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1 논문 A-08 한국통신학회논문지 '06-7 Vol.31 No.7A 초광대역통신시스템의통계학적채널모델링 정회원최진원 *, 강노경 *, 준회원김정욱 *, 종신회원김성철 * Statistical Characterization of UWB channel in Office Environments Jinwon Choi*, Noh-Gyoung Kang* Regular Members, Jeong-Wook Kim* Associate Member, Seong-Cheol Kim* Lifelong Member 요 약 본논문에는초광대역통신시스템을위한주파수영역의통계학적채널모델을서술하고있다. 채널모델링은 3개의사무실환경, 46개의송, 수신위치에서얻어진 23,000개의채널응답함수로부터얻어졌다. 측정실험을통해얻어진데이터를바탕으로주파수변화에따른경로감쇄지수변화에대해서술한후전파환경과가시경로의존재여부에따른수신신호의분포모델을연구하였다. 마지막으로는수신된주파수톤에해당하는수신파워의표준편차와같은통계적특성들을고찰하였는데, 가시경로가존재하는경우에는송, 수신기사이의거리가멀어지면서표준편차값이커지고그에따라수신주파수톤의파워가평균수신파워에서일정한범위안에들어올이떨어지는것을알수있었다. Key Words:Ultra WideBand, Channel Modeling, Statistical Channel, Measurement and modeling Ⅰ. 서론근거리에서높은데이터전송속도로통신을할수있는통신시스템으로초광대역 (Ultra Wide Band, UWB) 기술에대한관심이증가하고있다. 초광대역통신기법은중심주파수의 20% 이상의주파수대역을이용하여낮은송, 수신전력으로통신을하는것을기본개념으로삼고있어다른통신시스템과의공존이가능하기때문에, 포화되어가는주파수대역에대한해결책으로각광받고있다. 특히미연방통신위원회 (FCC) 가초광대역통신을위한전송규정을승인한후에상업적인초광대역시스템에대한논의가매우활발하게이루어지고있어상용서비스의시작이가까워져오고있다. 하지만, 이런초광대역시스템의효율적인운용과다른통신시스템과의간섭없는공존을위해서는먼저초광대역통신채널특성을정확히이해하 는것이요구된다. 이러한목적으로발표된문헌들은 IEEE 에제안된표준모델등에서이미다루고있다 [2-7]. 그러나초광대역통신시스템의가장큰특징인광대역의주파수사용을가장잘서술할수있는, 주파수영역에서의채널특성화작업은아직부족한상태이다 [8, 9]. 본논문에는사무실환경에서주파수일소측정시스템 (frequency sweep method) 으로부터얻은측정결과를기반으로하는주파수영역의초광대역채널을연구결과를담고있다. 측정은일정한범위의주파수대역에대하여협대역의주파수신호를이용하여주파수응답을얻어내는방식으로진행되었으며측정환경으로는많은데이터가빈번히전송되고여러통신시스템이공존하기쉬운사무실환경을선택하였다. 먼저경로감쇄지수값의경향에대하여분석을하였다. 여기에사용된경로감쇄지수는로그- 거리경로감쇄식의주요한매개변수값을 이논문은두뇌한국 21 사업과대학 IT 연구센터사업 (ITRC) 의지원으로수행되었다. * 서울대학교전기 컴퓨터공학부전파및무선통신연구실 ({caesar, peterpan, jwkim, sckim}@maxwell.snu.ac.kr) 논문번호 :KICS , 접수일자 :2006 년 5 월 31 일, 최종논문접수일자 :2006 년 7 월 10 일 702

논문 / 초광대역통신시스템의통계학적채널모델링 나타낸다. 측정범위인 1.6GHz의주파수대역에해당하는경로감쇄지수값을수신기환경과가시경로의존재여부에따라 500MHz 대역폭의좁은주파수대역에대한경로감쇄지수값의변화하는경향을알아보았다.

