WO2023101371A1 - 양자 통신 시스템에서 복잡도를 낮춘 양자 보안 직접 통신을 수행하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

양자 통신 시스템에서 복잡도를 낮춘 양자 보안 직접 통신을 수행하기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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WO2023101371A1
WO2023101371A1 PCT/KR2022/019111 KR2022019111W WO2023101371A1 WO 2023101371 A1 WO2023101371 A1 WO 2023101371A1 KR 2022019111 W KR2022019111 W KR 2022019111W WO 2023101371 A1 WO2023101371 A1 WO 2023101371A1
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안병규
이상림
이호재
김자영
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엘지전자 주식회사
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    • H04B10/075—Arrangements for monitoring or testing transmission systems; Arrangements for fault measurement of transmission systems using an in-service signal
    • H04B10/079—Arrangements for monitoring or testing transmission systems; Arrangements for fault measurement of transmission systems using an in-service signal using measurements of the data signal
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    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L9/00—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
    • H04L9/08—Key distribution or management, e.g. generation, sharing or updating, of cryptographic keys or passwords

Definitions

  • This disclosure relates to a quantum communication system. Specifically, the present disclosure relates to an apparatus and method for performing two-step quantum secure direct communication (QSDC) with reduced complexity without quantum memory and Bell state measurement of a receiver in a quantum communication system. will be.
  • QSDC quantum secure direct communication
  • quantum cryptographic communication Due to the advent of quantum computers, it has become possible to hack existing cryptographic systems based on mathematical complexity (eg, RSA, AES, etc.). To prevent hacking, quantum cryptographic communication is proposed.
  • the present disclosure relates to a quantum secure direct communication (QSDC) technique that can directly transmit message information safely through a quantum channel among quantum communication techniques, and is a representative technique, entanglement-based two-step QSDC
  • QSDC quantum secure direct communication
  • the present disclosure provides a quantum memory used to detect a signal in an entangled state including message information in a receiver of a two-step QSDC protocol based on an entanglement light source and a low complexity entanglement signal received without using a Bell state measurement method.
  • a method and apparatus capable of reducing the configuration complexity of a receiving unit capable of detecting classical message information to be transmitted through detection of individual single photon detection methods and then checking whether the results match.
  • the present disclosure provides an apparatus and method for performing quantum secure direct communication with reduced complexity in a quantum communication system.
  • the present disclosure provides an apparatus and method for performing two-step quantum secure direct communication (QSDC) with reduced complexity without quantum memory and Bell state measurement of a receiver in a quantum communication system.
  • QSDC quantum secure direct communication
  • the present disclosure provides an apparatus and method for reducing receiver complexity of an entanglement-based two-step QSDC protocol.
  • the present disclosure does not use the quantum memory and Bell state measurement method used to detect the signal of the entangled state including the message information in the receiver of the two-step QSDC protocol based on the entangled light source, but instead uses the single photon detection method.
  • an apparatus and method that reduces the complexity of the receiver configuration.
  • the present disclosure detects a received entanglement signal with a low-complexity individual single photon detection method, and then checks whether the results match to detect classical message information to be transmitted.
  • An apparatus capable of reducing the configuration complexity of a receiving unit and methods.
  • a checking sequence is received from a second node through a first quantum channel, and the checking sequence is Constructing entangled photon pairs (Einstein-Podolsky-Rosen pairs, EPR-pairs) together with a message coding sequence, without storing the checking sequence in a quantum memory, randomly selected second of the checking sequences Determining a first measurement value by performing single photon detection on a portion corresponding to one position based on first basis information, the first position, the first basis information, the storing information of a first measured value in a general memory; transmitting information of the first location, the first base information, and the first measured value to the second node through a first classical channel; Receiving a message coding sequence in which 1-bit classical message information is encoded through a second quantum channel, the first base information for a part corresponding to the first position among the message coding sequences Determining a second measurement value by performing single photo
  • a general memory, a transceiver, and at least one processor are included, and the at least one processor is a first node through a first quantum channel.
  • Receive a checking sequence from node 2 the checking sequence together with a message coding sequence constitute entangled photon pairs (Einstein-Podolsky-Rosen pairs, EPR-pairs), and the checking sequence
  • a first measured value is obtained by performing single photon detection based on first basis information for a part corresponding to a randomly selected first position of the checking sequence without storing in a quantum memory.
  • a second measurement value is determined by performing single photon measurement on the part corresponding to the first position based on the first basic information, and determining whether the first measurement value stored in the general memory matches the second measurement value
  • a first node configured to detect the classical information based on the above is provided.
  • the one or more instructions based on being executed by one or more processors, perform operations. And the above operations receive a checking sequence from the second node through a first quantum channel, and the checking sequence is entangled photon pairs (Einstein) together with a message coding sequence Forming Podolsky-Rosen pairs (EPR-pairs), first basis information for a part corresponding to a randomly selected first position among the checking sequences without storing the checking sequence in a quantum memory Determining a first measurement value by performing single photon detection based on, storing information of the first location, the first base information, and the first measurement value in a general memory; Transmitting information of the first position, the first basis information, and the first measured value to a second node through a first classical channel, classical message information of 1 bit (through a second quantum channel) Receiving a message coding sequence in which classical message information is encoded, determining
  • the present disclosure may provide an apparatus and method for performing quantum secure direct communication with reduced complexity in a quantum communication system.
  • the present disclosure provides an apparatus and method for performing two-step quantum secure direct communication (QSDC) with reduced complexity without quantum memory and Bell state measurement of a receiver in a quantum communication system. .
  • QSDC quantum secure direct communication
  • the present disclosure may provide an apparatus and method for reducing receiver complexity of an entanglement-based two-step QSDC protocol.
  • the present disclosure does not use the quantum memory and Bell state measurement method used to detect the signal of the entangled state including the message information in the receiver of the two-step QSDC protocol based on the entangled light source, but instead uses the single photon detection method. It is possible to provide an apparatus and method in which the complexity of the receiver configuration is reduced.
  • the present disclosure detects a received entanglement signal with a low-complexity individual single photon detection method, and then checks whether the results match to detect classical message information to be transmitted.
  • An apparatus capable of reducing the configuration complexity of a receiving unit and methods can be provided.
  • NG-RAN New Generation Radio Access Network
  • 2 is a diagram illustrating functional division between NG-RAN and 5GC.
  • 3 is a diagram illustrating an example of a 5G usage scenario.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of a communication structure that can be provided in a 6G system.
  • FIG. 5 is a diagram schematically illustrating an example of a perceptron structure.
  • FIG. 6 is a diagram schematically illustrating an example of a multilayer perceptron structure.
  • FIG. 7 is a diagram schematically illustrating an example of a deep neural network.
  • FIG. 8 is a diagram schematically illustrating an example of a convolutional neural network.
  • FIG. 9 is a diagram schematically illustrating an example of a filter operation in a convolutional neural network.
  • FIG. 10 is a diagram schematically illustrating an example of a neural network structure in which a cyclic loop exists.
  • FIG. 11 is a diagram schematically illustrating an example of an operating structure of a recurrent neural network.
  • FIG. 12 is a diagram showing an example of an electromagnetic spectrum.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating an example of a THz communication application.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating an example of an electronic element-based THz wireless communication transceiver.
  • 15 is a diagram illustrating an example of a method of generating a THz signal based on an optical element.
  • 16 is a diagram showing an example of an optical element-based THz wireless communication transceiver.
  • 17 is a diagram showing the structure of a photoinc source-based transmitter.
  • 18 is a diagram showing the structure of an optical modulator.
  • FIG. 20 is a diagram showing an example of a configuration of a two step QSDC (two step QSDC) in a system applicable to the present disclosure.
  • 21 is a diagram showing an example of a process of changing an EPR pair in a two-step QSDC protocol in a system applicable to the present disclosure.
  • FIG. 22 is a diagram showing an example of partial Bell state measurement (partial BSM) in a system applicable to the present disclosure.
  • FIG. 23 is a diagram showing an example of complete Bell state measurement (complete BSM) in a system applicable to the present disclosure.
  • FIG. 24 is a diagram showing an example of a two-stage QSDC in which a quantum memory and a BSM of a receiver are omitted in a system applicable to the present disclosure.
  • 25 is a diagram illustrating an example of a configuration of a polarization-based two-step QSDC protocol in a system applicable to the present disclosure.
  • 26 is a diagram illustrating an example of a process of generating entangled photons using a spontaneous parametric down conversion (SPDC) method in a system applicable to the present disclosure.
  • SPDC spontaneous parametric down conversion
  • FIG. 27 is a diagram illustrating examples of an operation process of a first node in a system applicable to the present disclosure.
  • 29 illustrates a wireless device applicable to various embodiments of the present disclosure.
  • FIG. 30 illustrates another example of a wireless device applicable to various embodiments of the present disclosure.
  • 31 illustrates a signal processing circuit for a transmission signal.
  • 32 illustrates another example of a wireless device applied to various embodiments of the present disclosure.
  • 35 illustrates a vehicle applied to various embodiments of the present disclosure.
  • a or B may mean “only A”, “only B”, or “both A and B”. In other words, in various embodiments of the present disclosure, “A or B” may be interpreted as “A and/or B”.
  • “A, B, or C” means “only A,” “only B,” “only C,” or “any of A, B, and C. It may mean "any combination of A, B and C”.
  • a slash (/) or a comma (comma) used in various embodiments of the present disclosure may mean “and/or”.
  • A/B can mean “A and/or B”.
  • A/B may mean “only A”, “only B”, or “both A and B”.
  • A, B, C may mean "A, B or C”.
  • “at least one of A and B” may mean “only A”, “only B”, or “both A and B”.
  • the expression "at least one of A or B” or “at least one of A and/or B” can be interpreted the same as “at least one of A and B”.
  • At least one of A, B and C means “only A”, “only B”, “only C”, or “A” , B and C (any combination of A, B and C)". Also, “at least one of A, B or C” or “at least one of A, B and/or C” means It can mean “at least one of A, B and C”.
  • parentheses used in various embodiments of the present disclosure may mean “for example”. Specifically, when indicated as “control information (PDCCH)”, “PDCCH” may be suggested as an example of “control information”. In other words, "control information" of various embodiments of the present disclosure is not limited to "PDCCH”, and “PDDCH” may be suggested as an example of "control information”. Also, even when displayed as “control information (ie, PDCCH)”, “PDCCH” may be suggested as an example of “control information”.
  • new radio access technology new RAT, NR
  • next-generation communication As more and more communication devices require greater communication capacity, a need for improved mobile broadband communication compared to conventional radio access technology (RAT) has emerged.
  • massive machine type communications MTC
  • MTC massive machine type communications
  • communication system design considering reliability and latency-sensitive services/terminals is being discussed.
  • next-generation wireless access technologies considering enhanced mobile broadband communication, massive MTC, URLLC (Ultra-Reliable and Low Latency Communication), etc. is being discussed, and in various embodiments of the present disclosure, for convenience,
  • the technology is called new RAT or NR.
  • NG-RAN New Generation Radio Access Network
  • an NG-RAN may include a gNB and/or an eNB that provides user plane and control plane protocol termination to a UE.
  • 1 illustrates a case including only gNB.
  • gNB and eNB are connected to each other through an Xn interface.
  • the gNB and the eNB are connected to a 5G Core Network (5GC) through an NG interface.
  • 5GC 5G Core Network
  • AMF access and mobility management function
  • UPF user plane function
  • 2 is a diagram illustrating functional division between NG-RAN and 5GC.
  • the gNB is inter-cell radio resource management (Inter Cell RRM), radio bearer management (RB control), connection mobility control (Connection Mobility Control), radio admission control (Radio Admission Control), measurement setup and provision (Measurement configuration & provision) and dynamic resource allocation.
  • AMF can provide functions such as NAS security and idle state mobility handling.
  • UPF may provide functions such as mobility anchoring and PDU processing.
  • Session Management Function (SMF) may provide functions such as terminal IP address allocation and PDU session control.
  • 3 is a diagram illustrating an example of a 5G usage scenario.
  • the 5G usage scenario shown in FIG. 3 is just an example, and technical features of various embodiments of the present disclosure may also be applied to other 5G usage scenarios not shown in FIG. 3 .
  • the three major requirements areas of 5G are (1) enhanced mobile broadband (eMBB) area, (2) massive machine type communication (mMTC) area, and ( 3) It includes the ultra-reliable and low latency communications (URLLC) area.
  • eMBB enhanced mobile broadband
  • mMTC massive machine type communication
  • URLLC ultra-reliable and low latency communications
  • Some use cases may require multiple areas for optimization, while other use cases may focus on just one key performance indicator (KPI).
  • KPI key performance indicator
  • eMBB focuses on overall improvements in data rate, latency, user density, capacity and coverage of mobile broadband access.
  • eMBB targets a throughput of around 10 Gbps.
  • eMBB goes far beyond basic mobile Internet access, and covers rich interactive work, media and entertainment applications in the cloud or augmented reality.
  • Data is one of the key drivers of 5G, and we may not see dedicated voice services for the first time in the 5G era.
  • voice is expected to be handled simply as an application using the data connection provided by the communication system.
  • the main causes of the increased traffic volume are the increase in content size and the increase in the number of applications requiring high data rates.
  • Streaming services audio and video
  • interactive video and mobile internet connections will become more widely used as more devices connect to the internet.
  • Cloud storage and applications are rapidly growing in mobile communication platforms, which can be applied to both work and entertainment.
  • Cloud storage is a particular use case driving the growth of uplink data rates.
  • 5G is also used for remote work in the cloud, requiring much lower end-to-end latency to maintain a good user experience when tactile interfaces are used.
  • cloud gaming and video streaming are other key factors driving the demand for mobile broadband capabilities.
  • Entertainment is essential on smartphones and tablets everywhere, including in highly mobile environments such as trains, cars and planes.
  • Another use case is augmented reality for entertainment and information retrieval.
  • augmented reality requires very low latency and instantaneous amount of data.
  • mMTC is designed to enable communication between high-volume, low-cost devices powered by batteries, and is intended to support applications such as smart metering, logistics, field and body sensors.
  • mMTC targets 10 years of batteries and/or 1 million devices per square kilometer.
  • mMTC enables seamless connectivity of embedded sensors in all fields and is one of the most anticipated 5G use cases. Potentially, IoT devices are predicted to reach 20.4 billion by 2020.
  • Industrial IoT is one area where 5G is playing a key role enabling smart cities, asset tracking, smart utilities, agriculture and security infrastructure.
  • URLLC enables devices and machines to communicate with high reliability, very low latency and high availability, making it ideal for vehicular communications, industrial controls, factory automation, remote surgery, smart grid and public safety applications.
  • URLLC targets latency on the order of 1 ms.
  • URLLC includes new services that will transform industries through ultra-reliable/low-latency links, such as remote control of critical infrastructure and autonomous vehicles. This level of reliability and latency is essential for smart grid control, industrial automation, robotics, and drone control and coordination.
  • 5G can complement fiber-to-the-home (FTTH) and cable-based broadband (or DOCSIS) as a means of delivering streams rated at hundreds of megabits per second to gigabits per second.
  • FTTH fiber-to-the-home
  • DOCSIS cable-based broadband
  • Such high speeds may be required to deliver TV at resolutions of 4K and beyond (6K, 8K and beyond) as well as virtual reality (VR) and augmented reality (AR).
  • VR and AR applications include almost immersive sports events. Certain applications may require special network settings. For example, in the case of VR games, game companies may need to integrate their core servers with the network operator's edge network servers to minimize latency.
  • Automotive is expected to be an important new driver for 5G, with many use cases for mobile communications to vehicles. For example, entertainment for passengers requires both high capacity and high mobile broadband. The reason is that future users will continue to expect high-quality connections regardless of their location and speed.
  • Another use case in the automotive sector is augmented reality dashboards.
  • Drivers can identify objects in the dark above what they are viewing through the front window via an augmented reality contrast board.
  • the augmented reality dashboard displays overlaid information to inform the driver about the distance and movement of objects.
  • wireless modules will enable communication between vehicles, exchange of information between vehicles and supporting infrastructure, and exchange of information between vehicles and other connected devices (eg devices carried by pedestrians).
  • a safety system can help reduce the risk of an accident by guiding the driver through an alternate course of action to make driving safer.
  • the next step will be remotely controlled or self-driving vehicles. This requires very reliable and very fast communication between different autonomous vehicles and/or between vehicles and infrastructure. In the future, autonomous vehicles will perform all driving activities, leaving drivers to focus only on traffic anomalies that the vehicle itself cannot identify. The technological requirements of autonomous vehicles require ultra-low latency and ultra-high reliability to increase traffic safety to levels that humans cannot achieve.
  • Smart cities and smart homes will be embedded with high-density wireless sensor networks.
  • a distributed network of intelligent sensors will identify conditions for cost- and energy-efficient maintenance of a city or home.
  • a similar setup can be done for each household.
  • Temperature sensors, window and heating controllers, burglar alarms and appliances are all connected wirelessly. Many of these sensors typically require low data rates, low power and low cost.
  • real-time HD video for example, may be required in certain types of devices for surveillance.
  • a smart grid interconnects these sensors using digital information and communication technologies to gather information and act on it. This information can include supplier and consumer behavior, enabling the smart grid to improve efficiency, reliability, affordability, sustainability of production and distribution of fuels such as electricity in an automated manner.
  • the smart grid can also be viewed as another low-latency sensor network.
  • the health sector has many applications that can benefit from mobile communications.
  • the communication system may support telemedicine, which provides clinical care at a remote location. This can help reduce barriers to distance and improve access to health services that are not consistently available in remote rural areas. It is also used to save lives in critical care and emergencies.
  • Mobile communication-based wireless sensor networks can provide remote monitoring and sensors for parameters such as heart rate and blood pressure.
  • Wireless and mobile communications are becoming increasingly important in industrial applications. Wiring is expensive to install and maintain. Thus, the possibility of replacing cables with reconfigurable wireless links is an attractive opportunity for many industries. However, achieving this requires that wireless connections operate with comparable latency, reliability and capacity to cables, and that their management be simplified. Low latency and very low error probability are the new requirements that need to be connected with 5G.
  • Logistics and freight tracking is an important use case for mobile communications enabling the tracking of inventory and packages from anywhere using location-based information systems.
  • Logistics and freight tracking use cases typically require low data rates, but may require wide range and reliable location information.
  • next-generation communication eg. 6G
  • 6G next-generation communication
  • 6G (radio communications) systems are characterized by (i) very high data rates per device, (ii) very large number of connected devices, (iii) global connectivity, (iv) very low latency, (v) battery- It aims to lower energy consumption of battery-free IoT devices, (vi) ultra-reliable connectivity, and (vii) connected intelligence with machine learning capabilities.
  • the vision of the 6G system can be four aspects such as intelligent connectivity, deep connectivity, holographic connectivity, and ubiquitous connectivity, and the 6G system can satisfy the requirements shown in Table 1 below. That is, Table 1 is a table showing an example of requirements for a 6G system.
  • 6G systems include Enhanced mobile broadband (eMBB), Ultra-reliable low latency communications (URLLC), massive machine-type communication (mMTC), AI integrated communication, Tactile internet, High throughput, High network capacity, High energy efficiency, Low backhaul and It can have key factors such as access network congestion and enhanced data security.
  • eMBB Enhanced mobile broadband
  • URLLC Ultra-reliable low latency communications
  • mMTC massive machine-type communication
  • AI integrated communication Tactile internet
  • High throughput High network capacity
  • High energy efficiency High energy efficiency
  • Low backhaul Low backhaul and It can have key factors such as access network congestion and enhanced data security.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of a communication structure that can be provided in a 6G system.
  • 6G systems are expected to have 50 times higher simultaneous radiocommunication connectivity than 5G radiocommunication systems.
  • URLLC a key feature of 5G, will become even more important in 6G communications by providing end-to-end latency of less than 1 ms.
  • the 6G system will have much better volume spectral efficiency as opposed to the frequently used area spectral efficiency.
  • 6G systems can provide very long battery life and advanced battery technology for energy harvesting, so mobile devices will not need to be charged separately in 6G systems.
  • New network characteristics in 6G may be as follows.
  • 6G is expected to be integrated with satellites to serve the global mobile population. Integration of terrestrial, satellite and public networks into one wireless communication system is critical for 6G.
  • 6G wireless networks will transfer power to charge the batteries of devices such as smartphones and sensors. Therefore, wireless information and energy transfer (WIET) will be integrated.
  • WIET wireless information and energy transfer
  • Small cell networks The idea of small cell networks has been introduced to improve received signal quality resulting in improved throughput, energy efficiency and spectral efficiency in cellular systems. As a result, small cell networks are an essential feature of 5G and Beyond 5G (5GB) and beyond communication systems. Therefore, the 6G communication system also adopts the characteristics of the small cell network.
  • Ultra-dense heterogeneous networks will be another important feature of 6G communication systems. Multi-tier networks composed of heterogeneous networks improve overall QoS and reduce costs.
  • a backhaul connection is characterized by a high-capacity backhaul network to support high-capacity traffic.
  • High-speed fiber and free space optical (FSO) systems may be possible solutions to this problem.
  • High-precision localization (or location-based service) through communication is one of the features of 6G wireless communication systems.
  • radar systems will be integrated with 6G networks.
  • Softwarization and virtualization are two important features fundamental to the design process in 5GB networks to ensure flexibility, reconfigurability and programmability. In addition, billions of devices can be shared in a shared physical infrastructure.
  • AI The most important and newly introduced technology for the 6G system is AI.
  • AI was not involved in the 4G system.
  • 5G systems will support partial or very limited AI.
  • the 6G system will be AI-enabled for full automation.
  • Advances in machine learning will create more intelligent networks for real-time communication in 6G.
  • Introducing AI in communications can simplify and enhance real-time data transmission.
  • AI can use a plethora of analytics to determine how complex target tasks are performed. In other words, AI can increase efficiency and reduce processing delays.
  • AI can also play an important role in M2M, machine-to-human and human-to-machine communications.
  • AI can be a rapid communication in BCI (Brain Computer Interface).
  • BCI Brain Computer Interface
  • AI-based communication systems can be supported by metamaterials, intelligent structures, intelligent networks, intelligent devices, intelligent cognitive radios, self-sustaining wireless networks, and machine learning.
  • AI-based physical layer transmission means applying a signal processing and communication mechanism based on an AI driver rather than a traditional communication framework in fundamental signal processing and communication mechanisms. For example, deep learning-based channel coding and decoding, deep learning-based signal estimation and detection, deep learning-based MIMO mechanism, AI-based resource scheduling and may include allocations, etc.
  • Machine learning may be used for channel estimation and channel tracking, and may be used for power allocation, interference cancellation, and the like in a downlink (DL) physical layer. Machine learning can also be used for antenna selection, power control, symbol detection, and the like in a MIMO system.
  • DL downlink
  • AI algorithms based on deep learning require a lot of training data to optimize training parameters.
  • a lot of training data is used offline. This is because static training on training data in a specific channel environment may cause a contradiction between dynamic characteristics and diversity of a radio channel.
  • Machine learning refers to a set of actions that train a machine to create a machine that can do tasks that humans can or cannot do.
  • Machine learning requires data and a running model.
  • data learning methods can be largely classified into three types: supervised learning, unsupervised learning, and reinforcement learning.
  • Neural network training is aimed at minimizing errors in the output.
  • Neural network learning repeatedly inputs training data to the neural network, calculates the output of the neural network for the training data and the error of the target, and backpropagates the error of the neural network from the output layer of the neural network to the input layer in a direction to reduce the error. ) to update the weight of each node in the neural network.
  • Supervised learning uses training data in which correct answers are labeled in the learning data, and unsupervised learning may not have correct answers labeled in the learning data. That is, for example, learning data in the case of supervised learning related to data classification may be data in which each learning data is labeled with a category. Labeled training data is input to the neural network, and an error may be calculated by comparing the output (category) of the neural network and the label of the training data. The calculated error is back-propagated in a reverse direction (ie, from the output layer to the input layer) in the neural network, and the connection weight of each node of each layer of the neural network may be updated according to the back-propagation.
  • a reverse direction ie, from the output layer to the input layer
  • the amount of change in the connection weight of each updated node may be determined according to a learning rate.
  • the neural network's computation of input data and backpropagation of errors can constitute a learning cycle (epoch).
  • the learning rate may be applied differently according to the number of iterations of the learning cycle of the neural network. For example, a high learning rate is used in the early stages of neural network learning to increase efficiency by allowing the neural network to quickly achieve a certain level of performance, and a low learning rate can be used in the late stage to increase accuracy.
  • the learning method may vary depending on the characteristics of the data. For example, in a case where the purpose of the receiver is to accurately predict data transmitted by the transmitter in a communication system, it is preferable to perform learning using supervised learning rather than unsupervised learning or reinforcement learning.
  • the learning model corresponds to the human brain, and the most basic linear model can be considered. ) is called
  • the neural network cord used as a learning method is largely divided into deep neural networks (DNN), convolutional deep neural networks (CNN), and recurrent Boltzmann Machine (RNN). there is.
  • DNN deep neural networks
  • CNN convolutional deep neural networks
  • RNN recurrent Boltzmann Machine
  • An artificial neural network is an example of connecting several perceptrons.
  • FIG. 5 is a diagram schematically illustrating an example of a perceptron structure.
  • the huge artificial neural network structure may extend the simplified perceptron structure shown in FIG. 5 and apply input vectors to different multi-dimensional perceptrons.
  • an input value or an output value is referred to as a node.
  • the perceptron structure shown in FIG. 5 can be described as being composed of a total of three layers based on input values and output values.
  • An artificial neural network in which H number of (d + 1) dimensional perceptrons exist between the 1st layer and the 2nd layer and K number of (H + 1) dimensional perceptrons between the 2nd layer and the 3rd layer can be expressed as shown in FIG. 6 .
  • FIG. 6 is a diagram schematically illustrating an example of a multilayer perceptron structure.
  • the layer where the input vector is located is called the input layer
  • the layer where the final output value is located is called the output layer
  • all the layers located between the input layer and the output layer are called hidden layers.
  • three layers are disclosed, but when counting the number of layers of an actual artificial neural network, the number of layers is counted excluding the input layer, so a total of two layers can be considered.
  • the artificial neural network is composed of two-dimensionally connected perceptrons of basic blocks.
  • the above-described input layer, hidden layer, and output layer can be jointly applied to various artificial neural network structures such as CNN and RNN, which will be described later, as well as multi-layer perceptrons.
  • CNN neural network
  • RNN multi-layer perceptrons
  • DNN deep neural network
  • FIG. 7 is a diagram schematically illustrating an example of a deep neural network.
  • the deep neural network shown in FIG. 7 is a multi-layer perceptron consisting of 8 hidden layers + 8 output layers.
  • the multilayer perceptron structure is expressed as a fully-connected neural network.
  • a fully-connected neural network there is no connection relationship between nodes located on the same layer, and a connection relationship exists only between nodes located on adjacent layers.
  • DNN has a fully-connected neural network structure and is composed of a combination of multiple hidden layers and activation functions, so it can be usefully applied to identify the correlation characteristics between inputs and outputs.
  • the correlation characteristic may mean a joint probability of input and output.
  • FIG. 8 is a diagram schematically illustrating an example of a convolutional neural network.
  • nodes located inside one layer are arranged in a one-dimensional vertical direction.
  • the nodes are two-dimensionally arranged with w nodes horizontally and h nodes vertically (convolutional neural network structure of FIG. 8).
  • a weight is added for each connection in the connection process from one input node to the hidden layer, so a total of h ⁇ w weights must be considered. Since there are h ⁇ w nodes in the input layer, a total of h2w2 weights are required between two adjacent layers.
  • the convolutional neural network of FIG. 8 has a problem in that the number of weights increases exponentially according to the number of connections, so instead of considering all mode connections between adjacent layers, it is assumed that there is a filter with a small size, and FIG. 9 As shown in , weighted sum and activation function calculations are performed for overlapping filters.
  • FIG. 9 is a diagram schematically illustrating an example of a filter operation in a convolutional neural network.
  • One filter has weights corresponding to the number of filters, and learning of weights can be performed so that a specific feature on an image can be extracted as a factor and output.
  • a 3 ⁇ 3 size filter is applied to the 3 ⁇ 3 area at the top left of the input layer, and the weighted sum and activation function calculations are performed on the corresponding node, and the resulting output value is stored in z22.
  • the filter While scanning the input layer, the filter moves by a certain distance horizontally and vertically, performs weighted sum and activation function calculations, and places the output value at the position of the current filter.
  • This operation method is similar to the convolution operation for images in the field of computer vision, so the deep neural network of this structure is called a convolutional neural network (CNN), and the hidden layer generated as a result of the convolution operation is called a convolutional layer.
  • a neural network having a plurality of convolutional layers is referred to as a deep convolutional neural network (DCNN).
  • the number of weights can be reduced by calculating a weighted sum by including only nodes located in a region covered by the filter from the node where the current filter is located. This allows one filter to be used to focus on features for a local area. Accordingly, CNN can be effectively applied to image data processing in which a physical distance in a 2D area is an important criterion. Meanwhile, in the CNN, a plurality of filters may be applied immediately before the convolution layer, and a plurality of output results may be generated through a convolution operation of each filter.
  • FIG. 10 is a diagram schematically illustrating an example of a neural network structure in which a cyclic loop exists.
  • a recurrent neural network assigns an element (x1(t), x2(t), ,..., xd(t)) of any line t on a data sequence to a fully connected neural network.
  • the immediately preceding time point t-1 inputs the hidden vector (z1(t-1), z2(t-1),..., zH(t-1)) together to calculate the weighted sum and activation function structure that is applied.
  • the reason why the hidden vector is transmitted to the next time point in this way is that information in the input vector at previous time points is regarded as being accumulated in the hidden vector of the current time point.
  • FIG. 11 is a diagram schematically illustrating an example of an operating structure of a recurrent neural network.
  • the recurrent neural network operates in a sequence of predetermined views with respect to an input data sequence.
  • the hidden vector (z1(1),z2(1),.. .,zH(1)) is input together with the input vector of time 2 (x1(2),x2(2),...,xd(2)), and the vector of the hidden layer (z1( 2),z2(2) ,...,zH(2)). This process is repeatedly performed until time point 2, point 3, ,,, point T.
  • a deep recurrent neural network a recurrent neural network
  • Recurrent neural networks are designed to be usefully applied to sequence data (eg, natural language processing).
  • Deep Q-Network As a neural network core used as a learning method, in addition to DNN, CNN, and RNN, Restricted Boltzmann Machine (RBM), deep belief networks (DBN), and Deep Q-Network It includes various deep learning techniques such as computer vision, voice recognition, natural language processing, and voice/signal processing.
  • RBM Restricted Boltzmann Machine
  • DNN deep belief networks
  • Deep Q-Network It includes various deep learning techniques such as computer vision, voice recognition, natural language processing, and voice/signal processing.
  • AI-based physical layer transmission means applying a signal processing and communication mechanism based on an AI driver rather than a traditional communication framework in fundamental signal processing and communication mechanisms. For example, deep learning-based channel coding and decoding, deep learning-based signal estimation and detection, deep learning-based MIMO mechanism, AI-based resource scheduling and may include allocations, etc.
  • the data rate can be increased by increasing the bandwidth. This can be done using sub-THz communication with wide bandwidth and applying advanced massive MIMO technology.
  • THz waves also known as submillimeter radiation, typically represent a frequency band between 0.1 THz and 10 THz with corresponding wavelengths in the range of 0.03 mm-3 mm.
  • the 100 GHz-300 GHz band range (sub THz band) is considered a major part of the THz band for cellular communications.
  • 6G cellular communication capacity increases when added to the sub-THz band mmWave band.
  • 300 GHz-3 THz is in the far-infrared (IR) frequency band.
  • the 300 GHz-3 THz band is part of the broad band, but is at the border of the wide band, just behind the RF band. Thus, this 300 GHz-3 THz band exhibits similarities to RF.
  • FIG. 12 is a diagram showing an example of an electromagnetic spectrum.
  • THz communications include (i) widely available bandwidth to support very high data rates, and (ii) high path loss at high frequencies (highly directional antennas are indispensable).
  • the narrow beamwidth produced by the highly directional antenna reduces interference.
  • the small wavelength of the THz signal allows a much larger number of antenna elements to be incorporated into devices and BSs operating in this band. This enables advanced adaptive array technology to overcome range limitations.
  • OWC technology is intended for 6G communications in addition to RF-based communications for all possible device-to-access networks. These networks access network-to-backhaul/fronthaul network connections.
  • OWC technology is already in use after the 4G communication system, but will be more widely used to meet the needs of the 6G communication system.
  • OWC technologies such as light fidelity, visible light communication, optical camera communication, and FSO communication based on a wide band are already well-known technologies. Communications based on optical wireless technology can provide very high data rates, low latency and secure communications.
  • LiDAR can also be used for ultra-high resolution 3D mapping in 6G communication based on broadband.
  • FSO The transmitter and receiver characteristics of an FSO system are similar to those of a fiber optic network.
  • data transmission in FSO systems is similar to fiber optic systems. Therefore, FSO can be a good technology to provide backhaul connectivity in 6G systems along with fiber optic networks.
  • FSO supports high-capacity backhaul connectivity for remote and non-remote locations such as ocean, space, underwater and isolated islands.
  • FSO also supports cellular BS connections.
  • MIMO technology improves, so does the spectral efficiency. Therefore, massive MIMO technology will be important in 6G systems. Since MIMO technology uses multiple paths, multiplexing technology and beam generation and operation technology suitable for the THz band must be considered as important so that data signals can be transmitted through more than one path.
  • Blockchain will be an important technology for managing large amounts of data in future communication systems.
  • Blockchain is a form of distributed ledger technology, where a distributed ledger is a database that is distributed across numerous nodes or computing devices. Each node replicates and stores an identical copy of the ledger.
  • Blockchain is managed as a peer-to-peer network. It can exist without being managed by a centralized authority or server. Data on a blockchain is collected together and organized into blocks. Blocks are linked together and protected using cryptography.
  • Blockchain is the perfect complement to the IoT at scale with inherently improved interoperability, security, privacy, reliability and scalability.
  • blockchain technology provides multiple capabilities such as interoperability between devices, traceability of large amounts of data, autonomous interaction of other IoT systems, and large-scale connection reliability in 6G communication systems.
  • the 6G system integrates terrestrial and air networks to support vertical expansion of user communications.
