KR100893042B1 - 동선 예측이 가능한 고속이동체의 광대역 무선 데이터통신 방법 - Google Patents

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

본 발명은 동선 예측이 가능한 고속이동체의 광대역 무선 데이터 통신 방법에 관한 것임.

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제

본 발명은, 특정 경로를 따라 이동하는 고속이동체의 속도 정보를 이용해 다경로(multipath)에 의한 페스트페이딩(fast fading)과 도플러천이(Doppler shift)에 의한 문제를 해결하여 고속이동체를 위한 안정된 채널특성을 확보하기 위한, 동선 예측이 가능한 고속이동체의 광대역 무선 데이터 통신 방법을 제공하고자 함.

3. 발명의 해결방법의 요지

본 발명은, 특정 경로를 따라 이동하는 고속이동체를 위한 무선중계링크 시스템에서의 광대역 무선 데이터 통신 방법에 있어서, 상기 고속이동체의 속도 정보를 획득하는 단계; 상기 획득한 고속이동체의 속도 정보를 이용해 상기 고속이동체의 현재 위치를 파악하는 단계; 상기 파악한 고속이동체의 현재 위치와 상기 고속이동체의 진행방향에서 안테나와의 수직방향 거리를 이용해 상기 고속이동체에 대한 안테나 지향각을 구하는 단계; 및 상기 구한 안테나 지향각으로 안테나를 트래킹하여 상기 고속이동체와 무선 데이터 통신을 수행하는 단계를 포함함.

4. 발명의 중요한 용도

본 발명은 고속이동체의 무선랜 서비스 등에 이용됨.

무선이동통신, 고속이동체, 지향성 안테나, 도플러 천이, 안테나 트래킹

Description

동선 예측이 가능한 고속이동체의 광대역 무선 데이터 통신 방법{Broadband wireless data communications method in high speed predictable mobile}

도 1 은 본 발명이 적용되는 고속이동체의 무선랜 서비스 시스템의 구성예시도.

도 2 는 본 발명에 따른 동선 예측이 가능한 고속이동체의 광대역 무선 데이터 통신 방법에 대한 일실시예 설명도.

본 발명은 동선 예측이 가능한 고속이동체(특히, 비행기, 열차, 지하철 등)의 광대역 무선 데이터 통신 기술분야에 관한 것으로, 특히 동선예측이 가능한 고속이동체의 대용량 무선통신을 가능하게 하기 위하여, 고속이동체가 이동해오는 공간의 무선채널 특성과 관련된 정보를 제공함으로써, 사전에 정보전송의 보상이 가능하고, 공간적 특성을 고려한 송수신이 가능하도록 하기 위한 고속이동체의 광대역 무선 데이터 통신 방법에 관한 것이다.

현재의 무선랜(Wireless LAN : Wireless Local Area Network)과 같은 광대역 무선데이터 서비스는 상당부분 고정된 무선통신으로 구성되어 있다. 무선랜에서의 고속 이동을 하는 경우에 핸드오버에 대한 지원은 차지하더라도 고속이동으로 인한 다경로(multipath)에 의한 페스트페이딩(fast fading)과 도플러천이(Doppler shift)에 의한 문제로 안정된 채널 특성을 확보하기 어렵다.

따라서, 고속이동체에 대한 무선랜 서비스를 위하여, 해당 무선채널 특성에 적합한 형태의 송수신체계를 갖추고 전송방식의 변형을 적용하기 위한 방안이 필수적으로 요구된다.

