광선추적법 활용수업 전후 중학생의 빛 개념 조사

최재순 한국교원대학교 교육대학원 2009 국내석사

본 연구는 서울특별시 소재 중학교 1학년 5학급 220명을 대상으로 광선추적법 활용수업 전·후 빛 개념을 조사하여 광선추적법 활용수업이 중학생의 빛 개념 교육에 시사하는 바를 고찰하고자 하였다. 본 연구를 위해 초등학교에서 학습한 빛 개념을 5개영역(그림자, 물체를 보는 과정, 빛의 직진성, 거울에 의한 상, 렌즈에 의한 상)으로 정리하여 검사문항지를 만들었으며 광선추적법 활용수업 전과 후에 투입하여 그 결과를 비교하였다. 광선추적법 활용수업을 위해 9차시분의 교수-학습지도안 및 학생 활동지를 개발하였으며 광선추적법은 수업 단계 중 관찰 및 실험활동 결과 정리 단계에 주로 활용하였다. 또한 광선추적법 활용수업 후에 수업평가 설문지를 투입하여 광선추적법 활용수업에 대한 학생들의 반응을 조사하였다. 본 연구의 결과는 다음과 같다. 첫째, 광선추적법 활용수업 전 중학생의 빛 개념 이해도는 낮은 편이고 문제 상황에 따라 정답률의 편차가 매우 컸으나, 광선추적법 활용수업 후 중학생의 빛 개념 이해도는 많이 향상되었고 문제 상황에 따른 정답률의 편차가 거의 일정하였다. 둘째, 광선추적법 활용수업에 대해 중학생은 흥미를 갖고 어려움 없이 받아들였으며, 빛 개념을 암기에 의해서가 아니라 원리를 통해 학습함으로써 빛 개념 이해에 많은 도움이 되었다고 생각하고 있었다. 따라서 광선추적법 활용수업은 수업 전략을 어떻게 세우느냐에 따라 중학생에게 충분히 학습 가능하고 효과적인 수업 방법이 될 수 있음을 알 수 있었다. 그러나 현 중학교 교육과정에서 빛의 반사와 굴절 단원에 배당된 수업 시수가 매우 적어 광선추적법을 학생들이 알기 쉽도록 활용하기엔 다소 어려움이 있으므로 타 단원과의 시수 조정으로 적절한 수업 계획을 세워야 할 것이다. The purpose of this study is to know the middle school students' educational effect about light conceptions by ray tracing instruction in first-year 220 middle school students. The method of this research is to pretest about light conception that had studied in elementary school, and to teach the lesson which applies ray tracing. I developed study guidance and study paper of nine classes for the lesson which applies ray tracing. And the Ray-Tracing mainly applied resultant arrangement phase in instruction. Committed prosecuting attorney question item and study evaluation question after instruction and compared with preliminary inspection result. The result of the research referred to the lower. First, before ray tracing application studying middle school students' light conceptual understanding degree is low and in problematic situation the deviation of right answer rate to grow very. But after ray tracing application studying, middle school students' light conceptual understanding degree very improved, and the deviation of the right answer rate which follows in the problematic situation almost was fixed. Second, the middle school students have an interest about ray tracing application study and accepts without difficulty, and accept light concept not with memorizing but thinking principle, and studies with became the many help in light conceptual understanding. Therefore the ray tracing application study become an effective and enough studying to be possible method of instruction with map of a study strategy. But the classes alloted the present middle school science curriculum with reflection and refraction of light is few, the students knowing the ray tracing very, few in order to be easy, applies to, the somewhat is been difficult, therefore with regulation of other chapter's classes must make the appropriate study plan.

