In this dissertation, we have developed a new ray tracing method (Deterministic Ray Tube method) that can provide accurate site-specific propagation predictions in heterogeneous urban microcellular and indoor environments. The method is based on image theory and has high computational efficiency and accuracy, compared to the precedent methods resorting to the SBR (shoot and bounce ray) scheme.
In the Deterministic Ray Tube (DRT) method, three kinds of ray tubes are defined and treated in a simple and unified manner. (In the indoor environment, four kinds of ray tubes are considered.) The DRT approach can be used for any complex propagation environment with arbitrary building layouts and heights, and find all propagation paths from a transmitter to a receiver extensively without redundant computations. In addition, since it is fundamentally a point-to-point tracing technique based on the image concept, it does not require reception tests and guarantees high accuracy. Its computational efficiency is also as high as the image method.
First, we describe the theoretical basis of the DRT method for urban microcellular environments in detail. The quasi and full three-dimensional DRT methods are described and a new hybrid method combining the UTD with the near-field ray calculation method is proposed to determine the diffraction loss due to propagation over buildings with irregular heights and spacings.
The validity of the DRT method is discussed by means of comparisons with measurements. Two measurement campaigns conducted in Ottawa, Canada and Munich, Germany are described and compared results are reported in detail.
Second, the DRT method is applied to the indoor environment in consideration of transmitted rays through walls and the prediction results are compared with the published measurements.
Finally, the possible prediction errors of the ray tracing model are discussed. The effects of building position tolerances as well as electrical properties of building materials are presented.
The DRT method surpasses empirical channel models and provides a bounty of additional information including the RMS delay spread, angle of arrival, and overall wide-band channel impulse response.
IMT-2000을 비롯한 차세대 무선 통신 서비스들은 가입자 수용 용량을 확대하고 멀티미디어를 포함한 고품질의 통신 서비스를 제공하기 위하여 궁극적으로 마이크로셀 및 피코셀(실내 환경)에 기반을 둔다. 마이크로셀과 피코셀은 기존의 매크로셀과는 여러 가지 상이한 점이 많으며 특히 전파전파 환경에서 두드러진 차이를 보인다. 매크로셀에서는 전파전파 환경이 주로 지형 및 건물의 분포에 의하여 특징 지워졌으나 마이크로셀 및 피코셀에서는 지형과 건물의 분포 이외에도 건물 개개의 모양, 배치 및 건물 내부 구조에 의하여 전파전파 환경이 크게 달라진다. 이러한 마이크로셀과 피코셀의 복잡한 전파 환경을 정확하게 예측하고 최적으로 셀을 배치하기 위해서는 다양한 형태의 지형지물 및 건물 구조의 영향을 고려할 수 있어야 하며 기지국의 위치 및 기지국 안테나의 높이와 복사 패턴, 송신 전력 등 다양한 파라미터를 동시에 수용할 수 있는 전파전파 예측 기법이 필요하다. 따라서 기존의 매크로셀의 전파전파 환경을 기술하기 위한 실험·통계적 전파전파 모델을 마이크로셀과 피코셀에 그대로 적용하는 것은 불가능하며 이들의 전파전파 환경을 기술하기 위한 새로운 이론적 전파전파 모델이 필요하다.
