Processing math: 100%

DAN lab./DAN lab. Master's 1 Summer

03-01. Mobile Radio Propagation

김야키 2021. 7. 12. 20:29


3.1 소개


전파 전파(이하 Radio propagation)

  • 번역이 조금 어색함

무선 이동 통신 채널은 하나의 무선 단말과 다른 하나의 무선 단말 사이에 시간적으로 변화하는 통신 경로로 모형화 한 것이다.

  • 첫 번째 단말: 기지국에 있는 고정안테나
  • 두 번째 단말: 이동국이나 이동 중인 가입자

위의 상황은 빠른 페이딩(Fast fading)을 유발하는 Multi path Radio propagation 유발한다.

이동 무선 전파

  • 전 방향성 안테나
  • 반송파 주파수의 선정
  • Fast fading 환경에서의 전송 방식의 선택
  • 등등 새로운 도전(?)이 필요

Multi path channel 환경에서의 radio propagation

  • 안테나의 높이
  • 빌딩들의 배치
  • 나무, 도로, 주변 지형 등에 좌우 됨

해당 Chapter에서는 적절한 통계적 기법을 이용하여 Mobile Radio Propagation 환경을 설명 하고자 한다.


3.2 무선 파동의 유형

구분 명칭 약어 주파수 대역 특징
초저주파 ELF (Extremely Low Frequency) < 300 Hz 지상파
음성대역 ILF (Infra Low Frequency) 300 Hz ~ 3 kHz 지상파
초장파 VLF (Very Low Frequency) 3 kHz ~ 30 kHz 지상파
장파 LF (Low Frequency) 30 kHz ~ 300 kHz 지상파
중파 MF (Medium Frequency) 300 kHz ~ 3 MHz 지상파/공중파
단파 HF (High Frequency) 3 MHz ~ 30 MHz 공중파
초단파 VHF (Very High Frequency) 30 MHz ~ 300 MHz 우주파
극초단파 UHF (Ultra High Frequency) 300 MHz ~ 3 GHz 우주파
센티미터파 SHF (Super High Frequency) 3 GHz ~ 30 GHz 우주파
밀리미터파 EHF (Extra High Frequency) 30 GHz ~ 300 GHz 우주파
극고주파 THF (Tremendously High Frequency) 300 GHz ~ 3000 GHz 우주파

3.3 Radio propagation의 원리

  1. 반사: Propagation되는 파동이 그 파동의 파장보다 큰 장애물에 부딪힐 경우 반사 됨
    • 지구의 표면 큰 빌딩, 큰 벽면 등
  2. 회절: 송신국과 수신기 간의 무선 경로가 날카롭고 불규칙적인 모서리를 만날 때 발생하는 현상
    • 직접 경로가 없는 상황에서도 파동은 장애물을 돌아서 굽어짐
  3. 산란: 장애물이 파동의 파장보다 작은 경우에는 입사되는 파동이 여러 갈래의 미약한 신호들로 반사되는 현상
    • 나뭇잎이나 도로 표지판, 가로등 등등

Multipath의 결과


3.4 자유 공간에서의 Radio propagation

  • 자유 공간
    • 공기라는 매질이 있는 공간
    • 장애물이 없는 상황
  • 전력 신호 $P_t[W]$를 전송하는 등방향성 점원에서 방사된 전력은 이 점원으로부터 임의의 거리, d만큼 떨어진 지점에서 보면 일정 반경을 가진 구의 표면에 균등하게 분포 됨
  • 해당 식을 아래와 같이 표현할 수 있음
    Pr=AeGtPt4πd2
    • Ae: 전송 안테나의 유효 면정
    • Gt: 전송 안테나의 이득
  • 수신 안테나의 유효 개구면과 이득 사이의 관계는 다음과 같이 얻어 짐
    Gr=4πAeλ2
  • Gr을 Pr식에 대입
    Pr=GrGtPt(4πdλ)2
  • 자유공간 손실 Lf는 다음과 같음
    Lf=PtPr =1GrGt(4πdλ)2
  • 여기서 자유공간은 Gt = Gr = 1인 상황으로 아래와 같이 표현 됨
    Lf=(4πdλ)2=(4πfcdc)2
  • 자유공간 손실을 dB로 표현하면 아래와 같음
    Lf(dB)=32.45+20log10fc(MHz)+20log10d(km)

