* 셀룰러 이동통신 시스템
- 셀룰러: 서비스 지역을 적절한 안테나 높이를 갖는 저전력 송신기에 의해 각각 서비스되는 많은 작은 구역(cell)들로 나누는 것
- 셀룰러 이동통신시스템: 단말기가(핸드폰 등) 기지국에서 다른 기지국으로 이동해도 통화가 가능한(끊기지 않는) 시스템
- 초기의 차량 전화서비스는 광역방식으로 하나의 고정국으로 넓은 서비스지역을 모두 커버하는 광역 Zone방식 사용
- 가입자가 단말기에 이동성을 부여하여 가입자가 장소를 이동하였거나 이동 중인 경우에도 서비스가 가능한 통신
- 가입자가 이동성을 갖지 못하는 서비스는 전파를 이용한 무선통신이지만 이동통신으로 분류하지 않음
- 이동성을 부여하기 위해 가입자 위치정보를 관리하는 HLR은 반드시 있어야 함
- 초기 셀룰러 이동통신 시스템은 목소리를 전달하기 위해 120kHz의 스펙트럼을 사용한 비효율적인 시스템이었음
- 기술의 발전으로 120kHz는 30kHz로 감소
* 셀(Cell)의 정의
- 한 개의 기지국이 이동통신 서비스를 제공할 수 있는 영역
- 일반적으로 기지국 1개가 한 개의 셀을 형성
- 셀룰러 방식은 전체 서비스 영역을 셀이라 불리는 다수의 스몰존으로 나눈 후 각 셀마다 하나의 고정국을 두고, 그 고정국의 송신출력(크기)이 해당 셀을 커버함
* 주파수 재사용
- 전파의 세기는 거리가 멀어질수록 약해지므로 일정거리 이상 떨어진 두 셀에서는 서로 간의 간섭이 적어 동일한 주파수 채널을 사용할 수 있음
- 하나의 주파수를 동시에 여러 지역에서 다시 사용할 수 있음, 이에 따라 용량이 증가
- 주파수는 한정되어 있는데 만약 같은 지역에서 동시에 통화하는 사람이 갑자기 많이 늘어난다면 누군가는 통화 품질이 제한될 수밖에 없음
- System capacity: 주어진 주파수 대역당 동시에 통신할 수 있는 사람의 수
- KT, SKT, LG U+ 등의 통신사업자들은 아무 주파수나 마구잡이로 사용하는 것이 아니라 주파수 경매라는 것을 통해 미리 약속된 주파수를 각각 할당받게 됨. 즉 주파수는 항상 한정됨
- 만약 할당받은 주파수 대역폭이 1800MHz에서 1860MHz까지 약 60MHz의 대역폭을 가지고 있다고 가정하면 통신 사업자는 이 주파수를 여러 개로 쪼개고 나눔으로써 각각 지역에 할당할 수 있음
- 주파수 재사용률
- 1번 주파수부터 7번까지 사용하다가 8번째 셀에서 동일한 주파수를 다시 사용하면 주파수 재사용률은 7
- 주파수 재사용률이 높을수록 주파수를 재사용할 수 있는 거리가 멀어지고, 가입자를 수용할 수 있는 용량은 작아짐
- 주파수 재사용률이 낮을수록 주파수를 재사용할 수 있는 거리가 작아져서 가입자를 수용할 수 있는 용량 증가
- 현재 셀의 주파수를 재사용하는 셀의 거리와 현재 서비스를 제공하는 셀의 반경의 비율을 Q펙터 라고 하면 다음과 같이 정의함
- N(클러스터 크기)이 작아지면 주파수 재사용율이 증가하여 용량은 커지나, Q 팩터가 작아져 동일한 주파수를 사용하는 다른 셀로부터 간섭이 커짐
- N이 커지면 용량은 작아지나 Q 펙터가 커지므로 간섭은 작아짐
- 전파의 세기는 거리가 길어짐에 따라 감소해 다른 기지국까지 거리 D가 자기가 속한 셀의 거리 R과 비교하여 클수록 다른 기지국으로부터 오는 간섭신호가 작아짐
- Q 펙터가 클수록 신호대 잡음비(S/N)는 좋아짐
(예시)
- 위 그림에서 60MHz의 주파수 대역폭을 6개로 쪼개서 묶음 단위로 사용하기 때문에 Cluster size는 6
- 사업자들은 주파수를 각각 지역에 할당 후 Frequency reuse를 통해 한정된 자원을 최대한 효율적으로 운용
(예시 #2)
