본 논문에서는 지상 수신기와 항공기 탑재 송신기 간의 장거리 통신시험을 통해 UHF 대역의 전파 수신세기를 측정하고 그 결과를 분석하였다. 지상 수신기는 제주도 해발 1,100m 지점에 위치시키고 항공 탑재 송신기는 지상 수신기로부터 150km에서 220km 거리를 3.5km 이상의 고도로 비행하며 시험을 수행하였다. 이 경우 지상 수신기와 항공 송신기는 가시선(LOS ; Line of Sight)이 확보되는 환경이므로 자유공간손실(FSL ; Free Space Loss)을 토대로 결과를 예측하고 분석을 하는 경우가 일반적이다. 하지만 본 시험의 경우 지상 수신기와 항공 송신기 사이에 해수면이 존재하고, 장거리 통신 환경으로 인하여 반사면에 대한 입사각이 매우 작은 조건으로 직접 파의 자유공간손실 만으로는 정확한 예측 및 분석이 불가능하다. 따라서 주변에 장애물이 없고 두 안테나 사이 가시선이 확보되는 조건을 고려하여 평면 반사 모델과 구면 대지 반사 모델을 토대로 경로 손실을 예측하고 실제 시험결과와 비교하였다. 비교 결과, 구면 대지 반사모델에서 예측한 전파경로 손실 값과 실제 측정결과가 매우 유사한 특성을 보였다.
본 논문에서는 지상 수신기와 항공기 탑재 송신기 간의 장거리 통신시험을 통해 UHF 대역의 전파 수신세기를 측정하고 그 결과를 분석하였다. 지상 수신기는 제주도 해발 1,100m 지점에 위치시키고 항공 탑재 송신기는 지상 수신기로부터 150km에서 220km 거리를 3.5km 이상의 고도로 비행하며 시험을 수행하였다. 이 경우 지상 수신기와 항공 송신기는 가시선(LOS ; Line of Sight)이 확보되는 환경이므로 자유공간손실(FSL ; Free Space Loss)을 토대로 결과를 예측하고 분석을 하는 경우가 일반적이다. 하지만 본 시험의 경우 지상 수신기와 항공 송신기 사이에 해수면이 존재하고, 장거리 통신 환경으로 인하여 반사면에 대한 입사각이 매우 작은 조건으로 직접 파의 자유공간손실 만으로는 정확한 예측 및 분석이 불가능하다. 따라서 주변에 장애물이 없고 두 안테나 사이 가시선이 확보되는 조건을 고려하여 평면 반사 모델과 구면 대지 반사 모델을 토대로 경로 손실을 예측하고 실제 시험결과와 비교하였다. 비교 결과, 구면 대지 반사모델에서 예측한 전파경로 손실 값과 실제 측정결과가 매우 유사한 특성을 보였다.
In this paper, we measured the propagation path loss by a ground to air flight communication test at UHF band and analyzed the results. The ground receiving terminal was located at 1,100m above sea level in Cheju Island and the airborne transmit terminal flew at an altitude of 3.5km from 150 to 220k...
In this paper, we measured the propagation path loss by a ground to air flight communication test at UHF band and analyzed the results. The ground receiving terminal was located at 1,100m above sea level in Cheju Island and the airborne transmit terminal flew at an altitude of 3.5km from 150 to 220km from the ground terminal. In this case, the ground terminal and the airborne terminal are on the Line of Sight. Therefore loss in this communications environment can be predicted based on Free Space Loss. However, in this test, the sea level exists between two terminals, and due to the very small angle of incidence on the reflecting surface due to the long-range communication environment, it is not possible to accurately predict the loss of free space only. Therefore, considering that there are no surrounding obstacles and that a line of sight is secured between the end of two terminals, we applied a plane earth reflection model and a spherical earth reflection model to estimate the propagation path loss and compared with the actual test results. As a result of the comparison, the predicted propagation path loss by a spherical earth reflection model were quite similar to the actual test values.