3.5 지상 Radio propagation

  • 지상 mobile wireless 채널은 기지국과 단말기 간의 통신으로 특징지어짐
  • 이 채널은 fading현상이 있는 multipath radio propagation 환경을 이룸
  • 신호는 전파 경로상에 존재하는 여러 가지 장애물들로 인한 회절과 반사로 인하여, 많은 서로 다른 경로를 통하여 목적지에 다다르게 된다는 의미
  • 수신 신호의 전력 Pt는 다음과 같이 표현
    Pr=GtGrPtL
  • 위 식에서 L은 채널에서의 radio propagation 손실을 나타냄
  • Radio는 세 가지 요소에 의하여 특정지어짐
    • Path loss
    • Slow fading
    • Fast fading
    L=LPLSLF LP:Path loss LS:Slow fading LF:Fast fading

3.6 Path loss (경로 손실)

  • 지상 radio propagation에서의 경로 손실은 다음과 같음
    LP=Adα
    • A 및 α: radio propagation 상수
      • 통상, α는 대표적인 도심에서 3~4정도의 값을 가짐
    • d: 기지국과 단말기 사이의 거리

1. 도시환경

LPU(dB)=69.55+26.16log10fc(MHz)13.82log10hb(m)α[hm(m)]+[44.96.55log10hb(m)]log10d(km){LPU(dB)=10log10LPUfc,반송파 주파수 (150~1500 HMz)hd,기지국의 유효 안테나 높이 (1~10 m)d,거리 (1m ~ 20km)α(hm),단말기의 안테나 높이를 조정하는 인자

  • α(hm)은 상황에 따라 다름
  • a. 큰 도시
    α[hm(m)]=[1.1log10fc(MHz)0.7]hm(m)[1.56log10fc(MHz)0.8]
    b. 중소 도시
    α[hm(m)]={8.29[log101.54hm(m)]21.1,fψ<300 MHz3.2[log1011.75hm(m)]24.97,fψ>300 MHz

2. 도시 근교

LPS(dB)=LPU(dB)2[log10fc(MHz)28]25.4

3. 환히 트인 지역

LPO(dB)=LPU(dB)4.78[log10fc(MHz)]218.33log10fc(MHz)40.94


3.7 Slow fading

  • Slow fading 환경에서는 거리가 d인 지역에서의 지역 평균값 rm(d)는 다음과 같이 정의
    rm(d)=12dwd+dwddwr(x)dx
  • 이 식에서 r(x)는 위치 x에서의 수신 신호이며, dW는 윈도우의 크기를 의미
  • r(x)는 slow fading과 fast fadint의 곱으로 표현이 가능
    r(x)=rs(x)rf(x)
  • 새롭게 표현된 r(x)를 rm의 식에 대입하면 다음의 관계를 얻을 수 있음
    rm(d)=12dwd+dwddwrs(x)rf(x)dx
  • 이 식에서 x = d일 경우, rs(d)는 해당 지역의 실제 수신 신호의 평균 세기인 것으로 정함
    rm(d)=rs(d)
  • 따라서 통계적 수치에 근거하여 윈도우의 크기 dw는 다음의 조건을 만족해야 함
    12dwd+dwddwrf(x)dx1
  • 위의 r_s=r_f는 단말의 위치에 대한 함수임을 알 수 있음
  • 거리는 속도와시간의 함수이므로(즉, x=v_t), r_s=r_f는 다음과 같이 표현
    r(t)=rs(t)rf(t)
  • Slow fading은 대부분 대수 정규분포를 가짐
  • 이 경우, 수신 신호 크기의 확률 밀도 함수는 dB단위로 표현할 때는 아래와 같음
    p(M)=12πσe(MˉM)2σ2
  • M은 실제 수신 신호의 크기 m을 dB 단위로 표현한 것
  • \sigma는 dB 단위의 표준편차를 의미
    p(m)=1πmσ0elog10mˉm2σ20

3.8 Fast fading