본 발명은, 상기한 바와 같은 요구에 부응하기 위하여 제안된 것으로, 고속이동체의 속도와 위치정보를 이용하여 다경로(multipath)에 의한 페스트페이딩(fast fading)과 도플러천이(Doppler shift)에 의한 문제를 해결하여 안정된 채널특성을 확보하기 위한 고속이동체의 광대역 무선 데이터 통신 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법은, 특정 경로를 따라 이동하는 고속이동체를 위한 무선중계링크 시스템에서의 광대역 무선 데이터 통신 방법에 있어서, 상기 고속이동체의 속도 정보를 획득하는 단계; 상기 획득한 고속이동체의 속도 정보를 이용해 상기 고속이동체의 현재 위치를 파악하는 단계; 상기 파악한 고속이동체의 현재 위치와 상기 고속이동체의 진행방향에서 안테나와의 수직방향 거리를 이용해 상기 고속이동체에 대한 안테나 지향각을 구하는 단계; 및 상기 구한 안테나 지향각으로 안테나를 트래킹하여 상기 고속이동체와 무선 데이터 통신을 수행하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 본 발명의 방법은, 상기 획득한 고속이동체의 속도 정보를 이용해 도플러 변이 정도를 파악하여 베이스밴드에서 주파수 변이를 보상하는 단계를 더 포함한다.

고속이동을 하는 고속이동체로서는 지하철, 열차, 비행기 등이 있으며, 이들의 고속이동특성은 정형화된 경로를 따라 예측 가능한 형태로 이동을 한다는 점이다. 이러한 고속이동체의 경로(동선)를 따라 적당한 형태로 송수신 시스템을 구축하는 경우는 이미 기존의 이동통신에서 사용하고 있으며, 당연히 적용하게 되는 방법이다. 따라서, 본 발명에서는 해당 무선채널특성을 파악하고, 이에 적합한 형태의 중계링크 시스템 및 전송방법을 구성하여 고속이동과 고속 데이터 전송이 가능하도록 한다.

상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.

도 1 은 본 발명이 적용되는 고속이동체의 무선랜 서비스 시스템의 구성예시도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 핸드오버 구간 이전의 RU(Remote Unit)들은 모두 하나의 셀로 구성되며, 이러한 구성은 대부분의 이동통신시스템의 경우와 같다. 따라서, 동일 MU(Main Unit) 내의 RU들 간에는 서비스의 단절이 존재하지 않는다.

종래에 해결되지 않는 문제들은 이러한 고속이동 구간을 통과하는 경우에 앞서 서술한 패스트레이딩과 도플러천이에 의한 문제를 해결하기 어렵다는 것이다. 기존의 이동통신 시스템에서는 일반적인 경우의 문제를 고려하여 레이크리시버, AFC(Automatic Frequency Control) 등으로 무선채널 특성에 대응하였으나 무선랜과 같은 구조의 시스템에서는 지원되지 않는 구성이다.

대부분의 논문들과 실측된 자료에 기초하여 터널과 같은 제한된 공간에서의 멀티패스에 의한 신호지연분포(Delay spread) 특성은 수십 ns 이내이며, 이들 특성으로부터 스로우페이딩이 되는 대역폭은 대략 수백 kHz이내의 경우임을 알 수 있다. 동시에 또 다르게 발생하는 문제인 도플러 천이특성을 고려하면 수백 kHz 이상의 경우이다. 이들 서로 상반된 특성은 적합한 송수신 시스템의 전송방법을 결정하는데 제한을 두게 된다.

따라서, 멀티패스 환경에서의 특성을 개선하기 위해서는 지향성 안테나를 이용하는 방안과, 도플러천이 특성이 문제가 되는 것을 고려하여 사전왜곡을 시켜 보상하는 방안이 있을 수 있다.

도 2 는 본 발명에 따른 고속이동체의 광대역 무선 데이터 통신 방법에 대한 일실시예 설명도이다.

먼저, 지향성 안테나를 이용한 멀티패스 특성을 고려하기 위한 방안을 설명하면 다음과 같다.

