Chapter 10. 셀룰러 무선 네트워크

셀룰러 네트워크의 원리

셀룰러 라디오는 이동 라디오 전화 서비스에서 사용 가능한 용량을 증가시키기 위해 개발된 기술입니다. 

셀룰러 네트워크 조직

셀룰러 네트워크의 본질은 100W 이하의 다수의 저출력 송신기를 사용하는 것
송신기의 범위가 작기에, 지역을 셀로 나누고 각 셀은 고유의 안테나로 서비스됨, 각 셀에는 주파수 대역이 할당되며 송신식, 수신기, 제어유닛으로 구성된 기지국에 의해 서비스가 제공되고 인접한 셀에는 간선이나 혼선을 방지하기 위하여 서로 다른 주파수가 할당됨, 그러나 충분히 멀리 떨어진 셀들은 동일한 주파수 대역을 사용할 수 있음

셀의 형태 선택

• 사각형 셀: 가장 단순한 배열이지만 이상적이지 않음.
  • 거리 d에 4개의 이웃, 거리 (루트2d) 에 4개의 이웃이 있음.
• 육각형 셀: 모든 인접 안테나가 동일한 거리(등거리)에 위치하여 사용자 전환 판단이 쉬움.
  • 셀 반지름 R일 때, 인접 셀 중심과의 거리는 d = (루트3R)

용량 증가

시간이 지나면서 더 많은 사용자가 시스템을 이용하게 되면, 특정 셀에 할당된 주파수만으로 모든 통화를 처리하기에 부족하기에, 이러한 상황을 해결하기 위해 다음과 같은 접근법이 사용됩니다.

 

• 새 채널 추가: 일반적으로, 시스템이 지역에 처음 설치될 때 모든 채널이 사용되지 않습니다. 성장과 확장은 새 채널을 추가하여 체계적으로 관리할 수 있습니다.
• 주파수 차용: 가장 단순한 경우, 트래픽이 많은 셀이 인접 셀로부터 주파수를 가져와 사용합니다. 주파수는 또한 셀에 동적으로 할당될 수 있습니다.
• 셀 분할: 실제로 트래픽 분포와 지형적 특성은 균일하지 않으며, 이를 통해 용량을 증가시킬 기회가 생깁니다. 사용량이 많은 지역의 셀은 더 작은 셀로 분할될 수 있습니다. 
• 셀 섹터링(Cell Sectoring): 셀을 여러 개의 쐐기 모양 섹터로 나누는 방식으로, 일반적으로 각 셀이 3개 또는 6개의 섹터로 나뉩니다. 각 섹터는 셀의 채널 중 일부를 할당받으며, 기지국의 지향성 안테나가 각 섹터에 집중적으로 신호를 전달합니다.
• 마이크로셀(Microcells): 셀이 작아짐에 따라 안테나는 높은 건물이나 언덕 위에서 점차 낮은 건물 위, 큰 건물의 측면, 그리고 마지막으로 가로등 기둥으로 이동하게 됩니다. 셀 크기가 작아질수록 기지국과 이동 단말기의 송출 전력도 줄어듭니다.
  마이크로셀은 다음과 같은 환경에서 유용합니다:
  • 혼잡한 도시 거리
  • 고속도로
  • 대형 공공 건물 내부

핸드오프(Handoff)

핸드오프(Handoff)란 이동 통신 시스템에서 사용자가 한 셀에서 다른 셀로 이동할 때, 통화나 데이터 연결이 끊기지 않도록 기지국 간 연결을 전환하는 과정을 말합니다. 이는 사용자가 이동 중에도 통신을 지속적으로 유지할 수 있도록 하는 핵심 기술입니다.

 

기지국은 각 셀에서 사용자의 통신을 관리하고, MTSO는 여러 기지국을 연결하며 통화를 네트워크와 연결해주는 중앙 허브 역할을 합니다. 이동 중에도 핸드오프 기능으로 끊김 없이 통화가 가능하며, 과금 정보도 관리됩니다.

셀룰러 시스템 채널

셀룰러 시스템의 사용은 완전히 자동화되어 있으며, 사용자는 통화를 걸거나 받는 것 외에 별도의 조작이 필요하지 않습니다. 이동 단말기와 기지국(BS) 사이에는 두 가지 유형의 채널이 제공됩니다: 제어 채널과 트래픽 채널입니다.

