KR102381621B1 - 렌즈를 포함하는 유리 구조물 및 렌즈를 포함하는 수신기 - Google Patents

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Abstract

본 개시는 4G 시스템 이후 보다 높은 데이터 전송률을 지원하기 위한 5G 통신 시스템을 IoT 기술과 융합하는 통신 기법 및 그 시스템에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 전파가 투과할 수 있도록 형성된 유리; 및 상기 유리의 일측면에 배치되어 상기 유리의 일측면으로 입사되는 전파의 입사각도를 변경시키는 렌즈를 포함하는 유리 구조물을 제공한다.

Description

렌즈를 포함하는 유리 구조물 및 렌즈를 포함하는 수신기{GLASS STRUCTURE INCLUDING LENS AND RECEIVER INCLUDING LENS}
본 발명은 렌즈를 통하여 수신기의 게인값을 향상시킬 수 있는 장치를 제공하며, 보다 구체적으로는 고정된 각도로 전파를 방사하는 기지국으로부터 게인값 손실을 최소화하여 전파를 수신할 수 있는 장치를 제공한다.
4G 통신 시스템 상용화 이후 증가 추세에 있는 무선 데이터 트래픽 수요를 충족시키기 위해, 개선된 5G 통신 시스템 또는 pre-5G 통신 시스템을 개발하기 위한 노력이 이루어지고 있다. 이러한 이유로, 5G 통신 시스템 또는 pre-5G 통신 시스템은 4G 네트워크 이후 (Beyond 4G Network) 통신 시스템 또는 LTE 시스템 이후 (Post LTE) 이후의 시스템이라 불리어지고 있다. 높은 데이터 전송률을 달성하기 위해, 5G 통신 시스템은 초고주파(mmWave) 대역 (예를 들어, 60기가(60GHz) 대역과 같은)에서의 구현이 고려되고 있다. 초고주파 대역에서의 전파의 경로손실 완화 및 전파의 전달 거리를 증가시키기 위해, 5G 통신 시스템에서는 빔포밍(beamforming), 거대 배열 다중 입출력(massive MIMO), 전차원 다중입출력(Full Dimensional MIMO: FD-MIMO), 어레이 안테나(array antenna), 아날로그 빔형성(analog beam-forming), 및 대규모 안테나 (large scale antenna) 기술들이 논의되고 있다. 또한 시스템의 네트워크 개선을 위해, 5G 통신 시스템에서는 진화된 소형 셀, 개선된 소형 셀 (advanced small cell), 클라우드 무선 액세스 네트워크 (cloud radio access network: cloud RAN), 초고밀도 네트워크 (ultra-dense network), 기기 간 통신 (Device to Device communication: D2D), 무선 백홀 (wireless backhaul), 이동 네트워크 (moving network), 협력 통신 (cooperative communication), CoMP (Coordinated Multi-Points), 및 수신 간섭제거 (interference cancellation) 등의 기술 개발이 이루어지고 있다. 이 밖에도, 5G 시스템에서는 진보된 코딩 변조(Advanced Coding Modulation: ACM) 방식인 FQAM (Hybrid FSK and QAM Modulation) 및 SWSC (Sliding Window Superposition Coding)과, 진보된 접속 기술인 FBMC(Filter Bank Multi Carrier), NOMA(non orthogonal multiple access), 및SCMA(sparse code multiple access) 등이 개발되고 있다.
한편, 인터넷은 인간이 정보를 생성하고 소비하는 인간 중심의 연결 망에서, 사물 등 분산된 구성 요소들 간에 정보를 주고 받아 처리하는 IoT(Internet of Things, 사물인터넷) 망으로 진화하고 있다. 클라우드 서버 등과의 연결을 통한 빅데이터(Big data) 처리 기술 등이 IoT 기술에 결합된 IoE (Internet of Everything) 기술도 대두되고 있다. IoT를 구현하기 위해서, 센싱 기술, 유무선 통신 및 네트워크 인프라, 서비스 인터페이스 기술, 및 보안 기술과 같은 기술 요소 들이 요구되어, 최근에는 사물간의 연결을 위한 센서 네트워크(sensor network), 사물 통신(Machine to Machine, M2M), MTC(Machine Type Communication)등의 기술이 연구되고 있다. IoT 환경에서는 연결된 사물들에서 생성된 데이터를 수집, 분석하여 인간의 삶에 새로운 가치를 창출하는 지능형 IT(Internet Technology) 서비스가 제공될 수 있다. IoT는 기존의 IT(information technology)기술과 다양한 산업 간의 융합 및 복합을 통하여 스마트홈, 스마트 빌딩, 스마트 시티, 스마트 카 혹은 커넥티드 카, 스마트 그리드, 헬스 케어, 스마트 가전, 첨단의료서비스 등의 분야에 응용될 수 있다.
이에, 5G 통신 시스템을 IoT 망에 적용하기 위한 다양한 시도들이 이루어지고 있다. 예를 들어, 센서 네트워크(sensor network), 사물 통신(Machine to Machine, M2M), MTC(Machine Type Communication)등의 기술이 5G 통신 기술인 빔 포밍, MIMO, 및 어레이 안테나 등의 기법에 의해 구현되고 있는 것이다. 앞서 설명한 빅데이터 처리 기술로써 클라우드 무선 액세스 네트워크(cloud RAN)가 적용되는 것도 5G 기술과 IoT 기술 융합의 일 예라고 할 수 있을 것이다.
