KR100545688B1 - 중파대역 산악지형 경로 손실 예측 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중파대역 산악지형 경로 손실 예측 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무선 방송 및 DGPS와 같은 고정밀 위치 추적 시스템, ILS(항공기 유도)등에 이용되는 중파 대역 무선 서비스를 위한 기초 정보인 무선 신호의 경로 손실에 대해 빠르고 정확한 예측 방법을 개발하고 이를 3차원 지형 정보에 적용함으로써, 중파 무선 서비스를 위한 효율적인 망 설계 및 무선국의 운영·관리가 이루어지도록 하는 산악 지형에 적합한 중파대역 산악 지형 경로 손실 예측 방법에 관한 것이다.

이를 위해 발명한 본 예측 방법은 산악 지형을 평야, 산악, 높은 계곡, 낮은 계곡으로 판별하는 알고리즘을 통하여 지형을 구분하고 각 지형별로 산악 환경 감쇄 파라미터를 도입함으로써, 기존의 예측 모델에 비해 높은 정확도를 갖는 예측 모델을 발명하고 이를 이용한 중파대역 산악지형 경로 손실 예측 방법을 제공함을 특징으로 한다.

Description

중파대역 산악지형 경로 손실 예측 방법{An MF band path loss prediction algorithm}

도 1은 본 발명에 따른 중파 전파 경로 손실 예측 방법 순서도

도 2는 본 발명을 이용한 중파 전파 예측 방법의 주요 파라미터 및 그 값을 나타낸 도표

도 3은 본 발명의 주요 파라미터 정의를 보인 개략도

도 4는 본 발명의 시스템(알고리즘) 구성을 개략적으로 보인 블록도

본 발명은 중파대역 산악지형 경로 손실 예측 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무선 방송 및 DGPS와 같은 고정밀 위치 추적 시스템, ILS(항공기 유도)등에 이용되는 중파 대역 무선 서비스를 위한 기초 정보인 무선 신호의 경로 손실에 대해 빠르고 정확한 예측 방법을 개발하고 이를 3차원 지형 정보에 적용함으로써, 중파 무선 서비스를 위한 효율적인 망 설계 및 무선국의 운영·관리가 이루어지도록 하는 산악 지형에 적합한 중파 대역 산악 지형 경로 손실 예측 방법에 관한 것이다.

기존 중파 대역 전계 강도 예측 방법에 대한 국제적인 발명 및 연구는 평야와 같은 넓고 평평한 지형을 가정하는 경우가 많으나 국내에서는 국토의 대부분이 산악이기 때문에 이러한 발명에 의한 예측이 국내 지형에는 적합치 않은 결과를 나타내게 된다. 더욱 구체적으로는 일반 전파 예측이 대지 도전율을 이용하여 예측을 하지만 지형의 영향을 고려치 못하고 지형의 프로파일을 고려할 수 있는 방법의 경우 전체 지형을 고려하여 기하학적으로 복잡한 해석과정을 통해 전계 강도 예측을 수행하여야 하기 때문에 수십만 제곱 킬로미터에 달하는 영역에 서비스를 제공해야 하는 중파 대역 무선 서비스를 위한 전파 해석 방법으로는 적합하지 않으며 실제 응용 가능한 전계 강도 예측 시스템 구축을 위해서는 빠르고 정확하면서 산악 지형을 고려할 수 있는 예측 방법이 필요하다.

기존의 무선 서비스를 위한 전계 강도 예측 시스템 중 중파 대역에 대한 전계 강도 예측 방법 및 이를 수행하는 시스템은 그 발명 빈도가 적으며 본 발명과 같이 광범위한 지역에 대한 실측을 통해 검증된 방법을 적용한 시스템은 전무하다.

상기와 같은 문제점 및 요구 사항을 고려하여 안출한 본 발명은 중파 대역 무선 서비스를 위해 산악 지형에 적합한 중파대역 산악지형 경로 손실 예측 방법을 제공함을 기술적 과제로 삼는다.

이를 위해 본 발명은 지형 정보로부터 산악 지형을 평야, 산악, 높은 계곡, 낮은 계곡으로 구분하는 알고리즘을 도입하며 판별된 지형에 대해 손실 파라미터를 이용하여 지형에 따른 경로 손실 변화를 고려할 수 있는 전계 강도 예측 방법을 도 입함을 특징으로 한다.

