[논문]빌딩 내 공조 닥트의 무선망 활용을 위한 전파 특성 측정

윤찬의; 전완종

doi:10.5515/kjkiees.2012.23.10.1157

초록
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본 논문에서는 빌딩 내부의 공조 닥트를 이용한 무선 통신망의 전파 특성을 측정하고 분석한다. 공조 피더 구조를 분석하고 전송 모드를 여기할 수 있는 피더 장치를 제작하여 시뮬레이션을 통하여 여기 특성을 분석한다. 2.45 GHz 와이파이 대역에서 실제 건물 내부의 공조 닥트를 통해 송수신되는 전파의 세기를 측정하고, LOS 환경 및 격벽이 있는 사무실 그리고 복도 등 여러 실내 환경 조건에서 전파를 측정하여 닥트 피더 방식과 비교한다. 측정 및 분석 결과를 활용하여 닥트를 이용한 무선망 설계 방법을 제안한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we measure and analyze propagation characteristic of heating, ventilation, and air conditioning(HVAC) ducts within buildings for wireless networks. We analyze the duct structures, implement the feeders exciting propagating modes, and simulate the excitation characteristic. We measure ...

In this paper, we measure and analyze propagation characteristic of heating, ventilation, and air conditioning(HVAC) ducts within buildings for wireless networks. We analyze the duct structures, implement the feeders exciting propagating modes, and simulate the excitation characteristic. We measure the propagation characteristic of HAVC ducts at 2.45 GHz WiFi band and compare it with that of LOS and partitioned office environments. We propose the design method of wireless network using HVAC ducts based on our results.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 기술적 적용 가능성을 분석하기 위하여 실제 건물 내 구성된 다양한 형태의 공조 닥트에서 전파 특성을 측정하고, 실내 자유 공간, 격벽이 있는 사무실 공간 및 복도에서 전파를 측정하여 공조 닥트에 보내는 방식과 비교하였다.

가설 설정

이와 같이 닥트를 이용하여 실내 무선망을 구축할 수 있을 것이라는 가정 하에 Pavel V. Nikitin과 Daniel D. Stancil이 300 mm 크기의 원통형 닥트에서 각 모드별 전파 특성을 해석하였다^[1] . 또한, Ozan K.

제안 방법

또한, Ozan K. Tonguz, Daniel D. Stancil 등이 직경 300 mm 크기의 HVAC(Heating, Ventilation & Air Conditioning)덕트 내부에서 전파의 송수신 특성을 시험하였다[2] .
이러한 설계 과정을 그림 11에 나 타내었다. 우선 닥트 망을 구성하고 있는 모든 요소 에 대하여 각 모드별로 손실을 해석한 다음, 피더로 부터 diffuser에 이르기까지 과정의 링크 손실을 계산 하여 최적의 위치에서 최적의 모드들을 선정하여 여 기시킨다. 이때 분기 횟수가 증가할수록 모드 개수 가 증가하게 되어 모드에 의한 전파 특성이 흐려지 므로 3차 이상 분기하는 경우에는 모드별 전력 분배 대신 닥트 내부에서 다이폴 안테나 수신 전력을 측 정하여 이것을 tree 분기점의 손실 데이터로 활용하 는 것이 적합하다.
받음으로써 통신망을 구축할 수 있다는 개념을 기본 으로 하여 공조 닥트망의 구조를 분석하고, 전송 모 드를 여기할 수 있는 피더 장치를 제작하고 시뮬레 이션을 통하여 여기 특성을 분석하였다. 실제 건물 에 설치된 공조 닥트를 실물 그대로 제작하여 닥트 내부 및 외부에서 전파의 특성을 측정하였으며, 다 양한 실제 건물 공조 닥트에서 전파 특성을 측정하 였다.
받음으로써 통신망을 구축할 수 있다는 개념을 기본 으로 하여 공조 닥트망의 구조를 분석하고, 전송 모 드를 여기할 수 있는 피더 장치를 제작하고 시뮬레 이션을 통하여 여기 특성을 분석하였다. 실제 건물 에 설치된 공조 닥트를 실물 그대로 제작하여 닥트 내부 및 외부에서 전파의 특성을 측정하였으며, 다 양한 실제 건물 공조 닥트에서 전파 특성을 측정하 였다. 또한, LOS 환경 및 격벽이 있는 사무실 그리고 복도 등 여러 실내 환경 조건에서 전파를 측정하여 닥트 피더 방식과 비교하였다.
실제 건물 에 설치된 공조 닥트를 실물 그대로 제작하여 닥트 내부 및 외부에서 전파의 특성을 측정하였으며, 다 양한 실제 건물 공조 닥트에서 전파 특성을 측정하 였다. 또한, LOS 환경 및 격벽이 있는 사무실 그리고 복도 등 여러 실내 환경 조건에서 전파를 측정하여 닥트 피더 방식과 비교하였다. 결과적으로 닥트는 도파로의 역할을 충분히 하므로 이것을 이용하여 무 선망을 구축하면 기존의 외부 안테나 거치 방식에 비하여, 실내 공간 구획에 영향을 받지 않고, 보다 넓고 균일한 수신 레벨을 갖는 커버리지를 구축할 수 있게 됨으로써 실내 통신망의 품질을 향상과 비 용 절감이 가능함을 볼 수 있었다.

