[논문]경사면을 갖는 반-협곡 구조에서 다중-광선 모델을 사용한 전파 모델 해석

이화춘; 최태일

doi:10.13067/jkiecs.2020.15.1.173

초록
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다중-광선 모델을 이용하여 경사면을 갖는 반-협곡 구조에서 전파 전송 손실을 해석하고 경사면의 각도에 따라 나타나는 다중-광선 전파 모델을 공식화 하였다. 경사면의 기울어진 각도에 의해 결정되는 송수신 전파의 경사면 반사경로인 제3경로와 제4경로에 대한 차단 각도를 송수신 단말의 높이와 위치를 가지고 계산하였다. 경사면 환경에서 전파 전송 손실을 예측하기 위하여 실제 경사면이 존재하는 제방 환경을 선택하여 모델링하고 시뮬레이션 하여 전파 전송 손실을 계산하였으며, 주파수 1-6GHz 대역에 대한 측정활동을 통해 전파전송 손실을 확인하였다. 시뮬레이션 결과와 측정 결과는 유사한 전파 전송 손실 경향을 보여주었으며 다양한 지형정보에 대한 전파 경로 손실 예측과 측정 결과들은 다양한 전파 업무 설계에 활용될 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

A multi-ray model has been used to interpret radio transmission losses in half-canyon structures with slope and to formulate a multi-ray propagation model depending on the angle of slopes. The cut-off angles for the third and fourth paths, which are the slope-sided reflection paths of the transmissi...

A multi-ray model has been used to interpret radio transmission losses in half-canyon structures with slope and to formulate a multi-ray propagation model depending on the angle of slopes. The cut-off angles for the third and fourth paths, which are the slope-sided reflection paths of the transmission and reception radio waves determined by the inclined angles of the slope, were calculated with the height and location of the transmitter and receiver. To predict transmission losses in an inclined plane environment, the embankment environment where the actual slope exists was modeled and simulated to calculate the loss of propagation transmission, and the radio wave transmission loss was confirmed by the measurement for the frequency band 1 to 6 GHz. Simulation results and measurement results showed similar trends in radio transmission loss, and radio transmission loss predictions and measurement results for various terrain information can be used in the design of radio propagation service.

주제어

표/그림 (7)

그림 그림 1. 전형적인 2-광선 모델 구조 Fig. 1 Typical geometry of 2-ray model.
그림 그림 2. 수직 벽을 가진 반-협곡의 기하학적 구조 Fig. 2 Geometry of half-canyon structure with vertical wall
그림 그림 3. 반-협곡 구조의 기하학적 모형 (a) 경사 구조 (b) (a)의 등가 모형 Fig. 3 Geometry of half-canyon structure (a) Sloping structure (b) Equivalent geometry of (a).
그림 그림 4. 새만금 방조제 경사면 환경 사진 Fig. 4 A picture of the slope of Saemangeum seawall
그림 그림 5. 시뮬레이션을 위한 새만금 방조제 모델 Fig. 5 A Model of Saemangeum seawall for simulation.
그림 그림 6. 주파수별 거리에 따른 전송 손실 변화 Fig. 6 Transmission loss variation with distance for each frequency.
그림 그림 7. 시뮬레이션 계산 결과와 측정 결과의 비교 Fig. 7 Comparison of simulation calculation results and measurement results.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 경사면을 가진 반-협곡 구조에 대한 전파 전송 손실을 해석하였다. 전파 예측 모델을 설정하기 위하여 다중-광선 추적 방법을 이용하여 송수신 사이의 링크에 대한 분석을 하였고, 경사면의 기울기에 따라 전파 경로의 개수를 판단할 수 있는 차단 각도를 계산하였다.
본 논문에서는 제방이나 완만한 산간 지역과 같은 반 협곡 구조의 지형에서 전파의 전송 손실을 계산하기 위한 다중 경로 모델을 공식화 하였다. 반 협곡 구조에 나타나는 4개의 전파 경로는 직접파 및 지면 반사파와 측면의 경사면에 의해 두 개의 전파 경로가 추가로 정의되며, 다중 광선 추적 모델의 기본 공식에서 수정된 공식으로 반 협곡 구조에 적용된다.

