KR100941391B1 - 전파 분석 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

복잡한 건물구조를 지닌 도심지에서도 고정밀 3차원 공간정보에 기반하여 정밀한 전파 분석 결과를 신속하게 생성해 낼 수 있도록 한 전파 분석 장치 및 방법을 개시한다. 개시된 본 발명은 3차원 공간정보를 입력받아 전파 분석 대상지역에 대한 메타 테이블을 생성하고, 생성한 메타 테이블을 이용한 광선 트리를 기반으로 전파 분석 대상지역에 대한 전파 분석을 행하여 분석 정보를 출력한다.

Description

전파 분석 장치 및 방법{Apparatus and method of analyzing wave propagation}

본 발명은 전파 분석 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고속 3차원 공간정보 기반의 메타 테이블을 이용하여 전파 분석을 행하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2007-F-042-01, 과제명: 3차원 GIS기반 전파분석 고도화 기술 개발(Technology Development for 3D GIS-Based Wave Propagation Analysis)].

현재 국내뿐만 아니라 전 세계적으로 이동통신 서비스에 대한 수요가 급격히 증가하고 있다. 이러한 수요를 충족시키기 위하여 다양한 이동통신 서비스 방식이 개발되고 있다. 이에 따라, 유한한 전파 자원에 대한 효율적인 분배 및 관리에 대한 필요성이 증대되고 있다. 또한, 제한된 전파 자원을 효율적으로 활용하고 기지국의 위치를 선정하며 용량을 최대화하는데 있어서 전파예측 모델이 매우 필요하다.

전파 자원의 원활한 수급을 위해, 전파 자원에 대한 수요와 공급의 변화에 따른 최적의 전파 자원의 탐색 및 이에 따른 전파 자원의 발굴과 분배가 이루어져야 한다. 특히, 국내의 경우 신도시 개발에 따른 해당 지역의 사용자들의 전파 수요에 효과적으로 대처할 수 있는 전파분석 기술이 필요하다.

도심지에서는 건물 내부의 일부 또는 수 개의 건물이 서비스 영역이 되므로, 전파 특성이 기지국과 이동국간의 전파 환경에 크게 의존하게 된다. 몇 개의 건물군으로 이루어진 도심지나 건물들의 재질에 따라 반사와 투과 및 회절을 겪으며 전파하게 된다. 이러한 다중경로는 경로 손실 및 신호의 지연을 일으킨다.

그에 따라, 다양한 환경에서 전파를 예측할 수 있는 광선 추적(Ray-Tracing) 방법이 주로 사용된다.

광선 추적(Ray-Tracing) 방법은 대상지역의 지형정보를 사용하여 모든 수신위치마다 계산하는 방법으로서, 전계 강도의 예측뿐만 아니라 디지털 통신망 설계에 필요한 채널의 지연분산 특성 계산에 매우 효과적으로 사용된다.

그러나, 종래의 광선 추적 방법은 계산이 복잡하고 소요시간이 길다라는 문제점을 가지고 있다. 즉, 대상지역의 물체의 각 픽셀에 대해 광선 추적을 행하므로 광원의 위치를 추적하는데 걸리는 시간이 길어지게 된다. 이에 의해, 계산 속도의 저하를 불러 일으킨다. 계산 속도의 저하는 주로 송/수신기간의 유효 반사와 회절파를 검색하는 트리 생성 과정에서 발생한다. 특히, 도심과 같이 건물이 많은 지역에서는 송신기를 중심으로 분석하고자 하는 영역의 모든 건물에 대한 반사와 회절 노드에 대한 트리를 찾아 저장하여야 한다. 이 과정에서 건물 수와 반사, 회절을 몇 회 고려하느냐에 따라 트리 생성 속도 및 파일 용량은 기하급수적인 차이를 보이게 된다.

