KR100356249B1 - 무선 통신 시스템에서 신호 특성을 예측하는 방법 - Google Patents

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Abstract

장치는 마이크로 셀룰러 송신기(34) 및 매크로 셀룰러 송신기(312)의 표시를 저장하는 메모리(50)를 구비한다. 마이크로 셀룰러 송신기의 표시는 제1신호의 표시를 송신하도록 구성되고, 매크로 셀룰러 송신기의 표시는 제2신호의 표시를 송신하도록 구성된다. 데이터 베이스(51)는 메모리와 연동한다. 데이터 베이스는 다수의 데이터 구조를 갖고, 다수의 데이터 구조는 지리적 영역의 맵을 포함한다. 소정의 위치(11)는 맵 상에 그 위치가 결정된다. 크기를 갖고 평면을 규정하는 적어도 3개의 점들을 포함하는 패싯(600)은 소정의 위치와 연관된다. 제1(53) 및 제2(54) 명령 세트는 제1 및 제2신호의 특성을 계산하는데 이용할 수 있다. 메모리 및 데이터 베이스와 연동하는 프로세서(52)는 제1명령 세트와 제2명령 세트중 하나를 사용하여 소정의 위치에서의 특성을 계산한다.

Description

무선 통신 시스템에서 신호 특성을 예측하는 방법 {METHOD FOR PREDICTING SIGNAL CHARACTERISTICS IN A WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM}
제한된 영역에서 무선 통신을 제공하는 용도로는, 작은 통신가능 구역(coverage area)을 갖는 일반적으로 소형이고 저전력 무선 기지국인 마이크로셀(microcell)이 사용될 수 있다. 마이크로셀은 디지털 무선 전송 또는 광섬유를 거쳐 더 큰 기지국에 결합될 수 있다. 대표적인 셀 사이트, 즉 마이크로셀 또는 매크로셀(macrocell)은 안테나 등의 하나 이상의 송수신기 및 송신기를 구비하고, 셀 사이트의 지정된 통신가능 구역 내에서 가입자에게 통신 서비스를 제공한다.
마이크로셀 및 매크로셀을 모두 구비하는 통신 시스템을 설계하는 것은 동일 또는 유사한 주파수를 공유하는 다른 통신가능 구역과의 간섭을 최소화하면서, 무선 주파수(RFs) 등의 특정 주파수가 각 셀의 지정된 통신가능 구역 내에 존재하도록, 송신기의 지리적 위치, 그들이 원하는 통신가능 구역 및 신호 방사 패턴을 선택하는 것이 필요하다.
그러나, 셀에 들어오고 나가는 실제 신호 전파 패턴의 예측은 어려운데, 그 이유는 건축물 및 다른 지형의 요철이 예상치 못한 방향으로 신호를 반사하여, 하나의 셀의 지정된 통신가능 구역에서는 신호 강도가 불충분하게 되는 것 및/또는 다른 셀의 통신가능 구역에서의 간섭 수준이 수용 불가능하게 되기 때문이다.
신호 전파 경로를 예측하여 무선 통신 시스템의 물리적 레이아웃 설계에 도움을 주는 몇가지 소프트웨어 툴을 사용할 수 있다. 그러한 툴의 예로는, 이것에 제한되는 것은 아니지만, 모토롤라의 NetplanTMRF 시스템 계획 관리 툴, 모바일 시스템의 PlaNetTMRF 커버리지 툴, LNS의 RF 계획 툴 및 T. Rappaport가 개발한 상업적으로 이용가능한 레이 트레이싱(raytracing) 툴이 있다. 그러나, 현재 이들 및 다른 소프트웨어 툴은 모든 종류의 통신 시스템 계획용으로 적합하지 않다.
첫번째로, 통상 데이터 베이스에 저장된 정보를 통해 통신 시스템과 연관된 지리적 영역 내의 대상 영역을 모델링하여 특정 위치에 있어서의 신호 특성을 예측하기 위해 사용되는 환경 모델 또는 고해상도 맵은 마이크로셀들에 대해서 보다는 매크로셀들에 대해 서로 다르다. 예를 들면, 일반적으로 매크로 셀룰러 맵은 통상 고해상도 데이터 베이스를 사용하여 모델링되는 마이크로 셀룰러 맵보다 낮은 해상도[또는 여러가지 해상도(variable layers of resolution)]가 필요하다.
두번째로, 극단적으로 단순한 패스로스 방정식(pathloss equation) 및 경험적 또는 통계학적 전파 모델은 일반적으로 매크로셀과 관련된 신호 강도 등의 신호 특성을 예측하는 것에 연계되어 사용되고, 마이크로셀에 대해서는 더 복잡한 레이 트레이싱 기술 또는 결정론적 모델이 실제 신호 전파 경로 등의 신호 특성을 예측하기 위해 사용된다. 일반적으로, 매크로 셀룰러 전파 모델과 관련된 데이터 베이스는 마이크로 셀룰러 전파 모델과 관련된 데이터 베이스와 좌표계 및/또는 포맷이 다르다.
