금요일, 4월 19, 2024
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6G 테라헤르츠 수신기 개발

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2021년 이제 5G를 네트워크가 본격적으로 위한 환경이 갖추어 지고 있는 가운데  6G 네트워크를 위한 테라헤르츠 수신기가 개발되었다.

6G 는 수 많은 소형 무선 셀로 구성될 것이다. 따라서 현재 기술 중 테라헤르츠(THz) 주파수가 가장 이상적이다, 테라는 10의 12승을 의미하는 것으로 4G 가 주로 메가헤르츠 (10의 6승),  5G 가 주로 기가헤르츠 (10의 9승) 을 사용하는 것에 반하여 더욱 높은 주파수 영역을 사용하게 된다.

이렇게 높은 주파수 영역을 사용하게 되면 넓은 주파수 밴드(대역)을 확보 하여 속도를 높이고 대용량화를 구축하기 쉬운 장점이 있다. 하지만 대기 중에서의 전파의 감쇠가 크고 기술적으로 해결해야 할 과제가 많이 있게 된다. 

전파의 감쇠가 크다는 것은 그 만큼 전파도달거리가 짧아서 많은 베이스스테이션 (기지국)이 필요하게 된다. 하지만 베이스스테이션 건설에는 비용이 많이들어가5G, 6G네트워크는 소형 무선 셀로 이러한 문제를 해결하고 있다. 

이번에 KIT, Karlsruhe Institute of Technology(도이칠란드 칼슈허 공과대학) 연구팀은 6G를 소형 무선 셀을 위한 단일 다이오드를 특수 신호처리 기술과 결합해 간단하고 저렴한 테라헤르츠 수신기를 개발했다. 연구팀은 110미터 거리에서 0.3테라헤르츠 의 반송파 주파수로 115기가비트/초(Gbit/s) 데이터 속도로 전송하는데 성공했다. 

연구 결과(논문명: Generalized Kramers–Kronig receiver for coherent terahertz communications)는 네이처 자매지인 네이처 광학(Nature Photonics) 저널에 실렸다.

사진 출처: Nature Photonics

6G는  기존 네트워크에 비하여 훨씬 더 높은 데이터 전송 속도와 더 짧은 지연 시간, 단말 장치 밀도를 크게 높일 수 있다. 따라서 인공지능(AI)을 활용해 사물 인터넷이나 자율주행 차량을 제어할 수 있다.

6G 기술에서 최대한 많은 양의 데이터를 빨리 전송하려면 무선 네트워크는 많은 소형 무선 셀로 구성되어야 한다. 이는 무선 셀 경로가 짧기 때문에 최소한 에너지 소비와 낮은 전자기 방출로 높은 데이터 속도를 낼 수 있다.

개별 셀을 연결하려면 채널 하나에서 수십 또는 수백 기가비트를 전송할 수 있는 고성능 무선 링크가 필요하다. 이는 마이크로파와 적외선 사이에 있는 테라헤르츠 주파수가 가장 적합하다. 

하지만  테라헤르츠 수신기는 지금까지 복잡하고 비싸다. 특히 전체 링크 대역폭 병목 현상이 나타나는 경우가 많았다. 

KIT, Karlsruhe Institute of Technology에서 테라헤르츠파를 연구하는 광양자 전자연구소(IPQ), 마이크로구조 연구소(IMT), 광물리학 연구소(IBPT)는 테라헤르츠 장치 개발회사인 버지니아 다이오드(VDI)와 협력해 간단하고 저렴한 테라 헤르츠 수신기를 개발했다. 

단일 다이오드는 테라헤르츠 신호를 정류하는 데 사용되는 수신기 역할을 한다. 이는 빠른 속도가 특징인 ‘쇼트키 배리어 다이오드(Schottky barrier diode)’다. 엔벨로프envelop) 검출기 역할을 하며 테라헤르츠 신호의 진폭을 복구한다. 

하지만 데이터를 올바르게 디코딩하려면 일반적으로 정류 중에 손실되는 테라헤르츠파가 시간이 지남에 따라 변하는 위상도 필요하다. 

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 Kronig-Kramer relation를 사용해 진폭에서 위상을 재구성 할 수 있는 특별한 종류의 데이터 신호와 디지털 신호 처리 기술을 사용했다. Kronig-Kramer관계는 분석 신호의 실수와 허수 부분 간의 수학적 관계다. 

100미터 이상 거리에서 무선 테라헤르츠 전송 성공은 지금까지 입증된 가장 높은 데이터 전송 속도다. 특히 테라헤르츠 수신기 구조가 단순하기 때문에 대량 생산이 가능하다.

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