본 발명은 상기한 종래의 사정을 감안하여 제안된 것으로, 복잡한 건물구조를 지닌 도심지에서도 고정밀 3차원 공간정보에 기반하여 정밀한 전파 분석 결과를 신속하게 생성해 낼 수 있도록 한 전파 분석 장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전파 분석 장치는, 외부로부터의 영상 정보에 근거하여 3차원 공간정보를 생성하는 공간정보 생성부; 및 3차원 공간정보를 입력받아 전파 분석 대상지역에 대한 메타 테이블을 생성하고, 메타 테이블을 이용한 광선 트리를 기반으로 전파 분석 대상지역에 대한 전파 분석을 행하여 분석 정보를 추출하는 전파 분석부를 포함하며, 상기 광선 트리의 노드들의 분할 평면좌표를 검사하여 각 축별 좌표들의 값으로부터 해당 축의 단위길이를 정하고, 이를 근거로 상기 메타 테이블을 갱신한다.

메타 테이블은 광선 트리의 리프 노드들의 주소값을 갖는다.

전파 분석부는 전파 분석 대상지역에 대한 송신점 및 수신점을 결정하게 되면 메타 테이블을 생성한다.

전파 분석부는 각 축별 좌표들의 최대공약수를 구하고, 상기 구한 값을 해당 축의 단위길이로 정한다.

분석 정보는 전송거리와 전계강도 및 경로손실을 포함하고, 전파 분석부는 전송거리, 전계강도, 및 경로손실중에서 하나 이상을 계산해 낸다.

본 발명의 실시예에 따른 전파 분석 방법은, 전파 분석부가, 3차원 공간정보를 입력받아 전파 분석 대상지역에 대한 메타 테이블을 생성하는 메타 테이블 생성 단계; 및 전파 분석부가, 메타 테이블을 이용한 광선 트리를 기반으로 전파 분석 대상지역에 대한 전파 분석을 행하여 분석 정보를 출력하는 분석 정보 출력 단계를 포함하며, 분석 정보 출력 단계는 광선 트리의 노드들의 분할 평면좌표를 검사하여 각 축별 좌표들의 값으로부터 해당 축의 단위길이를 정하고, 이를 근거로 메타 테이블을 갱신한다.

메타 테이블 생성 단계에서 생성되는 메타 테이블은 광선 트리의 리프 노드들의 주소값을 갖는다.

메타 테이블 생성 단계는 전파 분석 대상지역에 대한 송신점 및 수신점이 결정됨에 따라 메타 테이블을 생성한다.

분석 정보 출력 단계는 상기 각 축별 좌표들의 최대공약수를 구하고, 상기 구한 값을 해당 축의 단위길이로 정한다.

분석 정보 출력 단계에서는 전송거리와 전계강도 및 경로손실중에서 하나 이상을 계산하여 출력한다.

이러한 구성의 본 발명에 따르면, 광선 트리의 리프 노드들의 주소값을 갖고 있는 메타 테이블을 이용하여 광선 추적을 행함으로써, 기존의 리프 노드를 찾기 위해 내부 노드들을 탐색하던 방식과는 달리 메타 테이블을 한 번만 검사하면 바로 리프 노드에 도달할 수 있기 때문에 탐색시간이 줄일 수 있게 된다.

특히, 광선 트리(Ray-Tree)에서 트리의 깊이가 깊어질수록 본 발명에 의한 효과(즉, 탐색시간을 줄일 수 있는 효과)는 크다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 전파 분석 장치 및 방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전파 분석 장치의 구성을 나타낸 블럭도이다. 본 발명의 실시예에 따른 전파 분석 장치는 공간정보 생성부(10), 전파 분석부(20), 및 출력부(30)를 포함한다.

공간정보 생성부(10)는 외부로부터의 영상 정보에 근거하여 3차원 공간정보를 생성 및 저장한다. 즉, 공간정보 생성부(10)는 항공영상 또는 위성영상으로부터 정사영상 및 수치지도모델(DEM)을 생성하고 건물 벽면의 재질정보를 포함하는 3차원 건물모델을 생성한다. 물론, 후술할 전파 분석부(20)가 공간정보 생성부(10)에 의한 3차원 공간정보를 저장하는 것으로 하여도 무방하다.