비록 상기 소프트웨어 툴들을 사용할 수 있다고 해도, 마이크로셀 및 매크로셀 모두를 구비하는 통신 시스템에서 셀마다 완전한 커버리지(coverage) 및 수용 가능한 간섭 수준을 얻기 위한 신호 전력 및/또는 신호 방사 패턴, 상이한 주파수 조합을 수동으로 선택하여 필드 테스트하는 데는 시간이 걸리고 비용이 많이 든다.
따라서, 다른 해상도를 갖는 맵을 단일 좌표계를 갖는 단일 맵으로 통합하고, 특정 대상 점의 위치에 따른 신호 특성의 예측을 적절히 조정하며, 마이크로셀 및 매크로셀 모두를 갖춘 통신 시스템에서 신호 특성을 예측하는 방법 및 장치가 필요하다.
본 발명은 일반적으로 통신 시스템에 관한 것으로, 특히 무선 통신 시스템에서 신호 특성(signal characteristics)을 예측하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
도 1은 매크로셀 및 마이크로셀을 모두 구비하는 대표적인 셀룰러 통신 시스템을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 신호 특성을 예측하는 방법의 흐름도.
도 3은 건축물 및 다른 지형 요철이 어떻게 여러 방향으로 안테나 빔 패턴을 반사하는지를 나타내는 환경 모델의 상면도.
도 4는 도 3에 도시한 환경 모델의 일부를 나타내는 패싯의 그래픽 표현.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 신호 특성을 예측하는 장치의 블록도.
<발명의 요약>
본 발명의 하나의 특징에 따르면, 지리적 영역 내의 소정 위치에 있어서 제1 및 제2신호의 특성을 예측하는 방법으로서, 그 지리적 영역에 대해 서비스를 제공하는 무선 통신 시스템에서 동작하는 방법에 의해 상기 필요성이 해결되며, 상기 무선 통신 시스템은 제1송신기 및 제2송신기를 구비하고, 상기 제1송신기는 제1파장을 갖는 제1신호를 송신하도록 구성된 마이크로 셀룰러 송신기이고, 상기 제2송신기는 제2파장을 갖는 제2신호를 송신하도록 구성된 매크로 셀룰러 송신기이다. 이 방법은 상기 제1 및 제2송신기의 표시(representations of the first and second transmitters)에 대한 위치를 결정하는 단계, 상기 지리적 영역의 환경 모델을 규정하는 단계, 상기 환경 모델(environmental model) 내에 다수의 패싯을 규정하는 단계 - 상기 다수의 패싯 각각은 크기를 갖고 평면을 규정하는 적어도 3개의 점을 포함하고, 상기 다수의 패싯 중 적어도 하나의 패싯은 상기 소정의 위치와 연관되어 있음-, 상기 특성을 예측하기 위한 제1의 결정론적인 기술을 제공하는 단계, 상기 특성을 예측하기 위한 제2의 통계학적인 기술을 제공하는 단계, 상기 제1파장 및 제2파장에서 상기 소정의 위치와 연관된 적어도 하나의 패싯의 크기에 따라, 상기 소정의 위치에서의 특성을 예측하기 위해 상기 제1의 결정론적인 기술과 제2의 통계학적인 기술 중 하나를 사용하는 단계 및 상기 예측에 따라, 상기 무선 통신 시스템과 연관된 파라미터를 수정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 지리적 영역에 대해 서비스를 제공하는 무선 통신 시스템에서, 지리적 영역 내 소정의 위치에서 제1신호 및 제2신호의 특성을 계산하는 장치는 마이크로 셀룰러 송신기 및 매크로 셀룰러 송신기의 표시를 저장하는 메모리를 포함한다. 마이크로 셀룰러 송신기의 표시는 제1신호의 표시를 송신하도록 구성되고, 매크로 셀룰러 송신기의 표시는 제2신호의 표시를 송신하도록 구성된다. 데이터 베이스는 메모리와 연동한다. 데이터 베이스는 다수의 데이터 구조를 가지며, 다수의 데이터 구조는 지리적 영역의 맵(map)을 포함한다. 소정의 위치는 맵 상에 그 위치가 결정된다. 패싯은 소정의 위치와 연관된다. 패싯은 크기를 갖고, 평면을 규정하는 적어도 3개의 점들을 포함한다. 특성을 계산하기 위한 제1명령 세트 및 특성을 계산하기 위한 제2명령 세트가 마련된다. 프로세서는 메모리 및 데이터 베이스와 연동하고, 제1명령 세트와 제2명령 세트중 하나를 사용하여 소정의 위치에서의 특성을 계산한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 지리적 영역에 대해 서비스를 제공하는 무선 통신 시스템에 있어서, 무선 통신 시스템은 제1송신기 및 제2송신기를 구비하고, 제1송신기는 제1신호를 송신하도록 구성된 마이크로 셀룰러 송신기이며, 제2송신기는 제2신호를 송신하도록 구성된 매크로 셀룰러 송신기이고, 지리적 영역내 소정의 위치에서 제1 및 제2신호의 특성을 결정하는 장치는 제1 및 제2송신기의 표시에 대한 위치를 결정하는 수단, 지리적 영역의 환경 모델을 규정하는 수단, 상기 환경 모델 내에 다수의 패싯을 규정하는 수단 - 상기 다수의 패싯 각각은 크기를 갖고 평면을 규정하는 적어도 3개의 점을 포함하고, 상기 다수의 패싯 중 적어도 하나의 패싯은 상기 소정의 위치와 연관되어 있음- 상기 특성을 예측하는 제1수단, 상기 특성을 예측하는 제2수단 및 소정의 위치에서의 특성을 결정하기 위해, 예측하는 제1수단과 예측하는 제2수단 중 하나를 선택하는 수단을 포함하고, 상기 선택은 소정의 위치와 연관된 적어도 하나의 패싯의 크기에 따르고 또한 제1 및 제2신호의 파장에 따른다.
