KR20200133266A - 이동 차량에서의 차세대 무선 네트워크를 위한 메타 구조 안테나 시스템 - Google Patents

이동 차량에서의 차세대 무선 네트워크를 위한 메타 구조 안테나 시스템 Download PDF

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KR20200133266A
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Abstract

본 명세서에 개시된 예는 이동 차량내의 차세대 무선 네트워크를 위한 메타 구조("MTS") 안테나 시스템에 관한 것이다. MTS 안테나 시스템은 이동 차량의 외부 표면에 장착되고 MTS 셀의 MTS 어레이를 포함하는 MTS 안테나 및 MTS 안테나에 무선 신호를 통신하기 위한 내부 게이트웨이를 포함한다.

Description

이동 차량에서의 차세대 무선 네트워크를 위한 메타 구조 안테나 시스템
본 출원은 2018 년 4 월 17 일에 출원된 미국 가출원 제62/659,130호에 대한 우선권을 주장하며 그 전체가 본 명세서에 참조로 포함된다.
차세대 무선 네트워크는 점점 사용자 요구를 수용하기 위한 필수품이 되고 있다. 모바일 데이터 트래픽은 매년 계속 증가하여, 무선 네트워크가 더 빠른 속도를 제공하고, 더 많은 장치를 연결하며, 지연 시간을 줄이고, 점점 더 많은 데이터를 한 번에 전송할 것이 요구된다. 이제 사용자는 환경과 상황 즉, 사무실 건물, 공공 장소, 개방 보호 구역 또는 차량 등에 있는지에 관계없이 즉각적인 무선 연결을 기대한다. 이러한 요구에 응답하여, 5G로 알려진 새로운 무선 표준이 가까운 장래에 배포되도록 설계되었다. 5G 표준은 전 세계적으로 6GHz를 넘는 주파수와 계획된 24GHz, 26GHz, 28GHz 및 39GHz 및 최대 300GHz의 주파수 사이의 주파수를 커버하는 밀리미터 파 대역으로 작업을 확장한다.
밀리미터 파 주파수는 높은 대기 감쇠(high atmospheric attenuation)에 취약한 ~ 1 내지 10mm 범위의 좁은 파장 및 (단지 일 킬로미터대의) 짧은 범위를 가진다. 이러한 주파수에서, 어레이 안테나는 높은 이득, 좁은 빔 및 빔 조향성(beam steerability) 면에서 몇 가지 장점을 제시한다. 고밀도 산란 영역의 경우, 다중 경로, 음영효과(shadowing) 및 지리적 장애물로 인해 사각지대가 존재할 수 있다. 범위가 더 넓고 때로는 폭우가 내리는 극심한 기후 조건이 발생하는 외딴 지역에서는, 환경 조건으로 인해 운영자가 강한 바람과 폭풍 때문에 대형 어레이 안테나를 사용하지 못할 수 있다. 무선 서비스가 필요한 사용자의 움직임에 이러한 조건을 추가하면, 주변 환경의 많은 신호 및 구조 간의 간섭을 피하면서 5G 네트워크가 제어된 방향에서 원하는 빔 형태를 생성해야 하는 문제가 발생한다.
본 출원은 첨부된 도면에 관하여 행해진 다음의 상세한 설명을 참조하면 더 완전히 이해될 수 있고, 도면은 축척대로 그려진 것은 아니며, 도면에서 동일한 참조 기호는 전체에서 동일한 부분을 지칭한다.
도 1은 다양한 예에 따른 이동 차량에서의 차세대 무선 네트워크를 위한 MTS 안테나 시스템의 개략도를 도시한다.
도 2는 내부 게이트웨이가 있는 버스에 장착된 MTM 안테나 시스템을 나타낸다.
도 3은 예시적인 MTS 안테나의 개략도이다.
도 4는 도 3의 하나 이상의 층에서 사용하기 위한 MTS 셀 어레이의 개략도이다.
도 5는 주파수 선택 표면에 근접하게 위치된 예시적인 MTS 어레이를 도시한다.
도 6은 다양한 예에 따른 수동 안테나 어레이의 개략도이다.
도 7은 다양한 예에 따라 이동 열차에 무선 통신을 제공하기 위한 흐름도이다.
도 8은 다양한 예에 따라 2 개의 네트워크 노드에 연결되는 이동 열차의 개략도이다.
도 9는 다양한 예에 따라 네트워크 노드와 무선 통신 중인 이동 열차의 위치를 결정하기 위한 흐름도이다.
차세대(예를 들어, 5G) 무선 네트워크에 배치하기 위한 "MTS(Meta-Structure)" 안테나 시스템이 개시된다. MTS 안테나 시스템은 다양한 응용 분야에 적합하며 다양한 환경 및 구성에 배치될 수 있다. 다양한 예에서, MTS 안테나 시스템은 고속 열차를 포함하여 예를 들면, 자동차, 버스 또는 열차와 같은 이동 차량을 위한 차세대 무선 네트워크에서 구현된다. 본 명세서에서 일반적으로 사용되는 고속 열차는 100Km/h를 훨씬 초과하는 속도로 동작하며 이들의 경로를 따라 수많은 무선 기지국 또는 셀을 통과한다. 고속 열차와 같은 이동 차량에서 광대역 서비스를 제공하려면 네트워크 노드(예, 4G LTE 또는 5G 용 eNodeB, Wi-Fi 액세스 포인트("AP") 등) 및 차량의 사용자 장치 사이에 고속이며 매우 신뢰성 있는 양방향 신호 전송이 필요하다. MTS 안테나 시스템은 높은 이득을 제공하고, 지향성이 향상되며 사이드 로브와 같은 원치 않는 방사 패턴을 감소시킨 집속 빔(focused beam)을 생성하도록 설계되었다. 높은 이득과 집속 빔은 차량 경로를 따라 수많은 기지국과 셀간에 더 나은 성능과 더 원활한 핸드오프를 가능하게 한다.
