초연결 사회로 진입하면서 데이터 양이 폭증하고 데이터 전송량은 기하급수적으로 증가하고 있다. 5G보다 데이터 전송률이 50배 이상 증가할 것으로 예측되는 6G 기술 상용화를 위해서는 새로운 전파자원 개발과 동시에 이를 정량화 할 수 있는 기술이 필요하다. 최근 국내 연구진이 이 기술을 개발해 주목을 받고 있다.
UNIST(총장 이용훈) 전기전자공학과 최은미 교수팀은 신개념 전파자원인 궤도각운동량(OAM)을 적용한 무선 통신의 채널 용량 예측 공식을 마련했다. 이 공식을 이용하면 OAM 적용시 한 번에 최대로 보낼 수 있는 데이터 전송량 예측이 가능하다. 연구진은 이를 실험적으로 검증하는 데도 성공했다.
삼성미래기술육성사업의 지원을 받은 이번 연구는 무선통신 분야 권위 학회지인 IEEE 무선통신 매거진(IEEE Wireless Communications Magazine)에 온라인 선 공개 돼 2월호에 출판될 예정이다.
그림1. 실험적 검증을 위해 사용한 OAM 모드
OAM 무선통신은 나선형 계단처럼 꼬여가면서 이동하는 OAM 전파의 특성을 이용한다. 똑같은 주파수(파장)의 전파라도 동일한 파장 안에서 위상이 꼬인 횟수(OAM 모드)를 각기 다르게 만들 수 있어 제한된 주파수 자원의 활용 효율을 극대화 할 수 있는 기술로 주목받고 있다.
최 교수 연구팀이 제안한 ‘자유도 해석법’ 은 실제 무선통신 환경(자유공간)에서 송수신 안테나 사이즈, 거리 등을 고려해 전파가 꼬인 횟수(모드,mode)를 ‘최대 몇 개 까지 늘릴 수 있느냐’를 알 수 있는 기술이다. 만약 전파가 꼬인 횟수를 최대 3회 까지 만들 수 있다면 데이터 전송량이 3배 증가하게 된다. 전파가 1번 꼬인 모드, 2번 꼬인 모드, 3번 꼬인 모드를 각각 하나의 채널로 이용해 한꺼번에 데이터를 전송 할 수 있기 때문이다.
이 자유도 해석법은 6G 시대를 열 주파수 자원으로 떠오르는 테라헤르츠(Terahertz) 주파수 영역 까지 적용이 가능하다. 기존 OAM 모드 자유도 해석법은 현재 무선통신에 일반적으로 쓰이는 RF(Radio Frequency)영역에 한정된 것이다. 테라헤르츠 영역은 일반적 빛(광)에 가까운 단파장 영역이라 광 특성(Optic properties)과 무선주파수(RF) 특성을 동시에 고려해야 한다.
최 교수는 “양자화된 물리량인 OAM이 갖는 모드직교성(othogonality, 간섭하지 않는 성질)과 근축성(Paraxiality, 전자기파가 진행 축에 모여 있는 성질) 기반으로 문제를 풀 수 있었다”고 설명했다.
연구진은 OAM 자유도의 채널 용량 해석법을 이론적으로 제시했을 뿐만 아니라, 81-86 GHz (기가헤르츠, E-band 주파수 대역)에서 개발된 이론의 실험적인 검증도 마쳤다. 3D 프린팅기법으로 제작된 메타표면(meta surface)을 이용해 OAM 모드를 실험적으로 만들고 OAM 모드 채널용량을 실제 측정한 결과 이론과 일치함을 확인했다.
그림2. OAM 전파모드를 이용한 무선 백홀 통신(데이터를 기지국에서 최상위 네트워크인 백본망에 무선으로 연결하는것) 개념도
최은미 교수는 “OAM 전파모드는 향후 6G 통신 기술 중 기지국과 최상위 네트워크를 무선 연결하는 무선백홀 통신 등에 쓰일 수 있다”며 “OAM 전파모드의 자유도를 예측한 이번 연구는 6G 통신의 채널용량 증대에 새로운 전파자원을 발굴하고 그 장·단점을 정량화했다는 점에서 의미 있는 연구”라고 설명했다.
