KR101355363B1 - 고속 전파 해석 장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고속 전파 해석 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 하나 또는 복수의 기지국 설정 변경 후에 반복적으로 전파 해석을 해야 하는 경우에 기존의 전파 해석 방법보다 단시간 내에 고속으로 전파 세기를 예측하기 위한, 고속 전파 해석 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.

이를 위하여, 본 발명은, 고속 전파 해석 방법에 있어서, 각 기지국 별로 경로 손실(Path Loss) 행렬을 생성하는 경로 손실 행렬 생성 단계; 상기 각 기지국 별로 지형 고도 행렬을 생성하는 지형 고도 행렬 생성 단계; 각 안테나 별로 전파 세기 행렬을 생성하는 전파 세기 행렬 생성 단계; 및 상기 생성된 경로 손실 행렬, 지형 고도 행렬 및 전파 세기 행렬을 이용하여 전파 세기를 결정하는 전파 세기 결정 단계를 포함한다.

고속 전파 해석, 경로 손실(Path Loss) 행렬, 지형 고도 행렬, 전파 세기 행렬, 전파 세기 결정

Description

고속 전파 해석 장치 및 그 방법{High-Speed Radio Propagation Analysis Apparatus and Method}

본 발명은 고속 전파 해석 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자동 무선망 최적화와 같이 하나 또는 복수의 기지국 설정 변경 후에 반복적으로 전파 해석을 해야 하는 경우에 기존의 전파 해석 방법보다 단시간 내에 고속으로 전파 세기를 예측하기 위한, 고속 전파 해석 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

이하의 일실시예에서는 "자동 무선망 최적화를 위한 고속 전파 해석 방법"을 일예로 들어 설명하기로 하나, 본 발명은 "자동 무선망 최적화"에 적용된 경우로 한정되는 것이 아님을 미리 밝혀둔다.

일반적으로, 전파 해석 툴은 가능하면 정확하게 전파전파(電波傳播, radio wave propagation)를 시뮬레이션하기 위해서 GIS(Geographic Information System) 데이터(지형 데이터)를 이용한다.

이러한 전파 해석 툴에서 사용되는 지형 데이터는 전파 해석용 디지털 지형 데이터와 사용자를 위한 이미지로 구분할 수 있다. 그리고 지형 데이터는 다시 지형(Terrain/Clutter), 지형 특성(Morphology), 인공 지물(Vector) 데이터를 포함하여 이루어진다. 한편, 사용자를 위한 이미지는 위성 또는 항공기에서 촬영한 사진을 이용하거나, 사진을 이용할 수 없을 때에는 지도를 스캔(scan)하여 이용할 수도 있다.

그리고 전파 해석의 결과는 사용된 GIS 데이터의 해상도에 따라 완전히 다른 결과를 얻을 수도 있다. 예를 들어, 전파 해석의 가장 기본이 되는 지형 데이터는 해상도에 따라 완전평면, 저해상도, 중간 해상도, 및 고해상도로 구분할 수 있다.

다음으로, 저해상도 데이터, 중간 해상도 데이터, 및 고해상도 데이터에 대하여 상세히 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 저해상도 데이터는 지형을 300미터 해상도 또는 그 이상으로 나타낸 데이터를 말한다. 저해상도 데이터는 무선통신사업 시작 시기에 대략의 사업계획을 수립하는데 사용된다. 저해상도 데이터는 도시 전체를 수십 개 픽셀로 나타내기 때문에 도시 지역의 정확한 셀 설계용으로 사용하기에는 부적합하다.

한편, 중간 해상도 데이터는 지형을 100~200미터 해상도 또는 그 이상으로 나타낸 데이터를 말한다. 중간 해상도 데이터는 다음의 두 가지 데이터를 포함하여 이루어진다.

첫 번째 데이터는 디지털 지형 데이터로서, 지형을 고도값을 갖는 픽셀들로 구성한 데이터(DEM)를 말한다.

두 번째 데이터는 지형 특성 데이터로서, 지형의 특성 또는 이용 형태를 나타내는 데이터(Morphology)를 말한다.

상기 지형 특성 데이터는 지상에 있는 물체의 높이, 회절 계수, 및 전파 감쇄 계수를 포함하여 이루어진다.

후술되는 아래의 예에서 볼 수 있는 바와 같이, 중간 해상도 데이터는 각 건물의 실제 경계 또는 실제 높이와 같은 건물 데이터는 포함하고 있지 않다.

이러한 중간 해상도 데이터를 이용하여 다음 두 가지 타입의 전파 해석을 수행할 수 있다.

