KR101205719B1 - 광선의 경로추적을 위한 3차원 전처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광선의 경로추적을 위한 3차원 전처리 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 광선의 경로추적을 위한 3차원 전처리 방법은 복수의 구조물들 중 기준구조물을 설정하고, 설정된 기준구조물에서 나머지 다른 상대구조물들을 검색하고, 나머지 다른 상대구조물들 중 기준구조물에서 보이는 면을 갖는 상대구조물은 저장하고, 보이지 않는 면을 갖는 상대구조물은 제거하는 가시면 선택 및 저장 과정; 기준구조물로부터 상기 저장된 각 상대구조물들까지의 거리를 측정하고, 기준구조물을 기준으로 미리 결정된 기준지점 밖에 위치한 상대구조물들을 제거하는 거리측정을 통한 선택 및 저장 과정; 기준구조물과 상기 거리측정을 통한 선택 및 저장 과정을 통해 저장된 각 상대구조물들 사이에서 광선의 진행경로를 계산하는 광선의 진행경로 계산 과정을 포함한다.

경로추적, 3차원, 전처리.

Description

광선의 경로추적을 위한 3차원 전처리 방법{3D Preprocessing Method For Ray Tracing}

본 발명은 광선의 경로추적방법에 관한 것으로, 특히 전파전파(Radio Propagation) 특성 예측에서 이용되고 있는 3차원 광선 추적 시뮬레이션을 효율적으로 수행하고, 분석 속도를 개선할 수 있는 광선의 경로추적을 위한 3차원 전처리 방법에 관한 것이다.

본 발명은 지식경제부의 IT 원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제고유번호: 2008-F-013-02, 과제명: 스펙트럼공학 및 밀리미터파대 전파지원 이용기술개발].

현재의 이동통신 시스템은 서비스 대상지역을 여러 개의 셀로 구분하여 각 셀마다 사용하는 할당 주파수를 달리하여 인접한 셀에 간섭이 적도록 셀을 구성하게 되어있다. 셀은 크게 두 가지 종류로 구분할 수 있는 매크로셀과 마이크로셀이 그것이다. 매크로셀은 반경이 수 km에서 수십 km정도로 대단히 넓은 지역을 포함하 여 셀 내의 다수의 전파장애물들을 이론적으로 모델링하는 것이 불가능하다. 따라서 실험을 통한 통계적인 예측방법으로 전자파전파 특성을 결정하는 수밖에 없다.

반면에, 마이크로셀은 1km이하의 셀 반경을 가지며 셀 내의 대표적인 전파장애물인 여러 건물들을 수학적으로 모델링하여 이론적으로 전자파 경로손실 예측이 가능한 셀이다. 특히, 마이크로셀에서의 전자파 전파특성 예측모델의 개발은 이동통신 서비스 사용자의 급증으로 인하여 대도시의 경우 그 중요성이 증대되어 가는 추세이다.

여기에 최근 개인 이동통신 사용자의 급격한 증가로 인하여 200m-500m 반경의 마이크로셀/피코셀 내에서의 전파 전파특성에 관한 연구 및 모델 개발이 요구되고 있다. 마이크로셀/피코셀 시스템에서의 전자파 전파특성은 현재의 매크로셀 및 준 매크로셀과 비교하여 낮은 송신안테나 높이와 낮은 송신출력, 송신국 주변건물들에 의한 전파도달거리 제한, 셀 내의 전파장애물들에 대한 수치적 모델링 가능과 같은 큰 차이점들이 있다.

이와 같은 두드러진 차이점으로 인하여 마이크로셀/피코셀에서는 기지국 안테나가 거리의 가로등 높이 정도로 주위 건물들보다 낮기 때문에 매우 감쇄가 심하며 건물지붕 등에 의하여 회절되는 전파보다 건물 옆의 모서리에 의해 회절되는 전파가 수신측에 더 큰 영향을 미치게 된다.

도심지의 전파환경인 마이크로셀/피코셀은 셀 반경이 수 백 m 정도로 좁아짐에 따라 그 구조에 따라 전파특성에 많은 차이를 보이게 된다. 즉. 셀 구조를 이루는 건물의 크기와 재질, 도로의 형태와 폭, 차량의 통행량 등에 따라 전파환경이 변하게 되는데 이를 지역특성형(site specific)이라 한다. 그러므로, 마이크로셀/피코셀에서는 보다 정확한 예측모델이 요구되는데, 주로 경로추적법(Ray tracing)에 의해 이루어지고 있다.

