KR100831553B1 - 쿼드 트리를 이용한 3차원 광선 추적 방법 및 해쉬테이블을 이용한 전파 특성 예측 방법 - Google Patents

쿼드 트리를 이용한 3차원 광선 추적 방법 및 해쉬테이블을 이용한 전파 특성 예측 방법 Download PDF

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Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야
본 발명은 쿼드 트리를 이용한 3차원 광선 추적 방법 및 해쉬 테이블을 이용한 전파 특성 예측 방법과 상기 방법들을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 관한 것임.
2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제
본 발명은 쿼드 트리(quad tree)를 이용하여 3차원 레이 튜브(ray tube)를 생성함으로써 건물면과 지면에 대한 검색 속도를 향상시킨 3차원 광선 추적 방법과, 상기 쿼드 트리(quad tree)를 이용하여 속도를 향상시킨 3차원 광선 추적법을 사용하고 해쉬 테이블(hash table)을 이용하여 전파 특성을 계산함으로써 관측점을 포함하는 레이 튜브(ray tube)에 대한 검색 속도를 향상시킨 전파 특성 예측 방법과, 상기 방법들을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공하는데 그 목적이 있음.
3. 발명의 해결방법의 요지
본 발명은, 전파 특성 예측 방법에 있어서, 3차원 광선 추적법을 위하여 필요한 기본 데이터를 입력받는 입력 단계; 쿼드 트리(quad tree)를 이용하여 레이 튜브(ray tube)를 생성하여 전파 경로를 형성하는 전파 경로 추적 단계; 해쉬 테이블(hash table)을 이용하여 관측점을 포함하는 레이 튜브(ray tube)를 검색하는 레이 튜브 검색 단계; 및 상기 검색한 레이 튜브(ray tube)에 대하여 전파 특성을 계 산하는 전파 특성 계산 단계를 포함함.
4. 발명의 중요한 용도
본 발명은 무선 통신망 설계 시스템 등에 이용됨.
3차원 광선 추적법, 쿼드 트리(quad tree), 레이 튜브(ray tube) 생성, 해쉬 테이블(hash table), 전파 경로 손실 추정

Description

쿼드 트리를 이용한 3차원 광선 추적 방법 및 해쉬 테이블을 이용한 전파 특성 예측 방법{3D ray tracing method using quad tree and method for predicting propagation characteristics using hash table}
도 1a 및 도 1b는 본 발명이 적용되는 전파 경로 손실 추정 시스템의 일실시예 구성도,
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 송신 안테나의 위치에서 시작하는 레이 튜브(ray tube)와 레이 튜브(ray tube)에 속하면서 송신점에서 보이는 면을 찾는 과정에 대한 일실시예 설명도,
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 레이 튜브(ray tube)에 속한 면에 관해 직선을 그어 다른 면과 교점이 있는지 여부를 판별하는 과정에 대한 일실시예 설명도,
도 4는 본 발명에 따른 관측점을 포함하는 레이 튜브(ray tube)를 검색하는 과정에 대한 일실시예 설명도,
도 5는 본 발명에 따른 쿼드 트리를 이용한 3차원 광선 추적 방법 및 해쉬 테이블을 이용한 전파 특성 예측 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
11 : 컴퓨터 12 : 키보드
13 : 마우스 14 : 프린터
15 : 중앙처리장치 16 : 주기억장치
17 : 보조기억장치 18 : 주변장치
본 발명은 전파 특성 예측을 위한 3차원 광선 추적 방법 및 무선 통신에서 전자파의 전파 특성을 빠른 속도로 예측하기 위한 전파 특성 예측 방법과 상기 방법들을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 3차원 레이 튜브(ray tube) 생성 시 쿼드 트리(quad tree)를 이용하여 건물면과 지면에 대한 검색 속도를 향상시킨 3차원 광선 추적 방법과 상기 방법을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체와, 그에 따른 전파 특성(예 : 전파 감쇄, 위상 등) 계산 시 해쉬 테이블(hash table)을 이용하여 관측점을 포함하는 레이 튜브(ray tube)에 대한 검색 속도를 향상시킨 전파 특성 예측 방법과 상기 방법을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 관한 것이다.
무선 통신망을 구축하기 위해 기지국 등의 기반 시설과 휴대 전화, 무선 랜 등의 무선 기기를 설계하기 위해서는 반드시 정확한 전파 모델 등의 정보가 필요하다. 이러한 중요한 정보를 얻기 위해 기존에 사용하던 방법은 크게 다음의 두 가지로 나눌 수 있다.
하나의 방법은 다수의 실제 측정 결과에 의해 축적된 정보를 이용하여 통계적인 모델을 만들어서 이용하는 방법이고, 다른 하나의 방법은 건물 정보를 바탕으로 하여 컴퓨터로 전파의 경로를 계산하여 전파 모델을 얻는 방법이다.
이러한 두 방법 중에, 상기 통계적인 방법에 의한 전파 모델은 예측 값을 얻기 쉬운 반면에, 실제 지형과 건물의 분포가 고려되지 않았기 때문에 정확한 예측을 하기 힘든 단점이 있다.
반면에, 상기 컴퓨터에 의한 예측 방법은 실제 건물 데이터를 이용하여, 가능한 전파 경로를 모두 계산하여 결과를 얻기 때문에, 매우 정확한 전파 모델을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 그러나 모든 가능한 전파의 경로를 찾기가 쉽지 않고, 찾는 방법에 따라 매우 오랜 시간이 걸리는 경우도 있다는 단점이 있다.
