WO2022014737A1 - 무선 광 통신 시스템에서 신호를 송수신하는 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 무선 통신 시스템에서 신호를 송수신하는 방법 및 장치는, 목적 신호 및 간섭 신호를 포함하는 광 신호를 수신하고, 상기 간섭 신호를 감소시키며, 상기 간섭 신호가 감소된 상기 광 신호를 포토다이오드 어레이를 통해 전기적 신호로 변환하는 것을 포함하고, 상기 트랜시버는, 상기 광 신호가 입사되는 제1 광학 필터 및 상기 제1 광학 필터를 통과한 광 신호가 입사되는 제2 광학 필터를 포함하고, 상기 간섭 신호는, 상기 제1 광학 필터 및 상기 제2 광학 필터를 통해 감소될 수 있다.

Description

무선 광 통신 시스템에서 신호를 송수신하는 방법 및 장치

본 발명은 무선 광 통신 시스템에서 신호를 송수신하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 궤도 각 운동량 (Orbital Angular Momentum, OAM) 단계를 적응적으로 조절하는 것을 포함하는 신호의 송수신 방법에 관한 것이다.

무선 광 통신 (optical wireless communication; OWC) 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. 가시광뿐만 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.

본 개시에서 이루고자 하는 기술적 과제는 전술한 문제를 해결하기 위해 제공할 수 있는 무선 광 통신의 송수신 방법 및 장치를 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 발명은 무선 통신 시스템에서의 신호 송수신 방법 및 장치를 제공한다.

본 발명의 일 양태로서, 무선 통신 시스템에서 제1 통신 장치의 신호 송수신 방법으로서, 목적 신호 및 간섭 신호를 포함하는 광 신호를 수신하는 단계; 및 상기 간섭 신호를 감소시키는 단계; 상기 간섭 신호가 감소된 상기 광 신호를 포토다이오드 어레이(photodiode array)를 통해 전기적 신호로 변환하는 단계; 를 포함하고, 상기 간섭 신호는, 상기 광 신호가 입사되는 제1 광학 필터 및 상기 제1 광학 필터를 통과한 광 신호가 입사되는 제2 광학 필터를 통해 감소되는, 방법이 제공된다.

본 발명의 다른 일 양태로서, 무선 통신 시스템에서 신호를 송수신하기 위한 제1 통신 장치로서, 적어도 하나의 트랜시버; 적어도 하나의 프로세서; 및 상기 적어도 하나의 프로세서에 동작 가능하도록 연결되고, 실행될 경우 상기 적어도 하나의 프로세서가 특정 동작을 수행하도록 하는 명령들(instructions)을 저장하는 적어도 하나의 메모리; 를 포함하고, 상기 특정 동작은, 목적 신호 및 간섭 신호를 포함하는 광 신호를 수신하고, 상기 간섭 신호를 감소시키며, 상기 간섭 신호가 감소된 상기 광 신호를 포토다이오드 어레이(photodiode array)를 통해 전기적 신호로 변환하는 것을 포함하고, 상기 트랜시버는, 상기 광 신호가 입사되는 제1 광학 필터 및 상기 제1 광학 필터를 통과한 광 신호가 입사되는 제2 광학 필터를 포함하고, 상기 간섭 신호는, 상기 제1 광학 필터 및 상기 제2 광학 필터를 통해 감소되는, 통신 장치가 제공된다.

본 발명의 다른 일 양태로서, 제1 통신 장치를 위한 장치에 있어서, 적어도 하나의 프로세서; 및 상기 적어도 하나의 프로세서와 동작 가능하게 연결되고, 실행될 때, 상기 적어도 하나의 프로세서가 동작을 수행하도록 하는 적어도 하나의 컴퓨터 메모리를 포함하는 장치가 제공되며, 상기 동작은, 목적 신호 및 간섭 신호를 포함하는 광 신호를 수신하고, 상기 간섭 신호를 감소시키며, 상기 간섭 신호가 감소된 상기 광 신호를 포토다이오드 어레이(photodiode array)를 통해 전기적 신호로 변환하는 것을 포함하고, 상기 트랜시버는, 상기 광 신호가 입사되는 제1 광학 필터 및 상기 제1 광학 필터를 통과한 광 신호가 입사되는 제2 광학 필터를 포함하고, 상기 간섭 신호는, 상기 제1 광학 필터 및 상기 제2 광학 필터를 통해 감소되는 것을 포함한다.

본 발명의 다른 일 양태로서, 실행될 때, 상기 적어도 하나의 프로세서가 동작을 수행하도록 하는 적어도 하나의 컴퓨터 프로그램을 포함하는 컴퓨터 판독가능한 저장 매체가 제공되며, 상기 동작은, 목적 신호 및 간섭 신호를 포함하는 광 신호를 수신하고, 상기 간섭 신호를 감소시키며, 상기 간섭 신호가 감소된 상기 광 신호를 포토다이오드 어레이(photodiode array)를 통해 전기적 신호로 변환하는 것을 포함하고, 상기 트랜시버는, 상기 광 신호가 입사되는 제1 광학 필터 및 상기 제1 광학 필터를 통과한 광 신호가 입사되는 제2 광학 필터를 포함하고, 상기 간섭 신호는, 상기 제1 광학 필터 및 상기 제2 광학 필터를 통해 감소되는 것을 포함한다.

상기 방법들 및 장치들에 있어서, 상기 간섭 신호는, 상기 제1 광학 필터의 길이 D1, 상기 제2 광학 필터의 길이 D2, 상기 제1 광학 필터와 상기 제2 광학 필터 사이의 초점 거리 F1, 상기 제2 광학 필터와 상기 포토다이오드 어레이 사이의 거리 F2, 및/또는 상기 포토다이오드 어레이의 길이 Dp에 기반하여 감소될 수 있다.

상기 D1, 상기 D2, 상기 F1, 상기 F2 및/또는 상기 Dp는,목적 신호의 파장, 간섭 레벨, 및/또는 상기 제1 통신 장치와 제2 통신 장치 사이의 거리를 고려하여 결정될 수 있다.

상기 방법들 및 장치들에 있어서, 상기 제1 통신 장치는, 상기 제1 광학 필터 및 상기 제2 광학 필터 외의 하나 이상의 광학 필터를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 광학 필터, 상기 제2 광학 필터, 및/또는 상기 하나 이상의 광학 필터는, 간섭 레벨에 기반하여 활성화 또는 비활성화될 수 있다.

상기 방법들 및 장치들에 있어서, 상기 간섭 신호의 간섭 레벨이 임계값 이하인 경우 상기 목적 신호에는 제1 모드(mode)가 적용되며, 상기 제1 모드의 적용에 기반하여, 상기 목적 신호의 일정 광 강도(light intensity) 이상이 상기 포토다이오드 어레이의 정중앙으로부터 일정 거리 이내에 위치할 수 있다.

상기 제1 모드의 적용 여부에 대한 정보는 (i) 상기 무선 광 통신이 아닌 통신 방식을 통해 전송되거나, (ii) 상기 무선 광 통신을 통해 브로드캐스트(broadcast)될 수 있다.

상기 방법들 및 장치들에 있어서, 상기 포토다이오드 어레이의 유효 영역은, 제2 임계값 이상의 조도 세기(irradiance Power)를 가지는 포토다이오드를 포함하며, 상기 유효 영역에 포함되는 포토다이오드에 도달한 광 신호가 상기 전기적 신호로 변경될 수 있다.

상기 제2 임계값은, 상기 포토다이오드 어레이 내에서 측정되는 가장 큰 조도 세기에 기반하여 설정될 수 있다.

상기 방법들 및 장치들에 있어서, 상기 통신 장치들은 적어도 단말, 네트워크 및 상기 통신 장치 외의 다른 자율 주행 차량과 통신할 수 있는 자율 주행 차량을 포함할 수 있다.

상술한 본 발명의 양태들은 본 발명의 바람직한 실시예들 중 일부에 불과하며, 본원 발명의 기술적 특징들이 반영된 다양한 실시예들이 당해 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의해 이하 상술할 본 발명의 상세한 설명을 기반으로 도출되고 이해될 수 있다.

본 개시의 일 측면에 따른 무선 광 통신 시스템에서 신호를 송수신하는 방법을 통해, 광 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 발명을 구현하기 위한 시스템을 예시한 도면이다.

도 2는 데이터 채널과 제어 채널이 TDM된 서브프레임의 구조를 예시적으로 나타낸 도면이다.

도 3 내지 도 4는 가시광 통신의 싱글 캐리어 모듈레이션 (Single Carrier Modulation, SCM) 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 5는 가시광 통신의 멀티 캐리어 모듈레이션 (Multi Carrier Modulation, MCM) 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 6은 종래의 RF 통신 시스템의 송신단 측면에서의 OFDM 모듈레이션 구조를 설명하기 위한 도면이다.

도 7 내지 도 8은 가시광 통신 시스템의 MCM 송신단 구조를 설명하기 위한 도면이다.

도 9는 컬러-쉬프트 키잉 (Color-Shift Keying, CSK) 모듈레이션을 설명하기 위한 도면이다.

도 10 내지 도 11은 파장에 따른 전체 색 공간 및 장치의 특성에 따라 표현할 수 있는 특정 색 공간을 나타낸 도면이다.

도 12는 색 공간 상에서 binary digital 신호를 변조하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 13은 CSK 모듈레이션을 MCM에 적용한 것을 설명하기 위한 도면이다.

도 14 내지 도 16은 본 발명의 일 예 또는 구현 예에 따른 무선광 통신 시스템을 나타낸 도면이다.

도 17 내지 도 21는 본 발명의 일 예 또는 구현 예에 따른 무선광 통신 시스템에 적용될 수 있는 광학 필터 및 이를 이용한 원하는 빔 (desired beam) 획득을 설명하기 위한 도면이다.

도 22 내지 도 26은 본 발명의 일 예 또는 구현 예에 따른 임계값을 넘는 PD (photodiode) 영역 선택에 대한 도면이다.