광선추적법에 의한 3차원 물체의 표현과 중간색 표시법에 관한 연구

손주리 梨花女子大學校 大學院 1985 국내석사

光線追跡法과 空間分割을 利用한 立體圖形의 表現에 關한 硏究

김영일 漢陽大學校 1988 국내석사

실내 다이버시티 기법의 성능 분석을 위한 3차원 광선추적 채널 모델링

홍순학 연세대학교 대학원 1999 국내석사

본 논문에서는 3차원 광선추적법을 기반으로 다중경로 페이딩의 모델링이 가능한 실내 채널 모델링을 제안하였고, 이를 이용하여 실내 편파 및 공간 다이버시티의 여러 가지 구현 방법에 대하여 그 성능을 분석하였다. 광선추적법을 이용하여 마이크로셀의 실외 환경과 피코셀의 실내 환경을 해석하는 기존의 대부분의 방법들은 전계 강도의 예측이나 시간지연 등의 기본적인 전파 특성을 예측하는데 머물렀기 때문에, 채널의 페이딩 특성을 파악하여 여러 가지 다이버시티 기법의 성능을 분석할 수 있는 방법은 제공하지 못하였다. 실제로 채널 특성은 개개의 다중경로 신호 성분과 수신단에서의 그들의 합성을 규명하는 것으로 구할 수 있으므로 광선추적법의 접근방법은 다이버시티 기법의 디자인과 성능 분석에 이용될 수 있다. 본 논문에서 제시한 실내 채널 모델링은 영상법 알고리즘을 이용한 3차원 광선추적 기법을 기반으로 하므로 각 다중경로 신호 성분의 정확한 위상 정보 제공과 수신점에서의 안테나 방사패턴 적용이 가능하다. 그리고, 벽면과 내부 집기의 재질별 전기적 특성을 고려하여, 반사와 회절 및 산란점에서의 편파의 변화를 포함한 전자기 해석이 가능하기 때문에 실내 환경에서의 페이딩 특성을 정확히 파악할 수 있다. 특히, 전파환경내의 구조물이나 집기 등에 의한 전파 산란현상은 패치 산란모델의 적용을 통하여 효과적으로 모델링 할 수 있었다. 이동통신 시스템에서 페이딩에 의한 시스템의 성능 저하를 극복하는 방법으로 전통적으로 공간 다이버시티가 사용되어왔다. 공간 다이버시티의 경우 두 개의 수신안테나를 일정거리 이상 이격 시켜야 하기 때문에 기지국 또는 중계기 안테나 단의 크기가 커지는 문제가 발생하게 된다. 그러나 편파 다이버시티 기법의 경우 두 개의 수신안테나를 같은 공간상에 위치시키는 것이 가능하므로 기지국 또는 중계기 안테나 단의 크기 문제를 해결할 수 있다. 본 논문에서는 다중경로 영향을 효과적으로 감쇠 시키기 위해 지향성 안테나를 이용한 편파 다이버시티를 제안하였다. 수신단에 지향성 안테나를 쓸 경우, 큰 도달각을 가지는 다중경로 신호를 제거할 수 있고, 이중급전 이중선형편파 방식의 마이크로스트립 안테나를 통해 편파 다이버시티를 쉽게 구현할 수 있으므로, 이러한 방법은 공간 제약이 심한 실내 환경에 매우 적합한 다이버시티 기법이라고 할 수 있다. 본 논문에서 지향성 안테나를 이용한 편파 다이버시티 기법이 페이딩 특성과 시간지연확산의 면에서 기존의 다이폴 안테나를 이용한 공간 및 편파 다이버시티 보다 우수한 성능을 보임을 확인하였다. 실내의 몇 가지 전형적 환경에서, 본 논문의 실내 채널 모델링을 이용한 시뮬레이션 견과와 측정 결과를 통해, 다이폴 안테나를 이용한 공간 및 편파 다이버시티 기법과 지향성 안테나를 이용한 편파 다이버시티 기법의 성능을 분석하였다. 또한, 전계 강도와 페이딩 특성, 그리고 시간지연 프로파일의 측정 결과와 시뮬레이션 결과를 비교하여 모델링의 정확성을 검증하였다. 본 논문에서 제시한 실내 채널 모델은 주파수, 송·수신안테나의 3차원 방사패턴, 전파환경 내에 있는 구조물들의 물리적·전기적 특성을 고려할 수 있기 때문에 실내 고속 무선 LAN과 같은 무선 통신 시스템의 성능을 향상시키기 위한 최적의 다이버시티 기법 및 송·수신안테나의 위치 및 종류를 제안하는데 유용하게 사용될 수 있을 것이다. 그리고, 향후 보완을 통해 높은 정확성을 요구하는 실내 셀 구축 시에도 이용 가능하리라 기대된다. In this paper, the indoor propagation model which can evaluate the performances of the space and polarization diversity schemes is proposed. An image-based 3D ray tracing technique is mainly used, which allows the rapid generation of the complex channel impulse response for any given location and polarization of transmitter and receiver. Due to the site specific nature of indoor environments, we took into account the location and the electrical properties of individual walls and objects such as windows, doors and plaster board in our propagation model. Besides, the 3D radiation beam-patterns and polarizations of arbitrary antennas were considered, and using patch scattering model we can consider the change of the polarization due to the scattering from the various indoor objects, like desks, chairs and etc. that are almost impossible to be modeled with the ray tracing method. The model will predict the impulse response, the rms delay spread, and the small scale fading characteristics of the channel for evaluating the performances of both the polarization and space diversity schemes. To show the practicality of this model, we took field tests in several typical indoor environments. The measured results provide the close match between the real environments and the simulated environments. Using the cross-correlation and cumulative distribution function of signals received in two diversity branch, we evaluated the performance of each diversity scheme. In this paper to mitigate effectively the multipath influences to the indoor communications, we proposed the polarization diversity with directional antenna. Measurements and simulation results show that the proposed diversity technique has better performances in the fading statistics and delay spread than conventional polarization and space diversity which use dipole antennas. Since the proposed indoor propagation model considers such as, frequency, the position and kinds of the transmitting and receiving antennas, the physical and electrical characteristics of structures within the propagation environments, it can be used for the development of the general propagation simulator, also can be used for the design of the wireless networks which required high accuracy.

