메타물질, 6G 통신 문제 해결할 돌파구 될까?

 

 

 

 

 

무선 기술, 한계에 다다라

지난 수십 년 동안 무선 기술에는 혁명적 변화가 있어왔습니다. 변화의 방향성은 항상 라디오 대역의 과밀화를 벗어나기 위해 점점 더 높은 주파수를 이용하는 방향으로 이루어져 왔습니다.

 

출처: iStock

 

5G를 출시하고 6G 시대를 바라보면서, 무선 기술의 혁신은 기로에 서 있습니다. 여태까지 수년 동안은 효율적인 송신기와 수신기를 설계하고 무선 채널의 마지막에 신호 손실을 처리하는 기법을 사용해왔는데, 송신기와 수신기 설계에 실질적인 한계에 도달한 것입니다.

 

더 높은 주파수로 갈수록 높은 성능을 얻기 위해서는 무선 채널 자체를 설계해야 합니다. 하지만 무선 환경은 수많은 요소에 의해 좌지우지되고 무작위적인 것으로 악명이 높습니다. 이러한 무선 환경을 대체 어떻게 설계하고 제어할 수 있을까요?

 

 

 

 

 

 

 

메타표면, 기술 한계의 돌파구 될까

현재 가장 가능성 있는 해결책은 재구성 가능한 지능형 표면(reconfigurable intelligent surfaces, RIS)을 사용하는 것입니다. 이 지능형 표면은 주파수 및 기타 요인에 따라 약 100 평방 센티미터에서 약 5 평방미터 이상의 크기를 갖는 평면 구조입니다.

 

이 표면은 전자파를 반사하고 굴절시키기 위해 메타물질(metamaterials)이라고 불리는 개념을 사용합니다. 메타표면(metasurface)으로 알려진 얇은 2차원 메타물질은 파동이 표면에 반사되거나 굴절될 때 국부적인 전자기 환경을 감지하고 진폭, 위상, 편광과 같은 파동의 주요 특성을 조정하도록 설계될 수 있습니다. 따라서 파동이 이러한 지능적으로 설계된 표면에 입사하면 채널을 강화하기 위해 입사파의 방향을 변경할 수 있습니다. 메타 표면을 이러한 변화에 동적으로 반응하도록 프로그래밍하여 무선 채널의 변화에 대응하여 실시간으로 신호를 재구성하도록 할 수도 있습니다. 

 

 

 

 

 

 

이 메타표면의 개념은 특히 5G와 6G에서 사용하는 고주파 대역에서 더욱 유용하게 사용될 수 있습니다. 고주파에서 파장은 건물, 차량, 언덕, 나무, 비의 크기에 비해 아주 작습니다. 낮은 주파수의 파동은 이러한 장애물 주위에서 회절 되지만, 높은 주파수의 신호는 흡수, 반사 또는 산란됩니다. 신호가 전파되지 않는다는 것입니다.

 

전통적인 셀룰러 네트워크는 도시 지역의 건물과 전신주 위에 배치된 분산 기지국으로 구성됩니다. 기지국 사이에 존재하는 방해물들은 24.25-52.6 GHz 사이의 mm파 대역과 같이 5G의 더 높은 주파수의 신호를 차단해 버립니다. 통신 회사들이 6G 네트워크에서 90-300 GHz 사이의 더 높은 주파수 대역을 이용한다면 그 결과는 더 나빠질 것입니다. 왜일까요?

 

4G 정도의 저주파 대역에서는 반사된 신호가 결합됨에 따라 표면으로부터의 반사되는 신호를 이용해 수신 신호를 강화할 수 있습니다. 그러나 주파수가 높을수록 이러한 다중 경로 효과에 의한 보강 효과는 훨씬 약해지거나 사라집니다. 긴 파장 신호에게 매끄럽게 보이는 표면이라도 짧은 파장 신호에게는 상대적으로 거칠게 느껴지기 때문입니다. 그러한 표면에서 파동은 반사되기보다는 단순히 산란됩니다.

 

 

 

 

이를 해결하기 위한 한 가지 해결책은 더 강력한 기지국을 사용하거나 지역 전체에 더 많은 기지국을 설치하는 것입니다. 하지만 그렇게 하려면 비용이 두 세배가 들 것입니다. 중계기 또는 릴레이 장치를 설치하면 커버리지를 개선할 수 있겠지만, 이를 설치하는 비용 또한 만만치 않을 수 있습니다.

 

반면, RIS를 사용하면 약간의 비용 추가만으로 훨씬 향상된 적용 범위를 보장할 수 있습니다. RIS의 주요 특징은 거의 수동적(passive)이라는 것입니다. 신호를 증폭시킬 증폭기가 필요 없기에 배터리와 작은 태양 전지판만으로도 RIS 노드에 전력을 공급할 수 있습니다. RIS는 매우 정교한 거울과 같은 기능을 하며, 방향과 곡률을 조정하여 신호를 특정 방향으로 초점을 맞추고 방향을 바꿀 수 있습니다.