도 27 내지 도 51은 본 발명의 일 예 또는 구현 예에 따른 다중 필터 송수신단 구조를 나타낸 도면이다.

도 52 내지 도 54은 간섭 레벨 고려한 다중 필터 사용에 대해 설명하기 위한 도면이다.

도 55는 본 발명의 일 실시예에 따른 흐름도를 나타낸다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다. 이하의 상세한 설명은 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해서 구체적 세부사항을 포함한다. 그러나, 당업자는 본 발명이 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 발명의 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 발명의 이해를 돕기 위해서 제공된 것이며, 이러한 특정 용어의 사용은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다른 형태로 변경될 수 있다.

도 1은 본 발명을 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 명세서에서 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 발명에서는 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.

가시광 통신 (Visible Light Communication, VLC)

가시광 시스템의 경우, 일반적으로 가시광의 깜박거림을 기반으로 신호를 표현하는 OOK (On-Off Keying)에 기반한 Single Carrier Modulation (SCM) 방법들이 있다. 도 3 내지 도 4를 참조하면, OOK modulation 은 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.

전술한 조건을 만족하는 다양한 MCM 방법들이 소개된 바 있다. 이러한 MCM 방법들은 DC-biased optical OFDM (DCO-OFDM), asymmetrically clipped optical OFDM (ACO-OFDM), pulse-amplitude modulated discrete multi-tone modulation (PAM-DMT)로 분류될 수 있다. 도 5를 참조하여 이들에 대해 설명하도록 한다.

i) DCO-OFDM: 이는 도 5에 도시된 첫 번째 서브캐리어 맵핑 형태로 Hermitian symmetric하게 변조된 심볼 (modulated symbol)을 배치한다. Hermitian symmetric하게 배치하는 것은 DC subcarrier를 경계로 좌우 거울대칭에 컨쥬게이트 (conjugate) 형태로 심볼을 배치하는 것을 의미한다. 이러한 배치 방법은 시간 영역에서 신호를 실수 (real value) 신호로 변형시켜준다. DCO-OFDM은 시간 영역에서의 최소값 (예를 들면, 최대 진폭을 갖는 음수 값)에 해당되는 만큼 신호를 바이어스 시켜 최종적으로 단극 시간 영역 (unipolar time domain) 신호를 만드는 방법이다.

ii) ACO-OFDM: 이는 도 5에 도시된 두 번째 서브캐리어 맵핑 형태로서, DCO-OFDM에서의 절반의 변조된 심볼을 일정 간격 비우면서 Hermitian symmetric하게 배치하는 것이다. 이러한 서브캐리어 맵핑은 시간 영역에서 파형이 실수 신호 (real value signal)의 형태가 되도록 하며, 부호가 반전된 형태로 반복하여 나타나도록 한다. ACO-OFDM는 반복하여 나타나는 파형을 제로 클립핑 (zero clipping) 하여 최종적으로 단극 시간 영역 (unipolar time domain) 신호를 만드는 방법이다.

iii) PAM-DMT: 이는 도 5에 도시된 세 번째 서브캐리어 맵핑 형태로서, PAM 형태로 실수 (real value) 신호를 허수 부분 (imaginary part)의 가운데를 기준으로 플립 (flip)하여 배치하는 것이다. 이러한 서브캐리어 맵핑은 시간 도메인에서 파형 (waveform)을 실수 신호 (real value signal)의 형태로 만들며, 부호가 반전된 거울 대칭 형태로 반복된 신호가 나타나도록 한다. ACO-OFDM과 마찬가지로 PAM-DMT는 제로 클립핑을 통해 최종적인 단극 시간 영역 (unipolar time domain) 신호를 만드는 방법이다.

표 1은 전술한 DCO-OFDM, ACO-OFDM 및 PAM-DMT 방법 각각의 성능 측정을 설명하기 위한 것이다. 성능 측정의 요소는, 예를 들면 Spectral Efficiency (SE), Peak-to-Average Power Ratio (PAPR), Signal-to-Noise Ratio (SNR), Bit Error Rate (BER)일 수 있다.

	SE	SNR	BER
DCO OFDM	O	X	X
ACO OFDM	X	O	O
PAM DMT OFDM	X	O	△

표 1을 참조하면, DCO-OFDM의 경우 Hermitian symmetry 특성을 위해서 절반의 SE를 갖지만 이는 unipolar OFDM에서 가장 최적의 SE로 볼 수 있다. 다만 DCO OFDM은 바이어스에 의해 실제 전송 전력에서 신호에 실리는 전력 부분이 작게 됨에 따라 SNR 특성이 떨어지는 단점을 가진다. DC 바이어스 값은 상수 값으로서 수신단에서 변조된 심볼의 검출 (modulated symbol detection) 시 성능에 영향을 주지 않는다.

표 1을 참조하면, ACO-OFDM의 경우 DCO OFDM의 절반의 SE를 갖는 단점을 가진다. 하지만 DC 바이어스가 필요하지 않기 때문에 전송 전력이 모두 목적 신호 (desired signal)에 실리기 때문에 상대적으로 좋은 SNR 특성을 가진다.

표 1을 참조하면, PAM DMT의 경우 대부분 ACO OFDM과 동일한 특성을 지닌다. 다만, PAM DMT은 변조 시 복소 심볼 (quadrature complex symbol)을 이용하기 보다는 일 차원 (one dimension)의 진폭 (amplitude)을 이용하기 때문에, 심볼간 거리 특성이 떨어져 ACO OFDM보다 BER 성능이 떨어지는 단점이 있다.

도 6은 종래의 RF 통신 시스템의 송신단 측면에서의 OFDM modulation 구조를 설명하기 위한 도면이다. 도 6을 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 7 내지 도 8과 같을 수 있다. 보다 구체적으로, 도 7은 VLC 통신 시스템의 DCO-OFDM modulation 송신기 구조를 나타낸 것이고, 도 8은 VLC 통신 시스템의 ACO-OFDM modulation 송신기 구조를 나타낸 것이다.

도 7 내지 도 8에서 전압 증폭기 (voltage amplifier)와 V-to-I (Voltage to Current) Transducer 그리고 E-to-O (Electrical to Optical) Device (예를 들면, LED)는 모두 비선형 (non-linear) 특성을 가지는 장치이다. 따라서, 변조를 거친 아날로그 신호는 증폭되고 변환된다. 도 7 내지 도 8에서는 DC 바이어싱 (biasing)을 통한 디밍 제어 (dimming control)를 예로 들었으며, 역 극성 (reverse polarity)을 기반으로 하는 경우에는 신호의 재구성을 통해 디밍 제어가 수행될 수 있다.

Color-Shift Keying (CSK) modulation

전술한 SCM 방식과 MCM 방식은 컬러-쉬프트 키잉 (Color-Shift Keying, CSK) 모듈레이션을 기반으로 동작할 수 있다. CSK 모듈레이션은 광원의 색 특성을 기반으로 색의 조합에 의해 디지털 신호를 표현할 수 있는 방법이다. 예를 들면, 도 9에 도시된 것과 같이 디지털 신호가 생성되면, 상기 디지털 신호는 color coding을 통해, (x, y) 색 공간 (color space) 신호로 변환된다. 변환된 (x, y) 색 공간 신호는 색을 가진 광원을 통해 전송된다. 색 공간은 도 10에 도시된 것과 같이 정의될 수 있고, 색도 분포표는 CIE 1931 color space를 따를 수 있다 (IEEE 802.15.7).

도 10을 참조하면, 외곽의 곡선 모양 경계선은 단색광에 해당하며, 각각의 단색광의 파장이 나노미터로 표시되어 있다. 도 10에 표시된 색깔은 색 표시 장치의 색 공간에 따라 다소 차이가 있을 수 있다. 종래에 알려진 어떠한 장치도 도 10에 표시된 모든 색을 정확하게 표현할 수는 없다. 즉, 도 11에 도시된 것과 같이 장비의 Class에 따라 표현할 수 있는 색의 영역이 다를 수 있다.

한편, 하나의 색은 단색광이 아닌 경우, 다수개의 색 광원 (예를 들면, LED)의 mixing되어 생성될 수 있다. 그 color point (x, y)는 RGB에 의해 transform된다. [수학식 1]을 참조하면, R, G, B 각 값은 X, Y, Z 값으로 변환되어, 색 공간 상에서 (x, y) 값에 대응된다.

[수학식 1]

상기 특성을 이용하여, 바이너리 디지털 (binary digital) 신호의 변조를 수행할 수 있다. 예를 들어, 특정 장치에서 표현할 수 있는 색의 영역이 도 12에 도시된 것과 같다고 하면, 별의 표시에 대응되는 바이너리 비트 스트림 (binary bit stream)을 아래의 [표 2]과 같이 정의할 수 있다. 즉, 색 공간 상에서의 유클리디언 거리 (Euclidean distance) 특성을 기반으로 신호의 변조가 가능하다.

[표 2]

전술한 방법을 MCM에 적용하면 도 13과 같이 표현할 수 있다. 즉, SCM에서와 같이 송신단은 i) 색 공간 상의 (x, y) 좌표에 해당하는 R, G, B 각각의 값에 OFDM modulator를 통해 생성된 아날로그 신호를 각각의 광원인 LED를 통해 광 자원 (optical source)으로 변환하고, ii) 이를 광 채널 (optical channel)을 통해 전송한다. 수신단에서는 ii) 포토다이오드 (photodiode)를 통해 신호를 수신하고, ii) OFDM demodulator를 통해 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하고, iii) R, G, B 각각의 신호를 색 공간 (x,y)에 대응시킴으로써 (x, y) 값에 의해 신호를 복호한다.

도 3 내지 도 13을 통해 설명한 종래의 무선 광 통신 시스템을 이용한 데이터 전송 방법은 외부 간섭 광원의 영향으로 인해 수신단에서의 복호 성능을 보장하기 어려운 문제가 있다. 특히, 강한 태양광으로부터의 간섭은 수신단 복호 성능을 현저히 감소시킬 수 있다. 따라서, 외부 간섭에 강인한 무선 광 통신 시스템의 신호 송수신 방법이 필요하다.

