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1. 서 론

전파통신에서의 사용 주파수대, 사용 환경 및 응용 시스템에 따라 다양한 다른 전파전파 특성을 가지며, 전파자원을 효율적으로 이용하기 위해서는 시스템 설계에 앞서 제반 전파 전파 특성연구가 선행되어야 한다. 이러한 전파전파 특성연구는 많은 측정을 통하여 규명되는 전파전파 특성과 이를 통하여 획득되는 전파채널 예측모델은 무선통신시스템의 성능 시뮬레이션을 통한 시스템 및 무선망 설계에 없어서는 안 된다(Parsons, 1992).

주파수가 낮은 대역에서는 전파가 지표면(수면)을 따라 잘 전송되는 특성이 있어서, 비교적 먼 거리까지 전송이 가능하여, 선박통신이나 항해용 보조기기 같은 장거리 용도로 장파가 아직도 쓰이고 있고, 중파는 지표파의 특성 때문에 비교적 먼거리까지 전송이 가능하다. 단파대에서는 지상 100 km ∼ 450 km 상공에 있는 전리층에 의하여 전파가 반사되어 아주 멀리까지 전송이 가능하다(Ham, 1997).

초기에 중파 DGPS(Differential Global Positioning System) 및 초단파 선박자동식별장치(AIS)의 보정국과 감시국을 구축할 때 기준국은 전파 커버리지를 고려하고 감시국은 기준국을 감시할 수 있는 기본적인 전파환경과 감시 시설을 고려하였다(NMPNT, 2020).

R-Mode는 시설 중복투자를 막기 위해 기존 인프라인 DGPS 기준국과 감시국, 선박자동식별장치(AIS)의 시설을 활용하고자 한다. R-Mode 보정국과 감시국 추가신설을 통하여 서해 일부지역의 전파 음영구역을 해소하고자 전파전파 특성과 전파환경 분석을 통하여 보다 구체적인 방법으로 분석하였다.

본 논문에서는 중파의 전파전파 특성에 대하여 다루고 중파 R-Mode 보정국과 감시국 신설 후보지를 선정하기 위한 전파환경을 분석하였다.

2. R-Mode

R-Mode(Ranging Mode)는 GNSS의 취약성(RTI, 2019; Innovate UK, 2017)에 대해 보완 하고자 범지구 위성 항법 시스템(GNSS)와 독립적으로 제안된 지상 백업 내비게이션 시스템이다(IALA, 2005). 예를 들어 중파(MF) 무선 비콘 및/또는 AIS 기지국과 같은 기존 해양 인프라에서 일반적으로 전송되는 거리 측정 신호를 사용하며, 이는 향후 VDES(VHF Data Exchange System)의 구성 요소가 될 가능성이 매우 크다(IALA, 2008).

기존 해상 인프라에 추가 R-Mode 기능을 추가하는 것은 많은 하드웨어가 설치되어 있어 신규 송신기 및 안테나를 설치할 필요가 없으므로 비용 측면에서 유리하다. 그리고 주파수 또한 해상무선항법을 위해 할당되어 있으며(IALA, 2005), 중파 DGPS(Differential Global Positioning System) 기준국과 AIS(Automatic Identification System) 기지국이 주요 해운 경로를 따라 설치되어 선박에 서비스를 제공하고 있어 R-Mode 송신국으로 활용하기 좋은 인프라이다.

2.2 무선국 치국 절차

Fig. 1의 1단계 사전조사에서는 주파수, 시간, 위치 등 통신 정보 등을 검토하고 지도와 지형 데이터베이스를 이용하여 검토 대상사이트를 분석하여 전파 도달 거리를 시뮬레이션 한다. 2단계 현장조사는 일차적으로 분석된 사이트들에 대하여 연구자료 등을 참고하여 직접 현장조사(전파측정 및 환경측정 등)를 실시하고 지도와 지형 데이터베이스에서 제공되지 않는 정보에 대하여 조사한다. 3단계 최종분석은 사전 분석 자료와 현장조사 자료를 종합하여 보다 정밀하고 다각적인 각도에서 사이트 설치 후보지를 검토한다. 사이트 설치에 필요한 지리적, 자연적 환경 분석과 기타 건설비용, 행정적 측면 등의 제반사항을 고려하고 시뮬레이션 및 현장조사 결과를 종합 분석하여 최종후보지를 선정한다.