위성 안테나 및 비균질 대기권을 고려한 우주 전파 해석

김창성 아주대학교 2021 국내박사

지구를 공전하는 인공위성과 지상국 간의 통신에서, 전자파는 굴절, 감쇠, 지연 등의 대기 전파 영향을 받게 된다. 최근 인공위성과 지상국 간 대기권에서의 감쇠, 굴절, 지연 등을 예측하는 연구가 진행되었다. 하지만 실제 위성의 궤도 및 탑재 안테나를 고려한 연구는 수행되지 않았기 때문에, 이를 위해 위성 안테나 및 비균질 대기권의 해석이 요구된다. 본 논문에서는 위성 반사판 안테나의 복사 특성과 비균질 대기권 특성을 물리광학법, 광선추적법, 기하광학법으로 고려하여 해석하였다. 반사판 안테나는 급전부, 반사판으로 나누고, 급전 혼안테나에서 방사된 전자기장 성분을 이용하여 반사판 위에서 표면 전류를 계산하였다. 반사판은 focal length, 직경, 급전 구조에 따라서 형상이 결정되고, 원통좌표계의 반지름, 높이에 따라 수많은 표면으로 분할된다. 대기권 환경은 분할된 표면에서 표면등가전류에서 복사전자기장을 포함하는 전자기파 광선을 생성하여 해석한다. 대기권은 고도에 따라서 다수의 층으로 분할되고, 분할된 층에서의 굴절률은 측정된 기상정보를 이용하여 계산된다. 위성에서 지상국까지의 광선 전자기장 및 경로는 분할된 대기층을 통과할 때마다 층의 경계에서의 굴절률, 입사각을 이용하여 계산된다. 경로의 수렴을 위해 목표 관측점과 광선의 최종 도달 지점의 오차가 0.01 파장 미만이 되도록 광선 발사 각도를 수정하는 과정이 반복된다. 광선의 경로가 결정되면, 편파를 고려한 투과파 계산과 기하광학법을 이용한 전자기장 계산이 수행된다. 본 논문에서는 고주파 수치해석 기법을 이용하여, 위성 안테나 및 비균질 대기권 환경을 고려한 위성-지상국 간의 전파를 해석하였다. 본 방법을 통해 위성에서 지상국까지의 전파 특성을 정확하게 추정해야하는 항법, 감시, 별자리 네트워크 등의 위성 임무에 유용하다. In communication between satellites orbiting the earth and ground stations, electromagnetic waves are affected by atmospheric effects such as refraction, attenuation, and delay. Recently, researches have been conducted to predict attenuation, refraction, and delay in the atmosphere between satellites and ground stations. However, studies considering the actual satellite orbit and the mounted antenna have not been conducted, the analysis of the sate antenna and inhomogeneous atmosphere are required. In this paper, the radiation of reflector antenna and inhomogeneous atmosphere were analyzed by considering the physical optics, ray tracing technique, and geometrical optics. The reflector antenna was divided into a feed antenna and reflector, and the surface current was calculated on the reflector and electromagnetic fields from the feed horn antenna. The shape of the reflector is determined according to the focal length, diameter, and feed structure, and is divided into numerous surfaces according to the radius and height of the cylindrical coordinate system. Atmospheric environment is analyzed by generating rays, including electromagnetic field at surface equivalent current on a divided surface. The atmosphere is stratified into multiple layers by altitude, and the refractive index in the stratified layer is calculated using the meteorological data. The path and electromagnetic field of the ray from the satellite to ground stations are calculated using refractive index and the angle of incidence at the boundary of the stratified layer, when it passes through stratified atmospheric layers. For the convergence of the path, the process of modifying the angle of the ray is repeated so that the error between arrival point and target observation point is less than 0.01 wavelengths. When the path of the ray is determined, the transmitted wave calculation considering polarization and electromagnetic field calculation using geometrical optics are performed. In this paper, electromagnetic wave propagation between satellite and ground stations were analyzed by using high-frequency method considering satellite antenna and inhomogeneous atmosphere. Our method is useful for satellite mission such as navigation, surveillance, and constellation networks that require the accurate estimation of the satellite links from the satellite to the ground station.

