[주간기술동향 2151호] 6세대 이동통신 공간다중모드 지원 빔포밍 시스템

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I. 서론

3세대 이동통신부터 4세대 이동통신까지는 주로 시간 영역과 주파수 자원을 활용하여 무선 용량 증대를 달성해왔다. **5세대 이동통신(5G)**에서는 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 기술을 도입하고, 수백 개의 안테나를 통해 빔포밍을 통해 공간 자원을 활용하고 있다. **6세대 이동통신(6G)**에서는 이러한 공간 자원의 효율적 활용이 무선 용량 증대에 핵심적인 역할을 할 것으로 전망된다. 특히, 대량의 안테나를 활용하여 LoS(Line-of-Sight) 및 NLoS(Non-Line-of-Sight) 환경에서 공간다중모드 지원 빔포밍을 통해 많은 스트림을 전송하는 것이 주요 기술적 도전과제로 대두되고 있다.

II. 6세대 이동통신 공간다중모드 지원 빔포밍 설계

6세대 이동통신의 공간다중모드 지원 빔포밍 설계는 하이브리드 빔포밍 구조에서 시작되며, 이를 통해 디지털 빔포밍과 아날로그 빔포밍을 결합하여 높은 효율성을 제공한다.

• LoS 환경에서는 많은 안테나를 통해 다중 스트림을 동시에 전송하는 것이 가능하며, 이를 통해 전송 용량이 크게 증가된다.
• NLoS 환경에서는 **RIS(Reconfigured Intelligent Surface)**를 메타 표면으로 구성하여 반사 방식으로 공간다중모드 신호를 전송한다. RIS의 활용을 통해 신호 경로 손실을 극복하고 빔포밍을 더욱 효율적으로 수행할 수 있다.
• 메타 표면은 위상 제어 소자를 활용하지 않고, 표면에 위상 제어 기능을 패턴으로 구현하여 복잡도를 줄이고 확장성을 높인다.

III. 6G 공간다중모드 지원 빔포밍을 위한 메타 표면 기술

공간다중모드 지원 빔포밍 시스템은 대량의 안테나에서 **위상 천이기(phase shifter)**를 통해 빔포밍을 구현할 수 있지만, 높은 주파수 대역에서의 복잡도와 전력 소모 문제를 해결하기 위해 신소재 메타 표면을 활용하고 있다.

1. 액정 기반 메타 표면 기술:

• 액정은 유전율의 변화를 통해 빔을 제어할 수 있으며, 매우 얇은 평면 구조로 구현되어 대량의 안테나 배치에 적합하다. 액정 기반 메타 표면은 전기장을 인가하여 방향성을 제어하는 방식으로 빔포밍을 수행하며, 낮은 전압으로도 위상 제어가 가능하다.

2. 그래핀 기반 메타 표면 기술:

• 그래핀은 고유의 전기 전도도 가변 특성을 활용하여 sub-THz 대역에서 빔포밍을 가능하게 한다. 그래핀을 사용한 메타 표면은 빠른 **반응 속도(ps 단위)**를 가지며, 가변저항 소자로서 전도도를 조절하여 빔포밍을 수행한다. 이는 대역 통과 필터 특성을 활용해 중심 주파수를 가변하는 위상 천이기를 설계하는 데 유용하다.

IV. 결론

6세대 이동통신에서의 빔포밍 기술은 대량의 안테나를 활용하여 공간 자원을 최대한 활용하는 것이 목표이며, 메타 표면 기술을 통해 복잡도와 전력 소모를 줄이는 것이 핵심이다. 액정과 그래핀을 활용한 신소재 기반 메타 표면은 이러한 기술적 도전과제를 해결하는 유력한 방안으로 주목받고 있으며, RIS의 활용을 통해 NLoS 환경에서도 효율적인 빔포밍과 다중 스트림 전송이 가능하다. 이러한 기술들은 6G에서의 무선 용량 증대와 시스템 확장성에 중요한 기여를 할 것으로 예상된다.