韓國電磁波學會論文誌第 22 卷第 11 號 2011 年 11 月論文 이동통신중계기설치를통한승강기시스템의전자파환경개선 Improvement of Electro
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1 韓國電磁波學會論文誌第 22 卷第 11 號 2011 年 11 月論文 이동통신중계기설치를통한승강기시스템의전자파환경개선 Improvement of Electromagnetic Environment Effects in a Lift System by Installing a Mobile-Communication Repeater 임병철 * 정기범 * 정연춘 Byung Chul Lim* Ki-Bum Jung** Yeon-Choon Chung 요약 본연구의목적은전자파적합성을고려하여승강기시스템내에중계기안테나를설치하는방안을제안하는 것이다. 승강로에중계기안테나를설치하는경우 (Solution 1) 와승강기내부에중계기안테나를설치하는경우 (Solution 2) 의 2 가지 solutions 을검토하였으며, Solution 2 가 Solution 1 보다효과적임을확인하였다. 또한, 승강기에대한전자파내성기술기준과 20 db 의안전마진을고려하여중계기안테나의출력 (EIRP) 을 5 dbm 으로 제한할것을제안하였으며, 이러한출력은이동통신시스템의정밀전력제어메커니즘에따라최적의안정된전자파환경을제공함을확인하였다. 이러한접근은무선을활용하여오히려전자파환경을개선할수있음을보여준본연구가 Green ICT 의중요한사례가될수있다. Abstract The purpose of this study is to suggest installation methods of a mobile-communication repeater into a lift system with consideration of EMC. Two approaches, one(solution 1) is realized with a repeater installed in a lift hoistway and another(solution 2) installed inside a lift, were proposed. It is confirmed that the Solution 1 is more effective than the Solution 2. And it is suggested that the EIRP of a repeater must be limited to be 5 dbm by considering electromagnetic immunity level for a lift and safety margin of 20 db. This limit can provide suitable electromagnetic environment inside a lift with precise power-control mechanism of mobile communication systems. This study could be a good example of Green ICT by improving electromagnetic environment in spite of radio use. Key words : Repeater, Lift, EIRP, Power Control, EMC Ⅰ. 서론일반적으로승강기함체는금속으로만들어지기때문에승강기내부에서는외부전자파가차폐되며, 따라서휴대폰의통화품질이나쁠수밖에없다. 이 로인해우리나라에서는승강기내에서의통화품질불만에대한민원이급증하고있으며, 이동통신서비스 3사에서는민원이발생한건물의각층마다승강기주변의승강장주변에중계기안테나를설치하여승강기내에서의통화불량을해소하고있다. 이 서경대학교전자공학과 (Department of Electronics, Seokyeong University) * 한국승강기대학승강기안전관리과 (Department of Lift Safety Management, Korea Lift College) ** 이앤알텍 (E&R Tech) 논문번호 : 교신저자 : 정연춘 ( ycchung@skuniv.ac.kr) 수정완료일자 : 2011 년 10 월 7 일 1125
