[표지] 1
제출문 3
보고서 요약서 4
요약문 5
SUMMARY 8
Contents 11
목차 12
제1장 연구개발과제의 개요 21
제1절 연구개발 배경 및 필요성 21
가. 연구개발 배경 21
나. 연구개발 필요성 22
다. 정부정책/연구원 미션과의 연계성 23
제2절 연구개발 목표 및 내용 27
가. 연구개발의 최종목표 27
나. 연차별 연구목표 및 내용 28
제2장 국내외 기술개발 현황 33
제1절 국외 기술개발 동향 33
1. UIC (International Union of Railways) 33
2. 3GPP (3rd Generation Partnership Project) 35
3. ETSI (European Telecommunications Standards Institute) 37
4. Shift2Rail 39
제2절 국내 기술개발 동향 42
1. 현대 로템 42
2. 삼성 SDS 42
3. LS산전 43
4. 우리기술 43
제3장 연구개발 수행 내용 및 결과 47
제1절 비면허 대역에서의 저지연 통신 표준기술 개발 47
1. 3GPP RAN1 표준 분석 47
2. 프레임 구조 설계 128
3. NR-U 표준 분석 141
4. URLLC 표준 분석 168
5. 3GPP 표준 기고 및 활동 203
제2절 면허 대역에서의 저지연 통신 표준기술 및 송수신 알고리즘 개발 207
1. 기존 업/다운링크 채널에서의 통신 지연 시간 감소 방안을 위한 기술 개발 207
2. 초저지연 통신을 위한 대규모 다중안테나 송수신 알고리즘 개발 (변일무, 위탁보고서 참조) 225
제4장 목표 달성도 및 관련분야에의 기여도 287
4.1. 목표 달성도 (고경준) 287
4.1.1. 성과목표 대비 추진실적 287
4.2. 관련분야에의 기여도 304
4.2.1. 차세대 열차제어기술 확보 304
4.2.2. 차세대 철도통신 및 보안기술 확보 304
제5장 연구개발 결과의 활용 계획 307
제1절 연구개발 결과의 활용 계획[내용없음] 12
5.1. 기대효과 307
5.2. 성과활용 및 확산 계획 307
참고문헌 309
판권기 312
표 1-1-1. 4G와 5G의 주요 성능지표 비교 22
표 2-1-1. 3GPP 철도 통신 main line requirement 36
표 2-1-2. 3GPP 철도 통신 rail-bound requirement 36
표 3-1-1. Rel-15. NR Study Item 54
표 3-1-2. 고속 환경의 속성들 55
표 3-1-3. 고속도로 시나리오의 속성들 57
표 3-1-4. 자동차 단말의 배치와 이동성 모델의 구체적인 사항들 61
표 3-1-5. Performance requirements for platooning [3] 64
표 3-1-6. Performance requirements for advanced driving [3] 65
표 3-1-7. Performance requirements for extended sensors [3] 66
표 3-1-8. Performance requirements for remote driving [3] 67
표 3-1-9. 서로 다른 캐리어주파수별 NR에서 지원되는 서브캐리어 간격 68
표 3-1-10. 서로 다른 서브캐리어 간격별 NR에서 지원되는 CP 타입 69
표 3-1-11. 하향링크에서의 spatial multiplexing을 위한 Codeword-to-layer mapping 72
표 3-1-12. single-symbol DM-RS를 위한 PDSCH mapping type 및 symbol 길이에 따른 DM-RS 위치 [38.211 v15.3.0] 73
표 3-1-13. dobule-symbol DM-RS를 위한 PDSCH mapping type 및 symbol 길이에 따른 DM-RS 위치 [38.211 v15.3.0] 74
표 3-1-14. 상향링크에서의 spatial multiplexing을 위한 Codeword-to-layer mapping 80
표 3-1-15. intra-slot frequency hopping disabled 경우, single-symbol DM-RS를 위한 PUSCH mapping type 및 symbol 길이에 따른 DM-RS 위치 [38.211 v15.3.0] 82
표 3-1-16. intra-slot frequency hopping disabled 경우, double-symbol DM-RS를 위한 PUSC mapping type 및 symbol 길이에 따른 DM-RS 위치 [38.211 v15.3.0] 82
