA 방식이 가장 높은 주파수 효율을 갖는 것을 볼 수 있다. 도 8에서 전체 Tx power가 증가해도 주파수 효율이 더 이상 증가하지 않는 부분은 수신 SNR의 최대치를 20 dB로 설정하였기 때문이다.
도 9는 도 5의 안테나들에 대하여 가용한 총 송신 전력에 따른 에너지 효율을 도시한 그래프이다. 도 9는 송신 안테나와 수신 안테나의 거리가 11m인 조건에서 생성된 채널을 분석한 예이다. 도 9는 송신측에서 최대로 사용할 수 있는 총 송신전력의 수준에 따라서 SNR 레벨 = 20 dB에서 얻을 수 있는 에너지 효율을 분석한 결과이다. 도 9를 살펴보면, 도 8과 유사하게 가용한 송신전력이 7.5 dBm 미만인 영역에서는 동신원 UCA 방식이 우수하고, 가용한 송신전력이 7.5 dBm 이상인 영역에서는 래디얼 UCA 방식이 가장 우수한 에너지 효율을 갖는 것을 볼 수 있다.
도 10은 도 5의 안테나들이 송수신 거리에 따라 획득하는 주파수 효율을 도시한 그래프이다. 도 10을 살펴보면, 송수신 거리가 3.1 m보다 큰 거리에서 래디얼 UCA 기술에 의해 다른 방식에 비해 높은 주파수 효율을 달성할 수 있음을 알 수 있다.
또한, 상술한 바와 같은 UCA 안테나 기반 신호 처리 방법 및 가중치 부여 방법은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 실행가능한 알고리즘을 포함하는 프로그램(또는 어플리케이션)으로 구현될 수 있다. 상기 프로그램은 비일시적 판독 가능 매체(non-transitory computer readable medium)에 저장되어 제공될 수 있다.
비일시적 판독 가능 매체란 레지스터, 캐쉬, 메모리 등과 같이 짧은 순간 동안 데이터를 저장하는 매체가 아니라 반영구적으로 데이터를 저장하며, 기기에 의해 판독(reading)이 가능한 매체를 의미한다. 구체적으로는, 상술한 다양한 어플리케이션 또는 프로그램들은 CD, DVD, 하드 디스크, 블루레이 디스크, USB, 메모리카드, ROM 등과 같은 비일시적 판독 가능 매체에 저장되어 제공될 수 있다.
본 실시례 및 본 명세서에 첨부된 도면은 전술한 기술에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 전술한 기술의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시례는 모두 전술한 기술의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.

Claims (18)

  1. 송신기가 UCA(uniform circular array) 기반 송신 안테나들 중 적어도 하나의 송신안테나를 통해 OAM(Orbital Angular Momentum) 다중 모드 신호를 전송하는 단계; 및
    수신기가 UCA 기반 수신 안테나들 중 적어도 하나의 수신안테나를 통해 상기 OAM 다중 모드 신호를 수신하는 단계를 포함하되,
    상기 송신 안테나들은 각각 복수의 안테나 소자를 포함하고, 각 송신 안테나에서 동일한 순번의 안테나 소자는 동일한 래디얼 선(radial line)에 위치하는 래디얼 UCA를 사용하는 OAM 시스템 기반의 통신 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수신 안테나들은 각각 복수의 안테나 소자를 포함하고, 각 수신 안테나에서 동일한 순번의 안테나 소자는 동일한 래디얼 선(radial line)에 위치하는 래디얼 UCA를 사용하는 OAM 시스템 기반의 통신 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 송신 안테나는 안테나 소자들이 래디얼 서브어레이를 구성하고, 상기 래디얼 서브어레이는 안테나 중심을 기준으로 동일한 방위각에 위치하는 안테나 소자들로 구성되는 래디얼 UCA를 사용하는 OAM 시스템 기반의 통신 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수신 안테나는 안테나 소자들이 래디얼 서브어레이를 구성하고, 상기 래디얼 서브어레이는 안테나 중심을 기준으로 동일한 방위각에 위치하는 안테나 소자들로 구성되는 래디얼 UCA를 사용하는 OAM 시스템 기반의 통신 방법.
  5. OAM(Orbital Angular Momentum) 다중 모드 중 송신에 사용할 모드를 결정하고, 송신심볼들에 가중치를 부여하는 모드결정기;
    상기 모드결정기의 출력신호를 변조하는 변조기; 및
    상기 변조기가 변조한 신호를 복수의 송신 UCA(uniform circular array) 안테나 중 적어도 하나에 매핑하여 송신하는 UCA 구조 안테나를 포함하되,
    상기 UCA 구조 안테나는 동일한 개수인 복수의 안테나 소자를 포함하고, 각 안테나에서 동일한 순번의 안테나 소자는 동일한 래디얼 선(radial line)에 위치하는 래디얼 UCA를 사용하는 OAM 기반 송신기.