전파 분석부(20)는 3차원 공간정보들을 입력받아 메타 테이블을 이용한 광선 추적 알고리즘에 기반하여 3차원 전파 분석(예컨대, 단일 전파에 대한 최대 전계강도 및 경로손실 분석, 협대역/광대역 주파수에 대한 수신전력 분석, 지연확산 분석 등) 및 예측을 수행한다. 여기서, 메타 테이블은 트리의 리프 노드(leaf node)들의 주소값을 갖는다.

출력부(30)는 전파 분석부(20)에서 분석한 결과를 출력한다. 예를 들어, 출력부(30)는 모니터, 프린터 등으로 구성될 수 있다. 물론, 출력부(30)는 전파 분석부(20)에서의 결과를 출력할 수 있는 기기라면 어떠한 기기라도 무방하다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전파 분석 방법을 설명하는 플로우차트이다.

전파 분석부(20)는 공간정보 생성부(10)의 3차원 공간정보를 근거로 전파 분석을 할 대상지역(즉, 전파 분석 대상지역)을 지정한다(S10, S12). 전파 분석부(20)는 3차원 공간정보에서 전파분석 대상지역내의 건물에 대한 정보(예컨대, 건물 밑면의 위치정보와 높이정보, 및 건물의 지붕면과 수직입면의 정보 등)를 얻어내고 해당 건물의 모서리 및 꼭지점에 특정한 값을 부여한다. 이는 전파를 픽셀별로 추적할 때 어떤 건물의 모서리와 꼭지점인지를 확인할 수 있도록 하기 위함이다.

전파 분석부(20)는 송신점 및 수신점을 결정하고(S14), 앞서의 정보를 근거로 전파 분석 대상지역에 대한 메타 테이블을 생성한다(S16). 메타 테이블 생성이 완료되면 전파 분석부(20)는 전파경로 추적을 실시한다(S18). 전파경로 추적(즉, 광선추적)을 실시할 때에는 이전에 생성한 메타 테이블(즉, S16에서 생성한 메타 테이블)을 이용한 광선 트리(Ray-Tree)를 사용한다.

전파 분석부(20)는 송신점의 위치에서 반사면을 결정한 후에 반사점 및 회절점을 찾는다(S20). 이 경우, 전파 분석부(20)는 광선과 광선 트리의 루트 노 드(root node)의 바운딩 박스(bounding box)가 교차하는지를 검사한다. 즉, 대상 물체가 다수의 폴리곤(polygon)으로 구성되고 다수의 폴리곤이 바운딩 박스내에 존재하는 것으로 가정하였을 경우, 광선과 다수의 폴리곤을 포함하는 바운딩 박스와의 교점을 구하고, 그 교점이 폴리곤의 내부에 존재하는지의 여부를 검사한다. 광선과 바운딩 박스가 교차하는지를 검사하는 과정에서, 보통 넓은 면적에는 폴리곤의 개수를 적게 할당하고 좁은 면적에는 폴리곤 개수를 많이 할당한다. 특정 광선을 쏘았을 때 광선이 지나가는 공간속의 폴리곤들에 대해서만 교차검사를 하면 되기 때문에 공간을 나누지 않았을 때보다 검사횟수를 줄일 수 있게 된다.

만약, 교점을 구하지 못한 경우에는 광선이 바운딩 박스내의 어떠한 폴리곤과도 교차되지 않으므로 검사를 종료한다. 반대로, 교점을 구한 경우에는 처음으로 광선과 교차하는 폴리곤을 찾기 위해 트리를 탐색한다. 트리 탐색에 의해 해당 폴리곤(즉, 처음으로 광선과 교차하는 폴리곤)이 찾아지면 해당 폴리곤의 면을 반사면으로 결정한다. 송신점에서 일정각으로 전방향 발사된 광선에 대해서는 광선추적 알고리즘에 의해 수신점에 도달하였는지를 알 수 있다. 이에 의해, 수신점에 도달한 광선이 반사면에 부딪혔던 위치를 반사점이라 한다. 전파가 건물의 모서리(즉, 반사면의 모서리)와 만나게 되면 회절을 일으키게 되고, 회절을 일으킨 위치를 회절점이라 한다.