한편, 상기 컴퓨터에 의한 예측 방법은 전파 경로를 추적하는 방법에 따라 다시 다음의 두 가지로 나눌 수 있다.
첫 번째 방법은 송신 안테나의 위치에서 모든 방향으로 반 무한 직선을 생성하여 직선이 건물면과 만나는 지점을 확인하는 방법이다. 실제 전파 현상과 엄밀하게 동일한 것은 아니지만, 직선을 이용하는 이유는 건물면의 면적이 해당 전파의 파장에 비해 매우 큰 경우, 회절에 의한 영향을 받는 영역이 상대적으로 협소하여 무시할 수 있기 때문이다. 건물면과 송신 안테나에서 방사된 전파가 만나면 건물면 과 직선의 각도에 따라 반사파에 해당하는 직선을 만들 수 있고, 이렇게 생성된 직선이 다시 건물면과 만나는지를 검사하는 방식으로 계속 진행하면서, 전파 모델의 측정점에 해당하는 지점을 지나는지를 검사한다. 만약, 전파의 경로에 측정점이 포함되면, 송신점으로부터 측정점까지의 거리에 의한 전파의 감쇄, 벽면 반사에 의한 감쇄 등과 같은 전파 특성을 계산하여 예측 결과를 구한다. 이러한 방식으로 실제 전파 모델을 계산하는 경우에는 무한 직선의 개수에 따라 정확도가 달라진다. 즉, 많은 무한 직선을 사용할수록 전파 모델의 정확도는 향상되지만, 전파 모델을 계산하는데 더 많은 시간이 소요되는 단점이 있다.
두 번째 방법은 상기 첫 번째 방법의 문제점을 개선한 것으로서, 송신 안테나에서 보이는 건물면에 1개의 직선만을 방사하여 반사된 직선으로 생성되는 레이 튜브(ray tube)를 형성하는 방법이다. 여기서, 레이 튜브(ray tube)란 다수의 레이(ray)의 묶음으로, 같은 레이 튜브(ray tube) 내의 모든 레이는 같은 전파 경로 값을 가진다.
전술한 바를 정리하여 보면, 무선 통신망을 구축하기 위해서는 정확한 전파 모델이 필요하고, 이를 위해 3차원 광선 추적법을 사용해 왔다. 이러한 3차원 광선 추적법 중에 광선의 전파 가능 경로를 다발로 묶어서 레이 튜브(ray tube)라는 개념을 이용하여 전파 특성을 계산하는 방법이 지금까지 많이 사용되어 왔다.
그런데, 이러한 레이 튜브(ray tube)를 이용한 기존의 3차원 광선 추적법에서는 전파 특성을 알고 싶은 지점이 레이 튜브(ray tube)에 포함이 되는지 아니면 포함되지 않는지를 검사하는 방식을 많이 사용하는데, 이 과정에서 매우 많은 계산 시간이 소요된다.
상기 기존의 3차원 광선 추적법에 있어서, 건물면과 지면의 총 개수가 N(N은 자연수)이라 하면, 먼저 송신 안테나에서 보이는 면을 찾기 위해서 N개의 면에 관해서 직선을 그어서, 각 직선이 다른 N-1개의 면과 교점이 생기는지를 검사해야 한다. 이 과정에서 계산 횟수는 벌써 N*(N-1)개가 되고, 이 과정을 통해서 교점이 없는 면이 송신 안테나에서 가시점(line of sight)에 해당하는 면이다. 이 면들이 레이(ray)의 경로를 바꾸게 하는 반사면이다. 이 반사면에서 다시 앞의 과정을 반복하는 방식으로 전파의 경로를 찾게 되므로, 건물 개수 N의 제곱에 비례하는 계산 량을 필요로 한다.
상기와 같은 방식으로 송신 안테나에서 나온 전파의 가능한 경로를 모두 찾는 과정을 거치고 나서, 전파 특성을 알고자 하는 지점이 정해지면 그 지점이 어느 레이 튜브(ray tube)에 속하는지를 역 경로를 통해서 찾아야 비로소 전파 특성을 얻을 수 있다. 앞의 과정을 포워드 레이 추적(forward ray tracing)이라 하고, 뒤의 과정을 백워드 레이 추적(backward ray tracing)이라 하며, 후자의 경우에도 매우 많은 수의 계산 량을 필요로 한다.
즉, 후자의 경우에는 이전의 과정에서 찾은 전체 레이 튜브(ray tube)의 개수를 M(M은 자연수)이라고 하면, 관측 지점(즉, 관측점) 한군데마다 M개의 레이 튜브(ray tube)에 포함되는지 아니면 포함되지 않는지에 관한 계산이 필요하다. 상기 계산 결과로 특정 레이 튜브(ray tube)에 포함되면 그 이전 과정의 레이 튜브(ray tube)에 포함되는지 여부의 계산을 차례로 수행하여 송신 안테나의 위치에 도달할 때까지 반복한다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 쿼드 트리(quad tree)를 이용하여 3차원 레이 튜브(ray tube)를 생성함으로써 건물면과 지면에 대한 검색 속도를 향상시킨 3차원 광선 추적 방법과 상기 방법을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 쿼드 트리(quad tree)를 이용하여 속도를 향상시킨 3차원 광선 추적법을 사용하고 해쉬 테이블(hash table)을 이용하여 전파 특성을 계산함으로써 관측점을 포함하는 레이 튜브(ray tube)에 대한 검색 속도를 향상시킨 전파 특성 예측 방법과 상기 방법을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법은, 3차원 광선 추적 방법에 있어서, 3차원 광선 추적법을 위하여 필요한 기본 데이터를 입력받는 입력 단계; 및 쿼 드 트리(quad tree)를 이용하여 레이 튜브(ray tube)를 생성하여 전파 경로를 형성하는 전파 경로 추적 단계를 포함한다.
