KR20210015649A - 무선 통신 시스템에서 신호를 송수신하는 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 개시는 무선 통신 시스템에서 신호를 송수신하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 무선 통신 시스템에서 전자 장치는, 송수신부; 및 적어도 하나의 프로세서; 를 포함하고, 상기 송수신부는, 안테나부 및 메타표면부를 포함하고, 상기 안테나부는 복수의 안테나들을 포함하고, 상기 적어도 하나의 프로세서는, 상기 복수의 안테나들 각각에 대하여 제1 빔들을 생성하고, 상기 제1 빔들을 상기 복수의 안테나들로부터 상기 메타표면부에게 전송하고, 상기 메타표면부를 통해, 상기 제1 빔들에 기초하여 제2 빔들을 생성하고, 상기 제2 빔들을 다른 전자 장치에게 전송하고, 상기 메타표면부는, 상기 복수의 안테나들 각각에 대하여 생성된 상기 제1 빔들을 수용하도록 배열될 수 있다.

Description

무선 통신 시스템에서 신호를 송수신하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR TRANSMITTING AND RECEIVING SIGNAL IN A WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM}

본 개시는 무선 통신 시스템에서 신호를 송수신하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

5G(5^th generation) 이후의 6G(6^th generation) 이동 통신 시스템에서는, 부족한 대역폭을 확보하기 위해 밀리미터 파(Millimeter Wave) 대역 또는 테라 헤르츠(Terahertz) 대역의 초고주파 대역이 활용될 수 있다. 초고주파 대역에서는 전파의 경로 감쇄(Path Loss)로 인한 손실이 크고, 반사 또는 투과되는 전파의 크기는 이전 이동 통신용 주파수(UHF(Ultra High Frequency), VHF(Very High Frequency) 대역 등의 6 GHz 이하 주파수)와 대비하여 급격히 떨어질 수 있다. 이러한 전파의 경로 손실을 완화하고, 전파의 수신 거리를 증가시키기 위해 다수의 안테나를 활용한 빔 형성(beamforming)(이하, 빔포밍) 기법이 운용될 수 있다. 단말 또는 기지국은 다수 안테나에 추가적으로 아날로그 및 디지털 신호 처리 기법을 이용하여 특정 방향으로 빔 방향을 지향 시킬 수도 있다. 다만, 빔의 지향 각도를 조절하기 위해서는 위상 천이기(phase shifter), 전력 증폭기 (power amplifier), 믹서 (mixer)와 같은 추가적인 고주파 신호 처리 구성 요소가 필요하다. 이러한 고주파 신호 처리 구성 요소는 그 자체로 전력을 소모하므로, 결국 안테나 별 고주파 신호 처리 구성 요소가 증가할수록, 빔 형성 및 빔 지향을 위해 추가적으로 많은 에너지가 소모되는 문제가 발생할 수 있다. 이에 따라, 메타물질(metamaterial)에 대한 연구가 진행되고 있다.

상술한 바와 같은 논의를 바탕으로, 본 개시는 무선 통신 시스템에서 신호를 효과적으로 송수신할 수 있는 장치 및 방법을 제공한다.

본 개시의 일 실시예에 따르면, 무선 통신 시스템에서 전자 장치는, 송수신부; 및 적어도 하나의 프로세서; 를 포함하고, 상기 송수신부는, 안테나부 및 메타표면부를 포함하고, 상기 안테나부는 복수의 안테나들을 포함하고, 상기 적어도 하나의 프로세서는, 상기 복수의 안테나들 각각에 대하여 제1 빔들을 생성하고, 상기 제1 빔들을 상기 복수의 안테나들로부터 상기 메타표면부에게 전송하고, 상기 메타표면부를 통해, 상기 제1 빔들에 기초하여 제2 빔들을 생성하고, 상기 제2 빔들을 다른 전자 장치에게 전송하고, 상기 메타표면부는, 상기 복수의 안테나들 각각에 대하여 생성된 상기 제1 빔들을 수용하도록 배열될 수 있다.

또는, 본 개시의 일 실시예에 따르면, 무선 통신 시스템에서 전자 장치의 동작 방법은, 복수의 안테나들 각각에 대하여 제1 빔들을 생성하는 단계; 상기 제1 빔들을 상기 복수의 안테나들로부터 메타표면부에게 전송하는 단계; 상기 메타표면부를 통해, 상기 제1 빔들에 기초하여 제2 빔들을 생성하는 단계; 및 상기 제2 빔들을 다른 전자 장치에게 전송하는 단계; 를 포함할 수 있고, 상기 메타표면부는, 상기 복수의 안테나들 각각에 대하여 생성된 상기 제1 빔들을 수용하도록 배열될 수 있다.

도 1은 메타표면(metasurface)과 관련된 반사(reflection) 및 굴절(refraction)의 예시를 도시하는 도면이다.
도 2는 메타표면 활용의 2가지 예시들을 도시하는 도면이다.
도 3은 위상 어레이(phased array) 빔포밍(beamforming) 및 메타표면 빔포밍의 예시를 도시하는 도면이다.
도 4는 광학 렌즈(optical lens)에 기초한 RF(radio frequency) 프론트-앤드(front-end)구조와 단일 레이어(single-layer) 메타표면 RF 프론트-앤드 구조의 예시를 도시하는 도면이다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 다중 레이어(multi-layer) 메타표면 RF 프론트-앤드 구조의 예시를 도시하는 도면이다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 다중 레이어 메타표면 RF 프론트-앤드 구조의 구체적인 예시를 도시하는 도면이다.
도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 메타표면 RF 프론트-앤드 구조의 예시를 도시하는 도면이다.
도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른 전자 장치의 동작 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 9a는 본 개시의 일 실시예에 따른 메타표면에 대하여 선형으로(linearly) 배열된(arrayed)안테나들의 예시를 도시하는 도면이다.
도 9b는 본 개시의 일 실시예에 따른 메타표면에 대하여 선형으로 배열된 안테나들에 대한 빔포밍 이득의 측정 결과를 도시하는 도면이다.
도 10a는 본 개시의 일 실시예에 따른 메타표면에 대하여 방사상으로(radially) 배열된 안테나들의 예시를 도시하는 도면이다.
도 10b는 본 개시의 일 실시예에 따른 메타표면에 대하여 방사상으로 배열된 안테나들에 대한 빔포밍 이득의 측정 결과를 도시하는 도면이다.
도 11은 본 개시의 일 실시예에 따른 메타 채널을 포함하는 시스템을 도시하는 도면이다.
도 12는 본 개시의 일 실시예에 따른 메타표면을 이용한 채널 모델의 예시를 도시하는 도면이다.
도 13은 본 개시의 일 실시예에 따른 메타표면으로 인한 빔포밍의 결과를 도시하는 도면이다.
도 14는 본 개시의 일 실시예에 따른 메타표면을 이용한 방사 패턴을 측정하기 위한 설정을 도시하는 도면이다.
도 15는 본 개시의 일 실시예에 따른 안테나 어레이와 메타표면의 빔포밍 이득을 도시하는 도면이다.
도 16a는 본 개시의 일 실시예에 따른 선형 비 초점 피드 안테나(linear non-focal feed antenna)의 각도에 따른 이득을 도시하는 도면이다.
도 16b는 본 개시의 일 실시예에 따른 방사형 비 초점 피드 안테나(radial non-focal feed antenna)의 각도에 따른 이득을 도시하는 도면이다.
도 17은 본 개시의 일 실시예에 따른 안테나 패턴을 도시하는 도면이다.
도 18은 본 개시의 일 실시예에 따른 메타표켠으로 인한 평균 UE(user equipment) 용량(capacity)을 도시하는 도면이다.
도 19는 본 개시의 일 실시예에 따른 전자 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 20은 본 개시의 일 실시예에 따른 전자 장치의 송수신부의 구성을 도시한 블록도이다.

이하, 본 개시의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 또한 본 개시를 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 개시에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 개시의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 개시는 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 개시의 개시가 완전하도록 하고, 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 개시는 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

이때, 처리 흐름도 도면들의 각 블록과 흐름도 도면들의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 흐름도 블록(들)에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 흐름도 블록(들)에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다. 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 흐름도 블록(들)에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.

또한, 각 블록은 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실행 예들에서는 블록들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예를 들면, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 블록들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.

이때, 본 실시예에서 사용되는 '~부'라는 용어는 소프트웨어 또는 FPGA(Field Programmable Gate Array) 또는 ASIC(Application Specific Integrated Circuit)과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '~부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '~부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들, 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '~부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부'들로 더 분리될 수 있다. 뿐만 아니라, 구성요소들 및 '~부'들은 디바이스 또는 보안 멀티미디어카드 내의 하나 또는 그 이상의 CPU들을 재생시키도록 구현될 수도 있다. 또한 실시예에서 ‘~부’는 하나 이상의 프로세서를 포함할 수 있다.

하기에서 본 개시를 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 개시의 실시 예를 설명하기로 한다.

이하 설명에서 사용되는 접속 노드(node)를 식별하기 위한 용어, 망 객체(network entity, 네트워크 엔티티)들을 지칭하는 용어, 메시지들을 지칭하는 용어, 망 객체들 간 인터페이스를 지칭하는 용어, 다양한 식별 정보들을 지칭하는 용어 등은 설명의 편의를 위해 예시된 것이다. 따라서, 본 개시가 후술되는 용어들에 한정되는 것은 아니며, 동등한 기술적 의미를 가지는 대상을 지칭하는 다른 용어가 사용될 수 있다.

이하 설명에서, 물리 채널(physical channel)과 신호(signal)는 데이터 혹은 제어 신호와 혼용하여 사용될 수 있다. 예를 들어, PDSCH(physical downlink shared channel)는 데이터가 전송되는 물리 채널을 지칭하는 용어이지만, PDSCH는 데이터를 지칭하기 위해서도 사용될 수 있다. 즉, 본 개시에서, '물리 채널을 송신한다'는 표현은 '물리 채널을 통해 데이터 또는 신호를 송신한다'는 표현과 동등하게 해석될 수 있다.

이하 본 개시에서, 상위 시그널링은 기지국에서 물리 계층의 하향링크 데이터 채널을 이용하여 단말로, 또는 단말에서 물리 계층의 상향링크 데이터 채널을 이용하여 기지국으로 전달되는 신호 전달 방법을 뜻한다. 상위 시그널링은 RRC(radio resource control) 시그널링 또는 MAC(media access control) 제어 요소(control element, CE)로 이해될 수 있다.

이하 설명의 편의를 위하여, 본 개시는 3GPP NR(3rd Generation Partnership Project NR (New Radio)) 규격에서 정의하고 있는 용어 및 명칭들을 사용한다. 하지만, 본 개시가 상기 용어 및 명칭들에 의해 한정되는 것은 아니며, 다른 규격에 따르는 시스템에도 동일하게 적용될 수 있다. 본 개시에서 gNB는 설명의 편의를 위하여 eNB와 혼용되어 사용될 수 있다. 즉 eNB로 설명한 기지국은 gNB를 나타낼 수 있다. 또한 단말이라는 용어는 핸드폰, MTC 기기, NB-IoT 기기, 센서뿐만 아니라 또 다른 무선 통신 기기들을 나타낼 수 있다.

이하, 기지국은 단말의 자원할당을 수행하는 주체로서, gNode B (gNB), eNode B (eNB), Node B, BS (Base Station), 무선 접속 유닛, 기지국 제어기, 또는 네트워크 상의 노드 중 적어도 하나일 수 있다. 단말은 UE (User Equipment), MS (Mobile Station), 셀룰러폰, 스마트폰, 컴퓨터, 또는 통신기능을 수행할 수 있는 멀티미디어시스템을 포함할 수 있다. 물론 상기 예시에 제한되는 것은 아니다.

무선 통신 시스템의 세대(generations)는 급증하는(soaring) 데이터 속도(data rate)에 대한 요구를 충족시키기 위하여 마이크로파(microwave) 및 밀리미터파(millimeter wave, mmWave)로부터 테라헤르츠(terahertz, THz) 대역과 같이 더 높은 주파수(higher operating frequencies) 대역으로 이동하고 있다. 3GPP에는 4G LTE 시스템에서는 고려되지 않은 5G NR 사양(specification)을 위하여 24, 26, 28 및 39GHz 대역이 포함되었다. 특히, 0.1 THz 내지 10 THz로 확장되는 테라헤르츠 대역에서, 약 200GHz 더 많은 대역폭이 발굴될(excavate) 가능성이 있다. 결과적으로, 이러한 고주파 대역은 무선 통신 분야의 몇몇 회사들을 끌어들이고(attracting several companies) 있다.

고주파의 명백한 장점에도 불구하고, 현재 대역(current bands)과 비교하여 셀룰러 네트워크(cellular networks)에서 이러한 높은 대역을 사용하기 위해서 해결 되어야 할 문제점들이 있으며, 해당 문제점들은 다음과 같다.

1)비효율적인 RF 컴포넌트(Inefficient RF components): 테라헤르츠(THz) 대역에서는 효율적인 RF 컴포넌트가 사용될 수 없기 때문에 오랫동안 활용률이 낮았다(under-utilized). 특히, 전력 증폭기(power amplifier, PA)를 개발하기 위해 CMOS 및 SiGe와 같은 반도체 프로세싱 기술은 충분한 이득(gain)과 효율을 제공할 수 없었다. 마이크로파와 적외선 영역(infrared region) 사이의 테라헤르츠 대역을 대상으로 하는 실질적인 RF 컴포넌트가 제공되지 않아 소위 THz 밴드 갭(THz band gap)이 발생하였다.