또한, 이를 적용한 전계 강도 예측 시스템에서는 3차원 지형 정보와 연동한 방법을 통한 전계강도 예측기능, 전계 강도 측정값과 예측값을 비교할 수 있는 기능, 전계강도 측정값과 예측값을 지형도 상에 그림으로 출력하는 기능, 측정값과 예측값을 비교하고 그 차이를 지형도 상에 그림으로 출력하는 기능을 구현하여 정확한 전파 해석 및 측정값과 비교 분석을 통한 방법 검증이 가능함을 특징으로 한다.

본 발명을 설명하기 위한 첨부 도면 도 1은 본 발명에 따른 중파 전파 방법 순서도이고, 도 2는 본 발명을 이용한 중파 전파 예측 방법의 주요 파라미터 및 그 값을 나타낸 도표이고, 도 3은 본 발명의 주요 파라미터 정의를 보인 개략도이며, 도 4는 본 발명 알고리즘을 이용하여 구축할 수 있는 시스템 구성을 개략적으로 보인 블럭도를 나타낸 것이다.

본 발명은 첨부 도면 도 1에서 보는 바와 같이, 중파대역 신호는 송신 안테나에서부터 방사되며 수직편파 되어 전파되며 실제 복잡한 지표 환경을 진행하며 감쇄하게 되는데, 상기 감쇄 요소를 입력파워, 기준국에서 원하는 지점까지의 거리에 대한 입력 값 등을 고려하여,

라는 수식을 통해 계산하는 감쇄 요소 계산 단계(S110)와,

중파대역에서 고도에 따른 추가적인 전계 강도 감쇄 등을 고려하여,

라는 수식을 통해 계산하는 고도에 따른 전계 강도 감쇄 계산 단계(S120)와,

전파가 진행함에 있어서 산악이나 큰 건물 등에 의해 감쇄되는 요소를

라는 수식과,

라는 수식을 통해 계산하는 산악에 의한 추가적인 경로 감쇄 계산 단계(S130, S140, S150)를 거치며 최종적으로 새로운 경로 손실 예측 방법은 다음과 같이 간단히 나타내질 수 있다.

상기와 같이 진행되는 본 발명의 각 단계를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

감쇄 요소 계산 단계(S110)의 중파 기본식

는 일반적으로 이용되는 중파 전파 예측 모델로서, 이는 단일한 도전율에서의 전파 예측 모델로 이를 수정하여 근거리 중파 대역 전파 특성상 대지 도전율의 변화를 고려한 밀링턴 방법(millington method)을 적용하여 혼합 도전율을 갖는 지표면에 대한 일반화된 식으로 나타내어 질 수 있다.

단계(S120)는 중파 대역에서는 중파가 산악지형에 위치하였을 경우는 추가적인 감쇄 요소가 더 적용하기 위해 고도에 따른 전계 강도 감쇄 계산 단계이다.

이에 대한 식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, d는 송/수신단의 거리를 나타내며

는 송/수신단의 높이를 나타낸다.

산악에 의한 추가적인 경로 감쇄 계산 단계(S130)는 중파의 전파는 지표파의 형태로 전파하며 따라서 지표면에 한 파장 이내의 산이나 건물 등에 의한 영향은 거의 고려되지 않는다. 하지만 실질적으로 파가 진행함에 있어 산악이나, 큰 건물 등은 지표파의 진행에 영향을 미치는 현상을 고려하기 위한 것으로 산악 경로 감쇄(파라미터

)와 산악 환경 감쇄 (파라미터

)를 고려하여야 하며, 먼저, 산악 경로 감쇄 파라미터

는 여분의 경로에 의한 감쇄 요소를 나타내며, 지표파가 산을 전파하는 경우 추가적인 경로의 증가에 의해 생성되는 factor로 이 physical action은 지표파 손실과 전파 거리 사이 관계에 의해 생성된다.

여기서 손실은 거리의 거의 1.75배에 비례하는 값을 가진다.

이는 대부분의 경우 경로에 산에 의한 전체 경로 거리에 의한 지수는 1.75배보다는 조금 작다.

이 산악경로 증가에 의한 감쇄 파라미터는 다음과 같이 근사화할 수 있다.

