자유공간 광통신(Free-space optical, FSO) 시스템의 영역에서, 궤도 각운동량(orbital angular momentum, OAM) 다중화의 활용은 상당한 주목을 받아 왔다. 그러나 OAM 빔은 자유공간에서 전송되는 동안 대기 난류(atmospheric turbulence, AT)의 영향을 받아, 위상 전면의 왜곡, 모드 간 크로스토크(intermodal crosstalk), 그리고 모드 의존 손실(mode-dependent loss, MDL)을 초래한다. 적응 광학(adaptive optics) 및 디지털 신호처리(digital signal processing)와 같은 기법들이 이러한 효과를 완화할 수는 있지만, MDL로 인해 OAM 모드 성능의 불일치가 지속된다. 일부 연구에서는 최대우도(maximum likelihood) 검출에 기반한 비단일(unity가 아닌) 다중입력 다중출력(multiple input multiple output, MIMO) 채널을 대상으로, MDL이 손상된 모드 분할 다중화(mode division multiplexing) 시스템을 평가하였다. 그럼에도 불구하고, 계산 복잡도는 연속 간섭 제거(succesive interference cancellation, SIC)와 같은 상대적으로 단순하지만 성능이 최적은 아닌 고급 MIMO 디코더, 특히 영힘 제로(forcing, zero-forcing) / 최소 평균제곱오차(minimum mean square error, ZF/MMSE) 기반 디코더에 비해 상당히 더 높다. 한편, OAM 모드와 방사 인덱스(radial index)는 라게르-가우시안(Laguerre-Gaussian, LG) 모드의 서로 다른 두 가지 인덱스로서, 많은 양의 정보를 전달할 잠재력이 있다. 본 연구자들이 아는 한, OAM 모드와 방사 인덱스 다중화를 MMSE-SIC 수신기와 함께 사용하는 FSO 시스템에서 대기 난류가 유발하는 MDL의 영향과 완화 전략을 다룬 선행 연구는 없었다. 본 논문은 OAM 다중화 홀로그래피를 도입하여 OAM 모드를 생성한다. 우리는 왜곡된 단일 모드 및 다중화된 LG 빔과 관련된 궤도 각운동량 스펙트럼(orbital angular momentum spectra)에 대해 해석적 및 수치적 분석을 모두 수행한다. 이를 위해 전파 경로를 따라 무작위 위상 스크린을 포함시키고 굴절률 구조 상수(refractive index structure constants)를 변화시키는 방식으로 홀로그래프를 생성한다. 또한, 서로 다른 방사 값에 대해 OAM 다중화 FSO를 위한 MMSE-SIC 수신기를 수학적으로 개발하고 처음으로 시뮬레이션한 뒤, 그 BER을 제로 포싱- SIC(Zero Forcing-SIC) 및 K-best 검출기와 비교한다. 아울러, 시스템의 전반적 성능을 향상시키기 위해 송신기에서 직교 공간-시간 블록 코딩(orthogonal space-time block coding)을 적용한다.

