무선 통신 공학 및 실험 Spring 2004

Transcription

1 1

2 목차 1. 이동통신의개요 2. 전파와전송시스템 3. 이동통신의채널환경 셀룰러통신의개념 6. cdmaone 시스템기술 7. 차세대이동통신기술 2

3 CHAPTER 1 이동통신개요 3

4 1.1 통신의개념및역사 통신이란? 정보의전달 송신자 ( 어떤지역 ) 에서다른수신자로의미있는정보를전달 의사 ( 정보 ) 를전달하는방식 소리 ( 음성, 말 ) 모양 ( 몸짓, 부호, 문자 ) 4

5 1.1 통신의개념및역사 정보를전달하는방법 북, 나팔, 파말마, 봉화, 전기장치, 전자파 < 과거 > < 현재 > 5

6 1.1 통신의개념및역사 유무선통신역사 최초의위성통신 최초의 DMB 방송시작 ( 한국 ) Forest 3 극진공관발명 상업텔레비전방송 상업위성통신 셀룰러이동통신의기술상용화 세계첫 LTE 상용서비스시작 ( 스웨덴 ) 미국디트로이드경찰국순찰차이동라디오서비스 레이더 MICROWAVE 개발 디지털휴대전화서비스시작 WCDMA/Wibro 서비스상용화 Bell 연구소셀룰러이동통신의개념개발 세계최초 CDMA 상용화서비스개시 ( 한국 ) 세계최초차세대 4G 모바일폰발표 ( 대만 ) 6

7 1.2 신호의표현 정보 어떤의미를지니는내용 ( 날씨, 증권, 취업정보등 ) 신호 (Signal) 통신수단 ( 전기장치를이용 ) 에적합하도록구현된정보 정보를약속된변환과정을통해전류나전자기파형태의에너지의흐름으로변환시키는것 정보와신호의전송모델 7

8 1.2 신호의표현 : 통신모델 통신시스템모델 : 샤논의통신시스템모델 8

9 1.2 신호의표현 아날로그신호 continuous의의미 ( 어원 :analogous) 대다수의자연현상에서생기는신호 음성, 동영상, 온도계, 압력계로부터얻어지는정보, 레코드음반 예 ) 정현파신호 주기 : 신호가한사이클이진행되는시간 진폭 : 신호의크기 ( 전압, 전류 ) 주파수 : 1초동안에진동한횟수 (Hertz) 위상 : 시간축이 0점에서신호의위치가어느곳인지표현 ( 각 ) 9

10 1.2 신호의표현 디지털신호 discrete 의의미 ( 어원 :digit) 보다인공적인 (artificial) 면을가짐 문자, 정수형변수 단위 : bit, byte, etc 예 ) 비트신호 비트구간 : 하나의비트를보내기위해필요한시간 비트율 : 초당보내어지는비트의숫자 (bps) 진폭 1 초 1 초구간 ; 8 비트비트율 ; 8bps... 비트구간 10

11 디지털신호의장점 1.2 신호의표현 원래의신호를재생하는데매우용이하다. Distance 1 Original pulse signal Distance 2 Some signal distortion Distance 3 Degraded signal Distance 4 Signal is badly degraded Distance 5 Amplification to regenerate pulse Propagation distance 신호의왜곡이나다른신호로부터받는간섭에대해강하다. 아날로그신호에비해높은신호충실도를얻을수있다. 재밍 (Jamming) 에강한장점을지니고있다 디지털신호의처리및저장이쉽다 11

12 1.2 신호의표현 디지털신호의단점 디지털이아날로그보다기술적복잡도가더욱크다. 디지털신호를처리하기위해서는부가적인단계가필요 ex) A/D Conversion, Sampling, etc. 동일한정보를가지는신호에있어서아날로그신호가차지하는대역폭보다디지털신호가차지하는대역폭이더크다. 디지털통신의신호처리에는동기화 (synchronization) 과정이필요하다. 동기화 : 통신시스템에있어데이터의시작점을맞추는과정 12

13 1.2 신호의표현 시간영역과주파수영역에서표현 13

14 1.2 신호의표현 시간영역과주파수영역에서표현 혼합된신호 14

15 1.2 신호의표현 시간영역과주파수영역에서표현 혼합된신호 15

16 1.2 신호의표현 : 강도 (db) 신호강도측정의단위 (db) 비교되는두신호간의상대적인크기 P Decibel: 2 1dB = 10 log 10 P1 P : 신호의에너지 ( 강도 ) 대수에비례하는사람의청각반응을표현 ex) 실제 10000배커진소리 청각적으로는 40배커진소리로인식 db 사용의용이점 간단한연산 ( 대수함수의성질이용 ) 시스템의특성파악용이 (+, -로표현 ) 16

17 1.2 신호의표현 : 강도 (db) 소리의종류 db 느낌 제트기이륙 (60m) 공사장소음, 헤비메탈연주회고함 (1.5m) 대형트럭 (15m에서), 굴착기 (1m) 대도시거리소음자동차실내소음보통대화 (1m) 교실, 사무실 120 db 110 db 100 db 90 db 80 db 70 db 60 db 50 db 견디기어렵다대단히시끄럽다꽤시끄럽다보통 조용한거실 40 db 조용하다 밤중의침실방송국스튜디오나뭇잎스치는소리들을수있는가장작은소리 30 db 20 db 10 db 0 db 고요하다 겨우무엇인가들린다 17

18 1.2 신호의표현 : 강도 (db) 신호의상대적인크기 신호 P 에대한신호의크기를표기 0 P1 P1 db = 10 log P db(for volts) = 20 0 V log V 1 0 예시 1 f( t ) = 0.1v h ( t) g( t ) = 5v 20 5 log = 34 db

19 1.2 신호의표현 : 강도 (db) db 값으로부터그신호의실제값을찾아활용 전력의경우 P = P db / value P = P 1 0 db 10 value / 10 전압의경우 V = V db / value V = V 1 0 db 10 value / 20 예제 2) 신호가 13dB 증폭이되어 1.2W 을나타내었다. 원래의신호값은얼마인가? 19

20 1.2 신호의표현 : 강도 (db) 전력값의 dbm 변환표 Power in Watts 0.1mW 1mW 1watt 1000watts Power in dbm -10dBm 0dBm 30dBm 60dBm db 사용의예 1mW = 0dBm = -30dBW, 1W = 0dBW = 30dBm ± ± ± ± (A db) (B db) = (A B)dB (A dbm) (B db) = (A B)dBm (A dbm) - (B dbm) = (A-B)dB 20