전파 분석부(20)는 송신점과 수신점 사이에 존재하는 반사점 및 회절점을 찾게 되면 이전에 생성한 메타 테이블(즉, S16에서 생성한 메타 테이블)을 재차 최적화(갱신)시킬 수도 있다.

이후, 전파 분석부(20)는 파라미터를 추출하여 반사계수와 회절계수를 구하여 전송거리를 계산하고, 수신반경에 도달하였는지를 확인하여 전계강도를 계산한다(S22). 전송거리를 계산함에 있어서, 예를 들어 하기의 식 1과 같이 송신점의 좌표(x1, y1) 및 수신점의 좌표(x2, y2)를 이용하여 계산하기도 한다.

(식 1)

전송거리 =

한편, 수신반경에 도달하였는지를 확인하기 위해서는, 송신파를 일정한 간격을 두고 발사하고 오차를 줄이기 위해 수신 반경(R)을 하기의 식 2와 같이 정의한다.

(식 2)

식 2에서, a는 발사되는 각 광선들의 사잇각을 나타내고, d는 송신점에서 발사된 광선이 수신점에 도달하기까지의 총 경로의 길이를 나타낸다.

각각의 광선은 송신점으로부터 발사되는 일정한 각을 갖는 전계를 나타내고, 수신점의 위치가 그 일정한 각 내에 포함되면 광선은 수신반경에 도달한 것으로 간주한다.

S22에서 구해지는 전송거리 및 전계강도는 당업자라면 누구라도 쉽게 주지의 내용으로 충분히 계산해 낼 수 있다.

수신점에서 광선을 수신하게 되면(S24에서 "예") 전파 분석부(20)는 경로손실을 계산한다(S26). 통상적으로, 평균 수신신호의 전력은 전파 환경에 상관없이 거리에 따라 지수함수 형태로 감소한다. 따라서, 경로손실은 송신점과 수신점의 거리(d)와 경로손실 지수(n)에 의한 함수로 계산되어진다. 이와 같이 경로손실은 당업자라면 누구라도 주지의 내용으로 쉽게 계산해 낼 수 있다. 무리한 계산을 피하기 위해 반사 및 회절 횟수를 제한한다.

이와 같이 계산된 전송거리, 전계강도, 경로손실 등의 정보는 출력부(30)를 통해 출력된다. 이로 인해, 3차원의 전파 분석 및 예측이 빠르고 정확하게 이루어지게 된다. 즉, 기존의 광선추적 방법으로는 리프 노드를 찾기 위해 내부 노드들을 탐색하는 시간이 많이 소요되었다. 그러나, 본 발명에서와 같은 메타 테이블을 이용하여 광선추적을 할 경우에는 메타 테이블을 한 번만 검사하면 바로 리프 노드에 도달할 수 있기 때문에 탐색시간을 줄일 수 있게 된다. 광선 트리(Ray-Tree)에서 트리의 깊이가 깊어질수록 그 차이는 많이 난다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전파 분석 방법의 설명에 채용되는 메타 테이블의 생성(갱신)과정을 설명하는 플로우차트이다. 본 발명의 실시예에서는 전파경로 추적중 트리 탐색과정을 줄이기 위해서 트리의 리프 노드(leaf node)들의 주소값을 갖고 있는 메타 테이블을 사용한다.

트리를 탐색하는 과정에서는 하기와 같이 하여 생성한 메타 테이블을 이용한다.

전파 분석부(20)는 기존에 미리 생성되어져 있는 광선 트리의 노드들의 분할 평면좌표를 모두 검사하고(S30), 각 축별로 좌표들의 최대공약수를 구한다(S32).

전파 분석부(20)는 구해진 각 축별 최대공약수를 해당 축의 단위길이로 결정하고(S34), 이를 근거로 메타 테이블을 갱신한다. 이러한 갱신에 의해 항상 최적의 메타 테이블을 생성할 수 있게 된다(S36). 분할 평면좌표는 단위길이의 배수인 위치에서 정해져야 한다. 생성된 메타 테이블은 각기 같은 크기의 노드들로 이루어져 있다. 각 노드들은 광선 트리의 리프 노드(leaf node)들이 있는 위치에 각각 대응하여 위치한다. 각 노드들은 배열로 이루어져 있으며 각각 대응되는 광선 트리의 리프 노드(leaf node)들의 주소값을 가리킨다.