- 결정론적 모델(Deterministic Model)

- 경험적 모델(Empirical Model)

결정론적 모델(Deterministic Model)은 전자기파 전파이론을 이용하여 특정 지점에 도달하는 전파의 세기를 계산하는 방법이다. 이때, 결정론적 모델(Deterministic Model)을 사용하기 위해서는 3차원(3D) 지형 데이터가 있어야만 한다. 그러나 중간 해상도 데이터는 각 건물의 실제 높이를 나타내지 않고 지형 특성별로 통계적인 높이만을 나타내므로, 즉 3차원(3D) 지형 데이터를 포함하고 있지 않으므로 결정론적 모델(Deterministic Model)을 중간 해상도 데이터에 일반적으로 적용하는 것은 불가능하고, 다만 고주파수 대역에서의 전파전파를 계산하는 경우에 한정하여 결정론적 모델(Deterministic Model)을 중간 해상도 데이터에 적용할 수 있다.

그리고 경험적 모델(Empirical Model)은 건물의 영향을 무시하고, 실제 측정 결과의 분석에 의해 만들어진 결과들과 그 결과들에 대한 가정값들(건물 밀도, 건물 간의 이격 거리, 평균 건물 높이, 평균 길 너비 등)에 기반하여 전파 해석을 수행한다. 따라서 경험적 모델(Empirical Model)은 지형 데이터의 정밀도에 크게 영향을 받지 않는다. 이러한 경험적 모델(Empirical Model)은 일반적으로 다소 부정확하지만 가장 적은 계산량을 요구한다. 그리고 일부 전파 모델들은 건물 밀도 또는 평균 건물 높이를 가정하고 파라미터들을 결정할 수 있다. 이러한 전파 모델들은 충분히 검증되었다고 볼 수 있지만, 실제에 있어서는 건물 밀도나 평균 건물 높이와 같은 값들을 얻기 힘들고, 그 밀도나 높이가 일정하기 않기 때문에 정확한 결과를 얻기 위해서는, 측정 데이터를 이용한 전파모델 파라미터 튜닝이 필요한 단점이 있다.

한편, 고해상도 데이터는 도심지의 전파 환경을 가능하면 정확하게 제공하기 위해 사용된다. 이때, 전파전파에 영향을 미치는 모든 데이터들이 모델링된다.

도 1은 동일 지형에 대한 결정론적 모델(Deterministic Model)과 경험적 모델(Empirical Model)의 전파 해석 결과를 비교하여 나타낸 도면이다.

전파 해석 툴에서는 일반적으로 도 1에 도시된 바와 같이 지형 데이터 위에 지형 지물들을 벡터(Vector) 데이터로 올리게 되며, 각 지형 지물들은 해당 특성 데이터와 정확한 높이 값을 가지게 된다.

그러나 이러한 고해상도 데이터는 구축 비용이 많이 들고, 각 지형 지물들을 고려하는 3차원(3D) 전파 해석은 아주 높은 복잡도를 갖기 때문에 현재까지의 기술로는 적용하는 데에 무리가 있다.

도 2는 벡터(Vector)를 이용한 지형 지물을 포함하는 지형 데이터를 나타내는 도면이고, 도 3은 지형 지물을 포함하는 지형 데이터를 나타내는 도면이다.

전파 해석 툴에서는 도 2에 도시된 바와 같이 지형 지물들을 디지털 고도 모델(DEM : Digital Elevation Model)에 포함된 형태(Digital Surface Model)로 사용하는 방식도 지원한다. 이 방식의 경우에 위성이나 항공 촬영 데이터에서 추출한 높이 정보를 수작업 없이 그대로 사용할 수 있기 때문에 구축 비용이 저렴하다는 장점이 있으나, 지형 데이터의 해상도에 따라 건물 높이의 정확도가 떨어지고, 건물의 재질(콘크리트, 철골 등)을 지정할 수 없다는 단점이 있다. 또한, 이 방식은 건물과 지형을 동일하게 처리하기 때문에 하단에 있는 무선통신 단말기에 대한 고려를 할 수 없다는 것도 단점이 된다.

따라서 일반적으로는 경험적 모델(Empirical Model)을 사용하여 전파 해석을 수행하여 커버리지를 판단한 후에, 드라이브 테스트를 수행하여 MMSE(Minimum Mean Spare)와 같은 방법을 사용하여 경험적 모델(Empirical Model)의 파라미터를 조정하여 보다 정확도를 높여서 사용하게 된다. 그러나 이 방식은 지형 지물을 고려하지 않는 한계 때문에 지형 지물에 의한 커버리지 홀(coverage hole)을 예측하는 데 실패할 가능성이 상당히 높은 단점이 있다.

결론적으로, 자동 무선망 최적화와 같이 하나 또는 복수의 기지국 설정 변경 이 있는 경우에 반복적으로 전파 해석을 해야 하는데, 기존의 전파 해석 방법은 전파 세기를 예측하는데 많은 시간이 소요되는 단점이 있다.

다시 말하면, 기존의 전파 해석 방법은 기지국 안테나의 자동 최적화에 있어서 많은 시간이 소요되었는데, 그 중에서도 특히 전파전파 시뮬레이션에 가장 많은 시간이 소요되었다. 즉, 하나 또는 복수의 기지국 파라미터가 변경된 경우에, 서비스의 기준이 되는 신호 세기 또는 신호 대 잡음비를 계산하기 위해서는 각 기지국 안테나에서 송출되는 전파의 세기를 반드시 계산하여야만 하는데, 기존의 전파 해석 방법은 전체 기지국들로부터의 신호 세기를 재계산하는데 많은 시간이 소요되는 단점이 있다.

