[정보통신공학] CH10 교수님 요약 정리

셀룰러 네트워크 (Cellular Networks)

셀룰러 네트워크란?

• 넓은 서비스 지역(A)을 여러 작은 구역(cells)으로 나누어 관리하는 네트워크 구조입니다.
• 서로 떨어진 셀에서 동일 주파수 대역(channel)을 저전력의 짧은 안테나로 재사용(reuse)하여 사용합니다.
• 셀룰러 네트워크의 목표는 **용량(capacity)**과 **커버리지(coverage)**를 증가시키는 것입니다.

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1. 용량 (Capacity)과 커버리지 (Coverage)

용량 (Capacity):

• 동시에 A 내에서 사용될 수 있는 채널(Mobile Users (MU) 또는 Mobile Stations)의 수입니다.
• 용량 계산:
  • 클러스터 수(Ncs) × 주어진 자원(K)
  • 셀 하나당 채널 수(=K/N) × A 내 셀의 총 개수(Ncell)

커버리지 (Coverage):

• 주어진 용량을 가진 서비스 지역을 의미합니다.

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2. 왜 **육각형 셀(hexagonal cell)**이 **정사각형 셀(square cell)**보다 좋은가?

• 인접한 두 기지국(BS, Base Station 또는 BTS, Base Transceiver Station) 간의 거리가 동일하여 이동 중인 이동 사용자가 어느 셀로 이동할지 쉽게 예측할 수 있습니다.
• 육각형은 원형과 유사하여 안테나 전력의 중첩(overlap)을 최소화하면서 서비스 영역 전체를 효율적으로 커버할 수 있습니다.

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3. 셀 반경(R)과 재사용 거리(D)의 변화에 따른 영향

(1) 재사용 거리(D)를 줄이고 셀 반경(R)을 유지할 경우

• 클러스터 크기(N)가 감소하여 서비스 영역 내 클러스터 수가 증가합니다.
• 따라서, 셀 당 채널 수가 증가하고 용량이 늘어납니다.
• CCI (Co-Channel Interference, 동채널 간섭) 확률도 증가합니다.
• 이를 해결하기 위해 안테나 전력과 높이를 낮춰야 합니다.

(2) 셀 반경(R)을 줄이고 클러스터 크기(N)를 유지할 경우

• 클러스터 크기가 고정되어 있어 셀 당 할당된 채널 수는 변하지 않습니다.
• 서비스 영역(A) 내 셀의 총 개수가 증가하여 용량이 커집니다.
• R이 감소함에 따라 클러스터 수가 증가합니다.
• CCI 확률도 증가하므로 안테나 전력과 높이를 낮춰야 합니다.

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4. 셀 분할(Cell Splitting) vs. 셀 분할(Cell Sectoring)

(1) 셀 분할 (Cell Splitting)

• 셀 반경(R)을 줄여 혼잡 지역에서 셀 개수를 늘림으로써 용량을 증가시킵니다.
• BS(Base Station) 개수가 늘어 공공장소에 BS를 세우기 위한 승인 비용이 추가됩니다.

(2) 셀 섹터링 (Cell Sectoring)

• CCI를 줄이고 **SIR (Signal-to-Interference Ratio, 신호 대 간섭비)**를 증가시켜 용량을 늘립니다.
• 셀 하나를 여러 개의 섹터(cell sector)로 나눠 채널을 할당하므로 트렁킹 효율(Trunking Efficiency)이 줄어듭니다.
• BS의 개수는 늘지 않으므로 공공시설 설치 비용이 추가되지 않습니다.

트렁킹 효율 (Trunking Efficiency):

• 네트워크에 동시 접속할 수 있는 사용자 수를 채널 공유를 통해 최대화하는 측정값입니다.

