모바일 FSO (Mobile Free Space Optics)

1. 모바일 FSO (Mobile Free Space Optics)의 개요

개념등장 배경
자율주행차, UAV 등 이동체에서 추적시스템(PAT) 기반 LOS(Line-of-Sight)를 확보하여 가시광선 또는 적외선을 이용하여 신호를 전송하는 이동체 광무선통신 기술– 모바일 데이터의 급격한 증가
– RF 스펙트럼 주파수 자원 고갈
– 자율주행차, UAV 등 무인이동체 확산
– MIMO 등 신호처리 기술 발달
  • PAT(Pointing, Acquisition, Tracking): FSO 송/수신 시스템 간 LOS 확보 및 신호 추적
  • LOS(Line-of-Sight): 가시선(눈으로 볼 수 있는 직선거리)
  • FSO 시스템에서 수백 THz의 높은 주파수 대역의 광신호는 강한 직진성과 넓은 대역폭을 가지므로 수십 km 이상의 초장거리 신호 송/수신 기반 차세대 장거리 무선 신호 전송 기술로 부각

 

2. 모바일 FSO의 구성도 및 핵심 요소기술

(1) 모바일 FSO의 구성도

  • 모바일 FSO에서 송/수신 시스템의 이동 가능 여부에 따라 고정형(Fixed) 또는 모바일(Mobile) 시스템으로 나눌 수 있고, 고정형-모바일 시스템 구성 및 모바일-모바일 시스템 구성이 가능

(2) 모바일 FSO의 핵심 요소기술

1) 모바일 FSO의 광학계 및 광통신 모듈

구분요소기술역할 및 세부 요소
Optical Transmitter
(광 송신부)
광 신호 변조– 광 신호의 세기, 위상, 주파수 등 제어
광 송신– 대기권 내 FSO 전송, 반도체/광섬유 레이저
Optical Receiver
(광 수신부)
광 수신– 대기를 통해 전송된 광 신호 수집
광신호 검출/처리– 수신된 광 신호에서 데이터 복원
FSO 광학계렌즈(Lens)– 빔의 송신부 발산각 및 수신부 수렴각 조절
필터(Filter)– 외부 잡음 차단, 다파장 경로 분리 WDM 필터
빔 스플리터
(Beam splitter)
– 입사하는 광 신호를 일정 비율로 분기
미러(Mirror)– 광 경로 제어, 미세 각조 조절로 정밀 PAT 처리

2) 모바일 FSO의 신호 추적 시스템, PAT

구분요소기술역할 및 세부 요소
신호 추적 구현Pointing– 이동체의 수신부 지향
Acquisition– 수신부의 추적 신호 수신
Tracking– FSO 링크 유지(Line-of-Sight)
링크 형성 및 유지CPAT(Coarse PAT)– 초기 FSO 링크 형성 과정
FPAT(Fine PAT)– 형성된 FSO 링크 유지
신호 추적 방식짐벌 기반 PAT– 광범위한 각도 동작범위 등 유연한 구성
미러 기반 PAT– 경량의 FSM 기반 비콘 빔 안정화, 정밀분야
액정 기반 PAT– 빔 진폭/위상 제어 기반 미세빔 조향
RF/FSO 하이브리드– LOS 단절 대비 RF 기반 PAT 보조 링크로 활용
  • FSO 시스템 링크 최적화를 위해 OOK(On-Off Keying), PPM(Pulse Position Modulation), PAM(Pulse Amplitude Modulation) 변조 방식 및 FEC(Forward Error Correction), LDPC(Low-Density Parity Check) 채널 코딩 방식, P2MP(Point-to-Multipoint), MP2MP(Multipoint-to-Multipoint) 네트워크 등 적용 연구중

 

3. 모바일 FSO의 한계점 및 극복 방안

한계점극복 방안
외부 환경요인(안개, 눈, 난기류 등)에 의해 채널 가용성 및 신뢰성 저하MIMO, Adaptive optics, Hybrid RF/FSO 시스템 등 FSO 구조 및 신호처리 개선
PAT 안정성 저하에 따른 FSO 시스템 성능 확보 어려움PAT 기반 링크 유지를 위한 입사광 방위 추정 과정에 CNN 기술 적용
  • 기존 FSO 기술은 외부 환경요인(안개, 눈, 난기류 등)에 의해 채널 가용성 및 신뢰성 문제가 있었으나 최근 MIMO, Adaptive optics 등 FSO 구조 및 신호처리 기술의 발달 및 무인이동체 대상으로 영역이 확대되고 있음
  • FSO 기술은 향후 RF 기반 무선통신 기술과 협업하여 이기종 네트워크로 빠르게 발전할 것으로 전망
  • 이동체 탑재를 위한 광학구조 경량화, 정밀 PAT 기술, 채널을 고려한 통신 기술 확보 필요

 

[참고]

  • 한국전자통신연구원(ETRI), “모바일 자유공간 광전송(FSO) 기술 동향”, 2018

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