본 발명의 일 예 또는 구현 예에 따르면, 무선광 통신에서 광자의 궤도각운동량을 기반으로 간섭을 최소화하는 방법이 제안된다. 본 발명의 일 예 또는 구현 예에서, 송신단은 무선광을 송신하고, 수신단에서는 이를 복호하는 기본 구조를 가진다. 본 발명의 일 예 또는 구현 예에 따른 무선광 통신 시스템은 도 14에 도시된 구조로 구현될 수 있다.

도 14를 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 목적 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 15에 도시된 본 발명의 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 발명의 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 목적 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.

전술한 두 방식에서, 수신단이 광학 필터 (optical filter)를 이용해 전체 신호에서 desired optical signal/beam에 해당하는 대역만 수신하거나 편광(polarized light)을 이용하여도, 광학 관점에서 태양 광은 전 대역의 에너지를 가지면서 전 방향의 편광을 포함하므로, 완전한 간섭 제어는 불가능한 문제가 있다.

1. Photon OAM을 기반으로 하는 무선광 통신 송수신 절차

본 발명의 일 예 또는 구현 예에 대해 설명하기 앞서, 광자 (photon)의 궤도각운동량 (Orbital Angular Momentum, OAM)특성에 대해 먼저 설명하도록 한다.

전자기파는 전계 (Electric-field)와 자계 (Magnetic-field)로 구성되며, 전계의 방향 변화에 따라 각 운동량 (angular momentum)을 정의할 수 있다. 하나의 전자기파 (또는 광자)의 전파 (propagation)에 대해서, 전계의 방향 변화가 전파 방향에 수직으로 진동하는 경우를 선편광 (linear polarization)이라고 한다. 한편, 하나의 전자기파(또는 광자)의 전파 (propagation)에 대해서, 전계의 방향 변화가 전파 (propagation) 방향을 중심으로 회전하는 경우를 원편광 (circular polarization)이라고 한다.

한편, 빛은 광자마다

로 표현되는 스핀 각운동량 (Spin Angular Momentum, SAM)을 갖는다. 전자기파 (또는 광자)가 동일한 시간에 전파되는 파면을 위상면 (phasefront)이라고 하며, 평면 위상면 (plane phasefront, 또는 plane wave)은 동일시간에 전파되는 파면에서 모든 전자기파의 위상이 동일한 것을 의미한다.

평면파가 아닌 경우 나선형의 위상면 (helical phasefront)를 가진다고 하며, 일반적으로 OAM을 갖는 전자기파라고 할 수 있다. 빛은 광자마다

로 표현되는 OAM을 갖는다. OAM은 파면에 대한 정의이므로, 각 지점의 전자기파는 선편광 또는 원편광되어 있을 수 있다. OAM은 광학적 정의에 의해서 Laguerre-Gaussian modes (예를 들면, LG beam) 또는 cylindrical transverse mode patterns TEM( _pl)으로 불리울 수 있다. 본 발명의 일 예 또는 구현 예에서는 TEM( _pl)에 대해서, p=0이고, l은 OAM 모드 인덱스에 해당되는 값으로 정의한다. 예를 들면, OAM 모드 3은 TEM( ₀₃)이다. 본 발명에서는 설명의 편의를 위해 p=0이 경우에 대해서만 예시하나, p가 0이 아닌 경우에도 동일한 방식으로 적용될 수 있다.

본 발명의 일 예 또는 구현 예에서, 무선 자원 (radio source)와 광 자원 (photon source)은 모두 전자기파이다. 다만, 종래의 통신과의 구분을 위해, 본 발명의 일 예 또는 구현 예에 따른 무선 자원과 광 자원의 주파수 대역을 예시적으로 다음과 같이 한정한다. 무선 자원은 수 테라 헤르츠 (Tera Hertz) 이하로서, 일반적인 무선 통신 시스템에서 고려하는 대역으로 정의한다. 광 자원은 수 테라 헤르츠 초과로서 무선 광 통신 시스템에서 고려하는 대역 (예를 들면, 적외선, 자외선, 가시광선 등)으로 정의한다. 특수 목적의 환경에서는 x선, 감마선에서도 본 발명에서 예시하는 방법이 동일하게 적용될 수 있다.

본 발명의 일 예 또는 구현에 따르면, Photon OAM 을 기반으로 하는 무선광 통신 시스템의 송수신 방법이 제안된다. 구체적으로, 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 (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.

2. Photon OAM을 기반으로 하는 무선광 통신 송수신 장치

2.1. OAM 기반의 무선 광 통신 송신 단말 및 수신 단말

도 16에 도시된 본 발명의 일 예 또는 구현 예에 따르면, i) 광자 궤도 각 운동량 빔 제너레이터 (Photon OAM Beam Generator)를 사용하여 신호를 전송하는 송신 단말, ii) 목적 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, 목적 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 발명의 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 위상 홀로그램에 반사시켜 photon OAM beam (TEM _pl)으로 변환할 수 있다.

iv) 송신 단말은 광학 자원을 레저네이터에 통과시켜, Hermite Gaussian Beam (TEMmn)으로 변환한 후, cylindrical Lens HG-LG mode converter (예를 들면, pi/2 mode converter)를 통과시켜 Photon OAM Beam (TEMpl)으로 변환할 수 있다.

한편, 전술한 i)-iv) 방법 이외에도 photon OAM 빔을 생성할 수 있는 다양한 방법이 본 발명의 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 목적 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 17을 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 발명의 일 예 또는 구현 예에 따른 포토다이오드 어레이는 O-to-E 변환을 수행하는 수광소자가 특정 면적에 다수 개 분포하는 형태를 의미할 수 있다.

예를 들면, 도 17에서 녹색광의 초점이 f _green라고 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 18을 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 18에서 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

라고 할 때, 모드 인덱스

에 대한 초점

은

으로 근사될 수 있다. 여기서, 상수

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 목적 초점에서 구조적으로 간섭하여 이미지를 생성하도록 상기 영역들은 서로 이격될 수 있다.

도 19를 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 19를 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 19에서 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 20에서 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 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 21에 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 평면파와 위상 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.

페이즈 마스크의 페이즈 요소(phase element)들에 대한 제어를 통해 optical/photon 자원의 강도 분포 위치가 제어될 수 있다. 또한, 포토다이오드 어레이에 수신되는 광학 페이즈 마스크 (페이즈 패턴 마스크) 와 포토다이오드 어레이 사이의 거리, 페이즈 마스크 (페이즈 패턴 마스크)와 렌즈 사이의 거리, 렌즈와 포토다이오드 어레이 사이의 거리에 대한 제어를 통해 optical/photon 자원의 강도 분포 위치가 제어될 수 있다.

본 명세서를 통해 제시된 특성들을 복합적으로 얻기 위해, 두 개 이상의 광학 필터들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 수신 단말은, 수신 파장을 제어하기 위한 일반 광학 필터 (general optical filter)로 특정 파장을 수신한 후, 편광 필터를 통해 목적 편광 신호를 수신한다. 또한 수신 단말은, 포톤 시브를 통해 수신한 신호의 광파 (light wave) 특성에 따라, 평면파 모드와 나선파 모드를 구분하여 동작할 수 있다.

3. 광학 자원 (optical/photon source)의 특성에 따른 빔 분산 (beam divergence)

일반적으로, 무선 광은 광학 자원 (optical/photon source)의 특성에 따라 빔 분산 (beam divergence)의 특성을 갖는다. 본 발명의 일 예 또는 구현 예에 따르면, 무선 광의 빔 분산 특성을 이용한 송신 단말 및 수신 단말간의 OAM 모드 선택 방법이 제안된다.

3.1. 가우시안 빔의 분산각 (divergence angle of Gaussian beam)

도 22는 원거리 장 (far-field)에서의 가우시안 빔의 분산각을 설명하기 위한 도면이다. 가우시안 빔의 분산각은 아래 [수학식 2]와 같이 정의될 수 있다. 여기서, ko 는 웨이브벡터 (wavevector)로 2pi/lambda이며, wo 는 최소 빔 웨이스트 (minimum beam waist)로 빔을 형성하는 방법에 따라 다를 수 있다.

[수학식 2]

송신 단말이 빔을 형성할 때 M2 factor를 최적으로 설계하여 M2=1 이라고 가정하자. 도 22를 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 23 내지 도 24는 원거리 장에서의 LG 빔의 분산각을 설명하기 위한 도면이다. LG 빔의 분산각은 아래 [수학식 3] 내지 [수학식 5]를 통해 설명될 수 있다. 구체적으로, [수학식 3]은 w0 가 고정된 경우를 나타내고, [수학식 4]는 r_rms(0)가 고정된 경우를 나타낸다. 한편, k0 는 wavevector로 2pi/lambda이며, w0 는 minimum beam waist로 빔을 형성하는 방법에 따라 다를 수 있고, [수학식 5]와 같은 관계를 가질 수 있다.

[수학식 3]

[수학식 4]

[수학식 5]

송신 단말이 빔을 형성할 때 M2 factor를 최적으로 설계하여 M2=1 이라고 가정하자. 도 23을 참조하면, |l|에 따라 Distance = 10m에서 도 23에 도시된 것과 같이 빔 반경이 나타날 수 있다. 한편, 도 24를 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. 또한 OAM Order l에 따라 수신되는 파면의 페이즈 특성이 달라진다. 예를 들어, 도 25와 같이, OAM Order 에 따라, 전기장(Electric field; E-field)에 대한 페이즈 차이가 발생된다. OAM Order는, 앞서 설명된 OAM 모드에 해당한다.

페이즈는, 도 26과 같이 E-field가 사인파 (sine wave)의 형태로 표현될 때, 광원의 진행 방향을 기준으로, E-field의 시간에 따른 변화를 의미할 수 있다.