여기서

는 mountain-density 파라미터이며 크기는 0-1사이의 값을 가지며, 이는 실제 측정값을 바탕으로 보정한 값이다.

mountain-density 파라미터인

는 경로에서의 산의 밀집도를 나타내는 값으로 대표되며, 쉽게 결정되어 진다.

일반적으로 우리나라 지도를 전체 영역으로 하여 경로 상에 산이 존재하는 지역과 그렇지 않은 지역과의 비로 나타내어진다.

를 결정하기 위해서는 다음과 같은 방법을 이용한다.

산의 높이는 일반적으로 250m이상의 산에 대해서만 적용한다.

따라서, 경로가 100km라고 가정하면 그 중에 250m 이상의 산이 존재하는 거리가 20km 이고 산이 존재하지 않는 지역이 80km라고 가정하면 식은 다음과 같이 나타내어진다.

따라서, 100km의 거리의 전계 강도 예측 모델을 적용하고자 할 때 이 값을 적용하게 된다.

또한, 산악 환경 감쇄 파라미터

를 이용한 방법은 수신지역 환경의 영향에 대한 전파 손실을 나타낸 factor로서, 본 발명에서는 수신단에 가장 근접한 산의 높이, 산과 수신단과의 거리 그리고 수신단 주위의 산의 밀집도에 의해 결정되는 값이다.

예를 들어 수신안테나가 지면에 위치에 있고 주위가 계곡으로 둘러 쌓여 있다고 가정한다면, 수신되는 전계 강도는 넓은 지역에 위치한 안테나에 비해서 매우 적게 수신된다.

이런 종류의 감쇄 손실은 매우 크고 복잡한 요소를 갖추고 있기 때문에 이를 정확하게 일반화시켜서 표현하는 데는 다소 어려움이 있다.

따라서, 실험적으로 실측에 의해서 (1+

)의 지수를 4.25로 선택하면, 다음과 같이 수식으로 나타내어진다.

여기서

는 앞서의 식에서 언급한 수신지역의 환경에 대한 영향에 대한 전파 손실을 나타내는 factor이다.

첨부 도면 도 2는 이 방법을 기본으로 다양한 지역에서의 실측을 바탕으로 한 실험에 의해서 얻어진 값이며, 환경에 대한 일반적인 사양은 첨부 도면 도 3에서 도시한 2개의 factor(

)에 의해서 결정되어 진다.

는 수신점에서 기준국 방향으로 직선상의 1km 앞쪽에 있는 산중 가장 높은 산의 높이를 나타내며,

는 가장 높은 산과 원하는 수신점까지의 거리를 나타낸다.

수신 환경 설정단계(S140)는 일반적으로 평지 및 낮은 계곡, 높은 계곡으로 나뉘는데, 기준은 수신지역을 중심으로 3km(3 λ)의 반경을 가지고 산이 분포도를 가지고 결정한다.

하지만, 시뮬레이션 시는 반경 1 km 내의 고도를 모두 불러들일 시 속도가 매우 느려지고, 구현이 매우 어려워 본 방법에서는 송신단에서 수신단까지의 직선 거리상의 앞, 뒤 3 km (3 λ)의 거리내의 고도 값을 불러 들여 그 고도값을 기준으 로 결정한다.

도 2에서

는 수신점에서 기준국 방향으로 직선상의 1km 앞쪽에 있는 산중 가장 높은 산의 높이를 나타내며,

는 가장 높은 산과 원하는 수신점 까지의 거리를 나타낸다.

환경의 설정은 일반적으로 평지 및 낮은 계곡, 높은 계곡으로 나뉘는데, 기준은 수신지역을 중심으로 1km의 반경을 가지고 산이 분포도를 가지고 결정한다.

하지만 시뮬레이션 시는 반경 1km 내의 고도를 모두 불러들일 시 속도가 매우 느려지고, 시뮬레이션이 매우 어려워짐으로 송신단에서 수신단까지의 직선 거리상의 앞, 뒤 3km의 거리내의 고도 값을 불러 들여 그 고도값을 기준으로 결정하였다.

일반적으로 평지는 수신지역의 앞뒤 직선 거리 상 λ/20(m)이하의 산으로 이루어진 경우를 나타내며, 낮은 계곡은 앞쪽에 λ/20(m)이상의 산이 존재하고 뒤에 λ/10(m)의 산이 존재 할 경우, 또는 앞에 λ/4(m)의 산이 존재하지 않지만 뒤에 λ/5(m)이상의 산이 존재 할 때를 나타내며, 높은 계곡은 앞 뒤에 모두 λ/4(m)이상의 산이 존재 할 때로 정의 하여 사용한다.

