[기계신문] 하이퍼루프 통신은 튜브 내부를 초고속으로 운항하는 객차의 안전을 보장하기 위해 운행 상태에 대한 센서 정보, 포드 운항 제어 정보, 긴급 상황 정보 등을 주고받기 위해 필수적인 요소기술이다.
최근 UNIST 전기전자공학과 김효일 교수팀이 하이퍼루프 내 무선통신 전파를 분석하는 기법을 개발했다. 고속으로 달리는 객차의 안전을 모니터링하고, 인터넷 서비스 등을 제공하기 위한 무선통신 시스템 설계의 기반 기술이 될 전망이다.
하이퍼루프는 진공에 가까운 관인 ‘튜브’ 안에 ‘포드’라는 객차를 한 개씩 가속해 시속 1,200km로 달리게 하는 차세대 교통수단이다. 하이퍼루프를 위한 무선통신 시스템 설계 시 안테나 디자인, 반송 주파수, 대역폭 등을 정하기 위해서는 전파가 3차원 공간에서 어떻게 퍼져나는지를 예측하는 통신 채널 분석이 필수다.
하지만 하이퍼루프의 경우 기존 전자기파 시뮬레이터로는 분석에 한계가 있었다. 튜브가 전파를 가둘 수 있는 도파관을 닮은 데다 수백 km 정도로 매우 길어 전파가 일반 공간보다 멀리까지 퍼져나가기 때문이다. 시뮬레이션에 포함해 할 대상(기지국 등)의 범위가 훨씬 넓어진다. 튜브 안을 고속으로 달리는 포드들에 의한 영향도 또 다른 변수다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 세 가지 대표 구간을 각각 시뮬레이션하고, 이들을 수학적으로 연결하는 모델링을 통해 튜브 전체를 해석하는 새로운 기법을 썼다. 단일 기지국 구간, 단일 포드 구간, 기지국이나 포드가 없는 빈 튜브 구간으로 구분해 전자기파 시뮬레이션을 수행한 뒤 이를 ‘네트워크 파라미터 모델링’ 기법으로 연결하는 방식이다.
분석 결과, 각 포드에서 신호 투과·반사 등 다양한 신호 왜곡 현상이 일어나고 있었다. 다른 기지국이 전송한 간섭신호 중 일부가 여러 포드 구간을 뚫고 전달돼 발생하는 다중 간섭신호 수신이 대표적이다.
연구팀은 이러한 분석 결과에 기반해 하이퍼루프 내 무선통신에 가장 적합한 주파수 대역, 최대 가능 대역폭, 최적의 전자기 모드(mode) 등을 밝혀냈다. 또 포드의 주행 위치별로 통신 신호의 수신강도 등도 정확히 예측할 수 있었다.
김효일 교수는 “분석기법이 유연하여 하이퍼루프의 규격 등이 바뀌더라도 쉽게 응용할 수 있다는 장점이 있다”며 “하이퍼루프 환경에 최적화된 안테나 설계, 통신 기법 개발, 통신 성능을 고려한 포드 디자인 등 연관 분야에서 원천기술 역할을 할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.
개발된 분석기법은 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.
이번 연구는 동국대 한기진 교수와 함께 수행했으며, UNIST 전기전자공학과 석박사통합과정 김정탁 연구원이 제1 저자로 참여했다. UNIST 자체 연구지원과제 및 한국연구재단의 지원을 받아 이뤄진 이번 연구 결과는 모빌리티 분야 권위지인 ‘IEEE 차량 기술 매거진(IEEE Vehicular Technology Magazine)’에 게재됐다.
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