경로추적법이란 이동국에 도달하는 전파(Ray)의 경로를 추적함으로써 무선망 설계에 필수적인 요소인 수신전력(Received Power)과 평균지연시간분산(rms Delay time spread) 등을 추출하는 기법을 말한다.

전파의 경로를 추적하는 기법에는 전기영상법(image theory)을 이용하는 방법과 광선방출법(Ray launching)을 이용하는 방법, 이 둘을 혼합하여 사용하는 방법이 있는데, 전기영상법을 사용하는 방법은 계산시간이 짧은 장점에 비해 예측구조의 확장이 어려운 단점이 있고, 광선방출법을 이용하는 방법은 예측구조의 확장이 가능한 반면 계산시간이 길어질 뿐 아니라 예측의 정확성도 떨어지는 단점이 있다.

따라서 전파환경을 구성하는 셀 구조에 따라 적절한 경로추적 방법이 선택되어야 하는데, 종래의 기술은 구조물의 수가 점점 증가함에 따라 계산 횟수가 늘어나고 전파특성을 예측하기 위한 시뮬레이션 분석 속도가 현저히 떨어지는 단점이 있다.

특히, 광선방출법에 의한 예측방법은 실제 건물 데이터를 이용하여, 가능한 전파 경로를 모두 계산하여 결과를 얻기 때문에 매우 정확한 전파 모델을 얻을 수 있는 장점이 있다. 그러나 가능한 모든 전파 경로를 예측하는 데는 한계가 있고, 가능한 많은 수의 전파 경로를 예측하는데 많은 시간이 소요되는 단점이 있다.

따라서, 구조물의 수가 점점 증가함에 따라 광선의 경로추적을 위한 복잡도가 더욱 증가하고 있는 도심지 환경에서 광선의 경로추적에 있어서 더욱 효율적인 분석을 통해 속도를 개선하기 위한 방안이 요망된다.

따라서 본 발명의 목적은 광선의 경로추적을 위한 복잡도가 더욱 증가하는 도심지 환경에서 광선의 경로추적에 있어서, 효율적이고 속도를 개선할 수 있는 광선의 경로추적을 위한 3차원 전처리 방법을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 송신점의 위치가 변함에 따라 종래의 반복적인 전처리 과정을 수행하지 않도록 함으로써, 효율적이고 속도를 개선할 수 있는 광선의 경로추적을 위한 3차원 전처리 방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이동통신환경에서 광선의 경로를 추적하기 위한 3차원 전처리 방법은, 복수의 구조물들 중 기준구조물을 설정하고, 상기 설정된 기준구조물에서 나머지 다른 상대구조물들을 검색하고, 상기 나머지 다른 상대구조물들 중 상기 기준구조물에서 보이는 면을 갖는 상대구조물은 저장하고, 보이지 않는 면을 갖는 상대구조물은 제거하는 가시면 선택 및 저장 과정; 상기 기준구조물로부터 상기 저장된 각 상대구조물들까지의 거리를 측정 하고, 상기 기준구조물을 기준으로 미리 결정된 기준지점 밖에 위치한 상대구조물들을 제거하는 거리측정을 통한 선택 및 저장 과정; 상기 기준구조물과 상기 거리측정을 통한 선택 및 저장 과정을 통해 저장된 각 상대구조물들 사이에서 상기 광선의 진행경로를 계산하는 광선의 진행경로 계산 과정을 포함한다.

또한, 상기 가시면 선택 및 저장 과정을 통해 저장되는 상기 상대구조물은, 상기 기준구조물에서 면의 전부가 다 보이는 상대구조물 또는 상기 기준구조물에서 면의 일부가 보이는 상대구조물을 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 거리측정을 통한 선택 및 저장 과정에서의 기준지점은, 미리 결정된 자유공간 기본 전파손실 값인 것이 바람직하다.