제안 방법

전파 예측 모델을 설정하기 위하여 다중-광선 추적 방법을 이용하여 송수신 사이의 링크에 대한 분석을 하였고, 경사면의 기울기에 따라 전파 경로의 개수를 판단할 수 있는 차단 각도를 계산하였다. 새만금 방조제를 모델로 하여 시뮬레이션을 실행하였고, 주파수 1-6GHz 대역에 대한 수신 전력을 측정하여 비교하였다.
경사면에 의해 발생하는 세 번째 및 네 번째 경로에 대한 차단 각도는 송수신 안테나의 높이와 위치에 기초하여 정의된다. 실제 시뮬레이션과 측정을 위하여 새만금 방조제를 반 협곡 구조의 전파 환경으로 선택하였으며, 주파수 1-6GHz 대역에 대하여 시뮬레이션 계산 값과 측정 결과를 비교하여 전파 전송 손실을 분석하였다. 본 논문의 제2장에서는 경사면을 갖는 반-협곡 구조에서 송수신기 사이의 링크에 대한 전파 경로를 정의하고 수신 전력의 계산식을 공식화 하였으며, 경사면 기울기에 대한 경사면 반사파의 컷-오프 각도를 계산하였다.
본 논문에서는 경사면을 가진 반-협곡 구조에 대한 전파 전송 손실을 해석하였다. 전파 예측 모델을 설정하기 위하여 다중-광선 추적 방법을 이용하여 송수신 사이의 링크에 대한 분석을 하였고, 경사면의 기울기에 따라 전파 경로의 개수를 판단할 수 있는 차단 각도를 계산하였다. 새만금 방조제를 모델로 하여 시뮬레이션을 실행하였고, 주파수 1-6GHz 대역에 대한 수신 전력을 측정하여 비교하였다.
그림5는 새만금 방조제를 시뮬레이션 모델로 구성한 것이다. 특히 우측 부분에서는 잔디 구역과 갯벌 부분의 바닷물 영역이 실제 환경을 구현하기 어려우므로 임의로 설정 하였다. 그림5의 시뮬레이션 모델에 대하여 1-6GHz까지 수신점 50미터 간격으로 시뮬레이션을 실행한 결과를 그림6에서 보여주고 있다.

대상 데이터

경사면을 갖는 환경에 대한 전파 전송 손실을 계산 하고 측정하기 위하여 새만금 방조제를 선정하였다. 비교적 전파 측정이 용이하고 전파 예측 모델을 적용 하여 비교하기 적절한 환경으로 판단되었다.
송수신기는 모두 무지향성 안테나를 사용하였고, 이득은 주파수 1-6GHz의 대역에서 약5.5-14dBi 이고, 송수신기 사이에 V-V편파를 설정하였다. 또한 송신기의 높이는 10미터이고 수신기의 높이는 1.

데이터처리

그림5의 시뮬레이션 모델에 대하여 1-6GHz까지 수신점 50미터 간격으로 시뮬레이션을 실행한 결과를 그림6에서 보여주고 있다. 송수신 안테나 이득을 0dBi로 설정하고 송수신기 사이의 전송 손실을 계산한 결과인데, 측정 결과에 대해서도 안테나 이득을 고려하여 시뮬레이션 값과 비교하였다.
본 논문의 제2장에서는 경사면을 갖는 반-협곡 구조에서 송수신기 사이의 링크에 대한 전파 경로를 정의하고 수신 전력의 계산식을 공식화 하였으며, 경사면 기울기에 대한 경사면 반사파의 컷-오프 각도를 계산하였다. 제3장에서는 새만금 방조제에서 측정한 주파수 대역별 경로손실과 시뮬레이션 모델의 계산 결과와 비교하여 분석하였다. 제4장에서는 결론과 함께 본 논문의 결과의 활용 방안을 서술하였다.

성능/효과

(b) 와 같이 수직 벽면을 고정하고 지면을 반대 방향으로 ∆Φ만큼 회전시켜서 해석하는 것이 용이하다.
그림7에서는 측정 결과를 시뮬레이션 결과와 비교 하여 보여주고 있다. 각 주파수 별로 측정 결과(붉은 색)와 시뮬레이션 결과를 비교한 것인데 주파수 대역 별로 매우 유사한 경향을 보이는 것을 알 수 있다
그러나 시뮬레이션에서 계산된 결과와 실제 측정의 결과가 모두 2-광선 모델의 전송 손실 예측 결과가 다소의 차이를 보이는 것은 경사면으로부터 영향이 있다는 것을 보여주고 있지만, 잔디의 영향에 대하여 정확한 산란, 회절 등의 파라미터 값을 산정할 수 없었다. 지형과 구조물의 특성에 대한 데이터베이스가 필요하다.
경사면을 갖는 환경에 대한 전파 전송 손실을 계산 하고 측정하기 위하여 새만금 방조제를 선정하였다. 비교적 전파 측정이 용이하고 전파 예측 모델을 적용 하여 비교하기 적절한 환경으로 판단되었다.
시뮬레이션 결과와 측정 결과는 모두 2-광선 모델의 경향을 따랐으나, 시뮬레이션과 측정 결과에 영향을 주는 경사면 지형과 구조물의 영향을 분석하는 데는 충분한 데이터 또는 측정 결과가 부족하였다. 그러나 본 연구의 결과는 전파 예측 모델 및 다양한 전파 서비스 설계에 활용될 수 있다.

