KR102119121B1

KR102119121B1 - 실측 데이터 기반의 클러터―모폴로지 보정 계수를 이용하여 전파전파 전송 손실을 보정하는 방법

Info

Publication number: KR102119121B1
Application number: KR1020200009423A
Authority: KR
Inventors: 이진석; 이민재
Original assignee: 올웨이브텍 주식회사
Priority date: 2020-01-23
Filing date: 2020-01-23
Publication date: 2020-06-04

Abstract

본 발명은 실측 데이터 기반의 클러터-모폴로지 보정 계수를 이용하여 전파전파 전송 손실을 보정하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은, 전파전파 전송 손실 분석의 시뮬레이션을 수행할 대상 지역을 선정하고, 상기 시뮬레이션에 사용할 전파전파 모델을 결정하는 것; 상기 대상 지역에 용도 지역 지구도의 토지 형태별 공간 정보의 각 카테고리를 상기 대상 지역에 대한 토지 피복도의 토지 형태별 모폴로지 분류에 맵핑하는 것; 상기 모폴로지 분류를 상기 ITU 권고안 표준 모델의 클러터 카테고리에 맵핑하는 것; 상기 대상 지역의 특정의 지점에서 전파전파 전송 손실을 실제로 측정하여 실측값을 생성하는 것; 상기 대상 지역의 상기 특정의 지점에 대해서 상기 결정된 전파전파 모델로 계산값을 산출하는 것; 상기 실측값과 상기 계산값의 편차율을, 상기 특정의 지점에 대한 상기 ITU 표준 클러터 카테고리에 대해 적용할 보정 계수로서 결정하는 것; 및 전파전파 전송 손실 분석의 시뮬레이션시 상기 ITU 표준 클러터 카테고리와 동일한 지점에 대해서 상기 보정 계수를 적용하는 것을 포함한다.

Description

실측 데이터 기반의 클러터―모폴로지 보정 계수를 이용하여 전파전파 전송 손실을 보정하는 방법{MRTHOD FOR CALIBRATING LOSS OF RADIO-PROPAGATION USING CLUTTER-MORPHOLOGY CALIBRATING FACTOR BASED ON MEASUREMENT DATA}

본 발명은 실측 데이터 기반의 클러터―모폴로지 보정 계수를 이용하여 전파전파 전송 손실을 보정하는 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 무선 통신 시스템에서 특정 지점(point-to-point)에 신호 및 데이터를 전송할 때 발생하는 전파전파 전송 손실량을 예측하여 무선 통신 시스템에 필요한 적정 출력을 보다 효율적으로 산출할 수 있게 하기 위하여, 실측 데이터 기반의 클러터―모폴로지 보정 계수를 이용하여 전파전파 전송 손실을 보정할 수 있게 하는 방법에 관한 것이다.

오늘날, IoT, 스마트카 등 무선통신의 새로운 패러다임 진화에 따른 초연결 사회로의 진입과 빅데이터 출현으로 인해 무선통신 트래픽이 기하급수적으로 증가하고, 2G, 3G, 4G의 시대를 넘어 밀리미터파를 사용하는 5G의 시대로 접어 들었다.

5G 무선통신은 지금까지의 단순 데이터 전달 중심 서비스와는 다르게 IoT, 모바일 클라우드, V2V 등 다양한 서비스들을 가능하게 하며, 6GHz 이상의 고주파수 및 광대역을 사용하기 때문에 대용량 및 고속의 무선통신을 가능하게 해준다. 하지만 이러한 무선통신은, 지형/주변 환경 및 기상 조건(건물, 나무, 안개, 강우 등)에 의한 전파손실이 크게 발생한다.

따라서, 이와 같은 밀리미터파 시대에 부응하여 보다 효율적이고 안정적인 주파수 관리 및 네트워크 플래닝을 위해서는, 전파분석 시뮬레이션시 지형/주변 환경의 영향을 고려할 수 있는 분석 시스템이 필요하다.

전파분석 시뮬레이션을 수행하기 위해서는, 3가지 큰 요소가 필요하다. 이는, 전파전파 모델, GIS 환경, 분석 기법이다.

전파전파 예측 모델을 이용한 전계강도 계산시, 각각의 예측 모델은, 각자의 모델에서 정의하는 지형 조건에 맞춰 미리설정된 손실값을 사용한다.

한편, 전파전파 전송 손실량을 예측하기 위해서 사용되는 전파전파 모델(Radio-Propagation Model)로는, ITU(International Telecommunication Union)에서 제공하는 권고안(ITU-R Recommendations) 모델들이 사용된다.

하지만, ITU에서 제공되는 권고안은, 유럽, 미국 환경에서 측정된 전파 특성을 기반으로 알고리즘이 제작되었기 때문에, ITU에서는 권고안 모델을 사용하고자 하는 지역의 특성에 맞게 보정(calibration)하여 사용하도록 권고하고 있다.

따라서, 국내 토지 이용 현황(LCLU: Land Cover/Land Use)을 ITU 권고안 모델에 정의된 중요 클러터 카테고리에 맵핑하여 보정할 필요가 있다.

만일, ITU 권고안 모델에 따른 전파전파 모델을 보정없이 바로 사용할 경우, 동일/이종 무선 서비스간 간섭이 발생될 확률이 높아지고 필요이상 또는 필요이하의 예측 출력값이 산출되어 무선국 시공시 및 통신 개시시에 문제가 발생될 확률이 높다.

또한, 국제적으로 주파수 분쟁이 발생하였을 때, 인접국(일본, 중국, 러시아)에 대응하여 국내의 주파수를 보호하기 위해서는 국내 통신 환경에 대한 정확한 분석 결과가 필요하다.