2)RF 전송 라인에서 높은 손실(High loss in RF transmission line): 일반적인(typical) 트랜시버에서, 신호를 방사하거나(radiate) 수신하기 위해, RF 컴포넌트들과 안테나 요소들(antenna elements) 간에 RF 신호들을 전달하기 위해 전송 라인이 필요하다. 주파수가 증가함에 따라, 파장은 더 짧아지고, 따라서 더 많은 에너지가 전송 라인에 의해 소실(dissipated)될 수 있다. 테라헤르츠 대역에 대한 전송 라인의 새로운 설계가 없는 경우, 안테나 요소는 링크 버짓(link budget)을 관리하기 위해 신호를 방출할 만큼 충분한 전력을 수신할 수 없을 수 있다.

3)높은 전파 감쇄(High propagation attenuation): 고주파(high frequency)를 갖는 전자기파는, 주파수의 제곱에 반비례하는 고유한 FSPL(free space path loss)을 겪을 수 있다. 이는 1.8GHz의 동작 주파수와 180GHz의 THz 주파수가 비교되는 경우, FSPL은 LTE 대역보다 40dB 높으며, 이는 약 10,000배의 심각한 감쇄를 의미할 수 있다. 고주파에서 동작하는 것과 관련된 환경 감쇄 또한 증가할 수 있다. 예를 들어, 60GHz 파형의 대기 흡수(atmospheric absorption)로 인한 감쇄는 10dB/km 이상이며, 700MHz 파형에 대해서는 약 0.01dB/km의 감쇄가 나타날 수 있다. 이러한 전자기파의 높은 감쇄는 테라헤르츠 통신 시스템을 실현하는데 주요한 장애물 중 하나로 간주될 수 있다.

상술된 문제점들을 극복하고, 높은 스펙트럼을 완전히 활용하기 위해서는 고효율 송신기(transmitter, TX) 및 수신기(receiver, RX)가 개발될 필요가 있다. 이에 따라, 원하는 방식(desired manner)으로 전자기파를 제어할 수 있는 마이크로 또는 나노스케일 구조들을 갖는 인공 물질(artificial substances)인 메타물질을 활용하려는 여러 시도가 있었다.

전자기적으로(electromagnetically) 보이지않는(invisible) 클럭(cloak)은, 우선 마이크로 주파수 대역에 걸쳐 설계된 메타물질에 의해 구현되었다. 또한, 예루살렘 십자형 단위 셀들(Jerusalem cross-shaped unit cells)로 구성된 평면 메타 물질은, 위상-그레디언트(phase-gradient) 메타물질을 이용한 높은 이득 및 낮은 프로파일 렌즈 안테나를 설계하도록 도입되었다. 또한, 프라이머리 빔(primary beam)을 원하는 빔으로 재형성(reshape)하도록 설계된 위상 시프트 구조들(phase shift structures, PSSs)로 구성된 메타물질의 사용에 기초한 빔 형성 기술이 도입되었다. 빔은 광선 튜브(ray tubes)의 세트로 간주될 수 있고, 그 굴절 특성은 원하는 모양의 빔을 형성하기 위하여 일반화된 굴절의 법칙에 기초하여, PSSs에 의하여 수정될 수 있다. 또한, 고 이득 지향성 빔 패턴들(high-gain directive beam patterns) 및 메타물질의 빔 지향성이 연구되고 있다. 또한, 반사를 최소화하고 로우 프로파일을 유지하면서 원하는 렌즈 효과를 수행할 수 있는 호이겐스(Huygens)의 원리를 적용한 메타물질 렌즈 디자인이 연구되었다.

상술된 기존의 메타물질 기술은 내장된(embedded) 전방향(omnidirectional) 소스로부터의 방사(radiation)가, 임의의 방향들로 지시된 임의의 원하는 수의 고도의 지향성 빔으로 변환될 수 있음을 보여준다. 특히, 스플릿 링 공진기(split ring resonators) 또는 V 형(V shaped) 안테나들과 같은 단위 셀들로 구성된 평면(planar) 메타물질 구조인 메타표면은 반사 또는 흡수(absorption) 손실이 적은 입사 파(incident wave)를 굴절시킴으로써 파동(wave) 전파(propagation)를 제어할 수 있다.

메타표면에 대한 연구들은 단일 레이어 전송 시나리오에서 얼마나 많은 빔 포밍 이득이 달성될 수 있는지에 대하여 초점이 맞추어져 있었다. 다만, 이러한 연구들은 MIMO 동작의 효율성이나, 베이스밴드 시스템 설계(baseband system design)에 미치는 영향을 고려하지는 않았다. 이러한 관점에서, 본 개시는 메타표면을 이용한 MIMO 동작을 가능하게 하는 새로운 메타표면 RF 프론트-앤드(RF front-end) 디자인을 제안한다. 구체적으로, 본 개시에 따른 잘 설계된(well-designed) 큰 개구경(large aperture) 메타표면은 초점(focal point)에 위치한 단일 피드 안테나(single feed antenna)뿐만 아니라, 비 초점들(non-focal points)에 적절하게(properly) 위치한 다른 피드 안테나들에 대해서도 상당한 빔포밍 이득을 달성할 수 있음을 보여준다.

추가적으로, 본 개시에서 제안되는 RF 프론트-앤드 설계를 통해 메타표면과 안테나 배열을 적절히 활용함으로써 높은 시스템 용량(system capacity)과 빔포밍 이득이 획득될 수 있다. 따라서, 본 개시의 메타표면을 이용한 새로운 RF 프론트-앤드 설계는 향후 6G 무선 통신을 위하여 사용될 수 있다. 특히, 본 개시에 따른 RF 프론트-앤드 설계가 도입되는 경우, 고주파 대역에서 장치 효율과 관련된 문제점이 개선될 수 있다. 이하 본 개시의 실시예들에 적용될 수 있는 메타물질이 설명된다.

본 개시에서 메타물질(metamaterial)이란, 인공적인 구조로 배치된 물성들의 기하학적 특성으로 인해, 특정 전자기학 특성을 유도하도록 만들어진 물질을 의미할 수 있다. 또한, 메타표면(metasurface)은 메타 물질을 2차원 평면 구조로 만든 물체를 통칭할 수 있다. 통신 시스템에서, 메타표면은 렌즈 안테나를 구성하는 요소로 연구되고 있다. 구체적으로, 메타표면은, 안테나에서 방사되는 전파의 파장보다 짧은 거리에 단위 구조체(unit cell)를 평면 형태로 균일 또는 불 균일하게 배치함으로써, 메타표면의 단위 구조체에 입사되는 전파에 위상 차를 발생시킬 수 있다. 그리고, 메타표면은 이러한 위상 차를 이용하여, 메타표면의 단위 구조체에 입사되는 전파를 재 방사할 수 있다. 따라서, 적절한 위치에 단위 구조체들이 설계 및 배치되는 경우, 안테나에서 방사되는 전파를 모아주는 빔 형성 기능이 이용될 수 있고, 빔 지향 각이 조절될 수 있다. 따라서, 특정 안테나에서 방사되는 전파를 메타표면을 이용하여 모아주는 메타물질 표면의 구조가 설계되는 경우, 고 주파수 대역에서의 전파 경로 손실을 완화시키는 장치로 활용될 수 있다. 이와 같이, 본 개시에서 메타물질 표면을 이용하여 고 주파수 대역에서의 전파 경로 손실을 완화시키는 장치는, 메타표면(metasurface), 메타물질 렌즈(metamaterial lens) 또는 메타표면 렌즈(metasurface lens)라고 지칭될 수 있다. 이하, 본 개시에서는 메타표면(metasurface)으로 지칭된다. 메타표면이 안테나와 함께 사용되는 경우, 안테나만이 사용될 때보다 더 높은 빔 이득(beam gain)이 획득될 수 있다.

메타물질은 원하는 방식으로(desired manner) 전자기파(EM(electromagnetic) waves)를 제어할 수 있는 마이크로(micro) 또는 나노스케일(nanoscale) 구조(structure)를 갖는 인공 물질(artificial substance)을 의미한다. 평면 메타 물질 구조(planar metamaterial structure)인 메타표면에 입사하는(incident on a metasurface) 전자기파는 서브파장-스케일(subwavelength-scale) 유닛 셀들(unit cells)에 따라 상이한 위상 시프트(phase shifts)를 경험할 수 있다. 잘 설계된(well-designed) 메타표면의 위상 시프트는 전례 없는(unprecedented) 빔포밍 이득을 가져올 수 있다. 다만, 메타표면을 활용한(utilizing) 다중 입력 다중 출력(multi-input and multi-output, MIMO) 운영 체계(operation schemes)는 아직 논의되지 아니하였다.

이에 따라, 본 개시는, 상술된 메타표면을 활용한 MIMO 운영 체계와 관련된 RF(Radio Frequency) 프론트-앤드(front-end) 구조(structure)를 제안한다. 본 개시에 따른 RF 프론트 앤드 구조가 사용되는 경우, 빔포밍 이득뿐만 아니라 메타표면에 의한 시스템 용량(system capacity) 또한 증가할 수 있다. 또한, 본 개시에 따른 메타표면은 6G 무선 통신을 위한 고주파 대역에서(high frequency band)에서 MIMO 운영(operation)을 용이하게 할 수 있다. 먼저 본 개시에 따른 메타표면의 원리는 후술되는 도 1 및 도 2에서 설명된다.

도 1은 메타표면(metasurface)과 관련된 반사(reflection) 및 굴절(refraction)의 예시를 도시하는 도면이다.

도 1을 참조하면, 메타표면의 개념은 반사 및 굴절에 대한 법칙을 통해 표현될 수 있다. 예를 들어, 메타표면에 적용될 수 있는 굴절의 법칙의 경우, 1차원 메타표면이 z 축(z-axis)을 따라 임계치 이하의 무시할 수 있는 두께(negligible thickness)를 가지고, 메타표면의 단위 셀들이 x 축을 따라

의 위상 불연속성(phase discontinuity)을 갖는다고 가정될 수 있다. 예를 들면, 도 1에서 메타표면의 굴절의 법칙에 따른 각 파라미터들 간의 관계는 아래의 <수학식 1>과 같다.

<수학식 1>에서,

,

,

,

는 각각 투과(transmitted) 및 입사(incident) 매질(medium)의 각도들 및 굴절률들을 의미할 수 있다. 예를 들어,

는 메타표면으로부터 매질 2로 진행하는 전자기파의 변칙 굴절에 대한 투과 각도(transmitted angle) 또는 굴절 각도를 의미할 수 있고,

는 매질 1로부터 메타표면으로 진행하는 전자기파의 입사 각도(incident angle)를 의미할 수 있다. 그리고,

는 매질 2의 굴절률을 의미할 수 있고,

는 매질 1의 굴절률을 의미할 수 있다. 또한,

는 파장을 의미할 수 있다. 메타표면에 의해 도입된 위상 불연속성이 없는 경우(즉,

), 상술된 <수학식 1>은 스넬의 기하학적 광학 법칙(Snell's law of geometric optics)과 동일할 수 있다. <수학식 1>은 굴절파가 임의의 방향

를 가질 수 있음을 암시할 수 있다. 그리고, 인터페이스를 따라 위상 불연속의 그레디언트가 도 1과 같이 적절하게 구현될 수 있다. 또한, 도 1을 참조하면, 매질 1로부터 메타표면으로 진행하는 전자기파의 입사에 대하여 변칙 반사도 일어날 수 있다.

서브-파장(sub-wavelength) 금속 유닛 셀들을 기판(substrate) 상에 주기적으로 프린팅함으로써, 단일 또는 다중-계층(multi-layer)의 평면 메타물질로 구성된 별개의(discrete) 위상 불연속성 메타표면이 구현될 수 있다. 메타표면을 구성하는 각각의 유닛 셀은 피드 안테나 요소로부터 입사 전자기파를 수신할 수 있고, 이후 위상 지연된(phase-delayed) 전자기파를 방사할 수 있다.

Huygens-Fresnel 원리에 따르면, 등위 파면(equiphase wave fronts)은 유닛 셀들로부터 나오는 위상 지연 구형 파들(phase-delayed spherical waves)을 건설적으로(constructive) 결합함으로써 생성될 수 있다. 소위 평면파(plane wave)와 같은 등위 파면을 방사하는 메타표면을 설계함으로써, 전파의 진폭(amplitude of wave)이 전파 방향(propagation direction)을 따라 보존되어(preserved) 높은 빔포밍 이득이 얻어질 수 있다.

도 2는 메타표면 활용(application)의 2가지 예시들을 도시하는 도면이다.

도 2를 참조하면, 도 2의 좌측 그림은, 피드 안테나에서 방출된 구면파(spherical wave)가 메타표면에 의해 지시(directive) 평면파(plane wave)로 재배열될 수 있음을 나타낸다. 이러한 빔 제어(controllability)는 안테나, 및 메타표면의 중심을 통한 초점 축(focal axis)까지의 방사상의 거리(radial distance)에 따라 위상 오프셋이 다른 유닛 셀들에 기인(attributed to unit cells with different phase offsets)할 수 있다.