그리고 바람직하게는, 상기 전파 경로 추적 단계는, 쿼드 트리(quad tree)를 이용하여 송신 안테나에서 보이는 면을 찾는 면 탐색 단계; 상기 찾은 각 면에 대해 레이 튜브(ray tube)를 생성하는 레이 튜브 생성 단계; 상기 레이 튜브 생성 단계에서 생성한 레이 튜브를 이용하여 새로운 레이 튜브(ray tube)를 생성하여 상기 레이 튜브 생성 단계에서 생성한 레이 튜브에 연결하는 레이 튜브 연결 단계; 및 기 설정한 횟수만큼 상기 레이 튜브 생성 단계 및 상기 레이 튜브 연결 단계를 반복 수행하여 전파 경로를 형성하는 단계를 포함한다.
그리고 바람직하게는, 상기 면 탐색 단계는, 건물면과 지면의 분할면으로 이루어진 면들을 쿼드 트리(quad tree) 형태로 분류하여 검색 대상 면의 개수를 줄이는 단계; 및 상기 줄인 각 검색 대상 면에 관해 직선을 그어 다른 면과 교점이 있는지 여부에 따라 가시거리에 있는 면을 판별하는 판별 단계를 포함한다.
그리고 바람직하게는, 상기 판별 단계는, 상기 줄인 각 검색 대상 면 중에서 검사하고자 하는 면에 관해 직선을 그어, 송신점으로부터 현재 검사 대상 면과의 거리보다 먼 곳에 존재하는 면들에 관해서는 교점 존재 여부를 검사하지 않고 가까운 곳에 존재하는 면과의 교점 존재 여부만을 검사하는 것을 특징으로 한다.
그리고 바람직하게는, 상기 레이 튜브 연결 단계는, 반사에 의해 생기는 레이 튜브(ray tube)의 꼭지점 및 회절에 의해 생기는 레이 튜브(ray tube)의 모서리 지점에서 보이는 면을 다시 찾아 상기 레이 튜브 생성 단계에서 생성한 레이 튜브 에 연결하여 새로운 전파 경로를 형성해 가는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법은, 전파 특성 예측 방법에 있어서, 3차원 광선 추적법을 위하여 필요한 기본 데이터를 입력받는 입력 단계; 쿼드 트리(quad tree)를 이용하여 레이 튜브(ray tube)를 생성하여 전파 경로를 형성하는 전파 경로 추적 단계; 해쉬 테이블(hash table)을 이용하여 관측점을 포함하는 레이 튜브(ray tube)를 검색하는 레이 튜브 검색 단계; 및 상기 검색한 레이 튜브(ray tube)에 대하여 전파 특성을 계산하는 전파 특성 계산 단계를 포함한다.
그리고 바람직하게는, 상기 레이 튜브 검색 단계는, 건물과 지면이 있는 공간을 2차원 격자 형태의 집합으로 분류하는 단계; 상기 분류한 각 격자를 지나치는 레이 튜브(ray tube)들의 번호를 저장하는 단계; 상기 해쉬 테이블(hash table)을 이용하여 상기 분류한 각 격자 중 관측점을 포함하는 격자를 결정하는 단계; 및 상기 결정한 격자를 지나치는 레이 튜브(ray tube)에 관해서만 관측점을 포함하는지 여부를 검사하는 단계를 포함한다.
한편, 본 발명은, 프로세서를 구비한 3차원 광선 추적 시스템에, 3차원 광선 추적법을 위하여 필요한 기본 데이터를 입력받는 입력 기능; 및 쿼드 트리(quad tree)를 이용하여 레이 튜브(ray tube)를 생성하여 전파 경로를 형성하는 전파 경로 추적 기능을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공한다.
한편, 본 발명은, 프로세서를 구비한 전파 특성 예측 시스템에, 3차원 광선 추적법을 위하여 필요한 기본 데이터를 입력받는 입력 기능; 쿼드 트리(quad tree)를 이용하여 레이 튜브(ray tube)를 생성하여 전파 경로를 형성하는 전파 경로 추적 기능; 해쉬 테이블(hash table)을 이용하여 관측점을 포함하는 레이 튜브(ray tube)를 검색하는 레이 튜브 검색 기능; 및 상기 검색한 레이 튜브(ray tube)에 대하여 전파 특성을 계산하는 전파 특성 계산 기능을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공한다.
