[테마특강] GPS이용 무선신호 자동측정시스템

무선통신 서비스 수요가 최근 급증하면서 통신방식도 아날로그에서 디지털로 변화하고 있다. 특히 PCS, TRS, 무선데이터 등 기지국을 통한 서비스가제공되는 통신방식의 경우 적절한 기지국의 선정이 양질의 서비스를 제공하는데 필수적인 요소이다.

통신서비스 제공자들은 이에따라 전파환경 예측 프로그램(Propagation Modeling Tool 혹은 전파분석시뮬레이터라 표현됨)을 통해 최적의 기지국을 선정하는 작업을 수행하고 있다. 그러나 프로그램만을 이용한 기지국 선정은기지국 주변의 지형지물을 완벽하게 입력할 수 없고 분석에 사용되는 프로퍼게이션 모델(Propagation Model)이 실제 전파환경을 완전하게 시뮬레이션할수 없는 것이 단점이다.

따라서 기지국의 최적 위치 선정은 우선 분석 프로그램을 통해 최적지를정하고 실제 전파의 세기를 측정, 확인하는 작업이 필수적이다. 그래야만 기지국 위치에 따른 손실을 사전에 방지할 수 있다.

대상지역에서 전파의 세기를 측정하기 전 이루어져야 할 작업이 전파환경측정이다. 대상지역에 존재하는 전자파 잡음과 현재 그 지역에 제공되고 있는 무선통신 서비스의 주파수 및 전계강도를 측정, 이를 감안해 기지국의 주파수를 선정해야 한다. 이러한 전파환경의 측정은 스펙트럼 분석기(주파수별신호의 세기를 측정하는 장비)를 사용하면 된다.

전계강도를 측정하는 것은 기지국에서 특정 지점에 전달되는 전파의 세기를 알고 기지국과 가입자간의 접속이 가능한 지역을 판단하기 위해서이다.이결과를 토대로 인접 기지국의 위치 및 거리를 정할 수 있다. 이러한 목적을달성하기 위한 송신 시스템으로는 신호 발생기, 전력 증폭기, 대역통과 필터등이 사용된다.

범위(Coverage)측정은 일반적으로 무지향성(Omni Directional) 안테나를많이 사용하며 경우에 따라서는 지향성(Sector) 안테나를 사용하는데 양자가모두 실제 기지국에서 사용될 안테나와 특성이 다르므로 추후 측정결과를 분석할 때 이를 감안해야 한다. 전계강도의 측정은 스펙트럼 분석기나 전계강도 측정기를 사용하면 된다. 단일 주파수 측정은 전계강도 측정기를 사용하는 것이 간편하나 향후 활용도 측면에서는 스펙트럼 분석기가 유리하다.

한 기지국이 관할하는 전 지역의 전계강도를 일일이 측정하려면 많은 시간과 노력을 필요로 하기 때문에 대부분 수신시스템을 차량에 설치, 기지국 관할지역을 이동하며 전계강도를 수집하는 방법을 채택하고 있다.

이동중 전계강도를 측정하기 위해서는 각각의 측정중에 위치정보가 같이수집되어야 기지국 주변의 통신 상태를 정확하게 예상할 수 있으며 위치정보를 파악하기 위해서 GPS(Global Positioning System)리시버를 사용한다.

GPS 수신기는 지구를 천이중인 위성과 자신과의 거리를 측정하여 현재의위치를 계산한다. 2차원 위치정보를 알기 위해서는 3개의 위성으로부터 자료를 수신해야 하며 3차원 위치정보는 4개의 위성을 이용해야 하는데 GPS 수신기는 위도, 경도 및 고도 데이터를 제공함과 동시에 정확한 현재시간 및 운행속도를 제공해 준다.