본 발명의 이점은 도시되고 예를 들어 설명된 본 발명의 바람직한 실시예의 다음의 설명으로부터 당업자에게 쉽게 명확하게 될 것이다. 본 발명은 다른 실시예도 가능하며, 그 상세한 사항은 여러 가지로 수정될 수 있다. 따라서, 도면 및 설명은 예시만을 위한 것으로 그것에 제한되는 것은 아니다.
이제 도면으로 돌아가서, 유사 숫자는 유사 구성 요소를 나타내고, 도 1은 대표적인 셀룰러 통신 시스템(200)을 도시한 도면이다. 다수의 이동 통신 장치(도시하지 않음) 또는 이동국은 각각 기지국(312, 314, 316)에 의해 서비스가 제공되는 영역(412, 414) 또는 (416)에서 동작할 수 있다. 기지국(314, 316)은 각각 대응하는 영역(414, 416)에 있어 마이크로셀이며, 기지국(312) 및 대응 영역(412)은 매크로셀이다. 종합하면, 서비스 영역(412, 414, 416)은 특정한 지리적 영역(400)을 커버한다.
실제로 공간 내에 지정된 영역의 중심 또는 특정 크기의 영역을 나타낼 수 있는 다수의 점들(11) 또는 측정 가능한 영역은 지리적 영역(400) 내에 도시되어 있다. 점(11)은 영역(400) 내의 어디든지 위치할 수 있다. 다수의 점들(11)은 영역(400) 내에서 식별될 수 있고, 이동국은 점(11)에서 동작한다고 가정할 수 있다. 인접 서비스 영역(412, 414, 416)은 겹치거나(도시한 바와 같음) 또는 실질적으로 서로 인접할 수 있다. 기지국(312, 314, 316)은 분할된 기지국(도시하지 않음)의 섹터이거나 또는 그들 자체가 분할된 기지국이라고 생각되지만, 일반적으로 통신이 확립되어야 하는 영역을 통해 무선 신호를 방출할 수 있는 안테나 등의 송신기를 갖는 장치이다. 여기서는 고주파 채널을 참조하지만, 그러한 채널은 코드에 기초한 고주파 통신 시스템(code-based radio frequency communication system)의 채널뿐만 아니라 주파수에 기초한 시스템(frequency-based system)의 채널에 관한 것으로 이해된다.
모토롤라사에서 상업적으로 입수가능한 기지국(312, 314) 또는 (316) 등의 기지국은 다른 것 중에서, 이동 통신 장치와 기지국(312, 314, 316) 사이의 통신에 통신 채널을 제공하는 다수의 송수신기(도시하지 않음)를 구비할 수 있고, 또한 통신 신호를 송신 및 수신하는 안테나(19) 등의 송신기를 구비할 수 있다. 다수의 주파수, 예를 들면 다수의 음성 및 시그널링 채널은 공지의 결합 방법을 사용하여 하나의 안테나(19)에서 송신될 수 있다. 안테나(19)는 어떤 종류라도 좋고, 예를 들면 지향성-빔, 단방향성-빔, 전방향성-빔, 팻치 또는 어레이라도 좋으며, 그 송신 전력 및/또는 페이징(phasing)은 여러 가지 공지 기술을 사용하여 제어될 수 있다.
하나 이상의 기지국(312, 314, 316)은 공지의 구조 및 기능을 가진 모토롤라 기지국 컨트롤러 등의 기지국 컨트롤러(도시하지 않음)와 통신할 수 있거나 또는 그 자체가 완전한 기지국 시스템일 수 있다. 또 다른 기지국이 있다면 기지국 컨트롤러에 결합될 수 있다. 기지국 컨트롤러 또는 기지국 시스템은 또 모토롤라에서 상업적으로 입수가능한 EMXTM2500 등의 이동 교환 센터 또는 다른 적당한 종류의 스위치일 수 있는 스위치(도시하지 않음)와 통신할 수 있다. 또 다른 기지국 컨트롤러(도시하지 않음) 또는 기지국 시스템도 스위치에 결합될 수 있다. 스위치는 다른 것 중에서도, 공중 교환 전화망(PSTN)(도시하지 않음)과도 통신할 수 있어, 이동 통신 장치가 육상에 있는(land-based) 통신 라인 등에 접근할 수 있다.
기지국(312, 314, 316)과 이동국 사이의 다중 접속 무선 통신은 음성, 데이터 및 비디오 등의 통신 신호가 전송되는 물리적 경로를 제공하는 고주파(RF) 채널을 거쳐 발생하는 것이 바람직하다. 기지국에서 이동국으로의 통신은 포워드-링크 채널에서 발생한다고 하고, 이동국에서 기지국으로의 통신은 리버스-링크 채널에서 발생한다고 한다. 통신 채널은 다른 것 중에서도, 파이롯 채널, 페이징 채널, 싱크 채널, 트래픽 채널 또는 트래픽 채널의 일부여도 된다.