Fig. 1.

Radio station candidate site selection procedure

3. 이론적 해석

전파의 전송구간에 장애물이 없어 전파가 직진하는 자유공간이라 가정하면 모든 방향으로 균일하게 전파되는 송신안테나에서 거리 R 만큼 떨어진 점에서의 수신전력 P_r은 송신전력 P_t를 구의 표면적으로 나눈 것과 같은 다음과 같은 관계식을 갖는다.

여기서 f는 주파수, G_t는 송신안테나 이득, G_r은 수신안테나의 이득, c는 광속을 나타낸다. 즉 자유공간에서의 전파의 전력세기는 거리의 자승에 역비례적으로 감소하며, 주파수에 따른 송·수신안테나 이득과 같을 때 사용주파수의 자승에 역 비례적으로 수신전력 세기는 감소한다.

지면위에서 전파가 이루어지는 경우 지면을 지구곡률을 감안한 단순한 구면 혹은 평면의 반사면으로 생각한다. 수신되는 파는 직접파, 지면반사파, 지표파의 합성파로 생각하며, 송수신 안테나 높이, 송·수신 안테나간의 거리의 함수로 수신전력을 해석한다. 지표파는 대지가 완전 반사체가 아니므로 신호의 일부가 지면내로 흡수된다. 이것이 지면전류를 야기시켜 지표상에 전자파가 존재하게 만드는데, 이 지표파는 거리가 멀어질수록 또 주파수가 높을수록 그 영향이 감소된다(Ham, 1997).

4. 수치시뮬레이션

R-Mode는 전 세계적으로 AIS 및 DGPS 신호 이용이 논의되고 있다(ACCSEAS, 2014a; 2014b; 2014c). 우리나라는 보조항법으로 eLoran 신호를 추가 활용계획이다(MOF, 2019).

Table 1, Table 2은 최근 3년간(2018∼2020년) 해양수산부 한빛호의 ANRITSU ML4208을 이용한 중파 측정데이터 분석 결과를 나타낸다. 전계강도(FLD)와 신호대잡음비(SNR)은 인천, 평택, 대산 모두 비슷하나 유효 전계강도기준치 40 dB㎶/m와 신호대잡음비 8 dB(ITU-R, 2006) 기준에 미달되는 신호 비율이 인천이 가장 높으므로, 이번 전파분석에서는 인천지역을 제외하고 전파음역지역이 적은 평택과 대산을 R-Mode를 테스트 후보지로 정하였다.

Table 1.

FLD and SNR by venue (HANVIT Ho)

Table 2.

Percentage of Substandard by venue (HANVIT Ho)

R-Mode 시험을 수행하기에 적합한 지역인 평택, 대산에서 전계강도 및 신호대잡음비 기준에 미달하는 신호가 존재하므로 이를 보완할 필요가 있다. 신설 후보지를 선정하기 위한 평택, 대산지역의 전파 환경측정 대상지는 선박이 주로 이용하는 항만과 항로에 인접한 해안가에서 약 5 NM 간격으로 선정하였고 위치는 Table 3과 같다.

Table 3.

Radio wave measurement place

Fig. 2.

Radio wave measurement place

Fig. 3는 전파 환경측정 대상지중 제부도의 수평앙각도 분석을 파노라마 사진과 ATDI사의 ICS telecom EV(중파 시뮬레이션 툴)를 이용 것을 나타낸다. 수평앙각도는 지표면과 공간 교차점을 연속하여 360°를 표시한 그림이며 주간의 지표(지상)파 전파와 전방향의 전리층을 이용하는 야간 중파통신에서는 낮은 앙각에서 우수한 전송품질이 유지된다.

