[논문]안테나 지향성 원리를 이용한 5G 건물 내 품질향상에 관한 연구

이병찬; 이성화; 김진태

doi:10.7236/jiibc.2022.22.4.41

안테나 지향성 원리를 이용한 5G 건물 내 품질향상에 관한 연구
A Study on Improvement of 5G In-Building Quality using Antenna Orientation Principle 원문보기

The journal of the institute of internet, broadcasting and communication : JIIBC, v.22 no.4, 2022년, pp.41 - 48

이병찬 (건국대학교 정보통신대학원 융합정보기술학과) , 이성화 (제주한라대학교 컴퓨터정보과) , 김진태 (건국대학교 정보통신대학원 융합정보기술학과)

초록
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본 연구는 5G가 안정화되어 갈수록 많은 양의 트래픽이 건물 내 발생할 것으로 예상됨에 따라, 건물 내 5G 품질향상을 위해 지향성이 향상된 인빌딩용 안테나를 설계한 연구이다. 야기 안테나 전파 지향원리인 안테나 소자 전진 배열방식을 응용한 것이 아니라, 기지국용 안테나에 적용된 수직 배열 방식의 안테나 설계 방안을 제시한 것이고, 실험을 통해 안테나 지향성이 증가함을 확인하였다. 실험 결과에 따르면, 안테나와의 이격거리가 10m 이내에서는 지향성이 크게 증가하지 않았지만, 10m 이상 이격된 거리에서는 지향성이 약 3dB 가량 증가한 것으로 나타났으며, 빌딩 내 무선환경이 외부 환경과 달리 내부 구조물의 구조, 콘크리트, 유리와 같은 자재, 폐쇄된 공간, 벽면 등 다양한 변수가 존재하는 점을 고려하였을 때, 지향성이 향상된 안테나는 향후 빌딩 내 5G 품질개선의 폭을 넓힐 수 있고, 건물 내에서도 안정적인 통신 서비스를 유지시킬 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study is a study that designed in-building antennas with improved orientation to improve 5G quality in buildings as 5G is stabilized and more and more traffic is expected to occur in buildings. Instead of applying the forward arrangement of antenna elements, which is the Yagi antenna propagation orientation principle, the antenna design method of vertical arrangement applied to the base station antenna was proposed, and it was confirmed through experiments that antenna orientation increased. According to the experimental results, the directivity did not increase significantly within 10m of the separation distance from the antenna, but the directivity increased by about 3dB at the distance separated by more than 10m. Considering that the wireless environment in the building has various variables such as structure of internal structure, materials such as concrete and glass, closed space, and walls, it is expected that antenna with improved orientation can expand the scope of 5G quality improvement and maintain stable communication service in the building.

주제어

표/그림 (12)

그림 그림 1. RF중계 방식 인빌딩 시스템 Fig. 1. RF Type In-Building System
그림 그림 2. 기지국 안테나 소자 배열 및 전파 지향성 Fig. 2. Elements array for Base Station Antenna and Direction
그림 그림 3. 야기 안테나 수직 배열 기본 개념 Fig. 3. Yagi Antenna Vertical Array Basic Concepts
그림 그림 4. T형 구조 전력분배회로 Fig. 4. T-type structural power distribution circuit
그림 그림 5. 급전선 길이에 따른 전파 방사패턴 Fig. 5. Radio Wave Radiation Patterns according to the Length of the Rapid Wire
표 표 1. 안테나 소자 길이, 간격에 다른 효율성 비교 Table 1. Antenna Element Length, Interval Comparison of Different Efficiency
그림 그림 6. 단일 안테나 실험을 위한 구성도 Fig. 6. Configuration for a single antenna experiment
표 표 2. 단일 안테나 실험 수신신호 세기 측정 결과 Table 2. Single Antenna Experimental Measurement Results
그림 그림 7. 수직 배열 안테나 실험을 위한 구성도 Fig. 7. Configuration for Vertical Array Antenna Experiment
표 표 3. 수직 배열 안테나 실험 수신신호 세기 측정 결과 Table 3. Vertical Array Antenna Experimental Measurement Results
표 표 4. 실험결과 RSSI 편차 Table 4. RSSI experimental results deviation
표 표 5. 실험결과 RSRP 편차 Table 5. RSRP experimental results deviation

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 이러한 제반사항을 바탕으로 5G 인빌딩 품질개선을 위해 지향성이 향상된 인빌딩용 안테나를 설계 하였다. 기지국용 안테나처럼 수직 배열하는 방식을 적용하였고 이러한 원리를 응용하여 실험을 통해 약 2.
본 논문은 인빌딩 시스템의 문제점을 제기하고 5G 인빌딩에서 좀 더 개선된 품질을 제공하고자 안테나 지향성 향상 방안과 실험을 통한 결과를 도출하였다.

