WO2024147378A1 - 무선 통신 시스템에서 빔 조향 장치 및 방법 - Google Patents

무선 통신 시스템에서 빔 조향 장치 및 방법 Download PDF

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WO2024147378A1
WO2024147378A1 PCT/KR2023/000145 KR2023000145W WO2024147378A1 WO 2024147378 A1 WO2024147378 A1 WO 2024147378A1 KR 2023000145 W KR2023000145 W KR 2023000145W WO 2024147378 A1 WO2024147378 A1 WO 2024147378A1
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metamaterial
antenna
base station
communication
metamaterial structure
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PCT/KR2023/000145
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English (en)
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정재훈
김당오
최우철
오상민
조동호
이주용
금승원
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엘지전자 주식회사
한국과학기술원
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Definitions

  • the following description is about a wireless communication system, and relates to an apparatus and method for steering a beam for signal transmission and reception in a wireless communication system.
  • Wireless access systems are being widely deployed to provide various types of communication services such as voice and data.
  • a wireless access system is a multiple access system that can support communication with multiple users by sharing available system resources (bandwidth, transmission power, etc.).
  • multiple access systems include code division multiple access (CDMA) systems, frequency division multiple access (FDMA) systems, time division multiple access (TDMA) systems, orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) systems, and single carrier frequency (SC-FDMA) systems. division multiple access) systems, etc.
  • enhanced mobile broadband (eMBB) communication technology is being proposed compared to the existing radio access technology (RAT).
  • RAT radio access technology
  • a communication system that takes into account reliability and latency-sensitive services/UE (user equipment) as well as mMTC (massive machine type communications), which connects multiple devices and objects to provide a variety of services anytime and anywhere, is being proposed. .
  • mMTC massive machine type communications
  • the present disclosure can provide an apparatus and method for performing beam steering using a metamaterial in a wireless communication system.
  • the present disclosure can provide an apparatus and method for controlling the beam radiation direction by providing a metamaterial resonator on one side of an antenna in a wireless communication system.
  • a base station in a wireless communication system includes a transceiver and a processor connected to the transceiver, wherein the processor transmits at least one synchronization signal to the terminal and transmits at least one synchronization signal based on the at least one synchronization signal.
  • Receive a random access preamble from the terminal transmit a random access response to the terminal, establish a connection with the terminal, and control to perform communication through the connection, and the communication is based on the synchronization signal. It is performed through at least one spatial domain filter, and the at least one spatial domain filter may be generated by a cell pattern within at least one metamaterial structure provided on the opening surface of the antenna.
  • FIG 5 shows an example of a vehicle or autonomous vehicle applicable to the present disclosure.
  • Figure 7 shows a method of processing a transmission signal applicable to the present disclosure.
  • Figure 11 shows the structure of a metasurface-based antenna.
  • Figure 13 shows beam steering characteristics of an antenna equipped with a metamaterial structure according to an embodiment of the present disclosure.
  • Figure 15 shows an example of a metamaterial cell composed of metamaterial resonators according to an embodiment of the present disclosure.
  • Figure 16 shows an example of a metamaterial structure composed of metamaterial cells according to an embodiment of the present disclosure.
  • Figure 17 shows an example of the arrangement of a metamaterial cell considering the electromagnetic field direction of the antenna according to an embodiment of the present disclosure.
  • Figure 18 shows an example of the arrangement of a metamaterial structure considering the propagation vector of the antenna according to an embodiment of the present disclosure.
  • Figure 23 shows an example of number allocation of metamaterial cells according to an embodiment of the present disclosure.
  • Figures 24a and 24b show the state of a metamaterial cell according to an embodiment of the present disclosure.
  • Figure 28 shows an example of a procedure for performing communication in a terminal according to an embodiment of the present disclosure.
  • the portable device 400 includes an antenna unit 408, a communication unit 410, a control unit 420, a memory unit 430, a power supply unit 440a, an interface unit 440b, and an input/output unit 440c. ) may include.
  • the antenna unit 408 may be configured as part of the communication unit 410.
  • Blocks 410 to 430/440a to 440c correspond to blocks 310 to 330/340 in FIG. 3, respectively.
  • the resource mapper 750 can map the modulation symbols of each antenna port to time-frequency resources.
  • a time-frequency resource may include a plurality of symbols (eg, CP-OFDMA symbol, DFT-s-OFDMA symbol) in the time domain and a plurality of subcarriers in the frequency domain.
  • the signal generator 760 generates a wireless signal from the mapped modulation symbols, and the generated wireless signal can be transmitted to another device through each antenna.
  • the signal generator 760 may include an inverse fast fourier transform (IFFT) module, a cyclic prefix (CP) inserter, a digital-to-analog converter (DAC), a frequency uplink converter, etc. .
  • IFFT inverse fast fourier transform
  • CP cyclic prefix
  • DAC digital-to-analog converter
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a communication structure that can be provided in a 6G system applicable to the present disclosure.
  • THz Terahertz
  • THz waves are located between RF (Radio Frequency)/millimeter (mm) and infrared bands. (i) Compared to visible light/infrared, they penetrate non-metal/non-polarized materials better and have a shorter wavelength than RF/millimeter waves, so they have high straightness. Beam focusing may be possible.
  • the present disclosure relates to a beam steering apparatus and method for transmitting and receiving signals in a wireless communication system. Specifically, the present disclosure relates to an apparatus and method for controlling the radiation direction of a beam using an antenna equipped with a metamaterial structure on one side in a wireless communication system.
  • a beam may refer to a signal formed to have directionality using a plurality of antenna elements, or a weight or filter to form a signal to have directionality.
  • a beam may be referred to as a spatial domain filter or another term with equivalent technical meaning.
  • beamforming in the present disclosure may include forming a beam through electrical and/or mechanical control, and/or controlling or varying the direction of the formed beam.
  • the beamforming technique that controls the phase of the array antenna has the advantage of securing multiplexing gain through multi-stream transmission while minimizing degradation of reception sensitivity and/or signal-to-interference ratio depending on the mutual positions of the transmitter and receiver.
  • Next-generation communication systems such as 5G or 6G are expected to require a very large number of antennas. Therefore, in order to use a technique for controlling the phase of an array antenna using a phase shifter, it is necessary to integrate a very large number of phase shifters and/or RF elements.
  • connecting a phase shifter to every unit antenna has a problem in that it is not easy to implement because the complexity is very high.
  • beamforming techniques that electrically control phase using a reconfigurable antenna are being studied.
  • beamforming techniques using reconfigurable antennas use pin diodes or parasitic elements to change the shape of the antenna radiator itself, and have been mainly studied in the field of planar antennas or mobile antennas. Therefore, the beam steering technique using a reconfigurable antenna is specialized for small antennas rather than high-gain antennas, and because design for beamforming must be performed at the antenna design stage, there is a limit in terms of versatility.
  • the metasurface-based beamforming technique generates a beam by applying a metasurface 1110 such as RIS to a high-gain antenna in the form of a transmit-array or reflect-array. It is a steering technique.
  • Figure 11 shows a metasurface-based antenna structure.
  • the metasurface has a very large area compared to the size of the antenna, and must be spaced a certain distance away from the antenna to secure the focal distance.
  • each unit structure of the metasurface must include a multi-layer circuit for individual phase control and a large number of control lines must be provided for control of each unit structure, which has the disadvantage of very high implementation complexity.
  • a beam steering method that controls the directionality of a beam formed by a high-gain antenna by adding a metamaterial structure to one side of the high-gain antenna will be described.
  • a horn antenna is used as an example of a high gain antenna, but embodiments of the present disclosure are not limited thereto.
  • the following embodiments may equally be applied to other types of antennas with high gain and/or high directivity.
  • FIG. 12 shows a basic beam of a high gain antenna
  • FIG. 13 shows beam steering characteristics of an antenna equipped with a metamaterial structure according to an embodiment of the present disclosure.
  • the high gain antenna 1200 can form a narrow-width primary beam 1210 with directionality in a given direction.
  • At least one metamaterial structure (1321, 1322) is added to the opening surface or outside of the high gain antenna 1310, and the added metamaterial structure ( By controlling the states of 1321 and 1322), the directionality of the beam formed by the high gain antenna 1310 can be controlled.
  • the first metamaterial structure 1321 and the second metamaterial structure 1322 may be arranged to be symmetrical to each other on both sides of the opening surface of the high gain antenna 1310. Since the metamaterial structure may be provided in the aperture of a high gain antenna, the metamaterial structure of the present disclosure may also be referred to as a metamaterial aperture.
  • the directionality of the beam formed by the high gain antenna 1310 is in the 0° direction. It can be maintained. At this time, the beam formed by the high gain antenna 1310 can be steered to beam 4, which is the basic beam in the 0° direction.
  • the high gain antenna 1310 when the first metamaterial structure 1321 is controlled in the on state and the second metamaterial structure 1322 is controlled in the off state, the high gain antenna 1310 The directionality of the beam formed by can be changed or steered in the - ⁇ ° direction. At this time, the beam formed by the high gain antenna 1310 may be steered by the first metamaterial structure 1321 into any one of beam 1, beam 2, or beam 3.
  • Figure 14 shows an example of the structure of a metamaterial resonator 1400 according to an embodiment of the present disclosure.
  • the metamaterial resonator 1400 may include a dielectric substrate 1410 and a metal pattern 1420.
  • the metal pattern 1420 is disposed on the dielectric substrate 1410 and may have a square ring shape with a slot 1430 formed therein.
  • the metal pattern 1420 or slot 1430 may include graphene or a PIN diode.
  • the metamaterial resonator 1400 configured as shown in FIG. 14 can operate as an LC resonator by the inductance component due to the metal pattern 1420, the capacitance due to the square ring shape, and the capacitance due to the slot 1430.
  • the shape of the metamaterial resonator 1400 may be designed in consideration of operating frequency and/or quality factor.
  • a metamaterial structure according to an embodiment of the present disclosure may include at least one metamaterial cell.
  • Figure 15 shows an example of a metamaterial cell 1500 composed of metamaterial unit resonators according to an embodiment of the present disclosure.
  • the metamaterial cell 1500 may include a plurality of metamaterial resonators, as shown in FIG. 15 .
  • the plurality of metamaterial resonators 1400 constituting the metamaterial cell 1500 may be arranged in the same direction and spaced apart from each other at regular intervals.
  • the metamaterial cell 1500 may be a unit structure used for state control for beam steering.
  • metamaterial resonators included in one metamaterial cell 1500 may be controlled to operate in an on state at substantially the same time, or may be controlled to operate in an off state at substantially the same time.
  • metamaterial resonators included in one metamaterial cell 1500 do not operate in different states at the same time.
  • one metamaterial cell 1500 is composed of four metamaterial resonators, but this is only an example and the embodiments of the present disclosure are not limited thereto.
  • the metamaterial cell 1500 may be composed of two or more metamaterial resonators.
  • the number, arrangement spacing, and/or arrangement direction of metamaterial resonators included in the metamaterial cell 1500 may be designed in consideration of operating frequency and/or quality factor. This is because mutual coupling may occur between metamaterial resonators adjacent to each other, resulting in changes in operating frequency and/or operating characteristics.
  • a metamaterial structure according to an embodiment of the present disclosure may include a plurality of metamaterial cells.
  • Figure 16 shows an example of a metamaterial structure 1600 composed of metamaterial cells according to an embodiment of the present disclosure.
  • the metamaterial structure 1600 may be configured with metamaterial cells 1500 arranged repetitively or periodically.
  • a plurality of metamaterial cells 1500 included in the metamaterial structure 1600 may be arranged in the same direction, but spaced apart from each other at regular intervals.
  • the number of metamaterial cells included in the metamaterial structure 1600 may be determined by considering the number, width, and/or direction of beams to be formed or steered through the metamaterial structure 1600.
  • a metamaterial resonator, a metamaterial cell, and/or a metamaterial resonator for a high gain antenna considering at least one of the electromagnetic field direction of the high gain antenna, the propagation propagation vector, or the operating characteristic of the metamaterial resonator.
  • the placement location and/or placement direction of the material structure may be determined.
  • Metamaterial resonators may have characteristics whose operation is determined by the electromagnetic field applied depending on the type. For example, if the metamaterial resonator is an SRR as shown in FIG. 14, the metamaterial resonator may operate when a time-varying magnetic field is applied in a direction perpendicular to the plane of the resonator.
  • Figure 17 shows an example of the arrangement of a metamaterial cell considering the electromagnetic field direction of the antenna according to an embodiment of the present disclosure.
  • the horn antenna 1310 operates in the basic mode, TE 10 mode 1710, the electric field (E-filed) 1720 is formed in the first direction, and the magnetic field (H-filed) 1720 is formed in the first direction.
  • ) (1730) may be formed in a second direction perpendicular to the first direction.
  • the metamaterial cell 1500 including SRRs may be placed on the opening surface of the horn antenna 1310, and the plane of the SRRs may be arranged perpendicular to the direction of the magnetic field 1730 of the horn antenna 130. This is because the metamaterial resonator, which is an SRR, operates when a time-varying magnetic field is applied in a direction perpendicular to the plane.
  • Figure 18 shows an example of the arrangement of a metamaterial structure considering the propagation vector of the antenna according to an embodiment of the present disclosure.
  • the metamaterial structure 1600 reflects radio waves output from the horn antenna 1310 in a specific direction ( 1810) can be placed in a location where it can be installed.
  • the location and/or arrangement of the metamaterial structure is determined by considering the electromagnetic field direction of the high gain antenna, the propagation propagation vector, or the operating characteristics of the metamaterial resonator. You can decide the direction.
  • the type of metamaterial resonator which is the basic unit of the metamaterial structure according to an embodiment of the present disclosure, may be determined by considering the electromagnetic field direction of the high gain antenna or the propagation vector. That is, the metamaterial resonator is not limited to SRR, and may be another type of metamaterial resonator selected in consideration of the electromagnetic field direction of the high gain antenna and/or the propagation vector.
  • the metamaterial structure 1600 assumes that the electromagnetic field applied to the metamaterial resonators is ideally uniform. However, the electromagnetic field on the aperture surface of an actual antenna may not be uniform. Therefore, as shown in FIG. 19, the transmission and reception results obtained using the two antennas 1310-1 and 1310-2 may be reflected in the design of the metamaterial structure 1600.
  • Figure 20 shows the characteristics of S parameters considered in the design of metamaterial structures according to an embodiment of the present disclosure.
  • the horizontal axis represents frequency and the vertical axis represents S parameters.
  • S11 may mean the amount of signal reflection of at least one metamaterial resonator
  • S21 may mean the amount of signal transmission for at least one metamaterial resonator.
  • S11 may be an indicator indicating the amount of signal reflected to the first antenna 1310-1 by at least one metamaterial resonator compared to the amount of signal input to the first antenna 1310-1.
  • S21 may be an indicator indicating the amount of the signal transmitted through at least one metamaterial resonator and output to the second antenna 1310-2 compared to the amount of the signal input to the first antenna 1310-1.
  • S11 has a value close to 0 in the 160GHz band, and in the remaining frequency bands, the value gradually decreases to a value of about -10dB.
  • S21 has a very small value of about -30dB in the 160GHz band, and has a value close to 0 in other frequency bands. This may indicate that in the 160 GHz band, most input signals are reflected by the metamaterial resonator, and in other frequency bands, most input signals transmit through the metamaterial resonator. Additionally, this may mean that the metamaterial resonator operates in the 160Ghz band, and energy is concentrated on the metal pattern due to radio wave resonance, resulting in a reflection phenomenon.
  • Figure 21 shows the characteristics of effective permeability considered in designing a metamaterial structure according to an embodiment of the present disclosure.
  • the horizontal axis represents frequency and the vertical axis represents effective permeability.
  • the effective permeability changes from a positive value to a negative value in the 160GHz band.
  • the refractive index of light or radio waves is expressed by simply calculating the permittivity and permeability of the medium through which it passes.
  • permittivity and permeability usually exist only as positive numbers.
  • the effective permeability may have a negative value at a specific frequency, or it may have a positive but artificially changed value. This may mean that the metamaterial resonator operates at a specific frequency.
  • the metamaterial structure according to an embodiment of the present disclosure may be designed so that the resonance frequency of FIG. 20 matches a specific frequency with negative permeability of FIG. 21, or a specific frequency at which the permeability is artificially changed.