다양한 예에서, 무선 신호는 차량의 금속 본체 또는 창문을 통해 큰 감쇠 또는 막힘을 경험할 수 있으며, 이는 착색되고, 전도성 층으로 코팅되며, 유리 또는 기타 재료로 제조될 수 있다. 본 명세서에 개시된 MTS 안테나 시스템은 차량 외부에 위치하고 차량 내부의 게이트웨이 또는 모듈로 무선 신호를 재전송하는 저가의 단순한 능동 또는 수동 안테나 어레이를 제공함으로써 이러한 문제를 해결한다. 업링크 시나리오에서, 내부 게이트웨이로부터의 무선 신호는 이러한 능동/수동 전송 안테나 어레이를 통해 기지국 라디오로 중계된다.
다음의 설명에서, 예의 완전한 이해를 제공하기 위해 다수의 구체적인 세부 사항이 제시된다는 점이 이해된다. 그러나, 예는 이러한 구체적인 세부 사항에 제한되지 않고 실시될 수 있음이 이해된다. 다른 경우에, 예의 설명을 불필요하게 모호하게 하는 것을 피하기 위해 잘 알려진 방법 및 구조가 상세히 설명되지 않을 수 있다. 또한, 예는 서로 조합하여 사용될 수 있다.
도 1은 이동 차량에서 차세대 무선 네트워크를 위한 MTS 안테나 시스템의 개략도를 예시한다. 네트워크(100)는 예를 들어, 고속 열차(102)와 같은 이동 차량의 승객을 위한 무선 통신을 가능하게 하는 차세대 무선 네트워크(예를 들어, 5G 네트워크)이다. 네트워크(100)는 백홀 인터넷 네트워크 또는 ISP 네트워크(104)에 무선 액세스를 제공하는 수많은 네트워크 노드를 포함한다. 네트워크 노드, 예를 들어 노드(106a-b)는 셀룰러 기지국 및/또는 Wi-Fi AP일 수 있으며, 전기 극(electrical pole)에 장착된 라디오와 유사한 기능을 제공한다. 차량(102)이 노드의 경로를 따라 이동할 때 노드(106a 및 106b) 사이와 같이 네트워크(100)의 상이한 노드 사이에 핸드오프가 발생할 수 있다.
네트워크(100)의 각 네트워크 노드(106a-b)는 차량(102)의 승객과 같이 네트워크(100)에 연결된 장치(예를 들어, 전화, 랩톱 등)의 사용자와 데이터를 송수신한다. 네트워크(100)의 노드는 지점 간 링크를 통해 사용자와 데이터를 송수신한다. 다양한 예에서, 네트워크(100)는 30 내지 300GHz 범위의 차세대 무선 네트워크를 위해 지정된 밀리미터 파 스펙트럼에서 동작한다. 네트워크(100)의 각 네트워크 노드(106a-b)는 필요할 때마다 조향가능하고, 이들의 높은 지향성 이득 및 좁은 빔으로 인해 높은 데이터 처리량을 위한 수동 또는 능동 MTS 위상 안테나 어레이를 포함할 수 있다.
본 명세서에서 일반적으로 설명되는 MTS 안테나는 MTS 요소의 어레이이다. 각 MTS 요소는 굴절률이 임의의 값을 가질 수 있고, 구조가 비 주기적이거나, 주기적이거나 또는 부분 주기적(반주기적)일 수 있는, 자연에서 찾을 수 없는 전자기 특성을 가진 엔지니어링된 구조이다. MTS 요소는 주파수 및 공간 분포의 함수로 전자기파 위상을 조작하며, 다양한 모양과 구성을 가질 수 있다. MTS 요소는 예를 들어, 원하는 빔 특성을 포함하여 특정 기준을 충족하도록 설계될 수 있다. MTS 안테나는 수동 또는 능동일 수 있다.
일부 예에서, MTS 안테나 요소는, 수신된 전송 신호가 그로부터 방사되도록 하는, 다양한 전도성 구조 및 패턴의 메타 물질 셀이다. 각 메타 물질 셀은 고유한 특성을 가질 수 있다. 이러한 특성은 음의 유전율과 투과성을 포함하여 음의 굴절률을 초래할 수 있고, 이러한 구조는 일반적으로 왼손잡이 재료(left-handed materials, "LHM")라고 한다. LHM을 사용하면 전자기파 또는 전송 신호의 전파에서 관찰될 수 있는 흥미로운 효과를 포함하여 고전적인 구조 및 재료에서 달성되지 않는 동작이 가능하다. 메타 물질은 통신, 자동차 및 차량, 로봇, 생물 의학, 위성 및 기타 응용 분야와 같은 안테나, 센서, 매칭 네트워크 및 반사기와 같은 마이크로파 및 테라 헤르츠 공학의 여러 흥미로운 장치에 사용될 수 있다. 안테나의 경우, 메타 물질은 메타 물질이 방사하는 전송 신호의 파장보다 훨씬 작은 규모로 구축될 수 있다. 메타 물질의 속성은 구조를 형성하는 기본 재료가 아닌 엔지니어링되고 설계된 구조에서 비롯된다. 정확한 모양, 치수, 기하학, 크기, 방향, 배열 등은 파동을 차단, 흡수, 강화 또는 구부림으로써 전자파를 조작할 수 있는 스마트한 속성을 제공한다.
