[논문]국내 강우 환경에서 Ka 밴드 위성 링크 버짓 및 지구국 G/T 분석

최형재; 유경아; 박대길; 구경헌

doi:10.12673/jant.2019.23.2.151

[국내논문] 국내 강우 환경에서 Ka 밴드 위성 링크 버짓 및 지구국 G/T 분석
Analysis of Ka Band Satellite Link Budgets and Earth Station G/T in Korea Rainfall Environment 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.23 no.2 = no.95, 2019년, pp.151 - 157

최형재 (인천대학교 전자공학과) , 유경아 (인천대학교 전자공학과) , 박대길 (인천대학교 전자공학과) , 구경헌 (인천대학교 전자공학과)

초록
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방송 및 통신에 널리 이용하는 정지궤도 위성 통신에서는 경로 상에서 신호 전력이 크게 감소하는 경로 손실 (path loss)이 발생한다. Ka 밴드 주파수는 강우 감쇠에 취약하여 링크 버짓을 계산할 때 강우 감쇠를 고려하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 한국의 4개 지역(서울, 인천, 부산, 제주)의 2000년도 이후 강우 데이터를 이용하여 강우 추이를 분석하고 강우 강도 및 강우 감쇠를 계산하였다. 이를 이용하여 천리안 위성의 다운 링크에 대한 위성 링크 버짓 및 수신 성능을 해석하였다. 본 연구에서 18년간의 강우 데이터를 이용하여 연시간율 0.5%인 강우강도일 때 계산한 G/T 결과는 국제전기통신연합(ITU)의 Zone-K 강우 모델의 경우와 비교하여 약 $8.5dBK^{-1}$ 증가하였고, 한국정보통신기술협회(TTA)에서 13년간의 강우 데이터로 계산한 G/T 보다 약 $1.2dBK^{-1}$ 감소하였다. 본 연구의 결과는 국내 설치 위성 지구국의 G/T 설계에 활용될 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

In geostationary satellite communications, which are widely used for broadcasting and communication, there is a path loss where the signal power on the path is largely reduced. It is important to consider rain attenuation when calculating link budget because the Ka band frequency is vulnerable to rain attenuation. In this study, rainfall trends were analyzed by using rainfall data from the year 2000 in four regions of Korea (Seoul, Incheon, Busan, Jeju) and the rainfall attenuation was calculated. This was used to analyse the satellite link budget and receiving performance for the down-link of the korea satellite COMS. In this study, the calculated G/T for the rainfall intensity of 0.5% per year using the rainfall data for 18 years increased by approximately $8.5dBK^{-1}$ compared to the ITU's zone-K rain model, and decreased by approximately $1dBK^{-1}$ compared to the precipitation data for 13 years from the TTA(Korea Telecommunications Technology Association). The results of this study can be used for the design of G/T in domestic-installed satellite ground station.

주제어

표/그림 (13)

그림 그림 1. ’00~’17년 국내 4개 지역 연간 평균 강수량 Fig. 1. Precipitation by annual rate in ’00~’17 (average over 4 regions in Korea).
표 표 1. ’00-’17년 국내 4개 지역 연시간율별 강우강도 (mm/h) Table 1. Rainfall strength by annual rate (mm/h) of 4 areas in Korea for '00-'17.
그림 그림 2. 본 연구(INU)와 TTA, ITU의 연시간율별 강우강도 Fig 2. Comparison of rainfall strength by annual rate of this study(INU), TTA and ITU.
표 표 2. 서울지역 연시간율별 강우강도 (mm/h) Table 2. Rainfall strength by annual rate of Seoul (mm/h).
표 표 3. 인천지역 연시간율별 강우강도 (mm/h) Table 3. Rainfall strength by annual rate of Incheon (mm/h).
표 표 4. 부산지역 연시간율별 강우강도 (mm/h) Table 4. Rainfall strength by annual rate of Busan (mm/h).
표 표 5. 제주지역 연시간율별 강우강도 (mm/h) Table 5. Rainfall strength by annual rate of Jeju (mm/h).
표 표 6. TTA 제공 강우강도를 이용한 강우감쇠(dB) (‘00~’12년) Table 6. Rainfall attenuation using the rainfall intensity provided by TTA (dB) ('00~’12).
표 표 7. 본 연구의 강우감쇠(dB) (‘00~’17년) Table 7. Rainfall attenuation in this study(dB) ('00~’17).
표 표 8. ITU 제시 zone-K 강우강도 요구 수신 성능 결과(dBK^-1 ) Table 8. Receiving performance results required for Zone-K rainfall strength by ITU (dBK^-1).
표 표 9. ’00-’12년의 강우강도 요구 수신 성능 결과(dBK^-1) Table 9. Receiving performance results required for rainfall strength of ’00-’12 by TTA (dBK^-1).
표 표 10. 본 연구의 ‘00-’17년 강우강도 요구 수신 성능(dBK^-1) Table 10. Receiving performance results required by rainfall strength of ’00-’17 by this study (dBK^-1).
표 표 11. ’00-’17년의 Ku 대역 위성 요구 수신 성능(dBK^-1) Table 11. Receiving performance results required by Ku band satellite of ’00~’17 (dBK^-1).