한편 5G 통신 시스템에서 사용되는 초고주파 대역에서는 전파가 수신되는 입사각도에 따라 수신기의 게인값이 급변할 수 있다. 따라서 원활한 5G 통신을 위해서는 수신기로 입사되는 전파의 입사각도를 적절히 조절해야할 필요가 있다.
특히, 고속으로 운행하는 열차의 터널 내부에서는 기지국이 배치되는 위치가 한정될 수 밖에 없으며, 수신기의 위치도 금속에 의한 전파의 열화현상을 피할 수 있는 위치로 한정되는바, 기지국에서 수신기로 방사되는 전파의 입사각도가 고정될 수 밖에 없다.
따라서 본 발명에서는 상기 고정된 입사각도를 렌즈를 통해 조절하여 수신기의 게인값을 향상시킬 수 있는 방법을 제안한다.
본 발명의 일실시예에 따른 유리 구조물은 전파가 투과할 수 있도록 형성된 유리; 및 상기 유리의 일측면에 배치되어 상기 유리의 일측면으로 입사되는 전파의 입사각도를 변경시키는 렌즈를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 유리 구조물은 상기 유리와 상기 렌즈 사이에 배치되어 상기 렌즈를 통해 입사되는 전파가 유리를 투과함에 따라 발생하는 투과 손실을 보상하는 유전체층(dielectric slab)을 더 포함할 수 있다.
상기 유전체층의 유전률은 상기 유리의 유전률 및 두께에 기반하여 결정될 수 있다.
상기 렌즈에 입사되는 전파의 입사각도가 기설정된 기준값을 초과하는 경우, 상기 렌즈는 상기 입사되는 전파의 위상값을 변경시켜 상기 유리로 입사되는 상기 전파의 입사각도가 상기 기준값 이하가 되도록 할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 기지국으로부터 기설정된 방사각도로 방사되는 전파를 수신하는 열차는 상기 열차의 창문 외측면에 배치되어 상기 기지국으로부터 입사되는 전파의 입사각도를 변경시키는 렌즈를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 상기 열차는 상기 창문과 렌즈 사이에 배치되어 상기 렌즈를 통해 입사되는 전파가 창문을 투과함에 따라 발생하는 투과 손실을 보상해주는 유전체층(dielectric slab)을 더 포함할 수 있다.
상기 창문은 열차의 내측면에서 외측면 방향으로 유리로 구성된 제1층, 보호 필름으로 구성된 제2층 및 유리로 구성된 제3층이 적층될 수 있으며, 상기 유전체층의 유전율은 상기 유리와 상기 보호 필름의 유전율에 기반하여 결정될 수 있다.
상기 렌즈는 상기 기지국을 통해 방사되는 전파의 위상값을 변경시켜 상기 전파가 창문으로 입사되는 입사각도를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 상기 열차는 상기 열차의 창문 내측면에 배치되어 상기 기지국으로부터 전파를 수신하는 수신기를 더 포함할 수 있으며, 상기 렌즈는 상기 전파가 창문으로 입사되는 입사각도를 감소시켜 상기 수신기로 전파를 입사시킬 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 적어도 하나의 기지국으로부터 기설정된 방사각도로 방사되는 전파를 수신하는 수신기를 포함하는 열차에서 상기 수신기는 전파를 송수신할 수 있는 안테나 어레이; 및 상기 안테나 어레이와 기설정된 간격만큼 이격되어 배치되는 렌즈를 포함할 수 있고, 상기 렌즈는 상기 적어도 하나의 기지국으로부터 입사되는 전파의 입사각도를 변경시킬 수 있다.
상기 수신기는 상기 열차의 지붕위에 배치되며, 상기 렌즈는 상기 적어도 하나의 기지국으로부터 방사되는 전파의 입사각도를 변경시켜 상기 안테나 어레이로 상기 복수개의 기지국으로부터 방사되는 전파를 입사시킬 수 있다.
상기 수신기는 상기 열차의 전면 창문에 배치되며, 상기 렌즈는 상기 적어도 하나의 기지국으로부터 방사되는 전파의 입사각도를 변경시켜 상기 안테나 어레이로 상기 복수개의 기지국으로부터 방사되는 전파를 입사시킬 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따를 경우, 기지국이 고정된 각도로 전파를 전송하더라도 렌즈에 의하여 수신기로 입사되는 전파의 입사각도가 조절되므로 수신기의 게인값 손실을 방지할 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명에 따를 경우 열차의 창문을 통해 기지국과 수신기간 통신을 할 수 있어 금속에 의하여 전파가 산란되는 것을 방지할 수 있으며, 이를 통해 수신기의 게인값을 향상시킬 수 있다.
또한 기지국에 렌즈를 적용하여 기지국의 커버리지를 확장시킬 수 있다.
도 1a는 열차 터널 내부에 기지국이 배치되고 열차의 지붕에 수신기가 배치된 경우 수신기의 전파 입사각도를 나타낸 도면이다.
도 1b는 열차 터널 내부에 기지국이 배치되고 열차의 창문에 수신기가 배치된 경우 수신기의 전파 입사각도를 나타낸 도면이다.