미래 무선 통신 시스템의 고(高) 데이터 전송률 요구사항을 충족하기 위해서는, 기존의 무선 RF 기술과 병행하여 사용할 수 있는 고급 통신 기술이 필요하다. 최근에는 광무선통신(OWC)이 RF의 매력적인 대안 기술로서 광범위하게 연구되고 있다. OWC는 데이터 전달을 위해 광 반송파를 사용하며, 파장은 자외선(UV)에서 적외선(IR), 가시광에 이르기까지 다양하다. 지난 몇 년 동안에는 최근의 심자외선(deep UV) 발광다이오드(LED), 레이저 다이오드, 태양맹(太陽盲) 자외선 필터 및 검출기의 발전과 빠른 기술 진보에 힘입어, UV 파장을 사용하는 광 산란 통신(OSC)에 대한 관심이 급증하였다. 태양맹으로서 지상 수준에서 태양광에 의해 차단되는 심자외선 대역의 독특한 대기 산란 및 흡수 특성은 최근의 OSC 시스템 개발을 이끈 동기이다. 그러나 기존 문헌에는 OSC 시스템이 향후 무선 통신에의 적용 가능성에 대해 체계적으로 조사되지 않았다는 점에서 명확한 공백이 존재한다. 이러한 맥락에서 본 논문은 UV 통신으로도 널리 알려진 OSC의 최근 및 신규 발전에 관해, 최초의 동시대적이고 포괄적인 설문 조사를 제공함으로써 이 공백을 메운다. 요약하면, 본 설문 조사는 UV 통신의 여러 측면을 아우르는 대규모로 누락된 연결/정리의 부재를 보완할 것으로 기대된다. 독자의 이해를 돕기 위해, 우리는 먼저 UV 통신 시스템의 전파 개념과 역사적 진화 과정을 설문 조사한다. 다음으로 UV 채널 모델링에 대해 상세한 설문 조사를 제공하는데, 이는 UV 통신 시스템의 효율적 시스템 설계 및 성능 최적화에 있어 정확한 채널 특성화가 중요하기 때문이다. 지금까지 수행된 다양한 UV 채널 특성화 노력에 대해 논의한다. 이어서 현재의 OSC 시스템 설계를 분석하기 위한 분류 체계를 제시한다. 특히, 인공지능, 인공신경망, 게임 이론, 궤도 각운동량(orbital angular momentum) 등을 포함하는 NLOS(비시선) UV 통신 시스템의 최근 발전 동향을 조사한다. 또한 최근에 문서화된 UV 기반 실내 통신 시스템에 대해서도 포괄적으로 설문 조사한다. 마지막으로, 아직 해결되지 않은 몇 가지 핵심 쟁점을 지적하고, 향후 연구를 위한 잠재적으로 흥미롭고 도전적인 주제들을 정리한다. 본 설문 조사는 다양한 관점에서 UV 통신 시스템에 대한 심층적 논의와 분석을 특징으로 하며, 저자들이 아는 한 이 분야에서 처음으로 제시되는 것들이 다수 포함되어 있다.

본 논문에서는 정당한 UAV를 릴레이로 사용하고 커버리지를 향상시키기 위해 지능형 반사판(IRS)을 활용하는 자유공간 광(Free-Space Optical, FSO) 통신 시스템의 성능에 대해 악의적인 무인항공기(UAV)로 인해 발생하는 재밍(jamming)의 영향을 조사한다. 본 연구에서는 고려된 시스템의 성능에 복합적으로 작용하는 세 가지 장애 요인—대기 난류(AT), 조준 오차(PE), 그리고 두 UAV 모두의 도착각(AoA) 변동—의 결합 효과를 통계적으로 특성화한다. 상기 영향을 반영하여, 고려된 시스템의 전체 평균 비트 오율(ABER)과 공출력 확률(OP)에 대한 폐형식(closed-form) 표현식을 유도한다. 또한 악의적인 UAV 재머와 IRS의 서로 다른 위치를 고려함으로써 제안된 시스템에 대한 포괄적인 연구를 제시하고 몇 가지 흥미로운 결론을 도출한다. 비대칭(점근) 분석을 통해 시스템 성능에 대한 유용한 통찰을 얻는다. 아울러, 해석적으로 유도된 표현식은 몬테카를로 시뮬레이션으로 검증한다.

광무선통신의 확산을 활용하여, 본 논문은 266 nm 파장에서 광범위한 채널 측정에 기반한 실험적 분석을 통해 새로운 광 산란(또는 자외선) 차량 간(V2V) 통신 패러다임을 제안한다. 이러한 새로운 광 산란 기반 V2V 기술은 기존의 광 V2V 시스템에서 흔히 발견되는 지향(적합)·획득·추적(PAT)에 관한 근본적인 요구조건을 완화할 수 있을 뿐 아니라, 효율적인 비시계(비가시선, NLOS) V2V 전송에 대한 추가적인 견고한 기능도 제공할 수 있다. 실험에 따르면, 역학이 매우 빠르게 변하는 이동형 V2V 채널에서 상층 대기에서의 자외선(UV) 광자의 산란은 몇 가지 고유한 특성을 생성하여, 더 큰 무작위성과 심각한 페이딩을 유발한다. 실험 결과를 바탕으로, 시간-주파수-선택적이면서 비정상(non-stationary)인 페이딩 채널을 시간-주파수 변동 전력 프로파일의 통계적 기술로써 규명한다. 측정된 데이터의 검토 결과, 페이딩 통계의 분포는 레일리(Rayleigh) 분포를 따르는 것으로 나타나지만, 동시에 레일리 분포로부터의 일탈도 관측된다. 또한 자외선 기반 V2V 채널의 동적 거동을 실시간으로 포착하기 위해, 시간-가변 광 산란 채널 파라미터를 추정하는 칼만 필터 기반 알고리즘을 제시한다. 마지막으로, 광 산란 기반 V2V 기술에서의 몇 가지 개방 이슈와 과제를 제시한다.

