WO2016104863A1 - 멀티모드 신호 전송 방법, 및 이를 수행하는 장치들 - Google Patents

멀티모드 신호 전송 방법, 및 이를 수행하는 장치들 Download PDF

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WO2016104863A1
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WO
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reflector
antenna
uca
multimode
equation
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PCT/KR2015/000707
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길계태
이주용
이용훈
조동호
강준혁
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한국과학기술원
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/44—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the electric or magnetic characteristics of reflecting, refracting, or diffracting devices associated with the radiating element
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/20—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart the units being spaced along or adjacent to a curvilinear path
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/14—Reflecting surfaces; Equivalent structures
    • H01Q15/16—Reflecting surfaces; Equivalent structures curved in two dimensions, e.g. paraboloidal
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/23—Combinations of reflecting surfaces with refracting or diffracting devices

Definitions

  • the embodiments below relate to a multimode signal transmission method and apparatuses for performing the same.
  • Orbital Angular Momentum is one of the momentums of all electromagnetic waves together with Linear Momentum (LM) and Spin Angular Momentum (SAM).
  • the LM can be transmitted and preserved to a long distance by the momentum conservation law, and only one channel can be transmitted, and the SAM can transmit two polarizations and is used for satellite communication.
  • OAM is theoretically found to be able to transmit an infinite number of modes (interference), and research into the technology for generating, receiving and decoding the OAM multi-mode (multi-mode) is actively in progress.
  • a UCA antenna pair In a line-of-sight (LoS) environment, a UCA antenna pair is used in a method using a uniform circular array (UCA) antenna pair using N transmit antenna elements and N receive antenna elements at a transmitter to generate an OAM multimode signal.
  • the channel generated by the AWM requires very high transmit power and dynamic range of the receiver to transmit OAM multimode signals over long distances.
  • Embodiments may provide a technique for extending a reach of a multimode signal to a long distance by changing a channel between a transmit and receive UCA antenna by introducing a parabolic reflector in the UCA antenna structure.
  • the communication apparatus may include a UCA antenna (Uniform Circular Array) for emitting multimode signals, and a first reflector for reflecting the emitted multimode signals.
  • UCA antenna Uniform Circular Array
  • the apparatus may further comprise a second reflector for controlling the radiation direction of the UCA antenna.
  • the first reflector may be a parabolic reflector.
  • the radial direction may be controlled in the direction of the first reflector.
  • the second reflector may be a planar reflector.
  • the second reflector may be located behind the UCA antenna.
  • a method of transmitting a multimode signal may include radiating multimode signals by a UCA antenna and reflecting the radiated multimode signals by a first reflector.
  • the method may further comprise controlling a radiation direction of the UCA antenna by a second reflector.
  • the radial direction may be controlled in the direction of the first reflector.
  • the first reflector may be a parabolic reflector.
  • the second reflector may be a planar reflector.
  • the second reflector may be located behind the UCA antenna.
  • SPP primary phase plate
  • FIG. 2 illustrates a communication system using a uniform circular array (UCA) antenna.
  • UCA uniform circular array
  • FIG. 3 illustrates a transmission pattern of each OAM mode according to an embodiment of the UCA antenna structure shown in FIG. 2.
  • 4A and 4B show simulation results for the performance of the communication system shown in FIG. 2.
  • FIG. 5 illustrates a communication system according to one embodiment.
  • FIG. 6 illustrates a communication system according to another embodiment.
  • FIG. 7 illustrates a channel section between a first UCA antenna and a second UCA antenna to explain channel modeling.
  • FIG. 8 illustrates a method of dividing an area of a first parabolic reflector to explain channel modeling.
  • FIG. 9 is a channel model of a coupling structure of a UCA antenna and a parabolic reflector of a transmitter and a receiver considering a specific region of the entire surface S of the first parabolic reflector and a specific region of the entire surface R of the second parabolic reflector. Indicates.
  • FIG. 10 is a conceptual diagram of transmission and reception signal processing for a coupling structure of a UCA antenna and a parabolic reflector according to an embodiment.
  • FIG. 11A illustrates one embodiment of the modulator shown in FIG. 5 or FIG. 6.
  • FIG. 11B shows an embodiment of the demodulator shown in FIG. 5 or FIG. 6.
  • FIG. 12 is a flowchart for describing an operating method of the communication system illustrated in FIG. 5 or 6.
  • first or second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are only for the purpose of distinguishing one component from another component, for example, without departing from the scope of the rights according to the inventive concept, the first component may be called a second component, Similarly, the second component may also be referred to as the first component.
  • SPP primary phase plate
  • a transmission antenna structure for generating an orbital angular momentum (OAM) multi-mode may include a primary phase plate (SPP) structure.
  • SPP primary phase plate
  • the communication system 10 may be a communication system using an SPP structure.
  • communication system 10 may be an OAM transmission system.
  • the SPP structure of the communication system 10 uses a reflector at the transmitting side to change the phase of the transmission signal from 0 to 2 m according to the position of the reflecting surface of the reflector. It may be a structure for generating a transmission signal having a mode, and separating the signal of the desired mode m at the receiving side.
  • the communication system 10 may transmit a transmission signal to a long distance using the SPP structure. However, the communication system 10 may generate only one mode per SPP. That is, the communication system 10 can be large in multi-mode generation complexity.
  • FIG. 2 illustrates a communication system using a uniform circular array (UCA) antenna.
  • UCA uniform circular array
  • the transmit antenna structure for generating an orbital angular momentum (OAM) multi-mode may include a uniform circular array (UCA) antenna structure.
  • UCA uniform circular array
  • the communication system 20 may be a communication system using a UCA antenna structure.
  • communication system 20 may be an OAM transmission system.
  • the UCA structure of the communication system 20 may be a structure capable of simultaneously transmitting N modes using a UCA antenna having N antennas on a transmitting side and a receiving side.
  • the UCA antenna structure of the communication system 20 is more efficient than the SPP structure of the communication system 10 of FIG. 1 in terms of complexity.
  • FIG. 3 illustrates a transmission pattern of each OAM mode according to an embodiment of the UCA antenna structure illustrated in FIG. 2, and FIGS. 4A and 4B illustrate simulation results of the performance of the communication system illustrated in FIG. 2.
  • FIG. 3 for convenience of description, a UCA antenna including eight antennas is assumed.
  • a 5 GHz frequency is used as a carrier frequency fc and a UCA antenna radius is ⁇ / 4.
  • the graph GRAPH-1 shows the capacity of the channel of the N mode signals different in the distance between the transmit and receive antennas.
