KR102541471B1 - 홉별 snr이 반영된 주파수 도약 무선 통신 시스템의 시뮬레이션 방법 및 장치 - Google Patents

홉별 snr이 반영된 주파수 도약 무선 통신 시스템의 시뮬레이션 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 홉별 SNR이 반영된 주파수 도약 무선 통신 시스템의 시뮬레이션 장치는 송신 모뎀, 송신 RF부 및 송신 안테나를 구비한 송신 단말과 수신 안테나, 수신 RF부 및 수신 모뎀을 구비한 수신 단말을 구비한 주파수 도약 무선 통신 시스템의 시뮬레이션 장치로서, 주파수 홉별 송수신 안테나 이득 및 주파수 홉별 송수신 채널 간 경로 손실을 기초로 송신 단에서 주파수 홉마다 예상되는 수신 SNR에 맞게 주파수 홉별 SNR을 실시간으로 전송신호에 반영함으로서, 주파수 도약 무선 통신 시스템의 야외 무선 환경에서의 성능을 실내 환경에서 유선상으로 보다 정확하게 사전 예측이 가능하고, 외부 간섭 없이 계획된 요소만 적용함으로서 통제된 환경에서의 신뢰성 있는 시험 수행이 가능하여 장비 별, 안테나 종류 별 성능 등을 객관적으로 비교할 수 있고, 주파수별 안테나 이득 편차가 클 수 밖에 없는 HF, VHF 대역 군용 무선 통신 시스템에서 해당 대역을 지원하는 안테나 설계 시 저/중/고 대역 중 어느 대역에 안테나 이득을 좋게 설계 하는 것이 주파수 도약 방식이 운용될 때 최적의 성능 제공에 대한 판단 근거로 활용할 수 있는 효과가 있다.

Description

홉별 SNR이 반영된 주파수 도약 무선 통신 시스템의 시뮬레이션 방법 및 장치{Simulation Apparatus and Method of Frequency Hopping Radio Communication System reflecting Hop SNR}
본 발명은 실내 환경에서도 정확하게 사전 예측할 수 있도록 홉별 SNR이 반영된 주파수 도약 무선 통신 시스템의 시뮬레이션 방법 및 장치에 관한 것이다.
무선통신이란 전자기파를 이용한 통신 방법과 사람의 가청주파수를 넘는(들을 수 없는) 초음파 영역을 이용한 통신 방법으로, 일반 신호(사람 목소리 등)를 고주파와 합성하여 전파를 통해 전송하고 수신 측에서 이렇게 받은 고주파 신호를 처리하여 다시 원래의 신호로 바꾸는 방법을 말한다.
도1(A) 및 (B)는 일반적인 무선 통신 시스템의 송수신 과정을 도시한 것이다.
도1(A) 및 (B)를 참조하면, 일반적인 무선 통신 시스템을 신호 세기 관점에서 송신 단말(10)에서 송신한 신호가 수신 단말(50)에 도달하였을 때의 수신 신호 세기가 어떻게 결정되는지를 도시한 것이다.
송신 단말(10)에서 송신한 신호는 송신 안테나(20)를 거쳐 무선으로 방사되며 무선으로 방사된 신호(30)는 지형지물에 의한 경로 감쇠를 겪으며 수신 단말(40)에 연결된 수신 안테나(40)에 도달하게 된다. 수신 안테나(40)로 수신된 신호는 수신 단말(50)로 입력된다. 이때 수신 단말(50)로 입력되는 수신 신호의 세기는 송신 신호 세기에 송신 안테나 이득, 경로 손실, 수신 안테나 이득을 더한 값에 의해 결정된다.
보다 상세하게는, 무선 통신 시스템의 송신 단말(10)은 크게 송신 모뎀부(11)와 송신 RF부(12)로 구분되고, 수신 단말(50) 또한 수신 모뎀부(51)와 수신 RF부(52)로 구분된다.
송신 모뎀부(11)에서 디지털 변조된 신호는 내부의 DAC(Digital to Analog Converter) IC칩(미도시)에 의하여 디지털 신호에서 아날로그 신호로 변환되어 기저대역 혹은 IF 신호로 변환되어 송신 RF부(12)로 전달된다. 송신 RF부(12)는 전달받은 기저대역 혹은 IF 대역 신호를 운용 주파수로 주파수 변환하고 대역 제한, 신호의 증폭 등의 송신에 필요한 RF 신호 처리 후 송신 안테나(20)로 전달한다. 송신 안테나(20)에 전달된 RF 신호는 송신 안테나 이득 특성이 반영되어 무선으로 방사된다. 송신 안테나(20)에서 방사된 무선 신호는 송수신 단말간의 거리와 지형 지물에 의한 경로 손실(30) 과정을 거쳐 수신 안테나(40)에 도달하게 된다.
대기를 통하여 수신 안테나(40)에 도달한 수신 신호는 안테나 이득 특성이 반영되어 수신 단말(50)의 수신 RF부(51)로 전달된다. 수신 단말(50)의 수신 RF부(51)로 전달된 수신 신호는 LNA(Low Noise Amplifire)에 의한 신호의 증폭, RF필터에 의한 대역제한, RF 신호를 IF 혹은 기저 대역으로의 주파수 변환하는 과정을 거치게 된다. 마지막으로 수신 단말(50)의 수신 모뎀부(52)는 수신 신호를 IF 대역 혹은 기저대역으로 변환된 수신 신호를 복조하는 역할을 수행하게 된다.
도 2(A)는 종래 기술에 따른 주파수 도약 무선 통신 시스템의 시뮬레이션 장치의 개략도이고, 도 2(B) 및 (C)는 각각 종래 기술에 따른 시뮬레이션 시 홉별 주파수 및 홉별 주파수에 대한 SNR을 도시한 것이다.
