[논문]실제 지형과 기지국 배치를 고려한 UTM 통신을 위한 LTE 통신망 3차원 커버리지 분석

장민석; 김대호; 김희욱; 정영호

doi:10.12673/jant.2022.26.2.91

실제 지형과 기지국 배치를 고려한 UTM 통신을 위한 LTE 통신망 3차원 커버리지 분석
3D Coverage Analysis of LTE Network for UTM Services Considering Actual Terrain and Base Station Layouts 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.26 no.2, 2022년, pp.91 - 98

장민석 (한국항공대학교 항공전자정보공학부) , 김대호 (한국전자통신연구원 무인이동체연구실) , 김희욱 (한국전자통신연구원 무인이동체연구실) , 정영호 (한국항공대학교 항공전자정보공학부)

초록
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150m 이하의 저고도 영역에서 LTE (long-term evolution), 5G 등 상용 통신망을 이용한 드론 등 무인기 안전 운항을 위한 무인비행장치 교통관리 (UTM: unmanned aircraft system traffic management) 서비스가 여러 국가에서 연구 중에 있다. 본 논문에서는 국내 지형환경과 실제 이동통신 기지국 배치 상황에서 지상 사용자를 위한 LTE 셀룰러 네트워크를 이용하여 UTM 서비스를 위한 3차원 커버리지 확보가 가능한지 여부를 모의실험을 통해 분석하였다. 고도가 높아질수록 가시선 (LOS: line of sight) 간섭 기지국 수가 증가하여 신호대 간섭 잡음 전력비 (SINR: signal to interference plus noise ratio)가 나빠지나, 150m 이내 고도에서 일부 영역을 제외하고는 커버리지 확보가 가능함을 확인하였다. 음영지역에 대해서는 해당 영역 커버리지 보완을 위한 적은 수의 추가 기지국 배치로 음영지역 감소가 가능함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Unmanned aircraft system traffic management (UTM) service for the safe operation of unmanned aerial vehicles (UAV) such as drones using commercial communication networks such as long-term evolution (LTE) and 5G in low-altitude areas of 150m or less is being studied in several countries. In this paper, whether it is possible to secure three-dimensional (3D) coverage for UTM service using the existing LTE cellular network for terrestrial usersis analyzed through simulations. The practicality in the real environment is confirmed by performing performance analysis in the actual topographical environment and the LTE base station layouts in Korea. According to the analysis results, as the altitude increases, the number of line-of-sight (LOS) interference base stations increases, resulting in a worse signal to interference plus noise ratio (SINR), but coverage is secured except for the limited areas within 150m. was confirmed to be possible. In addition, it is confirmed that a significant proportion of outage areas could be reduced by placing a small number of additional base stations for the outage area.

주제어

표/그림 (14)

그림 그림 1. UTM 운영 개념도 Fig. 1. Conceptual diagram of UTM operation
그림 그림 2. 이동통신 기지국과 무인기 사이의 간섭 문제 개념도 Fig. 2. Conceptual diagram of the interference problem between the mobile base station and UAV
그림 그림 3. DSM 예 (고양시 한국항공대학교 부근) Fig. 3. An example of DSM (near Korea Aerospace University in Goyang-si)
그림 그림 4. 보간법을 통해 계산한 기지국과 무인기 사이 단면과 장애물 식별 Fig. 4. Cross-section and obstacle identification between transmitter and receiver through interpolation
그림 그림 5. KCA 전파누리에서 확인 가능한 실제 기지국 정보 [20] Fig. 5. Real base station information obtained at KCA spectrum map [20]
그림 그림 6. 고도에 따른 SINR CDF Fig. 6 SINR CDF according to the altitude variation
그림 그림 7. 고도별 outage 영역 비율 Fig. 7 Outage ratio by altitude
그림 그림 8. 고도별 LOS 기지국 수 분포 Fig. 8. Distribution of the number of LOS base stations by altitude
표 표 1. 성능 분석 영역의 1.8GHz 대역 LTE 기지국 위치 (파란색 사업자) Table. 1. Locations of 1.8 GHz LTE base stations in the performance evaluation region (blue service provider)
표 표 2. 모의 실험 파라미터 Table. 2. Simulation parameters
그림 그림 9. 3차원 공간 상 음영지역 위치 및 비율 Fig. 9. Location of outage points and outage ratio
그림 그림 10. 추가 기지국 위치 Fig. 10. Positions of additional base stations
그림 그림 11. 전용 기지국 추가 시 3차원 공간 상 음영지역 위치 및 비율 (θ_tilt: -7°) Fig. 11. Location of outage points and outage ratio with additional base stations (θ_tilt: -7°)
그림 그림 12. 전용 기지국 추가 시 3차원 공간 상 음영지역 위치 및 비율 (θ_tilt: 10°) Fig. 12. Location of outage points and outage ratio with additional base stations (θ_tilt: 10°)