21 1.3 디지털통신시스템 21

22 1.3 디지털통신시스템 : A/D 변환기 A/D 변환기 (formating) 아날로그정보원을디지털신호로바꾸는것 코드넘버 양자화레벨 x(t) (V) x(t) t 측정값양자화값코드넘버 PCM 배열

23 1.3 디지털통신시스템 : 부호화및암호화 원천부호화 (Source Coding) 필요없는정보를버리고핵심적인정보들만골라내는과정 코딩의세단계 암호화 (encryption) 소스코딩 (source coding) 보안 채널코딩 (channel coding) 휴지통 23

24 1.3 디지털통신시스템 : 부호화및암호화 암호화 (Encryption) 인정되지않은 ( 권한이주어지지않은 ) 사용자가전송되는 메시지를파악하거나시스템내부에침입하여메시지에 에러요소를심는등의활동을하지못하게하는단계 채널코딩 (Channel Coding) 전송중에발생된오류를검출및정정하기위하여원래비트에잉여비트를추가하는기법 24

25 1.3 디지털통신시스템 : 변조 변조 / 복조 (Modulate/Demodulate) 아날로그변조, 디지털변조 기저대역신호 (base-band signal) : 정보를가진신호 반송파 (carrier) : 신호전송거리가길고잡음의영향이적은높은주파수의신호 25

26 1.3 디지털통신시스템 : 변조 디지털변조 시간 (t) T (a) 진폭변조방식 (amplitude shift keying) 시간 (t) T (b) 주파수변조방식 (frequency shift keying) 시간 (t) T (c) 위상변조방식 (phase shift keying) 26

27 1.3 디지털통신시스템 : 다중화 다중화 / 역다중화 (Multiplexing/Demultiplexing) 다중화 : 하나의회선또는전송로를분할하여개별적으로독립된신호를동시에송수신할수있도록다수의통신로를구성하는기술 역다중화 : 원래의독립신호또는이들신호의집합을복원 시키기위해다중화된신호를분리하여, 원래의 신호또는신호의집합으로복원하는과정 27

28 1.3 디지털통신시스템 : 다중화 다중화사례 (FDM) Demultiplexer 역다중화사례 Filter Demodulator Carrier f1 Demodulator + Filter Carrier f 2 Demodulator Filter Carrier f3 28

29 1.3 디지털통신시스템 : 다중접속 다중접속기술 : FDMA, TDMA, CDMA 주파수분할다중접속 (Frequency Division Multiple Access) ; 각사용자가주파수대역으로나누어사용 다중접속 주파수분할다중접속 (FDMA) 채널 1 채널 2 채널 3 주파수대역폭 채널 1 사용자채널 2 사용자채널 3 사용자 29

30 1.3 디지털통신시스템 : 다중접속 시분할다중접속 (Time Division Multiple Access) ; 일정한시간간격으로분할하여각사용자가순서대로할당된시간간격에자신의신호를전송하는방식 다중접속 시분할다중접속 (TDMA) 주파수 1 주파수 2 주파수 3 채널 1 채널 2 채널 3 타임슬롯 (time slot) 주파수대역폭 주파수 2 사용자 1 사용자 2 사용자 3 30

31 1.3 디지털통신시스템 : 다중접속 코드분할다중접속 (Code Division Multiple Access) 여러사용자가동일한주파수를동시에사용 송수신에서동일한코드를사용하는통화만을선별적으로골라내어듣는방식 부호분할다중접속 (CDMA) 주파수대역폭 31

32 1.4 신호의전송매체 : 유선매체 전송매체 : 송신기로부터수신기까지신호가송신되는전송로 유선매체, 무선매체 유선매체 송신신호가물리적인경로를따라수신기로전달 전송매체의물리적인특성에따라구분됨 : 이중나선, 동축케이블, 광케이블 사용되는매체에따라전송률, 대역폭등의특성이달라짐 매우안정된신호전송이가능 유선매체의특성 32

33 1.4 신호의전송매체 : 무선매체 무선매체 물리적인실체가보이지않는전송매체 무선매체를이용한전송은전송매체의물리적특성보다는주파수대역에따라구분됨 무선전파, 음파, 적외선 무선전파의경우 ( 이동통신에서주로사용되는전송매체 ) 초단파 (2GHz~40GHz): UHF(ultra high frequency), S(super)HF 방송용라디오파 (30MHz~1GHz): V(very)HF 33

34 1.4 신호의전송매체 : 무선매체 무선전파의주파수대역 우주공간지표면대류권전리층우주공간가시선 VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF 3KHz 30KHz 30KHz 300KHz 300kHz 3MHz 3MHz 30MHz 30MHz 300MHz 300MHz 3GHz 3GHz 30GHz 30GHz 300GHz 주파수 (Hz) VLF LF MF HF 4 10 무선통신 (Radio communication) Radio, microwave, satellite 초장파 장파 중파 단파 VHF UHF SHF EHF 9 10 초단파 극초단파 센티미터파 밀리미터파 ELF SLF ULF VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF 전력과전화순환발전기음악장치음성마이크로폰 무선전파 (radio) 라디오와 TV 전자튜브집적회로셀룰러폰방식 마이크로파레이더극초단파안테나전자관 적외선레이저유도미사일거리측정기 가시광선 이중나선 동축케이블 광섬유 AM 방송 FM 방송 TV 방송 지상과위성의전송 파장 ( 미터 )

35 1.5 신호의전송손상 전송손상 (transmission impairment) 전송신호가전송매체에의해수신기에정확히전달되지못한것 감쇠, 왜곡, 잡음 손상 감쇠 왜곡 잡음 35

36 1.5 신호의전송손상 : 감쇄 감쇠 (attenuation) 전송신호가전송매체를통해전달되는동안일부의신호가열로변하여에너지가손실되는것을의미 감쇠보정 : 이중나선, 광섬유등의유선매체를이용할때전송길이에따른신호의감쇄를보정하기위해증폭기나중계기 (repeater) 를사용 Original Attenuated Amplified Point 1 Transmission medium Amplifier Point 2 Point 3 36

37 1.5 신호의전송손상 : 왜곡 왜곡 (distortion) 다양한주파수로구성된신호가전송매체를통해전달될시그신호의각각의주파수신호성분들은다른전송속도를가지게되어도착시간이각각다르게되어원신호의형태가변하게되는현상 point 1 point 2 전송매체 수신된합성신호 위상이맞는구성성분 위상이다른구성성분 37