따라서 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 하는 것이 본 발명의 과제이다.

따라서 본 발명은 하나 또는 복수의 기지국 설정 변경 후에 반복적으로 전파 해석을 해야 하는 경우에 기존의 전파 해석 방법보다 단시간 내에 고속으로 전파 세기를 예측하기 위한, 고속 전파 해석 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 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 장치는, 고속 전파 해석 장치에 있어서, 각 기지국 별로 경로 손실(Path Loss) 행렬을 생성하기 위한 경로 손실 행렬 생성부; 상기 각 기지국 별로 지형 고도 행렬을 생성하기 위한 지형 고도 행렬 생성부; 각 안테나 별로 전파 세기 행렬을 생성하기 위한 전파 세기 행렬 생성부; 및 상기 생성된 경로 손실 행렬, 지형 고도 행렬 및 전파 세기 행렬을 이용하여 전파 세기를 결정하기 위한 전파 세기 결정부를 포함한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법은, 고속 전파 해석 방법에 있어서, 각 기지국 별로 경로 손실(Path Loss) 행렬을 생성하는 경로 손실 행렬 생성 단계; 상기 각 기지국 별로 지형 고도 행렬을 생성하는 지형 고도 행렬 생성 단계; 각 안테나 별로 전파 세기 행렬을 생성하는 전파 세기 행렬 생성 단계; 및 상기 생성된 경로 손실 행렬, 지형 고도 행렬 및 전파 세기 행렬을 이용하여 전파 세기를 결정하는 전파 세기 결정 단계를 포함한다.

또한, 상기 본 발명의 방법은, 소정 지점과 관련된 모든 기지국의 안테나에 대해 상기 경로 손실 행렬 생성 단계와 상기 지형 고도 행렬 생성 단계와 상기 전파 세기 행렬 생성 단계와 상기 전파 세기 결정 단계를 수행하여 각 전파 세기를 구하는 단계; 및 상기 구한 각 전파 세기를 이용하여 (최대 세기를 가지는 안테나의 신호 세기)/(다른 모든 안테나들로부터의 신호 세기+백색 잡음)와 같이 계산하여 신호 대 잡음비를 구하는 단계를 더 포함한다.

또한, 상기 본 발명의 방법은, 상기 구한 각 전파 세기의 값을 모두 더하여 수신신호강도(RSSI)를 구하는 단계를 더 포함한다.

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상기와 같은 본 발명은, 기존의 전파 해석 방법에 비해 보다 정확한 전파 세기 예측이 가능한 효과가 있다.

즉, 자동 무선망 최적화와 같이 하나 또는 복수의 기지국 설정 변경 후에 반복적으로 전파 해석을 해야 하는 경우, 본 발명을 이용하면 기존의 전파 해석 방법보다 단시간 내에 전파 세기 예측이 가능하다.

다시 말하면, 본 발명은 기존에 많은 시간이 걸리던 기지국 안테나의 자동 최적화에 있어서 가장 많은 시간이 소요되는 전파전파 시뮬레이션에 걸리는 시간을 최소화하기 위하여, 서비스의 기준이 되는 신호 세기 또는 신호 대 잡음비를 계산하는데 필수적인 요소인 각 기지국 안테나에서 송출되는 전파의 세기를 독립적으로 관리함으로써, 각 기지국 파라미터가 변경된 경우에 전체 기지국들로부터의 신호 세기를 재계산하는 과정을 생략할 수 있도록 하여 보다 빠른 시간 내에 전파 해석이 가능하다.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되어 있는 상세한 설명을 통하여 보다 명확해 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 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

여기서, 본 발명에 대한 구체적인 일실시예의 설명에 앞서, LOS(Line-Of-Sight)인 경우와 NLOS(Non-LOS)인 경우의 전파 해석 방법에 대하여 살펴보기로 한다.

일반적으로, 전파 해석은 LOS(Line-Of-Sight)인 경우와 NLOS(Non-LOS)인 경우에 따라 서로 계산 방법이 다르다.

먼저, LOS(Line-Of-Sight)인 경우의 전파 감쇄 계산 방법에 대하여 살펴보면 다음과 같다.

LOS(Line-Of-Sight)는 수신단(Rx)과 송신단(Tx)이 직접 보이는 경우이다. 그러나 전파 해석 시에는 수신단(Rx)과 송신단(Tx)이 직접 보이는 것뿐만 아니라 수신단(Rx)과 송신단(Tx) 사이에 가려지지 않는 프레넬 존(Fresnel Zone)이 성립되어야 하는 것을 의미한다.

이러한 조건이 만족된다면 수신단(Rx)과 송신단(Tx) 간의 전파 감쇄는 "ITU-R 525 모델"을 사용하여 다음의 [수학식 1]과 같이 계산될 수 있다.