  • the Rayleigh distance is 7.3 mm.
  • the modes other than the mode 0 do not have 1 bit capacity at a distance of 73 m or more.
  • the graph GRAPH-2 shows a SER (Symbol Error Rate) for each mode by transmitting a 16-QAM signal.
  • the SER of the other modes except for mode 0 may be 10 ⁇ 1 or more.
  • the beam pattern of the modes other than the mode 0 may not face the receiver direction, for example, the Y-axis direction.
  • only a limited transmission power may be transmitted at a distance of 10 m or more.
  • only mode 0 may be detected under a dynamic range condition of the receiver.
  • the UCA antenna structure of the communication system 20 may be effective in near field transmission.
  • FIG. 5 illustrates a communication system according to one embodiment.
  • the communication system 30A may include a transmitter 100A and a receiver 200A.
  • communication system 20 may be an OAM transmission system.
  • the communication system 30A may be a satellite communication system, a wireless backhaul network system, or a LoS communication system.
  • the communication system 30A may be a line-of-ight environment.
  • the communication system 30A may be a communication system of other LoS communication areas.
  • the transmitter 100A may generate multimode signals and transmit the multimode signals to the receiver 200A.
  • the transmitter 100A may include a modulator 110, a first UCA antenna 130, and a first parabolic reflector 150.
  • the modulator 110 may generate multimode signals.
  • the multimode signals may be OAM multimode signals.
  • the modulator 110 may modulate the multimode signals.
  • the modulator 110 may output the multimode signals to the first UCA antenna 130.
  • the first UCA antenna 130 may radiate the multimode signals output from the modulator 110.
  • the first UCA antenna 130 may radiate multimode signals into the air.
  • An example of the beam pattern shown on the transmitter 100A side in FIG. 5 illustrates a beam pattern created by adding the beam patterns of the eight modes of FIG. 3.
  • the first parabolic reflector 150 may reflect the multimode signals emitted from the first UCA antenna 130 and transmit the reflected signal to the receiver 200A. In this case, the first parabolic reflector 150 may transmit to the receiver 200A without interference between the radiated multimode signals.
  • the first parabolic reflector 150 may extend the transmission distance (or reach) of the multimode signals by reflecting the multimode signals including the mode 0 at a short range.
  • the receiver 200A may receive the multimode signals transmitted from the transmitter 100A and demodulate the multimode signals.
  • the receiver 200A may include a second UCA antenna 210, a second parabolic reflector 230, and a demodulator 250.
  • the second UCA antenna 210 may receive multimode signals transmitted from the transmitter 100.
  • the second UCA antenna 210 may directly receive the multimode-signals radiated from the first UCA antenna 210.
  • the second UCA antenna 210 may receive the multimode signals reflected from the second parabolic reflector 230.
  • the multi-mode signals reflected from the second parabolic half period 230 are multi-mode signals reflected from the first parabolic reflector 150 and / or multi-mode radiated from the first UCA antenna 210. May include signals.
  • the second parabolic reflector 230 may reflect the multimode signals transmitted from the transmitter 100A to the second UCA antenna 210.
  • the second parabolic reflector 230 may reflect the multimode-signals reflected from the first parabolic reflector 150 to the second UCA antenna 210.
  • the second parabolic reflector 230 may reflect the multimode-signals emitted from the first UCA antenna 210 to the second UCA antenna 210.
  • the demodulator 210 may demodulate the multimode signals output from the 2 UCA antennas 210.
  • the receiving operation of 200A may be performed, and the receiver 200A may perform the operation of the transmitter 100A described above. That is, the coupling structure of the first UCA antenna 130 and the first parabolic reflector 150 of the transmitter 100A and the coupling of the second UCA antenna 210 and the second parabolic reflector 230 of the receiver 200A
  • the structure may be a transmit / receive antenna structure for generating / receiving OAM multimode signals.
  • FIG. 6 illustrates a communication system according to another embodiment.
  • the transmitter 100B includes a modulator 110, a first UCA antenna 130, a first parabolic reflector 150, and a first planar reflector 170. can do.
  • Receiver 200B may include a second UCA antenna 210, a second parabolic reflector 230, and a demodulator 250, and a second planar reflector 270.
  • the output signals of the modulator 110 of the transmitter 100A are transmitted from the first UCA antenna 130 of the transmitter 100A and the second UCA antenna of the receiver 200A.
  • the direct path H UU is the distance between the first UCA antenna 130 of the transmitter 100A and the second UCA antenna 210 of the receiver 200A. If is far, the signal of mode 0 is transmitted but the signals of the other modes may not be transmitted. Thus, when the first UCA antenna 130 of the transmitter 100A emits multimode signals in the direct path (H UU ) direction, the power efficiency of the communication system 30A may be very low.
  • the planar reflectors 170 and 270 of FIG. 6 may control (or adjust) the radiation directions of the UCA antennas 130 and 210 in the direction of the parabolic reflectors 150 and 230.
  • the planar reflectors 170 and 270 may be implemented on the back of the UCA antennas 130 and 210 such that the UCA antennas 130 and 210 emit multimode signals only toward the parabolic reflectors 150 and 230.
  • the power efficiency of the communication system 30B can be improved.
  • the structure and operation of the transmitter 100B of FIG. 6 are substantially the same as the structure and operation of the transmitter 100A of FIG. 5.
  • the structure and operation of the receiver 200B of FIG. 6 are substantially the same as the structure and operation of the receiver 200A of FIG. 5.
  • the communication systems 30A and 30B shown in Figs. 5 and 6 when the transmit / receive UCA antennas are located at an appropriate distance, the communication systems 30A and 30B because the parabolic reflector pairs implement a large number of parallel LoS channels. ) Can improve the transmission distance (or reach) of the multimode signal while maintaining the near OAM channel characteristics.
  • the communication systems 30A and 30B can change the channel between the transmit and receive UCA antennas by introducing a parabolic antenna into the UCA OAM antenna structure. Accordingly, the communication systems 30A and 30B can extend the transmission distance (or reach distance) of the multimode signal to a long distance.
  • H UU 0 in consideration of power efficiency by the direct path (H UU ).
  • FIG. 7 illustrates a channel section between a first UCA antenna and a second UCA antenna to explain channel modeling
  • FIG. 8 illustrates a method of dividing an area of a first parabolic reflector to explain channel modeling.
  • Antennas (or antenna elements) of the first UCA antenna 130 have zero gain in the direction of the receivers 200A and 200B, and antennas (or antenna elements) of the second UCA antenna 210. Assumes zero gain in the direction of transmitters 100A and 100B. This means that the multimode signals are prevented from being transmitted and received in the direct path H UU by the planar reflectors 170 and 270.