표 3-1-17. intra-slot frequency hopping enabled 경우, single-symbol DM-RS를 위한 PUSCH mapping type 및 symbol 길이에 따른 DM-RS 위치 [38.211 v15.3.0] 83
표 2-2-10. 1.25kHz 및 5kHz 및 839 시퀀스 길이에 대한 PRACH 프리엠블 포맷 84
표 3-1-18. 각 서브캐리어 간격 {15kHz, 30kHz, 60kHz, 120kHz}에 사용되는 139 시퀀스 길이에 대한 PRACH 프리엠블 포맷 85
표 3-1-19. PBCH contents 87
표 3-1-20. PRACH preamble formats for LA=839 and delta_fRA for {1,25, 5} kHz[이미지참조] 89
표 3-1-21. PRACH preamble formats for LA=139 and delta_fRA=15*2u kHz u for {0,1,2,3}[이미지참조] 89
표 3-1-22. Maximum number M PDCCH max,slot,u of monitored PDCCH candidates per slot for subcarrier spacing configuration u∈{0,1,2,3} for a single serving cell[이미지참조] 95
표 3-1-23. Maximum number C PDCCH max,slot,u of non-overlapped CCEs per slot for subcarrier spacing configuration u∈{0,1,2,3} for a single serving cell[이미지참조] 96
표 3-1-24. Slot formats for normal cyclic prefix 99
표 3-1-25. Valid S and L combinations for PDSCH reception 103
표 3-1-26. Valid S and L combinations for PUSCH transmission 103
표 3-1-27. Nominal RBG size P 104
표 3-1-28. PUCCH resource sets before dedicated PUCCH resource configuration 118
표 3-1-29. 하향링크 URLLC 요구 조건 만족 여부 125
표 3-1-30. Preemption indication과 code-block group flushing indicator 비교 126
표 3-1-31. 상향링크 URLLC 요구 조건 만족 여부 127
표 3-1-32. 상향링크 URLLC 성능 비교 128
표 3-2-1. 시뮬레이션 파라미터 218
표 3-2-2. CDL-D 채널 모델에서의 전력 지연 프로파일 228
표 3-2-3. NR 기반 고속 철도 통신 시스템 파라미터 235
표 3-2-4. 머신러닝 파라미터 세팅 252
표 3-2-5. Waveform Configuration 267
표 3-2-6. Carrier Configuration 267
표 3-2-7. SS Burst 267
표 3-2-8. Bandwidth parts 268
표 3-2-9. CORESET and Search Space Configuration 268
표 3-5-10. PDCCH Instances Configuration 269
표 3-2-11. PDSCH Instances Configuration 270
표 3-2-12. PDSCH allocation 270
표 3-2-13. PDSCH DM-RS 271
표 3-2-14. PDSCH PT-RS Configuration 272
표 3-2-15. CSI-RS 273
표 3-2-16. 생성된 waveform의 정보 274
표 3-2-63. 시뮬레이션 세팅 282
그림 1-1-1. 열차제어시스템 기술개발 동향 21
그림 2-1-1. FRMCS 개념도 34
그림 2-1-2. FRMCS Use Case 별 Requirement 예시 (ATO communication) 35
그림 2-1-3. ETSI FRMCS Functional Architecture 38
그림 2-1-4. ETSI FRMCS On-board reference architecture 38
그림 2-1-5. ETSI FRMCS의 Slice Integration/Separation 구성 39
그림 2-1-6. IP2 Research and Innovation relationships 40
