KR20120107559A - 선박 내 공조 덕트를 이용한 무선망 구축 방법 - Google Patents

Abstract

선박은 몸체 전체가 강철로 되어 있으며, 갑판의 위와 아래의 모든 구역이 침수를 막기 위하여 여러 개의 격실 구조로 구성되어 있어서 전파를 완벽하게 차단하는 구조이므로 무선 통신이 불가능하여 작업자들 간의 의사소통이 매우 어렵다. 이를 해결하기 위하여 선박 내의 어떤 위치든 사람이 작업하는 공간에는 연결되어 있는 공조 덕트에 안테나를 넣고 RF 중계기로 덕트망을 연결하는 무선망 구축 방법, 그리고 덕트에 피딩하는 안테나의 구조 및 이중 편파를 가능케하는 덕트와 안테나의 결합구조를 특허로 제안코자 한다.

Description

선박 내 공조 덕트를 이용한 무선망 구축 방법{Wireless Network Construction Method Using Air Conditioning Duct in Ship}

본 기술 분야는 선박 내의 공조 덕트로 전파를 송수신하여 무선망을 구축하는 분야의 기술로써 도파관 해석, 전파 해석, 안테나 설계, RF 회로 그리고 무선 중계기에 관한 기술 분야에 속한 것이다.

선박의 공기 조화용 덕트는 함석 재질로 된 도파관으로 볼 수 있으며, 그 내부에서 전파는 각 전송 모드로 전송되는데, 각 전송 모드 별로 각 분기 점에서의 분기량 및 전송 손실이 다르다. 이러한 전송 모드들의 특성을 해석하기 위해서는 도파관내 모드 해석 기술이 배경이 되어야 한다. 또한 적절한 전송 모드를 여기하기 위한 피더 안테나가 필요한데, 이것은 안테나 기술 분야에 해당된다. 동축 케이블 외부도체에 슬릿을 내서 전계를 외부로 유출시켜서 외부의 방사체와 결합시키는 등 안테나 설계 기술이 배경이 된다. 또한 분리된 덕트를 한 커버리지로 연결하기 위해서는 RF 중계기가 필요한데, 이 RF 중계기는 발진 문제로 인하여 실내에서는 사용 할 수 없으나 링크 및 커버리지 안테나를 덕트에 넣으면 분리도가 커져서 사용이 가능하다. 이것을 해결하기 위해서는 안테나 간의 분리도 및 루프 이득 등을 해석해야 하는데, 이것은 실내 전파 특성 및 시스템 안정화 기술이 배경이 되어야 한다.

본 발명에서는 선박 내부에 무선망을 구축하기 위하여 선박 내부의 공조 덕트를 이용하여 무선망을 구축할 때 최적의 피딩 방식을 제안하기 위한 것이다. 무선망을 이용하여 통신을 하기 위해서는 넓은 영역을 하나의 커버리지로 묶어 주어야 잦은 핸드오버를 피할 수 있어서 원활한 서비스가 보장되는데, 선박은 그 내부가 여러 개의 좁은 격실로 이루어져 있어서 이것이 불가능하다. 그러므로 여러 개의 격실의 벽을 관통하여 천정을 통과하여 연결된 공조 덕트에 전파를 송수신함으로써 격벽을 넘어서 커버리지 구성이 가능해 진다.

또한 선박용 덕트는 그 구조가 육상의 건물과 달리 분기되는 구조가 복잡하고 가로가 긴 장방형에서 세로가 긴 장방형으로 바뀔 수 있으므로 전파되는 모드의 전계를 이중으로 해 주어야 원활한 전파의 송수신이 가능해 진다. 본 특허에서는 이것을 가능케 해주는 피더 안테나의 구조 및 덕트에 피딩하는 결합구조를 제안하였다.

위의 과제를 해결하기 위해서는 공조 덕트에 원하는 전송 모드로 전파를 원활하게 보낼 수 있는 피딩용 안테나와 그 안테나의 위상을 조정할 수 있는 가변 위상 편이기 그리고 피딩 위치에서 임피던스를 정합 할 수 있는 가변 정합기를 결합하여 피딩 장치를 구성한 후, 이것을 WiFi AP(Access Point) 혹은 WiBro RAS(Radio Access Station)의 RF 송수신부에 연결한다. 그리고 이러한 AP 혹은 RAS들은 PLC 모뎀 혹은 기 포설된 통신 케이블을 통하여 컨트롤러에 연결함으로써 핸드오버 기능을 갖는 이동 무선망의 기능을 갖추게 한다.

선박 내부의 모든 격실에 설치되어 있는 공조 덕트에 피딩용 안테나를 이용하여 전파를 송수신하고, 분리된 덕트들 간에는 RF 중계기로 연결하여 넓은 커버리지를 구축함으로써, 기존에는 무선통신이 불가능했던 선박 내부에서도 이동통신처럼 핸드오버가 용이한 무선망을 효율적으로 구축 할 수 있게 됨.

