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A Study on the Propagation Environment for VHF Maritime Digital Communications Operation in South Sea Area
A Study on the Propagation Environment for VHF Maritime Digital Communications Operation in South Sea Area
Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering. 2014. Jun, 18(6): 1310-1316
Copyright © 2014, The Korea Institute of Information and Commucation Engineering
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/li-censes/by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
  • Received : April 29, 2014
  • Accepted : June 04, 2014
  • Published : June 30, 2014
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양로 주
Department of Marine Electronic Communications Engineering, Mokpo Maritime University, Mokpo, Korea
갑기 김
Department of Marine Info-Communications Engineering, Mokpo Maritime University, Mokpo, Korea
조천 최
Department of Marine Computer Engineering, Mokpo Maritime University, Mokpo, Korea
choijo@mmu.ac.kr
성로 이
Department of Info-Communications Engineering, Mokpo National University, Mokpo, Korea

Abstract
IMO(International Maritime Organization)에 의하면 2017년부터 해상을 항해하는 모든 선박은 VHF(Very High Frequency) 디지털통신을 운용할 수 있도록 권고되어 있다. 국내에서도 5톤이상의 어선 및 모든 선박에 대하여 무선설비 관련 규정에서 안전운항을 확보하고 해양사고 발생시 신속하게 대응하기 위하여 선박의 소유자는 해양수산부 장관의 고시에 따라 디지털방식에 의한 위치자동발신 장치를 갖추도록 규정하고 있다. 따라서 2012년 어업정보통신국에서는 동해안에 VHF DSC(Digital Selective Calling)에 의하여 위치정보를 자동 수신하는 해안국을 설치하여 운용하고 있다. 한편, 남해안과 서해안은 복잡한 해안선과 다도해의 지형적 환경으로 VHF 통신서비스에 많은 제약을 받는다. 본 연구는 남해안에 VHF 해안국의 입지를 선정하기 위하여 해상에 대한 전파커버리지를 분석하였고, 해안국의 통신권 설정을 위하여 RSSI(Received Signal Strength Indication) 비교 및 VMS(Vessel Monitoring System)에 의한 선박추적 기법을 제안하였다.
Keywords
Ⅰ. 서 론
VHF 전파를 이용하는 해상통신은 넓은 대역의 FM방식으로 스켈치 기능이 있어 송수신 감도 및 음질이 탁월하나 손실률이 커서 통달거리가 짧은 것이 단점이다. 특히 직진성이 강하기 때문에 섬과 같은 장애물이 많은 곳은 음영지역이 존재하여 통신이 곤란하지만, 넓은 해상에서는 송수신 안테나의 높이에 따른 가시거리 통신으로 규정할 수 있다. 광학적 가시거리는 지구등가 반경계수를 K=4/3으로 가정한 경우 다음식과 같다.
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위의 식에서 D는 전파 가시거리, h1은 송신측 유효안테나 높이(m), h2는 수신측 유효안테나 높이(m)이며, VHF 전파의 통달거리는 (1)식을 기본으로 안테나 높이와 GIS 정보를 활용하는 시뮬레이션 tool을 사용하여 전파커버리지를 예측할 수 있다. 한편, 국내의 VHF 해상 디지털통신은 수협중앙회 어업정보통신국에서 2010년 DSC 채널에 의한 시범운용을 시작으로 자동호출, 자동위치발신 및 조난통신 버튼에 의한 자동 조난신호 발신 체제를 구축하고 있다 [1] . 본 논문은 남해안에 VHF 디지털용 해안국의 입지선정을 목적으로 해상에 대한 전파커버리지 분석과 통신권 설정을 위한 RSSI (Received Signal Strength Indication) 비교 및 항적추적 기법에 대하여 연구하였다 [2] .
Ⅱ. 전파커버리지 분석기법
VHF대 이상의 주파수는 전리층을 통과하지만 sporadic E층이 나타나면 VHF대 전파는 반사되어 초가시거리까지 전파한다. 그러나 sporadic E층은 시간적, 공간적으로 불규칙하므로 통신에 이용할 수는 없다.
대기에 의한 굴절로 말미암아 전파가시거리는 광학적 가시거리보다 멀어진다. 초가시거리 전파로는 산악회절, 라디오닥트, 대류권 산란파, sporadic E층에서의 반사, 전리층 산란파 등이 있는데 라디오닥트와 스포래딕 E층 반사는 시간적 공간적으로 불규칙하여 안정된 회선을 구성할 수 없다. 산악회절 이득은 송수신점 중간에 산악이 있어야 하는 문제가 있어 원하는 통신회선을 구성하는데 제약이 있다. 즉, VHF 전파는 지표파의 감쇠가 크고, 전리층 반사파는 일반적으로 무시되므로 주로 직접파와 대지반사파에 의해서 전달된다. 이러한 VHF 대역의 전파환경 시뮬레이션에 대한 중요한 기술적 요소는 예측모델과 지형 데이터베이스의 설정이다.