도 26에서, y축 (세로축)은 E-field의 진동 방향을 나타낸다. E-field의 진동을 시간에 따라 도시하면 도 26과 같이 표현될 수 잇다. 도 26과 같이, E-field의 진동을 시간에 따라 도시하면, x축 (가로축)은 광의 이동 방향을 나타낼 수 있다. 시간축은 광축 (optical axis)으로 지칭될 수 있다. 도 26을 통해, 시간에 따른 광원의 페이즈 변화가 표현될 수 있다. 페이즈의 변화는, 한 번의 주기와 관련된 파장 λ에 의해 결정된다. 시간 t는 빛이 이동하는 단위로, 빛이 한 파장의 거리를 이동하는 시간 t = λ/c로 표현될 수 있다. c는 광속에 해당하며, 약 c=2.99792458*10^8 m/s에 해당한다.

이상에서 설명된 바와 같이, OAM Order l에 따라, 수신되는 파면의 페이즈 특성이 달라진다. 따라서, 수신단(또는 수신 단말)은 페이즈 보상을 수행하면서 Coherent Combining을 수행해야 한다. 또한, 수신단의 설계에 의해 수신 복호 성능이 증대될 수 있다.

이상에서 설명된 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. 이하에서는, 외부 간섭에 보다 강인한 무선 광 통신의 송수신 방법이 제안된다.

구체적으로, 이하에서는 무선광 통신에서 목적 신호와 간섭을 구분하는 방법으로서, 임의의 임계값을 기반으로 SNR을 최적화 하는 방법 및 다중 광학 필터를 기반으로 간섭을 구분하는 방법이 제안된다.

4.1 임계값을 넘는 PD (photodiode) 영역 선택

도 26은,'2. Photon OAM을 기반으로 하는 무선광 통신 송수신 장치'를 통해 설명된 바에 기반하여, 무선 광 통신에서 목적 신호와 간섭을 구분하기 위한 수신 단말의 구조를 예시한다. 도 26을 참조하면, 수신 단말의 구조로써 광학 필터와 O-to-E 장치가 사용될 수 있다. 도 26의 예시에서, 광학 필터는 프레넬 존 플레이트, O-to-E 장치는 포토다이오드가 사용될 수 있다. 포토다이오드는, 어레이 형태로 가로*세로가 400*400의 형태로 구성될 수 있다. O-to-E 장치인 400 x 400 포토다이오드 어레이에서, 단일 PD (PhotoDiode)의 크기는 2um x 2um일 수 있다. 도 26의 Receiver Aperture로 가우시안 빔이 입사되면, 도 28과 같은 특성이 나타날 수 있다.

가우시안 빔의 강도는, 가우시안 특성을 가진다. 가우시안 빔의 페이즈는, 평면파 특성을 가지는 동일 페이즈 파면(wavefront) 특성을 지닌다. 도 28의 도면들 중 강도를 나타내는 도면들에서, 상대적으로 밝은 부분은 빛의 강도가 상대적으로 높음을, 상대적으로 어두운 부분은 빛의 강도가 상대적으로 낮음을 나타낸다. 도 28의 도면들 중 페이즈 도면들에서, 회색은 Phase = 0, 검은색은 Phase = π, 흰색은 Phase = -π 로 가정될 수 있다. 송신단의 신호가, E-to-O 장치를 통해 전송되는 광학 빔으로서, 파면의 페이즈가 등위상인 평면파일 때, 파면의 페이즈를 (x,y)의 2차원 평면에 도시하면 도 28의 도면들 중 좌측에서 두 번째 도면과 같다. 도 28의 도면들 중 좌측에서 세 번째, 네 번째 도면을 참조하면, P 평면에서 강도가 유효한 영역은 전체 영역 중 일부이다. 강도가 유효한 영역에서 페이즈 특성은, 가우시안 빔과 같이 등위상 페이즈 특성을 가진다. 다시 발해서, 강도가 유효한 영역에서 페이즈 특성은, 평면파의 특성을 가진다. 도 28의 도면들 중 P 평면 조도 (P plane Irradiance) 도면들은, P 평면에서의 강도의 크기를 각각 2차원과 3차원으로 도시한 것이다. 도 28의 P 평면 관련 도면들(도 28 좌측에서 세 번째 및 네 번째 도면)을 확대하면, 도 29와 같이 나타낼 수 있다.

4.1절을 통해 설명된 특성들을 기반으로, 포토다이오드 어레이에서 유효영역이 추출될 수 있다. 유효영역은 유효 포토다이오드 영역으로 표현될 수도 있다. 유효영역의 추출은, 참조 신호를 통한 절대적 및/또는 상대적 조도의 크기를 기준으로 유효영역을 선택함을 통해 수행될 수 있다. 예를 들어, P_irr이 포토다이오드가 가질 수 있는 조도 세기(Irradiance Power)를 나타낸다고 할 때, 조도 세기가 임계값을 넘는 영역에 위치하는 포토다이오드들의 집합이 유효영역으로 판단될 수 있다.

도 30에서, 임계값은 예를 들어, max(max(P_irr))/1-eps일 수 있다. 여기서, eps는 시스템에서 사전에 정의하는 매우 작은 양의 실수로써, 가장 큰 P_irr값을 가지는 포토다이오드를 제외한 모든 포토다이오드가 임계값을 넘지 못하게 설정할 때 사용될 수 있다. 다시 말해서, 임계값은 2차원 평면에 존재하는 포토다이오드 어레이 전체에 속하는 포토다이오드들이 가질 수 있는 가장 큰 P_irr 값보다 eps만큼 작은 값으로 결정될 수 있다. 임계값을 넘어서는 포토다이오드는, 2차원 평면에서 가장 큰 P_irr 값을 가지는 포토다이오드가 된다. 따라서, 2차원 평면에서 가장 큰 P_irr 값을 가지는 포토다이오드만이 유효영역으로 선택된다. 도 30의 예시를 참조하면, 임계값을 넘어서는 유효 포토다이오드의 수 #N은 1이다. 임계값은 시스템 환경에 따라 달라질 수 있다.

예를 들어, 도 30의 예시에서, 임계값은 max(max(P_irr))/2-eps일 수 있다. 다시 말해서, 임계값은 2차원 평면에 존재하는 포토다이오드 어레이 전체에 속하는 포토다이오드들이 가질 수 있는 가장 큰 P_irr 값의 1/2보다 eps만큼 작은 값으로 결정될 수 있다. 임계값을 넘어서는 포토다이오드는, 2차원 평면에서 가장 큰 P_irr 값을 기준으로, 3dB 이내의 값을 가지는 포토다이오드들이 된다. 따라서, 2차원 평면에서 가장 큰 P_irr 값을 기준으로 3dB 이내의 값을 가지는 포토다이오드들이 포함되는 영역이, 유효영역으로 선택된다. 도 30의 예시를 참조하면, 임계값을 넘어서는 유효 포토다이오드의 수 #N은 32이다.

다른 예로, 도 30의 예시에서, 임계값은 max(max(P_irr))/10-eps일 수 있다. 다시 말해서, 임계값은 2차원 평면에 존재하는 포토다이오드 어레이 전체에 속하는 포토다이오드들이 가질 수 있는 가장 큰 P_irr 값의 1/10보다 eps만큼 작은 값으로 결정될 수 있다. 임계값을 넘어서는 포토다이오드는, 2차원 평면에서 가장 큰 P_irr 값을 기준으로, 10dB 이내의 값을 가지는 포토다이오드들이 된다. 따라서, 2차원 평면에서 가장 큰 P_irr 값을 기준으로 10dB 이내의 값을 가지는 포토다이오드들이 포함되는 영역이, 유효영역으로 선택된다. 도 30의 예시를 참조하면, 임계값을 넘어서는 유효 포토다이오드의 수 #N은 120이다.

도 30의 예시에서, 임계값은 max(max(P_irr))/100-eps일 수 있다. 다시 말해서, 임계값은 2차원 평면에 존재하는 포토다이오드 어레이 전체에 속하는 포토다이오드들이 가질 수 있는 가장 큰 P_irr 값의 1/100보다 eps만큼 작은 값으로 결정될 수 있다. 임계값을 넘어서는 포토다이오드는, 2차원 평면에서 가장 큰 P_irr 값을 기준으로, 20dB 이내의 값을 가지는 포토다이오드들이 된다. 따라서, 2차원 평면에서 가장 큰 P_irr 값을 기준으로 20dB 이내의 값을 가지는 포토다이오드들이 포함되는 영역이, 유효영역으로 선택된다. 도 30의 예시를 참조하면, 임계값을 넘어서는 유효 포토다이오드의 수 #N은 208이다.

도 30의 예시에서, 임계값은 max(max(P_irr))/1000-eps일 수 있다. 다시 말해서, 임계값은 2차원 평면에 존재하는 포토다이오드 어레이 전체에 속하는 포토다이오드들이 가질 수 있는 가장 큰 P_irr 값의 1/1000보다 eps만큼 작은 값으로 결정될 수 있다. 임계값을 넘어서는 포토다이오드는, 2차원 평면에서 가장 큰 P_irr 값을 기준으로, 30dB 이내의 값을 가지는 포토다이오드들이 된다. 따라서, 2차원 평면에서 가장 큰 P_irr 값을 기준으로 30dB 이내의 값을 가지는 포토다이오드들이 포함되는 영역이, 유효영역으로 선택된다. 도 30의 예시를 참조하면, 임계값을 넘어서는 유효 포토다이오드의 수 #N은 1926이다.

실시예 4.1에서, Receiver Aperture에 LG 빔(L=5)이 입사되는 경우, 수신단은 도 31과 같은 특성을 나타내게 된다.