다양한 예에서, 차량(102)은 시스템(108a-b)과 같은 적어도 하나의 MTS 안테나 시스템을 갖추고 있다. 각각의 MTS 안테나 시스템(108a-c)은, 다양한 구성의 수동, 능동 또는 하이브리드 수동/능동 안테나일 수 있는 MTS 안테나(110a-c)와 같은 차량(102)의 외부 부분에 위치한 MTS 안테나를 사용하여 네트워크 노드(106a-b)와 신호를 송수신할 수 있다. MTS 안테나(110a-c)는 네트워크 노드(106a-b)로부터 MTS 안테나 시스템(108a-c)의 내부 게이트웨이 무선 모듈(112a-c)과 같은 차량(102) 내부의 하나 이상의 게이트웨이 또는 모듈로 무선 신호를 재전송한다. 무선 모듈(112a-c)은 4G-LTE 또는 5G 셀룰러 네트워크 중계 노드 또는 Wi-Fi 게이트웨이 노드일 수 있다. 차량(102) 내부의 사용자/승객은 Wi-Fi 구성에서 셀룰러 네트워크의 일부로서 중계 노드 또는 미디어 게이트웨이의 기능을 포함하는 무선 모듈(112a-c)에 의해 커버된다. 두 구성 모두에서, 다운 링크 데이터는 4G-LTE 또는 5G 셀룰러 대역, 또는 Wi-Fi 대역에서 무선 모듈(112a-c)로부터 브로드캐스트된다.
도 2에서, MTS 안테나(200)는 내부 게이트웨이(204)를 갖는 버스(202)의 외부에 장착된 것으로 도시된다. 버스(202)의 사용자는 4G-LTE 또는 5G 셀룰러 네트워크 중계 노드 장비 또는 Wi-Fi 게이트웨이 노드에 의해 커버된다. 사용자는 Wi-Fi 구성에서, 셀룰러 네트워크 또는 미디어 게이트웨이의 일부로서 중계 노드의 기능을 포함하는 무선 모듈에 의해 커버된다. 두 구성 모두에서, 다운 링크 데이터는 4G-LTE 또는 5G NR 셀룰러 대역 또는 Wi-Fi 대역(2.4GHz 및 5GHz)의 내부 게이트웨이(204)로부터 사용자 장치로 브로드캐스트된다. 버스(202) 또는 열차(102)의 사용자 장치는 셀룰러 모드 또는 Wi-Fi 모드에서, 네트워크의 고정 위치에서와 같이 완전히 투명한 방식으로 작동된다.
도 3은 MTS 안테나의 예를 나타낸다. MTS 안테나(302)는 네트워크 노드(예, 노드 106a-b)로부터 차량(102 또는 202) 내부의 네트워크 사용자에게 다운 링크 무선 신호를 중계할 수 있다. MTS 안테나(302)는 애플리케이션에 따라 능동 또는 수동인 반사 및 통과 안테나(reflect and go-through antenna)일 수 있다. 다양한 예에서, MTS 안테나(302)의 방사 패턴은 네트워크(100)의 네트워크 노드의 위치 및 차량(102 및 202) 내부의 내부 게이트웨이 무선 모듈(예, 모듈 112a-c)에 대한 최대 이득을 갖도록 설계된다. 업링크 데이터는 내부 게이트웨이 무선 모듈에 의해 수집된 다음, 데이터 재구성, 재 다중화, 재 스케줄링 등과 같은 물리적 및 MAC 계층에서 필요한 처리 후에 네트워크 노드(예, 노드(106a-b))로 재전송된다.
네트워크(100)의 네트워크 노드와 차량(102 및 202)의 사용자 사이에서, 무선 링크는 고급 MTS 안테나(302)를 기반으로 하는 두 방향으로의 데이터 전송을 위해 사용된다. MTS 안테나(302)는 밀리미터 파 스펙트럼에서 동작하고, 필요할 때마다 조향가능하고 이들의 높은 지향성 이득과 좁은 빔으로 인해 높은 데이터 처리량을 제공한다. 일례에서, MTS 안테나(302)는 3 개의 층, 즉, (1) 수신 개구 층(304), (2) 필터링 구조 층(306), 및 (3) 송신 개구 층(308)을 포함한다. 층(304-308) 중 하나 이상은 조향가능하고 집속된 빔을 제공하기 위한 MTS 셀의 어레이를 포함할 수 있다.
이제 도 4에 주목하면, 도 4는 도 3의 층(304-308) 중 하나 이상에서 사용하기 위한 MTS 셀 어레이의 개략도를 도시한다. 어레이(400)는 다중 MTS 셀을 포함하며, 다중 MTS 셀은 기판의 하나 이상의 층에 위치하고, 임피던스 매칭 요소를 포함하는 전송 및 공급 구조를 포함하여 응용에 따라 원하는 대로 다른 회로, 모듈 및 층에 결합된다. MTS 구조는 다양한 형태를 취할 수 있다. MTS 셀(402)과 같은 어레이(400)의 MTS 셀은 도시된 바와 같이 또는 예를 들어 육각형 격자와 같은 임의의 다른 구성으로 배열될 수 있다.
