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문제 정의
- 본 논문에서는 도시철도 전동차에 1Gbps급의 데이터서비스를 제공하기 위하여 MHN을 이용한 백홀망을 제안한다. 무선 인터페이스가 장착된 AP(Access Point)를 차량에 설치하고 인터넷에 연결된 외부의 지상 기지국과 이용승객들 사이에서 릴레이(Relay) 역할을 수행하게 함으로써 데이터 서비스를 제공한다.
- 본 연구는 미래창조과학부 및 정보통신기술진흥센터의 정보통신·방송 연구개발 사업의 일환으로 수행하였음[R0101-15-244 초연결 스마트 모바일 서비스를 위한 5G 이동통신 핵심기술 개발].
제안 방법
- 5에 보인다. 2개의 안테나로 전송되는 Reference 신호는 각각 짝수 및 홀수번째 부반송파로 전송하여 송신되는 Reference 신호가 서로 중첩되지 않도록 하였으며, 상향링크에서의 Reference 신호는 단말의 이동속도에 따른 도플러 주파수 천이에 의한 성능 감쇄를 기지국에서 용이하게 보상할 수 있는 구조로 한다. 기존구조(LTE)에 비해 제안한 슬롯 구조의 장점은 첫번째 밀리미터파의 광대역 스펙트럼을 사용하면서 Gbps 급의 고속데이터 전송에 유리한 구조이다.
- 도시철도 지하구간 전동차에 초고속 Wi-Fi서비스를 제공하기 위하여 밀리미터파 광대역 주파수 대역을 이용하는 MHN 백홀망 적용을 제안하고, MHN 백홀망 상하향 링크의 성능 및 링크버짓을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- LOS가 보장되지 않는 지하철 터널환경에서 Rayleigh 페이딩이 일어나는 이유는 터널이 Wave Guide역할을 해서 많은 다 경로 성분이 수신단에 도달하기 때문이다. 따라서, 이동통신시스템 분석 시 사용하는 tapped-delay line모델에 기반한 Rayleigh 페이딩 환경을 적용하였다. 지하철 터널의 채널 특성을 시뮬레이션 할 경우, 무선 채널의 임펄스 응답은 다음 식으로 표현할 수 있다.
- 즉, 전동차의 진행방향이 사전에 정해져 있는 점을 이용하여, 진행방향의 핸드오버 예정 기지국으로 하여금 상향링크 신호 수신을 미리 준비하도록 하여 핸드오버 지연을 최소화한다. 또한 핸드오버 준비를 위해 이동국 단말(mTE)이 Target Cell Searching 시간을 최소화 할 수 있는 구조로 하향링크 동기신호(Synchronization Signal)를 설계하였다.
- 링크 성능분석 결과를 이용하여 MHN 백홀망의 링크 버짓을 분석함으로써, 기지국 배치 간격과 주어진 대역폭 조건에서도시철도 차량에 제공할 수 있는 최대 데이터 전송속도를 산출하고 WiBro 기반의 백홀망과 전송속도를 비교 분석한다. 링크버짓을 분석하기 위해 도시철도에 적용된 MHN 백홀망의 RF 관련 주요 파라미터를 Table 3에 보인다.
- 4와 같이 구성된다. 하향링크에서 제어채널과 데이터 채널은 TDM(Time division Multiplexing)으로 구분되며, 제어채널은 40개의 OFDM 심볼 중 앞부분의 4개의 OFDM 심볼을 사용한다. 제어채널은 공통 시스템 정보 전송, 데이터 패킷 제어 등의 용도로 사용된다.
