Chapter 10 - Review Questions
(10-1) What geometric shape is used in cellular system design? And why?
셀룰러 시스템(cellular system) 설계에서 어떤 도형이 사용되며, 그 이유는 무엇인가?
→ **정육각형(hexagon)**이 사용된다. 그 이유는 다음과 같다.
- 이상적인 환경(건물이나 언덕이 없는 상태)에서 **전방향 안테나(omnidirectional antenna)**는 원(circle) 형태의 범위를 제공한다.
- 하지만 실제 설계에서는 **기지국(base station)**을 **정육각형 형태로 배치하면 인접 셀 간의 중첩(overlap)**을 최소화하면서 가장 효율적으로 영역을 커버할 수 있다.
- 또한, 이러한 배치는 효율적인 핸드오버 알고리즘(efficient handover algorithm) 구현에도 도움이 된다.
(10-2) What is the principle of frequency reuse in the context of a cellular network?
셀룰러 네트워크에서 주파수 재사용(frequency reuse)의 원리는 무엇인가?
→ 셀룰러 시스템에서는 **동일한 주파수 집합(same set of frequencies)**이 **여러 셀(co-channel cells)**에서 사용된다.
이때, **충분한 거리(frequency reuse distance)**를 두고 이 셀들을 배치함으로써 **동채널 간섭(Co-Channel Interference)**을 방지할 수 있다.
(10-3) List four ways of increasing the capacity of a cellular system
셀룰러 시스템의 용량(capacity)을 증가시키는 네 가지 방법을 나열하시오.
- Adding new channels (새로운 채널 추가)
- 처음 시스템이 구축될 때 모든 채널이 사용되지 않기 때문에, 성장에 따라 점진적으로 채널을 추가하여 용량을 확장할 수 있다.
- 인접 셀에서 일부 주파수를 빌려오는 **주파수 차용(frequency borrowing)**도 가능하며, 필요에 따라 채널을 동적으로 할당하는 방식도 존재한다.
- Cell splitting (셀 분할)
- 특정 지역에 트래픽이 집중되면, 그 지역의 셀을 더 작은 셀로 분할함으로써 용량을 증가시킬 수 있다.
- Cell sectoring (셀 구역화)
- 셀을 3개 또는 6개의 **부채꼴 섹터(sector)**로 나누고, 각 섹터마다 **지향성 안테나(directional antenna)**를 배치하여 주파수 간섭을 줄이고 용량을 높일 수 있다.
- Microcells (마이크로셀)
- 건물 옥상 등 높은 곳에서 설치된 안테나를 지상 근처(예: 가로등 등)로 낮추어 셀 크기를 줄이는 방식이다.
- 셀 크기 감소는 기지국의 송신 전력도 줄이므로, 도시 거리나 고속도로, 공공건물 내부 같은 혼잡 지역에서 유용하다.
(10-4) Explain the paging function of a cellular system
셀룰러 시스템에서 호출(paging) 기능이란 무엇인가?
→ 특정 모바일 장치에 전화를 걸기 위해, 여러 셀의 기지국이 **호출 신호(paging signal)**를 동시에 전송하여 해당 사용자를 찾고, 연결을 시도하는 방식이다.
이때 찾으려는 대상은 **피호출자(callee)**이다.
(10-5) What is fading?
**페이딩(fading)**이란 무엇인가?
→ 페이딩은 **수신 신호의 세기(received signal power)**가 시간에 따라 변화하는 현상을 의미한다.
이는 **전달 경로(path)**나 **전송 매체(transmission medium)**의 변화에 의해 발생하며, 특히 다중 경로(multi-path) 환경에서 흔히 나타난다.
(10-6) What is the difference between diffraction and scattering?
회절(diffraction)과 산란(scattering)의 차이는 무엇인가?
→
- Diffraction (회절):
신호의 파장보다 큰 불투과성 물체의 모서리(edge of an impenetrable body)에서 발생한다.