  • the metamaterial structure designed as described above can be placed on one side of the high gain antenna as shown in FIG. 22.
  • Figure 22 shows an example of the arrangement of a metamaterial structure according to an embodiment of the present disclosure.
  • the metamaterial structures are disposed on both sides of the opening surface of the antenna 1310 and may be provided to have structures that are symmetrical to each other.
  • Each of the metamaterial structures may include a first plane on which a metal pattern is disposed, and a second plane that is a rear surface of the first plane.
  • the metamaterial structures may be arranged so that the second planes face each other and the first planes face opposite directions.
  • the size of the metamaterial structure may be determined based on the size of the antenna opening.
  • the length 2210 in the z-axis direction of the metamaterial structure 1600 may be designed to be less than or equal to the length 2220 in the x-axis direction and the length 2200 in the y-axis direction of the antenna opening surface. there is.
  • each metamaterial cell included in the metamaterial structure may have a different cell number. This is to control the metamaterial structure on a cell basis.
  • each of the metamaterial structures includes four metamaterial cells, and each metamaterial cell includes four metamaterial resonators, as shown in FIGS. 22 and 23. something to do.
  • metamaterial cells may be assigned different cell numbers (e.g., cell 1, cell 2, ... cell 8).
  • Each of the metamaterial cells can be controlled by a controller.
  • each of the metamaterial cells can be turned on/off based on the voltage applied by the controller.
  • the controller may control the state of the metamaterial cell by controlling the DC voltage applied to the metamaterial cell. This is because graphene has the characteristic of changing conductivity depending on the applied voltage. Therefore, the controller controls the voltage applied to each metamaterial cell so that the metamaterial cell is in an on state with a chemical potential of 1.0 eV, or in an off state with a chemical potential of 0.0 eV, as shown in FIG. 24a. You can control it to be in that state.
  • the on state with a chemical potential of 1.0 eV may be a state in which graphene operates as a conductor.
  • the off state with a chemical potential of 0.0 eV may be a state in which graphene operates as an insulator.
  • the controller may control the state of the metamaterial cell by controlling the DC voltage applied to the metamaterial cell. This is because the PIN diode has the characteristic of connecting or disconnecting a conductor like a switch depending on whether a bias voltage is applied. Therefore, the controller can control the metamaterial cell to be in an on state in which the DC bias voltage is supplied, or in an off state in which the DC bias voltage is not supplied, as shown in FIG. 24b.
  • the controller can adjust the beam direction (or beam radiation pattern) of the high gain antenna by controlling the on/off state of the metamaterial cells. For example, the controller can steer the beam in a desired direction by controlling the states of the metamaterial cells, as shown in Table 2 below.
  • Table 2 can indicate the status of metamaterial cells for each beam direction.
  • Table 2 shows the beam direction according to the on/off state of each metamaterial cell when the metamaterial structure is configured and/or arranged as shown in FIGS. 22 and/or 23. That is, referring to Table 2, when Cell 1, Cell 2, Cell 3, and Cell 4 are turned on and Cell 5, Cell 6, Cell 7, and Cell 8 are turned off, the beam direction of the high gain antenna is -30 You can see that you can steer in the ° direction. Additionally, when only Cell 1 is turned on and all other cells are turned off, it can be seen that the beam direction of the high gain antenna can be steered in the -15° direction.
  • the controller may obtain and store in advance a table indicating the status of metamaterial cells for each beam direction as shown in Table 2, and perform beam steering based on this. A table representing the status of metamaterial cells for each beam direction can be obtained through experimentation at the design stage.
  • the controller can change the cell pattern within the metamaterial structure by controlling the on/off states of the metamaterial cells, as shown in Table 2.
  • the cell pattern within the metamaterial structure may be the first cell pattern.
  • the cell pattern in the metamaterial structure may be the second cell pattern.
  • the first cell pattern and the second cell pattern may be different at least in part.
  • FIG. 25 shows the reflection coefficient for each frequency of an antenna including a metamaterial structure according to an embodiment of the present disclosure
  • FIG. 26 shows the beam steering performance of an antenna including a metamaterial structure according to an embodiment of the present disclosure. It shows.
  • Figures 25 and 26 show the results of simulation experiments based on Figures 22, 23, and Table 2 described above.
  • each state (State1 to State9) may correspond to the state of metamaterial cells for each beam direction in Table 2.
  • State 1 is, "Beam direction: -30°
  • Cell 1 on, Cell 2: on, Cell 3: on, Cell 4: on, Cell 5: off, Cell 6: off, Cell 7: It may be in a state corresponding to “off,” and “Cell 8: off.”
  • S11 for each state has a value of -10 dB or less in a wide frequency band. This means that the impedance matching of the horn antenna equipped with the metamaterial structure is well maintained in a wide frequency band.
  • Figure 26 shows beam radiation pattern characteristics for each beam direction in Table 2.
  • the beam is steered within the range of -30° to +30°, which is the 3dB beam width of the source antenna.
  • the gain is about 1 to 1.5 dB higher in the beam steering state using the metamaterial structure than the gain of the original horn antenna. This means that the beam steering performance of the metamaterial structure according to the embodiments of the present disclosure is excellent.
  • the beam can be steered simply by controlling the metamaterial structure added to one side of the high gain antenna, without changing the design and/or shape of the high gain antenna.
  • the method of adding a metamaterial structure to a high gain antenna and controlling it for each cell according to embodiments of the present disclosure has the advantage of lower complexity in terms of design, implementation, and/or control compared to conventional methods.
  • beam steering can be controlled using only a metamaterial resonator with a simple square ring structure, and variable control elements such as pin diodes can also be applied very simply, greatly improving design and implementation complexity.
  • the metamaterial structure according to embodiments of the present disclosure is small in size and is placed adjacent to the high gain antenna, so it has the advantage of not having a significant impact on the overall size of the antenna.
  • the metamaterial structure according to embodiments of the present disclosure does not require a large separation distance to secure the focal distance like a conventional transmit-array antenna, it can miniaturize the antenna compared to the prior art. There are benefits to this.
  • the base station 2710 may transmit a synchronization signal to the terminal 2700 in step S2701.
  • the base station 2710 may transmit Synchronization Signal Blocks (SSBs) through different transmission beams.
  • SSBs may include a synchronization signal including a Primary Synchronization Signal (PSS) and a Secondary Synchronization Signal (SSS), and/or a Physical Broadcast Channel (PBCH), and Demodulation Reference Signals (DMRS) for the PBCH.
  • PSS Primary Synchronization Signal
  • SSS Secondary Synchronization Signal
  • PBCH Physical Broadcast Channel
  • DMRS Demodulation Reference Signals
  • Each of the SSBs corresponds to a different time interval or opportunity and may have a different index.
  • the terminal 2700 can receive at least one synchronization signal from the base station 2710.
  • the terminal 2700 may receive at least one SSB through at least one reception beam among a plurality of reception beams during a designated time period.
  • a random access preamble may be transmitted to the base station 2710 based on at least one received synchronization signal.
  • the terminal 2700 can measure the signal strength of at least one SSB received through at least one of the plurality of reception beams and identify the index of the SSB with the highest signal strength.
  • the terminal 2700 may determine a transmission beam based on the reception beam corresponding to the identified SSB index and transmit a random access preamble to the base station 2710 through the determined transmission beam.
  • the base station 2710 may transmit a random access response to the terminal 2700.
  • the base station 2710 may transmit a random access response in response to receiving the random access preamble.
  • the base station 2710 may determine a transmission beam based on a reception beam on which a random access preamble is received among a plurality of reception beams, and transmit a random access response using the determined transmission beam.
  • the base station 2710 may check the SSB index identified by the terminal 2700 based on the received random access preamble and determine the transmission beam based on the identified SSB index.
  • Figure 28 shows an example of a procedure for performing communication in a terminal according to an embodiment of the present disclosure.
  • the terminal in FIG. 28 may be the terminal 2700 in FIG. 27.
  • the terminal may receive at least one synchronization signal from the base station.
  • the terminal may receive at least one SSB among SSBs transmitted through different transmission beams from the base station.
  • the terminal may transmit a random access preamble to the base station based on at least one received synchronization signal.
  • the terminal can measure the signal strength of at least one SSB received using a plurality of reception beams and identify the index of the SSB with the highest signal strength.
  • the terminal may determine a transmission beam based on the reception beam corresponding to the identified SSB index and transmit a random access preamble to the base station through the determined transmission beam.
  • the terminal may control the cell state of the metamaterial structure provided on the opening surface of the antenna to generate a determined transmission beam. For example, the terminal may control the cell state of the metamaterial structure as described in FIGS. 13 to 26 to steer the beam radiation pattern of the antenna, thereby generating a determined transmission beam.
  • the terminal may receive a random access response from the base station.
  • the terminal may receive a random access response in response to transmitting a random access preamble.
  • the terminal can establish a connection with the base station and communicate with the base station through the connection. At this time, the terminal can communicate with the base station through at least one beam.
  • at least one beam may be generated by controlling the cell state of the metamaterial structure provided on the opening surface of the antenna.
  • the terminal may generate at least one beam by controlling the cell state of the metamaterial structure and steering the beam radiation pattern of the antenna, as described in FIGS. 13 to 26.
  • Figure 29 shows an example of a procedure for performing communication at a base station according to an embodiment of the present disclosure.
  • the base station in FIG. 29 may be the base station 2710 in FIG. 27.
  • the base station may transmit a synchronization signal to the terminal.
  • the base station may transmit a synchronization signal as described in step S2701 of FIG. 27.
  • the base station may receive a random access preamble from the terminal, and in step S2905, may transmit a random access response to the terminal.
  • the base station may transmit a random access response in response to receiving the random access preamble.
  • the base station may check the SSB index identified by the terminal based on the random access preamble received from the terminal and determine the transmission beam based on the confirmed SSB index.
  • the base station may transmit a random access response using the determined transmission beam.
  • the base station establishes a connection with the terminal, and in S2909, it can communicate with the terminal through the connection.
  • the base station can communicate with the terminal through at least one beam.
  • at least one beam may be generated by controlling the cell state of the metamaterial structure provided on the opening surface of the antenna.
  • the base station may control the cell state of the metamaterial structure as described in FIGS. 13 to 26 to steer the beam radiation pattern of the antenna, thereby generating at least one beam.
  • Figure 30 shows an example of a procedure for communicating through beamforming in a communication device according to an embodiment of the present disclosure.
  • the communication device of FIG. 30 may be the terminal of FIG. 27 or a base station.
  • at least some operations of FIG. 30 may be detailed operations of step S2807 of FIG. 28.
  • the communication device of FIG. 30 is a base station, at least some operations of FIG. 30 may be detailed operations of step S2907 of FIG. 29.
  • at least some operations in FIG. 30 may be performed sequentially or in parallel. For example, some operations in FIG. 30 may be performed at least temporarily at the same time.
  • the communication device may determine a beam direction for communication.
  • the beam direction may include at least one of a beam angle or a beam index.
  • the beam direction may be determined based on a signal received from another device.
  • the beam direction may be determined based on a synchronization signal received from the base station.
  • the beam direction may be determined based on a random access preamble signal received from the terminal.
  • the beam direction may be determined and/or changed by further considering the location of the communication device or channel state information. Beam direction can be determined and/or changed using a variety of methods known to those skilled in the art.
  • the communication device may determine the cell state of the metamaterial opening surface based on the determined beam direction.
  • the metamaterial opening surface may refer to a metamaterial structure provided on the opening surface of the antenna.
  • the communication device may determine the cell state of the metamaterial structure corresponding to the determined beam direction based on the table shown in Table 2. For example, when the determined beam direction is -15°, the communication device may determine the cell state of the metamaterial structure corresponding to the determined beam direction -15° with reference to Table 2 as state 4.
  • the status of each cell in state 4 is "Cell 1: on, Cell 2: off, Cell 3: off, Cell 4: off, Cell 5: off, Cell 6: off, Cell 7: off, and Cell 8: off" It can be.
  • the communication device may form a beam in a determined direction by controlling each cell of the antenna structure provided on the opening surface of the antenna based on the determined cell state. For example, the communication device may use a controller to control the voltage to be applied to each cell of the metamaterial structure according to the determined cell state, thereby steering the beam radiation pattern of the antenna in the determined beam direction.
  • the communication device may transmit a signal through the formed beam.
  • a communication device may transmit a signal via a beam steered in a determined beam direction.
  • the proposed methods described above may be implemented independently, but may also be implemented in the form of a combination (or merge) of some of the proposed methods.
  • a rule may be defined so that the base station informs the terminal of the application of the proposed methods (or information about the rules of the proposed methods) through a predefined signal (e.g., a physical layer signal or a higher layer signal). .
  • Embodiments of the present disclosure can be applied to various wireless access systems.
  • Examples of various wireless access systems include the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) or 3GPP2 system.
  • Embodiments of the present disclosure can be applied not only to the various wireless access systems, but also to all technical fields that apply the various wireless access systems. Furthermore, the proposed method can also be applied to mmWave and THz communication systems using ultra-high frequency bands.
  • embodiments of the present disclosure can be applied to various applications such as free-running vehicles and drones.

Abstract

본 개시는 무선 통신 시스템에서 빔을 조향하기 위한 것으로, 단말의 동작 방법은, 기지국으로부터 적어도 하나의 동기 신호를 수신하는 단계, 상기 적어도 하나의 동기 신호에 기초하여 랜덤 액세스 프리앰블을 상기 기지국으로 전송하는 단계, 상기 기지국으로부터 랜덤 액세스 응답을 수신하는 단계, 상기 기지국과 연결을 수립하는 단계, 및 상기 연결을 통해 상기 기지국과 통신을 수행하는 단계를 포함하되, 상기 통신은, 적어도 하나의 공간 도메인 필터를 통해 수행되며, 상기 적어도 하나의 공간 도메인 필터는, 안테나의 개구면에 구비된 적어도 하나의 메타물질 구조물 내의 셀 패턴에 의해 생성될 수 있다.

Description

무선 통신 시스템에서 빔 조향 장치 및 방법
이하의 설명은 무선 통신 시스템에 대한 것으로, 무선 통신 시스템에서 신호 송수신을 위해 빔을 조향하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
무선 접속 시스템이 음성이나 데이터 등과 같은 다양한 종류의 통신 서비스를 제공하기 위해 광범위하게 전개되고 있다. 일반적으로 무선 접속 시스템은 가용한 시스템 자원(대역폭, 전송 전력 등)을 공유하여 다중 사용자와의 통신을 지원할 수 있는 다중 접속(multiple access) 시스템이다. 다중 접속 시스템의 예들로는 CDMA(code division multiple access) 시스템, FDMA(frequency division multiple access) 시스템, TDMA(time division multiple access) 시스템, OFDMA(orthogonal frequency division multiple access) 시스템, SC-FDMA(single carrier frequency division multiple access) 시스템 등이 있다.
특히, 많은 통신 기기들이 큰 통신 용량을 요구하게 됨에 따라 기존 RAT(radio access technology)에 비해 향상된 모바일 브로드밴드(enhanced mobile broadband, eMBB) 통신 기술이 제안되고 있다. 또한 다수의 기기 및 사물들을 연결하여 언제 어디서나 다양한 서비스를 제공하는 mMTC(massive machine type communications) 뿐만 아니라 신뢰성 (reliability) 및 지연(latency) 민감한 서비스/UE(user equipment)를 고려한 통신 시스템이 제안되고 있다. 이를 위한 다양한 기술 구성들이 제안되고 있다.