본 연구에서는 REGIS 전파분석 시뮬레이션 프로그램을 사용하였으며, 지형정보가 입력된 데이터베이스에서 분석대상 해역의 모든 수신점에 대하여 전파경로는 TIREM(Terrain Integrated Rough Earth Model) 기법이 사용된다. 이 모델은 미국 상무성에서 개발한 point to point 전파모델로 계산과정은 다음과 같다. [3 , 4]
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여기에서 E는 최종전계강도, BFS는 평지에서의 기본전계강도, RAL은 수신안테나 높이에 따른 손실 보정항, BAL은 송신안테나 높이에 따른 보정항, DL은 회절 손실이다. BFS는 모델 계산시 가장 기본이 되는 기준전계강도이며, EIRP 1[KW]에서 송수신 안테나의 높이를 각각 30[m], 1.8[m]를 기준으로 계산하면 식(4)와 같다.
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식(4)에서 d는 거리[Km], f는 주파수[MHz]이며, 해발고를 포함한 송신안테나 높이 hT를 고려하면 BFS는 식(5)와 같이 변형된다.
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DL은 전파경로가 비가시거리인 경우 자유공간 전계강도 값에서 회절손실을 감한 값이다. 따라서 비 가시거리의 최종 전계강도는 평지의 전계강도와 회절손실에 의한 전계강도를 계산하여 작은 값을 선택한 후 지역별 수신안테나 높이에 따른 손실을 보정하게 된다. TIREM 모델의 시뮬레이션 처리과정은 다음과 같이 8단계로 구성된다.
① 1단계 : 초기입력 단계 무선국 데이터와 관련된 무선국 안테나의 좌표(경위도), 주파수, 출력, 최대 반경 데이터, 안테나 높이(해발고+안테나고) 및 안테나 이득 등을 입력.
② 2단계 : 지형정보 검색 입력된 좌표로부터 계산할 최대반경을 고려한 방위 각 0도 지점의 좌표를 산출. 계산할 방위각에 대해 선정된 기지국으로부터 30m(또는 n배의 샘플링)간격으로 지형의 고도정보와 특성정보를 읽음.
③ 3단계 : 가시거리(Line-of-Sight) 여부 판정 추출한 고도정보에 의한 가시거리 판정을 위하여 전파경로상의 최대앙각을 구하고, 전파경로상의 지형에 의하여 송수신점을 연결하는 앙각이 크게 되면 비 가시거리로 판정함. 최대앙각은 로 구하며, 여기에서 𝜃i 는 수신점 해발고 hi에 의한 앙각은 수신점 해발고에 수신안테나의 높이를 포함하는 hR에 의한 앙각은 즉, 𝜃max > 𝜃𝜃 Td 를 만족하면 비 가시거리임.
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④ 4단계 : 기본전계강도 계산 기본전계강도 BFS는 식(5)로 계산됨.
⑤ 5단계 : 회절손실 계산 및 전계강도 보정 - 장애물이 1개인 경우에는 BFS= min(BFS, DL), DL=EF-J(v) 임 단, EF=107-20log(d), - 장애물이 2개 이상일 경우에는 BFS= min(BFS, DL), DL=EF-L(d) 임 단, EF는 자유공간의 전계강도, Ld는 전파경로상의 손실로 대략 ′로 계산됨.
⑥ 6단계 : 지역별 수신국 안테나 높이 보정 - 장애물이 1개인 경우에는 추출된 지형특성 데이터에 따라 RAL을 보정하여 전계강도를 얻음. E=BFS+RAL
⑦ 7단계 : 거리증분 후 반복계산 한 지점에 대해 계산이 끝나면 거리를 증가시켜 3단계부터 6단계까지 반복하며, 한 경로의 최대거리의 끝까지 반복함. 한 경로가 끝나면 8단계로 진행.
⑧ 8단계 : 방위각 증가 후 반복계산
위와 같이 한 경로(방위각)에 대해 계산이 끝나면 방위각을 1초 간격으로 증가시킨 후, 2단계부터 7단계까지 반복하고, 방위각이 360도가 되면 전체 과정이 끝나며, 메모리에 저장된 전계강도 값을 화면에 나타낸다.