LG 빔의 강도는 도넛 (Doughnut; single ring) 분포를 가지고, LG 빔의 파면 특성은 나선파 특성을 가진다. 도 31의 도면 중 강도와 관련된 도면들에서 상대적으로 밝은 부분은 빛의 강도가 상대적으로 높음을, 상대적으로 어두운 부분은 빛의 강도가 상대적으로 낮음을 나타낸다. 도 28의 도면들 중 페이즈 도면들에서, 회색은 Phase = 0, 검은색은 Phase = π, 흰색은 Phase = -π 로 가정될 수 있다. 송신단의 E-to-O 장치를 통한 광학 빔의 파면의 페이즈가, OAM order L에 따라 나선파 특성으로 페이즈가 균일하게 변화하는 형태일 때, 파면의 페이즈를 2차원 평면에 도식화하면 도 31의 좌측에서 두 번째 도면과 같다. 이에 따라, P 평면에서 강도가 유효한 영역은 도 31의 좌측에서 세 번째 도면과 같이, 전체 영역중 일부에 해당한다. P 평면의 유효한 영역 내에서 페이즈 특성은, 도 31의 좌측에서 네 번째 도면과 같이, LG 빔과 같은 균일한 페이즈 변화 특성을 나타낸다. 예를 들어, P 평면의 유효한 영역 내에서 페이즈 특성은 나선파 특성을 나타낸다. 도 31의 우측에서 두 번째 도면인 P 평면의 조도 도면은, 빔의 강도의 크기를 2차원으로 도식화한 도면이다. 도 31의 우측에서 첫 번째 도면인 P 평면의 조도 도면은, 빔의 강도의 크기를 3차원으로 도식화한 도면이다. 3h 31의 P 평면의 도면을 확대하면, 도 32와 같을 수 있다.

실시예 4.1을 통해 설명된 특성들을 기반으로, 포토다이오드 어레이에서 유효영역이 추출될 수 있다. 유효영역의 추출은, 참조 신호를 통한 절대적/상대적 조도의 크기를 기준으로 특정 영역을 선택함을 통해 수행될 수 있다. 예를 들어, P_irr 값이 단일 포토다이오드에서 수신 및/또는 측정되는 조도 세기를 나타낸다고 할 때, 조도 세기가 임계값을 넘는 영역에 위치하는 포토다이오드들의 집합이 유효영역으로 판단될 수 있다.

도 33에서, 임계값은 예를 들어, max(max(P_irr))/1.05-eps일 수 있다. 다시 말해서, 임계값은 2차원 평면에 존재하는 포토다이오드 어레이 전체에 속하는 포토다이오드들이 가질 수 있는 가장 큰 P_irr 값의 1/1.05보다 eps만큼 작은 값으로 결정될 수 있다. 임계값을 넘어서는 포토다이오드는, 2차원 평면에서 가장 큰 P_irr 값을 기준으로, 0.2dB 이내의 값을 가지는 포토다이오드들이 된다. 따라서, 2차원 평면에서 가장 큰 P_irr 값을 기준으로 0.2dB 이내의 값을 가지는 포토다이오드들이 포함되는 영역이, 유효영역으로 선택된다. 도 33의 예시를 참조하면, 임계값을 넘어서는 유효 포토다이오드의 수 #N은 140이다. 임계값은 시스템 환경에 따라 달라질 수 있다. 수신단에서의 coherent combining을 위해, 전체 페이즈의 변화가 포함되도록, LG 빔의 유효영역이 링 형태로 구성될 수 있다.

도 33의 예시에서, 임계값은 max(max(P_irr))/2-eps일 수 있다. 다시 말해서, 임계값은 2차원 평면에 존재하는 포토다이오드 어레이 전체에 속하는 포토다이오드들이 가질 수 있는 가장 큰 P_irr 값의 1/2보다 eps만큼 작은 값으로 결정될 수 있다. 임계값을 넘어서는 포토다이오드는, 2차원 평면에서 가장 큰 P_irr 값을 기준으로, 3dB 이내의 값을 가지는 포토다이오드들이 된다. 따라서, 2차원 평면에서 가장 큰 P_irr 값을 기준으로 3dB 이내의 값을 가지는 포토다이오드들이 포함되는 영역이, 유효영역으로 선택된다. 도 30의 예시를 참조하면, 임계값을 넘어서는 유효 포토다이오드의 수 #N은 552이다.

다른 예로, 도 33의 예시에서, 임계값은 max(max(P_irr))/10-eps일 수 있다. 다시 말해서, 임계값은 2차원 평면에 존재하는 포토다이오드 어레이 전체에 속하는 포토다이오드들이 가질 수 있는 가장 큰 P_irr 값의 1/10보다 eps만큼 작은 값으로 결정될 수 있다. 임계값을 넘어서는 포토다이오드는, 2차원 평면에서 가장 큰 P_irr 값을 기준으로, 10dB 이내의 값을 가지는 포토다이오드들이 된다. 따라서, 2차원 평면에서 가장 큰 P_irr 값을 기준으로 10dB 이내의 값을 가지는 포토다이오드들이 포함되는 영역이, 유효영역으로 선택된다. 도 33의 예시를 참조하면, 임계값을 넘어서는 유효 포토다이오드의 수 #N은 980이다.

도 33의 예시에서, 임계값은 max(max(P_irr))/100-eps일 수 있다. 다시 말해서, 임계값은 2차원 평면에 존재하는 포토다이오드 어레이 전체에 속하는 포토다이오드들이 가질 수 있는 가장 큰 P_irr 값의 1/100보다 eps만큼 작은 값으로 결정될 수 있다. 임계값을 넘어서는 포토다이오드는, 2차원 평면에서 가장 큰 P_irr 값을 기준으로, 20dB 이내의 값을 가지는 포토다이오드들이 된다. 따라서, 2차원 평면에서 가장 큰 P_irr 값을 기준으로 20dB 이내의 값을 가지는 포토다이오드들이 포함되는 영역이, 유효영역으로 선택된다. 도 33의 예시를 참조하면, 임계값을 넘어서는 유효 포토다이오드의 수 #N은 1596이다.

실시예 4.1에서 임계값이 선택될 때, 임계값에 따라 달라지는 특성은 아래와 같다.

먼저, 임계값이 높게 설정될수록, 빔이 포토다이오드에 도달한 이후의 전기적 신호에 대해서, 신호 대 잡음비 (Signal-to-Noise Ratio; SNR)이 증대된다.

임계값이 높을수록 높은 조도 값을 가지는 영역만이 유효영역으로 선택된다. 따라서 목적 신호 전체의 수신 크기 S는 감소한다. 또한, 유효영역이 감소함으로써 전체 잡음 N도 감소한다. 상대적으로 높은 목적 신호 크기에 해당하는 포토다이오드들만이 선택되므로, 상대적으로 SNR은 증대된다. 잡음뿐 아니라 간섭도 동일하게 감소한다. 따라서, 신호 대 잡음 간섭 비 (Signal-to-Noise Interference Ratio; SINR)도 증대되는 효과가 있다.

임계값이 낮게 설정될수록, 빔이 포토다이오드를 도달한 이후의 전기적 신호에 대해서, coherent combining 특성이 증대된다. 임계값이 낮을수록 유효영역이 확장되므로, 많은 수의 포토다이오드들을 통해 목적 신호가 검출된다. 따라서, 다수의 포토다이오드들을 통한 다이버시티(diversity) 이득 및/또는 coherent combining 이득이 발생될 수 있다.

유효 영역은, 복수의 포토다이오드들이 아닌 단일 포토다이오드로 구성될 수도 있다. 예를 들어, 광학 필터가 임계값 선택에 따른 유효영역을 추출하도록 하고, 단일 포토다이오드가 추출된 영역에 속하는 빔을 수신할 수 있다. 참조 신호를 통한 유효 영역의 측정 또는 설계 단계에서의 사전 유효영역 한정을 통해, 광학 필터로 유효 영역에 해당하는 P 평면 조도를 가지는 빔을 통과시키고, 유효영역에 해당하지 않은 P 평면 조도를 가지는 빔을 통과시키지 않음으로써, SNR 및/또는 SINR이 제어될 수 있다.

유효영역은, 광학 필터의 사용을 통해 동적으로 제어될 수 있다. 예를 들어, 참조 신호를 통한 유효영역의 측정을 기반으로, 시변 채널 또는 환경에 따라 유효 영역이 동적으로 변경될 수 있다.

또한, 유효영역은, 광학 필터의 사용 없이 포토다이오드 어레이에서 유효영역으로 판단된 영역에 포함되는 포토다이오드로부터의 전기적 신호를 취함을 통해 제어될 수 있다. 유효영역이 아닌 포토다이오드로부터의 전기적 신호는 사용되지 않을 수 있다.

4.2 이중 필터 송수신기 (Double Filtered Transceiver) 구조

이중 필터 송수신기를 사용하면, 간섭 제거 (interference cancellation)와 목적 신호 선택 (desired selection)에 있어 효과를 얻을 수 있다.

4.1절에서 설명된 바와 같이, 광학 포커싱을 수행하는 광학 필터를 기반으로 목적 신호에 대한 유효영역을 추출하면, SNR 및/또는 SINR이 관점의 이득이 추구될 수 있다. 이하에서는 복수의 광학 필터를 통해, 간섭 신호와 목적 신호를 구분하여 SINR을 증가시키는 방법이 제안된다, 도 34는 수신단에서 광학 포커싱을 수행하는 광학 필터를 연속 배치하는 수신단 구조를 나타낸다.

도 34의 구조의 예시는, 도 35와 같이 표현될 수 있다. 도 35를 참조하면, 목적 신호와 간섭 신호가 receiver aperture로 입사된 후, 첫 번째 광학 필터에서 각 신호의 파면 특성에 따라, 목적 신호와 간섭 신호가 두 번째 광학 필터로 포커싱된다. 첫 번째 광학 필터에서 두 번째 광학 필터로 포커싱된 목적 신호와 간섭 신호는, 포커싱된 이후의 파면 특성을 기반으로, 두 번째 광학 필터에서 O-to-E 장치로 포커싱된다.

햇빛은 평면파의 특성을 가지며, 균일한 강도로 수신단에 입사된다. 도 35의 Q1 평면에 간섭 신호로서 햇빛이 입사되면, 제1 광학 포커싱에 의해 Q2 평면에서 도 36과 같은 특성이 나타난다. 도 36을 참조하면, 표시된 영역은, 간섭 신호의 강도가 초점에 집중된 것을 나타낸다. 간섭 신호의 강도가 집중된 영역에서는 여전히 평면파의 특성이 나타난다. 간섭 신호가 Q2 평면에서 다시 필터를 통과하면, 도 37과 같은 특성이 나타난다. 도 37을 참조하면, Q2 평면의 광학 필터의 중심부는 막힌 공간이므로, 집중된 간섭 신호는 Q2 평면의 광학 필터를 통과하지 못한다. 초점에서 떨어진 영역에 속하는 신호는 여전히 필터를 통과할 수 있다. 최종적으로, P 평면에서 간섭 신호의 강도 및 3차원 조도를 나타내면 도 38과 같다.