2 韓國電磁波學會論文誌第 22 卷第 11 號 2011 年 11 月 러한접근방법은설비투자에막대한비용을지출되므로승강기시스템내부에중계기안테나를설치하여비용절감을추진하고있으나, 관련법규 [1] 에의해승객의안전을최우선으로하는승강기의안전에영향을미칠수있는어떤장치도승강기에설치하지못하도록엄격히규제되고있어큰어려움을겪고있다. 먼저승강로또는승강기내부에중계기안테나를설치하였을때가불특정다수가승강기내부에서핸드폰을동시에사용하는경우보다전자파환경적으로보다안전할수있을것이라는추측은가능하다. 왜냐하면금속구조물로이루어진승강기내부에서외부전자파는어느정도차폐되므로핸드폰의수신전계강도는낮을것이고, 이동통신시스템의정밀전력제어메커니즘 [2] 에의해서수신신호가약하면송신신호를크게할것이다. 따라서중계기를활용하여적절한크기의신호를수신할수있게함으로써오히려핸드폰의송신출력을낮게유지할수있고, 결과적으로주변의다른전자장비에전자파장해를일으키지않으므로보다안전할수있다고판단하였다. 본연구에서는승강기시스템 ( 여기에서는승강기와승강로, 기계실을포함한다 ) 에이동통신중계기안테나를도입함과동시에적절히송신출력을제한함으로써전자파적합성을확보하는방안을검토하였다. 즉, 승강기내에서효과적인무선서비스를가능케하고, 동시에승강기의안전성을강화할수있는방안을강구하였다. 본논문에서는이러한연구의과정을요약하고, 나아가서본연구결과를통해현행승강기관련법규를개선하여승강기시스템내부에중계기를설치할수있게함으로써휴대폰의통화품질을개선한사례를소개한다. Ⅱ. 실험방법및결과분석 2-1 실험방법먼저승강기의설치환경과전파환경이상이한신규승강기설치현장 4곳을선정하였으며, 승강기내부에서의통화품질을개선하기위해그림 1에서볼수있는것처럼다음의 2가지방법으로중계기 (a) 승강로에중계기안테나를설치하는경우 (a) Installation of a repeater antenna in a lift hoistway (b) 승강기내부에중계기안테나를설치하는경우 (b) Installation of a repeater antenna inside a lift 그림 1. 승강기내에서의통화품질개선을위한 2 가지해법 Fig. 1. Two solutions for improving communication quality inside a lift. 안테나를설치하는경우를고려하였다. 승강로에안 테나를설치하는경우 (Solution 1) 와승강기내부에 안테나를설치하는경우 (Solution 2). 실제, 1 차실험 은부산센텀스타건물 (60 층, 66 stops) 의 Thyssen- Krupp 엘리베이터, 2 차실험은잠실포스코스타파 크빌딩 (25 층, 19 stops) 의 Otis 엘리베이터, 3 차실험 은대전파이낸셜빌딩 (17 층, 24 stops) 의현대엘리베 이터, 4 차실험은광주만호빌딩 (5 층, 7 stops) 의대성 IDS 엘리베이터를대상으로이루어졌다. Solution 1 의실험을위해서승강로에이득이 10.0 dbi 정도인이중대역 (2G+WCDMA) 야기 (Yagi) 안테 나, Solution 2 의실험을위해서이득이 2.0 dbi 정도 1126
3 이동통신중계기설치를통한승강기시스템의전자파환경개선 인중계기용이중대역 (2G+WCDMA) 옴니안테나를각각설치하였다. 실제실험에서는그림 1에보인 2가지경우에대해서, 기계실중앙지점과승강기바닥으로부터 1.5 m 높이에서의전계강도를측정하였으며, 또한기계실제어반과승강기내부패널의각종케이블로유기되는유도전류를측정하였다. 기계실과승강기내부에서의전계강도측정결과를사용하여노출되는전계강도와승강기의복사전기장내성레벨을비교하고, 또한유도전류의측정은승강기제어반에서의중요신호와결합되어나타나는전자파장해영향을분석하는데이용된다. 