Characteristic Analysis of Wireless Channels to Construct Wireless Network Environment in Underground Utility Tunnels

지하공동구 내 무선 네트워크 환경구축을 위한 무선채널 특성 분석

Abstract

The direct and indirect damages caused by fires in underground utility tunnels have a great impact on society as a whole, so efforts are needed to prevent and manage them in advance. To this end, research is ongoing to prevent disasters such as fire flooding by applying digital twin technology to underground utility tunnels. A network is required to transmit the sensed signals from each sensor to the platform. In essence, it is necessary to analyze the application of wireless networks in the underground utility tunnel environments because the tunnel lacks the reception range of external wireless communication systems. Within the underground utility tunnels, electromagnetic interference caused by transmission and distribution cables, and diffuse reflection of signals from internal structures, obstacles, and metallic pipes such as water pipes can cause distortion or size reduction of wireless signals. To ensure real-time connectivity for remote surveillance and monitoring tasks through sensing, it is necessary to measure and analyze the wireless coverage in underground utility tunnels. Therefore, in order to build a wireless network environment in the underground utility tunnels. this study minimized the shaded area and measured the actual cavity environment so that there is no problem in connecting to the wireless environment inside the underground utility tunnels. We analyzed the data transmission rate, signal strength, and signal-to-noise ratio for each section of the terrain of the underground utility tunnels. The obtained results provide an appropriate wireless planning approach for installing wireless networks in underground utility tunnels.

지하 공동구 화재 발생에 따른 직·간접적 피해는 사회 전반에 매우 큰 영향을 미치므로 이를 사전에 예방 및 관리하기 위한 노력이 필요하며, 이를 위해 지하 공동구를 대상으로 디지털 트윈 기술을 적용하여 화재 침수 등의 재난을 예방하는 연구가 진행 중이다. 각 센서로부터 감지된 신호를 플랫폼까지 전송하기 위해서는 네트워크 망이 필요하다. 본질적으로 지하 공동구 터널이 외부 무선 통신 시스템의 수신 범위가 부족하여 지하 공동구 환경에서 무선망을 적용하기 위한 분석이 필요하며, 지하 공동구 내에는 송, 배전 케이블로 인해 발생하는 전자기파 간섭, 내부의 구조물, 장애물 및 수도관 등의 금속 재질 관에서 발생하는 신호의 난반사 등으로 인해 무선 신호가 왜곡되거나 크기 감소가 발생할 수 있으므로 센싱을 통한 원격 감시, 모니터링 작업을 위한 실시간 연결을 보장하려면 지하 공동구 내에 무선 범위를 측정하고 분석해야 한다. 따라서 본 연구에서는 지하 공동구 내 무선 네트워크 환경을 구축하기 위해서 음영지역을 최소화고, 공동구 내부에서 무선환경 연결에 문제가 없도록 실제 공동구 환경을 측정하였으며, 지하 공동구 지형별 각 구간에 따른 데이터 전송속도 및 신호의 세기, 신호 대 잡음비를 분석하였다. 얻은 결과는 지하 공동구에서 무선 네트워크 설치를 위한 적절한 무선 계획 접근 방식을 제공한다.

Ⅰ. 서론

지하 공동구란 도시계획시설의 하나로서 전기, 통신, 가스, 수도, 하수관 같은 도로의 지하 매설물을 공동 수용함으로써 미관을 도모하고 도로 구조의 보전을 도모하는 시설을 말한다. 지하 공동구 화재 발생에 따른 직·간접피해는 사회 전반에 매우 큰 영향을 미치므로 화재 예방 관리 및 안전 대책 마련이 매우 중요하다^[1].