38 잡음 (noise : 열잡음 ) 1.5 신호의전송손상 : 잡음 분자들의불규칙한움직임에의해발생 모든통신시스템에는수신기에는원하지않는잡음이더해진다 통신성능을저하시키는주요한요인 신호대잡음비 (SNR; Signal to Noise Ratio): 수신신호로부터신호를추출시원신호에대한잡음의상대적인크기 38

39 1.5 신호의전송손상 : 잡음 아날로그전송에서노이즈의영향 원신호잡음 (noise) 수신된신호 Point 1 전송매체 (transmission medium) Point 2 39

40 1.5 신호의전송손상 : 잡음 디지털전송에서노이즈의영향 Data transmitted Signal Noise Signal plus noise Sampling times Data received Original data Bits in error 40

41 1.6 디지털시스템에서신호의성능 신호의성능지수 전송률 (throughput) 초당전송매체의한점을지나가는비트의수 가상의벽 진행방향 전송매체 전송매체 전송속도 (propagation speed) 비트가일초동안에전송매체를통과하는거리의측도 41

42 1.6 디지털시스템에서신호의성능 전송시간 (propagation time) 신호가전송매체의한점에서다른점으로이동시걸리는시간 전송시간 = 거리 / 전송속도 전송시간 = t1 - t2 = d / 전송속도 거리 = d t 1 시점 시점 t2 42

43 CHAPTER 2 전파와전송시스템 43

44 2.1 전파의특성 전파란무엇인가? 인공적매개물없이공간에전달하는 3000GHz 보다낮은주파수의전자파 ( 전파법제 2 조 ) 전자파, 전자기파 전계와자계의시간적변화에따라발생하는파동 전파의발견 맥스웰방정식 : 전파존재에대한예언 헤르츠의실험 : 전파의포착, 맥스웰이론확인 전파의응용 무선통신에이용 ( 무선전신기 ) : 마르코니 ( 최초의무선전신 ) 44

45 2.1 전파의특성 TEM(transverse electromagnetic) 파로전파 전기장, 자기장및파형의진행방향이상호직각 y 진행방향 z 전기장 자기장 x 45

46 2.1 전파의특성 전파의발생 시간에따른전하와전기력선의변화 ( 직류 ) (1) V (4) V 전기력선 (2) V (5) V (3) V (6) V 46

47 2.1 전파의특성 전파의발생 전파의확산 ( 교류전원연결 ) A B A B A 전기력선, 자기력선이복사되어자유공간으로진행 B 47

48 2.1 전파의특성 전파의특성 개념및현상 직진성 (straightforward) 반사성 (reflection) 한점에서다른점으로최단거리를이동하는성질파동전반의공통적인성질 전파에물질에부딪쳐경로를달리하는현상빛의반사, 라디오의나쁜수신상태, TV 의 ghost 현상 굴절성 (refraction) 다른물질로의유입시진행방향및진행속도의변화물속의물체가휘어보이는현상 간섭성 (interference) 회절성 (diffraction) 전반사성 (total-reflection) 파원이다른두전파가겹쳐졌을때일어나는현상보강간섭과상쇄간섭 전파가장애물뒤쪽까지도달하는현상산뒷편에도라디오가들리는현상주파수가낮을수록심하다. 전리층에의해전파가반사되는현상지구반대편에사람과통신이가능한것 직진 (straightforward) 회절 (diffraction) 굴절 (refraction) 반사 (reflection) 48

49 2.2 전파의종류 전파의종류 : 지상파, 공간파, 목시선의전파 지상파 전자파가지구의형상에따라전파 지구내에서원거라통신용으로사용 (3MHz이하) 공간파 지구대기권반사를이용하여통신 (3~30MHz) 국제전화, 국제방송 49

50 2.2 전파의종류 목시선 (LOS: Line of sight) 의전파 지구대기권밖으로전파되는것을이용하여통신 (30MHz 이상 ) 인공위성통신 50

51 2.3 전파 (propagation) 원리 등방형방사 모든방향으로똑같은이득을가지고전력을방사 지향성방사 특정방향으로더큰이득을가지고전력을방사 안테나 안테나 d d G( 안테나이득 ) 등방형방사 지향성방사 51

52 2.3 전파 (propagation) 원리 자유공간에서수신전력 안테나이득이 (Gt) 송신기로부터 d 만큼떨어진안테나이득이 (Gr) 수신기에서수신전력 P Pt Gt Gr ( 4πd / λ) r = = 2 Pt Gt G L r ( L = (4πd / λ) 2 ; 경로손실) 경로손실은거리와송신신호의주파수와관계가있다. L = ( 4πdf / c) 2 거리가멀고주파수가높을수록손실이커짐 52

53 2.3 전파 (propagation) 원리 등방형안테나를사용한경우최대송신전력 (ERIP) EIRP( effective isotropict radiated power) : P ti = P t G t 반파장다이폴안테나를사용한경우최대방사전력 (ERP) EIRP( effective radiated power) = EIRP 2. 15dB 등방형송신안테나의최대송신전력 (ERIP) 에따른수신전력 P EIRPGr ( 4πd / λ) ri = = 2 EIRPG L r ( L = (4πd 2 / λ) ; 경로손실) 53

54 2.3 전파 (propagation) 원리 실제시스템에서의수신전력 송신전력 경로손실 L 수신전력 P t P r 송신기 수신기 선로손실 L t 송신안테나이득 G t 수신안테나이득 G r 선로손실 L r 54

55 2.3 전파 (propagation) 원리 수신전력 P r = Pt Gt G Lt L Lr r 무지향성안테나를사용하였을경우 방사전력 (EIRP) 수신전력 EIRP PG L t t = = t P ti 경로손실 (path loss): 전송전력에대한수신전력의비 L P P ri = Pr L Gr PG G r P = = ti t t r P = L ri PLL log ti db 10 P r t r ri 55

56 2.4 RF 전송시스템 송신부 (transmitter) 와수신부 (receiver) 로구성 안테나 (antenna) 증폭기 (amplifier) 필터 (filter) 믹서 (mixer) 오실레이터 (oscillator) 900MHz 의신호를공중으로송출 900MHz 의신호를공중으로부터수신 400MHz 의정보신호 안테나 안테나 400MHz 의전기신호 IF RF RF IF 증폭기 500MHz 필터 고출력증폭기 저잡음증폭기 필터 500MHz 필터 증폭기 오실레이터 오실레이터 56