측정은 Rohde & Schwarz사의 ESPI 스펙트럼분석기와 Schwarzbeck사의 USLP9142 대수주기형안테나를이용하였다. 또한, 유도전류측정은 Rohde & Schwarz사의 ESPI 스펙트럼분석기와 FCC(Fischer Custom Communications) 사의 F-2000 전류프로브를사용하였다. 여기에서, FCC사의 F-2000 전류프로브는 10 MHz~3 GHz의매우넓은주파수대역에서의공통모드전류측정에사용되며, 이동통신주파수대역에서약 22 db Ω의전달임피던스를가진다. 실제측정에서는기계실제어반및승강기제어패널에있는각종의통신, 센서, 전원, 엔코더 (encoder), 인버터선로로유도되는전류를측정하였다. 1차현장시험에서는 23개, 2차현장시험에서는 27개, 3차현장시험에는 48개, 4차현장시험에는총 29개의선로에서유도전류를측정하였다. 로확인되었다. 실험중계기에의한유도전류보다승강기전력계통에의한유도전류가보다현저하게나타났다. 인접한기지국의신호는물론, TRS 신호등의 ISM 대역신호도 CAN 통신선로에유기되어나타났다. Solution 1에서송신기로부터의거리가멀어짐에따라수신전계강도가줄어들었으며, 동시에이동통신단말기에의한영향은증가하였다. 트래픽 (traffic) 모드에서 Solution 1보다 Solution 2에의해나타나는전계강도및유도전류가상대적으로낮았다. Ⅲ. 실험결과에대한해석 3-1 이동통신시스템의전력제어효과현장측정결과는대부분유사한경향을가지며, 2-2에서기술한것으로정리될수있다. 4곳에서의실험결과중에서승강기시스템내부에서의이동전화통화품질과관련된현상을설명하기위해승강기내부의이동국의송, 수신출력의변화에관한실험결과의한예를제시하고자한다. 그림 2는대전파이낸셜빌딩에서이루어진실험결과를나타내며, 사용된이동통신시스템은 SKT 2G이고, 총층고 24 층의승강로상부에중계기안테나를설치한 Solution 1의경우에대해승강기가상하로이동하면서 2-2 실험결과및전자파환경영향분석현장측정에서실험조건및측정환경에따라매우다양한측정결과가도출되었으며, 이러한다양한측정결과를요약정리하면다음과같다. Solution 1에서도건물꼭대기의기계실에서도일정수준이상의전계강도가측정되었는데, 이는승강로에서의전파전파특성과송신안테나의후방방사패턴에기인하는것으로판단된다. 실험중에중계기에의한영향보다높은수준의전계강도가일시적으로나타났는데, 이는실험인력의이동통신단말기에의한영향으 그림 2. Solution 1 에대한이동국 ( 핸드폰 ) 의출력변화 Fig. 2. Rx and Tx power variation of a mobile station for the Solution
4 韓國電磁波學會論文誌第 22 卷第 11 號 2011 年 11 月 10분간단말기의송, 수신레벨을측정한결과이다. 그림 2로부터승강기내부에설치된단말기의수신레벨이낮아질수록송신출력은증가함을알수있으며, 이러한측정결과는이동통신시스템의전력제어효과를잘설명하고있다. 3-2 Solution 1과 Solution 2의비교 우리는그림 2에서 Solution 1에대한이동통신시스템의전력제어효과를확인하였으며, 이러한전력제어효과가 Solution 1과 Solution 2에서어느정도의차이를보이는지를실험하였다. 실험은대전파이낸셜빌딩에서 Solution 1, 광주만호빌딩에서 Solution 2에대해이루어졌으며, 각각 SKT 2G와 SKT 3G 이동통신시스템을구현하여실험하였다. 그림 3은 SKT 3G 이동통신시스템에대해 Solution 1과 Solution 2의비교실험결과이다. 이러한실험과정은 SKT 2G 이동통신시스템에대해서도유사한실험결과를얻었다. 그림 3으로부터 Solution 2가 Solution 1보다, 이동통신단말기의최대출력이약 30 db 적음을알수있다. 이러한결과는 Solution 1의경우, 승강기가이동함에따라층고에따른수신전력의변화가큰반면에, Solution 2 의경우에는중계기안테나가승강기내부에설치되므로이동통신전파가안정적인레벨로송수신되는것에기인한다. 