<전파예측 모델 개요 : 1 >----------------------------------------------------------
고정무선통신(Fixed Radio Communication)에서 두 지점간(PtP : Point to Point) 사용되는 전파경로 손실값의 예측은 예측할 수 있습니다. 또한 이동무선통신(Mobile Radio Communication)에 있어 기지국(Base Station)과 이동국(Mobile Station) 간의 전파경로에 있어 손실값의 예측은 쉽지 않습니다. 복잡한 수식들은 3D 지형DB를 이용해서 컴퓨터로 분석하는 것일 일반적입니다.
HDTV 방송서비스도 고정 및 이동통신의 전파모델을 응용하고 있습니다. 예를들면 스펙트럼 홈페이지에 HDTV 수신여부를 문의하면, 스펙트럼 엔지니어들은 HDTV 전파시뮬레이션 도구(S/W 이용한 전파예측모델로 수신여부 분석)를 이용해서 고객들의 문의에 답하고 있는 방법입니다.
<본 자료는 제가 작성한 전파관련 보고서 중 일부를 발췌한 것이며, 저작권은 무파사가 가지고 있습니다. 따라서 네티즌께서는 상업용이 아니라면 사용이 가능합니다. >
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1. 개 요
최근 국내 이동통신서비스가 활성화되면서 전파의 서비스 영역 분석을 위한 많은 전파모델과 S/W들이 개발되었습니다. 이들은 각자 자신들의 경험과 실측에 의한 전파모델을 개발하고, 예측식과 파라메타를 정립하였으나 국가별, 지역별, 기후별로 차이가 있으므로 이를 국내에 그대로 적용하기에는 무리가 있습니다.
따라서, 국내 실정에 적합하고 광범위한 서비스 영역에 적합한 모델과 수식이 필요로 하게 되어 국내 이동통신 사업체에서 자체적으로 개발한 전파모델이 일반적으로 적용되고 있습니다. 또한, 국내의 전파모델 중 유일하게 한국전자통신연구원(ETRI)에서 개발된 "ETRI 모델"이 있으며, 이 모델은 국내 지형과 기후 등 국내 환경요소를 적용하였고 또한 30MHz 이상의 주파수에서 가시거리(LOS : Line of Sight)와 비가시거리(NLOS : No Line of Sight)에 대해 각각 다른 수식을 적용하는 방법을 이용하여 개발되었습니다.
2. 전파특성과 일반적인 전파모델 (고정무선통신 전파모델)
2.1 자유공간 손실(FSL) 모델
셀-플랜에 있어 중요한 부분은 전파경로 손실을 예측하는 부분이며, 기본적으로 전파 방사원으로부터 발사된 전파가 공간의 전파경로를 통해 특정 수신지점에 도달하게 되는데, 경로상 산악이나, 건물 또는 지표면이나 해수면을 통해 전파의 직접파, 회절과 반사가 이루어지게 됩니다.
여기서 직접파에 의한 손실(실재로는 전파가 확산되면서 발생됨)은 공간을 전파하면서 발생되며, 전파의 확산에 따른 손실이 됩니다. 여기서 직접파에 의한 전파손실은 일반적으로 자유공간손실(FSL : Free Space Loss) 모델로 알려져 있으며 직접파 경로손실 계산에 가장 많이 사용되고 있다
자유공간손실 모델(free space loss model)은 가시거리인 경우에 적용할 수 있는 모델이며 전파전파 특성을 나타내는 기본적인 모델입니다. 일반적으로 이동통신서비스의 경우 가시거리가 거의 없어 직접 적용하는 경우는 없으나, 마이크로웨이브(M/W)나 직접경로를 이용하는 UHF 대역의 주파수를 이용한 고정무선링크를 구성하는 경우 등, 주파수가 높거나 직접파를 이용한 통신에는 자유공간 손실을 고려하고 있습니다.
자유공간이란 유전율이 균일한 매질(우주공간)과 반사(Reflection), 회절(Diffraction) 또는 산란(Scattering)이 발생할 수 있는 인공적 또는 자연적 장애물이 전혀 없는 공간을 말한다. 이러한 자유공간에 무지향성(Isotropic) 안테나가 있을 때, 이 안테나에서 Pt의 전력으로 복사(Radiation)되는 전자파가 자유공간을 퍼져 나가는 경우 수신신호 Pr은 다음과 같이 정의됩니다.
(2-1)식을 보면 자유공간 손실은 점 전원(Point Source : 즉 안테나 이득이 ‘0’인 무지향성 안테나를 가정)에서 나온 전자파로 가정하여 자유공간에 구면파 형태로 확산하면서 에너지 보존의 법칙에 의해서 구의 면적 증가에 반비례하여 에너지의 세기가 약해지는 물리적인 현상을 표현하고 있음을 알 수 있습니다. (2-1)식에서 안테나는 무지향성으로 가정하고 있으므로(안테나 이득은 ‘0’) 자유공간에 의한 손실을 다음과 같습니다.