  • the channel H between the first UCA antenna 130 and the second UCA antenna 210 is a section from the first UCA antenna 130 to the first parabolic reflector 150.
  • H PU the interval H PP from the first parabolic reflector 150 to the second parabolic reflector 230, and the interval from the second parabolic reflector 230 to the second UCA antenna 210.
  • H UP the interval from the second parabolic reflector 230 to the second UCA antenna 210.
  • the channel H is divided into three sections and may be expressed as in Equation 1 below.
  • an area of the first parabolic reflector 150 that is, the entire surface S may be divided into M rings. Each ring can be divided into K UCA antennas. Thus, the area of the first parabolic reflector 150, that is, the entire surface S may be expressed as in Equation 2.
  • the entire surface R of the second parabolic reflector 230 may be expressed by Equation 3 below.
  • the channel H may be represented again as in Equation 4.
  • the channel H is a specific region of the entire surface S of the first parabolic reflector 150.
  • a specific region of the entire surface R of the second parabolic reflector 230 It can be expressed as the sum of the channels considering only.
  • Equation 6 The channel response between the first UCA antenna 130 and the second UCA antenna 210 in free space is expressed as Equation 6 as a function of antenna gain, wave length, and transmit / receive antenna distance d. Can be.
  • the response of the channel of the UCA antenna pair to the signal with a particular wave length is determined by the distance between the antenna elements.
  • N x N channels Is expressed as in Equation 7, Can be determined by.
  • Equation 8 Is as shown in Equation 8 It can be expressed as a function of.
  • Equation 8 Means that (qj) mod N will have the same value for the same q, j, May have the form of a circulant matrix.
  • Equation 11 Is as shown in Equation 11 It can be expressed as a function of.
  • Equation 11 means that mod N will have the same value for the same i, p, It may also be in the form of a circular matrix (circulant matrix).
  • Equation 14 Is given by Equation 14 It can be expressed as a function of.
  • equation (14) and equation (15) Is determined by (pq) mod N, It may also be in the form of a circular matrix (circulant matrix).
  • Equation 16 when any N x N matrix A is a circulant (circulant) characteristics, the matrix A can be expressed as in Equation 16.
  • the matrix A may be expressed by the equation of the N-point DFT matrix Q N and the complex diagonal matrix ⁇ .
  • Equation 21 May be expressed as in Equation 21.
  • Equation 22 Equation 22.
  • Equation 23 May be expressed as in Equation 23.
  • Equation 22 the channel H between the first UCA antenna 130 and the second UCA antenna 210 is also a circulant characteristic.
  • FIG. 10 is a conceptual diagram of transmission and reception signal processing for a coupling structure of a UCA antenna and a parabolic reflector according to an embodiment.
  • received signal vectors and additional noise of N antennas (or antenna elements) of the second UCA antenna 210 at any time t respectively. and If defined as, the received signal y (t) can be expressed as in Equation (24).
  • Equation 24 may be expressed again as in Equation 25.
  • Equation 25 may be expressed as Equation 26.
  • the signal r (t) can be obtained by postprocessing the received signal y (t) with an inverse DFT.
  • r (t) may be expressed as Equation 27.
  • r (t) may be a vector signal.
  • Equation 27 Since r is a diagonal matrix, the signal r (t) has a form in which the complex signal is multiplied by the transmission signal s (t), so that s (t) can be decoded using a simple equalizer.
  • FIG. 11A shows one embodiment of the modulator shown in FIG. 5 or 6
  • FIG. 11B shows one embodiment of the demodulator shown in FIG. 5 or 6.
  • the modulator 100 may convert the time-domain signal ⁇ s k (t) ⁇ into an angular-domain in the same manner as in FIG. 11A.
  • the modulator 110 may include a plurality of modulators 110-1 to 110-k.
  • s 1 (t) may be multiplied by elements of the 1-th column of the Q N matrix in the first modulator 110-1 and transmitted through each antenna (or antenna element) of the first USC antenna 130.
  • s 2 (t) may be multiplied by elements of the 2-th column of the Q N matrix in the second modulator 110-2 and transmitted through the first USC antenna 130.
  • s k (t) may be multiplied by elements of the k-th column of the Q N matrix in the k-th modulator 110-k and transmitted through the first USC antenna 130.
  • the demodulator 250 may include a plurality of demodulators 250-1 to 250-k. Each demodulator 250-1-250-k transmits the signal of the angular-domain received through each antenna (or antenna element) of the second USC antenna 210 to the corresponding row of Q N H (eg, k r k (t) can be obtained by multiplying and summating the elements of -th row) element-wise.
  • Q N H eg, k r k (t)
  • the modulator 110 uses the N-point DFT matrix and the demodulator 250 uses the N-point inverse DFT matrix
  • the present invention is not limited thereto, and the modulator 110 uses the N-point inverse DFT matrix.
  • the demodulator 250 may use an N-point DFT matrix, and may obtain the same result as the above-described result.
  • FIG. 12 is a flowchart for describing an operating method of the communication system illustrated in FIG. 5 or 6.
  • the first UCA antenna 130 may radiate multimode signals output from the modulator 110 (S1210).
  • the first parabolic reflector 150 may reflect the multimode signals emitted from the first UCA antenna 130 (S1230).
  • the second parabolic reflector 230 may reflect the multimode signals reflected from the first parabolic reflector 150 to the second UCA antenna 210 (S1250).
  • the second UCA antenna 210 may receive the multimode signals reflected from the second parabolic reflector 230 (S1270).
  • the apparatus described above may be implemented as a hardware component, a software component, and / or a combination of hardware components and software components.
  • the devices and components described in the embodiments are, for example, processors, controllers, arithmetic logic units (ALUs), digital signal processors, microcomputers, field programmable gate arrays (FPGAs).
  • ALUs arithmetic logic units
  • FPGAs field programmable gate arrays
  • PLU programmable logic unit
  • the processing device may execute an operating system (OS) and one or more software applications running on the operating system.
  • the processing device may also access, store, manipulate, process, and generate data in response to the execution of the software.
  • processing device includes a plurality of processing elements and / or a plurality of types of processing elements. It can be seen that it may include.
  • the processing device may include a plurality of processors or one processor and one controller.
  • other processing configurations are possible, such as parallel processors.
  • the software may include a computer program, code, instructions, or a combination of one or more of the above, and configure the processing device to operate as desired, or process it independently or collectively. You can command the device.