후속연구

시뮬레이션 결과와 측정 결과는 모두 2-광선 모델의 경향을 따랐으나, 시뮬레이션과 측정 결과에 영향을 주는 경사면 지형과 구조물의 영향을 분석하는 데는 충분한 데이터 또는 측정 결과가 부족하였다. 그러나 본 연구의 결과는 전파 예측 모델 및 다양한 전파 서비스 설계에 활용될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	광선 추적 모델 접근 방식의 단점은?	광선 추적 모델 접근 방식은 주변의 환경에 따라 필요한 만큼의 광선 경로를 쉽게 추가하여 확장할 수 있다[2]. 그러나 복잡한 도시 협곡 구조의 전파 모델에서는 회절과 반사의 영향을 고려하기가 매우 어렵다. 따라서 도심 복합 구조에 대한 전파 모델을 단순화하기 위한 알고리즘이 제안되었고[3], 모든 표면이 평평하고 매끄러운 것으로 가정되고[4] 모서리의 영향을 고려한 단순화된 모델이 제안되었으며[5], 기하학적 광학에 기초한 전파 모델[6]이 제안되었다.
	광선 추적 모델 주로 어디에 사용되어왔나?	광선 추적 모델은 개방된 지역과 건물 밀집 지역의 협곡 구조에서 전파를 예측하는 데 광범위하게 사용되어 왔다[1]. 광선 추적 모델 접근 방식은 주변의 환경에 따라 필요한 만큼의 광선 경로를 쉽게 추가하여 확장할 수 있다[2].
	광선 추적 모델 접근 방식의 장점은?	광선 추적 모델은 개방된 지역과 건물 밀집 지역의 협곡 구조에서 전파를 예측하는 데 광범위하게 사용되어 왔다[1]. 광선 추적 모델 접근 방식은 주변의 환경에 따라 필요한 만큼의 광선 경로를 쉽게 추가하여 확장할 수 있다[2]. 그러나 복잡한 도시 협곡 구조의 전파 모델에서는 회절과 반사의 영향을 고려하기가 매우 어렵다.

참고문헌 (11)

K. Yoon, "Discrete Ray Tracing Techniques for Wave Propagation Characteristic of Random Rough Surfaces," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 5, no. 3, 2010, pp. 233-238.
D. Bojanjac, R. Nay, G. Sisul, Ray "Tracing Model of Pedestrian Urban Zone," 52nd International Symposium ELMAR-2010, Zadar, Croatia, Sept. 2010, pp. 289-292(15-17), .
K. Yoon, "Wave Propagation Characteristic from Composite Structures," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 6, no. 3, 2011, pp. 343-348.

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L. Denegri, L. Bixio, F. Lavagetto, A. Iscra, and C. Braccini, "An Analytical Model of Microcellular Propagation in Urban Canyons," IEEE 65th Vehicular Technology Conference, 2007, pp. 402-406.
H. Masui, M. Ishii, K. Sakawa, H. Shimizu, T. Kobayashi, and M. Akaike, "Microwave Path-Loss Characteristics in Urban LOS and NLOS Environments," IEEE VTS 53rd Vehicular Technology Conference, 2001, pp. 395-398.
K. Kim and S. Oh, "Geometric Optics-based Propagation Prediction Model in Urban Street Canyon Environments," IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2016, pp. 1128-1131.
ITU-R P.1411-8, "Propagation data and prediction methods for the planning of short-range outdoor radio communication systems and radio local area networks in the frequency range 300 MHz to 100 GHz," July 2015.
K. Haneda, N. Omaki, T. Imai, L. Raschkowski, M. Peter, and A. Roivainen, "Frequency-Agile Pathloss Models for Urban Street Canyons," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2016, pp. 1941-1951.
K. Haneda, N. Omaki, T. Imai, L. Raschkowski, M. Peter, and A. Roivainen, "Frequency-Agile Pathloss Models for Urban Street Canyons," IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, vol. 64, no. 5, May 2016, pp. 1941-1951.

상세보기
S. Salous, Radio Propagation Measurement and Channel Modelling. Chichester: , Jon Wiley & Sons Ltd., 2013.
S. Oh, Y. Lee, and H. Lee, "A Study on the Valuation of Radio Waves through a Radio Engineering Approach," Report, Oct. 2015.

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