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가시선 전파

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목차

1. 개요

가시선 전파는 송신 안테나와 수신 안테나 사이에 직접적인 시야가 확보된 상태에서 전파가 전달되는 방식을 의미한다. 가시선 전파는 장애물, 기상 조건, 지구 곡률 등의 요인에 의해 영향을 받으며, 특히 마이크로파 전송은 나뭇잎, 강한 비, 눈 등에 의해 방해받을 수 있다. 이동 통신에서는 건물, 지형, 다중 경로 반사 등의 효과를 활용하여 가시선 범위를 극복하며, 기지국 위치, 섹터형 안테나, 오류 수정 기술 등을 통해 통신 품질을 개선한다. 전파 수평선은 안테나에서 전파가 지구 표면에 접하는 지점들의 궤적을 나타내며, 지구 곡률과 대기 굴절을 고려하여 전파 범위를 계산한다.

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가시선 전파
개요
이름가시선 전파
정의전파가 송신기에서 수신기로 직선 경로를 따라 이동하는 전파 방식
특징장애물에 의해 차단될 수 있음
지구 곡률에 의해 제한될 수 있음
세부 사항
주파수 범위30 MHz 이상 (극초단파 및 마이크로파)
적용 분야이동 전화
무선랜
위성 통신
방송
레이더
영향 요인
대기 굴절전파 경로를 휘게 하여 가시선 거리를 늘릴 수 있음
프레넬 영역전파 경로 주변의 타원체 영역으로, 장애물이 이 영역을 막으면 신호 강도가 약해짐
고려 사항
지구 곡률지구 곡률로 인해 전파 거리가 제한됨
송신기와 수신기의 높이를 높여 전파 거리를 늘릴 수 있음
장애물건물, 산, 나무 등의 장애물이 전파 경로를 막을 수 있음
장애물을 피하거나 우회하는 방식으로 문제를 해결해야 함
다중 경로 페이딩전파가 여러 경로로 수신기에 도달하여 신호 간섭을 일으킬 수 있음
다이버시티 기술, 이퀄라이저 등을 사용하여 문제를 완화할 수 있음
기타
영어 명칭Line-of-sight propagation

2. 가시선 전파의 장애 요인

저전력 마이크로파 송신기는 나뭇가지나 심지어 폭우나 눈에도 방해받을 수 있다. 직접 가시선에 없는 물체의 존재는 전파 전송을 방해하는 회절 효과를 일으킬 수 있다. 최상의 전파를 위해서는 첫 번째 프레넬 구역으로 알려진 영역에 장애물이 없어야 한다.

안테나 사이의 기하학적 선을 막지 않더라도 프레넬 구역 내의 물체는 가시선 전파를 방해할 수 있습니다.


지표면 또는 염수 표면에서 반사된 복사도 직접 신호를 상쇄하거나 향상시킬 수 있다. 이 효과는 안테나를 지면에서 더 높이 들어올려 줄일 수 있는데, 이로써 달성되는 손실 감소는 ''높이 이득''으로 알려져 있다.[1]

3. 이동 통신

이동 전화(휴대폰)는 가시선 범위 내 주파수를 사용하지만, 도시 환경에서도 작동한다. 이는 옥상 지형을 넘는 전파, 회절, 다중 경로 반사, 건물 내부로의 전파 등 여러 효과들 덕분이다.[1]

3. 1. 이동 통신 환경 문제 해결

이동 전화(휴대폰)가 사용하는 주파수는 가시선 범위 내에 있지만, 도시에서도 작동한다. 이는 다중 경로 반사, 회절 등 여러 효과들의 조합으로 가능하다. 이러한 효과들의 조합은 이동 전화 전파 환경을 매우 복잡하게 만들며, 다중 경로 효과와 광범위한 레일리 페이딩이 발생한다. 이동 전화 서비스의 경우, 이러한 문제는 다음과 같은 방법으로 해결된다.[1]