제안 방법

본 논문은 이러한 제반사항을 바탕으로 5G 인빌딩 품질개선을 위해 지향성이 향상된 인빌딩용 안테나를 설계 하였다. 기지국용 안테나처럼 수직 배열하는 방식을 적용하였고 이러한 원리를 응용하여 실험을 통해 약 2.5~3dB 가량 지향성이 향상됨을 확인하였다.
두 번째 실험은 수직 배열 안테나를 사용하였을 때 단일 안테나와 같은 조건에서 수신신호 세기가 얼마나 향상 되었는지 확인하기 위함이며, 두 번째 실험까지 완료되면 이후 데이터 비교를 통해 수직으로 배열한 안테나의 지향성향상을 검증한다.
반면 휴대단말을 이용한 측정 방법은 단말에 내장된 Debug Screen 기능을 이용한 방법인데 RSSI, RSRP 등 다양한 품질 파라미터를 dBm 단위의 숫자로 볼 수 있어 안테나 수신신호와 같이 미약한 신호 측정에 매우 유용하다. 따라서 본 실험에서는 단말의 Debug Screen 기능을 이용하여 수신신호 세기를 측정하였다.
야기 안테나는 전진 배열 형태로 이득을 증가시키는 원리를 가진다. 복사기, 반사기 이외 5개의 도파기를 전진 배열하여 11dBi를 생성하는데 이득을 증가시키고자 한다면 안테나 이득 공식에 따라 도파기를 추가하면 되지만 본 논문에서 제안한 개선된 안테나는 안테나 수직배열을 이용하는 원리로 접근한다.
첫 번째로 인빌딩 시스템의 문제점이 존재한다는 것을 나타내기 위해 인빌딩 시스템의 구조와 안테나의 역할, 특성을 분석하였고 두 번째로 안테나의 지향성을 늘릴 수 있는 방안을 제시하기 위해 안테나 전파 방사 이론에 입각한 기지국 섹터 안테나 지향 원리, 야기 안테나 구조 등을 연구하였다. 세 번째로는 제시된 방안을 검증하고자 단일 안테나를 2단으로 수직 배열하여 실험을 진행 하였으며 측정된 결과를 가지고 지향성을 비교 하였다.
첫 번째 실험은 RF방식 중계기에 서비스 안테나로 야기 안테나 1개를 사용하여 정해놓은 지점마다 수신신호를 측정하는 것이다. 단일 안테나를 사용하였을 때 각 지점마다 수신신호 세기를 측정할 목적이며, 총 4개 지점 (5m/10m/15m/ 20m)을 선정하였다.
첫 번째로 인빌딩 시스템의 문제점이 존재한다는 것을 나타내기 위해 인빌딩 시스템의 구조와 안테나의 역할, 특성을 분석하였고 두 번째로 안테나의 지향성을 늘릴 수 있는 방안을 제시하기 위해 안테나 전파 방사 이론에 입각한 기지국 섹터 안테나 지향 원리, 야기 안테나 구조 등을 연구하였다. 세 번째로는 제시된 방안을 검증하고자 단일 안테나를 2단으로 수직 배열하여 실험을 진행 하였으며 측정된 결과를 가지고 지향성을 비교 하였다.

대상 데이터

첫 번째 실험은 RF방식 중계기에 서비스 안테나로 야기 안테나 1개를 사용하여 정해놓은 지점마다 수신신호를 측정하는 것이다. 단일 안테나를 사용하였을 때 각 지점마다 수신신호 세기를 측정할 목적이며, 총 4개 지점 (5m/10m/15m/ 20m)을 선정하였다.

데이터처리

단말을 이용한 측정 방법을 통해 단일 안테나로부터 5m/10m/15m/20m 떨어진 지점의 수신신호 세기를 측 정하였으며, 데이터 신뢰도를 위해 횟수는 총 5회, 측정시간은 10초로 하여 수행했을 때 표 2와 같은 실험 결과가 도출되었다.