  • 3D BS will be provided via low-orbit satellites and UAVs. Adding a new dimension in terms of height and related degrees of freedom makes 3D connections quite different from traditional 2D networks.
  • UAVs Unmanned Aerial Vehicles
  • BS entities are installed on UAVs to provide cellular connectivity.
  • UAVs have certain features not found in fixed BS infrastructures, such as easy deployment, strong line-of-sight links, and degrees of freedom with controlled mobility.
  • UAVs can easily handle this situation.
  • UAVs will become a new paradigm in the field of wireless communication. This technology facilitates three basic requirements of a wireless network: eMBB, URLLC and mMTC.
  • UAVs can also support multiple purposes, such as enhancing network connectivity, fire detection, disaster emergency services, security and surveillance, pollution monitoring, parking monitoring, accident monitoring, and more. Therefore, UAV technology is recognized as one of the most important technologies for 6G communication.
  • the tight integration of multiple frequencies and heterogeneous communication technologies is critical for 6G systems. As a result, users can seamlessly move from one network to another without having to make any manual configuration on the device. The best network is automatically selected from available communication technologies. This will break the limitations of the cell concept in wireless communication. Currently, user movement from one cell to another causes too many handovers in high-density networks, resulting in handover failures, handover delays, data loss and ping-pong effects. 6G cell-free communication will overcome all of this and provide better QoS. Cell-free communication will be achieved through multi-connectivity and multi-tier hybrid technologies and different heterogeneous radios of devices.
  • WIET uses the same fields and waves as wireless communication systems.
  • sensors and smartphones will be charged using wireless power transfer during communication.
  • WIET is a promising technology for extending the lifetime of battery charging wireless systems.
  • battery-less devices will be supported in 6G communications.
  • Autonomous radio networks are capable of continuously sensing dynamically changing environmental conditions and exchanging information between different nodes.
  • sensing will be tightly integrated with communications to support autonomous systems.
  • Beamforming is a signal processing procedure that adjusts an antenna array to transmit radio signals in a specific direction.
  • Beamforming technology has several advantages such as high call-to-noise ratio, interference avoidance and rejection, and high network efficiency.
  • Hologram beamforming (HBF) is a new beamforming method that differs significantly from MIMO systems because it uses software-defined antennas. HBF will be a very effective approach for efficient and flexible transmission and reception of signals in multi-antenna communication devices in 6G.
  • Big data analysis is a complex process for analyzing various large data sets or big data. This process ensures complete data management by finding information such as hidden data, unknown correlations and customer preferences. Big data is collected from various sources such as videos, social networks, images and sensors. This technology is widely used to process massive data in 6G systems.
  • LIS is an artificial surface made of electromagnetic materials and can change the propagation of incoming and outgoing radio waves.
  • LIS can be seen as an extension of massive MIMO, but its array structure and operating mechanism are different from massive MIMO.
  • LIS also has low power consumption in that it operates as a reconfigurable reflector with passive elements, i.e. it only passively reflects signals without using an active RF chain.
  • each passive reflector of the LIS must independently adjust the phase shift of an incident signal, it may be advantageous for a wireless communication channel. By properly adjusting the phase shift through the LIS controller, the reflected signal can be collected at the target receiver to boost the received signal power.
  • THz Terahertz
  • THz waves are located between RF (Radio Frequency)/millimeter (mm) and infrared bands, and (i) transmit non-metal/non-polarizable materials better than visible light/infrared rays, and have a shorter wavelength than RF/millimeter waves and have high straightness. Beam focusing may be possible.
  • the photon energy of the THz wave is only a few meV, it is harmless to the human body.
  • a frequency band expected to be used for THz wireless communication may be a D-band (110 GHz to 170 GHz) or H-band (220 GHz to 325 GHz) band with low propagation loss due to molecular absorption in the air.
  • Standardization discussions on THz wireless communication are being discussed centering on the IEEE 802.15 THz working group in addition to 3GPP, and standard documents issued by the IEEE 802.15 Task Group (TG3d, TG3e) embody the contents described in various embodiments of the present disclosure. or can be supplemented.
  • THz wireless communication may be applied to wireless cognition, sensing, imaging, wireless communication, THz navigation, and the like.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating an example of a THz communication application.
  • THz wireless communication scenarios can be classified into macro networks, micro networks, and nanoscale networks.
  • THz wireless communication can be applied to vehicle-to-vehicle connections and backhaul/fronthaul connections.
  • THz wireless communication is applied to indoor small cells, fixed point-to-point or multi-point connections such as wireless connections in data centers, and near-field communication such as kiosk downloading. It can be.
  • Table 2 below is a table showing an example of a technique that can be used in THz waves.
  • THz wireless communication can be classified based on the method for generating and receiving THz.
  • the THz generation method can be classified as an optical device or an electronic device based technology.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating an example of an electronic element-based THz wireless communication transceiver.
  • Methods of generating THz using electronic devices include a method using a semiconductor device such as a Resonant Tunneling Diode (RTD), a method using a local oscillator and a multiplier, and an integrated circuit based on a compound semiconductor HEMT (High Electron Mobility Transistor).
  • a MMIC Monolithic Microwave Integrated Circuits
  • a doubler, a tripler, or a multiplier is applied to increase the frequency, and the signal is radiated by the antenna after passing through the subharmonic mixer. Since the THz band forms high frequencies, a multiplier is essential.
  • the multiplier is a circuit that makes the output frequency N times greater than the input, matches the desired harmonic frequency, and filters out all other frequencies.
  • beamforming may be implemented by applying an array antenna or the like to the antenna of FIG. 14 .
  • IF denotes an intermediate frequency
  • tripler and multipler denote a multiplier
  • PA denotes a power amplifier
  • LNA denotes a low noise amplifier
  • PLL denotes a phase-locked circuit (Phase -Locked Loop).
  • 15 is a diagram illustrating an example of a method of generating a THz signal based on an optical element.
  • 16 is a diagram showing an example of an optical element-based THz wireless communication transceiver.
  • Optical device-based THz wireless communication technology refers to a method of generating and modulating a THz signal using an optical device.
  • An optical element-based THz signal generation technology is a technology that generates an ultra-high speed optical signal using a laser and an optical modulator and converts it into a THz signal using an ultra-high speed photodetector. Compared to a technique using only an electronic device, this technique can easily increase the frequency, generate a high-power signal, and obtain a flat response characteristic in a wide frequency band.
  • a laser diode, a broadband light modulator, and a high-speed photodetector are required to generate a THz signal based on an optical device. In the case of FIG.
  • an optical coupler refers to a semiconductor device that transmits an electrical signal using light waves in order to provide electrical isolation and coupling between circuits or systems
  • UTC-PD Uni-Traveling Carrier Photo- Detector is one of the photodetectors, which uses electrons as active carriers and reduces the movement time of electrons through bandgap grading.
  • UTC-PD is capable of photodetection above 150 GHz.
  • EDFA Erbium-Doped Fiber Amplifier
  • PD Photo Detector
  • OSA various optical communication functions (photoelectric conversion, electric light conversion, etc.)
  • DSO Digital Storage oscilloscope
  • the structure of the photoelectric converter (or photoelectric converter) will be described with reference to FIGS. 17 and 18 .
  • 17 is a diagram showing the structure of a transmitter based on a photoinc source.
  • 18 is a diagram showing the structure of an optical modulator.
  • a phase or the like of a signal may be changed by passing an optical source of a laser through an optical wave guide. At this time, data is loaded by changing electrical characteristics through a microwave contact or the like. Accordingly, the optical modulator output is formed as a modulated waveform.
  • a photoelectric modulator (O/E converter) is an optical rectification operation by a nonlinear crystal, an O/E conversion by a photoconductive antenna, and a bundle of electrons in light flux.
  • THz pulses can be generated according to emission from relativistic electrons, etc.
  • a THz pulse generated in the above manner may have a unit length of femto second to pico second.
  • An O/E converter uses non-linearity of a device to perform down conversion.
  • available bandwidth may be classified based on oxygen attenuation of 10 ⁇ 2 dB/km in a spectrum up to 1 THz. Accordingly, a framework in which the available bandwidth is composed of several band chunks may be considered. As an example of the framework, if the length of a THz pulse for one carrier is set to 50 ps, the bandwidth (BW) becomes about 20 GHz.
  • Effective down conversion from the IR band to the THz band depends on how to utilize the nonlinearity of the O/E converter. That is, in order to down-convert to the desired terahertz band (THz band), the photoelectric converter (O / E converter) having the most ideal non-linearity to move to the corresponding terahertz band (THz band) design is required. If an O/E converter that does not fit the target frequency band is used, there is a high possibility that an error will occur with respect to the amplitude and phase of the corresponding pulse.
  • a terahertz transmission/reception system may be implemented using one photoelectric converter. Although it depends on the channel environment, as many photoelectric converters as the number of carriers may be required in a multi-carrier system. In particular, in the case of a multi-carrier system using several broadbands according to a plan related to the above-mentioned spectrum use, the phenomenon will be conspicuous.
  • a frame structure for the multi-carrier system may be considered.
  • a signal down-frequency converted based on the photoelectric converter may be transmitted in a specific resource region (eg, a specific frame).
  • the frequency domain of the specific resource domain may include a plurality of chunks. Each chunk may consist of at least one component carrier (CC).
  • a quantum key distribution (QKD) transmitter 1910 may perform communication by being connected to a QKD receiver 1920 through a public channel and a quantum channel.
  • QKD quantum key distribution
  • the QKD transmitter 1910 may supply the secret key to the encryptor 1930, and the QKD receiver 1920 may also supply the secret key to the decryptor 1940.
  • plain text may be input/output to the encryptor 1930, and the encryptor 1930 may transmit data encrypted with a secret symmetric key (via an existing communication network) to the decryptor 1940.
  • plain text may be input/output to the decoder 1940.
  • quantum cryptographic communication A more detailed description of quantum cryptographic communication is as follows.
  • a signal is carried using a single photon, which is the smallest unit of light, unlike conventional communication methods that communicate by wavelength or amplitude. While stability of conventional cryptosystems is mostly guaranteed by the complexity of mathematical algorithms, quantum cryptographic communication is guaranteed stability as long as the physical laws of quantum mechanics are not broken because it is based on the unique properties of quantum.
  • the most representative quantum key distribution protocol is the BB84 protocol proposed by C. H. Bennett and G. Brassard in 1984.
  • the BB84 protocol information on states such as polarization and phase of photons is carried, and by using the characteristics of both, it is theoretically possible to share a secret key absolutely safely.
  • Table 3 shows an example of the BB84 protocol that generates a secret key by loading information on the polarization state between Alice at the sending side and Bob at the receiving side.
  • the overall flow of the BB84 protocol is as follows.
  • Bob measures and stores the polarization signal transmitted by Alice with the selected polarizer.
  • Alice and Bob keep only bits with the same polarizer and remove bits with different polarizers to obtain a secret key.
  • the present disclosure relates to a quantum secure direct communication (QSDC) technique that can safely transmit message information directly through a quantum channel among quantum communication techniques, and of a representative technique, the entanglement-based two-step QSDC protocol
  • QSDC quantum secure direct communication
  • the present disclosure provides a quantum memory used to detect a signal in an entangled state including message information in a receiver of a two-step QSDC protocol based on an entanglement light source and a low complexity entanglement signal received without using a Bell state measurement method.
  • a method and apparatus capable of reducing the configuration complexity of a receiving unit capable of detecting classical message information to be transmitted through detection of individual single photon detection methods and then checking whether the results match.
  • FIG. 20 is a diagram showing an example of a configuration of a two step QSDC (two step QSDC) in a system applicable to the present disclosure.
  • the two-step QSDC technique based on the existing entangled light source is based on a technique that can transmit 2 bits of classical information to 1 qubit information called quantum super dense coding, and transmits entangled photon pairs in two steps rather than sending them all at once. This is to verify safety from hacking by sending one of the entangled photon pairs first, and then sending the other half.
  • information on both sides of the entangled photon pair must be known. If the safety of one side is guaranteed, the eavesdropper cannot accurately determine the state of the entangled photon pair from this even if the other side is intercepted. Therefore, safety can be guaranteed through this.
  • the message information to be sent is coded and transmitted to the rest of the photon pairs, and then the classical information can be detected by measurement in the receiving unit.
  • the configuration method and overall structure of the two step QSDC technique are shown in FIG. 20, and each element used performs the following roles.
  • SR1 ⁇ 4 optical delay line serving as quantum memory
  • CE1, 2 Part for checking the existence of an eavesdropper
  • CM Part encoding classical message information to be transmitted from Alice to Bob
  • EPR- source A part that creates an entanglement light source
  • 21 is a diagram showing an example of a process of changing an EPR pair in a two-step QSDC protocol in a system applicable to the present disclosure.
  • An exemplary conventional two-step QSDC protocol is as follows.
  • Step 1 Alice and Bob map 2-bit classical information to the following 4 Bell basis as shown in Equation 1 below.
  • Step 2 Alice prepares the same N entangled photon pairs (EPR source) as shown in Equation 2 below.
  • the C-sequence consists of N particles and is denoted [P 1 (C), P 2 (C), P 3 (C), ... , P N (C)].
  • Step 4 Bob randomly selects some of the received C-sequences and transmits the selected location information to Alice through the classical channel.
  • Step 5 Bob randomly selects and measures one of the two measurement bases to measure the photon at the selected location.
  • Step 6 Bob transmits the basis and measurement value used for measurement to Alice through the classical channel.
  • QBER can be obtained through the ratio of values that do not match among the measured values.
  • Step 8 If QBER is lower than the eavesdropping criterion, the next process is continued since there is no eavesdropper in the upper quantum channel. .
  • the process from step 4 to step 8 is a process of safely transmitting the part corresponding to the checking sequence, which is one particle of the entangled photon pair, from the eavesdropper.
  • the QSDC protocol secures the safety of the entire communication process by securing the safety of the initially transmitted checking sequence by using these characteristics.
  • Step 9 If the C-sequence transmitted through the upper quantum channel is safely transmitted, Alice encodes the classical message to be transmitted in the M-sequence.
  • Step 10 Apply one of the four unitary operations (U 0 , U 1 , U 2 and U 3 ) to encode the message on the EPR pair to convert the initial entangled photon pair
  • Exemplary four unitary operations are shown in Equation 3 below.
  • Step 11 Transmit the encoded message sequence to Bob.
  • Step 12 Bob performs Bell state measurement using the previously transmitted C-sequence stored in SR1,3 and the subsequently transmitted M-sequence information.
  • Step 13 Among the message sequences transmitted to Bob, Alice transmits the position of sample information to be used to check eavesdropping and the type of unitary operation applied to the sample information through the classical channel.
  • Step 14 Bob can estimate the QBER of the M-sequence by estimating the QBER of the sample selected by Alice.
  • Step 15 Based on the QBER of M sequence, it is determined whether error correction is possible. If error recovery is possible based on the classical error correction code, then the error correction process is performed to restore the transmitted message information, otherwise the process is restarted from the beginning.
  • step 1 to step 15 described above can be expressed as shown in FIG.
  • an entangled light source EPR-pair
  • P i (1) means a message coding sequence
  • P i (2) means a checking sequence, respectively.
  • the checking sequence is transmitted to Bob.
  • some information is lost due to channel loss or the like in the transmission process, and this part corresponds to the white part.
  • the Alice side encodes the message information in the message coding sequence. 4 colors means that it has been converted to one of the 4 EPR-pairs.
  • the converted entangled photon is received toward Bob, and the transmitted message information is obtained by measuring the converted entangled photon pair in the Bell state.
  • FIG. 22 is a diagram illustrating an example of partial Bell state measurement (partial BSM) in a system applicable to the present disclosure.
  • FIG. 23 is a diagram showing an example of complete Bell state measurement (complete BSM) in a system applicable to the present disclosure.
  • Bell state measurement is a method used for measuring EPR pair, and can be measured by classifying the four states of
  • the four Bell states cannot be perfectly distinguished in the detection process only by the configuration method through the detection path difference according to polarization consisting of one BS, two PBSs, and four detectors. Therefore, as shown in FIG. 23, time information can be additionally used to distinguish four states. However, since the method of FIG. 23 requires the use of additional resources such as time delay paths for perfect classification, it can be seen that the configuration complexity of the detection process is higher than that of FIG. 3.
  • the complexity of the receiver is high because the Complete Bell state measurement technique as shown in FIG. 23 must be used.
  • the EPR pair is not transmitted at once, but one particle of the pair is transmitted first, and the particle corresponding to the other side is transmitted after checking whether or not it is eavesdropped.
  • Bell state measurement a measurement method when the EPR pair is received at once You don't have to use the technique. Therefore, if individual particles of an EPR pair transmitted at different times are received using a single photon measurement method with low complexity, the complexity of the receiver can be reduced.
  • a quantum memory should be used to store the checking sequence initially transmitted from the receiver, but the current optical quantum memory has a very short storage time of up to several ms, so an optical delay line is mainly used as an alternative method, but the required Since the length of the optical delay line is more than three times the length of the channel, this causes a problem in that the size of the receiver becomes very large. As the length of the delay line increases, the information loss due to fiber loss also increases, so the transmission distance of actual quantum information is shortened.
  • the checking sequence of the EPR pair is transmitted first, then the safety is verified, and when safety is secured, the message coding sequence is subsequently transmitted, and the classical message information is transmitted by measuring using the two sequences. After is received, it must be stored in the quantum memory until the message sequence arrives at the receiver.
  • the storage time required for quantum memory was defined as ⁇ , and the minimum value was expressed as the following equation. That is, when the channel length is assumed to be L, after the checking sequence is transmitted, additional information must be exchanged through the classical channel and the message coding sequence must be transmitted subsequently, so that a time equivalent to three times the channel length is required at least. there is.
  • an optical delay line is mainly used for QSDC implementation.
  • a very large optical delay line over three times the length of the transmission channel is required, and considering that the loss per distance of the optical cable is 0.2dB/km, the longer the transmission distance, the more information loss occurs. can know that
  • the distance loss causes information loss three times or more of the actual quantum information transmission distance, the transmission distance of quantum information is shortened. Therefore, the development of a QSDC method capable of minimizing or eliminating the use of quantum memory is required.
  • the present invention proposes a method and apparatus for minimizing information loss in the reception process while reducing the complexity of the receiver of the existing two-step quantum secure direct communication protocol based on the entanglement light source.
  • the single photon measurement technique instead of the Bell state measurement technique used as a method of measuring the entangled state in the receiver, the single photon measurement technique is used to first measure the checking sequence among entangled photon pairs, and later measure the message coding sequence containing classical message information. Then, we propose a method of receiving message information with the matching of the measured values. Also, in this process, a method not to use the quantum memory used to store the checking sequence of the receiver is presented.
  • FIG. 24 is a diagram showing an example of a two-stage QSDC in which a quantum memory and a BSM of a receiver are omitted in a system applicable to the present disclosure.
  • FIG. 24 shows a block diagram of a polarization-based two-step QSDC protocol proposed in the method of the present invention, and the process is as follows.
  • Step 1 Alice creates N entangled photon pairs (EPR-pairs).
  • ⁇ -> is divided into a checking sequence for checking eavesdropping of the quantum channel and a message coding sequence used for coding classical message information to be transmitted from the transmitter to the receiver.
  • ⁇ -> is shown in Equation 5 below.
  • Step 2 Alice sends a checking sequence to Bob through the 1st quantum channel, and Bob randomly selects a basis to measure. (Select between Rectilinear or diagonal basis)
  • Step 3 Bob randomly selects and measures a part of the receiving checking sequence, transmits the measurement location, basis information, and measurement value to Alice through the 1st classical channel, and uses the remaining location information to receive message information later. After detecting first, the detected result is stored. At this time, since the value to be stored is not a quantum state but a classical information value, the storage is also stored in a general memory (eg, RAM or register).
  • a general memory eg, RAM or register
  • Step 4 Alice detects the result by measuring information on the same location as the location transmitted through the classical channel in step 3 of the message coding sequence using the same basis as Bob.
  • the quantum bit error rate (QBER) is obtained by comparing the measurement results of steps 3 and 4.
  • the checking sequence transmitted initially is safe from the eavesdropper, so the next process proceeds.
  • Step 5 If the information on one side of the entangled photon pair transmitted through the 1st quantum channel is safe, even if the information on the other half is intercepted, the eavesdropper proceeds with the next process because it is impossible to accurately infer the state of all entangled photons. Therefore, while checking the safety of the checking sequence, the classical message information to be transmitted is encoded in the message coding sequence stored in the quantum memory of the transmitter.
  • U Unitary operation
  • the random classical binary information generated from the QRNG excluding the message transmission value, is mixed at a random location between the message information, then encoded and transmitted. This value is used to measure the QBER of the 2nd quantum channel in the 8th process.
  • Step 6 Using the same basis information as measured in Step 2, Bob measures the value of the transmitted encoded message coding sequence.
  • Step 7 Bob detects the measurement result using a single photon detector.
  • Step 8 In order to estimate the error rate of the 2nd quantum channel, Alice transmits the position and transmitted value of the random classical binary information mixed in the encoded message sequence to Bob through the 2nd classical channel. Bob estimates QBER by comparing the result value measured at the same location as Alice.
  • Step 9 By comparing whether or not the measured value of the checking sequence not used for QBER estimation in step 3 and the result of the message coding sequence obtained through step 8 match or not, you can determine whether the message coding sequence has been converted in step 5 or not. Therefore, through this, it is determined whether the classical information transmitted by Alice to Bob is 0 or 1.
  • 25 is a diagram illustrating an example of a configuration of a polarization-based two-step QSDC protocol in a system applicable to the present disclosure.
  • FIG. 25 is a diagram illustrating an example of a process of constructing a polarization-based two-step QSDC protocol according to various embodiments of the present disclosure using an optical element, an entangled light source generation, and a detector.
  • a two-step QSDC protocol is configured using a method of transmitting and detecting classical information using the polarization state of a photon.
  • 26 is a diagram illustrating an example of a process of generating entangled photons using a spontaneous parametric down conversion (SPDC) method in a system applicable to the present disclosure.
  • SPDC spontaneous parametric down conversion
  • a Spontaneous Parametric Down Conversion (SPDC) method which is mainly used in quantum communication, is used to generate entangled photon pairs.
  • SPDC Spontaneous Parametric Down Conversion
  • a checking sequence is first transmitted and whether or not eavesdropping is confirmed.
  • the message coding sequence is stored in an optical delay line (ODL) used as a quantum memory.
  • ODL optical delay line
  • the length of the ODL is as long as the time used for transmission of the checking sequence and estimation of QBER, and the stored message coding sequence encodes the message information to be transmitted through polarization coding when it is safe from eavesdropping.
  • photon pairs in an entangled state are not received at the same time, and among the photon pairs, single photons corresponding to the checking sequence are transmitted first, and then the entangled photons corresponding to the message sequence are transmitted. It is also possible to detect the classical information transmitted by .
  • Step 1 Polarization Information Detecting Process of Checking Sequence
  • the detection process of the checking sequence begins with what basis is measured in polarization rotator 1.
  • a polarization change of 0 degrees or -45 degrees can be applied.
  • the meaning of 0 degrees means that information measured using an orthogonal basis is received, and -45 degrees means that information measured using a diagonal basis is received. .
  • the polarization state immediately before PBS after measurement has only one component of either 0 degree or 90 degree, and the path after passing through PBS is determined as one of the two paths above or below depending on which polarization state of the two polarization components it has.
  • Values measured in the upper path mean that the initial transmission information is 0, and transmitted downward means that the transmission information has a polarization state of 1, and after being detected by the SPD, whether it is 0 or 1 through the time information measured by the TDC. are identified and stored in memory.
  • Step 2 Polarization Information Detecting Process of Message Coding Sequence
  • Message coding sequence is detected using the same basis information as the previous checking sequence. This is because correct measurement can be performed on the same basis because the previously sent checking sequence and message coding sequence have a correlation with each other. Therefore, the difference from the checking sequence detection process is that the method of using the previously selected basis identically, rather than the method of selecting the message coding sequence on a random basis, is used. After that, the process of measuring the polarization information is the same as the detection process of the checking sequence.
  • Step 3 1 bit classical information detection process through comparison of two single photon pairs
  • the value of the two sequences measured on the same basis in the receiver Use the property that does not match. Therefore, when the message to be transmitted is 0, the polarization state of the message sequence is not changed and when detected by the receiver, the detection result of the two sequences is the same.
  • a network node according to various embodiments of the present disclosure may correspond to a receiving end node (BOB). However, in some cases, a network node according to various embodiments of the present disclosure may correspond to an ALICE.
  • BOB receiving end node
  • ALICE ALICE
  • Various embodiments of the present disclosure aim to reduce the configuration complexity of a receiving unit in a polarization-based two-step quantum safe direct communication technique using entangled photon pairs.
  • the receiving node waits until all single photon pairs are received, then measures the two particles constituting the single photon pair using the individual single photon detection method, instead of the existing Bell state measurement method that measures the entangled photon pair at once, and then measures the value from both sides
  • the transmitted message information is detected using the difference between
  • the process of processing information transmitted through the 1st quantum channel includes the following operations.
  • a step of first measuring a checking sequence received in the detection process by a polarization-based single photon measurement method at the same time as receiving the received checking sequence without storing it in the quantum memory of the receiver (QBER estimation step of determining whether an eavesdropper exists);
  • the process of processing information transmitted through the 2nd quantum channel includes the following operations.
  • Various embodiments of the present disclosure propose an efficient method for constructing an entanglement-based two-step quantum direct communication protocol with low reception complexity.
  • Various embodiments of the present disclosure suggest a method that does not use Bell state measurement and quantum memory to reduce the configuration complexity of the receiver of the existing two-step QSDC, and for this purpose Bell state measurement (BSM) used in the existing two-step QSDC technique Instead of the technique, a single photon detection method is used. Therefore, although the configuration complexity of the transmission unit of various embodiments of the present disclosure is the same as that of the existing technique, the configuration complexity of the reception unit can be greatly reduced compared to the existing technique, as shown in Table 4.
  • BSM Bell state measurement
  • the conventional two-step QSDC (conventional two-step QSDC) protocol uses the receiver configured in the complete BSM method using FIGS. 20 and 23 for complexity comparison.
  • the configuration of the receiving unit of the proposed two step QSDC (proposed two step QSDC) protocol proposed by various embodiments of the present disclosure follows the configuration method based on the single photon detection method in FIG. 25 .
  • Receiver configuration Conventional two-step QSDC Proposed two-step QSDC Optical delay line (Quantum memory) Use an optical delay line with a length greater than 3 times the minimum channel length not used single photon detector 4 pieces 2 polarization beamsplitter (PBS) Three 2 BS(beamsplitter) 2 not used half-waveplate (HWP) 2 not used Polarization rotator not used 2
  • PBS polarization beamsplitter
  • HWP half-waveplate
  • the various embodiments of the present disclosure can reduce the number of single-photon detectors by half without using the optical delay line used as the quantum memory, which is the two bulkiest parts of the receiver, thereby reducing the configuration complexity. can be significantly lowered.
  • the use of major small-sized optical elements (single photon detector, polarization beamsplitter (PBS), beamsplitter (BS), half waveplate (HWP)) except for the polarization rotator in the receiver) of various embodiments of the present disclosure is significantly reduced compared to conventional techniques can know that
  • FIG. 27 is a diagram illustrating examples of an operation process of a first node in a system applicable to the present disclosure.
  • a method performed by a first node in a quantum communication system is provided.
  • the first node may correspond to Bob and the second node may correspond to Alice.
  • the first node may correspond to Alice and the second node may correspond to Bob.
  • step S2701 the first node receives a checking sequence from the second node through a first quantum channel, and the checking sequence is entangled photon pairs (with a message coding sequence) Einstein?Podolsky?Rosen pairs, EPR-pairs).
  • step S2702 the first node does not store the checking sequence in a quantum memory, and measures single photons based on first basis information for a part corresponding to a randomly selected first position among the checking sequences ( A first measured value is determined by performing single photon detection.
  • the first node stores information of the first location, the first basic information, and the first measured value in a general memory.
  • step S2704 the first node transmits information of the first location, the first basic information, and the first measured value to the second node through a first classical channel.
  • step S2705 the first node receives a message coding sequence in which 1-bit classical message information is encoded through the second quantum channel.
  • step S2706 the first node determines a second measurement value by performing single photon measurement on a part corresponding to the first position in the message coding sequence based on the first base information.
  • step S2707 the first node detects the classical information based on whether the first measured value and the second measured value stored in the general memory match.
  • the message coding sequence may be received based on the safety of the checking sequence being confirmed from a first quantum bit error rate (QBER) for the first measurement value.
  • QBER quantum bit error rate
  • the embodiment of FIG. 27 may include determining a second quantum bit error rate (QBER) based on the first measurement value and the second measurement value; The method may further include restoring the classical message information through error correction based on the second QBER.
  • QBER quantum bit error rate
  • the classical message information may be encoded based on whether a polarization state of the message coding sequence converts through a unitary operation.
  • the checking sequence and the message coding sequence constituting the entangled quantum pair are generated by the second device, and the checking sequence is generated by the second device and then generated without conversion. It can be received by the first device.
  • the classical message information is encoded in the message coding sequence after random classical binary information is mixed at a random position among the classical message information
  • the embodiment of FIG. 27 is from the second device Further comprising receiving information of the random classical binary information and information of the random position through a second classical channel, wherein the second QBER is further configured to include the information of the random classical binary information and the information of the random position. can be measured based on
  • the general memory may be configured to store binary state information
  • the quantum memory may be configured to store quantum state information
  • a first node is provided in a quantum communication system.
  • the first node may include a general memory, a transceiver, and at least one processor, and the at least one processor may be configured to perform the operating method of the first node according to FIG. 27 .
  • an apparatus for controlling a first node in a quantum communication system includes at least one processor; and at least one memory operably connected to the at least one processor.
  • the at least one memory may be configured to store instructions for performing an operation method of the first node according to FIG. 27 based on execution by the at least one processor.
  • one or more non-transitory computer readable media storing one or more instructions.
  • the one or more instructions may perform operations based on being executed by one or more processors, and the operations may include a first node operating method according to FIG. 27 .
  • a communication system 1 applied to various embodiments of the present disclosure includes a wireless device, a base station, and a network.
  • the wireless device means a device that performs communication using a radio access technology (eg, 5G New RAT (NR), Long Term Evolution (LTE)), and may be referred to as a communication/wireless/5G device.
  • wireless devices include robots 100a, vehicles 100b-1 and 100b-2, XR (eXtended Reality) devices 100c, hand-held devices 100d, and home appliances 100e. ), an Internet of Thing (IoT) device 100f, and an AI device/server 400.
  • the vehicle may include a vehicle equipped with a wireless communication function, an autonomous vehicle, a vehicle capable of performing inter-vehicle communication, and the like.
  • the vehicle may include an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) (eg, a drone).
  • UAV Unmanned Aerial Vehicle
  • XR devices include Augmented Reality (AR)/Virtual Reality (VR)/Mixed Reality (MR) devices, Head-Mounted Devices (HMDs), Head-Up Displays (HUDs) installed in vehicles, televisions, smartphones, It may be implemented in the form of a computer, wearable device, home appliance, digital signage, vehicle, robot, and the like.
  • a portable device may include a smart phone, a smart pad, a wearable device (eg, a smart watch, a smart glass), a computer (eg, a laptop computer, etc.), and the like.
  • Home appliances may include a TV, a refrigerator, a washing machine, and the like.
  • IoT devices may include sensors, smart meters, and the like.
  • a base station and a network may also be implemented as a wireless device, and a specific wireless device 200a may operate as a base station/network node to other wireless devices.
  • the wireless devices 100a to 100f may be connected to the network 300 through the base station 200 .
  • AI Artificial Intelligence
  • the network 300 may be configured using a 3G network, a 4G (eg LTE) network, or a 5G (eg NR) network.
  • the wireless devices 100a to 100f may communicate with each other through the base station 200/network 300, but may also communicate directly (eg, sidelink communication) without going through the base station/network.
  • the vehicles 100b-1 and 100b-2 may perform direct communication (eg, vehicle to vehicle (V2V)/vehicle to everything (V2X) communication).
  • IoT devices eg, sensors
  • IoT devices may directly communicate with other IoT devices (eg, sensors) or other wireless devices 100a to 100f.
  • Wireless communication/connection 150a, 150b, and 150c may be performed between the wireless devices 100a to 100f/base station 200 and the base station 200/base station 200.
  • wireless communication/connection refers to various wireless connections such as uplink/downlink communication 150a, sidelink communication 150b (or D2D communication), and inter-base station communication 150c (e.g. relay, Integrated Access Backhaul (IAB)).
  • IAB Integrated Access Backhaul
  • Wireless communication/connection (150a, 150b, 150c) allows wireless devices and base stations/wireless devices, and base stations and base stations to transmit/receive radio signals to/from each other.
  • the wireless communication/connection 150a, 150b, and 150c may transmit/receive signals through various physical channels.
  • transmission of radio signals /
  • various signal processing processes eg, channel encoding/decoding, modulation/demodulation, resource mapping/demapping, etc.
  • resource allocation processes etc.
  • NR supports a number of numerologies (or subcarrier spacing (SCS)) to support various 5G services.
  • SCS subcarrier spacing
  • the SCS when the SCS is 15 kHz, it supports a wide area in traditional cellular bands, and when the SCS is 30 kHz/60 kHz, dense-urban, lower latency and a wider carrier bandwidth, and when the SCS is 60 kHz or higher, a bandwidth greater than 24.25 GHz is supported to overcome phase noise.
  • the NR frequency band may be defined as a frequency range of two types (FR1 and FR2).
  • the number of frequency ranges may be changed, and for example, the frequency ranges of the two types (FR1 and FR2) may be shown in Table 5 below.
  • FR1 may mean “sub 6 GHz range”
  • FR2 may mean “above 6 GHz range” and may be called millimeter wave (mmW) .
  • mmW millimeter wave
  • FR1 may include a band of 410 MHz to 7125 MHz as shown in Table 6 below. That is, FR1 may include a frequency band of 6 GHz (or 5850, 5900, 5925 MHz, etc.) or higher. For example, a frequency band of 6 GHz (or 5850, 5900, 5925 MHz, etc.) or higher included in FR1 may include an unlicensed band. The unlicensed band may be used for various purposes, and may be used, for example, for vehicle communication (eg, autonomous driving).