페타헤르츠 주파수에서의 독특한 산란 특성에 동기하여, 단일-산란 가정이 타당하게 성립하는 단거리 광 페타헤르츠 무선통신을 대상으로 오류허용(fault-tolerant) 협력 신호 검출을 위한 새로운 통계적 모델을 제시한다. 우리는 오류허용 연속파 형태의 와이드밴드 검출기를 통해, 0이 아닌 실패확률을 갖는 수신 비시거리(non-line-of-sight, NLOS) 신호를 특성화한다. 페타헤르츠 통신의 물리적 특성을 보다 잘 반영하기 위해, 수신 신호를 특성화할 때 신호 비의존성 및 신호 의존성 노이즈원을 모두 고려한다. 수신 신호의 분포는 각 산란 경로에 대해 Málaga 분포를 따르는 것으로 정량화한다. 또한 랜덤하게 분포된 협력 사용자들의 위치 유연성을 활용하여, 각 사용자가 독립적인 채널 상태를 경험하는 것으로 고려한다. Neyman-Pearson 기준을 이용하여 이진 가설 검정 문제를 전개하고, 이어서 검정 통계량에 대한 우도비를 도출한다. 더 나아가 성능을 정량화하기 위해, 단일 사용자 및 협력 시나리오 모두에 대해 수신자 조작 특성(receiver operating characteristic, ROC) 곡선 아래 평균 면적(average area under the ROC curve)을 산출하기 위한 프레임워크를 개발한다. 오류허용 신호 검출을 위해 최대 스펙트럼 기회를 활용하도록, 다수결 규칙을 기반으로 한 최적 결정 융합을 적용한다. 그 결과, 최적 투표 규칙 하에서 주어진 목표 오차율을 만족하기 위해서는, 광 네트워크에 이용 가능한 전체 사용자 수에 비해 더 적은 수의 협력 보조 사용자만이 요구됨을 확인하였다. 그러나 극한의 경우에는, 비용 함수가 허용 범위 내에서 최소 또는 최대 값에 접근함에 따라 최적 협력 사용자 수가 실패확률과 무관해진다는 점을 보인다. 오류허용 사용자를 현실적으로 가정할 때, 검출확률보다 오경보(false alarm) 확률이 더 빠르게 증가하는 것으로 나타난다.

우리는 고용량 벡터 홀로그래피를 위한 수동 복소-진폭 메타표면을 제안한다. 이 메타표면은 $E_x$ 및 $E_y$를 교대된 궤도각운동량(orbital angular momentum, OAM) 모드와 편광 상태를 통해 각각 독립적으로 변조함으로써, 보안성과 확장성을 갖춘 광 통신을 가능하게 한다. 기하 기반 조회 테이블(lookup table)을 활용하여, 이 메타표면은 각 편광에 대해 구별되는 홀로그램을 부호화한다. 예비 결과는 높은 신호대잡음비에서 향상된 비트 오류율을 보이며, 이러한 접근법의 견고성을 확인한다. 본 연구는 수동 복소-진폭 변조를 통해 OAM 및 편광 다중화를 새롭게 통합한 것으로, 확장 가능한 광 통신 시스템을 위한 고용량의 잡음 내성 해결책을 제공한다.