MTS 셀(402)은 그 사이에 공간이 있는 전도성 영역(406)을 둘러싸는 전도성 외부 부분 또는 루프(404)를 갖는 것으로 도시되어 있다. 각각의 MTS 셀(402)은 유전체 층 상에 구성될 수 있으며, 전도성 영역 및 루프는 상이한 MTS 셀 주변 및 사이에 제공된다. 전압 제어 가변 리액턴스 장치(408), 예를 들어, 버랙터(varactor)가 전도성 영역(406)과 전도성 루프(404) 사이에 제어형 리액턴스를 제공한다. 제어형 리액턴스는 인가된 전압, 예를 들어, 버랙터의 경우에 인가된 역 바이어스 전압에 의해 제어된다. 리액턴스의 변화는 MTS 셀(402)의 동작을 변경하여, MTS 어레이(400)가 특정 위치로 향하는 집속된, 고 이득 빔을 제공할 수 있게 한다. 인가된 전압은 MTS 셀(402)로부터 방사된 빔에 대한 빔 조향 각도로 효과적으로 매핑된다. 다양한 예에서, MTS 안테나는 임의의 원하는 방향으로 빔을 지향시키기 위해 제어 전압을 조향 각도에 매핑하도록 보정될 수 있다. 추가적인 회로, 모듈 및 층이 MTS 어레이(400)와 통합될 수 있다는 점이 이해된다.
도 5는 도 3의 층(304-308) 중 하나 이상에서 사용될 수 있는 주파수 선택 표면("FSS")(500)의 슬롯형 전송 라인에 근접하게 위치된 MTS 어레이(400)의 예를 도시한다. MTS 어레이(400)에 근접한 FSS 층(500)의 조합은 송신 빔의 방위각 및 고도 제어를 모두 제공한다. MTS 어레이(400)는 MTS 셀(402)에 전압 제어 가변 리액턴스 장치(408)를 포함하기 때문에 능동 구조라는 점에 주의한다.
다른 구성에서, MTS 안테나는 도 6에 도시된 바와 같이, 수동 안테나 어레이를 포함할 수 있다. 수동 안테나 어레이는 전자 장치 또는 기타 제어가 필요하지 않고, 일단 제 위치에 있으면 입사 빔을 특정 방향/각도(들)로 보낸다. 빔의 각도(들)를 변경하려면, 전체 지향성(directed) 어레이를 재배치해야 할 수 있다. MTS 어레이(600)는 어레이의 개별 요소의 크기 및 구성으로 인해 방향성과 높은 대역폭을 제공한다. 이것은 많은 예에서 패턴화된 구성인 단순한 디자인의 지향성을 가능하게 한다. MTS 어레이(600)는 각각 다른 차원을 갖는 타일(602) 및 타일(604)과 같은 다양한 크기의 타일로 구성된다.
또한, 높은 지향성 이득과 좁은 빔을 제공하는 메타 구조 요소에 기반한 고성능 위상 어레이 안테나로 인해 네트워크 노드(예, 도 1의 노드 106a-b)에서 차량의 MTS 안테나 시스템(예, 도 1의 차량(102)의 시스템(108a-c))으로의 통신 링크가 매우 높은 데이터 속도를 지원할 수 있다는 점에 주의한다. 네트워크 노드와 차량 안테나 시스템의 송신 및 수신 안테나 사이의 빔은 높은 정확도로 고속 상대 이동을 유지해야 한다.
고속 열차의 경우 고려되는 고유한 특수성은 열차가 임의의 정해진 시점(time instant)에 알려진 철도 섹션에 있고 네트워크 노드가 알려진 위치에 있다는 것이다. 열차 수신기가 어떠한 시점에서도 정확한 시간 정보를 보유하고 있다면, 철도역과 같은 기준점에서 위치를 계산하고 유지할 수 있다. 이는 추측 항법(dead reckoning)을 기반으로 하는 내비게이션 시스템 또는 "SLAM(Simultaneous Localization and Mapping)" 시스템과 같은 접근 방식과 유사하다. 또한, 고속 열차에는 "IMU(Measurement Unit)"와 같은 관성 내비게이션 터미널이 장착된 후 자체 위치를 파악하고 타이밍과 함께 자체 궤도를 추적할 수도 있다. 이 모든 경우에, 고속 열차는 네트워크 노드에서 도착하는 신호의 각도를 계산할 수 있다. 두 통신 당사자 간의 범위 및 3D 각도는 안테나 시스템과 관련된, 시스템 구성 및 측정 정밀도에 따라 합리적인 정밀도로 계산될 수 있다.
본 명세서에 개시된 MTS 안테나 시스템은, 고속 열차와 같은 고속 이동 중의 차량에서, 4G-LTE 및 5G 셀룰러 시스템과 같은 이동 통신 네트워크를 위한 고성능 빔 조향 및 추적 위상 어레이 안테나 동작에 대해 이들의 제어 및 데이터 지원에 효율적인 솔루션이다. 고속 열차 응용예에서, 통신 링크의 양 당사자가 서로 특정 범위 내에 있어 신호 전파 지연이 제한된다는 사실에 기초하여, 보다 간단한 기술이 빔 포인팅 및 빔 조향에 의한 이의 유지에 사용될 수 있다. 첫째, 네트워크 노드의 위치가 움직이는 차량에 정확하게 알려져 있다. 둘째, 네트워크 노드는 또한 소정의 정확도로 이동 차량을 결정하고 추적할 수 있다. 셋째, 이동 차량은 네트워크 노드에서 전송된 특수 설계된 파일럿 신호를 수신하면 소정의 정확도로 자신의 위치를 찾을 수 있다.