57 2.4 RF 전송시스템 : 안테나 안테나 (antenna): 전기적인신호 ( 변환 ) 전자파 유효한아테나길이 : 파장의 1/2 또는 1/4 길이 파장( λ) = 전파의속도 C 3 10 m 주파수( f : Hz) 8 ( : / sec) 1 1 안테나의길이 : 파장의또는 2 4 Cellular 900MHz 8 C 3 10 λ = = = m 8 f 안테나길이= = cm 4 PCS 1.8GHz λ = = 0.166m 안테나길이 = = 4.15cm 4 IMT2000 2GHz λ = = 0.15m 안테나길이 = = 3.75cm 4 57

58 2.4 RF 전송시스템 : 안테나 안테나의종류 : 무지향성 / 지향성안테나 무지향성안테나 수직안테나 (whip Antenna, 해리컬 Antenna) 특정지향방향없이전파방사 휴대용, 초단파통신용, 일반 ( 상업 ) 방송용, 워키토키 1 4 λ 지면 (a) 수직안테나와수직안테나의방사 58

59 2.4 RF 전송시스템 : 안테나 G.P 안테나 (Ground Plane Ant.) 수직안테나보다높은위치에설치할때사용 방사방향은수직안테나와동일 단파통신용 1 4 λ 지면 (b) G.P. 안테나와 G.P. 안테나의방사 59

60 2.4 RF 전송시스템 : 안테나 지향성안테나 8자지향성안테나 (Dipole Antenna, 수평안테나 ) 보통낮은주파수에서사용 군용, 단파통신용 단일지향성안테나 : 보통높은주파수에서사용 Yagi-Uda 안테나 : 가정용 TV 안테나, 방향탐지용지향성우수 Parabola 안테나 : 안테나이득이가장높음, 위성통신용 60

61 2.4 RF 전송시스템 : 안테나 8 자지향성안테나 파라볼라 (parabola) 안테나 1 2 λ Tx 지면 (a) 8 자지향성안테나와 8자지향성안테나의방사 야기우다 (Yagi Uda) 안테나 반사기 방사기 도파기 파라볼라안테나와전파의방사 Tx (b) 야기우다안테나와야기우다안테나의방사 61

62 2.4 RF 전송시스템 : 안테나 이동통신에서의기지국안테나 120도의지향성안테나 ( 섹터기지국 ) 섹터당송신안테나1개수신안테나 2개로구성 통화량이많은대도시지역에사용 α γ β 섹터의정의와전파방사 62

63 2.4 RF 전송시스템 : 안테나 이동통신에서의기지국안테나 120도의지향성안테나 ( 섹터기지국 ) 섹터당송신안테나1개수신안테나 2개로구성 통화량이많은대도시지역에사용 α γ β 섹터의정의와전파방사 63

64 2.4 RF 전송시스템 : 증폭기 증폭기 : 입력신호를큰신호가되도록만드는역할 작은신호가들어감 큰신호가나옴 저잡음증폭기 (LNA; low noise amplifier) 수신기에서안테나를통해들어오는첫번째증폭기 수신된저전력신호를매우낮은잡음지수를가지고증폭 고출력증폭기 (HPA; high power amplifier) 송신단에서안테나로나가기전마지막증폭기 높은전력의신호를출력 CDMA 기지국의최대출력은 15~20watt/FA 이며이동국은 0.2W 정도이다. 64

65 2.4 RF 전송시스템 : 필터 필터 : 송수신시특정주파수대역만을걸러나는기능 필터의블록도 f 1 f 2 f 2 f 3 필터의종류 65

66 2.4 RF 전송시스템 : 믹서 믹서 : 입력신호를원하는주파수대역에서동작하도록변경 믹서의실제구조와블록도 f 1 f 1+ f2 f1- f2 f 2 믹서의종류 상향변환기 (up-converter): 송신단 하향변환기 (down-converter): 수신단 66

67 CHAPTER 3 이동통신채널환경 67

68 3.1 이동통신채널의특성 자연지형환경 (natural terrain configuration) 개방지역 (open area) 평지 (flat terrain) 언덕지형 (hilly terrain) 산악지역 (mountain area) 인공구조물 (human made environment) 교외지역 (rural area) 준근교지역 (quasi-suburban) 도시근교 (suburban) 도심지 (urban) 이동환경 (moving medium) 68

69 3.1 이동통신채널의특성 송수신기사이경로 직접경로 (direct path), 반사경로 (reflected path), 분산경로 (scattered path), 회절경로 (diffracted path) 기지국안테나 분산신호 (scattered signal) 직접경로신호 (directed signal) 회절신호 (diffracted signal) 반사신호 (reflected signal) 이동통신사용자 69

70 3.1 이동통신채널의특성 송수신기사이전파의손실요인 경로손실 (path loss) : 거리에따른전파의감쇠 섀도잉 (shadowing) : 전파가전달되는과정에서건물이나터널등으로인해서비교적긴시간및먼거리에서일어나는전파의감쇄 ( 음영지역 ) 페이딩 (fading) : 단시간, 단거리내에서일어나는전파의감쇄로, 반사, 산란등에따른다중경로감쇄와이동에따른주파수의천이, 흩어짐등으로인한도플러감쇄가있다. 간섭 (interference) : 같은주파수를사용하는다중사용자로부터자신의전파에영향을주는현상 70

71 3.1 이동통신채널의특성 장애물에의한감쇄 (shadowing) 거리에따른감쇄 (distance attenuation) 다중경로 (multipath) 다른기지국 ( 다른셀 ) 간섭 (intracell interference) 다중경로 (multipath) 사용자 1 이동 도플러효과 (doppler effect) 같은기지국 ( 같은셀 ) 간섭 (intracell interference) 71

72 3.2 이동통신채널의전파모델 이동통신채널특성 ( 수신된신호특성 ) 72

73 3.2 이동통신채널의전파모델 송수신사이거리에따른감쇠 송수신사이건물등에따른감쇠 이동에따른감쇠 이동통신채널특성 (3 가지로구분 ) 73

74 3.2 이동통신채널의전파모델 전파모델 ; 송수신기사이에전파가전송되는상태를예측하여수학적으로표현하여모형화하는것 목적 : 특정지역에서신호세기의상태를예측하여송신기로부터어느범위까지통화권을유지하는가를추정하기위해 전파특성따른전파모델종류 대규모 (Large scale) 전파모델 소규모 (Small scale) 전파모델 74

75 3.2 이동통신채널의전파모델 대규모 (Large scale) 전파모델 송 수신단의거리에따른감쇠 ( 경로손실 : path loss) 통신채널의지형지물에따른감쇠 (shadowing) 평균수신전력은 5λ에서 40λ 범위에서측정한신호의평균값 캐리어주파수가 1~2GHz인경우 1m~10m 정도의거리 신호의변화는천천히일어나며, 신호의변화분포는주로 Log-normal 분포 대규모 (Large scale) 전파모델의사례 Log-distance 경로손실모델 Log-normal shadowing 모델 75