궤도 각운동량(Orbital Angular Momentum, OAM)은 다중 정교(orthogonal) 빔을 분할다중화할 수 있다는 점에서 광무선 통신 시스템의 성능을 향상시키는 유망한 해결책으로 부상하고 있다. 그러나 OFDM과 같은 OAM과 결합된 변조 기법은 동적이고 분산적인 채널에서 모드 간 간섭(inter-mode interference, IMI) 및 성능 저하를 겪는다. 최근 Orthogonal Time Frequency Space(OTFS) 변조는 지연-도플러(delay-Doppler) 영역에서 동작함으로써 지연 및 도플러 스프레드에 대해 견고한 성능을 입증하였다. 본 논문에서는 다중 사용자 통신 시스템을 위해 OAM 다중화와 OTFS 변조를 결합하고, 정규화된 영강제(Regularized zero-forcing) 검출을 이용하여 다중 사용자 간 간섭을 억제하는 최초의 프레임워크를 제안한다. 우리는 OAM-OTFS 채널을 수학적으로 모델링하고 시스템 성능을 분석하였으며, 수치 시뮬레이션을 통해 제안된 기법의 장점을 검증한다. 그 결과, OAM-OFDM 시스템에 비해 비트 오류율(bit error rate) 성능이 유의미하게 개선됨을 확인하였다.

궤도 각운동량(Orbital angular momentum, OAM) 통신은 자유공간 광통신(free-space optical, FSO) 시스템에서 데이터 전송 효율과 전체 시스템 성능을 유의미하게 향상시키는 유망한 기술로 부상하고 있다. 그러나 OAM의 성능은 대기 난류(atmospheric turbulence, AT)에 의해 심각한 영향을 받으며, 이로 인해 신호 감쇠, 크로스토크, 그리고 시스템 용량 및 비트 오류율(bit error rate, BER)의 저하가 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 다양한 AT 조건 하에서 OAM 다중화와 인덱스 변조를 이용한 직교 주파수 분할 다중화(orthogonal frequency division multiplexing with index modulation, OFDM-IM)를 결합한 새로운 접근 방식을 제안한다. 또한 효율적인 신호 검출을 위해 저복잡도 로그우도비(log-likelihood ratio, LLR) 검출기를 사용한다. 시뮬레이션 결과는 제안된 시스템이 다양한 난류 구간과 OAM 모드 전반에서 BER과 용량 측면에서 기존의 OAM-MIMO보다 우수함을 보여준다. 제안된 시스템은 전파 거리, 활성 인덱스, 사용자 수를 포함한 다양한 파라미터를 사용하여 평가되었다. 그 결과는 본 논문에서 제안한 시스템이 난류에 대한 회복탄력성과 공간 다중화를 효과적으로 균형 있게 제공함으로써, 도전적인 FSO 환경에서도 지속적인 용량을 확보할 수 있음을 시사한다.

지능형 반사 표면(Intelligent reflecting surfaces, IRS)과 다중입력 다중출력(multiple-input and multiple-output, MIMO) 기반 설계는 고주파 대역에서 동작하는 테라헤르츠(THz) 시스템에서 분자 흡수의 영향을 완화하기 위한 방안으로 고려된다. 본 THz 시스템에서는 송수신기와 IRS 모두에서 빔 분할 현상이 발생한다. 본 논문에서는 빔 분할의 영향을 극복하기 위해 송신기(Tx)와 IRS에서 시간지연(time-delay, TD) 및 지연-위상(delay-phase, DP) 기반 프리코딩을 도입한다. 또한 다중 캐리어 시스템에서 송신 안테나, 반사 소자, 그리고 동상 및 구간(quadrature, IQ) 불일치가 THz 시스템의 평균 비트 오율(bit error rate, BER)에 미치는 영향을 고려하여 분석한다. 분석 결과 빔 분할은 BER 성능을 최대 20 dB까지 저하시킨다.