도 2(A) 내지 (C)를 참조하면, 종래의 무선 통신 시스템의 실내 시험 구성은 일반적으로 송신 단말(10)과 수신 단말(50) 사이에 신호의 감쇠를 모의하기 위하여 고출력 고정 감쇠기(61, 64)와 가변 감쇠기(62)를 유선으로 연결한다. 무선 채널 구간의 페이딩 채널 효과를 모의하기 위해 채널 시뮬레이터(63)를 가변 감쇠기(62)와 고정 감쇠기(64) 사이에 연결하기도 한다.
도 2(B) 및 (C)를 참조하면, 도 2(A)에 도시된 주파수 도약 무선 통신 시스템의 실내 시험을 위한 시뮬레이터를 활용하였을 때의 문제점을 도시하고 있다.
도 2(B)에 도시된 바와 같이, 주파수 도약 무선 통신 시스템은 매 주파수 도약 홉마다 송신 주파수를 변경하게 되는데 도 2(A)에 따른 구성의 시뮬레이터를 이용할 경우 실 운용환경에서의 주파수별 상이한 송/수신 안테나의 이득과 경로 손실 편차를 모의할 수 없어, 도 2(C)에 도신된 바와 같이 수신 단말에서의 매 홉별 수신 SNR이 고정되게 된다. 이는 주파수 도약 무선 통신 시스템의 실 운용환경 모의를 위해 요구되는 주파수 특성을 반영한 SNR 모의가 불가능하여 주파수 도약 무선 통신 시스템의 실 운용환경에서의 성능 예측이 어렵다.
본 발명은 매 주파수 홉마다 주파수 특성에 맞도록 수신 신호의 감쇠량을 조정하여 야외 무선 환경에서의 성능을 실내 환경에서 유선상으로 보다 정확하게 사전 예측할 수 있는 홉별 SNR이 반영된 주파수 도약 무선 통신 시스템의 시뮬레이션 방법 및 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 외부 간섭 없이 계획된 요소만 적용함으로서 통제된 환경에서의 신뢰성 있는 시험 수행이 가능하여 장비 별, 안테나 종류 별 성능 등을 객관적으로 비교할 수 있는 홉별 SNR이 반영된 주파수 도약 무선 통신 시스템의 시뮬레이션 방법 및 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 홉별 SNR이 반영된 주파수 도약 무선 통신 시스템의 시뮬레이션 장치는 송신 모뎀, 송신 RF부 및 송신 안테나를 구비한 송신 단말과 수신 안테나, 수신 RF부 및 수신 모뎀을 구비한 수신 단말을 구비한 주파수 도약 무선 통신 시스템의 시뮬레이션 장치로서, 주파수 홉별 송수신 안테나 이득 및 주파수 홉별 송수신 채널 간 경로 손실을 기초로 송신 단에서 주파수 홉마다 예상되는 수신 SNR에 맞게 주파수 홉별 SNR을 실시간으로 전송신호에 반영하는 것이 가능하다.
일실시 예로서, 상기 홉별 SNR이 반영된 주파수 도약 무선 통신 시스템의 시뮬레이션 장치는 상기 송신 모뎀의 출력 신호에 대해서 상기 주파수 홉별 송수신 안테나 이득 및 전체 운용 주파수 범위에서 경로 손실이 가장 낮은 주파수의 경로 손실과 다른 주파수에서의 경로 손실의 차로 산출된 경로 손실 편차를 반영하여 상기 송신 RF부로 전송하는 안테나 이득 및 경로 손실 편차 모의부; 및 고출력 고정 감쇠기 및 가변 감쇠기를 이용하여 상기 송신 단말과 상기 수신 단말은 유선으로 연결하고, 상기 산출된 경로 손실 편차에 실제 경로 손실을 반영되도록 하기 위해 상기 송신 RF부에서 증폭된 아날로그 신호에 감쇠 값을 적용하는 경로 손실 최소값 모의부를 포함한다.
일실시 예로서, 상기 안테나 이득 및 경로 손실 편차 모의부는 지형의 특성이 반영되는 TIREM(Terrain Integrated Rough Earth Model) 경로 손실 모델을 이용하여 상기 경로 손실을 예측하는 경로 손실 편차 모의부를 포함하는 것이 가능하다.
일실시 예로서, 상기 경로 손실 편차 모의부는, 상기 송수신 안테나 이득이 최대값인 주파수를 출력 주파수로 정하고, 이를 기준으로 다른 주파수의 편차를 반영하여 송신 출력의 감쇠값으로 반영하는 것이 가능하다.
일실시 예로서, 상기 경로 손실 편차 모의부는, 목표 전송 거리에서 가장 낮은 경로 감쇠값을 기준으로 다른 주파수에서의 경로 감쇠값에 대한 경로 감쇠 편차를 송신출력 감쇠에 반영하는 것이 가능하다.
일실시예로서, 상기 경로 손실 최소값 모의부는 상기 가변 감쇠기를 이용하여 경로 손실 최소값을 조정하는 것이 가능하다.
일실시예로서, 상기 도약 무선 통신 시스템은 HF 대역 또는 VHF 대역에서 운용되는 군용 무선 통신 시스템으로서 상기 송수신 안테나의 주파수별 안테나 이득 차이가 민간 무선 통신 시스템의 경우 보다 큰 것이 가능하다.
