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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. |
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. |
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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. |
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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. |
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*메타표면: 빛(전자기파)의 성질을 미세하게 바꿀 수 있는 구조체
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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. |
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*무선백홀(wireless backhaul): 데이터를 기지국에서 최상위 네트워크인 백본망에 무선으로 연결하는 것. 현재는 광케이블을 이용한 광통신이 주를 이루고 있다.
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논문명: Ultimate Capacity Analysis of Orbital Angular Momentum Channels |
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[붙임] 연구결과 개요 |
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1. 연구배경 초 연결 시대로 진입함에 따라 향후 6G 통신은 5G 통신에 비하여 최대 데이터전송률이 20 Gbps에서 1 Tbps로 50배 증가됨이 예측되고 있다. 차세대 전파통신은 이렇게 급증하는 데이터 전송률을 확보하기 위하여 기존 주파수 자원을 테라헤르츠 대역으로 높여가고 있다. 전파자원 부족을 해결하기 위한 또 다른 방법은 새로운 전파자원을 개발하는 것인데, 궤도각운동량(orbital angular momentum OAM)이라는 전자기파의 획기적인 새로운 직교모드(간섭하지 않는 성질)를 활용하는 방식이 최근 제시되었으나, OAM 모드가 과연 새로운 전파자원이 될 수 있는지에 대한 학계의 논란은 지속되고 있다. 2. 연구내용 본 연구진은 자유공간에서 전파되는 OAM 전자기파의 해를 그 근본적인 물리적인 특성을 기반으로 OAM 전파모드의 채널용량 해석을 시도하였다. 기존의 광학적인 해석과 RF적 해석이 동시에 요구되고, OAM 전파모드의 모드직교성(orthogonality)와 근축성(paraxiality)의 조건으로부터 사용가능한 모드 자유도 수를 이론적으로 제시하였다. 기존의 OAM 통신채널에서, 광학적 근사법을 사용할 수 없고, RF 대역에서는 특정 안테나 구조에서만 연구되어 있어서, 궁극적인 채널용량을 정의할 수 없었다. 따라서, 새로운 전파자원으로의 OAM 전파모드의 가능성을 정량화할 수 없어 기존 통신 대비 새로운 OAM 전파자원을 이용하면 얼마나 통신용량이 증대되는지를 정량화할 수 없었다. 본 연구에서는 6G 차세대 통신에서 채널용량 증대에 새로운 전파자원을 발굴하고 OAM 전파의 장단점을 정량화할 수 있다는 점에서 매우 근본적이고 원천적인 연구가 수행되었으며, 이론적 예측뿐만 아니라 실험적인 검증까지 완결된 연구가 수행되었다. 3. 기대효과 본 연구를 통해 6G 차세대 통신의 새로운 전파자원인 OAM 전파모드를 통한 채널용량의 근본적인 해석이 가능해졌으며, 한정된 주파수 자원에서 채널용량을 OAM 전파모드 수만큼 증가가 가능한지 실제 송수신 시스템에 적용할 수 있게 되었다. 또한 향후 테라헤르츠(THz) 및 서브테라헤르츠(sub-THz) 주파수 대역 활용에 적용할 수 있을 것으로 기대된다. |
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[붙임] 용어설명 |
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1. 궤도각운동량 (orbital angular momentum) 전자기파 전자기파가 갖을 수 있는 위상학적인 궤도 꼬임 상태로, 전자가 원자핵 주변을 마치 공전하면서 궤도각운동량을 갖게 되는 것처럼, 전자기파도 양자화된 궤도각운동량이라는 물리량을 갖을 수 있다. 2. 근축성 (paraxiality) 광축근처의 매우 좁은 영역. 광축에 대하여 전자기파의 발산 정도가 매우 작은 특성을 갖는 성질을 의미한다. 3. 테라헤르츠파 (Terahertz wave) 전자기 스펙트럼에서 microwave와 적외선 (far-IR) 사이에 존재하는 주파수 대역으로, 대략 100 GHz* – 3000 GHz 대역의 주파수 대역을 일컫는다. (*GHz = 109 Hz) |
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[붙임] 그림설명 |
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그림 1. OAM 전파모드를 이용한 무선 백홀 통신 개념도 궤도각운동량 (OAM) 새로운 전파모드를 이용하여 무선백홀 통신에 데이터 전송에 활용하는 통신 개념도. |
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그림 2. 실험적 검증을 위해 사용한 OAM 모드 (A) 가우시안 송신안테나로부터 메타표면을 거쳐 발생된 OAM 모드 개념도 (B) 대표적인 자유공간 전파 OAM 모드인 Laguerre-Gaussian (LG) 모드의 전자기파 세기(intensity)와 위상(phase) (C) 도파로기반 (waveguide-based) 전파 OAM 모드의 하나인 TE 모드의 전자기파 세기(intensity)와 위상(phase) (D) OAM 전파모드의 거리에 따른 자유도 해석 결과. |
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![[연구그림] 실험적 검증을 위해 사용한 OAM 모드](https://news.unist.ac.kr/kor/wp-content/uploads/2021/02/연구그림-실험적-검증을-위해-사용한-OAM-모드.jpg)
![[연구그림] OAM 전파모드를 이용한 무선 백홀 통신 개념도](https://news.unist.ac.kr/kor/wp-content/uploads/2021/02/연구그림-OAM-전파모드를-이용한-무선-백홀-통신-개념도.jpg)