이처럼, 본 발명은 무선 통신에서 전자파의 전파 특성을 빠르게 예측하는 방법에 관한 것으로, 컴퓨터를 이용하여 가능한 전파 경로를 모두 찾고 그에 대한 전파 특성(예 : 전파 세기의 감쇄, 위상 등)을 계산하는데 소요되는 시간을 줄이기 위해 불필요한 계산 횟수를 줄이는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 레이 튜브(ray tube)를 이용한 3차원 광선 추적법에서는 레이 튜브(ray tube) 안에서 전파가 진행하면서 마주치는 면과 모서리를 계속적으로 검색해야 한다. 이때, 검색 방법은 먼저 송신 안테나에서 보이는 면을 우선적으로 찾아야 한다. 본 발명에서는 N개의 면에 관해 가시점에 있는지 여부의 판정을 효율적으로 하기 위해서, 건물면과 지면의 분할면으로 이루어진 면들을 먼저 쿼드 트리(quad tree) 형태의 집합으로 분류한다. 이런 식으로 분할하면 분할 단계에 따라 검색 대상의 면이 1/4로 줄어들기 때문에 건물이 아주 많은 경우에 검색 속도가 향상된다. 분할된 집합 중에 레이 튜브(ray tube)와 조금이라도 겹치는 집합들을 대상으로 그 집합에 속한 면들이 보이는지 여부를 판정하면 된다.
또한, 집합 내의 면들은 송신점으로부터 거리가 멀어지는 순서로 정 렬(sorting)을 하여 불필요한 계산 횟수를 최소화한다.
상기와 같은 방식으로 레이 튜브(ray tube)를 모두 찾은 후에, 전파 특성을 알고 싶은 관측점에서 전파 특성을 계산하려면 관측점을 포함하는 레이 튜브(ray tube)를 모두 찾아야 한다. 이 과정에서도 매우 많은 시간과 불필요한 계산이 많이 소요된다. 본 발명에서는 이러한 소요 시간을 최소화하기 위해 해쉬 테이블(hash table)을 만들어서 검색 시 속도를 최대화하였다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명이 적용되는 전파 경로 손실 추정 시스템의 일실시예 구성도이다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 본 발명이 적용되는 전파 경로 손실 추정 시스템은, 본 발명에 필요한 연산을 수행하는 컴퓨터(11), 3차원 건물 정보, 해발 고도, 송신 안테나 위치, 및 송신 안테나 특성 등의 정보를 입력하기 위한 입력장치인 키보드(12)와 마우스(13), 및 연산 결과를 출력하기 위한 출력장치인 프린터(14)를 포함한다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 본 발명이 적용되는 전파 경로 손실 추정 시스템의 컴퓨터(11)는, 중앙처리장치(15)와, 상기 중앙처리장치(15)에 연결된 주기억장치(16)와, 상기 주기억장치(16)에 연결된 보조기억장치(17)와, 상기 주기억장치(16)에 연결된 주변장치(18)를 구비한다.
이처럼, 본 발명이 적용되는 전파 경로 손실 추정 시스템은, 컴퓨터의 전체 동작을 제어하고 관리하는 중앙처리장치(15), 상기 중앙처리장치(15)에서 수행되는 프로그램을 저장하고 작업 수행 중에 이용되는 또는 작업 수행 중에 발생되는 각종 데이터를 저장하는 주기억장치(16)와 보조기억장치(17), 및 사용자와의 데이터 입/출력을 위한 입/출력 장치(12 내지 14)와 통신 인터페이스 등을 위한 주변장치(18)를 포함한다.
그리고 상기 보조기억장치(17)는 대량의 데이터를 저장하는 역할을 하며, 상기 입/출력 장치(12 내지 14)는 일반적인 키보드(12), 마우스(13), 디스플레이 장치, 및 프린터(14) 등을 포함한다.
그러나 상기한 바와 같은 구성을 갖는 컴퓨터 하드웨어 환경은 당해 분야에서 이미 주지된 기술에 지나지 아니하므로 여기에서는 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다. 다만, 상기와 같은 하드웨어 시스템의 주기억장치(16)에는 쿼드 트리(quad tree)를 이용하여 3차원 레이 튜브(ray tube)를 생성함으로써 건물면과 지면에 대한 검색 속도를 향상시킨 3차원 광선 추적 알고리즘이나, 쿼드 트리(quad tree)를 이용하여 속도를 향상시킨 3차원 광선 추적법을 사용하고 해쉬 테이블(hash table)을 이용하여 전파 특성을 계산함으로써 관측점을 포함하는 레이 튜 브(ray tube)에 대한 검색 속도를 향상시킨 전파 특성 예측 알고리즘이 저장되어 있으며, 상기 중앙처리장치(15)의 제어에 따라 수행된다.
한편, 기존의 3차원 레이 튜브(ray tube)를 이용한 전파 모델은 송신 안테나에서 수신점까지의 전파 경로로 가능한 경로를 레이 튜브(ray tube)라는 개념을 사용하여 표시하는 방법을 사용하였다. 이때, 전파 경로는 전파가 송신 안테나에서 시작되어 진행되면서 반사와 회절이 될 때마다 방향과 형태가 바뀌게 되어 있다. 따라서 레이 튜브(ray tube) 안에서 전파가 진행하면서 마주치는 면과 모서리를 계속적으로 검색해야 한다.
이때, 검색 방법은 먼저 송신 안테나에서 보이는 면을 우선적으로 찾아야 한다. 만약, 건물면과 지면이 N개(N은 자연수)의 면으로 분할되어 있다고 하면, N개의 면에 관해서 가시점에 있는지를 확인해야 한다. 각 면의 중심과 송신 안테나 지점을 통과하는 직선을 그어서 직선이 다른 면과 교점이 생기는지를 확인하고, 교점이 없으면 해당 면은 가시점에 있는 면이 된다. 이 면이 반사파를 생성하여 반사 레이 튜브(ray tube)를 만들게 된다. 또한, 이 면의 모서리는 회절을 일으키므로 회절 레이 튜브(ray tube)도 함께 생성한다. 이런 방식으로 레이 튜브(ray tube)를 모두 생성한 후에, 전파 특성을 알고자 하는 지점이 정해지면 그 지점을 포함하는 레이 튜브(ray tube)들에 의한 전파 경로를 분석하면 전파 특성을 구할 수 있다.