도 2의 우측 그림은, 피드 안테나 어레이로부터 생성된 평면파에 대한 예시와 반대 현상(reverse phenomenon)을 나타낸다. 예를 들어, 우측 그림의 메타표면은 좌측 그림의 예시와 반대 위상 오프셋을 채택함으로써(adopting) 집중된(concentrated) 전자기파를 생성할 수 있다. 고주파 대역의 고유 감쇄(intrinsic attenuation)를 완화(mitigate)하기 위해, 시준 파(collimated waves)의 진폭 향상을 활용하기 위해, 분산 구형 파(dispersive spherical wave)로부터 집중(concentrated) 평면파에 이르는 사례들이 연구될 수 있다. 또한, 도 2는 좌측 그림 및 우측 그림 각각에 대하여, 위상 변이에 따른 방사상의 거리(radial distance)를 나타내는 그래프를 도시한다.

도 3은 위상 어레이(phased array) 빔포밍(beamforming) 및 메타표면 빔포밍의 예시를 도시하는 도면이다.

도 3을 참조하면, 위상 어레이(phase array) 빔포밍(310) 및 메타표면 빔포밍(320)의 예시가 도시되어 있다. 위상 어레이 빔포밍(310)에서는, 아날로그 빔포밍이 수행될 수 있다. 즉, 복수의 RF 위상 천이기(RF phase shifter) 간의 위상 조절로 빔 방향이 조절될 수 있다. 또한, 위상 어레이 빔포밍(310)에서는 MIMO 동작이 가능할 수 있다. 이에 따라, 공간 다중화 이득(spatial multiplexing gain)이 얻어질 수 있다. 다만, 위상 어레이 빔포밍(310)에서는 복수의 RF 위상 천이기로 인하여 RF 프론트-앤드의 구조가 복잡할 수 있고, 복수의 RF 위상 천이기를 동작시키기 위한 전력 소모가 클 수 있다. 즉, 안테나 요소들 각각에 대한 전력 소모가 발생할 수 있다. 이에 따라, 위상 어레이 빔포밍(310)에서는, RF 위상 천이기를 이용한 빔 방향 조절 시 RF 손실이 발생할 수 있다.

메타표면 빔포밍(320)의 경우, 단일 안테나 요소를 통한 빔포밍이 가능한 장점이 있다. 다만, 일반적인 메타표면 빔포밍의 경우, 빔 스티어링(steering)이 수행될 수 없었고, MIMO 이득이 얻어질 수 없었다. 이에 본 개시에서는 빔 스티어링을 가능하게 할 뿐만 아니라, 효율적인 MIMO 이득을 획득할 수 있는 메타표면 RF 프론트-앤드 구조가 제안된다. 이하, 도 4 및 도 5는 광학 렌즈 또는 단일 레이어를 갖는 메타표면 구조와, 본 개시에서 제안되는 다중 레이어 메타표면 구조의 차이점을 설명한다.

도 4는 광학 렌즈(optical lens)에 기초한 RF(radio frequency) 프론트-앤드(front-end)구조와 단일 레이어(single-layer) 메타표면 RF 프론트-앤드 구조의 예시를 도시하는 도면이다.

도 4을 참조하면, 광학 렌즈 기반(optical lens-based) RF 프론트-앤드(410) 구조의 예시와, 단일 레이어 메타표면(single-layer metasurface) RF 프론트-앤드(420) 구조의 예시가 도시된다.

도 4에서, 광학 렌즈 기반 RF 프론트-앤드(410) 구조는, 전력 증폭기(power amplifier, PA) 및 안테나 어레이를 연결하는 피드 라인과, 안테나 어레이 및 광학 렌즈를 포함할 수 있다. 또한, 광학 렌즈 기반 RF 프론트-앤드(410) 구조는, 전자기파를 지정된 지점(designated point)으로 집중시킬 수 있는 광학 렌즈 안테나를 포함할 수 있다. 광학 렌즈 기반 RF 프론트-앤드(410) 구조는, 광학 렌즈는 안테나와 렌즈 사이의 초점 거리(focal distances)와, 광선(rays)을 굴절시키기 위한 두께가 필요하므로, 부피가 크고(bulky) 평탄하지 않은(non-flat) 단점이 있다.

도 4에서, 단일 레이어 메타표면 RF 프론트-앤드(420) 구조는, 전력 증폭기, 안테나 어레이 및 메타표면을 포함할 수 있다. 단일 레이어 메타표면 RF 프론트-앤드(420) 구조는 메타표면-안테나 쌍(metasurface-antenna pair)을 나타낸다. 메타표면은 광학 렌즈에 비해 초점 거리가 짧기 때문에, 광학 렌즈와 비교하여 안테나 어레이와 가깝게 배치될 수 있다. 다만, 도 4의 단일 레이어 메타표면 RF 프론트-앤드(420) 구조에서는, 하나의 메타표면-안테나 쌍에 대해 단일 데이터 스트림만이 전송될 수 있으므로, MIMO 시스템의 공간 다중화 이득이 달성될 수 없다. 이에 따라, 본 개시는 도 4에 도시된 광학 렌즈 기반 RF 프론트-앤드(410) 구조와 단일 레이어 메타표면 RF 프론트-앤드(420) 구조의 단점을 극복하기 위하여, 도 5에서 다중 레이어 메타표면 RF 프론트-앤드 구조를 제안한다.

도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 다중 레이어(multi-layer) 메타표면 RF 프론트-앤드 구조의 예시를 도시하는 도면이다.

도 5를 참조하면, 다중 레이어 메타표면 RF 프론트-앤드(500) 시스템은, MIMO 메타표면 RF 프론트-앤드 시스템으로 지칭될 수 있다. 이에 따라, MIMO 메타표면 RF 프론트-앤드 시스템은, 다중 피드 안테나들과, 지정된 방향으로 모든 파들(waves)을 굴절시키는 큰 개구경(large-metasurface) 메타표면으로 구성될 수 있다. 즉, 도 5에 따른 다중 레이어 메타표면 RF 프론트-앤드(500) 구조는, 각 레이어(예: 레이어 1, 레이어 2, 레이어 3)에 대하여 프리코딩이 수행되고, 각 포트(예: 포트 1, 포트 2, 포트 3)의 전력 증폭기(PA)를 통해 전력이 증폭된 신호가 입력되는, 제1 안테나 어레이(510), 제2 안테나 어레이(520) 및 제3 안테나 어레이(530)를 포함할 수 있고, 제1 안테나 어레이(510), 제2 안테나 어레이(520) 및 제3 안테나 어레이(530)로부터 각각 방출되는 빔들을 수용할 수 있는 메타표면(540)을 포함할 수 있다. 메타표면(540)은 제1 안테나 어레이(510), 제2 안테나 어레이(520) 및 제3 안테나 어레이(530)로부터 각각 방출되는 빔들을 이용하여 특정 방향의 빔들을 형성할 수 있다. 즉, 메타표면(540)을 통하여 멀티 스트림 빔포밍(550)이 수행될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 레이어 별로 데이터 스트림이 형성되는 것으로 간주될 수 있다. 즉, 3개의 레이어에 대하여 3개의 데이터 스트림이 형성될 수 있다.

도 5에 개시된 다중 레이어 메타표면 RF 프론트-앤드(500) 구조는 도 4에 도시된 광학 렌즈 기반 RF 프론트-앤드(410) 구조와 단일 레이어 메타표면 RF 프론트-앤드(420) 구조와 비교하여, 1) MIMO 동작의 기능(capability of MIMO operation), 2) 큰 개구경을 통한 높은 빔포밍 이득(higher beamforming gain), 3) 빔 스티어링의 기능(capability of beam steering) 및 4) 광학 렌즈 안테나와 비교하여 작은 폼 팩터(form factor)와 같은 이점을 가질 수 있다.

메타표면에 대한 연구는 단지 단일 안테나-단일 렌즈 쌍의 빔포밍 이득에 초점이 맞추어져 있으나, 본 개시에 따른 실시예는 향상된 빔포밍 이득과 시스템 용량을 모두 달성할 수 있는 다중 안테나 단일 메타표면 구조를 제안한다.

본 개시에서 제안된 RF 프론트-앤드 설계를 설명하기 위하여, <표 1>과 같이 지오메트리(geometry)와 파라미터들이 설정될 수 있다. 그리고, 파라미터들은 <표 1>과 같이 3개의 그룹들로 분류될 수 있다. 예를 들어, 3개의 그룹들은 일반 파라미터들(general parameters), 피드 안테나(feed antenna)와 관련된 파라미터들 및 메타표면과 관련된 파라미터들로 분류될 수 있다.

<표 1>을 참조하면, 일반 파라미터들에서,

는 주파수를 의미할 수 있다.

는 파장을 의미할 수 있다.

는 안테나로부터 메타표면까지의 거리를 의미할 수 있다.

는 채널 행렬을 의미할 수 있다.

은 다중경로(multipath)의 개수/인덱스를 의미할 수 있다.

은 서브패스들(sub-paths)의 개수를 의미할 수 있다.

는 기지국 각도 스프레드(angular spread)를 의미할 수 있다.

는 MS(mobile station)의 각도 스프레드를 의미할 수 있다.

는 출발각(Angle of departure, AoD)을 의미할 수 있고,

는 도착각(Angle of arrival, AoA)을 의미할 수 있다.

는 파수(wavenumber)를 의미할 수 있다.

또한, 피드 안테나와 관련된 파라미터들에서,

는 수신 안테나의 개수/인덱스를 의미할 수 있다.

는 송신 안테나의 개수/인덱스를 의미할 수 있다.

는 BS안테나 어레이 간의 거리를 의미할 수 있다.

는 MS 안테나 어레이 간의 거리를 의미할 수 있다.

는 송신 안테나의 방사 패턴을 의미할 수 있다.

는 수신 안테나의 방사 패턴을 의미할 수 있다.

또한, 메타표면과 관련된 파라미터들에서,

는 RX 메타 요소들의 개수/인덱스를 의미할 수 있다.

는 송신 메타 요소들의 개수/인덱스를 의미할 수 있다.

는 메타 요소의 개수를 의미할 수 있다.

는 메타 요소 간의 거리를 의미할 수 있다.

는 송신 메타 요소의 방사 패턴을 의미할 수 있다.

는 수신 메타 요소의 방사 패턴을 의미할 수 있다.

기하학적 편의를 위해, 안테나 어레이와 메타표면에 대한 2차원 공간 채널이 고려될 수 있다. 또는, 안테나 어레이와 메타표면에 대한 공간 채널은 3차원으로 확장될 수도 있다.

도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 다중 레이어 메타표면 RF 프론트-앤드 구조의 구체적인 예시를 도시하는 도면이다.

도 6을 참조하면, 다중 레이어 메타표면 RF 프론트-앤드 구조는, 송신 안테나들(610)을 포함할 수 있고, 도 6의 실시예에서 송신 안테나들(610)은 3개의 송신 안테나들(예: 제1 안테나(612), 제2 안테나(614) 및 제3 안테나(616))을 포함할 수 있다. 그리고, 이러한 3개의 안테나들은 각각 방사 패턴을 형성할 수 있다. 그리고, 각 안테나에 대한 방사 패턴에 기초하여 메인 빔의 방향이 결정될 수 있다. 다만, 도 6에는 3개의 송신 안테나들(610)만이 도시되었으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 일 실시예에 따르면, 도 6의 제1 안테나(612), 제2 안테나(614) 및 제3 안테나(616))는 도 5의 제1 안테나 어레이(510), 제2 안테나 어레이(520) 및 제3 안테나 어레이(530)에 각각 대응될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 본 개시에 따른 다중 레이어 메타표면 RF 프론트-앤드 구조는 다수의 송신 안테나들을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 6의 다중 레이어 메타표면 RF 프론트-앤드 구조는 제4 안테나(622), 제5 안테나(624), 제6 안테나(626), 제7 안테나(628), 제8 안테나(630) 및 제9 안테나(632)를 포함할 수 있다. 그리고, 각 송신 안테나들은 하나 이상의 안테나 요소들(antenna elements)을 포함할 수 있다.

일 실시예들에 따라, 송신 안테나들(610)에 포함된 안테나들은, 안테나들 간의 간격(640)에 따라 배치될 수 있다. 그리고, 송신 안테나들(610)과 메타표면은 송신 안테나들(610)과 메타표면 간의 간격(642)에 따라 배치될 수 있다. 그리고, 메타표면은 복수의 유닛 셀들을 포함할 수 있다. 그리고, 메타표면에 포함된 복수의 유닛 셀들은, 복수의 유닛 셀들 간 간격(644)에 따라 배치될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 복수의 유닛 셀들 간 간격(644)은, 안테나들 간의 간격(640) 또는 송신 안테나들(610)과 메타표면 간의 간격(642) 등에 기초하여 결정될 수 있다. 또한, 안테나 어레이의 중심에 대하여, 메타표면은 대칭으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 안테나 어레이의 중심으로부터 메타표면의 끝까지의 거리(646)는, 안테나 어레이의 중심으로부터 메타표면의 좌측과 우측에 대하여 동일할 수 있다.

일 실시예에 따라, 송신 안테나들의 개수가 증가하는 경우, 증가하는 송신 안테나들에 의해 형성되는 빔들을 모두 수용하기 위하여, 안테나 어레이의 중심으로부터 메타표면의 끝까지의 거리(646)가 증가할 수 있다. 즉, 메타표면의 사이즈가 커질 수 있다. 후술되는 도 7은 도 5에 따른 다중 레이어 메타표면 RF 프론트-앤드 구조로부터, 안테나들과 메타표면의 구조를 보다 일반화한 예시를 나타낸다.

도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 메타표면 RF 프론트-앤드 구조의 예시를 도시하는 도면이다.