본 발명의 일실시예에 따른 홉별 SNR이 반영된 주파수 도약 무선 통신 시스템의 시뮬레이션 방법은 송신 모뎀, 송신 RF부 및 송신 안테나를 구비한 송신 단말과 수신 안테나, 수신 RF부 및 수신 모뎀을 구비한 수신 단말을 구비한 주파수 도약 무선 통신 시스템의 시뮬레이션 방법으로서, 상기 송신 모뎀이 디지털 기저대역 신호 혹은 IF 대역 신호를 아날로그 신호로 변환하여 출력하는 단계; 상기 변환된 아날로그 신호에 주파수 홉별 송수신 안테나 이득 및 전체 운용 주파수 범위에서 경로 손실이 가장 낮은 주파수의 경로 손실과 다른 주파수에서의 경로 손실의 차로 산출된 경로 손실 편차를 반영하는 단계; 상기 경로 손실 편차가 반영된 아날로그 신호를 RF 대역의 신호로 주파수 변환 및 증폭하는 단계; 상기 증폭된 아날로그 신호에 주파수별 신호의 경로 손실 중 경로 손실 최소값이 전 운용 주파수에서 반영될 수 있도록 고정감쇠기와 가변 감쇠기를 연결하여 고정된 감쇠값을 반영하는 단계; 및 상기 수신 모뎀이 수신된 RF 대역의 신호를 기저대역 신호 또는 IF 대역 신호로 주파수 변환 및 복조하는 단계를 포함한다.
일실시 예로서, 상기 경로 손실 편차 반영 단계는, 지형의 특성이 반영되는 TIREM(Terrain Integrated Rough Earth Model) 경로 손실 모델을 이용하여 상기 경로 손실을 예측하는 것이 가능하다.
일실시 예로서, 상기 경로 손실 편차 반영 단계는, 목표 전송 거리에서 가장 낮은 경로 감쇠값을 기준으로 다른 주파수에서의 경로 감쇠값에 대한 경로 감쇠 편차를 송신출력 감쇠에 반영하는 것이 가능하다.
일실시 예로서, 상기 고정된 감쇠값을 반영하는 단계는, 상기 송수신 안테나 이득이 최대값인 주파수를 출력 주파수로 정하고, 이를 기준으로 다른 주파수의 편차를 반영하여 송신 출력의 감쇠값으로 반영하는 것이 가능하다.
일실시 예로서, 상기 고정된 감쇠값을 반영하는 단계는, 상기 가변 감쇠기를 이용하여 경로 손실 최소값을 조정하는 것이 가능하다.
본 발명의 일실시예에 따른 홉별 SNR이 반영된 주파수 도약 무선 통신 시스템의 시뮬레이션 방법 및 장치는 주파수 도약 무선 통신 시스템의 야외 무선 환경에서의 성능을 실내 환경에서 유선상으로 보다 정확하게 사전 예측할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 홉별 SNR이 반영된 주파수 도약 무선 통신 시스템의 시뮬레이션 방법 및 장치는 외부 간섭 없이 계획된 요소만 적용함으로서 통제된 환경에서의 신뢰성 있는 시험 수행이 가능하여 장비 별, 안테나 종류 별 성능 등을 객관적으로 비교할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 홉별 SNR이 반영된 주파수 도약 무선 통신 시스템의 시뮬레이션 방법 및 장치는 주파수별 안테나 이득 편차가 큰 HF, VHF 대역 군용 무선 통신 시스템에서 해당 대역을 지원하는 안테나 설계 시 최적의 대역 안테나 이득 설계에 대한 판단 근거로 활용할 수 있는 효과가 있다.
도1(A) 및 (B)는 일반적인 무선 통신 시스템의 송수신 과정을 도시한 것이다.
도 2(A)는 종래 기술에 따른 주파수 도약 무선 통신 시스템의 시뮬레이션 장치의 개략도이고, 2(B) 및 (C)는 각각 종래 기술에 따른 시뮬레이션 시 홉별 주파수 및 홉별 주파수에 대한 SNR을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 홉별 SNR이 반영된 주파수 도약 무선 통신 시스템의 시뮬레이션 장치의 개략도이다.
도 4는 도 3의 홉별 SNR이 반영된 주파수 도약 무선 통신 시스템의 시뮬레이션 장치의 상세도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 홉별 SNR이 반영된 주파수 도약 무선 통신 시스템의 시뮬레이션 방법의 순서도이다.
도 6(A)는 주파수 도약 무선 통신 시스템에서 매 주파수 도약 홉마다 변경되는 송신 주파수의 특성을 도시한 것이고, 6(B)는 본 발명의 일실시예에 따른 시뮬레이션 방법 적용시 매 홉마다 변경되는 송신 주파수로 인해 수신 단말에서 겪게되는 수신 SNR의 변화를 도시한 것이다.
도 7(A), (B) 및 (C)는 각각 본 발명의 일실시예에 따른 시뮬레이션 방법 적용시 송수신 경로 간 주파수별 경로 손실 예측 값(도 7(A)), 경로 손실 편차(도 7(B)) 및 경로 손실 최소값(도 7(C))을 도시한 것이다.
도 8(A), (B) 및 (C)는 각각 본 발명의 일실시예에 따른 시뮬레이션 방법 적용된 예시의 송신 안테나 이득, 경로 손실 편차 및 수신 안테나 이득을 도시한 것이다.
도 9(A) 및 (B)는 각각 도 8의 송신 안테나 이득, 경로 손실 편차 및 수신 안테나 이득을 합산한 결과 및 경로 손실 최소 최대치의 차에 대한 합산 결과를 데이터베이스화여 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
본 명세서에서 "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 명세서에서 각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
본 명세서에서, “가진다”, “가질 수 있다”, “포함한다” 또는 “포함할 수 있다”등의 표현은 해당 특징(예: 수치, 기능, 동작, 또는 부품 등의 구성요소)의 존재를 가리키며, 추가적인 특징의 존재를 배제하지 않는다.
또한, 본 명세서에 기재된 '~부'라는 용어는 소프트웨어 또는 FPGA(field-programmable gate array) 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '~부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '~부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터 구조들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '~부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부'들로 더 분리될 수 있다.