1 측정시스템초광대역채널측정방법가운데, 이연구에서는주파수영역채널측정시스템을사용하였다 [10]. 이측정방법은회로망분석기를이용하여넓은주파수대역을협대역의주파수신호로일소하는방법으로전주파수대역의채널응답함수를얻어내는방식이다. 구성된측정시스템은그림 1과같다. 회로망분석은 5GHz에서 6.

측정된채널응답함수의예가그림2 에나타나있다. 그림 2. 가시경로가존재하는수신환경에서 100 초동안측정된채널응답함수 2.2 실험개요측정은서울대학교의서로다른 3개의사무실환경에서수행되었다. 송신안테나와수신안테나의위치와사무실의층과벽구조및재질은그림 3에나타나있다. 사무실 1은철근콘크리트건물의 5층에위치하고, 사무실 2, 3은다른건물의 2층과4층에각각위치한다.

2 논문 / 초광대역통신시스템의통계학적채널모델링 나타낸다. 측정범위인 1.6GHz의주파수대역에해당하는경로감쇄지수값을수신기환경과가시경로의존재여부에따라 500MHz 대역폭의좁은주파수대역에대한경로감쇄지수값의변화하는경향을알아보았다. 그다음으로는각수신기조건에따른수신신호세기의분포를제시하며마지막으로는수신된협대역주파수신호의수신신호에대한통계학적매개변수들에대한연구결과가나타나있다. 연구된통계학적매개변수들은수신된협대역주파수신호들의수신파워들간의표준편차와수신신호파워가수신파워평균값을기준으로특정한범위에있을그리고수신신호세기사이의상관관계들이나타나있다. Ⅱ. 측정과정 2.1 측정시스템초광대역채널측정방법가운데, 이연구에서는주파수영역채널측정시스템을사용하였다 [10]. 이측정방법은회로망분석기를이용하여넓은주파수대역을협대역의주파수신호로일소하는방법으로전주파수대역의채널응답함수를얻어내는방식이다. 구성된측정시스템은그림 1과같다. 회로망분석은 5GHz에서 6.6GHz를균일하게 2MHz간격으로나눈 801개의연속적인주파수톤을전송하는방식으로 2MHz의주파수간격은최대초과지연이 500 ns인다중경로를얻는것을가능하게하며 1.6GHz의대역폭은 nano-seconds 의시간해상도를갖게한다. 송, 수신안테나는 2.1dBi의이득을갖는전방향성안테나이고, 1.6m 삼각대위에설치하였다. 측정된채널응답함수의예가그림2 에나타나있다. 그림 2. 가시경로가존재하는수신환경에서 100 초동안측정된채널응답함수 2.2 실험개요측정은서울대학교의서로다른 3개의사무실환경에서수행되었다. 송신안테나와수신안테나의위치와사무실의층과벽구조및재질은그림 3에나타나있다. 사무실 1은철근콘크리트건물의 5층에위치하고, 사무실 2, 3은다른건물의 2층과4층에각각위치한다. 사무실 1과사무실 2의내부에는가운데의금속벽이존재하여사무실을두개의실험실로나누고있으며, 사무실 3은여러개의작은사무실들과복도로구성되어있다. 측정이이루어지는동안측정환경의모든문은열린상태였으며, 보행자들에의한영향을고려하지않기위하여사람들의통행은제한하였다. 46개의수신위치중에서 21개의수신위치는송신기와수신기사이의가시경로가존재하는경우 (LOS) 이고, 25개의수신위치는가시경로가존재하지않는경우 (NLOS) 였다. 각각의수신위치에서 5개의부수신지점에대해평균을취했고, 각수신지점에서 100개의주파수응답을, 즉하나의수신위치에서 500개의주파수응답을얻었다. 연결되는신호응답의시간간격은 1초로이는일반적으로알려진실내환경에서의최대초과지연값보다훨씬크다 [15, 16]. 12.8m Radiator Tx 1 Rx1 Radiator Radiator Rx2 Rx3 Rx4 Rx5 Rx6 (1) (2) 그림 1. (1) 무반향실험실에서의측정시스템 (2) 실제실험환경에서의측정시스템 Bed Rx7 Rx8 Rx9 Rx10 Rx11 Rx12 Rx13 Rx14 Rx15 Rx24 Rx23 Rx16 Rx17 Rx19 Rx21 Door Rx18 Rx20 Rx22 (1) 사무실 1 15m 703

