[이동통신] 셀룰러 엔지니어링

* 전파 예측 모델

1. 전파 예측 모델링(Propagation prediction modeling)

- 단말기에서 수신할 수 있는 전파의 세기를 예측하는 것

- 셀룰러 엔지니어링에서 가중 중요한 것은 기지국에서 보낸 전파신호를 단말기에서 어느 정도의 세기로 받을 수 있는가.

- 전파 예측 모델링은 셀의 크기에 따라 그리고 각 나라마다 지역마다 다름

- 셀의 크기는 도심, 부도심, 교외 지역 등 서비스 지역에 따라 나누어 생각할 수 있음

 

2. 셀의 특성에 따른 분류형태

1) 셀의 종류

구분	서비스 반경(km)	안테나 높이	적용 지역	전파 특성
메가 셀	반경 100-500	지상 10m	넓은 지역(위성통신)	직접파
매크로 셀	반경 1-35	지상 20-60m	교외지역	산란, 회절
마이크로 셀	반경-1	건물 옥상위 6m	도심지역	페이딩
피코셀	반경-0.05	지상/지하 3m	건물밀집 및 지하건물	멀티패스 많음

 

2) 거리에 따른 셀 분류

거리에 따른 셀 분류

셀형태	셀반경	적용범위	서비스
글로벌셀(global cell)	750km	대륙	위성통신
메가셀(mega cell)	5km ~	시골	셀룰러통신
매크로 셀(macro cell)	2~5km	도시/시골	셀룰러통신
마이크로셀(micro cell)	200m~2km	과밀집도시	셀룰러통신/Low-Tier System
피코셀(pico cell)	200m	사무실/캠퍼스	Low-Tier System/ Wireless LAN

 

3. 전파 예측 모델링 방법 3가지

1) 실험적인 모델링 방법

- 경로 손실에 대한 환경을 분석하고 수치적으로 예측한 후 다시 직접 실험하여 수정함으로써 최종적인 전파세기를 예측

- 매크로 환경, 비시선(Non Line of sight) 환경에 적합

 

2) 도식적인 모델링 방법

- 기하각 이론을 이용하여 전파의 세기를 예측하는 방법

- ray tracing(광선추적법)이 대표적인 방법

- 도심 및 indoor, 자세한 환경정보, Non LOS, LOS환경에 적합

 

3) 반 실험적 또는 반 도식적인 모델링 방법

- 위 두 가지 방법을 혼합하는 방법

- 매크로 및 마이크로 환경, Non LOS, LOS환경에 적합

 

4. 전파 모델링 파라미터

- 셀룰러 망을 설계할 때 우선 실험적인 방법으로 매크로 환경을 설계

- 전파는 전파되면서 다양한 이유로 전파의 감쇠가 이루어짐

- 각 환경에 맞는 파라미터를 설정하여 예상되는 전파의 감쇠를 예상하는 것이 중요

- 전파예측 모델링 파라미터는 입력, 경로, 출력 파라미터로 구성

전파예측 모델링 파라미터

 

5. 전파 모델링 종류

- 서비스 환경에 따라 전파경로 손실 산출방법이 달라짐

- 매크로 셀의 경우 Lee, 오쿠무라 하다, cost-231 하다, Longley-Rice 등의 모델이 적합

- 마이크로 셀의 경우 Lee, cost-231 하다, 통계적 모델, JTC, Ray Tracing 모델이 적합

- 우리나라 800Mhz대의 셀룰러 이동통신은 오쿠무라-하다 모델 적합

- 실제 셀의 모양은 원형, 육각형도 아닌 전파 방향에 따라 다양하게 나타날 수 있음

- 전파 음영지역을 보완 방법: 송수신 전력 및 기지국 위치 조정

 

* 위치 등록 (Location Registration)

- 단말기가 이동하여도 네트워크가 단말기의 위치를 파악할 수 있도록 하는 것

 

위치 등록 방법

- 단말기가 교환기 A에서 B로 이동하면 단말기의 새로운 위치를 각 교환기에 연결된 홈 위치 등록기(HLR)에 저장

- 홈 위치 등록기는 단말기의 가입자, 번호, 위치 등 저장

 