본 개시는 무선 통신 시스템에서 신호를 효과적으로 송수신하기 위해 빔을 조향하는 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
본 개시는 무선 통신 시스템에서 메타물질(metamaterial)을 이용하여 빔 조향을 수행하기 위한 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
본 개시는 무선 통신 시스템에서 안테나의 개구면에 메타물질 공진기를 구비하여 빔 조향을 수행하기 위한 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
본 개시는 무선 통신 시스템에서 안테나의 일측에 메타물질 공진기를 구비하여 빔 방사 방향을 제어하기 위한 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
본 개시는 무선 통신 시스템에서 안테나의 일측에 구비되는 메타물질 공진기의 상태를 제어하여 빔 방사 방향을 제어하기 위한 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
본 개시는 무선 통신 시스템에서 안테나의 일측에 구비되는 메타물질 공진기들을 셀 단위로 온/오프하여 빔 방사 방향을 제어하기 위한 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
본 개시는 무선 통신 시스템에서 메타물질 구조물에 인가되는 전압을 제어하여 고 이득 안테나의 빔 방사 방향을 제어하기 위한 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
본 개시는 무선 통신 시스템에서 분리형 링 공진기 기반의 메타물질 구조물을 이용하여 고 이득 안테나의 빔 방사 방향을 제어하기 위한 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
본 개시는 무선 통신 시스템에서 고 이득 안테나의 전자기장 방향을 고려하여 메타물질 공진기를 배치하기 위한 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
본 개시는 무선 통신 시스템에서 고 이득 안테나의 전파 진행 벡터를 고려하여 메타물질 공진기를 배치하기 위한 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
본 개시에서 이루고자 하는 기술적 목적들은 이상에서 언급한 사항들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 이하 설명할 본 개시의 실시예들로부터 본 개시의 기술 구성이 적용되는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 고려될 수 있다.
본 개시의 일 예로서, 무선 통신 시스템에서 단말의 동작 방법은, 기지국으로부터 적어도 하나의 동기 신호를 수신하는 단계, 상기 적어도 하나의 동기 신호에 기초하여 랜덤 액세스 프리앰블을 상기 기지국으로 전송하는 단계, 상기 기지국으로부터 랜덤 액세스 응답을 수신하는 단계, 상기 기지국과 연결을 수립하는 단계, 및 상기 연결을 통해 통신을 수행하는 단계를 포함하되, 상기 통신은, 상기 동기 신호에 기초하여 적어도 하나의 공간 도메인 필터를 통해 수행되고, 상기 적어도 하나의 공간 도메인 필터는, 안테나의 개구면에 구비된 적어도 하나의 메타물질 구조물 내의 셀 패턴에 의해 생성될 수 있다.
본 개시의 일 예로서, 무선 통신 시스템에서 단말은, 송수신기, 및 상기 송수신기와 연결된 프로세서를 포함하며, 상기 프로세서는, 기지국으로부터 적어도 하나의 동기 신호를 수신하고, 상기 적어도 하나의 동기 신호에 기초하여 랜덤 액세스 프리앰블을 상기 기지국으로 전송하고, 상기 기지국으로부터 랜덤 액세스 응답을 수신하고, 상기 기지국과 연결을 수립하고, 상기 연결을 통해 통신을 수행하도록 제어하며, 상기 통신은, 상기 동기 신호에 기초하여 적어도 하나의 공간 도메인 필터를 통해 수행되고, 상기 적어도 하나의 공간 도메인 필터는, 안테나의 개구면에 구비된 적어도 하나의 메타물질 구조물 내의 셀 패턴에 의해 생성될 수 있다.
본 개시의 일 예로서, 무선 통신 시스템에서 기지국의 동작 방법은, 단말로 적어도 하나의 동기 신호를 전송하는 단계, 상기 적어도 하나의 동기 신호에 기초하여 랜덤 액세스 프리앰블을 상기 단말로부터 수신하는 단계, 상기 단말로 랜덤 액세스 응답을 전송하는 단계, 상기 단말과 연결을 수립하는 단계, 및 상기 연결을 통해 통신을 수행하는 단계를 포함하되, 상기 통신은, 상기 동기 신호에 기초하여 적어도 하나의 공간 도메인 필터를 통해 수행되고, 상기 적어도 하나의 공간 도메인 필터는, 안테나의 개구면에 구비된 적어도 하나의 메타물질 구조물 내의 셀 패턴에 의해 생성될 수 있다.
본 개시의 일 예로서, 무선 통신 시스템에서 기지국은, 송수신기, 및 상기 송수신기와 연결된 프로세서를 포함하며, 상기 프로세서는, 상기 단말로 적어도 하나의 동기 신호를 전송하고, 상기 적어도 하나의 동기 신호에 기초하여 랜덤 액세스 프리앰블을 상기 단말로부터 수신하고, 상기 단말로 랜덤 액세스 응답을 전송하고, 상기 단말과 연결을 수립하고, 상기 연결을 통해 통신을 수행하도록 제어하며, 상기 통신은, 상기 동기 신호에 기초하여 적어도 하나의 공간 도메인 필터를 통해 수행되고, 상기 적어도 하나의 공간 도메인 필터는, 안테나의 개구면에 구비된 적어도 하나의 메타물질 구조물 내의 셀 패턴에 의해 생성될 수 있다.
본 개시의 일 예로서, 통신 장치는, 적어도 하나의 프로세서, 상기 적어도 하나의 프로세서와 연결되며, 상기 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행됨에 따라 동작들을 지시하는 명령어를 저장하는 적어도 하나의 컴퓨터 메모리를 포함하며, 상기 동작들은, 다른 통신 장치로부터 적어도 하나의 동기 신호를 수신하는 단계, 상기 적어도 하나의 동기 신호에 기초하여 랜덤 액세스 프리앰블을 상기 다른 통신 장치로 전송하는 단계, 상기 다른 통신 장치로부터 랜덤 액세스 응답을 수신하는 단계, 상기 다른 통신 장치와 연결을 수립하는 단계, 및 상기 연결을 통해 통신을 수행하는 단계를 포함하되, 상기 통신은, 상기 동기 신호에 기초하여 적어도 하나의 공간 도메인 필터를 통해 수행되고, 상기 적어도 하나의 공간 도메인 필터는, 상기 통신 장치의 안테나의 개구면에 구비된 적어도 하나의 메타물질 구조물 내의 셀 패턴에 의해 생성될 수 있다.
본 개시의 일 예로서, 적어도 하나의 명령어(instructions)을 저장하는 비-일시적인(non-transitory) 컴퓨터 판독 가능 매체(computer-readable medium)는, 프로세서에 의해 실행 가능한(executable) 상기 적어도 하나의 명령어를 포함하며, 상기 적어도 하나의 명령어는, 장치가, 다른 장치로부터 적어도 하나의 동기 신호를 수신하고, 상기 적어도 하나의 동기 신호에 기초하여 랜덤 액세스 프리앰블을 상기 다른 장치로 전송하고, 상기 다른 장치로부터 랜덤 액세스 응답을 수신하고, 상기 다른 장치와 연결을 수립하고, 상기 연결을 통해 통신을 수행하도록 제어하며, 상기 통신은, 상기 동기 신호에 기초하여 적어도 하나의 공간 도메인 필터를 통해 수행되고, 상기 적어도 하나의 공간 도메인 필터는, 상기 장치의 안테나의 개구면에 구비된 적어도 하나의 메타물질 구조물 내의 셀 패턴에 의해 생성되도록 할 수 있다.
상술한 본 개시의 양태들은 본 개시의 바람직한 실시예들 중 일부에 불과하며, 본 개시의 기술적 특징들이 반영된 다양한 실시예들이 당해 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의해 이하 상술할 본 개시의 상세한 설명을 기반으로 도출되고 이해될 수 있다.
본 개시에 기초한 실시예들에 의해 하기와 같은 효과가 있을 수 있다.
본 개시에 따르면, 통신 장치에서 안테나의 일측에 메타물질 공진기들을 포함하는 메타물질 구조물을 구비함으로써, 효과적으로 빔을 조향할 수 있고, 빔 조향을 위한 복잡도 및 구현 난이도를 개선할 수 있다.
본 개시의 실시예들에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 이하의 본 개시의 실시예들에 대한 기재로부터 본 개시의 기술 구성이 적용되는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 도출되고 이해될 수 있다. 즉, 본 개시에서 서술하는 구성을 실시함에 따른 의도하지 않은 효과들 역시 본 개시의 실시예들로부터 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 도출될 수 있다.
이하에 첨부되는 도면들은 본 개시에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 본 개시에 대한 실시예들을 제공할 수 있다. 다만, 본 개시의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 개시하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시예로 구성될 수 있다. 각 도면에서의 참조 번호(reference numerals)들은 구조적 구성요소(structural elements)를 의미할 수 있다.
도 1은 본 개시에 적용 가능한 통신 시스템 예를 도시한다.
도 2는 본 개시에 적용 가능한 무선 기기의 예를 도시한다.
도 3은 본 개시에 적용 가능한 무선 기기의 다른 예를 도시한다.
도 4는 본 개시에 적용 가능한 휴대 기기의 예를 도시한다.
도 5는 본 개시에 적용 가능한 차량 또는 자율 주행 차량의 예를 도시한다.
도 6은 본 개시에 적용 가능한 AI(Artificial Intelligence)의 예를 도시한다.
도 7은 본 개시에 적용 가능한 전송 신호를 처리하는 방법을 도시한다.
도 8은 본 개시에 적용 가능한 6G(6th generation) 시스템에서 제공 가능한 통신 구조의 일례를 도시한다.
도 9는 본 개시에 적용 가능한 전자기 스펙트럼을 도시한다.
도 10은 본 개시에 적용 가능한 THz 통신 방법을 도시한다.
도 11은 메타표면 기반의 안테나의 구조를 도시한다.
도 12는 고 이득 안테나의 기본 빔을 도시한다.
도 13은 본 개시의 일 실시예에 따른 메타물질 구조물이 구비된 안테나의 빔 조향 특성을 도시한다.
도 14는 본 개시의 일 실시예에 따른 메타물질 공진기의 구조에 대한 일 예를 도시한다.
도 15는 본 개시의 일 실시예에 따른 메타물질 공진기들로 구성되는 메타물질 셀의 일 예를 도시한다.
도 16은 본 개시의 일 실시예에 따른 메타물질 셀들로 구성되는 메타물질 구조물의 일 예를 도시한다.
도 17은 본 개시의 일 실시예에 따라 안테나의 전자기장 방향을 고려한 메타물질 셀의 배치 예를 도시한다.
도 18은 본 개시의 일 실시예에 따라 안테나의 전파 진행 벡터를 고려한 메타물질 구조물의 배치 예를 도시한다.
도 19는 본 개시의 일 실시예에 따라 두 개의 안테나를 활용한 메타물질 구조물의 설계 예를 도시한다.
도 20은 본 개시의 일 실시예에 따라 메타물질 구조물 설계에 고려되는 S파라미터의 특성을 도시한다.
도 21은 본 개시의 일 실시예에 따라 메타물질 구조물 설계에 고려되는 유효 투자율의 특성을 도시한다.
도 22는 본 개시의 일 실시예에 따른 메타물질 구조물의 배치 예를 도시한다.
도 23은 본 개시의 일 실시예에 따른 메타물질 셀의 번호 할당 예를 도시한다.
도 24a 및 도 24b는 본 개시의 일 실시예에 따른 메타물질 셀의 상태를 도시한다.
도 25는 본 개시의 일 실시예에 따른 메타물질 구조물을 포함하는 안테나의 주파수별 반사계수를 도시한다.
도 26은 본 개시의 일 실시예에 따른 메타물질 구조물을 포함하는 안테나의 빔 조향 성능을 도시한다.
도 27은 본 개시의 일 실시예에 따른 통신 수행을 위한 단말과 기지국 사이의 신호 흐름을 도시한다.
도 28은 본 개시의 일 실시예에 따른 단말에서 통신을 수행하는 절차의 예를 도시한다.
도 29는 본 개시의 일 실시예에 따른 기지국에서 통신을 수행하는 절차의 예를 도시한다.
도 30은 본 개시의 일 실시예에 따른 통신 장치에서 빔을 통해 통신하는 절차의 예를 도시한다.
이하의 실시예들은 본 개시의 구성요소들과 특징들을 소정 형태로 결합한 것들이다. 각 구성요소 또는 특징은 별도의 명시적 언급이 없는 한 선택적인 것으로 고려될 수 있다. 각 구성요소 또는 특징은 다른 구성요소나 특징과 결합되지 않은 형태로 실시될 수 있다. 또한, 일부 구성요소들 및/또는 특징들을 결합하여 본 개시의 실시예를 구성할 수도 있다. 본 개시의 실시예들에서 설명되는 동작들의 순서는 변경될 수 있다. 어느 실시예의 일부 구성이나 특징은 다른 실시예에 포함될 수 있고, 또는 다른 실시예의 대응하는 구성 또는 특징과 교체될 수 있다.
도면에 대한 설명에서, 본 개시의 요지를 흐릴 수 있는 절차 또는 단계 등은 기술하지 않았으며, 당업자의 수준에서 이해할 수 있을 정도의 절차 또는 단계는 또한 기술하지 아니하였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함(comprising 또는 including)"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "...기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, "일(a 또는 an)", "하나(one)", "그(the)" 및 유사 관련어는 본 개시를 기술하는 문맥에 있어서(특히, 이하의 청구항의 문맥에서) 본 명세서에 달리 지시되거나 문맥에 의해 분명하게 반박되지 않는 한, 단수 및 복수 모두를 포함하는 의미로 사용될 수 있다.
본 명세서에서 본 개시의 실시예들은 기지국과 이동국 간의 데이터 송수신 관계를 중심으로 설명되었다. 여기서, 기지국은 이동국과 직접적으로 통신을 수행하는 네트워크의 종단 노드(terminal node)로서의 의미가 있다. 본 문서에서 기지국에 의해 수행되는 것으로 설명된 특정 동작은 경우에 따라서는 기지국의 상위 노드(upper node)에 의해 수행될 수도 있다.
즉, 기지국을 포함하는 다수의 네트워크 노드들(network nodes)로 이루어지는 네트워크에서 이동국과의 통신을 위해 수행되는 다양한 동작들은 기지국 또는 기지국 이외의 다른 네트워크 노드들에 의해 수행될 수 있다. 이때, '기지국'은 고정국(fixed station), Node B, eNB(eNode B), gNB(gNode B), ng-eNB, 발전된 기지국(advanced base station, ABS) 또는 억세스 포인트(access point) 등의 용어에 의해 대체될 수 있다.
또한, 본 개시의 실시예들에서 단말(terminal)은 사용자 기기(user equipment, UE), 이동국(mobile station, MS), 가입자국(subscriber station, SS), 이동 가입자 단말(mobile subscriber station, MSS), 이동 단말(mobile terminal) 또는 발전된 이동 단말(advanced mobile station, AMS) 등의 용어로 대체될 수 있다.
또한, 송신단은 데이터 서비스 또는 음성 서비스를 제공하는 고정 및/또는 이동 노드를 말하고, 수신단은 데이터 서비스 또는 음성 서비스를 수신하는 고정 및/또는 이동 노드를 의미한다. 따라서, 상향링크의 경우, 이동국이 송신단이 되고, 기지국이 수신단이 될 수 있다. 마찬가지로, 하향링크의 경우, 이동국이 수신단이 되고, 기지국이 송신단이 될 수 있다.
본 개시의 실시예들은 무선 접속 시스템들인 IEEE 802.xx 시스템, 3GPP(3rd Generation Partnership Project) 시스템, 3GPP LTE(Long Term Evolution) 시스템, 3GPP 5G(5th generation) NR(New Radio) 시스템 및 3GPP2 시스템 중 적어도 하나에 개시된 표준 문서들에 의해 뒷받침될 수 있으며, 특히, 본 개시의 실시예들은 3GPP TS(technical specification) 38.211, 3GPP TS 38.212, 3GPP TS 38.213, 3GPP TS 38.321 및 3GPP TS 38.331 문서들에 의해 뒷받침 될 수 있다.
또한, 본 개시의 실시예들은 다른 무선 접속 시스템에도 적용될 수 있으며, 상술한 시스템으로 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 3GPP 5G NR 시스템 이후에 적용되는 시스템에 대해서도 적용 가능할 수 있으며, 특정 시스템에 한정되지 않는다.
즉, 본 개시의 실시예들 중 설명하지 않은 자명한 단계들 또는 부분들은 상기 문서들을 참조하여 설명될 수 있다. 또한, 본 문서에서 개시하고 있는 모든 용어들은 상기 표준 문서에 의해 설명될 수 있다.
이하, 본 개시에 따른 바람직한 실시 형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 개시의 예시적인 실시 형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 개시의 기술 구성이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다.