본 발명에서는 N개의 면에 관해 가시점에 있는지 여부의 검색을 효율적으로 하기 위해서, 건물면과 지면의 분할면으로 이루어진 면들을 먼저 쿼드 트리(quad tree) 형태의 집합으로 분류한다. 이런 방식으로 분할하면 분할 단계에 따라 검색 대상의 면이 1/4로 줄어들기 때문에 건물이 아주 많은 경우(예 : 건물이 수백 내지 수천개인 도심지의 경우) 검색 속도가 향상된다. 분할된 집합 중에 레이 튜브(ray tube)와 조금이라도 겹치는 집합들을 대상으로 그 집합에 속한 면들이 보이는지 여부를 판정하면 된다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 송신 안테나의 위치에서 시작하는 레이 튜브(ray tube)와 레이 튜브(ray tube)에 속하면서 송신점에서 보이는 면을 찾는 과정에 대한 일실시예 설명도이다.
도 2a는 단순한 순차적 검색 과정을 나타내고 있고, 도 2b는 건물면과 지면의 분할면으로 이루어진 면들을 미리 쿼드 트리(quad tree) 형태로 분류한 다음에 검색하는 과정을 나타내고 있다. 도 2b의 쿼드 트리(quad tree)를 이용한 검색 방식은, 도 2a의 단순 순차 검색 방식에 비해, 건물의 개수가 많아질수록 기하급수적으로 검색 대상 면의 개수가 줄어들어 짧은 시간 내에 검색을 마칠 수 있다.
한편, 레이 튜브(ray tube)에 속하는 면을 찾은 후에 어느 면이 가시거리에 있는지를 판정하려면 레이 튜브(ray tube)에 속한 모든 면에 관해 직선을 그어 다른 면과 교점이 있는지 여부를 판별해야 한다. 레이 튜브(ray tube)가 각뿔 형태로 무한히 먼 곳까지 뻗어 있기 때문에 이 과정에서도 많은 검색 시간이 소요된다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 레이 튜브(ray tube)에 속한 면에 관해 직선을 그어 다른 면과 교점이 있는지 여부를 판별하는 과정에 대한 일실시예 설명도이다.
도 3a는 레이 튜브(ray tube)에 속하는 면들에 대해서 단순한 순차적 검색을 이용하여 x로 표시한 면이 보이는지 여부를 검색하는 모습을 나타내고 있는 도면으로, 직선과 레이 튜브(ray tube)에 속한 모든 건물면에 대해 교점이 있는지 여부를 판정한다.
반면에, 도 3b는 본 발명에서 따른 방식으로서, x로 표시한 면이 보이는지 여부를 판단하기 위해 송신점과 수신점에 직선을 그어 다른 면들과 교점이 생기는지를 판단하는 방법을 사용한다.
또한, 본 발명에서는 검색 횟수를 줄이기 위해 어느 면이 보이는지를 판별하기 위해, 해당 레이 튜브(ray tube) 내의 모든 면에 관해서 직선과 교점 존재 여부를 검사하지 않고, 송신점으로부터 해당 면과의 거리보다 먼 곳에 존재하는 면들에 관해서는 교점 존재 여부를 검사하지 않고 가까운 곳에 존재하는 면과의 교점 존재 여부만을 검사함으로써 계산 횟수를 줄이는 방식을 사용한다. 이때, 일예로 송신점으로부터 해당 면까지의 거리에 따라 해당 레이 튜브(ray tube) 내의 모든 면들을 정렬(sorting)하여, 즉 송신점으로부터 가까운 곳에 존재하는 면들부터 먼 곳에 있는 면들의 순서로 정렬하여 면과 직선의 교점 존재 여부를 검사함으로써 계산 횟수를 줄이는 방식을 사용한다.
상기와 같이 레이 튜브(ray tube)들을 모두 찾아낸 후, 전파 특성을 계산하기 위해서는 관측점을 포함하는 레이 튜브(ray tube)가 어떤 것인가를 찾아내야 한다. 전체 레이 튜브(ray tube)의 개수를 M개(M은 자연수)라고 하고 관측점의 개수를 N개라고 하면, 전파 특성을 계산하기 위해 필요한 후처리 과정에서만 N*M회의 계산이 필요하다. 건물이 많고, 지면의 굴곡이 많은 경우에는 많은 면이 생기고 이 에 따라 레이 튜브(ray tube)도 수 만개가 생기는데, 이런 경우에는 매우 오랜 시간이 소요되는 단점이 있다. 이를 극복하기 위해 본 발명에서는 생성된 레이 튜브(ray tube)를 해쉬 테이블(hash table) 형태의 집합에 분류해 넣음으로써 검색 속도를 극대화한다. 이를 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명에 따른 관측점을 포함하는 레이 튜브(ray tube)를 검색하는 과정에 대한 일실시예 설명도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 건물과 지면이 있는 공간을 2차원 격자 형태의 집합으로 분류하고, 각 격자를 지나치는 레이 튜브(ray tube)들의 번호를 기억해 놓고, 관측점이 정해지면 먼저 해당 관측점이 어느 격자에 포함되는지를 판정하고, 그 격자를 지나치는 레이 튜브(ray tube)들에 관해서만 관측점을 포함하는지 여부를 검사한다. 관측점을 격자에 대응하는 것은 해쉬 함수(Hash function)를 만들어서 결정하면 된다. 이와 같은 방법으로 전파 특성 예측을 빠른 속도로 수행할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 쿼드 트리를 이용한 3차원 광선 추적 방법 및 해쉬 테이블을 이용한 전파 특성 예측 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.