도 1은 선박 내부에 공조 덕트를 이용하여 무선망을 구축하는 방법을 나타낸다. 선박의 공조 시스템은 여러 개의 철판으로 구획된 격실 벽을 넘어서 연결된 몇 개의 공조 덕트 망으로 구성되어 있다. 또한 이러한 여러 격실을 관통하는 공조 덕트는 갑판 상부로 수직으로 연결되어 있다. 이때 중간층의 공조 덕트에 무선을 액세스 할 수 있는 무선 기지국(WiFi AP 혹은 WiBro RAS...)의 안테나를 피딩하고, 인접한 타 공조 덕트에는 RF 중계기를 써서 중계한다. 그리고 이 AP 들은 PLC 모뎀 혹은 기존에 포설된 통신 케이블을 통하여 집속하는 구조를 나타낸다. 이렇게 함으로써 최소 개수의 AP와 RF 중계기만으로 선박 전체의 격실을 커버할 수 있는 무선망을 구축하는 것을 나타내었다.
도 2는 선박용 공조 덕트에 삽입하여 전파를 송 수신 할 수 있는 피더의 구조를 나타낸다. 동축 케이블의 외부 도체에 좁은 슬릿을 내어서 전파를 새어 나오게 한 후, 슬릿을 둘러싸는 유전체 파이프를 끼운 다음 그 유전체 외부를 방사용 도체 실린더로 감싸는 구조로 구성되어 있다. 이때 슬릿의 위치와 그들 간의 간격(D12)그것을 둘러싸는 유전체 파이프 및 외부 도체 실린더의 길이(L1, L2,,,)를 가변함으로써 덕트의 크기에 맞게, 원하는 위치에서 원하는 방향으로 전계의 편파를 결정할 수 있게 된다. 도 3은 도 2의 피딩용 안테나를 덕트 내부에 삽입 하였을때 여기되는 전파의 전계 분포를 나타낸다.
도 4은 도 2의 피딩용 안테나를 덕트에 결합하는 구조를 나타낸다. 선박용 덕트의 특성 상 육상 덕트와는 달리 덕트의 단면이 가로가 긴 장방형에서 세로가 긴 장방형으로 바뀌는 경우가 많으므로, 전계의 방향을 이중 편파로 피딩해야 한다. 이를 위하여 도 2의 피더를 가로와 세로의 방향으로 피딩하는 구조를 나타내었다. 가변 임피던스 정합기는 덕트의 단면에 따라 피더의 임피던스가 크게 변하는 것을 기계적인 조작만으로 설치 현장에서 정합하기 위한 것이며, 가변 위상 편이기는 두 피더의 간의 위상차를 조정함으로써 덕트 내부에서 최적의 전파 모드를 형성하기 위한 것이다.

선박에서는 모든 격실들이 밀폐되어 있으므로 사람이 잠시라도 머무는 공간에는 공기를 공급해 주는 공조 덕트 시스템이 혈맥처럼 구축되어 있다. 이 공조 덕트는 도체로 되어 있어서 도파관으로 작용 할 수 있으므로 이 공조에 피딩용 안테나를 삽입하여 전파를 주고 받으면 덕트가 여러 개의 격실을 관통하며 디퓨저를 통하여 공기와 함께 전파도 주고 받을 수 있으므로 한 덕트에 연결된 다수개의 격실을 하나의 셀로 묶을 수 있게되어 넓은 커버리지를 갖는 핸드오버가 원활한 무선망을 효율적으로 구축 할 수 있다.

한편 공조기의 용량에 제한이 있으므로 한 개의 공조기가 커버 할 수 있는 분리된 격실 공간들을 하나의 덕트로 연결하는 구조로 되어 있다. 이때 한 배 안에서 이렇게 서로 분리된 덕트 망은 RF 중계기로 연동시킬 수 있다. 즉 두 덕트망이 분리되어 있을 경우에는 RF 중계기의 링크 안테나와 커버리자 안테나를 각각의 덕트 망에 삽입하여 전파를 보내면 한 커버리지로 묶을 수 있게 된다. 보통 RF 중계기는 발진현상 때문에 실내에서는 쓸 수 없지만, 덕트의 경우 링크 안테나와 커버리지 안테나가 덕트 속으로 들어가므로 송/수신 분리도가 커져서 발진이 발생하지 않으므로 사용이 가능하다. 이 경우에 덕트 내부는 외부에 비하여 매우 강한 수신레벨을 유지하므로 이득을 크게 하지 않더라도 출력을 키울 수가 있어서 중계기의 안정성을 유지하는데 매우 유리하게 된다. 또한 공조 덕트를 길게 뽑고 중간에 분기가 많은 경우에는 맨 끝단의 신호가 약해질 수 있는데 이 경우에는 RF 중계기를 이용하여 링크 안테나는 덕트 내부에 넣고 커버리지 안테나로 실내에 중계하는 방식으로 망을 구축 할 수 있다. 이때에도 링크 안테나가 도체로 막힌 덕트 내부로 들어가서 외부에 있는 커버리지 안테나와의 송수신 분리도가 크기 때문에 발진 없이 실내에서 사용이 가능하다. 이와 같이 덕트 피딩 방식을 씀으로써 추가로 링크용 채널을 쓰지 않고서도 실내에서 RF 중계기만을 써서 보다 음영지역을 해소하고 보다 넓은 커버리지 구축이 가능해지는 장점이 있다.

