국내 환경의 경우, 산악 지형이 많은 지형적 특성상 수많은 터널이 존재한다. 터널은 무선 채널 환경 중 대표적인 음영지역으로서 실외 및 실내 환경의 무선 채널과는 다른 특성을 갖기 때문에 터널 환경에서의 안정된 서비스 품질을 확보하기 위해서는 전파 채널의 특성 연구가 필요하다. 특히 위성을 이용한 이동 서비스를 위해서는 터널에 의한 음영지역에서의 정상적인 위성 신호 수신이 필요하며, 이를 위해 Gap-Filler라고 하는 지상 중계기를 운영하게 되는데 이를 이용하기 위해서는 터널 환경에서의 전파전파 특성 분석을 바탕으로 한 Gap Filling 방법 연구가 필수적이다. 따라서 본 논문에서는 음영 지역에서의 정상적인 위성 신호 수신을 위하여 터널 환경에서의 ISM 대역의 전파전파 특성을 분석하고, 이를 바탕으로 효율적인 Gap Filling 방법에 대한 연구를 수행하였다.
국내 환경의 경우, 산악 지형이 많은 지형적 특성상 수많은 터널이 존재한다. 터널은 무선 채널 환경 중 대표적인 음영지역으로서 실외 및 실내 환경의 무선 채널과는 다른 특성을 갖기 때문에 터널 환경에서의 안정된 서비스 품질을 확보하기 위해서는 전파 채널의 특성 연구가 필요하다. 특히 위성을 이용한 이동 서비스를 위해서는 터널에 의한 음영지역에서의 정상적인 위성 신호 수신이 필요하며, 이를 위해 Gap-Filler라고 하는 지상 중계기를 운영하게 되는데 이를 이용하기 위해서는 터널 환경에서의 전파전파 특성 분석을 바탕으로 한 Gap Filling 방법 연구가 필수적이다. 따라서 본 논문에서는 음영 지역에서의 정상적인 위성 신호 수신을 위하여 터널 환경에서의 ISM 대역의 전파전파 특성을 분석하고, 이를 바탕으로 효율적인 Gap Filling 방법에 대한 연구를 수행하였다.
In the domestic environments, there are many tunnels since most of terrains have mountains. To ensure the quality of wireless network service in NLOS environment like tunnels which differ from indoor or outdoor wireless channels, researches on wave-propagation characteristics. through such channel a...
In the domestic environments, there are many tunnels since most of terrains have mountains. To ensure the quality of wireless network service in NLOS environment like tunnels which differ from indoor or outdoor wireless channels, researches on wave-propagation characteristics. through such channel are necessary. Especially, in such environment the ground repeater called Gap-Fillers are usually used for satellite mobile services. To make sure that mobile service using satellites in tunnels is available, the research about Gap Filling method is essential. This research is focus on the characterising the wave-propagation through tunnels, to find the appropriate frequency, HPBW of the Gap-Filler antennas, the number of Gap-Fillers, etc. In this paper, we present the effective Gap Filling method in tunnels for ISM band, based on analysis of ray tracing and measurement results.
In the domestic environments, there are many tunnels since most of terrains have mountains. To ensure the quality of wireless network service in NLOS environment like tunnels which differ from indoor or outdoor wireless channels, researches on wave-propagation characteristics. through such channel are necessary. Especially, in such environment the ground repeater called Gap-Fillers are usually used for satellite mobile services. To make sure that mobile service using satellites in tunnels is available, the research about Gap Filling method is essential. This research is focus on the characterising the wave-propagation through tunnels, to find the appropriate frequency, HPBW of the Gap-Filler antennas, the number of Gap-Fillers, etc. In this paper, we present the effective Gap Filling method in tunnels for ISM band, based on analysis of ray tracing and measurement results.
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문제 정의
본 논문에서는 음영 지역에서의 정상적인 위성 신호의 수신을 위하여 ray tracing 기법을 이용한 터널 환경에서의 ISM 대역의 전파전파 특성 분석 및 Gap Filling 방법을 분석하고 측정 결과와 비교하였다.
제안 방법
4 GHz 대역은 standard horn antenna의 크기가 커서 Teletronics사의 yagi antenna를 사용하였고, 이득은 15 dBi, 반전력 빔 폭은 28。이다. 5.8 GHz 대역은 이득이 20 dBi, 반 전력 빔 폭은 31°인 Pasternack사의 standard horn an-tenna(PE9860)를 사용하여 측정하였다.
