A Study on Inter-networking Protocol for Wireless LAN and Broadband Wireless Access Networks

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동석 권
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1 제 7 장이동통신망 한기준경북대학교컴퓨터공학과 kjhan@knu.ac.kr

2 전파의개념 시간에따라변화하는전기장은자기장을유도하고, 시간에따라변하는자기장은전기장을유도하는데, 이전기장과자기장이서로수직을이루면서, 일종의파동 ( 波動 ) 으로서공간에전파하게된다. 이것이전자기파 ( 電磁氣波 ) 이다. 즉, 전파는전류의변화로생기며, 파동형태로빛의속도로진행 Maxwell 이 1864 년전자기파의존재를수학적으로예언 Hertz 는 1874 년전자기파의존재를실험으로증명 Marconi 는 1896 년무선전신실험에성공했으며, 무선전신을이용해대서양횡단무선통신에성공 전자기파는전파, 적외선, 가시광선, 자외선등을포괄하는개념 전파 : 전자파중에서적외선이상의파장을갖는것. 즉 3kHz~3THz 의주파수를갖는전자파 Computer Engineering 2

3 전파 Computer Engineering 3

4 전파의특성 전파의파장과주파수는반비례관계 : λ=v / f 주파수가높을수록직진성이강하고, 감쇠가심하나대량의정보전송이가능해초고속통신에적합주파수가낮을수록회절성 ( 전파가어떤장애물의후방에서까지도달하는성질 ) 이강하여멀리진행하고감쇠는적으나전송가능한정보량은적어해상ㆍ항공통신등장거리통신에적합 AM 라디오채널의주파수대역은 531~1,602[KHz] 로서중파 (300 3,000kHz) 에해당 KBS AM 711KHz의파장 = 421.6[m] FM 라디오는 88.1~107.9[MHz] 로서초단파 (30 300MHz) 대에해당 MBC FM 95.9MHz의파장 = 3.126[m] 011, 017 ( 기지국 : 869 ~ 894MHz, 이동단말 : 824 ~ 849MHz) 가 016, 018, 019( 기지국 : 1840 ~ 1870MHz, 이동단말 : 1750 ~ 1780MHz) 에비하여주파수가낮아서회절성이강하여멀리진행하고감쇠는적으므로수신감도가우수함안테나의길이는파장에비례 016, 018, 019: 휴대폰 (1765MHz) 의파장 = 0.17m 011, 017 전화기의안테나길이가 016, 018, 019 안테나보다 2배길다 Computer Engineering 4

5 전파의용도 주파수 Khz Mhz Ghz 파장 km m cm VLF 초장파 LF 장파 MF 중단파 HF 단파 VHF 초단파 UHF 극초단파 SHF 슈퍼초단파 BHF 무선항해 무선항해 중파방송선박항공통신 단파방송국제통신장거리통신 TV 방송 FM 방송이동통신 TV 방송이동통신 국제통신위성통신 M/W 전파전문 M/W Computer Engineering 5

6 전파, 주파수, 채널 전파 무선통신을위한매개체로서주파수에의해그특성이구분 주파수 전파가 1초동안진동하는횟수 ( 단위 : Hz) 동일주파수의전파를동시에동일장소에서사용할수없음 전파는공공자원 유한한주파수자원을효율적으로이용하기위해서는주파수할당을국제적, 국가적통제아래관리할필요가있다. 국제전기통신연합 (ITU: International Telecommunication Union) 이주파수대의배치, 할당, 이용의조정등을총괄 => 주파수분배표의형태로조정 채널은주파수대역을여러개로분할한독립적인데이터통로 전파, 주파수, 채널의관계는사막 ( 전파 ) 에고속도로 ( 주파수대역 ) 를개설하고, 도로에차선 ( 채널 ) 을긋는것으로비유할수있음 Computer Engineering 6

7 적외선방식 1013~1014Hz 1014Hz 가전제품의원격제어장치 (remote control) 에널리 적외선방식의장점 높은주파수로인하여전송속도및속도개선의잠재력이풍부. 송 수신에사용되는각종소자가주로반도체이기때문에처리속도가빠름 간섭이작고통신기기자체가가볍고, 작으며, 전력소모가적다. 적외선방식의단점 장애물을통과하지못함 사방으로산란되면서신호에너지가급격히감소 열잡음등에의해신호의질저하 Computer Engineering 7