이를 위해, 최근 지하 공동구를 대상으로 디지털트윈 기술을 적용하여 화재 침수 등의 재난을 예방하고 발생 시 효과적으로 대응하기 위한 연구 및 지하 공동구 내 각종 센서를 설치해서 실시간으로 센서 정보를 수집하고 분석하는 연구가 다양하게 진행되고 있다^[2-6]. 각 센서로 부터 검출된 신호를 플랫폼까지 전송하기 위해서는 네트워크 망이 필요하다. 본질적으로 지하 공동구 터널이 외부 무선 통신 시스템의 수신 범위가 부족하여 지하 공동구 환경에서 무선망을 적용하기 위한 분석이 수행되었다^[7]. 지하 공동구는 구간 대부분이 직선형 터널로 이루어져 있어 무선망을 적용하기에 효과적인 환경을 제공하나 지하 공동구 내에는 송, 배전 케이블로 인해 발생하는 전자기파 간섭, 내부의 구조물, 장애물 및 수도관 등의 금속 재질 관에서 발생하는 신호의 난반사 등으로 인해 무선 신호가 왜곡되거나 크기 감소로 인하여 통신장애가 발생할 수 있다. 따라서 센싱을 통한 원격 감시, 모니터링 작업을 위한 실시간 연결을 보장하려면 지하 시설 내에 무선 범위를 측정하고 분석해야 한다. 따라서 본 연구에서는 지하 공동구 내 무선 네트워크 환경을 구축하기 위해서 음영지역을 최소화고, 공동구 내부에서 무선환경 연결에 문제가 없도록 무선환경을 측정하고 분석하여 실제 구축할 때 문제가 없도록 하며, 이 시험 결과를 바탕으로 지하 공동구 내부에서의 무선 데이터 전송 특성을 파악하여 향후 구현될 디지털트윈 기반의 지하 공동구 화재·재난 지원 통합 플랫폼을 위한 네트워크 현장 적용 때에 반영하고자 한다.

Ⅱ. 지하 공동구 무선환경 측정

1. 무선 시험 환경구성 및 범위

측정 위치는 그림 1과 같이 지하 공동구 내 전력케이블이 설치되어 있는 전력구, 상수도관과 통신케이블이 함께 있는 상수·통신구이다. 각각 두 구역의 직선 구간, 계단 구간, 계단과 직선이 복합적인 구간, 계단이 연속되는 구간으로 구성되어 있다. 각각의 구간별로 테스트 항목을 결정하여 신호 세기, 노이즈 레벨, 신호대잡음비, 데이터 업로드 속도를 측정하였다. 측정을 위해 유무선 공유기를 이용하여 무선 신호를 발생시키고 와이파이 신호 분석용 단말을 들고 지하 공동구 내에서 5m씩 이동(계단의 경우 2.5m)하면서 측정을 수행하였다. 무선 신호 발생용으로 Netgear의 Orbi 모델과 무선 신호 측정용으로 netally의 Aircheck G2 모델을 사용하였다. 공유기는 지면으로부터 약 1.5m 높이에 설치하였으며, 무선 신호 측정기는 약 1.2m 정도 높이에서 측정하였다. Wi-Fi 6로 5G(ch.157)대역을 이용하였다.

그림 1. 지하 공동구 내 무선환경 측정 위치

Fig. 1. Wireless environmental measurement locations in underground crawlspaces.

그림 2. 무선 AP 및 신호 측정용 단말

Fig. 2. Wireless AP and signal measurement devices.

2. 무선환경 측정 시험 결과 및 분석

가. 직선 구간 측정 결과 및 분석

그림 1 (a)의 전력구 직선 구간과 그림 1(b)의 상수 통신구 직선 구간의. 두 지형 간에는 여러 가지 차이가 존재한다. 물리적으로는 너비 차이가 존재한다. 전력구의 너비는 1.75m이고 상수 통신구는 약 3.8m이다. 즉 공간적으로 약 2배의 차이가 존재한다. 또한, 전력구에는 전력선이 배치되어 있으며 전력선은 22.9kV의 전압으로 케이블마다 다르지만 수백 A의 전류가 흐르고 있으므로 고강도의 전자기파가 존재한다. 상수 통신구에는 주철 재질의 지름 0.5m, 0.6m 금속관을 이용하여 상수와 중수가 흐르고 있으며 금속관에서 난반사가 발생하여 무선 신호에 악영향을 줄 수 있다.