Fig. 3.

Sky line of Jebudo

Fig. 4은 ATDI사의 ICS telecom EV(중파 시뮬레이션 툴)를 이용한 시뮬레이션결과를 나타내며 주파수 300 KHz, 출력 300 W, 안테나 높이 10 m, 송신안테나 이득 –20 dB, 수신안테나 이득 –40 dB, 송신 점유주파수 대역폭을 100 Hz 사용하였으며 빨강색 부분은 30 dBuV/m(-37 dBm), 황색은 20 dBuV/m(-47 dBm)으로 바다쪽의 수신환경이 좋음을 나타낸다.

Fig. 4.

Simulation results of Jebudo using ICS telecom EV

Table 4는 바다와 육지의 수직 및 수평편파의 손실을 대지와 바다의 유전율(ε_r)과 도전율(σ), 주파수 300 KHz, 송·수신 안테나 높이는 각각 10 m와 2 m 및 200 Km 구간에서 GRWAVE를 이용하여 시뮬레이션한 중파 전파 손실을 나타낸다.

Table 4.

Polarization loss for frequency 300 KHz

중파 전파전파는 바다의 동일거리에서 수직편파는 수평편파보다 적은손실로 전송되며, 건조한 육지의 동일 경로에서 수평편파는 수직편파 보다 적은 손실로 전송된다. 이것은 중파에서 손실을 적게 하기 위하여 보정국의 위치는 내륙에 위치하는 것 보다는 해안가에 위치하는 것이 유리하며, 수평편파보다 수직편파를 이용하는 것이 유리하다.

Fig. 5의 도표는 바다와 육지에서 출력 1 kW, 주파수 300 KHz, 200 Km 경로의 전송손실로 인한 수신전계 강도는 61 dBuV/m(바다, 검은색 원)와 20 dBuV/m(육지, 녹색 원)을 나타낸다(ITU, 2007).

Fig. 5.

Ground-wave propagation for different values of σ and ∊_r

5. 전파 환경 측정

VHF(초단파) 전파 측정은 표준안테나인 바이코니컬(Biconical) 안테나 및 무지향성 윕(Whip) 안테나를 사용하였고, 중파(MF) 및 장파(LF) 전파 측정은 N9340B 스펙트럼분석기와 표준안테나인 LOOP 안테나와 역 L형 안테나를 사용하였다. 그리고 대지고유저항은 Metrel, MI3123을 이용하여 전파측정개소에서 측정하였다.

5.1 초단파(VHF) 측정 결과

Fig. 6는 AIS 수신신호의 세기를 측정한 결과이며, AIS Ch 87(161.975 MHz) 신호레벨은 석문선착장(-25 dBm), 대산항(-28 dBm) 순으로 높게 나타났고, 풍도(-93 dBm), 벌천포해변(-76 dBm) 순으로 낮게 나타났다. 대부분의 신호는 선박국에서 기인한 전파로 선박국이 이동하면서 위치가 달라지고 이에 따라 전파의 크기가 달라지므로 절대적인 비교 대상은 아니다.

Fig. 6.

Measurement Result of AIS

AIS ch 88(162.025 MHz) 신호레벨은 석문선착장(-28 dBm), 대산항(-36 dBm) 순으로 높게 나타났고, 장고항(-97 dBm), 매향리(-95 dBm) 순으로 낮게 나타났다.

잡음레벨은 석문선착장, 대산항, 석문각에서 –100 dBm으로 높게 나타났으며, 장고선착장에서 –117 dBm으로 낮게 나타났다.

5.2 중파(MF) 측정 결과

Fig. 7은 DGPS 수신신호의 세기를 낮 시간대에 측정한 결과이다. 수신신호의 세기는 낮 시간대 중 석문각에서 평균 –92.8 dBm으로 높게 나타났으며, 궁평항과 매향리에서 평균 –96.7dBm으로 낮게 나타났다.