도 7을 참조하면, 본 개시에 따른 메타표면 RF 프론트-앤드 구조는, 전자 장치의 송수신부에 포함될 수 있다. 이때, 전자 장치는 단말, 기지국 또는 다른 통신 노드를 의미할 수 있다. 또한, 본 개시에서 안테나 어레이(antenna array), 안테나 패널(antenna panel)은 모두 안테나로 지칭될 수 있다.

도 7에 개시된 메타표면 RF 프론트-앤드 구조는, 제1 안테나(710), 제2 안테나(720) 및 제3 안테나(730)를 포함할 수 있다. 다만, 본 개시에 따른 메타표면 RF 프론트-앤드 구조에 포함된 안테나의 개수가 본 예시에 따른 안테나의 개수에 한정되는 것은 아니다. 각 안테나들은 하나 이상의 안테나 요소들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 안테나(710)는 제1 안테나 요소(712), 제2 안테나 요소(714), 제3 안테나 요소(716) 및 제4 안테나 요소(718)를 포함할 수 있고, 제2 안테나(720)는 제5 안테나 요소(722), 제6 안테나 요소(724), 제7 안테나 요소(726) 및 제8 안테나 요소(728)를 포함할 수 있고, 제3 안테나(730)는 제9 안테나 요소(732), 제10 안테나 요소(734), 제11 안테나 요소(736) 및 제12 안테나 요소(738)를 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 복수의 안테나들 각각에 대하여 송신 빔이 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 안테나(710)는 제1 빔들(740)을 형성할 수 있고, 제2 안테나(720)는 제2 빔들(750)을 형성할 수 있고, 제3 안테나(730)는 제3 빔들(760)을 형성할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 메타표면(770)은 하나 이상의 유닛 셀들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 메타표면(770)은 제1 유닛 셀(772) 및 제2 유닛 셀(774)을 포함할 수 있다. 또한, 제1 유닛 셀(772) 및 제2 유닛 셀(774)은 특정 간격(780)으로 배치될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 메타표면(770)은 복수의 안테나들로부터 수신된 빔들에 기초하여, 다른 전자 장치에 전송하기 위한 송신 빔을 생성할 수 있다. 예를 들어, 메타표면(770)은 제1 안테나(710)로부터 방출된 제1 빔들(740), 제2 안테나(720)로부터 방출된 제2 빔들(750) 및 제3 안테나(730)로부터 방출된 제3 빔들(760)에 기초하여, 다른 전자 장치에게 전송하기 위한 빔들(790)을 생성할 수 있다. 이때, 메타표면(770)은 복수의 안테나들로부터 방출되는 빔들(예: 제1 빔들(740), 제2 빔들(750) 및 제3 빔들(760))을 모두 수용할 수 있도록 배열될 수 있다. 이때, 메타표면(770)의 사이즈는 복수의 안테나들로부터 방출되는 빔들(예: 제1 빔들(740), 제2 빔들(750) 및 제3 빔들(760))을 모두 수용할 수 있을 정도로 클 수 있다.

본 개시에서 빔 이득, 빔포밍 이득 또는 이득은 복수의 안테나들(예: 제1 안테나(710), 제2 안테나(720) 및 제3 안테나(730))로부터 방사된 빔들(예: 제1 빔들(740), 제2 빔들(750) 및 제3 빔들(760)) 대비 메타표면(770)을 통해 방출된 빔들(790)의 이득을 의미할 수 있다.

도 7과 같이 메타표면 RF 프론트-앤드 구조가 형성되는 경우, 전자 장치의 동작 방법은 후술되는 도 8과 같다.

도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른 전자 장치의 동작 방법을 도시하는 흐름도이다.

도 8을 참조하면, 801 단계에서, 전자 장치는 복수의 안테나들 각각에 대하여 제1 빔들을 생성할 수 있다. 예를 들어, 전자 장치는 복수의 안테나들에 포함된 안테나 요소들을 이용하여, 송신 빔을 생성할 수 있다. 일 실시예에 따라, 전자 장치는 메타표면에서 최종 생성될 빔의 방향을 고려하여, 안테나를 통해 빔을 생성할 수 있다. 또는, 전자 장치는 안테나를 통해 임의의 빔을 방출하고, 메타표면에 대하여 미리 설정된 제어를 통해 원하는 방향을 갖는 빔을 생성할 수 있다.

803 단계에서, 전자 장치는 제1 빔들을 복수의 안테나들로부터 메타표면부에 전송할 수 있다. 즉, 복수의 안테나들로부터 방출된 빔들은 메타표면부에 수신될 수 있다. 이때, 메타표면부는 복수의 안테나들 각각에 대하여 생성된 빔들을 모두 수용하도록 배열될 수 있다. 즉, 메타표면부의 사이즈는 복수의 안테나들 각각에 대하여 생성된 빔들을 모두 수용하도록 결정될 수 있다. 본 개시에서 메타표면부는 메타표면을 포함하는 유닛을 의미할 수 있다.

805 단계에서, 전자 장치는 메타표면부를 통해 제1 빔들에 기초하여 제2 빔들을 생성할 수 있다. 예를 들어, 전자 장치는 메타표면부에 포함된 유닛 셀들의 배치를 통해, 메타표면의 유닛 셀에 입사되는 전파의 위상 차를 발생시킬 수 있다. 그리고, 전자 장치는 발생된 위상 차를 이용하여 메타표면부의 유닛 셀들에 입사되는 전파를 재 방사할 수 있다. 이를 통해, 전자 장치는 메타표면부를 통해 안테나에서 방사되는 빔들을 특정 방향으로 모아줄 수 있다. 이때, 메타표면부에서 형성되는 빔들은 제2 빔들을 의미할 수 있다.

807 단계에서, 전자 장치는 제2 빔들을 다른 전자 장치에게 전송할 수 있다. 예를 들어, 전자 장치가 단말인 경우, 전자 장치는 다른 단말 또는 기지국에게 제2 빔들을 이용하여 신호를 전송할 수 있다. 또는, 전자 장치가 기지국인 경우, 전자 장치는 다른 기지국 또는 단말에게 제2 빔들을 이용하여 신호를 전송할 수 있다.

후술되는 도 9a 내지 10b는 2개의 상이한 비 초점(non-focal) 피드 안테나들의 예시를 도시한다.

도 9a는 본 개시의 일 실시예에 따른 메타표면에 대하여 선형으로(linearly) 배열된(arrayed)안테나들의 예시를 도시하는 도면이다.

도 9a를 참조하면, 메타표면(950)에 대하여 제1 안테나(910), 제2 안테나(920), 제3 안테나(930) 및 제4 안테나(940)가 배치될 수 있다. 이때, 제1 안테나(910), 제2 안테나(920), 제3 안테나(930) 및 제4 안테나(940)는 직렬로 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 안테나(910), 제2 안테나(920), 제3 안테나(930) 및 제4 안테나(940)의 각 중심을 잇는 선과 메타표면(950)이 평행하게 배열될 수 있다. 또한, 제1 안테나(910), 제2 안테나(920), 제3 안테나(930) 및 제4 안테나(940)는 동일한 간격으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 안테나(910) 및 제2 안테나(920)는 제1 간격(902)으로 배치될 수 있고, 제2 안테나(920) 및 제3 안테나(930)는 제2 간격(904)으로 배치될 수 있고, 제3 안테나(930) 및 제4 안테나(940)는 제3 간격(906)으로 배치될 수 있다.

일 실시예에서, 제1 안테나(910), 제2 안테나(920), 제3 안테나(930) 및 제4 안테나(940)로부터 메타표면의 중심(960)까지의 거리는 상이할 수 있다. 일 실시예에서, 제1 안테나(910)는 메타표면의 중심(960)에 대하여 평행하게 빔을 방사할 수 있다. 이때, 제1안테나(910)는 초점 안테나(focal antenna)로 지칭될 수 있다. 반면, 제2 안테나(920), 제3 안테나(930) 및 제4 안테나(940)는 메타표면의 중심(960)에 대하여 평행하게 빔을 방사할 수 없을 수 있다. 이러한 경우, 제2 안테나(920), 제3 안테나(930) 및 제4 안테나(940)는 비 초점 안테나(non-focal antenna)로 지칭될 수 있다.

즉, 도 9a는, 복수의 안테나들 각각(예: 제1 안테나(910), 제2 안테나(920), 제3 안테나(930) 및 제4 안테나(940))은 메타표면(950)에 대하여 평행하게 배열될 수 있고, 복수의 안테나들 각각(예: 제1 안테나(910), 제2 안테나(920), 제3 안테나(930) 및 제4 안테나(940))으로부터 메타표면의 중심(960)까지의 거리는 상이한 실시예를 도시한다. 상술된 도 9a와 같이 메타표면(950)에 대하여 선형으로 배열된 안테나들에 대하여, 측정된 빔포밍 이득은 후술되는 도 9b에 도시된다.

도 9b는 본 개시의 일 실시예에 따른 메타표면에 대하여 선형으로 배열된 안테나들에 대한 빔포밍 이득의 측정 결과를 도시하는 도면이다.

도 9b를 참조하면, 도 9b의 안테나는 복수의 안테나들을 포함할 수 있다. 이때, 도 9b의 안테나에 포함된 1번 안테나, 2번 안테나, 3번 안테나 및 4번 안테나는, 도 9a의 제1 안테나(910), 제2 안테나(920), 제3 안테나(930) 및 제4 안테나(940)와 각각 대응될 수 있다. 그리고, 도 9b의 각 안테나들 간 간격은 도 9a의 간격들(예: 제1 간격(902), 제2 간격(904) 및 제3 간격(906))과 각각 대응될 수 있다. 또한, 도 9b의 메타표면은 도 9a의 메타표면(950)에 대응될 수 있다. 도 9b는 1번 안테나, 2번 안테나, 3번 안테나 및 4번 안테나가 메타표면의 중심으로 빔을 방사하는 경우, 초점 안테나인 1번 안테나로부터의 위치에 따른 안테나 대비 메타표면의 빔 이득을 나타낸다.

도 9b에서, 1번 안테나, 2번 안테나, 3번 안테나 및 4번 안테나는 각각

의 스위핑 각도(sweeping angle)를 두고 배치될 수 있다. 즉, 도 9b의 1번 안테나, 2번 안테나, 3번 안테나 및 4번 안테나는 각각 1cm 간격으로 배치될 수 있다. 이때, 1cm는 28GHz 대역에 대하여

의 길이와 유사한 값을 의미할 수 있다. 즉, 도 9b는

간격으로 배치된 안테나들에 대하여, 메타표면의 중심을 지나는 평행선으로부터의 각 안테나의 위치에 따라, 안테나를 통해 방출되는 빔 대비 메타표면을 통해 방출되는 빔의 이득을 나타낸다.

도 9b에 도시된 실험에서는, 개구경(aperture)이 제한적이며, 메타표면이 적은 수의 단위 셀들을 포함할 수 있다. 다만, 도 9b의 실험 결과는 비 초점 피드 안테나(예: 2번 안테나, 3번 안테나 및 4번 안테나)의 위치에서 방사되는 전자기파도 상당한 빔 이득 및 빔 스티어링(steering) 효과가 있음을 나타낸다.

도 10a는 본 개시의 일 실시예에 따른 메타표면에 대하여 방사상으로(radially) 배열된 안테나들의 예시를 도시하는 도면이다.

도 10a를 참조하면, 메타표면(1050)에 대하여 제1 안테나(1010), 제2 안테나(1020), 제3 안테나(1030) 및 제4 안테나(1040)가 배치될 수 있다. 이때, 제1 안테나(1010), 제2 안테나(1020), 제3 안테나(1030) 및 제4 안테나(1040)는 방사상으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 안테나(1010), 제2 안테나(1020), 제3 안테나(1030) 및 제4 안테나(1040)의 각 중심을 잇는 선은 원(1070)을 형성할 수 있고, 원(1070)의 중심은 메타표면의 중심(1060)일 수 있다.

또한, 제1 안테나(1010), 제2 안테나(1020), 제3 안테나(1030) 및 제4 안테나(1040) 간에는 동일한 각도로 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 안테나(1010) 및 제2 안테나(1020)는

로 배치될 수 있고, 제2 안테나(1020) 및 제3 안테나(1030)는

로 배치될 수 있고, 제3 안테나(1030) 및 제4 안테나(1040) 또한

로 배치될 수 있다.

일 실시예에서, 제1 안테나(1010)는 메타표면의 중심(1060)에 대하여 평행하게 빔을 방사할 수 있다. 이때, 제1 안테나(1010)는 초점 안테나로 지칭될 수 있다. 반면, 제2 안테나(1020), 제3 안테나(1030) 및 제4 안테나(1040)는 메타표면의 중심(1060)에 대하여 평행하게 빔을 방사할 수 없을 수 있다. 이러한 경우, 제2 안테나(1020), 제3 안테나(1030) 및 제4 안테나(1040)는 비 초점 안테나로 지칭될 수 있다.

즉, 도 10a는 복수의 안테나들 각각(예: 제1 안테나(1010), 제2 안테나(1020), 제3 안테나(1030) 및 제4 안테나(1040))은 메타표면(1050)에 대하여 방사상으로, 또는 원형으로 배열될 수 있고, 복수의 안테나들 각각(예: 제1 안테나(1010), 제2 안테나(1020), 제3 안테나(1030) 및 제4 안테나(1040))으로부터의 메타표면의 중심(1060)까지의 거리는 원(1070)의 반지름으로 동일한실시예를 도시한다. 상술된 도 10a와 같이 메타표면(1070)에 대하여 원형으로 배열된 안테나들에 대하여, 측정된 빔포밍 이득은 후술되는 도 10b에 도시된다.