* 로밍

- 단말기가 다른 이동통신 교환기 서비스 영역 또는 다른 사업자 영역으로 이동하여도 통화가 가능하도록 하는 기능

- 로밍은 동일사업자 내 시스템 간 로밍, 사업자 간 로밍, 국제로밍으로 구분

 

로밍 방법

 

* 호출

- 단말기는 교환국에 항상 자신의 위치를 등록하는데 이를 근거로 이동 전화를 찾는 요청이 있을 때 해당 기지국으로 단말기를 찾음

- 교환국은 단말기가 항상 이동하고 있으므로 해당 기지국뿐만 아니라 인근 기지국까지 일제 호출

- 교환국에서 일제 호출 시 모든 기지국이 단말기를 호출하면 트래픽이 과다발생됨으로 단말기가 이동할 가능성이 높은 기지국만 호출

- 일제호출은 일정한 호출영역(Paging Zone)을 호출하게 되는데 하나의 호출영역을 형성하는 몇 개의 기지국으로 정의

- 단말기는 Idle상태에서 Zone이 변경될 때마다 위치등록

- 기지국이나 섹터 이동 시 저장된 시스템 파라미터 메시지와 새로운 메시지를 비교하여 호출영역 정보가 자신이 가지고 있는 것과 다를 경우에는 자동으로 위치등록(지역기준 위치 등록)

- 1차 호출에 일정 시간 동안 (약 10초) 응답이 없을 경우, 2차 호출 영역을 확대하여 2차 호출을 시도

- 가입자가 들어 있는 MSC(Mobile Switching Center:교환기) 전체의 모든 기지국을 호출할 경우 약 80% 성공률을 보장

 

(예시)

호출

• 호출영역 1의 경우 트래픽이 많이 발생하지 않지만 호출하는 기지국수가 적어 단말기가 빠르게 이동할 경우 찾지 못할 가능성이 높음
• 호출영역 2의 경우 호출 기지국수가 많아 트래픽이 많아지지만 단말기를 찾을 확률은 높음

 

* 핸드오프

- 단말기가 통화 중 현재의 셀로부터 이웃한 셀로 이동하여도 통화를 계속 유지하도록 하는 기능

- 단말기는 기지국에서 보내오는 전파의 신호가 매우 미약할 때 인근의 강한 신호를 보내는 기지국으로 이동

- 핸드오버를 위한 약한 신호의 기준

• 일반적으로 수신신호의 세기가 작거나(절대 값)
• 신호대 잡음비가 낮을 경우(상대 값)
• 디지털시스템의 경우 BER(Bit error rate), FER(Frame error rate)의 기준을 정해 놓고 핸드오프를 함

 

* 전력제어

- 단말기가 기지국 가까이 가면 출력을 낮추고 멀리 가면 출력을 높이는 것

- 전파는 거리에 따라 감쇄하므로 기지국 가까이에 있는 단말기의 전파 수신신호의 크기가 멀리 있는 단말기보다 더 큼

- 가까이 있는 경우에는 필요이상으로 전파를 세게 할 필요가 없이 전파를 약하게 발사

- 2000년 이전에 사용하였던 아날로그시스템은 4dB 간격으로 7단계로 전파세기를 조정할 수 있었으나 CDMA이동통신 시스템은 0.5dB 간격으로 80dB 범위로 조정이 가능

- 전력 제어가 잘 이루어지지 않으면 순방향 링크와 역방향 링크의 셀 영역이 일치하지 않아 서비스 품질을 저하시킬 수 있음

 

전력제어

 

* 다이버시티(Diversity)

- 두 개 이상의 전파경로를 통해 전송된 여러 개의 수신신호 가운데 가장 양호한 특성을 가진 신호를 이용한 방법

- 각각 다르게 전달되는 자신의 신호를 다양한 방법으로 수신하는 브랜치 구성법과 다양한 수신신호 가운데 최적의 신호를 구하는 합성법이 함께 수행되어야 함

 

1. 다이버시티 방법

1) 브랜치 구성법 : 공간, 주파수, 시간, 편파, 각도

 

2) 합성법

(1) 선택 합성법: 여러 신호에서 가장 양호한 신호를 선택 (약 2.2dB 이득)