  • Software and / or data may be any type of machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage medium or device in order to be interpreted by or to provide instructions or data to the processing device. Or may be permanently or temporarily embodied in a signal wave to be transmitted.
  • the software may be distributed over networked computer systems so that they may be stored or executed in a distributed manner.
  • Software and data may be stored on one or more computer readable recording media.
  • the method according to the embodiment may be embodied in the form of program instructions that can be executed by various computer means and recorded in a computer readable medium.
  • the computer readable medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination.
  • the program instructions recorded on the media may be those specially designed and constructed for the purposes of the embodiments, or they may be of the kind well-known and available to those having skill in the computer software arts.
  • Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tape, optical media such as CD-ROMs, DVDs, and magnetic disks, such as floppy disks.
  • Examples of program instructions include not only machine code generated by a compiler, but also high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like.
  • the hardware device described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the embodiments, and vice versa.

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Abstract

멀티모드 신호 전송 방법, 및 이를 수행하는 장치들이 개시된다. 일 실시예에 따른 통신 장치는 멀티모드 신호들을 방사하는 UCA 안테나(Uniform Circular Array)와, 상기 방사된 멀티모드 신호들을 반사하는 제1 반사기를 포함한다.

Description

멀티모드 신호 전송 방법, 및 이를 수행하는 장치들
아래 실시예들은 멀티모드 신호 전송 방법, 및 이를 수행하는 장치들에 관한 것이다.
OAM(Orbital Angular Momentum)은 LM(Linear Momentum)과 SAM(Spin Angular Momentum)과 함께 모든 전자파가 갖고 있는 모멘텀들 중 하나이다.
LM은 모멘텀 보전 법칙에 의하여 원거리까지 보전하여 전달할 수 있는 것으로서 1개 채널만 전송 가능하고, SAM은 2개의 편광(polarization)을 전송 가능하여 위성 통신에 사용되고 있다.
이와 달리, OAM은 이론적으로 무한 개의 모드(mode)를 간섭 없이 전송 가능한 것으로 밝혀지면서 이 OAM 멀티모드(multi-mode)를 생성하고 수신 및 복호하는 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
Line-of-Sight(LoS) 환경에서, OAM 멀티모드 신호를 생성하기 위해 송신기에서 N개의 송신 안테나 소자와 N개의 수신 안테나 소자를 사용하는 UCA(Uniform Circular Array) 안테나 쌍을 이용하는 방식에서는 UCA 안테나 쌍에 의해 생성되는 채널이 원거리까지 OAM 멀티모드 신호를 전송하는데 매우 높은 송신 전력과 수신기의 다이내믹 레인지(dynamic range)를 요구한다.
실시예들은 UCA 안테나 구조에 파라볼릭 반사기를 도입함으로써, 송수신 UCA 안테나간 채널을 변경하여 멀티모드 신호의 도달거리를 원거리까지 확장하는 기술을 제공할 수 있다.
일 실시예에 따른 통신 장치는 멀티모드 신호들을 방사하는 UCA 안테나(Uniform Circular Array)와, 상기 방사된 멀티모드 신호들을 반사하는 제1 반사기를 포함할 수 있다.
상기 장치는 상기 UCA 안테나의 방사 방향을 제어하는 제2 반사기를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 반사기는 파라볼릭 반사기일 수 있다.
상기 방사 방향은 상기 제1 반사기 방향으로 제어될 수 있다.
상기 제2 반사기는 평면형 반사기일 수 있다.
상기 제2 반사기는 상기 UCA 안테나 후면에 위치할 수 있다.
일 실시예에 따른 멀티모드 신호 전송 방법은 UCA 안테나가 멀티모드 신호들을 방사하는 단계와, 제1 반사기가 상기 방사된 멀티모드 신호들을 반사하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법은 제2 반사기가 상기 UCA 안테나의 방사 방향을 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 방사 방향은 상기 제1 반사기 방향으로 제어될 수 있다.
상기 제1 반사기는 파라볼릭 반사기일 수 있다.
상기 제2 반사기는 평면형 반사기일 수 있다.
상기 제2 반사기는 상기 UCA 안테나 후면에 위치할 수 있다.
도 1은 SPP(Sprial Phase Plate)를 사용한 통신 시스템을 나타낸다.
도 2는 UCA(Uniform Circular Array) 안테나를 사용한 통신 시스템을 나타낸다.
도 3은 도 2에 도시된 UCA 안테나 구조의 일 실시예에 따른 각 OAM 모드의 송신 패턴을 나타낸다.
도 4a 및 도 4b는 도 2에 도시된 통신 시스템의 성능에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 5는 일 실시예에 따른 통신 시스템을 나타낸다.
도 6은 다른 실시예에 따른 통신 시스템을 나타낸다.
도 7은 채널 모델링을 설명하기 위해 제1 UCA 안테나와 제2 UCA 안테나 사이의 채널 구간을 나타낸다.
도 8은 채널 모델링을 설명하기 위해 제1 파라볼릭 반사기의 영역을 분할하는 방법을 나타낸다.
도 9는 제1 파라볼릭 반사기의 전체 면(S) 중에서 특정 영역과 제2 파라볼릭 반사기의 전체 면(R) 중에서 특정 영역을 고려한 송신기와 수신기의 UCA 안테나와 파라볼릭 반사기의 결합 구조의 채널 모델을 나타낸다.
도 10은 일 실시예에 따른 UCA 안테나와 파라볼릭 반사기의 결합 구조를 위한 송수신 신호처리의 개념도를 나타낸다.
도 11a은 도 5 또는 도 6에 도시된 변조기의 일 실시예를 나타낸다.
도 11b는 도 5 또는 도 6에 도시된 복조기의 일 실시예를 나타낸다.
도 12는 도 5 또는 도 6에 도시된 통신 시스템의 동작 방법을 설명하기 위한 플로우 차트이다.
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 모든 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 이웃하는"과 "~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.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 SPP(Sprial Phase Plate)를 사용한 통신 시스템을 나타낸다.
도 1을 참조하면, OAM(Orbital Angular Momentum) 멀티-모드를 생성하기 위한 송신 안테나 구조는 SPP(Sprial Phase Plate) 구조를 포함할 수 있다.
통신 시스템(10)은 SPP 구조를 사용한 통신 시스템일 수 있다. 예를 들어, 통신 시스템(10)은 OAM 전송 시스템일 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 통신 시스템(10)의 SPP 구조는 송신 측에서 반사기(reflector)를 사용하여 상기 반사기의 반사면 위치에 따라 송신 신호의 위상(phase)을 0~2m까지 변화시켜 특정 모드(mode)를 갖는 송신 신호를 생성하고, 수신 측에서 원하는 모드 m의 신호를 분리하는 구조일 수 있다.