도 2는 열차 터널 내부에 기지국이 배치되고 열차의 창문에 수신기가 배치된 경우를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따라 열차의 측면 창문에 렌즈 및 유전체층이 배치된 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따라 렌즈를 적용한 경우와 종래 기술에 따라 렌즈를 적용하지 않은 경우 수신기의 게인값을 비교한 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따라 유전체층을 적용한 경우와 종래 기술에 따라 유전체층을 적용하지 않은 경우 수신기의 게인값을 비교한 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따라 열차 지붕에 수신기가 배치된 구조를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 따라 열차 지붕에 배치되는 수신기의 구조를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명에 따라 수신기에 렌즈를 적용한 경우와 종래 기술에 따라 렌즈를 적용하지 않은 경우 수신기의 게인값을 비교한 그래프이다.
도 9a, 9b는 본 발명에 따라 열차의 전면 창문을 통해 수신기가 기지국의 전파를 수신하는 경우를 나타낸 도면이다.
도 10a, 10b, 10c는 본 발명에 따라 기지국에 렌즈가 배치된 경우를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명에 따른 렌즈 구조와 종래 기술에 따른 렌즈 구조를 비교한 도면이다.
실시 예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다. 또한, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 각 도면에서 동일한 또는 대응하는 구성요소에는 동일한 참조 번호를 부여하였다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이 때, 처리 흐름도 도면들의 각 블록과 흐름도 도면들의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 흐름도 블록(들)에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 흐름도 블록(들)에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다. 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 흐름도 블록(들)에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.
또한, 각 블록은 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실행 예들에서는 블록들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 블록들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.
이 때, 본 실시 예에서 사용되는 '~부'라는 용어는 소프트웨어 또는 FPGA또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '~부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '~부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들, 및 변수들을 포함한다. 구성요소들'~부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부'들로 더 분리될 수 있다. 뿐만 아니라, 구성요소들 및 '~부'들은 디바이스 또는 보안 멀티미디어카드 내의 하나 또는 그 이상의 CPU들을 재생시키도록 구현될 수도 있다. 또한 실시 예에서 '~부'는 하나 이상의 프로세서를 포함할 수 있다.
5G 통신에 사용되는 전파는 직진성이 강하여 통신환경을 조성함에 있어 최대한 LOS(Line Of Sight) 환경에 가깝게 통신환경을 조성하는 것이 중요하다. 따라서 원활한 5G 통신을 수행하기 위해서 앞서 개시한 바와 같이 FD-MIMO 등의 기술들이 도입되고 있는데, 빔포밍 기법도 5G 통신에 있어 중요한 기술 중의 하나이다.
일반적으로 빔포밍 기법은 다중 안테나 요소들의 위상을 조절함으로써 인위적으로 빔의 방향을 조절할 수 있는데, 원하는 방향에 따른 위상 값을 미리 저장장치에 넣어놓고 통신하는 상대의 방향에 따라 적절히 위상 값을 안테나 요소에 적용하여 빔을 생성할 수 있다.
따라서 기지국은 다양한 각도로 빔을 생성할 수 있으며, 기지국은 생성된 빔 중 수신기와의 채널 환경이 가장 좋은 빔을 결정하여 수신기와 통신을 수행하게 된다.
하지만, 터널 내부와 같이 특수한 상황에서는 상기와 같은 방법을 통한 빔포밍 기법은 효율적이지 못할 수 있다. 구체적으로 열차가 운행하는 터널의 경우에는 터널의 회전 반경이 크지 않다.
특히, 고속으로 운행하는 열차일수록 터널의 회전반경은 크지 않을 수 있다. 예를 들어, KTX의 경우에는 높은 속도로 인하여 궤도에서 탈선하는 것을 방지하기 위해 대부분의 궤도가 직선으로 구성되어 있다.
따라서, 이 경우 터널 내부에 위치하는 기지국과 열차에 배치되는 수신기간에는 특수한 통신 환경이 조성될 수 있는바 도 1a와 도 1b를 통해 터널 내부에서 기지국과 열차의 수신기간 형성되는 통신환경을 살펴보도록 하겠다.
도 1a는 열차 터널 내부에 기지국이 배치되고 열차의 지붕에 수신기가 배치된 경우 수신기의 전파 입사각도를 나타낸 도면이다.
구체적으로 도 1a는 수신기를 기준으로 xy 평면에서 기지국이 전송하는 빔을 바라본 경우 전파가 입사되는 각도와 xz 평면에서 기지국이 전송하는 빔을 바라본 경우 전파가 입사되는 각도를 나타낸 도면이다.
도 1a를 통해 확인할 수 있듯이 어떠한 평면에서 기지국을 바라보는지에 관계없이 기지국을 통해 방사되는 빔은 대부분 열차가 진행하는 전면 방향(x축 방향)에서 입사되는 것을 확인 할 수 있다.
또한 기지국의 빔 스캔 동작을 통해 방사되는 빔의 전송 각도가 변경되더라도 수신기에 의해 입사되는 전파의 입사각도는 큰 차이가 없는 것을 확인할 수 있다.
도 1b는 열차 터널 내부에 기지국이 배치되고 열차의 창문에 수신기가 배치된 경우 수신기의 전파 입사각도를 나타낸 것이다.
도 1b에서 도시하고 있는 전파의 입사각도는 대체적으로 도 1a에서 도시하고 있는 전파의 입사각도와 유사한 것을 확인할 수 있다.
즉, 수신기가 열차의 지붕 또는 창문에 위치하는 것과 관계없이 수신기 측면에서 수신되는 전파의 입사각도는 일정한 각도를 유지할 것이라는 것을 확인할 수 있다. 또한 기지국이 어떠한 전송 각도로 빔을 방사하는지에 관계없이 수신기로 입사되는 전파의 입사각도는 유사한 값을 가질 수 있다.