여기서, L_fsd는 자유 공간 손실을 나타내고, d는 수신단(Rx)과 송신단(Tx) 간의 거리를 나타낸다.

다음으로, NLOS(Non-LOS)인 경우의 전파 감쇄 계산 방법에 대하여 살펴보면 다음과 같다.

NLOS인 경우는 전술한 자유 공간 손실에 회절 손실을 더해야 한다.

프레넬(Fresnel) 이론에 따르면 수신단(Rx)과 송신단(Tx) 간의 직선상에 존재하는 단일 나이프 에지(Knife-edge) 방해물에 의한 전파 감쇄는 프레넬 적분(Fresnel Integral)에 의해 구할 수 있지만, 실제적으로는 적용할 수 없으므로, 이러한 나이프 에지(Knife-edge)에 의한 회절(diffraction) 손실은 다음의 [수학식 2]와 같이 구할 수 있다.

h/r은 "clearance ratio"라고도 불리는데, 상기 [수학식 2]에 정의되어 있는 바와 같이 변수 v는 "clearance ratio"의 제곱근을 의미한다. 여기서, r은 송신단(Tx)으로부터 d거리에서 프레넬(Fresnel) 타원면의 반경, h는 LOS(Line-Of-Sight) 윗부분에 해당하는 방해물의 높이를 의미한다. 이는 도 4에 도시된 v 결정 방식을 살펴보면 쉽게 이해할 수 있다. 그러고 이러한 경우는 하나의 방해물만이 있는 경우이기 때문에 상기 [수학식 2]를 일반화하면 다음의 [수학식 3]과 같이 나타낼 수 있다. 다음의 [수학식 3]에서 i는 송신단(Tx)과 수신단(Rx) 사이의 방해물의 개수가 된다.

그러므로 NLOS(Non-LOS)인 경우의 신호 감쇄는 다음의 [수학식 4]와 같은 수식으로 나타낼 수 있다.

그 외에, 보다 정확한 계산을 위해서는 부 경로 감쇄(Sub-Path Attenuation)와 반사(Reflection)도 고려할 수 있다. 그러나 본 발명의 일실시예에서는 설명의 편의를 위하여 부 경로 감쇄와 반사는 고려하지 않기로 한다. 그러나 실제 구현에서는 부 경로 감쇄와 반사도 고려하여 구현하는 것이 당업자에게 가능하다고 할 것이다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명이 적용되는 고속 전파 해석 시스템의 일실시예 구성도이다.

도 5a에 도시된 바와 같이, 본 발명이 적용되는 고속 전파 해석 시스템은, 본 발명에 필요한 연산을 수행하는 컴퓨터(51), 기지국의 위치 및 전력 등을 입력하기 위한 입력장치인 키보드(52)와 마우스(53), 및 연산 결과를 출력하기 위한 출력장치인 프린터(54)를 포함한다.

도 5b에 도시된 바와 같이, 본 발명이 적용되는 고속 전파 해석 시스템의 컴퓨터(51)는, 중앙처리장치(55)와, 상기 중앙처리장치(55)에 연결된 주기억장치(56)와, 상기 주기억장치(56)에 연결된 보조기억장치(57)와, 상기 주기억장치(56)에 연결된 주변장치(58)를 구비한다.

이처럼, 본 발명이 적용되는 고속 전파 해석 시스템은, 컴퓨터의 전체 동작 을 제어하고 관리하는 중앙처리장치(55), 상기 중앙처리장치(55)에서 수행되는 프로그램을 저장하고 작업 수행 중에 이용되는 또는 작업 수행 중에 발생되는 각종 데이터를 저장하는 주기억장치(56)와 보조기억장치(57), 및 사용자와의 데이터 입/출력을 위한 입/출력 장치(52 내지 54)와, 통신 인터페이스 등을 위한 주변장치(58)를 포함한다.

그리고 상기 보조기억장치(57)는 대량의 데이터를 저장하는 역할을 하며, 상기 입/출력 장치(52 내지 54)는 일반적인 키보드(52), 마우스(53), 디스플레이 장치, 및 프린터(54) 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(56)에는 하나 또는 복수의 기지국 설정 변경 후에 반복적으로 전파 해석을 해야 하는 경우에 기존의 전파 해석 방법보다 단시간 내에 고속으로 전파 세기를 예측할 수 있는 고속 전파 해석 알고리즘이 저장되어 있으며, 상기 중앙처리장치(55)의 제어에 따라 수행된다.

본 발명에서 이루고자 하는 알고리즘, 즉 고속 전파 해석 알고리즘은, 각 기지국 별로 경로 손실(Path Loss) 행렬을 생성하고, 상기 각 기지국 별로 지형 고도 행렬을 생성하며, 각 안테나 별로 전파 세기 행렬을 생성한 후에, 상기 각 행렬을 이용하여 전파 세기를 결정하는 알고리즘이다.

상기와 같은 고속 전파 해석 알고리즘은 하드웨어적으로도 구현이 가능하며, 그 일예를 도 5c를 참조하여 살펴보면 다음과 같다.