3 한국통신학회논문지 '06-7 Vol.31 No.7A Rx41 Rx46 Bookshelves Cabinet Rx40 15cm Door Rx39 Rx31 Rx30 Rx29 Rx45 Rx33 한수신지점당 5 개의부수신지점존재 한부수신지점마다 100 번측정 한수신지점에서 500 개의채널충격응답측정 Rx34 Rx32 Bed Rx38 11m Door Cabinet Rx28 (2) 사무실 2 aisle 20m Rx35 Tx3 Rx44 Rx36 Rx27 Toilet Tx2 Rx43 Rx42 Rx37 Rx26 Rx25 Bed 11m : 유리창 : 콘크리트벽 : 화장실타일 : 금속벽 : 플라스틱파티션 : 벽돌벽 : 상층은유리, 하층은콘크리트벽 (3) 사무실 3 그림 3. 실험실측정이이루어진 3 개의사무실의평면도및벽의재질 Ⅲ. 측정결과및분석 3.1 경로감쇄지수변화무선통신시스템을설계하는데있어서송신신호의전달거리에따른수신전력의변화는시스템의운영범위를계산하고다른시스템에미치는간섭정도를예측하는가장기본적인요소이다. 로그- 거리경로감쇄식은이러한수신전력의변화를예측하는데에가장널리사용되는식으로 (1) 와같이표현된다. PL( ) 이기준거리 (=1m) 에서의경로감쇄, d는송신기와수신기사이의거리, n 은경로감쇄지수, 는쉐도윙팩터의표준편차를각각의미한다. 표 1. 실험을통해얻어진감쇄매개변수값들 PL(d0) [db] n LOS ( 사무실 1) NLOS ( 사무실 1) LOS ( 사무실 2) NLOS ( 사무실 2) NLOS ( 사무실 3) n: 경로감쇄지수, : 쉐도윙팩터의표준편차 일반적인경우, 경로감쇄지수값은자유공간에서 2이고, 도파관효과가나타나는실내가시경로환경에서는 2보다작게되며가시경로가확보되지못한경우에는 2에서 3사이의값을가지게된다 [13]. 사무실 1과사무실 2의가시경로가확보된수신위치의경우, 사무실을나누고있는중간의금속벽에의해서발생되는도파관효과로인해경로손실지수값이 2보다훨씬작게나왔다. 가시경로가확보되지못한경우에도신호가회절현상을통해도달할수있는경로가확보되어있었기때문에경로감쇄지수값이일반값보다는작게측정되었다. 쉐도윙팩터의표준편차는가시경로가존재하는경우에는약 1 db 이고, 가시경로가존재하지않는경우에는 2.5dB에서 4dB의값으로증가하였는데이는기존에제시된값들과비슷하였다 [9]. 그러나미연방통신위원회가제안한초광대역통신규정에따르면, 대역폭을 500MHz이상사용하는모든통신시스템은초광대역통신이라고정의하고있다. 그에따라 MB-OFDM 같은시스템은초광대역통신을위한주파수대역을약 500MHz 대역폭을가지는여러개의주파수범위로나누어시스템설계에이용할계획이다 [14]. 경로감쇄지수 사무실 1 LOS 사무실 2 NLOS 사무실 3 NLOS y = x y = x y = x (1) 측정된데이터를바탕으로, 최소평균제곱오차알고리즘 (MMSE) 을이용하여최적화된매개변수를얻어내었고표 1에그결과가나타나있다 중심주파수 [GHz] 그림 4. 중심주파수변화에따른경로감쇄지수의변화및그추세선 704