주파수 도약 무선 통신 시스템의 경우 송수신 안테나의 주파수별 이득 특성이 상이하고 경로 손실 또한 주파수별 편차가 존재한다. 다시 말해 매 주파수 도약 홉마다 수신 SNR이 다르다는 것을 의미한다.
실내 시험 간 매 주파수 홉마다 수신 SNR 변화에 대한 영향을 반영하기 위해서는 매 주파수 홉마다 주파수 특성에 맞도록 수신 신호의 감쇠량 조정이 필요하나, 감쇠기 혹은 채널 시뮬레이터를 이용하여 수신 SNR을 모의하는 방법으로는 이러한 특성을 반영할 수 없다.
본 발명자는 매 홉마다 예상되는 수신 SNR에 맞게 홉별 SNR을 실시간으로 조정하여 실내에서 주파수 도약 무선 통신 시스템의 성능을 실제 운용환경과 유사하게 모의하여 성능을 확인할 수 있는 방법을 제안하였다.
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 홉별 SNR이 반영된 주파수 도약 무선 통신 시스템의 시뮬레이션 장치 및 방법을 관련된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 홉별 SNR이 반영된 주파수 도약 무선 통신 시스템의 시뮬레이션 장치의 개략도이고, 도 4는 도 3의 홉별 SNR이 반영된 주파수 도약 무선 통신 시스템의 시뮬레이션 장치의 상세도이다.
본 발명의 일실시예에 홉별 SNR이 반영된 주파수 도약 무선 통신 시스템의 시뮬레이션 장치는 송신 모뎀, 송신 RF부 및 송신 안테나를 구비한 송신 단말과 수신 안테나, 수신 RF부 및 수신 모뎀을 구비한 수신 단말을 구비한 주파수 도약 무선 통신 시스템의 시뮬레이션 장치로서 주파수 홉별 송수신 안테나 이득 및 주파수 홉별 송수신 채널 간 경로 손실을 기초로 송신 단에서 주파수 홉마다 예상되는 수신 SNR에 맞게 주파수 홉별 SNR을 실시간으로 전송신호에 반영하는 것이 가능하다.
도 3 및 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 홉별 SNR이 반영된 주파수 도약 무선 통신 시스템의 시뮬레이션 장치는 송신 모뎀(110)의 출력 신호에 대해서 상기 주파수 홉별 송수신 안테나 이득 및 전체 운용 주파수 범위에서 경로 손실이 가장 낮은 주파수의 경로 손실과 다른 주파수에서의 경로 손실의 차로 산출된 경로 손실 편차를 반영하여 송신 RF부(130)로 전송하는 안테나 이득 및 경로 손실 편차 모의부(120) 및 고출력 고정 감쇠기(141, 143) 및 가변 감쇠기(142)를 이용하여 송신 단말(10)과 수신 단말(50)은 유선으로 연결하고, 상기 산출된 경로 손실 편차에 실제 경로 손실을 반영되도록 하기 위해 송신 RF부(130)에서 증폭된 아날로그 신호에 감쇠 값을 적용하는 경로 손실 최소값 모의부(140)를 포함한다.
안테나 이득 및 경로 손실 편차 모의부(120)는 지형의 특성이 반영되는 TIREM(Terrain Integrated Rough Earth Model) 경로 손실 모델을 이용하여 상기 경로 손실을 예측하는 것이 가능하고, 경로 손실 편차를 반영하기 위하여 경로 손실 편차 모의부(122)를 포함한다.
경로 손실 편차 모의부(122)는, 상기 송수신 안테나 이득이 최대값인 주파수를 출력 주파수로 정하고, 이를 기준으로 다른 주파수의 편차를 반영하여 송신 출력의 감쇠값으로 반영하는 것이 가능하다.
경로 손실 편차 모의부(122)는, 목표 전송 거리에서 가장 낮은 경로 감쇠값을 기준으로 다른 주파수에서의 경로 감쇠값에 대한 경로 감쇠 편차를 송신출력 감쇠에 반영하는 것이 가능하다.
경로 손실 최소값 모의부(140)는 제1, 제2 고정 감쇠기(142, 143)와 그 상이에 연결된 가변 감쇠기(142)로 구성되고, 가변 감쇠기(142)를 이용하여 경로 손실 최소값을 조정하는 것이 가능하다.
전술한 바와 같이, 실제 운용환경에서 운용되는 무선 통신 시스템의 성능은 지형, 인공잡음(Man-made noise), 타 단말에서 송신되는 간섭 신호 등 외부 환경 요인에 의해 달라진다. 이러한 외부 환경 요인에 의한 성능의 불확실성을 배제한 객관적인 성능 확인을 위해 실 운용환경에서의 성능 확인 전 통제된 환경에서의 유선 실내 시험을 수행한다.
실내 시험을 통해 확인한 성능은 실 운용환경에서의 성능을 예측하고 분석하는데 활용된다. 고정된 주파수를 사용하는 무선 통신 시스템의 경우 특정 수신 신호 세기에서의 성능을 실내 시험을 통해 확인하고 확인된 특정 수신 신호세기에서의 성능을 이용하여 실 운용환경에서의 성능을 예측한다. 상세하게는 특정 수신 위치에서의 수신 신호의 세기를 시스템 운용환경에 적합한 경로 손실 모델을 적용하여 예측할 수 있다면, 앞서 실내 시험을 통해 확인한 특정 수신 신호세기에서의 성능 적용을 통해 실 운용환경에서의 성능 예측이 어느정도 가능하다.
그러나 주파수 도약 무선 통신 시스템의 경우 송수신 안테나의 이득, 지형에 의한 주파수 별 상이한 경로 감쇠로 인해 매 주파수 홉마다 수신 신호의 세기가 고정되지 않고 달라진다. 본 발명자들은 이러한 특성으로 인해 종래의 시험 방안으로는 실 운용환경을 반영한 성능 분석이 불가능함을 확인했고, 매 홉마다 달라지는 수신 신호 세기를 반영할 수 있는 새로운 주파수 도약 통신 시스템 시험 방안이 필요함을 인지하였다.