- 주파수 대역폭이 60MHz로 주어지고 클러스터 사이즈가 6일 때, 만약 통신을 하고 있는 한 명의 사용자당 5MHz씩 주파수 자원을 할당할 수 있다고 가정 (LTE는 주파수 대역폭을 5M, 10M, 15M, 20M 이러한 단위로 할당)
- 클러스터의 가용 채널: 60MHz 나누기 5MHz를 해서 최종적으로 12명의 사용자가 하나의 클러스트 내에서 통신
- 채널의 개수: 클러스터 사이즈가 6이기 때문에 하나의 셀 안에서 2명이 동시에 통화 가능
- S(클러스터의 채널) = N(클러스터 사이즈 6) x K(셀당 가용할 수 있는 채널의 개수 2개)
- 만약 우리나라를 최종적으로 커버하는데 필요한 통신사업자의 클러스터 채널 개수가 12라고 가정한다면, 주어진 통신 사업자의 주파수 대역폭을 클러스터 내에서 12개로 쪼개 사용자에게 할당한다는 의미
- Frequency reuse를 통해 반복되는 클러스터의 개수가 1000개로 정해져 있다고 가정한다면, System capacity 값은 12 곱하기 1000 해서 12000이 됨. 즉 동시에 12000명이 통화 가능
- 결론적으로 System capacity 값은 제한된 지역에서 클러스터가 얼마나 반복되는지 클러스터 반복 개수 M과 클러스터 당 채널의 개수 S 값의 곱으로 나타낼 수 있음
- C(System capacity) = M(클러스터 반복 개수) x S(클러스터의 채널)
* 셀 분할(Cell Splitting)
- 가입자 수가 증가하여 한 셀에서 서비스받을 수 있는 최대가입자 수를 초과할 경우 작은 크기의 셀들로 분할하여 가입자 수용 용량을 늘리는 방법
- 동일 채널간섭을 최소화하기 위해 기지국의 송신 출력을 감소시켜야 함
- 셀 분할을 하면 나타나는 효과로는 반지름이 반으로 줄면 주파수 효율이 4배로 증가
- 도심에서는 반경 1km 이내의 소형 셀로 분할하여, 통화량이 많은 경우에 대비
- 소도시 지역 셀 분할이 여러 번 시행될 경우 작은 크기의 셀들로 구성된 도심지역에서는 동일채널간섭 문제발생 우려, 이때 기지국에서 60도 120도의 방향성 안테나를 사용하여 셀을 6섹터 또는 3섹터로 재분할하여 채널 할당
* 셀 형태(cell pattern)
- 한 기지국이 서비스하는 셀의 전파 형태를 도형으로 표현한 것
- 전파형태를 여러 가지 도형으로 표현할 수 있음
- 원형은 전파의 형태를 가장 잘 나타냄
- 이동통신망을 새로 구축할 때 서비스 면적을 계산하는 경우에는 육각형이 가장 바람직
- 6각형 구조의 셀이 적합한 이유는 겹치는 부분이 없이 전파가 미치지 못하는 사각지대가 없으므로 적절한 기지국 숫자를 예측하는데 적합
- 셀 면적: 정삼각형의 면적을 구한 후 6을 곱하면 정육각형의 면적을 구할 수 있음
* 채널 구조
- 채널: 기지국과 단말기가 서로의 신호를 전달하는 길
- 기지국에서 이동국 방향의 채널: 순방향 링크(Forward link) 또는 하향링크(Downlink)
- 이동국에서 기지국 방향의 채널: 역방향 링크(Reverse link) 또는 상향링크(Uplink)
- 기지국과 이동국 사이의 전송방향을 구분하는 방법
- 주파수 대역을 달리하는 FDD 방식
- 동일 주파수를 시간을 나누어 쓰는 TDD방식
- 주파수로 나누어 송수신하는 방식
- FDD(Frequency Division Duplex, 주파수분할이중
- TDD(Time Division Duplex, 시분할이중): 시간으로 나누어 송수신
- Full-Duplex(전이중): 아직 이동통신에 적용하지 않음
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