도 10b는 본 개시의 일 실시예에 따른 메타표면에 대하여 방사상으로 배열된 안테나들에 대한 빔포밍 이득의 측정 결과를 도시하는 도면이다.

도 10b를 참조하면, 도 10b의 안테나는 복수의 안테나들을 포함할 수 있다. 이때, 도 10b의 안테나에 포함된 1번 안테나, 2번 안테나, 3번 안테나 및 4번 안테나는, 도 10a의 제1 안테나(1010), 제2 안테나(1020), 제3 안테나(1030) 및 제4 안테나(1040)와 각각 대응될 수 있다. 또한, 도 10b의 메타표면은 도 10a의 메타표면(1050)에 대응될 수 있다. 도 10b는 1번 안테나, 2번 안테나, 3번 안테나 및 4번 안테나가 메타표면의 중심으로 빔을 방사하는 경우, 초점 안테나인 1번 안테나로부터의 각도에 따른 안테나 대비 메타표면의 빔 이득을 나타낸다.

도 10b에서, 메타표면의 중심과 피드 안테나 간의 거리는 초점 거리(focal distance) 2cm로 고정될 수 있다. 다만, 메타표면에 수직인 축에 대하여 안테나들의 각도는 각각 상이할 수 있다. 일 실시예에서, 메타표면에 수직인 축은 메타표면의 중심과 초점 안테나(예: 1번 안테나)를 잇는 축을 의미할 수 있다. 예를 들어, 메타표면에 수직인 축으로부터 1번 안테나의 각도는

일 수 있고, 메타표면에 수직인 축으로부터 2번 안테나의 각도는

일 수 있고, 메타표면에 수직인 축으로부터 3번 안테나의 각도는

일 수 있고, 메타표면에 수직인 축으로부터 4번 안테나의 각도는

일 수 있다.

일 실시예에 따르면, 도 10b와 같이 피드 안테나가 방사상으로 배치되는 이유는, 피드 안테나로부터 메타표면까지의 신호 감쇄가, 피드 안테나로부터 메타표면 사이의 거리에 비례하기 때문이다. 즉, 피드 안테나로부터 메타표면까지의 신호 감쇄가, 피드 안테나로부터 메타표면 사이의 거리에 비례하기 때문에, 도 10a 및 도 10b의 방사상으로 배열된 안테나는, 도 9a 및 도 9b에서 설명된 선형으로 배열된 안테나들과 비교하여, 더 많은 이득을 얻을 수 있다.

도 9b 및 도 10b에 도시된 바와 같이, 비 초점 안테나 위치로부터 방사되는 전자기파는, 상당한 빔포밍 이득 및 초점에 대하여 설계된 메타표면을 사용한 빔 스티어링 기능(beam steering capability with the metasurface designed for a focal point)을 경험할 수 있다. 일 실시예에 따르면, MIMO 동작을 고려한 메타표면의 빔포밍 이득을 충분히 이용하기 위하여, 개구경의 크기 및 유닛 셀의 개수는 비교적 작을 수 있다(relatively small). 이러한 이유로, 큰 개구경과 물리적으로 합리적인 도메인(physically reasonable domain)을 갖고, 밀집하여(densely) 통합된(integrated) 유닛 셀들을 갖는 다른 메타표면이 모델링될 수 있다. 이때, 후술되는 메타 채널 모델들에서

및

으로 표현된 메타표면 설계에 기초하여, 도 9b 및 도 10b에서 도시된 방사 패턴이 사용될 수 있다.

본 개시는 메타표면을 이용한 채널 모델링을 제안한다. 본 개시에 따른 메타표면은 송신기(transmitter, Tx) 및 수신기(receiver, Rx) 안테나들 사이에 개입(intervene)할 수 있기 때문에, 상술된 도 5와 같은 구조를 사용하는 무선 통신 시스템의 전체 성능(overall performance)을 평가(evaluate)하기 위해서는 기존 공간 채널 모델이 수정되어야 할 필요가 있다. 일반적으로, MIMO 공간 채널 모델들은, 다양한 환경(various environments)에서 무선 전파 채널들(wireless propagation channels)을 시뮬레이션하고, 송신기 및 수신기 모두에서 다수의 안테나들에 대한 다이버시티의 개념을 적용하는데 사용될 수 있다.

메타표면에 대한 연구에도 불구하고, 연구들은 메타표면 자체의 빔포밍 이득에만 초점을 맞출 뿐, 공간 채널 모델(spatial channel model)을 메타표면 빔포밍과 통합하기 위한 연구는 진행되지 않았다. 특히 메타표면 구조는 단일 계층 전송에 대해서만 간주되었기 때문에, 메타표면을 이용하기 위한 근본적인 한계가 존재하였다. 이는, 다중 데이터를 전송함으로써 공간 멀티플렉싱 이득을 이용하는 경향으로는 적절하지 않다.

이에 따라, 본 개시는 MIMO 동작과 관련하여 메타표면 RF 프론트-앤드 구조를 통합하는 것을 제안한다. 예를 들어, 본 개시는 메타 채널이라는 전체 공간 채널 모델을 제안한다. 후술되는 도 11은 본 개시에 따라 형성될 수 있는 매타 채널의 개념을 도시한다.

도 11은 본 개시의 일 실시예에 따른 메타 채널을 포함하는 시스템을 도시하는 도면이다.

도 11을 참조하면, 메타 채널을 포함하는 시스템은, 송신 장치 및 수신 장치를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 송신 장치는 송신 안테나들(예: 제1 안테나(1102), 제2 안테나(1104) 및 제3 안테나(1106))과 메타표면을 포함할 수 있다. 이때, 송신 안테나들과 메타표면 사이에 제1 채널(1120)이 형성될 수 있다.

그리고, 이러한 메타표면은 유닛 셀들(예: 제1 유닛 셀(1122), 제2 유닛 셀(1124), 제3 유닛 셀(1126) 및 제4 유닛 셀(1128))을 포함할 수 있다. 그리고, 송신 장치에서, 제2 안테나(1104)는 메타표면의 유닛 셀들에 대하여 빔들을 방사할 수 있다. 이때, 빔들은 제1 빔(1112), 제2 빔(1114), 제3 빔(1116) 및 제4 빔(1118)을 포함할 수 있다. 다만, 도 11에서는 제2 안테나(1104)만이 빔들을 방사하는 것으로 도시되었으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 제1 안테나(1102) 또는 제3 안테나(1106) 또한 빔들을 방사할 수 있다.

일 실시예에서, 수신 장치는 수신 안테나들(예: 제4 안테나(1152), 제5 안테나(1154) 및 제6 안테나(1156)) 및 메타표면을 포함할 수 있다. 그리고, 수신 장치의 메타표면과 수신 안테나들 상이에 제2 채널(1150)이 형성될 수 있다.

그리고, 이러한 메타표면은 유닛 셀들(예: 제5 유닛 셀(1132), 제6 유닛 셀(1134), 제7 유닛 셀(1136) 및 제8 유닛 셀(138))을 포함할 수 있다. 그리고, 수신 장치에서 메타표면으로부터 제5 안테나(1154)로 빔들이 전송될 수 있다. 이때, 빔들은 제5 빔(1142), 제6 빔(1144), 제7 빔(1146) 및 제8 빔(1148)을 포함할 수 있다. 다만, 도 11에서는 제5 안테나(1154)만이 빔들을 수신하는 것으로 도시되었으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 제4 안테나(1152) 또는 제6 안테나(1156) 또한 빔들을 수신할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 송신 장치의 메타표면과 수신 장치의 메타표면 사이에 메타 채널(1130)이 형성될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 메타 채널은 복수의 안테나 요소들 각각과 복수의 유닛 셀들 각각 간 결정되는 출발각 또는 도착각, 및 복수의 안테나 요소들 각각과 복수의 유닛 셀들 각각 간의 거리에 기초하여 결정될 수 있다.

일 실시예에서, 복수의 안테나 요소들 각각과 복수의 유닛 셀들 각각 간 결정되는 출발각은, 제2 안테나(1104)에 포함된 복수의 안테나 요소들 각각과, 송신 장치의 메타 표면에 포함된 복수의 유닛 셀들(예: 제1 유닛 셀(1122), 제2 유닛 셀(1124), 제3 유닛 셀(1126) 및 제4 유닛 셀(1128)) 각각 간 결정되는 출발각을 의미할 수 있다.

일 실시예에서, 복수의 안테나 요소들 각각과 복수의 유닛 셀들 각각 간 결정되는 도착각은 수신 장치의 메타 표면에 포함된 복수의 유닛 셀들(예: 제5 유닛 셀(1132), 제6 유닛 셀(1134), 제7 유닛 셀(1136) 및 제8 유닛 셀(138)) 각각과 제5 안테나(1154)에 포함된 복수의 안테나 요소들 각각 간 결정되는 도착각을 의미할 수 있다.

일 실시예에서, 복수의 안테나 요소들의 방사 패턴은 출발각 또는 도착각에 기초하여 결정될 수 있다. 그리고, 복수의 안테나들과 메타표면 간의 채널은, 복수의 안테나 요소들의 방사 패턴에 기초하여 결정될 수 있다.

도 12는 본 개시의 일 실시예에 따른 메타표면을 이용한 채널 모델의 예시를 도시하는 도면이다.

도 12를 참조하면, 메타 채널은 3개의 스테이지로 구성될 수 있다. 예를 들어, 3개의 스테이지는, 1)송신 안테나로부터 송신 메타 요소(유닛 셀)까지의 제1 스테이지, 2) 송신 메타 요소로부터 수신 메타 요소까지의 제2 스테이지 및 3) 수신 메타 요소로부터 수신 안테나까지의 제3 스테이지를 포함할 수 있다. 이러한 캐스케이딩(cascading) 채널 모델링은 메타표면 RF 프론트-앤드 구조의 빔포밍 이득과 빔 방향이 메타표면과 안테나 사이의 거리, 피드 안테나의 위치 및 메타 요소 간격과 같은 기하학적 파라미터와 완전히 다를 수 있기 때문에 필수적이고, 중요할 수 있다. 도 12의 (a)는 메타표면이 없는 경우, 또는 생략된 경우, 메타 채널을 도시하고, 도 12의 (b)는 송신 메타표면 및 수신 메타표면이 포함된 경우, 메타 채널의 구성을 도시한다.

또한, 실용적인 관점에서(in pragmatic point of view), 시스템 설계에서는 송신기와 수신기 모두에 메타표면이 있거나, 없는 전체 구조들이 개별적으로 고려되어야 할 필요가 있다. 일 실시예에서, 송신기와 수신기의 메타표면은 각각 다른 사양(different specifications)을 가질 수 있다. 예를 들어, 기지국에 대한 송신기의 메타표면에는, 더 넓은 커버리지에 적합하도록(more eligible for wider coverage) 더 큰 개구경 사이즈가 사용되어야 할 필요가 있다. 다만, 단말(mobile station, MS)에 대한 메타표면에 대해서는, 사각지대(blind spot)를 제거(eliminate)하기 위하여, 넓은 빔폭(wide beamwidth) 또는 다양한 빔 스티어링(diverse beam steering)이 고려되어야 할 필요가 있다.

일 실시예에 따르면, 메타 채널과 관련되어 중요한 요소는, 메타표면이 없는 일반적인 위상 안테나 배열 이득(phased antenna array gain)에 비해, 메타표면이 충분한 이득을 달성하는지 여부일 수 있다. 이에 따라, 메타표면 RF 프론트-앤드의 세부적인 영향(detailed impact)을 파악하기 위해서는(in order to figure out), 일반적인 메타표면 기반 MIMO 채널 모델이 명확하게 정의되어야 할 필요가 있고, 각 시나리오도 채널 모델을 기준으로 분류되어야 할 필요가 있다. 이에 따라, 본 개시에서 전체 채널 행렬(channel matrix)

는 아래의 <수학식 2>와 같다.

<수학식 2>에서,

은 초과 지연(excess delay)

이 발생하는 n번째 다중경로 채널 행렬(multipath channel matrix)을 의미할 수 있다. 채널 행렬의 요소는 메타표면으로서 안테나 방식(antenna-wise)의 Tx-Rx 쌍으로 표현될 수 있다. 일 실시예에서, 메타 채널은 아래의 <수학식 3>과 같이 정의될 수 있다.

또한, 송신기(Tx) 안테나 요소 s로부터 수신기(Rx) 안테나 요소 u까지의 공간 메타 채널(spatial meta channel)은 아래의 <수학식 4>와 같이 정의될 수 있다.

<수학식 4>에서

,

,

은 각각 수신기(Rx) 및 송신기(Tx)의 유닛 셀들의 개수와, 다중경로(multipath) n의 서브 경로를 의미할 수 있다. 또한,

,

,

및

는 각각 송신기 안테나, 송신기 유닛 셀, 수신기 유닛 셀 및 수신기 안테나의 방사 패턴들(radiation patterns)을 의미할 수 있다. 일 실시예에서, 각 안테나 및 메타표면 요소는 위치에 따라 상이한 방사 패턴을 가질 수 있다. 특히, 굴절된 파동(refracted waves)이 특정 방향(certain direction)으로의 평면파로 구성되도록, 피드 안테나로부터 방사되는(emanating) 전자기파의 위상 차(phase difference)를 보상하기(compensate) 위하여, 유닛 셀들은 상이한 위상 특성(phase characteristics)을 가질 수 있다.

및

은 각각 n 번째 다중경로(n-th multipath)에서 m 번째 서브경로(m-th sub-path)의 출발각(Angle of departure, AoD) 및 도착각(Angle of arrival, AoA)을 의미할 수 있다.

