WO2021090963A1 - 무선 광 통신 시스템에서 신호를 송수신하는 방법 및 이를 위한 송신 단말과 수신 단말 - Google Patents

무선 광 통신 시스템에서 신호를 송수신하는 방법 및 이를 위한 송신 단말과 수신 단말 Download PDF

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이상림
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    • H04J—MULTIPLEX COMMUNICATION
    • H04J14/00—Optical multiplex systems
    • H04J14/04—Mode multiplex systems

Definitions

  • the present disclosure relates to a method of transmitting and receiving a signal in a wireless optical communication system, and to a transmitting terminal and a receiving terminal therefor, and more particularly, a method of encrypting a wavefront of an optical signal, and receiving based on the method It is about how to minimize interference.
  • the optical wireless communication system can be largely divided into a visible light communication (VLC) and a free space optical communication (FSO) system according to a frequency and purpose of a photon.
  • VLC visible light communication
  • FSO free space optical communication
  • Visible Light Communication plays the role of both lighting and communication at the same time.
  • Information is transmitted through light having a band corresponding to visible light, and information may be transmitted by intensity of light or flicker of light.
  • a commonly used device is a visible light device such as an LED.
  • Free Space Optical communication mainly plays a role of communication, and is mainly used in free space or in an environment (Line Of Sight, LOS) where signal straightness is guaranteed.
  • LOS Line Of Sight
  • UV ultraviolet
  • InfraRed, IR infrared
  • Devices that are generally used are devices that utilize not only LEDs but also the linearity of light such as a LASER.
  • the conventional optical communication has a disadvantage in that it is difficult to guarantee the decoding performance of the receiving end due to the influence of the external interference light source.
  • interference from strong sunlight can significantly reduce the decoding performance of the receiver. Accordingly, there is a need for a method of transmitting and receiving wireless optical communication that is robust against external interference.
  • a technical problem to be achieved in the present disclosure is to provide a method of transmitting and receiving a wireless optical communication robust against external interference and a method of transmitting and receiving a wireless optical communication capable of providing physical layer security in order to solve the above-described problem.
  • a method of transmitting a signal by a transmitting terminal may include applying a phase pattern to a wavefront of an optical signal and transmitting the optical signal.
  • the phase pattern may be determined based on an optical phase conversion characteristic of a phase mask provided in the transmitting terminal.
  • the phase pattern may be a vector composed of values previously promised between the transmitting terminal and the receiving terminal.
  • the phase mask may be composed of at least one phase shifter.
  • the optical signal may have an orbital angular momentum mode applied.
  • the method of transmitting the signal may further include sharing initial information for establishing a link for the wireless optical communication with a receiving terminal.
  • the initial information may include i) information on the phase pattern and ii) information on an encryption period, which is a time during which the phase pattern is maintained.
  • the phase pattern may be determined based on feedback regarding the measurement of beam divergence of the receiving terminal.
  • a method for receiving a signal by a receiving terminal in wireless optical communication is to receive an optical signal having a wavefront to which a phase pattern is applied from a transmitting terminal, an inverse phase mask. It may include compensating for the phase pattern applied to the optical signal through.
  • the phase pattern may be a vector composed of values previously promised between the transmitting terminal and the receiving terminal.
  • the method of receiving the signal may further include performing optical focusing on the optical signal for which the phase pattern is compensated through an optical filter.
  • the optical signal may have an orbital angular momentum mode applied.
  • the method of receiving the signal may further include transmitting feedback on the beam divergence of the optical signal to the transmitting terminal.
  • a method of transmitting and receiving signals in a wireless optical communication system may perform physical layer encryption through isophase encryption.
  • reception interference can be minimized through the isophase encryption.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a system for implementing the present disclosure.
  • FIG. 2 is a diagram showing an exemplary structure of a subframe in which a data channel and a control channel are TDM.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining an OFDM modulation structure at a transmitter side of a conventional RF communication system.
  • 4 to 5 are diagrams for explaining the structure of an MCM transmitter in a visible light communication system.
  • 6 to 8 are diagrams illustrating a wireless optical communication system.
  • 9 to 13 are diagrams for explaining an optical filter applicable to a wireless optical communication system and obtaining a desired beam using the same.
  • 14 to 16 are diagrams for explaining beam dispersion according to characteristics of optical resources used in a wireless optical communication system.
  • 17 to 18 are diagrams for explaining a difference between a beam radius and a phase characteristic according to an OAM mode of an OAM beam in a wireless optical communication system.
  • 19 is a diagram showing a structure of a transmitting and receiving end of a physical layer security system based on an isophase encryption.
  • 20 to 22 are diagrams for explaining conversion of a phase characteristic of an optical beam at a transmitting end.
  • 23 to 25 are diagrams for explaining conversion of a phase characteristic of an optical beam at a receiving end.
  • 26 is a diagram showing a structure of a transmitting and receiving end of an interference mitigation system based on an isophase encryption
  • 27 is a diagram for explaining conversion of a phase characteristic of an optical beam at a receiving end.
  • FIG. 28 is a diagram for describing an irradiance characteristic of a focused beam through an optical focusing filter based on a phase characteristic.
  • 29 is a diagram for explaining conversion of a phase characteristic of an optical beam at a receiving end.
  • 30 to 31 are diagrams showing a phase of a signal from peripheral interference.
  • 32 to 33 are diagrams for explaining phase characteristic conversion at a receiving end of interference from the sun.
  • FIG. 34 shows the structure of a transmission/reception end of an interference mitigation system based on an isophase encryption in a system using an OAM transmission/reception device.
  • 35 is a diagram for explaining transformation of a phase characteristic of an optical beam to which OAM is applied at a transmitting end.
  • 36 is a diagram for explaining transformation of a phase characteristic of an optical beam to which OAM is applied at a receiving end.
  • 37 is a diagram for explaining the irradiance characteristics of a beam focused through an optical focusing filter based on a phase characteristic.
  • 38 to 39 are diagrams showing a phase of a signal from peripheral interference.
  • 40 to 42 are diagrams for explaining a phase mask information appointment based on a transmitter control.
  • 43 to 47 are diagrams for explaining measurement and feedback-based phase mask information appointment of a receiver.
  • the terminal collectively refers to a mobile or fixed user end device such as a user equipment (UE), a mobile station (MS), and an advanced mobile station (AMS).
  • UE user equipment
  • MS mobile station
  • AMS advanced mobile station
  • the base station collectively refers to any node of a network end communicating with the terminal, such as Node B, eNode B, Base Station, AP (Access Point), and gNode B (gNB).
  • a user equipment can receive information from a base station through a downlink, and the terminal can also transmit information through an uplink.
  • Information transmitted or received by the terminal includes data and various control information, and various physical channels exist according to the type and purpose of information transmitted or received by the terminal.
  • CDMA code division multiple access
  • FDMA frequency division multiple access
  • TDMA time division multiple access
  • OFDMA orthogonal frequency division multiple access
  • SC-FDMA single carrier frequency division multiple access
  • CDMA may be implemented with a radio technology such as Universal Terrestrial Radio Access (UTRA) or CDMA2000.
  • TDMA may be implemented with a radio technology such as Global System for Mobile communications (GSM)/General Packet Radio Service (GPRS)/Enhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE).
  • GSM Global System for Mobile communications
  • GPRS General Packet Radio Service
  • EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution
  • OFDMA may be implemented with a wireless technology such as IEEE 802.11 (Wi-Fi), IEEE 802.16 (WiMAX), IEEE 802-20, and Evolved UTRA (E-UTRA).
  • UTRA is a part of Universal Mobile Telecommunications System (UMTS).
  • 3rd Generation Partnership Project (3GPP) long term evolution (LTE) employs OFDMA in downlink and SC-FDMA in uplink as part of Evolved UMTS (E-UMTS) using E-UTRA.
  • LTE-A Advanced
  • 3GPP LTE Advanced
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a system for implementing the present disclosure.
  • a wireless communication system includes a base station (BS) 10 and one or more terminals (UE) 20.
  • the transmitter may be part of the BS 10, and the receiver may be part of the UE 20.
  • the BS 10 may include a processor 11, a memory 12, and a transceiver 13.
  • the processor 11 may be configured to implement the UE 20 proposed procedures and/or methods described in this application.
  • the memory 12 is coupled with the processor 11 to store various pieces of information for operating the processor 11.
  • the transceiver 13 may include a radio frequency (RF) unit, and is coupled to the processor 11 by controlling the RF unit to transmit and/or receive a radio signal.
  • RF radio frequency
  • the UE 20 may include a processor 21, a memory 22 and an RF unit 23 (transmitter and receiver).
  • the processor 21 may be configured to implement the proposed procedure and/or method described in this application.
  • the memory 22 is coupled with the processor 21 to store various pieces of information for operating the processor 21.
  • the RF unit 23 is coupled with the processor 21 to transmit and/or receive radio signals.
  • BS 10 and/or UE 20 may have a single antenna and multiple antennas. When at least one of the BS 10 and the UE 20 has multiple antennas, the wireless communication system may be referred to as a multiple input multiple output (MIMO) system.
  • MIMO multiple input multiple output
  • the processor 21 of the terminal and the processor 11 of the base station each process signals and data, excluding functions and storage functions for receiving or transmitting signals by the terminal 20 and the base station 10, respectively.
  • the processors 11 and 21 are not specifically referred to below. Even if there is no particular mention of the processors 11 and 21, it can be said that a series of operations such as data processing are performed rather than a function of receiving or transmitting signals.
  • next-generation 5G scenarios can be classified into enhanced mobile broadband (eMBB), ultra-reliable machine-type communications (uMTC), and massive machine-type communications (mMTC).
  • eMBB enhanced mobile broadband
  • uMTC ultra-reliable machine-type communications
  • mMTC massive machine-type communications
  • the enhanced mobile broadband is a next-generation mobile communication scenario with features such as high spectrum efficiency, high user experience data rate, and high peak data rate.
  • High-reliability machine-type communication is a next-generation mobile communication scenario with characteristics such as ultra reliable, ultra low latency, and ultra high availability (e.g., V2X, Emergency Service, Remote Control), large-scale machine-type communication is a next-generation mobile communication scenario with characteristics of Low Cost, Low Energy, Short Packet, and Massive Connectivity (e.g., IoT ).
  • FIG. 2 is a diagram showing an exemplary structure of a subframe in which a data channel and a control channel are TDM.
  • a structure in which a control channel and a data channel as shown in FIG. 2 are time division multiplexed (TDM) may be considered as one of the frame structures. .
  • the shaded region represents a transmission region of a physical downlink control channel (PDCCH) for DCI (Downlink Control Information) delivery, and the last symbol is a physical uplink for UCI (Uplink Control Information) delivery.
  • a physical uplink for UCI Uplink Control Information
  • the DCI which is the control information transmitted by the eNB to the UE, may include information about the cell configuration that the UE needs to know, DL specific information such as DL (Downlink) scheduling, and UL specific information such as UL (Uplink) grant. have.
  • the UCI which is control information transmitted by the UE to the base station, may include an ACK/NACK report of HARQ for DL data, a CSI report for a DL channel state, and a scheduling request (SR).
  • SR scheduling request
  • a DL or UL section may be flexibly set for DL/UL flexibility.
  • it may be used as a data channel for DL data transmission (eg, a physical downlink shared channel), or a data channel for UL data transmission (eg, a physical uplink shared channel). (Physical Uplink Shared CHannel, PUSCH)) may be used.
  • the characteristic of this structure is that DL transmission and UL transmission are sequentially performed in one subframe, so that the eNB transmits DL data in the subframe, and the HARQ ACK/NACK signal for the DL data can be received from the UE. .
  • the time taken to retransmit data when a data transmission error occurs is reduced, and thus, the latency of the final data transmission can be minimized.
  • this self-contained subframe structure there is a need for a time gap for a process of switching from a transmission mode to a reception mode between a base station and a UE or a process of switching from a reception mode to a transmission mode.
  • some OFDM symbols at a time point at which the DL to UL is switched in the self-contained subframe structure is set as a guard period (GP).
  • SCM single carrier modulation
  • OOK On-Off Keying
  • the light source represents digital signals 1 and 0 according to ON and OFF.
  • OOK modulation can be modified in a manner such as Pulse Position Modulation (PPM), which modulates a pulse position based on a clock.
  • PPM Pulse Position Modulation
  • MCM multi-carrier modulation
  • FIG. 3 is a diagram for explaining an OFDM modulation structure at a transmitter side of an RF communication system.
  • an analog signal subjected to OFDM modulation is amplified through an RF Power Amplifier (PA).
  • PA RF Power Amplifier
  • the maximum amplification size of the signal may be limited by the performance limitation of the PA.
  • FIG. 4 shows a structure of a DCO-OFDM modulation transmitter in a VLC communication system
  • FIG. 5 shows a structure of an ACO-OFDM modulation transmitter in a VLC communication system. 4 to 5, if an E-to-O device using a band (eg, an infrared band) other than visible light such as a LASER in the LED is used, the terminal device may fall into the category of free space optical communication.
  • a band eg, an infrared band
  • FIG. 6 shows the basic structure of a wireless optical communication system.
  • the transmitting end transmits wireless light
  • the receiving end has a basic structure for decoding it.
  • a transmitter converts data to be transmitted (eg, an electrical signal) into a photonic source through an E-to-O device and transmits it to a receiver through a wireless environment.
  • the optical resource may be referred to as wireless light.
  • the wireless light can be interpreted as a wave corresponding to a set of photons, and can be divided into a plane wave and a spherical wave according to the shape of the wave front.
  • a plane wave is a wave having a straight or planar wavefront, and may be artificially generated by resonance, such as a laser beam.
  • a spherical wave is a wave in which the wave surface forms a concentric spherical surface around the wave circle when the wave circle is a point in space.
  • the wavefronts are almost parallel, so it can be regarded as a plane wave from the viewpoint of the receiving end.
  • the receiving end includes i) an optical filter to select the wireless light used for the desired optical signal, ii) an O-to-E (Optical to Electrical) device that converts the wireless light into an electrical signal at the receiving end, and iii) the signal.
  • the desired optical signal can be decoded into data through direct detection for analysis.
  • the transmitting end i) transmits data (eg, an electrical signal) to be transmitted as an optical source through an E-to-O device. It may be transformed, and ii) an optical beam may be generated through an optical beam generator and transmitted to a receiving end in a wireless environment.
  • data eg, an electrical signal
  • an optical beam may be generated through an optical beam generator and transmitted to a receiving end in a wireless environment.
  • wireless light can be expressed as a beam in optics.
  • the optical beam is converted to a transverse electromagnetic field/wave mode (TEM mode) corresponding to a resonant mode among transverse modes of electromagnetic radiation.
  • TEM mode transverse electromagnetic field/wave mode
  • the TEM mode can be divided into exponents l and m as TEM lm according to the beam formation method.
  • the basic form of the TEM mode is generally a Gaussian beam, which is expressed as TEM 00.
  • TEM 00 is an optical beam in which a wave amplitude distribution on a cross section perpendicular to the optical axis is expressed as a Gaussian function.
  • a desired optical beam containing data When a desired optical beam containing data is received by the receiving end in a wireless environment, i) interference from other sources, ii) solar interference from the sun is received together with the desired optical beam do.
  • the receiving end performs i) an optical filter to select the wireless light used for the desired optical beam, ii) an O-to-E device that converts the wireless light into an electrical signal, and iii) direct detection to interpret the signal.
  • the desired optical beam is decoded into data.
  • the transmitting terminal and the receiving terminal may share initial information for wireless optical communication through a legacy link (eg, LTE, LTE-A, NR, WiFi, Bluetooth).
  • Initial information for wireless optical communication may include the following.
  • Band for transmission and reception This may mean a frequency band for transmission and reception of data and control information or a wavelength range of light.
  • Polarization for transmission and reception This may mean a direction of polarization for transmission and reception of data and control information. For example, transmission and reception of data and control information only through vertical polarization for interference control may be promised between a transmitting terminal and a receiving terminal.
  • OAM mode for transmission/reception This may mean an OAM mode index for transmission/reception of data and control information.
  • Baseband modulation for transmission and reception This may mean a baseband modulation method for transmission and reception of data and control information.
  • OOK On/Off Keying
  • ii) an OFDM method may be used as a multi-carrier method. You can make an appointment in advance.
  • the transmitting terminal and the receiving terminal can share initial information based on the broadcast message.
  • the transmitting terminal and the receiving terminal broadcast a pre-promised broadcast message through optical resources or radio resources, such as in a method corresponding to the LTE/LTE-A PBCH or Common Control Channel to perform wireless optical communication.
  • Initial information for wireless optical communication may be as follows.
  • Band for transmission and reception This may mean a frequency band for transmission and reception of data and control information or a wavelength range of light.
  • Polarization for transmission and reception This may mean a direction of polarization for transmission and reception of data and control information. For example, transmission and reception of data and control information only through vertical polarization for interference control may be promised between a transmitting terminal and a receiving terminal.
  • OAM mode for transmission/reception This may mean an OAM mode index for transmission/reception of data and control information.
  • Baseband modulation for transmission and reception This may mean a baseband modulation method for transmission and reception of data and control information.
  • OOK On/Off Keying
  • ii) an OFDM method may be used as a multi-carrier method. You can make an appointment in advance.
  • a transmitting terminal that transmits a signal using a photon orbital angular momentum beam generator, ii) a desired orbital angular momentum beam (desired OAM) beam) and optical interference (optical interference), a system including a receiving terminal using an optical filter is proposed.
  • a system including a receiving terminal using an optical filter. According to the proposed system, it is possible to minimize interference from sunlight or other sources having the same band and the same polarization as the desired optical beam.
  • the TEM mode When the wireless light is interpreted as an electromagnetic wave, the TEM mode can be classified according to the shape of the beam.
  • the basic form of the TEM mode is generally a Gaussian beam, which is expressed as TEM 00.
  • Hermite-Gaussian (HG) mode with rectangular transverse mode patterns is expressed as TEM mn.
  • Laguerre-Gaussian (LG) modes with Cylindrical transverse mode patterns are expressed as TEM pl.
  • the Laguerre-Gaussian (LG) mode (TEM pl ) may be expressed as Photon OAM.
  • the transmitting terminal may convert an electric source including data to be transmitted into an optical source through an E-to-O device.
  • the converted optical resource may be converted into a Photon OAM beam as follows through a photon orbit angular momentum beam generator.
  • the transmitting terminal may convert the optical resource into a Gaussian Beam (TEM 00 ) by passing it through a resonator, and then convert it into a Photon OAM Beam (TEM pl ) through a spiral phase plate.
  • TEM 00 Gaussian Beam
  • TEM pl Photon OAM Beam
  • the transmitting terminal passes the optical resource through the resonator, converts it into a Gaussian Beam (TEM 00 ), and reflects it on a phase hologram having a spiral phase pattern to reflect the Photon OAM beam (TEM pl). ) Can be converted.
  • TEM 00 Gaussian Beam
  • TEM pl Phase hologram having a spiral phase pattern to reflect the Photon OAM beam
  • the transmitting terminal passes the optical resource through the resonator, converts it into a Gaussian Beam (TEM 00 ), and then reflects it on a phase hologram having a Fork Diffraction pattern to convert it into a Photon OAM Beam (TEM pl ).
  • TEM 00 Gaussian Beam
  • TEM pl Phase hologram having a Fork Diffraction pattern
  • the transmitting terminal passes the optical resource through the resonator , converts it into Hermite Gaussian Beam (TEM mn ), and then passes the cylindrical lens HG-LG mode converter (e.g., pi/2 mode converter) to pass the Photon OAM Beam. It can be converted to (TEM pl).
  • TEM mn Hermite Gaussian Beam
  • HG-LG mode converter e.g., pi/2 mode converter
  • the optical filter provided in the receiving terminal may include a general optical filter or a polarizing filter.
  • a typical optical filter is an optical element for receiving a band corresponding to a desired optical beam.
  • the optical filter may include a filter that transmits at a constant transmittance regardless of a wavelength, a correction filter that adjusts light intensity in a specific wavelength region, and a light contrast filter.