제안된 시스템 구성 및 안테나 동작 통신 절차 및 방법에서, 네트워크 노드는 매우 낮은 전력 스펙트럼 밀도를 갖는 광대역 파일럿 신호를 이동 열차에 주기적으로 전송한다. 파일럿 신호를 수신하면, 파일럿 신호를 감지하고 처리하여 이동 열차가 네트워크를 찾아 동기화한다. 또한, 이동 노드가 네트워크 타이밍을 획득한 경우 하나의 네트워크 노드만으로 범위를 지정할 수 있다.
이동 차량이 자신의 위치 정보를 소유하고 네트워크 노드의 정보를 알고 있으면, 송수신 MTS 안테나로부터/로의 각도를 정확하게 계산할 수 있다. 이것은 이동 차량의 MTS 안테나 시스템(예, 도 1의 시스템(108a-c)) 및 네트워크 노드(예, 도 1의 노드(106a-b))의 MTS 안테나가 원하는 높은 지향성과 빔 조향을 가지도록 할 수 있다.
이제 도 7에 주목하면, 도 7은 다양한 예에 따라 이동 열차에 무선 통신을 제공하기 위한 흐름도를 예시한다. 먼저, 열차(700)에는 적어도 하나의 MTS 안테나 시스템이 제공된다. 전술한 바와 같이, MTS 안테나 시스템은 열차의 외부 표면에 MTS 안테나를 장착하고 열차 내부의 사용자/승객에게 고속, 고 신뢰성 무선 통신을 가능하게 하는 내부 게이트웨이를 가지고 있다. MTS 안테나 시스템은 높은 이득을 제공하고, 지향성이 향상되며 사이드 로브와 같은 원치 않는 방사 패턴이 감소된 집속 빔을 생성하도록 설계된다. 높은 이득과 집속 빔은 열차의 경로를 따라 수많은 네트워크 노드간에 더 나은 성능과 더 원활한 핸드오프를 가능하게 한다. MTS 안테나 시스템의 향상된 지향성은, 네트워크 노드에 도달하기 위해 원하는 방향이나 각도로 고 이득 빔을 생성하여 열차의 사용자/승객과의 원활한 무선 연결 목표를 달성할 수 있게 한다.
이동하는 열차의 경로에 수많은 네트워크 노드가 있기 때문에, 열차가 그 경로를 따라 이동할 때 근접한 네트워크 노드와 관련하여 임의의 주어진 시간에 열차 위치를 알면 원활한 무선 연결이 이루어진다. 이동 열차의 위치는 네트워크 노드(702)로부터의 타이밍 기준에 기초하여 결정된다. 이하에 더 상세히 설명된 타이밍 기준은, 열차 클록을 네트워크 클록과 동기화하고 열차가 네트워크 노드에서 네트워크 노드로의 경로를 따라 이동할 때 타이밍을 추적할 수 있도록 한다. 열차의 위치가 결정되면, MTS 안테나 시스템은 그 위치를 사용하여 열차가 자신의 경로(704)를 따라 이동할 때 네트워크 노드와의 통신에 사용할 빔 조향 각도를 결정한다.
다양한 예에서, 각 네트워크 노드는 이동하는 열차의 방향으로 와이드 빔 파일럿 신호를 전송한다. 열차 통신 수신기는 이 신호를 수신할 수 있는데, 이는 넓은 빔 폭과 의사 난수 시퀀스(예, PN 코드)로 스펙트럼 확산을 사용하는 파일럿 신호의 광대역 설계 때문이다. 파일럿 신호는 반복적으로 지속적으로 송신된다. 파일럿 신호의 광대역 특징은 매우 낮은 전력 밀도가 되게 하여 동일한 스펙트럼에서 동작하는 다른 무선 시스템에서 심각한 간섭이 관찰되지 않도록 한다. 광대역 파일럿 신호는 충분히 긴 PN 코드를 기반으로 하므로 충분히 높은 검출 확률과 매우 낮은 오경보 확률로 검출될 수 있다. 열차의 수신기에서, "DPLL(Digital Phase Lock Loop)" 기반 검출기가 수신된 파일럿 신호를 검출하고 슬라이딩 윈도우 상관기 아키텍처를 사용하여 로컬 기준 신호로 이를 잠그는 데 사용된다.
이제 도 8에 주목하면, 도 8은 두 개의 네트워크 노드에 연결되는 이동 고속 열차의 개략도를 나타낸다. 네트워크 노드(800-802)가 타이밍 기준(마스터 클럭) 및 "PTP(Precision Time Protocol)"이나 IEEE 1588과 같은 타이밍 프로토콜과 시간 동기화된다고 가정한다. 매우 정확한 시간 기준, 즉 마스터 클록, {tn}은 GPS 기반이거나 로컬로 설정될 수 있다. 네트워크 노드(800-802)는 좌표 {(x1, y1, z1), (x2, y2, z2)}로 표현된 알려진 고정 위치를 가진다. 이동 열차(804)는 좌표(x, y, z, tt)를 가지며, 여기서 {tt}는 그 클록을 나타내고, 또한 DPLL(806)은 파일럿 신호를 검출하고 고정한다. 타임 스탬프 {(S1, TS1), (S2, TS2)}를 갖는 2 개의 파일럿 신호가 열차(804)에 의해 수신되고, 열차(804)는 클록 tt에 기초하여 S1 및 S2의 도착 시간 차를 인지한다. 열차(804)는 S1을 수신하는 시간에 자신의 위치를 결정할 수 있고, S1과 TS1의 "ToA(Time of Arrival)"를 결합하여 네트워크 클록을 결정할 수 있다. 이것은 S2 및 TS2의 ToA로 확인될 수 있으며 열차 tt의 클록은 네트워크 클록과 동기화될 수 있다.