76 3.2 이동통신채널의전파모델 Log-distance 경로손실모델 평균수신전력은거리에따라로그함수의값으로감소 평균경로손실은경로손실계수를이용거리의함수로표현 d PL( d) d 0 n PL( d)( db) PL( d ) 10n log d = 0 + d0 PL( d): 거리 d의경로손실 d : 기준거리( d < d) 0 0 n : 전파경로손실계수 통신채널환경경로손실계수, n Free space 2 Urban area cellular radio 2.7 ~ 3.5 Shadowed urban cellular radio 3 ~ 5 In building line-of-sight 1.6 ~ 1.8 Obstructed in building 4 ~ 6 Obstructed in factories 2 ~ 3 76

77 3.2 이동통신채널의전파모델 Log-normal shadowing 모델 송 수신기사이의실제주변환경에따라경로손실변화 실제환경에서나무나빌딩등에의해전파가감쇠 거리 d만큼떨어진지점에서경로감쇠값은거리에따른경로감쇠값에대해 log normal 분포모델 PL( d)[ db] PL( d) X PL( d0) 10n log d = + σ = + + Xσ d0 P ( d)[ dbm] = P [ dbm]- PL( d)[ db] ( PL( d) : 안테나이득포함) r r : 평균이 0인가우시안랜덤변수이며분산은 2 X σ σ 이다 77

78 3.2 이동통신채널의전파모델 소규모 (Small scale) 전파모델 아주짧은시간 ( 수초단위 ) 혹은짧은거리 ( 수파장 ) 에서수신신호의빠른변화를나타내는전파모델 여러경로로수신되는신호의다중경로 (Multipath) 에의한영향 이동국의차량속도에의한주파수천이에의한감쇠 다른방향에서오는신호의합을나타내기때문에짧은거리약 λ/2 에서최대 30~40dB의수신전력의변화가생기기도한다 모델링분포함수 라이시안페이딩분포 (Ricean fading distribution) 레일리페이딩분포 (Rayleigh fading distribution) 78

79 3.2 이동통신채널의전파모델 다중경로분석 다중경로를거쳐수신된신호의특성 다중경로로전파된신호는각경로의거리및전송특성등의차이에의해도달하는시간과진폭에차이가발생 일반적으로거쳐오는경로가길수록수신되는진폭은작아지고지연시간도길어짐 79

80 3.2 이동통신채널의전파모델 환경에따른다중경로 시골지역과도심지역지연확산비교 전력 (db) 0-10 시골지역 전력 (db) 0-10 도심지역 시간 (ms) 시간 (ms) 80

81 3.2 이동통신채널의전파모델 2 개의다중경로를가진채널의경우 송신기 (transmitter) 2 α cos(2 ) 1 π ft c α cos(2 π f ( t τ)) γ (t) c 수신된신호 r t) = α 1cos(2π f t) + α cos(2π f ( t τ )) ( c 1 α, α 1 2 각각두경로로부터의신호진폭 = α 1cos( 2π f t) + α 1cos(2π f t 2π f τ ) c c c c 지연시간 (τ) 에따라수신된신호 진폭이변화가큼 변형된신호의복원을위한 통신기법이필요 수신신호의진폭 (α) α = =, α 1 일때 f c α 1 +α 2 α 1 - α 2 fc τ τ 에따른신호의진폭의변화 81

82 3.2 이동통신채널의전파모델 이동국의차량속도에의한주파수천이에의한영향 도플러천이 (doppler shift) 이동체속도에따라주파수가변화하는현상 이동체가움직임에의해서경로길이의차이가생기고이에따라수신신호의위상변위가생기면서야기된주파수변위 도플러확산 (doppler spread) 도플러천이에따라발생된주파수천이의분포 f c 도플러확산 (Doppler spread) f c - f d f c + f d 82

83 3.2 이동통신채널의전파모델 Small Scale Fading 의종류 소규모페이딩 (Small-scale fading) ( 다중경로지연확산으로인한페이딩 ) 주파수비선택적페이딩 (flat fading) 1. 신호대역폭 (BW of signal) < 채널대역폭 (BW of channel) 2. 지연확산 (delay spread) < 심볼주기 (symbol period) 주파수선택적페이딩 (frequency selective fading) 1. 신호대역폭 (BW of signal) > 채널대역폭 (BW of channel) 2. 지연확산 (delay spread) > 심볼주기 (symbol period) 소규모페이딩 (Small-scale fading) ( 도플러확산으로인한페이딩 ) 빠른페이딩 (fast fading) 1. 도플러확산의증가 (high Doppler spread) 2. 코히런스시간 (coherence time) < 심볼주기 (symbol period) 3. 도플러확산으로인한주파수분산이클경우 느린페이딩 (slow fading) 1. 도플러확산의감소 (low Doppler spread) 2. 코히런스시간 (coherence time) > 심볼주기 (symbol period) 3. 도플러확산으로인한주파수분산이작은경우 83

84 CHAPTER 4 84

85 4.1 의개요 의개요 선으로부터의해방 이동통신은움직이는물체를대상으로하는통신이다. 이동통신기술은가입자가자유롭게이동하면서통신을할수있도록물리적으로연결할필요가없는전자파를전송수단으로이용한다. 전자파는공기중에전파되면서크기가감쇄 양방향통신 동일한주파수를같은장소에서다수의사용자가동시에사용할수없다. (CDMA 방식은예외 ) 85

86 4.1 의개요 의특성 열악한무선전파환경에서통신한다. 시간과공간의제약을받지않는다. Whenever, Wherever, Whoever, Whatever, Information 한정된주파수자원 (Bandwidth Limited) 한정된송신전력 (Power Limited) 종류 육상, 해상, 항공, 위성이동통신 셀룰러이동통신, Wireless LAN, IMT-2000, LTE(long term evolution),etc. 86

87 4.2 이동통신의주파수사용현황 이동전화용주파수와채널구성 CDMA Cellular 시스템 : 1996년상용화, 800MHz 대역사용 이동국송신주파수와기지국송신주파수가서로다른주파수분할다중화방식사용 869MHz~894MHz 824MHz~849MHz 884MHz~960Mhz 839MHz~915MHz (a) CDMA 셀룰러시스템 (SKT) (b) CDMA 셀룰러시스템 (LGT,KT) 87