  • Optical filters may be classified into an infrared region filter, a visible region filter, an ultraviolet region filter, a vacuum ultraviolet region filter, and the like according to the frequency range used. Filters in each area may have different materials and structures.
  • the optical filter may be a polarized light filter.
  • the polarization filter is a filter using polarization characteristics that pass only light vibrating in a specific direction in order to receive only polarized light corresponding to a desired optical beam.
  • polarization occurs mainly when oblique projection light is reflected from a uniform surface. Therefore, if a polarizing filter is used to block light reflected from a glass window or the surface of an object, a clear and dark image can be obtained.
  • the polarization filter of the camera can be adjusted by rotating the polarization direction. When a polarizing filter is used, only wavelengths that vibrate in one direction remain, so the autofocus camera may not recognize light well, and focus may be missed. A circular polarized filter solves this phenomenon.
  • the lens is a device that focuses a received optical source to a focal point using a refraction effect.
  • the photodiode array described in the present disclosure refers to a form in which a plurality of light-receiving elements performing O-to-E conversion are distributed over a specific area.
  • the focus of green light is f green
  • the focus of blue light and red light is f blue and f red, respectively.
  • the receiving terminal can control the intensity of green light to be concentrated in the center of the photodiode array, and the intensity of red light to spread to a larger area, and to spread the intensity of blue light to a larger area by using these characteristics.
  • the receiving terminal can more efficiently receive a green light signal at a focus corresponding to the green light.
  • the receiving terminal may control the focus according to the wavelength by i) controlling the thickness of the convex lens or the Fresnel lens, or ii) controlling the distance between the convex lens and the photodiode array.
  • an OAM optical resource passing through a lens eg, a Fresnel lens
  • a lens eg, a Fresnel lens
  • the receiving terminal can control the intensity concentration of the OAM mode received by the photodiode array.
  • OAM mode +1 controls the intensity to converge in the center of the photodiode array
  • OAM mode -1 controls the intensity to spread over a larger area
  • OAM mode +1 controls the intensity to spread over a larger area.
  • the focus of OAM mode 0 When said, the mode index Focus on silver Can be approximated by Where, the constant Is the OAM dispersion coefficient.
  • the receiving terminal may control the focus according to the OAM mode by i) controlling the thickness of the lens or the Fresnel lens, or ii) controlling the distance between the arbitrary lens and the photodiode array.
  • the Fresnel zone plate is a device for focusing a received light source into a focus through a diffraction effect. More specifically, the zone plate or the Fresnel zone plate is a device that focuses materials exhibiting light or wave characteristics. Unlike lenses or curved mirrors, zone plates use diffraction instead of reflection and refraction.
  • the zone plate consists of a set of radially symmetric rings known as Fresnel zones that alternate between opaque and transparent. Light hitting the zone plate is diffracted around the opaque area. The areas can be spaced apart from each other so that the diffracted light structurally interferes at the desired focal point to create an image.
  • the receiving terminal may control the intensity distribution of the optical resource received by the photodiode.
  • the Fresnel zone plate when the light source passing through the Fresnel zone plate is i) natural light such as sunlight, ii) plane wave light such as linearly polarized light or circularly polarized light, the Fresnel zone plate The intensity is concentrated in the center of the focal plane.
  • the light source passing through the Fresnel zone plate is a plane wave light and a Gaussian beam
  • the light source is based on the center of the photodiode located on the focal plane of the Fresnel zone plate.
  • the intensity is distributed by Gaussian Distribution.
  • intensity distributions of OAM mode 0, OAM mode +3, and OAM mode +5 have different characteristics.
  • the receiving terminal causes the intensity to be collected in a Gaussian distribution in the center of the photodiode in OAM mode 0, and the intensity in OAM mode +3 spreads in a larger area in the form of a ring, and OAM mode +5 is in a larger area.
  • the intensity is concentrated in a very small area at the center of the photodiode. This area has a smaller area than the area in which the intensity is distributed by Gaussian distribution at the center of the photodiode of OAM mode 0.
  • the receiving terminal may control the intensity distribution of optical resources received by the photodiode by i) controlling the pattern according to the ring configuration of the Fresnel zone plate or ii) controlling the distance between the Fresnel zone plate and the photodiode.
  • the photon sieve is a device for focusing a received optical resource through diffraction and interference effects.
  • the photon sheave consists of a flat sheet full of pinholes arranged in a pattern similar to the rings of the Fresnel zone plate described above, but can provide a much sharper focus than the zone plate. Since the photon sheave is manufactured to include pinholes having various sizes and patterns, the characteristics of the focusing operation can be changed to suit the application, and thus can be used in various ways.
  • the receiving terminal can control the intensity distribution of the optical resource received from the photodiode based on i) wave characteristics of the optical resource passing through the photon sieve or ii) the intensity distribution at the focal plane depending on the OAM mode index. have.
  • the light source passing through the photon sheave is i) natural light such as sunlight, ii) plane wave light such as linearly polarized light or circularly polarized light, the center of the photodiode array located on the focal plane of the photon sheave The intensity of the optical resource is concentrated on.
  • the optical resource passing through the photon sieve is a plane wave light and a Gaussian beam
  • the optical resource is a Gaussian distribution based on the center of the photodiode array located on the focal plane of the photon sieve ( Gaussian Distribution).
  • the characteristics of the OAM state are maintained based on the center of the photodiode array located on the focal plane of the photon sheave.
  • the strength is distributed in the form of a ring.
  • intensity distributions of OAM mode 0, OAM mode +3, and OAM mode +5 have different characteristics.
  • the receiving terminal causes the intensity to be collected in a Gaussian distribution in the center of the photodiode in OAM mode 0, and the intensity in OAM mode +3 spreads in a larger area in the form of a ring, and OAM mode +5 is in a larger area.
  • the intensity is concentrated in a very small area at the center of the photodiode array. This area has a smaller area than a Gaussian distribution area in the center of the OAM mode 0 photodiode array.
  • the receiving terminal may control the intensity distribution of optical resources received by the photodiode array by i) controlling the pattern according to the pinhole configuration of the photon sheave or ii) controlling the distance between the photon sheave and the photodiode array.
  • the phase mask is a device that controls a propagation direction according to a characteristic of a received optical resource through effects such as diffraction, refraction, and reflection, and is composed of optical elements.
  • the receiving terminal is based on i) the wave characteristic of the optical resource passing through the phase mask (or pattern mask) or ii) the intensity of the optical resource received by the photodiode array based on the characteristic that the propagation direction of the beam changes according to the OAM mode index. You can control the distribution position.
  • the intensity distribution positions of OAM mode 0, OAM mode +2, OAM mode -2, and OAM mode +3 are different from each other.
  • the intensity distribution of OAM mode 0 is the same as the plane wave and phase characteristics of OAM mode 0.
  • Intensities may be distributed in a third quadrant on a receiving plane.
  • the lens serves to focus the light source passing through the phase mask on the receiving surface.
  • the receiving terminal can either i) control the phase elements constituting the phase mask or ii) control the distance between the phase mask and the photodiode array, the phase mask and the lens, and the lens and the photodiode array. It is possible to control the position of the intensity distribution of the received optical resource.
  • two or more of the aforementioned optical filters may be applied in combination to obtain respective characteristics in a complex manner.
  • the receiving terminal i) receives a specific wavelength with a general optical filter to control the reception wavelength, ii) receives the desired polarization through a polarization filter, and iii) transmits wave light through a photon sieve.
  • Plane wave and helical wave modes can be classified according to their characteristics.
  • the dispersion angle of the Gaussian beam may be defined as shown in [Equation 1] below.
  • k o is a wavevector of 2pi/lambda
  • w o may be different according to a method of forming a beam with a minimum beam waist.
  • the transmitting terminal forms a beam
  • FIGS. 15 to 16 are diagrams for explaining a dispersion angle of an LG beam in a far field.
  • the dispersion angle of the LG beam can be described through [Equation 2] to [Equation 4] below.
  • [Equation 2] indicates a case where w o is fixed
  • [Equation 3] indicates a case where r rms (0) is fixed.
  • k o is a wavevector of 2pi/lambda
  • w o may be different according to a method of forming a beam with a minimum beam waist, and may have the same relationship as in [Equation 4].
  • the beam radius is different according to the OAM Order l.
  • the beam size (eg, beam radius) of the receiving terminal is different according to the distance between the transmitting terminal and the receiving terminal.
  • the phase characteristics of the wavefront received according to the OAM Order l may be different.
  • a phase difference for the E-field may occur.
  • the E-field when the E-field is expressed as a sine wave, the phase may represent a change over time in the traveling direction of the light source.
  • the y-axis represents the vibration direction of the E-field in FIG. 18, the vibration of the E-field may be expressed as shown in FIG. 18 when the vibration of the E-field is illustrated over time.
  • the graph drawn with time for the vibration of the E-field is the same as the moving direction of light (ie, an optical axis), and may represent a phase change over time.
  • the transmitting end performs isophase encryption through a phase mask
  • the receiving end decodes the isophase through an inverse phase mask of the phase mask applied at the transmitting end.
  • a system comprising performing decryption is proposed.
  • the structure of the transmitting and receiving end of the physical layer security system based on the isophase encryption is as shown in FIG. 19.
  • the transmitting end converts data for wireless optical communication into an optical source, and the converted optical resource (e.g., an optical beam) passes through the phase mask, so that the phase pattern of the phase mask on the equiphase plane (phase pattern) is applied.
  • the phase characteristic of the optical beam may be converted as shown in FIG. 20.
  • phase of the equiphase plane of the optical beam through the E-to-O device at the transmitter is an equiphase plane wave (e.g., a Gaussian beam)
  • the phase of the equiphase plane is plotted on the (x, y) two-dimensional plane.
  • the desired optical beam has the form of an encrypted wavefront on the right side of FIG. 20. That is, the equiphase plane becomes an equiphase plane composed of a specific pattern from a plane wave that is equiphase.
  • an optical beam having a plane wave shape is based on a delay.
  • the encrypted equiphase surface is changed in phase according to the delay characteristic of the phase mask to form an equiphase surface.
  • the optical beam may be encrypted according to the phase pattern from the viewpoint of the (x, y) two-dimensional plane of the equiphase plane.
  • the phase mask may be formed through at least one phase shifter (e.g., a phase shifter array), and each part of a single phase shifter performs different functions of a phase shifter. It can also be formed. In the latter case, for example, as an optical element using a hologram pattern, when an optical beam is irradiated on the hologram, the phase of the reflected optical beam may be deformed.
  • phase shifter e.g., a phase shifter array
  • the receiving end converts the encrypted equiphase plane into an original plane wave by receiving the encrypted optical beam and passing through an inverse phase mask to compensate for the phase pattern used for encryption at the transmitting end.
  • the phase characteristic of the optical beam may be converted as shown in FIG. 23.
  • phase 0
  • Phase ⁇
  • the phase of the encrypted equiphase plane received at the receiving end is schematically illustrated on the (x, y) two-dimensional plane, it is the same as the form on the left side of FIG. 23.
  • the encrypted optical beam passes through an inverse phase mask (center of FIG. 23) corresponding to a phase mask of a specific pattern used at the transmitter, the encrypted optical beam is It has the form of a decrypted wavefront. That is, the equiphase plane becomes a plane wave whose phase is equiphase in the equiphase plane composed of a specific pattern. For example, as shown in FIG.
  • an inverse phase mask may be formed to form at least one phase mask (structure of a phase shifter array), or a single phase shifter is formed to perform a function of a phase shifter partially different from one another ( As an optical device using a hologram pattern, when an optical beam is irradiated on a hologram, the phase of the reflected optical beam is deformed).
  • a physical layer security function may be performed in a wireless optical communication system. For example, when the eavesdropper attempts decoding by stealing or branching a desired optical beam, if the phase mask information used by the transmitting end is not known, decoding may be impossible. Therefore, the information of the promised phase mask between the transmitting and receiving end can function as a physical layer encryption key.
  • the transmitting end performs isophase encryption through a phase mask
  • the receiving end performs isophase decoding through the inverse phase mask of the phase mask applied at the transmitting end
  • phase characteristics A system is proposed that mitigates interference by performing optical focusing through an optical filter that uses an optical filter.
  • the structure of the transmitting/receiving end of the interference mitigation system based on the isophase plane encryption is as shown in FIG. 26.
  • the transmitting end converts the data for wireless optical communication into optical resources, and the converted optical resources (e.g., optical beams) pass through the phase mask, thereby forming a phase pattern of the phase mask on the equiphase plane.
  • the desired optical beam passing through a phase mask composed of a specific pattern has the form of an encrypted equiphase plane.
  • the receiving end converts the encrypted equiphase plane into the original plane wave by receiving the encrypted optical beam and passing through an inverse phase mask to compensate for the phase pattern used for encryption at the transmitting end. .
  • the decoded equiphase surface converted into the original plane wave is optically focused through an optical filter using phase characteristics (eg, Fresnel Zone Plate, Photon Sieve, etc.).
  • phase characteristics eg, Fresnel Zone Plate, Photon Sieve, etc.
  • the phase characteristic of the optical beam may be converted as shown in FIG. 27.
  • the encrypted optical beam is the third decoded position from the left of FIG. It has the shape of the top surface. That is, the equiphase plane becomes a plane wave whose phase is equiphase in the equiphase plane composed of a specific pattern.
  • an O-to-E device e.g., photo The irradiance characteristic of the focused beam incident on the diode
  • the left side diagram shows a focused beam expressed as an (x, y) two-dimensional plane.
  • White is the area of the optical beam with the strongest irradiance
  • black is the area of the optical beam with the weakest irradiance.
  • the intensity of irradiance is expressed by the z axis, it can be expressed as 3-Dimensional Irradiance, as shown in the center drawing of FIG. 28.
  • An example of measuring the intensity is shown in the right diagram of FIG. 28.
  • the decoded equiphase plane in the form of a plane wave passes through an optical focusing filter based on phase characteristics such as the Fresnel Zone Plate, the irradiance is enhanced by constructive interference at the focal point, and the further away from the focus, the more destructive interference occurs. As a result, the irradiance is weakened. Therefore, if the phase mask used at the transmitting end is accurately compensated by the inverse phase mask at the receiving end, the optical beam can be optimally collected at the focal point through the Fresnel Zone Plate.
  • a phase characteristic of an optical beam may be converted at the receiving end as shown in FIG. 29.
  • black represents a physically blocked space (i.e., an optical resource cannot pass through)
  • white represents a physically open space (i.e., an optical resource can pass through).
  • the phase pattern information is not matched as the encrypted optical beam from the peripheral interference passes through the inverse phase mask (second left in FIG. 29) that does not correspond to the phase mask of a specific pattern used at the transmitter,
  • the decoded optical beam has the shape of the third decoded equiphase plane from the left of FIG. 29. That is, the equiphase plane becomes an equiphase plane composed of a different pattern from an equiphase plane composed of a specific pattern, and has a random phase pattern. Since the signal from the surrounding interference does not use an inverse phase mask matching the phase pattern used at the transmitting end, the phase incident on the Fresnel Zone Plate can be expressed as shown in FIG. 30.
  • the Fresnel Zone Plate which performs optical focusing on the focal plane for the plane wave having the same phase, causes an equiphase plane with a random phase to be incident, thereby losing the focusing function and dispersing the irradiance due to destructive interference at the focal plane. do.
  • the decoded equiphase surface in the form of a random pattern passes through an optical focusing filter based on phase characteristics such as a Fresnel Zone Plate, as shown in FIG. 31, it is incident on an O-to-E device (for example, a photodiode).
  • O-to-E device for example, a photodiode
  • the left side diagram shows a focused beam represented by an (x, y) two-dimensional plane.
  • White is the area of the optical beam with the strongest irradiance
  • black is the area of the optical beam with the weakest irradiance.
  • the intensity of the irradiance is expressed by the z axis, it can be expressed as 3-Dimensional Irradiance as shown in the center drawing of FIG. 31.
  • An example of measuring the intensity is shown in the right diagram of FIG. 31. That is, when the decoded equiphase surface in the form of a random phase pattern passes through an optical focusing filter based on phase characteristics such as the Fresnel Zone Plate, the irradiance is weakened by destructive interference in the entire focal plane.
  • phase mask used at the transmitting end and the reverse phase mask at the receiving end differently, unwanted interference can be minimized in the focal plane through the Fresnel Zone Plate. Even at this time, since the phase mask is matched between the transmitting and receiving ends of the desired optical beam, desired information can be maximized in focus. That is, when the interference and the desired signal are received together, the signal to interference ratio (SIR) for the desired signal and the interference signal can be maximized. Based on the irradiance obtained from the experimental data shown in FIG. 31, the difference between the peak size of the desired signal and the peak size of the interference signal represents a difference of about 500 times.
  • the influence of daylight may be reduced in a manner similar to that described with reference to FIG. 31.
  • the phase characteristic of the optical beam may be converted at the receiving end as shown in FIG. 32.
  • the phase pattern information of the inverse phase mask becomes the decoded equiphase surface as shown in Fig. 32. It has the shape of the third decoded isophase from the left.
  • an equiphase plane having a phase pattern designed as an inverse phase mask is incident on the Fresnel Zone Plate, which performs optical focusing on the focal plane wave having the same phase, thereby losing the focusing function and radiating due to destructive interference at the focal plane.
  • the illuminance is dispersed.
  • the focused beam incident on the O-to-E device eg, photodiode
  • the irradiance characteristics are shown.
  • the decoded equiphase surface in the form of a phase pattern of the inverse phase mask passes through an optical focusing filter based on phase characteristics such as the Fresnel Zone Plate, the irradiance is weakened by destructive interference in the entire focal plane. Therefore, by using an inverse phase mask at the receiving end for any unencrypted interference signal such as daylight, unwanted interference can be minimized in the focal plane through the Fresnel Zone Plate. Even at this time, since the phase mask is matched between the transmitting and receiving ends of the desired optical beam, desired information can be maximized in focus. That is, when the interference and the desired signal are received together, the signal to interference ratio (SIR) for the desired signal and the interference signal can be maximized. Based on the irradiance obtained from the experimental data shown in FIG. 33, the difference between the peak size of the desired signal and the peak size of the interference signal represents a difference of about 500 times.
  • SIR signal to interference ratio
  • Sections 1 to 2 may operate in the same manner even when OAM is applied to the optical beam transmitted by the transmitting end.
  • the transmitting end generates an OAM beam through the OAM generator by a prior appointment between the transmitting and receiving ends, performing the isophase encryption through the phase mask, and the receiving end through the inverse phase mask of the phase mask applied at the transmitting end.
  • a system is proposed that includes performing image surface decoding and mitigating interference by performing optical focusing through an optical filter using phase characteristics.
  • the transmitting end converts data for wireless optical communication into optical resources, and the converted optical resources (eg, optical beams) are converted into OAM beams through the Photon OAM Beam Generator, By passing through the phase mask, the phase pattern of the phase mask is applied to the helical wavefront having OAM characteristics.
  • the desired optical beam passing through a phase mask composed of a specific pattern has the form of an encrypted equiphase plane.
  • the phase characteristic of the optical beam may be converted as shown in FIG. 35.
  • phase 0
  • Phase ⁇
  • a helical wave in which the phase of the optical beam through the E-to-O device at the transmitter and the OAM generator changes according to the OAM order for example, a Laguerre-Gaussian (LG) beam, is the equiphase plane.
  • the phase of is plotted on the (x, y) two-dimensional plane, it is the same as the shape on the left side of Fig.
  • the optical beam passes through a phase mask (center of Fig. 35) composed of a specific pattern
  • the desired optical beam has the form of an encrypted equiphase plane on the right side of Fig. 35. That is, the equiphase plane becomes an equiphase plane in a form combined with a specific pattern in a spiral wave that changes according to the OAM order.
  • the receiving end receives the encrypted optical beam and passes through an inverse peg-mask for compensating the phase pattern used for encryption at the transmitting end, thereby converting the encrypted equiphase plane into an original spiral wave.
  • the encrypted equiphase plane converted into the original spiral wave performs optical focusing through an optical filter using phase characteristics (eg, Fresnel Zone Plate, Photon Sieve, etc.).