그림 2-1-7. X2Rail project structure 41
그림 2-2-1. 현대 로템 통합 신호장치 구성도 42
그림 3-1-1. Enhancement of key capabilities from IMT-Adv (4G) to IMT-2020 (5G) 48
그림 3-1-2. Timeline & Process For "IMT-2020" in ITU-R 48
그림 3-1-3. 3 Key Usage Scenarios for IMT-2020 49
그림 3-1-4. 3 Key Usage Scenarios vs. 8 KPIs for IMT-2020 49
그림 3-1-5. 5G timeline in 3GPP 52
그림 3-1-6. 3GPP 5G-NR Non-standalone(NSA) and Standalone (SA) Time Plan 54
그림 3-1-7. 4GHz 배치 57
그림 3-1-8. 30GHz 배치 57
그림 3-1-9. 고속도로 시나리오의 도로 구성 59
그림 3-1-10. 도시 격자 시나리오를 위한 도로 구성 62
그림 3-1-11. 서로 다른 서브캐리어 간격에 따른 slot 구조 68
그림 3-1-12. 60kHz의 서브캐리어 간격에서 사용가능한 Normal CP와 Extended CP 길이 69
그림 3-1-13. 2개, 4개, 혹은 7개의 심볼로 이루어진 non-slot 기반의 전송의 예 70
그림 3-1-14. NR 시스템 하향링크 물리채널 전송 절차 대한 개요 71
그림 3-1-15. PDCCH 구조 75
그림 3-1-16. PSS/SSS 및 PBCH의 시간 위치 및 RB 길이 76
그림 3-1-17. SS/PBCH 블록의 길이 및 주파수 영역 위치 76
그림 3-1-18. PSS/SSS sequence의 주파수 영역에서의 서브캐리어 위치 77
그림 3-1-19. NR 시스템 상향링크 물리채널 전송 절차 대한 개요 79
그림 3-1-20. NR에서 정의된 5가지의 PUCCH format [TR21.915 0.4.0] 83
그림 3-1-21. NR의 PUCCH에 대한 일반적인 사용 사례 84
그림 3-1-22. gNB와 UE간의 system information 전달 절차 88
그림 3-1-23. 4-step 랜덤엑세스 절차 88
그림 3-1-24. CORESET 구성 예시 92
그림 3-1-25. REG-to-CCE 매핑 예제 93
그림 3-1-26. REG bundle 구조 93
그림 3-1-27. Semi-static UL/DL configuration: single pattern 97
그림 3-1-28. Semi-static UL/DL configuration: two patterns 98
그림 3-1-29. Dedicated 신호를 통한 슬롯 구성 98
그림 3-1-30. DCI format 2_0 예제 100
그림 3-1-31. CBG 기반 전송 예제 107
그림 3-1-32. CBG 구성 예제 107
그림 3-1-33. rPUCCH가 8보다 작을 경우 주파수 호핑 예시[이미지참조] 119
그림 3-1-34. BWP 구성 예시 121
그림 3-1-35. URLLC 서비스 지원을 위한 슬롯 구조 예시 125
그림 3-1-36. SR기반 상향링크 URLLC 전송 예시 127
그림 3-1-37. Grant-free 전송 방법 예시 128
그림 3-1-38. NR-U기반 직접통신 방법 예시 129
그림 3-1-39. 통신 장치가 지원하는 3가지 통신 형태 131
그림 3-1-40. 차량내 통신장치 구성 방법과 장치간 연결 형태 131
그림 3-1-41. 인접 열차간 직접통신 링크의 개수 132
그림 3-1-42. 차상 통신장치와 차내 상용 Wi-Fi 장치의 연동 예 134
그림 3-1-43. 차상 통신장치와 차내 통신장치의 연동 예 135
그림 3-1-44. 3GPP Rel-16 NR-Unlicensed Timeline 141
그림 3-2-1. 열차자율주행 차상단말의 핸드오버 207
그림 3-2-2. 종래 핸드오버 프로세스 진행 과정 209
그림 3-2-3. 종래 핸드오버 도입 시 신호세기 변화 210
그림 3-2-4. Mobile Relay 관점에서 RSRP의 기대값 211
그림 3-2-5. RCDT 예측의 관련 요인들 212
그림 3-2-6. 가우시안 회귀 모델의 학습 및 업데이트 214
그림 3-2-7. 가우시간 회귀 기반 RCDT 예측 214
그림 3-2-8. 이동단말의 수신 참조신호 세기 변화 215
