[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

하이퍼루프 통신은 튜브 내부를 초고속으로 운항하는 포드(객차)의 안전을 보장하기 위해 튜브·포드의 상태에 대한 센서 정보, 포드 운항 제어 정보, 긴급 상황 정보 등을 주고받기 위해 필수적인 요소기술이다. 또한, 탑승객들에게 인터넷 접속 서비스를 제공함으로써 탑승 편의성과 심리적 안정감을 확보하는 데에도 기여할 수 있다.

그 중요성에도 불구하고, 그간 하이퍼루프 통신이 이루어지는 튜브 내부의 무선 채널의 특성에 대해서는 밝혀진 바가 거의 없었다. 금속성의 긴 원통형 튜브 형태로 인해 튜브 내 전자기파(electromagnetic wave)1)의 전파(propagation) 특성을 도파관2) 이론만으로 이해할 수 있을 것으로 생각할 수도 있으나, 튜브 내부에 존재하는 다양한 통신 송수신기들로 인한 전파 왜곡으로 인해 이러한 방식만으로는 해결이 쉽지 않다. 채널 특성에 대한 정확한 이해는 최적의 통신 시스템을 구축하는 데 있어서 가장 중요한 요소이므로, 관련 연구에 대한 필요성은 매우 높은 상황이었다.

2. 연구내용

본 연구에서는 전자기파 전파에 영향을 미치는 기지국들 및 포드들 간 복잡한 역학관계를 낮은 복잡도로 정확히 모델링하는 분석 기법을 개발했다. 길이가 수백 km 에 이르는 초거대 튜브 구조체를 기존의 전자기파 시뮬레이터(예: HFSS) 만으로 분석하기는 불가능에 가까우므로, 연구진은 단일 기지국 존재 구간, 단일 포드 존재 구간 및 튜브만 있는 구간 각각에 대해서 전자기파 시뮬레이션을 별도로 수행하고, 이러한 기본 블록들을 네트워크 파라미터 모델링 기법을 통해 연결하여 튜브 구조체 전체를 해석하는 방법론을 개발하였다.

개발된 기법을 통해 튜브 내 통신신호 전파 특성을 분석한 결과, 각 포드에서 신호의 투과 및 반사 등 다양한 왜곡 현상이 발생하여 결과적으로 전통적 도파관과는 다른 환경이라는 것이 밝혀졌다. 예를 들어, 각 포드는 자신의 기지국으로부터 직접 도달하는 신호 뿐 아니라 인접 포드들에 의해 반사되어 도달하는 신호들을 함께 수신하게 되어 다중경로(multi-path) 신호 간 중첩이 발생한다. 또한, 다른 기지국이 전송한 간섭 신호들은 여러 포드 구간들을 뚫고 일부가 전달되어, 다중 간섭 신호 수신으로 인한 통신성능 저하도 겪게 된다.

개발 기법을 통해 각 전자기 모드(mode)3) 별 전파 특성 및 차단 주파수4) 분석을 수행함으로써, 통신에 적합한 주파수 대역과 최대 가용 대역폭5), 활용성이 더 높은 전자기 모드 등이 무엇인지를 함께 제시하였다. 또한, 포드의 주행 위치에 따른 희망(desired) 신호 및 간섭 신호의 수신강도 변화 패턴을 측정해냈다. 이러한 결과에 기반해, 향후 하이퍼루프 통신 분야가 해결해야 할 다양한 연구 이슈들과 연구 방향도 제시하였다.

3. 기대효과

개발된 분석 기법은 하이퍼루프 통신 시스템을 낮은 복잡도로 분석할 수 있는 방법론을 제시하였기 때문에, 하이퍼루프 시스템의 구조 및 규격 등이 변경되더라도 새로운 시나리오에 맞는 통신 특성을 신속하게 분석하여 제공할 수가 있다. 따라서, 향후 하이퍼루프 통신 실현을 위해 필요한 최적 안테나 설계, 통신 기법 개발, 통신-포드 연계 디자인 등 다양한 세부 연구분야 수행에 폭넓게 활용될 수 있어, 해당 분야 발전의 속도를 가속화시킬 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

 1. 전자기파(electromagnetic wave)

전기장과 자기장 간에 주기적으로 변동하면서 발생하는 파동을 일컬으며, 통신에 활용되는 전파 뿐 아니라 가시광선, 적외선, 자외선, X선 등이 모두 전자기파에 속한다. 

2. 도파관(waveguide)

전자기파가 3차원 공간에서 방사되는 패턴을 제한하여 특정 방향으로 전자기파의 에너지가 잘 전달되도록 유도하는 구조체로써, 전자기파를 위한 도파관은 보통 속이 빈 금속성 파이프 형태를 갖는다.

3. 전자기 모드(electromagnetic mode)

도파관의 형태에 따른 경계조건(boundary condition)으로 결정되는 전자기파의 진행방향과 전기·자기 필드(field) 성분의 특성에 따라 구분되는 것으로, 각 모드는 경계조건을 만족하는 파동방정식의 특정 해이다. 도파관에서는 TE 및 TM 모드가 존재한다.

4. 차단 주파수(cutoff frequency)

무선 신호가 통신 채널을 통해 전파가 될 수 있는 주파수 대역과 그렇지 못한 주파수 대역 사이를 가르는 경계 주파수를 의미한다. 전자기 모드 별로 다른 차단 주파수를 갖는다.

5. 대역폭(bandwidth)

통신에서의 대역폭은 정보를 전달하기 위한 통신 신호가 주파수 영역에서 점유하고 있는 범위를 의미하며, Hz 단위로 측정된다. 일반적으로 대역폭이 넓을수록 더 높은 전송율(bit/sec 단위)을 달성할 수 있다.

[붙임]  그림설명

그림1. 하이퍼루프 시스템의 개념도. 인접 역(station) 간 거리가 500 km 인 경우의 예시. 진공에 가까운 원통형 튜브 내에 일정 간격으로 기지국들(그림에서는 튜브 내부 천장에 부착된 안테나)이 설치되어 있고, 포드들은 주기적으로 발차됨. 튜브와 포드 사이는 약간의 간격(본 예시에서는 45cm)이 존재하며, 포드들은 튜브와 충돌하지 않도록 제어하며 운항함. 또한, 각 포드는 자신과 가장 가까운 기지국과 통신함.

그림2. 개발된 하이퍼루프 통신환경 분석 기법의 개념도. 튜브의 긴 내부공간을 단일 기지국(BS) 존재 구간, 단일 포드(pod) 존재 구간, 튜브만 있는 빈(empty) 구간으로 구분하여 각각 저 복잡도 전자기파 시뮬레이션을 수행한 후, 이들을 기본 블록(block)으로 삼아 전체 튜브 구조체를 재구성하는 네트워크 파라미터 모델링 기법을 통해 통신환경을 분석함.