 

RIS는 거울을 물리적으로 움직이거나 모양을 바꾸는 대신 표면을 전자적으로 변화시켜 그것이 들어오는 전자기파의 주요 특성들을 변화시킵니다. RIS는 일반 금속과 전기 절연체 또는 유전체를 사용하여 제조됩니다. 전자파가 해당 표면에 입사할 때 설계된 구성 물질의 점진적 변화가 파동의 위상 및 다른 특성을 변화시켜 원하는 대로 파면을 구부리거나 방향을 바꿀 수 있습니다.

 

 

 

RIS 노드는 단위 셀(cell)이라고 불리는 수백 또는 수천 개의 메타물질 요소로 구성됩니다. 각 셀은 하나 이상의 스위치 또는 기타 조정 가능한 구성 요소와 함께 금속 및 유전체 층으로 구성됩니다. 일반적인 구조는 스위치를 갖는 상부 금속 패치, 바이어싱층 및 유전체 기판에 의해 분리된 금속 접지층을 포함합니다. 바이어싱(금속 패치와 접지층 사이의 전압)을 제어함으로써 각 단위 셀을 켜거나 끌 수 있으므로 각 셀이 입사파의 위상 및 기타 특성을 변경하는 방법을 제어할 수 있습니다.

 

전체 RIS에서 반사되는 더 큰 파동의 방향을 제어하려면 모든 단위 셀을 동기화하여 더 큰 반사파에서 보강 혹은 상쇄 간섭 패턴을 생성합니다. 이 간섭 패턴은 입사 빔을 재구성하여 패턴에 의해 결정되는 특정 방향으로 내보냅니다. 이 기본 작동 원리는 위상 배열 레이더의 작동 원리와 유사합니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

RIS는 또 다른 이점은 증폭기 없이도 표면의 크기와 주파수에 따라 상당한 이득(30-40 dB)을 제공한다는 것입니다. 이는 안테나의 이득이 안테나의 개구 면적에 비례하기 때문인데, RIS는 넓은 조리개 영역을 커버하는 것과 동등한 수준의 많은 안테나 소자를 가지기 때문에 기존의 안테나보다 더 높은 이득을 가집니다.

RIS의 모든 단위 셀은 마이크로컨트롤러를 갖춘 필드 프로그래머블 게이트 어레이와 같은 논리 칩에 의해 제어되며, 이는 또한 RIS를 동적으로 조정하는 데 필요한 많은 코딩 시퀀스를 저장할 수 있습니다. 컨트롤러는 개별 단위 셀에 적절한 명령을 내리고 상태를 설정합니다. 가장 일반적인 코딩 방식은 컨트롤러가 각 단위 셀의 스위치를 켜고 끄는 간단한 이진 코딩입니다. 단위 셀 스위치는 일반적으로 PIN 다이오드 또는 전계 효과 트랜지스터와 같은 반도체 장치입니다. 여기서 중요한 요소는 전력 소비, 속도 및 유연성이며, 제어 회로는 일반적으로 RIS에서 가장 전력이 많이 소모되는 부분 중 하나입니다. 오늘날 상당히 효율적인 RIS 구현은 재구성 전환 상태 동안 약 몇 와트에서 12 와트의 총 전력 소비량을 가지며 유휴 상태에서는 훨씬 더 적게 소비합니다.

 

 

메타 표면, 실제 적용되려면?

실제 네트워크에 RIS 노드를 구축하려면 먼저 다음 세 가지 정보가 필요합니다. 필요한 RIS 노드의 개수, 노드의 위치, 표면은 크기입니다.  엔지니어는 기지국이 설계될 때 미리 계획하여 최적의 RIS 위치를 파악할 수 있습니다. 또는 기지국 설계 후 커버리지 맵에서 신호 강도가 낮은 영역을 식별하여 나중에 추가할 수도 있습니다. 표면의 크기는 주파수(낮은 주파수는 더 큰 표면을 필요로 함)와 설치되는 표면의 수에 따라 달라집니다.

 

RIS의 실제 테스트 사례는 6G가 될 것입니다. 차세대 무선은 실시간, 유연성, 소프트웨어 정의 및 적응형 제어로 자율 네트워크와 스마트 환경을 수용할 것으로 예상됩니다. 5G와 비교하여 6G는 훨씬 더 높은 데이터 속도, 더 큰 커버리지, 더 낮은 지연 시간, 더 높은 지능 및 훨씬 더 높은 정확도의 감지 서비스를 제공할 것으로 기대됩니다. 동시에 6G의 핵심 동력은 지속 가능성입니다. 많은 네트워크 운영자들이 애쓰는 "순 제로" 배출 목표를 달성하기 위해서는 더 에너지 효율적인 해결책이 필요합니다. RIS는 이러한 모든 필수 사항을 충족하는 기술입니다.

 

 

* 원본 기사: https://spectrum.ieee.org/metamaterials-could-solve-one-of-6gs-big-problems