예를 들면, 전파전파의 특성을 예측하기 위한 종래 기술로서, 등록특허 제0176093호 (명칭: 전파 전파 예측방법, 1998.11.12. 등록)(이하, '종래기술'이라 함)를 들 수 있다. 여기서는, 지형특성을 밀집 대도시, 대도시, 중소도시, 개활지, 산악지대의 5개 지역으로 구분하고, 상기한 개활지에서의 추출한 거리 및 주파수에 따른 전계강도 곡선을 기본 전계강도 곡선으로 정의함으로써, 상기한 5개 지역 중에서 개활지가 아닌 타지역에 대한 결과를 얻기 위해 각각의 해당되는 보정항을 정의하고 상기한 기본 전계강도 곡선에서 가감되도록 설정하여 수신점에서의 전계강도를 예측하고 있다.

하지만, 상기 종래기술에서는 지역을 독자적으로 구분하고, 전계강도 예측 계산식을 자체 개발하였으며, 보정계수 또한 임의로 정의하고 있다. 즉, 종래기술의 예측 방법에 의한 결과는 국제적으로 인정받을 수 없다.

이처럼, 새로운 예측 모델을 구성하는 것이 아니라, 국제적으로 공인된 예측 모델에 최소한의 보정 계수를 추가함으로서 국내 환경에 적용시키는 방법, 그로써 산출된 값이 국제적으로 인정될 수 있게 하는 방법이 필요하다.

이에, 본 발명은, 무선통신 시스템에서 불특정 다수(Point-to-Area) 또는 특정 지점(Point-to-Point)에 신호 및 데이터를 전송할 때 발생되는 전파전파 전송 손실량을 측정함에 있어서, 국제 공인된 모델을 활용함으로써 국제적으로 인정될 수 있는 결과를 얻고자 한다.

또한, 본 발명은, ITU에서 권고하는 표준 모델을 사용함에도 국내 지역의 특성에 맞게 보정함으로써 전파전파 전송 손실을 거의 정확하게 예측하도록 하고, 이로써 무선통신 시스템에 필요한 적정 출력을 시뮬레이션으로 산출할 수 있게 하고자 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 실측 데이터 기반의 클러터-모폴로지 보정 계수를 이용하여 전파전파 전송 손실을 보정하는 방법을 제공한다. 상기 방법은, 전파전파 전송 손실 분석의 시뮬레이션을 수행할 대상 지역을 선정하고, 상기 시뮬레이션에 사용할 전파전파 모델(radio-propagation model)을 결정하는 것 - 여기서, 상기 전파전파 모델은 ITU 권고안 표준 모델이 선택됨 -; 상기 대상 지역에 대한 국내 용도 지역 지구도(LU; Land Use)의 토지 형태별 공간 정보의 각 카테고리를 상기 대상 지역에 대한 국내 토지 피복도(LC; Land Cover)의 토지 형태별 모폴로지 분류에 맵핑하는 것; 상기 모폴로지 분류를 상기 ITU 권고안 표준 모델의 클러터 카테고리에 맵핑하는 것; 상기 대상 지역의 특정의 지점에서 전파전파 전송 손실을 실제로 측정하여 실측값을 생성하는 것; 상기 대상 지역의 상기 특정의 지점에 대해서 상기 결정된 전파전파 모델로 계산값을 산출하는 것; 상기 실측값과 상기 계산값의 편차율을, 상기 특정의 지점에 대한 상기 ITU 표준 클러터 카테고리에 대해 적용할 보정 계수로서 결정하는 것; 및 이후, 상기 대상 지역의 타지점에 대한 전파전파 전송 손실 분석의 시뮬레이션시 상기 ITU 표준 클러터 카테고리와 동일한 지점에 대해서 상기 보정 계수를 적용하는 것을 포함한다.

여기서, 상기 보정 계수(C)는, 공간 손실(A)과 환경 손실(B)에 로그스케일로 변환하여 합산되어 기본 전송 손실(Lb)을 구성할 수 있다.

한편, 상기 계산값을 산출하는 절차에서, 상기 계산값은 다음의 수식으로 계산될 수 있는데,

여기서, d는 거리(km)이고, f는 주파수(MHz)이고, λ는 파장(m)이다.

또한, 상기 실측값과 상기 계산값의 편차율을 결정하는 절차에서, N 클러터/모폴로지에 대한 상기 편차율(S_N)은 다음의 수식으로 계산될 수 있는데,

여기서, SIMU_N은 N 클러터/모폴로지 예측값 표본이고, MEAS_N은 N 클러터/모폴로지 측정값 표본이고, i는 각 클러터/모폴로지 당 예측 및 측정된 표본의 번호이다.

한편, 상기 토지 피복도의 모폴로지 분류와 상기 ITU 표준 클러터 카테고리는 각각 다음의 관계로 맵핑될 수 있다. 시가화 지역(밀집 도시) - 고밀도 도심지(Dense Urban); 시가화 지역(중소 도시) - 도심지(Urban); 나지 - 농업지(Rural); 시가화 지역(교외 지역) - 교외 주거지(Suburban Residential); 공업지역 - 공업지역(Industrial areas); 농업지역 - 마을(Villages); 산림지역 - 산림(Forest); 초지 - 개활지(Open); 습지 - 개활습지(Open wet areas); 해양수 - 바다(Sea); 내륙수 - 내륙수(Inland water).

또한, 상기 보정 계수는, 고밀도 도심지(Dense Urban)의 경우, -18 < C < -12; 도심지(Urban)의 경우, -1 < C < 5; 농업지(Rural)의 경우, 2 < C < 8; 교외 주거지(Suburban Residential)의 경우, -15 < C < -10; 공업지역(Industrial areas)의 경우, 5 < C < 11; 마을(Villages)의 경우, 2 < C < 8; 산림(Forest)의 경우, -15 < C < -9; 개활지(Open)의 경우, -10 < C < -4; 개활습지(Open wet areas)의 경우, -13 < C < -7; 바다(Sea)의 경우, -7 < C < -1; 내륙수(Inland water)의 경우, -18 < C < -11로 결정될 수 있다.