Ⅲ. 시뮬레이션과 분석
- 3.1. 프로파일 및 해안국 입지
전계강도 커버리지를 분석하는 시뮬레이션 프로그램은 ARPS(Advanced Radio Planning System)을 사용하였고, 프로파일은 다음과 같다.
① 기능
  • - 무선국의 LOS(Line-of-Sight) 결정
  • - 무선국에서 정의되었던 신호레벨의 예측
  • - 송수신 안테나 사이의 전파손실 계산
  • - 무선국간 가용률 계산
② 범위
  • - 주파수범위 1~140[㎓]
  • - 무선구간 최대거리 : 90[km]
③ 남해안 해안국 측정파라미터 값
  • - 프로그램 : ARPS 시뮬레이션 프로그램
  • - 측정주파수대 : 158[㎒]대
  • - VHF 출력 : 25[W]
  • - 안테나 : 전방향 6[㏈i]
  • - 최대거리 : 90[km]
  • - 수신안테나 높이 : 1.5[m]
  • - 송신안테나 높이 : 국소별 입력
  • - 지형좌표계 : 동경좌표 사용(WSG-84좌표)
노이즈의 기준레벨이 10㏈㎶ 미만의 상태에서 커버리지가 최대의 조건을 추구하는 최적지를 현장조사로 선정하여 다음의 표 1 과 같이 15개소의 입지를 선택하였다 [5] .
해난국 입지Table. 1Destination of radio stations
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해난국 입지 Table. 1 Destination of radio stations
- 3.2. 시뮬레이션과 분석
각 해안국의 전파커버리지 시뮬레이션 결과는 그림 1 과 같다.
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해안국 입지별 전파커버리지 Fig. 1 Propagation coverage on the destination of coast stations
그림 1 에서 각 해안국의 커버리지를 분석하면 녹동 해안국은 해발 216[m]에 위치하고 주변의 고지형으로 인하여 전파전파 특성이 열악하게 나타나고 있음을 알수 있다. 남해안 전체 해안국의 커버리지를 합성하면 그림 2 와 같고, 그림 3 은 제주해역의 커버리지이다.
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전체 해안국의 전파커버리지 Fig. 2 Propagation coverage of all coast stations
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제주해역 해안국의 전파커버리지 Fig. 3 Propagation coverage of coast stations in jeju
그림 2 의 커버리지를 분석하면 전남 녹동해안국의 지리적 취약으로 보성만 일대와 경남 대봉산해안국의 가덕도 방향은 가덕도에서 차단되어 여기에서 태종대까지 전파음영 해역으로 나타나고 있음을 알 수 있다.
문제의 해결사항은 보성만의 통항현황은 항만이 부재한 곳으로 소수의 소형선만이 통항하는 해역이며, 가덕도 해역은 부산 신항만으로 대형선박의 통항이 많은 곳이므로 대봉산 해안국에서 가덕도 내해로 지향하는 소형 안테나를 추가하는 방안이 고려되어야 한다.
Ⅳ. RSSI 비교 및 항적추적 기법
- 4.1. RSSI 비교
선박과 해안국 간에는 디지털통신으로 자동 링크설정과 메시지전송이 가능하여야 하며, 이 과정에서 모든해안국은 선박의 위치정보를 수신하고 그중에서 수신신호가 가장 양호한 해안국을 우선 선별하여 통신을 운용하는 RSSI 비교방식을 적용할 수 있다 [6 , 7] .
그림 4 는 동해안과 남해안의 RSSI 환경을 나타낸 것으로 동해안은 완만한 곡선으로 감소되는 형태이며, 남해안은 도서의 영향으로 불규칙하게 감소하는 형태를 비교할 수 있다.
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동해안과 남해안의 RSSI 환경 비교 Fig. 4 Compare with east sea and south sea of RSSI environment
무선설비규칙중 해상업무용 무선설비의 기술기준 제14조(G3E전파를 사용하는 무선설비의 조건) 3항에서 “송신기의 반송파전력은 25W를 초과하지 아니할것” 이라고 규정하고 있다. 그러므로 모든 선박용 VHF 송신설비는 이 규정에 따라 선박무선국 허가시 반송파 전력 25W로 측정, 승인되어 운용하고 있다 [8] .
그러므로 RSSI의 비교를 적용하여 그림 5 와 같이 거리에 의한 수신전계강도의 크기로 선박위치를 추적할수 있다. 그림의 해안국중에서 호출선박의 전파가 가장 양호하게 수신된 해안국은 C 이므로 해당 선박을 해안국 C의 DB(Data Base)에 등록하여 통신권을 설정한다.