대상 데이터

건물의 크기는 60 m ×30 m 정도로 테스트 베드용 닥트가 놓인 삼화통신 사무실의 약 두 배에 해당되는 면적이다.
그림 9(b)의 ③는 동일한 건물의 3층 사무실에서 측정한 결과이다. 사무실은 두께 3 cm의 석고 보드 로 구획되어 있으며, 송신 안테나는 옥상에서와 동 일한 위치에 두고 측정하였다. 시멘트 벽이 아닌 석 고 보드도 몇 개를 통과하면서 수신 레벨이 크게 감 쇄하는 것을 볼 수 있다

이론/모형

공조 닥트를 통한 전파의 송수신을 측정하기 위 하여 그림 4와 같은 송수신 장치를 구성하였다. 송신측 안테나는 선형 다이폴 및 COCO(Collinear Coaxial) 타입의 안테나를 사용하였고 수신 레벨의 측정 은 단말의 2.45 GHz에서 WiFi 수신 레벨을 기록해 주는 Net-Stumbler를 사용하였다.

성능/효과

이 공조 닥트 는43 m×43 m의 면적에 포설되어 있어서 테스트 베 드용 닥트에 비해 2배 규모의 크기인데, 천정 공사 로 인하여 일부의 닥트 구간이 훼손된 부분(ⓐ)을 제 외하면 비교적 양호한 수신 레벨인 —60～—70 dB 이상이 수신되는 것을 볼 수 있다.
닥트 피더 방식은 기존의 외부에 안테나를 거치하는 방식에 비하여 보다 균일하게 전 파를 보내며, 실내의 구획에 영향을 받지 않음을 알 수 있었다.
그러므로 이러한 구조의 건물에서 한 층을 모두 커버하려면 복도에서만 최소한 4개의 안테나가 필 요하며, 사무실 내부까지 커버하려면 두 사무실 당 한 개씩 9개, 총 13개 이상의 안테나가 필요함을 알 수 있다. 그러나 닥트 피더 방식을 쓸 경우에는 내부 의 구획에 영향을 받지 않고 면적에만 비례하여 안 테나 개수가 증가하므로 2개의 안테나로 전체 무선 망을 커버할 수 있음을 알 수 있다.
실내에 기존의 방식대로 안테나를 외부에 거치한 경우의 전파 특성과 닥트로 보낸 경우의 전파 특성 을 비교해 보면 예상했던 대로 원근 효과가 많이 개 선됨을 알 수 있다. 닥트 피더 방식은 기존의 외부에 안테나를 거치하는 방식에 비하여 보다 균일하게 전 파를 보내며, 실내의 구획에 영향을 받지 않음을 알 수 있었다.
닥트는 전파를 전달하는 전송로 역할을 할 뿐 전력을 생산하지는 않으므로, 동일한 전력을 어떻게 커버리지 내의 분기 닥트에 고르게 분배하는가 하는 것이 무선망의 품질을 좌우한다. 닥트의 단면 크기 가 작을수록 모드의 전파 특성에 의한 분기 닥트 전력 분배 특성이 확연하게 나타나는 반면, 닥트의 크 기가 커지면, 보다 많은 다이폴이나 COCO 안테나를 조합하여 피더를 구현해야 원하는 특정 모드를 여기 할 수 있음을 알 수 있었다
또한, LOS 환경 및 격벽이 있는 사무실 그리고 복도 등 여러 실내 환경 조건에서 전파를 측정하여 닥트 피더 방식과 비교하였다. 결과적으로 닥트는 도파로의 역할을 충분히 하므로 이것을 이용하여 무 선망을 구축하면 기존의 외부 안테나 거치 방식에 비하여, 실내 공간 구획에 영향을 받지 않고, 보다 넓고 균일한 수신 레벨을 갖는 커버리지를 구축할 수 있게 됨으로써 실내 통신망의 품질을 향상과 비 용 절감이 가능함을 볼 수 있었다. 향후 닥트 망 내 구성품 및 다양한 크기의 분기 tree에서 보다 정확한 전파 특성을 파악하기 위하여, 구성 요소들을 무 반 사실에 넣고 피더를 조합하여 보다 정밀한 전송특성 을 측정하고, 이 자료를 기반으로 닥트 망을 이용하 여 무선망을 설계하는데 활용해야 할 것이다.