  • phase characteristics eg, Fresnel Zone Plate, Photon Sieve, etc.
  • the phase characteristic of the optical beam may be converted as shown in FIG. 36.
  • phase 0
  • Phase ⁇
  • black represents a physically blocked space (that is, an optical resource cannot pass through)
  • white represents a physically open space (that is, an optical resource can pass through). it means.
  • the phase of the encrypted equiphase plane received at the receiving end is plotted on the (x, y) 2D plane, it may be as shown in the first left in FIG. 36.
  • the encrypted optical beam passes through the inverse phase mask corresponding to the phase mask of a specific pattern used in the transmitter (i.e., the second from the left of FIG.
  • the encrypted optical beam is the third decoded position from the left of FIG. It has the shape of the top surface.
  • the phase is a helical wave whose phase changes according to the OAM order in the equiphase plane composed of a specific pattern.
  • the left drawing shows a focused beam expressed as a (x, y) two-dimensional plane.
  • White is the area of the optical beam with the strongest irradiance
  • black is the area of the optical beam with the weakest irradiance.
  • the intensity of the irradiance is expressed by the z axis, it can be expressed as 3-Dimensional Irradiance as shown in the center figure of FIG. 37.
  • An example of measuring the intensity is shown in the right diagram of FIG. 37.
  • the decoded equiphase surface in the form of a helical wave passes through an optical focusing filter based on phase characteristics such as the Fresnel Zone Plate, the irradiance is enhanced by constructive interference at the focal point, and the farther away from the focus, the irradiance is caused by destructive interference. Is weakened. Therefore, if the phase mask used at the transmitting end is accurately compensated by the inverse phase mask at the receiving end, the optical beam can be optimally collected at the focal point through the Fresnel Zone Plate.
  • an equiphase plane having a random phase is incident on the Fresnel Zone Plate that performs optical focusing on the focus for the spiral wave that changes according to the OAM order, resulting in loss of the focusing function, and the irradiance due to destructive interference at the focal plane. Is distributed.
  • the decoded equiphase surface in the random phase shape passes through an optical focusing filter based on phase characteristics such as a Fresnel Zone Plate, it is incident on an O-to-E device (for example, a photodiode) as shown in FIG. The irradiance characteristics of the focused beam are shown.
  • phase mask used at the transmitting end and the reverse phase mask at the receiving end differently, unwanted interference can be minimized in the focal plane through the Fresnel Zone Plate. Even at this time, since the phase mask is matched between the transmitting and receiving ends of the desired optical beam, desired information can be maximized in focus. That is, when the interference and the desired OAM signal are received together, the signal to interference ratio (SIR) for the desired OAM signal and the interference signal can be maximized. Based on the irradiance obtained from the experimental data shown in FIG. 39, the difference between the peak size of the desired OAM signal and the peak size of the interference signal represents a difference of about 20 times.
  • Initial information for wireless optical communication may include phase mask information for encryption and encryption period information.
  • the transmitting end and the receiving end broadcast a broadcast message, such as a broadcast message (e.g., LTE/LTE-A PBCH or Common Control Channel) through optical resources, to provide initial information for wireless optical communication.
  • a broadcast message e.g., LTE/LTE-A PBCH or Common Control Channel
  • Initial information for wireless optical communication may include phase mask information for encryption and encryption period information.
  • the transmitting end may transmit only index information on the phase pattern to the receiving end.
  • a transmitting end may transmit look-up table information and index information on a phase pattern to a receiving end.
  • the transmitting end may transmit all information on the phase pattern to the receiving end.
  • phase mask may be a Vector or Matrix consisting of previously agreed phase values.
  • a phase mask for example, may be:
  • a distribution of coefficients of a Vector or Matrix consisting of previously promised phase values may be a uniform distribution (or Gaussian, Poisson distribution).
  • the phase mask look-up table may consist of the following types of phase masks.
  • the physical size of the phase mask may be different.
  • the phase mask may be applied so that the transmitter performs encryption on only a partial area.
  • the same effect can be obtained by applying a phase change in only a part of the area and not changing the phase in a part of the area.
  • P1 [0 0 0 0; 0 ⁇ - ⁇ 0; 0 - ⁇ ⁇ 0; 0 0 0 0] is applied to the entire area
  • P2 [ ⁇ - ⁇ ; Applying - ⁇ ⁇ ] to only a partial area of the center of the beam can have the same effect.
  • the time during which the phase mask for encryption is maintained may be previously promised between the transmitting end and the receiving end.
  • the time during which the phase mask for encryption is maintained according to a predetermined time unit such as several milliseconds, several seconds, and several minutes, that is, an encryption period may be previously promised between the transmitting end and the receiving end.
  • the information may be performed in an initial connection step or may be updated during communication including a connection step or an intermittent connection step.
  • the above-described initiation in Section 4 may be suitable in an environment in which the distance between the transmitting end and the receiving end is not far, the size of the beam can be maintained, or in an environment in which the receiving end can receive all the surfaces of the entire beam.
  • Wireless light has beam divergence according to the characteristics of an optical/photon source. Therefore, depending on the distance between the transmitting and receiving ends, the size of the beam received at the receiving end may be different. An isophase encryption method taking this into account is needed.
  • the transmitter transmits data in a desired optical beam (TEM00 or TEMpl) in a promised manner.
  • TEM00 or TEMpl desired optical beam
  • the transmitting end transmits a periodic reference signal in a manner promised to the receiving end.
  • the transmitting end transmits with the phase mask in the same phase state over the entire wavefront, and transmits only the complete reference signal.
  • the receiving end receives data by passing a desired optical beam (TEM00 or TEMpl) through an optical filter in a promised manner.
  • a desired optical beam TEM00 or TEMpl
  • the receiving end when receiving the reference signal, the receiving end receives the inverse phase mask while the entire wavefront is in the same phase state, and receives the complete reference signal having only the influence of the channel.
  • the receiving end measures a photodiode array area for a desired beam based on a reference signal, and measures a beam radius.
  • the receiving end determines that among the photodiodes corresponding to the desired beam, photodiodes within a threshold value are determined as desired photodiodes based on an average intensity (Intensity).
  • a desired photodiode may be determined according to the following conditions.
  • threshol I predefined or adaptively set intensity threshold
  • the receiving end measures the beam radius Rd from the determined desired photodiodes.
  • a desired photodiode may not be distributed in the center (x0, y0) of the photodiode array, and the receiving end may infer Rd based on the measured pattern.
  • the receiving end feeds back the measured beam radius information to the transmitting end.
  • the receiving end feeds back beam radius information received through a feedback channel (eg, PUCCH or PUSCH of LTE/LTE-A/NR) to the transmitting end.
  • a feedback channel eg, PUCCH or PUSCH of LTE/LTE-A/NR
  • the feedback information may be radius information Rd and reference coordinates (xn, yn) of a desired beam, and/or radius information Ri and reference coordinates (xm, ym) of an interference beam.
  • the feedback information may be transmitted in the form of data, quantized information, or index information may be transmitted by a predefined look-up table.
  • the transmitter may perform OAM Mode Selection and Phase Mask Selection based on the feedback beam radius information.
  • OAM Mode Selection may be omitted.
  • the transmitter generates an optical beam (TEM00 or TEMpl) based on the selected OAM Mode Index, passes the phase mask, and transmits it to the receiver.
  • TEM00 or TEMpl optical beam
  • TEM00 or ordinary optical beam
  • the receiving end receives the desired optical beam (TEM00 or TEMpl) encrypted by the method promised in Sections 1 to 2 above by passing through an inverse phase mask and an optical filter in the O-to-E device.
  • desired optical beam TEM00 or TEMpl
  • the above-described operation may be defined in advance in the system or may be periodically performed by a specific period set by the transmitting end.
  • the above-described operation may be performed aperiodically or dynamically in consideration of decoding performance (eg, Packet Drop Rate or Block Error Rate) at the transmitting end or the receiving end.
  • decoding performance eg, Packet Drop Rate or Block Error Rate
  • the reference value of the decoding performance may be defined in advance or may be adaptively selected.
  • the transmitter transmits data by encrypting a desired optical beam (TEM00 or TEMpl) using a phase mask in the manner promised in Section 3.
  • a desired optical beam TEM00 or TEMpl
  • the transmitting end transmits the periodic reference signal in a manner promised to the receiving end in transmitting the desired beam.
  • the transmitting end transmits a signal that has passed the phase mask, that is, an encrypted reference signal.
  • the receiving end decodes the encrypted desired optical beam (TEM00 or TEMpl) by using the inverse phase mask in the manner promised in Section 3, and receives the data through the optical filter.
  • the receiving end when receiving the reference signal, the receiving end receives the reference signal while passing through the inverse phase mask, and receives the decoded reference signal with the influence of the channel remaining.
  • the influence of the channel may be compensated based on adaptive optics or channel information stored in previous data reception.
  • the receiving end measures the photodiode array area for the desired beam based on the reference signal and measures the beam radius.
  • the receiving end repeatedly obtains the most suitable scaling factor by scaling the phase mask. For example, as shown in FIG. 44, the receiving end applies the inverse phase mask while changing the entire area or a partial area of the promised phase mask from the smallest scaling unit to the largest scaling unit.
  • the repetitive operation described above may be performed by simultaneously dividing energy for one signal through a beam splitter.
  • the receiving end has the largest peak energy at the focus or the scaling factor having the largest energy in the entire focal plane. Choose.
  • the receiving end measures the beam radius and the distance between the transmitting end and the receiving end.
  • the receiving end feeds back the measured beam radius information or distance information to the transmitting end.
  • the receiving end feeds back beam radius information received to the transmitting end through a feedback channel (eg, PUCCH or PUSCH of LTE/LTE-A/NR).
  • a feedback channel eg, PUCCH or PUSCH of LTE/LTE-A/NR.
  • the feedback information may be radius information Rd of a desired beam and reference coordinates (xn, yn) or/and radius information Ri of an interference beam and reference coordinates (xm, ym).
  • the feedback information may be transmitted in the form of data, quantized information, or index information may be transmitted by a predefined look-up table.
  • the transmitter may perform OAM Mode Selection and Phase Mask Selection based on the feedback beam radius information.
  • OAM Mode Selection may be omitted.
  • the transmitter generates an optical beam (TEM00 or TEMpl) based on the selected OAM Mode Index, passes the phase mask, and transmits it to the receiver.
  • TEM00 or TEMpl optical beam
  • TEM00 or ordinary optical beam
  • the receiving end receives the desired optical beam (TEM00 or TEMpl) encrypted by the method promised in Sections 1 to 2 by passing through an inverse phase mask and an optical filter at the O-to-E device.
  • TEM00 or TEMpl desired optical beam
  • the above-described operation may be defined in advance in the system or may be periodically performed by a specific period set by the transmitting end.
  • the above-described operation may be performed aperiodically or dynamically in consideration of decoding performance (eg, Packet Drop Rate or Block Error Rate) at the transmitting end or the receiving end.
  • decoding performance eg, Packet Drop Rate or Block Error Rate
  • the reference value of the decoding performance may be defined in advance or may be adaptively selected.
  • the transmitter transmits data by encrypting a desired optical beam (TEM00 or TEMpl) using a phase mask in the manner promised in Section 3 above.
  • a desired optical beam TEM00 or TEMpl
  • the transmitting end may transmit a periodic reference signal in a manner promised to the receiving end.
  • the transmitter may measure the distance to a target Rx based on a distance measurement sensor, for example, RADAR (RAdio Detection And Ranging), and LiDAR (Light Detection and Ranging).
  • RADAR Radio Detection And Ranging
  • LiDAR Light Detection and Ranging
  • the transmitter may perform OAM Mode Selection and Phase Mask Selection based on the measured distance information.
  • OAM Mode Selection may be omitted.
  • the transmitter may generate an optical beam (TEM00 or TEMpl) based on the selected OAM Mode Index, pass the phase mask, and transmit it to the receiver.
  • TEM00 or TEMpl optical beam
  • TEM00 (or a general optical beam) may be generated.
  • the receiving end may receive the desired optical beam (TEM00 or TEMpl) encrypted by the method promised in Sections 1 to 2 above through an inverse phase mask and an optical filter in the O-to-E device.
  • desired optical beam TEM00 or TEMpl
  • the above-described operation may be defined in advance in the system or may be periodically performed by a specific period set by the transmitting end.
  • the above-described operation may be performed aperiodically or dynamically in consideration of decoding performance (eg, Packet Drop Rate or Block Error Rate) at the transmitting end or the receiving end.
  • decoding performance eg, Packet Drop Rate or Block Error Rate
  • the reference value of the decoding performance may be defined in advance or may be adaptively selected.
  • the transmitter and the receiver according to the present disclosure adaptively select the optimal OAM Mode index and Phase Mask index by combining feedback information and sensing information as shown in FIG. It can be used for information transmission. Meanwhile, in a system to which OAM is not applied, OAM Mode Selection may be omitted.
  • the structures of the transmitting and receiving ends that perform the procedure disclosed in Section 5.4 and their operations are the same as those shown in FIG. 47.
  • the method according to the present disclosure illustrated in FIG. 47 may be suitable for an environment in which the size of a beam is spread due to a distance between a transmitting end and a receiving end, or an environment in which the receiving end cannot receive all the surfaces of the entire beam.
  • a method of transmitting a signal by a transmitting terminal may include applying a phase pattern to a wavefront of an optical signal and transmitting the optical signal.
  • the phase pattern may be determined based on an optical phase conversion characteristic of a phase mask provided in the transmitting terminal.
  • the phase pattern may be a vector composed of values previously promised between the transmitting terminal and the receiving terminal.
  • the phase mask may be composed of at least one phase shifter.
  • the optical signal may have an orbital angular momentum mode applied.
  • the method of transmitting the signal may further include sharing initial information for establishing a link for the wireless optical communication with a receiving terminal.
  • the initial information may include i) information on the phase pattern and ii) information on an encryption period, which is a time during which the phase pattern is maintained.
  • the phase pattern may be determined based on feedback regarding the measurement of beam divergence of the receiving terminal.
  • a method for receiving a signal by a receiving terminal in wireless optical communication is to receive an optical signal having a wavefront to which a phase pattern is applied from a transmitting terminal, an inverse phase mask. It may include compensating for the phase pattern applied to the optical signal through.
  • the phase pattern may be a vector composed of values previously promised between the transmitting terminal and the receiving terminal.
  • the method of receiving the signal may further include performing optical focusing on the optical signal for which the phase pattern is compensated through an optical filter.
  • the optical signal may have an orbital angular momentum mode applied.
  • the method of receiving the signal may further include transmitting feedback on the beam divergence of the optical signal to the transmitting terminal.
  • the present invention can be applied industrially in various wireless communication systems such as 3GPP LTE/LTE-A and 5G systems.

Abstract

무선 광 통신에서 송신 단말이 신호를 전송하는 방법이 개시된다. 상기 방법은 광 신호의 등위상면 (wavefront)에 페이즈 패턴 (phase pattern)을 적용하는 것, 상기 광 신호를 전송하는 것을 포함할 수 있다. 또한, 상기 페이즈 패턴은 상기 송신 단말에 구비되는 페이즈 마스크 (phase mask)의 광학적 위상 변환 특성을 기반으로 결정될 수 있다.

Description

무선 광 통신 시스템에서 신호를 송수신하는 방법 및 이를 위한 송신 단말과 수신 단말
본 개시는 무선 광 통신 시스템에서 신호를 송수신하는 방법 및 이를 위한 송신 단말과 수신 단말에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 광 신호의 등위상면 (wavefront)을 암호화 (encryption)하는 방법 및 이를 기반으로 수신 간섭을 최소화하는 방법에 관한 것이다.
무선 광 통신 (optical wireless communication) 시스템은 광자(photon)이 가지는 주파수와 목적에 따라 크게 가시광 통신(visible light communication, VLC)과 자유 공간 광통신 (free space optical communication, FSO) 시스템으로 나눌 수 있다.
가시광 통신 (Visible Light Communication, VLC)은 조명의 역할과 통신의 역할을 동시에 한다. 가시광에 해당하는 대역을 가지는 빛을 통해 정보를 전달하며, 정보의 전달은 빛의 세기 또는 빛의 깜박거림에 의해 전달될 수 있다. 일반적으로 사용되는 소자는 LED와 같은 가시광 소자이다.
자유 공간 광통신 (Free Space Optical communication, FSO communication)은 통신의 역할을 주로 하며, 자유 공간 (free space) 또는 신호의 직진성이 보장되는 환경 (Line Of Sight, LOS)에서 주로 활용된다. 가시광 뿐만 아니라, 자외선 (UltraViolet, UV)과 적외선 (InfraRed, IR)도 자유 공간 광통신의 범주에 속한다. 가시광 통신과 달리 조명의 기능을 하지 않아, 조명에 대한 제한 조건이 없다. 일반적으로 사용되는 소자는 LED 뿐만 아니라, LASER와 같은 빛의 직진성을 활용하는 소자이다.
한편, 종래의 광 통신은 외부 간섭 광원으로부터의 영향에 의해 수신단 복호 성능을 보장하기 어렵다는 단점이 있다. 특히, 강한 태양광으로부터의 간섭은 수신단 복호 성능을 현저히 감소시킬 수 있다. 따라서, 외부 간섭에 강인한 무선 광 통신의 송수신 방법이 필요하다.
또한, 무선 통신 시스템에서 물리 계층 보안은 송수신단 사이의 도청 시도를 물리적으로 무력화 하는데 효과적으로 사용될 수 있다. 따라서, 물리 계층 보안을 제공할 수 있는 무선 광 통신의 송수신 방법이 필요하다.
본 개시에서 이루고자 하는 기술적 과제는 전술한 문제를 해결하기 위해 외부 간섭에 강인한 무선 광 통신의 송수신 방법 및 물리 계층 보안을 제공할 수 있는 무선 광 통신의 송수신 방법을 제공하는 데 있다.
본 개시에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 상기 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 개시에 따른 무선 광 통신에서 송신 단말이 신호를 전송하는 방법은 광 신호의 등위상면 (wavefront)에 페이즈 패턴 (phase pattern)을 적용하는 것, 상기 광 신호를 전송하는 것을 포함할 수 있다. 또한, 상기 페이즈 패턴은 상기 송신 단말에 구비되는 페이즈 마스크 (phase mask)의 광학적 위상 변환 특성을 기반으로 결정될 수 있다.
한편, 상기 페이즈 패턴은 상기 송신 단말과 수신 단말 사이에 사전에 약속된 값들로 구성된 벡터일 수 있다.
한편, 상기 페이즈 마스크는 적어도 하나의 페이즈 쉬프터 (phase shifter)로 구성될 수 있다.
한편, 상기 광 신호는 궤도 각 운동량 (Orbital Angular Momentum) 모드가 적용된 것일 수 있다.
한편, 상기 신호를 전송하는 방법은 수신 단말과 상기 무선 광 통신을 위한 링크를 수립을 위한 초기 정보를 공유하는 것을 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 초기 정보는 i) 상기 페이즈 패턴에 대한 정보 및 ii) 상기 페이즈 패턴이 유지되는 시간인 암호화 주기 (encryption period)에 대한 정보를 포함할 수 있다.
한편, 상기 페이즈 패턴은 수신 단말의 빔 분산 (beam divergence) 측정에 관한 피드백을 기반으로 결정될 수 있다.
본 개시에 따른 무선 광 통신에서 수신 단말이 신호를 수신하는 방법은 송신 단말로부터 페이즈 패턴 (phase pattern)이 적용된 등위상면 (wavefront)을 갖는 광 신호를 수신하는 것, 역 페이즈 마스크 (inverse phase mask)를 통해 상기 광 신호에 적용된 상기 페이즈 패턴을 보상하는 것을 포함할 수 있다. 또한, 상기 페이즈 패턴은 상기 송신 단말과 수신 단말 사이에 사전에 약속된 값들로 구성된 벡터일 수 있다.