공조 덕트 내부에서는 전파가 덕트의 단면의 모양에 따라 고유의 전송모드를 통하여 전파되는데, 각 모드 별로 전계 및 자계의 분포가 다르다. 또한 전송 모드 별로 분기 및 디퓨저로 전송되는 신호의 감쇄가 달라지므로 덕트 의 모양과 분기 구조에 따라 최적의 전송모드가 존재한다. 이러한 전파 특성을 위하여 덕트에 피딩하는 안테나는 전송 모드를 여기하기에 적합한 구조로 되어야 하는데, 리를 위해서는 덕트 단면에서 각 전송 모드의 전계의 크기와 방향을 맞도록 전계 분포를 여기 시킬 수 있어야 한다. 이를 위하여 본 제안에서는 도 2와 같은 구조의 피더를 제안한다. 이 피더는 동축 케이블의 외피를 잘라낸 슬릿과 외부를 감싸고 있는 유전체 및 그 유전체를 감싼 외부 도체로 구성되어 있는데, 슬릿의 위치와 간격 그리고 슬릿을 둘러싼 유전체와 감싼 도체의 간격을 조정함으로써 덕트 단면에서 최적의 전송 모드에 맞는 전계를 여기 시킬 수 있다.

피딩용 안테나를 덕트에 결합하는 구조는 도 4에 나타내었다. 선박은 공간이 협소하여 공조 덕트를 배관하는데 제약이 많으므로 육상의 건물과는 달리 그 구조가 매우 복잡하며 입체적인 분기 구조를 가지게 된다. 그러므로 단면이 가로가 세로보다 항상 긴 장방향의 육상 건물용 덕트와는 달리 층과 격실을 이동하면서 세로가 가로보다 긴 장방형 혹은 타원형으로 바뀌는 경우가 생긴다. 이때 전기장의 편파가 단면의 긴 변과 평행 할 경우에는 짧은 변의 길이가 차단 파장의 1/2에 가까워지면 전파의 감쇄가 크게 일어난다. 그러므로 선박용 덕트를 통과하는 전파는 단면 내부에 전기장의 방향이 수직과 수평인 것이 동시에 존재해야만 원거리 전달이 가능해 진다. 이를 위해서는 덕트의 단면에 수직과 수평으로 편파된 전파를 동시에 피딩해 주어야 한다. 도 2에서는 이것을 나타내었다. 또한 피딩하는 위치마다 덕트의 크기가 달라서 입력 임피던스가 달라지므로 이것을 정합해 주어야 한다. 이를 위해서는 기계적으로 조정가능한 가변 정합기를 써서 각 피딩 위치에 맞게 조정해 주어야 한다. 또한 수직과 수평 편파의 피딩용 안테나를 적절한 위상차를 두고 결합시켜야 수직과 수평 편파의 최적 전송 모드를 조합할 수 있으므로 가변 위상 편이기를 포함한 피딩 안테나의 전체 결합 구조는 도 3과 같이 된다.

이와 같이 AP(혹은 WiBro RAS)의 안테나를 공조 덕트 피딩용 안테나로 대치하여 덕트 내부로 피딩 함으로써 선박 내의 모든 격실에 구애받지 않고 커버리지를 넓게 구성할 수 있으며, 기 포설된 랜 케이블 혹은 PLC 모뎀을 이용하여 AP(혹은 WiBro RAS)들을 컨트롤러에 집속하면 핸드오버가 가능한 선박 내 이동 통신용 무선망을 구축할 수 있다.

Dij : i, j번 전자계 유출 슬릿 간의 거리
L1, L2 : 방사용 도체의 길이

Claims (3)

1. 도 1의 공조덕트를 이용한 선박 내 무선망 구축 방법
2. 도 2의 전기장 편파와 위치를 조정할 수 있는 가변 위상 안테나 구조
3. 도 4의 전기장 편파를 이중으로 하는 덕트용 안테나 결합구조
   
   
   
   
   

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