후속연구

결과적으로 닥트는 도파로의 역할을 충분히 하므로 이것을 이용하여 무 선망을 구축하면 기존의 외부 안테나 거치 방식에 비하여, 실내 공간 구획에 영향을 받지 않고, 보다 넓고 균일한 수신 레벨을 갖는 커버리지를 구축할 수 있게 됨으로써 실내 통신망의 품질을 향상과 비 용 절감이 가능함을 볼 수 있었다. 향후 닥트 망 내 구성품 및 다양한 크기의 분기 tree에서 보다 정확한 전파 특성을 파악하기 위하여, 구성 요소들을 무 반 사실에 넣고 피더를 조합하여 보다 정밀한 전송특성 을 측정하고, 이 자료를 기반으로 닥트 망을 이용하 여 무선망을 설계하는데 활용해야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	닥트를 이용하여 실내 무선망을 구축 실험을 시행할 때 원통형 닥트의 사용으로 인해 제한되는 사항은 무엇인가?	Stancil 등이 직경 300 mm 크기의 HVAC(Heating, Ventilation & Air Conditioning)덕트 내부에서 전파의 송수신 특성을 시험하였다[2] . 그러나 균일한 단면 크기를 대상으로 측정한 결과라서 실제 건물에 설치되어 있는 닥트 망과는 거리가 멀며, 내부의 각종 구성 부품들이 없는 상태에서 휘어 짐과 분기손실만 측정한 것이어서 실 건물에 적용하 기에는 미흡한 면이 있다 [1] . 이 외에도 원통형 닥트 의 지연 분산에 관한 연구나[3] , 닥트를 통신 채널로 모델링하여 용량을 분석한 [4] 연구 등이 있는데, 이것 들 또한 단순한 원형 도파관에서 전송이 가능한 모든 고차 모드들의 전파 특성을 분석한 것일 뿐 실제 건물용 닥트에서의 전파 특성과는 거리가 멀어서 실 질적인 적용 가능성을 보여주기에는 미흡하였다.
	공조용 닥트의 특징은 무엇인가?	공조용 닥트는 아연 도금 강판 재질로 되어 전파를 모으는 효과가 있어서 일종의 도파관으로 작용하며, 2 GHz 대역의 전파에 대해서는 닥트의 단면이 파장에 비하여 충분히 크므로 일종의 over-sized waveguide로 작용한다. 또한, 공조 닥트는 공기의 수급을 위하여 공조기로부터 멀어지면서 여러 갈래로 분기하는 tree 구조를 가지므로 닥트 망은 일종의 waveguide network으로 볼 수 있다
	닥트는 단면의 구조에 따라 차단 주파수가 있는데, 각각의 구조에 따라 어떤 차단 주파수가 존재하는가?	닥트는 단면의 구조에 따라 전송 모드별 차단 주파수가 존재하는 데, 장방형 닥트의 경우, 차단 주파수는 긴 변의 길이의 두 배에 해당하는 파장의 주파수가, 원형 닥트의 경우에는 직경의 약 1.7배에 해당 하는 파장의 주파수가 기본 모드(fundamental mode) 의 차단 주파수이다.

참고문헌 (4)

Pavel V. Nikitin, Daniel D. Stancil, Ahmet G. Cepni, Ozan K. Tonguz, and Ariton E. Xhafa, "Propagation model for the HVAC duct as a communication channel", IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 51, no. 5, pp. 945-951, May 2003.

상세보기
Ozan K. Tonguz, Daniel D. Stancil, Ariton E. Xhafa, Ahmet G. Cepni, and Pavel V. Nikitan, "An empirical path loss model for hvac duct systems", In Proc. IEEE Globcom 2002, pp. 1850-1854, Nov. 2002.
Pavel V. Nikitin, Daniel D. Stancil, Ozan K. Tonguz, Ariton E. Xhafa, Ahmet G. Cepni, and Dagfin Brodtkorb, "Impulse response of the HVAC duct as a communication channel", IEEE Trans. Commun., vol. 51, no. 10, pp. 1736-1742, Oct. 2003.

상세보기
Ariton E. Xhafa, Ozan K. Tonguz, Ahmet G. Cepni, Daniel D. Stancil, Pavel V. Nikitin, and Dagfin Brodt korb, "On the capacity limits of HVAC duct channel for high-speed internet access", IEEE Trans. Commun., vol. 53, no. 2, pp. 335-341, Feb. 2005.

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