본 발명자들은 연구를 통하여 무선 통신 시스템의 송신 단말에서 송신한 송신 신호가 수신 단말에 도달했을 때의 수신 신호 세기는 송신 신호의 세기, 송/수신 안테나 이득, 지형에 의한 경로 손실에 의해 결정된다. 수신 신호의 세기는 수신 SNR을 결정하고 수신 SNR에 따라 수신 신호의 품질이 결정됨을 인지하였다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 홉별 SNR이 반영된 주파수 도약 무선 통신 시스템의 시뮬레이션 방법의 순서도이고, 도 6(A)는 주파수 도약 무선 통신 시스템에서 매 주파수 도약 홉마다 변경되는 송신 주파수의 특성을 도시한 것이고, 6(B)는 본 발명의 일실시예에 따른 시뮬레이션 방법 적용시 매 홉마다 변경되는 송신 주파수로 인해 수신 단말에서 겪게되는 수신 SNR의 변화를 도시한 것이다.
도 7(A), (B) 및 (C)는 각각 본 발명의 일실시예에 따른 시뮬레이션 방법 적용시 송수신 경로 간 주파수별 경로 손실 예측 값(도 7(A)), 경로 손실 편차(도 7(B)) 및 경로 손실 최소값(도 7(C))을 도시한 것이고, 도 8(A), (B) 및 (C)는 각각 본 발명의 일실시예에 따른 시뮬레이션 방법 적용된 예시의 송신 안테나 이득, 경로 손실 편차 및 수신 안테나 이득을 도시한 것이고, 도 9(A) 및 (B)는 각각 도 8의 송신 안테나 이득, 경로 손실 편차 및 수신 안테나 이득을 합산한 결과 및 경로 손실 최소 최대치의 차에 대한 합산 결과를 데이터베이스화여 도시한 것이다.
이하에서는 도 5 내지 도 9(B)를 참조하여, 본 발명의 일실시예에 따른 홉별 SNR이 반영된 주파수 도약 무선 통신 시스템의 시뮬레이션 방법을 상세히 설명한다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 홉별 SNR이 반영된 주파수 도약 무선 통신 시스템의 시뮬레이션 방법은 송신 모뎀(110)이 디지털 기저대역 신호 혹은 IF 대역 신호를 아날로그 신호로 변환하여 출력하는 단계(S110), 상기 변환된 아날로그 신호에 주파수 홉별 송수신 안테나 이득 및 전체 운용 주파수 범위에서 경로 손실이 가장 낮은 주파수의 경로 손실과 다른 주파수에서의 경로 손실의 차로 산출된 경로 손실 편차를 반영하는 단계(S120), 상기 경로 손실 편차가 반영된 아날로그 신호를 RF 대역의 신호로 주파수 변환 및 증폭하는 단계(S130), 상기 증폭된 아날로그 신호에 주파수별 신호의 경로 손실 중 경로 손실 최소값이 전 운용 주파수에서 반영될 수 있도록 고정감쇠기와 가변 감쇠기를 연결하여 고정된 감쇠값을 반영하는 단계(S140) 및 상기 수신 모뎀이 수신된 RF 대역의 신호를 기저대역 신호 또는 IF 대역 신호로 주파수 변환 및 복조하는 단계(S150)를 포함한다.
송신 단말(10)에서 송신한 송신 신호가 수신 단말(50)에 도달했을 때, 수신 신호 세기는 송신 신호의 세기, 송수신 안테나의 이득, 지형에 의한 경로 손실에 의해 결정된다. 즉, 수신 신호의 세기는 수신 SNR을 결정하고 수신 SNR에 따라 수신 신호의 품질이 결정된다.
주파수 도약 무선 통신 시스템의 경우 송수신 안테나의 이득 특성이 주파수별로 상이하고 경로 손실 또한 주파수 별 감쇠 특성상 편차가 존재할 수 밖에 없다. 다시 말해 매 주파수 도약 홉마다 수신 SNR이 다를 수 밖에 없음을 의미한다.
특히, HF 대역 또는 VHF 대역에서 운용되는 군용 무선 통신 시스템의 경우 사용되는 송수신 안테나의 주파수별 안테나 이득 차이가 매우 크다. 주파수별 안테나 이득 차이가 큰 이유는 고정된 안테나 길이로 평탄한 안테나 이득 특성을 갖도록 안테나를 설계/제작하기에는, 운용 주파수 대역도 매우 낮고, 운용 주파수의 범위 또한 매우 넓기 때문이다.
본 발명에 일실시에 따른 주파수 도약 무선 통신 시스템의 시뮬레이션 장치 및 방법은 주파수 도약 무선 통신 시스템에서 송수신 안테나 이득과 지형에 의한 경로 손실을 반영할 수 있는 방안을 제시함으로써 실내 유선 환경에서도 매 홉마다 예상되는 수신 SNR에 맞게 홉별 SNR을 실시간으로 제공할 수 있다.
상세하게는 주파수별 송수신 안테나 이득과 송수신 채널 간 경로 손실의 일부를 송신 단에서 주파수 별 출력을 조정할 수 있도록 하여 유선상으로 도약 모의 기능 수행하게 하는 방법이다. 즉, 주파수 도약에 의한 채널 효과중 일부는 송신측에서 사전 반영하고 일부는 송수신 단말 간 감쇠기를 이용하여 반영하도록 하여 수신측에서의 수신 결과 확인을 통해 성능을 분석할 수 있는 방법이다.
도 6(A) 및 (B)는 주파수 도약 무선 통신 시스템에서 매 주파수 도약 홉마다 변경되는 송신 주파수(도 6(A))와 매 홉마다 변경되는 송신 주파수로 인해 수신 단말에서 겪게되는 수신 SNR의 변화(도 6(B))를 도시한 것이다.