(1) 전력구 직선 구간

해당 구간은 그림 1 (a)와 같이 직선으로 전력선이 설치되어 있는 환경으로 환기구 #9번 앞에 있는 전력선 위치에 AP를 설치하였으며, 우측에 전력선이 2단으로 설치되어 있고 좌측엔 콘크리트 벽으로 막혀 있는 구간이다. 신호 연결이 끊어질 때까지 환기구 #10번 방향으로 약 220m 정도를 측정한 결과이다.

그림 3. 전력구 직선 구간에서의 측정 결과

Fig. 3. Measurement results on a straight section of power line.

(2) 상수·통신구 직선 구간

해당 구간은 그림 1 (b)와 같이 상수·통신구 중에서 직선으로 좌측엔 상수 배관, 우측엔 통신선이 설치되어 있는 환경으로 신호가 끊어질 때까지 약 230m 정도를 측정한 결과이다.

그림 4. 상수·통신구 직선 구간에서의 측정 결과

Fig. 4. Measurement results on a straight section of water·telecom line.

비교 시험을 위해서는 동일 공간에 전력선과 수도관이 따로 설치된 사례가 있으면 좋겠으나 해당 공동구에는 그러한 구간이 없으므로 단순하게 거리에 따라 RSSI와 SNR, PHY rate를 비교하였다.

최대한 동일하게 비교하기 위해 범위는 0~215m까지 측정하여 비교하였으며 그림 5와 같다. 전력구의 평균값은 -76.1 dBm이고 상수·통신구는 약 -67.3 dBm으로 약 8.8 dB 차이를 보인다. 거리당 신호 크기만을 기준으로 비교 시 전력구보다는 상수·통신구 환경이 좋은 것으로 판단된다.

그림 5. 거리별 전력구와 상수·통신구의 RSSI 신호 비교

Fig. 5. Compare the RSSI of power and water·telecom line by distance..

노이즈의 경우에는 현재 내부에 2.4G 대역의 레일형 로봇의 통신을 위한 누설 동축안테나 케이블이 존재하고 있으며 그 외에는 측정 시험을 위해 임시로 구성한 AP뿐이므로 간섭이나 외부 환경의 영향을 거의 받지 않는다. 노이즈 크기를 측정한 결과 모든 구간에서 –93 ~ -94dBm 수준이었다.

신호대잡음비는 노이즈 값이 거의 일정하므로 신호 크기에 비례하여 확인할 수 있다. 그림 6의 결과와 거의 유사하다. 다음은 측정된 신호대잡음비를 비교한 결과이다.

그림 6. 거리별 전력구와 상수·통신구의 SNR 비교

Fig. 6. Compare the SNR of power and water·telecom line by distance..

와이파이 환경에서 원활한 통신을 위해서 SNR이 최소 20dB 신호의 크기가 70dBm 이상이 되어야 한다. 그림10의 결과를 미루어 볼 때 상수 통신구는 약 100m 지점까지는 통신에 크게 문제가 없는 것으로 판단된다. 반면, 전력구는 약 60m 지점까지 문제가 없는 것으로 판단된다.

지하 공동구의 데이터 전송 방향은 대부분 하위 단의 장치에서 상위 단의 서버로 데이터를 올리는 형태이다. 이를 확인하기 위하여 데이터 업로드 속도를 확인하였다.