지향성 안테나를 이용한 멀티패스 특성을 고려하기 위해서는, 상당히 날카로운(sharp)빔을 만들어야 하고, 동시에 트랙킹(tracking)이 가능한 동적인 구조이어야 한다. 이러한 지향성 안테나의 트래킹을 위하여 고속이동체나 시스템측은 이동체의 현재 속도와 위치 등의 정보를 제공하고 상대측인 RU(고정중계장치)에서는 이들의 정보로부터 트랙킹을 위한 튜닝이 수행된다. 참고적으로, 지향성 안테나를 이용하는 송수신 시스템은 간섭신호의 배제를 통한 신호품질의 개선 및 공간분할 효과를 제공하는 부분에서 사용되어 왔다.

본 발명에서는 멀티패스 신호를 제거하기 위하여 사용되며, 빔이 날카로운 정도가 신호품질을 좋게하는 역할을 하기 때문에 상용화의 문제에서 적정한 수준으로 제한하게 된다.

따라서, 본 발명에서는 속도와 위치 정보를 얻어내는 방안에 대한 실시예를 제시하며. 제시한 방안 이외의 다양한 방안을 적용할 수 있음을 밝혀둔다.

고속이동체는 특정한 예측 가능한 경로를 따라 움직이므로 각 RU(도 1)마다 속도를 측정할 수 있는 센서를 사용하고, 센서에서 얻어진 정보는 RU(고정중계장치)의 제어부분에 사용되어 지향각을 얻어내게 되는데, 이와 관련된 수식은 하기의 [수학식1]과 같다.

기차진행방향에서 안테나와의 수직방향의 거리를 x라고 한다면, 위치(position)와 속도의 정보로부터 매 시간마다 기차의 현 위치를 알 수 있고, 이로부터 안테나의 트랙킹 각도를 알 수 있다. 다음 RU 센서를 지나면서 같은 과정이 반복된다.

이러한 실시예는 다양한 방법으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 이동체 스스로 필요한 속도와 위치정보를 제공할 수도 있는데, 이 경우 정보를 전송할 수 있는 방법을 마련하여야 한다. 예를 들어, 해당 링크채널에 실어보낼 수도 있고 별도의 채녈을 마련할 수도 있다.

한편, 송수신 신호에 대한 사전왜곡을 보상하기 위해서는, OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplex)과 같은 기술을 이용하는 경우 각각의 캐리어주파수 별로 도플러천이 만큼의 왜곡보상을 사전에 수행하는 방법을 채택한다.

상기 지향성 안테나를 이용하는 경우와 마찬가지로 보상정도를 결정하기 위해 이동체의 속도 등의 정보가 제공되어야 한다. 이런 형태의 보상방법이 AFC 성능 이상의 결과를 확보할 수 있다는 추정이 가능하나, 실제로 시스템에서 요구하는 정도의 정확한 보상인지에 대한 문제가 고려되어야 한다. 필요에 따라 사전에 약속된 테스트용의 신호가 송수신되어야 하고 이를 통한 정확한 적응적 보상방법이 사용되어야 한다.

속도에 대한 정보는 이동하는 고속이동체가 직접 제공하고 동선을 따라 배치된 센서들로부터 얻어내는 정보도 보조적으로 이용한다. 속도정보를 얻어내면 이를 이용하여 도플러 변이 정도를 알아낼 수 있고, 이에 따라 베이스밴드에서 주파수 변이 만큼을 보상하게 된다. 주파수 보상은 베이스밴드에서 수행할 필요는 없으나 보상정도가 극히 작은 값이므로 무선주파수(RF)나 중간주파수(IF)의 영역에서 보상하기에는 가능하나 회로상의 구현이 어렵다.

원하는 보상회로는 원래의 송신신호를 도플러 천이(Doppler shift) 만큼 주파수 영역에서 왜곡시키는 것이다. 이러한 왜곡은 주파수의 이동과 같아서 송수신 시스템 설계시 원래 수행하게 되는 주파수 변환(upconversion)등에서 수월히 수행할 수 있다.