통신 시스템(10)은 SPP 구조를 사용하여 송신 신호를 원거리까지 전송할 수 있다. 다만, 통신 시스템(10)은 SPP당 1개의 모드만 생성할 수 있다. 즉, 통신 시스템(10)은 멀티-모드 생성 복잡도가 클 수 있다.
도 2는 UCA(Uniform Circular Array) 안테나를 사용한 통신 시스템을 나타낸다.
도 2를 참조하면, OAM(Orbital Angular Momentum) 멀티-모드를 생성하기 위한 송신 안테나 구조는 UCA(Uniform Circular Array) 안테나 구조를 포함할 수 있다.
통신 시스템(20)은 UCA 안테나 구조를 사용한 통신 시스템일 수 있다. 예를 들어, 통신 시스템(20)은 OAM 전송 시스템일 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 통신 시스템(20)의 UCA 구조는 송신측과 수신측에 N개의 안테나를 갖는 UCA 안테나를 사용하여 N개의 모드들을 동시에 전송할 수 있는 구조일 수 있다.
통신 시스템(20)의 UCA 안테나 구조는 복잡도 측면에서 도 1의 통신 시스템(10)의 SPP 구조보다 효율적이다.
도 3은 도 2에 도시된 UCA 안테나 구조의 일 실시예에 따른 각 OAM 모드의 송신 패턴을 나타내고, 도 4a 및 도 4b는 도 2에 도시된 통신 시스템의 성능에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 3에서는 설명의 편의를 위해 8개의 안테나를 포함하는 UCA 안테나를 가정하고, 도 4a 및 도 4b에서는 반송파 주파수(fc)로 5GHz 주파수를 사용하고 UCA 안테나 반경이 λ/4인 경우로 가정한다.
도 2 내지 도 4b를 참조하면, 그래프(GRAPH-1)는 송수신 안테나 사이의 거리에 다른 N개 모드 신호들의 채널의 용량을 나타낸다. 5GHz 주파수를 사용하고 UCA 안테나 반경이 λ/4인 경우, 레일리 거리(Rayleigh distance)는 7.3 mm이다. 도 4a의 그래프(GRAPH-1)에 도시된 바와 같이, 모드 0을 제외한 나머지 모드들이 73m이상의 거리에서 1 bit 용량도 갖지 못함을 알 수 있다.
그래프(GRAPH-2)는 16-QAM 신호를 전송하여 모드 별 SER(Symbol Error Rate)을 나타낸다. 도 4b의 그래프(GRAPH-2)에 도시된 바와 같이, 10m보다 먼 거리에서는 모드 0을 제외한 나머지 모드들의 SER이 10-1이상이 됨을 알 수 있다.
도 3에서 보는 바와 같이 모드 0을 제외한 나머지 모드들의 빔 패턴(beam pattern)이 수신기 방향, 예를 들어 Y축 방향을 향하지 않을 수 있다. 이에, 도 4a 및 도 4b의 시뮬레이션 결과와 같이 10m 이상의 거리에서는 제한된 송신전력만이 전송될 수 있다. 또한, 수신기의 다이내믹 레인지(dynamic range) 조건에서는 모드 0만 검파(detection)가 가능할 수 있다. 따라서, 통신 시스템(20)의 UCA 안테나 구조는 근거리 전송에서 유효성(feasibility)이 있을 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 통신 시스템을 나타낸다.
도 5를 참조하면, 통신 시스템(30A)은 송신기(transmitter; 100A)와 수신기(receiver; 200A)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 통신 시스템(20)은 OAM 전송 시스템일 수 있다. 통신 시스템(30A)은 위성 통신 시스템, 무선 백홀 네트워크 시스템, 또는 LoS 통신 시스템일 수 있다. 통신 시스템(30A)은 LoS(Line-of-Sight) 환경일 수 있다. 또한, 통신 시스템(30A)은 기타 LoS 통신 여역의 통신 시스템일 수 있다.
송신기(100A)는 멀티모드 신호들을 생성하고, 멀티모드 신호들을 수신기(200A)로 전송할 수 있다.
송신기(100A)는 변조기(modulator; 110), 제1 UCA 안테나(130), 및 제1 파라볼릭 반사기(first parabolic reflector; 150)를 포함할 수 있다.
변조기(110)는 멀티모드 신호들을 생성할 수 있다. 예를 들어, 멀티모드 신호들은 OAM 멀티모드 신호들일 수 있다. 또한, 변조기(110)는 멀티모드 신호들을 변조할 수 있다.
변조기(110)는 멀티모드 신호들을 제1 UCA 안테나(130)로 출력할 수 있다.
제1 UCA 안테나(130)는 변조기(110)로부터 출력된 멀티모드 신호들을 방사할(ray) 수 있다. 예를 들어, 제1 UCA 안테나(130)는 멀티모드 신호들을 공기(air) 중으로 방사할 수 있다. 도 5에서 송신기(100A) 측에 도시된 빔 패턴의 예는 도 3의 8개의 모드들의 빔 패턴을 합하여 만들어진 빔 패턴을 나타낸 것이다.
제1 파라볼릭 반사기(150)는 제1 UCA 안테나(130)로부터 방사된 멀티모드 신호들을 반사하여 수신기(200A)로 전송할 수 있다. 이때, 제1 파라볼릭 반사기(150)는 방사된 멀티모드 신호들 간에 간섭 없이 수신기(200A)에 전송할 수 있다.
즉, 제1 파라볼릭 반사기(150)는 모드 0을 포함하는 멀티모드 신호들을 근거리에서 반사하여 멀티모드 신호들의 전송거리(또는 도달거리)를 확장시킬 수 있다.
수신기(200A)는 송신기(100A)로부터 전송된 멀티모드 신호들을 수신하고, 멀티모드 신호들을 복조할(demodulate) 수 있다.
수신기(200A)는 제2 UCA 안테나(210), 제2 파라볼릭 반사기(second parabolic reflector; 230), 및 복조기(demodulator; 250)를 포함할 수 있다.
제2 UCA 안테나(210)는 송신기(100)로부터 전송된 멀티모드 신호들을 수신할 수 있다. 일 예로, 제2 UCA 안테나(210)는 제1 UCA 안테나(210)로부터 방사된 멀티모드-신호들을 직접 수신할 수 있다. 다른 예로, 제2 UCA 안테나(210)는 제2 파라볼릭 반사기(230)로부터 반사된 멀티모드 신호들을 수신할 수 있다. 이때, 제2 파라볼릭 반시기(230)로부터 반사된 멀티 모드 신호들은 제1 파라볼릭 반사기(150)로부터 반사된 멀티모드-신호들 및/또는 제1 UCA 안테나(210)로부터 방사된 멀티모드-신호들을 포함할 수 있다.