이와 같이 광선 트리의 리프 노드(leaf node)들의 주소값을 갖는 메타 테이블을 이용한 광선 추적을 할 경우, 메타 테이블을 한 번만 검사하면 바로 리프 노드에 도달할 수 있게 된다.

한편, 본 발명은 상술한 실시예로만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위내에서 수정 및 변형하여 실시할 수 있고, 그러한 수정 및 변형이 가해진 기술사상 역시 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전파 분석 장치의 구성을 나타낸 블럭도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전파 분석 방법을 설명하는 플로우차트이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전파 분석 방법의 설명에 채용되는 메타 테이블의 생성과정을 설명하는 플로우차트이다.

Claims (10)

1. 외부로부터의 영상 정보에 근거하여 3차원 공간정보를 생성하는 공간정보 생성부; 및

   상기 3차원 공간정보를 입력받아 전파 분석 대상지역에 대한 메타 테이블을 생성하고, 상기 메타 테이블을 이용한 광선 트리를 기반으로 전파 분석 대상지역에 대한 전파 분석을 행하여 분석 정보를 추출하는 전파 분석부를 포함하며,

   상기 광선 트리의 노드들의 분할 평면좌표를 검사하여 각 축별 좌표들의 값으로부터 해당 축의 단위길이를 정하고, 이를 근거로 상기 메타 테이블을 갱신하는 것을 특징으로 하는 전파 분석 장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 메타 테이블은 상기 광선 트리의 리프 노드들의 주소값을 갖는 것을 특징으로 하는 전파 분석 장치.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   상기 전파 분석부는 상기 전파 분석 대상지역에 대한 송신점 및 수신점을 결정하게 되면 상기 메타 테이블을 생성하는 것을 특징으로 하는 전파 분석 장치.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 전파 분석부는 상기 각 축별 좌표들의 최대공약수를 구하고, 상기 구한 값을 해당 축의 단위길이로 정하는 것을 특징으로 하는 전파 분석 장치.
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 분석 정보는 전송거리와 전계강도 및 경로손실을 포함하고,

   상기 전파 분석부는 상기 전송거리, 전계강도, 및 경로손실중에서 하나 이상을 계산해 내는 것을 특징으로 하는 전파 분석 장치.
6. 전파 분석부가, 3차원 공간정보를 입력받아 전파 분석 대상지역에 대한 메타 테이블을 생성하는 메타 테이블 생성 단계; 및

   상기 전파 분석부가, 상기 메타 테이블을 이용한 광선 트리를 기반으로 전파 분석 대상지역에 대한 전파 분석을 행하여 분석 정보를 출력하는 분석 정보 출력 단계;를 포함하며,

   상기 분석 정보 출력 단계는,

   상기 광선 트리의 노드들의 분할 평면좌표를 검사하여 각 축별 좌표들의 값으로부터 해당 축의 단위길이를 정하고, 이를 근거로 상기 메타 테이블을 갱신하는 것을 특징으로 하는 전파 분석 방법.
7. 청구항 6에 있어서,

   상기 메타 테이블 생성 단계에서 생성되는 상기 메타 테이블은 상기 광선 트리의 리프 노드들의 주소값을 갖는 것을 특징으로 하는 전파 분석 방법.
8. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,

   상기 메타 테이블 생성 단계는 상기 전파 분석 대상지역에 대한 송신점 및 수신점이 결정됨에 따라 상기 메타 테이블을 생성하는 것을 특징으로 하는 전파 분석 방법.
9. 청구항 6에 있어서,

   상기 분석 정보 출력 단계는,

   상기 각 축별 좌표들의 최대공약수를 구하고, 상기 구한 값을 해당 축의 단위길이로 정하는 것을 특징으로 하는 전파 분석 방법.
10. 청구항 6에 있어서,

    상기 분석 정보 출력 단계에서는 전송거리와 전계강도 및 경로손실중에서 하나 이상을 계산하여 출력하는 것을 특징으로 하는 전파 분석 방법.

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