도 9는 다양한 예에 따라 네트워크 노드와의 무선 통신에서 이동 열차의 위치를 결정하기 위한 흐름도이다. 열차의 위치는 두 단계, 즉 (1) 열차가 타이밍 기준을 획득하는 획득 단계; 및 (2) 시간 기준을 갖는 열차가 인근 네트워크 노드에 대한 상대적인 위치를 결정하는 추적 단계에서 결정된다. 타이밍 기준은 열차가 통신하는 네트워크 노드에서 사용하는 네트워크 클록과의 동기화에 필요하다. 획득 단계의 첫 번째 단계는 열차가 근처 네트워크 노드(900)에서 두 개의 파일럿 신호를 검색하고 감지하는 획득 단계이다. 열차(804)는 타임 스탬프(ST1, ST2)와 함께 2 개의 네트워크 노드(800-802)로부터 2 개의 파일럿 신호(S1, S2)를 수신한다. 열차(804)는 또한 2 개의 파일럿 신호(S1, S2)의 ToA((tr1, tr2)로 표시될 수 있음)를 알고 있다. 다양한 예에서, 파일럿 신호(S1, S2)는 PN-시퀀스 변조된 광대역 파형일 수 있다. 이 디자인은 좋은 수신 성능과 시간 정확도를 보장한다. 열차(804)의 로컬 카운터는 DPLL(806)이 네트워크 노드 800-802(902)로부터의 파일럿 신호를 잠금하는(lock) 순간에 시작하는데, 이는 tr1이 네트워크 클록과 열차 통신 노드의 로컬 클록 사이의 클록 오류를 포함하는 것을 의미하고, 파일럿 신호의 비행 시간(time of flight)이 더해진다. 타임 스탬프 ST는 파일럿 신호가 전송되는 순간(instant)에 해당한다.
파일럿 신호는 타임 스탬프 및 일부 다른 유용한 정보를 전달하지만, 타임 스탬프는 전송하는 데 필요한 최소 메시지이다. 파일럿 신호는 열차 통신 노드 수신기에 의해 정확한 범위측정(ranging)이 가능하도록 설계될 수 있다. 열차(804)는 다음과 같이 "TDoA(Time Difference of Arrival)" 및 네트워크 타이밍 동기화에 기초하여 그 위치를 결정한다(904):
Figure pct00001
(수식 1)
네트워크 노드(800-802)가 시간 동기화된 경우, ST1 = ST2라고 가정할 수 있고, 이에 따라:
Figure pct00002
(수식 2)
열차 클록은 δt로 표시되는 네트워크 클록에 관한 오류를 가질 수 있으므로 tr1= tn1 + δt, 및 tr2 = tn2 + Δt + δt = tn1 + Δt + δt가 된다. (tn1, tn2)는 (tr1, tr2)에 해당하는 네트워크 시점이고, 수식 2는 다음과 같이 다시 작성할 수 있다:
Figure pct00003
(수식 3)
즉, δt가 소거되고 열차 클록은 네트워크 클록과 정확하게 동기화될 필요가 없으며, 열차(804)는 여전히 정확하게 위치 검색이 이루어진다. 또한 열차(804)가 정확한 위치에 있으면, 열차 클록이 네트워크 클록과 정확하게 동기화될 수 있다. 그런 다음, 열차는 네트워크 타이밍 단계를 획득하기 위해 네트워크 노드까지의 거리와 파일럿 신호의 비행 시간을 계산한다(906). 따라서 범위 차이는 다음과 같다:
Figure pct00004
(수식 4)
여기서 c는 빛의 속도이다. (x1, y1, z1), (x2, y2, z2) 및 (xt, yt, zt)로 표시되는 시간 t에서 네트워크 노드(800-802) 및 열차(804)의 좌표를 사용하면, 또한, 범위 차이는 다음 방정식을 사용하여 쌍곡선(예, 쌍곡선(808-810))으로 표현될 수 있다.
Figure pct00005
(수식 5)
Δt가 알려져 있고 고정되어 있기 때문에, 열차의 위치는 쌍곡선(808-810)과 철도 선(812)의 두 교차점 중 하나이다. 철도 선(812)은 임의의 좌표계에서 f(xt, yt, zt) = 0으로 표시되는 수학 함수로 표현될 수 있다. 이 기능은 네트워크 노드(800-802)뿐만 아니라 열차(804)의 통신 노드 시스템에 의해 공유되는 데이터베이스에 표로 작성되고 수치적으로 저장될 수 있다.
다음 시스템의 해를 찾는 데 수치적 방법을 사용할 수 있다:
Figure pct00006
(수식 6)
철도 선(812)의 궤적 함수는 매우 제한된 변화를 갖는 3D 곡선이며, 임의의 로컬 영역에 대해 직선 단면으로 근사될 수 있다. 쌍곡선(808-810)의 경우, 선형화를 사용하여 수식 6에 대한 해를 단순화할 수 있다. 임의의 지정 및 고정된 Δt 또는 Δd 및 (x1, y1, z1), (x2, y2, z2)에 대해, 수식 6의 비선형 방정식 시스템은 궤적 함수와 두 쌍곡선 표면(808-810)의 두 교차점으로서 단 두 개의 해를 가진다는 점에 주의한다. 네트워크 노드(800-802)의 위치에 대한 사전 정보를 사용하여 빠른 해(fast solution)가 사용될 수 있다. 수식 6의 방정식 시스템(equation system)을 푸는 것은 다양한 다른 방법으로 수행될 수 있다. 아래에 설명된 제안된 방법은 수식 6에 대한 유일한 해는 아니지만 실제 구현에 사용될 수 있다는 점에 주의한다.