연성 광 PCB 제작 공정 오차를 고려한 Optical Wire의 전파 특성 분석

염준철 인하대학교 대학원 2007 국내석사

광 연결을 위한 연성 광 PCB는 기존의 구리 배선을 이용한 PCB에 비해 전송속도, 전력소모, EMI 문제, crosstalk등의 면에서 상당한 장점을 가지고 있어 현재 연구가 활발히 되고 있다. 이런 연성 광 PCB에서 가장 중요하게 다뤄져야 할 것들 중의 하나인 optical wire, 즉 기존 PCB에서 구리 배선의 역할을 하는 highly multimode waveguide를 분석하기 위해 본 연구에서는 광선추적법(ray tracing method)을 사용하였다. 광원과의 정렬 문제 등을 고려했을 때 optical wire의 코어 단면 크기는 50X50um이상이 적합하며 도파로의 단면이 파장의 수십 배 이상이므로 빛을 광선들로 간주하는 광선추적법으로 optical wire를 분석하는 것이 기존의 광기능 소자나 도파로 소자의 계산에 사용되는 BPM, FEM 혹은 FDTD 등의 방법보다 바람직하다. 이와 같은 분석방법을 이용하여 연성 광 PCB 공정 오차에 의해 발생되는 optical wire의 형태(residual layer, sidewall angle, crosstalk)에 따른 전파 손실, 입력광원과 optical wire의 정렬오차에 따른 결합 손실에 대해 전산모사를 시행하였다. 전산모사의 결과를 통해 opical wire의 성능 즉, 최대 허용손실, 크기, 형태 등의 요구조건에 최적화된 연성 광 PCB를 규격화 할 수 있었으며, 공정상에서 허용되는 오차 등을 예측할 수 있었고 이를 통해 광 PCB내에서의 optical wire의 design rule을 확립하기 위한 기초를 마련하였다. Since a flexible optical printed circuit board (O-PCB) as a mean of optical interconnection provides a lot of advantages - clock speed, data transmission rates, EMI, crosstalk, etc.. - over electrical PCB, it has developed by many research groups. One of the most important elements in Flexible O-PCB is a highly multimode optical waveguide called as an optical wire, which performs the function of an copper wire in an electrical PCB. Because of the large core size (over 50um width X50um height) of optical wire, its propagation properties can be effectively evaluated by the ray tracing method instead of using conventional simulation tools such as beam propagation method (BPM), finite element method (FEM) and finite difference time domain method (FDTDM). In this thesis, the propagation losses of optical wire in the flexible O-PCB are analyzed by ray-tracing method. For this analysis, structure parameters such as residual layer, sidewall angle are taken into consideration of cross talk, and alignment tolerance. Our calculation results provide a significant standard of flexible O-PCB, which can be characterized with structure and dimension of optical wire and propagation loss. Hence this work gives us predictions for fabrication tolerance and design rules for optical wire in the flexible O-PCB.