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5. 셀 유형 (Cell Types)

유형범위수용 인원

매크로 셀 (Macro Cell)	약 35 km	수천 명
마이크로 셀 (Micro Cell)	약 2 km	수백 명
피코 셀 (Pico Cell)	약 200 m	수십 명
펨토 셀 (Femto Cell)	약 10 m	약 10명

 

• Pico Cell과 Femto Cell 같은 소형 셀은 실내 음영 지역을 제거하거나 핫스팟(hot spot)에서 트래픽을 분산시켜 데이터 전송 속도를 높이기 위해 사용됩니다.

 

 

1. 셀의 용량 계산 (Capacity Calculation)

(A1)

• 각 셀 당 채널 수:3367=48 channels per cell\frac{336}{7} = 48 \text{ channels per cell}7336​=48 channels per cell
  • 전체 336채널을 7개의 셀에 분배하여 하나의 셀에 48개 채널 할당

(A2)

• 서비스 지역(A) 내 셀의 수: 32개
• 서비스 지역 전체 용량:48 channels×32 cells=1,536 calls48 \text{ channels} \times 32 \text{ cells} = 1,536 \text{ calls}48 channels×32 cells=1,536 calls

(A3)

• A 지역의 셀 수를 4배로 증가(32 x 4)했을 때:48 channels×(32×4)=6,144 calls48 \text{ channels} \times (32 \times 4) = 6,144 \text{ calls}48 channels×(32×4)=6,144 calls
• 클러스터 수(N)는 변하지 않고, 셀 수만 증가하여 전체 용량이 증가함

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2. 셀 유형 (Cell Types)

셀 유형반경(R)높이(H)수용 인원

Macro Cell	~ 25 km	~ 50 m (타워)	수천 명
Micro Cell	~ 2 km	~ 15 m (아파트 6~7층 높이)	수백 명
Pico Cell	~ 200 m	~ 6 m (실내외벽)	수십 명
Femto Cell	~ 10 m	1 ~ 2 m (공유기 크기)	약 10명

 

• Pico/Femto Cell 같은 소형 셀은 실내 음영 지역을 제거하거나 핫스팟(hot spot)에서 트래픽을 분산하여 **데이터 속도(data rate)**를 높이기 위해 사용됩니다.

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3. 2G 셀룰러 네트워크 구성 요소 (Component of 2G Cellular Network)

• BTS (Base Transceiver Station) → BSC (Base Station Controller) → MTSO (Mobile Telephone Switching Office or MSC: Mobile Switching Center)
• BTS는 채널 할당을 하지 않습니다. (채널 할당은 MSC 또는 BSC가 수행)
• BSC의 역할:
  • MSC를 지원하는 기능으로, 작은 용량의 다중 링크를 큰 용량의 적은 수의 링크로 통합하여 효율성을 높임

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4. 셀룰러 네트워크 구조의 변화 (Change of Cellular Network Architecture)

세대기지국 명칭

1G, 2G	BTS (Base Transceiver Station)
3G	NodeB
4G	eNB (Evolved NodeB)
5G	GNodeB (Next Generation NodeB)

 

• 4G부터는 Packet Switching과 Circuit Switching이 통합되어 셀룰러 네트워크를 구성함

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5. 2G GSM에서 두 이동 단말(MU) 간 통화 절차 (Call Procedure in 2G GSM)