제2 파라볼릭 반사기(230)는 송신기(100A)로부터 전송된 멀티모드 신호들을 제2 UCA 안테나(210)로 반사할 수 있다. 일 예로, 제2 파라볼릭 반사기(230)는 제1 파라볼릭 반사기(150)로부터 반사된 멀티모드-신호들을 제2 UCA 안테나(210)로 반사할 수 있다. 다른 예로, 제2 파라볼릭 반사기(230)는 제1 UCA 안테나(210)로부터 방사된 멀티모드-신호들을 제2 UCA 안테나(210)로 반사할 수 있다.
복조기(210)는 2 UCA 안테나(210)로부터 출력된 멀티모드 신호들을 복조할 수 있다.
도 5에서는 송신기(100A)에 있어서 송신기(100A)의 송신 동작만을 상술하고, 수신기(200A)에 있어서 수신기(200A)의 수신 동작만을 상술하였지만, 이에 한정되지 않고 송신기(100A)는 상술한 수신기(200A)의 수신 동작을 수행하고, 수신기(200A)는 상술한 송신기(100A)의 동작을 수행할 수 있다. 즉, 송신기(100A)의 제1 UCA 안테나(130) 및 제1 파라볼릭 반사기(150)의 결합 구조와 수신기(200A)의 제2 UCA 안테나(210) 및 제2 파라볼릭 반사기(230)의 결합 구조는 OAM 멀티모드 신호들을 생성/수신하기 위한 송수신 안테나 구조일 수 있다.
도 6은 다른 실시예에 따른 통신 시스템을 나타낸다.
도 5와 도6을 참조하면, 송신기(100B)는 변조기(110), 제1 UCA 안테나(130), 제1 파라볼릭 반사기(150), 및 제1 평면형 반사기(first planar reflector; 170)을 포함할 수 있다.
수신기(200B)는 제2 UCA 안테나(210), 제2 파라볼릭 반사기(230), 및 복조기(250), 및 제2 평면형 반사기(second planar reflector; 270)을 포함할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 송신기(100A)의 변조기(110)의 출력 신호들, 즉 멀티모드 신호들은 송신기(100A)의 제1 UCA 안테나(130)와 수신기(200A)의 제2 UCA 안테나(210) 사이의 직접경로(HU-U)와 제1 파라볼릭 반사기(150)을 통한 반사경로(HU-PHP-PHP-U)를 통해 수신기(200A)의 복조기(250)로 전송(또는 도달)될 수 있다.
다만, 도 3 내지 도 4b를 참조하여 상술한 바와 같이, 직접경로(HU-U)가 송신기(100A)의 제1 UCA 안테나(130)와 수신기(200A)의 제2 UCA 안테나(210) 사이의 거리가 먼 경우, 모드 0의 신호는 전송되지만 나머지 모드들의 신호들은 mode의 신호들은 전송되지 않을 수 있다. 따라서, 송신기(100A)의 제1 UCA 안테나(130)가 직접경로(HU-U) 방향으로 멀티모드 신호들을 방사할 경우 통신 시스템(30A)의 전력 효율성은 매우 낮을 수 있다.
도 6의 평면형 반사기(170 및 270)는 UCA 안테나(130 및 210)의 방사 방향을 파라볼릭 반사기(150 및 230) 방향으로 제어(또는 조정)할 수 있다. 평면형 반사기(170 및 270)는 UCA 안테나(130 및 210)가 멀티모드 신호들을 파라볼릭 반사기(150 및 230) 방향으로만 방사하도록 UCA 안테나(130 및 210)의 후면에 구현될 수 있다.
따라서, 전력 효율이 낮은 직접경로(HU-U)로 멀티모드 신호들이 전송되지 않도록 함으로써, 통신 시스템(30B)의 전력 효율성은 개선될 수 있다.
제1 평면형 반사기(170)를 제외하면, 도 6의 송신기(100B)의 구조와 동작은 도 5의 송신기(100A)의 구조와 동작과 실질적으로 동일하다.
제2 평면형 반사기(270)를 제외하면, 도 6의 수신기(200B)의 구조와 동작은 도 5의 수신기(200A)의 구조와 동작과 실질적으로 동일하다.
도 5 및 도 6에 도시된 통신 시스템(30A 및 30B)에 있어서, 송수신 UCA 안테나를 적정한 거리에 위치시킬 경우, 파라볼릭 반사기 쌍이 수많은 병렬(parallel) LoS 채널을 구현해 주기 때문에 통신 시스템(30A 및 30B)는 근거리 OAM 채널 특성을 유지한 채 멀티모드 신호의 전송거리(또는 도달거리)를 개선할 수 있다.
즉, 통신 시스템(30A 및 30B)은 UCA OAM 안테나 구조에 파라볼릭 안테나를 도입함으로써 송수신 UCA 안테나간 채널을 변경할 수 있다. 이에, 통신 시스템(30A 및 30B)은 멀티모드 신호의 전송거리(또는 도달거리)를 원거리까지 확장할 수 있다.
이하에서는 직접경로(HU-U)에 의한 전력 효율성을 고려하여 HU-U = 0으로 가정한다.
도 7은 채널 모델링을 설명하기 위해 제1 UCA 안테나와 제2 UCA 안테나 사이의 채널 구간을 나타내고, 도 8은 채널 모델링을 설명하기 위해 제1 파라볼릭 반사기의 영역을 분할하는 방법을 나타낸다.