또한, 본 개시의 실시예들에서 사용되는 특정 용어들은 본 개시의 이해를 돕기 위해서 제공된 것이며, 이러한 특정 용어의 사용은 본 개시의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다른 형태로 변경될 수 있다.
이하의 기술은 CDMA(code division multiple access), FDMA(frequency division multiple access), TDMA(time division multiple access), OFDMA(orthogonal frequency division multiple access), SC-FDMA(single carrier frequency division multiple access) 등과 같은 다양한 무선 접속 시스템에 적용될 수 있다.
하기에서는 이하 설명을 명확하게 하기 위해, 3GPP 통신 시스템(e.g.(예, LTE, NR 등)을 기반으로 설명하지만 본 개시의 기술적 사상이 이에 제한되는 것은 아니다. LTE는 3GPP TS 36.xxx Release 8 이후의 기술을 의미할 수 있다. 세부적으로, 3GPP TS 36.xxx Release 10 이후의 LTE 기술은 LTE-A로 지칭되고, 3GPP TS 36.xxx Release 13 이후의 LTE 기술은 LTE-A pro로 지칭될 수 있다. 3GPP NR은 TS 38.xxx Release 15 이후의 기술을 의미할 수 있다. 3GPP 6G는 TS Release 17 및/또는 Release 18 이후의 기술을 의미할 수 있다. "xxx"는 표준 문서 세부 번호를 의미한다. LTE/NR/6G는 3GPP 시스템으로 통칭될 수 있다.
본 개시에 사용된 배경기술, 용어, 약어 등에 관해서는 본 개시 이전에 공개된 표준 문서에 기재된 사항을 참조할 수 있다. 일 예로, 36.xxx 및 38.xxx 표준 문서를 참조할 수 있다.
본 개시에 적용 가능한 통신 시스템
이로 제한되는 것은 아니지만, 본 문서에 개시된 본 개시의 다양한 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도들은 기기들 간에 무선 통신/연결(예, 5G)을 필요로 하는 다양한 분야에 적용될 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 보다 구체적으로 예시한다. 이하의 도면/설명에서 동일한 도면 부호는 다르게 기술하지 않는 한, 동일하거나 대응되는 하드웨어 블록, 소프트웨어 블록 또는 기능 블록을 예시할 수 있다.
도 1은 본 개시에 적용되는 통신 시스템 예를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 개시에 적용되는 통신 시스템(100)은 무선 기기, 기지국 및 네트워크를 포함한다. 여기서, 무선 기기는 무선 접속 기술(예, 5G NR, LTE)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(home appliance)(100e), IoT(Internet of Thing) 기기(100f), AI(artificial intelligence) 기기/서버(100g)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, 차량(100b-1, 100b-2)은 UAV(unmanned aerial vehicle)(예, 드론)를 포함할 수 있다. XR 기기(100c)는 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 기기(100d)는 스마트폰, 스마트패드, 웨어러블 기기(예, 스마트워치, 스마트글래스), 컴퓨터(예, 노트북 등) 등을 포함할 수 있다. 가전(100e)은 TV, 냉장고, 세탁기 등을 포함할 수 있다. IoT 기기(100f)는 센서, 스마트 미터 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기지국(120), 네트워크(130)는 무선 기기로도 구현될 수 있으며, 특정 무선 기기(120a)는 다른 무선 기기에게 기지국/네트워크 노드로 동작할 수도 있다.
무선 기기(100a~100f)는 기지국(120)을 통해 네트워크(130)와 연결될 수 있다. 무선 기기(100a~100f)에는 AI 기술이 적용될 수 있으며, 무선 기기(100a~100f)는 네트워크(130)를 통해 AI 서버(100g)와 연결될 수 있다. 네트워크(130)는 3G 네트워크, 4G(예, LTE) 네트워크 또는 5G(예, NR) 네트워크 등을 이용하여 구성될 수 있다. 무선 기기(100a~100f)는 기지국(120)/네트워크(130)를 통해 서로 통신할 수도 있지만, 기지국(120)/네트워크(130)를 통하지 않고 직접 통신(예, 사이드링크 통신(sidelink communication))할 수도 있다. 예를 들어, 차량들(100b-1, 100b-2)은 직접 통신(예, V2V(vehicle to vehicle)/V2X(vehicle to everything) communication)을 할 수 있다. 또한, IoT 기기(100f)(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(120), 기지국(120)/기지국(120) 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), 기지국 간 통신(150c)(예, 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 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.
본 개시에 적용 가능한 통신 시스템
도 2는 본 개시에 적용될 수 있는 무선 기기의 예를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 제1 무선 기기(200a)와 제2 무선 기기(200b)는 다양한 무선 접속 기술(예, LTE, NR)을 통해 무선 신호를 송수신할 수 있다. 여기서, {제1 무선 기기(200a), 제2 무선 기기(200b)}은 도 1의 {무선 기기(100x), 기지국(120)} 및/또는 {무선 기기(100x), 무선 기기(100x)}에 대응할 수 있다.
제1 무선 기기(200a)는 하나 이상의 프로세서(202a) 및 하나 이상의 메모리(204a)를 포함하며, 추가적으로 하나 이상의 송수신기(206a) 및/또는 하나 이상의 안테나(208a)을 더 포함할 수 있다. 프로세서(202a)는 메모리(204a) 및/또는 송수신기(206a)를 제어하며, 본 문서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도들을 구현하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 프로세서(202a)는 메모리(204a) 내의 정보를 처리하여 제1 정보/신호를 생성한 뒤, 송수신기(206a)을 통해 제1 정보/신호를 포함하는 무선 신호를 전송할 수 있다. 또한, 프로세서(202a)는 송수신기(206a)를 통해 제2 정보/신호를 포함하는 무선 신호를 수신한 뒤, 제2 정보/신호의 신호 처리로부터 얻은 정보를 메모리(204a)에 저장할 수 있다. 메모리(204a)는 프로세서(202a)와 연결될 수 있고, 프로세서(202a)의 동작과 관련한 다양한 정보를 저장할 수 있다. 예를 들어, 메모리(204a)는 프로세서(202a)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(202a)와 메모리(204a)는 무선 통신 기술(예, LTE, NR)을 구현하도록 설계된 통신 모뎀/회로/칩의 일부일 수 있다. 송수신기(206a)는 프로세서(202a)와 연결될 수 있고, 하나 이상의 안테나(208a)를 통해 무선 신호를 송신 및/또는 수신할 수 있다. 송수신기(206a)는 송신기 및/또는 수신기를 포함할 수 있다. 송수신기(206a)는 RF(radio frequency) 유닛과 혼용될 수 있다. 본 개시에서 무선 기기는 통신 모뎀/회로/칩을 의미할 수도 있다.
제2 무선 기기(200b)는 하나 이상의 프로세서(202b), 하나 이상의 메모리(204b)를 포함하며, 추가적으로 하나 이상의 송수신기(206b) 및/또는 하나 이상의 안테나(208b)를 더 포함할 수 있다. 프로세서(202b)는 메모리(204b) 및/또는 송수신기(206b)를 제어하며, 본 문서에 개시된 설명, 기능, 절차, 제안, 방법 및/또는 동작 순서도들을 구현하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 프로세서(202b)는 메모리(204b) 내의 정보를 처리하여 제3 정보/신호를 생성한 뒤, 송수신기(206b)를 통해 제3 정보/신호를 포함하는 무선 신호를 전송할 수 있다. 또한, 프로세서(202b)는 송수신기(206b)를 통해 제4 정보/신호를 포함하는 무선 신호를 수신한 뒤, 제4 정보/신호의 신호 처리로부터 얻은 정보를 메모리(204b)에 저장할 수 있다. 메모리(204b)는 프로세서(202b)와 연결될 수 있고, 프로세서(202b)의 동작과 관련한 다양한 정보를 저장할 수 있다. 예를 들어, 메모리(204b)는 프로세서(202b)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(202b)와 메모리(204b)는 무선 통신 기술(예, LTE, NR)을 구현하도록 설계된 통신 모뎀/회로/칩의 일부일 수 있다. 송수신기(206b)는 프로세서(202b)와 연결될 수 있고, 하나 이상의 안테나(208b)를 통해 무선 신호를 송신 및/또는 수신할 수 있다. 송수신기(206b)는 송신기 및/또는 수신기를 포함할 수 있다 송수신기(206b)는 RF 유닛과 혼용될 수 있다. 본 개시에서 무선 기기는 통신 모뎀/회로/칩을 의미할 수도 있다.
이하, 무선 기기(200a, 200b)의 하드웨어 요소에 대해 보다 구체적으로 설명한다. 이로 제한되는 것은 아니지만, 하나 이상의 프로토콜 계층이 하나 이상의 프로세서(202a, 202b)에 의해 구현될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 프로세서(202a, 202b)는 하나 이상의 계층(예, PHY(physical), MAC(media access control), RLC(radio link control), PDCP(packet data convergence protocol), RRC(radio resource control), SDAP(service data adaptation protocol)와 같은 기능적 계층)을 구현할 수 있다. 하나 이상의 프로세서(202a, 202b)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(202a, 202b)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(202a, 202b)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(206a, 206b)에게 제공할 수 있다. 하나 이상의 프로세서(202a, 202b)는 하나 이상의 송수신기(206a, 206b)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(202a, 202b)는 컨트롤러, 마이크로 컨트롤러, 마이크로 프로세서 또는 마이크로 컴퓨터로 지칭될 수 있다. 하나 이상의 프로세서(202a, 202b)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(202a, 202b)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(202a, 202b)에 포함되거나, 하나 이상의 메모리(204a, 204b)에 저장되어 하나 이상의 프로세서(202a, 202b)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(204a, 204b)는 하나 이상의 프로세서(202a, 202b)와 연결될 수 있고, 다양한 형태의 데이터, 신호, 메시지, 정보, 프로그램, 코드, 지시 및/또는 명령을 저장할 수 있다. 하나 이상의 메모리(204a, 204b)는 ROM(read only memory), RAM(random access memory), EPROM(erasable programmable read only memory), 플래시 메모리, 하드 드라이브, 레지스터, 캐쉬 메모리, 컴퓨터 판독 저장 매체 및/또는 이들의 조합으로 구성될 수 있다. 하나 이상의 메모리(204a, 204b)는 하나 이상의 프로세서(202a, 202b)의 내부 및/또는 외부에 위치할 수 있다. 또한, 하나 이상의 메모리(204a, 204b)는 유선 또는 무선 연결과 같은 다양한 기술을 통해 하나 이상의 프로세서(202a, 202b)와 연결될 수 있다.
하나 이상의 송수신기(206a, 206b)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(206a, 206b)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(206a, 206b)는 하나 이상의 프로세서(202a, 202b)와 연결될 수 있고, 무선 신호를 송수신할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 프로세서(202a, 202b)는 하나 이상의 송수신기(206a, 206b)가 하나 이상의 다른 장치에게 사용자 데이터, 제어 정보 또는 무선 신호를 전송하도록 제어할 수 있다. 또한, 하나 이상의 프로세서(202a, 202b)는 하나 이상의 송수신기(206a, 206b)가 하나 이상의 다른 장치로부터 사용자 데이터, 제어 정보 또는 무선 신호를 수신하도록 제어할 수 있다. 또한, 하나 이상의 송수신기(206a, 206b)는 하나 이상의 안테나(208a, 208b)와 연결될 수 있고, 하나 이상의 송수신기(206a, 206b)는 하나 이상의 안테나(208a, 208b)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(206a, 206b)는 수신된 사용자 데이터, 제어 정보, 무선 신호/채널 등을 하나 이상의 프로세서(202a, 202b)를 이용하여 처리하기 위해, 수신된 무선 신호/채널 등을 RF 밴드 신호에서 베이스밴드 신호로 변환(Convert)할 수 있다. 하나 이상의 송수신기(206a, 206b)는 하나 이상의 프로세서(202a, 202b)를 이용하여 처리된 사용자 데이터, 제어 정보, 무선 신호/채널 등을 베이스밴드 신호에서 RF 밴드 신호로 변환할 수 있다. 이를 위하여, 하나 이상의 송수신기(206a, 206b)는 (아날로그) 오실레이터 및/또는 필터를 포함할 수 있다.
본 개시에 적용 가능한 무선 기기 구조
도 3은 본 개시에 적용되는 무선 기기의 다른 예를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 무선 기기(300)는 도 2의 무선 기기(200a, 200b)에 대응하며, 다양한 요소(element), 성분(component), 유닛/부(unit), 및/또는 모듈(module)로 구성될 수 있다. 예를 들어, 무선 기기(300)는 통신부(310), 제어부(320), 메모리부(330) 및 추가 요소(340)를 포함할 수 있다. 통신부는 통신 회로(312) 및 송수신기(들)(314)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 통신 회로(312)는 도 2의 하나 이상의 프로세서(202a, 202b) 및/또는 하나 이상의 메모리(204a, 204b)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 송수신기(들)(314)는 도 2의 하나 이상의 송수신기(206a, 206b) 및/또는 하나 이상의 안테나(208a, 208b)을 포함할 수 있다. 제어부(320)는 통신부(310), 메모리부(330) 및 추가 요소(340)와 전기적으로 연결되며 무선 기기의 제반 동작을 제어한다. 예를 들어, 제어부(320)는 메모리부(330)에 저장된 프로그램/코드/명령/정보에 기반하여 무선 기기의 전기적/기계적 동작을 제어할 수 있다. 또한, 제어부(320)는 메모리부(330)에 저장된 정보를 통신부(310)을 통해 외부(예, 다른 통신 기기)로 무선/유선 인터페이스를 통해 전송하거나, 통신부(310)를 통해 외부(예, 다른 통신 기기)로부터 무선/유선 인터페이스를 통해 수신된 정보를 메모리부(330)에 저장할 수 있다.
추가 요소(340)는 무선 기기의 종류에 따라 다양하게 구성될 수 있다. 예를 들어, 추가 요소(340)는 전력 유닛/배터리, 입출력부(input/output unit), 구동부 및 컴퓨팅부 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이로 제한되는 것은 아니지만, 무선 기기(300)는 로봇(도 1, 100a), 차량(도 1, 100b-1, 100b-2), XR 기기(도 1, 100c), 휴대 기기(도 1, 100d), 가전(도 1, 100e), IoT 기기(도 1, 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 1, 140), 기지국(도 1, 120), 네트워크 노드 등의 형태로 구현될 수 있다. 무선 기기는 사용-예/서비스에 따라 이동 가능하거나 고정된 장소에서 사용될 수 있다.
도 3에서 무선 기기(300) 내의 다양한 요소, 성분, 유닛/부, 및/또는 모듈은 전체가 유선 인터페이스를 통해 상호 연결되거나, 적어도 일부가 통신부(310)를 통해 무선으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 무선 기기(300) 내에서 제어부(320)와 통신부(310)는 유선으로 연결되며, 제어부(320)와 제1 유닛(예, 130, 140)은 통신부(310)를 통해 무선으로 연결될 수 있다. 또한, 무선 기기(300) 내의 각 요소, 성분, 유닛/부, 및/또는 모듈은 하나 이상의 요소를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어부(320)는 하나 이상의 프로세서 집합으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어부(320)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(330)는 RAM, DRAM(dynamic RAM), ROM, 플래시 메모리(flash memory), 휘발성 메모리(volatile memory), 비-휘발성 메모리(non-volatile memory) 및/또는 이들의 조합으로 구성될 수 있다.
본 개시가 적용 가능한 휴대 기기
도 4는 본 개시에 적용되는 휴대 기기의 예를 도시한 도면이다.
도 4는 본 개시에 적용되는 휴대 기기를 예시한다. 휴대 기기는 스마트폰, 스마트패드, 웨어러블 기기(예, 스마트 워치, 스마트 글래스), 휴대용 컴퓨터(예, 노트북 등)을 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 4를 참조하면, 휴대 기기(400)는 안테나부(408), 통신부(410), 제어부(420), 메모리부(430), 전원공급부(440a), 인터페이스부(440b) 및 입출력부(440c)를 포함할 수 있다. 안테나부(408)는 통신부(410)의 일부로 구성될 수 있다. 블록 410~430/440a~440c는 각각 도 3의 블록 310~330/340에 대응한다.