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 국내 강우 환경에서 Ka 밴드 위성 링크 버짓을 계 산하고 지구국에 요구되는 주요 성능인 수신 G/T를 도출하고자 하였다. 이를 위해 필수적인 강우 감쇠 계산은 기상청에서 국내 누적 강수량 데이터를 받아 이용하였으며 ITU, TTA의 표준 및 권고 자료들을 활용하였다.
본 연구에서는 2000년도 이후 18년간의 강우 데이터로 강 우 강도 및 강우 감쇠를 계산하고 이를 이용하여 Ka 밴드 천리 안 위성 다운 링크에 대한 위성 링크 버짓 및 지구국 요구 수신 성능을 제시하고자 한다.

가설 설정

안테나 높이 hs는 표준적인 안테나 높이인 0.06 km라고 가정하였으며 강우강도를 계산한 4개 지역(서울, 인천, 부산, 제주)의 앙각은 모두 5o이상이므로 경사 경로길이는 다음 중 앙각  ≥ 5o에 적용되는 식을 이용하였다.

제안 방법

강우 감쇠를 구하기 위해서는 지역별 연시간율 별 강우강도가 필요하기 때문에 2000년부터 2017년까지의 강우 강도를 계산하여 표 1에 18년간의 국내 4개 지역 연시간율 별 강우 강도를 제시하였다. 그림 1을 보면 13년부터의 강수량이 이전보다 감소하였기에 별도로 13년부터 17년까지의 4개 지역의 강우 강도를표로추가해제시하였다.
강우 감쇠를 구하기 위해서는 지역별 연시간율 별 강우강도가 필요하기 때문에 2000년부터 2017년까지의 강우 강도를 계산하여 표 1에 18년간의 국내 4개 지역 연시간율 별 강우 강도를 제시하였다. 그림 1을 보면 13년부터의 강수량이 이전보다 감소하였기에 별도로 13년부터 17년까지의 4개 지역의 강우 강도를표로추가해제시하였다.
이를 위해 필수적인 강우 감쇠 계산은 기상청에서 국내 누적 강수량 데이터를 받아 이용하였으며 ITU, TTA의 표준 및 권고 자료들을 활용하였다. 기존에 관련 연구를 수행한 TTA의 조사기간인 2000-2012년도의 강수량과 본 연구의 조사 기간인 2000-2017년간의 강수량을 비교하여 국내 4개 지역의 평균 강수량 감소 및 그에 따른 강우 강도 및 강우 감쇠의 변화를 제시하였다.
2^o이며, 위성 EIRP는 65 dBW, 4개 지역과 천리안 위성간 거리는 각각 38539 km, 38525 km, 38561 km, 38312 km 이다. 이를 바탕으로 위 수식 을 활용하여 각 4개 지역에서의 연시간율에 따른 천리안 위성 의요구수신성능(G/T)을계산하였다.
일차 적으로 ’00~’12년의 TTA 강우 강도에 관한 기존 연구와 본 연 구에서 사용한 기상청 강우 데이터를 이용하여 계산한 연시간 율별 강우 강도 값이 일치하는 것을 확인하고 추가적으로 ’13~’17년의 강우데이터를활용하여 연구를진행하였다.
제시된 강우 감쇠 값을 사용하여 Ka 밴드 천리안 위성의 지 구국 요구 G/T 값을 도출하였으며 이 값을 ITU에서 제시한 zone-K의강우강도모델을이용한G/T 값및TTA 제시한강우 강도를대입하여구한값과비교제시하였다. 본논문에서제시 한강우강도를이용하여도출지구국요구G/T 값이 다양한 연 시간율강우강도에대해 약1dBK^-1 감소하는것을 알수 있었 다.
이때 G는 수 신 주파수에서의 지구국 안테나이득(gain)이며, T는수신시스 템의 총합 잡음온도(noise temperature)를 나타내는데 구체적 으로 수신 안테나 잡음온도와 수신안테나 초단의 LNA (저잡 음 증폭기) 입력에서 바라본 LNA 및 이후 수신부의 일련의 잡 음을 합한 값이 된다. 천리안 위성을 기준으로 각 4개 지역별 안테나 수신 성능(G/T)을 계산하였다[10, 11]. C/ N₀는 신호 (반송파) 대 잡음 비, P_E는 위성에서의 EIRP (실효등방성 복사 전력), A_F는전파경로손실, A_R은 강우 감쇠이다.
특정 강우 감쇠 계수 k와 α는 주파수에 따라 변동되는데 본 논문에 서는 ITU-R 838.8를 참고하여 20.9 GHz 수직편파에 대한 k와 α를 계산하였다.