4 논문 / 초광대역통신시스템의통계학적채널모델링 표 2. 경로감쇄지수의정량적인값 n 최소값최대값추세선 (1.6GHz) 기울기 LOS ( 사무실 1) NLOS ( 사무실 1) LOS ( 사무실 2) NLOS ( 사무실 2) NLOS ( 사무실 3) 따라서본실험에서는측정범위인 1.6GHz 대역폭을 500MHz 대역폭을가지는 12개의좁은대역으로나누어그대역마다산출되는경로감쇄지수값의변화를그림 4와표 2에나타내었다. 500MHz의작은주파수대역은중심주파수기준으로 100MHz의이산간격으로분할되어있으며그림4 의 x축이각주파수대역의중심주파수를나타내며실선은각측정값들의추세선을나타낸다. 그림 4와표 2에나타났듯이주파수가증가하면서경로손실이증가하여그에따른경로상쇄지수의값은증가하였다. 주파수에따른경로상쇄지수의변화는가시경로가확보되지못한사무실 3의경우를제외하고는비슷했다. 가시경로나회절경로가확보되지못한곳에서는초광대역통신신호가벽과같은건물구조물투과하면서주파수특성을심하게겪는것으로보인다. 3.2 수신신호파워의분포초광대역신호의경로감쇄특성을정확히이해하기위해서는, 거리에따른경로손실예측뿐아니라수신신호의분포또한분석되어야한다. 그림 5 는가시경로가있는수신위치에서의수신신호누적분포함수와가시경로가없는수신위치에서의수신신호의누적분포함수를비교하고있다. 누적분포함수 는각각의수신지점에서얻어진 500개의주파수응답을바탕으로구해졌다. 그림5 에서 x축은정규화된수신신호를나타내고, y축은누적을나타낸다. 가시경로가있는수신신호의누적분포함수는 K=1인 Rician 분포와유사하고, 가시경로가없는수신신호의누적분포함수는 Rayleigh 분포와비슷하다. 일반적으로가시경로가확보된수신위치의경우 K값이큰 Rician 분포를따르는것임에도불구하고이번환경에서상대적으로작은 K값의 Rician분포를따르게된것은사무실의좌우벽에의해반사되어전파된다중경로신호가도파관효과를겪으면서전력손실정도가덜하였기때문이다. 3.3 주파수톤의통계학적분석초광대역통신시스템은광대역의신호를전송받아처리하기때문에광대역에속하는수신주파수신호들의통계학적관계에대한연구가필요하다 수신주파수전력의산재정도수신신호주파수톤파워의표준편차는수신주파수톤의신호파워차를나타내고, 은신호세기변화를예측하는시스템적매개변수로사용된다. 본실험환경의대표적인가시경로환경인사무실 1에서는송, 수신기사이의간격이넓어짐에따라수신주파수톤의표준편차가증가하다가일정거리이상송수신기의간격이벌어질경우에는일정한값으로수렴하는것으로나타났다. 결과는그림 6에나타났다. 그리고, 수신주파수톤의전력이평균수신전력에서일정한범위내로수신될은그림 7에나타나는것처럼줄어들었다. 그림 7에서 그림 5. 가시경로환경에서수신신호의누적분포함수와비가시경로환경에서의누적분포함수의비교 그림 6. 가시경로가존재하는환경에서송신기와수신기의간격과수신주파수톤의표준편차 705

한국통신학회논문지 '06-7 Vol.31 No.7A 표 3. 경로가시경로유무에따른표준편차, 값 표준편차 1dB 3dB 5dB 10dB LOS 5.643 0.1529 0.4406 0.6692 0.9294 NLOS 6.811 0.1205 0.3569 0.5602 0.8730 LOS NLOS 0.829 1.269 1.235 1.195 1.065 그림 8.