Fig. 7.

Measurement Result of DGPS for Day

Fig. 8은 DGPS 수신신호의 세기를 밤 시간대에 측정한 결과이다. 수신신호의 세기는 밤 시간대 중 석문각에서 평균 –93.3 dBm으로 높게 나타났으며, 매향리에서 평균 –96.2 dBm으로 낮게 나타났다.

Fig. 8.

Measurement Result of DGPS for Night

잡음레벨은 궁평항에서 –112 dBm으로 가장 낮게 나타났으며, 제부도에서 –95 dBm으로 가장 높게 나타났다.

5.3 장파(LF) 측정 결과

Fig. 9은 Loran-C 수신신호의 세기를 낮 시간대에 측정한 결과이다. 수신신호의 세기는 낮 시간대 중 석문각에서 –84 dBm으로 높게 나타났으며, 벌천포해변에서 –87 dBm으로 낮게 나타났다.

Fig. 9.

Measurement Result of Loran for Day

Fig. 10은 Loran-C 수신신호의 세기를 밤 시간대에 측정한 결과이다. 수신신호의 세기는 밤 시간대 중 석문선착장에서 –84 dBm으로 높게 나타났으며, 궁평항에서 –92 dBm으로 낮게 나타났다.

Fig. 10.

Measurement Result of Loran for Night

잡음레벨은 풍도에서 –100 dBm으로 낮게 나타났으며, 제부도에서 –85 dBm으로 높게 나타났다.

5.4 대지고유저항 측정 결과

Fig. 11은 대지고유저항을 측정한 결과이다. 대지고유저항은 매향리에서 16.7 Ω/m으로 가장 낮게 나타났고 벌천포해변에서 864 Ω/m로 가장 높게 나타났다.

Fig. 11.

Measurement Result of Earth Resistivity

6. 결 론

서해지역에서 R-Mode 보정국과 감시국 신설을 위해 시뮬레이션 및 전파 전파특성을 분석한 결과 중파에서 손실을 적게하기 위하여 보정국의 위치는 내륙에 위치하는 것보다는 해안가에 위치하는 것이 유리하며, 수평편파보다 수직편파를 이용하는 것이 유리한 것으로 나타났다.

신설 보정국 및 감시국은 대지고유저항이 0에 가까울수록 장해 또는 감전 위험이 없으므로 이상적이다. 전파 환경 측정 결과 대지고유저항 기준 신설 후보지는 제부도, 궁평항, 매향리 순이다. 대지고유저항이 높은 곳은 대지에 접지 저감제를 섞어 낮추거나 접지 전극의 모양과 크기를 조절할 수 있다.

신설 보정국 대상지는 AIS, DGPS, Loran-C 신호레벨이 낮은 곳에 신설되어야 한다. 전파 환경 측정 결과 AIS 신호레벨이 낮은 곳은 풍도, 장고항, 매향리, 벌천포해변이고, DGPS 신호레벨이 낮은 곳은 궁평항, 매향리이다. 그리고 Loran-C 신호레벨이 낮은 곳은 벌천포해변, 궁평항이다.

현장조사 결과 장고항과 매향리는 바닥이 콘크리트로 타설되어 있으며, 인근에 항이 있고 곳곳에 작은 촌락이 형성되어 있다. 그러므로 신설 보정국은 장고항∼매향리 사이에 설치되어야 한다.

감시국의 경우 외부간섭(잡음)과 관계가 있으므로 잡음이 적은 장고선착장, 궁평항, 풍도가 적합하다. 그러나 장고선착장, 궁평항, 풍도는 보정국 신설 후보지와 가깝거나 유지보수를 위한 접근성이 좋지 않다. 이에 반해 영흥도는 해상교통관제센터 초고주파(Microwave) 중계기가 설치되어있는 등 국가 소유 부지에 전원도 설치되어 있어 여러 가지 제반 여건들이 갖춰져 있어 감시국 후보지로 적절한 것으로 사료된다.

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