시간에 따른 수신 SNR은 아래 [수학식 1]과 같이 계산된다.
Figure 112021139488314-pat00001
(여기서, P tx : 송신 출력(dBm), P rx (t n ): t n 홉 시간에서의 수신 신호 세기(dBm), P n : 수신 단말의 시스템 잡음 전력(dBm), f(t n ): t n 홉 시간에서의 송신 주파수, G txAnt (f(t n )): t n 홉 시간 송신 주파수에서의 송신 안테나 이득(dBi), PL(f(t n )): t n 홉 시간 송신 주파수에서의 경로 손실(dB), G rxAnt (f(t n )): t n 홉 시간 송신 주파수에서의 수신 안테나 이득(dBi))
상기 [수학식 1]을 이용하여 tn 홉 시간이 1인 경우와 tn 홉 시간이 2인 경우에 대한 수신 SNR은 다음과 같이 계산된다. 단, 계산에 필요한 시스템 파라미터는 아래와 같다고 가정하자.
- P tx = 30 [dBm]
- P n = - 120 [dBm]
- G txAnt (f(1)) = - 10[dBi], G txAnt (f(2)) = - 2[dBi]
- PL(f(1)) = - 110[dB], PL(f(2)) = - 115[dB]
- G rxAnt (f(1)) = - 10[dBi], G rxAnt (f(2)) = - 2[dBi]
예1) t n 이 1인 경우 SNR은 다음과 같다.
Figure 112021139488314-pat00002
예2) t n 이 2인 경우 SNR은 다음과 같다.
Figure 112021139488314-pat00003
송수신 안테나 이득
송수신 안테나는 길이와 주파수에 따라 이득이 다르므로, 송신 안테나와 수신 안테나 모두 반영한다. 무선 통신 장비의 출력은 정해져 있으므로, 송수신 안테나 이득이 최대값인 주파수를 출력 주파수로 정하고, 이를 기준으로 다른 주파수의 편차를 반영하여 송신출력 감쇠값으로 반영되도록 한다.
경로 손실 모델 중 일부(경로 손실 편차)
경로 손실 모델은 거리에 따라 주파수별로 신호의 경로 손실이 다르므로 이를 반영한다. 목표 거리에서 가장 낮은 경로 감쇠 값을 갖는 감쇠를 기준으로 다른 주파수에서의 경로 감쇠 편차를 송신출력 감쇠에 반영되도록 한다.
경로 손실 모델 중 일부(경로 손실 최소값)
거리에 따른 주파수별 신호의 경로 손실 중 경로 손실의 최소값이 전 운용 주파수에서 반영될 수 있도록 송수신 단말기 간 유선으로 제1, 제2 고정감쇠기(141, 143) 사이에 가변 감쇠기(142)를 연결하여 고정된 감쇠값을 반영한다.
여기서, 경로 손실 편차는 운용 주파수 범위에서 경로 손실이 가장 낮은 주파수의 경로 손실 값과 다른 주파수에서의 경로 손실 값의 차이를 의미한다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 주파수 도약 무선 통신 시스템의 시뮬레이션 장치는 송신 단말과 수신 단말의 신호 경로 상 신호 감쇠 영향에 대한 시뮬레이션은 크게 송수신 안테나 모의부(121, 123), 경로 손실 편차 모의부(122)의 기능을 구현하는 안테나 이득 및 경로 손실 편차 모의부(120)와, 고정 감쇠기(141, 143) 및 가변 감쇠기(142)의 기능을 구현하는 경로 손실 최소값 모의부(140)로 구분된다.
송수신 안테나의 이득 특성 시뮬레이션 및 경로 손실 편차 시뮬레이션 과정에서는 송신 모뎀(110)에서 출력되는 기저대역 혹은 IF 대역 디지털 변조 신호에 송신 안테나를 시뮬레이션하는 송신 안테나 모의부(121)과 경로 손실 편차를 모의하는 경로 손실 편차 모의부(122), 수신 안테나를 모의하는 수신 안테나 모의부(123)를 추가하여 송신 RF부(130)로 신호를 전달하기 전 송신 출력 감쇠가 반영되도록 한다.
송신 RF부(130)에 의해 RF 신호처리된 송신 신호는 송수신 단말간 유선으로 연결된 제1, 제2 고출력 고정 감쇠기(141, 143) 및 가변 감쇠기(142)에 의해 경로 손실 최소값이 반영되어 수신 RF부(150)에 도달하게 된다. 이때 경로 손실 최소값은 가변 감쇠기(142)의 조정을 통해 적정한 감쇠 값을 반영한다.
도 7(A) 내지 (C)를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 주파수 도약 무선 통신 시스템의 시뮬레이션 방법 중 경로 손실 시뮬레이션에 대해 상세하게 설명한다.
경로 손실 시뮬레이션은 안테나 이득 및 경로 손실 편차 모의부(120)와 경로 손실 최소값 모의부(140)에 의하여 구현된다. 실제 운용환경에서 특정 위치에서의 송수신 경로간 주파수별 경로 손실은 TIREM(Terrain Integrated Rough Earth Model) 경로 손실 모델과 같이 지형의 특성이 반영되는 경로 손실의 예측 모델을 이용하여 예측해볼 수 있다.
송수신 경로간 주파수별 경로 손실 예측 값(도 7(A))은 경로 손실 편차(도 7(B))와 경로 손실 최소값(도 7(C))의 합으로 표현될 수 있다. 즉, 경로 손실 편차(도 7(B))는 주파수별 경로 손실 예측 값 전체에서 예측 값의 최소값(도 7(C))을 뺀 값으로 표현 가능하다.