도 5c는 본 발명에 따른 자동 무선망 최적화를 위한 고속 전파 해석 장치의 일실시예 구성도이다.

도 5c에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 자동 무선망 최적화를 위한 고속 전파 해석 장치는, 각 기지국 별로 경로 손실(Path Loss) 행렬을 생성하기 위한 경로 손실 행렬 생성부(501), 상기 각 기지국 별로 지형 고도 행렬을 생성하는 지형 고도 행렬 생성부(502), 각 안테나 별로 전파 세기 행렬을 생성하는 전파 세기 행렬 생성부(503), 및 상기 각 행렬(각 기지국 별로 경로 손실 행렬, 각 기지국 별로 지형 고도 행렬, 각 안테나 별로 전파 세기 행렬)을 이용하여 전파 세기를 결정하는 전파 세기 결정부(504)를 포함한다.

상기 경로 손실 행렬 생성부(501), 지형 고도 행렬 생성부(502), 전파 세기 행렬 생성부(503), 및 전파 세기 결정부(504)에 대한 구체적인 동작 및 실시예는 도 6을 참조하여 상세히 후술하기로 한다.

도 6은 본 발명에 따른 자동 무선망 최적화를 위한 고속 전파 해석 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.

먼저, 본 발명에 따른 자동 무선망 최적화를 위한 고속 전파 해석 방법에 대한 기술 요지를 살펴보면 다음과 같다.

실제로 고속 전파 해석 시스템(예 : 컴퓨터)에서는 요구되는 해상도와 해석 반경에 따라 전파 해석을 수행하게 된다. 따라서 이때의 최종 전파 해석 결과는 해 석 반경과 해상도에 따라 픽셀들의 집합이 된다. 이때, 해석 반경은 직사각형으로 주어지며, 상기 직사각형의 한 변의 길이를 "A"라 하고, 해상도를 "R"이라 하면, 이러한 픽셀들의 집합은 (A/R)x(A/R)의 행렬로 표시할 수 있다.

본 발명에서는 상기와 같은 결과를 얻기 위해, 각 기지국 별로 하나의 경로 손실(Path Loss) 행렬을 생성하고, 각 기지국 별로 지형 고도 행렬을 생성하며, 각 안테나마다 안테나 패턴에 따라 전파 세기 행렬을 생성한 후에, 상기 생성한 세 행렬, 즉 경로 손실(Path Loss) 행렬과 지형 고도 행렬(M_T)과 전파 세기 행렬을 이용하여, 특정 지점에서의 해당 기지국으로부터의 전파 세기를 결정한다.

그리고 신호 대 잡음비는 한 지점 (X,Y)에 전파가 도달하여 영향을 미치는 모든 기지국들의 안테나들에 대해 전파 세기를 결정한 후, 그 중에서 (최대 세기를 가지는 안테나의 신호 세기)/(다른 모든 안테나들로부터의 신호 세기+백색 잡음(White Noise))으로 구할 수 있다.

다음으로, 도 6을 참조하여 본 발명에 따른 자동 무선망 최적화를 위한 고속 전파 해석 방법에 대한 구체적인 실시예를 상세히 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 기지국별 경로 손실(Path Loss) 행렬(M_R)을 생성한다(61).

이때, 설명의 편의를 위해 경로 손실(Path Loss)은 LOS(Line-Of-Sight)와 NLOS(Non-LOS)만 고려하고, 반사와 회절은 고려하지 않는다고 가정한다.

각 기지국의 기 설정된 위치에서 동심원으로 원을 그려 LOS(Line-Of-Sight)와 NLOS(Non-LOS)를 구분하고, 해상도에 따른 각 위치에 LOS(Line-Of-Sight)는 1로 설정하고 NLOS(Non-LOS)는 0으로 설정하여 기지국별 경로 손실(Path Loss) 행 렬(M_R)을 하나 생성한다. 이후에, 상기 "ITU-R 525 모델"의 자유 공간 손실 수식에 의해 각 기지국에서의 거리에 따른 자유 공간 손실 값을 0과 1로 생성된 기지국별 경로 손실(Path Loss) 행렬(M_R)에 곱한다. 이때, 하타(Hata) 계열의 전파 모델과 모폴러쥐(Morphology)와 같은 지형 특성을 이용하여 행렬을 생성할 수도 있다.

상술한 바와 같이 생성한 기지국별 경로 손실(Path Loss) 행렬(M_R)은, 예를 들어 다음과 같은 값을 가질 수 있다.

이후, 기지국별 지형 고도 행렬(M_T)을 생성한다(62).

각 기지국에 대하여 AxR에 해당하는 지형의 고도 또는 지형+지형 지물의 고도 값을 갖는 하나의 2차원 행렬, 즉 기지국별 지형 고도 행렬(M_T)을 하나 생성한다.

상술한 바와 같이 생성한 기지국별 지형 고도 행렬(M_T)은, 예를 들어 다음과 같은 값을 가질 수 있다. 여기서, 값의 단위는 미터(meter)이다.