는 파수(wavenumber)를 의미할 수 있다. 그리고,

,

,

,

은 각 요소에 대한 거리(distances to each element)를 의미할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 안테나 요소와 유닛 셀 사이의 모든 거리, 및 안테나 요소와 단위 셀 사이의 쌍방향 거리(pairwise distances)는 <표 1>에 명시된 바와 같이 파장(wavelength) 단위로 측정될 수 있다. 다만, 공간 채널 모델은 수백 미터에서 수 킬로미터까지 확장되는 원거리 전파를 가정하기 때문에(because spatial channel models assumes far-field propagation which extend from few hundreds of meters up to several kilometers), 메타표면과 클러스터(cluster or clutter) 사이의 거리는 미터 단위로 측정될 수 있다. 상술된 채널 모델에 기초하여, 도 5에 도시된 구조를 기반으로 한 공간 채널 모델링을 통해, 시스템 용량이 분석될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 본 개시에서 제안된 메타 채널을 통하여, 다중 피드 안테나들에 대한 메타표면의 설계 파라미터들(design parameters)과, 전체 영향(overall impacts)을 설명할 수 있는 확장 가능하고(scalable) 분석적인(analytic) 조사가 수행될 수 있다.

도 12를 참조하면, 송신 안테나들과 송신 메타표면 사이에 채널

가 형성될 수 있다. 이때, 채널

는 도 11의 제1 채널(1120)을 의미할 수 있다. 송신 안테나들과 송신 메타표면 사이의 채널은 아래의 <수학식 5>와 같이 표현될 수 있다.

또한, 송신 메타표면과 수신 메타표면 사이에 채널

가 형성될 수 있다. 이때, 채널

는 도 11의 메타 채널(1130)을 의미할 수 있다. 송신 메타표면과 수신 메타표면 사이의 채널은 아래의 <수학식 6>과 같이 표현될 수 있다.

또한, 수신 메타표면과 수신 안테나들 사이에 채널

가 형성될 수 있다. 이때, 채널

는 도 11의 제2 채널(1150)을 의미할 수 있다. 수신 메타표면과 수신 안테나들 사이의 채널은 아래의 <수학식 7>과 같이 표현될 수 있다.

또한, 송신 안테나들로부터 수신 안테나들까지의 전체 채널은

로 표현될 수 있다. 이때, 전체 채널은

는 도 11의 제1 채널(1120), 메타 채널(1130) 및 제2 채널(1150)로 구성된 캐스케이딩 채널을 의미할 수 있다. 송신 안테나들로부터 수신 안테나들까지의 전체 채널은 아래의 <수학식 8>과 같이 표현될 수 있다.

도 13은 본 개시의 일 실시예에 따른 메타표면으로 인한 빔포밍의 결과를 도시하는 도면이다.

도 13은 안테나 어레이 설계와 비교한 메타표면의 빔포밍 효과를 도시한다. 메타표면은 안테아 어레이들로부터 전자기파를 수신할 수 있다. 그리고, 미리 결정된 위상 지연(phase delays)으로 방사할 수 있다. 위상 지연된(phase delayed) 전자기파는 서로 구성적으로(constructively) 간섭되어(interfered) 원하는 방향으로 더 높은 빔포밍 이득을 제공할 수 있다. 이러한 빔포밍 이득은 송신 메타표면 및 수신 메타표면의 원거리 방사 패턴(far-field radiation pattern)

및

를 각각 도출하는데 사용될 수 있다. 도 13을 참조하면, 안테나만 존재할 때보다, 안테나와 메타표면이 함께 존재하는 구조에서, 더 높은 빔포밍 이득이 얻어지는 것이 확인될 수 있다.

일 실시예에서, 메타표면 설계가 고정되는(fixed) 경우, 메타표면-피드 안테나 쌍(metasurface-feed antenna pair)의 복합 방사 패턴(composite radiation pattern)은 방사 패턴, 피드 안테나들의 위치 및 메타 요소 특성과 같은 설계 파라미터들에 의해 결정될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 안테나와 메타표면 간의 거리, 메타표면 요소의 개수, 메타표면, 위상 특성이 결정될 수 있다. 이에 따라, 상술된 <수학식 4>의 송신 안테나 s로부터 수신 안테나 u로의 공간 메타 채널은 아래의 <수학식 9>와 같이 단순화될 수 있다.

<수학식 9>에서,

및

는, 각각 송신기와 수신기의 지정된(designated) 안테나-메타표면 쌍들(antenna-metasurface pairs)로부터의 복합(composite) 방사 패턴을 의미할 수 있다.

도 14는 본 개시의 일 실시예에 따른 메타표면을 이용한 방사 패턴을 측정하기 위한 설정을 도시하는 도면이다.

도 14를 참조하면, 고정 안테나 어레이(fixed antenna array)로 메타표면의 실현 가능성(feasibility)을 검증하기 위해, 메타표면 RF 프론트-앤드 프로토타입이 설계 및 구현될 수 있다. 이에 따라, 도 14는 상술된 프로토타입에서의 측정 설정(setup)의 개략도(schematics)를 나타낸다. 도 14의 개략도는 피드 안테나, 메타표면, Jig, Horn 안테나 및 로테이터(rotator)를 포함할 수 있다.

실현 가능성을 검증하기 위해, 프로토타입 메타표면은 1.6 dBi 이득을 갖는 피드 다이폴 안테나(feed dipole antenna)로부터 2cm 떨어진 곳에 위치할 수 있다. 또한, Horn 안테나는 벡터 네트워크 분석기(vector network analyzer)(Anritsu MS46122A)로 S21 파라미터들을 측정하기 위하여, 프로토타입 메타표면으로부터 25cm 떨어진 곳에 위치할 수 있다. 프로토타입 메타표면의 개구경 사이즈는, 28

28 크기의 유닛 셀들로 이루어진 50.4mm

50.4 mm일 수 있다. 중심 주파수는 28GHz로 설정될 수 있다.

도 4에서 상술한 바와 같이, 렌즈 안테나 또는 단일 레이어 메타표면은, 빔포밍 이득을 증가시키기 위하여 단일 초점을 통해 설계되었다. 다만, 단일 초점뿐만 아니라 초점면(focal plane), 렌즈 축(axis of a lens)에 수직인 평면이 있을 수 있으며, 해당 평면은 초점을 통과할 수 있다. 초점면에 위치한 안테나는 메타표면과 유사한 빔포밍 이득을 얻을 수 있다.

도 5에서 상술한 바와 같이, 큰 개구경 메타표면으로 빔포밍 이득을 얻기 위해, 초점면에 다수의 안테나들이 배치될 수 있다. 안테나와 유닛 셀들의 개수, 안테나와 메타표면 간의 거리 및 안테나와 유닛 셀 간격과 같은 기하학적 파라미터를 추정하기 위하여 다양한 시뮬레이션이 수행될 수 있다. 후술되는 도 15 내지 도 18은 본 개시에 따른 MIMO 메타표면 RF 프론트-앤드의 가능성을 보여주므로, 도 15 내지 도 18에 도시된 값들은 단지 예시일 뿐이다. 피드 안테나 특성 또는 메타표면의 진폭 및 위상 오프셋과 같은 다양한 설계 요소에 따라, 메타표면 RF 프론트-앤드 설계는 더 나은 특성을 가질 수 있다.

도 15는 본 개시의 일 실시예에 따른 안테나 어레이와 메타표면의 빔포밍 이득을 도시하는 도면이다.

도 15는 서로 다른 수의 안테나를 갖는 안테나 어레이의 방사 패턴 및 이득과,

간격으로 위치한 단일 피드 안테나를 갖는 메타표면의 방사 패턴 및 이득을 나타낸다. 도 5를 참조하면, 안테나 어레이 패턴과 비교하여 메타표면이 빔포밍 이득을 더 많이 얻을 수 있다. 도 15에 도시된 결과에서, 메타표면은

의 균일한 간격으로 구성된 151개의 유닛 셀들로 구성될 수 있다. 각 유닛 셀은 피드 안테나의 구형파로부터 등위 평면파(equiphase plane)를 구성하기 위해, 다른 위상 오프셋 값을 가질 수 있다. 도 15의 실시예에서, 안테나 어레이는 서로

떨어져 있을 수 있다. 도 15에서, N=1인 경우 단일 안테나의 방사 패턴이 도시되며, 이때, 빔 이득은 0dB이다. 또한, N=5인 경우 안테나의 방사 패턴이 도시되며, 이때, 조준(boresight)에 대한 빔 이득은 14.5 dB이다. 반면, 본 개시에 따른 메타표면 설계는, 22.9dB의 빔 이득을 가질 수 있다. 이는 N=5인 안테나의 빔 이득보다 8.4dB 더 높은 수치이다.

안테나 어레이는 다중 안테나 요소들을 동시에 사용하여 빔 이득을 달성하기 위하여, 동일한 동위상(co-phased) 신호를 전송할 수 있다. 다만, 본 개시에 따른 메타표면을 이용한 구조는, 단일 안테나만을 필요로 하며, 메타표면의 개구경 사이즈에 따라 더 많은 빔포밍 이득이 달성될 수 있다.

반면, 본 개시에 따른 안테나 어레이 설계에서는 상대적으로 넓은 빔폭과 덜 심각한 사이드 로브(less severe side lobes)에 비해, 좁은 빔 폭과 기생하는(parasitic) 높은 사이드 로브(high side lobes)가 달성될 수 있다. 이러한 결과는, 위상 보상(phase compensations)을 갖는 균일하게 이격된(uniformly-spaced) 유닛 셀들로 구성된 메타표면의 설계에 기인할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 피드 안테나의 방사 패턴은 초기에 단일 지점에서 구형파를 방사하도록 초기 설정(initially set)될 수 있다.

서로 다른 피드 안테나 설계와 패턴을 사용함으로써, 메타표면 안테나 쌍의 결과는 더 다양해질 수 있다. 따라서, 메타표면 프론트-앤드 설계는 피드 안테나와 메타표면 유닛 셀들 모두를 공동으로 설계함으로써 더 개선될 수도 있다. 후술되는 도 16a 및 도 16b에 도시된 결과는, 상이한 안테나 위치들의 빔포밍 이득을 도시한다.

도 16a는 본 개시의 일 실시예에 따른 선형 비 초점 피드 안테나(linear non-focal feed antenna)의 각도에 따른 이득을 도시하는 도면이다.

도 16a를 참조하면, 비 초점에 위치한 안테나들이 초점에 배치된 안테나와 비슷한 빔포밍 이득을 갖는 것이 도시되어 있다. 이는 MIMO 동작을 위한 메타표면 RF 프론트-앤드 설계의 유효성을 의미할 수 있다. MIMO 채널을 나타내기 위하여, 메타표면 이전에, 비 초점 피드 안테나의 방사 패턴을 파악하는 것이 필요할 수 있다. 그렇지 않으면, 메타표면은 단일 데이터 스트림만 전송하므로, 이 경우 공간 다중화가 이용되지 못할 수 있다.

도 16a의 그래프 내에 포함된 그림은 피드 안테나의 위치(검은색 원 모양)와 메타표면(직사각형 모양)을 개략적으로 도시한다. 이때, 메타표면은 메타표면의 중심에 정렬된 초점에서 나오는 구형파를 수집하도록 설계될 수 있다. 피드 안테나가 초점에서 더 멀리 위치할수록 빔포밍 이득이 줄어들 수 있다. 이는 다음과 같은 2가지 이유로 인하여 발생할 수 있다. 이유 1) 메타표면의 중심과 피드 안테나 사이의 거리가 증가하기 때문에, 메타표면을 향한 입사 전자기파의 진폭이 감소할 수 있다. 이유 2) 위상 보상은 비 초점 영역에 더 이상 유효하지 않게 될 수 있다. 이에 따라, 메타표면은 빔포밍 이득을 달성하는 지정된 방향(designated direction)으로 등각 파면(conformal wavefront)을 구성할 수 없을 수 있다.

도 16b는 본 개시의 일 실시예에 따른 방사형 비 초점 피드 안테나(radial non-focal feed antenna)의 각도에 따른 이득을 도시하는 도면이다.

도 16b는 비 초점 피드 안테나의, 도 16a와 다른 빔포밍 결과를 도시한다. 도 16a와 도 16b의 차이점은, 피드 안테나의 위치가 메타표면의 중심으로부터 배향된(oriented) 각도 차이(angular difference)에 의해 결정된다는 것이다.

도 16b를 참조하면,

의 오프셋 각도를 증가시킴으로써, 방사 패턴도 유사한 방위 이동 패턴(azimuth shifted pattern)을 나타낼 수 있다. 상술된 도 16a와 비교하여, 도 16b에 도시된 예시에서 빔 형성 이득이 덜 감소(less diminished)할 수 있다. 예를 들어, 도 16b에서 입사각이

인 오프셋의 방사 패턴과, 도 16a에서

인 오프셋의 방사 패턴은, 동일한 입사각을 가짐에도 불구하고, 서로 다른 빔포밍 이득과 패턴을 나타낼 수 있다.