예를 들면 주파수 도약 무선 시스템의 운용 주파수 중 경로 손실이 최저 주파수인 x[MHz]에서 경로 손실 값이 가장 낮고 그 값이 -100[dB]이라 가정하고, 운용 주파수내 특정 주파수인 y[MHz]에서 -107[dB]라 할 때 두 주파수의 경로 손실 편차는 7[dB]가 된다.
경로 손실 편차 모의는 앞서 언급한 방법과 같이 전 도약 운용 주파수에서 모든 편차를 모의하여 반영하는 것을 의미한다.
도 8(A) 내지 (C)는 주파수 도약 무선 통신 시스템의 실제 운용환경 시뮬레이션 방법 중 송수신 안테나를 모의하는 부분과 경로 손실 편차를 모의하는 기능을 보다 효율적으로 달성할 수 있는 방법을 도시한 것이다.
도 8(A) 내지 (C)를 참조하여, 전술한 경로 손실 편차에 대한 예를 든 경우에 대해서 이어서 설명한다. 경로 손실이 최저 주파수인 x[MHz]에서 경로 손실 값이 -100[dB] 이지만 경로 손실 편차에서는 0[dB]가 반영되고, y[MHz]에서는 경로 손실이 -107[dB] 이지만 -7[dB]가 반영되어 두 주파수에서의 실질 경로 감쇠 값과 비교하여 -100[dB]의 차이가 존재하게 된다. 이러한 차이는 운용 주파수 내에서 고정된 값이고 이 차이는 주파수별 경로 손실 값 중 가장 낮은 최소값으로 감쇠기를 이용하여 모의 될 수 있음을 의미한다.
도 3의 안테나 이득 및 경로 손실 편차 모의부(120) 내에 구현되는 송수신 안테나 모의부(121, 123)와 경로 손실 편차 모의부(122)에 대한 구체적인 예를 송신 안테나 이득(도 8(A)), 경로 손실 편차(도 8(B)), 수신 안테나 이득(도 8(C))으로 도시하였다.
도 8(B)는 경로 손실 편차를 도시한 것으로서, 다수의 경로 손실 편차가 존재함을 알 수 있다. 이는 지형에 따라 경로 손실의 최소값과 최대값의 차이가 다르기 때문에 이러한 특성을 반영하기 위해서 여러 개의 경로 손실 편차가 선택적으로 사용될 수 있도록 하기 위함이다.
도 9(A) 및 (B)를 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에서는 도 3의 송신 모뎀(110)에 발생되는 기저대역 혹은 IF 대역 디지털 변조 신호에 송신 안테나 이득, 경로 손실 편차, 수신 안테나 이득을 순차적으로 반영하지 않고 각각에 대한 영향이 모두 고려된 주파수 별 송신 신호 이득 테이블을 사전에 데이터 베이스화 혹은 수식화(도 9(A))하여 모뎀의 기저대역 혹은 IF 디지털 변조 신호에 반영한다(도 9(B)).
송수신 안테나 이득과 경로 손실 편차가 반영된 송신 신호 이득 테이블은 경로 손실 편차에 대한 영향을 선택적으로 적용되도록 하기 위하여 경로 손실의 최소값 최대값 차이에 따라 준비된 테이블에서 선택적으로 사용(도 9(B))될 수 있도록 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 주파수 도약 무선 통신 시스템의 시뮬레이션 방법 및 장치는 야외 무선 환경에서의 성능을 실내 환경에서 유선상으로 보다 정확하게 사전 예측이 가능하다.
또한, 외부 간섭 없이 계획된 요소만 적용함으로서 통제된 환경에서의 신뢰성 있는 시험 수행이 가능하여 장비 별, 안테나 종류 별 성능 등을 객관적으로 비교할 수 있다.
또한, 주파수별 안테나 이득 편차가 클 수 밖에 없는 HF, VHF 대역 군용 무선 통신 시스템에서 해당 대역을 지원하는 안테나 설계 시 저/중/고 대역 중 어느 대역에 안테나 이득을 좋게 설계 하는 것이 주파수 도약 방식이 운용될 때 최적의 성능을 제공할 것인가에 대한 판단 근거로 활용될 수 있다.