자유공간 광통신(Free-space optical, FSO) 시스템의 영역에서, 궤도 각운동량(orbital angular momentum, OAM) 다중화의 활용은 상당한 주목을 받아 왔다. 그러나 OAM 빔은 자유공간에서 전송되는 동안 대기 난류(atmospheric turbulence, AT)의 영향을 받아, 위상 전면의 왜곡, 모드 간 크로스토크(intermodal crosstalk), 그리고 모드 의존 손실(mode-dependent loss, MDL)을 초래한다. 적응 광학(adaptive optics) 및 디지털 신호처리(digital signal processing)와 같은 기법들이 이러한 효과를 완화할 수는 있지만, MDL로 인해 OAM 모드 성능의 불일치가 지속된다. 일부 연구에서는 최대우도(maximum likelihood) 검출에 기반한 비단일(unity가 아닌) 다중입력 다중출력(multiple input multiple output, MIMO) 채널을 대상으로, MDL이 손상된 모드 분할 다중화(mode division multiplexing) 시스템을 평가하였다. 그럼에도 불구하고, 계산 복잡도는 연속 간섭 제거(succesive interference cancellation, SIC)와 같은 상대적으로 단순하지만 성능이 최적은 아닌 고급 MIMO 디코더, 특히 영힘 제로(forcing, zero-forcing) / 최소 평균제곱오차(minimum mean square error, ZF/MMSE) 기반 디코더에 비해 상당히 더 높다. 한편, OAM 모드와 방사 인덱스(radial index)는 라게르-가우시안(Laguerre-Gaussian, LG) 모드의 서로 다른 두 가지 인덱스로서, 많은 양의 정보를 전달할 잠재력이 있다. 본 연구자들이 아는 한, OAM 모드와 방사 인덱스 다중화를 MMSE-SIC 수신기와 함께 사용하는 FSO 시스템에서 대기 난류가 유발하는 MDL의 영향과 완화 전략을 다룬 선행 연구는 없었다. 본 논문은 OAM 다중화 홀로그래피를 도입하여 OAM 모드를 생성한다. 우리는 왜곡된 단일 모드 및 다중화된 LG 빔과 관련된 궤도 각운동량 스펙트럼(orbital angular momentum spectra)에 대해 해석적 및 수치적 분석을 모두 수행한다. 이를 위해 전파 경로를 따라 무작위 위상 스크린을 포함시키고 굴절률 구조 상수(refractive index structure constants)를 변화시키는 방식으로 홀로그래프를 생성한다. 또한, 서로 다른 방사 값에 대해 OAM 다중화 FSO를 위한 MMSE-SIC 수신기를 수학적으로 개발하고 처음으로 시뮬레이션한 뒤, 그 BER을 제로 포싱- SIC(Zero Forcing-SIC) 및 K-best 검출기와 비교한다. 아울러, 시스템의 전반적 성능을 향상시키기 위해 송신기에서 직교 공간-시간 블록 코딩(orthogonal space-time block coding)을 적용한다.

미래 무선 통신 시스템의 고(高) 데이터 전송률 요구사항을 충족하기 위해서는, 기존의 무선 RF 기술과 병행하여 사용할 수 있는 고급 통신 기술이 필요하다. 최근에는 광무선통신(OWC)이 RF의 매력적인 대안 기술로서 광범위하게 연구되고 있다. OWC는 데이터 전달을 위해 광 반송파를 사용하며, 파장은 자외선(UV)에서 적외선(IR), 가시광에 이르기까지 다양하다. 지난 몇 년 동안에는 최근의 심자외선(deep UV) 발광다이오드(LED), 레이저 다이오드, 태양맹(太陽盲) 자외선 필터 및 검출기의 발전과 빠른 기술 진보에 힘입어, UV 파장을 사용하는 광 산란 통신(OSC)에 대한 관심이 급증하였다. 태양맹으로서 지상 수준에서 태양광에 의해 차단되는 심자외선 대역의 독특한 대기 산란 및 흡수 특성은 최근의 OSC 시스템 개발을 이끈 동기이다. 그러나 기존 문헌에는 OSC 시스템이 향후 무선 통신에의 적용 가능성에 대해 체계적으로 조사되지 않았다는 점에서 명확한 공백이 존재한다. 이러한 맥락에서 본 논문은 UV 통신으로도 널리 알려진 OSC의 최근 및 신규 발전에 관해, 최초의 동시대적이고 포괄적인 설문 조사를 제공함으로써 이 공백을 메운다. 요약하면, 본 설문 조사는 UV 통신의 여러 측면을 아우르는 대규모로 누락된 연결/정리의 부재를 보완할 것으로 기대된다. 독자의 이해를 돕기 위해, 우리는 먼저 UV 통신 시스템의 전파 개념과 역사적 진화 과정을 설문 조사한다. 다음으로 UV 채널 모델링에 대해 상세한 설문 조사를 제공하는데, 이는 UV 통신 시스템의 효율적 시스템 설계 및 성능 최적화에 있어 정확한 채널 특성화가 중요하기 때문이다. 지금까지 수행된 다양한 UV 채널 특성화 노력에 대해 논의한다. 이어서 현재의 OSC 시스템 설계를 분석하기 위한 분류 체계를 제시한다. 특히, 인공지능, 인공신경망, 게임 이론, 궤도 각운동량(orbital angular momentum) 등을 포함하는 NLOS(비시선) UV 통신 시스템의 최근 발전 동향을 조사한다. 또한 최근에 문서화된 UV 기반 실내 통신 시스템에 대해서도 포괄적으로 설문 조사한다. 마지막으로, 아직 해결되지 않은 몇 가지 핵심 쟁점을 지적하고, 향후 연구를 위한 잠재적으로 흥미롭고 도전적인 주제들을 정리한다. 본 설문 조사는 다양한 관점에서 UV 통신 시스템에 대한 심층적 논의와 분석을 특징으로 하며, 저자들이 아는 한 이 분야에서 처음으로 제시되는 것들이 다수 포함되어 있다.