수식 6에 대한 효율적인 해가 tr1 시점(time instant)의 초기 지점에서 교차점을 검색하여 결정할 수 있다. 이것은 열차(804)의 궤적 함수가 쌍곡선 표면(808-810) 중 하나와 교차하는 실제 시점인 tn1에 실제로 매우 근접한다. 오류는 두 클럭 간의 타이밍 오류에 대응한다. 궤적 함수의 지점 (xt, yt, zt)은 이것이 위의 수식 6의 비선형 방정식 시스템의 첫 번째 방정식을 충족하는 경우에 하나의 해가 된다. 검색 단계의 수는 c * δt/Ts이며, 여기서 Ts는 각 Ts(m)에서 표로 작성된 궤적 함수 f(xt, yt, zt) = 0의 공간 샘플링 기간이다. 예를 들어, δt가 0.5μs이고, Ts = 0.5m이면 단계 수는 300이다. 초당 30000 개의 검색이 수행되면, 해를 찾는 데 걸리는 시간은 약 0.1 밀리 초이다.
두 해 중 하나를 찾으면, tr2에 해당하는 다른 시작 지점을 사용하여 동일한 검색이 수행된다. 그러나 위에서 설명한 방정식 시스템의 두 해는 위치 모호성을 생성한다. 이러한 모호성은 위의 수식 6에서 두 항을 계산하고 이들을 비교하여 쉽게 해결할 수 있다. 첫 번째 항이 더 작으면, 열차는 네트워크 노드(800)에 더 가깝고 그 반대(네트워크 노드(802)에 더 가까움)도 마찬가지이다. 이것은 열차와 두 네트워크 노드 사이의 상대적 위치에 대한 사전 정보이다.
두 해 중 하나를 구하는 것은 동일한 작용(functionality)을 발생시킬 것임을 알 수 있다는 점에 주의한다. 그 시점에서 열차(804)의 위치가 구해진 경우, 제안된 시간 동기화 절차와 위치 선정 방법은 보정 계수를 위해 두 교차점 사이의 거리를 구함으로써 계속 작동한다. 타임 스탬프(ST1, ST2) 및 열차 좌표(xt, yt, zt)에 기초하여, 열차와 두 네트워크 노드 사이의 범위가 계산될 수 있고, 두 파일럿 신호의 실제 도착 시간(tn1, tn2)은 TDoA 절차가 시작된 시점에 각각 d(네트워크 노드 1, 열차)/c 및 d(네트워크 노드 2, 열차)/c로서 구해질 수 있다.
(tn1, tn2)가 획득되면, tr1 = tn1 + δt 또는 tr2 = tn2 + δt에서 δt를 알아낼 수 있으며, 열차의 로컬 클록을 네트워크 클록와 동기화할 수 있다. 시간에 의해 열차 좌표(xt, yt, zt)가 계산되었고(904), 열차는 소정 거리 또는 시간만큼 전진했을 것이다. 열차는 기준점을 대해 타이밍을 증가시켜 온보드 데이터베이스에서 새 위치를 추정할 수 있다. 열차가 궤적에서 네트워크 클록 및 기준점을 획득하면, 기준 타이밍 및 위치는 단계(900-906)를 참조하여 설명한 것과 동일한 절차를 사용하여 주기적으로 업데이트될 수 있다. 열차(804)는 자신의 위치 데이터를 유지하고 제어 전압의 형태로 빔 조향 및 추적을 위한 경로 데이터베이스를 적시에 검색할 수 있어, MTS 위상 어레이 안테나(들)가 네트워크 노드의 MTS 안테나에 대한 정확한 포인팅(pointing)을 가질 수 있다. 열차 수신기에 의해 위치와 타이밍이 획득되는 한, 열차 내의 MTS 안테나 시스템은 네트워크 노드에서 MTS 안테나의 빔에 대한 충분히 정확한 빔 포인팅을 유지할 것이다.
열차(804)는 고유하고 고도로 정확한 타이밍 기준 모두에 기초하는 2 개의 네트워크 노드(800-802)로부터 송신된 파일럿 신호의 도움을 받아 스스로 위치를 찾는다는 점을 이해할 것이다. 열차와 네트워크 클록이 동기화되면, 동일한 파일럿 신호를 사용하여 고정밀 범위측정이 가능해진다. 그 후 열차(804)는 열차의 관점에 단 하나의 네트워크 노드를 사용하여 추적 단계로 전환할 수 있다. 단계(908-912)의 추적 단계 동안, 타이밍은 열차(804)에 의해 네트워크 노드의 파일럿 신호의 주기적인 타임 스탬프로 업데이트된다. 이 경우, 단 하나의 네트워크 노드만이 철도 선(812)의 궤적 함수와 원 라인을 교차시킴으로써 열차(804)가 스스로를 찾는 것을 도울 수 있다는 점에 유의한다. 위치 정확도는 범위측정의 정확도에 따라 달라진다. 예를 들어, 고속 열차의 상대 속도가 전형적인 5G FR2 할당에서와 같이 일반적인 약 28GHz의 주파수 대역에서 약 300km/h 또는 85m/s인 경우, 주파수 드리프트는 약 Δf = 8kHz이고, 이는 파일럿 신호의 칩 속도에 비해 Δf * Tch에서 0.16 %에 불과하며, 여기서 Tch는 5MHz 대역폭에 대한 칩 지속 시간이다. 파일럿 신호 수신기의 최첨단 설계는 빔 조향 및 추적 요건을 충족시키는 데 필요한 정확도를 제공한다. 두 개 이상의 네트워크 노드를 추적하면 열차의 통신 안테나 빔을 한 네트워크 노드에서 다른 노드로 전환하여 핸드오버 프로세스를 지원할 수 있다.