채널 모델
제1 UCA 안테나(130)의 안테나들(또는 안테나 소자들)은 수신기(200A 및 200B) 방향으로 제로 이득(zero gain)을 갖고, 제2 UCA 안테나(210)의 안테나들(또는 안테나 소자들)은 송신기(100A 및 100B) 방향으로 제로 이득(zero gain)을 갖는다고 가정한다. 이는, 멀티모드 신호들이 평면형 반사기(170 및 270)에 의해서 직접경로(HU-U)로 전송 및 수신되는 것이 방지됨을 의미한다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 제1 UCA 안테나(130)와 제2 UCA 안테나(210) 사이의 채널(H)은 제1 UCA 안테나(130)에서 제1 파라볼릭 반사기(150)까지의 구간(HP-U), 제1 파라볼릭 반사기(150)에서 제2 파라볼릭 반사기(230)까지의 구간(HP-P), 및 제2 파라볼릭 반사기(230)에서 제2 UCA 안테나(210)까지의 구간(HU-P)을 포함할 수 있다. 채널(H)은 3개 구간으로 분할되고, 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2015000707-appb-I000001
도 8에 도시된 바와 같이, 제1 파라볼릭 반사기(150)의 영역, 즉 전체 면(S)는 M개의 링(ring)으로 분할될 수 있다. 각 ring은 K개의 UCA 안테나로 분할될 수 있다. 이에, 제1 파라볼릭 반사기(150)의 영역, 즉 전체 면(S)는 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2015000707-appb-I000002
제2 파라볼릭 반사기(230)의 전체 면(R)은 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2015000707-appb-I000003
채널(H)는 수학식 4와 같이 다시 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2015000707-appb-I000004
이때,
Figure PCTKR2015000707-appb-I000005
는 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2015000707-appb-I000006
즉, 채널(H)는 제1 파라볼릭 반사기(150)의 전체 면(S) 중에서 특정 영역
Figure PCTKR2015000707-appb-I000007
과 제2 파라볼릭 반사기(230)의 전체 면(R) 중에서 특정 영역
Figure PCTKR2015000707-appb-I000008
만을 고려한 채널들의 합으로 표현될 수 있다.
도 9는 제1 파라볼릭 반사기의 전체 면(S) 중에서 특정 영역
Figure PCTKR2015000707-appb-I000009
과 제2 파라볼릭 반사기의 전체 면(R) 중에서 특정 영역
Figure PCTKR2015000707-appb-I000010
을 고려한 송신기와 수신기의 UCA 안테나와 파라볼릭 반사기의 결합 구조의 채널 모델을 나타낸다.
도 9에 도시된 바와 같이,
Figure PCTKR2015000707-appb-I000011
을 구하기 위하여 제1 파라볼릭 반사기(150) 대신에 제1 파라볼릭 반사기(150)의 전체 면(S) 중에서 특정 영역
Figure PCTKR2015000707-appb-I000012
이 적용될 수 있다. 또한, 제2 파라볼릭 반사기(230) 대신에 제2 파라볼릭 반사기(230)의 전체 면(R) 중에서 특정 영역
Figure PCTKR2015000707-appb-I000013
이 적용될 수 있다. 특정 영역
Figure PCTKR2015000707-appb-I000014
와
Figure PCTKR2015000707-appb-I000015
은 모두 N개의 반사 포인트들(reflection points)을 포함한다고 가정한다.
그러면
Figure PCTKR2015000707-appb-I000016
,
Figure PCTKR2015000707-appb-I000017
, 및
Figure PCTKR2015000707-appb-I000018
는 다음과 같이 구할 수 있다.
자유 공간(free space)에서 제1 UCA 안테나(130)와 제2 UCA 안테나(210) 사이의 채널 응답은 안테나 gain, wave length, 및 송수신 안테나 거리(d)의 함수로 수학식 6과 같이 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2015000707-appb-I000019
모든 방향으로 동일한 gain(β)을 갖는 안테나를 가정할 때, 특정 wave length를 갖는 신호에 대한 UCA 안테나 쌍의 채널의 응답은 안테나 소자들 사이의 거리에 의해 결정된다고 볼 수 있다.
따라서, N x N 채널인
Figure PCTKR2015000707-appb-I000020
는 수학식 7과 같이 표현되고,
Figure PCTKR2015000707-appb-I000021
에 의해 결정될 수 있다.
Figure PCTKR2015000707-appb-I000022
Figure PCTKR2015000707-appb-I000023
는 수학식 8과 같이
Figure PCTKR2015000707-appb-I000024
의 함수로 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2015000707-appb-I000025
이때,
Figure PCTKR2015000707-appb-I000026
은 수학식 9와 같이 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2015000707-appb-I000027
수학식 8과 수학식 9로부터
Figure PCTKR2015000707-appb-I000028
는 (q-j) mod N이 같은 q, j에 대해 같은 값을 갖게 됨을 의미하므로,
Figure PCTKR2015000707-appb-I000029
는 서큘런트 매트릭스(circulant matrix) 형태를 갖게 될 수 있다.
Figure PCTKR2015000707-appb-I000030
은 수학식 10과 같이 표현되고,
Figure PCTKR2015000707-appb-I000031
에 의해 결정될 수 있다.
Figure PCTKR2015000707-appb-I000032
Figure PCTKR2015000707-appb-I000033
는 수학식 11과 같이
Figure PCTKR2015000707-appb-I000034
의 함수로 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2015000707-appb-I000035
이때,
Figure PCTKR2015000707-appb-I000036
은 수학식 12와 같이 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2015000707-appb-I000037
수학식 11과 수학식 12로부터
Figure PCTKR2015000707-appb-I000038
는 (i-p) mod N이 같은 i, p에 대해 같은 값을 갖게 됨을 의미하므로,
Figure PCTKR2015000707-appb-I000039
도 서큘런트 매트릭스(circulant matrix) 형태를 갖게 될 수 있다.
Figure PCTKR2015000707-appb-I000040
도 수학식 13과 같이 표현되고,
Figure PCTKR2015000707-appb-I000041
에 의해 결정될 수 있다.
Figure PCTKR2015000707-appb-I000042
Figure PCTKR2015000707-appb-I000043
는 수학식 14과 같이
Figure PCTKR2015000707-appb-I000044
의 함수로 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2015000707-appb-I000045
이때,
Figure PCTKR2015000707-appb-I000046
은 수학식 15와 같이 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2015000707-appb-I000047
수학식 14과 수학식 15로부터
Figure PCTKR2015000707-appb-I000048
는 (p-q) mod N에 의해 결정되므로,
Figure PCTKR2015000707-appb-I000049
도 서큘런트 매트릭스(circulant matrix) 형태를 갖게 될 수 있다.
한편, 임의의 N x N 매트릭스 A가 서큘런트(circulant) 특성인 경우에 매트릭스 A는 수학식 16과 같이 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2015000707-appb-I000050
즉, 임의의 N x N 매트릭스 A가 서큘런트(circulant) 특성인 경우에 매트릭스 A는 N-point DFT 매트릭스 QN과 complex diagonal 매트릭스 Δ의 식으로 표현될 수 있다.
이에,
Figure PCTKR2015000707-appb-I000051
,
Figure PCTKR2015000707-appb-I000052
, 및
Figure PCTKR2015000707-appb-I000053
은 수학식 17, 수학식 18, 및 수학식 19와 같이 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2015000707-appb-I000054
따라서,
Figure PCTKR2015000707-appb-I000055
는 수학식 20과 같이 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2015000707-appb-I000056
여기서,
Figure PCTKR2015000707-appb-I000057
는 수학식 21과 같이 표현될 수 있다. 예를 들어,
Figure PCTKR2015000707-appb-I000058
는 complex diagonal 매트릭스일 수 있다.