  • 기지국을 옥상이나 언덕 꼭대기에 배치한다.[1]
  • 많은 기지국(보통 "셀 사이트"라고 불림)을 설치한다. 휴대폰은 일반적으로 최소 3개, 보통 6개의 기지국을 동시에 볼 수 있다.[1]
  • 기지국에 "섹터화"된 안테나를 사용한다. 무지향성 커버리지를 갖는 하나의 안테나 대신, 기지국은 최소 3개(고객이 적은 농촌 지역) 또는 최대 32개의 별도 안테나를 사용할 수 있으며, 각 안테나는 원형 커버리지의 일부를 커버한다. 이를 통해 기지국은 사용자를 향하는 지향성 안테나를 사용하여 신호 대 잡음비를 향상시킨다. 사용자가 한 안테나 섹터에서 다른 안테나 섹터로 이동하면 (예: 걷거나 운전), 기지국은 자동으로 적절한 안테나를 선택한다.[1]
  • 기지국 간의 빠른 핸드오프(로밍)를 지원한다.[1]
  • 휴대폰에서 사용하는 무선 링크는 디지털 프로토콜에서 광범위한 오류 수정 및 감지가 있는 디지털 링크이다.[1]
  • 분리된 케이블 안테나로 지원되는 경우 터널 내에서 이동 전화가 충분히 작동하도록 한다.[1]
  • 복잡한 차량 또는 건물 내부의 로컬 중계기를 설치한다.[1]

3. 2. 패러데이 케이지

패러데이 케이지는 모든 면(상단, 하단 포함)을 완전히 둘러싸는 도체로 구성된다. 전자기 방사는 파장이 틈새보다 길면 차단된다. 예를 들어, 이동 전화 신호는 엘리베이터, 기차, 자동차, 선박 등과 같이 창문이 없고 금속으로 둘러싸여 패러데이 케이지와 비슷한 환경에서는 차단된다. 이와 같은 문제는 강철 보강재를 많이 사용한 건물에서도 발생할 수 있다.

4. 전파 수평선

전파 수평선은 안테나에서 나오는 직접 전파가 지구 표면에 접하는 지점들의 궤적이다. 만약 지구가 대기가 없는 완벽한 구체였다면 전파 수평선은 원이 될 것이다.[3]

전파 전파는 대기 조건, 전리층 흡수, 산이나 나무와 같은 장애물의 존재에 의해 영향을 받는다. 저전력 마이크로파 송신기는 나뭇가지나 심지어 폭우나 눈에도 방해받을 수 있으며, 직접 가시선에 없는 물체는 회절 효과를 일으켜 전파 전송을 방해할 수 있다. 최상의 전파를 위해서는 첫 번째 프레넬 구역에 장애물이 없어야 한다. 지표면이나 염수 표면에서 반사된 복사는 직접 신호를 상쇄하거나 향상시킬 수 있는데, 안테나를 지면에서 더 높이 들어올려 이 효과를 줄일 수 있으며, 이를 '높이 이득'이라고 한다.

대기의 영향을 포함하여 전파 범위를 근사적으로 계산하는 간단한 공식은 다음과 같다.

:\mathrm{수평선}_\mathrm{mi} \approx 1.23 \cdot \sqrt{\mathrm{높이}_\mathrm{피트}}

:\mathrm{수평선}_\mathrm{km} \approx 3.57 \cdot \sqrt{\mathrm{높이}_\mathrm{미터}}

이 공식은 최대 전파 거리에 대한 근사치를 제공하지만, 서비스 품질을 추정하기에는 충분하지 않다.

4. 1. 지구 곡면 (Earth bulge)

통신에서 '''지구 곡면'''은 전파에 대한 지구 곡률의 영향을 말한다. 이는 장거리 통신을 차단하는 지구 프로파일의 원형 부분의 결과이다.[3] 진공 시선은 지구 위에서 다양한 높이로 지나가기 때문에 전파는 경로를 따라 약간 다른 전파 조건을 겪는다.[3] 직접적인 시각적 고정이 불가능할 때 맵에서 가시선 경로를 계산하려면 지구 곡률을 고려하는 것이 중요하다. 마이크로파 설계는 이전에는 경로를 따라 여유 공간을 계산하기 위해 지구 반경의 4/3를 사용했다.