GPS 수신기로부터 얻어진 위치정보의 정확도는 GPS 수신기의 성능에 따라1m 이하에서 수백 m 까지 변화한다. GPS는 원래 군사용으로 개발되었기 때문에 미국 국무성에서 의도적으로 데이터에 오차(Jitter)를 삽입, 군사용 수신기가 아니고는 정확한 위치정보를 실시간으로 얻을 수 없으므로 일반 GPS 수신기를 사용해 위치정보를 파악할 경우 오차가 발생한다. 이러한 미비점을보완하기 위해서 제작된 수신기가 디퍼런션(Differential)-GPS로 고정된 위치에 GPS를 설치하여 측량된 위치와 위성으로부터 수신한 정보를 비교하여위성정보의 오차를 산출한다. 오차정보는 이동중인 GPS 수신기에 송신되며오차정보를 수신한 GPS 수신기는 위성으로부터 받은 정보의 오차를 제거하여출력한다. 이 경우 위치정보의 오차를 1m 이하로 유지할 수 있으나 국내에는Differential-GPS 서비스가 제공되고 있지 않다.

GPS의 단점중 또 하나는 차량이 터널이나 고층건물 사이를 운행하는 경우위치정보를 취득하기 위한 최소 조건인 3개의 위성에서 정보를 수신할 수 없다는 것이다. 이러한 단점을 보완하기 위해서 DR(Dead Reckoning) 기능이탑재된 GPS 수신기를 사용해야한다.

DR은 위성신호를 수신하지 못하는 경우 GPS에서 수신한 최종 위치에서부터차량의 진행방향과 속도를 이용하여 위치를 산출한다. 즉 DR 모드에서 GPS/DR은 최종적으로 계산한 위치를 시작점으로 하고 방향 센서로부터 입력되는방향과 주행기록계의 펄스수를 카운트하여 새로운 위치를 계산한다.

범위측정시스템 수신기 전단에 붙은 증폭기는 안테나에서 수신된 신호를증폭하여 수신기에 전달, 미세한 신호의 측정을 도와준다. 이동 중에 전계강도를 측정하는 경우 수신되는 신호의 크기가 시간에 따라 변화하므로 측정의정확도를 높이기 위해 평균 값을 취하여 전계강도를 구하는 것이 바람직하다.

분석의 용이성을 위해 측정된 데이터를 지도에 명시하는 것이 바람직하다.

특정한 위치의 전계강도값을 색깔로 분류하여 지도상에 표시하면 통화 가능지역 및 음영 지역을 보다 명확하게 식별할 수 있다. PC로 매핑작업을 하려면 전자지도와 지형학의 연구가 필요하다.

현재 통신서비스업체들이 사용하고 있는 수신기는 전계강도 측정기나 스펙트럼 분석기를 사용하므로 송신하는 신호도 단일 주파수 신호이며, 분석 데이터도 전계강도로 국한된다. 그러나 디지털 변조를 사용하는 통신 시스템의경우 건물이나 기타 구조물에 의해 발생하는 다중 페이딩(Multi-Path Fading)이 통신 품질에 영향을 주므로 이러한 영향을 고려한 측정이 필요하다. 이를 위해 데이터의 품질을 측정해야 하며 BER(Bit Error Rate) 측정이 대표적인 예이다.

현재로는 다양한 디지털 변조방식에 따른 BER 측정을 위한 계측기가 마련되어 있지 않아 복잡한 시스템 구성을 통해 구현하더라도 경제성이 희박하다. 일부 업체에서는 단말기를 이용하여 유사한 측정을 하고 있으며, 일부선진국에서는 벡터 분석기를 이용, 디지털 변조상태를 성좌표로 변환해 EVM(Error Vector Magnitude)을 측정, 통화 품질을 평가하는 방법을 연구중이며이에 대한 기술자료가 계측기 회사를 통해 많이 소개되고 있다.

저자약력

이휘수

83년 한양대 전자공학과 졸업

83∼87년 대영전자

87년∼현재 한국휴렛팩커드 계측사업 부장