Identification of non-ideal receiver condition for orbital angular momentum transmission

Abstract

궤도각운동량 (Orbital Angular Mometum, OAM) 은 처음 광통신 분야에서 소개된 새로운 통신 기법으로, 현재는 밀리미터파 통신에서 새로운 전송 기법으로 각광받고 있다. OAM을 이용하면 파동의 동위상면을 이은 나선형의 파형을 이론적으로 서로 직교하게 무한대로 만들 수 있어 이를 따라 통신을 할 경우 통신 용량을 파형의 개수와 동일하게 무한대에 가까운 정도로 증대시킬 수 있을 것으로 기대되고 있다. 본 논문에서는 기존 연구들에서 사용된 parabola antenna를 쪼개 만든 Spiral Phase Plate (SPP) 나 얼룩말 무늬의 편광판인 Holographic Plate (HP)를 사용하지 않고, 상용 안테나를 재활용할 수 있고 범용성을 가지는 원 모양으로 안테나들이 배치된 다중안테나 구조인 Uniform Circular Array (UCA)를 사용한 OAM 전송에 대해서만 고려하였다. UCA 안테나를 통해서 OAM 전송을 할 경우, SPP나 HP와 같이 연속된 파형을 전송하는 것이 아니라 원형으로 균일하게 배치된 안테나 각각에 위치에 따른 가중치 위상을 곱하여 전송하므로 각 안테나의 전송 신호를 하나의 신호 흐름으로 묶어 나선형의 파형처럼 보이도록 한다. 이 나선형의 파형은 각각 OAM의 모드라고 지칭한다. UCA를 사용할 경우 서로 떨어진 안테나 배치 때문에 연속적인 파형을 만들 수 없으므로 위상이 겹치지 않는 서로 다른 모드를 안테나 개수만큼만 생성할 수 있다. 그 이상 생성하는 경우 기존에 생성된 모드와 동일하므로 독립적인 모드가 생성되지 않는다. 다시 말해서, 각 모드마다 서로 직교하기 때문에 독립적인 신호를 전송할 수 있으며 이론적으로 OAM의 모드는 무한 개, UCA에서는 안테나 개수만큼 생성할 수 있다. 본 논문에서는 UCA를 이용한 OAM 전송은 송신 안테나와 수신 안테나가 평행하고 일직선으로 마주보는 상태에서 최적이기 때문에 안테나가 축을 벗어나거나(off-axis), 서로 평행한 상태가 아니라 수신 안테나가 기울어져 있는 경우(non-parallel) 등 2개의 케이스에 대해서 전송 용량 값이 최적값을 가지지 못한다고 가정하였다. 따라서 본 논문에서는 안테나가 off-axis 상태이거나 non-parallel 상태일 때 거리와 기울어진 각도를 수신 시간의 차이를 통하여 구한 후 이를 보정하는 것을 골자로 하고 있다. 본 논문에는 모드간 간섭(Inter-mode Interference, IMI) 이 일어날 것을 고려하여 통신 용량을 계산하였으며, 보정 결과에 대한 그래프를 통해 완벽한 보정이 가능함을 보였다. 또한, 위에서 가정한 특별한 경우만을 보정하는 것보다 여러 비이상적 상태가 섞여있는 임의의 수신 안테나를 보정하는 것이 더 의미있으므로 본 논문에서는 수신 안테나의 위치를 정확히 정의하기 어려운 일반적인 상황일 경우 역시 고려하여 보정에 필요한 변수들을 얻었다. 이를 구하기 위해서 송신기에 있는 임의의 두 개의 안테나에서 송신된 신호에 대한 모든 수신기의 수신 시간으로, 위의 특별한 경우와 같이 time of arrival로 측정 가능하다. 일번적인 비이상적 상황을 판단하고 관련 변수들을 찾기 위해 수신기의 상태를 평행이동(Parallel shift), 회전(Rotate), 기울임(Tilt) 상황으로 나누어 수신기 상태를 판단하였다.