4. 2. 진공 거리 (Vacuum distance to horizon)

지형의 불규칙성이 없는 완벽한 구를 가정하면, 높은 고도의 송신기에서 지평선까지의 거리(즉, 가시선)는 쉽게 계산할 수 있다.

''R''은 지구의 반지름, ''h''는 송신기의 높이(과장됨), ''d''는 가시선 거리


''R''을 지구의 반지름, ''h''를 통신 기지국의 고도라고 하자. 이 기지국의 가시선 거리 ''d''는 피타고라스 정리에 의해 다음과 같이 주어진다.[2]

:d^2=(R+h)^{2}-R^2= 2\cdot R \cdot h +h^2

기지국의 고도 ''h''는 지구의 반지름 ''R''보다 훨씬 작으므로, h^2은 2\cdot R \cdot h에 비해 무시할 수 있다.

따라서:

:d \approx \sqrt{ 2\cdot R \cdot h}

높이 ''h''가 미터 단위로 주어지고 거리 ''d''가 킬로미터 단위로 주어지면,[2]

:d \approx 3.57 \cdot \sqrt{h}

높이 ''h''가 피트 단위로 주어지고 거리 ''d''가 마일 단위로 주어지면,

:d \approx 1.23 \cdot \sqrt{h}

4. 3. 대기 굴절 (Atmospheric refraction)

대기 중 고도가 높아짐에 따라 압력이 감소하면서(수직 압력 변화) 전파는 지구 표면으로 굴절되는 현상이 발생한다.[3] 이는 지구의 유효 반경을 약 4/3배 증가시키는 효과를 낸다. 이 ''k''-팩터는 날씨에 따라 그 값이 변할 수 있다.

4. 3. 1. 굴절 거리 (Refracted distance to horizon)

이전의 진공 거리 분석에서는 RF 신호의 전파 경로에 대한 대기의 영향을 고려하지 않았습니다. 사실 RF 신호는 직선으로 전파되지 않습니다. 대기층의 굴절 효과로 인해 전파 경로는 다소 굽어집니다. 따라서 스테이션의 최대 서비스 범위는 가시선 진공 거리와 같지 않습니다. 일반적으로 다음 방정식에서 인자 ''k''를 사용하여 거리를 수정합니다.[5]

:d \approx \sqrt{2 \cdot k \cdot R \cdot h}

''k'' > 1은 기하학적으로 감소된 팽창과 더 긴 서비스 범위를 의미합니다. 반면에 ''k'' < 1은 더 짧은 서비스 범위를 의미합니다.

정상적인 기상 조건에서 ''k''는 일반적으로 4/3으로 선택됩니다.[5] 즉, 최대 서비스 범위가 15% 증가합니다.

:d \approx 4.12 \cdot \sqrt{h}

여기서 ''h''는 미터 단위이고 ''d''는 킬로미터 단위입니다. 또는

:d \approx 1.41 \cdot \sqrt{h}

여기서 ''h''는 피트 단위이고 ''d''는 마일 단위입니다.

그러나 폭풍우가 치는 날씨에는 ''k''가 감소하여 전송 페이딩을 유발할 수 있습니다. (극단적인 경우 ''k''는 1보다 작을 수 있습니다.) 이는 지구 반경의 가상적인 감소와 지구 팽창의 증가와 같습니다.[6]

예를 들어, 정상적인 기상 조건에서 해수면의 수신기를 기준으로 고도 1500m에 있는 스테이션의 서비스 범위는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

:d \approx 4.12 \cdot \sqrt{1500} = 160 \mbox { km.}

참조

[1] 웹사이트 Line-of-sight propagation https://technav.ieee[...] 2023-05-10
[2] Earth radius Mean radius of the Earth
[3] 웹사이트 P.834 : Effects of tropospheric refraction on radiowave propagation https://www.itu.int/[...] 2021-11-17
[4] 서적 Essentials of radio wave propagation Cambridge University Press 2008
[5] 간행물 High Altitude VHF and UHF Broadcasting Stations European Broadcasting Union 1967
[6] 문서 This analysis is for high altitude to sea level reception. In microwave radio link chains, both stations are at high altitudes.


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