먼저, 3차원 건물 데이터와 건물별 해발 고도 등의 건물 정보를 입력받는다(51). 그리고 전파 모델을 계산하기 위하여 송신 안테나의 위치와 해당 송신 안테나 특성(복사 패턴 등) 등의 송신기 정보를 입력받는다(52). 그 외에도 3차원 광선 추적법을 위하여 필요한 다른 데이터를 더 입력받을 수도 있다.
즉, 3차원 광선 추적법을 위하여 필요한 기본 데이터를 입력받는다.
이후, 전파 경로를 찾기 시작한다. 우선, 송신 안테나에서 보이는 면(건물면, 지면 등)을 찾아야 한다. 본 발명에서는 도 2b에서 전술한 바와 같이 쿼드 트리(quad tree)를 이용하여 송신 안테나에서 보이는 면을 찾는다(53).
이후, 상기 찾은 면에 의해 전파의 반사가 생기고, 건물면이나 지면의 모서리를 포함하는 변에 의해 회절이 생기며, 이는 전파의 경로를 바꾸는 역할을 한다. 그러므로 각 면에 대해 각뿔 형태의 레이 튜브(ray tube)들이 만들어진다. 여기서, 각뿔 형태의 레이 튜브(ray tube)라는 것은 송신 안테나에서 나온 전파가 건물면에 의해 반사되어 생길 수 있는 가능한 전파경로의 전체 집합이 각뿔 형태가 된다는 의미이다. 각뿔의 꼭지점은 송신 안테나의 위치를 건물면에 대해서 면대칭이 되도록 하여 만들어지는 지점이다. 이는 전파 이론에서 영상점(image point)이라고 하는 지점이다. 이 꼭지점과 건물면의 모서리에 의해 레이 튜브(ray tube)를 만드는 과정을, 상기 "53" 과정에서 찾은 모든 면에 대해 수행한다. 또한, 회절에 의한 레이 튜브(ray tube)는 쐐기 형태가 되는데, 이는 회절을 일으키는 원인이 모서리이기 때문이다. 그러므로 쐐기는 건물면의 모서리에 해당하는 변과 그 변에 인접한 두 면에 의해 만들어진다(54).
이후, 상기 과정(54)에서 반사에 의해 생기는 레이 튜브(ray tube)의 꼭지점 및 회절에 의해 생기는 레이 튜브(ray tube)의 모서리가 그 다음 과정의 새로운 레이 튜브(ray tube)를 만드는 근원이 된다. 따라서 상기 과정(54)에서 만들어진 각뿔들의 꼭지점과 쐐기의 모서리 지점에서 보이는 면을 다시 찾는다. 즉, 상기 과정(54)에서 만들어진 레이 튜브(ray tube)에 대해 꼭지점에서 보이는 동시에 해당 레이 튜브(ray tube)의 내부에 포함되는 면들을 다시 찾는다. 이렇게 다시 찾은 면이 상기 과정(54)에서 만들어진 레이 튜브(ray tube)에 연결되어 새로운 전파 경로를 이룬다. 각각의 각뿔과 쐐기에 대해 이러한 과정을 반복하여 거치면 가능한 대부분의 전파 경로가 생성된다(55).
이때, 전파가 각 레이 튜브(ray tube)를 순차적으로 진행하게 되면 점차 에너지가 감쇄되므로, 어느 개수 이상의 레이 튜브(ray tube)가 연결되면 그에 의한 전파의 세기는 무시할 수 있으므로 반복하는 횟수(예 : 5회)를 미리 설정해 놓는다.
따라서 레이 튜브(ray tube)의 길이(L=자연수)가 미리 설정한 횟수 이하이면 상기 레이 튜브(ray tube) 생성 과정(54)부터 반복 수행한다(56).
한편, 레이 튜브(ray tube)의 길이(L=자연수)가 미리 설정한 횟수를 초과하면 상기 찾은 레이 튜브(ray tube), 즉 찾은 모든 전파 경로에 대해 전파의 감쇄 및 위상 등의 전파 특성을 계산하여, 전파 모델이 필요한 위치에 대하여 모델을 생성한다. 즉, 해쉬 테이블(hash table)을 이용하여 전파 모델이 필요한 각 위치를 포함하는 레이 튜브(ray tube)를 찾고, 각 레이 튜브(ray tube)의 길이와 튜브에 대응되는 건물면의 반사계수를 이용하여 전파 감쇄 및 위상 등의 전파 특성을 계산한다(57). 이때, 도 4에서 전술한 바와 같이, 해쉬 테이블(hash table)을 이용하여 관측점을 포함하는 레이 튜브(ray tube)를 검색함으로써, 검색 속도를 향상시킬 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 방법은 프로그램으로 구현되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 형태로 기록매체(씨디롬, 롬, 램, 플로피 디스크, 하드 디스크, 광자기 디스크 등)에 저장될 수 있다. 이러한 과정은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있으므로 더 이상 상세히 설명하지 않기로 한다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
상기와 같은 본 발명은, 쿼드 트리(quad tree)를 이용하여 3차원 레이 튜브(ray tube)를 생성하여 건물면과 지면에 대한 검색 속도를 향상시킴으로써, 3차원 광선 추적법의 계산 속도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 쿼드 트리(quad tree)를 이용하여 속도를 향상시킨 3차원 광선 추적법을 사용하고 해쉬 테이블(hash table)을 이용하여 전파 특성을 계산하여 관측점을 포함하는 레이 튜브(ray tube)에 대한 검색 속도를 향상시킴으로써, 무선 통신에서 전자파의 전파 특성을 빠른 속도로 예측할 수 있는 효과가 있다.