수신 안테나가 동일한 반전력 빔 폭을 가질 경우를 고려하였다. 그러나 실제 Gap-Filler와 기차에 부착될 안테나의 반전력 빔 폭은 서로 다를 수가 있으며, 이 경우에 대한 터널 환경에서의 전파전파 특성을 분석하기 위해 송 - 수신 안테나의 반 전력 빔 폭이 서로 다른 경우를 고려하여 시뮬레이션하였다. 시뮬레이션은 송신 안테나의 반전력 빔 폭이 30。일 때 수신 안테나의 반전력 빔 폭이 5。와 17° 일 경우에 대하여 시뮬레이션을 수행하였다.
기차가 터널 내에 위치할 경우, 기차의 위치에 따른 수신점의 경로 손실 특성을 분석하기 위하여 그림10과 같이 터널 내에 기차를 위치시킨 후 시뮬레이션을 수행하였다.
또한, 터널에서 기차 2대가 양 방향으로 진행하는 경우 수신 레벨의 변화를 분석하기 위하여 그림 11과 같이 기차를 송신 안테나의 반대쪽 차선(300 —600 m)에 위치시킨 후 시뮬레이션을 수행하였다.
측정 결과와 비교하였다. 모델링된 터널 환경과 기차 구조를 이용한 시뮬레이션을 통해 ISM 대역 주파수 2.4, 5.8 GHz에 대하여 송신 안테나 빔 폭과 기차의 위치에 따른 경로 손실, delay profile 및 delay spread 특성을 분석하였다. 고려 대상 시스템의 sensitivity를 고려할 경우 전파 특성 분석에 의한 Gap filler의 최적 배치를 고려할 때 주파수 대역은 2.
따라서 실제 터널에 대한 전파전파 특성 분석은 ray tracing 기법을 이용하여 분석하였다 [51'[91. 본 논문에 사용된 ray tracing 기법은 정확한 이론적 바탕을 가지고 있으면서 복잡한 구조물에 대하여도 비교적 간단히 적용할 수 있는 광학적 방법을 이용한 예측 모델로서 터널 내부에서의 다중 반사를 고려하였다.
본 논문에서는 주파수, 안테나 반전력 빔 폭 그리고 기차의 유무 등 다양한 파라미터를 고려하여 시뮬레이션하였다. 시뮬레이션 결과를 종합해 보면 5.
본 연구에서는 수신 포인트의 수신 반경에 들어오는 모든 광선에 대해 식 (3)을 이용하여 전기장 값을 합하고 이로부터 경로 손실을 계산하였다. 터널 내에서는 회절에 의한 광선 성분이 없기 때문에 경로 손실 계산시 회절 부분은 고려하지 않았다.
송 . 수신 안테나가 동일한 반전력 빔 폭을 가질 경우를 고려하였다. 그러나 실제 Gap-Filler와 기차에 부착될 안테나의 반전력 빔 폭은 서로 다를 수가 있으며, 이 경우에 대한 터널 환경에서의 전파전파 특성을 분석하기 위해 송 - 수신 안테나의 반 전력 빔 폭이 서로 다른 경우를 고려하여 시뮬레이션하였다.
따라서 송 . 수신 안테나의 빔 폭에 따른 delay frofile을 분석하였다. 그림 6은 송 -수신 안테나의 반전력 빔 폭이 30。인 경우에 대한 터널 내 300, 600 m 지점에서 기차가 없을 때의 전형적인 delay profile 특성을 나타낸 것이다.
8 m인 안성 - 음성간에 있는 고속도로 터널에서 실시하였다. 터널 내부에 송신 안테나와 신호 발생기 (Agilent 83640L)를 설치하고, 수신 안테나와 스펙트럼 분석기(Agilent 8564E) 등을 탑재한 차량을 등속으로 이동하면서 VEE 프로그램을 통해 1초 간격으로 수신되는 신호의 세기를 측정하여 터널 내부의 전파전파 특성을 확인하였다. Gap-Filler는 벽면에서 20 cm 떨어진 곳에서 터널 내부를 향하도록 설치하였으며, 차량에서의 수신 안테나는 지면으로부터 3.
터널 내에 전파 특성 분석을 위하여 터널 내에 기차가 위치하지 않을 경우에 대한 시뮬레 이션을 수행하였다. 터널 안에서의 ISM 대역 주파수 2.
위치하지 않을 경우에 대한 시뮬레 이션을 수행하였다. 터널 안에서의 ISM 대역 주파수 2.4, 5.8 GHz에 대한 전파전파 특성을 분석하기 위하여 터널 안에 실제 기차에 부착될 안테나의 높이 3.7 m에 1 m 간격으로 수신점을 위치시키고 시뮬레이션을 수행하였다. 이때 송신점의 위치는 높이 4 m의 터널 벽면으로부터 20 cm 떨어진 곳에 위치시켰으며, 각각 반전력 빔 폭(HPBW: Half Power Beam Width)0] 30。, 17°, 5。가 되는 uniform circular aperture 안테나를 사용하였다.