한편, 상기 신호를 수신하는 방법은 상기 페이즈 패턴이 보상된 광 신호에 대해 광학 필터 (optical filter)를 통해 광학 포커싱 (optical focusing)을 수행하는 것을 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 광 신호는 궤도 각 운동량 (Orbital Angular Momentum) 모드가 적용된 것일 수 있다.
한편, 상기 신호를 수신하는 방법은 상기 광 신호의 빔 분산 (beam divergence)에 대한 피드백을 상기 송신 단말에 전송하는 것을 더 포함할 수 있다.
본 개시의 일 측면에 따른 무선 광 통신 시스템에서 신호를 송수신하는 방법은 등위상면 암호화를 통해 물리 계층 암호화를 수행할 수 있다. 또한, 상기 등위상면 암호화를 통해 수신 간섭이 최소화될 수 있다.
본 개시에서 얻은 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 개시에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부 도면은 본 개시에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 개시의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 본 개시를 구현하기 위한 시스템을 예시한 도면이다.
도 2는 데이터 채널과 제어 채널이 TDM된 서브프레임의 구조를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 종래의 RF 통신 시스템의 송신단 측면에서의 OFDM 모듈레이션 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 4 내지 도 5는 가시광 통신 시스템의 MCM 송신단 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 6 내지 도 8은 무선 광 통신 시스템을 나타낸 도면이다.
도 9 내지 도 13은 무선 광 통신 시스템에 적용될 수 있는 광학 필터 및 이를 이용한 원하는 빔 (desired beam) 획득을 설명하기 위한 도면이다.
도 14 내지 도 16는 무선 광 통신 시스템이 이용하는 광학 자원의 특성에 따른 빔 분산을 설명하기 위한 도면이다.
도 17 내지 도 18은 무선 광 통신 시스템에서 OAM 빔의 OAM 모드에 따른 빔 반경 및 페이즈 특성의 차이를 설명하기 위한 도면이다.
도 19는 등위상면 암호화 기반의 물리 계층 보안 시스템의 송수신단 구조를 나타낸 도면이다.
도 20 내지 도 22는 송신단에서 광학 빔의 페이즈 특성이 변환되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 23 내지 도 25는 수신단에서 광학 빔의 페이즈 특성이 변환되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 26은 등위상면 암호화 기반의 간섭 완화 시스템의 송수신단 구조를 나타낸 도면이다.
도 27은 수신단에서 광학 빔의 페이즈 특성이 변환되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 28은 페이즈 특성 기반 광학 포커싱 필터 (Optical Focusing Filter)를 통해 포커스된 빔 (Focused Beam)의 방사 조도 (Irradiance) 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 29는 수신단에서 광학 빔의 페이즈 특성이 변환되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 30 내지 도 31은 주변 간섭으로부터의 신호의 페이즈를 나타낸 도면이다.
도 32 내지 도 33은 태양으로부터의 간섭의 수신단에서의 페이즈 특성 변환을 설명하기 위한 도면이다.
도 34는 OAM 송수신 장치를 사용하는 시스템에서의 등위상면 암호화 기반의 간섭 완화 시스템의 송수신단 구조를 나타낸다.
도 35는 송신단에서의 OAM이 적용된 광학 빔의 페이즈 특성의 변환을 설명하기 위한 도면이다.
도 36은 수신단에서의 OAM이 적용된 광학 빔의 페이즈 특성의 변환을 설명하기 위한 도면이다.
도 37은 페이즈 특성 기반 광학 포커싱 필터를 통해 포커스된 빔의 방사 조도 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 38 내지 도 39는 주변 간섭으로부터의 신호의 페이즈를 나타낸 도면이다.
도 40 내지 도 42는 송신단 제어 기반의 페이즈 마스크 정보 약속을 설명하기 위한 도면이다.
도 43 내지 도 47은 수신단의 측정 및 피드백 기반의 페이즈 마스크 정보 약속을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 개시에 따른 바람직한 실시 형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 개시의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 개시가 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다. 이하의 상세한 설명은 본 개시의 완전한 이해를 제공하기 위해서 구체적 세부사항을 포함한다. 그러나, 당업자는 본 개시가 이러한 구체적 세부사항 없이도 실시될 수 있음을 안다. 예를 들어, 이하의 상세한 설명은 이동통신 시스템이 3GPP LTE, LTE-A, 5G 시스템인 경우를 가정하여 구체적으로 설명하나, 3GPP LTE, LTE-A의 특유한 사항을 제외하고는 다른 임의의 이동통신 시스템에도 적용 가능하다.
몇몇 경우, 본 개시의 개념이 모호해지는 것을 피하기 위하여 공지의 구조 및 장치는 생략되거나, 각 구조 및 장치의 핵심기능을 중심으로 한 블록도 형식으로 도시될 수 있다. 또한, 본 명세서 전체에서 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하여 설명한다.
아울러, 이하의 설명에 있어서 단말은 UE(User Equipment), MS(Mobile Station), AMS(Advanced Mobile Station) 등 이동 또는 고정형의 사용자단 기기를 통칭하는 것을 가정한다. 또한, 기지국은 Node B, eNode B, Base Station, AP(Access Point), gNode B (gNB) 등 단말과 통신하는 네트워크 단의 임의의 노드를 통칭하는 것을 가정한다.
이동 통신 시스템에서 단말(User Equipment)은 기지국으로부터 하향링크(Downlink)를 통해 정보를 수신할 수 있으며, 단말은 또한 상향링크(Uplink)를 통해 정보를 전송할 수 있다. 단말이 전송 또는 수신하는 정보로는 데이터 및 다양한 제어 정보가 있으며, 단말이 전송 또는 수신하는 정보의 종류 용도에 따라 다양한 물리 채널이 존재한다.
이하의 기술은 CDMA(code division multiple access), FDMA(frequency division multiple access), TDMA(time division multiple access), OFDMA(orthogonal frequency division multiple access), SC-FDMA(single carrier frequency division multiple access) 등과 같은 다양한 무선 접속 시스템에 사용될 수 있다. CDMA는 UTRA(Universal Terrestrial Radio Access)나 CDMA2000과 같은 무선 기술(radio technology)로 구현될 수 있다. TDMA는 GSM(Global System for Mobile communications)/GPRS(General Packet Radio Service)/EDGE(Enhanced 데이터 Rates for GSM Evolution)와 같은 무선 기술로 구현될 수 있다. OFDMA는 IEEE 802.11 (Wi-Fi), IEEE 802.16 (WiMAX), IEEE 802-20, E-UTRA(Evolved UTRA) 등과 같은 무선 기술로 구현될 수 있다. UTRA는 UMTS(Universal Mobile Telecommunications System)의 일부이다. 3GPP(3rd Generation Partnership Project) LTE(long term evolution)는 E-UTRA를 사용하는 E-UMTS(Evolved UMTS)의 일부로서 하향링크에서 OFDMA를 채용하고 상향링크에서 SC-FDMA를 채용한다. LTE-A(Advanced)는 3GPP LTE의 진화된 버전이다.
또한, 이하의 설명에서 사용되는 특정 용어들은 본 개시의 이해를 돕기 위해서 제공된 것이며, 이러한 특정 용어의 사용은 본 개시의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다른 형태로 변경될 수 있다.
도 1은 본 개시 (disclosure)를 구현하기 위한 시스템을 예시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 무선 통신 시스템은 기지국(BS) (10) 및 하나 이상의 단말(UE) (20)를 포함한다. 하향링크에서, 송신기는 BS (10)의 일부일 수 있고, 수신기는 UE (20)의 일부일 수 있다. 상향링크에서, BS (10)는 프로세서 (11), 메모리 (12), 및 송수신기 (13)를 포함 할 수 있다. 프로세서 (11)는 UE (20) 본 출원에 기재된 제안된 절차들 및/또는 방법들을 구현하도록 구성될 수 있다. 메모리 (12)는 프로세서 (11)와 결합되어 프로세서 (11)를 동작시키기 위한 다양한 정보를 저장한다. 송수신기 (13)는 RF (Radio Frequency) 유닛을 포함할 수 있으며, 상기 RF 유닛을 제어하여 프로세서 (11)와 결합되어 무선 신호를 송신 및/또는 수신한다. UE (20)는 프로세서 (21), 메모리 (22) 및 RF 유닛 (23)(송신기 및 수신기)을 포함 할 수 있다. 프로세서 (21)는 본 출원에서 설명된 제안된 절차 및/또는 방법을 구현하도록 구성 될 수 있다. 메모리 (22)는 프로세서 (21)와 결합되어 프로세서 (21)를 동작시키기 위한 다양한 정보를 저장한다. RF 유닛 (23)은 프로세서 (21)와 결합되어 무선 신호를 송신 및/또는 수신한다. BS (10) 및/또는 UE (20)는 단일 안테나 및 다중 안테나를 가질 수 있다. BS (10) 및 UE (20) 중 적어도 하나가 다중 안테나를 갖는 경우, 무선 통신 시스템은 MIMO (multiple input multiple output) 시스템으로 불릴 수 있다.
본 개시에서 단말의 프로세서(21)와 기지국의 프로세서(11)는 각각 단말(20) 및 기지국(10)이 신호를 수신하거나 송신하는 기능 및 저장 기능 등을 제외하고, 신호 및 데이터를 처리하는 동작을 수행하지만, 설명의 편의를 위하여 이하에서 특별히 프로세서(11, 21)를 언급하지 않는다. 특별히 프로세서(11, 21)의 언급이 없더라도 신호를 수신하거나 송신하는 기능이 아닌 데이터 처리 등의 일련의 동작들을 수행한다고 할 수 있다.
본 개시에서는 5세대(5G) 통신 시스템을 위한 새롭고 다양한 프레임 구조를 제안한다. 차세대 5G 시스템에서는 향상된 모바일 브로드밴드 (Enhanced Mobile BroadBand, eMBB), 고 신뢰도 기계 타입 통신 (Ultra-reliable Machine-Type Communications, uMTC), 대규모 기계 타입 통신 (Massive Machine-Type Communications, mMTC) 등으로 시나리오를 구분할 수 있다. 향상된 모바일 브로드밴드는 높은 스펙트럼 효율 (High Spectrum Efficiency), 높은 사용자 경험의 데이터 전송률 (High User Experienced Data Rate), 높은 피크 데이터 속도 (High Peak Data Rate) 등의 특성을 갖는 차세대 이동통신 시나리오다. 고 신뢰도 기계 타입 통신은 고 신뢰도 (Ultra Reliable), 초 저 지연 (Ultra Low Latency), 초 고 가용성 (Ultra High Availability) 등의 특성을 갖는 차세대 이동통신 시나리오이며 (예를 들어, V2X, Emergency Service, Remote Control), 대규모 기계 타입 통신은 저 비용 (Low Cost), 저 에너지 (Low Energy), 짧은 패킷 (Short Packet), 대규모 연결성 (Massive Connectivity) 특성을 갖는 차세대 이동통신 시나리오이다(예를 들어, IoT).
도 2는 데이터 채널과 제어 채널이 TDM된 서브프레임의 구조를 예시적으로 나타낸 도면이다. 5G new RAT (NR)에서는 지연(latency)를 최소화하기 위한 목적으로서 도 2와 같은 제어 채널과 데이터 채널이 시간분할다중화(Time Division Multiplexing, TDM)되는 구조가 프레임 구조의 한 가지로서 고려될 수 있다.
도 2에서 빗금 친 영역은 DCI(Downlink Control Information) 전달을 위한 물리 하향링크 제어 채널 (Physical Downlink Control Channel, PDCCH)의 전송 영역을 나타내고, 마지막 심볼은 UCI (Uplink Control Information) 전달을 위한 물리 상향링크 제어 채널 (예를 들어, Physical Uplink Control CHannel, PUCCH)의 전송 영역을 나타낸다. 여기서 eNB가 UE에게 전달하는 제어 정보인 DCI는 UE가 알아야 하는 cell configuration 에 관한 정보, DL (Downlink) 스케쥴링 등의 DL specific한 정보, 그리고 UL (Uplink) grant 등과 같은 UL specific 정보 등을 포함할 수 있다. 또한 UE가 기지국에게 전달하는 제어 정보인 UCI는 DL data에 대한 HARQ의 ACK/NACK report, DL 채널 상태에 대한 CSI report, 그리고 SR (Scheduling Request) 등을 포함할 수 있다.
도 2에서 해칭 표시가 없는 영역은 DL/UL 유연성 (flexibility)을 위해 DL 또는 UL 구간이 유연하게 설정될 수 있다. 일 예로서, DL 데이터 전송을 위한 데이터 채널 (예를 들면, 물리 하향링크 공유 채널 (Physical Downlink Shared Channel))로 사용될 수도 있고, UL 데이터 전송을 위한 데이터 채널(예를 들면, 물리 상향링크 공유 채널(Physical Uplink Shared CHannel, PUSCH))가 사용될 수도 있다. 이러한 구조의 특징은 한 개의 서브프레임 내에서 DL 전송과 UL 전송의 순차적으로 진행되어, eNB가 서브프레임 내에서 DL 데이터를 보내고, UE로부터 상기 DL data에 대한 HARQ ACK/NACK 신호를 수신할 수 있다. 결과적으로 데이터 전송 에러 발생시에 데이터 재전송까지 걸리는 시간을 줄이게 되며, 이로 인해 최종 데이터 전달의 지연 (latency)을 최소화할 수 있다.
이러한 self-contained subframe 구조에서 기지국과 UE가 송신 모드에서 수신모드로 전환 과정 또는 수신모드에서 송신모드로 전환 과정을 위한 time gap이 필요하다. 이를 위하여 self-contained subframe 구조에서 DL에서 UL로 전환되는 시점의 일부 OFDM 심볼이 가드 구간 (Guard Period ,GP)로 설정된다.
무선 광 통신 시스템의 경우, 일반적으로 가시광의 깜박거림을 기반으로 신호를 표현하는 OOK (On-Off Keying)에 기반한 싱글 캐리어 모듈레이션 (Single Carrier Modulation, SCM) 방법들이 있다. OOK modulation에서 광원은 ON과 OFF에 따라 디지털 (digital) 신호 1 과 0을 표현하는 방식이다. OOK modulation은 클락 (clock)을 기반으로 펄스 위치로 변조시키는 Pulse Position Modulation (PPM) 등의 방식 등으로 변형될 수 있다.
가시광 통신 시스템에 있어서, 멀티 캐리어 모듈레이션 (Multi Carrier Modulation, MCM) 방법에 대한 연구가 진행되고 있다. SCM 방법과 비교할 때, MCM 방법은 다중 경로 (multipath)에 대한 강인한 특성을 갖고, 싱글 탭 이퀄라이제이션 (single tap equalization)이 가능하며, DC 원더링 (wandering)과 플리커링 간섭 (flickering interference)에 강인한 특성을 갖는다. VLC를 위한 MCM 기반의 파형은 i) one dimension (즉, real-value) 신호만을 가져야 하고, ii) 단극 (unipolar) 특성을 가져야 한다는 조건을 만족해야 한다.
도 3은 RF 통신 시스템의 송신단 측면에서의 OFDM modulation 구조를 설명하기 위한 도면이다. 도 3을 참조하면, OFDM modulation을 거친 아날로그 신호는 RF Power Amplifier (PA)를 통해 증폭된다. 이 때, PA의 성능 제한에 의해 신호의 최대 증폭 크기가 제한될 수 있다.
반면, 가시광 통신 시스템의 multi-carrier modulation 송신단 구조는 도 4 내지 도 5와 같을 수 있다. 보다 구체적으로, 도 4는 VLC 통신 시스템의 DCO-OFDM modulation 송신기 구조를 나타낸 것이고, 도 5는 VLC 통신 시스템의 ACO-OFDM modulation 송신기 구조를 나타낸 것이다. 도 4 내지 도 5에서 종단의 장치가 LED에서 LASER 등의 가시광이 아닌 대역 (예를 들면, 적외선 대역)을 사용하는 E-to-O device가 사용되면 자유 공간 광통신의 범주에 해당할 수 있다.
도 6은 무선광 통신 시스템의 기본적인 구조를 나타낸다. 도 6에서, 송신단은 무선광을 송신하고, 수신단에서는 이를 복호하는 기본 구조를 가진다.
도 6을 참조하면, 송신단(transmitter)은 송신하고자 하는 데이터 (예를 들면, 전기적 신호)를 E-to-O device를 통해 광학 자원 (photonic source)으로 변환하여 무선 환경을 통해 수신단에 전송한다. 상기 광 자원을 무선광이라고 할 수 있다.
여기서 무선광은 광자들의 집합에 대응하는 파동 (wave)으로 해석될 수 있고, 파면의 형태에 따라 평면파(plane wave)와 구면파 (spherical wave)로 구분될 수 있다. 평면파는 파면이 직선이거나 평면인 파로서, 예를 들면 레이저빔과 같이 공진에 의해 인위적으로 생성될 수 있다. 구면파는 파원이 공간의 한 점일 때, 파면이 파원을 중심으로 동심 구면을 이루게 되는 파동이다. 한편, 구면파는 멀리까지 전파해 갈 경우, 파면이 거의 나란해지므로 수신단의 관점에서는 평면파로 간주될 수 있다.
한편, 데이터를 포함하는 원하는 광학 신호 (desired optical signal)이 무선 환경에서 수신단에 의해 수신될 때, i) 다른 소스로부터의 간섭 (interference), ii) 태양으로부터의 태양광 간섭이 상기 desired optical signal과 함께 수신된다. 수신단은 i) desired optical signal에 사용된 무선광을 선별하기 위한 광학 필터 (optical filter), ii) 수신단 무선광을 전기적 신호로 변환하는 O-to-E (Optical to Electrical) 장치 및 iii) 신호를 해석하기 위한 직접 검출 (direct detection)을 통해 desired optical signal을 데이터로 복호할 수 있다.
한편, 도 7에 도시된 본 개시의 일 예 또는 구현 예에 따르면, 송신단은 i) 송신하고자 하는 데이터 (예를 들면, 전기적 신호)를 E-to-O device를 통해 광학 자원 (photonic source)으로 변환하고, ii) 광학 빔 제너레이터 (optical beam generator)를 통해 광학 빔 (optical beam)을 생성하여 무선환경으로 수신단에 전송할 수도 있다.
한편, 무선광은 광학에서 빔 (beam)으로 표현될 수 있다. 본 개시의 일 예 또는 구현 예에서는 광학 빔이 전자기파 (electromagnetic radiation)의 가로 모드 (transverse mode)중에서 공진 모드(resonant mode)에 해당되는 횡방향 전자계 모드 (Transverse ElectroMagnetic field/wave mode, TEM mode)로 구성된 경우에 대해서 설명하도록 한다.
TEM mode는 다시 빔의 형성 방법에 따라 TEM lm으로 지수 l, m으로 구분될 수 있다. TEM mode의 기본적인 형태는 일반적으로 가우시안 빔(Gaussian beam)으로써, TEM 00로 표현된다. TEM 00는 광축에 수직인 단면상의 파동 진폭 분포 (wave amplitude distribution)가 가우시안 함수 (Gaussian function)로 표현되는 광학 빔이다.
데이터를 포함하는 원하는 광학 빔 (desired optical beam)이 무선 환경에서 수신단에 의해 수신될 때, i) 다른 소스로부터의 간섭 (interference), ii) 태양으로부터의 태양광 간섭이 상기 desired optical beam과 함께 수신된다. 수신단은 i) desired optical beam에 사용된 무선광을 선별하기 위한 optical filter와 ii) 무선광을 전기적 신호로 변환하는 O-to-E Device 그리고 iii) 신호를 해석하기 위한 직접 검출 (direct detection)을 통해 desired optical beam을 데이터로 복호한다.
다음으로, 레거시 링크 (legacy link) 기반의 초기 접속 (initial access)과 브로드캐스트 메시지 (broadcast message) 기반의 초기 접속에 대해서 설명하도록 한다.