이후, 안테나별 전파 세기 행렬(M_A)을 생성한다(63). 즉, 각 안테나마다 안 테나 패턴에 따라 전파 세기 행렬(M_A)을 생성한다.

이때, 각 안테나별 틸트 및 방향을 고려하여 안테나 패턴을 AxRxH의 행렬로 매핑한다. 여기서, H는 사용자가 설정 가능한 값으로 안테나 패턴을 충분히 나타내기 위해 필요한 높이를 의미한다. 그리고 H는 (실제 고려해야 하는 높이)/R로 결정된다.

여기서, 상기 안테나별 전파 세기 행렬(M_A)을 생성할 때 각 안테나별 틸트 및 방향을 고려하는 방법에 대하여 좀더 상세히 살펴보면 다음과 같다.

일반적인 최적화의 경우에는 안테나의 방향 또는 틸트를 변경하는 방식으로 최적화가 진행되는데, 이러한 안테나 각도의 변화를 전파 세기 행렬(M_A)에 반영하기 위해서는 다음의 연산 방법을 이용하여 새로운 전파 세기 행렬(M_A)을 계산하여야 한다.

먼저, 2차원적인 안테나 각도 변경에 대한 전파 세기 행렬[x y z]의 각도를 변경한 후의 전파 세기 행렬(M_A)은 x축 기준의 회전으로 볼 수 있으며, 다음의 행렬식으로 나타낼 수 있다.

그리고 2차원적인 안테나 틸트 변경에 대한 전파 세기 행렬[x y z]의 틸트를 변경한 후의 전파 세기 행렬(M_A)은 z축 기준의 회전으로 볼 수 있으며, 다음의 행렬식으로 나타낼 수 있다.

그리고 안테나의 각도와 틸트를 동시에 변경한 경우에는 전파 세기 행렬(M_A)에 상기 x축 기준 변환 행렬(transformation matrix)과 상기 z축 기준 변환 행렬(transformation matrix)을 차례로 적용하여 새로운 전파 세기 행렬(M_A)을 계산한다. 특히, 이러한 3차원 변환(transformation) 연산은 '다이렉트엑스(DirectX)'와 같은 그래픽 라이브러리를 이용하여 하드웨어적으로 연산이 가능하므로 매우 짧은 시간 내에 수행하는 것이 가능하다.

한편, 상술한 바와 같이 생성한 안테나별 전파 세기 행렬(M_A)은, 3차원 행렬이 되며, 예를 들어 R=5, H=-10~+10이라고 가정하면 다음과 같은 값을 가질 수 있다. 여기서, 값의 단위는 와트(Watt)이다.

이후, 전파 세기 행렬(M_S)의 값을 구한다(64). 즉, 상기 생성한 기지국별 경로 손실(Path Loss) 행렬(M_R)과 기지국별 지형 고도 행렬(M_T)과 안테나별 전파 세기 행렬(M_A)을 이용하여, 특정 지점에서의 하나의 특정 기지국으로부터의 전파 세기를 결정한다.

이를 좀더 구체적으로 상세히 살펴보면, AxR 행렬 상에서의 한점 (X,Y)에서의 전파 세기는 기지국별 지형 고도 행렬(M_T)의 해당 좌표 (X,Y)에서 해당 고도값 (Z)을 찾아 안테나별 전파 세기 행렬(M_A)에서 (X,Y,Z)에 해당하는 값을 찾는다. 이렇게 찾은 값을 기지국별 경로 손실(Path Loss) 행렬(M_R)에서의 해당 좌표 (X,Y)의 값과 곱하면 해당 지점 (X,Y)에서의 전파 세기를 구할 수 있다.

예를 들어, 5x5의 포인트의 해상도로 정의되는 지역에 대한 전파 세기 행렬(M_S)은 5x5의 행렬로 정의되며, 전파 세기 행렬(M_S)의 (0,1)에서의 값은 다음과 같이 계산한다.

기지국별 지형 고도 행렬(M_T)에서 (0,1)의 값을 찾으면 '-10'이다. 그리고 (0,1,-10)에 해당하는 값을 안테나별 전파 세기 행렬(M_A)에서 찾으면 '1'이다. 다음으로, 상기 찾은 값('1')을 기지국별 경로 손실 행렬(M_R)의 (0,1)에 해당하는 '0.5'와 곱하면 '0.5'라는 값이 되는데, 이 값이 전파 세기 행렬(M_S)의 (0,1)에 해당하는 값이 된다. 전파 세기 행렬(M_S)의 모든 값들을 상기와 같은 절차에 따라 계산한다. 이렇게 계산한 결과를 예를 들어 나타내면 다음과 같다.