광선추적법의 속도개선을 위한 ZF-버퍼 알고리즘 연구

김세현 중앙대학교 첨단영상전문대학원 2000 국내석사

In this paper, we propose ZF-buffer algorithm in order to accelerate the intersection test of ray-tracing algorithm. ZF-buffer is a combination of Z-buffer and face-buffer (F-buffer). ZF-buffer is used in the preprocessing of ray tracing and records the pointer that points to a parent face of a depth value (z value) of an object determined in Z-buffer. As a result, the face that intersects with the primary ray can be determined easily by using the pointer stored in F-buffer. Though ZF-buffer and vista-buffer resemble each other, there is the difference between the two methods; ZF-buffer records not bounding volume but the pointer of a displayable face. We applied the ZF-buffer algorithm for the primary ray to Utah teapot that consists of 9216 polygons. By comparing the elapse time of our method with that of vista-buffer algorithm, we have showed improvement in speed that it is 3 times faster than vista-buffer algorithm. We expanded our algorithm to the secondary ray.

시차법과 광선추적법 수업에 의한 학생들의 상(象) 개념변화

황민정 서울대학교 대학원 2011 국내석사

ISM 대역에서의 단거리 무선통신 서비스를 위한 실내 전파특성 연구

김진웅 연세대학교 대학원 2002 국내석사

본 논문에서는 광선추적법에 패치산란모델을 첨가한 형태의 모델을 ISM 대역 서비스 중 무선 랜 서비스에 적용하여 서비스 환경에 따라 페이딩 특성과 시간지연확산 파라미터로써 ISM 대역 실내 전파특성을 도출하였다. 무선 랜 서비스의 특성상 좁은 실내 공간과 넓은 실내 공간으로 나누어 ISM 대역에서 모델의 정확성을 검증하고, 결과로 도출된 두 개의 파라미터를 바탕으로 최적의 AP위치를 설정하였다. 기존의 광선추적법과 패치산란모델을 첨가한 실내 페이딩 특성에 대한 연구가 진행되어 왔지만 본 논문에서는 패치산란모델을 첨가함에 있어 적용했던 실내 보정값을 ISM 대역에서 반복적인 측정과 비교를 통해 ISM 대역 모든 환경에 적용할 수 있는 신뢰성 있는 값으로 제시하였다. ISM 대역의 서비스는 대부분 서비스 환경에 따른 실내 집기들이 많이 존재하기 때문에 집기에 의한 산란현상을 패치산란모델을 이용하여 고려하였다. 따라서 3차원 영상법을 이용한 광선추적법과 패치산란모델을 이용하여 좁은 실내 공간과 넓은 실내 공간으로 나누어 페이딩 특성과 시간지연확산 파라미터를 도출하여 ISM 대역의 실내 전파특성을 분석하였다. 먼저 좁은 실내 공간에서는 반사체와 산란체가 존재하는 환경일지라도 공간이 작기 때문에 RMS 시간지연값은 3 ns이하의 값을 가진다. 이에 따라 좁은 실내 공간에서 시간지연을 분석하는 것은 무의미하기 때문에 페이딩 특성에 초점을 맞 추어 모델을 검증하였다. 따라서 좁은 실내 공간에서는 송·수신안테나의 위치에 따른 수신신호레벨과 페이딩 특성으로써 실내 전파특성을 분석하였다. 송·수신안테나 LOS환경일 때는 일반적으로 Ricean 특성을 보이지만 사방이 반사면으로 존재하는 실내 공간에서는 Rayleigh 특성을 보이는 것이 일반적이다. 이와 같은 특성을 증명하기 위해서는 입력 파라미터로서 적용되는 실내 환경에 대한 정확한 분석이 요구된다. 또한 서비스 환경에 따라 위치되어 있는 실내 집기를 고려하기 위해 2.4GHz의 주파수를 기준으로 표면거침 임계높이를 설정하여 임계높이보다 작은 값에서는 완전평면으로 가정하고 임계높이보다 큰 값에서는 표면거침의 높이에 대한 표준편차를 이용해서 산란 손실값을 계산하였다. 따라서 좁은 실내 공간으로 실내 무선 랜 서비스가 적용되는 회의실과 강의실을 설정하여 다중경로에 의해 발생하는 페이딩 특성을 다양한 안테나 위치에 따라 측정과 시뮬레이션을 하였다. 또한 넓은 실내 공간에서는 다중경로 차에 의해 수신된 신호들의 간섭현상을 파악하기 위해 시간지연확산의 RMS 시간지연값을 기준으로 모델을 검증하고 분석하였다. 무선 랜 서비스와 같이 광대역과 고속 데이터 전송이 요구되는 서비스에서는 시간지연확산 파라미터 분석이 필수적이며, RMS 시간지연값은 coherence 대역폭을 결정하는 중요한 파라미터로 이용된다. 이에 따라 시간지연확산 파라미터를 도출하기 위해 워크샵 장소를 고려한 체육관과 공항청사와 같은 넓은 실내 공간을 설정하여 시간영역에서 시간지연확산을 측정하여 잡음 레벨(-70dB)이상의 값으로써 RMS 시간지연값을 도출하였다. 체육관에서는 다양한 AP의 위치에 따라 10 ns이하의 값으로써 큰 변화가 없었으며, 공항청사의 경우에는 AP의 위치가 벽면으로 위치했을 경우에는 RMS 지연시간값이 10 ns이하로써 작은 값을 보였지만 실내 공간의 중앙에 위치했을 경우에는 양쪽면의 반사면에 의한 영향으로 20 ns 이상의 값으로 커짐을 알 수 있었다. 본 논문에서는 서비스환경에 따른 페이딩 특성과 시간지연확산 파라미터를 도출함으로써 실내 전파특성을 분석하였고, 검증된 모델을 이용하여 실내 무선 랜서비스환경에서 최적의 AP의 위치를 선정하였다. 