1.1. 레거시 링크 기반의 초기 접속
송신 단말과 수신 단말은 레거시 링크 (예를 들면, LTE, LTE-A, NR, WiFi, Bluetooth)를 통해 무선 광 통신을 위한 초기 정보를 공유할 수 있다. 무선 광 통신을 위한 초기 정보는 다음을 포함할 수 있다.
i) 송수신을 위한 대역: 이는 데이터 및 제어정보 송수신을 위한 주파수 대역 또는 빛의 파장 범위를 의미할 수 있다.
ii) 송수신을 위한 편광: 이는 데이터 및 제어정보 송수신을 위한 편광의 방향을 의미할 수 있다. 예를 들면, 간섭 제어를 위해 수직 편광을 통해서만 데이터 및 제어정보를 송수신하는 것이 송신 단말과 수신 단말간에 약속될 수 있다.
iii) 송수신을 위한 OAM 모드: 이는 데이터 및 제어정보 송수신을 위한 OAM 모드 인덱스를 의미할 수 있다.
iv) 송수신을 위한 기저대역 변조 (baseband modulation): 이는 데이터 및 제어정보 송수신을 위한 기저대역 변조 방법을 의미할 수 있다. 예를 들면, 데이터 변조 및 복조를 위해 i) single carrier modulation 방식으로 On/Off Keying (OOK) 방식이 사용되거나, ii) multi-carrier 방식으로 OFDM 방식이 사용될 수 있으며, 송신 단말과 수신 단말은 이를 사전에 약속 할 수 있다.
1.2. 브로드캐스트 메시지 기반의 초기 접속
송신 단말과 수신 단말은 브로드캐스트 메시지를 기반으로 초기 정보를 공유할 수 있다. 예를 들면, 송신 단말과 수신 단말은 LTE/LTE-A의 PBCH 또는 Common Control Channel에 해당하는 방식과 같이, 사전에 약속된 브로드캐스트 메시지를 광 자원 또는 무선 자원을 통해 브로드캐스트 하여 무선 광 통신을 위한 초기 정보를 공유할 수 있다. 무선 광 통신을 위한 초기 정보는 다음과 같을 수 있다.
i) 송수신을 위한 대역: 이는 데이터 및 제어정보 송수신을 위한 주파수 대역 또는 빛의 파장 범위를 의미할 수 있다.
ii) 송수신을 위한 편광: 이는 데이터 및 제어정보 송수신을 위한 편광의 방향을 의미할 수 있다. 예를 들면, 간섭 제어를 위해 수직 편광을 통해서만 데이터 및 제어정보를 송수신하는 것이 송신 단말과 수신 단말간에 약속될 수 있다.
iii) 송수신을 위한 OAM 모드: 이는 데이터 및 제어정보 송수신을 위한 OAM 모드 인덱스를 의미할 수 있다.
iv) 송수신을 위한 기저대역 변조: 이는 데이터 및 제어정보 송수신을 위한 기저대역 변조 방법을 의미할 수 있다. 예를 들면, 데이터 변조 및 복조를 위해 i) single carrier modulation 방식으로 On/Off Keying (OOK) 방식이 사용되거나, ii) multi-carrier 방식으로 OFDM 방식이 사용될 수 있으며, 송신 단말과 수신 단말은 이를 사전에 약속 할 수 있다.
2.1. 다음으로, Photon OAM을 기반으로 하는 무선 광 통신 송수신 장치에 대하여 설명하도록 한다.
도 8에 도시된 본 개시의 일 예 또는 구현 예에 따르면, i) 광자 궤도 각 운동량 빔 제너레이터 (photon OAM beam generator)를 사용하여 신호를 전송하는 송신 단말, ii) 원하는 궤도 각 운동량 빔 (desired OAM beam)과 광학 간섭 (optical interference)을 구분하는 광학 필터를 사용하는 수신 단말을 포함하는 시스템이 제안된다. 제안되는 시스템에 따르면, 원하는 광학 빔과 동일 대역 및 동일 편광을 가지는 태양광 또는 다른 소스로부터의 간섭을 최소화하는 것이 가능하다.
무선광을 전자파로 해석하면, 빔의 형태에 따라 TEM 모드를 구분할 수 있다. TEM 모드의 기본적인 형태는 일반적으로 가우시안 빔(Gaussian beam)으로써, TEM 00로 표현된다. Rectangular transverse mode patterns을 가지는 Hermite-Gaussian (HG) 모드는 TEM mn 으로 표현된다. Cylindrical transverse mode patterns을 가지는 Laguerre-Gaussian (LG) 모드는 TEM pl 으로 표현된다. 본 개시의 일 예 또는 구현 예에서 Laguerre-Gaussian (LG) 모드(TEM pl)는 Photon OAM 으로 표현될 수 있다.
2.2. 송신 단말
송신 단말은 전송하고자 하는 데이터를 포함하는 전기 자원 (electric source)를 E-to-O device를 통해 광학 자원 (optical source)으로 변환할 수 있다. 변환된 광학 자원은 광자 궤도 각 운동량 빔 제너레이터를 통해 다음과 같이 Photon OAM beam으로 변환될 수 있다.
i) 송신 단말은 광학 자원을 레저네이터 (resonator)에 통과시켜 Gaussian Beam (TEM 00)으로 변환한 후, 나선형 위상 판 (spiral phase plate)을 통해 Photon OAM Beam (TEM pl)으로 변환할 수 있다.
ii) 송신 단말은 광학 자원을 레저네이터에 통과시켜, Gaussian Beam (TEM 00)으로 변환한 후, 나선형 위상 패턴 (spiral phase pattern)을 가지는 위상 홀로그램 (phase hologram)에 반사시켜 Photon OAM beam (TEM pl)으로 변환할 수 있다.
iii) 송신 단말은 광학 자원을 레저네이터에 통과시켜, Gaussian Beam (TEM 00)으로 변환한 후, Fork Diffraction pattern을 가지는 Phase hologram에 반사시켜 Photon OAM Beam (TEM pl)으로 변환할 수 있다.
iv) 송신 단말은 광학 자원을 레저네이터에 통과시켜, Hermite Gaussian Beam (TEM mn)으로 변환한 후, cylindrical Lens HG-LG mode converter (예를 들면, pi/2 mode converter)를 통과시켜 Photon OAM Beam (TEM pl)으로 변환할 수 있다.
한편, 전술한 i)-iv) 방법 이외에도 Photon OAM beam을 생성할 수 있는 다양한 방법이 본 개시의 예 또는 구현 예에 적용될 수 있다.
2.3. 수신 단말
2.3.1. 광학 필터
수신 단말에 구비되는 광학 필터는 일반적인 광학 필터 또는 편광 필터를 포함할 수 있다. 일반적인 광학 필터는 원하는 광학 빔 (desired optical beam)에 해당하는 대역을 수신하기 위한 광학 소자이다. 광학 필터는 파장에 관계없이 일정한 투과율로 투과시키는 필터 또는 특정한 파장 영역의 광 강도(light intensity)를 조절하는 보정 필터, 광 대비 필터를 포함할 수 있다. 광학 필터는 사용 주파수 영역에 따라서 적외 영역용 필터, 가시 영역용 필터, 자외 영역용 필터, 진공 자외 영역 필터 등으로 분류될 수 있다. 각각의 영역에서의 필터는 사용 재료, 구조가 서로 다를 수 있다.
또는, 광학 필터는 편광 필터 (polarized light filter)일 수 있다. 편광 필터는 desired optical beam에 해당하는 편광만을 수신하기 위해 특정 방향으로 진동하는 빛만 통과시키는 편광 특성을 이용한 필터이다. 일반적으로 편광은 비스듬한 투사광이 균일한 표면에서 반사될 때 주로 발생한다. 따라서 편광 필터를 사용하여 유리창이나 물체의 표면에서 반사되는 빛을 차단하면 그만큼 깨끗하고 진한 화상을 얻을 수 있다. 카메라의 편광 필터는 편광 방향을 회전시켜 조절할 수 있도록 되어 있다. 편광 필터를 사용하면 한 방향으로만 진동하는 파장만 남게 되어 자동 초점(autofocus) 카메라에서는 빛을 잘 인식하지 못하여 초점을 놓치는 경우가 있다. 이러한 현상을 해결한 것이 원 편광(circular polarized) 필터이다.
2.3.2. 렌즈 (lens)
렌즈는 수신된 광 자원 (optical source)을 굴절 (refraction) 효과를 이용하여 초점 (focal point)으로 포커싱 (focusing )하는 장치이다.
2.3.2.1. 파장 기반의 초점 제어 (focal point control based on wavelength)
도 9를 참조하면, 컨벡스 렌즈 (convex lens) 또는 프레넬 렌즈 (fresnel lens)를 통과한 광 자원은 파장에 따라 초점이 서로 다른 특성을 갖는다. 이러한 특성을 이용하여, 수신 단말은 포토다이오드 어레이 (photodiode array)에 수신되는 광 자원의 강도에 대한 집중도를 제어할 수 있다. 본 개시에서 설명하는 포토다이오드 어레이는 O-to-E 변환을 수행하는 수광 소자가 특정 면적에 다수 개 분포하는 형태를 의미한다.
예를 들면, 도 9에서 녹색광의 초점이 f green 라고 할 때, 청색광과 적색광에 대한 초점은 각각 f blue, f red이다. 이 때, 청색광, 녹색광 및 적색광의 초점이 각각 다른 것을 확인할 수 있다. 수신 단말은 이런한 특성을 이용하여 녹색광의 강도를 포토다이오드 어레이의 중심에 모이게 하고, 적색광은 그보다 큰 영역에 강도가 퍼지게 하며, 청색광은 더 큰 영역에 강도가 퍼지게 제어할 수 있다.
이러한 제어를 통해, 수신 단말은 녹색광에 해당하는 초점에서는 상대적으로 녹색광 신호를 보다 효율적으로 수신할 수 있다. 한편, 수신 단말은 i) 컨벡스 렌즈 또는 프레넬 렌즈의 두께를 제어하거나, ii) 컨벡스 렌즈와 포토다이오드 어레이 사이의 거리를 제어함으로써 파장에 따른 초점을 제어할 수 있다.
2.3.2.2. OAM 모드 기반의 초점 제어 (focal point control based on OAM mode)
도 10을 참조하면, 임의의 굴절각을 가지는 렌즈 (예를 들면, 프레넬 렌즈)를 통과한 OAM 광 자원은 모드 인덱스에 따라 초점이 다른 특성을 갖는다. 이러한 특성을 이용하여 수신 단말은 포토다이오드 어레이에 수신되는 OAM 모드의 강도 집중도를 제어할 수 있다.
예를 들면, 도 10에서 OAM mode +1, OAM mode 0 및 OAM mode -1 의 초점이 서로 다른 것을 알 수 있다. 수신 단말은 OAM mode 0의 경우 포토다이오드 어레이의 중심에 강도가 모이게 제어하고, OAM mode -1은 그보다 큰 영역에 강도가 퍼지게 제어하며, OAM mode +1은 더 큰 영역에 강도가 퍼지게 제어할 수 있다.
한편, OAM mode 0의 초점이
Figure PCTKR2019014832-appb-img-000001
라고 할 때, 모드 인덱스
Figure PCTKR2019014832-appb-img-000002
에 대한 초점
Figure PCTKR2019014832-appb-img-000003
은
Figure PCTKR2019014832-appb-img-000004
으로 근사될 수 있다. 여기서, 상수
Figure PCTKR2019014832-appb-img-000005
는 OAM 분산 계수 (dispersion coefficient)이다.
한편, 수신 단말은 i) 렌즈 또는 프레넬 렌즈의 두께를 제어하거나, ii) 임의의 렌즈와 포토다이오드 어레이 사이의 거리를 제어함으로써 OAM 모드에 따른 초점을 제어할 수 있다.
2.3.3. 프레넬 존 플레이트 (Fresnel Zone Plate)
프레넬 존 플레이트는 회절 (diffraction) 효과를 통해, 수신된 광 자원을 초점으로 포커싱 하기 위한 장치이다. 보다 구체적으로, 존 플레이트 또는 프레넬 존 플레이트는 빛이나 파동 특성을 나타내는 물질들을 포커싱하는 장치이다. 렌즈 또는 곡면 거울과 달리, 존 플레이트는 반사와 굴절 대신에 회절을 이용한다. 존 플레이트는 불투명 (opaque) 및 투명 (transparent) 사이에서 번갈아 나타나는 프레넬 존으로 알려진 방사형 대칭 고리들 (radially symmetric rings)의 세트로 구성된다. 존 플레이트를 치는 빛 (light hitting the zone plate)은 불투명한 영역 주위에서 회절된다. 회절된 광이 원하는 초점에서 구조적으로 간섭하여 이미지를 생성하도록 상기 영역들은 서로 이격될 수 있다.
도 11을 참조하면, 프레넬 존 플레이트를 통과한 광 자원의 파동 특성 또는 OAM 모드 인덱스에 따른 초점 면 (focal plane)에서의 강도 분포가 다른 것을 알 수 있다. 이러한 특성을 기반으로, 수신 단말은 포토다이오드에 수신되는 광 자원의 강도 분포를 제어할 수 있다.
도 11을 참조하면, 프레넬 존 플레이트를 통과한 광 자원이 i) 태양광과 같은 자연광, ii) 선 편광 또는 원 편광된 편광과 같이 평면 파광 (plane wave light) 일 경우, 프레넬 존 플레이트의 초점 면의 중심에 강도가 집중된다.
한편, 프레넬 존 플레이트를 통과한 광 자원이 평면 파광 (plane wave light) 이면서 가우시안 빔 (Gaussian Beam)일 경우, 상기 광 자원은 프레넬 존 플레이트의 초점 면에 위치하는 포토다이오드의 중심을 기준으로 가우시안 분포 (Gaussian Distribution)로 강도가 분포된다.
한편, 프레넬 존 플레이트를 통과한 광 자원이 나선형 파광 (helical wave light)에 대응하는 LG 빔일 경우, 프레넬 존 플레이트의 초점 면에 위치하는 포토다이오드의 중심을 기준으로 OAM 상태 (state)의 특성을 유지하여 강도가 고리의 형태로 분포된다.
예를 들면, 도 11에서 OAM mode 0, OAM mode +3 및 OAM mode +5 의 강도 분포는 서로 다른 특성을 갖는다. 이를 통해, 수신 단말은 OAM mode 0은 포토 다이오드의 중심에 가우시안 분포로 강도가 모이게 하고, OAM mode +3은 그보다 큰 영역에 고리의 형태로 강도가 퍼지게 하며, OAM mode +5은 더 큰 영역에 고리의 형태로 강도가 퍼지게 할 수 있다. 이 때, 일반적인 평면 파광의 형태, 즉 i) 태양광과 같은 자연광, ii) 선 편광 또는 원 편광된 편광의 경우, 포토다이오드의 중심의 매우 작은 영역에 강도가 집중된다. 이 영역은 OAM mode 0의 포토다이오드의 중심에 가우시안 분포로 강도가 분포하는 영역보다 더 작은 영역을 가진다.
수신 단말은 i) 프레넬 존 플레이트의 고리 구성에 따른 패턴을 제어하거나, ii) 프레넬 존 플레이트와 포토다이오드 사이의 거리를 제어함으로써 포토다이오드에 수신되는 광 자원의 강도 분포를 제어할 수 있다.
2.3.4. 포톤 시브 (photon sieve)
포톤 시브는 회절 및 간섭 효과를 통해, 수신된 광 자원을 초점으로 포커싱 하기 위한 장치이다. 포톤 시브는 전술한 프레넬 존 플레이트의 고리와 유사한 패턴으로 배열된 핀 홀들로 가득 찬 평평한 시트로 구성되지만, 존 플레이트보다 훨씬 선명한 초점을 제공할 수 있다. 포톤 시브는 여러 크기 및 패턴을 갖는 핀 홀들을 포함하도록 제조됨으로써 응용에 적합하도록 초점 동작의 특성이 변경될 수 있기 때문에 다양하게 활용될 수 있다.
수신 단말은 포톤 시브를 통과한 광 자원의 i) 파동 특성 또는 ii) OAM 모드 인덱스에 따라 초점 면에서의 강도 분포가 달라지는 특성을 기반으로, 포토다이오드에서 수신되는 광 자원의 강도 분포를 제어할 수 있다.
포톤 시브를 통과한 광 자원이 i) 태양광과 같은 자연광, ii) 선 편광 또는 원 편광된 편광과 같이 평면 파광 (plane wave light) 일 경우, 포톤 시브의 초점 면에 위치하는 포토다이오드 어레이의 중심에 광 자원의 강도가 집중된다.
한편, 포톤 시브를 통과한 광 자원이 평면 파광 (plane wave light) 이면서 가우시안 빔 (Gaussian Beam)일 경우, 상기 광 자원은 포톤 시브의 초점 면에 위치하는 포토다이오드 어레이의 중심을 기준으로 가우시안 분포 (Gaussian Distribution)로 강도가 분포된다.
한편, 포톤 시브를 통과한 광 자원이 나선형 파광 (helical wave light)에 대응하는 LG 빔일 경우, 포톤 시브의 초점 면에 위치하는 포토다이오드 어레이의 중심을 기준으로 OAM 상태 (state)의 특성을 유지하여 강도가 고리의 형태로 분포된다.
예를 들면, 도 12에서 OAM mode 0, OAM mode +3 및 OAM mode +5 의 강도 분포는 서로 다른 특성을 갖는다. 이를 통해, 수신 단말은 OAM mode 0은 포토 다이오드의 중심에 가우시안 분포로 강도가 모이게 하고, OAM mode +3은 그보다 큰 영역에 고리의 형태로 강도가 퍼지게 하며, OAM mode +5은 더 큰 영역에 고리의 형태로 강도가 퍼지게 할 수 있다. 이 때, 일반적인 평면 파광의 형태, 즉 i) 태양광과 같은 자연광, ii) 선 편광 또는 원 편광된 편광의 경우, 포토다이오드 어레이의 중심의 매우 작은 영역에 강도가 집중된다. 이 영역은 OAM mode 0의 포토다이오드 어레이의 중심에 가우시안 분포로 강도가 분포하는 영역보다 더 작은 영역을 가진다.
수신 단말은 i) 포톤 시브의 핀 홀 구성에 따른 패턴을 제어하거나, ii) 포톤 시브와 포토다이오드 어레이 사이의 거리를 제어함으로써 포토다이오드 어레이에 수신되는 광 자원의 강도 분포를 제어할 수 있다.
2.3.5. 페이즈 마스크 (phase mask)
페이즈 마스크는 회절, 굴절, 반사 등의 효과를 통해, 수신된 광 자원의 특성에 따라 전파 방향 (propagation direction)을 제어하는 장치로서, 광학 소자로 구성된다.
수신 단말은 i) 페이즈 마스크 (또는 패턴 마스크)를 통과한 광 자원의 파동 특성 또는 ii) OAM 모드 인덱스에 따라 빔의 전파 방향이 변화하는 특성을 기반으로, 포토다이오드 어레이에 수신되는 광 자원의 강도 분포 위치를 제어할 수 있다.
예를 들면, 도 13에 도시된 것과 같이 OAM mode 0, OAM mode +2, OAM mode -2, OAM mode +3의 강도 분포 위치는 서로 다른 것을 알 수 있다. 이 때, 일반적인 평면 파광의 형태, 즉, i) 태양광과 같은 자연광, ii) 선 편광 또는 원 편광된 편광의 경우, OAM 모드 0의 평면 파와 페이즈 특성이 동일하기 때문에 OAM 모드 0의 강도 분포가 위치하는 수신 면 (receiving plane) 상의 제 3 사분면에 강도가 분포할 수 있다. 한편, 렌즈는 페이즈 마스크를 통과한 광 자원이 수신 면에서 포커싱 되도록 하는 역할을 한다.
수신 단말은 i) 페이즈 마스크를 구성하는 페이즈 요소들 (phase elements) 을 제어하거나 ii) 페이즈 마스크와 포토다이오드 어레이, 페이즈 마스크와 렌즈, 렌즈와 포토다이오드 어레이 사이의 거리를 제어함으로써, 포토다이오드 어레이에 수신되는 광 자원의 강도 분포의 위치를 제어할 수 있다.