88 4.2 이동통신의주파수사용현황 IMT-2000 (International Mobile Telecommunication-2000) 2GHz 대역의주파수와 5MHz 주파수대역폭사용 WCDMA : 비동기방식 / SKT, KT 2003년 12월국내에서수도권지역을중심으로상용화 cdma-2000 : 동기방식 / LGT 한국의 IMT-2000 주파수현황 : 1920 ~ ~ ~1980MHz 주 A 대역 B 대역 C 대역 ( LGT) 보호대역 ( SKT ) ( KT ) 상향 하향 2110 ~ ~ ~2170MHz CDMA-2000 W-CDMA 88

89 의구성 4.3 시스템의구성 무선통신시스템 (radio systems) 안테나시스템 (antenna system) 송수신기 (base transceiver system) 송수신기컨트롤러 (base station controller) 교환시스템 (switching systems) 위치등록장치 (location registers) 프로세싱센터 (processing centers) 외부네트워크연동장치 89

90 4.3 시스템의구성 무선통신시스템 (radio systems) 안테나시스템 (antenna system) 전기적신호를전자기파로변환하여전송 전자기파를전기적신호로변환 간섭 (interference) 을최소화하기위하여방사전력을조절 송수신기 (base transceiver system) 무선송신부와수신부의조합으로구성 송수신기컨트롤러 (base station controller) 다중무선채널로부터전송된다양한전기적인신호들을 mobile 네트워크로전송하고, 네트워크신호를기지국을통하여 mobile station( 이동국 ) 에게전송 90

91 4.3 시스템의구성 교환시스템 (Switching systems) 하나의시스템에서다른시스템으로데이터를전송하기위해각시스템을찾아서신호를라우팅하고사용자의정보를제어 전송시설과사용자상호간에호를연결하는교환플랫폼으로구성 위치등록장치 (Location registers) 이동사용자의서비스를조정하고기록및사용자와관계된정보들을저장한데이터베이스시스템 단말기의현재의상태, 위치, 호를지원하기위해다른정보들을제공 특정한네트워크목적지에호를교환하는데이용하는네트워크주소변환기능 91

92 4.3 시스템의구성 프로세싱센터 (Processing centers) 호를연결하기위한부가서비스를제공 사용자신원인증센터 (AnC; authentication center), 음성안내시스템 (voice announcement system), 사용자메시징시스템 (user messaging systems) 등으로구성 외부네트워크연동장치 이동통신네트워크와 PSTN 또는다른네트워크사이에연결기능 외부네트워크의예 : LAN, ISDN, 다른이동통신네트워크 92

93 4.3 시스템의구성 셀룰라의구성 (CDMA 시스템예 ) 외부망 93

94 4.3 시스템의구성 셀룰라의구성및주요기능 이동단말기 (Mobile Unit) 스마트폰, 휴대전화기 음성, 영상, 데이터를무선신호로변환또는역으로변환전송 호처리 출력 : 3W( 차량용 ), 0.3W( 휴대용 ) 구조 94

95 기지국 (Base Station) 4.3 시스템의구성 이동단말기와이동전화교환국을연결해서호처리 수신된무선신호를유선신호로또는역으로변환전송 이동단말기의위치를확인하여이동전화교환국으로통보 핸드오프기능 : 통화중에주파수가다른기지국으로이동할경우원활하게통화를연결해주는기능 구조 95

96 4.3 시스템의구성 이동전화교환국 (MSC) 의주요기능 각기지국에서발. 착신되는호처리및교환 모든기지국운용통제기능 무선채널할당및통화채널전환기능제어 회선구간별통화량을감시분석 통화량분산처리기능 통화회선의유지와상호접속에의한교환기능 위치관리, 과금기능타망과의연결 96

97 4.3 시스템의구성 VLR(Visitor Location Register) 관리하는영역내존재하는모든이동국에대한정보를일시적으로저장 HLR(Home Location Register) 관리하는영역내등록된모든이동국에대하여가입자파라미터와위치정보등을저장하고관리하는데이터베이스관리하는기능 OMC(Operation and Maintenance Center) 이동통신망의모든구성요소들을운용유지보수기능 AuC(Authentication Center) 가입자의인증 97

98 호처리란? 4.4 호처리절차 시스템이내이동단말기와상대방 ( 이동단말기, 유선전화 ) 사이의호를설정하여통화를유지하고종료를수행하는데필요한모든기능 이동국 - 유선전화, 이동단말기 - 이동단말기 98

99 4.4 호처리절차 이동단말기상호간의통화호출 T_HLR 1 4 기지국 A (BTS-01x) 12 기지국제어기 (BSC-01x) 2 이동전화교환국 A (MSC-01x) 5 이동단말기 A 3 12 O-VLR 6 PSTN 기지국 B (BTS-01x) 8 9 기지국제어기 (BSC-01x) 8 10 이동전화교환국 B (MSC-01x) 이동단말기 B 7 T-VLR 99

100 4.4 호처리절차 이동단말기 A의숫자판에서호출할이동단말기 B의전화번호를누른후통화키를누른다. 기지국 A에서는이동단말기 A에서오는신호를인식하고신호를보내온이동단말기 A의번호와호출할이동단말기 B의번호를접수하여이동전화교환국 A로송출한다. 이동전화교환국 A가이동단말기 A의현재정보 (ex. 발신금지상태, 요금정보, 인증정보등 ) 에관하여 O_VLR에게자료를요청하면 O_VLR은등록되어있는이동단말기 A에관련된정보를이동전화교환국 A에게제공한다. 이동단말기 A에관한인증이끝난후, 사용가능한채널이있을경우기지국 A는이동전화교환국 A의지시를받아통화를할수있는채널을이동단말기 A에지정해준다. 이동전화교환국 A가이동단말기 B가등록되어있는 T_HLR로접속하여이동단말기 B의관련된정보를요청하면 T_HLR은등록되어있는이동단말기 B의자료를이동전화교환국 A에게제공한다. 확인이끝나면이동전화교환국 A에서는호출하는이동단말기의 B의번호를관리하는해당이동전화교환국 B로 당신관할의몇번과통화하려는이동단말기 A가있다 라는호출신호를넘겨준다. 이동전화교환국 B가 T_VLR에게현재이동단말기 B에관한위치정보및착신관련정보등을요청하면 T_VLR은이동단말기 B에관련된자료를이동전화교환국 B에게제공한다. 100