이런 경우 신호는 **직진(line of sight)**하지 못하고, 모서리를 따라 휘어지며(bending around the obstacle) 다른 방향으로 전달될 수 있다.
이 현상은 **파장이 긴 저주파수 신호(예: AM radio)**일수록 두드러지며, **신호의 coverage(범위)**를 넓히는 효과가 있다. - Scattering (산란):
장애물의 크기가 신호의 파장과 같거나 작을 때 발생하며, 작은 물체의 표면에서 신호가 여러 방향으로 튕겨져 나가는 현상이다.
**고주파수 신호(예: 5G)**에서 주로 발생하며, 신호의 coverage가 줄어드는 원인이 되기도 한다.
(10-7) What are the key differences between first- and second-generation cellular systems?
**1세대(1G)**와 2세대(2G) 셀룰러 시스템의 주요 차이점은 무엇인가?
→ 주요 차이점은 다음과 같다:
- Digital traffic channels (디지털 전송 채널)
- 1세대는 거의 아날로그(analog) 방식이며, FM 음성 채널 전용이었다.
- 2세대는 디지털(digital) 방식을 채택하여, 디지털 데이터를 직접 지원한다. 음성도 디지털 포맷으로 변환 후 전송된다.
- Encryption (암호화)
- 2세대는 전체 사용자 트래픽과 제어 트래픽을 **디지털화(digitized)**하여 암호화가 용이하다.
- 반면, 1세대는 모든 데이터를 **평문(in the clear)**으로 전송하므로 보안이 없다.
- Error detection and correction (오류 검출 및 수정)
- 2세대 디지털 스트림은 오류 검출 및 수정 기술을 적용할 수 있어, 음성 품질이 향상된다.
- Channel access (채널 접근 방식)
- 1세대는 한 사용자가 한 채널만을 독점해서 사용한다.
- 2세대는 TDMA(Time Division Multiple Access) 또는 CDMA(Code Division Multiple Access) 방식을 통해 여러 사용자가 채널을 동적으로 공유한다.
(10-8) What are some key characteristics that distinguish 3G cellular systems from 2G?
3세대(3G) 셀룰러 시스템이 2세대와 구별되는 주요 특징은 무엇인가?
→
- 음성 품질 향상 및 고속 데이터 지원:
예:- 고속 차량 이동 시 144 kbps
- 보행자 상태에서 384 kbps
- 사무실 내 2.048 Mbps까지 점진적 지원 예정
- 대칭 및 비대칭 데이터 전송 지원
- 패킷 교환과 회선 교환 방식 모두 지원
→ 예: 인터넷 접속은 3G부터 가능 - 주파수 효율 증가
→ CDMA 기술이 뒷받침함 - 신기술 및 서비스 유연성 증가
→ 예: 스마트폰 등장 기반
(P10-1)
A cellular network has a system of 64 cells (=Nₐₑₗₗ), each with a cell radius of 1.2 km. It supports 396 traffic channels (=K) and has a reuse factor of 9.
셀 반경이 1.2km인 셀(cell) 64개로 구성된 셀룰러 네트워크가 있으며, **총 396개의 트래픽 채널(K)**을 제공하고, **주파수 재사용 계수(reuse factor, N)**는 9이다.
(a) 셀 하나당 채널 수는?
(b) 총 채널 용량(capacity)은?
풀이:
- (a) 셀 하나당 채널 수 = K / N = 396 / 9 = 44
- (b) 총 채널 용량(C) = 셀당 채널 수 × 셀 수 = 44 × 64 = 2,816 채널
(P10-2)
Consider 4 different cellular systems with the following conditions:
- 상향 링크(uplink): 825~845 MHz
- 하향 링크(downlink): 870~890 MHz
→ 전체 가용 주파수 대역: 40 MHz (=B꜀ₗ) - 하나의 통화는 양방향(duplex)으로 필요하며, 각 방향당 30kHz
→ 총 60kHz (=b꜀ₕ) 필요 - 각 시스템의 재사용 계수(N)은 각각 4, 7, 12, 19
- 클러스터 수(N꜀ₛ) = 16, 동일하게 가정
(a) 각 시스템이 동시에 지원할 수 있는 통화 수(C)는?