도 1에 도시한 시스템(200) 등의 무선 통신 시스템을 계획할 때, 인접 채널의 형태인 부적당한 간섭 또는 동일 채널 간섭을 일으키는 일 없이 고주파 신호 등의 적당한 신호가 안테나(19)에서 원하는 통신가능 구역(412, 414, 416)의 거의 모든 점들로 전파되도록, 기지국(312, 314, 316)의 지리적 위치와 통신가능 구역(412, 414, 416)간의 대략의 경계를 적절히 선택하는 것이 중요하다. 셀룰러 무선전화 네트워크 등의 무선 통신 시스템을 설계하는 데 수반되는 일반적 고려 사항은 본 명세서에 참조로 포함된 "The Communications Handbook," Jerry D. Gibson, Editor-in-Chief, CRC Press (1997), Chapter 81, pp. 1146-1159에 기재되어 있다.
안테나(19)에서 송신된 신호의 특성을 정확히 예측할 수 있으면, 기지국(312, 314, 316)의 위치를 적절히 결정할 수 있을 것이다. 잘 알려진 바와 같이, 신호 특성 및 통신가능 구역(412, 414, 416)의 형상 및 크기는 건축물 및 다른 지형 요철의 위치에 의존하는 것과 더불어, 트래픽 폭주 및 안테나(19)가 위치하는 쪽의 이용도 함수로서 가변한다.
본 발명의 하나의 특징에 따르면, 그의 흐름도가 도 2에 도시되어 있는(또한 필요하다면, 도 1 및 다른 도면을 참조하여 설명되는) 방법으로서, 다른 것 중에서도 각 기지국(312, 314, 316)과 연관된 원하는 신호 특성이 점(11)에 존재하도록 하기 위해, 매크로셀 및 마이크로셀을 모두 구비하며 또한 혼합된 해상도 데이터 베이스를 갖는 시스템(200) 등과 같은 무선 통신 시스템에서 신호 특성을 예측할 수 있게 한다.
블록(502)에서, 데이터를 로드하여 초기화하는 단계가 실행된다. 이 단계는 다른 것 중에서, 기계판독 가능한 형태로 기지국(312, 314, 316)을 나타내고, 상이한 감쇠 수준에 따라 통신가능 구역(412, 414, 416)의 대략적 위치와 함께, 기지국(312, 314, 316)표시의 초기 지리적 위치를 선택하는 것을 포함할 수 있다. 기지국(312, 314, 316)의 안테나(19)와 연관된 전송 전력값과 안테나(19)에 의해 송신된 신호의 특정 주파수의 초기 세트도 가정할 수 있다. 예를 들면, 셀룰러 무선전화는 다른 주파수가 지정될 수 있더라도, 일반적으로는 890 MHz 대역 및 1. 9 GHz 대역에서 동작한다. 특정 안테나의 근방에 사물이 있으면, FDTD(finite difference time domain) 또는 FEM(finite element method) 등의 수치법(numerical method)을 사용하여 미리 생성되어 있는 안테나 패턴의 라이브러리를 사용할 수 있다.
이 방법은 블록(504)으로 계속되어, 하나 이상의 대상 영역 또는 소정의 위치가 선택된다. 예를 들면, 하나 이상의 점(11)은 대상 영역을 구성할 수 있다. 하나 이상의 대상 신호 특성도 블록(504)에서 선택될 수 있다. 신호 특성의 예로는 이것에 한정되는 것은 아니지만, 신호 강도, 신호 전파 경로, 신호 간섭 및 신호 극성이 있다.
이어서, 블록(506)에서, 지리적 영역(200)의 환경 모델 또는 맵이 규정된다. 환경 모델(300)의 일예는 도 3에 도시되어 있다. 도시한 바와 같이, 이것에 한정되는 것은 아니지만, 건축물(304, 306, 308, 310)을 포함하는 전파 신호의 방향을 돌릴 수 있는 사물들은 기지국(312, 314, 316) 중 하나와 연관될 수 있는 안테나(19)에 대해 그 위치가 결정된다. 건축물, 지형의 상승 및 나무, 물과 바위 등의 자연적 사물 등의 사물의 위치, 크기 및 구성은 3차원으로 모델링되어 데이터 베이스에 저장될 수 있다. 알고 있는 표면 및 균질이 아닌 울퉁불퉁한 표면 등의 여러 사물의 3차원에 있어서의 회절, 굴절 및 확산 산란 계수는 유한 차분 시간 영역(FDTD) 해석 또는 유한 요소 해석 등의 수치법을 사용하여 전개되는 것이 바람직하고, 다른 재료는 산란 계수로 모델링되며, 이것은 또 반사 또는 회절된 신호의 특성을 예측하기 위해 사용된다. FDTD 및/또는 다른 수치법을 사용하여, 벽, 쐐기 형상 및 모서리가 안테나 근방에 존재할 때 그들에 의한 영향을 고려한 현실적인 안테나 패턴을 전개할 수 있다. 모델링되는 사물의 어떤 유전율 또는 유전 특성을 가정하고, 수퍼 컴퓨터를 사용하여 계수를 추출할 수 있다. 이들 계수는 장래 사용을 위해, 데이터 베이스에 데이터 구조로서 저장될 수 있다. 예를 들어, 추출 계수는 룩업-테이블 (lookup-table) 등의 공지 형태로 저장될 수 있다.