또한, 상기 전파전파 모델이 ITU-R P.1812로 선택되는 경우, 상기 ITU-R P.1812의 클러터 카테고리와 상기 ITU 표준 클러터 카테고리는 각각 다음의 관계로 맵핑될 수 있다. 물(Water) - 내륙수(Inland water); 바다(Sea) - 바다(Sea); 개활지(Open) - 개활지(Open) 또는 개활습지(Open wet areas); 농업지(Rural) - 농업지(Rural) 또는 마을(Villages); 교외지(Suburban) - 교외지(Suburban Residential) 또는 공업지역(Industrial areas); 도심지(Urban) - 도심지(Urban); 산림(Forest) - 산림(Forest); 고밀도 도심지(Dense Urban) - 고밀도 도심지(Dense Urban).

상술한 바와 같은 구성을 제공하는 본 발명은, 무선통신 시스템에서 불특정 다수(Point-to-Area) 또는 특정 지점(Point-to-Point)에 신호 및 데이터를 전송함에 있어 발생되는 전파전파 전송 손실량의, ITU 권고안 표준 모델에 근거한 시뮬레이션을 통해서, 실측대비 예측값에 대한 오차율을 감소시켜 더욱 정확한 결과를 산출할 수 있다.

이로써, 무선통신 시스템에 필요한 적정 출력을 시뮬레이션으로 간편하고 신속 정확하게 산출할 수 있게 된다.

도 1은 무선통신 시스템에서 전송 손실의 종류 및 개념을 설명하는 도면이다.
도 2는 기본 전송 손실의 구성을 보여준다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 정의된 수정된 전송 손실을 보여준다.
도 4는 국내의 지형특성에 따른 공간정보/모폴로지를 ITU 표준 클러터에 맵핑하는 방법을 설명하는 개략적인 흐름도이다.
도 5는 용도 지역 지구도의 공간정보를 토지 피복도의 모폴로지 분류에 맵핑하는 것을 보여준다.
도 6은 토지 피복도의 모폴로지를 ITU 표준 클러터에 맵핑하는 것을 보여준다.
도 7은 공간정보에 대응하는 실제 지형에서의 실측값을 계산하여 ITU 표준 클러터에 맵핑하는 방법을 보여준다.
도 8은 실측값과 ITU 표준 클러터의 맵핑 결과를 보여준다.
도 9는 임의의 전파모델을 이용하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 10은 다양한 보정 모델의 각 모폴로지들을 ITU 표준 클러터에 맵핑하는 것을 보여준다.
도 11은 본 발명에 따른 방법을 개략적으로 정리한 도면이다.
도 12는 본 발명에 따른 방법과 종래 기술에 따른 방법을 종합적으로 비교하여 보여주는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실측 데이터 기반의 클러터―모폴로지 보정 계수를 이용하여 전파전파 전송 손실을 보정하는 방법의 바람직한 실시예를 설명한다. 참고로, 본 발명의 각 구성 요소를 지칭하는 용어들은 그 기능을 고려하여 예시적으로 명명된 것이므로, 용어 자체에 의하여 본 발명의 기술 내용을 예측하고 한정하여 이해해서는 안될 것이다.

일반적으로, 전파전파 전송 손실량 예측을 위해서는 주파수 특정, 통신 거리 그리고 통신이 이루어지는 지형의 특성 정보(클러터/모폴로지)가 필요하다.

"클러터(Clutter)"는, 지표에 존재하는 자연적, 인공적 장애물을 말한다. 이러한 클러터로는 건물, 나무, 숲, 산, 호수, 바다, 철도, 도로 등의 요소들이 포함될 수 있다.

"모폴로지(Morphology)"는, 전술한 클러터를 형태학적으로 분류하여 묶은 단위로서, 각각의 개발 클러터를 그룹으로 묶은 데이터를 말한다.

"전파전파 전송 손실량"은, 예시로 모바일 기지국과 단말들 사이 또는 지구국에서 인공위성 사이에 무선 통신을 함에 있어서, 송신 안테나에서 발산된 신호의 세기(Pt)와 수신 안테나에 도달한 신호의 세기(Pr)의 비를 말한다.

"보정"은, 통신이 이루어지는 실제 현장에서 전파를 실제로 측정한 결과 데이터와 시뮬레이션으로 도출된 결과를 비교하고, 이 둘 사이의 차이를 좁히는 과정이다. 이때, 시뮬레이션에 사용된 예측 모델, 즉, ITU 권고안 모델의 원본(original) 식은 수정되면 안된다.

"간섭"은, 무선통신 서비스 중 동일/인접 주파수의 영향으로 신호에 영향을 미치는 것을 말한다.

도 1을 참조하여, 무선통신 시스템에서 전송 손실의 종류 및 개념을 설명한다. 먼저, 송신 안테나의 종단에서 수신 안테나의 종단까지 발생되는 전송 손실을 "기본 전송 손실(Lb; basic transmission loss)"로 정의한다. 그리고 기본 전송 손실(Lb)은, 송신 안테나의 종단에서 수신 안테나의 종단에 이르는 거리에 근거하여 발생하는 "공간 손실(또는, 자유공간 손실)(A)"과, 송신 안테나의 종단에서 수신 안테나의 종단에 이르는 대기(大氣) 공간의 다양한 변동에 의해 발생하는 "환경 손실(B)"로 구성된다. 즉, "Lb = A + B" 이다. 이는 도 2에 도시된 바와 같다.

다음, 안테나 패턴에 의한 손실을 제외한 전송 손실을 "전송 손실(L)"로 정의한다. 전송 손실(L; transmission loss)은, 기본 전송 손실(Lb)에서 송신 안테나 이득(Gt)과 수신 안테나 이득(Gr)을 제외한 값으로서 정의된다. 즉, "L = Lb - Gt - Gr" 이다.