8 적외선방식의종류 직접적외선방식 (directed infrared) 5Km 이상의빌딩간거리에사용 반사 (diffused) 방식 넓은공간의사무실벽과천장등의반사를이용 광전력이발사되어여러번의반사를거쳐전달되는방식 송신기와수신기사이의가시경로 (line-of of-sight path) 가필요없음 다중경로전파로인해속도에제약이따름 여러개의송신신호가공중에서여러갈래의경로를거쳐수신안테나에수신되는것 서로다른경로를거쳐수신되면서로다른진폭감쇄와위상변화를겪음 non-directed 적외선방식 기본원리는천장에부착된적외선송 수신장치로빔 (beam) 을송신하고장치로부터반사되는빔을수신하는것 다중경로로인한분산에서야기되는속도의제한을피하기위해사용 Computer Engineering 8

9 협대역마이크로웨이브방식 라디오파와적외선의중간에위치 높은주파수를사용하기때문에직진성기반의기술 문제점 신호의블로킹으로인하여신호의끊김현상이발생 다중경로의문제점 문제점 Computer Engineering 9

10 주파수이용효율의극대화방안 협대역화 하나의채널이차지하는대역폭을최소화 주파수재사용 - 한지역에서사용하는주파수채널을간섭을주지않을만큼충분히떨어진다른지역에서재사용함 다중접속기술사용 Computer Engineering 10

11 주파수재사용 Computer Engineering 11

12 주파FDMA TDMA CDMA 다중접속방식 다중접속 : 하나의통신채널을여러사용자가나누어사용 채널자원의할당방법에따라 FDMA, TDMA, CDMA 방식으로나뉘어짐 Ch1 Ch2 Ch3 Ch1 Ch3 수Ch2 Ch2 Ch1 Ch3 시간시간시간 Computer Engineering 12

13 FDMA (Frequency Division Multiple Access) 넓은주파수대역을여러개의좁은채널로분할하여독립적으로사용하는방식 모든사람이같은언어를사용하고, 회의실을작은대화방으로나눈다음, 각대화방에차례를기다렸다가들어가서대화를함 아날로그방식의이동통신에서사용 수신측에서는대역통과필터를거친신호만을통과시키므로상호교란을방지할수있음 통신보호대역 (guard band) 을두어채널간간섭을피함 스펙트럼효율은스펙트럼변조효율과주파수재사용률에의해결정 Computer Engineering 13

14 TDMA (Time Division Multiple Access) 시간축에서여러개의단위시간구간 ( 슬롯 ) 을나누는방식 자기에게할당된슬롯을다른사용자의슬롯과겹치지않도록하는다중통신방식 회의실전체를사용하여같은언어를사용하고, 자기에게할당된시간동안에만이야기를함 통상 FDMA 에의하여분할된하나의주파수대역을다시시간축에서분할 Computer Engineering 14

15 FDD 및 TDD 양방향전송의다중화를구현하는방식에따라 FDD 와 TDD FDD (Frequency Division Duplex) 서로다른주파수를이용하여양방향전송을가능하게함 TDD (Time Division Duplex) 하나의주파수대역을 2개의시분할채널로분할하여양방향의다중화를가능하게함 송신과수신이시간을달리하기때문에부가적인지연이발생 Computer Engineering 15

16 CDMA (Code Division Multiple Access) 각사용자는의사랜덤시퀀스 (pseudo random sequence) 를사용하여동일주파수대역으로동시전송 ( 주파수와시간을공유 ) 동일한주파수스펙트럼내에서동시에전송하는각각의호 (call) 를구별하기위해각사용자에게고유코드 (pseudo random sequence) 를할당하여송신신호를확산 (spread) 전송송신부는의사랜덤시퀀스를사용하여신호를확산하여전송하고, 수신부에서는송신측에서사용한것과동일한의사랜덤시퀀스를사용하여신호를복원 수신기가올바른코드번호만유지하고있다면모든호가운데서원하는호만을선택, 접속함으로써다중통신이이루어지게됨주파수혹은시간영역에서보면서로겹쳐있는것처럼보이지만각사용자는서로다른확산부호를이용하여구분회의실전체공간을사용하지만, 서로다른언어를사용하기때문에자신이아는언어로이야기하는내용만알아들을뿐이고, 다른사람이이야기하는것은단지잡음으로만느낌 Computer Engineering 16