In this paper, we measured the propagation path loss by a ground to air flight communication test at UHF band and analyzed the results. The ground receiving terminal was located at 1,100m above sea level in Cheju Island and the airborne transmit terminal flew at an altitude of 3.5km from 150 to 220km from the ground terminal. In this case, the ground terminal and the airborne terminal are on the Line of Sight. Therefore loss in this communications environment can be predicted based on Free Space Loss. However, in this test, the sea level exists between two terminals, and due to the very small angle of incidence on the reflecting surface due to the long-range communication environment, it is not possible to accurately predict the loss of free space only. Therefore, considering that there are no surrounding obstacles and that a line of sight is secured between the end of two terminals, we applied a plane earth reflection model and a spherical earth reflection model to estimate the propagation path loss and compared with the actual test results. As a result of the comparison, the predicted propagation path loss by a spherical earth reflection model were quite similar to the actual test values.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
2절에서 살펴본 구면 대지 반사 모델과 매우 유사한 환경임을 알 수 있다. 따라서 본 논문에서는 구면 대지 반사 모델을 적용하여 시험 결과에 대한 분석을 진행하였다.
본 논문에서는 UHF대역 장거리 항공 통신 환경의 전파 경로 손실을 예측하고 실제 비행시험을 통해 측정된 경로 손실 값과 비교 분석 하였다. 지상 수신기는 제주도의 해발 1,100m 지점에 위치시키고 항공 탑재 송신기는 지상 수신기로부터 150km에서 220km 거리를 3.
본 절에서는 장거리 통신 환경에서 경로 상 해수면을 포함하는 항공-지상 간 통신 환경과 같이, 장애물의 영향이 거의 없고 반사파만 존재하는 경우에 대한 분석을 위하여 구면 대지 반사 모델을 살펴보고자 한다.
가설 설정
3dB 이내로 극히 적음을 확인하였다. 따라서 본 논문에서는 거리에 따른 안테나 이득의 변화가 없다고 가정하고 안테나 이득을 최댓값으로 고정하여 계산하였다.
본 논문에서는 항공 시험 결과 분석을 위하여 항공 송신기 및 지상 수신기의 고도, 좌표 등을 활용하였다. 또한 송신기와 수신기 사이에 가시선이 확보되고 반사지점이 주변 장애물이 없는 점을 고려하여 구면 대지 반사 모델을 가정하여 분석을 진행하였다. 또한 구면 대지 반사 모델의 적합성을 살펴보기 위하여 자유공간손실 모델과 평면 반사 모델의 예측 결과와 함께 분석하였다.
5km 이상의 고도로 비행하며 시험을 수행하였다. 지상 수신기와 항공기 탑재 송신기 간 장거리 통신에 있어서, 경로상 가시선이 확보되고 반사지점이 주변 장애물이 없는 점을 고려하여 구면 대지 반사 모델을 가정하였다. 해당 모델을 이용하여 전파 경로 손실을 예측하고 실제 측정 결과를 분석을 진행하였다.
제안 방법
2.2.1절에서 살펴본 바와 같이 반사지점이 해수면이기 때문에 반사계수 ρ를 산출하기 위한 상대유전율 및 대지 전도도는 sea water (∈r = 81, σ= 5) 조건으로 적용하였다.
이 경우에 지상 수신기와 항공기 사이에 바다가 존재하기 때문에 해수면에 의한 반사파가 영향을 줄 것으로 예상되었다. 경로 손실 예측에는 지상 수신기와 항공기 간 거리 및 고도, 안테나의 방사패턴 등을 고려하였으며 전파 손실 모델의 경우 구면 대지 반사모델을 적용하여 수신 전력을 예측하고 실측값과 비교 분석하였다.
또한 송신기와 수신기 사이에 가시선이 확보되고 반사지점이 주변 장애물이 없는 점을 고려하여 구면 대지 반사 모델을 가정하여 분석을 진행하였다. 또한 구면 대지 반사 모델의 적합성을 살펴보기 위하여 자유공간손실 모델과 평면 반사 모델의 예측 결과와 함께 분석하였다. 앞 절에서 살펴본 바와 같이 반사지점이 해수면인 특성을 고려하여 반사계수, 발산계수, 전파지수 등을 산출하였다.