즉, 회전반경이 크지 않은 열차의 터널 내부에서 수신기는 기지국으로부터 항상 유사한 각도로 전파를 수신하게 되는바, 기지국은 채널 환경이 좋은 빔을 찾기 위한 빔스캔 동작을 수행할 필요가 없을 수 있다. 또한 수신기도 기지국으로부터 수신되는 빔에 대한 정보를 분석하여, 분석된 정보를 다시 기지국으로 전송할 필요가 없을 수 있다.
즉, 터널 내부에서 기지국은 항상 고정된 각도로 빔을 전송하며, 수신기는 상기 빔을 수신하여 기지국과 통신을 수행할 수 있다. 따라서 터널 내부에서 기지국과 열차간 통신에 있어서는, 빔 스캔등의 동작을 수행할 필요가 없으며, 이를 통해 기지국과 열차간 통신 절차가 종래 기술에 비해 더욱 간명해질 수 있다.
다만, 도 1a와 도 1b에서 개시한 바와 같이 터널 내부에서 기지국은 고정된 한 방향만으로 전파를 방사할 수 있는바, 수신기가 상기 방사되는 전파를 수신하기 위해서는 수신기 구조의 변경이 요구될 수 있다.
따라서 본 발명에서는 이와 같은 특수한 상황(기지국이 고정된 또는 기설정된 방사각도만으로 빔을 방사하는 경우)에 고려될 수 있는 수신기의 구조를 제안하고자 한다.
구체적으로 첫 번째로는 수신기가 열차의 측면 창문에 배치되는 경우 수신기의 구조를 제안하며, 두 번째로는 수신기가 열차 지붕 위에 배치되는 경우 수신기의 구조를 제안하고 마지막 세 번째로는 수신기가 열차의 전면 창문에 배치되는 경우 수신기의 구조를 제안한다.
한편, 본 발명에서는 열차에 수신기가 배치되는 구조를 개시하고 있으나, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되어서는 안 될 것이다. 앞서 개시한 바와 같이 기지국이 빔 스캔 동작을 수행하지 않고 고정된 각도로 빔을 방사하여도 수신기와 통신을 할 수 있는 통신환경이라면 본 발명에 따른 수신기 구조가 적용될 수 있다.
예를 들어, 회전반경이 적은 터널에 진입하는 자동차의 경우에도 본 발명에 따른 수신기 구조가 적용될 수 있을 것이다.
도 2는 열차 터널 내부에 기지국이 배치되고 열차의 측면 창문에 수신기가 배치된 경우를 나타낸 도면이다.
앞서 개시한 바와 같이 기지국(220)은 터널 내부의 양측면에 배치될 수 있다.(다만, 이는 일실시예에 해당할 뿐 양측면이 아닌 천장의 중앙에 기지국이 위치할 수도 있으며 또는 터낼 내부의 일측면에만 기지국이 배치될 수도 있다.)
수신기(210)는 열차(200) 측면의 창문에 배치될 수 있는데, 도 2에서 개시하고 있는 바와 같이 한 량의 열차에만 수신기가 배치될 수 있을 뿐만 아니라, 복수 량의 열차에 수신기가 배치될 수도 있다.
다만, 열차(200)의 프레임은 일반적으로 금속을 포함하므로 최대한 열차 프레임을 피하여 수신기(210)를 배치하는 것이 수신기(210)의 게인값 향상 측면에서 바람직할 것이다.
도 2와 같이 열차(200) 측면의 창문에 수신기(210)가 배치된 경우 기지국을 통해 방사되는 전파가 창문에 도달하는 각도는 도 1a와 1b에서 확인한 바와 같이 약 90°에 가까울 것이다.
이 경우 기지국을 통해 방사되는 전파의 대부분은 창문을 통과하지 못하고 반사될 수 있는데, 이는 창문을 구성하는 주요물질은 유리의 물성 때문이다. 일반적으로 유리로 입사되는 밀리미터 웨이브의 경우에는 입사각도가 50°를 초과하게 되면 유리를 통과할 수 없다. (다만 이는 발명의 이해를 돕기 위한 일 실시예에 해당할 뿐인바 본 발명의 권리범위가 이에 국한되어서는 안될 것이다. 유리가 투과되는 전파의 입사각도 기준은 전파의 길이 또는 유리를 구성하는 물질에 따라 달라질 수 있다.)
따라서 본 발명에서는 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 방법으로 열차의 창문에 렌즈를 배치하는 방법을 제공하고자 하며, 이에 대한 자세한 설명은 도 3을 통해 후술하도록 한다.
도 3은 본 발명에 따라 열차의 측면 창문에 렌즈 및 유전체층이 배치된 구조를 나타낸 도면이다.
일반적으로 열차 또는 차량에 배치되는 창문은 도 3에 개시된 바와 같이 두 개의 유리층(310, 330)과 하나의 보호 필름층(320)을 포함할 수 있다.
여기서 보호 필름층(320)은 두 개의 유리층(310, 330)을 서로 접착시켜 주는 역할을 하며, 상기 보호 필름층(320)을 통해 창문의 강성을 높일 수 있다. 또한, 충격에 의해 유리층이 깨지더라도 보호 필름층(320)에 의하여 유리 파편이 열차의 내외부로 튀는 것을 방지할 수 있다. 일반적으로 PVB(polyvinyl butyral) 또는 PVA(Polyvinyl Alcohol)로 상기 보호 필름층(320)을 구성할 수 있다.