  • 29 illustrates a wireless device applicable to various embodiments of the present disclosure.
  • the first wireless device 100 and the second wireless device 200 may transmit and receive radio signals through various radio access technologies (eg, LTE, NR).
  • ⁇ the first wireless device 100, the second wireless device 200 ⁇ is the ⁇ wireless device 100x, the base station 200 ⁇ of FIG. 28 and/or the ⁇ wireless device 100x, the wireless device 100x.
  • ⁇ can correspond.
  • the first wireless device 100 includes one or more processors 102 and one or more memories 104, and may additionally include one or more transceivers 106 and/or one or more antennas 108.
  • the processor 102 controls the memory 104 and/or the transceiver 106 and may be configured to implement the descriptions, functions, procedures, suggestions, methods and/or flowcharts of operations disclosed herein.
  • the processor 102 may process information in the memory 104 to generate first information/signal, and transmit a radio signal including the first information/signal through the transceiver 106.
  • the processor 102 may receive a radio signal including the second information/signal through the transceiver 106, and then store information obtained from signal processing of the second information/signal in the memory 104.
  • the memory 104 may be connected to the processor 102 and may store various information related to the operation of the processor 102 .
  • memory 104 may perform some or all of the processes controlled by processor 102, or instructions for performing the descriptions, functions, procedures, suggestions, methods, and/or flowcharts of operations disclosed herein. It may store software codes including them.
  • the processor 102 and memory 104 may be part of a communication modem/circuit/chip designed to implement a wireless communication technology (eg, LTE, NR).
  • the transceiver 106 may be coupled to the processor 102 and may transmit and/or receive wireless signals via one or more antennas 108 .
  • the transceiver 106 may include a transmitter and/or a receiver.
  • the transceiver 106 may be used interchangeably with a radio frequency (RF) unit.
  • RF radio frequency
  • a wireless device may mean a communication modem/circuit/chip.
  • the second wireless device 200 includes one or more processors 202, one or more memories 204, and may further include one or more transceivers 206 and/or one or more antennas 208.
  • Processor 202 controls memory 204 and/or transceiver 206 and may be configured to implement the descriptions, functions, procedures, suggestions, methods, and/or flowcharts of operations disclosed herein.
  • the processor 202 may process information in the memory 204 to generate third information/signal, and transmit a radio signal including the third information/signal through the transceiver 206.
  • the processor 202 may receive a radio signal including the fourth information/signal through the transceiver 206 and store information obtained from signal processing of the fourth information/signal in the memory 204 .
  • the memory 204 may be connected to the processor 202 and may store various information related to the operation of the processor 202 .
  • memory 204 may perform some or all of the processes controlled by processor 202, or instructions for performing the descriptions, functions, procedures, suggestions, methods, and/or flowcharts of operations disclosed herein. It may store software codes including them.
  • the processor 202 and memory 204 may be part of a communication modem/circuit/chip designed to implement a wireless communication technology (eg, LTE, NR).
  • the transceiver 206 may be coupled to the processor 202 and may transmit and/or receive wireless signals via one or more antennas 208 .
  • the transceiver 206 may include a transmitter and/or a receiver.
  • the transceiver 206 may be used interchangeably with an RF unit.
  • a wireless device may mean a communication modem/circuit/chip.
  • one or more protocol layers may be implemented by one or more processors 102, 202.
  • one or more processors 102, 202 may implement one or more layers (eg, functional layers such as PHY, MAC, RLC, PDCP, RRC, SDAP).
  • One or more processors 102, 202 may generate one or more Protocol Data Units (PDUs) and/or one or more Service Data Units (SDUs) in accordance with the descriptions, functions, procedures, proposals, methods and/or operational flow charts disclosed herein.
  • PDUs Protocol Data Units
  • SDUs Service Data Units
  • processors 102, 202 may generate messages, control information, data or information according to the descriptions, functions, procedures, proposals, methods and/or operational flow diagrams disclosed herein.
  • One or more processors 102, 202 generate PDUs, SDUs, messages, control information, data or signals (e.g., baseband signals) containing information according to the functions, procedures, proposals and/or methods disclosed herein , can be provided to one or more transceivers 106, 206.
  • One or more processors 102, 202 may receive signals (eg, baseband signals) from one or more transceivers 106, 206, and descriptions, functions, procedures, proposals, methods, and/or flowcharts of operations disclosed herein PDUs, SDUs, messages, control information, data, or information can be obtained according to these.
  • signals eg, baseband signals
  • One or more processors 102, 202 may be referred to as a controller, microcontroller, microprocessor or microcomputer.
  • One or more processors 102, 202 may be implemented by hardware, firmware, software, or a combination thereof.
  • ASICs Application Specific Integrated Circuits
  • DSPs Digital Signal Processors
  • DSPDs Digital Signal Processing Devices
  • PLDs Programmable Logic Devices
  • FPGAs Field Programmable Gate Arrays
  • firmware or software may be implemented using firmware or software, and the firmware or software may be implemented to include modules, procedures, functions, and the like.
  • Firmware or software configured to perform the descriptions, functions, procedures, suggestions, methods and/or operational flow diagrams disclosed herein may be included in one or more processors 102, 202 or stored in one or more memories 104, 204 and It can be driven by the above processors 102 and 202.
  • the descriptions, functions, procedures, suggestions, methods and/or operational flow charts disclosed in this document may be implemented using firmware or software in the form of codes, instructions and/or sets of instructions.
  • One or more memories 104, 204 may be coupled with one or more processors 102, 202 and may store various types of data, signals, messages, information, programs, codes, instructions and/or instructions.
  • One or more memories 104, 204 may be comprised of ROM, RAM, EPROM, flash memory, hard drives, registers, cache memory, computer readable storage media, and/or combinations thereof.
  • One or more memories 104, 204 may be located internally and/or external to one or more processors 102, 202. Additionally, one or more memories 104, 204 may be coupled to one or more processors 102, 202 through various technologies, such as wired or wireless connections.
  • One or more transceivers 106, 206 may transmit user data, control information, radio signals/channels, etc., as referred to in the methods and/or operational flow charts herein, to one or more other devices.
  • One or more transceivers 106, 206 may receive user data, control information, radio signals/channels, etc. referred to in descriptions, functions, procedures, proposals, methods and/or operational flow charts, etc. disclosed herein from one or more other devices. there is.
  • one or more transceivers 106 and 206 may be connected to one or more processors 102 and 202 and transmit and receive wireless signals.
  • one or more processors 102, 202 may control one or more transceivers 106, 206 to transmit user data, control information, or radio signals to one or more other devices. Additionally, one or more processors 102, 202 may control one or more transceivers 106, 206 to receive user data, control information, or radio signals from one or more other devices. In addition, one or more transceivers 106, 206 may be coupled with one or more antennas 108, 208, and one or more transceivers 106, 206 via one or more antennas 108, 208, as described herein, function. , procedures, proposals, methods and / or operation flowcharts, etc. can be set to transmit and receive user data, control information, radio signals / channels, etc.
  • one or more antennas may be a plurality of physical antennas or a plurality of logical antennas (eg, antenna ports).
  • One or more transceivers (106, 206) convert the received radio signals/channels from RF band signals in order to process the received user data, control information, radio signals/channels, etc. using one or more processors (102, 202). It can be converted into a baseband signal.
  • One or more transceivers 106 and 206 may convert user data, control information, and radio signals/channels processed by one or more processors 102 and 202 from baseband signals to RF band signals.
  • one or more of the transceivers 106, 206 may include (analog) oscillators and/or filters.
  • FIG. 30 illustrates another example of a wireless device applicable to various embodiments of the present disclosure.
  • the wireless device may include at least one processor 102, 202, at least one memory 104, 204, at least one transceiver 106, 206, and one or more antennas 108, 208. there is.
  • the processors 102 and 202 and the memories 104 and 204 are separated, but in the example of FIG. 30, the processor Note that (102, 202) includes the memory (104, 204).
  • 31 illustrates a signal processing circuit for a transmission signal.
  • the signal processing circuit 1000 may include a scrambler 1010, a modulator 1020, a layer mapper 1030, a precoder 1040, a resource mapper 1050, and a signal generator 1060.
  • the operations/functions of FIG. 31 may be performed by processors 102 and 202 and/or transceivers 106 and 206 of FIG. 29 .
  • the hardware elements of FIG. 31 may be implemented in processors 102 and 202 and/or transceivers 106 and 206 of FIG. 29 .
  • blocks 1010-1060 may be implemented in the processors 102 and 202 of FIG. 29 .
  • blocks 1010 to 1050 may be implemented in the processors 102 and 202 of FIG. 29
  • block 1060 may be implemented in the transceivers 106 and 206 of FIG. 29 .
  • the codeword may be converted into a radio signal through the signal processing circuit 1000 of FIG. 31 .
  • a codeword is an encoded bit sequence of an information block.
  • Information blocks may include transport blocks (eg, UL-SCH transport blocks, DL-SCH transport blocks).
  • Radio signals may be transmitted through various physical channels (eg, PUSCH, PDSCH).
  • the codeword may be converted into a scrambled bit sequence by the scrambler 1010.
  • a scramble sequence used for scrambling is generated based on an initialization value, and the initialization value may include ID information of a wireless device.
  • the scrambled bit sequence may be modulated into a modulation symbol sequence by modulator 1020.
  • the modulation scheme may include pi/2-Binary Phase Shift Keying (pi/2-BPSK), m-Phase Shift Keying (m-PSK), m-Quadrature Amplitude Modulation (m-QAM), and the like.
  • the complex modulation symbol sequence may be mapped to one or more transport layers by the layer mapper 1030.
  • Modulation symbols of each transport layer may be mapped to the corresponding antenna port(s) by the precoder 1040 (precoding).
  • the output z of the precoder 1040 can be obtained by multiplying the output y of the layer mapper 1030 by the N*M precoding matrix W.
  • N is the number of antenna ports and M is the number of transport layers.
  • the precoder 1040 may perform precoding after performing transform precoding (eg, DFT transformation) on complex modulation symbols. Also, the precoder 1040 may perform precoding without performing transform precoding.
  • the resource mapper 1050 may map modulation symbols of each antenna port to time-frequency resources.
  • the time-frequency resource may include a plurality of symbols (eg, CP-OFDMA symbols and DFT-s-OFDMA symbols) in the time domain and a plurality of subcarriers in the frequency domain.
  • the signal generator 1060 generates a radio signal from the mapped modulation symbols, and the generated radio signal can be transmitted to other devices through each antenna.
  • the signal generator 1060 may include an inverse fast Fourier transform (IFFT) module, a cyclic prefix (CP) inserter, a digital-to-analog converter (DAC), a frequency uplink converter, and the like.
  • IFFT inverse fast Fourier transform
  • CP cyclic prefix
  • DAC digital-to-analog converter
  • the signal processing process for the received signal in the wireless device may be configured in reverse to the signal processing process 1010 to 1060 of FIG. 31 .
  • wireless devices eg, 100 and 200 of FIG. 29
  • the received radio signal may be converted into a baseband signal through a signal restorer.
  • the signal restorer may include a frequency downlink converter, an analog-to-digital converter (ADC), a CP remover, and a fast Fourier transform (FFT) module.
  • ADC analog-to-digital converter
  • FFT fast Fourier transform
  • the baseband signal may be restored to a codeword through a resource de-mapper process, a postcoding process, a demodulation process, and a de-scramble process.
  • a signal processing circuit for a received signal may include a signal restorer, a resource demapper, a postcoder, a demodulator, a descrambler, and a decoder.
  • a wireless device may be implemented in various forms according to usage-examples/services (see FIG. 28).
  • wireless devices 100 and 200 correspond to the wireless devices 100 and 200 of FIG. 29, and include various elements, components, units/units, and/or modules. ) can be configured.
  • the wireless devices 100 and 200 may include a communication unit 110 , a control unit 120 , a memory unit 130 and an additional element 140 .
  • the communication unit may include communication circuitry 112 and transceiver(s) 114 .
  • communication circuitry 112 may include one or more processors 102, 202 of FIG. 29 and/or one or more memories 104, 204.
  • transceiver(s) 114 may include one or more transceivers 106, 206 of FIG. 29 and/or one or more antennas 108, 208.
  • the control unit 120 is electrically connected to the communication unit 110, the memory unit 130, and the additional element 140 and controls overall operations of the wireless device.
  • the control unit 120 may control electrical/mechanical operations of the wireless device based on programs/codes/commands/information stored in the memory unit 130.
  • the controller 120 transmits the information stored in the memory unit 130 to the outside (eg, another communication device) through the communication unit 110 through a wireless/wired interface, or transmits the information stored in the memory unit 130 to the outside (eg, another communication device) through the communication unit 110.
  • Information received through a wireless/wired interface from other communication devices) may be stored in the memory unit 130 .
  • the additional element 140 may be configured in various ways according to the type of wireless device.
  • the additional element 140 may include at least one of a power unit/battery, an I/O unit, a driving unit, and a computing unit.
  • the wireless device may be a robot (Fig. 28, 100a), a vehicle (Fig. 28, 100b-1, 100b-2), an XR device (Fig. 28, 100c), a mobile device (Fig. 28, 100d), a home appliance. (FIG. 28, 100e), IoT device (FIG.
  • digital broadcasting terminal digital broadcasting terminal
  • hologram device public safety device
  • MTC device medical device
  • fintech device or financial device
  • security device climate/environmental device
  • It may be implemented in the form of an AI server/device (Fig. 28, 400), a base station (Fig. 28, 200), a network node, and the like.
  • Wireless devices can be mobile or used in a fixed location depending on the use-case/service.
  • various elements, components, units/units, and/or modules in the wireless devices 100 and 200 may all be interconnected through a wired interface, or at least some may be wirelessly connected through the communication unit 110.
  • the control unit 120 and the communication unit 110 are connected by wire, and the control unit 120 and the first units (eg, 130 and 140) are connected through the communication unit 110.
  • the control unit 120 and the first units eg, 130 and 140
  • each element, component, unit/unit, and/or module within the wireless device 100, 200 may further include one or more elements.
  • the control unit 120 may be composed of one or more processor sets.
  • the controller 120 may include a set of a communication control processor, an application processor, an electronic control unit (ECU), a graphic processing processor, a memory control processor, and the like.
  • the memory unit 130 may include random access memory (RAM), dynamic RAM (DRAM), read only memory (ROM), flash memory, volatile memory, and non-volatile memory. volatile memory) and/or a combination thereof.
  • a portable device may include a smart phone, a smart pad, a wearable device (eg, a smart watch, a smart glass), and a portable computer (eg, a laptop computer).
  • a mobile device may be referred to as a mobile station (MS), a user terminal (UT), a mobile subscriber station (MSS), a subscriber station (SS), an advanced mobile station (AMS), or a wireless terminal (WT).
  • MS mobile station
  • UT user terminal
  • MSS mobile subscriber station
  • SS subscriber station
  • AMS advanced mobile station
  • WT wireless terminal
  • the portable device 100 includes an antenna unit 108, a communication unit 110, a control unit 120, a memory unit 130, a power supply unit 140a, an interface unit 140b, and an input/output unit 140c. ) may be included.
  • the antenna unit 108 may be configured as part of the communication unit 110 .
  • Blocks 110 to 130/140a to 140c respectively correspond to blocks 110 to 130/140 of FIG. 32 .
  • the communication unit 110 may transmit/receive signals (eg, data, control signals, etc.) with other wireless devices and base stations.
  • the controller 120 may perform various operations by controlling components of the portable device 100 .
  • the control unit 120 may include an application processor (AP).
  • the memory unit 130 may store data/parameters/programs/codes/commands necessary for driving the portable device 100 .
  • the memory unit 130 may store input/output data/information.
  • the power supply unit 140a supplies power to the portable device 100 and may include a wired/wireless charging circuit, a battery, and the like.
  • the interface unit 140b may support connection between the portable device 100 and other external devices.
  • the interface unit 140b may include various ports (eg, audio input/output ports and video input/output ports) for connection with external devices.
  • the input/output unit 140c may receive or output image information/signal, audio information/signal, data, and/or information input from a user.
  • the input/output unit 140c may include a camera, a microphone, a user input unit, a display unit 140d, a speaker, and/or a haptic module.
  • the input/output unit 140c obtains information/signals (eg, touch, text, voice, image, video) input from the user, and the acquired information/signals are stored in the memory unit 130.
  • the communication unit 110 may convert the information/signal stored in the memory into a wireless signal, and directly transmit the converted wireless signal to another wireless device or to a base station.
  • the communication unit 110 may receive a radio signal from another wireless device or a base station and then restore the received radio signal to original information/signal. After the restored information/signal is stored in the memory unit 130, it may be output in various forms (eg, text, voice, image, video, haptic) through the input/output unit 140c.
  • Vehicles or autonomous vehicles may be implemented as mobile robots, vehicles, trains, manned/unmanned aerial vehicles (AVs), ships, and the like.
  • AVs manned/unmanned aerial vehicles
  • a vehicle or autonomous vehicle 100 includes an antenna unit 108, a communication unit 110, a control unit 120, a driving unit 140a, a power supply unit 140b, a sensor unit 140c, and an autonomous driving unit.
  • a portion 140d may be included.
  • the antenna unit 108 may be configured as part of the communication unit 110 .
  • Blocks 110/130/140a to 140d respectively correspond to blocks 110/130/140 of FIG. 32 .
  • the communication unit 110 may transmit/receive signals (eg, data, control signals, etc.) with external devices such as other vehicles, base stations (e.g. base stations, roadside base stations, etc.), servers, and the like.
  • the controller 120 may perform various operations by controlling elements of the vehicle or autonomous vehicle 100 .
  • the controller 120 may include an Electronic Control Unit (ECU).
  • the driving unit 140a may drive the vehicle or autonomous vehicle 100 on the ground.
  • the driving unit 140a may include an engine, a motor, a power train, a wheel, a brake, a steering device, and the like.
  • the power supply unit 140b supplies power to the vehicle or autonomous vehicle 100, and may include a wired/wireless charging circuit, a battery, and the like.
  • the sensor unit 140c may obtain vehicle conditions, surrounding environment information, and user information.
  • the sensor unit 140c includes an inertial measurement unit (IMU) sensor, a collision sensor, a wheel sensor, a speed sensor, an inclination sensor, a weight detection sensor, a heading sensor, a position module, and a vehicle forward.
  • IMU inertial measurement unit
  • /Can include a reverse sensor, battery sensor, fuel sensor, tire sensor, steering sensor, temperature sensor, humidity sensor, ultrasonic sensor, illuminance sensor, pedal position sensor, and the like.
  • the autonomous driving unit 140d includes a technology for maintaining a driving lane, a technology for automatically adjusting speed such as adaptive cruise control, a technology for automatically driving along a predetermined route, and a technology for automatically setting a route when a destination is set and driving. technologies can be implemented.
  • the communication unit 110 may receive map data, traffic information data, and the like from an external server.
  • the autonomous driving unit 140d may generate an autonomous driving route and a driving plan based on the acquired data.
  • the controller 120 may control the driving unit 140a so that the vehicle or autonomous vehicle 100 moves along the autonomous driving path according to the driving plan (eg, speed/direction adjustment).
  • the communicator 110 may non-/periodically obtain the latest traffic information data from an external server and obtain surrounding traffic information data from surrounding vehicles.
  • the sensor unit 140c may acquire vehicle state and surrounding environment information.
  • the autonomous driving unit 140d may update an autonomous driving route and a driving plan based on newly acquired data/information.
  • the communication unit 110 may transmit information about a vehicle location, an autonomous driving route, a driving plan, and the like to an external server.
  • the external server may predict traffic information data in advance using AI technology based on information collected from the vehicle or self-driving vehicles, and may provide the predicted traffic information data to the vehicle or self-driving vehicles.
  • a vehicle may be implemented as a means of transportation, a train, an air vehicle, a ship, and the like.
  • the vehicle 100 may include a communication unit 110, a control unit 120, a memory unit 130, an input/output unit 140a, and a position measurement unit 140b.
  • blocks 110 to 130/140a to 140b respectively correspond to blocks 110 to 130/140 of FIG. 32 .
  • the communication unit 110 may transmit/receive signals (eg, data, control signals, etc.) with other vehicles or external devices such as base stations.
  • the controller 120 may perform various operations by controlling components of the vehicle 100 .
  • the memory unit 130 may store data/parameters/programs/codes/commands supporting various functions of the vehicle 100 .
  • the input/output unit 140a may output an AR/VR object based on information in the memory unit 130.
  • the input/output unit 140a may include a HUD.
  • the location measurement unit 140b may obtain location information of the vehicle 100 .
  • the location information may include absolute location information of the vehicle 100, location information within a driving line, acceleration information, and location information with neighboring vehicles.
  • the location measurement unit 140b may include GPS and various sensors.
  • the communication unit 110 of the vehicle 100 may receive map information, traffic information, and the like from an external server and store them in the memory unit 130 .
  • the location measurement unit 140b may acquire vehicle location information through GPS and various sensors and store it in the memory unit 130 .
  • the controller 120 may generate a virtual object based on map information, traffic information, vehicle location information, etc., and the input/output unit 140a may display the created virtual object on a window in the vehicle (1410, 1420).
  • the controller 120 may determine whether the vehicle 100 is normally operated within the driving line based on the vehicle location information. When the vehicle 100 abnormally deviate from the driving line, the controller 120 may display a warning on a window in the vehicle through the input/output unit 140a. In addition, the controller 120 may broadcast a warning message about driving abnormality to surrounding vehicles through the communication unit 110 .
  • the controller 120 may transmit vehicle location information and information on driving/vehicle abnormalities to related agencies through the communication unit 110 .
  • the XR device may be implemented as an HMD, a head-up display (HUD) provided in a vehicle, a television, a smartphone, a computer, a wearable device, a home appliance, a digital signage, a vehicle, a robot, and the like.
  • HMD head-up display
  • the XR device may be implemented as an HMD, a head-up display (HUD) provided in a vehicle, a television, a smartphone, a computer, a wearable device, a home appliance, a digital signage, a vehicle, a robot, and the like.
  • HUD head-up display
  • the XR device 100a may include a communication unit 110, a control unit 120, a memory unit 130, an input/output unit 140a, a sensor unit 140b, and a power supply unit 140c.
  • blocks 110 to 130/140a to 140c respectively correspond to blocks 110 to 130/140 of FIG. 32 .
  • the communication unit 110 may transmit/receive signals (eg, media data, control signals, etc.) with external devices such as other wireless devices, portable devices, or media servers.
  • Media data may include video, image, sound, and the like.
  • the controller 120 may perform various operations by controlling components of the XR device 100a.
  • the controller 120 may be configured to control and/or perform procedures such as video/image acquisition, (video/image) encoding, and metadata generation and processing.
  • the memory unit 130 may store data/parameters/programs/codes/commands necessary for driving the XR device 100a/creating an XR object.
  • the input/output unit 140a may obtain control information, data, etc. from the outside and output the created XR object.
  • the input/output unit 140a may include a camera, a microphone, a user input unit, a display unit, a speaker, and/or a haptic module.
  • the sensor unit 140b may obtain XR device status, surrounding environment information, user information, and the like.
  • the sensor unit 140b may include a proximity sensor, an illuminance sensor, an acceleration sensor, a magnetic sensor, a gyro sensor, an inertial sensor, an RGB sensor, an IR sensor, a fingerprint recognition sensor, an ultrasonic sensor, an optical sensor, a microphone, and/or a radar. there is.
  • the power supply unit 140c supplies power to the XR device 100a and may include a wired/wireless charging circuit, a battery, and the like.
  • the memory unit 130 of the XR device 100a may include information (eg, data, etc.) necessary for generating an XR object (eg, AR/VR/MR object).
  • the input/output unit 140a may obtain a command to operate the XR device 100a from a user, and the control unit 120 may drive the XR device 100a according to the user's driving command. For example, when a user tries to watch a movie, news, etc. through the XR device 100a, the control unit 120 transmits content request information to another device (eg, the mobile device 100b) or through the communication unit 130. can be sent to the media server.
  • another device eg, the mobile device 100b
  • the communication unit 130 can be sent to the media server.
  • the communication unit 130 may download/stream content such as movies and news from another device (eg, the portable device 100b) or a media server to the memory unit 130 .
  • the control unit 120 controls and/or performs procedures such as video/image acquisition, (video/image) encoding, metadata generation/processing, etc. for content, and acquisition through the input/output unit 140a/sensor unit 140b.
  • An XR object may be created/output based on information about a surrounding space or a real object.
  • the XR device 100a is wirelessly connected to the portable device 100b through the communication unit 110, and the operation of the XR device 100a may be controlled by the portable device 100b.
  • the mobile device 100b may operate as a controller for the XR device 100a.
  • the XR device 100a may acquire 3D location information of the portable device 100b and then generate and output an XR object corresponding to the portable device 100b.
  • Robots may be classified into industrial, medical, household, military, and the like depending on the purpose or field of use.
  • the robot 100 may include a communication unit 110, a control unit 120, a memory unit 130, an input/output unit 140a, a sensor unit 140b, and a driving unit 140c.
  • blocks 110 to 130/140a to 140c respectively correspond to blocks 110 to 130/140 of FIG. 32 .
  • the communication unit 110 may transmit/receive signals (eg, driving information, control signals, etc.) with external devices such as other wireless devices, other robots, or control servers.
  • the controller 120 may perform various operations by controlling components of the robot 100 .
  • the memory unit 130 may store data/parameters/programs/codes/commands supporting various functions of the robot 100.
  • the input/output unit 140a may obtain information from the outside of the robot 100 and output the information to the outside of the robot 100 .
  • the input/output unit 140a may include a camera, a microphone, a user input unit, a display unit, a speaker, and/or a haptic module.
  • the sensor unit 140b may obtain internal information of the robot 100, surrounding environment information, user information, and the like.
  • the sensor unit 140b may include a proximity sensor, an illuminance sensor, an acceleration sensor, a magnetic sensor, a gyro sensor, an inertial sensor, an IR sensor, a fingerprint recognition sensor, an ultrasonic sensor, an optical sensor, a microphone, a radar, and the like.
  • the driving unit 140c may perform various physical operations such as moving a robot joint. In addition, the driving unit 140c may make the robot 100 drive on the ground or fly in the air.
  • the driving unit 140c may include actuators, motors, wheels, brakes, propellers, and the like.
  • AI devices include fixed or mobile devices such as TVs, projectors, smartphones, PCs, laptops, digital broadcasting terminals, tablet PCs, wearable devices, set-top boxes (STBs), radios, washing machines, refrigerators, digital signage, robots, and vehicles. It can be implemented with possible devices and the like.
  • the AI device 100 includes a communication unit 110, a control unit 120, a memory unit 130, an input/output unit 140a/140b, a running processor unit 140c, and a sensor unit 140d.
  • a communication unit 110 can include Blocks 110 to 130/140a to 140d respectively correspond to blocks 110 to 130/140 of FIG. 32 .
  • the communication unit 110 transmits wired/wireless signals (eg, sensor information, user input, learning) to other AI devices (eg, FIG. W1, 100x, 200, 400) or external devices such as the AI server 200 using wired/wireless communication technology. models, control signals, etc.) can be transmitted and received.
  • the communication unit 110 may transmit information in the memory unit 130 to an external device or transmit a signal received from the external device to the memory unit 130 .
  • the controller 120 may determine at least one feasible operation of the AI device 100 based on information determined or generated using a data analysis algorithm or a machine learning algorithm. In addition, the controller 120 may perform the determined operation by controlling components of the AI device 100 . For example, the controller 120 may request, retrieve, receive, or utilize data from the learning processor unit 140c or the memory unit 130, and may perform a predicted operation among at least one feasible operation or an operation determined to be desirable. Components of the AI device 100 may be controlled to execute an operation. In addition, the control unit 120 collects history information including user feedback on the operation contents or operation of the AI device 100 and stores it in the memory unit 130 or the running processor unit 140c, or the AI server ( It can be transmitted to an external device such as FIG. W1, 400). The collected history information can be used to update the learning model.
  • the memory unit 130 may store data supporting various functions of the AI device 100 .
  • the memory unit 130 may store data obtained from the input unit 140a, data obtained from the communication unit 110, output data from the learning processor unit 140c, and data obtained from the sensing unit 140.
  • the memory unit 130 may store control information and/or software codes necessary for operation/execution of the control unit 120 .
  • the input unit 140a may obtain various types of data from the outside of the AI device 100.
  • the input unit 120 may obtain learning data for model learning and input data to which the learning model is to be applied.
  • the input unit 140a may include a camera, a microphone, and/or a user input unit.
  • the output unit 140b may generate an output related to sight, hearing, or touch.
  • the output unit 140b may include a display unit, a speaker, and/or a haptic module.
  • the sensing unit 140 may obtain at least one of internal information of the AI device 100, surrounding environment information of the AI device 100, and user information by using various sensors.
  • the sensing unit 140 may include a proximity sensor, an illuminance sensor, an acceleration sensor, a magnetic sensor, a gyro sensor, an inertial sensor, an RGB sensor, an IR sensor, a fingerprint recognition sensor, an ultrasonic sensor, an optical sensor, a microphone, and/or a radar. there is.
  • the learning processor unit 140c may learn a model composed of an artificial neural network using learning data.
  • the running processor unit 140c may perform AI processing together with the running processor unit of the AI server (FIG. W1, 400).
  • the learning processor unit 140c may process information received from an external device through the communication unit 110 and/or information stored in the memory unit 130 .
  • the output value of the learning processor unit 140c may be transmitted to an external device through the communication unit 110 and/or stored in the memory unit 130.

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Abstract

본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 양자 통신 시스템에서 제1 노드의 동작 방법에 있어서, 제1 퀀텀 채널 (quantum channel)을 통하여 제2 노드로부터 체킹 시퀀스(checking sequence)를 수신하고, 상기 체킹 시퀀스는 메시지 코딩 시퀀스(message coding sequence)와 함께 얽힘 광자 쌍들(Einstein?Podolsky?Rosen pairs, EPR-pairs)을 구성하는 단계, 상기 체킹 시퀀스를 양자 메모리에 저장하지 않고, 상기 체킹 시퀀스 중 무작위로 선정된 제1 위치에 해당하는 부분에 대하여 제1 기저(basis) 정보에 기반하여 단광자 측정(single photon detection)을 수행함으로써 제1 측정 값을 결정하는 단계, 상기 제1 위치, 상기 제1 기저 정보, 상기 제1 측정 값의 정보를 일반 메모리에 저장하는 단계, 상기 제2 노드에게 제1 고전 채널(classical channel)을 통해 상기 제1 위치, 상기 제1 기저 정보, 상기 제1 측정 값의 정보를 전송하는 단계, 제2 퀀텀 채널을 통하여 1 비트의 고전 메시지 정보(classical message information)가 인코딩 된 메시지 코딩 시퀀스를 수신하는 단계, 상기 메시지 코딩 시퀀스 중 상기 제1 위치에 해당하는 부분에 대하여 상기 제1 기저 정보에 기반하여 단광자 측정을 수행함으로써 제2 측정 값을 결정하는 단계, 및 상기 일반 메모리에 저장된 상기 제1 측정 값과 상기 제2 측정 값의 일치 여부에 기반하여 상기 고전 정보를 검출하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.

Description

양자 통신 시스템에서 복잡도를 낮춘 양자 보안 직접 통신을 수행하기 위한 장치 및 방법
본 개시(disclosure)는 양자 통신 시스템에 관한 것이다. 구체적으로, 본 개시는 양자 통신 시스템에서 수신기의 양자 메모리 및 벨 상태 측정이 없이 복잡도를 낮춘 2단계(two step) 양자 보안 직접 통신(quantum secure direct communication, QSDC)을 수행하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
퀀텀 컴퓨터의 등장으로 인해, 기존 수학적 복잡도 기반의 암호 체계(예컨대, RSA, AES 등)에 대해 해킹이 가능하게 되었다. 해킹에 대한 방지를 위해, 양자 암호 통신이 제안되고 있다.
한편, 본 개시는 양자통신 기법 중 양자 채널을 통하여 안전하게 메시지 정보를 직접 전송할 수 있는 양자보안 직접통신(quantum secure direct communication, QSDC) 기법에 관한 것이며, 대표적인 기법인 얽힘 기반 2단계(two step) QSDC 프로토콜의 수신부 복잡도를 낮추기 위한 방법 및 장치를 개시한다. 구체적으로, 본 개시는 얽힘 광원 기반의 two step QSDC 프로토콜의 수신부에서 메시지 정보가 포함된 얽힘 상태의 신호를 검출하기 위해 사용되는 양자 메모리와 Bell state 측정 방법을 사용하지 않고 수신된 얽힘 신호를 낮은 복잡도의 개별 단광자 검출 방식으로 검출한 후, 그 결과의 일치 여부 확인을 통해 전송하고자 하는 고전 메시지 정보를 검출해 낼 수 있는 수신부의 구성 복잡도를 낮출 수 있는 방법 및 장치를 개시한다.
상술한 문제점을 해결하기 위해, 본 개시는 양자 통신 시스템에서 복잡도를 낮춘 양자 보안 직접 통신을 수행하기 위한 장치 및 방법을 제공한다.
본 개시는 양자 통신 시스템에서 수신기의 양자 메모리 및 벨 상태 측정이 없이 복잡도를 낮춘 2단계(two step) 양자 보안 직접 통신(quantum secure direct communication, QSDC)을 수행하기 위한 장치 및 방법을 제공한다.
본 개시는 얽힘 기반 2단계(two step) QSDC 프로토콜의 수신부 복잡도를 낮추기 위한 장치 및 방법을 제공한다.
본 개시는 얽힘 광원 기반의 two step QSDC 프로토콜의 수신부에서 메시지 정보가 포함된 얽힘 상태의 신호를 검출하기 위해 사용되는 양자 메모리와 Bell state 측정 방법을 사용하지 않고, 대신에 단광자 검출 방식을 사용함으로써 수신부 구성의 복잡도를 낮춘 장치 및 방법을 제공한다.
본 개시는 수신된 얽힘 신호를 낮은 복잡도의 개별 단광자 검출 방식으로 검출한 후, 그 결과의 일치 여부 확인을 통해 전송하고자 하는 고전 메시지 정보를 검출해 낼 수 있는 수신부의 구성 복잡도를 낮출 수 있는 장치 및 방법을 제공한다.