110 : 송신 모뎀
120 : 안테나 이득 및 경로 손실 편차 모의부
121 : 송신 안테나 모의부
122 : 경로 손실 편차 모의부
123 : 수신 안테나 모의부
130 : 송신 RF부
140 : 경로 손실 최소값 모의부
141 : 제1 고정 감쇠기
142 : 가변 감쇠기
143 : 제2 고정 감쇠기
150 : 수신 RF부
160 : 수신 모뎀

Claims (13)

  1. 송신 모뎀, 송신 RF부 및 송신 안테나를 구비한 송신 단말과 수신 안테나, 수신 RF부 및 수신 모뎀을 구비한 수신 단말을 구비한 주파수 도약 무선 통신 시스템의 시뮬레이션 장치로서,
    주파수 홉별 송수신 안테나 이득 및 주파수 홉별 송수신 채널 간 경로 손실을 기초로 송신 단에서 주파수 홉마다 예상되는 수신 SNR에 맞게 주파수 홉별 SNR을 실시간으로 전송신호에 반영하되,
    상기 송신 모뎀의 출력 신호에 대해서 상기 주파수 홉별 송수신 안테나 이득 및 전체 운용 주파수 범위에서 경로 손실이 가장 낮은 주파수의 경로 손실과 다른 주파수에서의 경로 손실의 차로 산출된 경로 손실 편차를 반영하여 상기 송신 RF부로 전송하는 안테나 이득 및 경로 손실 편차 모의부; 및
    고출력 고정 감쇠기 및 가변 감쇠기를 이용하여 상기 송신 단말과 상기 수신 단말은 유선으로 연결하고, 상기 산출된 경로 손실 편차에 실제 경로 손실을 반영되도록 하기 위해 상기 송신 RF부에서 증폭된 아날로그 신호에 감쇠 값을 적용하는 경로 손실 최소값 모의부;
    를 포함하는 홉별 SNR이 반영된 주파수 도약 무선 통신 시스템의 시뮬레이션 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 안테나 이득 및 경로 손실 편차 모의부는,
    지형의 특성이 반영되는 TIREM(Terrain Integrated Rough Earth Model) 경로 손실 모델을 이용하여 상기 경로 손실을 예측하는 상기 경로 손실 편차 모의부를 포함하는 것을 특징으로 하는 홉별 SNR이 반영된 주파수 도약 무선 통신 시스템의 시뮬레이션 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 경로 손실 편차 모의부는, 상기 송수신 안테나 이득이 최대값인 주파수를 출력 주파수로 정하고, 이를 기준으로 다른 주파수의 편차를 반영하여 송신 출력의 감쇠값으로 반영하는 것을 특징으로 하는 홉별 SNR이 반영된 주파수 도약 무선 통신 시스템의 시뮬레이션 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 경로 손실 편차 모의부는, 목표 전송 거리에서 가장 낮은 경로 감쇠값을 기준으로 다른 주파수에서의 경로 감쇠값에 대한 경로 감쇠 편차를 송신출력 감쇠에 반영하는 것을 특징으로 하는 홉별 SNR이 반영된 주파수 도약 무선 통신 시스템의 시뮬레이션 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 경로 손실 최소값 모의부는 상기 가변 감쇠기를 이용하여 경로 손실 최소값을 조정하는 것을 특징으로 하는 홉별 SNR이 반영된 주파수 도약 무선 통신 시스템의 시뮬레이션 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 수신 SNR은 아래의 수식으로 의해서 계산되는 것을 특징으로 하는 홉별 SNR이 반영된 주파수 도약 무선 통신 시스템의 시뮬레이션 장치.
    [수식]
    Figure 112023008621118-pat00004

    (여기서, Ptx : 송신 출력(dBm), Prx(tn): tn 홉 시간에서의 수신 신호 세기(dBm), Pn : 수신 단말의 시스템 잡음 전력(dBm), f(tn): tn 홉 시간에서의 송신 주파수, GtxAnt(f(tn)): tn 홉 시간 송신 주파수에서의 송신 안테나 이득(dBi), PL(f(tn)): tn 홉 시간 송신 주파수에서의 경로 손실(dB), GrxAnt(f(tn)): tn 홉 시간 송신 주파수에서의 수신 안테나 이득(dBi))
  8. 제1항에 있어서,
    상기 도약 무선 통신 시스템은 HF 대역 또는 VHF 대역에서 운용되는 군용 무선 통신 시스템으로서 상기 송수신 안테나의 주파수별 안테나 이득 차이가 민간 무선 통신 시스템의 경우 보다 큰 것이 특징인 홉별 SNR이 반영된 주파수 도약 무선 통신 시스템의 시뮬레이션 장치.
  9. 송신 모뎀, 송신 RF부 및 송신 안테나를 구비한 송신 단말과 수신 안테나, 수신 RF부 및 수신 모뎀을 구비한 수신 단말을 구비한 주파수 도약 무선 통신 시스템의 시뮬레이션 방법으로서,
    상기 송신 모뎀이 디지털 기저대역 신호 혹은 IF 대역 신호를 아날로그 신호로 변환하여 출력하는 단계;
    상기 변환된 아날로그 신호에 주파수 홉별 송수신 안테나 이득 및 전체 운용 주파수 범위에서 경로 손실이 가장 낮은 주파수의 경로 손실과 다른 주파수에서의 경로 손실의 차로 산출된 경로 손실 편차를 반영하는 단계;
    상기 경로 손실 편차가 반영된 아날로그 신호를 RF 대역의 신호로 주파수 변환 및 증폭하는 단계;
    상기 증폭된 아날로그 신호에 주파수별 신호의 경로 손실 중 경로 손실 최소값이 전 운용 주파수에서 반영될 수 있도록 고정감쇠기와 가변 감쇠기를 연결하여 고정된 감쇠값을 반영하는 단계; 및
    상기 수신 모뎀이 수신된 RF 대역의 신호를 기저대역 신호 또는 IF 대역 신호로 주파수 변환 및 복조하는 단계;
    를 포함하는 홉별 SNR이 반영된 주파수 도약 무선 통신 시스템의 시뮬레이션 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 경로 손실 편차 반영 단계는, 지형의 특성이 반영되는 TIREM(Terrain Integrated Rough Earth Model) 경로 손실 모델을 이용하여 상기 경로 손실을 예측하는 것을 특징으로 하는 홉별 SNR이 반영된 주파수 도약 무선 통신 시스템의 시뮬레이션 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 경로 손실 편차 반영 단계는, 목표 전송 거리에서 가장 낮은 경로 감쇠값을 기준으로 다른 주파수에서의 경로 감쇠값에 대한 경로 감쇠 편차를 송신출력 감쇠에 반영하는 것을 특징으로 하는 홉별 SNR이 반영된 주파수 도약 무선 통신 시스템의 시뮬레이션 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 고정된 감쇠값을 반영하는 단계는, 상기 송수신 안테나 이득이 최대값인 주파수를 출력 주파수로 정하고, 이를 기준으로 다른 주파수의 편차를 반영하여 송신 출력의 감쇠값으로 반영하는 것을 특징으로 하는 홉별 SNR이 반영된 주파수 도약 무선 통신 시스템의 시뮬레이션 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 고정된 감쇠값을 반영하는 단계는, 상기 가변 감쇠기를 이용하여 경로 손실 최소값을 조정하는 것을 특징으로 하는 홉별 SNR이 반영된 주파수 도약 무선 통신 시스템의 시뮬레이션 방법.
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