이론/모형
- MHN시스템의 차량용 단말(mTE)은 전후방 운전실에 각각 1대씩 설치하고, 하나의 단말에 2개의 안테나를 장착하여 다이버시티 기법을 이용하여 지하철 터널과 같은 무선 페이딩 채널환경에서 최적의 성능을 내도록 구성한다. 단말에서의 수신은 양쪽안테나로 들어온 신호를 디코딩 전에 심볼 단위로 컴바이닝하는 MRC(Maximal Ratio Combining) 방식을 사용하며, 단말의 송신은 WCDMA, LTE 등 이동통신의 Alamouti encoding에 기반한 송신 다이버시티 기술을 사용한다. 상향링크는 각각의 단말 안테나에 서로 직교한 Reference 신호를 송신하여 기지국 수신단에서 Alamouti decoding시에 2개의 단말 송신 안테나 신호에 대하여 무선채널정보를 간섭없이 추출되도록 하며,상향링크에서 전송되는 데이터 심볼의 Alamouti encoding된 송신신호는 인접한 두 심볼에 대해서 다음과 같이 정의한다.
성능/효과
- (1) MHN 기지국과 이동국간 전송거리가 1km일 경우에, 대역폭 250MHz에서 약 600Mbps의 데이터 전송이 가능하며, 전동차 전후방에 각각 이동국을 설치하고 서로 다른 기지국을 통해 통신할 경우에는 총 1.2Gbps의 데이터 전송이 가능하다. 즉, MHN 이동무선백홀 기술을 적용하여 기지국 안테나를 1km 간격으로 설치하면, 전동차 한 편성에 1.
- (2) 지하철 터널의 경우 2×2 MIMO방식을 적용하면 주파수 효율을 2배로 증대시킬 수 있으므로, MIMO방식을 적용할 경우에는 250MHz 대역폭으로 2.4Gbps 서비스도 가능하게 된다.
- 즉 상향링크 및 하향링크 모두 코히런트 복조를 수행하게 되는데(Reference 신호로 먼저 채널을 추정한 후 데이터 복조시 채널 성분을 보상하여 복조하는 것을 코히런트 복조라 한다) 이때 Reference 신호의 배치 형태에 따라 채널 추정성능이 바뀌고 채널추정 성능에 따라 복조성능이 달라지기 때문에 상/하향링크간 BLER 커브의 기울기 및 performance가 다르게 나타난다. 그리고, Fig. 7 및 Fig. 8에 보인 링크 성능 분석결과는 송신 전력이 동일하다는 조건하에 분석된 것으로서, 상향 링크에서는 이동국 단말의 송신안테나가 2개 이고 증폭기도 2개 사용함에 따라 송신전력이 최대 3dB 증가한다는 점을 고려하면, MHN 무선링크의 커버리지(coverage)는 하향링크에 의해 제한된다는 것을 알 수 있다.
- 2개의 안테나로 전송되는 Reference 신호는 각각 짝수 및 홀수번째 부반송파로 전송하여 송신되는 Reference 신호가 서로 중첩되지 않도록 하였으며, 상향링크에서의 Reference 신호는 단말의 이동속도에 따른 도플러 주파수 천이에 의한 성능 감쇄를 기지국에서 용이하게 보상할 수 있는 구조로 한다. 기존구조(LTE)에 비해 제안한 슬롯 구조의 장점은 첫번째 밀리미터파의 광대역 스펙트럼을 사용하면서 Gbps 급의 고속데이터 전송에 유리한 구조이다. 두번째 장점은 특히 상향링크 Reference 신호 구조와 관련되는데 시속 500km/h 환경에서도 도플러 shift에 의한 상향링크의 성능 감쇄를 최소화할 수 있는 구조로서 이 부분이 LTE 규격과 많이 다른 점이다.
- 기준 주파수는 현재 개발중인 MHN 시스템이 사용하는 주파수인 31.5~31.75GHz 이고 대역폭은 250MHz이며, 송신전력 1W를 기준으로 64QAM 변조 및 1/3 code rate를 적용하여 Reference 신호 및 제어채널 추가분을 고려하면 하향 링크에서약 400Mbps의 데이터 전송이 가능하다. 하향 링크에서 BLER 10-1, 10-2에 대한 요구 Es/No은 Fig.