또한, Solution 1의경우, 층고가높은빌딩에서적절한구간마다중계기안테나를설치해야하는단점이있다. 3-3 유도전류영향분석본절에서는측정된유도전류가승강기제어신호와결합되어나타나는영향을해석한결과를기술한다. 본해석에서는측정된신호를소스 (source) 로사용한다. 먼저, 측정신호가시뮬레이션상에서정확하게표현되도록소스를입력하고, 그소스의출력파형을검증해야한다. 두번째로는주파수영역의신호를시간영역신호로변환하는것이다. 측정된주파수영역의유도전압값을사용된전류프로브의전달임피던스특성과푸리에역변환을사용하여시간영역유도전류로변환한다. 시뮬레이션은 C1_CAN 신호, 인버터신호, main (a) Solution 1 (b) Solution 2 그림 3. Solution 1 과 Solution 2 에대한이동국 ( 핸드폰 ) 의출력변화비교실험결과 Fig. 3. Comparison of power variation of a mobile station for the Solution 1(a) and Solution 2(b). address 신호와변환되어진 2G, 3G 신호를사용하였 다. 시뮬레이션을위해 Ansoft 사의 Nexxim Ver 4.0 을사용하였는데, 프로그램에서음 ( ) 의값시간영역 을인식하지못하므로측정값중양 (+) 의값만을취 하여소스로인가하였다. 또한, 2G, 3G 신호의커플 링을이용하기위해두개의마이크로스트립라인이 있는그림 4 와같은커플링전송선로를사용하였다. 커플링전송선로는기본적으로감쇠비를가지고있으므로원신호대비감쇠비를고려한입력신호를 인가하여야만실제영향을받은신호에대한평가가 이루어질수있다. 그림 5(a) 에 CAN 통신의원신호와그림 5(b) 에 이동통신중계기신호가결합된 CAN 통신신호를 보였으며, 표 1 에두신호의아이패턴 (eye-pattern) 의파라미터값을나타내었다. 표 1 로부터두신호의 아이패턴에서차이가크지않음을확인할수있으 며, 따라서이동통신중계기신호가 CAN 통신신호 1128
5 이동 통신 중계기 설치를 통한 승강기 시스템의 전자파 환경 개선 표 1. CAN 원 신호와 결합된 신호의 아이 패턴 파 라미터 비교 Table 1. Comparison of the eye patterns between the original CAN signal and the coupled signal. MEO(V) MEW(us) Jitter(us) CAN 신호 커플링된 신호 유형 실제 분석에서는 이러한 CAN 통신 신호 외에도, 인버터 신호, 주 어드레스(main address) 신호 등의 그림 4. 이동 통신 신호와 CAN 신호의 결합 회로도 Fig. 4. Simulation circuit of the CAN signal coupled with a repeater signal. 다양한 통신 및 제어 신호에 대해 이루어졌으며, CAN 신호와 동일하게 큰 영향을 미치지 않음을 확 인할 수 있었다. 이러한 이유는 이동 통신 신호는 시 간 영역에서 수 ns 의 임펄스(impulse) 신호와 같기 때문에, 수 ms 또는 s 를 사용하는 승강기의 통신 및 제어 신호에는 영향을 주지 않기 때문이다. 본 논문에서는 약 1년간의 현장 측정과 실험 분석 을 요약하여 정리한 것이다. 많은 현장 측정 결과는 [3] 용역보고서 에 포함되어 있으며, 얻어진 결과를 요 약하면 다음과 같다. 첫째로, 이동 통신 중계기에 의해 승강기의 기계 실 및 승강기 내부에 발생되는 전계 강도는 KS B 6945:2007에서 요구하는 전기장 내성 시험 레벨보다 (a) 원 신호 (a) An original signal 낮다. 단, 이동 통신 주파수와 내성 시험 주파수 범 위는 다르기 때문에 명확히 전자파 적합성이 이루어 진다고 볼 수는 없다. 둘째로, 이동 통신 중계기에 의해 복사되는 전자 파가 승강기 케이블에 유도됨을 확인하였다. 그러나 이러한 유도 전류는 현재 승강기에서 사용되고 있는 전송 신호의 품질에 큰 영향을 끼치지 않음을 확인하 였다. 