앞서 개시한 바와 같이 상기 창문의 외측면을 통해 입사되는 전파의 입사각도는 약 85°이다. 그러나 앞서 개시한 바와 같이 창문을 구성하는 유리의 물성에 의해 85°의 입사각도로 입사되는 전파의 대부분은 유리를 투과할 수 없다.
따라서 본 발명에서는 창문의 외측면에 렌즈(350)를 배치하여 기지국을 통해 입사되는 전파의 입사각도를 변경시켜 전파가 창문을 통과하여 창문 내측면에 배치되는 수신기에 도달할 수 있는 방법을 개시하고자 한다.
구체적으로 렌즈(350)는 전파의 입사각도가 기설정된 기준값을 초과하는 경우, 상기 전파의 위상값을 변경시켜 상기 창문으로 입사되는 전파의 입사각도가 기설정된 기준값 이하가 되도록 전파의 입사각도를 변경시킨다.
앞선 예를 활용해보면, 기지국에 의해 방사되는 전파가 렌즈(350)에 85°의 입사각도로 입사된다면, 렌즈(350)는 입사된 전파의 입사각도를 50° 이하의 입사각도로 변경시킬 수 있다.
렌즈(350)를 통해 입사각도를 낮추면 낮출수록 유리를 투과하는 전파의 양이 많아 질 수 있으나, 입사각도를 낮춤에 따라 반사적으로 입사되는 전파의 크기가 감소할 수 있다. 따라서 전파의 입사각도에 따른 전파의 크기 변화를 고려하여 전파의 입사각도를 낮추는 것이 바람직할 것이다.
렌즈(350)는 렌즈(350)에 형성된 패턴을 통해 렌즈(350)로 입사되는 전파의 위상값을 변경시킬 수 있는데, 이를 통해 전파가 입사되는 입사각도를 자유롭게 변경할 수 있다. 즉 설계자의 필요에 따라 패턴의 크기 또는 패턴간의 간격을 조절하여 렌즈(350)를 통해 입사되는 빔의 입사각도를 자유롭게 변경할 수 있다. 구체적으로 본 발명에 따를 경우 위상 보상 정도가 다른 복수개의 패턴 유닛을 상기 렌즈(350)에 형성하여 렌즈로 입사되는 전파의 입사각도를 변경시킬 수 있다.
도 11에서 종래 기술에 따른 렌즈 구조와 본 발명에 따른 렌즈 구조를 비교하고 있다.
종래 기술에 따른 렌즈는 렌즈 위상 곡선 형상이 대칭되는 포물선 구조를 가지며 렌즈의 중심은 안테나의 중심과 일치한다. 따라서 렌즈 통과 후 빔의 각도도 안테나 빔 각도와 동일한 각도를 유지할 수 있다.
반면에 본 발명에 따른 렌즈는 렌즈 위상 곡선 형상이 비대칭 포물선 구조를 가지고, 렌즈 중심과 안테나의 중심이 서로 상이하다. 따라서 렌즈 통과 후 빔의 각도는 안테나 빔 각도와 상이하게 되는바, 이를 통해 빔의 입사각도를 변경할 수 있다.
따라서 상기 렌즈(350)를 창문에 배치하는 것만으로 창문을 통해 입사되는 전파의 입사각도가 변경되어 전파가 창문을 투과하여 창문의 내측면에 배치된 수신기에 전송될 수 있는바, 기지국과 수신기간 통신 네트워크가 형성될 수 있다.
다만, 본 발명에서는 창문을 구성하는 유리(310, 330) 및 보호 필름층(320)의 유전율로 인한 전파의 게인값 손실을 보상하고자 하는 목적으로 창문과 렌즈(350) 사이에 유전체층(dielectric slab, 340)을 배치하는 방안을 제안하고 있다.
구체적으로 상기 유전체층(340)은 렌즈를 통해 입사되는 전파의 유전율을 변경하여 창문을 투과함에 따라 발생하는 게인값 손실을 보상하는 역할을 할 수 있다. 따라서 상기 유전체층(340)의 유전율은 창문을 구성하는 유리와 보호 필름층의 유전율 및 두께에 기반하여 결정될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따라 렌즈를 적용한 경우와 종래 기술에 따라 렌즈를 적용하지 않은 경우 수신기의 게인값을 비교한 그래프이다.
도 4에서 개시하고 있는 그래프에 따를 경우 창문에 입사되는 입사각도가 85°이면서 창문에 렌즈를 적용하는 경우, 렌즈를 적용하지 않은 경우 보다 약 10dB 이상의 게인값이 향상되는 것을 확인할 수 있다.
또한 도 5를 통해 입사각도가 약 40°~50°인 경우, 유전체층을 적용한 경우 유전체층을 적용하지 않은 경우보다 약 5dB 이상 게인값 손실이 보상되는 것을 확인할 수 있다. (도 5에서 입사각도가 40°~50°사이를 확인하는 이유는 앞서 개시한 바와 같이 유리로 입사되는 전파의 입사각도가 40°~50°인 경우 게인값이 가장 좋을 것으로 예측되기 때문이다.)
따라서 본 발명에 따라 렌즈와 유전체층을 창문에 배치하는 경우 열차 측면의 창문에 수신기가 배치되더라도 기지국과 원활한 통신을 수행할 수 있다. 특히 전파의 직진성이 강한 밀리미터 웨이브를 이용하는 5G 통신 시스템에서도 본 발명에 따른 수신기의 구조가 동일하게 적용이 가능하다.