대상 데이터

그림 1에 2000년부터 2017년까지 18년간 서울, 부산, 인천, 제주 등 한국 4개 지역의 평균 연 강수량을 제시하였다. 2003 년, 2010년 및 2012년은 각각 태풍 매미, 곤파스 및 볼라벤의 영향으로 강수량이 많았으며, 2014년 이후는 장마 기간 중 평균 강수량 및 강수 일수가 예년보다 줄어들었으며, 지난 18년 간 4개 지역의 평균 강수량변화가 상당히 큼을 알 수있다[2].
본 논문의 천리안 위성 1호가 할당받은 주파수는 Ka 밴드에 해당한다.
본 연구는 국내 강우 환경에서 Ka 밴드 위성 링크 버짓을 계 산하고 지구국에 요구되는 주요 성능인 수신 G/T를 도출하고자 하였다. 이를 위해 필수적인 강우 감쇠 계산은 기상청에서 국내 누적 강수량 데이터를 받아 이용하였으며 ITU, TTA의 표준 및 권고 자료들을 활용하였다. 기존에 관련 연구를 수행한 TTA의 조사기간인 2000-2012년도의 강수량과 본 연구의 조사 기간인 2000-2017년간의 강수량을 비교하여 국내 4개 지역의 평균 강수량 감소 및 그에 따른 강우 강도 및 강우 감쇠의 변화를 제시하였다.

성능/효과

본 논문에서 제시한 2000~2017년의 강우강도에 따른 요구 수신 성능값을 계산하 여 표 10에 요구 수신 성능결과를 제시하였으며 이는 표9와 비 교하였을 때 전체적으로 약 1 dBK-1 작은 것을 확인할 수 있 다.
제시된 강우 감쇠 값을 사용하여 Ka 밴드 천리안 위성의 지 구국 요구 G/T 값을 도출하였으며 이 값을 ITU에서 제시한 zone-K의강우강도모델을이용한G/T 값및TTA 제시한강우 강도를대입하여구한값과비교제시하였다. 본논문에서제시 한강우강도를이용하여도출지구국요구G/T 값이 다양한 연 시간율강우강도에대해 약1dBK^-1 감소하는것을 알수 있었 다. 장기간에걸친국내강우강도데이터에기반하여국내지국 구 안테나 및 수신시스템을 설계하는 것이 바람직할 것으로 사 료되며, 논문에서 Ku 밴드 무궁화 위성의 경우에 적용 사례를 제시하였듯이 연구 결과는 타 정지궤도 위성을 이용하는 국내 지구국 설계에 유용하게 활용될수 있다.
예로 0.5% 연 시간율에 대한 인천 지역 Ka 밴드 강우감쇠는 2017년까지18년간 데이터를 보면지난 13년간의 강우강도 데 이터로계산한강우감쇠보다 1.2 dB 감소함을알수있다.
천리안 위성과 무궁화 6호 위성의 위도 차이에 따라 위성과 지구국간 거리 차이가 일부 생기지만 그 값은 그리 크지 않기 때문에 표 11의 요구 수신 성능은 사용하는 Ku 밴드 주파수와 EIRP, 그리고 강우 강도가 요구 수신 성능인 G/T 값에 큰 영향 을 끼쳤다. 즉 Ku 밴드의 요구 수신 성능 결과와 본 논문의 Ka 밴드의 요구 수신 성능 결과는 0.01%의 낮은 연시간율 강우강 도에서는 약 16 dBK^-1 , 0.5%의 높은 연시간율 강우강도에서 는 약4.5 dBK^-1 정도의차이를나타내어Ka 밴드에서 더높은 기지국 수신성능특성이필요하다는것을 알수있다.
표 2~5는 서울, 부산, 인천 및 제주 등 국내 4개 도시의 13년 부터 17년까지의 연시간율별 강우강도이다. 최근 5년간의 강 우 강도는 기존에 TTA에서 연구한 자료 및 본 논문에서 연구 한 18년간의강우강도와다소 차이가 있음을 알수 있다. 일차 적으로 ’00~’12년의 TTA 강우 강도에 관한 기존 연구와 본 연 구에서 사용한 기상청 강우 데이터를 이용하여 계산한 연시간 율별 강우 강도 값이 일치하는 것을 확인하고 추가적으로 ’13~’17년의 강우데이터를활용하여 연구를진행하였다.