본 개시에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 양자 통신 시스템에서 제1 노드의 동작 방법에 있어서, 제1 퀀텀 채널 (quantum channel)을 통하여 제2 노드로부터 체킹 시퀀스(checking sequence)를 수신하고, 상기 체킹 시퀀스는 메시지 코딩 시퀀스(message coding sequence)와 함께 얽힘 광자 쌍들(Einstein-Podolsky-Rosen pairs, EPR-pairs)을 구성하는 단계, 상기 체킹 시퀀스를 양자 메모리에 저장하지 않고, 상기 체킹 시퀀스 중 무작위로 선정된 제1 위치에 해당하는 부분에 대하여 제1 기저(basis) 정보에 기반하여 단광자 측정(single photon detection)을 수행함으로써 제1 측정 값을 결정하는 단계, 상기 제1 위치, 상기 제1 기저 정보, 상기 제1 측정 값의 정보를 일반 메모리에 저장하는 단계, 상기 제2 노드에게 제1 고전 채널(classical channel)을 통해 상기 제1 위치, 상기 제1 기저 정보, 상기 제1 측정 값의 정보를 전송하는 단계, 제2 퀀텀 채널을 통하여 1 비트의 고전 메시지 정보(classical message information)가 인코딩 된 메시지 코딩 시퀀스를 수신하는 단계, 상기 메시지 코딩 시퀀스 중 상기 제1 위치에 해당하는 부분에 대하여 상기 제1 기저 정보에 기반하여 단광자 측정을 수행함으로써 제2 측정 값을 결정하는 단계, 및 상기 일반 메모리에 저장된 상기 제1 측정 값과 상기 제2 측정 값의 일치 여부에 기반하여 상기 고전 정보를 검출하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 양자 통신 시스템에서 제1 노드에 있어서, 일반 메모리, 송수신기 및 적어도 하나의 프로세서를 포함하고, 상기 적어도 하나의 프로세서는, 제1 퀀텀 채널 (quantum channel)을 통하여 제2 노드로부터 체킹 시퀀스(checking sequence)를 수신하고, 상기 체킹 시퀀스는 메시지 코딩 시퀀스(message coding sequence)와 함께 얽힘 광자 쌍들(Einstein-Podolsky-Rosen pairs, EPR-pairs)을 구성하고, 상기 체킹 시퀀스를 양자 메모리에 저장하지 않고, 상기 체킹 시퀀스 중 무작위로 선정된 제1 위치에 해당하는 부분에 대하여 제1 기저(basis) 정보에 기반하여 단광자 측정(single photon detection)을 수행함으로써 제1 측정 값을 결정하고, 상기 제1 위치, 상기 제1 기저 정보, 상기 제1 측정 값의 정보를 상기 일반 메모리에 저장하고, 상기 제2 노드에게 제1 고전 채널(classical channel)을 통해 상기 제1 위치, 상기 제1 기저 정보, 상기 제1 측정 값의 정보를 전송하고, 제2 퀀텀 채널을 통하여 1 비트의 고전 메시지 정보(classical message information)가 인코딩 된 메시지 코딩 시퀀스를 수신하고, 상기 메시지 코딩 시퀀스 중 상기 제1 위치에 해당하는 부분에 대하여 상기 제1 기저 정보에 기반하여 단광자 측정을 수행함으로써 제2 측정 값을 결정하고, 상기 일반 메모리에 저장된 상기 제1 측정 값과 상기 제2 측정 값의 일치 여부에 기반하여 상기 고전 정보를 검출하도록 구성된 제1 노드가 제공된다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 하나 이상의 명령어를 저장하는 하나 이상의 비일시적인(non-transitory) 컴퓨터 판독 가능 매체에 있어서, 상기 하나 이상의 명령어는, 하나 이상의 프로세서에 의해 실행되는 것에 기반하여, 동작들을 수행하고, 상기 동작들은, 제1 퀀텀 채널 (quantum channel)을 통하여 제2 노드로부터 체킹 시퀀스(checking sequence)를 수신하고, 상기 체킹 시퀀스는 메시지 코딩 시퀀스(message coding sequence)와 함께 얽힘 광자 쌍들(Einstein-Podolsky-Rosen pairs, EPR-pairs)을 구성하는 단계, 상기 체킹 시퀀스를 양자 메모리에 저장하지 않고, 상기 체킹 시퀀스 중 무작위로 선정된 제1 위치에 해당하는 부분에 대하여 제1 기저(basis) 정보에 기반하여 단광자 측정(single photon detection)을 수행함으로써 제1 측정 값을 결정하는 단계, 상기 제1 위치, 상기 제1 기저 정보, 상기 제1 측정 값의 정보를 일반 메모리에 저장하는 단계, 상기 제2 노드에게 제1 고전 채널(classical channel)을 통해 상기 제1 위치, 상기 제1 기저 정보, 상기 제1 측정 값의 정보를 전송하는 단계, 제2 퀀텀 채널을 통하여 1 비트의 고전 메시지 정보(classical message information)이 인코딩 된 메시지 코딩 시퀀스를 수신하는 단계, 상기 메시지 코딩 시퀀스 중 상기 제1 위치에 해당하는 부분에 대하여 상기 제1 기저 정보에 기반하여 단광자 측정을 수행함으로써 제2 측정 값을 결정하는 단계, 및 상기 일반 메모리에 저장된 상기 제1 측정 값과 상기 제2 측정 값의 일치 여부에 기반하여 상기 고전 정보를 검출하는 단계를 포함하는 컴퓨터 판독 가능 매체가 제공된다.
본 개시는 양자 통신 시스템에서 복잡도를 낮춘 양자 보안 직접 통신을 수행하기 위한 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
본 개시는 양자 통신 시스템에서 수신기의 양자 메모리 및 벨 상태 측정이 없이 복잡도를 낮춘 2단계(two step) 양자 보안 직접 통신(quantum secure direct communication, QSDC)을 수행하기 위한 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
본 개시는 얽힘 기반 2단계(two step) QSDC 프로토콜의 수신부 복잡도를 낮추기 위한 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
본 개시는 얽힘 광원 기반의 two step QSDC 프로토콜의 수신부에서 메시지 정보가 포함된 얽힘 상태의 신호를 검출하기 위해 사용되는 양자 메모리와 Bell state 측정 방법을 사용하지 않고, 대신에 단광자 검출 방식을 사용함으로써 수신부 구성의 복잡도를 낮춘 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
본 개시는 수신된 얽힘 신호를 낮은 복잡도의 개별 단광자 검출 방식으로 검출한 후, 그 결과의 일치 여부 확인을 통해 전송하고자 하는 고전 메시지 정보를 검출해 낼 수 있는 수신부의 구성 복잡도를 낮출 수 있는 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
이하에 첨부되는 도면들은 본 개시에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 본 개시에 대한 실시 예들을 제공할 수 있다. 다만, 본 개시의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 개시하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시 예로 구성될 수 있다. 각 도면에서의 참조 번호(reference numerals)들은 구조적 구성요소(structural elements)를 의미할 수 있다.
도 1은 차세대 무선 접속 네트워크(New Generation Radio Access Network: NG-RAN)의 시스템 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 NG-RAN과 5GC 간의 기능적 분할을 도시한 도면이다.
도 3은 5G 사용 시나리오의 예를 도시한 도면이다.
도 4는 6G 시스템에서 제공 가능한 통신 구조의 일례를 도시한 도면이다.
도 5는 퍼셉트론 구조의 일례를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 다층 퍼셉트론 구조의 일례를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 심층 신경망 예시를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8은 컨볼루션 신경망의 일례를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9는 컨볼루션 신경망에서의 필터 연산의 일례를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 10은 순환 루프가 존재하는 신경망 구조의 일례를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 11은 순환 신경망의 동작 구조의 일례를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 12는 전자기 스펙트럼의 일례를 도시한 도면이다.
도 13은 THz 통신 응용의 일례를 도시한 도면이다.
도 14는 전자소자 기반 THz 무선통신 송수신기의 일례를 도시한 도면이다.
도 15는 광 소자 기반 THz 신호를 생성하는 방법의 일례를 도시한 도면이다.
도 16은 광 소자 기반 THz 무선통신 송수신기의 일례를 도시한 도면이다.
도 17은 광자 소스(Photoinc source) 기반 송신기의 구조를 도시한 도면이다,
도 18은 광 변조기(Optical modulator)의 구조를 도시한 도면이다.
도 19는 양자 암호 통신의 일례를 개략적으로 도시한 것이다.
도 20은 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 2단계 QSDC(two step QSDC)의 구성의 일례를 도시한 도면이다.
도 21은 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 2단계 QSDC 프로토콜에서 EPR 쌍(EPR pair)의 변화 과정의 일례를 도시한 도면이다.
도 22는 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 부분적 벨 상태 측정(partial Bell state measurement, partial BSM)의 일례를 도시한 도면이다.
도 23은 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 완전 벨 상태 측정(complete Bell state measurement, complete BSM)의 일례를 도시한 도면이다.
도 24는 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 수신기의 양자 메모리 및 BSM이 생략된 2단계 QSDC의 일례를 도시한 도면이다.
도 25는 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 편광 기반 2 단계 QSDC 프로토콜의 구성의 일례를 도시한 도면이다.
도 26은 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 SPDC(spontaneous parametric down conversion) 방식을 이용한 얽힘 광자의 생성 과정의 일례를 도시한 도면이다.
도 27은 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 제1 노드의 동작 과정의 일례들 도시한 도면이다.
도 28은 본 개시의 다양한 실시 예들에 적용되는 통신 시스템(1)을 예시한다.
도 29는 본 개시의 다양한 실시 예들에 적용될 수 있는 무선 기기를 예시한다.
도 30은 본 개시의 다양한 실시 예들에 적용될 수 있는 무선 기기의 다른 예를 도시한다.
도 31은 전송 신호를 위한 신호 처리 회로를 예시한다.
도 32는 본 개시의 다양한 실시 예들에 적용되는 무선 기기의 다른 예를 나타낸다.
도 33은 본 개시의 다양한 실시 예들에 적용되는 휴대 기기를 예시한다.
도 34는 본 개시의 다양한 실시 예들에 적용되는 차량 또는 자율 주행 차량을 예시한다.
도 35는 본 개시의 다양한 실시 예들에 적용되는 차량을 예시한다.
도 36은 본 개시의 다양한 실시 예들에 적용되는 XR 기기를 예시한다.
도 37은 본 개시의 다양한 실시 예들에 적용되는 로봇을 예시한다.
도 38은 본 개시의 다양한 실시 예들에 적용되는 AI 기기를 예시한다.
본 개시의 다양한 실시 예들에서 "A 또는 B(A or B)"는 "오직 A", "오직 B" 또는 "A와 B 모두"를 의미할 수 있다. 달리 표현하면, 본 개시의 다양한 실시 예들에서 "A 또는 B(A or B)"는 "A 및/또는 B(A and/or B)"으로 해석될 수 있다. 예를 들어, 본 개시의 다양한 실시 예들에서 "A, B 또는 C(A, B or C)"는 "오직 A", "오직 B", "오직 C", 또는 "A, B 및 C의 임의의 모든 조합(any combination of A, B and C)"를 의미할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에서 사용되는 슬래쉬(/)나 쉼표(comma)는 "및/또는(and/or)"을 의미할 수 있다. 예를 들어, "A/B"는 "A 및/또는 B"를 의미할 수 있다. 이에 따라 "A/B"는 "오직 A", "오직 B", 또는 "A와 B 모두"를 의미할 수 있다. 예를 들어, "A, B, C"는 "A, B 또는 C"를 의미할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에서 "적어도 하나의 A 및 B(at least one of A and B)"는, "오직 A", "오직 B" 또는 "A와 B 모두"를 의미할 수 있다. 또한, 본 개시의 다양한 실시 예들에서 "적어도 하나의 A 또는 B(at least one of A or B)"나 "적어도 하나의 A 및/또는 B(at least one of A and/or B)"라는 표현은 "적어도 하나의 A 및 B(at least one of A and B)"와 동일하게 해석될 수 있다.
또한, 본 개시의 다양한 실시 예들에서 "적어도 하나의 A, B 및 C(at least one of A, B and C)"는, "오직 A", "오직 B", "오직 C", 또는 "A, B 및 C의 임의의 모든 조합(any combination of A, B and C)"를 의미할 수 있다. 또한, "적어도 하나의 A, B 또는 C(at least one of A, B or C)"나 "적어도 하나의 A, B 및/또는 C(at least one of A, B and/or C)"는 "적어도 하나의 A, B 및 C(at least one of A, B and C)"를 의미할 수 있다.
또한, 본 개시의 다양한 실시 예들에서 사용되는 괄호는 "예를 들어(for example)"를 의미할 수 있다. 구체적으로, "제어 정보(PDCCH)"로 표시된 경우, "제어 정보"의 일례로 "PDCCH"가 제안된 것일 수 있다. 달리 표현하면 본 개시의 다양한 실시 예들의 "제어 정보"는 "PDCCH"로 제한(limit)되지 않고, "PDDCH"가 "제어 정보"의 일례로 제안될 것일 수 있다. 또한, "제어 정보(즉, PDCCH)"로 표시된 경우에도, "제어 정보"의 일례로 "PDCCH"가 제안된 것일 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에서 하나의 도면 내에서 개별적으로 설명되는 기술적 특징은, 개별적으로 구현될 수도 있고, 동시에 구현될 수도 있다.
이하, 새로운 무선 접속 기술(new radio access technology: new RAT, NR)에 대해 설명한다.
더욱 많은 통신 기기들이 더욱 큰 통신 용량을 요구하게 됨에 따라 기존의 무선 접속 기술(radio access technology; RAT)에 비해 향상된 모바일 브로드밴드(mobile broadband) 통신에 대한 필요성이 대두되고 있다. 또한 다수의 기기 및 사물들을 연결하여 언제 어디서나 다양한 서비스를 제공하는 매시브 MTC (massive Machine Type Communications) 역시 차세대 통신에서 고려될 주요 이슈 중 하나이다. 뿐만 아니라 신뢰도(reliability) 및 지연(latency)에 민감한 서비스/단말을 고려한 통신 시스템 디자인이 논의되고 있다. 이와 같이 확장된 모바일 브로드밴드 커뮤니케이션(enhanced mobile broadband communication), massive MTC, URLLC (Ultra-Reliable and Low Latency Communication) 등을 고려한 차세대 무선 접속 기술의 도입이 논의되고 있으며, 본 개시의 다양한 실시 예들에서는 편의상 해당 기술(technology)을 new RAT 또는 NR이라고 부른다.
도 1은 차세대 무선 접속 네트워크(New Generation Radio Access Network: NG-RAN)의 시스템 구조를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, NG-RAN은, 단말에게 사용자 평면 및 제어 평면 프로토콜 종단(termination)을 제공하는 gNB 및/또는 eNB를 포함할 수 있다. 도 1에서는 gNB만을 포함하는 경우를 예시한다. gNB 및 eNB는 상호 간에 Xn 인터페이스로 연결되어 있다. gNB 및 eNB는 5세대 코어 네트워크(5G Core Network: 5GC)와 NG 인터페이스를 통해 연결되어 있다. 보다 구체적으로, AMF(access and mobility management function)과는 NG-C 인터페이스를 통해 연결되고, UPF(user plane function)과는 NG-U 인터페이스를 통해 연결된다.
도 2는 NG-RAN과 5GC 간의 기능적 분할을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, gNB는 인터 셀 간의 무선 자원 관리(Inter Cell RRM), 무선 베어러 관리(RB control), 연결 이동성 제어(Connection Mobility Control), 무선 허용 제어(Radio Admission Control), 측정 설정 및 제공(Measurement configuration & Provision), 동적 자원 할당(dynamic resource allocation) 등의 기능을 제공할 수 있다. AMF는 NAS 보안, 아이들 상태 이동성 처리 등의 기능을 제공할 수 있다. UPF는 이동성 앵커링(Mobility Anchoring), PDU 처리 등의 기능을 제공할 수 있다. SMF(Session Management Function)는 단말 IP 주소 할당, PDU 세션 제어 등의 기능을 제공할 수 있다.
도 3은 5G 사용 시나리오의 예를 도시한 도면이다.
도 3에 도시된 5G 사용 시나리오는 단지 예시적인 것이며, 본 개시의 다양한 실시 예들의 기술적 특징은 도 3에 도시되지 않은 다른 5G 사용 시나리오에도 적용될 수 있다.
도 3을 참조하면, 5G의 세 가지 주요 요구 사항 영역은 (1) 개선된 모바일 광대역(eMBB; enhanced mobile broadband) 영역, (2) 다량의 머신 타입 통신(mMTC; massive machine type communication) 영역 및 (3) 초-신뢰 및 저 지연 통신(URLLC; ultra-reliable and low latency communications) 영역을 포함한다. 일부 사용 예는 최적화를 위해 다수의 영역을 요구할 수 있고, 다른 사용 예는 단지 하나의 핵심 성능 지표(KPI; key performance indicator)에만 포커싱 할 수 있다. 5G는 이러한 다양한 사용 예들을 유연하고 신뢰할 수 있는 방법으로 지원하는 것이다.
eMBB는 데이터 속도, 지연, 사용자 밀도, 모바일 광대역 접속의 용량 및 커버리지의 전반적인 향상에 중점을 둔다. eMBB는 10Gbps 정도의 처리량을 목표로 한다. eMBB는 기본적인 모바일 인터넷 접속을 훨씬 능가하게 하며, 풍부한 양방향 작업, 클라우드 또는 증강 현실에서 미디어 및 엔터테인먼트 애플리케이션을 커버한다. 데이터는 5G의 핵심 동력 중 하나이며, 5G 시대에서 처음으로 전용 음성 서비스를 볼 수 없을 수 있다. 5G에서, 음성은 단순히 통신 시스템에 의해 제공되는 데이터 연결을 사용하여 응용 프로그램으로서 처리될 것으로 기대된다. 증가된 트래픽 양의 주요 원인은 콘텐츠 크기의 증가 및 높은 데이터 전송률을 요구하는 애플리케이션 수의 증가이다. 스트리밍 서비스(오디오 및 비디오), 대화형 비디오 및 모바일 인터넷 연결은 더 많은 장치가 인터넷에 연결될수록 더 널리 사용될 것이다. 이러한 많은 애플리케이션은 사용자에게 실시간 정보 및 알림을 푸쉬하기 위해 항상 켜져 있는 연결성을 필요로 한다. 클라우드 스토리지 및 애플리케이션은 모바일 통신 플랫폼에서 급속히 증가하고 있으며, 이것은 업무 및 엔터테인먼트 모두에 적용될 수 있다. 클라우드 스토리지는 상향링크 데이터 전송률의 성장을 견인하는 특별한 사용 예이다. 5G는 또한 클라우드 상의 원격 업무에도 사용되며, 촉각 인터페이스가 사용될 때 우수한 사용자 경험을 유지하도록 훨씬 더 낮은 단-대-단(end-to-end) 지연을 요구한다. 엔터테인먼트에서 예를 들면, 클라우드 게임 및 비디오 스트리밍은 모바일 광대역 능력에 대한 요구를 증가시키는 또 다른 핵심 요소이다. 엔터테인먼트는 기차, 차 및 비행기와 같은 높은 이동성 환경을 포함하여 어떤 곳에서든지 스마트폰 및 태블릿에서 필수적이다. 또 다른 사용 예는 엔터테인먼트를 위한 증강 현실 및 정보 검색이다. 여기서, 증강 현실은 매우 낮은 지연과 순간적인 데이터 양을 필요로 한다.
mMTC는 배터리에 의해 구동되는 다량의 저비용 장치 간의 통신을 가능하게 하기 위하여 설계되며, 스마트 계량, 물류, 현장 및 신체 센서와 같은 애플리케이션을 지원하기 위한 것이다. mMTC는 10년 정도의 배터리 및/또는 1km2 당 백만 개 정도의 장치를 목표로 한다. mMTC는 모든 분야에서 임베디드 센서를 원활하게 연결할 수 있게 하며, 가장 많이 예상되는 5G 사용 예 중 하나이다. 잠재적으로 2020년까지 IoT 장치들은 204억 개에 이를 것으로 예측된다. 산업 IoT는 5G가 스마트 도시, 자산 추적(asset tracking), 스마트 유틸리티, 농업 및 보안 인프라를 가능하게 하는 주요 역할을 수행하는 영역 중 하나이다.
URLLC는 장치 및 기계가 매우 신뢰성 있고 매우 낮은 지연 및 높은 가용성으로 통신할 수 있도록 함으로써 차량 통신, 산업 제어, 공장 자동화, 원격 수술, 스마트 그리드 및 공공 안전 애플리케이션에 이상적이다. URLLC는 1ms의 정도의 지연을 목표로 한다. URLLC는 주요 인프라의 원격 제어 및 자율 주행 차량과 같은 초 신뢰/지연이 적은 링크를 통해 산업을 변화시킬 새로운 서비스를 포함한다. 신뢰성과 지연의 수준은 스마트 그리드 제어, 산업 자동화, 로봇 공학, 드론 제어 및 조정에 필수적이다.
다음으로, 도 3의 삼각형 안에 포함된 다수의 사용 예에 대해 보다 구체적으로 살펴본다.
5G는 초당 수백 메가 비트에서 초당 기가 비트로 평가되는 스트림을 제공하는 수단으로 FTTH(fiber-to-the-home) 및 케이블 기반 광대역(또는 DOCSIS)을 보완할 수 있다. 이러한 빠른 속도는 가상 현실(VR; virtual reality)과 증강 현실(AR; augmented reality) 뿐 아니라 4K 이상(6K, 8K 및 그 이상)의 해상도로 TV를 전달하는 데에 요구될 수 있다. VR 및 AR 애플리케이션은 거의 몰입형(immersive) 스포츠 경기를 포함한다. 특정 애플리케이션은 특별한 네트워크 설정이 요구될 수 있다. 예를 들어, VR 게임의 경우, 게임 회사가 지연을 최소화하기 위해 코어 서버를 네트워크 오퍼레이터의 에지 네트워크 서버와 통합해야 할 수 있다.
자동차(Automotive)는 차량에 대한 이동 통신을 위한 많은 사용 예와 함께 5G에 있어 중요한 새로운 동력이 될 것으로 예상된다. 예를 들어, 승객을 위한 엔터테인먼트는 높은 용량과 높은 모바일 광대역을 동시에 요구한다. 그 이유는 미래의 사용자는 그들의 위치 및 속도와 관계 없이 고품질의 연결을 계속해서 기대하기 때문이다. 자동차 분야의 다른 사용 예는 증강 현실 대시보드이다. 운전자는 증강 현실 대비보드를 통해 앞면 창을 통해 보고 있는 것 위에 어둠 속에서 물체를 식별할 수 있다. 증강 현실 대시보드는 물체의 거리와 움직임에 대해 운전자에게 알려줄 정보를 겹쳐서 디스플레이 한다. 미래에, 무선 모듈은 차량 간의 통신, 차량과 지원하는 인프라구조 사이에서 정보 교환 및 자동차와 다른 연결된 장치(예를 들어, 보행자에 의해 수반되는 장치) 사이에서 정보 교환을 가능하게 한다. 안전 시스템은 운전자가 보다 안전한 운전을 할 수 있도록 행동의 대체 코스를 안내하여 사고의 위험을 낮출 수 있게 한다. 다음 단계는 원격 조종 차량 또는 자율 주행 차량이 될 것이다. 이는 서로 다른 자율 주행 차량 사이 및/또는 자동차와 인프라 사이에서 매우 신뢰성이 있고 매우 빠른 통신을 요구한다. 미래에, 자율 주행 차량이 모든 운전 활동을 수행하고, 운전자는 차량 자체가 식별할 수 없는 교통 이상에만 집중하도록 할 것이다. 자율 주행 차량의 기술적 요구 사항은 트래픽 안전을 사람이 달성할 수 없을 정도의 수준까지 증가하도록 초 저 지연과 초고속 신뢰성을 요구한다.
스마트 사회로서 언급되는 스마트 도시와 스마트 홈은 고밀도 무선 센서 네트워크로 임베디드 될 것이다. 지능형 센서의 분산 네트워크는 도시 또는 집의 비용 및 에너지 효율적인 유지에 대한 조건을 식별할 것이다. 유사한 설정이 각 가정을 위해 수행될 수 있다. 온도 센서, 창 및 난방 컨트롤러, 도난 경보기 및 가전 제품은 모두 무선으로 연결된다. 이러한 센서 중 많은 것들이 전형적으로 낮은 데이터 전송 속도, 저전력 및 저비용을 요구한다. 하지만, 예를 들어, 실시간 HD 비디오는 감시를 위해 특정 타입의 장치에서 요구될 수 있다.
열 또는 가스를 포함한 에너지의 소비 및 분배는 고도로 분산화되고 있어, 분산 센서 네트워크의 자동화된 제어가 요구된다. 스마트 그리드는 정보를 수집하고 이에 따라 행동하도록 디지털 정보 및 통신 기술을 사용하여 이런 센서를 상호 연결한다. 이 정보는 공급 업체와 소비자의 행동을 포함할 수 있으므로, 스마트 그리드가 효율성, 신뢰성, 경제성, 생산의 지속 가능성 및 자동화된 방식으로 전기와 같은 연료의 분배를 개선하도록 할 수 있다. 스마트 그리드는 지연이 적은 다른 센서 네트워크로 볼 수도 있다.
건강 부문은 이동 통신의 혜택을 누릴 수 있는 많은 애플리케이션을 보유하고 있다. 통신 시스템은 멀리 떨어진 곳에서 임상 진료를 제공하는 원격 진료를 지원할 수 있다. 이는 거리에 대한 장벽을 줄이는 데에 도움을 주고, 거리가 먼 농촌에서 지속적으로 이용하지 못하는 의료 서비스로의 접근을 개선시킬 수 있다. 이는 또한 중요한 진료 및 응급 상황에서 생명을 구하기 위해 사용된다. 이동 통신 기반의 무선 센서 네트워크는 심박수 및 혈압과 같은 파라미터에 대한 원격 모니터링 및 센서를 제공할 수 있다.
무선 및 모바일 통신은 산업 응용 분야에서 점차 중요해지고 있다. 배선은 설치 및 유지 비용이 높다. 따라서, 케이블을 재구성할 수 있는 무선 링크로의 교체 가능성은 많은 산업 분야에서 매력적인 기회이다. 그러나, 이를 달성하는 것은 무선 연결이 케이블과 비슷한 지연, 신뢰성 및 용량으로 동작하는 것과, 그 관리가 단순화될 것을 요구한다. 낮은 지연과 매우 낮은 오류 확률은 5G로 연결될 필요가 있는 새로운 요구 사항이다.
물류 및 화물 추적은 위치 기반 정보 시스템을 사용하여 어디에서든지 인벤토리(inventory) 및 패키지의 추적을 가능하게 하는 이동 통신에 대한 중요한 사용 예이다. 물류 및 화물 추적의 사용 예는 전형적으로 낮은 데이터 속도를 요구하지만 넓은 범위와 신뢰성 있는 위치 정보가 필요할 수 있다.
이하, 본 개시의 다양한 실시 예들의 실시예에 적용될 수 있는 차세대 통신(예컨대, 6G)의 예시들에 대해 설명하도록 한다.
6G 시스템 일반
6G (무선통신) 시스템은 (i) 디바이스 당 매우 높은 데이터 속도, (ii) 매우 많은 수의 연결된 디바이스들, (iii) 글로벌 연결성(global connectivity), (iv) 매우 낮은 지연, (v) 배터리-프리(battery-free) IoT 디바이스들의 에너지 소비를 낮추고, (vi) 초고신뢰성 연결, (vii) 머신 러닝 능력을 가지는 연결된 지능 등에 목적이 있다. 6G 시스템의 비젼은 intelligent connectivity, deep connectivity, holographic connectivity, ubiquitous connectivity와 같은 4가지 측면일 수 있으며, 6G 시스템은 아래 표 1과 같은 요구 사항을 만족시킬 수 있다. 즉, 표 1은 6G 시스템의 요구 사항의 일례를 나타낸 표이다.
Per device peak data rate 1Tbps
E2E latency 1ms
Maximum spectral efficiency 100bps/Hz
Mobility support Up to 1000km/hr
Satellite integration Fully
AI Fully
Autonomous vehicle Fully
XR Fully
Haptic Communication Fully
6G 시스템은 Enhanced mobile broadband (eMBB), Ultra-reliable low latency communications (URLLC), massive machine-type communication (mMTC), AI integrated communication, Tactile internet, High throughput, High network capacity, High energy efficiency, Low backhaul and access network congestion, Enhanced data security와 같은 핵심 요소(key factor)들을 가질 수 있다.
도 4는 6G 시스템에서 제공 가능한 통신 구조의 일례를 도시한 도면이다.
6G 시스템은 5G 무선통신 시스템보다 50배 더 높은 동시 무선통신 연결성을 가질 것으로 예상된다. 5G의 key feature인 URLLC는 6G 통신에서 1ms보다 적은 단-대-단(end-to-end) 지연을 제공함으로써 보다 더 주요한 기술이 될 것이다. 6G 시스템은 자주 사용되는 영역 스펙트럼 효율과 달리 체적 스펙트럼 효율이 훨씬 우수할 것이다. 6G 시스템은 매우 긴 배터리 수명과 에너지 수확을 위한 고급 배터리 기술을 제공할 수 있어, 6G 시스템에서 모바일 디바이스들은 별도로 충전될 필요가 없을 것이다. 6G에서 새로운 네트워크 특성들은 다음과 같을 수 있다.
- 위성 통합 네트워크(Satellites integrated network): 글로벌 모바일 집단을 제공하기 위해 6G는 위성과 통합될 것으로 예상된다. 지상파, 위성 및 공중 네트워크를 하나의 무선통신 시스템으로 통합은 6G에 매우 중요하다.
- 연결된 인텔리전스(Connected intelligence): 이전 세대의 무선 통신 시스템과 달리 6G는 혁신적이며, "연결된 사물”에서 "연결된 지능"으로 무선 진화가 업데이트될 것이다. AI는 통신 절차의 각 단계(또는 후술할 신호 처리의 각 절차)에서 적용될 수 있다.
- 무선 정보 및 에너지 전달의 완벽한 통합(Seamless integration wireless information and energy transfer): 6G 무선 네트워크는 스마트폰들과 센서들과 같이 디바이스들의 배터리를 충전하기 위해 전력을 전달할 것이다. 그러므로, 무선 정보 및 에너지 전송 (WIET)은 통합될 것이다.
- 유비쿼터스 슈퍼 3D 연결(Ubiquitous super 3D connectivity): 드론 및 매우 낮은 지구 궤도 위성의 네트워크 및 핵심 네트워크 기능에 접속은 6G 유비쿼터스에서 슈퍼 3D 연결을 만들 것이다.
위와 같은 6G의 새로운 네트워크 특성들에서 몇 가지 일반적인 요구 사항은 다음과 같을 수 있다.
- 스몰 셀 네트워크(small cell networks): 스몰 셀 네트워크의 아이디어는 셀룰러 시스템에서 처리량, 에너지 효율 및 스펙트럼 효율 향상의 결과로 수신 신호 품질을 향상시키기 위해 도입되었다. 결과적으로, 스몰 셀 네트워크는 5G 및 비욘드 5G (5GB) 이상의 통신 시스템에 필수적인 특성이다. 따라서, 6G 통신 시스템 역시 스몰 셀 네트워크의 특성을 채택한다.
- 초 고밀도 이기종 네트워크(Ultra-dense heterogeneous network): 초 고밀도 이기종 네트워크들은 6G 통신 시스템의 또 다른 중요한 특성이 될 것이다. 이기종 네트워크로 구성된 멀티-티어 네트워크는 전체 QoS를 개선하고 비용을 줄인다.
- 대용량 백홀(High-capacity backhaul): 백홀 연결은 대용량 트래픽을 지원하기 위해 대용량 백홀 네트워크로 특징 지어진다. 고속 광섬유 및 자유 공간 광학 (FSO) 시스템이 이 문제에 대한 가능한 솔루션일 수 있다.
- 모바일 기술과 통합된 레이더 기술: 통신을 통한 고정밀 지역화(또는 위치 기반 서비스)는 6G 무선통신 시스템의 기능 중 하나이다. 따라서, 레이더 시스템은 6G 네트워크와 통합될 것이다.
- 소프트화 및 가상화(Softwarization and virtualization): 소프트화 및 가상화는 유연성, 재구성성 및 프로그래밍 가능성을 보장하기 위해 5GB 네트워크에서 설계 프로세스의 기초가 되는 두 가지 중요한 기능이다. 또한, 공유 물리적 인프라에서 수십억 개의 장치가 공유될 수 있다.
6G 시스템의 핵심 구현 기술
인공 지능(Artificial Intelligence)
6G 시스템에 가장 중요하며, 새로 도입될 기술은 AI이다. 4G 시스템에는 AI가 관여하지 않았다. 5G 시스템은 부분 또는 매우 제한된 AI를 지원할 것이다. 그러나, 6G 시스템은 완전히 자동화를 위해 AI가 지원될 것이다. 머신 러닝의 발전은 6G에서 실시간 통신을 위해 보다 지능적인 네트워크를 만들 것이다. 통신에 AI를 도입하면 실시간 데이터 전송이 간소화되고 향상될 수 있다. AI는 수많은 분석을 사용하여 복잡한 대상 작업이 수행되는 방식을 결정할 수 있다. 즉, AI는 효율성을 높이고 처리 지연을 줄일 수 있다.
핸드 오버, 네트워크 선택, 자원 스케쥴링과 같은 시간 소모적인 작업은 AI를 사용함으로써 즉시 수행될 수 있다. AI는 M2M, 기계-대-인간 및 인간-대-기계 통신에서도 중요한 역할을 할 수 있다. 또한, AI는 BCI(Brain Computer Interface)에서 신속한 통신이 될 수 있다. AI 기반 통신 시스템은 메타 물질, 지능형 구조, 지능형 네트워크, 지능형 장치, 지능형 인지 라디오(radio), 자체 유지 무선 네트워크 및 머신 러닝에 의해 지원될 수 있다.