이는 유도 전류의 크기가 작을 뿐 아니라 주파 수에서도 큰 차이가 있기 때문인 것으로 판단한다. 셋째로, 이동 통신 중계기에 의한 영향은 Solution 2 보다 Solution 1의 경우가 보다 심각한 것으로 판단 (b) SKT 2G 신호와 결합된 신호 (b) The coupled signal with 2G mobile comm 된다. Solution 1의 경우, 중계기 안테나가 승강로에 설치되므로 전자파 차폐 기능을 갖는 금속성 승강기 그림 5. CAN 통신 신호의 아이 패턴 Fig. 5. Eye pattern of the CAN signal. 내부에서는 이동 통신 단말기의 전력 제어 특성에 따라 송수신 특성에 변화가 크다. 반면에 Solution 2 의 신호 품질에는 크게 영향을 미치지 못한다는 것 의 경우, 매우 안정적인 범위에서 송수신이 이루어 지고, 보다 낮은 최대 송신 출력으로 승강기 내부의 을 알 수 있다. 전파 환경이 보다 우수하고, 또한 승강기에 미치는 1129
6 韓國電磁波學會論文誌第 22 卷第 11 號 2011 年 11 月 영향또한줄어드는것으로판단된다. 따라서두경우중에서 Solution 2의경우가보다전자파환경적으로유익한것으로판단할수있다. 넷째로, Solution 1의경우, 승강로상, 하부에중계기안테나를설치하게되므로빈공간 (clearance space) 확보에제한이있고, 또한유지보수에어려움이있을것으로판단하며, 초고층빌딩의경우에승강로길이가길어져전파품질유지를위해추가적인전파공학설계가필요할것이다. Solution 2의경우, 승강기내부의중계기안테나로통신신호를전송하기위해동축케이블이필요하며, 따라서승강기케이블과엉킴사고를일으킬소지가크다. 다섯째로, 승강기시스템에는본실험에사용된이동통신주파수외에도다양한종류의전기적잡음이존재함을확인하였다. 이러한전기적잡음은현재승강기의안전에영향을끼치고있는것으로판단한다. 특히, 인버터를사용하는전원장치의경우, 매우높은주파수에이르는상당한크기의잡음이다양한승강기케이블에유도되고있었다. 또한, 부산및광주현장시험에서는 TRS 주파수와 ISM 대역의 2.4 GHz 대역신호가승강기케이블로결합되고있었다. 그림 6. 이동통신시스템의전력제어에의한출력평형구간분석 Fig. 6. Equilibrium-region analysis for output power with power-control mechanism in mobile communication systems. Ⅳ. 효과적도입방안의제안 우리는앞에서이동통신시스템의중요한특징이정밀전력제어에있으며, 승강기내부에이동통신중계기를설치함에도불구하고승강기내부의전자파환경은오히려개선될수있음을확인하였다. 따라서전자파환경적으로이동통신중계기의출력과이동통신단말기의출력이평형이되는조건을찾는것이바람직하다. 그림 6에이동통신정밀전력제어에의한출력평형구간을분석한결과를보였다. 그림 6으로부터이동통신중계기의출력을 5 dbm으로제한할때, 승강기내부에서의전자파환경이안정됨을알수있다. 또한전자파내성기술기준을고려하여위에서구해진중계기출력이전자파적합성을유지할수있는가를분석하였다. 승강기의전자파내성은 10V/m로규정되어있다 [4]. 따라서그림 7로부터이러한전자파내성기준에 20 db의안전마진 (safety 그림 7. 중계기출력의전자파적합성분석 Fig. 7. EMC analysis for a repeater output-power. margin) 을고려하면 1 V/m 이상의전계강도가승강 기내부에서노출되지않도록해야한다. 여기에서, 10 cm 의최소근접거리를고려하면, 등가유효복사 전력 (EIRP) 은 4.77 dbm 이된다. 따라서이동통신 중계기의출력을 5 dbm 으로제한하는것이타당 한것으로분석된다. Ⅴ. 결론 승강기내에서핸드폰의사용이일반화됨에따라 통화품질에대한민원이증가하고있으며, 이동통 신서비스 3 사에서는이러한민원의해소를위해건 물각층의승강장주변에중계기안테나를설치하 고있으나비용이많이소요된다. 따라서서비스