즉, 본 발명은 무선 통신망 설계를 위하여 전파 모델이 필요할 경우, 개발된 알고리즘을 이용하여 컴퓨터상에서 계산을 통하여 빠른 속도로 전파 경로를 찾는 것을 가능하게 하다.
또한, 본 발명은 실측에 의한 모델에 비해 비용이 적게 들고, 기존의 3차원 레이 튜브(ray tube)를 이용한 전파 모델보다 빠른 계산이 가능하다.
또한, 본 발명은 알고리즘 구현이 용이하므로 향후 다양한 무선 통신 규격에 대해 적용이 가능하다.

Claims (17)

  1. 3차원 광선 추적 방법에 있어서,
    3차원 광선 추적법을 위하여 필요한 기본 데이터를 입력받는 입력 단계; 및
    쿼드 트리(quad tree)를 이용하여 레이 튜브(ray tube)를 생성하여 전파 경로를 형성하는 전파 경로 추적 단계
    를 포함하는 쿼드 트리를 이용한 3차원 광선 추적 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전파 경로 추적 단계는,
    쿼드 트리(quad tree)를 이용하여 송신 안테나에서 보이는 면을 찾는 면 탐색 단계;
    상기 찾은 각 면에 대해 레이 튜브(ray tube)를 생성하는 레이 튜브 생성 단계;
    상기 레이 튜브 생성 단계에서 생성한 레이 튜브를 이용하여 새로운 레이 튜브(ray tube)를 생성하여 상기 레이 튜브 생성 단계에서 생성한 레이 튜브에 연결하는 레이 튜브 연결 단계; 및
    기 설정한 횟수만큼 상기 레이 튜브 생성 단계 및 상기 레이 튜브 연결 단계를 반복 수행하여 전파 경로를 형성하는 단계
    를 포함하는 쿼드 트리를 이용한 3차원 광선 추적 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 면 탐색 단계는,
    건물면과 지면의 분할면으로 이루어진 면들을 쿼드 트리(quad tree) 형태로 분류하여 검색 대상 면의 개수를 줄이는 단계; 및
    상기 줄인 각 검색 대상 면에 관해 직선을 그어 다른 면과 교점이 있는지 여부에 따라 가시거리에 있는 면을 판별하는 판별 단계
    를 포함하는 쿼드 트리를 이용한 3차원 광선 추적 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 판별 단계는,
    상기 줄인 각 검색 대상 면 중에서 검사하고자 하는 면에 관해 직선을 그어, 송신점으로부터 현재 검사 대상 면과의 거리보다 먼 곳에 존재하는 면들에 관해서는 교점 존재 여부를 검사하지 않고 가까운 곳에 존재하는 면과의 교점 존재 여부만을 검사하는 것을 특징으로 하는 쿼드 트리를 이용한 3차원 광선 추적 방법.
  5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이 튜브 연결 단계는,
    반사에 의해 생기는 레이 튜브(ray tube)의 꼭지점 및 회절에 의해 생기는 레이 튜브(ray tube)의 모서리 지점에서 보이는 면을 다시 찾아 상기 레이 튜브 생성 단계에서 생성한 레이 튜브에 연결하여 새로운 전파 경로를 형성해 가는 것을 특징으로 하는 쿼드 트리를 이용한 3차원 광선 추적 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 입력 단계는,
    3차원 건물 데이터와 건물별 해발 고도를 포함하는 건물 정보를 입력받는 단계; 및
    상기 송신 안테나의 위치와 특성을 포함하는 송신기 정보를 입력받는 단계
    를 포함하는 쿼드 트리를 이용한 3차원 광선 추적 방법.