즉, 간섭 신호는 Q1 평면의 포커싱에 의해, Q2 평면에서는 강도가 특정 영역으로 포커싱되지만, Q2 평면의 필터 구조에 의해, 간섭 신호의 주요 강도는 P 평면까지 전달되지 못한다. Q2 평면에서 포커싱되지 않은 특정 영역 외부의 에너지만 P 평면에 전달되므로, 간섭의 약화 효과를 얻을 수 있다.

도 35의 구조에서, Q1 평면에 목적 신호인 LG 빔이 입사되면, 제1 광학 포커싱에 의해 Q2 평면에서 도 39와 같은 특성이 나타난다. LG 빔은, 예를 들어 L=1이고, 나선파 특성과 도넛 강도(doughnut intensity)를 가진다. 도 39를 참조하면, 표시된 영역은, 간섭 신호의 강도가 초점에 집중된 것을 나타낸다. 강도가 집중된 영역에서는 여전히 L=1의 나선파 특성이 나타난다. Q2 평면에서 간섭 신호가 필터를 통과하면, 특성이 도 40과 같이 변화한다. 즉, Q2 평면의 광학 필터의 중심부는 막힌 공간이므로, 집중된 목적 신호는 Q2 평면의 광학 필터를 통과하지 못한다. 초점에서 떨어진 영역에 속하는 신호는 여전히 필터를 통과할 수 있다. 최종적으로, P 평면에서 목적 신호의 강도 및 3차원 조도를 나타내면 도 41과 같다.

즉, 목적 신호는 Q1 평면의 포커싱에 의해, Q2 평면에서는 강도가 특정 영역으로 포커싱되지만, Q2 평면의 필터 구조에 의해, 간섭 신호의 주요 강도는 P 평면까지 전달되지 못한다. Q2 평면에서 포커싱되지 않은 특정 영역 외부의 에너지만 P 평면에 전달되므로, 목적 신호의 약화 효과가 발생된다. 하지만, 초점으로부터의 강도가 도넛 형태로 분산되므로, 간섭 신호와 대비할 때 P 평면으로 전달되는 에너지가 더 많다. 단일 필터에서는 5.4 dB의 이득을 얻을 수 있음에 비하여, 이중 필터에서는 8.7 dB의 간섭 약화 이득을 얻을 수 있어, 3.3 dB의 간섭 감쇠 효과를 얻을 수 있다.

입사되는 LG 빔은 예를 들어 L=3이고, 나선파 특성과 도넛 강도를 가질 수도 있다. Q1 평면에 목적 신호인 LG 빔이 입사되면, 제1 광학 포커싱에 의해 Q2 평면에서 도 42와 같은 특성이 나타난다. 도 42를 참조하면, 표시된 영역은, 간섭 신호의 강도가 초점에 집중된 것을 나타낸다. 강도가 집중된 영역에서는 여전히 L=3의 나선파 특성이 나타난다. Q2 평면에서 간섭 신호가 필터를 통과하면, 특성이 도 43과 같이 변화한다. 즉, Q2 평면의 광학 필터의 중심부는 막힌 공간이지만, 집중된 목적 신호는 중심부의 막힌 공간보다 큰 도넛 형태의 강도를 가지도 있어, Q2 평면의 광학 필터를 통과할 수 있다. 최종적으로, P 평면에서 목적 신호의 강도 및 3차원 조도를 나타내면 도 44와 같다.

즉, 목적 신호는 Q1 평면의 포커싱에 의해, Q2 평면에서는 강도가 특정 영역으로 포커싱되고, Q2 평면의 필터 구조에 의해, 목적 신호의 주요 강도가 다시 P 평면으로 포커싱된다. 초점으로부터의 강도가 도넛 형태로 분산되므로, 간섭 신호와 대비할 때 P 평면으로 전달되는 에너지가 매우 많다. 단일 필터에서는 15.6 dB의 이득을 얻을 수 있음에 비하여, 이중 필터에서는 22.3 dB의 간섭 약화 이득을 얻을 수 있어, 6.7 dB의 간섭 감쇠 효과를 얻을 수 있다.

4.2절을 통해 제안되는 방법에서, 간섭 신호를 최소화하면서 목적 신호를 극대화할 수 있는 광학 필터의 배치가, 설계 단계에서 목적 환경에 맞게 설정될 수 있다. 도 35의 Q1 평면의 D1, 초점 길이 1 (Focal Length 1), Q2 평면의 D2, 초점 길이 2, 및/또는 P 평면의 Dp 값 등이 최적으로 설정될 수 있다. 예를 들어 도 45와 같이, 간섭 신호와 목적 신호가 광학 필터 1을 통해 포커싱되는 정도에 따라 Q2 평면의 D2를 제어하여, P 평면에서 최적의 SINR 및/또는 SNR이 달성될 수 있다.

간섭 신호를 최소화하면서 목적 신호를 극대화할 수 있는 광학 필터의 배치는 동적으로 제어될 수 있다. 최적화를 위해 Q1 평면의 D1, 초점 길이 1 (Focal Length 1), Q2 평면의 D2, 초점 길이 2, 및/또는 P 평면의 Dp 값 등이 동적으로 설정될 수 있다. 예를 들어, Q1 평면 또는 Q2 평면의 광학 필터 패턴이, 전기적 신호에 의해 변화하는 광학 요소를 사용하여 동적으로 제어될 수 있다. 또는 Q1 평면 또는 Q2 평면의 위치가 기계적으로 제어되어, 초점 길이들이 제어될 수 있다. 또한, 초점 길이에 대하여 필터의 위치가 변경됨으로써 간섭 신호와 목적 신호의 포커싱 정도가 제어될 수 있다.

예를 들어, 구조의 최적화를 통해 Q2 평면의 크기를 1/2로 줄여 목적 신호만 잘 통과되도록 설계되었음을 가정할 수 있다. 그려면, Q1 평면에 목적 신호인 LG 빔 (L=3)이 입사되었을 때 제1 광학 포커싱에 의해 도 46과 같은 특성이 나타난다. 즉, 표시된 영역과 같이, 목적 신호의 강도가 초점에 집중된다. 목적 신호의 강도가 집중된 영역에서는 여전히 L=3인 나선파의 특성이 나타난다. Q2 평면에서 목적 신호가 필터를 통과하면, 특성이 도 43과 같이 변화한다. 즉, Q2 평면의 광학 필터의 중심부는 막힌 공간이지만, 집중된 목적 신호는 중심부의 막힌 공간보다 큰 도넛 형태의 강도를 가지도 있어, Q2 평면의 광학 필터를 통과할 수 있다. 최종적으로, P 평면에서 목적 신호의 강도 및 3차원 조도를 나타내면 도 48와 같다.

즉, 목적 신호는 Q1 평면의 포커싱에 의해, Q2 평면에서는 강도가 특정 영역으로 포커싱되고, Q2 평면의 필터 구조에 의해, 목적 신호의 주요 강도가 다시 모두 P 평면으로 포커싱된다. 초점으로부터의 강도가 도넛 형태로 분산되므로, 간섭 신호와 대비할 때 P 평면으로 대부분의 에너지가 전달된다. 단일 필터에서는 15.5 dB의 간섭 약화 이득을 얻을 수 있음에 비하여, 이중 필터에서는 31.2 dB의 간섭 약화 이득을 얻을 수 있어, 14.7 dB의 간섭 감쇠 효과를 얻을 수 있다.

만약 1550 nm의 파장을 가지는 목적 신호를 수신한다고 가정하면, 이중 필터 OAM 수신기 (Double filtered OAM Receiver)는 도 49와 같이 구성될 수 있다. Receiver Aperture가 3cm일 때, Q1 Plane의 D1=8mm이고, Focal Length 1는 100mm이며, Q2 Plane의 D2=4mm이고, Focal Length 2는 100mm이며, P plane의 Dp=0.4mm이다. D1의 크기가 커지면, D2와 Dp는 동일하게 증가하며, 선형 관계를 가진다.

상기의 기술된 방식과 유사하게 두 개 이상의 광학를 통해, 간섭 신호와 목적 신호를 구분하여, SINR을 증대하는 기법이 제안된다. 도 50과 같이 수신단에서 광학 포커싱을 수행하는 광학 필터를 다수 개 연속 배치하는 수신단 구조가 제안된다. 수신단의 광학 필터가 다수 개 연속 배치되는 구조의 예시는 도 51과 같이 표현될 수 있다.

제안되는 방법에서, 간섭 신호를 최소화하면서 목적 신호를 극대화할 수 있는 광학 필터의 배치가, 설계 단계에서 목적 환경에 맞게 설정되거나, 동적으로 설정될 수 있다. 최적화를 위해 QN 평면의 DN, 초점 길이 N, Q2 평면의 D2, 및/또는 P 평면의 Dp 값 등이 최적으로 설정될 수 있다. N은 1 이상의 자연수로, 필터의 개수를 나타낸다.

최적화를 위한 파라미터의 동적 설정은, 수신기의 환경에 기반하여 달라질 수 있다.

먼저, 간섭 레젤에 따라 최적화를 위한 파라미터가 동적으로 설정될 수 있다. 간섭 레벨이 높은 환경에서는, Q1 평면 및 Q2 이상의 평면에서 간섭을 최대한 감소시켜야 한다. 따라서, 간섭 레벨이 높은 환경에서는 간섭 빔의 초점이 Q2 평면의 광학 필터의 막힌 공간에 제1 포커싱되도록 수학식 6과 같이 설정된다. 광학 필터의 막힌 공간은, 빔이 통과할 수 없는 영역에 해당한다.