따라서 본 논문에서 검증된 모델은 페이딩 특성뿐만 아니라 시간지연확산 특성을 제공함으로써 실내 전파특성을 예측하는데 필요한 모든 파라미터를 제공한다. In this thesis, 3D ray tracing model plus a patch scattering technique is applied to a wireless LAN among many ISM band services, and as a result, the most appropriate LAN AP locations are determined by analyzing fading characteristics and time delay spread parameter. In order to determine the accuracy of the presented model, actual wireless LAN service environment is analyzed and compared measured results with simulations. In this thesis, empirical constants in the patch scattering model are presented as trustable correction factors, through repetitive measurements and analysis. Also, with the proposed model enhanced by the precise correction factors, the measurement results in the actual service environments are compared with simulations. Fading characteristics are indispensable parameter in considering indoor propagation by multi-path, and so is the rms time delay spread in wireless LAN services, which requires wide bandwidth and high-speed data transfer rate. Therefore, received signal level, fading characteristics and rms time delay spread parameters showed be verified. Measurements and simulations are performed in small places such as a conference room and a class room, and in large places such as a gymnasium and an airport lobby, all of which are appropriate for the actual wireless LAN services. Since indoor propagation characteristics are greatly influenced by the indoor environment, precise analysis on indoor environment is very important. Therefore, to apply the patch scattering model which considers indoor structures, they are assumed as perfect plane when they are below Rayleigh critical height. Otherwise, scattering loss is presented using the standard deviation of the height of surface roughness. Also, taking the locations of wireless LAN AP in the actual service environment into consideration, measurements and simulations are performed with locating receiving and trasmitting antennas at various sites. Therefore, in this thesis, for small indoor space environment such as conference rooms and classrooms, signal levels and fading characteristics are verified, and for large indoor space environments such as gymnasiums and airport lobby, time delay spread is also measured and simulated. As a simulation result using the verified model, the best fading characteristics appeared when the antenna was located at the center of indoor space for a conference room. For a classroom, the fading characteristics are almost the same regardless of the location of a receiving antenna. Consequently, the corner is thought to be the most appropriate place in terms of appearance. And for the gymnasium, it is most effective when the antenna is located in the middle of the right side. In the airport lobby, when AP is located at the middle of both horizontal sides and the upper and lower sides at the horizontally middle, respectively, the most appropriate wireless LAN services environment can be realized. Finally, in this thesis, we analysis the indoor wave propagation property through inducing the fading property in various service environments and parameter of time delay spread and the most appropriate wireless LAN AP is determined through simulating fading characteristics and rms time delay spread in the wireless LAN service environment, according to the proposed model. Therefore, the proposed model in this thesis can provide all the parameters needed to predict indoor propgation characteristics, such as fading characteristics and rms time delay spread. Also, it is expected to be very useful in estimating indoor propagation characterics at 5 GHz band and short-distance wireless service as well as indoor wireless LAN services.