위 식을 살펴보면 자유공간 손실은 거리가 두 배 증가하면 손실은 6 dB 즉 전력손실은 4배 더 증가하고, 거리가 10배 늘어나면 손실은 20 dB가 더 증가함을 알 수 있습니다. 즉 거리가 두 배 증가하던지 주파수가 두 배 증가하면 사용 전파의 파장에 대한 거리(전기적인 거리)가 동일한 효과를 나타내기 때문에 주파수에 의한 영향과 거리 변화에 따른 영향이 같습니다.
2.2 회절손실(Diffraction) 모델
회절손실 모델(diffraction loss model)이란 전파가 전파되는 구간(path)에 장애물이 있을 경우, 장애물(회절체)에 의해 2차 전파원(Secondary Source)의 전파가 방사하게 되는 현상으로 장애물에 의해 전파는 차단된 영역에도 도달하는 현상을 말합니다.
앞에서 언급된 자유공간 손실을 적용할 수 있는 경우는 송․수신안테나 사이에 완전한 가시거리가 확보되어야 합니다. 전자파 개념에서 가시거리(Line-of-sight)가 되기 위해서는 송신 안테나와 수신안테나 사이의 프레넬(Fresnel)영역에 장애물이 없는 경우를 말합니다.
여기서 프레넬 반경은 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.
여기서 n은 n차 프레넬 반경을 말하며, d1은 송신안테나까지 거리, d2는 수신안테나까지의 거리이며 λ는 파장을 말하며, n=1인 경우 1차 프레넬 반경이라 하고 대개 이 1차 프레넬 반경에 장애물이 없으면 가시거리(Line-of-sight)로 근사할 수 있습니다. 여기서 주파수를 MHz, 거리를 km로 표시하면 프레넬 반경(m)은 다음과 같습니다.
프레넬 영역을 송신 안테나부터 수신안테나까지 연속적으로 그려보면 안테나 인근에서는 반경이 매우 좁고, 송수신 안테나 중간 지점에서 반경이 가장 큰 타원체 모양임을 알 수 있습니다. 또한 주파수가 높아지면 같은 송수신 안테나 거리가 같아도 프레넬 반경이 줄어들어 쉽게 가시거리가 생기며 주파수가 낮아져서 λ가 커지면 프레넬 반경이 커져서 가시거리를 확보하기가 어렵게 됩니다.
즉, 이를 다르게 표현하면 주파수가 높아지면 직진성이 강해져서 직접 전파경로에 장애물이 없고 주변에 장애물이 있을 경우 이에 대한 영향이 작고, 주파수가 낮아지면 직진성이 낮아 주변 전자파 산란체에 의해서 영향을 받게 된다는 것을 의미합니다. 일반적으로 프레넬 반경 안에 장애물이 있으면 회절손실 모델을 적용하여 전파경로 손실을 계산합니다.
일반적으로 이러한 장애물에 의한 회절특성을 계산할 때, 전파경로에 있는 여러 장애물이 사용 주파수의 파장에 비해 두께를 무시할 수 있을 정도로 작을 경우, 이 장애물을 근사적으로 Knife-Edge로 가정하는 것을 말합니다. 이는 다음 그림에서 보여주고 있습니다.
여기서 회절손실을 계산하기 위한 파라미터를 정의하면,
[그림 2-2]과 같은 장애물을 Knife-Edge로 가정하면 v에 대한 전파손실 특성은 [그림 2-3]과 같습니다.
회절손실을 구하기 위한 근사식은 다음과 같이 주어집니다.
지형에 의한 전파경로 손실은 이러한 회절손실 모델을 적용하여 분석하지만, 이는 사용주파수의 파장이 지형이 크기에 비해서 충분히 작은 경우에 적용할 수 있고, UHF 대역 또는 Micro-Wave 대역의 고정무선통신에서는 매우 유익하게 사용되는 전파모델입니다.
그러나 이동통신에 사용되는 800~900 MHz 주파수 대역 또는 1.8~2.1 GHz 대역 등에서는 사용이 어렵습니다. 이때에는 이동통신용 전파예측모델을 사용해야 합니다. 물론 무선랜(R-LAN)등 인터넷 망에 사용하는 주파수대역이 2.4 GHz(파장은 13cm 정도)도 지형에 의한 손실을 knife-edge 회절손실 모델로 근사하여 예측할 경우 오차가 예상될 수 있습니다. 즉, 서비스 에리어 예측 등을 이용할 경우 knife-edge 회절손실 모델을 이용하기보다는 마이크로 셀 등의 이동통신 전파모델 적용이 유리할 수 있습니다.
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