한편, 송신부 및 수신부를 구성하는 하드웨어 파츠에 의한 손실을 제외한 손실을 "시스템 손실(Ls; system loss)"이라고 정의한다. 시스템 손실(Ls)은 전송 손실(L)에 송신 안테나 손실(Ltc)과 수신 안테나 손실(Lrc)을 더한 값으로서 정의된다. 즉, "Ls = L + Ltc + Lrc" 이다.

마침내, 무선통신망 전체의 전송 손실인 "총 손실(Lt)"은, 송신 출력(Pt)에서 수신 출력(Pr)을 제외한 값으로, 특히, 시스템 손실(Ls)과 동일한 값으로 정의된다. 즉, "Lt = Pt - Pr = Ls" 이다.

상술한 바와 같이 산출되는 총 손실(Lt) 또는 시스템 손실(Ls)을, ITU에서 권고한 예측 모델로 시뮬레이션하여 가상으로 산출할 때, 본 발명은 추가의 보정 계수를 적용하고자 하는 것이다. 또한, 적용할 보정 계수를 국내의 실제 지형의 모폴로지마다 최적으로 조정함으로써, 비록 외국의 지형에 근거하여 산출된 ITU 권고 모델을 사용했을지라도, 국내의 지형특성이 반영되어 정확한 시뮬레이션 결과를 얻을 수 있도록 하고자 하는 것이다.

도 2는 기본 전송 손실(Ls)이 공간 손실(A)과 환경 손실(B)로 구성됨을 보여준다. 공간 손실(A)은, 전파(radio wave)가 전파(propagation)되는 매체에 의한 거리에 따른 신호 손실(예를 들면, 자유공간 손실, 회절, 반사파 등)을 의미한다. 환경 손실(B)은, 공간 손실 이외에, 자연적 현상(예를 들면, 강우/강설 조건, 가스 분포, 안개 등)에 의해 발생하는 신호 손실을 의미한다.

본 발명은, 이러한 기본 전송 손실(Ls)을 구성하는 공간 손실과 환경 손실에, 지형특성 손실(C)을 추가하는 것을 특징으로 한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수정된 기본 전송 손실(Ls)의 구성을 보여준다.

여기서 추가된 "지형특성 손실(C)"은, 전파가 전파하는 공간을 구성하는 지형에 의한 전송 손실을 보상하기 위한 계수로서, 임의의 표본 지역 또는 전송 손실을 시뮬레이션할 지역에서 전송 손실을 실측하고, 그 실측한 값을 이용하여 결정될 수 있다.

즉, 지형특성 손실(C)을 포함하는 수정된 보정 계수는, ITU에서 분류하는 클러터/모폴로지를, 지형특성을 반영하여 국내의 용도 지역 지구도의 공간 정보 항목들에 맵핑하거나 또는 토지 피복도의 모폴로지 분류들에 맵핑하고, 적용 지역의 실제 측정 데이터를 기반으로 ITU에서 분류한 각 클러스터/모폴로지 분류별로 보정값을 산출함으로써 얻어질 수 있다.

이로써, 전술한 기본 전송 손실(Lb)은 공간 손실(A)과 환경 손실(B)과 지형특성 손실(C)의 합으로써 정의할 수 있게 되며, 즉, "Lb = A + B + C"로 된다. 이렇게 정의된 지형 특성 손실(C), 그리고 지형 특성 손실(C)을 기본 전송 손실(Lb)에 로그스케일로 신호의 증감을 더한 관계가 본 발명의 기술적 특징이라는 점에 유의한다.

지형특성 손실 계수(C)는, ITU 클러터와 국내 용도지역 지구도의 각 카테고리를 맵핑하고, 각 카테고리의 특정 지점에서의 전파전파 전송 손실 실측값과 해당 지점에 관련된(맵핑된) ITU 클러터에서 ITU 권고 표준 모델에 의해 산출된 예측값(여기서의 예측값은, 자유공간에서의 전송 손실임)을 비교하여 편차율을 계산함으로써 산출된다. 즉, 상기 편차율이 지형특성 손실 계수가 된다.

예를 들면, 예측 시뮬레이션 전송 손실 계산은 다음 식에 의해서 계산될 수 있다.

한편, 동일한 또는 서로 다른 지점에 대하여 또는 동일한 또는 서로 다른 클러터/모폴로지에 대하여, 복수 개의 편차율을 계산할 수 있다. 그리고, 동일 클러터/모폴로지에 대한 편차율들을 평준화한다.

예를 들면, A 클러터/모폴로지 예측값 표본을 SIMU_A, B 클러터/모폴로지 예측값 표본을 SIMU_B, ... N 클러터/모폴로지 예측값 표본을 SIMU_N이라 한다.

또한, A 클러터/모폴로지 측정값 표본을 MEAS_A, B 클러터/모폴로지 측정값 표본을 MEAS_B, ... N 클러터/모폴로지 측정값 표본을 MEAS_N이라 한다.

그리고 각 클러터/모폴로지 당 i개의 표본을 예측 및 측정했다고 하면, 다음가 같은 편차율들을 계산할 수 있게 된다.

A 클러터/모폴로지 편차율(S_A):

,

B 클러터/모폴로지 편차율(S_B):

, ...

N 클러터/모폴로지 편차율(S_N):

.

한편, 본 발명에서는, 국제적으로 사용이 권고되는 ITU 권고안 모델은 여러 가지가 있을 수 있다. 예를 들면, Okumura-Hata 모델, P.1812 모델, P.1546 모델 등이 그것이다. 따라서, 이러한 ITU 권고안 모델들마다의 클러터들과 ITU 권고안 표준 클러터들을 맵핑시킬 필요가 있다. 이에 대해서는 도 9를 참조하여 후술한다.