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해안국의 RSSI 비교 Fig. 5 Comparer of RSSI to coast stations
- 4.2. 선박추적 기법
그림 6 은 VMS 상에서 선박의 이동경로에 따라 해안국의 통신권을 설정하는 예를 보인 것이다. 우선 RSSI에 따라 통신권역 해안국이 등록되고, 선박이 모든 해안국의 통신권에서 이탈하거나 VHF 통신 불감해역으로 진입하게 되면 해당선박은 이탈선박 DB에 등록되어 해당 선박에 대하여 모든 해안국의 주기적인 호출 운용에 의하여 다시 위치정보를 얻어야 한다.
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항적추적과 통신권 설정 Fig. 6 Navigation tracking and set up of traffic zone
그림 7 의 순서도에서 특정선박을 호출하여 응답할때, 그림 5 와 같이 해안국의 RSSI를 비교하여 전계강도가 가장 높은 해안국을 선택하여 통신을 운용한다.
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통신권 설정 기법 Fig. 7 Methode on set up of traffic zone
그러나 선박이 전파음영 해역으로 진입하여 수신상태가 악화된 경우에는 VMS 상에서 선박의 예상항로를 추적하여 관할 통신권을 결정하며, 관할 통신권의 해안국에서 대상 선박을 호출하게 된다. 선박이 VHF 통신권을 이탈하여 불감해역으로 진입한 상태에서 반복 호출에서도 전혀 응답이 없을 경우에는 VMS의 예상항로 추적에서 VHF 통신권 이탈을 분석하고 판단하게 된다.
Ⅴ. 결 론
항해하는 선박의 안전과 해난에 신속하게 대응하는 방안으로 VHF의 자동위치발신 장치를 포함하는 디지털통신 기술의 도입이 국제적으로 계속 연구되고 있으며, 이것은 E-navigation(Enhenced-) 전략의 기반 기술로 인정되고 있다. 특히, VHF 디지털통신과 연동되는 VMS 연안관리 감시체계는 일반 선박외에도 소형어선, 레져보트 및 의아 선박에 대한 식별을 용이하게 하므로 긍극적으로 해상안전을 최대화하는 목적을 가지고 있다. 추가로 VHF 통신권을 이탈하여 불감해역으로 항해하는 선박에 대해서는 원거리통신 방식인 SSB(로 호출하여 위치를 접수하는 방법이 원칙이며, 이탈선박이 다시 VHF 통신권에 재진입하여 호출에 응답하는 경우에는 RSSI에 의하여 해당 통신권으로 DB를 갱신하게 된다. 결론으로 교통량이 많은 해역에서 VHF 디지털통신을 운용하려는 목적은 안전항해는 물론 연안 VMS에 의한 관리감시 기능을 더욱 신속하고 정확하게 향상시키는 효과를 얻을 수 있기 때문이다.
Acknowledgements
이 논문은 2013년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업(NRF-2009-0093828)과 미래창조과학부 및 정 보통신산업진흥원의 IT융합 고급인력과정 지원사업(NIPA-2014-H0401-14-1009)의 연구결과로 수행되었음.
BIO
주양로(Yang-ro Ju)
2004년 : 목포해양대학교 대학원 해양전자통신공학과 공학석사
현 재: 목포해양대학교 해양전자통신공학과 박사과정, 대양정보통신(주) 대표
※관심분야 : 해상통신, 해양전자
최조천(Jo-cheon Choi)
1986년 : 서울과학기술대학교 전자공학과
1990년 : 조선대학교 컴퓨터공학과 공학석사
1998년 : 한국해양대학교 전자통신공학과 공학박사
1989년 ~ 현재: 목포해양대학교 해양컴퓨터공학과 교수
※관심분야 : 해양전자통신, 계측제어
김갑기(Kab-ki Kim)
1980년 : 광운대학교 통신공학과(공학사)
1984년 : 건국대학교 대학원 전자공학과 (공학석사)
1998년 : 건국대학교 대학원 전자공학과 (공학박사)
2001 ~ 2002년 : 뉴욕시립대학 전자공학과 연구교수
현재 : 목포해양대학교 해양정보통신공학과 교수
※관심분야 : 마이크로파 통신, 초고주파 회로설계, 해상무선통신, 이동통신, 위성통신
이성로(Seong Ro Lee)
1987년 2월 : 고려대학교 전자공학과 학사
1990년 2월 : 한국과학기술원 전기 및 전자공학과 석사
1996년 8월 : 한국과학기술원 전기 및 전자공학과 박사
1997년 ~ 현재 : 목포대학교 정보전자공학과 교수
※관심분야 : Digital Communication System, 위성통신, 해양텔레매틱스, USN
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