통신부(410)는 다른 무선 기기, 기지국들과 신호(예, 데이터, 제어 신호 등)를 송수신할 수 있다. 제어부(420)는 휴대 기기(400)의 구성 요소들을 제어하여 다양한 동작을 수행할 수 있다. 제어부(420)는 AP(application processor)를 포함할 수 있다. 메모리부(430)는 휴대 기기(400)의 구동에 필요한 데이터/파라미터/프로그램/코드/명령을 저장할 수 있다. 또한, 메모리부(430)는 입/출력되는 데이터/정보 등을 저장할 수 있다. 전원공급부(440a)는 휴대 기기(400)에게 전원을 공급하며, 유/무선 충전 회로, 배터리 등을 포함할 수 있다. 인터페이스부(440b)는 휴대 기기(400)와 다른 외부 기기의 연결을 지원할 수 있다. 인터페이스부(440b)는 외부 기기와의 연결을 위한 다양한 포트(예, 오디오 입/출력 포트, 비디오 입/출력 포트)를 포함할 수 있다. 입출력부(440c)는 영상 정보/신호, 오디오 정보/신호, 데이터, 및/또는 사용자로부터 입력되는 정보를 입력 받거나 출력할 수 있다. 입출력부(440c)는 카메라, 마이크로폰, 사용자 입력부, 디스플레이부(440d), 스피커 및/또는 햅틱 모듈 등을 포함할 수 있다.
일 예로, 데이터 통신의 경우, 입출력부(440c)는 사용자로부터 입력된 정보/신호(예, 터치, 문자, 음성, 이미지, 비디오)를 획득하며, 획득된 정보/신호는 메모리부(430)에 저장될 수 있다. 통신부(410)는 메모리에 저장된 정보/신호를 무선 신호로 변환하고, 변환된 무선 신호를 다른 무선 기기에게 직접 전송하거나 기지국에게 전송할 수 있다. 또한, 통신부(410)는 다른 무선 기기 또는 기지국으로부터 무선 신호를 수신한 뒤, 수신된 무선 신호를 원래의 정보/신호로 복원할 수 있다. 복원된 정보/신호는 메모리부(430)에 저장된 뒤, 입출력부(440c)를 통해 다양한 형태(예, 문자, 음성, 이미지, 비디오, 햅틱)로 출력될 수 있다.
본 개시가 적용 가능한 무선 기기 종류
도 5는 본 개시에 적용되는 차량 또는 자율 주행 차량의 예를 도시한 도면이다.
도 5는 본 개시에 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 있으며, 차량의 형태로 한정되는 것은 아니다.
도 5를 참조하면, 차량 또는 자율 주행 차량(500)은 안테나부(508), 통신부(510), 제어부(520), 구동부(540a), 전원공급부(540b), 센서부(540c) 및 자율 주행부(540d)를 포함할 수 있다. 안테나부(550)는 통신부(510)의 일부로 구성될 수 있다. 블록 510/530/540a~540d는 각각 도 4의 블록 410/430/440에 대응한다.
통신부(510)는 다른 차량, 기지국(예, 기지국, 노변 기지국(road side unit) 등), 서버 등의 외부 기기들과 신호(예, 데이터, 제어 신호 등)를 송수신할 수 있다. 제어부(520)는 차량 또는 자율 주행 차량(500)의 요소들을 제어하여 다양한 동작을 수행할 수 있다. 제어부(520)는 ECU(electronic control unit)를 포함할 수 있다.
도 6은 본 개시에 적용되는 AI 기기의 예를 도시한 도면이다. 일 예로, 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 6을 참조하면, AI 기기(600)는 통신부(610), 제어부(620), 메모리부(630), 입/출력부(640a/640b), 러닝 프로세서부(640c) 및 센서부(640d)를 포함할 수 있다. 블록 610~630/640a~640d는 각각 도 3의 블록 310~330/340에 대응할 수 있다.
통신부(610)는 유무선 통신 기술을 이용하여 다른 AI 기기(예, 도 1, 100x, 120, 140)나 AI 서버(도 1, 140) 등의 외부 기기들과 유무선 신호(예, 센서 정보, 사용자 입력, 학습 모델, 제어 신호 등)를 송수신할 수 있다. 이를 위해, 통신부(610)는 메모리부(630) 내의 정보를 외부 기기로 전송하거나, 외부 기기로부터 수신된 신호를 메모리부(630)로 전달할 수 있다.
제어부(620)는 데이터 분석 알고리즘 또는 머신 러닝 알고리즘을 사용하여 결정되거나 생성된 정보에 기초하여, AI 기기(600)의 적어도 하나의 실행 가능한 동작을 결정할 수 있다. 그리고, 제어부(620)는 AI 기기(600)의 구성 요소들을 제어하여 결정된 동작을 수행할 수 있다. 예를 들어, 제어부(620)는 러닝 프로세서부(640c) 또는 메모리부(630)의 데이터를 요청, 검색, 수신 또는 활용할 수 있고, 적어도 하나의 실행 가능한 동작 중 예측되는 동작이나, 바람직한 것으로 판단되는 동작을 실행하도록 AI 기기(600)의 구성 요소들을 제어할 수 있다. 또한, 제어부(620)는 AI 장치(600)의 동작 내용이나 동작에 대한 사용자의 피드백 등을 포함하는 이력 정보를 수집하여 메모리부(630) 또는 러닝 프로세서부(640c)에 저장하거나, AI 서버(도 1, 140) 등의 외부 장치에 전송할 수 있다. 수집된 이력 정보는 학습 모델을 갱신하는데 이용될 수 있다.
메모리부(630)는 AI 기기(600)의 다양한 기능을 지원하는 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들어, 메모리부(630)는 입력부(640a)로부터 얻은 데이터, 통신부(610)로부터 얻은 데이터, 러닝 프로세서부(640c)의 출력 데이터, 및 센싱부(640)로부터 얻은 데이터를 저장할 수 있다. 또한, 메모리부(630)는 제어부(620)의 동작/실행에 필요한 제어 정보 및/또는 소프트웨어 코드를 저장할 수 있다.
입력부(640a)는 AI 기기(600)의 외부로부터 다양한 종류의 데이터를 획득할 수 있다. 예를 들어, 입력부(620)는 모델 학습을 위한 학습 데이터, 및 학습 모델이 적용될 입력 데이터 등을 획득할 수 있다. 입력부(640a)는 카메라, 마이크로폰 및/또는 사용자 입력부 등을 포함할 수 있다. 출력부(640b)는 시각, 청각 또는 촉각 등과 관련된 출력을 발생시킬 수 있다. 출력부(640b)는 디스플레이부, 스피커 및/또는 햅틱 모듈 등을 포함할 수 있다. 센싱부(640)는 다양한 센서들을 이용하여 AI 기기(600)의 내부 정보, AI 기기(600)의 주변 환경 정보 및 사용자 정보 중 적어도 하나를 얻을 수 있다. 센싱부(640)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(640c)는 학습 데이터를 이용하여 인공 신경망으로 구성된 모델을 학습시킬 수 있다. 러닝 프로세서부(640c)는 AI 서버(도 1, 140)의 러닝 프로세서부와 함께 AI 프로세싱을 수행할 수 있다. 러닝 프로세서부(640c)는 통신부(610)를 통해 외부 기기로부터 수신된 정보, 및/또는 메모리부(630)에 저장된 정보를 처리할 수 있다. 또한, 러닝 프로세서부(640c)의 출력 값은 통신부(610)를 통해 외부 기기로 전송되거나/되고, 메모리부(630)에 저장될 수 있다.
도 7은 본 개시에 적용되는 전송 신호를 처리하는 방법을 도시한 도면이다. 일 예로, 전송 신호는 신호 처리 회로에 의해 처리될 수 있다. 이때, 신호 처리 회로(700)는 스크램블러(710), 변조기(720), 레이어 매퍼(730), 프리코더(740), 자원 매퍼(750), 신호 생성기(760)를 포함할 수 있다. 이때, 일 예로, 도 7의 동작/기능은 도 2의 프로세서(202a, 202b) 및/또는 송수신기(206a, 206b)에서 수행될 수 있다. 또한, 일 예로, 도 7의 하드웨어 요소는 도 2의 프로세서(202a, 202b) 및/또는 송수신기(206a, 206b)에서 구현될 수 있다. 일 예로, 블록 710~760은 도 2의 프로세서(202a, 202b)에서 구현될 수 있다. 또한, 블록 710~750은 도 2의 프로세서(202a, 202b)에서 구현되고, 블록 760은 도 2의 송수신기(206a, 206b)에서 구현될 수 있으며, 상술한 실시예로 한정되지 않는다.
코드워드는 도 7의 신호 처리 회로(700)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(710)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(720)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(730)에 의해 하나 이상의 전송 레이어로 매핑될 수 있다. 각 전송 레이어의 변조 심볼들은 프리코더(740)에 의해 해당 안테나 포트(들)로 매핑될 수 있다(프리코딩). 프리코더(740)의 출력 z는 레이어 매퍼(730)의 출력 y를 N*M의 프리코딩 행렬 W와 곱해 얻을 수 있다. 여기서, N은 안테나 포트의 개수, M은 전송 레이어의 개수이다. 여기서, 프리코더(740)는 복소 변조 심볼들에 대한 트랜스폼(transform) 프리코딩(예, DFT(discrete fourier transform) 변환)을 수행한 이후에 프리코딩을 수행할 수 있다. 또한, 프리코더(740)는 트랜스폼 프리코딩을 수행하지 않고 프리코딩을 수행할 수 있다.
자원 매퍼(750)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(760)는 매핑된 변조 심볼들로부터 무선 신호를 생성하며, 생성된 무선 신호는 각 안테나를 통해 다른 기기로 전송될 수 있다. 이를 위해, 신호 생성기(760)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 7의 신호 처리 과정(710~760)의 역으로 구성될 수 있다. 일 예로, 무선 기기(예, 도 2의 200a, 200b)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.
6G 통신 시스템
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 connectivity"와 같은 4가지 측면일 수 있으며, 6G 시스템은 하기 표 1과 같은 요구 사항을 만족시킬 수 있다. 즉, 표 1은 6G 시스템의 요구 사항을 나타낸 표이다.
Per device peak data rate 1 Tbps
E2E latency 1 ms
Maximum spectral efficiency 100 bps/Hz
Mobility support up to 1000 km/hr
Satellite integration Fully
AI Fully
Autonomous vehicle Fully
XR Fully
Haptic Communication Fully
이때, 6G 시스템은 향상된 모바일 브로드밴드(enhanced mobile broadband, eMBB), 초-저지연 통신(ultra-reliable low latency communications, URLLC), mMTC (massive machine type communications), AI 통합 통신(AI integrated communication), 촉각 인터넷(tactile internet), 높은 스루풋(high throughput), 높은 네트워크 능력(high network capacity), 높은 에너지 효율(high energy efficiency), 낮은 백홀 및 접근 네트워크 혼잡(low backhaul and access network congestion) 및 향상된 데이터 보안(enhanced data security)과 같은 핵심 요소(key factor)들을 가질 수 있다.
도 8은 본 개시에 적용 가능한 6G 시스템에서 제공 가능한 통신 구조의 일례를 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 6G 시스템은 5G 무선통신 시스템보다 50배 더 높은 동시 무선통신 연결성을 가질 것으로 예상된다. 5G의 핵심 요소(key feature)인 URLLC는 6G 통신에서 1ms보다 적은 단-대-단(end-to-end) 지연을 제공함으로써 보다 더 주요한 기술이 될 것으로 예상된다. 이때, 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 수 있다.
6G 시스템의 핵심 구현 기술-THz(Terahertz) 통신
6G 시스템에서 THz 통신이 적용될 수 있다. 일 예로, 데이터 전송률은 대역폭을 늘려 높일 수 있다. 이것은 넓은 대역폭으로 sub-THz 통신을 사용하고, 진보된 대규모 MIMO 기술을 적용하여 수행될 수 있다.
도 9는 본 개시에 적용 가능한 전자기 스펙트럼을 도시한 도면이다. 일 예로, 도 9를 참조하면, 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 대역에 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.
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 BS(base station)에 통합될 수 있게 한다. 이를 통해 범위 제한을 극복할 수 있는 고급 적응형 배열 기술을 사용할 수 있다.
테라헤르츠(THz) 무선통신
도 10은 본 개시에 적용 가능한 THz 통신 방법을 도시한 도면이다.
도 10을 참조하면, 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.
지능형 반사 평면(reflecting intelligent surface, RIS)
RIS는 미래 무선 통신의 주요한 신기술 후보군 중 하나로서, 신호를 반사하는 복수의 소자 요소들을 구비한 표면이다. 각 소자 요소는 충돌하는 전자기파의 위상을 독립적으로 변화시킬 수 있다. RIS의 주된 특징 중 하나는 제어가 가능하여, 실시간으로 각각 요소의 위상 변화율을 조절할 수 있다는 것이다. 위상 변화율의 조절에 기반하여, 정보 전달율을 높이거나, 신호를 받지 못하는 장치를 보조하는 등, 무선 통신 채널을 실시간으로 변형하는 것이 가능하다. 또한, 신호 반사만을 지원하는 수동(passive) 소자들을 이용하기 때문에, RIS는 낮은 가격과 낮은 소모 전력 만으로 구현될 수 있다.
신호의 반사를 일으키는 소자인 메타물질(metamaterial)은 다양하게 구현될 수 있다. 예를 들어, 메타물질은 금속 소재를 이용한 다이오드 방식, 액정(liquid crystal)을 이용한 방식, 그래핀을 활용한 방식(예: SPP(surface Plasmon polariton)을 활용한 그래핀과 금속의 결합 방식)에 기반하여 구현될 수 있다. 메타물질은 이 외 다양한 방식에 의해 구현될 수 있다. 메타물질로 구성되는 소자들은 제어기(controller)에 의해 제어될 수 있다. 제어기는 소자들 각각을 제어함으로써, 소자들 각각에서 신호가 반사될 때 적용되는 위상 변화율을 조절할 수 있다. 예를 들어, 기지국 또는 별도의 장치가 제어기로서 기능할 수 있다.
경우에 따라, RIS는, 수동 소자 뿐만 아니라, 능동 소자를 더 포함할 수 있다. 능동 소자는 단순히 신호를 반사하는 것에서 나아가 수신되는 신호를 처리할 수 있는 능력을 가진 소자를 의미한다. 능동 소자는 수동 소자에 수신 RF 체인을 연결함으로서 구현될 수 있다. 능동 소자로 인해 RIS 장점 중 하나인 낮은 비용과 저복잡도의 특성이 약해질 수 있으나, 능동 소자는 좀더 다양하고 유연한 시스템 운영을 가능하게 할 수 있다. 능동 소자는 능동 센서라고 지칭되기도 한다.
본 발명의 구체적인 실시예
본 개시는 무선 통신 시스템에서 신호 송수신을 위한 빔 조향 장치 및 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 개시는 무선 통신 시스템에서 일측에 메타물질 구조물이 구비된 안테나를 이용하여, 빔(beam)의 방사 방향을 제어하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 여기서, 빔은 복수의 안테나 요소들을 이용하여 방향성을 가지도록 형성된 신호, 또는 방향성을 가진 신호를 형성하기 위한 가중치 또는 필터를 의미할 수 있다. 본 개시에서, 빔은 공간 도메인 필터(spatial domain filter) 또는 이와 동등한 기술적 의미를 가진 다른 용어로 지칭될 수 있다. 또한, 본 개시에서 빔포밍은 전기적 및/또는 기계적인 제어를 통해 빔을 형성하는 것, 및/또는 형성된 빔의 방향성을 제어 또는 가변하는 것을 모두 포함할 수 있다.
통신 시스템에서 고속 및 대용량의 데이터 전송 서비스를 구현하기 위한 기법 중 하나로, 배열 안테나의 위상을 제어하는 빔포밍 기법이 주목받고 있다. 배열 안테나의 위상을 제어하는 빔포밍 기법은 송수신기의 상호 위치에 따라 수신 감도 및/또는 신호 대 간섭비가 저하되는 것을 최소화하면서, 다중 스트림 전송을 통한 다중화 이득을 확보할 수 있는 이점이 있다. 5G, 또는 6G와 같은 차세대 통신 시스템에서는 매우 많은 수의 안테나를 필요로 것으로 예상된다. 따라서, 위상 천이기(phase shifter)를 이용하여 배열 안테나의 위상을 제어하는 기법을 이용하기 위해서는 매우 많은 수의 위상 천이기 및/또는 RF 소자에 대한 집적화가 이루어져야 할 필요가 있다. 그러나, 대규모(massive) 배열 안테나와 같은 대량의 거대 배열 안테나 구조에서 모든 단위 안테나에 위상 천이기를 연결하는 것은 복잡도가 매우 높아 구현이 용이하지 않은 문제점이 있다.