최근 마이크로셀과 피코셀의 전파 환경을 기술하기 위한 전파전파 모델로서 UTD(Uniform Geometrical Theory of Diffraction)에 바탕을 둔 광선 추적(ray tracing) 모델이 가장 우수성을 인정받고 있으며 이미 여러 문헌들을 통하여 그 정확성이 입증되었다. 그런데, 지금까지 발표된 광선 추적 모델들은 주로 광선 발사법(ray launching method)과 전기 영상법(image method)에 바탕을 둔 것들로서 여러 가지 문제점을 가지고 있다. 광선 발사법은 송신 안테나로부터 등간격으로 다수의 레이(ray)를 발사한 뒤 각각의 레이를 추적하여 수신점에 도달하는 레이를 찾는 방법이다. 이 방법은 임의의 건물 모양 및 도로 구조에 대하여 해석이 가능하다는 장점을 가지고 있으나, 실제로 수신 안테나에 도달하는 레이뿐만 아니라 도달하지 않는 레이들도 모두 검색하여야 하므로 상당히 많은 해석 시간을 요구한다. 또한 정확한 반사점과 회절점을 결정하지 못하며 수신구(reception sphere)에 근거한 수신 시험(reception test)의 부정확성으로 인하여 해석 결과의 정확도도 상당히 떨어지게 된다. 한편, 전기 영상법을 이용한 광선 추적법은 점대점(point-to-point) 광선 추적법의 하나로서 수신 시험을 필요로 하지 않고 정확한 반사점과 회절점을 제공하므로 해석 결과가 상당히 정확하며 해석 속도도 상당히 빠른 장점이 있다. 그러나 전기 영상을 생성하는 산란체의 결정이 어려워서 복잡한 모양의 건물이나 도로 구조를 해석하기에 부적당하므로 십자형 도로와 같은 간단한 구조를 해석하는데 주로 사용된다.
본 논문에서는 이러한 기존의 광선 추적법의 한계를 극복한 새로운 방법을 제안하였다. 제안한 방법은 "레이 튜브(ray tube)"라는 새로운 개념을 이용하여 반사 및 회절과 같은 산란 현상을 통일된 방법으로 체계적으로 표현하고, 이를 이용하여 빠르고 정확한 광선 추적이 가능하도록 하는 방법이다. 본 논문에서 정의한 레이 튜브는 전기 영상과 회절 전원과 같은 가상 전원(virtual source)의 정보와 이들로부터 복사되는 레이들의 존재 영역에 대한 정보를 가지는 것으로 흔히 말하는 기존의 레이 튜브와는 그 의미가 다르다. 이러한 레이 튜브들은 기지국 및 이동국의 위치와 그 주변의 산란체들에 대한 정보로부터 생성되며 트리(tree) 구조의 형태로 저장된다. 제안한 방법(이하 "결정적인 레이 튜브 방법(Deterministic Ray Tube method; DRT method)"이라고 함)은 임의의 건물 모양 및 도로 구조에 대한 해석이 가능하며 여러 번의 반사와 회절의 조합으로 이루어지는 모든 전파 경로를 불필요한 계산 없이 빠짐없이 고려함으로써 빠르고 정확한 해석 결과를 제공한다. 또한 DRT 방법은 근본적으로 전기 영상법에 근거를 둔 점대점 광선 추적법으로서 정확한 반사점과 회절점을 제공하고 수신구를 이용한 수신 시험을 하지 않기 때문에 매우 정확한 해석 결과를 제공한다.
한편, 본 논문에서는 도심 마이크로셀 환경에서 건물들 위로 진행하는 전파 경로에 대한 전파 손실을 예측하기 위하여, UTD와 근거리 광선 근사법(near-field ray approximation method)을 결합한 새로운 형태의 다중 나이프 에지(multiple knife-edge) 회절 손실 계산법을 제안하였다. 제안한 방법은 천이 영역(transition region)에서 부정확한 결과를 제시하는 UTD의 한계를 극복한 것으로서 불균일한 건물 높이와 간격에 대하여 성공적으로 적용할 수 있다.
마지막으로 본 논문에서는 레이 튜브 트리의 생성 과정에서 투과파를 고려하여 DRT 방법을 실내 전파 환경에 적용할 수 있도록 확장하였다. 제안한 방법은 수직 및 수평 평면으로 구성된 임의의 실내 구조에 대하여 적용이 가능하며 여러 번의 반사와 투과 및 회절의 조합으로 이루어지는 모든 전파 경로를 불필요한 계산 없이 빠짐 없이 고려함으로써 빠르고 정확한 해석 결과를 제공한다.
본 논문에서는 제안한 방법의 실효성을 검증하기 위하여 여러 문헌에서 발표된 실제 측정 결과와 비교하였으며, 그 결과 상당히 정확한 해석 결과를 얻을 수 있음을 확인하였다.