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

3차원 커버리지 분석은 상/하향링크가 간섭 상황이 다르므로 모의실험 방법도 달라지게 된다. UTM 통신의 경우 기지국에서 무인기로 전송하는 하향링크 데이터의 비중이 크므로 본 논문에서는 하향링크 커버리지를 분석할 수 있는 시뮬레이터를 개발하였다. 그림 3과 같이 분석 영역의 DSM을 정하고, 실제 기지국 수집 정보를 이용하여 기지국을 배치한다.
본 논문에서는 건물, 산 등 실제 지형환경과 기지국 배치를 반영하여, 드론이나 유인항공기를 이용한 실측없이도 LTE 네트워크를 이용하여 UTM 서비스를 위한 커버리지 확보가 가능한지 여부를 높은 정확도로 예측할 수 있는 시뮬레이터를 개발하고 이를 바탕으로 3차원 커버리지를 분석하였다. 분석 결과 고고도로 갈수록 음영지역 비율이 늘어나게 되지만, 기존 지상 사용자를 위한 LTE 네트워크에 추가로 소수의 3차원 음영지역 커버리지 확장을 위한 추가 기지국을 설치한다면, UTM 서비스를 위한 커버리지 확보가 가능함을 확인할 수 있었다.
본 논문에서는 실제 지형환경과 기지국 배치를 반영하여 3차원 공간에서의 통신 성능을 예측할 수 있는 시뮬레이터를 개발하고, 이를 이용하여 기존 지상 사용자를 위한 LTE 네트워크가 150m 까지 영역에서 UTM 서비스를 위한 커버리지 확보가 가능한지 여부를 확인하였다. 모의실험 결과 일부 영역에서 음영지역이 존재하나 소수의 추가 기지국 설치를 통해 개선이 가능함을 확인하였다.
앞에서 분석된 음영지역에 대한 성능 보완을 위해 전체 기지국의 틸팅 각도 변경 등도 고려 가능하나, 이는 지상 커버리지의 많은 변화를 야기하므로 본 논문에서는 소수의 추가 기지국 배치를 통해 3차원 음영지역에 대한 보완이 가능한지 여부를 살펴보았다. 그림 10과 같이 두 곳에 추가 기지국을 배치한 후의 음영지역의 변화를 살펴보았는데, 그림 11은 기존 지상사용자만을 고려한 기지국과 동일하게 하향 방향으로 7도 틸팅한 섹터 안테나를 가진 기지국을 배치했을 때의 음영지역 변화를 본 것이고, 그림 12는 고고도 영역의 아웃티지 영역 감소를 위해 상향 방향으로 10도 틸팅했을 때의 음영지역 변화를 본 것이다.