또한, 재구성 가능 안테나(reconfigurable antenna)를 이용하여 전기적으로 위상을 제어하는 빔포밍 기법이 연구되고 있다. 그러나, 재구성 가능 안테나를 이용하는 빔포밍 기법은, 핀 다이오드(PIN diode) 또는 기생 소자를 활용하여 안테나 방사체 형상 자체를 변경하는 것으로, 주로 평판형 안테나 또는 모바일용 안테나 분야에서 연구되어 왔다. 따라서, 재구성 안테나를 이용하는 빔 조향 기법은 고 이득 안테나 보다는 소형 안테나에 특화되어 있고, 안테나 설계 단계에서 빔포밍을 위한 설계가 진행되어야 하므로, 범용성 측면에서 한계가 존재한다.
이에 따라, 최근에는 메타표면 기반의 빔 조향 기법이 연구되고 있다. 메타표면 기반의 빔포밍 기법은 도 11에 도시된 바와 같이, 송신 배열(transmit-array) 또는 반사 배열(reflect-array) 형태의 고 이득 안테나에 RIS와 같은 메타표면(1110)을 적용하여 빔을 조향하는 기법이다. 도 11은 메타표면 기반의 안테나 구조를 도시한다. 도 11에 도시된 바와 같이, 메타표면은 안테나의 크기에 비해 매우 넓은 면적을 가지며, 초점 거리 확보를 위해 안테나와 일정 거리 이상 이격되어야 한다. 또한, 메타표면의 각 단위 구조에는 개별적 위상 제어를 위한 다층의 회로가 포함되어야 하며, 각 단위 구조별 제어를 위한 대량의 제어 선로가 구비되어야 하므로, 구현 복잡도가 매우 높은 단점을 가진다.
따라서, 고 이득 안테나의 설계를 변경하지 않고, 단순한 제어를 통해 빔을 조향하는 방식이 제공될 필요가 있다.
본 개시에서는, 고 이득 안테나의 일측에 메타물질 구조물을 추가하여, 고 이득 안테나에 의해 형성되는 빔의 방향성을 제어하는 빔 조향 방식에 대해 설명할 것이다. 이하에서는 설명의 편의를 위해, 고 이득 안테나로 혼(horn) 안테나를 예로 들어 설명하나, 본 개시의 실시예들은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 이하 실시예들은 고 이득 및/또는 고지향성을 갖는 다른 타입의 안테나에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 12는 고 이득 안테나의 기본 빔을 도시하고, 도 13은 본 개시의 일 실시예에 따른 메타물질 구조물이 구비된 안테나의 빔 조향 특성을 도시한다.
먼저, 도 12를 참조하면, 고 이득 안테나(1200)는 주어진 방향으로의 방향성을 갖는 좁은 폭의 기본 빔(1210)을 형성할 수 있다.
반면, 본 개시의 실시예에서는, 도 13에 도시된 바와 같이, 고 이득 안테나(1310)의 개구면 또는 외부에 적어도 하나의 메타물질 구조물(1321, 1322)을 추가하고, 추가된 메타물질 구조물(1321, 1322)의 상태를 제어함으로써, 고 이득 안테나(1310)에 의해 형성된 빔의 방향성을 제어할 수 있다. 예를 들어, 고 이득 안테나(1310)의 개구면 양측에 제1 메타물질 구조물(1321) 및 제2 메타물질 구조물(1322)이 서로 대칭되도록 배치될 수 있다. 메타물질 구조물은, 고 이득 안테나의 개구면에 구비될 수 있으므로, 본 개시의 메타물질 구조물은 메타물질 개구면(Metamaterial aperture)으로 지칭될 수도 있다.
일실시예에 따라, 제1 메타물질 구조물(1321) 및 제2 메타물질 구조물(1322)이 모두 오프 상태로 제어되는 경우, 고 이득 안테나(1310)에 의해 형성되는 빔의 방향성은 0° 방향으로 유지될 수 있다. 이때, 고 이득 안테나(1310)에 의해 형성된 빔은 0° 방향의 기본 빔인 빔 4로 조향될 수 있다.
일실시예에 따라, 제1 메타물질 구조물(1321)이 온(on) 상태로 제어되고, 제2 메타물질 구조물(1322)이 오프(off) 상태로 제어되는 경우, 고 이득 안테나(1310)에 의해 형성되는 빔의 방향성은 -θ°방향으로 변경 또는 조향될 수 있다. 이때, 고 이득 안테나(1310)에 의해 형성된 빔은 제1 메타물질 구조물(1321)에 의해 빔 1, 빔 2, 또는 빔 3 중 어느 하나로 조향될 수 있다.
일실시예에 따라, 제2 메타물질 구조물(1322)이 온(on) 상태로 제어되고, 제1 메타물질 구조물(1321)이 오프(off) 상태로 제어되는 경우, 고 이득 안테나(1310)에 의해 형성되는 빔의 방향성은 +θ°방향으로 변경 또는 조향될 수 있다. 이때, 고 이득 안테나(1310)에 의해 형성된 빔은 제2 메타물질 구조물(1322)에 의해 빔 5, 빔 6, 또는 빔 7 중 어느 하나로 조향될 수 있다.
본 개시의 실시예에 따른 메타물질 구조물은, 복수의 메타물질 공진기들을 포함할 수 있다. 메타물질 공진기는 분리형 링 공진기(split ring resonator; SRR)일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 메타물질 공진기는 도 14에 도시된 바와 같이 구성될 수 있다.
도 14는 본 개시의 일 실시예에 따른 메타물질 공진기(1400)의 구조에 대한 일 예를 도시한다. 도 14를 참조하면, 메타물질 공진기(1400)는, 유전체 기판(1410), 및 금속 패턴(1420)을 포함할 수 있다. 금속 패턴(1420)은 유전체 기판(1410) 상에 배치되고, 슬롯(1430)이 형성된 사각 링 형태를 가질 수 있다. 금속 패턴(1420) 또는 슬롯(1430)은, 그래핀, 또는 PIN 다이오드를 포함할 수 있다.
도 14에 도시된 바와 같이 구성된 메타물질 공진기(1400)는 금속 패턴(1420)에 의한 인덕턴스 성분, 사각 링 형태에 의한 커패시턴스, 및 슬롯(1430)에 의한 커패시턴스에 의해 LC 공진기로 동작할 수 있다. 본 개시에서, 메타물질 공진기(1400)의 형상은 동작 주파수, 및/또는 품질 인자(quality factor)를 고려하여 설계될 수 있다.
본 개시의 실시예에 따른 메타물질 구조물은, 적어도 하나의 메타물질 셀을 포함할 수 있다. 도 15는 본 개시의 일 실시예에 따른 메타물질 단위 공진기들로 구성되는 메타물질 셀(1500)의 일 예를 도시한다. 메타물질 셀(1500)은, 도 15에 도시된 바와 같이, 복수의 메타물질 공진기들을 포함할 수 있다. 메타물질 셀(1500)을 구성하는 복수의 메타물질 공진기(1400)들은 동일한 방향으로 배치되되, 서로 일정 간격으로 이격되도록 배치될 수 있다. 메타물질 셀(1500)은 빔 조향을 위해 상태 제어에 이용되는 단위 구조일 수 있다. 예를 들어, 하나의 메타물질 셀(1500)에 포함되는 메타물질 공진기들은 실질적으로 동일한 시점에 온 상태로 동작하도록 제어되거나, 또는 실질적으로 동일한 시점에 오프 상태로 동작하도록 제어될 수 있다. 이는, 하나의 메타물질 셀(1500)에 포함되는 메타물질 공진기들이 동일한 시점에 서로 다른 상태로 동작하지 않는 것을 의미한다. 여기서는, 하나의 메타물질 셀(1500)이 4개의 메타물질 공진기들로 구성되는 것을 예로 들어 설명하였으나, 이는 예시일 뿐, 본 개시의 실시예들은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 메타물질 셀(1500)은 둘 이상의 메타물질 공진기들로 구성될 수 있다. 다만, 메타물질 셀(1500)에 포함되는 메타물질 공진기들의 개수, 배치 간격, 및/또는 배치 방향은, 동작 주파수, 및/또는 품질 인자(quality factor)를 고려하여 설계될 수 있다. 이는, 서로 인접하게 메타물질 공진기들 간에 상호 결합이 발생되어 동작 주파수 및/또는 동작 특성에 변화가 발생될 수 있기 때문이다.
본 개시의 실시예에 따른 메타물질 구조물은, 복수의 메타물질 셀들을 포함할 수 있다. 도 16은 본 개시의 일 실시예에 따른 메타물질 셀들로 구성되는 메타물질 구조물(1600)의 일 예를 도시한다. 메타물질 구조물(1600)은 도 16에 도시된 바와 같이, 메타물질 셀(1500)이 반복적 또는 주기적으로 배치된 형태로 구성될 수 있다. 메타물질 구조물(1600)에 포함되는 복수의 메타물질 셀(1500)들은 동일한 방향으로 배치되되, 서로 일정 간격으로 이격되도록 배치될 수 있다. 메타물질 구조물(1600)에 포함되는 메타물질 셀들의 수는, 메타물질 구조물(1600)을 통해 형성 또는 조향하고자 하는 빔들의 개수, 폭, 및/또는 방향을 고려하여 결정될 수 있다.
본 개시의 실시예에 따르면, 고 이득 안테나의 전자기장 방향, 전파 진행 벡터, 또는 메타물질 공진기의 동작 특성 중 적어도 하나를 고려하여, 고 이득 안테나에 대한 메타물질 공진기, 메타물질 셀, 및/또는 메타물질 구조물의 배치 위치 및/또는 배치 방향을 결정할 수 있다. 메타물질 공진기는 종류에 따라 인가되는 전자기장에 의해 동작이 결정되는 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 메타물질 공진기가 도 14에 도시된 바와 같은 SRR인 경우, 메타물질 공진기는 공진기의 평면 상에 수직한 방향으로 시변 자기장이 인가될 때 동작할 수 있다.
도 17은 본 개시의 일 실시예에 따라 안테나의 전자기장 방향을 고려한 메타물질 셀의 배치 예를 도시한다. 도 17에 도시된 바와 같이, 혼 안테나(1310)가 기본 모드인 TE10모드(1710)로 동작하는 경우, 전기장(E-filed)(1720)은 제1 방향으로 형성되고, 자기장(H-filed)(1730)은 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 형성될 수 있다. 이때, SRR들을 포함하는 메타물질 셀(1500)은 혼 안테나(1310)의 개구면에 배치되되, SRR들의 평면이 혼 안테나(130)의 자기장(1730)의 방향과 수직을 이루도록 배치될 수 있다. 이는, SRR인 메타물질 공진기가 평면 상에 수직한 방향으로 시변 자기장이 인가될 때 동작하기 때문이다.
도 18은 본 개시의 일 실시예에 따라 안테나의 전파 진행 벡터를 고려한 메타물질 구조물의 배치 예를 도시한다. 도 18에 도시된 바와 같이, 혼 안테나(1310)가 기본 모드인 TE10모드(1710)로 동작하는 경우, 메타물질 구조물(1600)은 혼 안테나(1310)로부터 출력되는 전파를 특정 방향으로 반사(1810)시킬 수 있는 위치에 배치될 수 있다.
상술한 도 17 및/또는 도 18과 같이, 본 개시의 실시예에서는 고 이득 안테나의 전자기장 방향, 전파 진행 벡터, 또는 메타물질 공진기의 동작 특성을 고려하여, 메타물질 구조물의 배치 위치 및/또는 배치 방향을 결정할 수 있다. 또한, 본 개시의 실시예에 따른 메타물질 구조물의 기본 단위인 메타물질 공진기의 종류는, 고 이득 안테나의 전자기장 방향, 또는 전파 진행 백터를 고려하여 결정될 수 있다. 즉, 메타물질 공진기는 SRR로 한정되지 않고, 고 이득 안테나의 전자기장 방향, 및/또는 전파 진행 백터를 고려하여 선택된 다른 종류의 메타물질 공진기일 수도 있다.
상술한 바와 같은, 메타물질 구조물(1600)은 메타물질 공진기들에 인가되는 전자기장이 이상적으로 균일한 상태를 가진 것을 가정한 것이다. 그러나, 실제 안테나의 개구면 상에서의 전자기장은 균일하지 않을 수 있다. 따라서, 도 19에 도시된 바와 같이, 2개의 안테나들(1310-1, 1310-2) 활용하여 획득되는 송수신 결과를 메타물질 구조물(1600) 설계에 반영할 수 있을 것이다.
일실시예에 따르면, 2개의 안테나들(1310-1, 1310-2)을 활용하여 S 파라미터(s-parameter)의 특성, 유효 유전율, 또는 유효 투자율 특성을 획득하고, 이에 기초하여 메타물질 구조물(1600)을 설계할 수 있다. 여기서, S 파라미터의 특성은 주파수 대역별 S 파라미터의 크기 및 위상 데이터를 포함할 수 있다.
도 20은 본 개시의 일 실시예에 따라 메타물질 구조물 설계에 고려되는 S 파라미터의 특성을 도시한다. 여기서, 가로축은 주파수를 나타내고, 세로축은 S파라미터를 나타낸다. 또한, S11은 적어도 하나의 메타물질 공진기의 신호 반사 양을 의미하고, S21은 적어도 하나의 메타물질 공진기에 대한 신호 투과 양을 의미할 수 있다. 예를 들어, S11은 제1 안테나(1310-1)에 입력된 신호의 양 대비 적어도 하나의 메타물질 공진기에 의해 제1 안테나(1310-1)로 반사되는 신호의 양을 나타내는 지표일 수 있다. S21은 제1 안테나(1310-1)에 입력된 신호의 양 대비 적어도 하나의 메타물질 공진기를 투과하여 제2 안테나(1310-2)로 출력되는 신호의 양을 나타내는 지표일 수 있다.
도 20을 참조하면, S11이 160GHz의 대역에서 0에 가까운 값을 가지고, 나머지 주파수 대역에서는 점점 값이 작아져 -10dB 정도의 값을 가짐을 알 수 있다. 또한, S21은 160GHz 대역에서 -30dB 정도의 매우 작은 값을 가지고, 그 외 주파수 대역에서는 0에 가까운 값을 가짐을 알 수 있다. 이는, 160GHz 대역에서 대부분의 입력 신호가 메타물질 공진기에 의해 반사되고, 그 외 주파수 대역에서는 대부분의 입력 신호가 메타물질 공진기를 투과함을 나타낼 수 있다. 또한, 메타물질 공진기가 160Ghz 대역에서 동작하며, 전파 공진으로 인해 금속 패턴 상에서 에너지가 집중되어 반사 현상이 나타남을 의미할 수 있다.
도 21은 본 개시의 일 실시예에 따라 메타물질 구조물 설계에 고려되는 유효 투자율의 특성을 도시한다. 여기서, 가로축은 주파수를 나타내고, 세로축은 유효 투자율을 나타낸다.
도 21을 참조하면, 160GHz 대역에서 유효 투자율이 양의 값에서 음의 값으로 변경됨을 알 수 있다. 즉, 빛이나 전파의 굴절율은 통과하는 매질의 유전율과 투자율을 간단히 연산하여 나타나게 되는데, 자연계에는 보통 유전율과 투자율이 양수로만 존재한다. 그러나, 메타물질 공진기들이 무한개가 있는 것처럼 반복적으로 배치하고, 특정 방향으로 전파를 입사시키는 경우, 특정 주파수에서 유효 투자율이 음의 값을 갖거나, 양수이지만 인위적으로 변경된 값을 가질 수 있다. 이는 특정 주파수에서 메타물질 공진기가 동작함을 의미할 수 있다.