보다 구체적으로 본 발명에 따라 수신기가 열차 측면의 창문 내측에 배치될 수 있다면 각 량의 창문 내측마다 수신기를 배치하고, 상기 수신기와 유선 또는 무선으로 연결되는 공유기를 각 량에 배치하여 승객들에게 무선 네트워크를 제공하는 방법을 고려해 볼 수 있다.
뿐만 아니라, 한 량의 창문 내측에만 수신기를 배치하고, 상기 수신기와 유선 또는 무선으로 연결되는 공유기를 각 량에 배치하여 수신기의 수는 최소화하면서 열차에 탑승한 모든 승객들에게 무선 네트워크를 제공하는 방법도 고려해 볼 수 있다.
한편, 이 외에도 다양한 방식으로 통신 네트워크 형성이 가능할 것인바, 본 발명의 권리범위가 앞서 개시한 실시예에 국한되어서는 안 될 것이며, 통상의 기술자가 적절히 변경 가능한 기술 영역까지 본 발명의 권리범위가 미칠 것이다.
도 6은 본 발명에 따라 열차 지붕에 수신기가 배치된 구조를 나타낸 도면이다.
이 경우에는 창문의 내측면에 수신기를 배치한 구조와 같이 전파가 유리를 통과할 필요가 없다. 또한 수신기로 수신되는 전파의 입사각도도 도 1a에서 확인한 바와 같이 거의 0°에 가까울 것이므로 전파의 입사각도를 변경하기 위한 렌즈도 요구되지 않을 것이다.
다만, 도 6에서 도시하고 있는 바와 같이 터널 내부에 배치되는 기지국은 상행선용 기지국(620)과 하행선용 기지국(630) 두 개가 배치될 수 있다. 이 경우 열차(600)의 지붕에 배치된 수신기(610)는 열차의 진행 방향과 반대방향용 기지국을 이용할 수도 있을 것이다.
예를 들어 열차(600)가 상행선이라 하더라도 상행선용 기지국(620) 뿐만 아니라 하행선용 기지국(630)으로부터 전파를 수신할 수 있다. 즉, 상기 상행선용 기지국(620)과 하행선용 기지국(630)의 전파를 모두 이용하여 수신기(610)의 게인값을 향상시킬 수 있다.
다만, 상행선용 기지국(620)과 하행선용 기지국(630)은 터널 내부에서 동일한 위치에 배치되는 것이 아니므로 큰 차이는 아니지만 수신기(610)를 통해 입사되는 상행선용 기지국(620) 전파의 입사각도와 하행선용 기지국(630) 전파의 입사각도가 서로 상이할 수 있다.
따라서, 열차(600) 지붕에 배치되는 수신기(610)를 통해 상행선용 기지국(620) 및 하행선용 기지국(630)과 통신을 하기 위해서는 상행선용 기지국(620), 수신기(610) 및 하행선용 기지국(630)이 이루는 각도(θ)만큼 수신기(610)가 전파를 수신할 수 있어야 한다. 따라서 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 수신기 구조(610)를 도 7에서 도시하고 있다.
도 7은 본 발명에 따라 열차 지붕에 배치되는 수신기의 구조를 나타낸 도면으로 수신기는 안테나 어레이(710)와 렌즈(720)로 구성될 수 있다. 안테나 어레이(710)는 복수개의 안테나 유닛을 포함할 수 있으며, 상기 복수개의 안테나 유닛을 통해 기지국을 통해 방사되는 전파를 수신할 수 있다.
도 7에서 개시하고 있는 렌즈(720)는 도 3에서 개시한 렌즈와 유사한 구조를 가질 수 있다. 즉, 렌즈(720)에 형성된 패턴을 통해 렌즈를 통해 입사되는 전파의 입사각도를 변경할 수 있으며, 이에 따라 상기 렌즈(720)를 통해 안테나 어레이(710)로 수신될 수 있는 전파의 수신 가능 각도가 넓어질 수 있다.
구체적으로 상기 렌즈(720)를 통해 넓어지는 수신기의 수신 가능 각도의 최대값은 앞서 개시한 θ값이 되는 것이 바람직할 것이다. 왜냐하면 수신 가능 각도가 θ값을 초과하게 되면 오히려 수신기의 게인값이 감소할 수 있기 때문이다.
도 8은 본 발명에 따라 수신기에 렌즈를 적용한 경우와 종래 기술에 따라 렌즈를 적용하지 않은 경우 수신기의 게인값을 비교한 그래프이다.
종래 기술에 따라 렌즈를 적용하지 않은 경우에는 상행선용 기지국과 하행선용 기지국으로부터 모두 전파를 수신할 수 없으므로 수신기의 게인값은 하나의 기지국으로부터만 전파를 수신한 경우와 동일하게 나타난다.
반면에 본 발명에 따라 수신기의 수신 가능 각도를 향상시킬 수 있는 렌즈를 수신기에 배치하면 수신기가 상행선용 기지국과 하행선용 기지국으로부터 모두 전파를 수신할 수 있으므로, 도 8에서 도시하고 있는 바와 같이 수신기의 게인값이 전체적으로 향상될 수 있다.
따라서 본 발명에 따라 수신기가 열차의 지붕에 배치될 수 있다면 각 량의 지붕마다 렌즈를 포함하는 수신기를 배치하고, 상기 수신기와 유선 또는 무선으로 연결되는 공유기를 각 량에 배치하여 승객들에게 무선 네트워크를 제공하는 방법을 고려해 볼 수 있다.