제안 방법

본 논문에서는 기존 LTE 망을 통해 UTM을 안정적으로 지원 가능한지 확인하기 위해 그림 3의 한국항공대학교 주변 위도 37.59 ~ 37.62, 경도 126.830 ~ 126.875 영역에 대해 고도 150m 이하 3차원 공간을 일정 간격의 격자점으로 나누어 분석영역 위치를 미리 정하고, 하향링크 커버리지를 분석하였다. 분석 대상 격자점은 x, y, z 축에서 106, 106, 16으로 각각 정하였고, 총 179,776 개의 위치에 대해 분석을 실시하였다.
전체 기지국에 대해 SINR을 계산하고, SINR이 가장 높은 기지국을 기준으로 해당 격자점의 SINR과 서비스 기지국이 정해진다. 이러한 과정을 모든 격자점에 대해 반복하여 SINR을 분석하고, 기준 성능을 만족하지 못하는 음영지역의 위치와 비율, SINR에 대한 누적 분포함수 (CDF: cumulative distribution function), LOS 기지국 수분포, 각 위치에서의 SINR 값 등의 결과 그림을 나타낼 수 있도록 하였다.
그림 3과 같이 분석 영역의 DSM을 정하고, 실제 기지국 수집 정보를 이용하여 기지국을 배치한다. 커버리지 분석 지점은 분석 영역 위 3차원 공간을 가로-세로-고도를 미리 정해진 동일 간격의 격자점으로 나누어 커버리지 분석 위치를 미리 정하고, 해당 위치에서 배치된 각각의 기지국 방향으로의 안테나 이득 값을 반영하여 송신전력을 정하고, 그림4와 같이 각 기지국과 모든 분석 지점 사이의 단면을 추출하여 TIREM 전파 감쇠 예측 방법을 이용하여 각 지지국에서 송신한 신호에 대한 수신 전력 값을 예측한다. UTM에서 고려하는 고도는 해수면으로부터의 절대 고도가 아닌 지표면으로부터의 상대적 높이를 고려하므로, 같은 고도인 분석 포인트들은 해당 지형의 DSM 고도와 일치하는 형태를 갖는다.

대상 데이터

875 영역에 대해 고도 150m 이하 3차원 공간을 일정 간격의 격자점으로 나누어 분석영역 위치를 미리 정하고, 하향링크 커버리지를 분석하였다. 분석 대상 격자점은 x, y, z 축에서 106, 106, 16으로 각각 정하였고, 총 179,776 개의 위치에 대해 분석을 실시하였다.

성능/효과

본 논문에서는 실제 지형환경과 기지국 배치를 반영하여 3차원 공간에서의 통신 성능을 예측할 수 있는 시뮬레이터를 개발하고, 이를 이용하여 기존 지상 사용자를 위한 LTE 네트워크가 150m 까지 영역에서 UTM 서비스를 위한 커버리지 확보가 가능한지 여부를 확인하였다. 모의실험 결과 일부 영역에서 음영지역이 존재하나 소수의 추가 기지국 설치를 통해 개선이 가능함을 확인하였다.
본 논문에서는 건물, 산 등 실제 지형환경과 기지국 배치를 반영하여, 드론이나 유인항공기를 이용한 실측없이도 LTE 네트워크를 이용하여 UTM 서비스를 위한 커버리지 확보가 가능한지 여부를 높은 정확도로 예측할 수 있는 시뮬레이터를 개발하고 이를 바탕으로 3차원 커버리지를 분석하였다. 분석 결과 고고도로 갈수록 음영지역 비율이 늘어나게 되지만, 기존 지상 사용자를 위한 LTE 네트워크에 추가로 소수의 3차원 음영지역 커버리지 확장을 위한 추가 기지국을 설치한다면, UTM 서비스를 위한 커버리지 확보가 가능함을 확인할 수 있었다.
그림 10과 같이 두 곳에 추가 기지국을 배치한 후의 음영지역의 변화를 살펴보았는데, 그림 11은 기존 지상사용자만을 고려한 기지국과 동일하게 하향 방향으로 7도 틸팅한 섹터 안테나를 가진 기지국을 배치했을 때의 음영지역 변화를 본 것이고, 그림 12는 고고도 영역의 아웃티지 영역 감소를 위해 상향 방향으로 10도 틸팅했을 때의 음영지역 변화를 본 것이다. 음영지역 비율이 추가 배치 전 3.17%에서 지상 사용자용 기지국과 동일한 기지국 추가 배치만으로도 1.09%까지 낮출 수 있고, 해당 기지국의 섹터 안테나 틸팅 각도를 윗방향 10도로 변경하면 0.64%까지 낮출 수 있음을 확인할 수 있었다.
이를 통하여 UTM 서비스를 제공하는 3차원 공간 상의 음영 지역 지원을 위한 소수의 전용기지국 추가 배치와 안테나 패턴 최적화만 한다면 기존 지상 사용자를 위한 기지국에 대한 전면적인 변화 없이도 기존 셀룰러 통신 네트워크를 이용하여 UTM 서비스 제공이 가능함을 확인하였다.