Figure PCTKR2015000707-appb-I000059
수학식 20을 수학식 4에 대입하면, 채널(H)은 수학식 22와 같이 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2015000707-appb-I000060
여기서,
Figure PCTKR2015000707-appb-I000061
는 수학식 23과 같이 표현될 수 있다. 예를 들어,
Figure PCTKR2015000707-appb-I000062
는 complex diagonal 매트릭스일 수 있다.
Figure PCTKR2015000707-appb-I000063
수학식 22로부터 제1 UCA 안테나(130)와 제2 UCA 안테나(210) 사이의 채널(H)도 circulant 특성임을 알 수 있다.
도 10은 일 실시예에 따른 UCA 안테나와 파라볼릭 반사기의 결합 구조를 위한 송수신 신호처리의 개념도를 나타낸다.
도 10을 참조하면, 임의의 시간 t에서 제2 UCA 안테나(210)의 N개의 안테나(또는 안테나 소자)의 수신 신호 벡터와 부가잡음을 각각
Figure PCTKR2015000707-appb-I000064
과
Figure PCTKR2015000707-appb-I000065
로 정의하면, 수신신호 y(t)는 수학식 24와 같이 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2015000707-appb-I000066
수학식 22에 기초하여 수학식 24는 수학식 25와 같이 다시 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2015000707-appb-I000067
x(t)가
Figure PCTKR2015000707-appb-I000068
와 같이 송신 신호 s(t)를
Figure PCTKR2015000707-appb-I000069
, 즉 discrete Fourier transform(DFT)로 전처리(preprocessing)한 신호가 되도록 하면 수학식 25는 수학식 26과 같이 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2015000707-appb-I000070
수신 신호 y(t)를 inverse DFT로 후처리(postprocessing)하면 신호 r(t)를 얻을 수 있다. r(t)는 수학식 27과 같이 표현될 수 있다. 예를 들어, r(t)는 벡터 신호일 수 있다.
Figure PCTKR2015000707-appb-I000071
수학식 27에서
Figure PCTKR2015000707-appb-I000072
가 diagonal matrix이므로 신호 r(t)는 송신 신호 s(t)에 complex number가 곱해진 형태를 가지므로 간단한 equalizer를 사용하여 s(t)를 복호할 수 있다.
도 11a은 도 5 또는 도 6에 도시된 변조기의 일 실시예를 나타내고, 도 11b는 도 5 또는 도 6에 도시된 복조기의 일 실시예를 나타낸다.
도 11a 및 도 11b를 참조하면, 변조기(100)는 도 11a와 같은 방법으로 time-domain 신호 {sk(t)}를 angular-domain으로 변환할 수 있다.
변조기(110)는 복수의 변조기들(110-1~110-k)을 포함할 수 있다. s1(t)은 제1 변조기(110-1)에서 QN matrix의 1-th column의 element들과 곱해져 제1 USC 안테나(130)의 각 안테나(또는 안테나 소자)를 통해 송신될 수 있다. s2(t)은 제2 변조기(110-2)에서 QN matrix의 2-th column의 element들과 곱해져 제1 USC 안테나(130)를 통해 송신될 수 있다. sk(t)은 제k 변조기(110-k)에서 QN matrix의 k-th column의 element들과 곱해져 제1 USC 안테나(130)를 통해 송신될 수 있다.
복조기(250)는 복수의 복조기들(250-1~250-k)을 포함할 수 있다. 각 복조기(250-1~250-k)는 제2 USC 안테나(210)의 각 안테나(또는 안테나 소자)를 통해 수신된 angular-domain의 신호를 QN H의 대응되는 row(예를 들어, k-th row)의 element들과 element-wise로 곱하고 합하여 rk(t)를 얻을 수 있다.
변조기(110)가 N-point DFT matrix를 사용하고 복조기(250)가 N-point inverse DFT matrix를 사용하는 것으로 상술하였지만, 이에 한정되지 않고 변조기(110)는 N-point inverse DFT matrix를 사용하고, 복조기(250)는 N-point DFT matrix를 사용할 수 있으며, 상술한 결과와 동일한 결과를 얻을 수 있다.
도 12는 도 5 또는 도 6에 도시된 통신 시스템의 동작 방법을 설명하기 위한 플로우 차트이다.
도 12를 참조하면, 제1 UCA 안테나(130)는 변조기(110)로부터 출력된 멀티모드 신호들을 방사할 수 있다(S1210).
제1 파라볼릭 반사기(150)는 제1 UCA 안테나(130)로부터 방사된 멀티모드 신호들을 반사할 수 있다(S1230).
제2 파라볼릭 반사기(230)는 제1 파라볼릭 반사기(150)로부터 반사된 멀티모드 신호들을 제2 UCA 안테나(210)로 반사할 수 있다(S1250).
제2 UCA 안테나(210)는 제2 파라볼릭 반사기(230)로부터 반사된 멀티모드 신호들을 수신할 수 있다(S1270)
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 (12)

  1. 멀티모드 신호들을 방사하는 UCA 안테나(Uniform Circular Array); 및
    상기 방사된 멀티모드 신호들을 반사하는 제1 반사기
    를 포함하는 통신 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 UCA 안테나의 방사 방향을 제어하는 제2 반사기
    를 더 포함하는 통신 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반사기는 파라볼릭 반사기인 통신 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 방사 방향은 상기 제1 반사기 방향으로 제어되는 통신 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제2 반사기는 평면형 반사기인 통신 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제2 반사기는 상기 UCA 안테나 후면에 위치하는 통신 장치.
  7. UCA 안테나가 멀티모드 신호들을 방사하는 단계; 및
    제1 반사기가 상기 방사된 멀티모드 신호들을 반사하는 단계
    를 포함하는 멀티모드 신호 전송 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    제2 반사기가 상기 UCA 안테나의 방사 방향을 제어하는 단계
    를 더 포함하는 멀티모드 신호 전송 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 방사 방향은 상기 제1 반사기 방향으로 제어되는 멀티모드 신호 전송 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제1 반사기는 파라볼릭 반사기인 멀티모드 신호 전송 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제2 반사기는 평면형 반사기인 멀티모드 신호 전송 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 제2 반사기는 상기 UCA 안테나 후면에 위치하는 멀티모드 신호 전송 방법.
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