또한, 상기 광선의 진행경로 계산 과정은, 상기 기준구조물의 한 면의 한 꼭지점의 위치 정보와 상기 거리측정을 통한 선택 및 저장 과정을 통해 저장된 상대구조물들 중 한 상대구조물의 한 면의 한 꼭지점의 위치 정보를 저장하는 과정; 상기 기준구조물의 한 면의 한 꼭지점에서 상기 한 상대구조물의 한 면의 한 꼭지점으로 직선 벡터를 정의하고, 상기 직선 벡터에 대해 구좌표

값과

값으로 변환하여 저장하는 과정; 상기 저장된

값과

값 중 최대값과 최소값을 선택하여 저장하는 과정; 상기 저장된 최대

값 및

값과 최소

값 및

값으로부터 광선 추적 경로를 계산하는 과정을 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 광선의 진행경로를 계산하는 과정은, 상기 기준구조물의 한 면에서 발생한 반사 광선의 진행 경로가 상기 최대

값 및

값과 최소

값 및

값의 범위 내에 속하면, 상기 광선의 진행 경로 상에 상대구조물이 존재하고 있다고 판단하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 광선의 진행경로를 계산하는 과정은, 상기 기준구조물의 한 면에서 발생한 반사 광선의 진행 경로가 상기 최대

값 및

값과 최소

값 및

값의 범위 내에 속하지 않으면, 상기 광선이 상기 기준구조물에 히팅(Hitting)되지 않는 것으로 판단하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 기준구조물의 한 면의 한 꼭지점과 상기 거리측정을 통한 선택 및 저장 과정을 통해 저장된 상대구조물들 중 한 상대구조물의 한 면의 한 꼭지점의 위치정보는, 직교좌표인 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이 본 발명은 동일한 지물에 대해 송신점의 위치가 변함에 따라 종래의 반복적인 전처리 과정을 수행하지 않도록 함으로써, 더욱 효율적인 분석을 수행할 수 있으며, 광선의 경로추적에 대한 속도를 개선할 수 있는 효과가 있다.

이에 따라, 본 발명은 더욱 신속하고 효율적으로 도심지의 전파환경에 대한 전파모델을 분석할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 광선 추적 경로를 더욱 신속하고 효율적으로 예측할 수 있을 뿐만 아니라, 광선의 진행 경로에 있는 상대구조물의 존재를 예측할 수 있는 장점이 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예들의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도면들 중 동일한 구성들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들을 나타내고 있음을 유의하여야 한다. 하기 설명에서 구체적인 특정 사항들이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해 제공된 것이다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광선의 경로추적을 위한 3차원 전처리 방법에 대한 전체 순서도로서, 도 1을 참조하여 본 발명에 따른 광선의 경로추적을 위한 3차원 전처리 방법을 상세히 설명하면, 먼저 송신점 또는 기준구조물 위치에서, 주변에 분포되어 있는 상대구조물들의 면을 바라보았을 때, 보이는지 여부를 판단하기 위해 상대구조물들을 검색(100)함으로써 가시면 선택 및 저장 과정을 시작한다.

가시면 선택 및 저장 과정은, 검색된 각 상대구조물들에서 보이는 면을 갖는 상대구조물들은 저장하고, 보이지 않는 타 상대구조물들은 제거한다.

다음으로, 상기 가시면 선택 및 저장 과정에서 검색되어 저장된 상대구조물들을 대상으로 거리 측정을 통해 불필요하다고 예측되는 상대구조물을 제거함으로써 거리측정을 통한 선택 및 저장 과정을 수행한다. 거리측정을 위한 선택 및 저장 과정을 좀 더 상세히 설명하면, 상기 가시면 선택 및 저장 과정에서 저장된 상대구조물들 중에서 임의의 하나를 기준구조물로 설정하고, 면이 보이는 나머지들을 상대구조물들로 저장한 후, 거리 측정을 통해 기준구조물에서 미리 결정된 기준지점 사이에 있는 상대구조물은 저장하고, 기준지점 밖에 있는 있는 상대구조물은 제거한다. 여기서, 기준지점을 결정하는 구체적인 방법의 일 예로서, 자유공간 기본 전파손실(Basic Transmission Loss In Free Space)을 이용할 수 있다. 자유공간 기본 전파손실 값은 사용자의 선택에 따라서 결정되는 값으로, 예를 들면, 사용자가 기준지점을 자유공간 기본 전파손실 값이 100dB인 지점으로 설정한 경우, 기준구조물에서 기준지점 사이에 위치한 상대구조물을 저장하고, 기준구조물을 기준으로 기준지점 밖에 위치한 상대구조물을 제거한다. 이러한 자유공간 기본 전파손실 값을 이용하면 상대구조물을 저장 또는 제거할 것인지를 결정할 수 있다.