[수학식 6]

거리에 따라 최적화를 위한 파라미터가 동적으로 설정될 수도 있다. 송신단과 수신단의 거리가 가까울수록 사용 가능한 OAM 모드의 수가 증가한다. 채널 영향이 적도 빔 다이버전스에 의한 빔 확산 정도가 크지 않기 때문이다. 즉, 고차 모드의 OAM 모드도 목적 빔에 사용될 수 있다. 고차 OAM 모드의 경우, Q1 평면에서 포커싱된 광학 빔이 Q2 평면 이상에서 더 큰 크기의 강도 분포를 가지게 된다. 따라서, 수학식 7과 같이, Q2 이상의 D2 크기를 크게 하여, 목적 빔이 손실 없이 수신되도록 해야 한다.

[수학식 7]

간섭 정도에 따라 복수의 광학 필터들의 사용 여부가 결정될 수도 있다. 간섭 레벨이 높은 환경에서는 간섭 감쇠 요구 조건이 증가하므로, 필터의 수를 늘려 간섭을 줄여야 한다. 필터의 수가 증가하면, 수신기 크기가 증가되고 구현 복잡도가 증가될 수 있다. 구현의 용이성을 위해, 다중 필터들이 구현된 상태에서 특정 필터가 비활성화(disable)될 수 있다. 예를 들어, 전계를 가하면 필터가 활성화되고, 전계를 가하지 않으면 필터가 투명하게 비활성화되는 광학 소자를 사용하여, 필터의 개수가 동적으로 제어될 수 있다. 또한, 빔 스플리터 (Beam Splitter)를 통해, 필터 체인 (filter chain)과 다중 필터 체인을 구성되면, 제안된 설정들을 기반으로 수신 신호가 단일 필터 체인과 다중 필터 체인에 선택적으로 인가될 수 있다.

본 명세서에서 광학 빔(또는 신호)의 위상면(phasefront) 특성을 기반으로, 광학 포커싱을 수행하여 간섭과 목적 신호를 구분하는 기술에 대해서, LG 빔 및 OAM 빔으로 설명된 것은, 위상면 특성을 가지는 다른 형태의 광학 빔에 대해서도 동일하게 적용될 수 있다. 예를 들어, Rectangular transverse mode patterns를 가지는 HG (Hermite-Gaussian) 모드들 및/또는 TEM _mn에 대해서도 본 명세서에 기술된 방법에 의해 간섭과 목적 신호가 구별될 수 있다. HG 빔의 경우, 위상면 특성이 LG 빔과 같은 원형(circular) 페이즈 변화가 아닌 직교형(rectangular) 페이즈 변화 특성을 가진다. 예를 들어, 도 52와 같이 LG 빔과 HG 빔은 모드 'pl'과 'mn'의 값에 따라 강도 및 페이즈가 형성될 수 있다.

따라서, HG 빔 또한 본 명세서에서 기술된 페이즈 특성에 기반하여, 광학 포커싱을 수행하는 광학 필터 이후에 도 53과 같은 형태로 목적 신호가 포커싱될 수 있다. 광학 필터 이후의 목적 신호가 포커싱되는 면은 초점면(focal plane)일 수 있다.

따라서, 위상면에서 페이즈 차이를 가지는 특성이 있다면, 다른 모든 형태의 광학 빔들에 대해서도 본 명세서에 기술된 실시예들이 적용될 수 있다.

본 명세서에 기술된 실시예들은, 통신 장치의 간섭 인지에 따라 동적으로 적용 여부가 결정될 수 있다. 예를 들어, 송신단 및/또는 수신단이 간섭을 인지한 경우에만 간섭 제거 및/또는 간섭 분리를 위해 본 명세서에 기술된 실시예들 중 하나 이상의 동작이 시작될 수 있다. 송신단 및/또는 수신단이 간섭을 인지하지 못하거나 인지한 간섭의 크기가 임계값 이하/미만인 경우에는 본 명세서에 기술된 실시예들 중 하나 이상의 동작이 이루어지지 않을 수 있다. 예를 들어, 송신단 및/또는 수신단에서 간섭을 인지 및 또는 임계값과 대비하여 특정 동작을 활성화 여부를 결정하는 경우에 대한 실시예는, 도 54와 같을 수 있다.

5.1 간섭 인지 기반의 전송 모드 선택

5.1.1 송신단에서 간섭 인지 기반의 전송 모드 선택

5.1.1.1. 도 54(a)는 송신단이 간섭을 인지하여 페이즈 마스크를 선택하는 일 예를 나타낸다. 송신단은 사전에 정해진 방법을 통해, 간섭을 탐지 및/또는 측정한다. 사전에 정해진 방법은, 예를 들어, 간섭을 인지하기 위해 에너지 탐지 관점에서 송신단/수신단 링크 주변의 광학 자원을 인지하는 방법일 수 있다.

5.1.1.2. 송신단은, 인지된 간섭 정보를 기반으로 목적 신호를 위한 모드 0의 사용 여부를 판단한다. 사전에 정의된 임계값보다 간섭이 적거나 없는 경우, 모드 0의 사용이 없어도 목적 신호에 대한 간섭의 영향이 적어, 목적 신호의 복호가 가능할 수 있어, 모드 0를 목적 신호 송신에 사용한다.

5.1.1.3. 기존의 링크(Legacy Link)를 통해, 무선 광 통신을 위한 제어 정보가 공유될 수 있다. 기존의 링크는, 예를 들어, LTE, LTE-A, NR, Wi-Fi, Bluetooth 등 기 존재하는 무선 통신 방식 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 또는 브로드캐스트 메시지가 광학 자원을 통해 브로드캐스트됨으로써, 무선 광 통신을 위한 제어 정보가 공유될 수 있다. 브로드캐스트 메시지는, 예를 들어, LTE/LTE-A의 PBCH 또는 Common Control Channel과 같이, 사전에 정의된 양식의 브로드캐스트 메시지일 수 있다. 무선 광 통신을 위한 제어 정보는, 목적 신호를 위한 모드 0의 사용 여부에 대한 정보를 포함할 수 있다.

5.1.1.4. 송신단은 모드 0를 사용하여 목적 신호를 전송한다.

5.1.2. 수신단에서 간섭 인지 기반의 전송 모드 선택

5.1.2.1. 도 54(b)는 수신단이 간섭을 인지하여 전송 모드를 선택하는 일 예를 나타낸다. 수신단은 사전에 정해진 방법을 통해, 간섭을 탐지 및/또는 측정한다. 사전에 정해진 방법은, 예를 들어, 간섭을 인지하기 위해 에너지 탐지 관점에서 송신단/수신단 링크 주변의 광학 자원을 인지하는 방법일 수 있다.

5.1.2.2. 수신단은, 인지된 간섭 정보를 송신단에 전송 및/또는 피드백할 수 있다. 간섭 정보는, 예를 들어, 기 정의된 임계값을 기반으로 양자화된 간섭의 크기 및/또는 간섭의 존재 여부에 대한 정보일 수 있다.

5.1.2.3. 송신단은, 수신한 간섭 정보를 기반으로 목석 신호를 위한 모드 0의 사용 여부를 판단한다. 사전에 정의된 임계값보다 간섭이 적거나 없는 경우, 페이즈 마스크의 사용이 없어도 목적 신호에 대한 간섭의 영향이 적어, 목적 신호의 복호가 가능할 수 있어, 모드 0를 목적 신호 송신에 사용한다.

5.1.2.3. 기존의 링크(Legacy Link)를 통해, 무선 광 통신을 위한 제어 정보가 공유될 수 있다. 기존의 링크는, 예를 들어, LTE, LTE-A, NR, Wi-Fi, Bluetooth 등 기 존재하는 무선 통신 방식 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 또는 브로드캐스트 메시지가 광학 자원을 통해 브로드캐스트됨으로써, 무선 광 통신을 위한 제어 정보가 공유될 수 있다. 브로드캐스트 메시지는, 예를 들어, LTE/LTE-A의 PBCH 또는 Common Control Channel과 같이, 사전에 정의된 양식의 브로드캐스트 메시지일 수 있다. 무선 광 통신을 위한 제어 정보는, 목적 신호를 위한 모드 0의 사용 여부에 대한 정보를 포함할 수 있다.

5.1.2.4. 송신단은 모드 0를 사용하여 목적 신호를 전송한다.

수신단은 모드0의 사용 여부를 직접 결정할 수도 있다. 수신단은 모드 0의 사용 여부를 결정하고, 송신단으로 페이즈 마스크의 활성화 및/또는 비활성화 정보를 전송 및/또는 피드백할 수 있다. 송신단은 수신한 정보를 기반으로 모드 0를 사용하여 목적 신호를 수신단으로 전송할 수 있다.

Mode 0는 LG 빔의 경우, 위상면이 모두 동일한 페이즈를 가지는 가우시안 빔을 의미한다. 가우시안 빔은 햇빛과 위상면 특성이 같아, 목적신호와 간섭신호의 구분이 어렵지만, 간섭이 임계값 미만 또는 이하인 경우에는 구분의 필요성이 낮으므로 사용이 가능할 수 있다.

구현예

이상에서 설명된 동작들 중 하나 이상이 유기적으로 결합되어 실시예들이 구현될 수 있다.

앞서 설명된 동작들의 조합에 의해 구현 가능한 실시예 중 하나는 도 55와 같을 수 있다. 도 55의 동작을 수행하는 주체는 본 명세서를 통해 설명된 수신단일 수 있으며, 수신단은 도 1에 도시된 기지국 및/또는 단말을 포함할 수 있다. 도 55에서, 수신단은 제1 통신 장치로, 송신단은 제2 통신 장치로 지칭될 수 있다.

제1 통신 장치는, 목적 신호 및 간섭 신호를 포함하는 광 신호를 수신하고(S6501), 상기 간섭 신호를 감소시키고(S6503), 상기 간섭 신호가 감소된 상기 광 신호를 포토다이오드 어레이를 통해 전기적 신호로 변환할 수 있다.