이처럼, ITU 표준 클러터들에 보정 계수를 적용함으로써 국내 지형 특성에 맞게 활용할 수 있고, 또한, 보정 계수가 적용된 ITU 표준 클러터들을 다양한 ITU 권고안 모델의 클러터들에 매칭시킴으로써, ITU 권고안 표준 모델뿐만 아니라, 다양한 ITU 권고안 모델을 사용하여 전파전파 손실 특성을 시뮬레이션할 수 있게 된다.

이를 위하여, 본 발명은, 국내의 지형 특성을 가장 잘 반영하고 있는 용도 지역 지구도와 토지 피복도를 기준으로 하고, 여기에 ITU 표준 클러터를 맵핑한다. 그리고, ITU 표준 클러터마다에 수정된 보정 계수를 적용하고, 이 보정계수를 사용하여 ITU 권고안 표준 모델을 이용하여 전송 손실을 시뮬레이션한다.

이로써, 국내의 지형을 ITU 표준 클러터로 분류하여 전파 전송 손실을 계산하더라도, 최적의 보정 계수가 적용되었으므로, 실제 지형 특성이 반영된 최적의 시뮬레이션 결과를 얻을 수 있게 된다.

이하에서는, 용도 지역 지구도와 토지 피복도의 공간정보 및 모폴로지를 ITU 표준 클러터에 맵핑하는 방법을 도 4 내지 도 6을 참조하여 설명한다.

먼저, 가장 기본이 되는 지도인 용도 지역 지구도를 준비하고, 상기 용도 지역 지구도를 구성하는 공간정보 항목들을 정리한다(예를 들면, 테이블로 정리할 수 있음).

그리고, 토지 피복도를 준비하고, 상기 토지 피복도를 구성하는 모폴로지 항목들을 정리한다(예를 들면, 테이블로 정리할 수 있음).

이어서, 상기 공간정보들과 모폴로지들을 서로 맵핑한다. 도 5를 참조하면 다음과 같이 맵핑된다.

시가화 지역(밀집도시)은, 거주 지역이면서 건물 평균 높이가 25층 이상인 지역에 맵핑된다. 시가화 지역(중소도시)은, 거주 지역이면서 건물 평균 높이가 3층 이상인 지역에 맵핑된다. 시가화 지역(교외지역)은, 거주 지역이면서 건물 높이가 3층 미만인 지역에 맵핑될 수 있다. 공업 지역은, 비거주 지역이면서 용도 지역 구분이 공업으로 분류된 지역에 맵핑될 수 있다. 산림 지역은, 비거주 지역이면서 용도 지역 구분이 산지 또는 보전 녹지인 지역에 맵핑될 수 있다. 농업 지역은, 비거주 지역이면서 용도 지역 구분이 농림 또는 생산 관리인 지역에 맵핑될 수 있다. 초지는, 비거주 지역이면서 용도 지역 구분이 자연 녹지인 지역에 맵핑될 수 있다. 나지는, 비거주 지역이면서 용도 지역 구분이 생산 녹지 또는 보전 관리인 지역에 맵핑될 수 있다. 습지는, 비거주 지역이면서 용도 지역이 자연환경 보전 지역인 항목에 맵핑될 수 있다. 내륙수는, 용도 지역이 하천/호수/저수지인 지역에 맵핑될 수 있다. 해양수는 용도 지역이 행정 경계 밖인 지역에 맵핑될 수 있다.

이어서, 모폴로지들과 ITU 표준 클러터를 맵핑한다. 도 6을 참조하면 다음과 같이 맵핑된다.

시가화 지역(밀집 도시)은, 고밀도 도심지(Dense Urban)에 맵핑될 수 있다. 시가화 지역(중소 도시)은, 도심지(Urban)에 맵핑될 수 있다. 나지는, 농업지(Rural)에 맵핑될 수 있다. 시가화 지역(교외 지역)은, 교외 주거지(Suburban Residential)에 맵핑될 수 있다. 공업 지역은, 공업지역(Industrial areas)에 맵핑될 수 있다. 농업 지역은, 마을(Villages)에 맵핑될 수 있다. 산림 지역은, 산림(Forest)에 맵핑될 수 있다. 초지는, 개활지(Open)에 맵핑될 수 있다. 습지는, 개활 습지(Open wet areas)에 맵핑될 수 있다. 해양수는, 바다(Sea)에 맵핑될 수 있다. 내륙수는, 내륙수(Inland water)에 맵핑될 수 있다.

이러한 맵핑은, 결과적으로 용도 지역 지구도의 각각의 공간정보 항목을 ITU 표준 클러터들에 맵핑한 것과 마찬가지가 된다.

여기서, 용도 지역 지구도의 공간 정보와 토지 피복도의 모폴로지를 맵핑하고, 또한 토지 피복도의 모폴로지와 ITU 표준 클러터를 맵핑함으로써, 결과적으로 공간 정보와 표준 클러터가 맵핑되는 관계는 본 발명의 기술적 특징이라는 점에 유의한다.

다음으로, 각각의 ITU 클러터 항목들에 대하여, 지형특성 손실(C)이 반영된 수정된 보정 계수를 대응시킨다. 지형특성 손실(C)이 반영된 수정된 보정 계수를 계산하는 방법은 다음과 같다.

먼저, 전송 손실을 실측 가능한 대상 지역을 선정한다. 대상 지역은, LOS가 형성된 구간(송신 지점과 수신 지점 간에 아무런 장애물이 없이 가시선이 이루어지는 구간)이 선택될 수 있다.