패치산란모델을 이용한 실내 전파모델에 관한 연구

석우찬 연세대학교 대학원 2001 국내석사

본 논문에서는 영상법 기반의 3차원 광선추적법에 패치산란모델을 이용하여 실내 구조물을 고려할 수 있는 실내 전파모델을 제시하였다. 영상법 기반의 3차원 광선추적법은 실내공간을 직육면체로 등가하여 각각의 반사면에 대한 영상안테나를 발생시켜 경로를 구함으로써 정확하면서도 빠른 결과를 보여주지만 임의의 실내 구조물에 대한 모델링은 어렵다는 단점이 있다. 실내 구조물을 모델링하기 위한 패치산란모델은 패치형태의 직사각형 평면에 대한 RCS(Radar Gross Section)를 이용해서 입사에 대한 산란현상을 정의한 것으로써, 책상이나 테이블 같은 평면적인 실내 구조물에 대한 산란현상을 각각의 구조물에 대한 영상 안테나를 발생시키는 복잡한 과정 없이 간단하게 해석하기 위한 것이다. RCS는 간단히 입사 전력에 대한 산란 전력의 비로 정의되며 본 논문에서는 다양한 수신 각도에서 바라보는 bistatic RCS를 물리광학(Physical Optics)을 이용하여 수식적으로 유도하여 패치산란모델에 이용하였다. 또한 실내의 다중경로 성분에 대해 계산하지 않는 패치산란모델을 실내에 적용하기 위하여 복잡한 수식보다는 단순한 보정값인 실내보정값을 정의하였는데, 본 논문에서는 이 값을 다양한 패치 환경의 측정에 의한 경험적 상수로 처리함으로써 RCS의 고려만으로는 실내에 적용할 수 없는 점을 극복하였다. 패치산란모델을 일반적인 실내 구조물에 적용하기 위해, 패치의 반사계수를 정의하면서 산란에 의한 손실을 고려하였다. 이는 실내공간에는 완전평면인 패치의 형태만 있지 않고 다양한 형태로 존재하기 때문이다. Rayleigh 임계높이보다 작은 값에서는 완전평면으로 가정하고 그렇지 않은 경우에는 표면거침의 높이에 대한 표준편차를 이용해 산란손실값을 표현하고 패치산란모델에 대입하여 전체적인 산란값을 구하였다. 본 논문에서는 위의 패치산란모델이 포함된 실내 전파모델을 검증하기 위하여 실제 환경에 대한 측정과 시뮬레이션에서 신호의 누적분포 및 신호레벨의 포락선을 비교하였으며, 대부분 잘 일치하여 패치산란모델로 실내 구조물의 산란현상을 잘 설명할 수 있음을 알 수 있었다. 본 논문의 패치산란모델을 이용한 실내 전파모델은 실내 구조물을 포함한 실내공간에서 신호레벨 뿐만 아니라 페이딩 특성까지 예측할 수 있기 때문에 차세대 이동통신 및 실내 무선 랜 등에서 유용하게 사용될 것으로 기대된다. In this thesis, we proposed the image-based 3D ray-tracing indoor propagation model using patch scattering model which can calculate the scattering phenomenon of the indoor structures. An image-based 3D ray-tracing technique allows the rapid and exact results because it makes from indoor space to a rectangular parallelepiped equivalently and solves ray paths by generating image antennas about each reflection plane. However it demands a extremely complex solution about arbitrary indoor structures. A patch scattering model for modeling indoor structures defines a scattering phenomenon by using RCS(Radar Cross Section) about rectangular patch without complex calculation, for example generating image antennas about each indoor structures. RCS is simply defined as a ratio of scattering power to incident power, and we use bistatic RCS which is simplified numerically by Physical Optics. Also, a simple indoor compensation factor is defined as empirical constant from measured data instead of complex numerical expression because basic patch scattering model cannot include important multipath components, so we can use patch scattering model in indoor environment using indoor compensation factor. For application of patch scattering model about arbitrary indoor structures, we consider scattering loss from surface roughness of patch. If patch has lower roughness height then Rayleigh threshold, it can be assumed as perfect plane. If not, patch scattering model is calculated by using scattering loss from standard deviation about roughness of patch. To prove proposed indoor propagation model using patch scattering model, comparison cumulative curve of signal and signal envelope between simulation and measured data was shown, and this comparison provides close match. So, patch scattering model reflects scattering phenomenon of patch well. Hence, we can consider this proposed model has good application about indoor environment including arbitrary structures, can also be used for the design of the wireless networks in arbitrary indoor space.