1. **MU_S (발신 단말)**가 Broadcast Control Channel을 통해 주변 BTS 중 신호 강도가 가장 높은 BTS와 연결합니다.
2. MTSO로부터 가입자 인증과 현 위치 업데이트를 수행합니다.
3. MU_S는 속한 셀에서 **dedicated control channel (전용 제어 채널)**이 유휴 상태인지 확인하고, 없으면 대기합니다.
4. 유휴 상태라면, MU_S가 BTS에 **MU_D (수신 단말)**의 번호를 전송합니다.
5. BTS는 이 번호를 MTSO로 전달합니다.
6. MTSO가 MU_D의 번호를 기반으로 라우팅을 수행합니다.
7. MU_D의 현재 위치를 관할하는 MTSO가 관리하는 모든 BTS에 paging을 요청합니다.
8. BTS가 Common Control Channel을 통해 MU_D에게 paging 신호를 보냅니다.
9. MU_D는 Common Control Channel을 통해 자신의 번호를 확인하고 응답하여 BTS에게 전송합니다.
10. BTS는 이 정보를 상위 MTSO로 전달합니다.
11. MU_S와 MU_D를 관할하는 MTSO 간에 circuit이 할당됩니다.
12. 각 BTS가 MTSO로부터 traffic channel을 할당받아 MU_S와 MU_D에게 전달합니다.
13. MU_S와 MU_D는 BTS가 알려준 채널로 설정하여 통신을 시작합니다.

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6. 제어 채널과 트래픽 채널 (Control and Traffic Channels)

채널 유형특성

Broadcast Control Channel	셀 안의 모든 MU가 공유, simplex 통신 (BTS → MUs)
Common Control Channel	셀 안의 모든 MU가 공유, half duplex (BTS ↔ MUs)
Dedicated Control Channel	특정 MU와 BTS 간 전용 채널, full duplex (BTS ↔ MU)
Traffic Channel	통화 전용 데이터 채널, full duplex, MTSO/BSC 관리

 

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7. 핸드오버 (Handover or Handoff)

필요성 (Why Handover is Needed)

1. 이동 중인 MU에게 끊김 없는 통신 제공
2. 콜이 붐비는 셀에서 덜 붐비는 셀로 MU를 이동하여 로드 밸런싱 (Load Balancing)

종류 (Types of Handover)

• Inter-cell Handover: 서로 다른 셀 간 이동
• Inter-BSC Handover: 서로 다른 BSC 간 이동
• Inter-MSC Handover: 서로 다른 MSC 간 이동
• Intra-cell Handover:
  • 한 셀 내에서 주파수 간섭 또는 채널 사용 효율을 위해 채널을 변경하는 경우
  • Inter-frequency Handover: 외부 환경 등으로 간섭이 심할 때 주파수를 변경하여 수신 상태 개선

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1. 다중 경로 페이딩 (Multi-Path Fading)

정의:

• 무선 또는 이동통신에서 **다중 경로 전파(Multi-Path Propagation)**로 인해 발생하는 신호 품질 저하 현상입니다.
• 전송된 신호(symbol)가 LoS (Line of Sight) 경로 외에도 회절(Diffraction), 산란(Scattering), 반사(Reflection) 등의 여러 경로를 통해 도착하면서 **증폭(Amplitude)**과 **위상(Phase)**이 달라져 수신 품질이 떨어집니다.

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2. 기호 간 간섭 (Intersymbol Interference, ISI)

정의:

• 이동통신의 **다중 경로 전파(Multi-Path Propagation)**로 인해 발생하는 간섭으로, 송신기(TX)가 전송한 특정 심볼이 LoS로 수신기(RX)에 도착했을 때, 이전 심볼의 잔상이 뒤늦게 도착하여 겹치는 현상을 말합니다.

관련 용어

• Symbol period 또는 Symbol time (T):
  • TX에서 전송하는 심볼들 사이의 간격입니다.
  • **전송 속도(bps)**가 높아질수록 심볼들 사이의 거리가 좁아집니다.
  • 높은 bps → 낮은 T
• Delay Spread (t):
  • 하나의 심볼이 여러 경로를 통해 RX에 도착했을 때, 도착한 심볼들 사이의 최대 시간 차이입니다.
  • T가 짧고 t가 길면 → ISI 발생 확률 증가

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3. ISI 해결 방법 (Mitigation of ISI)

• Equalizer 사용: 이미 발생한 오류를 보정하는 방법
• Forwarding Error Correction (FEC): 오류를 복구하는 방식
• Diversity 기법: 공간, 시간, 주파수를 중복 사용하여 오류를 줄이는 방법