상기 간섭 신호는, 도 35와 같은 구조의, 상기 광 신호가 입사되는 제1 광학 필터(Q1 plane) 및 상기 제1 광학 필터를 통과한 광 신호가 입사되는 제2 광학 필터(Q2 plane)를 통해 감소될 수 있다. 도 45와 관련하여 설명된 바와 같이, 상기 제1 광학 필터의 길이 D1, 상기 제2 광학 필터의 길이 D2, 상기 제1 광학 필터와 상기 제2 광학 필터 사이의 초점 거리 F1, 상기 제2 광학 필터와 상기 포토다이오드 어레이 사이의 거리 F2, 및/또는 상기 포토다이오드 어레이의 길이 Dp에 기반하여 감소될 수 있다. 제1 광학 필터 및 제2 광학 필터는 정사각형 또는 원형일 수 있다. 제1 광학 필터 및 제2 광학 필터가 원형인 경우, 길이 D1과 D2는 필터의 직경에 해당할 수 있다. 상기 D1, 상기 D2, 상기 F1, 상기 F2 및/또는 상기 Dp는, 목적 신호의 파장, 간섭 레벨, 및/또는 상기 제1 통신 장치와 제2 통신 장치 사이의 거리를 고려하여 결정될 수 있다.

상기 제1 통신 장치는, 상기 제1 광학 필터 및 상기 제2 광학 필터 외의 하나 이상의 광학 필터를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 광학 필터, 상기 제2 광학 필터, 및/또는 상기 하나 이상의 광학 필터는, 간섭 레벨에 기반하여 활성화 또는 비활성화될 수 있다.

5.1절을 통해 설명된 바와 같이, 상기 간섭 신호의 간섭 레벨이 임계값 이하인 경우 상기 목적 신호에는 제1 모드(mode)가 적용될 수 있다. 제1 모드는, 5.1절에서 설명된 모드 0에 해당한다. 따라서 간섭이 임계값 이하로 낮은 상태인 경우 간섭 감소의 필요성이 낮으므로, 상기 제1 모드의 적용에 기반하여, 상기 목적 신호의 일정 광 강도(light intensity) 이상이 상기 포토다이오드 어레이의 정중앙으로부터 일정 거리 이내에 위치하게 된다.

광학 필터의 사용 여부 및/또는 모드 0의 사용 여부가 간섭 레벨에 기반하여 동적으로 정해짐으로써, 송신단/수신단의 연산 및 자원 사용이 보다 효율적으로 수행될 수 있다.

간섭 레벨의 측정 방법 및 주체는 5.1절에서 설명된 바를 따를 수 있다. 예를 들어, 간섭은 에너지 탐지 관점에서 송신단/수신단 링크 주변의 광학 자원을 인지하는 방법에 의해 측정될 수 있다. 간섭은 (i) 제1 통신 장치에 의해 측정 또는 (ii) 제2 통신 장치로부터 측정되고 제1 통신 장치에 의해 수신될 수 있다. 모드 0의 사용 여부에 대한 정보는 (i) 무선 광 통신이 아닌 통신 방식을 통해 전송되거나, (ii) 무선 광 통신을 통해 브로드캐스트될 수 있다.

포토다이오드에 도달한 광 신호 중 전기적 신호로 변환되는 영역은, 4.1절에서 설명된 바와 같이 유효 영역에 해당한다. 유효 영역은, 4.1절에서 설명된 방법들 중 하나에 따라 설정될 수 있다. 예를 들어, 포토다이오드 어레이의 유효 영역은, 제2 임계값 이상의 조도 세기(irradiance Power; P_irr)를 가지는 포토다이오드를 포함하며, 상기 유효 영역에 포함되는 포토다이오드에 도달한 광 신호가 상기 전기적 신호로 변환될 수 있다. 상기 제2 임계값은, 상기 포토다이오드 어레이 내에서 측정되는 가장 큰 조도 세기에 기반하여 설정될 수 있다.

이상에서 설명된 도 55의 동작들에 더하여, 도 1 내지 도 54를 통해 설명된 동작 중 하나 이상이 결합되어 추가로 수행될 수 있다.

본 명세서를 통해 설명된 무선 광 통신은 인공 지능, 로봇, 자율 주행 차량 등 다양한 분야에 응용될 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 개시는 3GPP LTE/LTE-A, 5G 시스템 등 다양한 무선통신 시스템에서 산업상으로 적용이 가능하다.

Claims (15)

1. 무선 광 통신에서 제1 통신 장치의 신호 송수신 방법에 있어서,

   목적 신호 및 간섭 신호를 포함하는 광 신호를 수신하는 단계; 및

   상기 간섭 신호를 감소시키는 단계;

   상기 간섭 신호가 감소된 상기 광 신호를 포토다이오드 어레이(photodiode array)를 통해 전기적 신호로 변환하는 단계; 를 포함하고,

   상기 간섭 신호는, 상기 광 신호가 입사되는 제1 광학 필터 및 상기 제1 광학 필터를 통과한 광 신호가 입사되는 제2 광학 필터를 통해 감소되는,

   신호 송수신 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 간섭 신호는,

   상기 제1 광학 필터의 길이 D1, 상기 제2 광학 필터의 길이 D2, 상기 제1 광학 필터와 상기 제2 광학 필터 사이의 초점 거리 F1, 상기 제2 광학 필터와 상기 포토다이오드 어레이 사이의 거리 F2, 및/또는 상기 포토다이오드 어레이의 길이 Dp에 기반하여 감소되는,

   신호 송수신 방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 D1, 상기 D2, 상기 F1, 상기 F2 및/또는 상기 Dp는,

   목적 신호의 파장, 간섭 레벨, 및/또는 상기 제1 통신 장치와 제2 통신 장치 사이의 거리를 고려하여 결정되는,

   신호 송수신 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1 통신 장치는, 상기 제1 광학 필터 및 상기 제2 광학 필터 외의 하나 이상의 광학 필터를 더 포함하는,

   신호 송수신 방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 제1 광학 필터, 상기 제2 광학 필터, 및/또는 상기 하나 이상의 광학 필터는,

   간섭 레벨에 기반하여 활성화 또는 비활성화되는,

   신호 송수신 방법.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 간섭 신호의 간섭 레벨이 임계값 이하인 경우 상기 목적 신호에는 제1 모드(mode)가 적용되며,

   상기 제1 모드의 적용에 기반하여, 상기 목적 신호의 일정 광 강도(light intensity) 이상이 상기 포토다이오드 어레이의 정중앙으로부터 일정 거리 이내에 위치하는,

   신호 송수신 방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 제1 모드의 적용 여부에 대한 정보는 (i) 상기 무선 광 통신이 아닌 통신 방식을 통해 전송되거나, (ii) 상기 무선 광 통신을 통해 브로드캐스트(broadcast)되는,

   신호 송수신 방법.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 포토다이오드 어레이의 유효 영역은, 제2 임계값 이상의 조도 세기(irradiance Power)를 가지는 포토다이오드를 포함하며,

   상기 유효 영역에 포함되는 포토다이오드에 도달한 광 신호가 상기 전기적 신호로 변경되는,

   신호 송수신 방법.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 제2 임계값은, 상기 포토다이오드 어레이 내에서 측정되는 가장 큰 조도 세기에 기반하여 설정되는,

   신호 송수신 방법.
10. 무선 광 통신 시스템에서 신호를 송수신하기 위한 제1 통신 장치에 있어서,

    적어도 하나의 트랜시버;

    적어도 하나의 프로세서; 및

    상기 적어도 하나의 프로세서에 동작 가능하도록 연결되고, 실행될 경우 상기 적어도 하나의 프로세서가 특정 동작을 수행하도록 하는 명령들(instructions)을 저장하는 적어도 하나의 메모리; 를 포함하고,

    상기 특정 동작은,

    목적 신호 및 간섭 신호를 포함하는 광 신호를 수신하고,

    상기 간섭 신호를 감소시키며,

    상기 간섭 신호가 감소된 상기 광 신호를 포토다이오드 어레이(photodiode array)를 통해 전기적 신호로 변환하는 것을 포함하고,

    상기 트랜시버는, 상기 광 신호가 입사되는 제1 광학 필터 및 상기 제1 광학 필터를 통과한 광 신호가 입사되는 제2 광학 필터를 포함하고,

    상기 간섭 신호는, 상기 제1 광학 필터 및 상기 제2 광학 필터를 통해 감소되는,

    제1 통신 장치.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 간섭 신호는,

    상기 제1 광학 필터의 길이 D1, 상기 제2 광학 필터의 길이 D2, 상기 제1 광학 필터와 상기 제2 광학 필터 사이의 초점 거리 F1, 상기 제2 광학 필터와 상기 포토다이오드 어레이 사이의 거리 F2, 및/또는 상기 포토다이오드 어레이의 길이 Dp에 기반하여 감소되는,

    제1 통신 장치.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 D1, 상기 D2, 상기 F1, 상기 F2 및/또는 상기 Dp는,

    목적 신호의 파장, 간섭 레벨, 및/또는 상기 제1 통신 장치와 제2 통신 장치 사이의 거리를 고려하여 결정되는,

    제1 통신 장치.
13. 제 10 항에 있어서,

    상기 간섭 신호의 간섭 레벨이 임계값 이하인 경우 상기 목적 신호에는 제1 모드(mode)가 적용되며,

    상기 제1 모드의 적용에 기반하여, 상기 목적 신호의 일정 광 강도(light intensity) 이상이 상기 포토다이오드 어레이의 정중앙으로부터 일정 거리 이내에 위치하는,

    제1 통신 장치.
14. 제 10 항에 있어서,

    상기 포토다이오드 어레이의 유효 영역은, 제2 임계값 이상의 조도 세기(irradiance Power)를 가지는 포토다이오드를 포함하며,

    상기 유효 영역에 포함되는 포토다이오드에 도달한 광 신호가 전기적 신호로 변경되는,

    제1 통신 장치.
15. 제 14 항에 있어서,

    상기 제2 임계값은, 상기 포토다이오드 어레이 내에서 측정되는 가장 큰 조도 세기에 기반하여 설정되는,

    제1 통신 장치.

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