이를 이용하여 송신단에서 수신단 까지의 직선 거리상의 앞, 뒤 3 km (3 λ)의 거리내의 고도 값을 불러 들여 그 고도값을 기준으로 환경을 설정 하되, 평지는 수신지역의 앞뒤 직선 거리 상 λ/20(m)이하의 산으로 이루어진 경우를 말하며, 이는 (0.1 < re < 0.3)의 조건으로 수신환경 파라미터를 계산하고, 낮은 계곡은 앞쪽 에 λ/20(m)이상의 산이 존재하고 뒤에 λ/10(m)의 산이 존재 할 경우를 말하며, 이는 (0.35 < re < 0.5)의 조건으로 수신환경 파라미터를 계산하며, 또는 앞에 λ/4(m)의 산이 존재하지 않지만 뒤에 λ/5(m)이상의 산이 존재 할 때를 나타내며, 높은 계곡은 앞, 뒤에 모두 λ/4(m)이상의 산으로 이루어진 경우를 말하며, 이는 (0.5 <re < 0.99)의 조건을 수신환경 파라미터를 계산하여 환경을 설정하는 수신 환경 설정단계(S140)와, 상기 각 결과를 가지고 원하는 수신점 전계 강도 감쇄 계산 단계(S150)에서

라는 수식을 통해 원하는 수신점의 전계 강도 감쇄를 계산하고, 계산된 결과 값을 출력하는 원하는 지점의 전계 강도 출력 단계(S160)로 진행된다.

원하는 지점의 전계 강도 출력 단계(S160)에서는 그 결과값을 프린터로 출력하거나, 예측 및 측정 정보를 지도상에 출력하며, 예측 정보와 측정 정보간 차이를 컴퓨터 시스템의 모니터 지도상에 출력한다.

참고로, 첨부 도면 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 시스템(알로리즘)은 측정값을 이용한 전파 예측 방법의 보정을 위하여 정보관리층, 정보 예측층, 정보 분석층으로 나뉜다.

상기, 정보 관리층은 지형 정보와 송신소 관리, 측정 정보 관리 기능을 포함하고 있으며, 전파 예측 방법층은 송신소의 출력 신호에 대한 경로 손실을 예측할 수 있는 기능을 포함하고 있다.

또한, 정보 분석층에서는 예측 및 측정 정보를 지도상에 출력하며 예측 정보와 측정 정보간 차이를 지도상에 출력하는 기능을 포함하고 있다.

이와 같이 되는 본 발명은 중파 대역 무선 서비스를 위한 기초 정보인 무선 신호의 경로 손실에 대해 빠르고 정확한 예측 방법을 개발하고 이를 3차원 지형 정보에 적용함으로써, 중파 무선 서비스에서 효율적인 망 설계 및 무선국의 운영, 관리가 이루어지도록 하여 서비스 설치 및 운영비용을 최소화하는 효과를 갖는다.

Claims (1)

1. 전파되는 전파의 손실을 예측하는 방법에 있어서, 중파대역 신호는 송신 안테나에서부터 방사 전파되며 실제 복잡한 지표 환경을 진행하며 감쇄하게 되는데,

   전파가 진행함에 있어서 산악이나 큰 건물 등에 의해 감쇄되는 요소를

   

   라는 수식과,

   

   라는 수식을 통해 계산하는 산악에 의한 추가적인 경로 감쇄 계산 단계(S130)와,

   송신단에서 수신단 까지의 직선 거리상의 앞, 뒤 거리내의 고도값을 불러 들여 그 고도값을 기준으로 사전에 설정된 대입 데이터 값들을 이용하여 환경을 설정하는 수신 환경 설정단계(S140)와,

   상기 각 결과를 가지고

   

   라는 수식을 통해 원하는 수신점의 전계 강도 감쇄를 계산하는 원하는 수신점 전계 강도 감쇄 계산 단계(S150)를 거쳐 최종적으로

   

   라는 수식을 이용하여 전계 강도를 계산하고, 상기와 같이 계산된 결과값을 출력하는 원하는 지점의 전계 강도 출력 단계(S160)로 진행됨을 특징으로 하는 중파대역 산악지형 경로 손실 예측 방법.

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