최근에는 AI를 무선 통신 시스템과 통합하려고 하는 시도들이 나타나고 있으나, 이는 application layer, network layer 특히, 딥러닝을 wireless resource management and allocation 분야에 집중되어 왔다. 그러나, 이러한 연구는 점점 MAC layer 와 Physical layer로 발전하고 있으며, 특히 물리계층에서 딥러닝을 무선 전송(wireless transmission)과 결합하고자 하는 시도들이 나타나고 있다. AI 기반의 물리계층 전송은, 근본적인 신호 처리 및 통신 메커니즘에 있어서, 전통적인 통신 프레임워크가 아니라 AI 드라이버에 기초한 신호 처리 및 통신 메커니즘을 적용하는 것을 의미한다. 예를 들어, 딥러닝 기반의 채널 코딩 및 디코딩(channel coding and decoding), 딥러닝 기반의 신호 추정(estimation) 및 검출(detection), 딥러닝 기반의 MIMO mechanism, AI 기반의 자원 스케줄링(scheduling) 및 할당(allocation) 등을 포함할 수 있다.
머신 러닝은 채널 추정 및 채널 트래킹을 위해 사용될 수 있으며, DL(downlink)의 물리 계층(physical layer)에서 전력 할당(power allocation), 간섭 제거 (interference cancellation) 등에 사용될 수 있다. 또한, 머신 러닝은 MIMO 시스템에서 안테나 선택, 전력 제어(power control), 심볼 검출(symbol detection) 등에도 사용될 수 있다.
그러나 물리계층에서의 전송을 위한 DNN의 적용은 아래와 같은 문제점이 있을 수 있다.
딥러닝 기반의 AI 알고리즘은 훈련 파라미터를 최적화하기 위해 수많은 훈련 데이터가 필요하다. 그러나 특정 채널 환경에서의 데이터를 훈련 데이터로 획득하는데 있어서의 한계로 인해, 오프라인 상에서 많은 훈련 데이터를 사용한다. 이는 특정 채널 환경에서 훈련 데이터에 대한 정적 훈련(static training)은, 무선 채널의 동적 특성 및 다이버시티(diversity) 사이에 모순(contradiction)이 생길 수 있다.
또한, 현재 딥러닝은 주로 실제 신호(real signal)를 대상으로 한다. 그러나, 무선 통신의 물리 계층의 신호들은 복소 신호(complex signal)이다. 무선 통신 신호의 특성을 매칭시키기 위해 복소 도메인 신호의 검출하는 신경망(neural network)에 대한 연구가 더 필요하다.
이하, 머신 러닝에 대해 보다 구체적으로 살펴본다.
머신 러닝은 사람이 할 수 있거나 혹은 하기 어려운 작업을 대신해낼 수 있는 기계를 만들어내기 위해 기계를 학습시키는 일련의 동작을 의미한다. 머신 러닝을 위해서는 데이터와 러닝 모델이 필요하다. 머신 러닝에서 데이터의 학습 방법은 크게 3가지 즉, 지도 학습(supervised learning), 비지도 학습(unsupervised learning) 그리고 강화 학습(reinforcement learning)으로 구분될 수 있다.
신경망 학습은 출력의 오류를 최소화하기 위한 것이다. 신경망 학습은 반복적으로 학습 데이터를 신경망에 입력시키고 학습 데이터에 대한 신경망의 출력과 타겟의 에러를 계산하고, 에러를 줄이기 위한 방향으로 신경망의 에러를 신경망의 출력 레이어에서부터 입력 레이어 방향으로 역전파(backpropagation) 하여 신경망의 각 노드의 가중치를 업데이트하는 과정이다.
지도 학습은 학습 데이터에 정답이 라벨링된 학습 데이터를 사용하며 비지도 학습은 학습 데이터에 정답이 라벨링되어 있지 않을 수 있다. 즉, 예를 들어 데이터 분류에 관한 지도 학습의 경우의 학습 데이터는 학습 데이터 각각에 카테고리가 라벨링된 데이터 일 수 있다. 라벨링된 학습 데이터가 신경망에 입력되고 신경망의 출력(카테고리)과 학습 데이터의 라벨을 비교하여 오차(error)가 계산될 수 있다. 계산된 오차는 신경망에서 역방향(즉, 출력 레이어에서 입력 레이어 방향)으로 역전파 되며, 역전파에 따라 신경망의 각 레이어의 각 노드들의 연결 가중치가 업데이트 될 수 있다. 업데이트 되는 각 노드의 연결 가중치는 학습률(learing rate)에 따라 변화량이 결정될 수 있다. 입력 데이터에 대한 신경망의 계산과 에러의 역전파는 학습 사이클(epoch)을 구성할 수 있다. 학습률은 신경망의 학습 사이클의 반복 횟수에 따라 상이하게 적용될 수 있다. 예를 들어, 신경망의 학습 초기에는 높은 학습률을 사용하여 신경망이 빠르게 일정 수준의 성능을 확보하도록 하여 효율성을 높이고, 학습 후기에는 낮은 학습률을 사용하여 정확도를 높일 수 있다
데이터의 특징에 따라 학습 방법은 달라질 수 있다. 예를 들어, 통신 시스템 상에서 송신단에서 전송한 데이터를 수신단에서 정확하게 예측하는 것을 목적으로 하는 경우, 비지도 학습 또는 강화 학습 보다는 지도 학습을 이용하여 학습을 수행하는 것이 바람직하다.
러닝 모델은 인간의 뇌에 해당하는 것으로서, 가장 기본적인 선형 모델을 생각할 수 있으나, 인공 신경망(artificial neural networks)와 같은 복잡성이 높은 신경망 구조를 러닝 모델로 사용하는 머신 러닝의 패러다임을 딥러닝(deep learning)이라 한다.
학습(learning) 방식으로 사용하는 신경망 코어(neural network cord)는 크게 심층 신경망(DNN, deep neural networks), 합성곱 신경망(CNN, convolutional deep neural networks), 순환 신경망(RNN, Recurrent Boltzmann Machine) 방식이 있다.
인공 신경망(artificial neural network)은 여러 개의 퍼셉트론을 연결한 예시이다.
도 5는 퍼셉트론 구조의 일례를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 입력 벡터 x=(x1,x2,...,xd) 가 입력되면 각 성분에 가중치(W1,W2,...,Wd)를 곱하고, 그 결과를 모두 합산한 후, 활성함수 σ(·) 를 적용하는 전체 과정을 퍼셉트론(perceptron)이라 한다. 거대한 인공 신경망 구조는 도 5에 도시한 단순화된 퍼셉트론 구조를 확장하여 입력벡터를 서로 다른 다 차원의 퍼셉트론에 적용할 수도 있다. 설명의 편의를 위해 입력값 또는 출력값을 노드(node)라 칭한다.
한편, 도 5에 도시된 퍼셉트론 구조는 입력값, 출력값을 기준으로 총 3개의 층(layer)로 구성되는 것으로 설명할 수 있다. 1st layer와 2nd layer 사이에는 (d+1) 차원의 퍼셉트론 H개, 2nd layer와 3rd layer 사이에는 (H+1)차원 퍼셉트론이 K 개 존재하는 인공신경망을 도 6과 같이 표현할 수 있다.
도 6은 다층 퍼셉트론 구조의 일례를 개략적으로 도시한 도면이다.
입력벡터가 위치하는 층을 입력층(input layer), 최종 출력값이 위치하는 층을 출력층(output layer), 입력층과 출력층 사이에 위치하는 모든 층을 은닉층(hidden layer)라 한다. 도 6의 예시는 3개의 층이 개시되나, 실제 인공신경망 층의 개수를 카운트할 때는 입력층을 제외하고 카운트하므로 총 2개의 층으로 볼 수 있다. 인공신경망은 기본 블록의 퍼셉트론을 2차원적으로 연결되어 구성된다.
전술한 입력층, 은닉층, 출력층은 다층 퍼셉트론 뿐 아니라 후술할 CNN, RNN 등 다양한 인공신경망 구조에서 공동적으로 적용될 수 있다. 은닉층의 개수가 많아질수록 인공신경망이 깊어진 것이며, 충분히 깊어진 인공신경망을 러닝모델로 사용하는 머신러닝 패러다임을 딥러닝(Deep Learning)이라 한다. 또한 딥러닝을 위해 사용하는 인공신경망을 심층 신경망(DNN: Deep neural network)라 한다.
도 7은 심층 신경망 예시를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7에 도시된 심층 신경망은 은닉층+출력층이 8개로 구성된 다층 퍼셉트론이다. 상기 다층 퍼셉트론 구조를 완전 연결 신경망(fully-connected neural network)이라 표현한다. 완전 연결 신경망은 서로 같은 층에 위치하는 노드 간에는 연결 관계가 존재하지 않으며, 인접한 층에 위치한 노드들 간에만 연결 관계가 존재한다. DNN은 완전 연결 신경망 구조를 가지고 다수의 은닉층과 활성함수들의 조합으로 구성되어 입력과 출력 사이의 상관관계 특성을 파악하는데 유용하게 적용될 수 있다. 여기서 상관관계 특성은 입출력의 결합확률(joint probability)을 의미할 수 있다.
한편, 복수의 퍼셉트론을 서로 어떻게 연결하느냐에 따라 전술한 DNN과 다른 다양한 인공 신경망 구조를 형성할 수 있다.
도 8은 컨볼루션 신경망의 일례를 개략적으로 도시한 도면이다.
DNN은 하나의 층 내부에 위치한 노드들이 1차원적의 세로 방향으로 배치되어 있다. 그러나, 도 8은 노드들이 2차원적으로 가로 w개, 세로 h개의 노드가 배치할 경우를 가정할 수 있다(도 8의 컨볼루션 신경망 구조). 이 경우, 하나의 입력노드에서 은닉층으로 이어지는 연결과정에서 연결 하나당 가중치가 부가되므로 총 hХw 개의 가중치를 고려해야한다. 입력층에 hХw 개의 노드가 존재하므로 인접한 두 층 사이에는 총 h2w2 개의 가중치가 필요하다.
도 8의 컨볼루션 신경망은 연결개수에 따라 가중치의 개수가 기하급수적으로 증가하는 문제가 있어 인접한 층 간의 모든 모드의 연결을 고려하는 대신, 크기가 작은 필터(filter)가 존재하는 것으로 가정하여 도 9에서와 같이 필터가 겹치는 부분에 대해서는 가중합 및 활성함수 연산을 수행하도록 한다.
도 9는 컨볼루션 신경망에서의 필터 연산의 일례를 개략적으로 도시한 도면이다.
하나의 필터는 그 크기만큼의 개수에 해당하는 가중치를 가지며, 이미지 상의 어느 특정한 특징을 요인으로 추출하여 출력할 수 있도록 가중치의 학습이 이루어질 수 있다. 도 9에서는 3Х3 크기의 필터가 입력층의 가장 좌측 상단 3Х3 영역에 적용되고, 해당 노드에 대한 가중합 및 활성함수 연산을 수행한 결과 출력값을 z22에 저장한다.
상기 필터는 입력층을 스캔하면서 가로, 세로 일정 간격만큼 이동하면서 가중합 및 활성함수 연산을 수행하고 그 출력값을 현재 필터의 위치에 위치시킨다. 이러한 연산 방식은 컴퓨터 비전(computer vision) 분야에서 이미지에 대한 컨볼루션(convolution) 연산과 유사하여 이러한 구조의 심층 신경망을 컨볼루션 신경망(CNN: convolutional neural network)라 하고, 컨볼루션 연산 결과 생성되는 은닉층을 컨볼루션 층(convolutional layer)라 한다. 또한, 복수의 컨볼루션 층이 존재하는 신경망을 심층 컨볼루션 신경망(DCNN: Deep convolutional)이라 한다.
컨볼루션 층에서는 현재 필터가 위치한 노드에서, 상기 필터가 커버하는 영역에 위치한 노드만을 포괄하여 가중합을 계산함으로써, 가중치의 개수를 줄여줄 수 있다. 이로 인해, 하나의 필터가 로컬(local) 영역에 대한 특징에 집중하도록 이용될 수 있다. 이에 따라 CNN은 2차원 영역 상의 물리적 거리가 중요한 판단 기준이 되는 이미지 데이터 처리에 효과적으로 적용될 수 있다. 한편, CNN은 컨볼루션 층의 직전에 복수의 필터가 적용될 수 있으며, 각 필터의 컨볼루션 연산을 통해 복수의 출력 결과를 생성할 수도 있다.
한편, 데이터 속성에 따라 시퀀스(sequence) 특성이 중요한 데이터들이 있을 수 있다. 이러한 시퀀스 데이터들의 길이 가변성, 선후 관계를 고려하여 데이터 시퀀스 상의 원소를 매 시점(timestep) 마다 하나씩 입력하고, 특정 시점에 출력된 은닉층의 출력 벡터(은닉 벡터)를, 시퀀스 상의 바로 다음 원소와 함께 입력하는 방식을 인공 신경망에 적용한 구조를 순환 신경망 구조라 한다.
도 10은 순환 루프가 존재하는 신경망 구조의 일례를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 10을 참조하면, 순환 신경망(RNN: recurrent neural netwok)은 데이터 시퀀스 상의 어느 시선 t의 원소 (x1(t), x2(t), ,..., xd(t))를 완전 연결 신경망에 입력하는 과정에서, 바로 이전 시점 t-1은 은닉 벡터 (z1(t-1), z2(t-1),..., zH(t-1))을 함께 입력하여 가중합 및 활성함수를 적용하는 구조이다. 이와 같이 은닉 벡터를 다음 시점으로 전달하는 이유는 앞선 시점들에서의 입력 벡터속 정보들이 현재 시점의 은닉 벡터에 누적된 것으로 간주하기 때문이다.
도 11은 순환 신경망의 동작 구조의 일례를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 11을 참조하면, 순환 신경망은 입력되는 데이터 시퀀스에 대하여 소정의 시점 순서대로 동작한다.
시점　1에서의 입력 벡터 (x1(t), x2(t), ,..., xd(t))가 순환 신경망에 입력되었을 때의 은닉 벡터　(z1(1),z2(1),...,zH(1))가 시점　2의 입력 벡터　 (x1(2),x2(2),...,xd(2))와 함께 입력되어 가중합 및 활성 함수를 통해 은닉층의 벡터　 (z1(2),z2(2) ,...,zH(2))를 결정한다. 이러한 과정은 시점　2, 시점　3, ,,, 시점 T 까지 반복적으로 수행된다.
한편, 순환 신경망 내에서 복수의 은닉층이 배치될 경우, 이를 심층 순환 신경망(DRNN: Deep recurrent neural network)라 한다. 순환 신경망은 시퀀스 데이터(예를 들어, 자연어 처리(natural language processing)에 유용하게 적용되도록 설계되어 있다.
학습(learning) 방식으로 사용하는 신경망 코어로서 DNN, CNN, RNN 외에 제한 볼츠만 머신(RBM, Restricted Boltzmann Machine), 심층 신뢰 신경망(DBN, deep belief networks), 심층 Q-네트워크(Deep Q-Network)와 같은 다양한 딥 러닝 기법들을 포함하며, 컴퓨터비젼, 음성인식, 자연어처리, 음성/신호처리 등의 분야에 적용될 수 있다.
최근에는 AI를 무선 통신 시스템과 통합하려고 하는 시도들이 나타나고 있으나, 이는 application layer, network layer 특히, 딥러닝을 wireless resource management and allocation 분야에 집중되어 왔다. 그러나, 이러한 연구는 점점 MAC layer 와 Physical layer로 발전하고 있으며, 특히 물리계층에서 딥러닝을 무선 전송(wireless transmission)과 결합하고자 하는 시도들이 나타나고 있다. AI 기반의 물리계층 전송은, 근본적인 신호 처리 및 통신 메커니즘에 있어서, 전통적인 통신 프레임워크가 아니라 AI 드라이버에 기초한 신호 처리 및 통신 메커니즘을 적용하는 것을 의미한다. 예를 들어, 딥러닝 기반의 채널 코딩 및 디코딩(channel coding and decoding), 딥러닝 기반의 신호 추정(estimation) 및 검출(detection), 딥러닝 기반의 MIMO mechanism, AI 기반의 자원 스케줄링(scheduling) 및 할당(allocation) 등을 포함할 수 있다.
THz(Terahertz) 통신
데이터 전송률은 대역폭을 늘려 높일 수 있다. 이것은 넓은 대역폭으로 sub-THz 통신을 사용하고, 진보된 대규모 MIMO 기술을 적용하여 수행될 수 있다. 밀리미터 이하의 방사선으로도 알려진 THz파는 일반적으로 0.03mm-3mm 범위의 해당 파장을 가진 0.1THz와 10THz 사이의 주파수 대역을 나타낸다. 100GHz-300GHz 대역 범위(Sub THz 대역)는 셀룰러 통신을 위한 THz 대역의 주요 부분으로 간주된다. Sub-THz 대역 mmWave 대역 에 추가하면 6G 셀룰러 통신 용량은 늘어난다.. 정의된 THz 대역 중 300GHz-3THz는 원적외선 (IR) 주파수 대역에 있다. 300GHz-3THz 대역은 광 대역의 일부이지만 광 대역의 경계에 있으며, RF 대역 바로 뒤에 있다. 따라서, 이 300 GHz-3 THz 대역은 RF와 유사성을 나타낸다.
도 12는 전자기 스펙트럼의 일례를 도시한 도면이다.
THz 통신의 주요 특성은 (i) 매우 높은 데이터 전송률을 지원하기 위해 광범위하게 사용 가능한 대역폭, (ii) 고주파에서 발생하는 높은 경로 손실 (고 지향성 안테나는 필수 불가결)을 포함한다. 높은 지향성 안테나에서 생성된 좁은 빔 폭은 간섭을 줄인다. THz 신호의 작은 파장은 훨씬 더 많은 수의 안테나 소자가 이 대역에서 동작하는 장치 및 BS에 통합될 수 있게 한다. 이를 통해 범위 제한을 극복할 수 있는 고급 적응형 배열 기술을 사용할 수 있다.
광 무선 기술 (Optical wireless technology)
OWC 기술은 가능한 모든 장치-대-액세스 네트워크를 위한 RF 기반 통신 외에도 6G 통신을 위해 계획되었다. 이러한 네트워크는 네트워크-대-백홀/프론트홀 네트워크 연결에 접속한다. OWC 기술은 4G 통신 시스템 이후 이미 사용되고 있으나 6G 통신 시스템의 요구를 충족시키기 위해 더 널리 사용될 것이다. 광 충실도(light fidelity), 가시광 통신, 광 카메라 통신 및 광 대역에 기초한 FSO 통신과 같은 OWC 기술은 이미 잘 알려진 기술이다. 광 무선 기술 기반의 통신은 매우 높은 데이터 속도, 낮은 지연 시간 및 안전한 통신을 제공할 수 있다. LiDAR 또한 광 대역을 기반으로 6G 통신에서 초 고해상도 3D 매핑을 위해 이용될 수 있다.
FSO 백홀 네트워크
FSO 시스템의 송신기 및 수신기 특성은 광섬유 네트워크의 특성과 유사하다. 따라서, FSO 시스템의 데이터 전송은 광섬유 시스템과 비슷하다. 따라서, FSO는 광섬유 네트워크와 함께 6G 시스템에서 백홀 연결을 제공하는 좋은 기술이 될 수 있다. FSO를 사용하면, 10,000km 이상의 거리에서도 매우 장거리 통신이 가능하다. FSO는 바다, 우주, 수중, 고립된 섬과 같은 원격 및 비원격 지역을 위한 대용량 백홀 연결을 지원한다. FSO는 셀룰러 BS 연결도 지원한다.
대규모 MIMO 기술
스펙트럼 효율을 향상시키는 핵심 기술 중 하나는 MIMO 기술을 적용하는 것이다. MIMO 기술이 향상되면 스펙트럼 효율도 향상된다. 따라서, 6G 시스템에서 대규모 MIMO 기술이 중요할 것이다. MIMO 기술은 다중 경로를 이용하기 때문에 데이터 신호가 하나 이상의 경로로 전송될 수 있도록 다중화 기술 및 THz 대역에 적합한 빔 생성 및 운영 기술도 중요하게 고려되어야 한다.
블록 체인
블록 체인은 미래의 통신 시스템에서 대량의 데이터를 관리하는 중요한 기술이 될 것이다. 블록 체인은 분산 원장 기술의 한 형태로서, 분산 원장은 수많은 노드 또는 컴퓨팅 장치에 분산되어 있는 데이터베이스이다. 각 노드는 동일한 원장 사본을 복제하고 저장한다. 블록 체인은 P2P 네트워크로 관리된다. 중앙 집중식 기관이나 서버에서 관리하지 않고 존재할 수 있다. 블록 체인의 데이터는 함께 수집되어 블록으로 구성된다. 블록은 서로 연결되고 암호화를 사용하여 보호된다. 블록 체인은 본질적으로 향상된 상호 운용성(interoperability), 보안, 개인 정보 보호, 안정성 및 확장성을 통해 대규모 IoT를 완벽하게 보완한다. 따라서, 블록 체인 기술은 장치 간 상호 운용성, 대용량 데이터 추적성, 다른 IoT 시스템의 자율적 상호 작용 및 6G 통신 시스템의 대규모 연결 안정성과 같은 여러 기능을 제공한다.
3D 네트워킹
6G 시스템은 지상 및 공중 네트워크를 통합하여 수직 확장의 사용자 통신을 지원한다. 3D BS는 저궤도 위성 및 UAV를 통해 제공될 것이다. 고도 및 관련 자유도 측면에서 새로운 차원을 추가하면 3D 연결이 기존 2D 네트워크와 상당히 다르다.
양자 커뮤니케이션
6G 네트워크의 맥락에서 네트워크의 감독되지 않은 강화 학습이 유망하다. 지도 학습 방식은 6G에서 생성된 방대한 양의 데이터에 레이블을 지정할 수 없다. 비지도 학습에는 라벨링이 필요하지 않다. 따라서, 이 기술은 복잡한 네트워크의 표현을 자율적으로 구축하는 데 사용할 수 있다. 강화 학습과 비지도 학습을 결합하면 진정한 자율적인 방식으로 네트워크를 운영할 수 있다.
무인 항공기
UAV(Unmanned Aerial Vehicle) 또는 드론은 6G 무선 통신에서 중요한 요소가 될 것이다. 대부분의 경우, UAV 기술을 사용하여 고속 데이터 무선 연결이 제공된다. BS 엔티티는 셀룰러 연결을 제공하기 위해 UAV에 설치된다. UAV는 쉬운 배치, 강력한 가시선 링크 및 이동성이 제어되는 자유도와 같은 고정 BS 인프라에서 볼 수 없는 특정 기능을 가지고 있다. 천재 지변 등의 긴급 상황 동안, 지상 통신 인프라의 배치는 경제적으로 실현 가능하지 않으며, 때로는 휘발성 환경에서 서비스를 제공할 수 없다. UAV는 이러한 상황을 쉽게 처리할 수 있다. UAV는 무선 통신 분야의 새로운 패러다임이 될 것이다. 이 기술은 eMBB, URLLC 및 mMTC 인 무선 네트워크의 세 가지 기본 요구 사항을 용이하게 한다. UAV는 또한, 네트워크 연결성 향상, 화재 감지, 재난 응급 서비스, 보안 및 감시, 오염 모니터링, 주차 모니터링, 사고 모니터링 등과 같은 여러 가지 목적을 지원할 수 있다. 따라서, UAV 기술은 6G 통신에 가장 중요한 기술 중 하나로 인식되고 있다.
셀-프리 통신(Cell-free Communication)
여러 주파수와 이기종 통신 기술의 긴밀한 통합은 6G 시스템에서 매우 중요하다. 결과적으로, 사용자는 디바이스에서 어떤 수동 구성을 만들 필요 없이 네트워크에서 다른 네트워크로 원활하게 이동할 수 있다. 사용 가능한 통신 기술에서 최상의 네트워크가 자동으로 선택된다. 이것은 무선 통신에서 셀 개념의 한계를 깨뜨릴 것이다. 현재, 하나의 셀에서 다른 셀로의 사용자 이동은 고밀도 네트워크에서 너무 많은 핸드 오버를 야기하고, 핸드 오버 실패, 핸드 오버 지연, 데이터 손실 및 핑퐁 효과를 야기한다. 6G 셀-프리 통신은 이 모든 것을 극복하고 더 나은 QoS를 제공할 것이다. 셀-프리 통신은 멀티 커넥티비티 및 멀티-티어 하이브리드 기술과 장치의 서로 다른 이기종 라디오를 통해 달성될 것이다.
무선 정보 및 에너지 전송 통합
WIET은 무선 통신 시스템과 같이 동일한 필드와 웨이브(wave)를 사용한다. 특히, 센서와 스마트폰은 통신 중 무선 전력 전송을 사용하여 충전될 것이다. WIET은 배터리 충전 무선 시스템의 수명을 연장하기 위한 유망한 기술이다. 따라서, 배터리가 없는 장치는 6G 통신에서 지원될 것이다.
센싱과 커뮤니케이션의 통합
자율 무선 네트워크는 동적으로 변화하는 환경 상태를 지속적으로 감지하고 서로 다른 노드간에 정보를 교환할 수 있는 기능이다. 6G에서, 감지는 자율 시스템을 지원하기 위해 통신과 긴밀하게 통합될 것이다.
액세스 백홀 네트워크의 통합
6G에서 액세스 네트워크의 밀도는 엄청날 것이다. 각 액세스 네트워크는 광섬유와 FSO 네트워크와 같은 백홀 연결로 연결된다. 매우 많은 수의 액세스 네트워크들에 대처하기 위해, 액세스 및 백홀 네트워크 사이에 긴밀한 통합이 있을 것이다.
홀로그램 빔 포밍
빔 포밍은 특정 방향으로 무선 신호를 전송하기 위해 안테나 배열을 조정하는 신호 처리 절차이다. 스마트 안테나 또는 진보된 안테나 시스템의 하위 집합이다. 빔 포밍 기술은 높은 호 대잡음비, 간섭 방지 및 거부, 높은 네트워크 효율과 같은 몇 가지 장점이 있다. 홀로그램 빔 포밍 (HBF)은 소프트웨어-정의된 안테나를 사용하기 때문에 MIMO 시스템과 상당히 다른 새로운 빔 포밍 방법이다. HBF는 6G에서 다중 안테나 통신 장치에서 신호의 효율적이고 유연한 전송 및 수신을 위해 매우 효과적인 접근 방식이 될 것이다.
빅 데이터 분석
빅 데이터 분석은 다양한 대규모 데이터 세트 또는 빅 데이터를 분석하기 위한 복잡한 프로세스이다. 이 프로세스는 숨겨진 데이터, 알 수 없는 상관 관계 및 고객 성향과 같은 정보를 찾아 완벽한 데이터 관리를 보장한다. 빅 데이터는 비디오, 소셜 네트워크, 이미지 및 센서와 같은 다양한 소스에서 수집된다. 이 기술은 6G 시스템에서 방대한 데이터를 처리하는 데 널리 사용된다.
Large Intelligent Surface(LIS)
THz 대역 신호의 경우 직진성이 강하여 방해물로 인한 음영 지역이 많이 생길 수 있는데, 이러한 음영 지역 근처에 LIS 설치함으로써 통신 권역을 확대하고 통신 안정성 강화 및 추가적인 부가 서비스가 가능한 LIS 기술이 중요하게 된다. LIS는 전자기 물질(electromagnetic materials)로 만들어진 인공 표면(artificial surface)이고, 들어오는 무선파와 나가는 무선파의 전파(propagation)를 변경시킬 수 있다. LIS는 massive MIMO의 확장으로 보여질 수 있으나, massive MIMO와 서로 다른 array 구조 및 동작 메커니즘이 다르다. 또한, LIS는 수동 엘리먼트(passive elements)를 가진 재구성 가능한 리플렉터(reflector)로서 동작하는 점 즉, 활성(active) RF chain을 사용하지 않고 신호를 수동적으로만 반사(reflect)하는 점에서 낮은 전력 소비를 가지는 장점이 있다. 또한, LIS의 수동적인 리플렉터 각각은 입사되는 신호의 위상 편이를 독립적으로 조절해야 하기 때문에, 무선 통신 채널에 유리할 수 있다. LIS 컨트롤러를 통해 위상 편이를 적절히 조절함으로써, 반사된 신호는 수신된 신호 전력을 부스트(boost)하기 위해 타겟 수신기에서 모여질 수 있다.
테라헤르츠(THz) 무선통신 일반
THz 무선통신은 대략 0.1~10THz(1THz=1012Hz)의 진동수를 가지는 THz파를 이용하여 무선통신을 이용하는 것으로, 100GHz 이상의 매우 높은 캐리어 주파수를 사용하는 테라헤르츠(THz) 대역 무선통신을 의미할 수 있다. THz파는 RF(Radio Frequency)/밀리미터(mm)와 적외선 대역 사이에 위치하며, (i) 가시광/적외선에 비해 비금속/비분극성 물질을 잘 투과하며 RF/밀리미터파에 비해 파장이 짧아 높은 직진성을 가지며 빔 집속이 가능할 수 있다. 또한, THz파의 광자 에너지는 수 meV에 불과하기 때문에 인체에 무해한 특성이 있다. THz 무선통신에 이용될 것으로 기대되는 주파수 대역은 공기 중 분자 흡수에 의한 전파 손실이 작은 D-밴드(110GHz~170GHz) 혹은 H-밴드(220GHz~325GHz) 대역일 수 있다. THz 무선통신에 대한 표준화 논의는 3GPP 이외에도 IEEE 802.15 THz working group을 중심으로 논의되고 있으며, IEEE 802.15의 Task Group (TG3d, TG3e)에서 발행되는 표준문서는 본 개시의 다양한 실시 예들에서 설명되는 내용을 구체화하거나 보충할 수 있다. THz 무선통신은 무선 인식(wireless cognition), 센싱(sensing), 이미징(imaging), 무선 통신(wireless), THz 네비게이션(navigation) 등에 응용될 수 있다.
도 13은 THz 통신 응용의 일례를 도시한 도면이다.
도 13에 도시된 바와 같이, THz 무선통신 시나리오는 매크로 네트워크(macro network), 마이크로 네트워크(micro network), 나노스케일 네트워크(nanoscale network)로 분류될 수 있다. 매크로 네트워크에서 THz 무선통신은 vehicle-to-vehicle 연결 및 backhaul/fronthaul 연결에 응용될 수 있다. 마이크로 네트워크에서 THz 무선통신은 인도어 스몰 셀(small cell), 데이터 센터에서 무선 연결과 같은 고정된 point-to-point 또는 multi-point 연결, 키오스크 다운로딩과 같은 근거리 통신(near-field communication)에 응용될 수 있다.
아래 표 2는 THz 파에서 이용될 수 있는 기술의 일례를 나타낸 표이다.
Transceivers Device Available immature: UTC-PD, RTD and SBD
Modulation and Coding Low order modulation techniques (OOK, QPSK), LDPC, Reed Soloman, Hamming, Polar, Turbo
Antenna Omni and Directional, phased array with low number of antenna elements
Bandwidth 69GHz (or 23 GHz) at 300GHz
Channel models Partially
Data rate 100Gbps
Outdoor deployment No
Free space loss High
Coverage Low
Radio Measurements 300GHz indoor
Device size Few micrometers
THz 무선통신은 THz 발생 및 수신을 위한 방법을 기준으로 분류할 수 있다. THz 발생 방법은 광 소자 또는 전자소자 기반 기술로 분류할 수 있다.
도 14는 전자소자 기반 THz 무선통신 송수신기의 일례를 도시한 도면이다.
전자 소자를 이용하여 THz를 발생시키는 방법은 공명 터널링 다이오드(RTD: Resonant Tunneling Diode)와 같은 반도체 소자를 이용하는 방법, 국부 발진기와 체배기를 이용하는 방법, 화합물 반도체 HEMT(High Electron Mobility Transistor) 기반의 집적회로를 이용한 MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuits) 방법, Si-CMOS 기반의 집적회로를 이용하는 방법 등이 있다. 도 14의 경우, 주파수를 높이기 위해 체배기(doubler, tripler, multiplier)가 적용되었고, 서브하모닉 믹서를 지나 안테나에 의해 방사된다. THz 대역은 높은 주파수를 형성하므로, 체배기가 필수적이다. 여기서, 체배기는 입력 대비 N배의 출력 주파수를 갖게 하는 회로이며, 원하는 하모닉 주파수에 정합시키고, 나머지 모든 주파수는 걸러낸다. 그리고, 도 14의 안테나에 배열 안테나 등이 적용되어 빔포밍이 구현될 수도 있다. 도 14에서, IF는 중간 주파수(intermediate frequency)를 나타내며, tripler, multipler는 체배기를 나타내며, PA 전력 증폭기(Power Amplifier)를 나타내며, LNA는 저잡음 증폭기(low noise amplifier), PLL은 위상동기회로(Phase-Locked Loop)를 나타낸다.
도 15는 광 소자 기반 THz 신호를 생성하는 방법의 일례를 도시한 도면이다.
도 16은 광 소자 기반 THz 무선통신 송수신기의 일례를 도시한 도면이다.
광 소자 기반 THz 무선통신 기술은 광소자를 이용하여 THz 신호를 발생 및 변조하는 방법을 말한다. 광 소자 기반 THz 신호 생성 기술은 레이저와 광변조기 등을 이용하여 초고속 광신호를 생성하고, 이를 초고속 광검출기를 이용하여 THz 신호로 변환하는 기술이다. 이 기술은 전자 소자만을 이용하는 기술에 비해 주파수를 증가시키기가 용이하고, 높은 전력의 신호 생성이 가능하며, 넓은 주파수 대역에서 평탄한 응답 특성을 얻을 수 있다. 광소자 기반 THz 신호 생성을 위해서는 도 15에 도시된 바와 같이, 레이저 다이오드, 광대역 광변조기, 초고속 광검출기가 필요하다. 도 15의 경우, 파장이 다른 두 레이저의 빛 신호를 합파하여 레이저 간의 파장 차이에 해당하는 THz 신호를 생성하는 것이다. 도 15에서, 광 커플러(Optical Coupler)는 회로 또는 시스템 간의 전기적 절연과의 결합을 제공하기 위해 광파를 사용하여 전기신호를 전송하도록 하는 반도체 디바이스를 의미하며, UTC-PD(Uni-Travelling Carrier Photo-Detector)은 광 검출기의 하나로서, 능동 캐리어(active carrier)로 전자를 사용하며 밴드갭 그레이딩(Bandgap Grading)으로 전자의 이동 시간을 감소시킨 소자이다. UTC-PD는 150GHz 이상에서 광검출이 가능하다. 도 16에서, EDFA(Erbium-Doped Fiber Amplifier)는 어븀이 첨가된 광섬유 증폭기를 나타내며, PD(Photo Detector)는 광신호를 전기신호로 변환할 수 있는 반도체 디바이스를 나타내며, OSA는 각종 광통신 기능(광전 변환, 전광 변환 등)을 하나의 부품으로 모듈화시킨 광모듈(Optical Sub Aassembly)을 나타내며, DSO는 디지털 스토리지 오실로스코프(digital storage oscilloscope)를 나타낸다.