본 논문에서는 항공 시험 결과 분석을 위하여 항공 송신기 및 지상 수신기의 고도, 좌표 등을 활용하였다. 또한 송신기와 수신기 사이에 가시선이 확보되고 반사지점이 주변 장애물이 없는 점을 고려하여 구면 대지 반사 모델을 가정하여 분석을 진행하였다.
본격적인 항공-지상 간 통신 시험에 앞서 시험 결과에 영향을 줄 수 있는 외부 전파 환경을 측정하였다. 측정은 지상 수신기 지점에서 이루어졌으며 결과는 Fig.
14에 표현하였다. 수신 안테나는 해수면 기준 고도 약 1km에 존재하는 것으로 계산하였으며 주파수는 UHF 대역에서 살펴보았다. 그 결과 Fig.
또한 구면 대지 반사 모델의 적합성을 살펴보기 위하여 자유공간손실 모델과 평면 반사 모델의 예측 결과와 함께 분석하였다. 앞 절에서 살펴본 바와 같이 반사지점이 해수면인 특성을 고려하여 반사계수, 발산계수, 전파지수 등을 산출하였다.
실제 전자파의 진행 경로 근처에 대부분 장애물이 존재하거나, 반사파의 크기가 작은 입사각으로 인하여 직접파에 영향을 줄 만큼 크게 형성되는 경우가 대부분이다. 이러한 반사파에 의한 입력 전파 세기를 예측하기 위하여 평면 반사 모델을 먼저 살펴보도록 하겠다.
특히 경로 상 해수면을 포함하고 있는 장거리 항공 통신 환경에서의 UHF 대역 전파손실을 측정하고 분석하였다. 이를 위해 지상 수신기를 제주도의 해발고도 1.1km인 지점에 위치시키고, 송신기를 탑재한 항공기는 지상 수신기로부터 150km ~220km 거리의 내륙에서 3.5km 이상의 고도로 비행하며 경로 손실을 측정하였다. 이 경우에 지상 수신기와 항공기 사이에 바다가 존재하기 때문에 해수면에 의한 반사파가 영향을 줄 것으로 예상되었다.
앞에서 언급한 바와 같이 본 논문에서는 항공-지상 간 통신 시험을 다루고 있다. 특히 경로 상 해수면을 포함하고 있는 장거리 항공 통신 환경에서의 UHF 대역 전파손실을 측정하고 분석하였다. 이를 위해 지상 수신기를 제주도의 해발고도 1.
지상 수신기와 항공기 탑재 송신기 간 장거리 통신에 있어서, 경로상 가시선이 확보되고 반사지점이 주변 장애물이 없는 점을 고려하여 구면 대지 반사 모델을 가정하였다. 해당 모델을 이용하여 전파 경로 손실을 예측하고 실제 측정 결과를 분석을 진행하였다. 자유공간 손실 모델이나 평면 반사 모델에 비하여 구면 대지 반사모델의 예측 값과 실제 측정치는 매우 유사한 결과를 얻을 수 있었으며 이를 통해 장거리 항공 통신의 경우 구면 대지 반사 모델을 적용한 경로 손실 예측이 적절함을 확인하였다.
대상 데이터
본 논문의 항공-지상 간 통신 시험에서 사용된 송신기와 수신기 안테나는 모두 UHF 대역 무지향성 안테나이며 안테나 방사 패턴은 Fig.10과 같다.
본 논문에서는 UHF대역 장거리 항공 통신 환경의 전파 경로 손실을 예측하고 실제 비행시험을 통해 측정된 경로 손실 값과 비교 분석 하였다. 지상 수신기는 제주도의 해발 1,100m 지점에 위치시키고 항공 탑재 송신기는 지상 수신기로부터 150km에서 220km 거리를 3.5km 이상의 고도로 비행하며 시험을 수행하였다. 지상 수신기와 항공기 탑재 송신기 간 장거리 통신에 있어서, 경로상 가시선이 확보되고 반사지점이 주변 장애물이 없는 점을 고려하여 구면 대지 반사 모델을 가정하였다.