선정된 대상 지역에서, ITU 표준 모델의 해당 지역의 클러터를 이용하여 자유공간 손실(LOS 상태일 때 신호 세기의 손실량(free-space loss))의 계산값을 산출하고, 산출된 계산값과 실제 측정 데이터(실측값)를 비교하여 클러터별 감쇄 특성을 계산한다. 다수의 클러터들에 대하여 상기 비교 절차를 수행함으로써, 각 클러터별 감쇄 특성의 통계값을 산출한다. 통계값은 표준값 샘플링, 표준편차, 평균화를 적절히 조합하여 산출될 수 이Te다

이러한 방식으로, 본 발명의 일 실시예에서는, 다음과 같은 수정된 보정 계수(수정된 보정계수 = A+B+C)를 획득하였다.

고밀도 도심지(Dense Urban)에 의 경우, -18 < C < -12가 얻어질 수 있으며, 특히, -15.08을 얻었다. 도심지(Urban)의 경우, -1 < C < 5가 얻어질 수 있으며, 특히, 1.99를 얻었다. 농업지(Rural)의 경우, 2 < C < 8가 얻어질 수 있으며, 특히, 5.00을 얻었다. 교외 주거지(Suburban Residential)의 경우, -15 < C < -10가 얻어질 수 있으며, 특히, -12.22를 얻었다. 공업지역(Industrial areas)의 경우, 5 < C < 11가 얻어질 수 있으며, 특히, 8.09를 얻었다. 마을(Villages)의 경우, 2 < C < 8가 얻어질 수 있으며, 특히, 4.81를 얻었다. 산림(Forest)의 경우, -15 < C < -9가 얻어질 수 있으며, 특히, -11.49를 얻었다. 개활지(Open)의 경우, -10 < C < -4가 얻어질 수 있으며, 특히, -6.77를 얻었다. 개활습지(Open wet areas)의 경우, -13 < C < -7가 얻어질 수 있으며, 특히, -10.22를 얻었다. 바다(Sea)의 경우, -7 < C < -1가 얻어질 수 있으며, 특히, -4.45를 얻었다. 내륙수(Inland water)의 경우, -18 < C < -11가 얻어질 수 있으며, 특히, -14.62를 얻었다.

상기 보정 계수는, 일례일 뿐이며, 특정 지역의 특정 일시, 특정 기상 조건 등에 따른 실측 결과에 의해서 다소 변경될 수 있을 것이다.

여기서, 도면에 도시된 각 ITU 표준 클러터에 대한 수정된 보정 계수의 산출값들은 본 발명의 기술적 특징이라는 점에 유의한다.

다음으로, 도 9 및 도 10을 참조하여, ITU 표준 분석 모델이 아닌 다른 모델을 사용하는 방식에 대해서 설명한다. 다른 분석 모델을 사용하기 위해서는, 상기한 바와 같이, 용도 지역 지구도와 토지 피복도를 기반으로 ITU 표준 클러터의 맵핑이 이미 이루어져 있어야 하며, 각 ITU 표준 클러터에 대하여 수정된 보정 계수가 정의되어 있어야 한다.

먼저, 사용할 전파 분석 모델을 선정한다. 그리고, 선정된 분석 모델에서 정의하는 모폴로지의 항목들을 정리한다(예를 들면, 테이블로 정리할 수 있음).

이어서, 선정된 분석 모델로부터 정리된 모폴로지 항목들을 ITU 표준 클러터의 항목들에 맵핑한다. 맵핑 결과는, 도 10을 참고할 수 있다. 도면에서, 세로 방향으로 각 분석 모델의 모폴로지들을 배열하고, 가로 방향으로 ITU 표준 클러터들을 배치하였으며, 모폴로지와 표준 클러터의 교차점을 어둡게 표시하였다.

예를 들면, Okumura-Hata 모델에서 도심지(Urban)는, ITU 표준 클러터의 고밀도 도심지(Dense Urban) 및 도심지(Urban)에 맵핑될 수 있다. 선정된 분석 모델의 하나의 모폴로지 항목에, 이와 같이 2개 이상의 ITU 표준 클러터 항목이 연결되는 경우, 각 ITU 표준 클러터 항목의 보정 계수들의 평균값을 사용하는 것을 원칙으로 한다. 다음으로, Okumura-Hata 모델에서 교외 지역(Suburban)은, ITU 표준 클러터의 교외 주거지(Suburban Residential), 공업 지역(Industrial areas), 마을(Villages)에 맵핑될 수 있다. 그리고 Okumura-Hata 모델에서 농업지(Rural)는, ITU 표준 클러터의 농업지(Rural), 산림(Forest), 개활지(Open), 개활습지(Open wet areas), 바다(Sea), 내륙수에 맵핑될 수 있다.

여기서, 도면에 도시된 각 전파 모델의 모폴로지와 ITU 표준 클러터의 맵핑 관계는 본 발명의 기술적 특징이라는 점에 유의한다.

기타의, P.1812 모델, P.1546 모델에 대해서도 마찬가지로 맵핑을 확인할 수 있다.

이처럼, 맵핑이 완료되면, 선정된 분석 모델의 각 클러터 항목에, ITU 표준 클러터에 정의된 수정된 보정 계수가 마찬가지로 적용될 수 있게 되며, 수정된 보정계수를 적용하여 전파전파 손실을 시뮬레이션할 수 있게 된다.

이러한 방식에 의하면, 상기 선정된 분석 모델을 사용하더라도, ITU 권고안 모델을 기반으로 산출된 결과값으로서 인정될 수 있게 될 것이다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 방법의 구성 및 특징을, 도 11 및 도 12를 참조하여 종합적으로 설명한다. 도 11은 본 발명에 따른 실측 데이터 기반의 클러터-모폴로지 보정 계수를 이용하여 전파전파 전송 손실을 보정하는 방법을 개략적으로 전체적으로 보여주는 흐름도이다. 도 12의 상부에서는 기존에 방식에서 전파 전송 손실을 시뮬레이션하는 방법을 보여준다. 먼저, 대상 지역에 대하여 전송 손실을 계산할 전파전파 모델을 준비하고, 대상 지역을 실측할 측정 시나리오를 수립한다. 이어서, 측정 시나리오에 따라 대상 지역의 특정 지점에서 전송 손실을 실측한다.