5 한국통신학회논문지 '06-7 Vol.31 No.7A 표 3. 경로가시경로유무에따른표준편차, 값 표준편차 1dB 3dB 5dB 10dB LOS NLOS LOS NLOS 그림 8. 가시경로가있을때와없을때주파수이격에따른상관계수값의변화 그림 7. 사무실 1 에서가시경로가존재할때수신신호톤의전력이평균수신전력근처의특정한범위에속할 1dB는수신주파수톤의전력이 [ 평균수신전력-1, 평균수신전력 +1] 의범위에위치함을나타내며 90% 의은전체주파수톤 (801 주파수톤 *500스냅샷 ) 중 90% 가일정한범위내에속함을나타낸다. 그림 6과그림 7에서나타나듯이주파수에따른수신전력의세기는거리가멀어질수록산재되며이에반비례하여값은떨어지는것으로나타났다. 이러한현상은가시경로가확보되지못한 NLOS 환경에서도비슷하게나타났는데표 3에나타났듯이표준편차값이큰 NLOS의경우값도 LOS값과의비례정도에반하여줄어든것으로나타났다. 다만, 가시경로가확보되지못했을경우에는표준편차값이송수신기사이의거리에비례하는경향은갖지않은채가까운거리에서부터도큰값의표준편차를지니며비교적일정한값을나타냈다 수신전력사이의상관관계 주파수에따른수신전력사이의상관관계는하나의수신신호로부터다른주파수의신호를예측하여전반적인수신전력정도를예상할수있게한다. 자세한연관계수 (correlation coefficient) 의식은 (2) 를따르고있으며환경에따른연관계수값의변 화는그림 8에나타나있다. 전반적으로 NLOS환경에서의연관값이 LOS 환경에서의연관값보다작았으며연관주파수폭 (coherence bandwidth) 의기준이되는 90% 와 50% 를기준으로보면 90% 기준에서는 LOS, NLOS 환경의경우모두 2MHz이상의주파수이격이생기면서연관도가떨어지는것으로나타났으나 50% 기준에서는 LOS 환경에서는 10MHz 이상의주파수이격이생겨야주파수연관도가떨어지는것으로나타났다. 주파수 에해당하는수신신호크기 Ⅳ. 결론 (2) 본논문에는초광대역통신시스템을효과적으로구축하기위한측정기반의초광대역채널모델링내용이기술되어있다. 측정시스템은채널특성분석을위해주파수편향방법을사용하였다. 세곳의사무실에서측정된결과로, 가시경로가보장된환경에서는경로감쇄지수가 1.6보다작고, 비가시경로환경에서는 2보다큰것을알수있다. 그리고각주파수영역의경로감쇄지수는가시경로의상태에영향을받지않고실험환경에영향을받음을알수있다. 또한가시경로가있는신호의측정값이 Rician 분포를나타내고, 가시경로가없는신호의측정값이 Rayleigh 분포를따름을알수있다. 마지막으로, 가시경로가존재하는환경에서, 송신기와수신기사 706

논문 / 초광대역통신시스템의통계학적채널모델링 이의간격이커짐에따라수신주파수톤의파워의표준편차가증가하고, 그값은가시경로가없는경우의값과유사한값으로수렴됨을알수있다. 그리고수신신호파워가수신신호의평균값을기준으로특정한범위에있을은표준편차에반비례함을알수있었으며수신전력의상관도는가시경로가확보된경우에는 10MHz 이상의주파수이격이있을시에연관도가떨어지는것으로나타났다.