• 제어 채널:
  • 통화 설정 및 유지와 관련된 정보를 교환
  • 이동 단말기와 가장 가까운 기지국 간의 연결을 설정
• 트래픽 채널: 사용자 간 음성 또는 데이터 통신을 전달

과정 요약

1. 단말 초기화: 가장 강한 기지국 신호를 선택하고 시스템에 연결
2. 발신: 상대 번호를 전송하고 MTSO가 요청 처리
3. 페이징: 상대 단말을 찾기 위해 신호 전송
4. 통화 연결: 두 단말이 트래픽 채널에 연결되어 통화 시작
5. 통화 유지: MTSO를 통해 신호를 교환
6. 핸드오프: 이동 중 기지국 전환, 통화는 끊기지 않음

시스템의 수행하는 추가적인 기능

• 통화 차단(Call blocking): 반복 시도 후에도 모든 트래픽 채널이 바쁠 경우, 사용자에게 "통화 중 신호(바쁜 신호)"를 반환
• 통화 종료(Call termination): 사용자가 전화를 끊으면, 기지국에서 사용 중이던 채널이 해제됨
• 통화 중단(Call drop): 기지국이 필요한 최소 신호 강도를 유지하지 못할 경우 통화 연결이 끊어짐
• 고정 및 원격 이동 가입자와의 통화: MTSO가 공중 전화망(PSTN)과 연결되어 통화를 지원

이동 라디오 전파 효과

이동 라디오 통신은 유선 통신이나 고정 무선 통신에서 나타나지 않는 복잡성을 가져옵니다. 주요 문제는 신호 강도와 신호 전파 효과 두 가지입니다.
 
신호 강도:

• 기지국(BS)과 이동 단말 간 신호 강도는 신호 품질을 유지할 만큼 충분히 강해야 함
• 그러나 너무 강하면 동일 채널 간 간섭(co-channel interference)을 유발할 수 있음.
• 또한, 잡음 변화에도 대응할 수 있어야 함.

페이딩(Fading):

• 수신 신호의 시간적 변동
• 전송 경로의 변화로 인해 발생
• 신호 강도가 유효 범위 내에 있더라도, 신호 전파 효과로 인해 신호가 방해를 받을 수 있음

디자인 요소

셀룰러 레이아웃을 설계할 때, 통신 엔지니어는 다양한 전파 효과, 기지국(BS)과 이동 단말의 최대 전송 전력 수준, 이동 단말 안테나의 일반적인 높이, 그리고 사용 가능한 기지국 안테나의 높이를 고려해야 합니다. 이러한 요소들은 개별 셀의 크기를 결정합니다. 그러나 전파 효과는 동적이고 예측하기 어려운 특성을 가지므로, 경험적 데이터를 기반으로 한 모델을 사용하여 특정 환경에 맞는 셀 크기 가이드라인을 개발하는 것이 최선의 방법입니다.
가장 널리 사용되는 모델 중 하나는 Okumura 등이 개발하고 Hata가 이를 개선한 모델입니다.

 

1. 반사(Reflection)
정의 : 신호가 신호의 파장에 비해 큰 표면에 부딪혀 반사되는 현상
ex) 반사파가 180도 위상 변화를 일으켜 직선시야(LOS)신호와 상쇄 -> 신호 손실 발생 -> 다중 경로 간섭을 유발
2. 회절(Diffraction)
정의 : 파장이 물체의 가장자리를 만나 굴절되고 여러 방향으로 전파되는 현상
ex) 송신기와 수신기 사이에 직접적인 직선 시야가 없어도 신호를 수신 가능
3. 산란(Scattering)
정의 : 장애물 크기가 신호의 파장 정도이거나 더 작을 때 신호가 여러 방향으로 약화된 신호로 분산되는 현상
ex) 여러 약한 신호로 분산 -> 산란 효과는 예측이 어려움

페이딩의 유형

빠른 페이딩 (Fast Fading)

• 정의 : 이동 단말이 짧은 거리(파장의 반 정도)에서 이동하면서 신호 강도가 급격히 변하는 현상
• 특징 : 신호 강도의 변화는 매우 빠르게 일어나며, 이동 단말이 움직이는 속도에 따라 변동 속도가 달라짐

느린 페이딩 (Slow Fading)

• 정의: 이동 단말이 비교적 긴 거리(파장 이상)를 이동하며 환경 변화에 따라 평균 신호 강도가 점진적으로 변하는 현상
• 특징 :신호의 평균 세기가 점차적으로 변화하며, 빠른 페이딩보다 변동 주기가 길다.