도 17 및 도 18을 참조하여 광전 변환기(또는 광전 컨버터)의 구조를 설명한다.
도 17은 광자 소스(Photoinc source) 기반 송신기의 구조를 도시한 도면이다.
도 18은 광 변조기(Optical modulator)의 구조를 도시한 도면이다.
일반적으로 레이저(Laser)의 광학 소스(Optical source)를 광파 가이드(Optical wave guide)를 통과시켜 신호의 위상(phase)등을 변화시킬 수 있다. 이때, 마이크로파 컨택트(Microwave contact) 등을 통해 전기적 특성을 변화시킴으로써 데이터를 싣게 된다. 따라서, 광학 변조기 출력(Optical modulator output)은 변조된(modulated) 형태의 파형으로 형성된다. 광전 변조기(O/E converter)는 비선형 크리스탈(nonlinear crystal)에 의한 광학 정류(optical rectification) 동작, 광전도 안테나(photoconductive antenna)에 의한 광전 변환(O/E conversion), 광속의 전자 다발(bunch of relativistic electrons)로부터의 방출(emission) 등에 따라 THz 펄스를 생성할 수 있다. 상기와 같은 방식으로 발생한 테라헤르츠 펄스(THz pulse)는 펨토 세컨드(femto second)부터 피코 세컨드(pico second)의 단위의 길이를 가질 수 있다. 광전 변환기(O/E converter)는 소자의 비선형성(non-linearity)을 이용하여, 하향 변환(Down conversion)을 수행한다.
테라헤르츠 스펙트럼의 용도(THz spectrum usage)를 고려할 때, 테라헤르츠 시스템을 위해서 고정된(fixed) 또는 모바일 서비스(mobile service) 용도로써 여러 개의 연속적인 기가헤르츠(contiguous GHz)의 대역들(bands)을 사용할 가능성이 높다. 아웃도어(outdoor) 시나리오 기준에 의하면, 1THz까지의 스펙트럼에서 산소 감쇠(Oxygen attenuation) 10^2 dB/km를 기준으로 가용 대역폭(Bandwidth)이 분류될 수 있다. 이에 따라 상기 가용 대역폭이 여러 개의 밴드 청크(band chunk)들로 구성되는 프레임워크(framework)가 고려될 수 있다. 상기 프레임워크의 일 예시로 하나의 캐리어(carrier)에 대해 테라헤르츠 펄스(THz pulse)의 길이를 50ps로 설정한다면, 대역폭(BW)은 약 20GHz가 된다.
적외선 대역(IR band)에서 테라헤르츠 대역(THz band)으로의 효과적인 하향 변환(Down conversion)은 광전 컨버터(O/E converter)의 비선형성(nonlinearity)을 어떻게 활용하는가에 달려 있다. 즉, 원하는 테라헤르츠 대역(THz band)으로 하향 변환(down conversion)하기 위해서는 해당 테라헤르츠 대역(THz band)에 옮기기에 가장 이상적인 비선형성(non-linearity)을 갖는 광전 변환기(O/E converter)의 설계가 요구된다. 만일 타겟으로 하는 주파수 대역에 맞지 않는 광전 변환기(O/E converter)를 사용하는 경우, 해당 펄스(pulse)의 크기(amplitude), 위상(phase)에 대하여 오류(error)가 발생할 가능성이 높다.
단일 캐리어(single carrier) 시스템에서는 광전 변환기 1개를 이용하여 테라헤르츠 송수신 시스템이 구현될 수 있다. 채널 환경에 따라 달라지지만 멀리 캐리어(Multi carrier) 시스템에서는 캐리어 수만큼 광전 변환기가 요구될 수 있다. 특히 전술한 스펙트럼 용도와 관련된 계획에 따라 여러 개의 광대역들을 이용하는 멀티 캐리어 시스템인 경우, 그 현상이 두드러지게 될 것이다. 이와 관련하여 상기 멀티 캐리어 시스템을 위한 프레임 구조가 고려될 수 있다. 광전 변환기를 기반으로 하향 주파수 변환된 신호는 특정 자원 영역(예: 특정 프레임)에서 전송될 수 있다. 상기 특정 자원 영역의 주파수 영역은 복수의 청크(chunk)들을 포함할 수 있다. 각 청크(chunk)는 적어도 하나의 컴포넌트 캐리어(CC)로 구성될 수 있다.
양자 암호 통신
도 19는 양자 암호 통신의 일례를 개략적으로 도시한 것이다.
도 19에 따르면, QKD(quantum key distribution) 송신부(1910)는 QKD 수신부(1920)와 퍼블릭 채널(public channel) 및 양자 채널(quantum channel)로써 연결되어 통신을 수행할 수 있다.
이때, QKD 송신부(1910)는 암호화기(1930)에게 비밀 키를 공급할 수 있으며, QKD 수신부(1920)도 복호화기(1940)에게 비밀 키를 공급할 수 있다. 여기서, 암호화기(1930)에는 플레인 텍스트(plain text)가 입/출력될 수 있으며, 암호화기(1930)는 복호화기(1940)와 (기존 통신망을 통해) 비밀 대칭 키로 암호화된 데이터를 전송할 수 있다. 아울러, 복호화기(1940)에도 플레인 텍스트가 입/출력될 수 있다.
양자 암호 통신에 대해서 보다 구체적으로 설명하면 아래와 같다.
양자 암호 통신 시스템에서는 파장이나 진폭 등으로 통신하는 종래의 통신 방법과 달리 빛의 최소 단위인 단일 광자 (photon)를 이용하여 신호를 실어 나른다. 종래의 암호체계가 대부분 수학적 알고리즘의 복잡성에 의해 안정성을 보장 받는데 비해, 양자 암호 통신은 양자의 독특한 성질에 안정성을 기반하고 있기 때문에 양자역학의 물리법칙이 깨지지 않는 한 그 안정성을 보장 받는다.
가장 대표적인 양자 키 분배 프로토콜은 1984년 C. H. Bennett과 G. Brassard가 제안한 BB84 프로토콜이다. BB84 프로토콜에서는 광자의 편광, 위상 등의 상태에 정보를 실어 나르며, 양자의 특성을 이용하여 이론상 절대적으로 안전하게 비밀키 (sift key)를 나누어 가질 수 있다. 표 3은 송신측 앨리스 (Alice)와 수신측 밥 (Bob) 사이에서 편광상태에 정보를 실어 비밀키를 생성하는 BB84 프로토콜의 예를 보여주며 이에 대한 BB84 프로토콜의 전체적인 흐름은 다음과 같다.
(1) 앨리스는 무작위로 비트를 생성한다.
(2) 앨리스는 비트 정보를 어떤 편광에 실을 것인지 결정하기 위해 무작위로 전송 편광자를 선택한다.
(3) 앨리스는 (1)에서 무작위로 생성한 비트 및 2에서 무작위로 선택한 편광자에 대응되는 편광신호를 생성하고 양자채널로 전송한다.
(4) 밥은 앨리스가 전송한 편광신호를 측정하기 위해 무작위로 측정 편광자를 선택한다.
(5) 밥은 선택한 편광자로 앨리스가 전송한 편광신호를 측정하여 보관한다.
(6) 앨리스와 밥은 고전채널을 통해 어떤 편광자를 사용했는지 공유한다.
(7) 앨리스와 밥은 같은 편광자를 사용한 비트만 보관하고 서로 다른 편광자를 사용한 비트는 제거하여 비밀 키를 얻는다.
앨리스가 생성한 비트 0 1 1 0 1 0 0 1
앨리스가 선택한 전송 편광자 + + x + x x x +
앨리스가 전송한 편광신호 ↑ → ↙ ↑ ↙ ↗ ↗ →
밥이 선택한 측정 편광자 + x x x + x + X
밥이 측정한 편광신호 ↑ ↗ ↙ ↗ → ↗ → →
전송 편광자와 측정 편광자가 일치하는지 여부 검증 고전 채널을 통한 데이터 교환
최종적으로 생성되는 비밀키 0 1 0 1
본 개시의 다양한 실시 예들에 대한 구체적인 설명
이하 본 개시의 다양한 실시 예들에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
본 명세서에서 사용되는 기호/약어/용어는 다음과 같다.
- QSDC: Quantum Secure Direct Communication
- QBER: Quantum Bit Error Rate
- QKD: Quantum Key Distribution
- LD: Laser Diode
- SPD: Single Photon Detector
- Po_M: Polarization Modulator
- Po_R: Polarization Rotator
- VOA: Variable Optical Attenuator
- BS: Beam splitter
- PBS: Polarization beam splitter
- BSM: Bell State Measurement
- EPR-pair: Einstein?Podolsky?Rosen pair
- QRNG: Quantum random number generator
본 개시는 양자통신 기법 중 양자 채널을 통하여 안전하게 메시지 정보를 직접 전송할 수 있는 양자보안 직접통신(quantum secure direct communication, QSDC) 기법에 관한 것이며, 대표적인 기법인 얽힘 기반 2단계(two step) QSDC 프로토콜의 수신부 복잡도를 낮추기 위한 방법 및 장치를 개시한다. 구체적으로, 본 개시는 얽힘 광원 기반의 two step QSDC 프로토콜의 수신부에서 메시지 정보가 포함된 얽힘 상태의 신호를 검출하기 위해 사용되는 양자 메모리와 Bell state 측정 방법을 사용하지 않고 수신된 얽힘 신호를 낮은 복잡도의 개별 단광자 검출 방식으로 검출한 후, 그 결과의 일치 여부 확인을 통해 전송하고자 하는 고전 메시지 정보를 검출해 낼 수 있는 수신부의 구성 복잡도를 낮출 수 있는 방법 및 장치를 개시한다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 대한 배경기술
도 20는 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 2단계 QSDC(two step QSDC)의 구성의 일례를 도시한 도면이다.
기존 얽힘 광원 기반의 two step QSDC 기법은 양자 super dense coding이라는 1큐비트 정보에 2비트의 고전 정보를 전송할 수 있는 기법에 근간으로 하며, 얽힘 광자 쌍을 한꺼번에 보내지 않고 2단계로 나누어 전송한다. 이는 얽힘 광자 쌍 중 한 쪽을 먼저 보내서 해킹으로부터 안전성을 검증하고 나머지 반쪽을 보내기 위함이다. 얽힘 광원의 도청을 위해서는 얽힘 광자 쌍 양쪽의 정보를 모두 알아야 하는데 한 쪽의 안전성이 보장된다면 나머지 한 쪽이 도청되더라도 도청자는 이로부터 얽힘 광자쌍의 상태를 정확히 파악할 수 없다. 따라서 이를 통해 안전성을 보장할 수 있다. 따라서 이 과정을 통해 안전성이 확인되면 나머지 광자 쌍의 부분에 보내고자 하는 메시지 정보를 코딩하여 전송한 후, 수신부에서 측정하여 고전 정보를 검출할 수 있다. Two step QSDC 기법의 구성 방법과 전체 구조는 도 20와 같으며 사용되는 각 소자는 다음의 역할을 수행한다.
(1) SR1~4: 양자 메모리의 역할을 하는 optical delay line
(2) CE1, 2: 도청자의 존재 여부를 검사하는 부분
(3) CM: Alice에서 Bob으로 전송하고자 하는 고전 메시지 정보를 인코딩하는 부분
(4) EPR- source: 얽힘 광원을 생성하는 부분
(5) Bell state measurement: 얽힘 광원을 측정하는 부분
도 21는 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 2단계 QSDC 프로토콜에서 EPR 쌍(EPR pair)의 변화 과정의 일례를 도시한 도면이다.
종래의 2단계 QSDC 프로토콜(conventional two step QSDC protocol)
예시적인 종래의 2단계 QSDC 프로토콜은 다음과 같다.
1 단계: Alice와 Bob은 다음 4가지 Bell basis에 2비트의 고전 정보를 다음의 수학식 1과 같이 맵핑한다.
Figure PCTKR2022019111-appb-img-000001
2 단계: Alice는 동일한 N개의 얽힘 광자 쌍(EPR source)을 다음의 수학식 2와 같이 준비한다.
Figure PCTKR2022019111-appb-img-000002
3 단계: Alice는 각각의 얽힘 광자 쌍 중 그림 1의 C-sequence(=Checking sequence)에 해당하는 입자를 Bob에게 보낸다. C-sequence는 N개의 입자로 구성되며 [P1(C), P2(C), P3(C), ... , PN(C)] 으로 표기한다.
4 단계: Bob은 수신된 C-sequence 중 일부를 무작위 선택하고 선택한 위치 정보를 Alice에게 고전 채널로 전송한다.
5 단계: Bob은 선택한 위치의 광자를 측정하기 위하여 2가지 측정 기저 중 하나를 무작위 선택하여 측정한다.
6 단계: Bob은 Alice에게 측정에 사용한 기저와 측정 값을 고전 채널로 전송한다.
7 단계: Alice는 M-sequence(=Message sequence)을 측정하기 위하여 Bob과 동일한 기저를 사용하여 측정한 후, 그 결과를 수신된 Bob의 측정 값과 비교하여 Quantum bit error rate(QBER)을 구한다. QBER은 측정 값 중 값이 일치하지 않는 비율을 통해 얻을 수 있다.
8 단계: 만약 QBER이 도청 기준 값보다 낮으면 upper quantum channel에서는 도청자가 존재하지 않으므로 다음 과정을 이어서 진행하고, QBER이 도청 기준 값보다 높으면 전송된 정보는 해킹이 되었으므로 전송된 C-sequence 정보를 버린다.
4 단계부터 8 단계까지의 과정은 얽힘 광자 쌍 중 하나의 입자인 checking sequence에 해당하는 부분을 도청자로부터 안전하게 전송하는 과정이다. 얽힘 광원의 생성 신호를 도청자가 검출하기 위해서는 얽힘 광자 쌍을 구성하는 두 입자를 이용하여 Bell state measurement를 수행해야 하는데 얽힘 광자 쌍 중 한 입자가 도청되지 못하면 나머지 입자를 도청하더라도 유의미한 정보를 도청해 낼 수 없다. 따라서 QSDC 프로토콜에서는 이러한 특성을 이용하여 초기에 전송되는 checking sequence의 안전성 확보를 통해 전체 통신 과정의 안전성을 확보한다.
9 단계: Upper quantum channel로 전송된 C-sequence가 안전하게 전송되었을 경우, Alice는 M-sequence에 전송하고자 하는 고전 메시지를 인코딩한다.
10 단계: EPR pair상에 메시지를 인코딩하기 위하여 4가지 unitary operations (U0, U1, U2 and U3) 중 하나를 적용하여 초기 얽힘 광자 쌍 |ψ-〉를 |ψ-〉, |ψ+〉, |Φ+〉, |Φ-〉 중 하나로 변환한다. 예시적인 4가지 unitary operations는 다음의 수학식 3과 같다.
Figure PCTKR2022019111-appb-img-000003
11 단계: 인코딩 된 Message sequence를 Bob에게 전송한다.
12 단계: Bob은 앞서 전송된 후 SR1,3에 저장된 C- sequence와 뒤이어 전송된 M-sequence 정보를 이용하여 Bell state measurement를 수행한다.
13 단계: Alice는 Bob에게 전송한 message sequence 중 도청 여부 확인에 사용할 샘플 정보의 위치와 샘플 정보에 적용된 unitary operation의 유형을 고전채널을 통해 전송한다.
14 단계: Bob에서는 Alice가 선택한 샘플에 대한 QBER 추정을 통해 M-sequence의 QBER을 추정할 수 있다.
15 단계: M sequence의 QBER을 바탕으로 오류 정정 가능 여부를 판단한다. 고전 오류 정정 부호를 바탕으로 오류 복원이 가능하다고 하면 오류 정정 과정을 수행하여 전송된 메시지 정보를 복원하고 그렇지 않으면 처음부터 진행 과정을 다시 시작한다.
상술한 1 단계부터 15 단계까지의 과정을 송수신부의 얽힘 광자 쌍의 이동 및 상태 변화로 다시 표현하면 도 21와 같이 나타낼 수 있다.
초기 Alice에서 얽힘 광원인 EPR-pair를 생성한다. 이 때, Pi(1)는 message coding sequence를 Pi(2)는 checking sequence를 각각 의미한다. 다음으로 checking sequence는 Bob 쪽으로 전송된다. 이 때, 일부의 정보는 전송 과정에서 채널 손실 등으로 소실되는데 이 부분이 흰색 부분에 해당한다. 다음으로 Alice 쪽에서 Message coding sequence에 메시지 정보를 인코딩한다. 4가지 색상은 4가지 EPR-pair 중 하나로 변환되었음을 의미한다. 마지막으로 변환된 얽힘 광자는 Bob쪽으로 수신되며 변환된 얽힘 광자쌍을 Bell state measurement하여 전송한 메시지 정보를 얻는다.
(참고 문헌: Two-step quantum direct communication protocol using the Einstein-Podolsky-Rosen pair block, Fu-Guo Deng, Gui Lu Long, and Xiao-Shu Liu, Phys. Rev. A 68, 042317, 2003)
본 개시의 다양한 실시 예들이 해결하고자 하는 기술적 문제는 다음과 같다:
기존 Two step QSDC 프로토콜의 측정 과정에서 양자 메모리와 Bell state measurement 기법이 사용되므로 구성 복잡도가 높았다.
(종래 기술의 문제 1) 완전 벨 상태 측정(complete Bell state measurement, complete BSM) 기법은 단광자 측정 기법에 비해 구성 복잡도가 높다.
도 22은 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 부분적 벨 상태 측정(partial Bell state measurement, partial BSM)의 일례를 도시한 도면이다.
도 23은 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 완전 벨 상태 측정(complete Bell state measurement, complete BSM)의 일례를 도시한 도면이다.
Bell state measurement는 EPR pair의 측정에 사용되는 방식으로 |ψ-〉, |ψ+〉, |Φ+〉, |Φ-〉의 4가지 state를 구분하여 측정할 수 있다.
도 22은 4개의 Bell state 중 |ψ-〉, |ψ+〉를 구분할 수 있는 partial Bell state measurement 기법을 나타낸다.
도 23은 4가지 Bell state모두를 구분할 수 있는 complete Bell state measurement 기법을 나타낸다.
도 22에서 볼 수 있듯이, 4가지 Bell states는 BS 1개와 PBS 2개, 그리고 검출기 4개로 이루어진 편광에 따른 검출 경로 차이를 통한 구성 방법만으로는 검출 과정에서 완벽한 구분을 할 수 없다. 따라서, 도 23과 같이 시간 정보를 추가로 활용하여 4가지 상태를 구분할 수 있다. 그러나, 도 23의 방법에서는 완벽한 구분을 위하여 시간 지연 경로 등의 추가적인 자원의 사용이 요구되므로 검출 과정의 구성 복잡도가 그림 3에 비해 높아짐을 알 수 있다.
(참고 문헌: Superdense Coding over Optical Fiber Links with Complete Bell-State Measurements, Brian P. Williams, Ronald J. Sadlier, and Travis S. Humble, Phys. Rev. Lett. 118, 050501, 2017)
Two step QSDC 프로토콜에서는 4가지 EPR pair를 모두 사용하므로 도 23과 같은 Complete Bell state measurement 기법을 사용해야 하므로 수신부의 복잡도가 높다. 그러나, Two step QSDC 기법에서는 EPR pair가 한번에 전송되지 않고 pair 중 한 쪽 입자가 먼저 전송되고 도청 여부 확인 후 나머지 쪽에 해당하는 입자가 전송되기 때문에 한꺼번에 EPR pair가 수신되었을 때의 측정 방법인 Bell state measurement 기법을 사용할 필요는 없다. 따라서, 서로 다른 시간에 전송되는 EPR pair의 개별 입자를 복잡도가 낮은 단광자 측정 방법을 이용하여 수신한다면 수신부의 복잡도를 낮출 수 있다.
(종래 기술의 문제 2) 수신부에서 초기에 전송된 checking sequence의 저장을 위해 양자 메모리를 사용해야 하는데 현재 광학양자 메모리는 저장 시간이 최대 수 ms로 매우 짧아서 대체 수단으로 광학 지연선을 주로 사용하나 요구되는 광학 지연선의 길이가 채널 길이의 3배 이상이므로 이로 인해 수신부의 크기가 매우 커지는 문제가 발생하며, 지연선의 길이가 길수록 fiber loss로 인한 정보 손실 또한 증가하므로 실제 양자 정보의 전송거리가 짧아진다.
기존 two step QSDC 프로토콜에서는 EPR pair 중 checking sequence가 먼저 전송된 후, 안전성 검증을 하고 안전성이 확보되면 message coding sequence를 뒤이어 전송하고 두 sequence를 이용하여 측정하여 고전 메시지 정보를 송신하는 방식이기 때문에 checking sequence가 수신된 후, 수신부에서 message sequence가 수신부로 도착할 때까지 양자 메모리에 저장을 해야 한다. 초기 two step QSDC 기법에서는 양자 메모리에서 요구되는 저장시간을 τ로 정의하고 그 최소 값을 아래 식과 같이 나타내었다. 즉, 채널 길이를 L로 가정할 때, checking sequence가 전송된 후, 고전 채널로 추가적인 정보를 주고 받아야 하고 뒤이어 message coding sequence가 전송되어야 하므로 채널 길이의 3배에 해당하는 시간이 최소한 요구됨을 알 수 있다.
Figure PCTKR2022019111-appb-img-000004
(τ : 양자 메모리 저장 시간, L : 채널 길이, C: 광자의 속도, N : 단일 블록에 포함되는 EPR pair의 생성 개수, f : 단위 시간당 전송되는 광자의 수)
하지만, 현재 양자 메모리 구현 기술은 최대 저장시간이 수 ms에 불과할 정도로 짧아 사용이 어렵기 때문에 QSDC 구현에는 대부분 광학 지연선(optical delay line)이 주로 사용된다. 하지만 위에서 언급한 바와 같이 전송 채널 길이의 3배가 넘는 아주 큰 부피의 광학 지연선이 요구되고, 광케이블의 거리당 손실이 0.2dB/km임을 고려할 때 전송 거리가 길수록 더 많은 정보 손실이 일어나는 문제가 발생함을 알 수 있다. 그리고 거리 손실로 인해 실제 양자 정보를 전송한 거리의 3배 이상의 정보 손실이 발생하므로 양자 정보의 전송 거리가 짧아진다. 따라서 양자 메모리의 사용을 최소화 또는 제거할 수 있는 QSDC 방식의 개발이 요구된다.
본 개시의 다양한 실시 예들의 구성
본 발명에서는 기존 얽힘 광원 기반의 two step Quantum secure direct communication 프로토콜의 수신부 복잡도를 낮추는 동시에 수신과정의 정보손실을 최소화하기 위한 방법 및 장치를 제시한다. 이를 위해 본 특허에서는 수신부에서 얽힘 상태의 측정 방법으로 사용되는 Bell state measurement 기법 대신 단 광자 측정 기법을 이용하여 얽힘 광자 쌍 중 checking sequence를 먼저 측정하고 나중에 고전 메시지 정보가 포함된 message coding sequence를 측정한 후 측정 값의 일치 여부를 가지고 메시지 정보를 수신하는 방식을 제안한다. 또한 이 과정에서 수신부의 checking sequence 저장에 사용되는 양자 메모리를 사용하지 않는 방법을 함께 제시한다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 방법의 전체 진행과정을 순서대로 살펴보면 다음과 같다.
수신부에서 양자 메모리와 Bell state measurement를 사용하지 않는 two step QSDC 프로토콜의 전체 process
도 24은 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 수신기의 양자 메모리 및 BSM이 생략된 2단계 QSDC의 일례를 도시한 도면이다.
구체적으로, 도 24은 본 발명기법에서 제시하는 편광 기반 two step QSDC 프로토콜의 블록 다이어그램을 나타내며, 진행 과정은 다음과 같다.
1 단계: Alice는 N개의 얽힘 광자쌍(EPR-pair)을 생성한다. 얽힘 광자쌍 ├ |ψ-〉은 도 24과 같이 양자 채널의 도청여부를 checking하는 checking sequence와 송신부에서 수신부로 전송하고자 하는 고전 메시지 정보의 코딩에 이용되는 message coding sequence로 나뉘어 위치한다. 얽힘 광자쌍 |ψ-〉의 구성은 다음의 수학식 5와 같다.
Figure PCTKR2022019111-appb-img-000005
2 단계: Alice는 1st quantum channel을 통하여 Bob에게 checking sequence를 보내고 Bob은 측정할 basis를 random하게 선택한다. (Rectilinear 또는 diagonal basis 중 선택)
3 단계: Bob은 수신 checking sequence 중 일부를 무작위 선정하여 측정한 후, 측정 위치, basis 정보, 측정 값을 1st classical channel을 통해 Alice에게 전송하고, 나머지 위치의 정보는 나중에 메시지 정보 수신을 위해 사용하기 위하여 우선 검출한 후, 검출된 결과를 저장한다. 이때, 저장되는 값은 양자 상태가 아닌 고전 정보 값이므로 저장 또한 일반적인 메모리(ex, RAM 또는 레지스터 등)에 저장된다.
4 단계: Alice는 message coding sequence 중 3번 과정에서 고전 채널로 전송된 위치와 동일한 위치의 정보를 Bob과 동일 basis를 이용하여 측정하여 결과를 검출한다. 3 단계 및 4 단계의 측정 결과를 비교하여 quantum bit error rate(QBER)을 구한다.
QBER이 도청 여부를 결정하는 임계값을 넘지 않으면 초기에 전송한 checking sequence는 도청자로부터 안전성이 보장되므로 다음 과정을 진행하고, 그 외의 경우에는 도청이 되었음을 나타내므로 전송 과정을 중단한다.
5 단계: 1st quantum channel로 전송한 얽힘 광자쌍 중 한쪽의 정보가 안전하다고 하면 나머지 반쪽의 정보가 도청되더라도 도청자는 전체 얽힘 광자의 상태를 정확히 유추하는 것은 불가능하기 때문에 다음 과정을 진행한다. 따라서 checking sequence의 안전성을 검사하는 동안 송신부의 양자 메모리에 저장해 놓은 message coding sequence에 전송하고자 하는 고전 메시지 정보를 인코딩한다. 고전 정보의 코딩에서, 0을 전송할 때는 I(=Identity operation)을 이용하고, 1을 전송할 때는 U(Unitary operation)을 이용한다. 고전 정보의 코딩의 예시적 구성은 다음의 수학식 6과 같다.
그리고 메시지 전송 값을 제외한 QRNG로부터 생성한 랜덤 고전 이진 정보를 메시지 정보 사이의 랜덤한 위치에 섞은 후 인코딩하여 전송하는데 이 값은 8번째 과정에서 2nd quantum channel의 QBER을 측정하는데 사용된다.
Figure PCTKR2022019111-appb-img-000006
6 단계: 2 단계에서 측정한 것과 동일한 basis 정보를 이용하여 Bob에서는 전송된 encoded message coding sequence의 값을 측정한다.
7 단계: Bob에서는 측정 결과를 단광자 검출기를 이용하여 검출한다.
8 단계: Alice에서는 2nd quantum channel의 오류율을 추정하기 위하여 encoded message sequence에 섞은 랜덤 고전 이진 정보의 위치와 전송한 값을 2nd classical channel을 통해 Bob에게 전송한다. Bob에서는 Alice와 동일한 위치에서 측정된 결과 값을 비교하여 QBER을 추정한다.
QBER 추정 후, 오류율을 바탕으로 error correction이 가능한지를 판단한다. 이 때, 채널 오류의 오류 정정에는 LDPC 부호와 같은 채널코딩 기법이 이용되며 오류율이 오류 정정 부호의 오류 정정 능력을 벗어나는 경우, 원 메시지 정보의 복원이 불가능하기 때문에 전송 과정을 중단하고, 오류율이 오류 정정 능력보다 낮을 경우 오류 정정이 가능하므로 이 경우에는 오류 정정 과정을 통해 전송한 메시지 정보를 복원한다.
9 단계: 3 단계에서 QBER 추정에 사용하지 않은 checking sequence의 측정 값과 8번 과정을 통해 얻은 message coding sequence의 결과가 일치하는지 아닌지를 비교하여 5번 과정에서 message coding sequence가 변환되었는지 아닌지를 알 수 있으므로 이를 통해 Alice가 Bob에게 전송한 고전 정보가 0인지 1인지 판정한다.
두 sequence의 값이 일치하면 고전 정보 0을 전송한 것으로 판정하고, 두 sequence의 값이 불일치하면 고전 정보 1을 전송한 것으로 판정한다.
도 25는 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 편광 기반 2 단계 QSDC 프로토콜의 구성의 일례를 도시한 도면이다.
구체적으로, 도 25는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 편광 기반 2 단계 QSDC 프로토콜을 광학 소자, 얽힘 광원 생성 및 검출기를 이용하여 구성하는 과정의 일례를 도시한 도면이다. 본 개시의 다양한 실시 예들에서는 광자의 편광 상태를 이용하여 고전 정보를 전송 및 검출하는 방법을 이용하여 two step QSDC 프로토콜을 구성하였다.
광자의 편광상태를 이용한 수신부에서 양자 메모리와 Bell state measurement를 사용하지 않는 two step QSDC 프로토콜의 구성 방법
도 26은 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 SPDC(spontaneous parametric down conversion) 방식을 이용한 얽힘 광자의 생성 과정의 일례를 도시한 도면이다.
(1) 송신단 노드(ALICE)에서 얽힘 광자쌍의 생성 및 전송 과정
본 개시의 다양한 실시 예들에서는 얽힘 광자쌍을 생성하기 위하여 양자 통신에서 주로 사용되는 Spontaneous Parametric down conversion(SPDC) 방식을 이용한다. SPDC를 이용한 얽힘 광자쌍 생성 방식에서는 BBO(Beta barium borate)와 같은 비선형 매질에 레이저 빔을 입사하면 빔 안의 광자 각각이 둘로 갈라지면서 frequency가 절반인 광자쌍이 상관성을 가지면서 형성되는 원리를 사용하여 도 26과 같은 얽힘 관계를 가지는 광자쌍을 생성한다.
생성된 얽힘 광자쌍 중 checking sequence를 먼저 전송하고 도청 여부를 확인하며, 이 과정 동안 얽힘 광자 쌍 중 나머지 부분인 message coding sequence는 양자 메모리로 사용되는 Optical delay line(ODL)에 저장된다. ODL의 길이는 checking sequence의 전송과 QBER추정에 사용되는 시간만큼 저장된 message coding sequence는 도청으로부터 안전할 경우, 편광 코딩을 통해 전송하고자 하는 메시지 정보를 인코딩한다.
(2) 수신단 노드(BOB)에서 얽힘 광자쌍의 개별 검출 과정
수신단 노드에서는 얽힘 상태의 광자 쌍이 동시에 수신되지 않고 광자 쌍 중 checking sequence에 해당하는 단광자가 먼저 전송되고 난 후에 message sequence에 해당하는 얽힘 광자가 전송되기 때문에 기존의 Bell state measurement가 아닌 단광자 검출방식으로도 전송한 고전 정보의 검출이 가능하다.
1 단계: Checking sequence의 편광 정보 검출 과정
Checking sequence의 검출 과정은 polarization rotator 1에서 어떤 basis로 측정하는가로부터 시작된다. θ의 값으로 0도 또는 -45도의 편광 변화를 걸어줄 수 있는데 0도의 의미는 직교 basis를 이용하여 측정하는 정보가 들어온 것을 의미하고 -45도는 대각 basis를 이용하여 측정하는 정보가 들어온 것을 의미한다.
따라서, 측정 후 PBS 직전의 편광 상태는 0도와 90도 둘 중 하나의 성분만을 가지게 되고 두 가지 편광 성분 중 어떤 편광상태를 가지는가에 따라 PBS 통과 후의 경로가 위 또는 아래의 두 경로 중 하나로 결정된다. 위쪽 경로로 측정된 값들은 초기 전송 정보가 0인 것을, 아래쪽으로 전송된 것은 전송 정보의 1의 편광 상태를 가진 것을 의미하고 SPD로 검출된 후, TDC에서 측정된 시간 정보를 통해 0인지 1인지를 구별하여 메모리에 저장하게 된다.
2 단계: Message coding sequence의 편광 정보 검출 과정
Message coding sequence는 앞선 checking sequence와 동일한 basis 정보를 이용하여 검출한다. 이는 이전에 보낸 checking sequence와 message coding sequence가 서로 상관 관계를 가지기 때문에 동일 basis로 올바른 측정을 할 수 있기 때문이다. 따라서 Message coding sequence 무작위 basis 선택 방식이 아닌 앞서 선택한 basis를 동일하게 사용하는 방식을 사용한다는 것이 checking sequence의 검출 과정과의 차이점이다. 그 이후 편광 정보의 측정 과정은 checking sequence의 검출 과정과 동일하다.
3 단계: 두 단광자 쌍의 비교를 통한 1 bit 고전 정보 검출 과정
Checking sequence와 Message coding sequence의 측정된 편광 상태 비교를 통해 송신부에서 전송한 고전 메시지 정보가 0인지 1인지 구분할 수 있다. 이는 초기에 correlation 된 두 얽힘 광자쌍의 편광 상태가 동일할 경우, 이를 메시지 코딩 단계에서 message coding sequence에 해당하는 얽힘 광자 성분의 편광 성분을 변화시킬 경우, 수신부에서 동일한 basis 로 측정되는 두 sequence의 값이 일치하지 않는다는 특성을 이용한다. 따라서 전송하고자 하는 메시지가 0일 경우, message sequence의 편광 상태를 변화시키지 않아 수신부에서 검출 시, 두 sequence의 검출 결과가 동일하다. 그리고 전송하고자 하는 메시지가 1일 경우, message sequence의 편광 상태가 변화하므로 이 때, 수신부에서 두 sequence를 개별 검출한 결과는 일치하지 않는다. 이를 이용하여 본 발명에서는 얽힘 광자쌍 1개당 1 bit의 정보를 전송할 수 있다.