101 4.4 호처리절차 정보를넘겨받은이동전화교환국 B에서는자기구역내의모든기지국으로호출신호를보낸다. 각기지국에서는다시자기구역내의모든이동단말기로호출신호를보낸다. 자기를찾는호출신호를알아차린이동단말기 B는가장신호가강하게오는기지국으로자기의위치를알리는응답신호를보낸다. 응답신호를받은기지국 B는이동단말기 B가응답하였음을이동전화교환국 B로보고한다. 채널이비어있을경우기지국 B는이동전화교환국 B의지시를받아호출에응답한이동단말기 B에채널을지정하고이동단말기 B에벨을지시한다. 이동단말기의벨이울리는것을수신자가듣고이동단말기의통화키를누르면벨이중단되고, 기지국 B가이동전화교환국 B로호출된이동단말기 B가응답하였음을보고한다. 이동전화교환국 B는이동전화교환국 A와연결한상태에서두이동단말기를서로연결하여통화가이루어진다. 통화가끝난후사용자가숫자판의종료키를누르면이동단말기는기지국으로통화가끝났음을알리는종료신호를보낸다. 기지국은이종료신호를접수하고채널을복구처리한다. 101

102 4.4 호처리절차 이동단말기에서유선전화기로통화호출 1 4 기지국 A (BTS-01x) 1 기지국제어기 (BSC-01x) 12 이동전화교환국 A (MSC- 대구 (01x)) 이동단말기 A PSTN 5 3 O-VLR 유선전화시내교환기 8 유선전화시외교환기 (Gateway MSC) 9 6 HLR 7 유선전화가입자 102

103 4.4 호처리절차 1 이동단말기 A의숫자판에서일반유선전화의지역번호와전화번호를누른다음통화키를누른다. 2 기지국 A에서는이동단말기 A에서오는신호를인식하고신호를보내온이동단말기 A의번호와호출할유선전화 B의번호를접수하여이동전화교환국 A로송출한다. 3 이동전화교환국 A가이동단말기 A의현재정보 (ex. 발신금지상태, 요금정보, 인증정보등 ) 에관하여 O_VLR에게자료를요청하면 O_VLR은등록되어있는이동단말기 A에관련된정보를이동전화교환국 A에게제공한다. 4 이동단말기 A에관한인증이끝난후, 사용가능한채널이있을경우기지국 A는이동전화교환국 A의지시를받아통화를할수있는채널을이동단말기 A에지정해준다. 위의과정은 M에서 M으로처리하는경우와같다. 5 이동전화교환국에서호출신호를일반유선전화국의시외전화교환기로넘겨준다. 6 이를넘겨받은유선전화시외교환기는 HLR에게가입자의유효성, 가입자서비스종류, 위치등의정보를요구한다. 7 HLR은유선전화시외교환기에게요청받은자료를제공한다. 8 해당유선전화기의인증이끝난후해당시내전화교환기로호출신호를넘겨준다. 9 시내전화교환기는해당번호의가입자에게호출신호를보내고호출신호 ( 벨 ) 를듣고가입자가응답하면 ( 수화기를들면 ) 통화가연결된다. 103

104 4.4 호처리절차 유선전화기에서이동단말기로통화호출 PSTN 유선전화시내교환기 1 HLR 유선전화시외교환기 (Gateway MSC) 5 유선전화가입자 VLR 7 6 이동통신가입자 8 9 기지국 (BTS) 8 9 기지국제어기 (BSC) 8 9 이동전화교환국 (Terminating MSC) 104

105 4.4 호처리절차 1 일반유선전화기사용자가호출할이동단말기의전화번호를누른다. 2 일반유선전화의신호를접수한일반유선전화국의시내교환기는이동전화의번호에따라바로시외전화교환기로호출신호를넘겨준다. ( 일반유선전화의경우호를요구하는번호가 0 으로시작되면시외전화교환기로호출신호를넘겨준다.) 3 유선전화시외교환기는 HLR에게현재통화연결을원하는가입자의유효성, 가입자서비스종류, 위치등의정보를요구한다. 4 HLR은유선전화시외교환기에게요청받은자료를제공한다. 5 사용자인증이끝난후시외전화교환기는이동전화교환국으로호출신호를넘겨준다. 6 호출신호를넘겨받는이동전화교환국이 VLR에게현재이동단말기에관한위치정보및착신관련정보등을요청한다. 7 VLR은요청이들어온이동단말기에관련된자료를이동전화교환국에게제공한다. 8 정보를넘겨받은이동전화교환국에서는자기구역내의모든기지국으로호출신호를보내며, 기지국에서는다시자기구역내의모든이동단말기로호출신호를보내고이동단말기가응답하면이동단말기에채널을지정하고이동단말기에벨을지시한다. 9 이동단말기의벨이울리는것을수신자가듣고이동단말기의통화키를누르면벨이중단되고, 기지국은이동전화교환국으로호출된이동단말기가응답하였음을보고하면통화가이루어진다. 105

106 4.5 문자메시지서비스 (SMS) 문자메세지서비스시스템구성도 SME SMSC HLR VLR SME BSS MSC BSS SME SME 106

107 4.5 문자메시지서비스 (SMS) 문자메세지전송과정 107

108 4.5 문자메시지서비스 (SMS) 1 문자메시지 (SM) 는문자메시지를송수신할수있는장비인 SME(short messaging entities) 를통하여이동전화교환국으로보내어진다. 2 이동전화교환국에서는문자메세지인것을확인후문자메시지서비스센터 (SMSC) 에게문자메시지를보낸다. 3 문자메시지서비스센터 (SMSC) 는이동전화교환국에게확인 ( 접수통지 ) 메시지를보내어문자메시지를받았음을알린다. 4 문자메시지서비스센터 (SMSC) 는도착지단말기의위치를 HLR에게요청한다. 5 HLR은도착지단말기를서비스하는문자메시지서비스센터 (SMSC) 로응답한다. 6 문자메시지서비스센터 (SMSC) 는도착지단말기를서비스하는이동전화교환국에게문자메시지를전달한다. 7 이동전화교환국은도착지단말기로문자메시지를보낸다. 8 단말기는이동전화교환국에게문자메시지를수신했다는결과를전송한다. 9 이동전화교환국은문자메시지서비스센터 (SMSC) 에게메시지전송동작의결과를보낸다 ( 전달성공 ) 108

109 무선데이터서비스 4.6 무선데이터서비스 무선데이터서비스시스템 (CDMA) 109

110 WCDMA 무선네트워크망구조 4.6 무선데이터서비스 GPRS(general packet radio service) 시스템 110

111 4.6 무선데이터서비스 All IP 무선망 111

112 4.7 이동통신의주요기술 핸드오프 (Hand-off / Hand-over) 위치등록 (Location registration) 로밍 (Romimg) 112