평탄 페이딩 (Flat Fading)

• 정의: 신호의 모든 주파수 성분이 동일한 비율로 감쇠되거나 변동하는 페이딩
• 특징 : 신호의 대역폭이 채널의 코히런스 대역폭(coherence bandwidth)보다 작을 때 발생
  • 주파수 성분별 차이가 없어 신호 전반에 걸쳐 균일하게 영향을 미침.

선택적 페이딩 (Selective Fading)

• 정의: 신호의 주파수 성분에 따라 감쇠 정도가 다르게 나타나는 페이딩
• 특징 : 신호 대역폭이 채널의 코히런스 대역폭보다 클 때 발생.
  • 특정 주파수 대역에서만 강한 감쇠가 발생하며, 이로 인해 주파수 선택적 감쇠 현상이 나타남.
  • 디지털 통신에서는 심볼 간 간섭(ISI)을 유발

에러 보상 메커니즘

다중 경로 페이딩에 의해 발생하는 오류와 왜곡을 보정하려는 노력은 3가지 일반적인 범주로 나눌 수 있습니다.
(1) 전방 오류 수정, (2) 적응형 등화, (3) 다이버시티 기술
 
전방 오류 수정(Forward Error Correction) :   전방 오류 수정은 데이터 전송 중 발생할 수 있는 오류를 미리 예측하고 보정하기 위해, 데이터를 전송할 때 추가적인 오류 정정 비트를 함께 보내는 기술입니다. 수신 단말에서 재전송 요청 없이 오류를 검출하고 수정할 수 있도록 설계되었습니다.

작동 원리

• 송신 측에서 데이터 비트에 추가적인 오류 정정 코드(Parity Bit, Check Bit 등)를 삽입합니다.
• 수신 측에서는 수신된 데이터를 기반으로 오류 정정 코드를 분석하여 오류를 탐지하거나 수정합니다.

적응형 등화(Adaptive Equalization)

정의

• 적응형 등화는 심볼 간 간섭(Intersymbol Interference, ISI) 문제를 해결하기 위해 수신 측에서 데이터를 보정하는 기술입니다.
• 다중 경로 전파로 인해 분산된 신호를 원래의 시간 간격으로 다시 모으는 과정입니다.
• 등화는 광범위한 주제로 집중형 아날로그 회로부터 정교한 디지털 신호 처리 알고리즘에 이르기까지 다양한 기술이 포함됩니다.

다이버시티(Diversity)

• 다양한 채널을 통해 신호를 나누어 전송하여 오류율을 줄이는 기술.
• 신호를 분산시켜 최악의 오류율 발생을 피하고, 줄어든 오류율을 다른 기술(등화, 오류 수정 등)이 처리할 수 있도록 지원.
• 오류를 완전히 없애지는 않지만 오류율을 낮추는 데 효과적.

다이버 시티의 유형

1. 공간 다이버시티 (Space Diversity) : 물리적 경로를 활용하는 다이버시티 기술.
2. 주파수 다이버시티 (Frequency Diversity) : 신호를 여러 주파수로 나누어 전송하거나, 넓은 주파수 대역으로 분산.
3. 시간 다이버시티 (Time Diversity) : 동일한 신호를 다른 시간 간격으로 반복하여 전송하고 신호가 전송 중 일부 손실되더라도, 다른 시간에 전송된 신호를 통해 복구가 가능하다.
 

LTE - Advanced

1. 직교 주파수 분할 다중화(OFDM, Orthogonal Frequency-Division Multiplexing)

• OFDM은 데이터를 여러 개의 **직교 주파수 서브캐리어(Subcarrier)**로 나누어 병렬로 전송하는 디지털 변조 기술입니다.
• 각 서브캐리어가 서로 직교(Orthogonal)하기 때문에 간섭 없이 효율적으로 데이터를 전송할 수 있습니다.

2. 다중 입력 다중 출력(MIMO, Multiple-Input Multiple-Output) 안테나

• MIMO는 다중 송신 안테나와 다중 수신 안테나를 사용하여 동시에 여러 신호를 송수신하는 기술입니다.
• 신호를 공간적으로 다중화(Spatial Multiplexing)하여 데이터 전송 속도와 신뢰성을 크게 향상시킵니다.