따라서, 본 개시의 실시예에 따른 메타물질 구조물은, 도 20의 공진 주파수가 도 21의 음의 투자율을 갖는 특정 주파수, 또는 투자율이 인위적으로 변화되는 특정 주파수와 일치되도록, 설계될 수 있다.
상술한 바와 같이 설계된 메타물질 구조물은 도 22에 도시된 바와 같이 고 이득 안테나의 일측에 배치될 수 있다. 도 22는 본 개시의 일 실시예에 따른 메타물질 구조물의 배치 예를 도시한다. 도 22를 참조하면, 메타물질 구조물들은 안테나(1310)의 개구면의 양측에 배치되되, 서로 대칭되는 구조를 갖도록 구비될 수 있다. 메타물질 구조물들 각각은 금속 패턴이 배치된 제1평면, 및 제1 평면의 배면인 제2평면을 포함할 수 있다. 메타물질 구조물들은, 제2 평면들이 서로 마주보고, 제1 평면들이 서로 반대 방향을 향하도록 배치될 수 있다. 일실시예에 따르면, 메타물질 구조물의 크기는 안테나 개구면의 크기에 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 메타물질 구조물(1600)의 z축 방향의 길이(2210)는, 안테나 개구면의 x축 방향의 길이(2220) 및 y축 방향의 길이(2200)보다 작거나 같은 갖도록 설계될 수 있다. 이는 예시일 뿐, 본 개시의 실시예들에 따른 메타물질 구조물의 크기는 이에 한정되지 않는다.
이하에서는, 상술한 바와 같이 배치된 메타물질 구조물을 제어하여 빔을 조향하는 방식에 대해 설명할 것이다.
본 개시의 일실시예에 따르면, 메타물질 구조물에 포함되는 각 메타물질 셀들은 서로 다른 셀 번호를 가질 수 있다. 이는, 메타물질 구조물을 셀 단위로 제어하기 위함이다. 여기서는, 설명을 위해, 도 22 및 도 23에 도시된 바와 같이, 메타물질 구조물들 각각이 4개의 메타물질 셀들을 포함하고, 각 메타물질 셀이 4개의 메타물질 공진기를 포함하는 경우를 가정하여 설명할 것이다. 이는 설명 및 도시의 편의를 위한 예시적인 구조일 뿐, 본 개시물의 실시예들은 이에 한정되지 않는다.
도 23에 도시된 바와 같이, 메타물질 셀들에는 서로 다른 셀 번호(예: cell 1, cell 2, ... cell 8)가 할당될 수 있다. 메타물질 셀들 각각은 제어기(controller)에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 메타물질 셀들 각각은 제어기에 의해 인가되는 전압에 기초하여, 온/오프(on/off)될 수 있다.
일 실시예에 따라 메타물질 셀이 그래핀 기반의 메타물질 공진기들로 구성되는 경우, 제어기는 메타물질 셀로 인가되는 DC 전압을 제어하여, 메타물질 셀의 상태를 제어할 수 있다. 이는, 그래핀이 인가 전압에 따라 전도도가 변경되는 특성을 가지기 때문이다. 따라서, 제어기는 각 메타물질 셀에 인가되는 전압을 제어하여 도 24a에 도시된 바와 같이, 메타물질 셀이 화학 퍼텐셜(chemical potential)이 1.0eV인 온 상태가 되거나, 또는 화학 퍼텐셜이 0.0eV인 오프 상태가 되도록 제어할 수 있다. 여기서, 화학 퍼텐셜이 1.0eV인 온 상태는, 그래핀이 도체로 동작하는 상태일 수 있다. 화학 퍼텐셜이 0.0eV인 오프 상태는, 그래핀이 부도체로 동작하는 상태일 수 있다.
일 실시예에 따라 메타물질 셀이 PIN 다이오드 기반의 메타물질 공진기들로 구성되는 경우, 제어기는 메타물질 셀로 인가되는 DC 전압을 제어하여, 메타물질 셀의 상태를 제어할 수 있다. 이는, PIN 다이오드가 바이어스 전압 인가 여부에 따라 스위치와 같이 도체를 연결하거나 도체 연결을 해제하는 특성을 가지기 때문이다. 따라서, 제어기는 도 24b에 도시된 바와 같이, 메타물질 셀이 DC 바이어스 전압을 공급받는 온 상태, 또는 DC 바이어스 전압을 공급받지 않는 오프 상태가 되도록 제어할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제어기는 메타물질 셀들의 온/오프 상태를 제어함으로써, 고 이득 안테나의 빔 방향(또는 빔 방사 패턴)을 조절할 수 있다. 예를 들어, 제어기는 하기 표 2에 나타낸 바와 같이, 메타물질 셀들의 상태를 제어함으로써 원하는 방향으로 빔을 조향할 수 있다.
표 2는 빔 방향별 메타물질 셀들의 상태를 나타낼 수 있다.
State Beam direction Cell 1 Cell 2 Cell 3 Cell 4 Cell 5 Cell 6 Cell 7 Cell 8
1 -30° On On On On Off Off Off Off
2 -28° On On On Off Off Off Off Off
3 -24° On On Off Off Off Off Off Off
4 -15° On Off Off Off Off Off Off Off
5 0° Off Off Off Off Off Off Off Off
6 +14° Off Off Off Off On Off Off Off
7 +22° Off Off Off Off On On Off Off
8 +28° Off Off Off Off On On On Off
9 +30° Off Off Off Off On On On On
표 2는, 메타물질 구조물이 도 22 및/또는 23에 도시된 바와 같이 구성 및/또는 배치된 경우에, 각 메타물질 셀들의 온/오프 상태에 따른 빔 방향을 나타낸다. 즉, 표 2를 참조하면, Cell 1, Cell 2, Cell 3, 및 Cell 4를 온 시키고, Cell 5, Cell 6, Cell 7, 및 Cell 8을 오프시키는 경우, 고 이득 안테나의 빔 방향을 -30°방향으로 조향할 수 있음을 알 수 있다. 또한, Cell 1만 온 시키고, 그 외 셀들을 모두 오프시키는 경우, 고 이득 안테나의 빔 방향을 -15°방향으로 조향할 수 있음을 알 수 있다. 제어기는 표 2와 같이 빔 방향별 메타물질 셀들의 상태를 나타내는 테이블을 미리 획득 및 저장하고, 이에 기초하여 빔 조향을 수행할 수 있다. 빔 방향별 메타물질 셀들의 상태를 나타내는 테이블은 설계 단계에서 실험을 통해 획득될 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 제어기는 표 2에 나타낸 바와 같이, 메타물질 셀들의 온/오프 상태를 제어함으로써, 메타물질 구조물 내의 셀 패턴을 변경할 수 있다. 예를 들어, 제어기가 state 1에 대응되도록 각 셀들의 온/오프 상태를 제어하는 경우, 메타물질 구조물 내의 셀 패턴은 제1 셀 패턴이 될 수 있다. 다른 예로, 제어기가 state 2에 대응되도록 각 셀들의 온/오프 상태를 제어하는 경우, 메타물질 구조물 내의 셀 패턴은 제2 셀 패턴이 될 수 있다. 여기서, 제1 셀 패턴과 제2 셀 패턴은 적어도 일부분이 상이할 수 있다.
도 25는 본 개시의 일 실시예에 따른 메타물질 구조물을 포함하는 안테나의 주파수별 반사계수를 도시하고, 도 26은 본 개시의 일 실시예에 따른 메타물질 구조물을 포함하는 안테나의 빔 조향 성능을 도시한다. 도 25 및 도 26은, 상술한 도 22, 도 23, 및 표 2에 기초한 모의 실험 결과를 나타낸다. 여기서, 각 상태들(State1~State9)은 표 2의 빔 방향별 메타물질 셀들의 상태에 대응될 수 있다. 예를 들어, State 1은, "빔 방향: -30°, "Cell 1: on, Cell 2: on, Cell 3: on, Cell 4: on, Cell 5: off, Cell 6: off, Cell 7: off, 및 Cell 8: off"에 대응되는 상태일 수 있다.
도 25를 참조하면, 각 상태별 S11은 넓은 주파수 대역에서 -10dB 이하의 값을 가진다. 이는 넓은 주파수 대역에서 메타물질 구조물이 구비된 혼 안테나의 임피던스 정합이 잘 유지되고 있음을 의미한다.
도 26은 표 2의 각 상태별 빔 방향에 대한 빔 방사 패턴 특성을 나타낸다. 도 26을 참조하면, 소스 안테나의 3dB 빔 폭의 범위인 -30°~+30° 내에서 빔이 조향되는 것을 알 수 있다. 특히, 도 26을 참조하면, 원래 혼 안테나의 이득보다 메타물질 구조물을 이용한 빔 조향 상태에서 약 1~1.5dB 정도의 더 높은 이득을 가짐을 알 수 있다. 이는 본 개시의 실시예들에 따른 메타물질 구조물의 빔 조향 성능이 우수함을 의미한다.
상술한 바와 같은 본 개시의 실시예들에 따르면, 고 이득 안테나에 대한 설계 및/또는 형상을 변경하지 않고, 고 이득 안테나의 일측에 추가되는 메타물질 구조물에 대한 제어하는 것만으로 빔을 조향할 수 있다. 즉, 본 개시의 실시예들에 따라 고 이득 안테나에 메타물질 구조물을 추가하고, 이를 셀별로 제어하는 방식은, 종래 방식들에 비해 설계, 구현 및/또는 제어 측면에서 복잡도가 낮은 이점이 있다. 예를 들어, 간단한 사각 링 구조를 갖는 메타물질 공진기 만으로 빔 조향을 제어할 수 있고, 핀 다이오드와 같은 가변 제어 소자 또한 매우 간단하게 적용할 수 있어, 설계 및 구현 복잡도를 크게 개선할 수 있다.
또한, 본 개시의 실시예들에 따른 메타물질 구조물은 크기가 작고, 고 이득 안테나에 인접하게 배치됨으로써, 안테나 전체의 크기에 큰 영향을 미치지 않는 이점이 있다. 예를 들어, 본 개시의 실시예들에 따른 메타물질 구조물은 종래의 송신 배열(transmit-array) 안테나와 같이 초점 거리 확보를 위한 거대한 이격 거리가 필요하지 않기 때문에, 종래 기술에 비해 안테나를 소형화시킬 수 있는 이점이 있다.
도 27은 본 개시의 일 실시예에 따른 통신 수행을 위한 단말과 기지국 사이의 신호 흐름을 도시한다. 도 27의 단말 및 기지국 각각은, 도 13 내지 26에서 설명한 바와 같은 메타물질 구조물이 구비된 안테나를 포함할 수 있다.
도 27을 참조하면, S2701 단계에서 기지국(2710)은 단말(2700)로 동기 신호를 전송할 수 있다. 예를 들어, 기지국(2710)은 서로 다른 송신 빔을 통해 SSB(Synchronization Signal Block)들을 송신할 수 있다. SSB들 각각은 PSS(Primary Synchronization Signal) 및 SSS(Secondary Synchronization Signal)를 포함하는 동기 신호, 및/또는 PBCH(Physical Broadcast Channel), PBCH를 위한 DMRS(Demodulation Reference Signal)들을 포함할 수 있다. SSB들 각각은 서로 다른 시간 구간 또는 기회(occasion)에 대응되며, 서로 다른 인덱스를 가질 수 있다. 이때, 단말(2700)은 기지국(2710)으로부터 적어도 하나의 동기 신호를 수신할 수 있다. 예를 들어, 단말(2700)은 지정된 시간 구간 동안에 복수의 수신 빔들 중 적어도 하나의 수신 빔을 통해 적어도 하나의 SSB를 수신할 수 있다.
S2703 단계에서, 수신된 적어도 하나의 동기 신호에 기초하여 랜덤 액세스 프리앰블을 기지국(2710)으로 전송할 수 있다. 단말(2700)은 복수의 수신 빔들 중 적어도 하나를 통해 수신된 적어도 하나의 SSB에 대한 신호 세기를 측정하고, 신호 세기가 가장 큰 SSB의 인덱스를 식별할 수 있다. 단말(2700)은 식별된 SSB 인덱스 대응되는 수신 빔에 기초하여 송신 빔을 결정하고, 결정된 송신 빔을 통해 랜덤 액세스 프리앰블을 기지국(2710)으로 전송할 수 있다.
S2705 단계에서, 기지국(2710)은 단말(2700)로 랜덤 액세스 응답을 전송할 수 있다. 예를 들어, 기지국(2710)은 랜덤 액세스 프리앰블을 수신한 것에 대한 응답으로, 랜덤 액세스 응답을 전송할 수 있다. 일실시예에 따르면, 기지국(2710)은 복수의 수신 빔들 중 랜덤 액세스 프리앰블이 수신된 수신 빔에 기초하여 송신 빔을 결정하고, 결정된 송신 빔을 이용하여 랜덤 액세스 응답을 전송할 수 있다. 예를 들어, 기지국(2710)은 수신된 랜덤 액세스 프리앰블에 기초하여 단말(2700)에서 식별된 SSB 인덱스를 확인하고, 확인된 SSB 인덱스에 기초하여 송신 빔을 결정할 수 있다.
S2707 단계에서, 단말(2700)은 기지국(2710)과 연결을 수립하고, S2709에서, 연결을 통해 기지국(2710)과 통신을 수행할 수 있다. 이때, 단말(2700)과 기지국(2710) 각각은 적어도 하나의 빔을 이용하여 다른 장치와 통신을 수행할 수 있다. 여기서, 적어도 하나의 빔은 안테나의 개구면에 구비된 메타물질 구조물의 셀 상태를 제어하여 생성될 수 있다. 예를 들어, 단말(2700)과 기지국(2710)은 도 13 내지 도 26에서 설명한 바와 같은, 메타물질 구조물이 구비된 안테나를 이용하여 원하는 방향으로 빔을 조향할 수 있다. 메타물질 구조물의 셀 상태를 제어하는 것은, 메타물질 구조물의 셀 패턴을 제어하는 것을 의미할 수 있다. 이는, 메타물질 구조물의 셀 패턴은, 메타물질 구조물에 포함되는 각 셀들의 온/오프 상태에 따라 변경되기 때문이다.
도 28은 본 개시의 일 실시예에 따른 단말에서 통신을 수행하는 절차의 예를 도시한다. 도 28의 단말은 도 27의 단말(2700)일 수 있다.
도 28을 참조하면, S2801 단계에서 단말은 기지국으로부터 적어도 하나의 동기 신호를 수신할 수 있다. 예를 들어, 단말은 기지국으로부터 서로 다른 송신 빔을 통해 송신되는 SSB들 중 적어도 하나의 SSB를 수신할 수 있다.
S2803 단계에서, 단말은 수신된 적어도 하나의 동기 신호에 기초하여 랜덤 액세스 프리앰블을 기지국으로 전송할 수 있다. 단말은 복수의 수신 빔들을 이용하여 수신된 적어도 하나의 SSB에 대한 신호 세기를 측정하고, 신호 세기가 가장 큰 SSB의 인덱스를 식별할 수 있다. 단말은 식별된 SSB 인덱스 대응되는 수신 빔에 기초하여 송신 빔을 결정하고, 결정된 송신 빔을 통해 랜덤 액세스 프리앰블을 기지국으로 전송할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 단말은 안테나의 개구면에 구비된 메타물질 구조물의 셀 상태를 제어하여, 결정된 송신 빔을 생성할 수 있다. 예를 들어, 단말은 도 13 내지 도 26에서 설명한 바와 같은, 메타물질 구조물의 셀 상태를 제어하여 안테나의 빔 방사 패턴을 조향함으로써, 결정된 송신 빔을 생성할 수 있다.
S2805 단계에서, 단말은 기지국으로부터 랜덤 액세스 응답을 수신할 수 있다. 예를 들어, 단말은 랜덤 액세스 프리앰블을 송신한 것에 대한 응답으로, 랜덤 액세스 응답을 수신할 수 있다.
S2807 단계에서, 단말은 기지국과 연결을 수립하고, 연결을 통해 기지국과 통신을 수행할 수 있다. 이때, 단말은 적어도 하나의 빔을 통해 기지국과 통신을 수행할 수 있다. 여기서, 적어도 하나의 빔은 안테나의 개구면에 구비된 메타물질 구조물의 셀 상태를 제어하여 생성될 수 있다. 예를 들어, 단말은 도 13 내지 도 26에서 설명한 바와 같은, 메타물질 구조물의 셀 상태를 제어하여 안테나의 빔 방사 패턴을 조향함으로써, 적어도 하나의 빔을 생성할 수 있다.