그림 3-2-9. 핸드오버 결정 알고리즘 216
그림 3-2-10. 가우시안 회귀모델 기반 예측모델 216
그림 3-2-11. 예측된 RCDT를 활용한 핸드오버 시작시점 결정-1 217
그림 3-2-12. 예측된 RCDT를 활용한 핸드오버 시작시점 결정 -2 217
그림 3-2-13. 시뮬레이션을 위한 LTE-R 환경 설정 219
그림 3-2-14. RSRP 차이 219
그림 3-2-15. 최소 RSRP 219
그림 3-2-16. 패킷 손실율 220
그림 3-2-17. 모델 복잡도에 따른 RSRP 차이 221
그림 3-2-18. 모델 복잡도에 따른 패킷 손실율 221
그림 3-2-19. 트레이닝 데이터 및 임계치에 따른 RSRP 222
그림 3-2-20. 트레이닝 데이터 및 임계치에 따른 PER 222
그림 3-2-21. 예측 공차에 따른 RSRP 차이 223
그림 3-2-22. 예측 공차에 따른 패킷 손실율 223
그림 3-2-23. NR 기반 고속 철도 통신 시나리오 227
그림 3-2-24. NR 기반 빔 관리 프로세스 231
그림 3-2-25. NR기반 통신 시스템에서의 빔 스윕(beam sweep) 과정 232
그림 3-2-26. NR기반 고속 철도 통신 시스템 환경에서 빔 형성 시나리오 236
그림 3-2-27. SNR에 따른 BLER 성능 237
그림 3-2-28. X축에서 MRS의 위치에 따른 BLER 성능(시나리오 1) 238
그림 3-2-29. X축에서 MRS의 위치에 따른 BLER 성능(시나리오 2) 239
그림 3-2-30. X축에서 MRS의 위치에 따른 BLER 성능(시나리오 3) 240
그림 3-2-31. 초저지연 NR기반 고속 철도 통신 시스템 ISI 문제(시나리오 3) 241
그림 3-2-32. 초저지연 NR-HST 시스템에서 ISI 문제(시나리오 1) 243
그림 3-2-33. 초저지연 NR-HST 시스템에서 ISI 문제 해결 방안(시나리오 1) 243
그림 3-2-34. TTA 적용 여부와 MRS의 위치에 따른 BLER 성능(시나리오 1) 244
그림 3-2-35. NR-HST 시스템에서 ToA기반 위치 추정 방식 246
그림 3-2-36. X축에서 MRS의 위치에 따른 SNR 성능 비교(시나리오 3) 247
그림 3-2-37. X축에서 MRS의 위치에 따른 최대 CQI 비교(시나리오 3) 247
그림 3-2-38. 빔 결정 프로세스에서 송수신 빔 페어 수에 따른 평균 프로세싱 시간 249
그림 3-2-39. 제안하는 머신러닝 기반의 도플러 추정 기법 251
그림 3-2-40. 도플러 추정을 위한 머신러닝 학습 모델 구조 251
그림 3-2-41. 제안하는 도플러 추정 기법의 HST 시스템에서의 추정 정확도 253
그림 3-2-42. Position mismatch 0.05m에서 열차 위치에 따른 도플러 추정 성능 253
그림 3-2-43. 통신 채널 측정을 위한 complex deep neural network 설계도 254
그림 3-2-44. 실험 결과 254
그림 3-2-45. 하향링크의 논리 채널, 전송 채널, 물리 채널 간의 매핑 구조 258
그림 3-2-46. BWP를 이용한 대역폭 크기 조절 258
그림 3-2-47. CSI-RS 구조 260
그림 3-2-48. 안테나 포트 당 CSI-RS multiplexing에 대한 CDM 구조 260
그림 3-2-49. DM-RS의 시간 영역 위치 261
그림 3-2-50. SS block의 시간-주파수 영역에서의 신호 구조 263
그림 3-2-51. SS block set의 구조 및 beam sweeping 263
그림 3-2-52. PSS structure 264
그림 3-2-53. 기본 M 시퀀스 생성 264
그림 3-2-54. 송수신 구조 265
그림 3-2-55. BWP 1 and 2 in carrier with PDSCH, PDCCH and CORESET location 275
그림 3-2-56. SCS and NRB 275
그림 3-2-57. 시뮬레이터 송수신 블록도 276
그림 3-2-58. Frame Structure 277
그림 3-2-59. DM-RS 신호 278
그림 3-2-60. 프레임 감지 과정 280
그림 3-2-61. 컨트롤 정보를 활용한 프레임 복조 과정 281
그림 3-2-62. USRP-MATLAB 시뮬레이터 281
그림 3-2-63. 시뮬레이션 세팅 282
그림 3-2-64. 시뮬레이션 결과 282
그림 3-2-65. 딥러닝 기반 열차 위치검지 설계도 283