- 최근 5G 이동통신에 밀리미터파 주파수를 사용하기 위한 시도가 시작되고 있으며, 3GPP에서는 2015년 9월부터 밀리미터파 채널 모델연구가 진행 될 예정이다. 본 연구에서는 서울지하철 8호선 터널구간에서 31.5GHz 테스트 시스템으로 전파 환경을 측정하여 Rayleigh 페이딩과 유사한 특성을 갖는 것을 확인할 수 있었다[16]. LOS가 보장되지 않는 지하철 터널환경에서 Rayleigh 페이딩이 일어나는 이유는 터널이 Wave Guide역할을 해서 많은 다 경로 성분이 수신단에 도달하기 때문이다.
- 서울지하철 8호선 17개역 구간의 전동차 객실 내에서 Wi-Fi 및 LTE망의 다운/업로드 속도를 각각의 단말과 노트북 PC 를 연결하여 Fig.1과 같이 측정 프로그램으로 측정한 결과, 개소에 따라 편차가 있었으나 Wi-Fi의 평균 다운로드 속도는 7.9Mbps, 업로드 속도는 1.9Mbps이고, LTE의 다운로드 속도는 50Mbps, 업로드 속도는 15Mbps로 확인되었다. 측정결과는 Fig.
- Reference 신호는 제어채널 및 데이터 채널 영역의 일부를 점유하는데, Reference 신호를 OFDM 주파수/시간 resource의 중간에 삽입하여 수신단에서 제어채널 혹은 데이터채널 복조시 코히런트 복조가 가능하게 하기 위한 것이다. 즉, 수신기에서 Reference 신호로 무선페이딩 채널을 추정하여 데이터 복조 시에 채널 왜곡을 보상함으로써 복조 성능을 높일 수 있다.
후속연구
- MHN 시스템은 대역폭을 확장하거나 MIMO 기술을 적용함으로써 백홀 데이터 전송속도를 더욱 향상시킬 수 있다. 기본적으로 열차 환경(지하철/KTX)은 LOS환경과 NLOS 환경이 혼재하는 환경으로서 향후 LOS 환경 및 NLOS 환경에 모두 만족하는 advanced MIMO 기술 등이 추가로 연구 되어야 한다. MHN 시스템은 2x2 MIMO방식을 도입할 경우 주파수 효율을 2배로 증대시킬 수 있으므로, 250MHz의 대역폭으로 2.
- 이상으로부터, MHN 이동무선백홀 기술을 적용하여 기지국 안테나를 터널내부에 1km 간격으로 설치한다면, 전동차 한편성에 1.2Gbps 이상의 데이터 서비스를 제공할 수 있어 현재의 유효속도 10Mbps 이하 Wibro 백홀망에 비해 120배의 데이터 서비스를 구현할 수 있게 된다. 그리고, 확장되는 무선백홀의 데이터 전송속도에 따라서 열차내의 Wi-Fi 품질도 향상되어야 하므로 열차내의 Wi-Fi AP는 IEEE 802.
- 2Gbps 이상의 전송속도로 데이터 서비스를 제공하여, 기존 WiBro백홀망 대비 100배 이상의 초고속 인터넷 서비스를 제공할 수 있도록 한다. 향후 도시철도의 무선망은 MHN 백홀망을 적용하고 전동차 내부의 유선망은 광케이블을 이용하여 All-IP 네트워크로 구성함으로써, 도시철도 전동차에서의 유비쿼터스 환경을 최적화시킬 수 있을 것으로 기대된다[7]. 논문의 구성은 다음과 같다.
- MHN 기술은 5세대 이동통신기술의 일부로서, 철도와 같은 고속그룹이동체를 위한 무선통신기술로서의 성장 가능성이 높다. 향후, 광대역 신호처리 및 RF 구현기술과 Robust Group 핸드오버 기술, Advanced 빔 형성 및 MIMO 기술 개발을 통한 성능개선이 지속적으로 이루어져야 할 것이다.
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