3차원 모델링의 접근 방법 중 하나는 본 명세서에 참조로 포함된 "Integrated Macro and Microcellular Propagation Model, Based on the Use of Photogrammetric Terrain and Building Data,"by E.K. Tameh et al., IEEE(1997), pp. 1957-1961에 기재되어 있다. 3차원 지형 데이터 뱅크의 사용을 고려하는 초고주파 및 극초단파 주파수 범위에서의 커버리지 예측을 위한 전파 모델은 본 명세서에 참조로 포함된 "A Versatile Wave Propagation Model for the VHF/UHF Range Considering Three-Dimensional Terrain," by M. Lebherz et al., IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 40, No. 10, October 1992, pp. 1121-1131에 기재되어 있다. 전파 및/또는 환경 모델에 관한 다른 문헌은 "Two-Dimensional Ray-Tracing Modeling for Propagation Prediction in Microcellular Environments," K. Rizik et al., IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 46, No. 2, May 1997, pp. 508-517, "Simulation of Radio Relay Link Performance Using a Deterministic 3D Wave Propagation Model," by N. Geng et al., Radio Relay Systems, C11-14 October 1993, Conference Publication No. 386, IEEE, pp. 343-348, Cencept and Results for 3D Digital Terrain-Based Wave Propagation Models : An Overview, "T. Kurner et al., IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol. 11, No. 7, Sept. 1993, "Finite-Difference Time-Domain Method for Electromagnetic Radiation, Interference, and Interaction with Complex Structures," P.A. Tirkas et al., IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, Vol. 35, No. 2, May 1993, "A Microcellular Communications Propagation Model Based on the Uniform Theory of Diffraction and Multiple Image Theory," S.Y. Tan et al., IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 44, No. 10, October 1996, 그리고 "A Monte Carlo FDTD Technique for Rough Surface Scattering," J.B. Schneider et al., IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 43, No. 11, November 1995를 구비한다. 이들 문헌 각각은 본 명세서에 참조로 포함되어 있다.
바람직하게는, 환경 모델(300)은 지리적 영역(200) 내의 상이한 영역에 대하여 상이한 해상도를 수용한다. 예를 들면, 시골의 평탄한 영역에서는 100-200 미터의 해상도면 충분할 수 있지만, 도시 영역 또는 울퉁불퉁한 지형을 갖는 영역에서는 10 미터 또는 그보다 양호한 해상도가 요구된다. 단일 좌표계를 유지하면서 위와 같이 균등하지 않은 맵을 구비하는 것이 바람직하다. 다른 수단 중에서도 위성, 지도, 항공 사진 등의 여러 가지 수단을 통해 수집된 데이터는 일반적으로 타원 좌표계 또는 구면 좌표계로 표시된다. 타원 좌표계는 직각 좌표계로 변환하여 직각(데카르트) 좌표 물리학만을 사용하는 것이 바람직하다.
지리적 데이터는 시골, 도시 및 혼합 영역으로 분리되어 분류되는 것이 바람직하다. 시골 영역은 또한 땅에 있는 것 및 높은 곳에 따라 분류된다. 땅에 있는 것의 예는 숲(영역당 일정 밀도의 나무를 가짐), 호수, 얼어붙지 않은 건조 지역, 얼어붙지 않은 습지대를 포함한다. 높은 곳의 예는 평탄한 영역, 특정의 요철 또는 거친 구역을 포함하는 평탄한 영역, 구릉 영역 및 산이 많은 지형을 포함한다. 도시 영역은 예를 들면, 통상의 미국 도시, 유럽 도시 및 교외 영역에 의해 규정된 건축물 밀도에 따라 분류될 수 있다. 각각의 데이터 부류에는 각각의 반사 계수 및/또는 확산 계수가 할당되고, 천이 영역도 규정된다.
블록(508)에서, 환경 모델(300)내에서 신호(28)의 방향 전환, 즉 반사, 회절 또는 확산을 시뮬레이션하는 예측 기술이 마련된다. 하나 이상의 안테나(19)에서 송신된 신호(28)의 특성을 예측하는 첫번째 기술은 물리적 현상을 설명하는 3차원 산란 계산 등의 수학적 식의 사용을 포함하는 결정론적 기술이다. 그러한 계산의 사용을 일반적으로 레이 트레이싱(raytracing)이라고 한다. 통상, 기본적 계산은 직각 좌표계로 기술되어 있는 평면파 방정식 특성을 포함하는 회절 또는 기하학적/물리적 광학의 균일 이론에 기초한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 안테나에서 방사된 에너지는 에너지 밀도, 즉 제곱미터당 와트로 취급된다. 그러한 방사 에너지는 점보다는 표면의 벽 등의 사물을 때린다. 그 결과, 전류가 표면에 유도될 수 있고, 그 전류는 재방사된다. 표면(즉, 그것의 물리적 그리고 기하학)의 성질은 면전류를 결정한다. 재방사된 에너지의 방향 및 새로운 신호 특성에 관한 정보(즉, 편광 상태, 신호 세기, 신호 진폭)가 검출된다. 예를 들면, 수직-편광 신호는 유전체 또는 비균질인 사물에 반사되면 편광이 소멸된다. 입사 신호가 특정 편광으로 임의의 패싯을 때릴 때, 반사된 신호의 편광 상태를 알거나 또는 선택할 수 있도록, 특정 물질 조성 및 비균질성을 갖는 각각의 패싯의 라이브러리(이하에 더 설명함)에 따라 편광 또는 편광 소멸의 정도를 예측하는 것이 바람직하다. 그러한 기술 및/또는 라이브러리는 일반적으로 폴라로메트릭 스캐너링 매트릭스(polarometric scattering matrix)라고 한다.