6 논문 / 초광대역통신시스템의통계학적채널모델링 이의간격이커짐에따라수신주파수톤의파워의표준편차가증가하고, 그값은가시경로가없는경우의값과유사한값으로수렴됨을알수있다. 그리고수신신호파워가수신신호의평균값을기준으로특정한범위에있을은표준편차에반비례함을알수있었으며수신전력의상관도는가시경로가확보된경우에는 10MHz 이상의주파수이격이있을시에연관도가떨어지는것으로나타났다. 참고문헌 [1] Federal Communications Commission, First Order and Report, Revision of Part 15 of the Commission s Rules Regarding UWB Transmission Systems, Federal Communications Commission, FCC 02-48, Apr. 22, [2] Cassioli, D., Win, M.Z. and Molisch, A.F., The ultra-wide bandwidth indoor channel: from statistical model to simulations, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 20,Issue 6,pp , Aug [3] K. Siwiak, A path link model for ultra wide band pulse transmissions VTC 2001 Spring, vol. 2, pp , May [4] S.S Ghassemzadeh, L.J. Greenstein, A. Kavcic, T. Sveinsson and V. Tarokh, UWB Indoor Path Loss Model for Residental and Commercial buildings, in Proc. IEEE Veh. Technol. Conf. (VTC 200-Fall), vol. 5, pp , Oct [5] R.A. Scholtz et al, UWB radio deployment challenges. PIMRC 2000, vol. 1, pp , Sep [6] Uguen, B., Plouhinec, E., Lostanlen, Y., Chassay, G., A deterministic ultra wideband channel modeling, IEEE Conference on Ultra Wideband Systems and Technologies, pp. 1-5, May [7] Ramirez-Mireles, F., On the capacity of UWB over multipath channels, IEEE Communications Letters, vol 9, Issue 6, pp , Jun [8] Chong, C.-C., Yong, S.K., A Generic Statistical-Based UWB Channel Model for High-Rise Apartments, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 53, Issue 8, Part 1, pp , Aug [9] Irahhauten, Z., Nikookar, H., Janssen, G.J.M., An overview of ultra wide band indoor channel measurements and modeling, IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 14, Issue 8, pp , Aug [10] I. Oppermann. et al, UWB Theory and Applications, Wiley, England, [11] A. Saleh, R. A. Valenzuela, A Statistical Model for Indoor Multipath Propagation, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol 5, Issue 2, pp , Feb [12] Theodore S. Rappaport, Wireless communications: principles and practice 2nd edition, Prentice Hall PTR, Upper Saddle River, NJ, USA, [13] H. L. Bertoni, Radio propagation for modern wireless systems, Prentice Hall PTR, New Jersey, [14] [15] S.C.Kim, H. L. Bertoni, M. Stern, Pulse propagation characteristics at 2.4GHz inside buildings, IEEE Journal on Vehicular Technology, vol 45, Issue 3, pp , Aug [16] N.K.Kang,S.C.Kim, Statistical characterization of indoor mimo channel properties at 5.8GHz in the office building, International Symposium on Antennas and Propagation 2005, Aug 최진원 (Jinwon Choi) 정회원 2002년 2월서울대학교전기, 컴퓨터공학부학사 2005년 2월서울대학교전기, 컴퓨터공학부박사수료현재서울대학교전기, 컴퓨터공학부박사과정 < 관심분야 > 무선통신시스템, 채널모델링, UWB 707

2002년 3월 ~ 현재서울대학교전기컴퓨터공학부박사과정 < 관심분야 > 전파전파, 이동통신, MIMO 시스템김정욱 (Jeong-Wook

이동통신, MIMO 시스템 김성철 (Seong-Cheol Kim) 종신회원 1984년서울대학교전기공학과학사 1987년서울대학교전기공학과석사

7 한국통신학회논문지 '06-7 Vol.31 No.7A 강노경 (Noh-Gyoung Kang) 정회원 2000년 2월서울대학교전기컴퓨터공학부졸업 2002년 2월서울대학교전기컴퓨터공학부석사 2002년 3월 ~ 현재서울대학교전기컴퓨터공학부박사과정 < 관심분야 > 전파전파, 이동통신, MIMO 시스템김정욱 (Jeong-Wook Kim) 준회원 2006년 2월서울대학교전기컴퓨터공학부졸업 2006년 2월 ~ 현재서울대학교전기컴퓨터공학부석사과정 < 관심분야 > 전파전파, 이동통신, MIMO 시스템 김성철 (Seong-Cheol Kim) 종신회원 1984년서울대학교전기공학과학사 1987년서울대학교전기공학과석사 1995년 Polytech University 박사 1995년 ~1999년 AT&T 연구소 1999년 ~ 현재서울대학교조교수, 부교수 < 관심분야 > 무선통신, 이동통신, 유무선채널모델링, MIMO-OFDM, 전력선통신, 위성통신, 전파전파, 전파환경 708

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±è¼ºÃ¶ Ãâ·Â-1 Localization Algorithms Using Wireless Communication Systems For efficient Localization Based Services, development of accurate localization algorithm has to be preceded. In this paper, research trend