이렇게 함으로써 실질적으로 분석하고자 하는 구조물들의 개수는 실제 모든 구조물들의 개수보다 줄어들게 되어 분석 시간을 단축할 수 있다.

이어서, 거리측정을 통한 선택 및 저장 과정을 통해 최종 저장된 상대구조물들로의 광선 진행 경로를 계산하기 위해, 미리 준비된 소프트웨어를 이용하여 기준구조물과 최종 저장된 상대구조물들을 가상의 공간적 영역에 매핑한다(200). 이는 송신점 또는 기준구조물의 위치에 관계없이 반복적인 광선 추적을 수행하지 않기 위함이다.

도 2는 도 1의 기준구조물에서 보이는 상대구조물들의 각 면들을 검색하는 과정을 도식화한 도면으로서, 이하 도 2를 참조하여 도 1의 가시면 선택 및 저장 과정을 더욱 상세히 설명하도록 한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 전체 구조물들 중에서 임의의 하나를 기준구조물(101)로 선택한 후, 기준구조물(101)에서 상대구조물들이 보이는지 여부를 판단한다. 기준구조물(101)에서 상대구조물A(102)를 보았을 때처럼 면 전체가 다 보이는 경우와, 상대구조물B(103)과 같이 면의 일부가 보이는 경우에 대해서는 모두 보이는 면으로 간주한다. 보이는 면으로 간주된 상대구조물은 저장한다. 한편, 그 외의 경우는 보이지 않는 면으로 간주하여 면이 보이지 않는 해당 상대구조물은 제거한다..

도 3은 도 1의 광선의 진행경로를 미리 계산하여 추적 경로를 저장하는 과정(200)을 도식화한 도면으로서, 이하 도 3을 참조하여 도 1의 200단계를 더욱 상세히 설명한다.

도 1의 200단계에서는 최종 저장된 상대구조물들을 대상으로 광선의 진행 경로를 미리 계산하고 광선이 진행하는 방향의 상대구조물을 판단한다.

상기 200단계를 세부적인 단계로 나누어 설명하면, 첫 번째로, 기준구조물(201)을 부모(Parent)노드라 하고, 임의의 하나의 상대구조물(202)을 자식(Child)노드라고 정의한다.

두 번째로, 기준구조물(201)의 한 면의 꼭지점(삼각형의 경우 꼭지점 개수는 3개)의 위치(직교 좌표) 정보와 상대구조물(202)의 한 면의 꼭지점(삼각형의 경우 꼭지점 개수는 3개)의 위치(직교 좌표) 정보를 저장한다.

세 번째로, 기준구조물(201)의 한 면의 한 꼭지점에서 상대구조물(202)의 한 면의 한 꼭지점으로 직선 벡터(직교 좌표)를 정의하고, 이 직선 벡터에 대해 구좌표

값과

값으로 변환하여 저장한다. 이러한 방법으로 기준구조물(201)과 상대구조물(202)의 면이 삼각형이라고 가정하면, 각 꼭지점을 모두 연결한다고 하였을 때 총 9개의

값과

값이 저장된다. 또한, 기준구조물(201)과 상대구조물(202)의 면이 사각형이라고 가정하면, 각 꼭지점을 모두 연결한다고 하였을 때 총 16개의

값과

값이 저장된다.

네 번째로, 저장된 9개의

값과

값 중 최대값과 최소값을 선택하여 저장한다. 여기서, 계산된 최대

값 및

값과 최소

값 및

값은 광선 추적 경로를 예측할 때 이용된다.

즉, 기준구조물(201)의 면에서 반사 광선이 발생하였을 때, 반사 광선이 진행할 수 있는 경로는 상기에서 계산된 최대

값 및

값과 최소

값 및

값 범위에 있다고 판단한다. 만약, 이 최대값과 최소값의 범위를 넘으면 기준구조물(201)의 면에서 반사된 광선은 상대구조물(202)의 면을 히팅(Hitting)하지 않고 지나치게 되는 것이다. 또한, 반사 광선의 진행 경로가 계산된 최대값 및 최소값의 범위 내에 속하면, 광선의 진행 경로에 상대구조물이 존재하고 있다고 예측할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 광선의 경로추적을 위한 3차원 전처리 방법은 동일한 지물에 대해 송신점의 위치가 변함에 따라 종래의 반복적인 전처리 과정을 수행하지 않도록 함으로써, 더욱 효율적인 분석을 수행할 수 있으며, 광선의 경로추적에 대한 속도를 개선시킨다. 또한, 본 발명은 더욱 신속하고 효율적으로 도심지의 전파환경에 대한 전파모델을 분석하고, 광선 추적 경로를 더욱 신속하고 효율적으로 예측할 수 있을 뿐만 아니라, 광선의 진행 경로에 있는 상대구조물의 존재를 예측할 수 있다.