- K = B꜀ₗ / b꜀ₕ = 40MHz / 60kHz = 666
- C = N꜀ₛ × K = 16 × 666 = 10,656 통화
(b) 각 셀이 지원할 수 있는 통화 수는?
N에 따라:
- N=4 → 666 / 4 = 166
- N=7 → 666 / 7 = 95
- N=12 → 666 / 12 = 55
- N=19 → 666 / 19 = 35
(c) 각 시스템이 커버하는 셀 수(area in cells)
Area = N × N꜀ₛ =
- N=4 → 4×16 = 64 셀
- N=7 → 112 셀
- N=12 → 192 셀
- N=19 → 304 셀
(d) 셀 크기(cell size)가 동일하고, 100개의 셀이 있는 영역에서 동시 통화 수(C)는?
- 셀당 통화 수만 그대로 적용하고, 100 셀만 고려:
→ N=4 → 100×166 = 16,600
→ N=7 → 9,500
→ N=12 → 5,500
→ N=19 → 3,500
※ 모든 시스템이 같은 셀 크기를 가지므로, 재사용 계수(N)에 따라 효율 차이가 발생함
(P10-3)
A 1G cellular system using FDMA allocates a total of 25 MHz bandwidth to each operator for transmission in both directions (full duplex).
각 사업자에게 주어진 총 대역폭은 25MHz이며, 그 중 절반인 12.5MHz는 한 방향(full duplex 기준)만 사용 가능하다.
문제:
운영자가 총 400 채널을 사용하고, 채널 사이에 **8kHz의 가드밴드(guard band)**가 있다면, 하나의 채널이 사용하는 대역폭은 얼마인가?
풀이:
- 한 방향당 사용 가능한 대역폭:
25 MHz / 2 = 12.5 MHz = 12,500 kHz - 채널 수: 400개
→ Guard band는 채널 사이에만 생기므로 399개 - 총 대역폭 = 400 × b + 399 × 8 kHz
- 여기서 b = 하나의 채널 대역폭
- 식 정리:
12,500 = 400b + 399×8
→ 400b = 12,500 − 3,192 = 9,308
→ b = 9,308 / 400 = 약 23.27 kHz
결론:
하나의 채널이 사용하는 대역폭은 약 23.27 kHz이며,
이는 총 대역폭의 약 34%가 guard band로 낭비된다는 뜻이다.
→ FDMA의 비효율적인 자원 사용 구조를 보여주는 예시이다.
(P10-4)
An enhanced 2G system uses multiframe TDMA. A 5kbps 음성 신호를 전송하기 위해 8명의 사용자 데이터를 4개의 프레임(frame)에 나눠 전송한다.
조건:
- 사용자당 1초에 5000비트 전송 필요
- 프레임당 1 user가 4bit를 사용함
- 8명 사용자 × 4bit = 프레임 하나에 32bit
- 4개의 프레임이 모여 1개의 멀티프레임(multiframe) 구성
문제:
이 때 출력 채널의 bit rate는 얼마인가?
풀이:
- 사용자당 필요한 프레임 수:
5,000 bits / 4 bits = 1,250 프레임/sec - 각 프레임 크기:
4bit × 8 users = 32 bits/frame - 비트율 계산:
1,250 frame/sec × 32 bits = 40 kbps - 1 multiframe = 4 frames → 전체 데이터는 4배
→ 40 kbps × 4 = 160 kbps
결론:
해당 시스템이 요구하는 출력 채널의 비트율은 160 kbps이다.
이는 제어 프레임, 시그널링 데이터 등을 포함한 멀티프레임 구조이기 때문이다.
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