(2) 등이득 합성법: 모든 신호에 동일한 가중치를 두어 합성 (약 2.6dB)

(3) 최대비 합성법: 상대적으로 S/N비가 높아 양호한 신호에 대해 높은 가중치를 두어 합성하는 방법, CDMA 이동통신에서 이용(3dB)

 

* 간섭

1. 동일채널 간섭

- 기지국 B에서 사용되는 단말기가 동일 주파수를 사용하는 기지국 A로부터 신호를 받게 되면 동일 주파수 간섭이 일어나는 것

- 셀룰러 시스템에서 통화 가능한 동일채널 간의 크기는 신호 대 잡음비로 표시

 

동일채널간섭

 

2. 인접채널 간섭

- 기지국으로부터 단말기가 f1신호를 수신할 때 인접한 f2신호가 f1주파수로 넘어와서 f1신호를 간섭하는 것

- ACIR: 자기 신호대 간섭신호의 비율

- 동일셀에 할당된 무선주파수 그룹의 채널사이의 간격을 가능한 멀리 분리시켜 방지

 

인접채널간섭

 

* 통화 품질 측정 방법

- 사업자가 망을 운용할 때 고객이 만족하는 통화품질을 유지하는 것이 중요

- 통화 품질에 대해 고객이 만족할 수 있는 통화 품질 설정 기준에는 주관적인 방법과 객관적인 통계 데이터 방법이 있음

 

1. 주관적 방법

- MOS(Mean Opinion Score)를 가장 많이 사용

• 고객들에게 직접 5단계 평가(excellent, good, fair, poor, unsatisfactory)를 채점하는 방식

 

2. 객관적 방법

- 아날로그에서는 SINAD(signal interference noise and distortion, 전체출력/간섭과 잡음에 의한 왜곡전력)을 많이 사용

- 디지털 이동통신에서는 송신한 정보 데이터 가운데 몇 개의 비트, 프레임 또는 패킷이 에러가 발생했는지를 측정하는 BER(bit err or rate), FER(frame error rate), PER(packet error rate)을 많이 사용함

- 이동통신에서는 버스트 에러가 많이 발생하므로 FER, PER이 특히 중요

 

* 기지국 엔지니어링

- 이동통신망은 우선 기지국의 형태를 선정해야 함

- 기지국의 형태를 구성하는 방법에는 전파가 360도 전방향으로 전파하는 옴니기지국, 180도씩 전파하는 2섹터 기지국, 120도씩 전파하는 3섹터 기지국, 60도씩 전파하는 6섹터 기지국 등이 있음

• 옴니기지국: 인구밀도가 낮은 개활지 지역 등에 적합
• 2섹터 기지국: 고속도로 등 일직선 서비스 지역에 적합
• 3섹터 기지국: 인구밀도가 높은 도심지역 등에 적합
• 6섹터 기지국: 인구밀도가 매우 높고 기지국 장소 선정이 어려운 지역에 적합

- 기지국 형태가 삼각형 모양인 것은 육각형 셀의 전파를 잘 받기 위함

- 이동통신망 설계에서 중요한 것은 기지국의 위치 선정

- 기지국 위치는 커버리지와 간섭의 양과 밀접함. 따라서 셀 경계지역에서의 수신 신호 레벨을 선정한 후 셀 간의 중복 지역이 비슷하도록 조정하여야 함

 

- 안테나의 높이

• 너무 높으면 셀 내의 수신 신호가 감소되고 다른 셀에 간섭을 일으키고, 낮으면 커버리지 문제를 일으킬 수 있으며, 서비스 커버리지와 간섭은 상호 trade off관계임

 

- 커버리지 확대방법

• 송신출력을 크게 하거나 안테나의 높이 및 이득을 조정
• 수신기의 감도를 높임
• 기지국의 위치를 적절히 선정

 

- 간섭을 감소하는 방법

• 주파수계획을 잘 수립
• 지형에 맞는 안테나를 선택한 후 틸팅 높이 등을 조정
• 송신출력을 감소

 

- 통화량을 증가시키는 방법: 셀 분할, 기지국 채널 증설, 주파수 추가 등

- 음영지역 해소방법: 중계기 사용, 기지국 재배치 등