도 29는 본 개시의 일 실시예에 따른 기지국에서 통신을 수행하는 절차의 예를 도시한다. 도 29의 기지국은 도 27의 기지국(2710)일 수 있다.
도 29를 참조하면, S2901 단계에서 기지국은 단말로 동기 신호를 전송할 수 있다. 예를 들어, 기지국은 도 27의 S2701 단계에서 설명한 바와 같이 동기 신호를 전송할 수 있다.
S2903 단계에서, 기지국은 단말로부터 랜덤 액세스 프리앰블을 수신하고, S2905 단계에서, 단말로 랜덤 액세스 응답을 전송할 수 있다. 예를 들어, 기지국은 랜덤 액세스 프리앰블을 수신한 것에 대한 응답으로, 랜덤 액세스 응답을 전송할 수 있다. 기지국은 단말로부터 수신되는 랜덤 액세스 프리앰블에 기초하여 단말이 식별한 SSB 인덱스를 확인하고, 확인된 SSB 인덱스에 기초하여 송신 빔을 결정할 수 있다. 기지국은 결정된 송신 빔을 이용하여 랜덤 액세스 응답을 전송할 수 있다.
S2907 단계에서, 기지국은 단말과 연결을 수립하고, S2909에서, 연결을 통해 단말과 통신을 수행할 수 있다. 이때, 기지국은 적어도 하나의 빔을 통해 단말과 통신을 수행할 수 있다. 여기서, 적어도 하나의 빔은 안테나의 개구면에 구비된 메타물질 구조물의 셀 상태를 제어하여 생성될 수 있다. 예를 들어, 기지국은 도 13 내지 도 26에서 설명한 바와 같은, 메타물질 구조물의 셀 상태를 제어하여 안테나의 빔 방사 패턴을 조향함으로써, 적어도 하나의 빔을 생성할 수 있다.
도 30은 본 개시의 일 실시예에 따른 통신 장치에서 빔포밍을 통해 통신하는 절차의 예를 도시한다. 도 30의 통신 장치는 도 27의 단말, 또는 기지국일 수 있다. 도 30의 통신 장치가 단말일 경우, 도 30의 적어도 일부 동작들은 도 28의 S2807 단계의 상세한 동작일 수 있다. 도 30의 통신 장치가 기지국일 경우, 도 30의 적어도 일부 동작들은 도 29의 S2907 단계의 상세한 동작일 수 있다. 이하 도 30에서 적어도 일부 동작들은 순차적으로 수행될 수도 있고, 병렬적으로 수행될 수도 있다. 예를 들어, 도 30의 일부 동작들은 적어도 일시적으로 동일한 시점에 수행될 수 있다.
도 30을 참조하면, S3001 단계에서 통신 장치는 통신을 위한 빔 방향을 결정할 수 있다. 빔 방향은, 빔 각도, 또는 빔 인덱스 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 빔 방향은 다른 장치로부터 수신되는 신호에 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 통신 장치가 단말인 경우, 빔 방향은 기지국으로부터 수신되는 동기 신호에 기초하여 결정될 수 있다. 다른 예로, 통신 장치가 기지국인 경우, 빔 방향은 단말로부터 수신되는 랜덤 액세스 프리앰블 신호에 기초하여 결정될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 빔 방향은 통신 장치의 위치, 또는 채널 상태 정보를 더 고려하여 결정 및/또는 변경될 수 있다. 빔 방향은 당업자에게 공지된 다양한 방법을 이용하여 결정 및/또는 변경될 수 있다.
S3003 단계에서, 통신 장치는 결정된 빔 방향에 기초하여 메타물질 개구면의 셀 상태를 결정할 수 있다. 메타물질 개구면은, 안테나의 개구면에 구비되는 메타물질 구조물을 의미할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 통신 장치는 표 2에 나타낸 바와 같은 테이블에 기초하여, 결정된 빔 방향에 대응되는 메타물질 구조물의 셀 상태를 결정할 수 있다. 예를 들어, 통신 장치는 결정된 빔 방향이 -15°인 경우, 표 2를 참조하여 결정된 빔 방향 -15°에 대응되는 메타물질 구조물의 셀 상태를 state 4로 결정할 수 있다. state 4의 각 셀들의 상태는 "Cell 1: on, Cell 2: off, Cell 3: off, Cell 4: off, Cell 5: off, Cell 6: off, Cell 7: off, 및 Cell 8: off"일 수 있다.
S3005 단계에서, 통신 장치는 결정된 셀 상태에 기초하여, 안테나의 개구면에 구비된 안테나 구조물의 각 셀들을 제어함으로써, 결정된 방향으로 빔을 형성할 수 있다. 예를 들어, 통신 장치는 제어기를 이용하여 메타물질 구조물의 각 셀에 인가될 전압을 결정된 셀 상태에 따라 제어함으로써, 안테나의 빔 방사 패턴을 결정된 빔 방향으로 조향할 수 있다.
S3007 단계에서, 통신 장치는 형성된 빔을 통해 신호를 송신할 수 있다. 예를 들어, 통신 장치는 결정된 빔 방향으로 조향된 빔을 통해 신호를 송신할 수 있다.
상기 설명한 제안 방식들은 독립적으로 구현될 수도 있지만, 일부 제안 방식들의 조합 (또는 병합) 형태로 구현될 수도 있다. 상기 제안 방법들의 적용 여부 정보 (또는 상기 제안 방법들의 규칙들에 대한 정보)는 기지국이 단말에게 사전에 정의된 시그널 (예: 물리 계층 시그널 또는 상위 계층 시그널)을 통해서 알려주도록 규칙이 정의될 수 있다.
본 개시는 본 개시에서 서술하는 기술적 아이디어 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 개시의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 개시의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 개시의 범위에 포함된다. 또한, 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함할 수 있다.
본 개시의 실시예들은 다양한 무선접속 시스템에 적용될 수 있다. 다양한 무선접속 시스템들의 일례로서, 3GPP(3rd Generation Partnership Project) 또는 3GPP2 시스템 등이 있다.
본 개시의 실시예들은 상기 다양한 무선접속 시스템뿐 아니라, 상기 다양한 무선접속 시스템을 응용한 모든 기술 분야에 적용될 수 있다. 나아가, 제안한 방법은 초고주파 대역을 이용하는 mmWave, THz 통신 시스템에도 적용될 수 있다.
추가적으로, 본 개시의 실시예들은 자유 주행 차량, 드론 등 다양한 애플리케이션에도 적용될 수 있다.

Claims (22)

  1. 무선 통신 시스템에서 단말의 동작 방법에 있어서,
    기지국으로부터 적어도 하나의 동기 신호를 수신하는 단계;
    상기 적어도 하나의 동기 신호에 기초하여 랜덤 액세스 프리앰블을 상기 기지국으로 전송하는 단계;
    상기 기지국으로부터 랜덤 액세스 응답을 수신하는 단계;
    상기 기지국과 연결을 수립하는 단계; 및
    상기 연결을 통해 통신을 수행하는 단계;를 포함하며,
    상기 통신은, 상기 동기 신호에 기초하여 적어도 하나의 공간 도메인 필터를 통해 수행되고,
    상기 적어도 하나의 공간 도메인 필터는, 안테나의 개구면에 구비된 적어도 하나의 메타물질 구조물 내의 셀 패턴에 의해 생성되는, 단말의 동작 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 메타물질 구조물은, 복수의 메타물질 공진기들을 포함하는 복수의 셀들로 구성되며,
    상기 복수의 메타물질 공진기들은 셀 단위로 온/오프 상태가 제어되는, 단말의 동작 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 메타물질 구조물 내의 셀 패턴은, 상기 복수의 메타물질 구조물에 포함된 복수의 셀들의 온/오프 상태에 따라 변경되는, 단말의 동작 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 공간 도메인 필터의 방향은, 상기 적어도 하나의 메타물질 구조물에 포함된 복수의 셀들의 온/오프 상태에 따라 변경되는, 단말의 동작 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 메타물질 공진기는, 분리형 링 공진기를 포함하는, 단말의 동작 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 메타물질 구조물은, 상기 메타물질 공진기의 평면이 상기 안테나의 자기장 방향과 수직을 이루도록 배치되는, 단말의 동작 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 메타물질 공진기는, 그래핀, 또는 PIN 다이오드 중 적어도 하나를 포함하는 공진기인, 단말의 동작 방법.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 메타물질 구조물은, 상기 안테나의 개구면 일측에 구비되는 제1 메타물질 구조물 및 상기 안테나의 개구면 타측에 구비되는 제2 메타물질 구조물을 포함하며,
    상기 제1 메타물질 구조물의 금속 배치 평면과 상기 제2 메타물질 구조물의 금속 배치 평면은, 서로 다른 방향을 향하되, 서로 평행을 이루는 구조로 배치되는, 단말의 동작 방법.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 연결을 통해 통신을 수행하는 단계는,
    상기 공간 도메인 필터의 방향을 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 방향에 기초하여 상기 복수의 메타물질 공진기들에 포함된 복수의 셀들의 온/오프(on/off)를 제어하는 단계를 포함하며,
    상기 안테나의 방사 패턴은 상기 온/오프가 제어된 복수의 셀들에 의해 상기 결정된 방향으로 조향되는, 단말의 동작 방법.
  10. 무선 통신 시스템에서 단말에 있어서,
    송수신기; 및
    상기 송수신기와 연결된 프로세서를 포함하며,
    상기 프로세서는,
    기지국으로부터 적어도 하나의 동기 신호를 수신하고,
    상기 적어도 하나의 동기 신호에 기초하여 랜덤 액세스 프리앰블을 상기 기지국으로 전송하고,
    상기 기지국으로부터 랜덤 액세스 응답을 수신하고,
    상기 기지국과 연결을 수립하고,
    상기 연결을 통해 통신을 수행하도록 제어하며,
    상기 통신은, 상기 동기 신호에 기초하여 적어도 하나의 공간 도메인 필터를 통해 수행되고,
    상기 적어도 하나의 공간 도메인 필터는, 안테나의 개구면에 구비된 적어도 하나의 메타물질 구조물 내의 셀 패턴에 의해 생성되는, 단말.
  11. 무선 통신 시스템에서 기지국의 동작 방법에 있어서,
    단말로 적어도 하나의 동기 신호를 전송하는 단계;
    상기 적어도 하나의 동기 신호에 기초하여 랜덤 액세스 프리앰블을 상기 단말로부터 수신하는 단계;
    상기 단말로 랜덤 액세스 응답을 전송하는 단계;
    상기 단말과 연결을 수립하는 단계; 및
    상기 연결을 통해 통신을 수행하는 단계;를 포함하며,
    상기 통신은, 상기 동기 신호에 기초하여 적어도 하나의 공간 도메인 필터를 통해 수행되고,
    상기 적어도 하나의 공간 도메인 필터는, 안테나의 개구면에 구비된 적어도 하나의 메타물질 구조물 내의 셀 패턴에 의해 생성되는, 기지국의 동작 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 메타물질 구조물은, 복수의 메타물질 공진기들을 포함하는 복수의 셀들로 구성되며,
    상기 복수의 메타물질 공진기들은 셀 단위로 온/오프 상태가 제어되는, 기지국의 동작 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 메타물질 구조물 내의 셀 패턴은, 상기 복수의 메타물질 구조물에 포함된 복수의 셀들의 온/오프 상태에 따라 변경되는, 기지국의 동작 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 공간 도메인 필터의 방향은, 상기 적어도 하나의 메타물질 구조물에 포함된 복수의 셀들의 온/오프 상태에 따라 변경되는, 기지국의 동작 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 메타물질 공진기는, 분리형 링 공진기를 포함하는, 기지국의 동작 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 메타물질 구조물은, 상기 메타물질 공진기의 평면이 상기 안테나의 자기장 방향과 수직을 이루도록 배치되는, 기지국의 동작 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 메타물질 공진기는, 그래핀, 또는 PIN 다이오드 중 적어도 하나를 포함하는 공진기인, 기지국의 동작 방법.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 메타물질 구조물은, 상기 안테나의 개구면 일측에 구비되는 제1 메타물질 구조물 및 상기 안테나의 개구면 타측에 구비되는 제2 메타물질 구조물을 포함하며,
    상기 제1 메타물질 구조물의 금속 배치 평면과 상기 제2 메타물질 구조물의 금속 배치 평면은, 서로 다른 방향을 향하되, 서로 평행을 이루는 구조로 배치되는, 기지국의 동작 방법.
  19. 제12항에 있어서,
    상기 연결을 통해 통신을 수행하는 단계는,
    상기 공간 도메인 필터의 방향을 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 방향에 기초하여 상기 복수의 메타물질 공진기들에 포함된 복수의 셀들의 온/오프(on/off)를 제어하는 단계를 포함하며,
    상기 안테나의 방사 패턴은 상기 온/오프가 제어된 복수의 셀들에 의해 상기 결정된 방향으로 조향되는, 기지국의 동작 방법.
  20. 무선 통신 시스템에서 기지국에 있어서,
    송수신기; 및
    상기 송수신기와 연결된 프로세서를 포함하며,
    상기 프로세서는,
    상기 단말로 적어도 하나의 동기 신호를 전송하고,
    상기 적어도 하나의 동기 신호에 기초하여 랜덤 액세스 프리앰블을 상기 단말로부터 수신하고,
    상기 단말로 랜덤 액세스 응답을 전송하고,
    상기 단말과 연결을 수립하고,
    상기 연결을 통해 통신을 수행하도록 제어하며,
    상기 통신은, 상기 동기 신호에 기초하여 적어도 하나의 공간 도메인 필터를 통해 수행되고,
    상기 적어도 하나의 공간 도메인 필터는, 안테나의 개구면에 구비된 적어도 하나의 메타물질 구조물 내의 셀 패턴에 의해 생성되는, 기지국.
  21. 통신 장치에 있어서,
    적어도 하나의 프로세서;
    상기 적어도 하나의 프로세서와 연결되며, 상기 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행됨에 따라 동작들을 지시하는 명령어를 저장하는 적어도 하나의 컴퓨터 메모리를 포함하며,
    상기 동작들은,
    다른 통신 장치로부터 적어도 하나의 동기 신호를 수신하는 단계;
    상기 적어도 하나의 동기 신호에 기초하여 랜덤 액세스 프리앰블을 상기 다른 통신 장치로 전송하는 단계;
    상기 다른 통신 장치로부터 랜덤 액세스 응답을 수신하는 단계;
    상기 다른 통신 장치와 연결을 수립하는 단계; 및
    상기 연결을 통해 통신을 수행하는 단계;를 포함하며,
    상기 통신은, 상기 동기 신호에 기초하여 적어도 하나의 공간 도메인 필터를 통해 수행되고,
    상기 적어도 하나의 공간 도메인 필터는, 상기 통신 장치의 안테나의 개구면에 구비된 적어도 하나의 메타물질 구조물 내의 셀 패턴에 의해 생성되는, 통신 장치.
  22. 적어도 하나의 명령어(instructions)을 저장하는 비-일시적인(non-transitory) 컴퓨터 판독 가능 매체(computer-readable medium)에 있어서,
    프로세서에 의해 실행 가능한(executable) 상기 적어도 하나의 명령어를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 명령어는, 장치가,
    다른 장치로부터 적어도 하나의 동기 신호를 수신하고,
    상기 적어도 하나의 동기 신호에 기초하여 랜덤 액세스 프리앰블을 상기 다른 장치로 전송하고,
    상기 다른 장치로부터 랜덤 액세스 응답을 수신하고,
    상기 다른 장치와 연결을 수립하고,
    상기 연결을 통해 통신을 수행하도록 제어하며,
    상기 통신은, 상기 동기 신호에 기초하여 적어도 하나의 공간 도메인 필터를 통해 수행되고,
    상기 적어도 하나의 공간 도메인 필터는, 상기 장치의 안테나의 개구면에 구비된 적어도 하나의 메타물질 구조물 내의 셀 패턴에 의해 생성되도록 하는, 비-일시적인 컴퓨터 판독 가능 매체.
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