상기의 [수학식 3]에서와 같이 f 대신에 f-fd 만큼 송신신호를 변경하는 이 같은 처리는 RF부에서는 믹서를 이용하여 구현이 가능하고 베이스밴드부에서는 아날로그 신호상태에서 간단한 믹서를 사용할 수도 있다. 반면에, 디지털 신호 상태 에서 수행하는 경우는 FFT(Fast Fourier Transform)하는 과정이 필요하고, 따라서 송수신 시스템이 FFT를 수행하는 경우에(예를 들어 OFDM의 경우) 병행 적용할 수 있다.

본 발명에서는 이와 같이 송수신 시스템에서 doppler shift를 직접 계산하고 이를 이용하여 송신되는 신호를 직접 왜곡시키는 방법을 적용하는 것을 특징으로 한다.

결론적으로, 안테나로 나가게 되는 보상값은 본 보상치를 적용하지 않았던 경우보다 상기의 [수학식 1]에서처럼 변위가 되어 있다. 이러한 보상은 이동체 속도가 변화하지 않도록 가능한 짧은 시간에 반복되도록 구성되어야 한다. 이를 위해 이동체가 주기적인 속도 정보를 제공하거나 센서를 많은 곳에 설치하여야 한다.

멀티패스의 영향을 최소화하기 위해 사용된 트랙킹 안테나는 현실적으로 10~20도 정도의 빔만을 만들 수 있으므로 멀티패스 성분이 포함되게 된다. 그러나, 이러한 LOS(Line Of Sight)신호와 멀티패스성분(10~20도)은 상기의 수식에서 알 수 있듯이 주파수 변이 성분이 크게 다르지 않으므로

같은 보상치를 적용해도 성능에 영향을 미치지 않는다.

상술한 바와 같은 본 발명의 방법은 하드웨어로 구현하여 일반적인 송수신 시스템에 적용되거나 별도의 프로그램으로 구성하여 외부에서 처리된 결과를 송수신 시스템에 이용할 수도 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

상기한 바와 같은 본 발명은, 고속이동체가 이동해오는 공간의 무선채널특성과 관련된 정보를 제공함으로써, 사전에 정보전송의 보상이 가능하고 공간적 특성을 고려한 송수신이 가능하게 하는 효과가 있다.

즉, 본 발명은, 고속이동체의 속도와 위치정보를 이용하여 다경로(multipath)에 의한 페스트페이딩(fast fading)과 도플러천이(Doppler shift)에 의한 문제를 해결하여 안정된 채널특성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 특정 경로를 따라 이동하는 고속이동체를 위한 무선중계링크 시스템에서의 광대역 무선 데이터 통신 방법에 있어서,

   상기 고속이동체의 속도 정보를 획득하는 단계;

   상기 획득한 고속이동체의 속도 정보를 이용해 상기 고속이동체의 현재 위치를 파악하는 단계;

   상기 파악한 고속이동체의 현재 위치와 상기 고속이동체의 진행방향에서 안테나와의 수직방향 거리를 이용해 상기 고속이동체에 대한 안테나 지향각을 구하는 단계; 및

   상기 구한 안테나 지향각으로 안테나를 트래킹하여 상기 고속이동체와 무선 데이터 통신을 수행하는 단계

   를 포함하는 동선 예측이 가능한 고속이동체의 광대역 무선 데이터 통신 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 획득한 고속이동체의 속도 정보를 이용해 도플러 변이 정도를 파악하여 베이스밴드에서 주파수 변이를 보상하는 단계

   를 더 포함하는 동선 예측이 가능한 고속이동체의 광대역 무선 데이터 통신 방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 고속이동체의 속도 정보는,

   상기 고속이동체로부터 수신받거나 상기 특정 경로 상에 설치된 센서들로부터 획득하는 것을 특징으로 하는 동선 예측이 가능한 고속이동체의 광대역 무선 데이터 통신 방법.
4. 삭제

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