후속연구

기존 강우 감쇠 연구로는 한국정보통신기술협회(TTA)에서 2000년도부터 2012년도까지의 강우 자료를 사용하여 강우 감 쇠를 계산하였으며 최근 년도의 강우 변화를 포함하지 않아 추가 연구가 필요하다.
본논문에서제시 한강우강도를이용하여도출지구국요구G/T 값이 다양한 연 시간율강우강도에대해 약1dBK^-1 감소하는것을 알수 있었 다. 장기간에걸친국내강우강도데이터에기반하여국내지국 구 안테나 및 수신시스템을 설계하는 것이 바람직할 것으로 사 료되며, 논문에서 Ku 밴드 무궁화 위성의 경우에 적용 사례를 제시하였듯이 연구 결과는 타 정지궤도 위성을 이용하는 국내 지구국 설계에 유용하게 활용될수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내에서 사용하는 위성 지구국의 경우 정확한 링크 버짓 계산을 위해 한국의 강우 데이터를 사용하여 강우 감쇠 및 지구국의 요구 G/T를 구하여야 하는 이유는 무엇인가?	본 논문의 천리안 위성 1호가 할당받은 주파수는 Ka 밴드에 해당한다. 정지궤도 위성 시스템의 송신기와 수신기간 통신 경로에서 신호의 전력이 감소하는 경로 손실이 일어나는데, Ka 밴드는 경로 손실중강우감쇠에 매우취약하다. 따라서 국내에서 사용하는 위성지구국의경우정확한링크버짓계산을위해한국의강우 데이터를 사용하여 강우 감쇠 및 지구국의 요구 G/T (안테나이 득/수신계잡음온도) 를구하여야한다.
	천리안 위성 1호가 할당받은 주파수는 어디에 해당하는가?	위성통신 경로에서는 다양한 요인에 의해 경로 손실 (path loss)이 매우 크게 발생하므로 필요한 성능을 만족하기 위해 위성 통신 시스템 설계에서 정확한 링크 버짓 계산은 매우 중요하다. 본 논문의 천리안 위성 1호가 할당받은 주파수는 Ka 밴드에 해당한다. 정지궤도 위성 시스템의 송신기와 수신기간 통신 경로에서 신호의 전력이 감소하는 경로 손실이 일어나는데, Ka 밴드는 경로 손실중강우감쇠에 매우취약하다.
	Ka 밴드 주파수의 단점은 무엇인가?	방송 및 통신에 널리 이용하는 정지궤도 위성 통신에서는 경로 상에서 신호 전력이 크게 감소하는 경로 손실 (path loss)이 발생한다. Ka 밴드 주파수는 강우 감쇠에 취약하여 링크 버짓을 계산할 때 강우 감쇠를 고려하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 한국의 4개 지역(서울, 인천, 부산, 제주)의 2000년도 이후 강우 데이터를 이용하여 강우 추이를 분석하고 강우 강도 및 강우 감쇠를 계산하였다.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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