네트워크 노드의 예시적인 동작 과정
본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 네트워크 노드의 예시적인 동작 과정은 다음과 같다. 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 네트워크 노드는 수신단 노드(BOB)에 해당할 수 있다. 그러나, 경우에 따라서는, 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 네트워크 노드는 송신단 노드(ALICE)에 해당할 수도 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들은 얽힘 광자 쌍을 활용한 편광 기반의 two step 양자안전 직접통신 기법에서 수신부의 구성 복잡도를 낮추는 것을 목적으로 한다.
수신단 노드는 단광자 쌍이 모두 수신될 때까지 기다린 후 얽힘 광자쌍을 한꺼번에 측정하는 기존 Bell state measurement 기법 대신 단광자 쌍을 구성하는 두 입자를 개별 단광자 검출 방식으로 측정한 후, 양쪽에서 측정한 값의 차이 발생 여부를 이용해 전송한 메시지 정보를 검출한다.
(1) 1st quantum channel로 전송된 정보의 처리 과정은 다음의 동작을 포함한다.
우선 송신 과정에서 Reference로 사용되는 checking sequence는 아무런 변환 없이 수신부로 전송하는 단계;
검출 과정에서 먼저 수신되는 checking sequence를 수신부 양자 메모리에 저장하지 않고 수신됨과 동시에 편광 기반의 단광자 측정 방식으로 먼저 측정하는 단계(도청자 존재 여부를 파악하는 QBER 추정 단계);
랜덤 basis로 측정한 결과를 기존 디지털 정보를 저장할 수 있는 메모리(ex. RAM, Register 등)에 저장하는 단계;
(2) 2nd quantum channel로 전송된 정보의 처리 과정은 다음의 동작을 포함한다.
Checking sequence의 안전성이 보장될 때, 송신부에서 전송하고자 하는 메시지 정보의 전송에 이용되는 message coding sequence의 편광 상태를 unitary operation을 통해 변환하는가 변환하지 않는가를 기준으로 1bit 고전 정보를 인코딩하는 단계;
송신부의 message coding sequence를 수신하여 편광기반의 단광자 측정 방식을 이용하여 측정하는 단계;
위의 단계에서 수신부로 전송된 message coding sequence를 Checking sequence와 동일한 basis를 이용하여 측정하는 단계;
Memory에 저장된 checking sequence의 측정 결과와 message coding sequence의 일치 여부를 통해 전송된 1 bit 정보를 수신부에서 검출하는 단계;
본 개시의 다양한 실시 예들은 낮은 수신 복잡도로 얽힘 기반의 two step 양자 직접 통신 프로토콜을 구성할 수 있는 효율적인 방식을 제안한다.
본 개시의 다양한 실시 예들의 기대 효과
본 개시의 다양한 실시 예들은 기존 two step QSDC의 수신부의 구성 복잡도를 낮추기 위하여 Bell state measurement와 quantum memory를 사용하지 않는 방식을 제시하며, 이를 위해 기존 two step QSDC 기법에서 사용된 Bell state measurement(BSM) 기법 대신 단광자 검출 방식을 사용한다. 따라서, 기존 기법과 본 개시의 다양한 실시 예들의 송신부 구성 복잡도는 동일하지만 수신부의 구성 복잡도는 표 4에서 제시된 바와 같이 기존 기법에 비해 크게 낮출 수 있다.
표 4에서, 종래 기술에 의한 기존 two step QSDC(conventional two step QSDC) 프로토콜은 도 20 및 도 23을 이용하여 complete BSM 방식으로 수신부를 구성한 것을 복잡도 비교를 위해 사용한다. 본 개시의 다양한 실시 예들에 의해 제안된 two step QSDC(proposed two step QSDC) 프로토콜의 수신부 구성은 도 25에서 단광자 검출 방식 기반의 구성 방식을 따른다.
수신부 구성 Conventional two step QSDC Proposed two step QSDC
Optical delay line
(Quantum memory)		 최소 채널 길이의 3배 이상의 길이를 가지는 optical delay line 사용 사용하지 않음
단광자 검출기 4개 2개
PBS(polarization beamsplitter) 3개 2개
BS(beamsplitter) 2개 사용하지 않음
HWP(half waveplate) 2개 사용하지 않음
Polarization rotator 사용하지 않음 2개
표 4의 결과에서 알 수 있듯이 본 개시의 다양한 실시 예들은 수신부에서 가장 bulky한 두 가지 부분인 양자 메모리로 사용되는 optical delay line을 사용하지 않고 단광자 검출기의 사용 개수를 절반으로 줄일 수 있으므로 구성 복잡도를 크게 낮출 수 있다. 또한, 수신부에서 Polarization rotator를 제외한 주요 소형 광학 소자들(단광자 검출기, PBS(polarization beamsplitter), BS(beamsplitter), HWP(half waveplate))도 본 개시의 다양한 실시 예들의 사용량이 기존 기법보다 크게 감소함을 알 수 있다.
[제1 노드 claim 관련 설명]
이하 상술한 실시 예들을 제1 노드의 제2 노드에 대한 동작 측면에서 도 27을 참조하여 구체적으로 설명한다. 이하 설명되는 방법들은 설명의 편의를 위하여 구분된 것일 뿐, 상호 배척되지 않는 한 어느 한 방법의 일부 구성이 다른 방법의 일부 구성과 치환되거나, 상호 간에 결합되어 적용될 수 있음은 물론이다.
도 27은 본 개시에 적용 가능한 시스템에서 제1 노드의 동작 과정의 일례들 도시한 도면이다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 양자 통신 시스템에서 제1 노드에 의하여 수행되는 방법이 제공된다. 도 27의 실시 예에서 제1 노드는 Bob에 해당하고 제2 노드는 Alice에 해당할 수 있다. 경우에 따라서, 제1 노드는 Alice에 해당하고 제2 노드는 Bob에 해당할 수 있다.
S2701 단계에서, 제1 노드는 제1 퀀텀 채널 (quantum channel)을 통하여 제2 노드로부터 체킹 시퀀스(checking sequence)를 수신하고, 상기 체킹 시퀀스는 메시지 코딩 시퀀스(message coding sequence)와 함께 얽힘 광자 쌍들(Einstein?Podolsky?Rosen pairs, EPR-pairs)을 구성한다.
S2702 단계에서, 제1 노드는 상기 체킹 시퀀스를 양자 메모리에 저장하지 않고, 상기 체킹 시퀀스 중 무작위로 선정된 제1 위치에 해당하는 부분에 대하여 제1 기저(basis) 정보에 기반하여 단광자 측정(single photon detection)을 수행함으로써 제1 측정 값을 결정한다.
S2703 단계에서, 제1 노드는 상기 제1 위치, 상기 제1 기저 정보, 상기 제1 측정 값의 정보를 일반 메모리에 저장한다.
S2704 단계에서, 제1 노드는 상기 제2 노드에게 제1 고전 채널(classical channel)을 통해 상기 제1 위치, 상기 제1 기저 정보, 상기 제1 측정 값의 정보를 전송한다.
S2705 단계에서, 제1 노드는 제2 퀀텀 채널을 통하여 1 비트의 고전 메시지 정보(classical message information)가 인코딩 된 메시지 코딩 시퀀스를 수신한다.
S2706 단계에서, 제1 노드는 상기 메시지 코딩 시퀀스 중 상기 제1 위치에 해당하는 부분에 대하여 상기 제1 기저 정보에 기반하여 단광자 측정을 수행함으로써 제2 측정 값을 결정한다.
S2707 단계에서, 제1 노드는 상기 일반 메모리에 저장된 상기 제1 측정 값과 상기 제2 측정 값의 일치 여부에 기반하여 상기 고전 정보를 검출한다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 상기 메시지 코딩 시퀀스는 상기 제1 측정 값에 대한 제1 QBER(quantum bit error rate)로부터 상기 체킹 시퀀스에 대한 안전성(safety)이 확인됨에 기반하여 수신될 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 도 27의 실시 예는, 상기 제1 측정 값 및 상기 제2 측정 값에 기반하여 제2 QBER(quantum bit error rate)를 결정하는 단계; 상기 제2 QBER에 기반하여, 오류 정정(error correction)을 통해 상기 고전 메시지 정보에 대한 복원을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 상기 고전 메시지 정보는, 상기 메시지 코딩 시퀀스의 편광 상태가 유니터리 동작(unitary operation)을 통해 변환하는지 여부에 기반하여 인코딩 될 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 상기 얽힘 양자쌍을 구성하는 상기 체킹 시퀀스 및 상기 메시지 코딩 시퀀스는 상기 제2 장치에 의하여 생성되며, 상기 체킹 시퀀스는 상기 제2 장치에 의하여 생성된 후 변환 없이 상기 제1 장치에 의하여 수신될 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 상기 고전 메시지 정보는 상기 고전 메시지 정보 중 무작위의 위치에 랜덤 고전 이진 정보가 섞인 후 상기 메시지 코딩 시퀀스에 인코딩 되며, 도 27의 실시 예는, 상기 제2 장치로부터 제2 고전 채널을 통해 상기 랜덤 고전 이진 정보의 정보 및 상기 무작위의 위치의 정보를 수신하는 단계를 더 포함하고, 상기 제2 QBER은 상기 랜덤 고전 이진 정보의 정보 및 상기 무작위의 위치의 정보에 더 기반하여 측정될 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 상기 일반 메모리는 이진 상태의 정보를 저장하도록 구성되고, 상기 양자 메모리는 양자 상태의 정보를 저장하도록 구성될 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면 양자 통신 시스템에서 제1 노드가 제공된다. 제1 노드는 일반 메모리, 송수신기 및 적어도 하나의 프로세서를 포함하고, 상기 적어도 하나의 프로세서는, 도 27에 따른 제1 노드의 동작 방법을 수행하도록 구성될 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 양자 통신 시스템에서 제1 노드를 제어하는 장치가 제공된다. 상기 장치는 적어도 하나의 프로세서; 및 상기 적어도 하나의 프로세서들에 동작 가능하게 접속된 적어도 하나의 메모리를 포함한다. 상기 적어도 하나의 메모리들은, 상기 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행되는 것에 기반하여, 도 27에 따른 제1 노드의 동작 방법을 수행하는 지시(instruction)들을 저장하도록 구성될 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 하나 이상의 명령어를 저장하는 하나 이상의 비일시적인(non-transitory) 컴퓨터 판독 가능 매체가 제공된다. 상기 하나 이상의 명령어는, 하나 이상의 프로세서에 의해 실행되는 것에 기반하여, 동작들을 수행하고, 상기 동작들은, 도 27에 따른 제1 노드의 동작 방법을 포함할 수 있다.
본 개시에 적용 가능한 통신 시스템
도 28는 본 개시의 다양한 실시 예들에 적용되는 통신 시스템(1)을 예시한다.
도 28를 참조하면, 본 개시의 다양한 실시 예들에 적용되는 통신 시스템(1)은 무선 기기, 기지국 및 네트워크를 포함한다. 여기서, 무선 기기는 무선 접속 기술(예, 5G NR(New RAT), LTE(Long Term Evolution))을 이용하여 통신을 수행하는 기기를 의미하며, 통신/무선/5G 기기로 지칭될 수 있다. 이로 제한되는 것은 아니지만, 무선 기기는 로봇(100a), 차량(100b-1, 100b-2), XR(eXtended Reality) 기기(100c), 휴대 기기(Hand-held device)(100d), 가전(100e), IoT(Internet of Thing) 기기(100f), AI기기/서버(400)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 차량은 무선 통신 기능이 구비된 차량, 자율 주행 차량, 차량간 통신을 수행할 수 있는 차량 등을 포함할 수 있다. 여기서, 차량은 UAV(Unmanned Aerial Vehicle)(예, 드론)를 포함할 수 있다. XR 기기는 AR(Augmented Reality)/VR(Virtual Reality)/MR(Mixed Reality) 기기를 포함하며, HMD(Head-Mounted Device), 차량에 구비된 HUD(Head-Up Display), 텔레비전, 스마트폰, 컴퓨터, 웨어러블 디바이스, 가전 기기, 디지털 사이니지(signage), 차량, 로봇 등의 형태로 구현될 수 있다. 휴대 기기는 스마트폰, 스마트패드, 웨어러블 기기(예, 스마트워치, 스마트글래스), 컴퓨터(예, 노트북 등) 등을 포함할 수 있다. 가전은 TV, 냉장고, 세탁기 등을 포함할 수 있다. IoT 기기는 센서, 스마트미터 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기지국, 네트워크는 무선 기기로도 구현될 수 있으며, 특정 무선 기기(200a)는 다른 무선 기기에게 기지국/네트워크 노드로 동작할 수도 있다.
무선 기기(100a~100f)는 기지국(200)을 통해 네트워크(300)와 연결될 수 있다. 무선 기기(100a~100f)에는 AI(Artificial Intelligence) 기술이 적용될 수 있으며, 무선 기기(100a~100f)는 네트워크(300)를 통해 AI 서버(400)와 연결될 수 있다. 네트워크(300)는 3G 네트워크, 4G(예, LTE) 네트워크 또는 5G(예, NR) 네트워크 등을 이용하여 구성될 수 있다. 무선 기기(100a~100f)는 기지국(200)/네트워크(300)를 통해 서로 통신할 수도 있지만, 기지국/네트워크를 통하지 않고 직접 통신(e.g. 사이드링크 통신(sidelink communication))할 수도 있다. 예를 들어, 차량들(100b-1, 100b-2)은 직접 통신(e.g. V2V(Vehicle to Vehicle)/V2X(Vehicle to everything) communication)을 할 수 있다. 또한, IoT 기기(예, 센서)는 다른 IoT 기기(예, 센서) 또는 다른 무선 기기(100a~100f)와 직접 통신을 할 수 있다.
무선 기기(100a~100f)/기지국(200), 기지국(200)/기지국(200) 간에는 무선 통신/연결(150a, 150b, 150c)이 이뤄질 수 있다. 여기서, 무선 통신/연결은 상향/하향링크 통신(150a)과 사이드링크 통신(150b)(또는, D2D 통신), 기지국간 통신(150c)(e.g. relay, IAB(Integrated Access Backhaul)과 같은 다양한 무선 접속 기술(예, 5G NR)을 통해 이뤄질 수 있다. 무선 통신/연결(150a, 150b, 150c)을 통해 무선 기기와 기지국/무선 기기, 기지국과 기지국은 서로 무선 신호를 송신/수신할 수 있다. 예를 들어, 무선 통신/연결(150a, 150b, 150c)은 다양한 물리 채널을 통해 신호를 송신/수신할 수 있다. 이를 위해, 본 개시의 다양한 실시 예들의 다양한 제안들에 기반하여, 무선 신호의 송신/수신을 위한 다양한 구성정보 설정 과정, 다양한 신호 처리 과정(예, 채널 인코딩/디코딩, 변조/복조, 자원 매핑/디매핑 등), 자원 할당 과정 등 중 적어도 일부가 수행될 수 있다.
한편, NR은 다양한 5G 서비스들을 지원하기 위한 다수의 뉴머롤로지(numerology)(또는 subcarrier spacing(SCS))를 지원한다. 예를 들어, SCS가 15kHz인 경우, 전통적인 셀룰러 밴드들에서의 넓은 영역(wide area)을 지원하며, SCS가 30kHz/60kHz인 경우, 밀집한-도시(dense-urban), 더 낮은 지연(lower latency) 및 더 넓은 캐리어 대역폭(wider carrier bandwidth)을 지원하며, SCS가 60kHz 또는 그보다 높은 경우, 위상 잡음(phase noise)을 극복하기 위해 24.25GHz보다 큰 대역폭을 지원한다.
NR 주파수 밴드(frequency band)는 두 가지 타입(type)(FR1, FR2)의 주파수 범위(frequency range)로 정의될 수 있다. 주파수 범위의 수치는 변경될 수 있으며, 예를 들어, 두 가지 type(FR1, FR2)의 주파수 범위는 하기 표 5와 같을 수 있다. 설명의 편의를 위해 NR 시스템에서 사용되는 주파수 범위 중 FR1은 "sub 6GHz range"를 의미할 수 있고, FR2는 "above 6GHz range"를 의미할 수 있고 밀리미터 웨이브(millimeter wave, mmW)로 불릴 수 있다.
Frequency Range designation Corresponding frequency range Subcarrier Spacing
FR1 450MHz-6000MHz 15, 30, 60kHz
FR2 24250MHz-52600MHz 60, 120, 240kHz
상술한 바와 같이, NR 시스템의 주파수 범위의 수치는 변경될 수 있다. 예를 들어, FR1은 하기 표 6과 같이 410MHz 내지 7125MHz의 대역을 포함할 수 있다. 즉, FR1은 6GHz (또는 5850, 5900, 5925 MHz 등) 이상의 주파수 대역을 포함할 수 있다. 예를 들어, FR1 내에서 포함되는 6GHz (또는 5850, 5900, 5925 MHz 등) 이상의 주파수 대역은 비면허 대역(unlicensed band)을 포함할 수 있다. 비면허 대역은 다양한 용도로 사용될 수 있고, 예를 들어 차량을 위한 통신(예를 들어, 자율주행)을 위해 사용될 수 있다.
Frequency Range designation Corresponding frequency range Subcarrier Spacing
FR1 41MHz-7125MHz 15, 30, 60kHz
FR2 24250MHz-52600MHz 60, 120, 240kHz
본 개시에 적용 가능한 무선 기기
이하에서는, 본 개시의 다양한 실시 예들이 적용되는 무선 기기의 예에 대해 설명한다.
도 29은 본 개시의 다양한 실시 예들에 적용될 수 있는 무선 기기를 예시한다.
도 29을 참조하면, 제1 무선 기기(100)와 제2 무선 기기(200)는 다양한 무선 접속 기술(예, LTE, NR)을 통해 무선 신호를 송수신할 수 있다. 여기서, {제1 무선 기기(100), 제2 무선 기기(200)}은 도 28의 {무선 기기(100x), 기지국(200)} 및/또는 {무선 기기(100x), 무선 기기(100x)}에 대응할 수 있다.
제1 무선 기기(100)는 하나 이상의 프로세서(102) 및 하나 이상의 메모리(104)를 포함하며, 추가적으로 하나 이상의 송수신기(106) 및/또는 하나 이상의 안테나(108)를 더 포함할 수 있다. 프로세서(102)는 메모리(104) 및/또는 송수신기(106)를 제어하며, 본 문서에 개시되 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도들을 구현하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 프로세서(102)는 메모리(104) 내의 정보를 처리하여 제1 정보/신호를 생성한 뒤, 송수신기(106)를 통해 제1 정보/신호를 포함하는 무선 신호를 전송할 수 있다. 또한, 프로세서(102)는 송수신기(106)를 통해 제2 정보/신호를 포함하는 무선 신호를 수신한 뒤, 제2 정보/신호의 신호 처리로부터 얻은 정보를 메모리(104)에 저장할 수 있다. 메모리(104)는 프로세서(102)와 연결될 수 있고, 프로세서(102)의 동작과 관련한 다양한 정보를 저장할 수 있다. 예를 들어, 메모리(104)는 프로세서(102)에 의해 제어되는 프로세스들 중 일부 또는 전부를 수행하거나, 본 문서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도들을 수행하기 위한 명령들을 포함하는 소프트웨어 코드를 저장할 수 있다. 여기서, 프로세서(102)와 메모리(104)는 무선 통신 기술(예, LTE, NR)을 구현하도록 설계된 통신 모뎀/회로/칩의 일부일 수 있다. 송수신기(106)는 프로세서(102)와 연결될 수 있고, 하나 이상의 안테나(108)를 통해 무선 신호를 송신 및/또는 수신할 수 있다. 송수신기(106)는 송신기 및/또는 수신기를 포함할 수 있다. 송수신기(106)는 RF(Radio Frequency) 유닛과 혼용될 수 있다. 본 개시의 다양한 실시 예들에서 무선 기기는 통신 모뎀/회로/칩을 의미할 수도 있다.
제2 무선 기기(200)는 하나 이상의 프로세서(202), 하나 이상의 메모리(204)를 포함하며, 추가적으로 하나 이상의 송수신기(206) 및/또는 하나 이상의 안테나(208)를 더 포함할 수 있다. 프로세서(202)는 메모리(204) 및/또는 송수신기(206)를 제어하며, 본 문서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도들을 구현하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 프로세서(202)는 메모리(204) 내의 정보를 처리하여 제3 정보/신호를 생성한 뒤, 송수신기(206)를 통해 제3 정보/신호를 포함하는 무선 신호를 전송할 수 있다. 또한, 프로세서(202)는 송수신기(206)를 통해 제4 정보/신호를 포함하는 무선 신호를 수신한 뒤, 제4 정보/신호의 신호 처리로부터 얻은 정보를 메모리(204)에 저장할 수 있다. 메모리(204)는 프로세서(202)와 연결될 수 있고, 프로세서(202)의 동작과 관련한 다양한 정보를 저장할 수 있다. 예를 들어, 메모리(204)는 프로세서(202)에 의해 제어되는 프로세스들 중 일부 또는 전부를 수행하거나, 본 문서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도들을 수행하기 위한 명령들을 포함하는 소프트웨어 코드를 저장할 수 있다. 여기서, 프로세서(202)와 메모리(204)는 무선 통신 기술(예, LTE, NR)을 구현하도록 설계된 통신 모뎀/회로/칩의 일부일 수 있다. 송수신기(206)는 프로세서(202)와 연결될 수 있고, 하나 이상의 안테나(208)를 통해 무선 신호를 송신 및/또는 수신할 수 있다. 송수신기(206)는 송신기 및/또는 수신기를 포함할 수 있다 송수신기(206)는 RF 유닛과 혼용될 수 있다. 본 개시의 다양한 실시 예들에서 무선 기기는 통신 모뎀/회로/칩을 의미할 수도 있다.
이하, 무선 기기(100, 200)의 하드웨어 요소에 대해 보다 구체적으로 설명한다. 이로 제한되는 것은 아니지만, 하나 이상의 프로토콜 계층이 하나 이상의 프로세서(102, 202)에 의해 구현될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 프로세서(102, 202)는 하나 이상의 계층(예, PHY, MAC, RLC, PDCP, RRC, SDAP와 같은 기능적 계층)을 구현할 수 있다. 하나 이상의 프로세서(102, 202)는 본 문서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도들에 따라 하나 이상의 PDU(Protocol Data Unit) 및/또는 하나 이상의 SDU(Service Data Unit)를 생성할 수 있다. 하나 이상의 프로세서(102, 202)는 본 문서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도들에 따라 메시지, 제어정보, 데이터 또는 정보를 생성할 수 있다. 하나 이상의 프로세서(102, 202)는 본 문서에 개시된 기능, 절차, 제안 및/또는 방법에 따라 PDU, SDU, 메시지, 제어정보, 데이터 또는 정보를 포함하는 신호(예, 베이스밴드 신호)를 생성하여, 하나 이상의 송수신기(106, 206)에게 제공할 수 있다. 하나 이상의 프로세서(102, 202)는 하나 이상의 송수신기(106, 206)로부터 신호(예, 베이스밴드 신호)를 수신할 수 있고, 본 문서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도들에 따라 PDU, SDU, 메시지, 제어정보, 데이터 또는 정보를 획득할 수 있다.
하나 이상의 프로세서(102, 202)는 컨트롤러, 마이크로 컨트롤러, 마이크로 프로세서 또는 마이크로 컴퓨터로 지칭될 수 있다. 하나 이상의 프로세서(102, 202)는 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어, 또는 이들의 조합에 의해 구현될 수 있다. 일 예로, 하나 이상의 ASIC(Application Specific Integrated Circuit), 하나 이상의 DSP(Digital Signal Processor), 하나 이상의 DSPD(Digital Signal Processing Device), 하나 이상의 PLD(Programmable Logic Device) 또는 하나 이상의 FPGA(Field Programmable Gate Arrays)가 하나 이상의 프로세서(102, 202)에 포함될 수 있다. 본 문서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도들은 펌웨어 또는 소프트웨어를 사용하여 구현될 수 있고, 펌웨어 또는 소프트웨어는 모듈, 절차, 기능 등을 포함하도록 구현될 수 있다. 본 문서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도들은 수행하도록 설정된 펌웨어 또는 소프트웨어는 하나 이상의 프로세서(102, 202)에 포함되거나, 하나 이상의 메모리(104, 204)에 저장되어 하나 이상의 프로세서(102, 202)에 의해 구동될 수 있다. 본 문서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도들은 코드, 명령어 및/또는 명령어의 집합 형태로 펌웨어 또는 소프트웨어를 사용하여 구현될 수 있다.
하나 이상의 메모리(104, 204)는 하나 이상의 프로세서(102, 202)와 연결될 수 있고, 다양한 형태의 데이터, 신호, 메시지, 정보, 프로그램, 코드, 지시 및/또는 명령을 저장할 수 있다. 하나 이상의 메모리(104, 204)는 ROM, RAM, EPROM, 플래시 메모리, 하드 드라이브, 레지스터, 캐쉬 메모리, 컴퓨터 판독 저장 매체 및/또는 이들의 조합으로 구성될 수 있다. 하나 이상의 메모리(104, 204)는 하나 이상의 프로세서(102, 202)의 내부 및/또는 외부에 위치할 수 있다. 또한, 하나 이상의 메모리(104, 204)는 유선 또는 무선 연결과 같은 다양한 기술을 통해 하나 이상의 프로세서(102, 202)와 연결될 수 있다.
하나 이상의 송수신기(106, 206)는 하나 이상의 다른 장치에게 본 문서의 방법들 및/또는 동작 순서도 등에서 언급되는 사용자 데이터, 제어 정보, 무선 신호/채널 등을 전송할 수 있다. 하나 이상의 송수신기(106, 206)는 하나 이상의 다른 장치로부터 본 문서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도 등에서 언급되는 사용자 데이터, 제어 정보, 무선 신호/채널 등을 수신할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 송수신기(106, 206)는 하나 이상의 프로세서(102, 202)와 연결될 수 있고, 무선 신호를 송수신할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 프로세서(102, 202)는 하나 이상의 송수신기(106, 206)가 하나 이상의 다른 장치에게 사용자 데이터, 제어 정보 또는 무선 신호를 전송하도록 제어할 수 있다. 또한, 하나 이상의 프로세서(102, 202)는 하나 이상의 송수신기(106, 206)가 하나 이상의 다른 장치로부터 사용자 데이터, 제어 정보 또는 무선 신호를 수신하도록 제어할 수 있다. 또한, 하나 이상의 송수신기(106, 206)는 하나 이상의 안테나(108, 208)와 연결될 수 있고, 하나 이상의 송수신기(106, 206)는 하나 이상의 안테나(108, 208)를 통해 본 문서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도 등에서 언급되는 사용자 데이터, 제어 정보, 무선 신호/채널 등을 송수신하도록 설정될 수 있다. 본 문서에서, 하나 이상의 안테나는 복수의 물리 안테나이거나, 복수의 논리 안테나(예, 안테나 포트)일 수 있다. 하나 이상의 송수신기(106, 206)는 수신된 사용자 데이터, 제어 정보, 무선 신호/채널 등을 하나 이상의 프로세서(102, 202)를 이용하여 처리하기 위해, 수신된 무선 신호/채널 등을 RF 밴드 신호에서 베이스밴드 신호로 변환(Convert)할 수 있다. 하나 이상의 송수신기(106, 206)는 하나 이상의 프로세서(102, 202)를 이용하여 처리된 사용자 데이터, 제어 정보, 무선 신호/채널 등을 베이스밴드 신호에서 RF 밴드 신호로 변환할 수 있다. 이를 위하여, 하나 이상의 송수신기(106, 206)는 (아날로그) 오실레이터 및/또는 필터를 포함할 수 있다.
도 30은 본 개시의 다양한 실시 예들에 적용될 수 있는 무선 기기의 다른 예를 도시한다.
도 30에 따르면, 무선 장치는 적어도 하나의 프로세서(102, 202), 적어도 하나의 메모리(104, 204), 적어도 하나의 트랜시버(106, 206), 하나 이상의 안테나(108, 208)를 포함할 수 있다.
앞서 도 29에서 설명한 무선 장치의 예시와, 도 30에서의 무선 장치의 예시의 차이로써, 도 29는 프로세서(102, 202)와 메모리(104, 204)가 분리되어 있으나, 도 30의 예시에서는 프로세서(102, 202)에 메모리(104, 204)가 포함되어 있다는 점이다.
여기서, 프로세서(102, 202), 메모리(104, 204), 트랜시버(106, 206), 하나 이상의 안테나(108, 208)에 대한 구체적인 설명은 앞서 설명한 바와 같기에, 불필요한 기재의 반복을 피하기 위해, 반복되는 설명의 기재는 생략하도록 한다.
이하에서는, 본 개시의 다양한 실시 예들이 적용되는 신호 처리 회로의 예를 설명한다.
도 31는 전송 신호를 위한 신호 처리 회로를 예시한다.
도 31를 참조하면, 신호 처리 회로(1000)는 스크램블러(1010), 변조기(1020), 레이어 매퍼(1030), 프리코더(1040), 자원 매퍼(1050), 신호 생성기(1060)를 포함할 수 있다. 이로 제한되는 것은 아니지만, 도 31의 동작/기능은 도 29의 프로세서(102, 202) 및/또는 송수신기(106, 206)에서 수행될 수 있다. 도 31의 하드웨어 요소는 도 29의 프로세서(102, 202) 및/또는 송수신기(106, 206)에서 구현될 수 있다. 예를 들어, 블록 1010~1060은 도 29의 프로세서(102, 202)에서 구현될 수 있다. 또한, 블록 1010~1050은 도 29의 프로세서(102, 202)에서 구현되고, 블록 1060은 도 29의 송수신기(106, 206)에서 구현될 수 있다.
코드워드는 도 31의 신호 처리 회로(1000)를 거쳐 무선 신호로 변환될 수 있다. 여기서, 코드워드는 정보블록의 부호화된 비트 시퀀스이다. 정보블록은 전송블록(예, UL-SCH 전송블록, DL-SCH 전송블록)을 포함할 수 있다. 무선 신호는 다양한 물리 채널(예, PUSCH, PDSCH)을 통해 전송될 수 있다.
구체적으로, 코드워드는 스크램블러(1010)에 의해 스크램블된 비트 시퀀스로 변환될 수 있다. 스크램블에 사용되는 스크램블 시퀀스는 초기화 값에 기반하여 생성되며, 초기화 값은 무선 기기의 ID 정보 등이 포함될 수 있다. 스크램블된 비트 시퀀스는 변조기(1020)에 의해 변조 심볼 시퀀스로 변조될 수 있다. 변조 방식은 pi/2-BPSK(pi/2-Binary Phase Shift Keying), m-PSK(m-Phase Shift Keying), m-QAM(m-Quadrature Amplitude Modulation) 등을 포함할 수 있다. 복소 변조 심볼 시퀀스는 레이어 매퍼(1030)에 의해 하나 이상의 전송 레이어로 매핑될 수 있다. 각 전송 레이어의 변조 심볼들은 프리코더(1040)에 의해 해당 안테나 포트(들)로 매핑될 수 있다(프리코딩). 프리코더(1040)의 출력 z는 레이어 매퍼(1030)의 출력 y를 N*M의 프리코딩 행렬 W와 곱해 얻을 수 있다. 여기서, N은 안테나 포트의 개수, M은 전송 레이어의 개수이다. 여기서, 프리코더(1040)는 복소 변조 심볼들에 대한 트랜스폼(transform) 프리코딩(예, DFT 변환)을 수행한 이후에 프리코딩을 수행할 수 있다. 또한, 프리코더(1040)는 트랜스폼 프리코딩을 수행하지 않고 프리코딩을 수행할 수 있다.
자원 매퍼(1050)는 각 안테나 포트의 변조 심볼들을 시간-주파수 자원에 매핑할 수 있다. 시간-주파수 자원은 시간 도메인에서 복수의 심볼(예, CP-OFDMA 심볼, DFT-s-OFDMA 심볼)을 포함하고, 주파수 도메인에서 복수의 부반송파를 포함할 수 있다. 신호 생성기(1060)는 매핑된 변조 심볼들로부터 무선 신호를 생성하며, 생성된 무선 신호는 각 안테나를 통해 다른 기기로 전송될 수 있다. 이를 위해, 신호 생성기(1060)는 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform) 모듈 및 CP(Cyclic Prefix) 삽입기, DAC(Digital-to-Analog Converter), 주파수 상향 변환기(frequency uplink converter) 등을 포함할 수 있다.
무선 기기에서 수신 신호를 위한 신호 처리 과정은 도 31의 신호 처리 과정(1010~1060)의 역으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 무선 기기(예, 도 29의 100, 200)는 안테나 포트/송수신기를 통해 외부로부터 무선 신호를 수신할 수 있다. 수신된 무선 신호는 신호 복원기를 통해 베이스밴드 신호로 변환될 수 있다. 이를 위해, 신호 복원기는 주파수 하향 변환기(frequency downlink converter), ADC(analog-to-digital converter), CP 제거기, FFT(Fast Fourier Transform) 모듈을 포함할 수 있다. 이후, 베이스밴드 신호는 자원 디-매퍼 과정, 포스트코딩(postcoding) 과정, 복조 과정 및 디-스크램블 과정을 거쳐 코드워드로 복원될 수 있다. 코드워드는 복호(decoding)를 거쳐 원래의 정보블록으로 복원될 수 있다. 따라서, 수신 신호를 위한 신호 처리 회로(미도시)는 신호 복원기, 자원 디-매퍼, 포스트코더, 복조기, 디-스크램블러 및 복호기를 포함할 수 있다.
이하에서는, 본 개시의 다양한 실시 예들이 적용되는 무선 기기 활용 예에 대해 설명한다.
도 32은 본 개시의 다양한 실시 예들에 적용되는 무선 기기의 다른 예를 나타낸다. 무선 기기는 사용-예/서비스에 따라 다양한 형태로 구현될 수 있다(도 28 참조).
