5G 이동통신 환경에서의 음영 지역 전파 측정에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 5G 환경에서의 음영(Shadow) 구간 전파 특성을 실제 측정과 시 뮬레이션을 통해 종합적으로 분석하였다. 연구는 도시, 교외, 도로 환경을 대 상으로 LOS(Line-of-Sight)와 NLOS(Non-Line-of-Sight) 조건에 따른 신호 감 쇠를 정량적으로 측정하고, 그 결과를 시뮬레이션과 비교하는 방식으로 진행 되었다. 이를 통해 실제 환경에서의 전파 특성을 정밀하게 파악할 수 있었으 며, 환경과 조건에 따라 감쇠 양상이 뚜렷하게 달라지는 것을 확인하였다. 특히, NLOS 구간에서는 최대 35 dB에 달하는 신호 감쇠가 발생하는 것으 로 나타났다. 음영 페이딩(Shadow Fading)의 통계적 특성을 분석한 결과, 로 그-정규(Log-normal) 분포를 따르며 3GPP TR 38.901 표준과 잘 부합한다는 사실이 검증되었다. 이는 표준 모델의 타당성을 입증함과 동시에 실제 측정 데이터를 바탕으로 보다 정밀한 정보를 추가함으로써 기존 모델을 보완하는 학문적 의의를 지닌다. 시뮬레이션 측면에서는 레이 트레이싱(ray tracing) 기반 기법을 활용하였으 며, 정적 환경에서 ±3 dB 수준의 높은 정확도를 보였다. 그러나 차량 이동 과 같은 시간축 변동성이 반영되지 않은 동적 환경에서는 오차가 증가하는 현상이 나타났으며, 이는 향후 모델 개선의 구체적인 방향을 제시하는 결과 로 이어졌다. 이러한 결과는 기존 모델의 한계를 명확히 드러내면서도, 실측 데이터를 기반으로 시뮬레이션의 신뢰성을 높일 가능성을 보여준다. 산업적 관점에서도 본 연구의 결과는 높은 실용적 가치를 가진다. 도시 환 경에서는 200 m 이하의 소형 셀(Small Cell) 간격이 필요하다는 점을 제시하 였고, 교외 환경에서는 수목 밀도(Tree Density)가 커버리지에 미치는 영향을 반드시 고려해야 한다는 점을 강조하였다. 또한 도로 환경에서는 차량 등 이 동 물체로 인한 순간적인 신호 감쇠에 대응하기 위한 전략이 필요하다는 점 을 구체적으로 제안하였다. 이러한 지침들은 통신 사업자와 장비 공급업체가 실제 네트워크 설계 및 최적화 과정에서 활용할 수 있는 실질적인 가이드라 인이 된다. 또한 본 연구는 음영 구간의 품질 저하 문제를 해결하기 위해 소형 셀의 밀집 배치, Massive MIMO 및 빔포밍 최적화, IRS(Intelligent Reflecting Surface) 설치, AI 기반 채널 예측 등 다양한 기술적 접근을 결합한 종합적인 개선 방안을 제시하였다. 이는 단순한 모델 분석에 그치지 않고, 실제 네트 워크 품질을 향상하는 구체적인 전략으로 이어진다는 점에서 의의가 크다. 향후 연구에서는 다양한 환경과 기상 조건, 동적 객체를 반영한 측정 및 분석을 확대하고, 테라헤르츠(THz) 대역으로의 확장을 통해 차세대 6G 시대 에 대비할 예정이다. 또한 실측 데이터를 기반으로 한 모델 검증과 시뮬레이 션 개선을 체계화함으로써, 전파 모델의 정밀도를 높이고 네트워크 설계의 정확성을 향상하는 것을 목표로 한다. 종합적으로, 본 연구는 실측과 시뮬레이션을 결합한 정밀한 분석을 통해 5G 및 향후 6G 네트워크의 설계·운용에 실질적으로 기여할 수 있는 결과를 제시하였다. 학문적으로는 3GPP 모델의 보완과 시뮬레이션 신뢰성 향상에 기여하고, 산업적으로는 초고속·초저지연·초신뢰 통신 환경을 구현하기 위 한 구체적인 설계 지침을 제공함으로써, 미래 통신망 발전의 기반을 마련하였다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 필요성 1
• 1.2 연구 목적 및 범위 1
• 1.3 연구 방법 및 구성 2
• 1.3.1 선행 연구 3
• 1.3.2 연구 절차 4
• 1.4 음영지역에 대한 정의 7
• 1.4.1 음영지역에서 고려해야 할 주요 특성 7
• Ⅱ. 이론적 배경 8
• 2.1 5G 이동통신 개요 8
• 2.2 밀리미터파 전파 특성 11
• 2.3 밀리미터파는 직진성 13
• 2.4 밀리미터파의 파장 13
• 2.5 투과와 산란: 쉽게 흔들리는 파장 14
• 2.6 동적 환경: 순식간에 끊기는 통신 14
• 2.7 전파 경로 손실 모델 15
• 2.7.1 자유공간 손실 모델 (Free Space Path Loss Model) 15
• 2.7.2 로그-거리 경로 손실 모델 (Log-Distance Path Loss Model) ·· 15
• 2.7.3 3GPP UMi/UMa 모델 (3GPP Urban Micro / Macro Models) 16
• 2.7.4 Okumura-Hata 모델 17
• 2.7.5 COST-231-Hata 모델 17
• 2.8 음영 지역 개념 및 선행 연구 18
• Ⅲ. 연구 방법 18
• 3.1 연구 절차 18
• 3.2 측정 환경 구성(Measurement Environment Configuration) 20
• 3.3 측정 장비 구성(Measurement Equipment Configuration) 21
• 3.4 시뮬레이션 환경 22
• 3.5 데이터 처리 및 분석 방법 23
• Ⅳ. 실험 및 측정 결과 25
• 4.1 도시 환경 측정 결과(Urban Environment Measurement Results) ·· 25
• 4.2 교외 환경 측정 결과(Suburban Environment Measurement Results) 27
• 4.3 도로 환경 측정 결과 31
• 4.3.1 측정 환경 및 조건 31
• 4.3.2 측정 결과 32
• 4.3.3 시뮬레이션 및 표준 모델 비교 36
• 4.3.4 분석 및 고찰 37
• 4.3.5 고려 사항 37
• 4.4 시뮬레이션 결과와의 비교 38
• 4.5 측정 결과 39
• 4.5.1 시험 준비 사항 39
• 4.5.2 Gated Sweep 설정 42
• 4.5.3 측정 가능 영역 설정 및 측정 오차 정의 47
• 4.5.4 서비스 기지국 시험을 위한 측정 시나리오 작성 48
• 4.6 측정 목적 51
• 4.7 시험 준비 및 적용 사항 52
• 4.8 OTA 종합 측정 결과 (운영 기지국) 53
• Ⅴ. 분석 및 고찰 66
• Ⅵ. 개선 방안 제안 68
• Ⅶ. 결론 및 향후 연구 71
• 참고문헌 74
• Abstract 78