ISM 대역에서의 단거리 무선통신 서비스를 위한 실내 전파특성 연구 = Indoor propagation characteristic study for short distance radio communication services in ISM band

국문 초록 (Abstract)

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.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

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.

목차 (Table of Contents)

• 차례 = ⅰ
• 그림차례 = ⅱ
• 표차례 = ⅳ
• 약어표 = ⅴ
• 국문요약 = ⅵ
• 제1장 서론 = 1
• 제2장 ISM대역 실내 전파 모델링 = 4
• 제2-1절 광선추적법 실내 전파 특성 = 5
• 제2-2절 패치산란모델 적용 = 12
• 제2-3절 시간지연확산 = 26
• 제3장 실내 환경 분석과 측정 파라미터 = 28
• 제3-1절 측정 환경 설정 = 28
• 제3-2절 측정 파라미터 = 38
• 제4장 ISM 대역 실내 전파특성 결과고찰 = 41
• 제4-1절 측정 시스템 및 측정 방법 = 41
• 제4-2절 페이딩 특성과 시간지연확산 결과 = 44
• 제5장 결론 = 69
• 참고문헌 = 71
• ABSTRACT = 74