도 32을 참조하면, 무선 기기(100, 200)는 도 29의 무선 기기(100,200)에 대응하며, 다양한 요소(element), 성분(component), 유닛/부(unit), 및/또는 모듈(module)로 구성될 수 있다. 예를 들어, 무선 기기(100, 200)는 통신부(110), 제어부(120), 메모리부(130) 및 추가 요소(140)를 포함할 수 있다. 통신부는 통신 회로(112) 및 송수신기(들)(114)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 통신 회로(112)는 도 29의 하나 이상의 프로세서(102,202) 및/또는 하나 이상의 메모리(104,204) 를 포함할 수 있다. 예를 들어, 송수신기(들)(114)는 도 29의 하나 이상의 송수신기(106,206) 및/또는 하나 이상의 안테나(108,208)를 포함할 수 있다. 제어부(120)는 통신부(110), 메모리부(130) 및 추가 요소(140)와 전기적으로 연결되며 무선 기기의 제반 동작을 제어한다. 예를 들어, 제어부(120)는 메모리부(130)에 저장된 프로그램/코드/명령/정보에 기반하여 무선 기기의 전기적/기계적 동작을 제어할 수 있다. 또한, 제어부(120)는 메모리부(130)에 저장된 정보를 통신부(110)를 통해 외부(예, 다른 통신 기기)로 무선/유선 인터페이스를 통해 전송하거나, 통신부(110)를 통해 외부(예, 다른 통신 기기)로부터 무선/유선 인터페이스를 통해 수신된 정보를 메모리부(130)에 저장할 수 있다.
추가 요소(140)는 무선 기기의 종류에 따라 다양하게 구성될 수 있다. 예를 들어, 추가 요소(140)는 파워 유닛/배터리, 입출력부(I/O unit), 구동부 및 컴퓨팅부 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이로 제한되는 것은 아니지만, 무선 기기는 로봇(도 28, 100a), 차량(도 28, 100b-1, 100b-2), XR 기기(도 28, 100c), 휴대 기기(도 28, 100d), 가전(도 28, 100e), IoT 기기(도 28, 100f), 디지털 방송용 단말, 홀로그램 장치, 공공 안전 장치, MTC 장치, 의료 장치, 핀테크 장치(또는 금융 장치), 보안 장치, 기후/환경 장치, AI 서버/기기(도 28, 400), 기지국(도 28, 200), 네트워크 노드 등의 형태로 구현될 수 있다. 무선 기기는 사용-예/서비스에 따라 이동 가능하거나 고정된 장소에서 사용될 수 있다.
도 32에서 무선 기기(100, 200) 내의 다양한 요소, 성분, 유닛/부, 및/또는 모듈은 전체가 유선 인터페이스를 통해 상호 연결되거나, 적어도 일부가 통신부(110)를 통해 무선으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 무선 기기(100, 200) 내에서 제어부(120)와 통신부(110)는 유선으로 연결되며, 제어부(120)와 제1 유닛(예, 130, 140)은 통신부(110)를 통해 무선으로 연결될 수 있다. 또한, 무선 기기(100, 200) 내의 각 요소, 성분, 유닛/부, 및/또는 모듈은 하나 이상의 요소를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어부(120)는 하나 이상의 프로세서 집합으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어부(120)는 통신 제어 프로세서, 어플리케이션 프로세서(Application processor), ECU(Electronic Control Unit), 그래픽 처리 프로세서, 메모리 제어 프로세서 등의 집합으로 구성될 수 있다. 다른 예로, 메모리부(130)는 RAM(Random Access Memory), DRAM(Dynamic RAM), ROM(Read Only Memory), 플래시 메모리(flash memory), 휘발성 메모리(volatile memory), 비-휘발성 메모리(non-volatile memory) 및/또는 이들의 조합으로 구성될 수 있다.
이하, 도 32의 구현 예에 대해 도면을 참조하여 보다 자세히 설명한다.
도 33는 본 개시의 다양한 실시 예들에 적용되는 휴대 기기를 예시한다. 휴대 기기는 스마트폰, 스마트패드, 웨어러블 기기(예, 스마트워치, 스마트글래스), 휴대용 컴퓨터(예, 노트북 등)를 포함할 수 있다. 휴대 기기는 MS(Mobile Station), UT(user terminal), MSS(Mobile Subscriber Station), SS(Subscriber Station), AMS(Advanced Mobile Station) 또는 WT(Wireless terminal)로 지칭될 수 있다.
도 33를 참조하면, 휴대 기기(100)는 안테나부(108), 통신부(110), 제어부(120), 메모리부(130), 전원공급부(140a), 인터페이스부(140b) 및 입출력부(140c)를 포함할 수 있다. 안테나부(108)는 통신부(110)의 일부로 구성될 수 있다. 블록 110~130/140a~140c는 각각 도 32의 블록 110~130/140에 대응한다.
통신부(110)는 다른 무선 기기, 기지국들과 신호(예, 데이터, 제어 신호 등)를 송수신할 수 있다. 제어부(120)는 휴대 기기(100)의 구성 요소들을 제어하여 다양한 동작을 수행할 수 있다. 제어부(120)는 AP(Application Processor)를 포함할 수 있다. 메모리부(130)는 휴대 기기(100)의 구동에 필요한 데이터/파라미터/프로그램/코드/명령을 저장할 수 있다. 또한, 메모리부(130)는 입/출력되는 데이터/정보 등을 저장할 수 있다. 전원공급부(140a)는 휴대 기기(100)에게 전원을 공급하며, 유/무선 충전 회로, 배터리 등을 포함할 수 있다. 인터페이스부(140b)는 휴대 기기(100)와 다른 외부 기기의 연결을 지원할 수 있다. 인터페이스부(140b)는 외부 기기와의 연결을 위한 다양한 포트(예, 오디오 입/출력 포트, 비디오 입/출력 포트)를 포함할 수 있다. 입출력부(140c)는 영상 정보/신호, 오디오 정보/신호, 데이터, 및/또는 사용자로부터 입력되는 정보를 입력 받거나 출력할 수 있다. 입출력부(140c)는 카메라, 마이크로폰, 사용자 입력부, 디스플레이부(140d), 스피커 및/또는 햅틱 모듈 등을 포함할 수 있다.
일 예로, 데이터 통신의 경우, 입출력부(140c)는 사용자로부터 입력된 정보/신호(예, 터치, 문자, 음성, 이미지, 비디오)를 획득하며, 획득된 정보/신호는 메모리부(130)에 저장될 수 있다. 통신부(110)는 메모리에 저장된 정보/신호를 무선 신호로 변환하고, 변환된 무선 신호를 다른 무선 기기에게 직접 전송하거나 기지국에게 전송할 수 있다. 또한, 통신부(110)는 다른 무선 기기 또는 기지국으로부터 무선 신호를 수신한 뒤, 수신된 무선 신호를 원래의 정보/신호로 복원할 수 있다. 복원된 정보/신호는 메모리부(130)에 저장된 뒤, 입출력부(140c)를 통해 다양한 형태(예, 문자, 음성, 이미지, 비디오, 헵틱)로 출력될 수 있다.
도 34는 본 개시의 다양한 실시 예들에 적용되는 차량 또는 자율 주행 차량을 예시한다.
차량 또는 자율 주행 차량은 이동형 로봇, 차량, 기차, 유/무인 비행체(Aerial Vehicle, AV), 선박 등으로 구현될 수 있다.
도 34를 참조하면, 차량 또는 자율 주행 차량(100)은 안테나부(108), 통신부(110), 제어부(120), 구동부(140a), 전원공급부(140b), 센서부(140c) 및 자율 주행부(140d)를 포함할 수 있다. 안테나부(108)는 통신부(110)의 일부로 구성될 수 있다. 블록 110/130/140a~140d는 각각 도 32의 블록 110/130/140에 대응한다.
통신부(110)는 다른 차량, 기지국(e.g. 기지국, 노변 기지국(Road Side unit) 등), 서버 등의 외부 기기들과 신호(예, 데이터, 제어 신호 등)를 송수신할 수 있다. 제어부(120)는 차량 또는 자율 주행 차량(100)의 요소들을 제어하여 다양한 동작을 수행할 수 있다. 제어부(120)는 ECU(Electronic Control Unit)를 포함할 수 있다. 구동부(140a)는 차량 또는 자율 주행 차량(100)을 지상에서 주행하게 할 수 있다. 구동부(140a)는 엔진, 모터, 파워 트레인, 바퀴, 브레이크, 조향 장치 등을 포함할 수 있다. 전원공급부(140b)는 차량 또는 자율 주행 차량(100)에게 전원을 공급하며, 유/무선 충전 회로, 배터리 등을 포함할 수 있다. 센서부(140c)는 차량 상태, 주변 환경 정보, 사용자 정보 등을 얻을 수 있다. 센서부(140c)는 IMU(inertial measurement unit) 센서, 충돌 센서, 휠 센서(wheel sensor), 속도 센서, 경사 센서, 중량 감지 센서, 헤딩 센서(heading sensor), 포지션 모듈(position module), 차량 전진/후진 센서, 배터리 센서, 연료 센서, 타이어 센서, 스티어링 센서, 온도 센서, 습도 센서, 초음파 센서, 조도 센서, 페달 포지션 센서 등을 포함할 수 있다. 자율 주행부(140d)는 주행중인 차선을 유지하는 기술, 어댑티브 크루즈 컨트롤과 같이 속도를 자동으로 조절하는 기술, 정해진 경로를 따라 자동으로 주행하는 기술, 목적지가 설정되면 자동으로 경로를 설정하여 주행하는 기술 등을 구현할 수 있다.
일 예로, 통신부(110)는 외부 서버로부터 지도 데이터, 교통 정보 데이터 등을 수신할 수 있다. 자율 주행부(140d)는 획득된 데이터를 기반으로 자율 주행 경로와 드라이빙 플랜을 생성할 수 있다. 제어부(120)는 드라이빙 플랜에 따라 차량 또는 자율 주행 차량(100)이 자율 주행 경로를 따라 이동하도록 구동부(140a)를 제어할 수 있다(예, 속도/방향 조절). 자율 주행 도중에 통신부(110)는 외부 서버로부터 최신 교통 정보 데이터를 비/주기적으로 획득하며, 주변 차량으로부터 주변 교통 정보 데이터를 획득할 수 있다. 또한, 자율 주행 도중에 센서부(140c)는 차량 상태, 주변 환경 정보를 획득할 수 있다. 자율 주행부(140d)는 새로 획득된 데이터/정보에 기반하여 자율 주행 경로와 드라이빙 플랜을 갱신할 수 있다. 통신부(110)는 차량 위치, 자율 주행 경로, 드라이빙 플랜 등에 관한 정보를 외부 서버로 전달할 수 있다. 외부 서버는 차량 또는 자율 주행 차량들로부터 수집된 정보에 기반하여, AI 기술 등을 이용하여 교통 정보 데이터를 미리 예측할 수 있고, 예측된 교통 정보 데이터를 차량 또는 자율 주행 차량들에게 제공할 수 있다.
도 35은 본 개시의 다양한 실시 예들에 적용되는 차량을 예시한다. 차량은 운송수단, 기차, 비행체, 선박 등으로도 구현될 수 있다.
도 35을 참조하면, 차량(100)은 통신부(110), 제어부(120), 메모리부(130), 입출력부(140a) 및 위치 측정부(140b)를 포함할 수 있다. 여기서, 블록 110~130/140a~140b는 각각 도 32의 블록 110~130/140에 대응한다.
통신부(110)는 다른 차량, 또는 기지국 등의 외부 기기들과 신호(예, 데이터, 제어 신호 등)를 송수신할 수 있다. 제어부(120)는 차량(100)의 구성 요소들을 제어하여 다양한 동작을 수행할 수 있다. 메모리부(130)는 차량(100)의 다양한 기능을 지원하는 데이터/파라미터/프로그램/코드/명령을 저장할 수 있다. 입출력부(140a)는 메모리부(130) 내의 정보에 기반하여 AR/VR 오브젝트를 출력할 수 있다. 입출력부(140a)는 HUD를 포함할 수 있다. 위치 측정부(140b)는 차량(100)의 위치 정보를 획득할 수 있다. 위치 정보는 차량(100)의 절대 위치 정보, 주행선 내에서의 위치 정보, 가속도 정보, 주변 차량과의 위치 정보 등을 포함할 수 있다. 위치 측정부(140b)는 GPS 및 다양한 센서들을 포함할 수 있다.
일 예로, 차량(100)의 통신부(110)는 외부 서버로부터 지도 정보, 교통 정보 등을 수신하여 메모리부(130)에 저장할 수 있다. 위치 측정부(140b)는 GPS 및 다양한 센서를 통하여 차량 위치 정보를 획득하여 메모리부(130)에 저장할 수 있다. 제어부(120)는 지도 정보, 교통 정보 및 차량 위치 정보 등에 기반하여 가상 오브젝트를 생성하고, 입출력부(140a)는 생성된 가상 오브젝트를 차량 내 유리창에 표시할 수 있다(1410, 1420). 또한, 제어부(120)는 차량 위치 정보에 기반하여 차량(100)이 주행선 내에서 정상적으로 운행되고 있는지 판단할 수 있다. 차량(100)이 주행선을 비정상적으로 벗어나는 경우, 제어부(120)는 입출력부(140a)를 통해 차량 내 유리창에 경고를 표시할 수 있다. 또한, 제어부(120)는 통신부(110)를 통해 주변 차량들에게 주행 이상에 관한 경고 메세지를 방송할 수 있다. 상황에 따라, 제어부(120)는 통신부(110)를 통해 관계 기관에게 차량의 위치 정보와, 주행/차량 이상에 관한 정보를 전송할 수 있다.
도 36은 본 개시의 다양한 실시 예들에 적용되는 XR 기기를 예시한다. XR 기기는 HMD, 차량에 구비된 HUD(Head-Up Display), 텔레비전, 스마트폰, 컴퓨터, 웨어러블 디바이스, 가전 기기, 디지털 사이니지(signage), 차량, 로봇 등으로 구현될 수 있다.
도 36을 참조하면, XR 기기(100a)는 통신부(110), 제어부(120), 메모리부(130), 입출력부(140a), 센서부(140b) 및 전원공급부(140c)를 포함할 수 있다. 여기서, 블록 110~130/140a~140c은 각각 도 32의 블록 110~130/140에 대응한다.
통신부(110)는 다른 무선 기기, 휴대 기기, 또는 미디어 서버 등의 외부 기기들과 신호(예, 미디어 데이터, 제어 신호 등)를 송수신할 수 있다. 미디어 데이터는 영상, 이미지, 소리 등을 포함할 수 있다. 제어부(120)는 XR 기기(100a)의 구성 요소들을 제어하여 다양한 동작을 수행할 수 있다. 예를 들어, 제어부(120)는 비디오/이미지 획득, (비디오/이미지) 인코딩, 메타데이터 생성 및 처리 등의 절차를 제어 및/또는 수행하도록 구성될 수 있다. 메모리부(130)는 XR 기기(100a)의 구동/XR 오브젝트의 생성에 필요한 데이터/파라미터/프로그램/코드/명령을 저장할 수 있다. 입출력부(140a)는 외부로부터 제어 정보, 데이터 등을 획득하며, 생성된 XR 오브젝트를 출력할 수 있다. 입출력부(140a)는 카메라, 마이크로폰, 사용자 입력부, 디스플레이부, 스피커 및/또는 햅틱 모듈 등을 포함할 수 있다. 센서부(140b)는 XR 기기 상태, 주변 환경 정보, 사용자 정보 등을 얻을 수 있다. 센서부(140b)는 근접 센서, 조도 센서, 가속도 센서, 자기 센서, 자이로 센서, 관성 센서, RGB 센서, IR 센서, 지문 인식 센서, 초음파 센서, 광 센서, 마이크로폰 및/또는 레이더 등을 포함할 수 있다. 전원공급부(140c)는 XR 기기(100a)에게 전원을 공급하며, 유/무선 충전 회로, 배터리 등을 포함할 수 있다.
일 예로, XR 기기(100a)의 메모리부(130)는 XR 오브젝트(예, AR/VR/MR 오브젝트)의 생성에 필요한 정보(예, 데이터 등)를 포함할 수 있다. 입출력부(140a)는 사용자로부터 XR 기기(100a)를 조작하는 명령을 회득할 수 있으며, 제어부(120)는 사용자의 구동 명령에 따라 XR 기기(100a)를 구동시킬 수 있다. 예를 들어, 사용자가 XR 기기(100a)를 통해 영화, 뉴스 등을 시청하려고 하는 경우, 제어부(120)는 통신부(130)를 통해 컨텐츠 요청 정보를 다른 기기(예, 휴대 기기(100b)) 또는 미디어 서버에 전송할 수 있다. 통신부(130)는 다른 기기(예, 휴대 기기(100b)) 또는 미디어 서버로부터 영화, 뉴스 등의 컨텐츠를 메모리부(130)로 다운로드/스트리밍 받을 수 있다. 제어부(120)는 컨텐츠에 대해 비디오/이미지 획득, (비디오/이미지) 인코딩, 메타데이터 생성/처리 등의 절차를 제어 및/또는 수행하며, 입출력부(140a)/센서부(140b)를 통해 획득한 주변 공간 또는 현실 오브젝트에 대한 정보에 기반하여 XR 오브젝트를 생성/출력할 수 있다.
또한, XR 기기(100a)는 통신부(110)를 통해 휴대 기기(100b)와 무선으로 연결되며, XR 기기(100a)의 동작은 휴대 기기(100b)에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 휴대 기기(100b)는 XR 기기(100a)에 대한 콘트롤러로 동작할 수 있다. 이를 위해, XR 기기(100a)는 휴대 기기(100b)의 3차원 위치 정보를 획득한 뒤, 휴대 기기(100b)에 대응하는 XR 개체를 생성하여 출력할 수 있다.
도 37은 본 개시의 다양한 실시 예들에 적용되는 로봇을 예시한다. 로봇은 사용 목적이나 분야에 따라 산업용, 의료용, 가정용, 군사용 등으로 분류될 수 있다.
도 37을 참조하면, 로봇(100)은 통신부(110), 제어부(120), 메모리부(130), 입출력부(140a), 센서부(140b) 및 구동부(140c)를 포함할 수 있다. 여기서, 블록 110~130/140a~140c은 각각 도 32의 블록 110~130/140에 대응한다.
통신부(110)는 다른 무선 기기, 다른 로봇, 또는 제어 서버 등의 외부 기기들과 신호(예, 구동 정보, 제어 신호 등)를 송수신할 수 있다. 제어부(120)는 로봇(100)의 구성 요소들을 제어하여 다양한 동작을 수행할 수 있다. 메모리부(130)는 로봇(100)의 다양한 기능을 지원하는 데이터/파라미터/프로그램/코드/명령을 저장할 수 있다. 입출력부(140a)는 로봇(100)의 외부로부터 정보를 획득하며, 로봇(100)의 외부로 정보를 출력할 수 있다. 입출력부(140a)는 카메라, 마이크로폰, 사용자 입력부, 디스플레이부, 스피커 및/또는 햅틱 모듈 등을 포함할 수 있다. 센서부(140b)는 로봇(100)의 내부 정보, 주변 환경 정보, 사용자 정보 등을 얻을 수 있다. 센서부(140b)는 근접 센서, 조도 센서, 가속도 센서, 자기 센서, 자이로 센서, 관성 센서, IR 센서, 지문 인식 센서, 초음파 센서, 광 센서, 마이크로폰, 레이더 등을 포함할 수 있다. 구동부(140c)는 로봇 관절을 움직이는 등의 다양한 물리적 동작을 수행할 수 있다. 또한, 구동부(140c)는 로봇(100)을 지상에서 주행하거나 공중에서 비행하게 할 수 있다. 구동부(140c)는 액츄에이터, 모터, 바퀴, 브레이크, 프로펠러 등을 포함할 수 있다.
도 38는 본 개시의 다양한 실시 예들에 적용되는 AI 기기를 예시한다.
AI 기기는 TV, 프로젝터, 스마트폰, PC, 노트북, 디지털방송용 단말기, 태블릿 PC, 웨어러블 장치, 셋톱박스(STB), 라디오, 세탁기, 냉장고, 디지털 사이니지, 로봇, 차량 등과 같은, 고정형 기기 또는 이동 가능한 기기 등으로 구현될 수 있다.
도 38를 참조하면, AI 기기(100)는 통신부(110), 제어부(120), 메모리부(130), 입/출력부(140a/140b), 러닝 프로세서부(140c) 및 센서부(140d)를 포함할 수 있다. 블록 110~130/140a~140d는 각각 도 32의 블록 110~130/140에 대응한다.
통신부(110)는 유무선 통신 기술을 이용하여 다른 AI 기기(예, 도 W1, 100x, 200, 400)나 AI 서버(200) 등의 외부 기기들과 유무선 신호(예, 센서 정보, 사용자 입력, 학습 모델, 제어 신호 등)를 송수신할 수 있다. 이를 위해, 통신부(110)는 메모리부(130) 내의 정보를 외부 기기로 전송하거나, 외부 기기로부터 수신된 신호를 메모리부(130)로 전달할 수 있다.
제어부(120)는 데이터 분석 알고리즘 또는 머신 러닝 알고리즘을 사용하여 결정되거나 생성된 정보에 기초하여, AI 기기(100)의 적어도 하나의 실행 가능한 동작을 결정할 수 있다. 그리고, 제어부(120)는 AI 기기(100)의 구성 요소들을 제어하여 결정된 동작을 수행할 수 있다. 예를 들어, 제어부(120)는 러닝 프로세서부(140c) 또는 메모리부(130)의 데이터를 요청, 검색, 수신 또는 활용할 수 있고, 적어도 하나의 실행 가능한 동작 중 예측되는 동작이나, 바람직한 것으로 판단되는 동작을 실행하도록 AI 기기(100)의 구성 요소들을 제어할 수 있다. 또한, 제어부(120)는 AI 장치(100)의 동작 내용이나 동작에 대한 사용자의 피드백 등을 포함하는 이력 정보를 수집하여 메모리부(130) 또는 러닝 프로세서부(140c)에 저장하거나, AI 서버(도 W1, 400) 등의 외부 장치에 전송할 수 있다. 수집된 이력 정보는 학습 모델을 갱신하는데 이용될 수 있다.
메모리부(130)는 AI 기기(100)의 다양한 기능을 지원하는 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들어, 메모리부(130)는 입력부(140a)로부터 얻은 데이터, 통신부(110)로부터 얻은 데이터, 러닝 프로세서부(140c)의 출력 데이터, 및 센싱부(140)로부터 얻은 데이터를 저장할 수 있다. 또한, 메모리부(130)는 제어부(120)의 동작/실행에 필요한 제어 정보 및/또는 소프트웨어 코드를 저장할 수 있다.
입력부(140a)는 AI 기기(100)의 외부로부터 다양한 종류의 데이터를 획득할 수 있다. 예를 들어, 입력부(120)는 모델 학습을 위한 학습 데이터, 및 학습 모델이 적용될 입력 데이터 등을 획득할 수 있다. 입력부(140a)는 카메라, 마이크로폰 및/또는 사용자 입력부 등을 포함할 수 있다. 출력부(140b)는 시각, 청각 또는 촉각 등과 관련된 출력을 발생시킬 수 있다. 출력부(140b)는 디스플레이부, 스피커 및/또는 햅틱 모듈 등을 포함할 수 있다. 센싱부(140)는 다양한 센서들을 이용하여 AI 기기(100)의 내부 정보, AI 기기(100)의 주변 환경 정보 및 사용자 정보 중 적어도 하나를 얻을 수 있다. 센싱부(140)는 근접 센서, 조도 센서, 가속도 센서, 자기 센서, 자이로 센서, 관성 센서, RGB 센서, IR 센서, 지문 인식 센서, 초음파 센서, 광 센서, 마이크로폰 및/또는 레이더 등을 포함할 수 있다.
러닝 프로세서부(140c)는 학습 데이터를 이용하여 인공 신경망으로 구성된 모델을 학습시킬 수 있다. 러닝 프로세서부(140c)는 AI 서버(도 W1, 400)의 러닝 프로세서부와 함께 AI 프로세싱을 수행할 수 있다. 러닝 프로세서부(140c)는 통신부(110)를 통해 외부 기기로부터 수신된 정보, 및/또는 메모리부(130)에 저장된 정보를 처리할 수 있다. 또한, 러닝 프로세서부(140c)의 출력 값은 통신부(110)를 통해 외부 기기로 전송되거나/되고, 메모리부(130)에 저장될 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 기재된 청구항들은 다양한 방식으로 조합될 수 있다. 예를 들어, 본 개시의 다양한 실시 예들의 방법 청구항의 기술적 특징이 조합되어 장치로 구현될 수 있고, 본 개시의 다양한 실시 예들의 장치 청구항의 기술적 특징이 조합되어 방법으로 구현될 수 있다. 또한, 본 개시의 다양한 실시 예들의 방법 청구항의 기술적 특징과 장치 청구항의 기술적 특징이 조합되어 장치로 구현될 수 있고, 본 개시의 다양한 실시 예들의 방법 청구항의 기술적 특징과 장치 청구항의 기술적 특징이 조합되어 방법으로 구현될 수 있다.

Claims (15)

  1. 양자 통신 시스템에서 제1 노드의 동작 방법에 있어서,
    제1 퀀텀 채널 (quantum channel)을 통하여 제2 노드로부터 체킹 시퀀스(checking sequence)를 수신하고, 상기 체킹 시퀀스는 메시지 코딩 시퀀스(message coding sequence)와 함께 얽힘 광자 쌍들(Einstein?Podolsky?Rosen pairs, EPR-pairs)을 구성하는 단계;
    상기 체킹 시퀀스를 양자 메모리에 저장하지 않고, 상기 체킹 시퀀스 중 무작위로 선정된 제1 위치에 해당하는 부분에 대하여 제1 기저(basis) 정보에 기반하여 단광자 측정(single photon detection)을 수행함으로써 제1 측정 값을 결정하는 단계;
    상기 제1 위치, 상기 제1 기저 정보, 상기 제1 측정 값의 정보를 일반 메모리에 저장하는 단계;
    상기 제2 노드에게 제1 고전 채널(classical channel)을 통해 상기 제1 위치, 상기 제1 기저 정보, 상기 제1 측정 값의 정보를 전송하는 단계;
    제2 퀀텀 채널을 통하여 1 비트의 고전 메시지 정보(classical message information)가 인코딩 된 메시지 코딩 시퀀스를 수신하는 단계;
    상기 메시지 코딩 시퀀스 중 상기 제1 위치에 해당하는 부분에 대하여 상기 제1 기저 정보에 기반하여 단광자 측정을 수행함으로써 제2 측정 값을 결정하는 단계; 및
    상기 일반 메모리에 저장된 상기 제1 측정 값과 상기 제2 측정 값의 일치 여부에 기반하여 상기 고전 정보를 검출하는 단계를 포함하는,
    방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 메시지 코딩 시퀀스는,
    상기 제1 측정 값에 대한 제1 QBER(quantum bit error rate)로부터 상기 체킹 시퀀스에 대한 안전성(safety)이 확인됨에 기반하여 수신되는,
    방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 측정 값 및 상기 제2 측정 값에 기반하여 제2 QBER(quantum bit error rate)를 결정하는 단계;
    상기 제2 QBER에 기반하여, 오류 정정(error correction)을 통해 상기 고전 메시지 정보에 대한 복원을 수행하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 고전 메시지 정보는,
    상기 메시지 코딩 시퀀스의 편광 상태가 유니터리 동작(unitary operation)을 통해 변환하는지 여부에 기반하여 인코딩 된,
    방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 얽힘 양자쌍을 구성하는 상기 체킹 시퀀스 및 상기 메시지 코딩 시퀀스는 상기 제2 장치에 의하여 생성되며,
    상기 체킹 시퀀스는 상기 제2 장치에 의하여 생성된 후 변환 없이 상기 제1 장치에 의하여 수신되는,
    방법.
  6. 제3 항에 있어서,
    상기 고전 메시지 정보는 상기 고전 메시지 정보 중 무작위의 위치에 랜덤 고전 이진 정보가 섞인 후 상기 메시지 코딩 시퀀스에 인코딩 되며,
    상기 제2 장치로부터 제2 고전 채널을 통해 상기 랜덤 고전 이진 정보의 정보 및 상기 무작위의 위치의 정보를 수신하는 단계를 더 포함하고,
    상기 제2 QBER은 상기 랜덤 고전 이진 정보의 정보 및 상기 무작위의 위치의 정보에 더 기반하여 측정되는,
    방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 일반 메모리는 이진 상태의 정보를 저장하도록 구성되고,
    상기 양자 메모리는 양자 상태의 정보를 저장하도록 구성된,
    방법.
  8. 양자 통신 시스템에서 제1 노드에 있어서,
    일반 메모리;
    송수신기; 및
    적어도 하나의 프로세서를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 프로세서는,
    제1 퀀텀 채널 (quantum channel)을 통하여 제2 노드로부터 체킹 시퀀스(checking sequence)를 수신하고, 상기 체킹 시퀀스는 메시지 코딩 시퀀스(message coding sequence)와 함께 얽힘 광자 쌍들(Einstein?Podolsky?Rosen pairs, EPR-pairs)을 구성하고,
    상기 체킹 시퀀스를 양자 메모리에 저장하지 않고, 상기 체킹 시퀀스 중 무작위로 선정된 제1 위치에 해당하는 부분에 대하여 제1 기저(basis) 정보에 기반하여 단광자 측정(single photon detection)을 수행함으로써 제1 측정 값을 결정하고,
    상기 제1 위치, 상기 제1 기저 정보, 상기 제1 측정 값의 정보를 상기 일반 메모리에 저장하고,
    상기 제2 노드에게 제1 고전 채널(classical channel)을 통해 상기 제1 위치, 상기 제1 기저 정보, 상기 제1 측정 값의 정보를 전송하고,
    제2 퀀텀 채널을 통하여 1 비트의 고전 메시지 정보(classical message information)가 인코딩 된 메시지 코딩 시퀀스를 수신하고,
    상기 메시지 코딩 시퀀스 중 상기 제1 위치에 해당하는 부분에 대하여 상기 제1 기저 정보에 기반하여 단광자 측정을 수행함으로써 제2 측정 값을 결정하고,
    상기 일반 메모리에 저장된 상기 제1 측정 값과 상기 제2 측정 값의 일치 여부에 기반하여 상기 고전 정보를 검출하도록 구성된,
    제1 노드.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 메시지 코딩 시퀀스는,
    상기 제1 측정 값에 대한 제1 QBER(quantum bit error rate)로부터 상기 체킹 시퀀스에 대한 안전성(safety)이 확인됨에 기반하여 수신되는,
    제1 노드.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 프로세서는,
    상기 제1 측정 값 및 상기 제2 측정 값에 기반하여 제2 QBER(quantum bit error rate)를 결정하고,
    상기 제2 QBER에 기반하여, 오류 정정(error correction)을 통해 상기 고전 메시지 정보에 대한 복원을 수행하도록 더 구성된,
    제1 노드.
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 고전 메시지 정보는,
    상기 메시지 코딩 시퀀스의 편광 상태가 유니터리 동작(unitary operation)을 통해 변환하는지 여부에 기반하여 인코딩 된,
    제1 노드.
  12. 제8 항에 있어서,
    상기 얽힘 양자쌍을 구성하는 상기 체킹 시퀀스 및 상기 메시지 코딩 시퀀스는 상기 제2 장치에 의하여 생성되며,
    상기 체킹 시퀀스는 상기 제2 장치에 의하여 생성된 후 변환 없이 상기 제1 장치에 의하여 수신되는,
    제1 노드.
  13. 제10 항에 있어서,
    상기 고전 메시지 정보는 상기 고전 메시지 정보 중 무작위의 위치에 랜덤 고전 이진 정보가 섞인 후 상기 메시지 코딩 시퀀스에 인코딩 되며,
    상기 적어도 하나의 프로세서는, 상기 제2 장치로부터 제2 고전 채널을 통해 상기 랜덤 고전 이진 정보의 정보 및 상기 무작위의 위치의 정보를 수신하도록 더 구성되고,
    상기 제2 QBER은 상기 랜덤 고전 이진 정보의 정보 및 상기 무작위의 위치의 정보에 더 기반하여 측정되는,
    제1 노드.
  14. 제8 항에 있어서,
    상기 일반 메모리는 이진 상태의 정보를 저장하도록 구성되고,
    상기 양자 메모리는 양자 상태의 정보를 저장하도록 구성된,
    제1 노드.
  15. 하나 이상의 명령어를 저장하는 하나 이상의 비일시적인(non-transitory) 컴퓨터 판독 가능 매체에 있어서,
    상기 하나 이상의 명령어는, 하나 이상의 프로세서에 의해 실행되는 것에 기반하여, 동작들을 수행하고,
    상기 동작들은,
    제1 퀀텀 채널 (quantum channel)을 통하여 제2 노드로부터 체킹 시퀀스(checking sequence)를 수신하고, 상기 체킹 시퀀스는 메시지 코딩 시퀀스(message coding sequence)와 함께 얽힘 광자 쌍들(Einstein?Podolsky?Rosen pairs, EPR-pairs)을 구성하는 단계;
    상기 체킹 시퀀스를 양자 메모리에 저장하지 않고, 상기 체킹 시퀀스 중 무작위로 선정된 제1 위치에 해당하는 부분에 대하여 제1 기저(basis) 정보에 기반하여 단광자 측정(single photon detection)을 수행함으로써 제1 측정 값을 결정하는 단계;
    상기 제1 위치, 상기 제1 기저 정보, 상기 제1 측정 값의 정보를 일반 메모리에 저장하는 단계;
    상기 제2 노드에게 제1 고전 채널(classical channel)을 통해 상기 제1 위치, 상기 제1 기저 정보, 상기 제1 측정 값의 정보를 전송하는 단계;
    제2 퀀텀 채널을 통하여 1 비트의 고전 메시지 정보(classical message information)이 인코딩 된 메시지 코딩 시퀀스를 수신하는 단계;
    상기 메시지 코딩 시퀀스 중 상기 제1 위치에 해당하는 부분에 대하여 상기 제1 기저 정보에 기반하여 단광자 측정을 수행함으로써 제2 측정 값을 결정하는 단계; 및
    상기 일반 메모리에 저장된 상기 제1 측정 값과 상기 제2 측정 값의 일치 여부에 기반하여 상기 고전 정보를 검출하는 단계를 포함하는,
    컴퓨터 판독 가능 매체.
PCT/KR2022/019111 2021-12-01 2022-11-29 양자 통신 시스템에서 복잡도를 낮춘 양자 보안 직접 통신을 수행하기 위한 장치 및 방법 WO2023101371A1 (ko)

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