터널 환경에서의 전파전파 특성 분석에는 이론 모델을 사용하기가 어렵기 때문에 본 연구에서는 ray tracing 기법을 사용하여 시뮬레 이션을 수행하였고 측정 결과와 비교하였다. 모델링된 터널 환경과 기차 구조를 이용한 시뮬레이션을 통해 ISM 대역 주파수 2.
대상 데이터
7 m에 1 m 간격으로 수신점을 위치시키고 시뮬레이션을 수행하였다. 이때 송신점의 위치는 높이 4 m의 터널 벽면으로부터 20 cm 떨어진 곳에 위치시켰으며, 각각 반전력 빔 폭(HPBW: Half Power Beam Width)0] 30。, 17°, 5。가 되는 uniform circular aperture 안테나를 사용하였다. 송신점과 수신점은 그림 3에 보인 것과 같이 터널 내에 위치시켰다.
또한 기차의 위치에 따른 영향을 분석하기 위하여 비유전율과 전도율이 각각 e, = L0, o=107 s/m 이며, 두께가 5 cm, 한 량의 길이가 18.7 m, 총 16 량인 기차로 모델링하였다. 모델링한 결과는 그림 2에 나타내었다.
실제 기차 터널 환경에서의 전파전파 특성 측정은 매우 어렵기 때문에, 그림 14와 같이 반지름 6.8 m인 안성 - 음성간에 있는 고속도로 터널에서 실시하였다. 터널 내부에 송신 안테나와 신호 발생기 (Agilent 83640L)를 설치하고, 수신 안테나와 스펙트럼 분석기(Agilent 8564E) 등을 탑재한 차량을 등속으로 이동하면서 VEE 프로그램을 통해 1초 간격으로 수신되는 신호의 세기를 측정하여 터널 내부의 전파전파 특성을 확인하였다.
필요하다. 터널은 비유전율과 전도율이 er=5.0, 0=0.1 s/m이며, 42 cm 두께의 콘크리트로 이루어진 반지름 6.8 m, 길이 1.5 km의 반구 형태로 모델링하였으며, 3차원 구조로 모델링한 결과는 그림 1에 나타내었다.
이론/모형
매우 어렵다. 따라서 실제 터널에 대한 전파전파 특성 분석은 ray tracing 기법을 이용하여 분석하였다 [51'[91. 본 논문에 사용된 ray tracing 기법은 정확한 이론적 바탕을 가지고 있으면서 복잡한 구조물에 대하여도 비교적 간단히 적용할 수 있는 광학적 방법을 이용한 예측 모델로서 터널 내부에서의 다중 반사를 고려하였다.
성능/효과
8 GHz에서의 경로 손실 값에 대한 측정 결과와 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이고, 표 1은 측정 결과와 시뮬레이션 결과의 각 파라미터를 산출하여 비교한 것이다. 비교 분석 결과, 측정 결과와 시뮬레이션 결과가 거의 비슷함을 확인할 수 있다.
4 GHz보다 더 큰 것을 확인하였고, 반전력 빔 폭이 작은 경우(5。)에는 송 . 수신 안테나간 거리가 가까운 곳에서는 상대적으로 수신이 잘 되지 않음을 확인하였다. 또한 터널 내부에 위치한 기차의 영향으로 인한 수신 레벨의 변화는 그 영향이 크지 않음을 확인하였다.
시뮬레이션 결과, 반대편 차선에 기차가 없을 경우에 대한 경로 손실 특성과 비교해 볼 때, 약 700 m 이상의 거리에서 수신 레벨이 다소 증가하였음을 알 수 있다. 이는 기차에 의한 반사파가 터널 벽면에 의한 반사파의 크기보다 크기 때문인 것으로 판단된다.
시뮬레이션 결과, 수신점이 이동하는 기차의 앞부분 지붕에 위치하기 때문에 기차가 송신점이 위치 한곳으로 이동할 경우 기차 본체가 수신 레벨에 영향을 주지 않음을 확인할 수 있었다.
시뮬레이션 결과를 종합해 보면 5.8 GHz에서의 경로 손실이 2.4 GHz보다 더 큰 것을 확인하였고, 반전력 빔 폭이 작은 경우(5。)에는 송 . 수신 안테나간 거리가 가까운 곳에서는 상대적으로 수신이 잘 되지 않음을 확인하였다.
후속연구
4 GHz 대역이 좋으며, Gap-Filler와 기차에 부착될 안테나의 반전력 빔 폭은 down-link(Gap-Filler에서 기차의 안테나로)와 up-血k(기차의 안테나에서 Gap-Filler로)를 고려할 경우 30。가 적당함을 알 수 있었다. 본 논문의 터널 환경에서의 전파전파 특성 연구 결과는 이동형 위성 통신 서비스의 상용화에 따른 신뢰성 있는 장비 개발에 활용되고 있다.
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