후속연구

17% 정도이고, 특정 영역에 집중하여 나타나는 것을 관찰할 수 있었다. 모의실험 결과를 통해 살펴볼 때 지상 사용자를 위한 기존 LTE 네트워크를 이용해서도 150m 이하의 대부분의 UTM 운용 영역에서 통신 커버리지 확보가 가능하나, 음영 지역에 대해서는 커버리지 확장을 위한 대책이 필요함을 알 수 있다.
이러한 성능 저하 요소에도 불구하고 지상 사용자를 위한 현재의 이동통신 네트워크를 이용하여 150m 상공의 3차원 공간에 대해 UTM 서비스를 안정적으로 수행하기 위한 커버리지 확보가 가능한지 분석하는 것은 반드시 필요하고, 만약 기존 이동 통신 기지국 배치만으로 충분한 커버리지 확보가 어려운 경우 기존 기지국 안테나 패턴 조정, 추가 기지국 설치 등 현실적인 보완 방법에 대한 연구도 필요하다.

참고문헌 (22)

UAM Team Korea, "K-UAM Concept of Operations 1.0," Sep. 2021.
Kyung-Ryun Oh, "Development of low-altitude drone traffic management system and related standard trend," TTA Jounal, No. 192, Sep. 2020.
ICAO, "Unmanned aircraft systems traffic management (UTM) - A common framework with core principles for global harmonization," Edition 3, Sep. 2020.
Federal Aviation Administration, "Unmanned aircraft system (UAS) traffic management (UTM) concept of operations v2.0," Mar. 2020.
SESAR, "U-space Concept of Operations," EUROCONTROL, Oct. 2019.
KIAST. Introduction of Traffic Management Project for Unmanned Aircraft Systems [Internet]. Available: https://www.kiast.or.kr/kr/sub06_02_01.do.
KIAST. Introduction of Traffic Management Project for Unmanned Aircraft Systems [Internet]. Available: https://www.kiast.or.kr/en/sub06_02.do.
3GPP TR 23.755 v17.0.0, "Study on application layer support for unmanned aerial systems (UAS)," Apr. 2021.
3GPP TR 37.777 v15.0.0, "Study on enhanced LTE support for aerial vehicles (Release 15)," Dec. 2017.
3GPP TR 22.825 v16.0.0, "Remote identification of unmanned aerial systems," Sep. 2018.
3GPP TR 23.754 v17.1.0, "Study on supporting unmanned aerial systems (UAS) connectivity, identification and tracking (Release 17)," Mar. 2021.
3GPP TR 23.755 v17.0.0, "Study on application layer support for unmanned aerial systems (UAS)," Apr. 2021.
3GPP TS 22.125 v17.1.0, "Unmanned aerial system (UAS) support in 3GPP," Dec. 2019.
3GPP TS 22.261 v18.1.0, "Service requirements for the 5G system," Dec. 2019.
3GPP TR 22.829 v17.1.0, "Enhancement for unmanned aerial vehicles (Release 17)," Sep. 2019.
K. H. Kim, H. W. Kim and Y. H. Jung, "Ground station antenna pattern design for network-based UAV command and control communication systems," J. Adv. Navig. Technol. Vol. 25, No. 5, pp. 384-389, Oct. 2021.

원문보기 상세보기
X. Lin et al., "The sky is not the limit: LTE for unmanned aerial vehicles," IEEE Communications Magazine, vol. 56, no. 4, pp. 204-210, Apr. 2018.

상세보기
K. Kang, H. W. Kim, G. Mun, and D. Kim, "3D aerial LTE quality measurement and analysis for UTM communication," The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences Vol. 47, No. 1, pp. 66-75, Jan. 2022.

상세보기
D. Eppink, and W. Kuebler, TIREM/SEM handbook, Technical Report ECAC-HDBK-93-076, 1994.
KCA. Mobile wireless station search [Internet]. Available: https://spectrummap.kr/gis/mobile_service.do?menuNo300480.
3GPP TR 25.996 v16.0.0, "Spatial channel model for multiple input multiple output (MIMO) simulations (Release 16)," Jul. 2020.
G. Fredrik, J. Martin, F. Anders, L. Magus, S. Arne, T. Claes, and B. Mats, "Downtilted base station - a simulation model proposal and impact on HSPA and LTE performance," in Proceeding of IEEE 68th Vehicular technology conference, Calgary, Canada, pp. 1-5, Sep. 2008.

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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