17 직접시퀀스확산대역 (DSSS: Direct Sequence Spread Spectrum) 방식 협대역신호를광대역신호로변환하는방식 신호의대역폭에비해넓은스펙트럼을가진확산부호를이용 협대역데이터신호가광대역부호신호 ( 코드 ) 에의해변조되어각신호는넓은대역을점유 아주넓은대역폭을사용하여신호를송신 송신신호의대역폭이확산 (spread) 대역확산 확산코드를추정하기곤란하도록거의잡음과같은랜덤시퀀스신호를사용 확산코드신호와시작시간을알고있는사람만데이터를복구할수있기때문에자연히높은비화특성을가지게됨 Computer Engineering 17

18 대역확산방법 1. 송신데이터에확산코드를곱함 확산코드는원래의데이터보다훨씬높은비트속도를가지고있으므로하나의송신데이터에여러개의비트를곱함 2. 이렇게곱해진송신데이터는확산코드와같은높은속도를가지게된다 3. 이확산신호를전자파에실어서송신을하고, 수신쪽에서는이확산신호에다시동일한확산코드를곱해주면, 원래송신하고자했던데이터와동일한수신데이터를얻을수있다 Computer Engineering 18

19 확산코드 같은확산코드로복원한경우 다른확산코드로복원한경우 송신데이타 확산신호 송신쪽확산코드 확산신호 수신쪽확산코드 수신쪽확산코드 수신데이타 수신데이타 Computer Engineering 19

20 CDMA 방식의장점 통화단절및혼선이적음 다중경로문제해결 다중경로 : 여러개의송신신호가공중에서서로다른경로를거쳐수신되면서로다른진폭감쇄와위상변화를겪게되는문제 넓은서비스권역을제공 반사파나다중파의간섭이심한산악지형또는혼잡한도심지역에서도우수한통화품질제공 의사랜덤시퀀스 (pseudo random sequence) 를사용하여통화혼선을막고보안성을향상 Computer Engineering 20

21 주파수도약확산대역 (Frequency Hopping Spread Spectrum) 캐리어의주파수를시간적으로불규칙적하게바꿈으로써협대역신호를광대역신호로변환하는방식수신단과송신단이정확히동기가맞아야하므로구성하기가복잡하여가격이비싸진다. ( 반송주파수가바뀌는시점을정확하게파악하여함 ) DSSS 방식보다간섭현상에대해강함 Frequency Slots Time Computer Engineering 21

22 FHSS Computer Engineering 22

23 셀룰러망 전체서비스영역을작은크기의셀 (cell) 로나누어통신서비스를제공하는망 셀 (cell) 통신서비스가이루어지는하나의단위 각셀의중앙에는셀에속한단말들을서비스해주는기지국이존재 크기에따라매크로셀 (macro cell), 마이크로셀 (micro cell), 피코셀 (pico cell) 등으로나누어짐 기지국은어떤주파수를써서각이동단말과통신할것인가를결정 기지국은이동교환국과유선채널로연결되고이동교환국은다시공중전화망과연동되어일반유선전화가입자와접속됨 Computer Engineering 23

24 셀룰러망의구조 5 PSTN 유선망교환기 이동교환국 (Mobile Switching Center) 기지국 Computer Engineering 24

25 셀룰러망의구조 ( 계속 ) VLR HLR MSC MSC 유선망 유선망 BS BS BS BS 이동단말 Computer Engineering 25

26 위치관리 목적 : 단말의위치이동에관계없이호의발신, 착신이가능 위치레지스터 (location register) 가입자의위치정보저장 단말의자유로운이동을위해서는두종류의위치레지스터가필요 홈위치레지스터 (HLR: Home Location Register) 가입자의현재위치및해당가입자에관련된모든정보를영구적으로저장 가입자전화번호와단말기고유번호를관리하는일부터부가서비스선택정보에이르기까지가입자에게각종서비스를제공하는데필요한모든정보를관리 1개통신사업자가복수의 HLR 을가질수도있다. 방문자위치레지스터 (VLR: Visitor Location Register) 관할영역내에위치한가입자의정보를그영역내에머무르는동안만일시적으로저장 Computer Engineering 26