개시된 예의 이전 설명은 당업자가 본 개시를 제조하거나 사용할 수 있도록 제공된다는 점을 이해할 것이다. 당업자에게는 이러한 예에 대한 다양한 수정 사항이 쉽게 떠오를 것이며, 본 명세서에 정의된 일반적인 원리는 본 개시의 사상 또는 범위를 벗어나지 않는 한 다른 예들에 적용될 수 있다. 따라서, 본 개시 내용을 본 명세서에 도시된 예로 제한하려는 의도는 없으며, 본 명세서에 개시된 원리 및 신규한 특징과 일치하는 가장 넓은 범위에 따른다.

Claims (20)

  1. 이동 차량의 차세대 무선 네트워크를 위한 MTS(meta-structure) 안테나 시스템으로서,
    상기 이동 차량의 외부 표면에 장착되고, MTS 셀의 MTS 어레이를 포함하는 MTS 안테나와,
    무선 신호를 상기 MTS 안테나에 통신하기 위한 내부 게이트웨이를 포함하는
    MTS 안테나 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 MTS 어레이는 능동 안테나 어레이를 포함하는
    MTS 안테나 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 MTS 어레이는 수동 안테나 어레이를 포함하는
    MTS 안테나 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 MTS 어레이는 네트워크 노드의 MTS 안테나로 지향된 빔을 방사하는
    MTS 안테나 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 네트워크 노드는 셀룰러 기지국 및 Wi-Fi 액세스 포인트 중 하나를 포함하는
    MTS 안테나 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 이동 차량의 외부 표면에 장착된 상기 MTS 안테나는 수신 개구, 필터링 구조 및 송신 개구를 포함하는
    MTS 안테나 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 MTS 셀은 메타 물질 셀을 포함하는
    MTS 안테나 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 이동 차량은 고속 열차인
    MTS 안테나 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 고속 열차는 2 개의 네트워크 노드로부터 송신된 2 개의 파일럿 신호의 도착 시간차에 기초하여 자신의 위치를 결정하는
    MTS 안테나 시스템.
  10. 이동 열차에 무선 통신을 제공하는 방법으로서,
    상기 이동 열차에 적어도 하나의 MTS(meta-structur) 안테나 시스템을 제공하는 단계 - 상기 MTS 안테나 시스템은 상기 열차의 외부 표면에 장착된 MTS 안테나와 내부 게이트웨이를 포함함 - 와,
    네트워크 노드로부터의 타이밍 기준에 기초하여 상기 이동 열차의 위치를 결정하는 단계와,
    상기 네트워크 노드로의 통신을 위해 상기 결정된 위치에 기초하여 상기 MTS 안테나에 대한 빔 조향 각도(beam steering angle)를 결정하는 단계를 포함하는
    방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 MTS 안테나는 MTS 셀의 MTS 어레이를 포함하는
    방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 타이밍 기준에 기초하여 상기 이동 열차의 위치를 결정하는 단계는 상기 네트워크 노드로부터 수신된 제 1 파일럿 신호와 다른 네트워크 노드로부터 수신된 제 2 파일럿 신호 사이의 도착 시간차를 결정하는 단계를 포함하고,
    각 네트워크 노드는 셀룰러 기지국 및 Wi-Fi 액세스 포인트 중 하나를 포함하는
    방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 열차의 DPLL(Digital Phase Locked Loop)을 상기 2 개의 파일럿 신호에 고정하는 단계를 더 포함하는
    방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 MTS 어레이는 능동 안테나 어레이를 포함하는
    방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 MTS 어레이는 수동 안테나 어레이를 포함하는
    방법.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 결정된 빔 조향 각도로 빔을 상기 네트워크 노드의 MTS 안테나로 방사하는 단계를 더 포함하는
    방법.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 타이밍 기준에 기초하여 상기 이동 열차의 위치를 결정하는 단계는 열차 클록을 무선 네트워크 클록과 동기화하는 단계를 포함하는
    방법.
  18. 이동 차량용 무선 통신 시스템으로서,
    네트워크 노드의 세트 - 상기 네트워크 노드 중 적어도 하나는 제 1 "MTS" 안테나 시스템을 포함함 - 와,
    상기 이동 차량의 제 2 MTS 안테나 시스템 - 상기 제 2 MTS 안테나 시스템은 상기 이동 차량의 외부 표면에 장착된 MTS 안테나를 포함함 - 과,
    상기 제 1 MTS 안테나 시스템 및 상기 제 2 MTS 안테나 시스템은 상기 이동 차량 내부의 사용자에게 무선 서비스를 제공하기 위해 통신하는
    무선 통신 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 이동 차량의 상기 외부 표면에 장착된 상기 MTS 안테나는 MTS 셀의 어레이를 포함하는
    무선 통신 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 MTS 셀의 어레이는 상기 제 1 MTS 안테나 시스템에 빔 조향 각도로 빔을 방사하는
    무선 통신 시스템.
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