5에 본 논문에서 분석한 항공-지상 간 통신 시험의 항공기 이동 위치 및 지상 수신기 위치를 표시하였다. 항공기는 지상 수신기로부터 150km 지점과 220km 지점을 왕복하는 경로 상에서 시험하였고, 시험 시 항공기 운행 고도는 3.5 ~ 3.8km이다. R_Point 220, R_Point 150은 비행 고도 3.
성능/효과
8km 조건에서 값을 산출하였고, 전파지수 역시 고도에 따른 차이는 크지 않음을 확인할 수 있다. 거리에 따른 전파지수 크기 진폭은 발산계수 크기와 비례하여 거리가 증가함에 따라 감소하며, 고점 간 간격은 거리가 증가함에 따라 거리 간격이 증가함을 알 수 있다.
수신 안테나는 해수면 기준 고도 약 1km에 존재하는 것으로 계산하였으며 주파수는 UHF 대역에서 살펴보았다. 그 결과 Fig.14에서 보는 바와 같이 수신 전력 고점의 변화는 자유공간 손실로 인한 전력 감소와 동일하게 거리가 증가함에 따라 그 크기가 감소하였다. 또한 전파지수 크기 변화와 같이 거리가 증가하면서 수신전력 크기가 주기적으로 상승, 하강하는 특정 패턴을 살펴볼 수 있다.
8km 조건이며, 등가 지구 반지름 re는 8,479km로 설정하였다. 그 결과 그림에서 보는 바와 같이 거리 50 ~ 300km 구간에 대해 발산계수의 크기는 1에 근접한 값에서 거리가 증가함에 따라 감소하는 것을 알 수 있다. 또한 비행고도 3.
그럼에도 불구하고 전반적으로 거리에 따른 수신 전력 크기 및 거리에 따라 변화하는 추세가 상당 부분 유사함을 확인할 수 있다. 따라서 UHF 대역 항공-지상 간 장거리 통신의 전파 손실 분석을 위하여 구면 대지 반사 모델을 활용하는 것이 유의미하다는 것을 확인할 수 있었다.
본 논문의 항공-지상 간 통신 시험 환경을 살펴볼 때, 항공 송신기와 지상 수신기 사이 가시선이 확보되어 있고 반사지점 주변에 장애물 등이 없는 것으로 확인되었다. 이는 2.
4° 이내이다. 이 때 송/수신안테나의 이득은 거리에 따라 방위각 방향 변화량은 약 0.1dB 이내이며, 고각 방향 변화량은 약 0.3dB 이내로 극히 적음을 확인하였다. 따라서 본 논문에서는 거리에 따른 안테나 이득의 변화가 없다고 가정하고 안테나 이득을 최댓값으로 고정하여 계산하였다.
평면 반사 모델 예측 수신 세기(P_FE)와 구면 대지 반사 모델 예측 수신 세기(P_SE)의 경우 거리에 따른 수신 전력 세기 패턴은 유사하나 그 크기 및 간격에 대해서는 미세한 차이가 있음을 알 수 있다. 이 예측 결과와 실제 측정 결과를 비교해보면 평면 반사 모델(P_FE)에 비해 구면 대지 반사 모델(P_SE)이 매우 유사함을 알 수 있다.
해당 모델을 이용하여 전파 경로 손실을 예측하고 실제 측정 결과를 분석을 진행하였다. 자유공간 손실 모델이나 평면 반사 모델에 비하여 구면 대지 반사모델의 예측 값과 실제 측정치는 매우 유사한 결과를 얻을 수 있었으며 이를 통해 장거리 항공 통신의 경우 구면 대지 반사 모델을 적용한 경로 손실 예측이 적절함을 확인하였다. 향후 유사 시험에 대한 결과 값을 분석하거나 예측함에 있어 본 논문의 전파 모델 분석이 도움이 될 것으로 기대한다.