이처럼, 상술한 과정(61 내지 64)을 수행하여 하나의 기지국 안테나로부터의 전파 세기를 구할 수 있고, 한 지점 (X,Y)에 해당하는, 즉 한 지점 (X,Y)에 전파가 도달하여 영향을 미치는 모든 기지국들의 안테나들에 대해 상기 과정(61 내지 64)을 수행한 후, (최대 세기를 가지는 안테나의 신호 세기)/(다른 모든 안테나들로부터의 신호 세기+백색 잡음(White Noise))와 같이 계산하여 신호 대 잡음비를 구할 수 있다.

그리고 수신신호강도(RSSI : Received Signal Strength Indicator)는 한 지점 (X,Y)에 해당하는, 즉 한 지점 (X,Y)에 전파가 도달하여 영향을 미치는 모든 기지국들의 안테나들에 대해 상기 과정(61 내지 64)을 수행한 후 모든 전파 세기 값들을 더하면 된다.

결론적으로, 기존에는 안테나 설정이 하나만 변경되어도 모든 인접 기지국들의 안테나들에 대하여 전파 해석을 다시 수행하여야 하지만, 본 발명에 따른 자동 무선망 최적화를 위한 고속 전파 해석 방법을 사용하면 안테나의 설정이 변경되는 경우에도 설정이 변경된 안테나에 해당하는 전파 세기 행렬(M_A)만 새로 생성하여 해당하는 경로 손실(Path Loss) 행렬(M_R)과 곱하는 계산만으로 쉽게 전파 세기를 구할 수 있고, 그에 따라 신호 대 잡음비와 수신신호강도(RSSI)도 쉽게 구할 수 있다.

한편, 전술한 바와 같은 본 발명의 방법은 컴퓨터 프로그램으로 작성이 가능하다. 그리고 상기 프로그램을 구성하는 코드 및 코드 세그먼트는 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.　또한, 상기 작성된 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체(정보저장매체)에 저장되고, 컴퓨터에 의하여 판독되고 실행됨으로써 본 발명의 방법을 구현한다. 그리고 상기 기록매체는 컴퓨터가 판독할 수 있는 모든 형태의 기록매체를 포함한다.

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.

본 발명은 자동 무선망 최적화를 위한 고속 전파 해석 등에 이용될 수 있다.

도 1은 동일 지형에 대한 결정론적 모델(Deterministic Model)과 경험적 모델(Empirical Model)의 전파 해석 결과를 비교하여 나타낸 도면,

도 2는 벡터(Vector)를 이용한 지형 지물을 포함하는 지형 데이터를 나타내는 도면,

도 3은 지형 지물을 포함하는 지형 데이터를 나타내는 도면,

도 4는 v의 결정 방식에 대한 설명도,

도 5a 및 도 5b는 본 발명이 적용되는 고속 전파 해석 시스템의 일실시예 구성도,

도 5c는 본 발명에 따른 자동 무선망 최적화를 위한 고속 전파 해석 장치의 일실시예 구성도,

도 6은 본 발명에 따른 자동 무선망 최적화를 위한 고속 전파 해석 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

51 : 컴퓨터 52 : 키보드

53 : 마우스 54 : 프린터

55 : 중앙처리장치 56 : 주기억장치

57 : 보조기억장치 58 : 주변장치

501 : 경로 손실 행렬 생성부 502 : 지형 고도 행렬 생성부

503 : 전파 세기 행렬 생성부 504 : 전파 세기 결정부

Claims (17)

1. 고속 전파 해석 방법에 있어서,

   각 기지국 별로 경로 손실(Path Loss) 행렬을 생성하는 경로 손실 행렬 생성 단계;

   상기 각 기지국 별로 지형 고도 행렬을 생성하는 지형 고도 행렬 생성 단계;

   각 안테나 별로 전파 세기 행렬을 생성하는 전파 세기 행렬 생성 단계; 및

   상기 생성된 경로 손실 행렬, 지형 고도 행렬 및 전파 세기 행렬을 이용하여 전파 세기를 결정하는 전파 세기 결정 단계

   를 포함하는 고속 전파 해석 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 경로 손실 행렬 생성 단계는,

   상기 각 기지국의 기 설정된 위치에서 동심원으로 원을 그려 LOS(Line-Of-Sight)와 NLOS(Non-LOS)를 구분하고, 해상도에 따른 각 위치에 LOS는 1로 설정하고 NLOS는 0으로 설정하여 상기 각 기지국 별로 경로 손실(Path Loss) 행렬을 하나 생성한 후에, 상기 각 기지국에서의 거리에 따른 자유 공간 손실 값을 상기 생성한 경로 손실(Path Loss) 행렬에 곱하는, 고속 전파 해석 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 지형 고도 행렬 생성 단계는,

   상기 각 기지국에 대하여 지형의 고도 또는 지형+지형 지물의 고도 값을 갖는 하나의 지형 고도 행렬을 생성하는, 고속 전파 해석 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 전파 세기 행렬 생성 단계는,

   상기 각 안테나마다 안테나 패턴에 따라 전파 세기 행렬을 생성하는, 고속 전파 해석 방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 전파 세기 행렬 생성 단계는,

   2차원적인 안테나 각도 변경에 대한 전파 세기 행렬의 각도를 변경한 후의 전파 세기 행렬은 x축 기준의 회전으로, 아래의 [변환 행렬식A]와 같고,

   2차원적인 안테나 틸트 변경에 대한 전파 세기 행렬의 틸트를 변경한 후의 전파 세기 행렬은 z축 기준의 회전으로, 아래의 [변환 행렬식B]와 같으며,

   안테나 각도와 틸트를 동시에 변경한 경우에 전파 세기 행렬에 상기 [변환 행렬식A]와 상기 [변환 행렬식B]를 적용하여 새로운 전파 세기 행렬을 계산하는, 고속 전파 해석 방법.