다양한 Diversity 기법

1. 공간 다이버시티 (Space Diversity):
   • 방향이 다른 두 개 이상의 안테나를 사용하여 여러 번 전송하고, ISI가 적은 신호를 선택 또는 평균으로 신호 복원합니다.
   • 예) MIMO (Multiple Input Multiple Output)
2. 시간 다이버시티 (Time Diversity):
   • 하나의 안테나를 사용하여 시간차를 두고 여러 번 전송하여 ISI가 적은 신호를 선택 또는 평균으로 신호 복원합니다.
3. 확산 스펙트럼 (Spread Spectrum):
   • 필요한 채널 대역폭보다 더 넓은 대역폭을 사용하여 간섭을 줄이는 기술입니다.
   • 유형: FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum), DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)

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4. 주파수 도약 확산 스펙트럼 (FHSS)

• 작동 원리:
  • 수신기(FHSS Receiver)가 가장 먼저 도착하는 LoS 신호를 수신한 후, 이미 다른 주파수로 이동하여 다중 경로로 인해 늦게 도착한 심볼들을 무시합니다.
  • 사용자 간 주파수 도약 시간차가 있어 다른 사용자의 LoS 신호와 잔상 심볼이 겹칠 확률이 줄어듭니다.
  • 결과적으로 다중 사용자가 더 넓은 대역폭을 사용하여 더 높은 데이터 전송 속도(data rate)를 확보할 수 있습니다.

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5. 직접 확산 스펙트럼 (DSSS)

• 작동 원리:
  • 각 사용자가 네트워크로부터 할당받은 **고유한 PRN (Pseudo-Random Noise)**을 사용하여 데이터를 인코딩합니다.
  • 같은 PRN을 가진 RX만이 신호를 복구할 수 있습니다.
  • 간섭 제거:
    • 수신자가 PRN을 모르는 경우, 신호를 복원할 수 없어 **백색 잡음(White Noise)**처럼 보입니다.
    • Narrowband Interference를 줄이는데 효과적입니다.
  • ISI 감소:
    • 1비트(0 또는 1)를 여러 개의 칩(chip)으로 변환하여 전송하므로, Time Diversity처럼 작동하여 오류 복구 가능성이 높아집니다.

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6. OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access)

• 작동 원리:
  • 폭이 넓은 고속 채널 하나를 사용하는 대신, 폭이 작은 여러 개의 채널을 사용하여 다중 경로로 인한 ISI를 줄입니다.
  • 고속을 구현하면서도 ISI를 줄이는 기술로 4G-LTE, 5G에서 사용됩니다.
  • 비유:
    • 샤워기에서 물줄기가 여러 방향으로 분산되어도 중간 장애물에 영향을 적게 받는 것과 유사합니다.

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7. LTE-A 구현의 세 가지 핵심 기술

1. CA (Carrier Aggregation):
   • 여러 주파수 대역을 결합하여 사용자에게 높은 데이터 전송률을 제공합니다.
2. MIMO (Multiple Input Multiple Output):
   • 2x2, 4x4, 8x8 안테나를 사용하여 데이터 전송률을 선형으로 증가시키는 기술입니다.
3. OFDMA:
   • ISI를 줄여 SNR을 높여주는 기술입니다.

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8. 셀룰러 네트워크 세대별 특징 (Generations of Cellular Networks)

세대특징주요 기술

1G	아날로그 음성 통화 서비스, FDMA	FDMA
2G	디지털 폰을 사용한 SMS 등장, TDMA	TDMA
3G	스마트폰을 이용한 인터넷 서비스, CDMA	CDMA
4G	모바일 브로드밴드 글로벌 표준, 스트리밍 서비스, LTE	OFDMA, CA, MIMO
5G	IoT, 자율주행, AR/VR, 초저지연 통신(URLLC)	Massive MIMO, mmWave

 

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