  7. 전파 특성 예측 방법에 있어서,
    3차원 광선 추적법을 위하여 필요한 기본 데이터를 입력받는 입력 단계;
    쿼드 트리(quad tree)를 이용하여 레이 튜브(ray tube)를 생성하여 전파 경로를 형성하는 전파 경로 추적 단계;
    해쉬 테이블(hash table)을 이용하여 관측점을 포함하는 레이 튜브(ray tube)를 검색하는 레이 튜브 검색 단계; 및
    상기 검색한 레이 튜브(ray tube)에 대하여 전파 특성을 계산하는 전파 특성 계산 단계
    를 포함하는 해쉬 테이블을 이용한 전파 특성 예측 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 레이 튜브 검색 단계는,
    건물과 지면이 있는 공간을 2차원 격자 형태의 집합으로 분류하는 단계;
    상기 분류한 각 격자를 지나치는 레이 튜브(ray tube)들의 번호를 저장하는 단계;
    상기 해쉬 테이블(hash table)을 이용하여 상기 분류한 각 격자 중 관측점을 포함하는 격자를 결정하는 단계; 및
    상기 결정한 격자를 지나치는 레이 튜브(ray tube)에 관해서만 관측점을 포함하는지 여부를 검사하는 단계
    를 포함하는 해쉬 테이블을 이용한 전파 특성 예측 방법.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 전파 경로 추적 단계는,
    쿼드 트리(quad tree)를 이용하여 송신 안테나에서 보이는 면을 찾는 면 탐색 단계;
    상기 찾은 각 면에 대해 레이 튜브(ray tube)를 생성하는 레이 튜브 생성 단계;
    상기 레이 튜브 생성 단계에서 생성한 레이 튜브를 이용하여 새로운 레이 튜브(ray tube)를 생성하여 상기 레이 튜브 생성 단계에서 생성한 레이 튜브에 연결하는 레이 튜브 연결 단계; 및
    기 설정한 횟수만큼 상기 레이 튜브 생성 단계 및 상기 레이 튜브 연결 단계를 반복 수행하여 전파 경로를 형성하는 단계
    를 포함하는 해쉬 테이블을 이용한 전파 특성 예측 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 면 탐색 단계는,
    건물면과 지면의 분할면으로 이루어진 면들을 쿼드 트리(quad tree) 형태로 분류하여 검색 대상 면의 개수를 줄이는 단계; 및
    상기 줄인 각 검색 대상 면에 관해 직선을 그어 다른 면과 교점이 있는지 여부에 따라 가시거리에 있는 면을 판별하는 판별 단계
    를 포함하는 해쉬 테이블을 이용한 전파 특성 예측 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 판별 단계는,
    상기 줄인 각 검색 대상 면 중에서 검사하고자 하는 면에 관해 직선을 그어, 송신점으로부터 현재 검사 대상 면과의 거리보다 먼 곳에 존재하는 면들에 관해서는 교점 존재 여부를 검사하지 않고 가까운 곳에 존재하는 면과의 교점 존재 여부만을 검사하는 것을 특징으로 하는 해쉬 테이블을 이용한 전파 특성 예측 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 레이 튜브 연결 단계는,
    반사에 의해 생기는 레이 튜브(ray tube)의 꼭지점 및 회절에 의해 생기는 레이 튜브(ray tube)의 모서리 지점에서 보이는 면을 다시 찾아 상기 레이 튜브 생성 단계에서 생성한 레이 튜브에 연결하여 새로운 전파 경로를 형성해 가는 것을 특징으로 하는 해쉬 테이블을 이용한 전파 특성 예측 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 전파 특성 계산 단계는,
    전파 모델이 필요한 각 위치를 포함하는 각 레이 튜브(ray tube)의 길이와 해당 튜브에 대응되는 건물면의 반사계수를 이용하여, 전파 감쇄 및 위상을 포함하는 전파 특성을 계산하는 것을 특징으로 하는 해쉬 테이블을 이용한 전파 특성 예측 방법.
  14. 프로세서를 구비한 3차원 광선 추적 시스템에,
    3차원 광선 추적법을 위하여 필요한 기본 데이터를 입력받는 입력 기능; 및
    쿼드 트리(quad tree)를 이용하여 레이 튜브(ray tube)를 생성하여 전파 경로를 형성하는 전파 경로 추적 기능
    을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 전파 경로 추적 기능은,
    쿼드 트리(quad tree)를 이용하여 송신 안테나에서 보이는 면을 찾는 면 탐색 기능;
    상기 찾은 각 면에 대해 레이 튜브(ray tube)를 생성하는 레이 튜브 생성 기능;
    상기 레이 튜브 생성 기능에서 생성한 레이 튜브를 이용하여 새로운 레이 튜 브(ray tube)를 생성하여 상기 레이 튜브 생성 기능에서 생성한 레이 튜브에 연결하는 레이 튜브 연결 기능; 및
    기 설정한 횟수만큼 상기 레이 튜브 생성 기능 및 상기 레이 튜브 연결 기능을 반복 수행하여 전파 경로를 형성하는 기능
    을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
  16. 프로세서를 구비한 전파 특성 예측 시스템에,
    3차원 광선 추적법을 위하여 필요한 기본 데이터를 입력받는 입력 기능;
    쿼드 트리(quad tree)를 이용하여 레이 튜브(ray tube)를 생성하여 전파 경로를 형성하는 전파 경로 추적 기능;
    해쉬 테이블(hash table)을 이용하여 관측점을 포함하는 레이 튜브(ray tube)를 검색하는 레이 튜브 검색 기능; 및
    상기 검색한 레이 튜브(ray tube)에 대하여 전파 특성을 계산하는 전파 특성 계산 기능
    을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 레이 튜브 검색 기능은,
    건물과 지면이 있는 공간을 2차원 격자 형태의 집합으로 분류하는 기능;
    상기 분류한 각 격자를 지나치는 레이 튜브(ray tube)들의 번호를 저장하는 기능;
    상기 해쉬 테이블(hash table)을 이용하여 상기 분류한 각 격자 중 관측점을 포함하는 격자를 결정하는 기능; 및
    상기 결정한 격자를 지나치는 레이 튜브(ray tube)에 관해서 관측점을 포함하는지 여부를 검사하는 기능
    을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
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