또는 열차 한 량의 지붕에만 렌즈를 포함하는 수신기를 배치하고, 상기 수신기와 유선 또는 무선으로 연결되는 공유기를 각 량에 배치하여 수신기의 수는 최소화하면서 열차에 탑승한 모든 승객들에게 무선 네트워크를 제공하는 방법도 고려해 볼 수 있다.
한편, 이 외에도 다양한 방식으로 통신 네트워크 형성이 가능할 것인바, 본 발명의 권리범위가 앞서 개시한 실시예에 국한되어서는 안 될 것이며, 통상의 기술자가 적절히 변경 가능한 기술 영역까지 본 발명의 권리범위가 미칠 것이다.
도 9a, 9b는 본 발명에 따라 수신기가 열차의 전면 창문을 통해 기지국의 전파를 수신하는 경우를 나타낸 도면이다.
구체적으로 도 9a는 렌즈와 유전체층이 분리된 형태의 수신기 구조를 나타낸 경우이며, 도 9b는 렌즈와 유전체층이 결합된 형태의 수신기 구조를 나타낸 도면이다.
도 9a 및 도 9b에서 개시하고 있는 구조의 기본적인 원리는 열차 측면의 창문에 수신기를 배치한 경우와 유사하다.
따라서 도 9a에서 도시하고 있는 수신기 구조에 따를 경우 열차의 전면 창문(930)을 통해 입사되는 전파는 유전체층(920)을 통과함에 따른 유리 투과에 따른 게인값 손실을 보상할 수 있으며, 상기 유전체층(920)을 통과한 전파는 수신기(900)의 전방에 위치한 렌즈(910)를 통과하여 수신기에 전송될 수 있다. 그러므로 도 9a와 같은 구조의 경우에도 앞서 개시한 바와 같이 약 10dB 이상의 게인값을 향상시킬 수 있을 것이다.
반면에 도 9b에서 도시하고 있는 수신기 구조는 렌즈(910)와 유전체층(920)이 결합되어 열차의 전면 창문(930)에 결합된 구조이다. 이 경우 도 9b에서 도시하고 있는 바와 같이 렌즈(910)와 유전체층(920)을 별물로 구성할 수 있을 뿐만 아니라, 유전체층(920)에 금속 패턴을 추가하여 유전체층(920)이 렌즈(910)의 역할을 동시에 수행할 수 있도록 구성할 수도 있다.
상기 개시한 구조에 따라 수신기가 열차 전면의 창문에 배치될 수 있다면 상기 수신기와 유선 또는 무선으로 연결되는 공유기를 각 량에 배치하여 열차를 탑승한 모든 승객들에게 무선 네트워크를 제공할 수 있을 것이다.
한편, 이 외에도 다양한 방식으로 통신 네트워크 형성이 가능할 것인바, 본 발명의 권리범위가 앞서 개시한 실시예에 국한되어서는 안 될 것이며, 통상의 기술자가 적절히 변경 가능한 기술 영역까지 본 발명의 권리범위가 미칠 것이다.
도 10a, 10b, 10c는 본 발명에 따라 기지국에 렌즈가 배치된 경우를 나타낸 도면이다.
본 발명은 수신기 뿐만 아니라 기지국에 렌즈를 배치하는 방법을 제공할 수 있다. 구체적으로 도 10a는 안테나(1010)를 내장하고 있는 기지국에서 빔이 방사되는 기지국의 외부 일측면에 렌즈(1020)를 배치한 경우를 도시한 것이다.
도 10b는 기지국(1000) 케이스 내부에서 안테나(1010)를 통해 방사되는 빔과 마주하는 일측면에 렌즈(1020)를 배치한 경우를 도시한 것이다. 또한 도 10c는 기지국(1000) 케이스의 외부에서 안테나(1010)를 통해 방사되는 빔과 마주하는 일측면에 렌즈(1020)를 배치한 경우를 도시한 것이다.
앞서 개시한 바와 같이 렌즈(1020)는 렌즈(1020)에 형성된 패턴에 따라서 렌즈(1020)를 통해 방사되는 전파의 방사각도와 게인값을 자유롭게 조절할 수 있다. 따라서 상기 렌즈(1020)를 적절히 활용하면 상기 안테나(1010)를 통해 방사되는 빔의 방사각도는 그대로 유지하면서 게인값만을 향상시킬 수 있다.
따라서 본 발명에 따를 경우 기지국에 렌즈를 배치하여 기지국의 커버리지(coverage)를 확장시킬 수 있으며, 이를 통해 설치되는 기지국의 개수를 감소시킬 수 있는바 기지국의 유지 보수 및 설치 비용 측면에서 유리한 효과를 얻을 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 기지국은 터널 내부에 복수개 배치될 수 있다. 예를 들어 터널의 입구방향에서 출구방향으로 제1 기지국, 제2 기지국 및 제3 기지국이 배치될 수 있다.
즉, 터널에 진입하는 열차에 배치되는 수신기는 처음에는 제1 기지국과 통신을 수행할 수 있으며, 이후에는 제2 기지국 및 제3 기지국과 순차적으로 통신을 수행할 수 있다.
이 경우 최초 제1 기지국과 수신기가 통신을 수행할 때 제1 기지국은 제2 기지국에게 곧 열차의 수신기와 통신을 수행할 수 있다는 준비요청 정보를 전달할 수 있다. 상기 준비요청 정보에는 제1 기지국과 열차의 수신기간 채널정보가 포함될 수 있을 것이다.