측정값들은 Curve Fitting 등의 방식으로 보정될 수 있다. 상기 전파전파 모델의 계수/지수의 값을 조정하여 계산된 값이 보정된 실측값에 근사하도록 한다. 복수의 실측값과 계산값을 이용하여 최적의 계수/지수를 찾아내고, 찾아낸 계수/지수로써 원래 모델의 계수/지수를 교체함으로써, 전파전파 모델을 변경(modify)한다.

최적화된 전파전파 모델을 이용하여 대상 지역뿐만 아니라 타지역에서의 전송 손실을 시뮬레이션할 수 있다.

하지만, 기존의 방식은, 실측값과 계산된 값을 서로 비교하여 오차를 최소화하려고 하는 노력이 이루어지지만, 전파전파 모델의 계수/지수를 직접 변경하고 있다. 따라서, 분석 알고리즘이 완전히 변경될 수 있으며, 이에 의해, 기존의 변경된 모델에 의해 분석된 결과는 국제적으로 인정될 수 없었다.

한편, 도 12의 하부에는 본 발명에 따른 방식에 의해서 전파 전송 손실을 시뮬레이션하는 방법을 보여준다. 먼저, 대상 지역을 분석할 전파전파 모델을 준비한다. 선택된 전파전파 모델에서 정의하는 지형 모폴로지들을 ITU 표준 클러터와 맵핑시킨다. 이는, 대상 지역의 용도 지역 지구도의 공간정보와 토지 피복도의 모폴로지와 ITU 표준 클러터를 맵핑시키고, 상기 ITU 표준 클러터와 선택된 전파전파 모델의 지형 모폴로지들을 맵핑시키는 것을 포함한다.

한편, 대상 지역의 용도지역 지구도의 공간정보별로 실제로 전송 손실을 측정할 측정 지점을 선정하여 측정 시나리오를 수립하고, 해당 지점에서 전송 손실을 실측한다. 실측된 값을 용도 지역 지구도의 공간정보별로 평준화하여 대표값을 결정하고, 상기 결정값과 해당 지점에 관련된 ITU 표준 클러터를 이용하여 ITU 권고안 표준 모델에 의해서 계산된 값을 비교하여 오차를 최소화하는 보정 계수를 도출한다.

도출된 보정 계수는, ITU 권고안 표준 모델에 단순히 덧셈되는 보정 계수이므로, 분석 알고리즘에는 변경이 없다. 따라서, 본 발명에 의해 분석된 결과는, 국제적으로 인정될 수 있게 된다.

본 발명에 따른 실측 데이터 기반의 클러터-모폴로지 보정 계수를 이용하여 전파전파 전송 손실을 보정하는 방법의 효율을 증명하기 위하여, 다음과 같이 실제 지역(대전 지역)을 대상으로 실험하였다.

A. 전파 측정 절차

(1) 대상 지역 선정

- 대상 지역 : 대전

- 선정 이유 : 국제적으로 인정되는 대도시 기준의 인구 및 건물 밀집도에 부합하는 지역임

(2) 측정 시나리오

- FCC(Federal Communications Commission)에서 제시하는 Measurement for propagation analysis 방법 적용

- 도시 중심 반경 10km 영역 내 8개 방위를 400m 간격으로 총 200개 지점에 대한 고정 측정 수행

- 측정 데이터는 각 위치에서 수집된 전계 강도 값의 중앙값(Medium value)을 기준으로 사용

- 주파수 대역은 산업용으로 주로 많이 쓰이며 검증 대상 전파전파 모델의 주요 대역인 VHF/UHF 주파수 대역을 선택: 400MHz, 1400MHz, 2249MHz)

(3) 전파 측정

- 도플러 효과를 최소화하기 위한 고정 측정 방식으로 진행

- 전압 강하 방지를 위한 송신부 상전 이용

- GPS 오차방지를 위한 데이터 신뢰구간 95% 적용

- Scanning sweep time 초당 4번 데이터 수집

(4) 측정 데이터 가공

- 신뢰구간에 따른 유효데이터 정제

- 전파전파 모델 특성에 따라, 송신소로부터 1km 이하 데이터 정제 (Hata 모델 특성 상 1km 이하 데이터는 사용하지 않음)

B. 모폴로지 데이터 생성 절차

가. 토지 피복도/용도지역 지구도 기반 모폴로지 GIS 데이터 구축

(1) 구축 절차

- 도 13 참조

(2) 구축 결과

- 도 14 참조

C. 실측/예측 비교

가. 실측/예측 비교 분석

(1) 측정 지점인 200개 지점과 송신소 위치 기반 전파전파 분석 시뮬레이션 수행

(2) 검증에 사용된 전파전파 모델로는 VHF/UHF 무선 통신방 설계에 많이 사용되는 Okumura-Hata 모델 사용

(3) 각 200개 지점에 대한 실측 대비 예측 값에 대한 편차율 도출 및 평균 표준편차율 도출

(4) 실측/예측치 편차 계산법

- 전파 환경 측정 데이터와 자유 공간 손실 간에 편차율 계산

- 예측 시뮬레이션 전송 손실 계산식

d: 거리(km), f: 주파수(MHz), λ: 파장(m)

- 동일 클러터/모폴로지 표본 추출

A 클러터/모폴로지 예측값 표본: SIMU_A | A 클러터/모폴로지 측정값 표본: MEAS_A

B 클러터/모폴로지 예측값 표본: SIMU_B | B 클러터/모폴로지 측정값 표본: MEAS_B

C 클러터/모폴로지 예측값 표본: SIMU_C | C 클러터/모폴로지 측정값 표본: MEAS_C

...