상술한 바와 같이, 메타표면과 피드 안테나 사이의 거리는 빔포밍 이득 및 방사 패턴과 같은 두 특성과 밀접한 관련이 있을 수 있다. 비 초점 안테나들은 도 16b의 메타표면과 동일하게 이격되어 있기 때문에, 피드 안테나의 입사 전력(incident power)은 방사형 비 초점 안테나의 구조는 선형 비 초점 피드 안테나 구조보다 덜 감쇄될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 도 16a와 도 16b의 구조 모두 장점을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 16a의 경우, 안테나 어레이는 선형적이고 균일한 갭(uniform gap)을 갖기 때문에, 평평한 기판(flat substrate) 상에 인쇄될 수 있으며, 이에 따라 도 16a 구조의 제조가 용이해질 수 있다. 또한, 비 균일(non-uniform) 피드 안테나 또는 아날로그 빔포밍과 같은 진보된(advanced) 빔포밍 기법을 이용함으로써, 초점 피드 안테나와 비교하여 비 초점 안테나의 빔 포밍 이득 손실이 완화될 수 있다. 한편, 도 16b에 도시된 구조의 경우, 굴절 빔 방향(refracted beam direction)이 입사 빔 방향(incident beam direction)과 잘 정렬되어 있어(well-aligned) 기하학적인 모델링이 훨씬 용이할 수 있다.

또한, 방사상으로 배치된 비 초점 안테나는 초점 안테나에 비해 상당한 빔포밍 이득을 달성할 수 있다. 이에 따라, 메타표면 기반 RF 구조를 이용하기 위해 추가적인 빔포밍 구조가 필요하지 않을 수 있다. 이는, 시스템 설계자(system designer)가 초기에 위상 변이기(phase shifters) 없이 메타표면 RF 프론트-앤드 구조를 활용하는데 도움이 될 수 있다.

일 실시예에 따라, 메타표면의 용량 이득(capacity gain)이 고려될 수 있다. 예를 들어, ITU-R M.2135에 기초하여, <수학식 9>에서 설명된 공간 채널 모델을 사용하여, 수정된(modified) MIMO 공간 채널 모델이 실험될 수 있다(simulated).

예를 들어, 도시 매크로 셀(urban macrocell) 시나리오가 고려될 수 있다. 평가를 위해, 3GPP 공간 채널 모델의 3 섹터(3-sector) BS(base station) 안테나 패턴이 사용될 수 있고, 일반적인 방사 패턴을 갖는 메타표면 안테나 어레이의 결과와 비교될 수 있다. 3 섹터 시나리오의 경우, 각 섹터에 사용되는 안테나 패턴은 아래의 <수학식 10>과 같이 정의될 수 있다.

<수학식 10>에서,

는

일 수 있고,

은 20dB일 수 있다. 3 섹터

안테나(

)에 대한 이득은 14dBi로 설정될 수 있다. 이에 따라, 3 섹터 안테나 방사 패턴

은, 기준 채널 구현(reference channel realizations)을 추출(extract)하는데 사용될 수 있다.

도 17은 본 개시의 일 실시예에 따른 안테나 패턴을 도시하는 도면이다. 즉, 도 17은 기준 안테나(reference antenna)의 전체적인(overall) 방사 패턴, 선형 안테나 배치 및 방사형 안테나 배치를 갖는 메타표면 방사 패턴을 각각 나타낸다. 일 실시예에 따르면, 메타표면 방사 패턴에는 피드 안테나 빔 스티어링이 포함되어 있지는 않으나, RF 위상 변이기를 사용하는 효율적인 아날로그 빔 스티어링 기술로 더욱 향상될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 패스트 페이딩 채널 행렬(fast fading channel matrices)

는 메타표면의 방사 패턴을 변경함으로써, 그리고, 시스템 용량(system capacity)을 평가하기 위해 다른 모든 일반 파라미터들을 고정함으로써, 생성될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 성능 메트릭(performance metric)으로서, MIMO 동작의 공간 다중화 이득을 위한 ergodic 용량이 고려될 수 있다. 송신 안테나들과 상관없는(uncorrelated) 송신 신호 벡터에 걸쳐 동일한 전력 할당(allocation)이 가정되는 경우, 순간 용량(instantaneous capacity)은 아래의 <수학식 11>과 같이 정의될 수 있다.

<수학식 11>에서,

은 디터미넌트(determinant)를 의미하고,

는

단위 행렬(unit matrix)를 의미하고,

는 송신 전력과 수신 전력 간의 비율(송신 SNR)을 의미할 수 있다. ergodic 용량은, 많은 채널 실현에 대한 순간 용량의 평균을 취하여 획득될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 평가에서 MS는 1000번 떨어뜨리고(drop), 각 드롭의 지속 시간(time duration)은 0.1초 동안 지속(last)될 수 있다. 드롭의 시간 프레임은 1ms로 설정될 수 있다.

은 공간 다중화에 의한 용량 향상을 보여주기 위해,

,

,

및

로 설정될 수 있다. 캐리어 주파수(carrier frequency)는 3GPP 채널 모델을 반영했을 때

로 설정될 수 있다. 다른 채널 모델을 적용하면 캐리어 주파수는 100 GHz 이상으로 설정될 수 있다. UE는 0에서 30dB 사이의 다른

값으로 드롭될 수 있다. 메타표면에 의한 용량 이득을 관찰하기 위해, 동일한 UE 구조 및 통계적 파라미터들(geometries and statistical parameters)을 위해 메타표면이 BS에 채택될 수 있다. UE 장치는 등방성(isotropic) 방사 패턴을 갖도록 설정될 수 있다. BS 및 MS에서 이웃 요소들(neighboring elements) 간의 거리는 각각

및

로 각각 떨어져(apart respectively) 있을 수 있다.

도 18은 본 개시의 일 실시예에 따른 메타표켠으로 인한 평균 UE(user equipment) 용량(capacity)을 도시하는 도면이다.

도 18을 참조하면, 메타표면으로 인하여 평균 UE 용량(capacity)이 향상될 수 있다. 이는 메타표면 RF 프론트-앤드 설계 및 이에 따른 MIMO 동작에 의해 전체 채널 용량(overall channel capacity)이 개선됨(improved)을 나타낼 수 있다. 예를 들어,

Tx 및 Rx 안테나 구성에서,

가 20dB로 설정되는 경우, 방사형 안테나 배치(radial antenna deployment)의 용량은 160.4bps/Hz를 달성할 수 있고, 선형 안테나 배치(linear antenna deployment)의 용량은 143.2bps/Hz를 달성할 수 있다. 반면, 3 섹터 안테나의 용량은 100.3bps/Hz 만을 달성할 수 있다. 이러한 결과는, 방사형 및 선형 안테나 배치 모두, 3 섹터 안테나보다 빔포밍 이득이 높은 것에 기인할 수 있다.

대부분의 경우 상술한 이유와 동일한 이유가 적용될 수 있다. 즉, 빔포밍 이득이 높은 경우, 더 높은 채널 용량이 얻어질 수 있다. 예를 들어, 방사형 안테나 배치는 도 17에 도시된 바와 같이 선형 안테나 배치보다 방사 패턴이 약간 더 높다는 점에서, 선형 안테나 배치보다 더 많은 용량을 달성할 수 있다. 즉, 방사형 안테나 배치의 빔포밍 이득이 선형 안테나 배치의 빔포밍 이득보다 약간 더 높으므로, 방사형 안테나 배치는 선형 안테나 배치보다 더 높은 채널 용량을 얻을 수 있다.

일 실시예에서, 공간 채널을 이용하기 위한 방사 패턴을 향상시키는 하이브리드 빔포밍 기술이 부족할 수 있다. 다만, 도 17에서 설명된 바와 같이, 메타표면 RF 프론트-앤드는 다중 피드 안테나의 안테나 어레이와 비교하여 단일 피드 안테나로 달성될 수 있다(the metasurface RF front-end can achieve with the single feed antenna compared to the antenna array of multiple feed antenna). 그러므로, 하이브리드 빔포밍 측면에서, 메타표면 구조가 사용될 경우, 더 나은 성능(better performance)이 달성될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 본 개시에서 제안된 메타표면 RF 프론트-앤드 구조의 장점은, 설계에서 이들을 활용하기 위한 추가 요구 사항(additional requirement)이 없다는 것이다. 일 실시예에 따르면, 메타표면의 이득은 분산파(dispersive wave)가 전례없는 물질 자체로 지정된 방향에 집중될 수 있다는 점에서, 전자기파의 고유 특성에 기인할 수 있다(The gain of metasurface may be attributed from the intrinsic properties of EM waves in that the dispersive wave can be focused on the designated direction with unprecedent material itself).

도 18에서, 3 섹터 안테나에 대한 실험 결과와, 메타물질에 대한 실험 결과의 차이점은, 전파 채널(propagation channel)을 제어하기 위하여 Tx와 Rx 사이에 메타표면을 설계 및 배치할 수 있는지 여부를 의미할 수 있다.

도 19는 본 개시의 일 실시예에 따른 전자 장치의 구성을 도시한 블록도이다.

도 19에 도시되는 바와 같이, 본 개시의 전자 장치는 프로세서(1930), 송수신부(1910), 메모리(1920)를 포함할 수 있다. 다만 전자 장치의 구성 요소가 전술한 예에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 전자 장치는 전술한 구성 요소보다 더 많은 구성 요소를 포함하거나 더 적은 구성 요소를 포함할 수 있다. 뿐만 아니라, 프로세서(1930), 송수신부(1910) 및 메모리(1920)가 하나의 칩(Chip) 형태로 구현될 수도 있다.

일 실시예에 따르면, 프로세서(1930)는 상술한 본 개시의 실시 예에 따라 전자 장치가 동작할 수 있는 일련의 과정을 제어할 수 있다. 예를 들면, 본 개시의 실시 예에 따르는 무선 통신 시스템에서 신호를 송수신하도록 전자 장치의 구성요소들을 제어할 수 있다. 프로세서(1930)는 복수 개일 수 있으며, 프로세서(1930)는 메모리(1920)에 저장된 프로그램을 실행함으로써 전술한 본 개시의 무선 통신 시스템에서 신호를 송수신하는 동작을 수행할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 전자 장치가 단말인 경우, 송수신부(1910)는 기지국과 신호를 송수신할 수 있다. 기지국과 송수신하는 신호는 제어 정보와, 데이터를 포함할 수 있다. 송수신부(1910)는 송신되는 신호의 주파수를 상승 변환 및 증폭하는 RF 송신기와, 수신되는 신호를 저 잡음 증폭하고 주파수를 하강 변환하는 RF 수신기 등으로 구성될 수 있다. 다만, 이는 송수신부(1910)는 일 실시예일뿐이며, 송수신부(1910)의 구성요소가 RF 송신기 및 RF 수신기에 한정되는 것은 아니다. 또한, 송수신부(1910)는 무선 채널을 통해 신호를 수신하여 프로세서(1930)로 출력하고, 프로세서(1930)로부터 출력된 신호를 무선 채널을 통해 전송할 수 있다.

또는, 일 실시예에 따르면, 전자 장치가 기지국인 경우, 송수신부(1910)는 단말과 신호를 송수신할 수 있다. 단말과 송수신하는 신호는 제어 정보와, 데이터를 포함할 수 있다. 송수신부(1910)는 송신되는 신호의 주파수를 상승 변환 및 증폭하는 RF 송신기와, 수신되는 신호를 저 잡음 증폭하고 주파수를 하강 변환하는 RF 수신기 등으로 구성될 수 있다. 다만, 이러한 송수신부(1910)는 일 실시예일뿐이며, 송수신부(1910)의 구성요소가 RF 송신기 및 RF 수신기에 한정되는 것은 아니다. 또한, 송수신부(1910)는 무선 채널을 통해 신호를 수신하여 프로세서(1930)로 출력하고, 프로세서(1930)로부터 출력된 신호를 무선 채널을 통해 전송할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 메모리(1920)는 전자 장치의 동작에 필요한 프로그램 및 데이터를 저장할 수 있다. 또한, 메모리(1920)는 전자 장치가 송수신하는 신호에 포함된 제어 정보 또는 데이터를 저장할 수 있다. 메모리(1920)는 롬(ROM), 램(RAM), 하드디스크, CD-ROM 및 DVD 등과 같은 저장 매체 또는 저장 매체들의 조합으로 구성될 수 있다. 또한, 메모리(1920)는 복수 개일 수 있다 일 실시예에 따르면, 메모리(1920)는 전술한 본 개시의 실시예들인 무선 통신 시스템에서 신호를 송수신하는 동작을 수행하기 위한 프로그램을 저장할 수 있다.

도 20은 본 개시의 일 실시예에 따른 전자 장치의 송수신부의 구성을 도시한 블록도이다.

도 20을 참조하면, 도 19의 송수신부(1910)는 안테나부(2010) 및 메타표면부(2020)를 포함할 수 있다. 다만 송수신부(1910)의 구성요소가 이에 한정되는 것은 아니며, 안테나부(2010) 또는 메타표면부(2020)가 송수신부(1910)와 별도로 구성될 수도 있다.

일 실시예에 따르면, 안테나부(2010)는 복수의 안테나들을 포함할 수 있다. 이때, 복수의 안테나들 각각은 안테나 어레이 또는 피드 안테나 등으로 지칭될 수 있다. 그리고, 복수의 안테나들 각각은 복수의 안테나 요소들(antenna elements)을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 메타표면부(2020)는 복수의 유닛 셀들을 포함할 수 있다. 그리고, 메타표면부(2020)는 메타표면을 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 도 19의 프로세서(1930)는, 복수의 안테나들 각각에 대하여 제1 빔들을 생성하고, 제1 빔들을 복수의 안테나들로부터 메타표면부(2020)에게 전송하고, 메타표면부(2020)를 통해, 제1 빔들에 기초하여 제2 빔들을 생성하고, 제2 빔들을 다른 전자 장치에게 전송할 수 있다. 이때, 메타표면부(2020)는, 상기 복수의 안테나들 각각에 대하여 생성된 상기 제1 빔들을 수용하도록 배열될 수 있다. 즉, 메타표면부(2020)에 포함된 메타표면의 크기는, 복수의 안테나들 각각에 대하여 생성된 제1 빔들의 수용과 관련된 임계치보다 클 수 있다. 이때, 제1 빔들의 수용과 관련된 임계치는, 메타표면이 제1 빔들을 충분히 수용할 수 있는 사이즈를 의미할 수 있다.