이후 제2 기지국과 수신기간 통신을 수행하게 된다면, 제2 기지국도 동일하게 제3 기지국에게 제2 기지국과 수신기간 채널정보가 포함되어 있는 준비요청 정보를 전달 할 수 있으며, 이를 통해 제2 기지국과 제3 기지국이 수신기와 통신을 수행하기 이전에 통신 수행을 위한 준비를 할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 기지국은 도 2 또는 도 6에서 개시하고 있는 바와 같이 터널의 입구 방향과 출구 방향으로 전파를 방사할 수 있다. 즉, 열차의 움직임에 따라 수신기가 제1 기지국과 제2 기지국 사이에 존재하는 경우, 열차의 수신기는 제1 기지국과 제2 기지국으로부터 전파를 수신할 수 있다.
따라서 이 경우 수신기의 게인값은 하나의 기지국만을 통해 전파를 수신하는 경우의 수신기 게인값보다 크므로 유리한 통신환경을 구축할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 즉 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명의 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다. 또한 상기 각각의 실시 예는 필요에 따라 서로 조합되어 운용할 수 있다. 예컨대, 본 발명의 실시예 1와 실시예 2, 그리고 실시예3의 일부분들이 서로 조합되어 기지국과 단말이 운용될 수 있다. 또한 상기 실시예들은 LTE 시스템을 기준으로 제시되었지만, 5G 혹은 NR 시스템 등 다른 시스템에도 상기 실시예의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이실시 가능할 것이다.

Claims (12)

  1. 전파가 투과할 수 있도록 형성된 유리; 및
    상기 유리의 일측면에 배치되어 상기 유리의 일측면으로 입사되는 전파의 입사각도를 변경시키는 렌즈를 포함하고,
    상기 렌즈는 비대칭 포물선 구조의 렌즈 위상 곡선 형태를 가지고, 상기 렌즈의 중심은 안테나의 중심과 상이한 것을 특징으로 하는,
    유리 구조물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유리와 상기 렌즈 사이에 배치되어 상기 렌즈를 통해 입사되는 전파가 유리를 투과함에 따라 발생하는 투과 손실을 보상하는 유전체층(dielectric slab)을 더 포함하는,
    유리 구조물.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 유전체층의 유전률은 상기 유리의 유전률 및 두께에 기반하여 결정되는 것을 특징으로 하는,
    유리 구조물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 렌즈에 입사되는 전파의 입사각도가 기설정된 기준값을 초과하는 경우, 상기 렌즈는 상기 입사되는 전파의 위상값을 변경시켜 상기 유리로 입사되는 상기 전파의 입사각도가 상기 기준값 이하가 되도록하는 것을 특징으로 하는,
    유리 구조물.
  5. 기지국으로부터 기설정된 방사각도로 방사되는 전파를 수신하는 열차에 있어서,
    상기 열차의 창문 외측면에 배치되어 상기 기지국으로부터 입사되는 전파의 입사각도를 변경시키는 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하고,
    상기 렌즈는 비대칭 포물선 구조의 렌즈 위상 곡선 형태를 가지고, 상기 렌즈의 중심은 안테나의 중심과 상이한 것을 특징으로 하는,
    열차.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 창문과 렌즈 사이에 배치되어 상기 렌즈를 통해 입사되는 전파가 창문을 투과함에 따라 발생하는 투과 손실을 보상해주는 유전체층(dielectric slab)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    열차.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 창문은 열차의 내측면에서 외측면 방향으로 유리로 구성된 제1층, 보호 필름으로 구성된 제2층 및 유리로 구성된 제3층이 적층된 구조이며,
    상기 유전체층의 유전율은 상기 유리와 상기 보호 필름의 유전율에 기반하여 결정되는 것을 특징으로 하는,
    열차.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 렌즈는 상기 기지국을 통해 방사되는 전파의 위상값을 변경시켜 상기 전파가 창문으로 입사되는 입사각도를 감소시키는 것을 특징으로 하는,
    열차.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 열차의 창문 내측면에 배치되어 상기 기지국으로부터 전파를 수신하는 수신기를 더 포함하며,
    상기 렌즈는 상기 전파가 창문으로 입사되는 입사각도를 감소시켜 상기 수신기로 전파를 입사시키는 것을 특징으로 하는,
    열차.
  10. 적어도 하나의 기지국으로부터 기설정된 방사각도로 방사되는 전파를 수신하는 수신기를 포함하는 열차에 있어서,
    상기 수신기는 전파를 송수신할 수 있는 안테나 어레이; 및 상기 안테나 어레이와 기설정된 간격만큼 이격되어 배치되는 렌즈를 포함하고,
    상기 렌즈는 상기 적어도 하나의 기지국으로부터 입사되는 전파의 입사각도를 변경시키는 것을 특징으로 하는,
    열차.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 수신기는 상기 열차의 지붕위에 배치되며, 상기 렌즈는 상기 적어도 하나의 기지국으로부터 방사되는 전파의 입사각도를 변경시켜 상기 안테나 어레이로 복수개의 기지국으로부터 방사되는 전파를 입사시키는 것을 특징으로 하는,
    열차.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 수신기는 상기 열차의 전면 창문에 배치되며, 상기 렌즈는 상기 적어도 하나의 기지국으로부터 방사되는 전파의 입사각도를 변경시켜 상기 안테나 어레이로 복수개의 기지국으로부터 방사되는 전파를 입사시키는 것을 특징으로 하는,
    열차.
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