   [변환 행렬식A]

   

   [변환 행렬식B]

   
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 전파 세기 결정 단계는,

   상기 생성한 기지국별 경로 손실(Path Loss) 행렬과 상기 생성한 기지국별 지형 고도 행렬과 상기 생성한 안테나별 전파 세기 행렬을 이용하여, 소정 지점에서의 하나의 소정 기지국으로부터의 전파 세기를 결정하는, 고속 전파 해석 방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 소정 지점과 관련된 모든 기지국의 안테나에 대해 상기 경로 손실 행렬 생성 단계와 상기 지형 고도 행렬 생성 단계와 상기 전파 세기 행렬 생성 단계와 상기 전파 세기 결정 단계를 수행하여 각 전파 세기를 구하는 단계; 및

   상기 구한 각 전파 세기를 이용하여 아래의 [수학식 A]와 같이 계산하여 신호 대 잡음비를 구하는 단계

   를 더 포함하는 고속 전파 해석 방법.

   [수학식 A]

   신호 대 잡음비 = (최대 세기를 가지는 안테나의 신호 세기)/(다른 모든 안테나들로부터의 신호 세기+백색 잡음)
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 구한 각 전파 세기의 값을 모두 더하여 수신신호강도(RSSI)를 구하는 단계

   를 더 포함하는 고속 전파 해석 방법.
9. 고속 전파 해석 장치에 있어서,

   각 기지국 별로 경로 손실(Path Loss) 행렬을 생성하기 위한 경로 손실 행렬 생성부;

   상기 각 기지국 별로 지형 고도 행렬을 생성하기 위한 지형 고도 행렬 생성부;

   각 안테나 별로 전파 세기 행렬을 생성하기 위한 전파 세기 행렬 생성부; 및

   상기 생성된 경로 손실 행렬, 지형 고도 행렬 및 전파 세기 행렬을 이용하여 전파 세기를 결정하기 위한 전파 세기 결정부

   를 포함하는 고속 전파 해석 장치.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 경로 손실 행렬 생성부는,

    상기 각 기지국의 기 설정된 위치에서 동심원으로 원을 그려 LOS(Line-Of-Sight)와 NLOS(Non-LOS)를 구분하고, 해상도에 따른 각 위치에 LOS는 1로 설정하고 NLOS는 0으로 설정하여 상기 각 기지국 별로 경로 손실(Path Loss) 행렬을 하나 생성한 후에, 상기 각 기지국에서의 거리에 따른 자유 공간 손실 값을 상기 생성한 경로 손실(Path Loss) 행렬에 곱하는, 고속 전파 해석 장치.
11. 제 9 항에 있어서,

    상기 지형 고도 행렬 생성부는,

    상기 각 기지국에 대하여 지형의 고도 또는 지형+지형 지물의 고도 값을 갖는 하나의 지형 고도 행렬을 생성하는, 고속 전파 해석 장치.
12. 제 9 항에 있어서,

    상기 전파 세기 행렬 생성부는,

    상기 각 안테나마다 안테나 패턴에 따라 전파 세기 행렬을 생성하는, 고속 전파 해석 장치.
13. 제 12 항에 있어서,

    상기 전파 세기 행렬 생성부는,

    2차원적인 안테나 각도 변경에 대한 전파 세기 행렬의 각도를 변경한 후의 전파 세기 행렬은 x축 기준의 회전으로, 아래의 [변환 행렬식A]와 같고,

    2차원적인 안테나 틸트 변경에 대한 전파 세기 행렬의 틸트를 변경한 후의 전파 세기 행렬은 z축 기준의 회전으로, 아래의 [변환 행렬식B]와 같으며,

    안테나 각도와 틸트를 동시에 변경한 경우에 전파 세기 행렬에 상기 [변환 행렬식A]와 상기 [변환 행렬식B]를 적용하여 새로운 전파 세기 행렬을 생성하는, 고속 전파 해석 장치.

    [변환 행렬식A]

    

    [변환 행렬식B]

    
14. 제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 전파 세기 결정부는,

    상기 생성한 기지국별 경로 손실(Path Loss) 행렬과 상기 생성한 기지국별 지형 고도 행렬과 상기 생성한 안테나별 전파 세기 행렬을 이용하여, 소정 지점에서의 하나의 소정 기지국으로부터의 전파 세기를 결정하는, 고속 전파 해석 장치.
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