본 논문에서는 정당한 UAV를 릴레이로 사용하고 커버리지를 향상시키기 위해 지능형 반사판(IRS)을 활용하는 자유공간 광(Free-Space Optical, FSO) 통신 시스템의 성능에 대해 악의적인 무인항공기(UAV)로 인해 발생하는 재밍(jamming)의 영향을 조사한다. 본 연구에서는 고려된 시스템의 성능에 복합적으로 작용하는 세 가지 장애 요인—대기 난류(AT), 조준 오차(PE), 그리고 두 UAV 모두의 도착각(AoA) 변동—의 결합 효과를 통계적으로 특성화한다. 상기 영향을 반영하여, 고려된 시스템의 전체 평균 비트 오율(ABER)과 공출력 확률(OP)에 대한 폐형식(closed-form) 표현식을 유도한다. 또한 악의적인 UAV 재머와 IRS의 서로 다른 위치를 고려함으로써 제안된 시스템에 대한 포괄적인 연구를 제시하고 몇 가지 흥미로운 결론을 도출한다. 비대칭(점근) 분석을 통해 시스템 성능에 대한 유용한 통찰을 얻는다. 아울러, 해석적으로 유도된 표현식은 몬테카를로 시뮬레이션으로 검증한다.

광무선통신의 확산을 활용하여, 본 논문은 266 nm 파장에서 광범위한 채널 측정에 기반한 실험적 분석을 통해 새로운 광 산란(또는 자외선) 차량 간(V2V) 통신 패러다임을 제안한다. 이러한 새로운 광 산란 기반 V2V 기술은 기존의 광 V2V 시스템에서 흔히 발견되는 지향(적합)·획득·추적(PAT)에 관한 근본적인 요구조건을 완화할 수 있을 뿐 아니라, 효율적인 비시계(비가시선, NLOS) V2V 전송에 대한 추가적인 견고한 기능도 제공할 수 있다. 실험에 따르면, 역학이 매우 빠르게 변하는 이동형 V2V 채널에서 상층 대기에서의 자외선(UV) 광자의 산란은 몇 가지 고유한 특성을 생성하여, 더 큰 무작위성과 심각한 페이딩을 유발한다. 실험 결과를 바탕으로, 시간-주파수-선택적이면서 비정상(non-stationary)인 페이딩 채널을 시간-주파수 변동 전력 프로파일의 통계적 기술로써 규명한다. 측정된 데이터의 검토 결과, 페이딩 통계의 분포는 레일리(Rayleigh) 분포를 따르는 것으로 나타나지만, 동시에 레일리 분포로부터의 일탈도 관측된다. 또한 자외선 기반 V2V 채널의 동적 거동을 실시간으로 포착하기 위해, 시간-가변 광 산란 채널 파라미터를 추정하는 칼만 필터 기반 알고리즘을 제시한다. 마지막으로, 광 산란 기반 V2V 기술에서의 몇 가지 개방 이슈와 과제를 제시한다.