전력구 측정 결과 150m 지역에서 비정상적으로 연결 속도가 높아지는 상황이 발생하여 해당 부분을 제거한 내용을 그림 7에 나타내었다. 신호 크기 비교와 유사하게 전력구는 약 60m 이후 100Mbps 이하로 속도가 감쇄되었고 상수 통신구는 약 100m 이후 100Mbps로 속도가 감쇄하였다. 물론 유선 장애시 일부의 환경센서 데이터, 상수도관에 부착되는 진동신호 데이터 전송, 음향 신호 전송 및 순찰자 데이터 등이 무선으로 전달될 예정이며 이 중 가장 대역폭을 크게 요구하는 음향 신호 전송의 경우 3개 채널을 모두 전송할 경우 최대 4.8 Mbps이므로 전력구 60m까지, 상수 통신구 100m 구간까지는 무선 대역폭으로는 충분하다고 판단된다.

그림 7. 거리별 전력구와 상수·통신구의 PHY rate 비교

Fig. 7. Compare the PHY rate of power and water·telecom line by distance.

나. 복도 계단 복합 구간 측정 결과 및 분석

현재 측정한 공동구 내부에서 계단은 총 네 개 구역에 있으며 이 중 현장 적용 실증 서비스를 적용할 구역은 상수 통신구 내 두 구역이다. 한 곳은 그림 1 (c),(d),(e)와 같이 약 6.5m가량 내려갔다가 올라가는 구간이며 나머지 구역은 그림 1 (f)와 같이 2차례에 걸쳐 계단이 있는 구간이다. 복도 계단 복합 구간 내 무선환경 측정을 위해 AP 위치를 그림 1 (c),(d),(e),(f)와 같이 변경하면서 측정하였다. 그림 1 (e) 위치는 그림 1 (d) 위치의 무선 장비에 장애가 발생하면 무선 신호가 어디까지 전달 가능한지 확인하기 위한 것이다.

(1) 상수·통신구 계단 및 복도 구간-1

해당 구간은 그림 1 (c)와 같이 상수·통신구 중에서 복도식으로 이어있다가 계단으로 내려가는 환경으로 신호가 끊어질 때까지 약 75m 정도를 측정한 결과이다. 그림 8에서 검은색으로 표시한 부분은 계단을 내려가고 올라오는 구간이다.

그림 8. 상수·통신구 계단 및 복도 구간-1에서의 측정 결과

Fig. 8. Measurement results on a stairway and hallway sections of water·telecom line.

그림 8은 환기구 #9에 AP를 위치한 상태에서 계단 지형을 통과하며 측정한 신호 그래프이다. AP가 환기구 #9에 있는 경우, 계단 밑으로 내려간 이후부터 –70dBm 이하로 신호 세기가 줄어드는 것을 확인 할 수 있다. 계속 이동하여 계단을 다시 올라갈 때까지 연결은 가능하였으나 신호는 거의 –90dBm으로 실제 데이터 전송량도 약 6Mbps로 낮게 확인되었다. 신호의 감쇄 추세는 AP 위치로부터 45m를 넘어가면서 급격하게 감소함을 보였다. 이로 미루어 볼 때 유무선 네트워크 장비의 배치 거리는 50m가 적합하다고 볼 수 있다.

(2) 상수·통신구 계단 및 복도 구간-2

해당 구간은 그림 1 (d)와 같이 상수·통신구 중에서 복도식으로 이어있다가 계단으로 내려가다 올라오는 환경으로 신호가 끊어질 때까지 약 45m 정도를 측정한 결과이다. 그림 9에서 검은색으로 표시한 부분은 계단을 내려가고 올라오는 구간이며, AP를 계단 위쪽에 놓고 측정한 결과이다.

그림 9. 상수·통신구 계단 및 복도 구간-2에서의 측정 결과

Fig. 9. Measurement results on a stairway and hallway sections of water·telecom line-2.