7 이동통신중계기설치를통한승강기시스템의전자파환경개선 사에서는승강기시스템내부로중계기안테나의설치를희망하고있으나, 관련법규에의해설치가제한되고있다. 본연구를통해서승강기시스템에이동통신중계기안테나를설치하는 2가지 solutions을검토하였으며, 특히, 승강기내부에안테나를설치하는방법 (Solution 2) 이보다효과적임을확인하였다. 또한, 승강기에대한전자파내성기술기준과 20 db의안전마진을고려하여중계기안테나의출력 (EIRP) 을 5 dbm으로제한할것을제안하였으며, 이러한규정은현행검사기준에반영되어있다. 이러한출력은이동통신시스템의정밀전력제어메커니즘에따라최적의안정된전자파환경을제공한다. 또한, 이러한도입방안을뒷받침하기위해현행기술기준 (KS B6945: 2007) 은적용주파수상한을현행 500 MHz 에서국제표준화동향에맞춰 2.7 GHz로확대할필요가있다. 현재건물의각층에설치되는중계기안테나를승강기시스템내부에설치할경우, 향후 5년간약 5,600억원의비용을절감할수있을것으로추정된다 [5]. 도선이없는기술 ( 무선 ), 그자체가 Green ICT 가아니라, 무선을활용하여오히려전자파환경을개선할수있음을보여준본연구가 Green ICT의중요한사례가될수있다. 감사의글현장시험을위해이동통신중계기시스템을설치하고, 데이터수집을도와준대보시스템즈 ( 주 ) 유승하부사장과허윤도대리께깊은감사를드립니다. 참고문헌 [1] 법률제9384호, " 승강기시설안전관리법 " 및 " 동법시행령, 검사기준등 ", 행정안전부, 2009년 1월. [2] D. P. Agrawal, Q. Zeng, Introduction to Wireless and Mobile Systems, Thomson Learning, USA, [3] 정연춘등, " 이동통신용중계기에의한승강기설비의 EMC 안전성에관한조사분석 ", 서경대학교산학협력단, 2008년 12월. [4] KS B4945: 2007, " 전자파적합성-엘리베이터, 에스컬레이터및수평보행기제품군규격-내성 ", [5] 행정안전부보도자료, " 승강기내이동통신중계기 ( 안테나 ) 설치관련검사기준마련 ", 2009년 12월. 임병철 1994 년 2 월 : 경북대학교전기공학과 ( 공학사 ) 2000 년 2 월 : 경북대학교전기공학과 ( 공학석사 ) 2010 년 ~ 현재 : 서경대학교전자컴퓨터공학과박사과정 1995 년 ~2009 년 : 한국승강기안전관리원표준연구팀책임연구원 2009 년 11 월 ~ 현재 : 한국승강기대학교안전관리과교수 [ 주관심분야 ] Functional Safety 를고려한 Large System 의 EMC 측정및대책기술 정기범 1999년 2월 : 국민대학교전자공학과 ( 공학사 ) 2001년 2월 : 국민대학교전자공학과 ( 공학석사 ) 2002년 3월~현재 : 한양대학교전파공학박사과정 2004년~2008년 : RAPA 전자파기술원팀장 2008년~현재 : ( 주 ) 이앤알텍대표이사 [ 주관심분야 ] EMC를고려한회로및 PCB 대책설계, 수치해석 1131
8 韓國電磁波學會論文誌第 22 卷第 11 號 2011 年 11 月 정연춘 1984 년 2 월 : 경북대학교물리학과 ( 이학사 ) 1986 년 2 월 : 경북대학교물리학과 ( 이학석사 ) 1999 년 8 월 : 충남대학교전자공학과 ( 공학박사 ) 1985 년 12 월 ~2001 년 5 월 : 한국표준과학연구원전자기환경그룹그룹장책임연구원 2000 년 3 월 ~2001 년 2 월 : Univ. of York, Visiting Academics 2001 년 6 월 ~2002 년 2 월 : ( 주 ) 익스팬전자중앙연구소장 2005 년 6 월 ~2008 년 11 월 : 한국전자진흥협회 EMC 기술지원센터장 ( 겸임 ) 2002 년 2 월 ~ 현재 : 서경대학교전자공학과교수 [ 주관심분야 ] EMI/EMC 측정및대책기술, 전자파재료 1132
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