본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았다.　 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광선의 경로추적을 위한 3차원 전처리 방법에 대한 전체 순서도,

도 2는 도 1의 기준구조물에서 보이는 상대구조물의 면을 검색하는 과정을 도식화한 도면,

도 3은 도 1의 광선의 진행경로를 미리 계산하여 추적 경로를 저장하는 과정을 도식화한 도면.

Claims (7)

1. 광선의 경로를 추적하기 위한 3차원 전처리 방법에 있어서,

   복수의 구조물들 중 기준구조물을 설정하고, 상기 설정된 기준구조물에서 나머지 다른 상대구조물들을 검색하고, 상기 나머지 다른 상대구조물들 중 상기 기준구조물에서 보이는 면을 갖는 상대구조물은 저장하고, 보이지 않는 면을 갖는 상대구조물은 제거하는 가시면 선택 및 저장 과정,

   상기 기준구조물로부터 상기 저장된 각 상대구조물들까지의 거리를 측정하고, 상기 기준구조물을 기준으로 미리 결정된 기준지점 밖에 위치한 상대구조물들을 제거하는 거리측정을 통한 선택 및 저장 과정,

   상기 기준구조물과 상기 거리측정을 통한 선택 및 저장 과정을 통해 저장된 각 상대구조물들 사이에서 상기 광선의 진행경로를 계산하는 광선의 진행경로 계산 과정

   을 포함하는, 3차원 전처리 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 가시면 선택 및 저장 과정을 통해 저장되는 상기 상대구조물은,

   상기 기준구조물에서 면의 전부가 다 보이는 상대구조물 또는 상기 기준구조물에서 면의 일부가 보이는 상대구조물을 포함하는, 3차원 전처리 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 거리측정을 통한 선택 및 저장 과정에서의 기준지점은, 미리 결정된 자유공간 기본 전파손실 값인, 3차원 전처리 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 광선의 진행경로 계산 과정은,

   상기 기준구조물의 한 면의 한 꼭지점의 위치 정보와 상기 거리측정을 통한 선택 및 저장 과정을 통해 저장된 상대구조물들 중 한 상대구조물의 한 면의 한 꼭지점의 위치 정보를 저장하는 과정,

   상기 기준구조물의 한 면의 한 꼭지점에서 상기 한 상대구조물의 한 면의 한 꼭지점으로 직선 벡터를 정의하고, 상기 직선 벡터에 대해 구좌표

   

   값과

   

   값으로 변환하여 저장하는 과정,

   상기 저장된

   

   값과

   

   값 중 최대값과 최소값을 선택하여 저장하는 과정,

   상기 저장된 최대

   

   값 및

   

   값과 최소

   

   값 및

   

   값으로부터 광선 추적 경로를 계산하는 과정

   을 포함하는, 3차원 전처리 방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 광선의 진행경로를 계산하는 과정은,

   상기 기준구조물의 한 면에서 발생한 반사 광선의 진행 경로가 상기 최대

   

   값 및

   

   값과 최소

   

   값 및

   

   값의 범위 내에 속하면, 상기 광선의 진행 경로 상에 상대구조물이 존재하고 있다고 판단하는, 3차원 전처리 방법.
6. 제 4 항에 있어서, 상기 광선의 진행경로를 계산하는 과정은,

   상기 기준구조물의 한 면에서 발생한 반사 광선의 진행 경로가 상기 최대

   

   값 및

   

   값과 최소

   

   값 및

   

   값의 범위 내에 속하지 않으면, 상기 광선이 상기 기준구조물에 히팅(Hitting)되지 않는 것으로 판단하는, 3차원 전처리 방법.
7. 제 4 항에 있어서, 상기 기준구조물의 한 면의 한 꼭지점과 상기 거리측정을 통한 선택 및 저장 과정을 통해 저장된 상대구조물들 중 한 상대구조물의 한 면의 한 꼭지점의 위치정보는, 직교좌표인, 3차원 전처리 방법.

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