계단으로부터 약 15m 전에 AP를 배치하고 이동하며 측정을 수행하였다. 환기구 #9번까지는 거리가 35m가량 떨어진 직선 구간이므로 통신에 문제가 없다. 계단 방향으로는 이전의 그림 1(c)와 같이 환기구 #9번에 AP를 위치한 것에 비해 약 15m 먼 거리까지 신호가 유지되었다. 그러나 계단 밑의 짧은 복도에서 신호 세기가 -70dBm 이하로 감소하였다. 단, 환기구 #9에 설치한 경우와는 다르게 데이터 업로드 속도는 100Mbps를 유지하였다. 위 결과를 보면 50m 간격으로 AP를 배치하였을 경우 환기구 #9번, 계단 구역 직전에 AP가 배치되게 되며 무선망에 장애가 없을 경우는 모든 구역에서 통신에 문제가 없을 것이다.

(3) 상수·통신구 계단 및 복도 구간-3

해당 구간은 그림 1 (e)와 같이 상수·통신구 중에서 복도식으로 이어있다가 계단으로 내려가다 올라오는 환경으로 AP는 계단을 내려와서 위치시키고 환기구 #9번부터 신호가 끊어질 때까지 약 95m 정도를 측정한 결과이다. 그림 10에서 검은색으로 표시한 부분은 계단을 내려가고 올라오는 구간이다.

그림 10. 상수·통신구 계단 및 복도 구간-3에서의 측정 결과

Fig. 10. Measurement results on a stairway and hallway sections of water·telecom line-3.

측정 결과 환기구 #9번까지 신호가 -70dBm은 유지되지 않았으나 그림 10(c)에 있는 데이터 업로드 속도를 확인하면 데이터 업로드 속도는 100Mbps 이상이므로 데이터 전달은 가능할 것으로 보이지만 AP와의 연결 상태는 문제가 있을 수 있을 것으로 보이므로 실제 무선망을 구성한 후 연결이 원활한지 확인할 필요가 있다.

다. 계단 구간 측정 결과 및 분석

해당 구간은 그림 1 (f)와 같이 상수·통신구 중에서 복도식으로 이어있다가 계단 구간이 2번 연속해서 내려는 환경으로 환기구 #7번에 AP를 위치하였다. 신호가 끊어질 때까지 약 50m 정도를 측정한 결과이다. 그림 11에서 검은색으로 표시한 부분은 계단을 내려가는 구간이다.

그림 11. 상수·통신구 계단 구간에서의 측정 결과

Fig. 11. Measurement results on a and stairway sections of water·telecom line.

계단 진입 구간부터 계단 끝까지는 기울어진 복도 구간의 형태이므로 신호 감쇄에 특별한 변화가 없으나 계단이 끝난 지형부터는 꺾이는 구간이기 때문에 신호 감쇄가 심해진 것으로 추정된다. 신호 크기도 -70dBm 이하이며 데이터 업로드 속도도 많이 감소하였기에 실제 구축할 때는 중간 지점에 다른 AP를 설치하여 무선망을 구성할 필요가 있다.

Ⅲ. 결론

일반적인 복도 구간에서 유무선 네트워크 장치의 간격을 50m로 정한 것은 무선환경 측정 결과 신호 세기나 데이터 전송 대역폭이 모두 원활하게 연결이 가능한 수치이다. 상수 통신구의 계단 지형의 경우 1셀(150m) 구간에 4개의 AP를 이용해 무선망을 구성 예정이며 계단 복도 복합 구역의 경우 환기구 #8번에서 50m 떨어진 곳에 AP가 배치할 수 있어 무선망 연결이 가능할 것으로 보인다. 그러나 신호의 세기나 데이터 업로드 속도가 급격하게 떨어지는 구간이 일부 존재하므로, 다수의 AP를 동시에 배치하여 추가로 검증할 필요가 있다. 또한 직선 구간 비교시 상수 단독 구가 약 100m 있으므로 해당 구간과 전력 구간을 비교하는 시험을 추가 할 경우, 전력구와 상수구의 정확한 신호 감쇄 정도를 비교할 수 있을 것으로 예상된다.