한편, 전술한 광학 필터들 (예를 들면, 렌즈, 프레넬 존 플레이트, 포톤 시브, 페이즈 마스크)은 각각의 특성을 복합적으로 얻기 위해, 2 개 이상이 조합되어 적용될 수 있다. 예를 들면, 수신 단말은 i) 수신 파장을 제어하기 위해 일반적인 광학 필터로 특정 파장을 수신하고, ii) 편광 필터를 통해 목적하는 편광을 수신하고, iii) 포톤 시브를 통해 파광 (wave light)의 특성에 따라 평면 파와 나선형 파 모드들을 구분할 수 있다.
3.1. 가우시안 빔의 분산각 (divergence angle of Gaussian beam)
도 14는 원거리 장 (far-field)에서의 가우시안 빔의 분산각을 설명하기 위한 도면이다. 가우시안 빔의 분산각은 아래 [수학식 1]와 같이 정의될 수 있다. 여기서, k o 는 웨이브벡터 (wavevector)로 2pi/lambda이며, w o 는 최소 빔 웨이스트 (minimum beam waist)로 빔을 형성하는 방법에 따라 다를 수 있다.
Figure PCTKR2019014832-appb-img-000006
송신 단말이 빔을 형성할 때 M2 factor를 최적으로 설계하여 M2=1 이라고 가정하자. 도 14를 참조하면, i) waist=658um 이고, wavelength=700nm 일 때, angle=338.6urad (즉, 0.0194 degree)가 된다. 또한, ii) waist=375um 이고, wavelength=400nm 일 때, angle=338.6urad (즉, 0.0194 degree)가 된다. 이 경우, distance=10m에서 빔 반경 (beam radius)은 3.4mm가 된다.
3.2. LG 빔의 분산각 (divergence angle of LG beam)
도 15 내지 도 16은 원거리 장에서의 LG 빔의 분산각을 설명하기 위한 도면이다. LG 빔의 분산각은 아래 [수학식 2] 내지 [수학식 4]를 통해 설명될 수 있다. 구체적으로, [수학식 2]는 w o 가 고정된 경우를 나타내고, [수학식 3]은 r rms(0)가 고정된 경우를 나타낸다. 한편, k o 는 wavevector로 2pi/lambda이며, w o 는 minimum beam waist로 빔을 형성하는 방법에 따라 다를 수 있고, [수학식 4]와 같은 관계를 가질 수 있다.
Figure PCTKR2019014832-appb-img-000007
Figure PCTKR2019014832-appb-img-000008
Figure PCTKR2019014832-appb-img-000009
송신 단말이 빔을 형성할 때 M2 factor를 최적으로 설계하여 M2=1 이라고 가정하자. 도 15를 참조하면, | l|에 따라 Distance = 10m에서 도 15에 도시된 것과 같이 빔 반경이 나타날 수 있다. 한편, 도 16을 참조하면, OAM 빔의 경우 OAM Order l에 따라 빔 반경이 다른 것을 알 수 있다. 또한, 송신 단말과 수신 단말간 거리에 따라 수신 단말에서의 빔 크기 (예를 들면, 빔 반경)가 다르게 된다.
한편, OAM Order l에 따라 수신되는 파면의 Phase 특성이 다를 수 있다. 예를 들어, 도 17에 도시된 것과 같이 OAM Order (또는, Mode)에 따라, E-field에 대한 Phase 차이가 발생할 수 있다. 여기서, Phase란 E-field를 sine wave로 표현할 때, 광원의 진행 방향에서 시간에 따른 변화를 나타낼 수 있다. 구체적으로, 도 18에서 y축이 E-field의 진동방향을 의미한다고 할 때, E-field의 진동을 시간에 따라 도시하면 도 18과 같이 표현될 수 있다. 도 18의 그래프에서 E-field의 진동을 시간에 따라 그린 그래프는 광의 이동방향 (즉, 광축, optic axis)과 같고, 시간에 따른 phase 변화를 표현할 수 있다. Phase의 변화는 한 주기에 해당하는 파장 λ에 의해 결정되며, 시간 t는 빛이 이동하는 시간에 대한 단위로서, 한 파장의 거리를 이동하는 시간 t=λ/c (c=2.99792458*10 8 m/s, 광속)이다. 따라서, OAM Order l에 따라 수신되는 파면의 Phase 특성이 다른 속성에 대해서, 수신단에서 Phase 보상을 수행하면서 Coherent Combining을 수행해야 한다. 또한, 수신단의 설계에 의해 수신 복호 성능이 증대될 수 있다.
상기의 모든 데이터 전송 방법은 외부 간섭 광원으로부터의 영향에 의해 수신단 복호 성능을 보장하기 어려울 수 있다. 특히, 강한 태양광으로부터의 간섭은 수신단 복호 성능을 현저히 감소시킬 수 있다. 따라서, 외부 간섭에 강인한 무선 광 통신의 송수신 방법이 필요하다.
또한, 무선 통신 시스템에서 물리 계층 보안 (physical layer security)은 송수신단 사이에서 도청을 시도하는 자의 시도를 물리적으로 무력화 하는데 효과적으로 사용될 수 있다. 따라서, 물리 계층 보안을 제공할 수 있는 무선 광 통신의 송수신 방법이 필요하다.
본 개시에서는 무선광 통신에서 페이즈 마스크 (phase mask)를 기반으로 등위상면 (wavefront)에 암호화 (encryption)를 수행하는 방법이 제안된다.
1. 등위상면 암호화 기반의 물리 계층 보안 시스템
본 개시에서는 송수신단 사이의 사전 약속에 의해, 송신단이 페이즈 마스크를 통한 등위상면 암호화를 수행하는 것, 그리고 수신단이 송신단에서 적용된 페이즈 마스크의 역 페이즈 마스크 (Inverse Phase Mask)를 통해 등위상면 복호화 (wavefront decryption)를 수행하는 것을 포함하는 시스템이 제안된다.
등위상면 암호화 기반의 물리 계층 보안 시스템의 송수신단 구조는 도 19에 나타난 것과 같다. 도 19에서, 송신단은 무선광 통신을 위한 데이터를 광학 자원 (Optical Source)으로 변환하고, 변환된 광 자원 (예를 들면, 광학 빔)이 페이즈 마스크를 통과함으로써, 등위상면에 페이즈 마스크의 페이즈 패턴 (phase pattern)이 적용된다. 예를 들어, 송신단에서는 도 20에 도시된 것과 같이 광학 빔의 페이즈 특성이 변환될 수 있다.
도 20에서, 회색은 Phase = 0, 검은색은 Phase = π, 흰색은 Phase = -π라고 가정하자. 송신단의 E-to-O 장치를 통한 광학 빔의 등위상면의 페이즈가 등위상인 평면 파 (예를 들면, 가우시안 빔)라고 할 때, 등위상면의 페이즈를 (x, y) 2차원 평면에 도식화 하면, 도 20의 좌측에 도시된 것과 같다. 광학 빔이 특정 패턴으로 구성된 페이즈 마스크 (도 20의 가운데)를 통과하면, 원하는 광학 빔 (Desired Optical Beam)은 도 20의 우측의 암호화된 등위상면 (Encrypted Wavefront)의 형태를 가진다. 즉, 등위상면 평면이 등위상인 평면 파에서 특정 패턴으로 구성된 등위상면이 된다. 예를 들어, 도 21에 도시된 것과 같이 z축이 시간에 대한 축 (즉, 광학 빔이 진행하는 방향 또는 광 축)이라고 할 때, 평면 파 형태를 가지는 광학 빔이 지연 (Delay)을 기반으로 페이즈를 변경시키는 페이즈 마스크를 통과했다고 가정하자. 그러면, 도 21에 도시된 것과 같이 암호화된 등위상면은 페이즈 마스크의 지연 특성에 따라 페이즈가 변경되어 등위상면을 구성한다.
도 21에서 Delay = b에 해당하는 길이의 매질을 통과한 빔의 일부는 페이즈가 0 이라고 할 때, 더 짧은 매질을 통과한 빔 (예를 들면, Delay = a에 해당하는 빔)의 일부는 Phase가 -π 만큼 쉬프트 되고, 더 긴 매질을 통과한 빔 (예를 들면, Delay = c에 해당하는 빔)의 일부는 페이즈가 π 만큼 쉬프트 될 수 있다. 전술한 개념은 x축과 y축 모두에 대해서 적용되므로, 등위상면의 (x, y) 2차원 평면 관점에서 페이즈 패턴에 따라 광학 빔이 암호화될 수 있다.
도 22를 참조하면, 전술한 설명에서 페이즈 마스크는 적어도 하나의 페이즈 쉬프터를 통해 형성될 수도 있고 (예를 들면, 페이즈 쉬프터 어레이), 단일 페이즈 쉬프터의 각 부분들이 서로 다른 페이즈 쉬프터의 기능을 수행하도록 형성될 수도 있다. 후자의 경우, 예를 들면, 홀로그램 패턴을 이용한 광학 소자로써, 홀로그램에 광학 빔을 조사하면, 반사되는 광학 빔의 페이즈가 변형되는 구조일 수 있다.
한편, 수신단은 암호화된 광학 빔 (Encrypted Optical Beam)을 수신하고, 송신단에서 암호화를 위해 사용한 페이즈 패턴을 보상하기 위한 역 페이즈 마스크를 통과함으로써, 암호화된 등위상면을 본래(original)의 평면 파로 변환한다. 예를 들어, 수신단에서는 도 23에 도시된 것과 같이 광학 빔의 페이즈 특성이 변환될 수 있다.
도 23에서, 회색은 Phase = 0, 검은색은 Phase = π, 흰색은 Phase = -π라고 하자. 수신단에서 수신된 암호화된 등위상면의 페이즈를 (x, y) 2차원 평면에 도식화 하면, 도 23의 좌측의 형태와 같다. 상기 암호화된 광학 빔 (Encrypted Optical Beam)이 송신단에서 사용된 특정 패턴의 페이즈 마스크에 대응되는 역 페이즈 마스크 (Inverse Phase Mask, 도 23의 가운데)를 통과하면, 암호화된 광학 빔은 도 23의 우측의 복호화된 등위상면 (Decrypted Wavefront)의 형태를 가진다. 즉, 등위상면 평면이 특정 패턴으로 구성된 등위상면에서 페이즈가 등위상인 평면 파가 된다. 예를 들어, 도 24에 도시된 것과 같이 z축이 시간에 대한 축 (즉, 광학 빔이 진행하는 방향 또는 광 축)이라고 할 때, 특정 패턴의 페이즈가 적용된 암호화된 등위상면의 형태를 가지는 암호화된 광학 빔 이 지연을 기반으로 페이즈를 변경시키는 역 페이즈 마스크를 통과했다고 가정하자. 그러면, 도 24에 도시된 것과 같이 복호화된 등위상면은 역 페이즈 마스크의 지연 특성에 따라 페이즈가 변경되어 평면 파 형태의 등위상면을 구성한다.
도 24에서 Delay = b에 해당하는 길이의 매질을 통과한 빔의 일부는 Phase가 0 이라고 할 때, 더 짧은 매질을 통과한 (예를 들면, Delay = a에 해당하는) 빔의 일부는 Phase가 -π 만큼 쉬프트 되고, 더 긴 매질을 통과한 (예를 들면, Delay = c에 해당하는) 빔의 일부는 페이즈가 π 만큼 쉬프트 될 수 있다. 그러면, 송신단에서 기 변형된 암호화된 등위상면의 각 지점에 대한 phase가 0으로 보상되어, 복호화된 등위상면의 페이즈는 등위상이 되며, 평면 파 형태를 나타내게 된다. 전술한 개념은 x축과 y축 모두에 대해서 적용되므로, 등위상면의 (x, y) 2차원 평면 관점에서 역 페이즈 패턴 (Inverse Phase Pattern)에 따라 암호화된 광학 빔을 복호화한다.
도 25를 참조하면, 전술한 개념에서 역 페이즈 마스크는 적어도 하나의 페이즈 마스크를 형성될 수도 있고 (Phase Shifter Array의 구조), 단일 Phase Shifter의 형태가 부분적으로 다른 Phase Shifter의 기능을 수행하도록 형성(Hologram Pattern을 이용한 Optical 소자로써, Hologram에 Optical Beam을 조사하면, 반사되는 Optical Beam의 Phase가 변형되는 구조)될 수도 있다.
전술한 방법을 통해, 무선광 통신 시스템에서 Physical Layer Security 기능을 수행할 수 있다. 예를 들어, Desired Optical Beam을 탈취 또는 분기하여, 도청자가 복호를 시도할 때, 송신단에서 사용한 Phase Mask 정보를 알지 못하는 경우, 복호가 불가능 할 수 있다. 따라서, 송수신단 사이의 약속된 Phase Mask의 정보는 Physical Layer Encryption Key로써의 기능을 수행할 수 있다.
2. 등위상면 암호화 기반의 간섭 완화 (interference mitigation) 시스템
본 개시에서는 송수신단 사이의 사전 약속에 의해, 송신단에서는 페이즈 마스크를 통한 등위상면 암호화를 수행하는 것, 수신단에서는 송신단에서 적용된 페이즈 마스크의 역 페이즈 마스크를 통해 등위상면 복호화를 수행하는 것, 그리고 페이즈 특성을 이용하는 광학 필터 (Optical Filter)를 통해 광학 포커싱 (Optical Focusing)을 수행함으로써 간섭을 완화하는 시스템이 제안된다.
등위상면 암호화 기반의 간섭 완화 시스템의 송수신단 구조는 도 26에 도시된 것과 같다. 1절에서 전술한 것과 같이, 송신단은 무선광 통신을 위한 데이터를 광학 자원으로 변환하고, 변환된 광학 자원 (예를 들면, 광학 빔)이 페이즈 마스크를 통과함으로써, 등위상면에 페이즈 마스크의 페이즈 패턴이 적용된다. 특정 패턴으로 구성된 페이즈 마스크를 통과한 원하는 광학 빔은 암호화된 등위상면의 형태를 가진다. 또한, 1절에서 전술한 것과 같이, 수신단은 암호화된 광학 빔을 수신하고, 송신단에서 암호화를 위해 사용한 페이즈 패턴을 보상하기 위한 역 페이즈 마스크를 통과함으로써, 암호화된 등위상면을 본래의 평면 파로 변환한다. 본래의 평면 파로 변환된 복호화된 등위상면은 페이즈 특성을 이용하는 광학 필터 (예를 들면, Fresnel Zone Plate, Photon Sieve 등)를 통해 광학 포커싱을 수행한다. 예를 들어, 수신단에서는 도 27에 도시된 것과 같이 광학 빔의 페이즈 특성이 변환될 수 있다.
도 27에서, 회색은 Phase = 0, 검은색은 Phase = π, 흰색은 Phase = -π라고 하자. 단, 도 27에서 Fresnel Zone Plate의 경우, 페이즈와 상관없이 검은색은 물리적으로 막힌 공간 (즉, 광학 자원의 통과가 불가능한)을 의미하고, 흰색은 물리적으로 열린 공간 (즉, 광학 자원의 통과가 가능한)을 의미한다. 수신단에서 수신된 암호화된 등위상면의 페이즈를 (x, y) 2차원 평면에 도식화 하면, 도 27에서 좌측 첫 번째에 나타난 것과 같을 수 있다. 상기 암호화된 광학 빔이 송신단에서 사용된 특정 패턴의 페이즈 마스크에 대응되는 역 페이즈 마스크 (즉, 도 27의 좌측 두 번째)를 통과하면, 암호화된 광학 빔은 도 27의 좌측 세 번째의 복호화된 등위상면의 형태를 가진다. 즉, 등위상면 평면이 특정 패턴으로 구성된 등위상면에서 페이즈가 등위상인 평면 파가 된다. 상기 평면 파 형태의 복호화된 등위상면이 Fresnel Zone Plate와 같은 페이즈 특성 기반 광학 포커싱 필터 (Optical Focusing Filter)를 통과하면, 도 28에 도시된 것과 같이, O-to-E Device (예를 들면, 포토 다이오드)에 입사되는 포커스된 빔 (Focused Beam)의 방사 조도 (Irradiance) 특성이 나타난다.
도 28에서, 좌측 도면은 (x, y) 2차원 평면으로 표현한 포커스된 빔을 나타낸다. 흰색은 가장 강한 방사 조도를 가지는 광학 빔의 영역이고, 검은색은 가장 약한 방사 조도를 가지는 광학 빔의 영역이다. 방사 조도의 세기를 z axis로 표현하면 도 28의 가운데 도면과 같이 3차원 방사 조도 (3-Dimensional Irradiance)로 표현할 수 있다. 그 세기를 측정한 예시는 도 28의 우측 도면과 같다. 즉, 평면 파 형태의 복호화된 등위상면이 Fresnel Zone Plate와 같은 페이즈 특성 기반 광학 포커싱 필터를 통과하면, 초점 (Focal Point)에서 보강 간섭에 의해 방사 조도가 강화되고, 초점에서 멀어질수록 상쇄 간섭에 의해 방사 조도가 약화된다. 따라서, 송신단에서 사용한 페이즈 마스크를 수신단에서 역 페이즈 마스크를 통해 정확하게 보상하면, Fresnel Zone Plate를 통해 초점에서 광학 빔을 최적으로 모을 수 있다.
한편, 주변 간섭 (ambient interference), 즉 다른 광학 자원들로부터의 간섭의 경우, 수신단에서는 도 29에 도시된 것과 같이 광학 빔의 페이즈 특성이 변환될 수 있다. 도 29에서, 회색은 Phase = 0, 검은색은 Phase = π, 흰색은 Phase = -π라고 하자. 단, 도 29에서 Fresnel Zone Plate의 경우, 페이즈와 상관없이 검은색은 물리적으로 막힌 공간 (즉, 광학 자원의 통과가 불가능한), 흰색은 물리적으로 열린 공간 (즉, 광학 자원의 통과가 가능한)을 의미한다. 수신단에서 수신된 암호화된 등위상면의 페이즈를 (x, y) 2차원 평면에 도식화 하면, 도 29에서 좌측 첫 번째에 나타난 것과 같을 수 있다. 주변 간섭의 경우, 송신단에서 사용된 특정 패턴의 페이즈 마스크에 대응되지 않은 역 페이즈 마스크 (도 29의 좌측 두 번째)에 주변 간섭으로부터의 암호화된 광학 빔이 통과 됨에 따라 페이즈 패턴 정보가 매칭되지 않으므로, 복호화된 광학 빔은 도 29의 좌측 세 번째의 복호화된 등위상면의 형태를 가진다. 즉, 등위상면 평면이 특정 패턴으로 구성된 등위상면에서 다른 패턴으로 구성된 등위상면이 되며, 랜덤한 페이즈 패턴을 가지게 된다. 주변 간섭으로부터의 신호는 송신단에서 사용된 페이즈 패턴에 매칭되는 역 페이즈 마스크를 사용하지 않았으므로, Fresnel Zone Plate에 입사된 페이즈는 도 30에 도시된 것과 같이 표현될 수 있다.
다시 말해, 동일한 페이즈를 가지는 평면 파에 대해서 초점에 광학 포커싱을 수행하는 Fresnel Zone Plate으로 랜덤한 페이즈를 가지는 등위상면이 입사됨으로써, 포커싱 기능이 상실되고, 초점 면에서 상쇄 간섭으로 인해 방사 조도가 분산된다. 상기 랜덤한 패턴 형태의 복호화된 등위상면이 Fresnel Zone Plate와 같은 페이즈 특성 기반 광학 포커싱 필터를 통과하면, 도 31에 도시된 것과 같이, O-to-E 장치 (예를 들면, 포토다이오드)에 입사되는 포커스된 빔의 방사 조도 특성이 나타낸다.