후속연구
따라서 본 논문에서 다루고 있는 항공-지상 간 통신 시험에서 송/수신 경로 위에 해수면이 존재하는 경우, 직접파뿐만 아니라 해수면에 의한 강한 반사파가 영향을 미치게 될 것으로 예측된다. 이 때 수신기로 수신된 전력은 직접파와 반사파 사이에 발생하는 간섭의 영향을 받게 되며, 두 신호 간의 위상차에 따라 수신세기가 증가하거나 감소하는 현상이 발생한다.
자유공간 손실 모델이나 평면 반사 모델에 비하여 구면 대지 반사모델의 예측 값과 실제 측정치는 매우 유사한 결과를 얻을 수 있었으며 이를 통해 장거리 항공 통신의 경우 구면 대지 반사 모델을 적용한 경로 손실 예측이 적절함을 확인하였다. 향후 유사 시험에 대한 결과 값을 분석하거나 예측함에 있어 본 논문의 전파 모델 분석이 도움이 될 것으로 기대한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
지상 대 지상으로 통신하는 장비는 어떤 모델이 있는가?
통신시스템 설계 시, 송신 출력 및 안테나 이득과 같은 시스템 주요 사양을 결정하기 위하여, 고려해야할 중요한 항목 중 하나가 송/수신 간 전파 경로 손실이다. 지상 대 지상으로 통신하는 장비의 경우 Egli 모델, Okumura 모델, Hata 모델 등이 있다. 이러한 모델들은 주파수 및 위치, 지형에 따라 이론적 혹은 경험적으로 손실을 예측하며, 두 가지를 복합적으로 이용하여 분석하기도 한다.
통신시스템 설계시 고려해야할 중요한 항목은?
통신시스템 설계 시, 송신 출력 및 안테나 이득과 같은 시스템 주요 사양을 결정하기 위하여, 고려해야할 중요한 항목 중 하나가 송/수신 간 전파 경로 손실이다. 지상 대 지상으로 통신하는 장비의 경우 Egli 모델, Okumura 모델, Hata 모델 등이 있다.
지상 대 항공 간 통신하는 장비의 경우 송/수신기 간의 직접 경로를 통한 직접파를 우선적으로 고려하여 전파 경로 손실을 예측시 문제점은?
지상 대 항공 간 통신하는 장비의 경우에는 LOS(Line of sight;가시선) 상에 위치하는 경우가 대부분이므로 송/수신기 간의 직접 경로를 통한 직접파를 우선적으로 고려하여 전파 경로 손실을 예측한다. 그러나 LOS가 확보된다고 하여도 운용 조건이나 환경에 따라 산이나 빌딩과 같은 첨점, 수분을 다량으로 함유하고 있는 대지면, 강이나 바다와 같은 수면으로 인한 반사파가 직접파에 영향을 주는 경우도 다수 존재한다. 특히 송/수신경로 상 해수면이 존재할 경우 반사파의 영향이 더욱 커진다.
참고문헌 (7)
John S. Seyboid, Introduction to RF Propagation, John Wiley & Sons, Ltd., p.1-36, p.134-161, 2005.
Saleh Faruque, Radio Frequency Propagation Made Easy, Springer International Publishing Switzerland, p.19-47, 2015.
Robert E. Colling, ANTENNAS AND RADIOWAVE PROPAGATION, McGraw-Hill Book Company, p.339-451, 1985.
Hamish Meikle, Modern Radar Systems, Artech House INC., p.169-181, 2001.
SIMON R. SAUNDERS, ALEJANDRO ARAGON-ZAVALA, ANTENNAS AND PROPAGATION FOR WIRELESS COMMUNICATION SYSTEMS, 2nd Edition, John Wiley & Sons, Ltd., p.37-59, p.89-103, 2007.
I. S. Han, J. H. Sohn, M. S. Park, "A study on analysis model for real radio spectrum data correlation in High-Mountain Area", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol.17, No.5 pp.697-708, 2016. DOI: https://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2016.17.5.697
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.