본 개시에서는, 메타표면을 활용한 새로운 RF 프론트-앤드 설계가 제안되었다. 잘 설계된(well-designed) 메타표면 및 다중 안테나들을 채택함으로써, 본 개시에서 제안된 설계는, 메타표면이 없는 현재의 RF 프론트-앤드 설계보다 더 높은 빔포밍 이득 및 용량 이득을 달성할 수 있다. 메타표면을 시스템 용량 이득과 관련시키는 연구는 없었다. 본 개시는 공간 채널 모델링의 새로운 접근법을 통해, 빔포밍 이득과 전체 시스템 측면(system-aspect) 용량 이득에 대한 메타표면에서의 독립적인 연구를 연결하였다(concatenate). 이는 메타표면이 단일 레이어 전송에 사용된다는 고정관념(stereotypes)을 깨뜨리는 것이다.

빔포밍 이득에 관한 측정 및 시뮬레이션 결과에서 보여지는 바와 같이, 비 초점 안테나들은 빔포밍 이득이 적고, 불규칙한 방사 패턴을 겪을 수 있으나, 초점 안테나를 위해 설계된 메타표면으로부터 상당한 이득을 얻을 수 있다.

대역폭의 부족(shortage of bandwidth)에도 불구하고, 이동 통신 제한 하드웨어(mobile communications limited hardware), 높은 감쇄(high attenuation) 및 RF 손실(RF loss) 때문에, 더 높은 주파수를 사용하기 어려운 이유는 분명하다. 이러한 역경들(adversities)로 인해, 모바일 네트워크 사업자들(mobile network operators)은 셀룰러 네트워크에서 더 높은 대역폭을 사용하는 것을 주저하였고, 이에 따라 6G의 도래가 지연되었다. 이러한 이유로, 메타표면 RF 프론트-앤드는 현재 시스템의 만성 한계(chronic limits)를 넘어서는 효과적인(effective) 솔루션이 될 수 있다.

또한, 단위 셀들의 크기가 전자기파의 파장에 대응할 수 있기 때문에, 주파수가 증가함에 따라 더 많은 단위 셀들이 메타표면의 동일한 개구경 내에 내장될 수 있고, 결과적으로 링크 버짓이 증가할 수 있다.

위상 변이 특성(phase shifting properties)을 적응적으로 변경할 수 있는 프로그래밍 가능한(programmable) 메타표면이 도입될 수 있다. 예를 들어, 프로그래밍 가능한 메타표면을 얻는 한 가지 방법은 단위 셀에 버랙터(varactors)를 도입하는 것이다. 인가된 DC 전압(applied DC voltage)은, 버랙터를 조정 가능한(adjustable) 커패시터(capacitor)로 작동시킬 수 있고, 공명(resonance)에 영향을 미침으로써, 유효 굴절률(effective refractive index)을 제어할 수 있다.

프로그래밍 가능한 메타표면은, 도 5에서 제안된 RF 프론트-앤드 구조를 기반으로, MIMO 동작뿐만 아니라 빔 스티어링을 위한 새로운 자유도(new degree of freedom)를 제공할 수 있다. 이에 따라, 고주파 대역에서 장치 효율을 높이는 또 다른 효율적인 방법이 제공될 수 있다. 본 개시에 따른 메타표면 RF 프론트-앤드 설계는 미래의 셀룰러 네트워크를 위하여 사용될 수 있다.

본 개시의 청구항 또는 발명의 설명에 기재된 실시예들에 따른 방법들은 하드웨어, 소프트웨어, 또는 하드웨어와 소프트웨어의 조합의 형태로 구현될(implemented) 수 있다.

소프트웨어로 구현하는 경우, 하나 이상의 프로그램(소프트웨어 모듈)을 저장하는 컴퓨터 판독 가능 저장 매체 또는 컴퓨터 프로그램 제품이 제공될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 저장 매체 또는 컴퓨터 프로그램 제품에 저장되는 하나 이상의 프로그램은, 전자 장치(device) 내의 하나 이상의 프로세서에 의해 실행 가능하도록 구성된다(configured for execution). 하나 이상의 프로그램은, 전자 장치로 하여금 본 개시의 청구항 또는 명세서에 기재된 실시 예들에 따른 방법들을 실행하게 하는 명령어(instructions)를 포함한다.

이러한 프로그램(소프트웨어 모듈, 소프트웨어)은 랜덤 액세스 메모리 (random access memory), 플래시(flash) 메모리를 포함하는 불휘발성(non-volatile) 메모리, 롬(Read Only Memory, ROM), 전기적 삭제가능 프로그램가능 롬(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory, EEPROM), 자기 디스크 저장 장치(magnetic disc storage device), 컴팩트 디스크 롬(Compact Disc-ROM, CD-ROM), 디지털 다목적 디스크(Digital Versatile Discs, DVDs) 또는 다른 형태의 광학 저장 장치, 마그네틱 카세트(magnetic cassette)에 저장될 수 있다. 또는, 이들의 일부 또는 전부의 조합으로 구성된 메모리에 저장될 수 있다. 또한, 각각의 구성 메모리는 다수 개 포함될 수도 있다.

또한, 프로그램은 인터넷(Internet), 인트라넷(Intranet), LAN(Local Area Network), WLAN(Wide LAN), 또는 SAN(Storage Area Network)과 같은 통신 네트워크, 또는 이들의 조합으로 구성된 통신 네트워크를 통하여 접근(access)할 수 있는 부착 가능한(attachable) 저장 장치(storage device)에 저장될 수 있다. 이러한 저장 장치는 외부 포트를 통하여 본 개시의 실시예를 수행하는 장치에 접속할 수 있다. 또한, 통신 네트워크 상의 별도의 저장 장치가 본 개시의 실시예를 수행하는 장치에 접속할 수도 있다.

본 개시에서, 용어 "컴퓨터 프로그램 제품(computer program product)" 또는 "컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체(computer readable medium)"는 메모리, 하드 디스크 드라이브에 설치된 하드 디스크, 및 신호 등의 매체를 전체적으로 지칭하기 위해 사용된다. 이들 "컴퓨터 프로그램 제품" 또는 "컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체"는 본 개시에 따른 무선 통신 시스템에서 신호를 송수신하는 방법에 제공하는 수단이다.

상술한 본 개시의 구체적인 실시예들에서, 본 개시에 포함되는 구성 요소는 제시된 구체적인 실시예에 따라 단수 또는 복수로 표현되었다. 그러나, 단수 또는 복수의 표현은 설명의 편의를 위해 제시한 상황에 적합하게 선택된 것으로서, 본 개시가 단수 또는 복수의 구성 요소에 제한되는 것은 아니며, 복수로 표현된 구성 요소라 하더라도 단수로 구성되거나, 단수로 표현된 구성 요소라 하더라도 복수로 구성될 수 있다.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 개시의 실시예들은 본 개시의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 개시의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 개시의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 즉 본 개시의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 개시의 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다. 또한 상기 각각의 실시예는 필요에 따라 서로 조합되어 운용할 수 있다. 예를 들면, 본 개시의 일 실시예와 다른 일 실시예의 일부분들이 서로 조합되어 기지국과 단말이 운용될 수 있다. 또한, 본 개시의 실시예들은 다른 통신 시스템에서도 적용 가능하며, 실시예의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들 또한 실시 가능할 것이다. 예를 들면, 실시예들은 LTE 시스템, 5G, NR 시스템 또는 6G 시스템 등에도 적용될 수 있다.

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

Claims (16)

1. 무선 통신 시스템에서 전자 장치에 있어서,
   송수신부; 및
   적어도 하나의 프로세서; 를 포함하고,
   상기 송수신부는, 안테나부 및 메타표면부를 포함하고,
   상기 안테나부는 복수의 안테나들을 포함하고,
   상기 적어도 하나의 프로세서는,
   상기 복수의 안테나들 각각에 대하여 제1 빔들을 생성하고,
   상기 제1 빔들을 상기 복수의 안테나들로부터 상기 메타표면부에게 전송하고,
   상기 메타표면부를 통해, 상기 제1 빔들에 기초하여 제2 빔들을 생성하고,
   상기 제2 빔들을 다른 전자 장치에게 전송하고,
   상기 메타표면부는, 상기 복수의 안테나들 각각에 대하여 생성된 상기 제1 빔들을 수용하도록 배열되는 전자 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 안테나들 각각은 상기 메타표면부에 대하여 평행하게 배열되고,
   상기 복수의 안테나들 각각으로부터 상기 메타표면부의 중심까지의 거리는 상이한 전자 장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 안테나들 각각은 상기 메타표면부에 대하여 원형으로 배열되고,
   상기 복수의 안테나들 각각으로부터 상기 메타표면부의 중심까지의 거리는 동일한 전자 장치.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 메타표면부는, 복수의 유닛 셀들을 포함하고,
   상기 복수의 안테나들 각각은, 복수의 안테나 요소들을 포함하고,
   상기 복수의 유닛 셀들 간의 간격은, 상기 복수의 안테나들 사이의 간격 또는 상기 복수의 안테나 요소들 사이의 간격 중 적어도 하나에 기초하여 결정되는 전자 장치.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 메타표면부는, 단일 메타표면을 포함하는 전자 장치.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 메타표면부의 크기는, 상기 복수의 안테나들 각각에 대하여 생성된 상기 제1 빔들의 수용과 관련된 임계치보다 큰 전자 장치.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 메타표면부는, 복수의 유닛 셀들을 포함하고,
   상기 복수의 안테나들 각각은, 복수의 안테나 요소들을 포함하고,
   상기 복수의 안테나들과 상기 메타표면부 간의 채널은,
   상기 복수의 안테나 요소들 각각과 상기 복수의 유닛 셀들 각각 간 결정되는 출발각(AoD) 또는 도착각(AoA), 및 상기 복수의 안테나 요소들 각각과 상기 복수의 유닛 셀들 각각 간의 거리에 기초하여 결정되는 전자 장치.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 복수의 안테나 요소들의 방사 패턴은, 상기 출발각(AoD) 또는 도착각(AoA)에 기초하여 결정되고,
   상기 복수의 안테나들과 상기 메타표면부 간의 채널은 상기 복수의 안테나 요소들의 방사 패턴에 기초하여 결정되는 전자 장치.
   
9. 무선 통신 시스템에서 전자 장치의 동작 방법에 있어서,
   복수의 안테나들 각각에 대하여 제1 빔들을 생성하는 단계;
   상기 제1 빔들을 상기 복수의 안테나들로부터 메타표면부에게 전송하는 단계;
   상기 메타표면부를 통해, 상기 제1 빔들에 기초하여 제2 빔들을 생성하는 단계; 및
   상기 제2 빔들을 다른 전자 장치에게 전송하는 단계;
   를 포함하고,
   상기 메타표면부는, 상기 복수의 안테나들 각각에 대하여 생성된 상기 제1 빔들을 수용하도록 배열되는 방법.
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 안테나들 각각은 상기 메타표면부에 대하여 평행하게 배열되고,
    상기 복수의 안테나들 각각으로부터 상기 메타표면부의 중심까지의 거리는 상이한 전자 장치.
    
11. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 안테나들 각각은 상기 메타표면부에 대하여 원형으로 배열되고,
    상기 복수의 안테나들 각각으로부터 상기 메타표면부의 중심까지의 거리는 동일한 전자 장치.
    
12. 제9항에 있어서,
    상기 메타표면부는, 복수의 유닛 셀들을 포함하고,
    상기 복수의 안테나들 각각은, 복수의 안테나 요소들을 포함하고,
    상기 복수의 유닛 셀들 간의 간격은, 상기 복수의 안테나들 사이의 간격 또는 상기 복수의 안테나 요소들 사이의 간격 중 적어도 하나에 기초하여 결정되는 전자 장치.
    
13. 제9항에 있어서,
    상기 메타표면부는, 단일 메타표면을 포함하는 전자 장치.
    
14. 제9항에 있어서,
    상기 메타표면부의 크기는, 상기 복수의 안테나들 각각에 대하여 생성된 상기 제1 빔들의 수용과 관련된 임계치보다 큰 전자 장치.
    
15. 제9항에 있어서,
    상기 메타표면부는, 복수의 유닛 셀들을 포함하고,
    상기 복수의 안테나들 각각은, 복수의 안테나 요소들을 포함하고,
    상기 복수의 안테나들과 상기 메타표면부 간의 채널은,
    상기 복수의 안테나 요소들 각각과 상기 복수의 유닛 셀들 각각 간 결정되는 출발각(AoD) 또는 도착각(AoA), 및 상기 복수의 안테나 요소들 각각과 상기 복수의 유닛 셀들 각각 간의 거리에 기초하여 결정되는 전자 장치.
    
16. 제15항에 있어서,
    상기 복수의 안테나 요소들의 방사 패턴은, 상기 출발각(AoD) 또는 도착각(AoA)에 기초하여 결정되고,
    상기 복수의 안테나들과 상기 메타표면부 간의 채널은 상기 복수의 안테나 요소들의 방사 패턴에 기초하여 결정되는 전자 장치.

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