N 클러터/모폴로지 예측값 표본: SIMU_N | N 클러터/모폴로지 측정값 표본: MEAS_N

- 표본 간 실측/예측 편차율 도출

A 클러터/모폴로지 편차율(S_A):

,

B 클러터/모폴로지 편차율(S_B):

, ...

N 클러터/모폴로지 편차율(S_N):

나. 대전 지역 실측 예측 비교 결과

(1) 모폴로지 resolution 별 비교 결과표

구분	편차 평균	표준편차
모폴로지 적용 전	-7.2232	11.3918
10m res 모폴로지	-0.0296	9.8712
30m res 모폴로지	-1.8994	11.1262
90m res 모폴로지	-8.4420	11.1563

(2) 모폴로지 적용에 의한 편차율이 줄어들었음을 확인할 수 있음

(3) Okumura-Hata 모델의 경우 30m 이하의 GIS resolution을 바탕으로 Macro 분석에 합당한 모델로서 기준 resolution보다 큰 90m 사용시 편차가 커짐을 확인함.

Claims

전파전파 전송 손실 분석의 시뮬레이션을 수행할 대상 지역을 선정하고, 상기 시뮬레이션에 사용할 전파전파 모델(radio-propagation model)을 결정하는 것 - 여기서, 상기 전파전파 모델은 ITU 권고안 표준 모델이 선택됨 -;
상기 대상 지역에 대한 국내 용도 지역 지구도(LU; Land Use)의 토지 형태별 공간 정보의 각 카테고리를 상기 대상 지역에 대한 국내 토지 피복도(LC; Land Cover)의 토지 형태별 모폴로지 분류에 맵핑하는 것;
상기 모폴로지 분류를 상기 ITU 권고안 표준 모델의 클러터 카테고리에 맵핑하는 것;
상기 대상 지역의 특정의 지점에서 전파전파 전송 손실을 실제로 측정하여 실측값을 생성하는 것;
상기 대상 지역의 상기 특정의 지점에 대해서 상기 결정된 전파전파 모델로 계산값을 산출하는 것;
상기 실측값과 상기 계산값의 편차율을, 상기 특정의 지점에 대한 상기 ITU 표준 클러터 카테고리에 대해 적용할 보정 계수로서 결정하는 것; 및
이후, 상기 대상 지역의 타지점에 대한 전파전파 전송 손실 분석의 시뮬레이션시 상기 ITU 표준 클러터 카테고리와 동일한 지점에 대해서 상기 보정 계수를 적용하는 것;을 포함하고,
여기서, 상기 보정 계수(C)는, 로그스케일로 변환된 후, 공간 손실(A)과 환경 손실(B)의 합에 합산됨으로써, 기본 전송 손실(Lb)을 구성하는 것을 특징으로 하는, 실측 데이터 기반의 클러터-모폴로지 보정 계수를 이용하여 전파전파 전송 손실을 보정하는 방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 계산값을 산출하는 절차에서, 상기 계산값은:

(여기서, d는 거리(km)이고, f는 주파수(MHz)이고, λ는 파장(m)임)
상기 수식에 의해서 계산되는 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항에 있어서,
상기 실측값과 상기 계산값의 편차율을 결정하는 절차에서,
N 클러터/모폴로지에 대한 상기 편차율(S_N)은:

(여기서, SIMU_N은 N 클러터/모폴로지 예측값 표본이고, MEAS_N은 N 클러터/모폴로지 측정값 표본이고, i는 각 클러터/모폴로지 당 예측 및 측정된 표본의 번호임)
상기 수식에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항에 있어서,
상기 토지 피복도의 모폴로지 분류와 상기 ITU 표준 클러터 카테고리는 각각 다음의 관계로 맵핑되는 것을 특징으로 하는, 방법.
시가화 지역(밀집 도시) - 고밀도 도심지(Dense Urban),
시가화 지역(중소 도시) - 도심지(Urban),
나지 - 농업지(Rural),
시가화 지역(교외 지역) - 교외 주거지(Suburban Residential),
공업지역 - 공업지역(Industrial areas),
농업지역 - 마을(Villages),
산림지역 - 산림(Forest),
초지 - 개활지(Open),
습지 - 개활습지(Open wet areas),
해양수 - 바다(Sea),
내륙수 - 내륙수(Inland water).
제5항에 있어서,
상기 보정 계수는,
고밀도 도심지(Dense Urban)의 경우, -18 < C < -12,
도심지(Urban)의 경우, -1 < C < 5,
농업지(Rural)의 경우, 2 < C < 8,
교외 주거지(Suburban Residential)의 경우, -15 < C < -10,
공업지역(Industrial areas)의 경우, 5 < C < 11,
마을(Villages)의 경우, 2 < C < 8,
산림(Forest)의 경우, -15 < C < -9,
개활지(Open)의 경우, -10 < C < -4,
개활습지(Open wet areas)의 경우, -13 < C < -7,
바다(Sea)의 경우, -7 < C < -1,
내륙수(Inland water)의 경우, -18 < C < -11로 결정되는 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항에 있어서,
상기 전파전파 모델이 ITU-R P.1812로 선택되는 경우,
상기 ITU-R P.1812의 클러터 카테고리와 상기 ITU 표준 클러터 카테고리는 각각 다음의 관계로 맵핑되는 것을 특징으로 하는, 방법.
물(Water) - 내륙수(Inland water),
바다(Sea) - 바다(Sea),
개활지(Open) - 개활지(Open) 또는 개활습지(Open wet areas),
농업지(Rural) - 농업지(Rural) 또는 마을(Villages),
교외지(Suburban) - 교외지(Suburban Residential) 또는 공업지역(Industrial areas),
도심지(Urban) - 도심지(Urban),
산림(Forest) - 산림(Forest),
고밀도 도심지(Dense Urban) - 고밀도 도심지(Dense Urban).