또한, 신호(28) 등의 신호의 감쇄는 공지의 촬상 방법 또는 공지의 도트 프로덕트법을 사용하여 결정론적으로 예측할 수 있다. 촬상 방법의 상세한 설명은 본 발명과 함께 양도된 미국 특허출원 08/701,257, 08/656,029, 08/415,051 및 08/685,344에서 찾을 수 있다. 상기 미국 특허 출원 각각은 본 명세서에 참조로 포함되어 있다.
신호(28)의 특성을 예측하는 두 번째 방법은 수치법의 사용을 수반하는 것이 바람직한 통계학적/경험적 기술이다. 수치법의 예는 FDTD, 유한 요소법(FEM) 또는 모멘트법(method of moments : MOM)을 구비한다. 수치법의 결과는 미리 계산되어 라이브러리, 데이터 베이스 테이블 등에 저장될 수 있다. 예를 들면, 다른 종류의 건축물 모서리에 대한 회절 계수의 라이브러리를 사용자가 작성하여 선택할 수 있거나 또는 입수 가능한 상세한 건축물 정보가 없으면, 대표적인 비균질 쐐기(wedges)에 관한 회절 계수를 선택할 수 있다. 프레넬 계수 등의 요소 및/또는 행을 갖는 스캐터링 매트릭스를 3차원적 형태의 문제를 위해 사용할 수 있다.
이어서, 블록(510)에서, 선택된 대상 영역(들)에서 대상의 신호 특성(들)을 자동적으로 결정하는 처리가 시작한다.
블록(512)에서는 선택된 신호 특성이 계산되는 해상도를, 선택된 대상 영역의 크기로써 결정하는 것이 도시되어 있다. 예를 들면, 대상 영역이 10 제곱미터일 때, 이 대상 영역의 직각 좌표가 정의된다. 더 높은 정도의 해상도를 원하는 경우 이 대상 영역을 가능한 한 가장 작은 개별 영역으로 쪼개거나, 또는 더 낮은 정도의 해상도를 원하는 경우 하나의 완전한 영역으로서 취급할 수도 있다. 일반적으로, 더 작은 대상 영역은 더 높은 해상도 출력을 제공하지만, 더 큰 대상 영역은 더 낮은 해상도 출력을 제공할 것이다.
각각의 대상 영역은 하나 이상의 패싯으로 표시되는 것이 바람직하다. 도 4에 도시한 바와 같이, 패싯(600)은 3차원 공간에서 3개 이상의 점들에 의해 결정되어 경계지어진 평면이고, 컴퓨터 공학 분야에서 잘 알려진 사물이다. 패싯(600)은 삼각형 또는 직사각형이어도 된다. 패싯(600)의 평면에 수직인 벡터 N(602)도 도시되어 있다. 하나의 대상 영역은 크기가 변하는 하나 이상의 패싯을 포함할 수 있다. 패싯의 라이브러리는 각각의 패싯이 특정한 물질 조성 및 특정 입사각에 있어서 비균질성을 갖도록 작성되는 것이 바람직하다.
패싯(600)은 선택된 신호 특성이 계산되는 해상도에 따라 크기가 변하는 것이 바람직하고, 또한 패싯의 위치의 중요성에 따라 크기가 변할 수도 있다. 예를 들면, 주요 도로 또는 건축물 또는 그 가까운 영역은 더 중요하게 생각될 수 있으므로, 들판 또는 호수 등의 거주하지 않는 영역보다 더 많고, 작은 패싯을 가진다. 또한, 패싯은 상술한 바와 같이, 땅에 있는 것 및 높은 곳 등의 지리적 특징에 따라 크기가 결정되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 수목으로 뒤덮인 영역에서 패싯 크기는 도시 영역과 다를 수 있다(즉, 더 크다). 각각의 패싯은 그 자신의 반사 계수 및/또는 산란 확산 계수를 가질 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 특정 대상 영역에서 선택된 신호 특성을 예측하는 기술은 연구되는 신호의 주파수와 관련하여, 특정 대상 영역을 규정하는 패싯 또는 패싯들의 크기에 따라 자동적으로 또는 적절하게 사용된다. 예를 들면, 신호가 패싯의 표면 반경보다 크거나 같은 파장을 가지는 경우, 기하학적 광학 기술이 그 신호의 특성을 정확히 예측할 수 없다는 것은 잘 알려져 있다. 그 경우, FDTD 등의 수치법 기술을 사용할 수 있다. 그와 반대로, 신호의 파장이 패싯의 크기보다 훨씬 더 작으면, 기하학적 광학 기술은 성공적으로 채용될 수 있다.