도 31에서, 좌측 도면은 (x, y) 2차원 평면으로 표현한 포커스된 빔을 나타낸다. 흰색은 가장 강한 방사 조도를 가지는 광학 빔의 영역이고, 검은색은 가장 약한 방사 조도를 가지는 광학 빔의 영역이다. 방사 조도의 세기를 z axis로 표현하면 도 31의 가운데 도면과 같이 3차원 방사 조도 (3-Dimensional Irradiance)로 표현할 수 있다. 그 세기를 측정한 예시는 도 31의 우측 도면과 같다. 즉, 랜덤 페이즈 패턴 (Random Phase Pattern) 형태의 복호화된 등위상면이 Fresnel Zone Plate와 같은 페이즈 특성 기반 광학 포커싱 필터를 통과하면, 초점 면 전반에서 상쇄 간섭에 의해 방사 조도가 약화된다. 따라서, 송신단에서 사용한 페이즈 마스크와 수신단에서 역 페이즈 마스크를 다르게 사용하여, 원하지 않는 간섭을 Fresnel Zone Plate를 통해 초점 면에서 최소화 할 수 있다. 이 때에도, 원하는 광학 빔은 송수신단 사이에 페이즈 마스크가 매칭되므로, 초점에서 원하는 정보를 최대화 할 수 있다. 즉, 간섭과 원하는 신호가 함께 수신될 때, 원하는 신호와 간섭 신호에 대한 SIR (signal to interference ratio)을 극대화 할 수 있다. 도 31에 도시된 실험 데이터로부터 얻어진 방사 조도를 기준으로 할 때, 원하는 신호의 피크 (Peak) 크기와 간섭 신호의 피크 크기의 차이는 약 500배 가량의 차이를 나타낸다.
한편, 도 31을 통해 설명한 것과 유사한 방법으로 주광 (Sunlight)의 영향을 감소시킬 수도 있다. 주광, 즉 태양으로부터의 간섭의 경우, 수신단에서는 도 32에 도시된 것과 같이 광학 빔의 페이즈 특성이 변환될 수 있다.
주광 간섭 (Sunlight Interference)의 경우, 평면 파 특성을 가진 등위상면이 역 페이즈 마스크 (도 32의 좌측 두 번째)에 통과 되므로, 역 페이즈 마스크의 페이즈 패턴 정보가 그대로 복호화된 등위상면이 되어 도 32의 좌측 세 번째의 복호화된 등위상면의 형태를 가진다. 즉, 동일한 페이즈를 가지는 평면 파에 대해서 초점에 광학 포커싱을 수행하는 Fresnel Zone Plate에 역 페이즈 마스크로 설계된 페이즈 패턴을 가지는 등위상면이 입사됨으로써, 포커싱 기능이 상실되고, 초점 면에서 상쇄 간섭으로 인해 방사 조도가 분산된다. 전술한 복호화된 등위상면이 Fresnel Zone Plate와 같은 페이즈 특성 기반 광학 포커싱 필터를 통과하면, 도 33에 도시된 것과 같은 O-to-E 장치 (예를 들면, 포토다이오드)에 입사되는 포커스된 빔의 방사 조도 특성이 나타낸다.
구체적으로, 역 페이즈 마스크의 페이즈 패턴 형태의 복호화된 등위상면이 Fresnel Zone Plate와 같은 페이즈 특성 기반 광학 포커싱 필터를 통과하면, 초점 면 전반에서 상쇄 간섭에 의해 방사 조도가 약화된다. 따라서, 주광과 같은 암호화 되지 않은 임의의 간섭 신호에 수신단에서 역 페이즈 마스크를 사용하여, 원하지 않는 간섭을 Fresnel Zone Plate를 통해 초점 면에서 최소화 할 수 있다. 이 때에도, 원하는 광학 빔은 송수신단 사이에 페이즈 마스크가 매칭되므로, 초점에서 원하는 정보를 최대화 할 수 있다. 즉, 간섭과 원하는 신호가 함께 수신될 때, 원하는 신호와 간섭 신호에 대한 SIR (signal to interference ratio)을 극대화 할 수 있다. 도 33에 도시된 실험 데이터로부터 얻어진 방사 조도를 기준으로 할 때, 원하는 신호의 피크 (Peak) 크기와 간섭 신호의 피크 크기의 차이는 약 500배 가량의 차이를 나타낸다.
3. OAM 송수신 장치를 사용하는 시스템에서의 등위상면 암호화 기반의 간섭 완화
전술한 1절 내지 2절의 개시들은 송신단에서 송신하는 광학 빔에 OAM이 적용된 경우에도 동일하게 동작할 수 있다.
본 개시에서는 송수신단 사이의 사전 약속에 의해 송신단에서는 OAM Generator를 통한 OAM 빔을 생성하는 것, 페이즈 마스크를 통한 등위상면 암호화를 수행하는 것, 수신단에서는 송신단에서 적용된 페이즈 마스크의 역 페이즈 마스크를 통한 등위상면 복호화를 수행하는 것, 페이즈 특성을 이용하는 광학 필터를 통해 광학 포커싱을 수행함으로써 간섭을 완화하는 것을 포함하는 시스템이 제안된다.
도 34는 OAM 송수신 장치를 사용하는 시스템에서의 등위상면 암호화 기반의 간섭 완화 시스템의 송수신단 구조를 나타낸다. 전술한 2절에서의 개시와 같이, 송신단은 무선광 통신을 위한 데이터를 광학 자원으로 변환하고, 변환된 광학 자원 (예를 들면, 광학 빔)이 Photon OAM Beam Generator를 통해 OAM 빔으로 변환되며, 페이즈 마스크를 통과함으로써, OAM 특성을 지니는 나선형 등위상면 (Helical wavefront)에 페이즈 마스크의 페이즈 패턴이 적용된다. 특정 패턴으로 구성된 페이즈 마스크를 통과한 원하는 광학 빔은 암호화된 등위상면의 형태를 가진다. 예를 들어, 송신단에서는 도 35에 도시된 것과 같이 광학 빔의 페이즈 특성이 변환될 수 있다.
도 35에서, 회색은 Phase = 0, 검은색은 Phase = π, 흰색은 Phase = -π라고 하자. 송신단의 E-to-O 장치와 OAM Generator를 통한 광학 빔의 등위상면의 페이즈가 OAM order에 따라 변화하는 나선 파 (Helical Wave), 예를 들면 Laguerre-Gaussian (LG) 빔이라고 할 때, 등위상면의 페이즈를 (x, y) 2차원 평면에 도식화 하면, 도 35림의 좌측의 형태와 같다. 상기 광학 빔이 특정 패턴으로 구성된 페이즈 마스크 (도 35의 가운데)를 통과하면, 원하는 광학 빔은 도 35의 우측의 암호화된 등위상면의 형태를 가진다. 즉, 등위상면 평면이 OAM order에 따라 변화하는 나선 파에서 특정 패턴과 결합된 형태의 등위상면이 된다.
또한, 전술한 2절의 개시와 같이 수신단은 암호화된 광학 빔을 수신하고, 송신단에서 암호화를 위해 사용한 페이즈 패턴을 보상하기 위한 역 페잊ㅡ 마스크를 통과함으로써, 암호화된 등위상면을 본래의 나선 파로 변환한다. 본래의 나선 파로 변환된 암호화된 등위상면은 페이즈 특성을 이용하는 광학 필터 (예를 들면, Fresnel Zone Plate, Photon Sieve 등)를 통해 광학 포커싱을 수행한다. 예를 들어, 수신단에서는 도 36에 도시된 것과 같이 광학 빔의 페이즈 특성이 변환될 수 있다.
도 36에서, 회색은 Phase = 0, 검은색은 Phase = π, 흰색은 Phase = -π라고 하자. 단, 도 36에서 Fresnel Zone Plate의 경우, 페이즈와 상관없이 검은색은 물리적으로 막힌 공간 (즉, 광학 자원의 통과가 불가능한), 흰색은 물리적으로 열린 공간 (즉, 광학 자원의 통과가 가능한)을 의미한다. 수신단에서 수신된 암호화된 등위상면의 페이즈를 (x, y) 2차원 평면에 도식화 하면, 도 36에서 좌측 첫 번째에 나타난 것과 같을 수 있다. 상기 암호화된 광학 빔이 송신단에서 사용된 특정 패턴의 페이즈 마스크에 대응되는 역 페이즈 마스크 (즉, 도 36의 좌측 두 번째)를 통과하면, 암호화된 광학 빔은 도 36의 좌측 세 번째의 복호화된 등위상면의 형태를 가진다. 즉, 등위상면 평면이 특정 패턴으로 구성된 등위상면에서 페이즈가 OAM order에 따라 변화하는 나선 파가 된다. 상기 나선 파 형태의 복호화된 등위상면이 Fresnel Zone Plate와 같은 페이즈 특성 기반 광학 포커싱 필터를 통과하면, 도 37에 도시된 것과 같은 O-to-E 장치 (예를 들면, 포토다이오드)에 입사되는 포커스된 빔의 방사 조도 특성이 나타낸다.
도 37에서, 좌측 도면은 (x, y) 2차원 평면으로 표현한 포커스된 빔을 나타낸다. 흰색은 가장 강한 방사 조도를 가지는 광학 빔의 영역이고, 검은색은 가장 약한 방사 조도를 가지는 광학 빔의 영역이다. 방사 조도의 세기를 z axis로 표현하면 도 37의 가운데 도면과 같이 3차원 방사 조도 (3-Dimensional Irradiance)로 표현할 수 있다. 그 세기를 측정한 예시는 도 37의 우측 도면과 같다. 즉, 나선 파 형태의 복호화된 등위상면이 Fresnel Zone Plate와 같은 페이즈 특성 기반의 광학 포커싱 필터를 통과하면, 초점에서 보강 간섭에 의해 방사 조도가 강화되고, 초점에서 멀어질수록 상쇄 간섭에 의해 방사 조도가 약화된다. 따라서, 송신단에서 사용한 페이즈 마스크를 수신단에서 역 페이즈 마스크를 통해 정확하게 보상하면, Fresnel Zone Plate를 통해 초점에서 광학 빔을 최적으로 모을 수 있다.
한편, 전술한 2절에서의 개시와 같은 방법으로, 주변 간섭 (즉, 다른 광학 자원들로부터의 간섭)의 경우, 송신단에서 사용된 특정 패턴의 페이즈 마스크에 대응되지 않은 역 페이즈 마스크 (도 38의 좌측 두 번째)에 주변 간섭으로부터의 암호화된 광학 빔이 통과 되므로, 페이즈 패턴 정보가 매칭되지 않으므로, 복호화된 광학 빔은 랜덤한 페이즈를 가지는 등위상면의 형태를 가진다.
다시 말해, OAM order에 따라서 변화하는 나선 파에 대해서 초점에 광학 포커싱을 수행하는 Fresnel Zone Plate에 랜덤한 페이즈를 가지는 등위상면이 입사됨으로써, 포커싱 기능이 상실되고, 초점 면에서 상쇄 간섭으로 인해 방사 조도가 분산된다. 상기 랜덤한 페이즈 형태의 복호화된 등위상면이 Fresnel Zone Plate와 같은 페이즈 특성 기반 광학 포커싱 필터를 통과하면, 도 39에 도시된 것과 같은 O-to-E 장치 (예를 들면, 포토다이오드)에 입사되는 포커스된 빔의 방사 조도 특성이 나타낸다.
따라서, 송신단에서 사용한 페이즈 마스크와 수신단에서 역 페이즈 마스크를 다르게 사용하여, 원하지 않는 간섭을 Fresnel Zone Plate를 통해 초점 면에서 최소화 할 수 있다. 이 때에도, 원하는 광학 빔은 송수신단 사이에 페이즈 마스크가 매칭되므로, 초점에서 원하는 정보를 최대화 할 수 있다. 즉, 간섭과 원하는 OAM 신호가 함께 수신될 때, 원하는 OAM 신호와 간섭 신호에 대한 SIR (signal to interference ratio)을 극대화 할 수 있다. 도 39에 도시된 실험 데이터로부터 얻어진 방사 조도를 기준으로 할 때, 원하는 OAM 신호의 피크 (Peak) 크기와 간섭 신호의 피크 크기의 차이는 약 20배 가량의 차이를 나타낸다.
4. 송신단과 수신단 사이의 페이즈 마스크 정보 약속 - 송신단의 제어 기반
4.1. 레거시 링크 기반의 Tx-Rx Initial Access
송신단과 수신단은 레거시 링크 (예를 들면, LTE, LTE-A, NR, WiFi, Bluetooth 등)를 통해, 무선 광 통신을 위한 초기 정보를 공유한다. 무선 광 통신을 위한 초기정보에는 암호화를 위한 페이즈 마스크 정보와 암호화 주기 (Encryption Period) 정보가 포함될 수 있다.
4.2. 브로드캐스트 메시지 (Broadcast Message) 기반의 Tx-Rx Initial Access
송신단과 수신단은 브로드캐스트 메시지 (예를 들면, LTE/LTE-A의 PBCH 또는 Common Control Channel)와 같은, 사전에 약속된 브로드캐스트 메시지를 광학 자원을 통해 브로드캐스트 하여 무선 광 통신을 위한 초기 정보를 공유한다. 무선 광 통신을 위한 초기정보에는 암호화를 위한 페이즈 마스크 정보와 암호화 주기 정보가 포함될 수 있다.
4.3. 암호화를 위한 페이즈 마스크 정보
4.3.1. 도 40을 참조하면, 페이즈 마스크의 페이즈 패턴 정보가 룩-업 테이블 (Look-up Table)로 사전에 공유된 경우, 송신단은 수신단에게 페이즈 패턴에 대한 인덱스 정보만을 전달할 수 있다.
4.3.2. 도 41을 참조하면, 페이즈 마스크의 페이즈 패턴 정보가 룩-업 테이블로 사전에 공유되지 않은 경우, 송신단은 수신단에게 룩-업 테이블 정보와 페이즈 패턴에 대한 인덱스 정보를 전달할 수 있다.
4.3.3. 도 42를 참조하면, 페이즈 마스크의 페이즈 패턴 정보가 룩-업 테이블로 사전에 공유되지 않은 경우, 송신단은 수신단에게 페이즈 패턴에 대한 전체 정보를 전달할 수 있다.
4.3.4. 페이즈 마스크의 정보는 사전에 약속된 페이즈 값들로 이루어진 Vector 또는 Matrix일 수 있다. 페이즈 마스크, 예를 들면, 다음과 같을 수 있다.
4.3.4.1. P1 = [0 π 0 π π 0 0 π; π 0 0 π π 0 0 π; ...; 0 π π 0 π 0 π 0], P2 = ...
4.3.4.2. P1 = [0 π/2 0 3π/2 -π/2 0 0 -π; -π/2 0 0 3π/2 -3π/2 0 0 π; ...; 0 π/2 π 0 3π/2 0 -π 0], P2 = ...
4.3.4.3. 한편, 사전에 약속된 페이즈 값들로 이루어진 Vector 또는 Matrix의 각 계수 (coefficient)들의 분포는 uniform distribution (또는 Gaussian, Poisson distribution)일 수 있다.
4.3.5. 페이즈 마스크 룩-업 테이블은 다음과 같은 형태의 페이즈 마스크들로 구성될 수 있다.
4.3.5.1. 다양한 물리적 크기의 페이즈 마스크
4.3.5.1.1. 통과되는 빔의 전체 면적에 대한 암호화 또는 일부 면적에 대한 암호화를 수행하기 위해, 페이즈 마스크의 물리적 크기가 다를 수 있다.
4.3.5.1.2. 송신기에서 적용한 페이즈 마스크의 크기가 수신기에서 빔 분산 (Beam Divergence)에 의해 확장되는 것을 고려하여, 송신기에서는 일부 면적에만 암호화를 수행하도록 페이즈 마스크를 적용할 수 있다.
4.3.5.1.3. 전술한 방식은 일부 면적에서만 페이즈 변화를 가하고, 일부 면적에서는 페이즈 변화를 없게함으로써, 동일한 효과를 얻을 수 있다. 예를 들어, P1 = [0 0 0 0; 0 π -π 0; 0 -π π 0; 0 0 0 0]를 전체 영역에 적용하는 것과, P2 = [π -π; -π π]를 빔의 중심 일부 영역에만 적용하는 것이 동일한 효과를 가질 수 있다.
4.4. 암호화 주기 정보
4.4.1. Symbol/Slot/Subframe/Frame 등 통신 시스템에서 정하는 단위에 따라 암호화를 위한 페이즈 마스크가 유지되는 시간, 즉 암호화 주기가 사전에 송신단과 수신단 사이에 약속될 수 있다.
4.4.2. 수 millisecond, 수 second, 수 minute 등 사전에 약속한 시간 단위에 따라 암호화를 위한 페이즈 마스크가 유지되는 시간, 즉 암호화 주기가 사전에 송신단과 수신단 사이에 약속될 수 있다.
4.4.3. 전술한 암호화 주기 정보는 동적으로 제어될 수 있다.
한편, 상기 정보는 초기 접속 단계에서 수행될 수도 있고, 연결 (Connection) 단계 또는 간헐적 연결 단계 등을 포함하는 통신 도중에 갱신될 수 있다. 또한, 전술한 4절에서의 개시는 송신단과 수신단의 거리가 멀지 않거나, 빔의 크기가 유지될 수 있는 환경에서, 또는 수신단이 전체 빔의 표면을 모두 수신할 수 있는 환경에서 적합할 수 있다.
5. 송신단과 수신단 사이의 페이즈 마스크 정보 약속 - 수신단의 측정 및 피드백 기반
무선 광은 광학 자원 (optical/photon source)의 특성에 따라, 빔 분산 (Beam Divergence)를 갖는다. 따라서, 송수신단 사이의 거리에 따라, 수신단에서 수신되는 빔의 크기가 다를 수 있다. 이를 고려한 등위상면 암호화 방법이 필요하다.
5.1. 빔 분산 (beam divergence)의 측정 후, 수신단의 피드백을 기반으로 암호화를 적용하는 방법
5.1.1. 송신단은 1절에서 전술한 바와 같이, 약속된 방법으로 원하는 광학 빔 (TEM00 또는 TEMpl)으로 데이터를 전송한다.
5.1.1.1. 이 때, 송신단은 원하는 빔의 전송에 있어서, 수신단과 약속한 방법으로 주기적 참조 신호 (Reference Signal)를 전송한다.
5.1.1.2. 참조 신호의 송신 시, 송신단은 페이즈 마스크가 파면 전체에서 동일 페이즈 상태인 채로 송신하여, 온전한 참조 신호만을 송신한다.
5.1.2. 수신단은 1절에서 전술한 바와 같이, 약속된 방법으로 원하는 광학 빔 (TEM00 또는 TEMpl)을 광학 필터를 통과하여 데이터를 수신한다.
5.1.2.1. 이 때, 참조 신호의 수신 시, 수신단은 역 페이즈 마스크가 파면 전체에서 동일 페이즈 상태인 채로 수신하여, 채널의 영향만 있는 온전한 참조 신호를 수신한다.
5.1.2.2. 수신단은 참조 신호를 기반으로, 원하는 빔에 대한 포토다이오드 어레이 영역을 측정하여, 빔 반경 (Beam Radius)을 측정한다.
5.1.2.2.1. 수신단은 원하는 빔에 해당하는 포토다이오드 중에서, 평균 강도 (Intensity)를 기준으로 임계 값 (Threshold) 내의 포토다이오드들을 원하는 포토다이오드 (Desired Photodiode)로 판단한다.
5.1.2.2.1.1. 예를 들면, 다음과 같은 조건에 따라 원하는 포토다이오드가 판단될 수 있다.
Figure PCTKR2019014832-appb-img-000010
5.1.2.2.1.2. D = Desired Beam Zone에 해당하는 Photodiode의 Set
5.1.2.2.1.3. |D| = Desired Beam Zone에 해당하는 Photodiode의 수
5.1.2.2.1.4. threshol I = predefined 또는 적응적으로 설정된 Intensity threshold
5.1.2.3. 수신단은 판단된 원하는 포토다이오드들로부터 빔 반경 (Rd)를 측정한다.
5.1.2.3.1. 도 43을 참조하면, 원하는 포토다이오드는 포토다이오드 어레이의 중심 (x0, y0)에 분포하지 않을 수도 있으며, 수신단은 측정되는 패턴을 기준으로 Rd을 유추할 수 있다.
5.1.3. 수신단은 측정된 빔 반경 정보를 송신단에 피드백한다.
5.1.3.1. 수신단은 피드백 채널 (예를 들면, LTE/LTE-A/NR의 PUCCH 또는 PUSCH)을 통해 수신되는 빔 반경 정보를 송신단에 피드백한다.