  6. 제6항에 있어서,
    상기 UCA 구조 안테나는 안테나 소자들이 래디얼 서브어레이를 구성하고, 상기 래디얼 서브어레이는 안테나 중심을 기준으로 동일한 방위각에 위치하는 안테나 소자들로 구성되는 래디얼 UCA를 사용하는 OAM 기반 송신기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 모드결정기는 상기 송신심볼들에 각각 임의의 복소수 값을 갖는 가중치를 부여하는 래디얼 UCA를 사용하는 OAM 기반 송신기.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 UCA 구조 안테나는 모드 0에서 반경이 가장 작은 안쪽 소자만을 사용하여 신호를 송신하고, 모드 0이 아닌 다른 모드에서는 모든 안테나 소자를 사용하여 신호를 송신하는 래디얼 UCA를 사용하는 OAM 기반 송신기.
  9. OAM(Orbital Angular Momentum) 다중 모드 신호를 수신하는 UCA 구조 안테나;
    상기 UCA 구조 안테나가 수신하는 신호를 복조하는 복조기; 및
    상기 OAM 다중 모드 신호의 모드를 결정하고, 상기 복조기의 출력신호에 가중치를 부여하는 모드결정기를 포함하되,
    상기 UCA 구조 안테나는 동일한 개수인 복수의 안테나 소자를 포함하고, 각 안테나에서 동일한 순번의 안테나 소자는 동일한 래디얼 선(radial line)에 위치하는 래디얼 UCA를 사용하는 OAM 기반 수신기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 UCA 구조 안테나는 안테나 소자들이 래디얼 서브어레이를 구성하고, 상기 래디얼 서브어레이는 안테나 중심을 기준으로 동일한 방위각에 위치하는 래디얼 UCA를 사용하는 OAM 기반 수신기.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 모드결정기는 상기 복조기가 출력하는 복수의 신호들에 각각 임의의 복소수 값을 갖는 가중치를 부여하는 래디얼 UCA를 사용하는 OAM 기반 수신기.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 UCA 구조 안테나는 모드 0에서 반경이 가장 작은 안쪽 소자만을 사용하여 신호를 수신하고, 모드 0이 아닌 다른 모드에서는 모든 안테나 소자를 사용하여 신호를 수신하는 래디얼 UCA를 사용하는 OAM 기반 수신기.
  13. 송신기가 OAM(Orbital Angular Momentum) 다중 모드 중 송신에 사용할 모드를 결정하는 단계;
    상기 송신기가 송신신호에 가중치를 부여하는 단계;
    상기 송신기가 가중치가 부여된 상기 송신신호를 변조하는 단계; 및
    상기 송신기가 변조한 송신 신호를 복수의 송신 UCA(uniform circular array) 안테나 중 적어도 하나에 매핑하여 송신하는 단계를 포함하되,
    상기 UCA 구조 안테나는 동일한 개수인 복수의 안테나 소자를 포함하고, 각 안테나에서 동일한 순번의 안테나 소자는 동일한 래디얼 선(radial line)에 위치하는 OAM 기반의 신호 송신 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 가중치를 부여하는 단계에서
    상기 송신기는 상기 송신신호의 송신심볼들에 각각 임의의 복소수 값을 갖는 가중치를 부여하는 OAM 기반의 신호 송신 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 송신기는
    모드 0의 경우, 상기 UCA 구조 안테나에서 반경이 가장 작은 안쪽 소자만을 사용하여 신호를 송신하고,
    모드 0이 아닌 다른 모드의 경우, 상기 UCA 구조 안테나의 모든 안테나 소자를 사용하여 신호를 송신하는 OAM 기반의 신호 송신 방법.
  16. 수신기가 UCA 구조 안테나를 이용하여 OAM(Orbital Angular Momentum) 다중 모드 신호를 수신하는 단계;
    상기 수신기가 수신한 신호를 복조하는 단계;
    상기 수신기가 수신한 OAM 다중 모드 신호의 모드를 결정하고, 상기 복조한 신호에 가중치를 부여하는 단계를 포함하되,
    상기 UCA 구조 안테나는 동일한 개수인 복수의 안테나 소자를 포함하고, 각 안테나에서 동일한 순번의 안테나 소자는 동일한 래디얼 선(radial line)에 위치하는 OAM 기반의 신호 수신 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 가중치를 부여하는 단계에서
    상기 수신기는 복수의 복조기가 복조한 복수의 신호들 각각에 임의의 복소수 값을 갖는 가중치를 부여하는 OAM 기반의 신호 수신 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 수신기는
    모드 0의 경우, 상기 UCA 구조 안테나에서 반경이 가장 작은 안쪽 소자만을 사용하여 신호를 수신하고,
    모드 0이 아닌 다른 모드의 경우, 상기 UCA 구조 안테나의 모든 안테나 소자를 사용하여 신호를 수신하는 OAM 기반의 신호 수신 방법.
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