특정 영역에서 선택된 신호 특성을 예측하는 기술은 특정 패싯 또는 그의 일부에 의해 규정된 물질 및/또는 특정 패싯에도 근거할 수 있다. 예를 들면, 물질 또는 지형의 불규칙성에 대하여 여러 레벨을 규정할 수 있고 또한 특정 크기의 불규칙성에 대하여, 결정론적 모델 또는 통계학적 방법을 사용하여 신호 특성을 예측할 수 있다.
따라서, 도 2에 도시한 바와 같이, 패싯의 크기, 물리적 특성 및 위치는 블록(513)에서 결정되고, 예측 기술은 블록(516)에서 선택된다.
신호 특성은 블록(518)에서 예측된다. 예측의 결과는 3차원 그래픽, 2차원 그래픽, 테이블 형태 또는 어떤 다른 적당한 형식으로 표시될 수 있다.
신호 주파수에 따라 그리고 대상 영역과 연관된 패싯 크기 및 물질에 따라 신호 특성을 예측하는 방식을 적용하는 것은 수많은 이점을 제공한다. 예를 들면, 하나의 균일한 좌표계 및 하나의 환경 모델을 사용하여, 890 MHz에서는 평탄한 것이 1. 9 GHz에서는 평탄하게 나타나지 않을 수도 있는, 매크로셀 및 마이크로셀 모두와 연관된 환경에서 자계의 전파를 예측할 수 있다.
블록(520)에 나타낸 바와 같이, 신호 특성의 예측에 따라 무선 통신 시스템과 연관된 파라미터를 수정하는 것이 바람직할 수 있다. 수정될 수 있는 파라미터의 예는 다른 것 중에서, 기지국(312, 314, 316)의 위치, 기지국(312, 314, 316)의 안테나(19)와 연관된 하나 이상의 송신 전력값 및 안테나(19)에 의해 송신된 신호의 특정 주파수를 포함한다.
이 방식으로, 무선 통신 시스템(200)과 연관된 지리적 영역(400)내의 여러 점들에서 신호 특성을 자동적으로 예측하는 것이 가능하다. 주어진 점(11)에서 이웃 서비스 영역으로의 최종 전파에 의해 서비스 영역(412, 414, 416)을 거의 완전히 커버하는 기지국 및/또는 안테나 위치 주파수 및 신호 전력의 조합을 선택할 수 있다.
도 5 및 도 1 내지 도 4를 적절히 참조하면, 예를 들어 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 신호 특성을 예측하는 범용 컴퓨터일 수 있는 장치(60)가 도시되어 있다. 메모리(50)는 기지국(312, 314, 316) 등의 신호 송신원의 지리적 위치 및 안테나(19)의 종류와 여러 가지 송신 주파수 및/또는 전력을 나타내는 정보를 저장한다. 데이터 베이스(51)는 메모리(50)와 연동하여, 지리적 영역(400)의 환경 모델 또는 맵을 나타내는 다수의 데이터 구조를 저장한다. 데이터는 예를 들면 수학식, 데이터 구조, 디지털 표시 또는 예를 들면 테이블을 사용하여 공지의 다양한 방식으로 메모리(50) 또는 데이터 베이스(51)에 표시될 수 있다. 환경 모델은 시스템의 개별 영역이 그것과 연관되어 크기가 가변하는 하나 이상의 패싯(600)을 갖는 특정 좌표계(도시하지 않음)를 가질 수 있다. 소정의 공간은 공지의 컴퓨터 공학 기술을 사용하여 크기가 가변하는 3차원 패싯에 의해 표시될 수 있다.
프로세서(52)는 메모리(50) 및 데이터 베이스(51)와 통신한다. 프로세서(52)는, 메모리(50) 안에 저장되어 있고 또한 본 발명의 바람직한 실시예(들)와 연관되어 설명된 방법의 여러 특징을 실행하는, 예를 들어 컴퓨터-판독가능 언어로 공지의 방법을 사용하여 기록된 명령 세트일 수 있는 프로그램(도시하지 않음)과 연동할 수 있다. 예를 들면, 이 방법은 C 및/또는 C++ 등의 언어로 기록된 소프트웨어로 구현될 수 있고 직렬 또는 병렬 처리 기술을 사용하여 하나 이상의 마이크로 프로세서를 갖는 고성능 워크스테이션에서 실행될 수 있다. 프로세서(52), 메모리(50) 및 데이터 베이스(51)와 연관된 프로그램은 특정 대상 영역을 규정하는 패싯 또는 패싯들의 크기에 근거하여, 특정 대상 영역에서 선택된 신호 특성을 예측하기 위해 명령 세트(53) 또는 명령 세트(54)를 사용할 수 있다.
물론, 장치(60)는 키보드(도시하지 않음), 포인팅 장치(도시하지 않음), 표시 장치(도시하지 않음) 또는 네트워크 인터페이스(도시하지 않음) 등의 하나 이상의 또는 구성요소를 포함할 수 있다.