5.1.3.2. 피드백 정보는 원하는 빔의 반경 정보 Rd와 기준 좌표 (xn, yn) 및/또는 간섭 빔 (Interference Beam)의 반경 정보 Ri와 기준 좌표 (xm, ym)일 수 있다.
5.1.3.3. 피드백 정보는 데이터의 형태로 송신되거나, 양자화 된 (Quantized) 정보로 송신되거나, 사전에 정의된 룩-업 테이블에 의해 인덱스 정보가 송신될 수 있다.
5.1.4. 송신단은 피드백 받은 빔 반경 정보를 기반으로 OAM Mode Selection과 Phase Mask Selection을 수행할 수 있다.
5.1.4.1. OAM이 적용되지 않는 시스템에서는 OAM Mode Selection은 생략될 수 있다.
5.1.5. 송신단은 선택된 OAM Mode Index를 기반으로 광학 빔 (TEM00 또는 TEMpl)을 생성하고, 페이즈 마스크를 통과시켜 수신단에 전송한다.
5.1.5.1. OAM이 적용되지 않는 시스템에서는 TEM00 (또는 일반 광학 빔)이 생성된다.
5.1.6. 수신단은 전술한 1절 내지 2절에서 약속된 방법으로 암호화된 원하는 광학 빔 (TEM00 또는 TEMpl)을 역 페이즈 마스크와 광학 필터를 통과시킴으로써 O-to-E 장치에서 수신한다.
5.1.7. 전술한 동작은 시스템에서 사전에 정의하거나, 송신단에 의해 설정되는 특정 주기에 의해 주기적으로 수행될 수 있다.
5.1.8. 전술한 동작은 송신단 또는 수신단에서의 복호 성능 (예를 들면, Packet Drop Rate 또는 Block Error Rate 등)을 고려하여 비주기적으로 또는 동적으로 수행될 수 있다.
5.1.8.1. 복호 성능의 기준 값은 사전에 정의되거나 적응적으로 선택될 수 있다.
5.2. 암호화가 적용된 상태에서 수신단이 빔 분산을 측정하여 피드백 하는 방법
5.2.1. 송신단은 3절에서 약속된 방법으로 페이즈 마스크를 사용하여, 원하는 광학 빔 (TEM00 또는 TEMpl)을 암호화하여 데이터를 전송한다.
5.2.1.1. 이 때, 송신단은 원하는 빔의 전송에 있어서, 수신단과 약속한 방식으로 주기적 참조 신호를 전송한다.
5.2.1.2. 참조 신호의 송신 시, 송신단은 페이즈 마스크를 통과한 신호, 즉 암호화된 참조 신호를 송신한다.
5.2.2. 수신단은 3절에서 약속된 방법으로 역 페이즈 마스크를 사용하여, 암호화된 원하는 광학 빔 (TEM00 또는 TEMpl)을 복호화 하고, 광학 필터를 통과하여 데이터를 수신한다.
5.2.2.1. 이 때, 참조 신호의 수신 시, 수신단은 역 페이즈 마스크를 통과한 채로 수신하여, 채널의 영향이 남아있는 복호화된 참조 신호를 수신한다.
5.2.2.1.1. 채널의 영향은 적응 제어 광학 (Adaptive Optics) 또는 이전 데이터 수신에서 저장된 채널 정보를 기반으로 보상될 수 있다.
5.2.2.2. 수신단은 참조 신호를 기반으로, 원하는 빔 에 대한 포토다이오드 어레이 영역을 측정하여, 빔 반경을 측정한다.
5.2.2.2.1. 빔 분산에 대한 정확한 정보가 없으므로, 수신단은 페이즈 마스크를 스케일링 (Scaling)하여 반복적으로 가장 적합한 스케일링 요소 (Scaling Factor)를 획득한다. 예를 들어, 도 44에 도시된 것과 같이, 수신단은 약속된 페이즈 마스크의 전체 면적 또는 일부 면적을 가장 작은 스케일링 단위부터 가장 큰 스케일링 단위까지 바꾸어가면서, 역 페이즈 마스크를 적용한다.
5.2.2.2.1.1. 이 때, 전술한 반복적인 동작은 빔 스플리터 (beam splitter)를 통해 하나의 신호에 대해 동시에 에너지를 분할함으로써 수행될 수 있다.
5.2.2.2.2. 반복적으로 스케일링 단위를 바꾸어 적용된 역 페이즈 마스크를 통과한 빔을 광학 필터에 적용시켰을 때, 수신단은 초점에서 가장 큰 피크 에너지 (Peak Energy)를 갖거나, 초점 면 전체에서 가장 큰 에너지를 가지는 스케일링 요소를 선택한다.
5.2.2.2.3. 선택된 스케일링 요소를 기준으로, 수신단은 빔 반경 및 송신단과 수신단 사이의 거리를 측정한다.
5.2.2.3. 한편, 5.2.2.2에서 전술한 방법으로 역 페이즈 마스크의 스케일링 요소를 얻은 경우, 후술할 5.2.3의 절차를 수행하지 않고 (즉, 피드백 없이), 수신단은 얻어진 스케일링 요소를 적용하여 역 페이즈 마스크를 설정하고, 데이터를 수신할 수 있다.
5.2.3. 수신단은 측정된 빔 반경 정보 또는 거리 정보를 송신단에 피드백 한다.
5.2.3.1. 수신단은 피드백 채널 (예를 들면, LTE/LTE-A/NR의 PUCCH 또는 PUSCH)을 통해 송신단에 수신되는 빔 반경 정보를 피드백 한다.
5.2.3.2. 피드백 정보는 원하는 빔의 반경 정보 Rd와 기준 좌표 (xn, yn) 또는/그리고 간섭 빔의 반경 정보 Ri와 기준 좌표 (xm, ym)일 수 있다.
5.2.3.3. 피드백 정보는 데이터의 형태로 송신되거나, 양자화 된 (Quantized) 정보로 송신되거나, 사전에 정의된 룩-업 테이블에 의해 인덱스 정보가 송신될 수 있다.
5.2.4. 송신단은 피드백 받은 빔 반경 정보를 기반으로 OAM Mode Selection과 Phase Mask Selection을 수행할 수 있다.
5.2.4.1. OAM이 적용되지 않는 시스템에서는 OAM Mode Selection은 생략될 수 있다.
5.2.5. 송신단은 선택된 OAM Mode Index를 기반으로 광학 빔 (TEM00 또는 TEMpl)을 생성하고, 페이즈 마스크를 통과시켜 수신단에 전송한다.
5.2.5.1. OAM이 적용되지 않는 시스템에서는 TEM00 (또는 일반 광학 빔)이 생성된다.
5.2.6. 수신단은 1절 내지 2절에서 약속된 방법으로 암호화된 원하는 광학 빔(TEM00 or TEMpl)를 역 페이즈 마스크와 광학 필터를 통과시킴으로써 O-to-E 장치에서 수신한다.
5.2.7. 전술한 동작은 시스템에서 사전에 정의하거나, 송신단에 의해 설정되는 특정 주기에 의해 주기적으로 수행될 수 있다.
5.2.8. 전술한 동작은 송신단 또는 수신단에서의 복호 성능 (예를 들면, Packet Drop Rate 또는 Block Error Rate 등)을 고려하여 비주기적으로 또는 동적으로 수행될 수 있다.
5.2.9. 복호 성능의 기준 값은 사전에 정의되거나 적응적으로 선택될 수 있다.
한편, 전술한 5.1절과 5.2절의 절차를 수행하는 송신단 및 수신단의 구조와 그 동작은 도 45에 도시된 것과 같다.
5.3. 센싱 기반의 거리 측정을 통한 페이즈 마스크 선택 (Phase Mask Selection)
5.3.1. 송신단은 전술한 3절에서 약속된 방법으로 페이즈 마스크를 사용하여, 원하는 광학 빔 (TEM00 또는 TEMpl)을 암호화 하여 데이터를 전송한다.
5.3.1.1. 이 때, 송신단은 원하는 빔의 전송에 있어서, 수신단과 약속한 방법으로 주기적인 참조 신호를 전송할 수 있다.
5.3.2. 송신단은 거리 측정 센서 (Distance Measurement Sensor), 예를 들면 RADAR (RAdio Detection And Ranging), LiDAR (Light Detection and Ranging)를 기반으로 목표하는 수신단 (target Rx)까지의 거리를 측정할 수 있다.
5.3.3. 송신단은 측정된 거리 정보를 기반으로 OAM Mode Selection과 Phase Mask Selection을 수행할 수 있다.
5.3.3.1. OAM이 적용되지 않는 시스템에서는 OAM Mode Selection은 생략될 수 있다.
5.3.4. 송신단은 선택된 OAM Mode Index를 기반으로 광학 빔 (TEM00 또는 TEMpl)을 생성하고, 페이즈 마스크를 통과시켜 수신단에 전송할 수 있다.
5.3.4.1. OAM이 적용되지 않는 시스템에서는 TEM00 (또는 일반 광학 빔)이 생성될 수 있다.
5.3.5. 수신단은 전술한 1절 내지 2절에서 약속된 방법으로 암호화된 원하는 광학 빔 (TEM00 또는 TEMpl)를 역 페이즈 마스크와 광학 필터를 통과시킴으로써 O-to-E 장치에서 수신할 수 있다.
5.3.6. 전술한 동작은 시스템에서 사전에 정의하거나, 송신단에 의해 설정되는 특정 주기에 의해 주기적으로 수행될 수 있다.
5.3.7. 전술한 동작은 송신단 또는 수신단에서의 복호 성능 (예를 들면, Packet Drop Rate 또는 Block Error Rate 등)을 고려하여 비주기적으로 또는 동적으로 수행될 수 있다.
5.3.8. 복호 성능의 기준 값은 사전에 정의되거나 적응적으로 선택될 수 있다.
한편, 전술한 5.3의 절차를 수행하는 송신단 및 수신단 구조와 그 동작은 도 46에 도시된 것과 같다.
5.4. 피드백과 센싱 기반의 거리 측정을 통한 페이즈 마스크 선택
5.4.1. 전술한 5.1절 내지 5.3절의 개시를 기반으로, 본 개시에 따른 송신단 및 수신단은 도 47에 도시된 것과 같이 피드백 정보와 센싱 정보를 결합하여 최적의 OAM Mode index와 Phase Mask index를 적응적으로 선택하고 정보 전송에 활용할 수 있다. 한편, OAM이 적용되지 않는 시스템에서는 OAM Mode Selection은 생략될 수 있다. 5.4절에 개시된 절차를 수행하는 송신단 및 수신단의 구조와 그 동작은 도 47에 도시된 것과 같다. 도 47에 도시된 본 개시에 따른 방법은 송신단과 수신단의 거리가 멀어 빔의 크기가 확산되는 환경, 또는 수신단이 전체 빔의 표면을 모두 수신할 수 없는 환경에 적합할 수 있다.
본 개시에 따른 무선 광 통신에서 송신 단말이 신호를 전송하는 방법은 광 신호의 등위상면 (wavefront)에 페이즈 패턴 (phase pattern)을 적용하는 것, 상기 광 신호를 전송하는 것을 포함할 수 있다. 또한, 상기 페이즈 패턴은 상기 송신 단말에 구비되는 페이즈 마스크 (phase mask)의 광학적 위상 변환 특성을 기반으로 결정될 수 있다.
한편, 상기 페이즈 패턴은 상기 송신 단말과 수신 단말 사이에 사전에 약속된 값들로 구성된 벡터일 수 있다.
한편, 상기 페이즈 마스크는 적어도 하나의 페이즈 쉬프터 (phase shifter)로 구성될 수 있다.
한편, 상기 광 신호는 궤도 각 운동량 (Orbital Angular Momentum) 모드가 적용된 것일 수 있다.
한편, 상기 신호를 전송하는 방법은 수신 단말과 상기 무선 광 통신을 위한 링크를 수립을 위한 초기 정보를 공유하는 것을 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 초기 정보는 i) 상기 페이즈 패턴에 대한 정보 및 ii) 상기 페이즈 패턴이 유지되는 시간인 암호화 주기 (encryption period)에 대한 정보를 포함할 수 있다.
한편, 상기 페이즈 패턴은 수신 단말의 빔 분산 (beam divergence) 측정에 관한 피드백을 기반으로 결정될 수 있다.
본 개시에 따른 무선 광 통신에서 수신 단말이 신호를 수신하는 방법은 송신 단말로부터 페이즈 패턴 (phase pattern)이 적용된 등위상면 (wavefront)을 갖는 광 신호를 수신하는 것, 역 페이즈 마스크 (inverse phase mask)를 통해 상기 광 신호에 적용된 상기 페이즈 패턴을 보상하는 것을 포함할 수 있다. 또한, 상기 페이즈 패턴은 상기 송신 단말과 수신 단말 사이에 사전에 약속된 값들로 구성된 벡터일 수 있다.
한편, 상기 신호를 수신하는 방법은 상기 페이즈 패턴이 보상된 광 신호에 대해 광학 필터 (optical filter)를 통해 광학 포커싱 (optical focusing)을 수행하는 것을 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 광 신호는 궤도 각 운동량 (Orbital Angular Momentum) 모드가 적용된 것일 수 있다.
한편, 상기 신호를 수신하는 방법은 상기 광 신호의 빔 분산 (beam divergence)에 대한 피드백을 상기 송신 단말에 전송하는 것을 더 포함할 수 있다.
이상에서 설명된 실시예들은 본 개시의 구성요소들과 특징들이 소정 형태로 결합된 것들이다. 각 구성요소 또는 특징은 별도의 명시적 언급이 없는 한 선택적인 것으로 고려되어야 한다. 각 구성요소 또는 특징은 다른 구성요소나 특징과 결합되지 않은 형태로 실시될 수 있다. 또한, 일부 구성요소들 및/또는 특징들을 결합하여 본 개시의 실시예를 구성하는 것도 가능하다. 본 개시의 실시예들에서 설명되는 동작들의 순서는 변경될 수 있다. 어느 실시예의 일부 구성이나 특징은 다른 실시예에 포함될 수 있고, 또는 다른 실시예의 대응하는 구성 또는 특징과 교체될 수 있다. 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함시킬 수 있음은 자명하다.
본 개시는 본 개시의 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 개시의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 개시의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 개시의 범위에 포함된다.
본 개시의 실시를 위한 다양한 형태가 상기 발명의 실시를 위한 최선의 형태에서 설명되었다.
상기 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 개시의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 개시의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 개시의 범위에 포함된다.
본 발명은 3GPP LTE/LTE-A, 5G 시스템 등 다양한 무선통신 시스템에서 산업상으로 적용이 가능하다.

Claims (20)

  1. 무선 광 통신에서 송신 단말이 신호를 전송하는 방법에 있어서,
    광 신호의 등위상면 (wavefront)에 페이즈 패턴 (phase pattern)을 적용하는 것; 및
    상기 광 신호를 전송하는 것;을 포함하고,
    상기 페이즈 패턴은 상기 송신 단말에 구비되는 페이즈 마스크 (phase mask)의 광학적 위상 변환 특성을 기반으로 결정되는, 신호를 전송하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 페이즈 패턴은 상기 송신 단말과 수신 단말 사이에 사전에 약속된 값들로 구성된 벡터인, 신호를 전송하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 페이즈 마스크는 적어도 하나의 페이즈 쉬프터 (phase shifter)로 구성되는, 신호를 전송하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 신호는 궤도 각 운동량 (Orbital Angular Momentum) 모드가 적용된 것인, 신호를 전송하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    수신 단말과 상기 무선 광 통신을 위한 링크를 수립을 위한 초기 정보를 공유하는 것;을 포함하고,
    상기 초기 정보는 i) 상기 페이즈 패턴에 대한 정보 및 ii) 상기 페이즈 패턴이 유지되는 시간인 암호화 주기 (encryption period)에 대한 정보를 포함하는, 신호를 전송하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 페이즈 패턴은 수신 단말의 빔 분산 (beam divergence) 측정에 관한 피드백을 기반으로 결정되는, 신호를 전송하는 방법.
  7. 무선 광 통신에서 수신 단말이 신호를 수신하는 방법에 있어서,
    송신 단말로부터 페이즈 패턴 (phase pattern)이 적용된 등위상면 (wavefront)을 갖는 광 신호를 수신하는 것;
    역 페이즈 마스크 (inverse phase mask)를 통해 상기 광 신호에 적용된 상기 페이즈 패턴을 보상하는 것;을 포함하고,
    상기 페이즈 패턴은 상기 송신 단말과 수신 단말 사이에 사전에 약속된 값들로 구성된 벡터인, 신호를 수신하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 페이즈 패턴이 보상된 광 신호에 대해 광학 필터 (optical filter)를 통해 광학 포커싱 (optical focusing)을 수행하는 것;을 더 포함하는, 신호를 수신하는 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 광 신호는 궤도 각 운동량 (Orbital Angular Momentum) 모드가 적용된 것인, 신호를 수신하는 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 광 신호의 빔 분산 (beam divergence)에 대한 피드백을 상기 송신 단말에 전송하는 것;을 더 포함하는 신호를 수신하는 방법.
  11. 무선 광 통신에서 신호를 전송하는 송신 단말에 있어서,
    송수신기 (transceiver);
    페이즈 마스크 (phase mask); 및
    상기 송수신기 및 상기 페이즈 마스크에 연결되는 프로세서를 포함하고,
    상기 프로세서는,
    상기 페이즈 마스크를 통해 광 신호의 등위상면 (wavefront)에 페이즈 패턴 (phase pattern)을 적용하고,
    상기 송수신기를 통해 상기 광 신호를 전송하는 것을 포함하고,
    상기 페이즈 패턴은 상기 페이즈 마스크 (phase mask)의 광학적 위상 변환 특성을 기반으로 결정되는, 송신 단말.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 페이즈 패턴은 상기 송신 단말과 수신 단말 사이에 사전에 약속된 값들로 구성된 벡터인, 송신 단말.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 페이즈 마스크는 적어도 하나의 페이즈 쉬프터 (phase shifter)로 구성되는, 송신 단말.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 광 신호는 궤도 각 운동량 (Orbital Angular Momentum) 모드가 적용된 것인, 송신 단말.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 송수긴기를 통해 수신 단말과 상기 무선 광 통신을 위한 링크를 수립을 위한 초기 정보를 공유하고,
    상기 초기 정보는 i) 상기 페이즈 패턴에 대한 정보 및 ii) 상기 페이즈 패턴이 유지되는 시간인 암호화 주기 (encryption period)에 대한 정보를 포함하는, 송신 단말.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    수신 단말의 빔 분산 (beam divergence) 측정에 관한 피드백을 기반으로 상기 페이즈 패턴을 결정하는, 송신 단말.
  17. 무선 광 통신에서 신호를 수신하는 수신 단말에 있어서,
    송수신기 (transceiver);
    역 페이즈 마스크 (inverse phase mask); 및
    상기 송수신기 및 상기 역 페이즈 마스크에 연결되는 프로세서를 포함하고,
    상기 프로세서는,
    상기 송수신기를 통해 송신 단말로부터 페이즈 패턴 (phase pattern)이 적용된 등위상면 (wavefront)을 갖는 광 신호를 수신하고,
    상기 역 페이즈 마스크를 통해 상기 광 신호에 적용된 상기 페이즈 패턴을 보상하는 것을 포함하고,
    상기 페이즈 패턴은 상기 송신 단말과 수신 단말 사이에 사전에 약속된 값들로 구성된 벡터인, 수신 단말.
  18. 제 17 항에 있어서,
    광학 필터 (optical filter)를 더 포함하고,
    상기 프로세서는 상기 광학 필터를 통해 상기 페이즈 패턴이 보상된 광 신호에 대해 광학 포커싱 (optical focusing)을 수행하는, 수신 단말.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 광 신호는 궤도 각 운동량 (Orbital Angular Momentum) 모드가 적용된 것인, 수신 단말.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 송수신기를 통해 상기 광 신호의 빔 분산 (beam divergence)에 대한 피드백을 상기 송신 단말에 전송하는, 수신 단말.
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