성능/효과

RSSI와 RSRP 측정 결과에 의하면 수직 배열 안테나는 단일 안테나 대비 높은 지향성을 보이나 모든 지점에서 3dB 지향성 향상이 있는 것은 아니었다. 5m 이내 근거리에서는 1.
결론적으로 단일 안테나 대비 수직 배열 안테나가 지향성이 높다는 결과를 입증 하였는데 실험에 의한 측정값으로는 안테나로부터 5m 떨어진 지점부터 약 3dB만큼 수신신호 세기가 향상됨을 알 수 있었다. 따라서 이와같은 원리의 안테나 제작이 실제 이루어질 경우 5G 인빌딩 시스템의 신호 도달거리 증가와 구축 비용절감에 기여할 수 있으며, 입력 안테나의 위치 선정 제한을 극복하고 건물 내 Edge부분까지 통신신호 품질을 보장하는 효과를 기대할 수 있다.
결론적으로 단일 안테나 대비 수직 배열 안테나가 지향성이 높다는 결과를 입증 하였는데 실험에 의한 측정값으로는 안테나로부터 5m 떨어진 지점부터 약 3dB만큼 수신신호 세기가 향상됨을 알 수 있었다. 따라서 이와같은 원리의 안테나 제작이 실제 이루어질 경우 5G 인빌딩 시스템의 신호 도달거리 증가와 구축 비용절감에 기여할 수 있으며, 입력 안테나의 위치 선정 제한을 극복하고 건물 내 Edge부분까지 통신신호 품질을 보장하는 효과를 기대할 수 있다.
실험 결과에 따르면 모든 지점에서 단일 안테나 대비수직 배열 안테나의 신호 세기가 더 크다는 것은 알 수있지만 모두 균등하게 큰 것은 아니었다. 5m지점에서 단일 안테나와 수직 배열 안테나의 차이가 불과 1.
실험 구성도와 같이 구성하고 기지국 입력신호와 중계기 출력을 GUI로 확인한 결과, 입력 신호는 -54dBm으로 인입 조건을 만족하였고 출력 역시 7dBm으로 고정됨을 확인하였다.
실험 구성도와 같이 구성하고 기지국 입력신호와 중계기 출력을 GUI로 확인한 결과, 입력 신호는-54dBm으로 인입 조건을 만족하였고 출력 역시 10dBm으로 고정됨을 확인하였다.
이에 따라 수직 배열 안테나를 사용하게 되면 단일 안테나를 사용했을 때보다 5m지점 이후부터 3dB만큼의 지향성 향상이 나타난다는 것을 알 수 있고 신호세기의 차이만큼 도달거리 증가도 알 수 있다.
측정 결과의 평균값으로 보아 RSSI/RSRP 모두 5m지점 대비 10m지점에서 약 6~7dB 신호감쇠가 일어났고, 그 이후로는 약 3dB씩 신호가 감쇠됨을 알 수 있다.
표 3은 수직 배열 안테나 실험의 측정 결과이다. 측정결과의 평균값으로 보아 RSSI/RSRP 모두 5m지점 대비 10m지점에서 약 5~6dB 신호감쇠가 일어났고 그 이후로는 약 3dB씩 신호가 감쇠되었다.

참고문헌 (6)

Lee Myung-Hwan, "The Concept and Strategy of 5G Building Services" Weekly ICT Trends, IITP, Vol. 1901, p2-9, 2019
Lee Sang-Geun, "Antena Applied Technology Course" Cheonggang College of Culture and Industry, p8-13, 2009
Baek Rak Jun, "A Study on the Development of High-Gain Antenna for Digital Mobile Communication in the Key Parts of Mobile Communications Project", Institute for Information Technology Advancement, p19-35, 1993
Kim Gun-Tae., "Design of 2.45GHz High-Energy Array Antenna", Journal of the Korean Electronic technical Society, vol. 7, p1334-1335, 2014
Lee Soo-Jung, "A Study on the Characteristics of Base Station Antenna for Mobile Communication" Collection of the Korean Electronics Engineering Association's Academic Conference, vol. 1, p30-33, 1996
Jowon Noh, Eungyoung Joh, Jintea Kim, Sunghwa Lee, "A Study on the Implementation of simple Portable Directional Finding System for 5G Mobile Communication", The Journal of The Institute of Internet, Broadcasting and Communication (IIBC) Vol. 20, No. 3, pp25-30, Jun. 30, 2020. pISSN 2289-0238, eISSN 2289-0246 DOI: https://doi.org/10.7236/JIIBC.2020.3.25.

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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