메모리(50), 프로세서(52) 및 그의 연관 프로그램, 데이터 베이스(51) 및 명령 세트(53, 54)는 모토롤라의 NetplanTN소프트웨어 툴 등의 시뮬레이션 툴로 구성되거나 또는 그 안에 구현될 수 있다. 본 발명의 여러 가지 특징은 일반적으로 컴퓨터 시스템에서 구현될 수 있는 특정 기능에 속한다. 그리고 그 특정 기능을 구현하는 프로그램은 그것에 제한되는 것은 아니지만, 기록불가능 기억매체(non-writable storage medium) 상의 영구 기억장치(permanent storage), 기록가능 기억 매체(writable storage medium) 상의 변경가능 기억장치(alterable storage)를 포함하는 수 많은 형태로서 컴퓨터로 전달되거나 또는 컴퓨터 네트워크, 공중 교환 전화망, 섬유광 케이블을 통해 전달되거나 또는 고주파 신호를 송신할 수 있다.
셀룰러 방식의 통신 시스템에 적용되는 본 발명의 원리는 그것에 제한되는 것은 아니지만, 개인 통신 시스템, 위성 통신 시스템 및 데이터 네트워크를 포함하는 다른 종류의 통신 시스템에도 적용할 수 있고, 더 나아가서 임의의 개수의 셀을 갖는 셀룰러 통신 시스템에도 적용할 수 있다. 마찬가지로, 본 명세서에 설명된 원리는 통신 시스템이 아날로그 또는 디지털, 단일 방향 또는 양방향일때도 적용할 수 있다. 또한, 본 발명의 특징이 사용될 수 있는 통신 시스템 및 네트워크 요소는 다른 적당한 방식으로 구성될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 본 발명의 여러 실시예는 임의의 주파수를 갖는 통신 신호 및 임의의 에어 인터페이스(air interface) 규격을 따르는 통신 시스템과 연관되어 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 형태가 첨부된 청구범위 및 그 청구범위의 균등 사상과 범위에서 벗어나지 않고 고안될 수 있는 것은 명백하며, 본 발명이 상술한 특정 실시예에 어떤 방식으로든 제한되지 않고, 다음의 청구범위 및 그들의 등가물에 의해 결정될 뿐이라는 것이 이해될 것이다.

Claims (10)

  1. 제1 파장을 갖는 제1 신호를 송신하도록 구성된 마이크로 셀룰러 송신기인 제1 송신기 및 제2 파장을 갖는 제2 신호를 송신하도록 구성된 매크로 셀룰러 송신기인 제2 송신기를 구비하고 지리적 영역에 대해 서비스를 제공하는 무선 통신 시스템에서, 상기 지리적 영역 내 소정의 위치에서 상기 제1 신호 및 제2 신호의 특성을 예측하는 방법에 있어서,
    상기 제1 및 제2 송신기의 표시(representations of the first and second transmitters)에 대한 위치를 결정하는 단계;
    상기 지리적 영역의 환경 모델(environmental model)을 규정하는 단계;
    상기 환경 모델 내에 다수의 패싯을 규정하는 단계 - 상기 다수의 패싯 각각은 크기를 갖고 평면을 규정하는 적어도 3개의 점을 포함하고, 상기 다수의 패싯 중 적어도 하나의 패싯은 상기 소정의 위치와 연관되어 있음-;
    상기 특성을 예측하기 위한 제1의 결정론적인 기술을 제공하는 단계;
    상기 특성을 예측하기 위한 제2의 통계학적인 기술을 제공하는 단계;
    상기 소정의 위치와 연관된 상기 적어도 하나의 패싯의 크기, 상기 제1 파장 및 제2 파장에 근거하여, 상기 소정의 위치에서의 특성을 예측하기 위해 상기 제1의 결정론적인 기술과 제2의 통계학적인 기술 중 하나를 사용하는 단계; 및
    상기 예측에 따라, 상기 무선 통신 시스템과 연관된 파라미터를 수정하는 단계
    를 포함하는 무선 통신 시스템에서의 신호 특성 예측 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 무선 통신 시스템은 셀룰러 무선전화 통신 시스템을 포함하는 무선 통신 시스템에서의 신호 특성 예측 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 셀룰러 무선전화 통신 시스템은 코드 분할 다중 접속(CDMA) 시스템, 아날로그 시스템 및 시분할 다중 접속(TDMA) 시스템으로 구성된 군에서 선택되는 무선 통신 시스템에서의 신호 특성 예측 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 소정의 위치는 3차원 영역을 포함하는 무선 통신 시스템에서의 신호 특성 예측 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 환경 모델은 맵을 포함하는 무선 통신 시스템에서의 신호 특성 예측 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 맵은 데이터 베이스를 포함하는 무선 통신 시스템에서의 신호 특성 예측 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 데이터 베이스는 지형 데이터의 표시 및 하나의 데이터 세트로 통합된 클러터 데이터(clutter data)의 표시를 포함하는 무선 통신 시스템에서의 신호 특성 예측 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 클러터 데이터는 3차원 건축물을 포함하는 무선 통신 시스템에서의 신호 특성 예측 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 패싯 각각은 상기 평면에 수직인 벡터를 더 포함하는 무선 통신 시스템에서의 신호 특성 예측 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 패싯 각각에 우선 순위값을 할당하는 단계를 더 포함하는 무선 통신 시스템에서의 신호 특성 예측 방법.
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