27 위치추적및등록 VLR (3) 가입자데이터요구 (4) 정보관리 HLR (2) 위치인증등록 (5) 로밍허가 (1) 이동 망에서위치구역식별번호를계속방송하여단말기가가지고있는식별번호와다르면위치등록 Computer Engineering 27

28 호설정방법 발신자측교환기 (3) 방문교환기 (1) (2) 위치레지스터 홈교환기 ( 제어신호의흐름 : 점선, 정보의흐름 : 직선 ) (1) 발신측교환기가 HLR 에가입자위치정보조회 (2) 조회에대한 HLR 의회신 (3) 착신경로주소에따라경로를설정 Computer Engineering 28

29 호처리절차 발신단말 NET 착신단말 시스템정보방송 무선채널설정요구 인증요구 설정승인 무선호 ID 할당 호설정요구호처리중 통보 호설정 채널설정및인증 착신자호출 채널설정및인증 호설정요구 호설정 Computer Engineering 29

30 핸드오프 단말의이동으로인하여신호의세기가작아지거나간섭이발생하면현재사용중인채널을끊고다른채널로전환 도심지역의경우, 셀의크기를너무축소하면잦은핸드오프 (handoff) 발생 교외지역의경우, 빠르게움직이는차량을대상으로하고트래픽밀도가매우낮은점을고려하면매크로셀 (macro cell) 구성이필요하므로셀의크기를무조건줄일수는없다는딜레마가있음 교환국 (A) A 교환국영역 B 교환국영역교환국 (B) 2 기지국 A 1 3 c a b Computer Engineering 30

31 핸드오프종류 셀내핸드오프 (intra-cell handoff) 현재서비스를받고있는셀내에서발생하는회선전환 특정채널의품질이저하될경우에발생 셀간핸드오프 (inter-cell handoff) 이동단말이일단호를설립하여통화중에다른셀로이동할경우통화절단없이서비스기지국이자동으로바뀌어연속적인통신을가능하도록함 Computer Engineering 31

32 핸드오프방법 하드핸드오프 (hard handoff) 먼저사용중인채널을끊은후에사용할채널을연결하는방식소프트핸드오프 (soft handoff) 사용할채널을먼저확보하여연결한후현재사용중인채널의연결을끊는방식 품질면에서는우수하나핸드오프시간동안두채널의연결을유지하고있어야하므로채널이용효율의저하를가져옴 CDMA 시스템에서사용 망제어핸드오프 (NCHO: Network Controlled Handoff) 아날로그셀룰러시스템에서주로사용 신호세기측정과핸드오프시행여부가망에의해일방적으로이루어짐이동단말지원핸드오프 (MAHO: Mobile Assisted Handoff) 디지털셀룰러시스템에서사용되는방식 기지국뿐만아니라단말기도신호세기를측정하여그측정결과에의해핸드오프가시행이동단말제어핸드오프 (MCHO: Mobile Controlled Handoff) 단말기가신호세기측정결과에의해핸드오프될기지국을선정하고망에핸드오프의시행을요청하는방식 핸드오프처리시간을줄일수있고기지국의단순화를유도할수있는장점 Computer Engineering 32

33 셀룰러망의구성요소 이동단말기 무선채널신호세기측정, 무선신호의변복조및송수신 음성코딩및디코딩 통화채널설정및해지기지국 무선채널및셀관리 무선채널의활성및비활성화 다이버시티 정보암호화 셀간핸드오프이동교환기 기지국감시및제어 무선자원관리 위치등록 착발신호처리 교환기간핸드오프처리 Computer Engineering 33

34 셀룰러망의구성요소 ( 계속 ) VLR VLR 구역내의위치등록응용절차수행 인증알고리즘수행 발신호처리에필요한각종가입자정보관리 임시식별번호및로밍번호할당 HLR 및인증센터 구역변경시위치갱신응용절차수행 가입자의위치정보관리 가입자의서비스프로파일관리 가입자의인증파라미터관리 Computer Engineering 34

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½½¶óÀÌµå Á¦¸ñ ¾øÀ½ 하나의그룹 FH/FDMA 시스템에서 겹쳐지는슬롯수에따른성능분석 구정우 jwku@eve.yonsei.ac.kr 2000. 4. 27 Coding & Information Theory Lab. Department of Electrical and Computer Engineering, Yonsei Univ. 차례 (Contents) 1. 도입 (Introduction)