113 Hand-off / Hand-over 핸드오프 / 핸드오버 이동국주파수는인접한셀에는서로다른주파수를할당 이동단말기가통화를하면서인접한다른기지국으로갈때주파수가달라지게되어통화가단절 지속적인통화가가능하도록새로운주파수의채널로자동전환하여연결 ( 핸드오프 / 핸드오버 ) 기지국 A 기지국 B 기지국 A 기지국 B 1 단말기로부터수신되는신호세기측정 2 수신된신호가가장강한기지국으로채널전환 3 신호세기가가장강한기지국으로새로운채널송출 4 기지국 B 의 채널로통화를전환 113

114 4.7.1 핸드오프 / 핸드오버 핸드오프시의신호변화표현 Signal Strength Hand- off Region Distance 114

115 4.7.1 핸드오프 / 핸드오버 하드핸드오프 (hard handoff) 이동국이하나의셀에서다른셀로이동할때, 자기가속한셀의채널을포기한후이동할셀의채널로교환 디지털시스템에서도교환기간의호전환이나주파수간의호전환시사용 소프트핸드오프 (Soft Hand-off) 호단절을최소화하기위해각기지국에서는핸드오프용전용채널을할당 이동국이하나의셀에서다른셀로이동할때, 이동할셀의채널연결을한후자기가속한셀의채널을포기 소프터핸드오프 (Softer Hand-off) 이동국이하나의섹터에서다른섹터로이동할때, 자기가속한셀섹터의채널을이동할셀섹터의채널로교환 115

116 4.7.1 핸드오프 / 핸드오버 기지국 A 다른주파수기지국 기지국 A 같은주파수기지국 섹터 B 섹터 A 기지국 B 기지국 B 하드핸드오프 소프트핸드오프 섹터 C 소프터핸드오프 116

117 4.7.2 위치등록 위치등록 (Location Registration/Autonomous Registration) 이동단말기의위치를현재위치한이동전화교환국에일정한주기마다위치를보고 이동전화교환국은이동단말기가가입되어있는이동전화교환국으로위치정보를통보 가입지역이동전화교환국 (MSC) 인접지역이동전화교환국 (MSC) HLR 1,2 : 위치갱신요청 3,4 : 인증수행요청 5,6 : 인증완료통보 7,8: 위치갱신완료통보 9 : 가입자정보삭제요청 10 : 가입자정보삭제완료통보 117

118 로밍기술 (roaming) 지역및국경을초월하여어디서나통화할수있는것 Roaming Service 의필요성 새로운서비스공급자의등장 네트워크운영자의요구 새로운서비스의등장 국제사회의요구 가입자의요구 로밍 (Roaming) 의종류 로밍 (roaming) 국내로밍 : 국내서비스사업자간 국제로밍 : 국가와국가간상호협약 118

119 4.7.3 로밍 (roaming) 국제로밍 한국에서외국으로호연결과정 한국에서외국으로의 사용자 A( 한국 ) 호연결과정 로밍서비스사용자B( 외국 ) 호연결요구 호연결 한국내사업자망 외국내사업자망 기지국제어기 (BSC) 송신자인증, 사용자정보요구 기지국제어기 (BSC) 수신자인증, 사용자정보요구 방문자위치레지스터 (VLR) 방문자위치레지스터 (VLR) 이동전화교환국 (MSC) 수신자위치요구 사업자간로밍서비스제휴사용자정보공유 이동전화교환국 (MSC) 수신자위치요구 홈위치레지스터 (HLR) 홈위치레지스터 (HLR) 119

120 4.7.3 로밍 (roaming) 국제로밍 - 외국에서한국으로호연결 등록된후 ) 로밍서비스사용자 A( 외국 ) 외국에서한국으로의호연결과정 사용자 B( 외국 ) 호연결요구 호연결 외국내사업자망 외국내사업자망 기지국제어기 (BSC) 송신자인증, 사용자정보요구 기지국제어기 (BSC) 수신자인증, 사용자정보요구 방문자위치레지스터 (VLR) 방문자위치레지스터 (VLR) 이동전화교환국 (MSC) 수신자위치요구 이동전화교환국 (MSC) 수신자위치요구 홈위치레지스터 (HLR) 홈위치레지스터 (HLR) 120

121 4.8 보안과인증 121

122 4.8 보안과인증 인증 (authentication) 인증은이동국이정확하게등록되어있는지확인하기위하여이동국과기지국간에정보를교환하는과정 이동국에저장된 SSD(shared secret data; 비밀데이터집합 ) 를사용하여인증수행 기밀성 사용자와관계된모든데이터는암호화 인증이일어난후기지국과이동국사이에전달되는음성, 데이터, 신호에관하여암호화기법이적용 익명성 모든데이터는전송되기전에암호화되어사용자개인정보는무선상에는사용되지않음 VLR 로부터할당된일시적인아이디를제공받아새로위치가갱신되며이아이디는 VLR 이언제든지변경가능 122

123 4.8 보안과인증 인증 (authentication) 시도의호흐름 123

124 CHAPTER 5 셀룰라통신의개념 124

125 5.1 셀의의미와형태 셀 (Cell) 특정이동전화기지국이가장양호하게이동전화의호를처리할수있는구역 셀이하나로연결되어하나의이동전화통화권구성 Cellular System A < 셀의 coverage> 125

126 셀의형태 5.1 셀의의미와형태 실제셀의모양 정형화된모양을만들수없음 기지국의최적배치를위해셀의형태를모델링필요 셀의형태모델링 원형모양 : 전파가송신기에서방사되어수신되었을때전파도달모양고려 정육각형모양 : 셀모델링으로일반적으로널리사용실제모양과유사 126

127 셀의크기에따른셀의분류 5.1 셀의의미와형태 셀형태셀반경적용범위서비스 글로벌셀 (global cell) 750km 대륙 (continents) 위성통신 (satellite) 메가셀 (mega cell) 5km 시골 (rural) 셀룰러통신 (cellular) 매크로셀 (macro cell) 2 5km 도시 (urban)/ 시골 (rural) 셀룰러통신 (cellular) 마이크로셀 (micro cell) 200 2km 과밀집도시 (dense urban) 셀룰러통신 (cellular) /Low-Tier System 피코셀 (pico cell) 200m 사무실 (office) 캠퍼스 (campus) Low-Tier System /Wireless LAN 127

128 거리에따른셀의분류 5.1 셀의의미와형태 위성 Cell 5: 대륙 Cell 4: 교외지역 Cell 3: 도시, 교외지역 Cell 2: 과밀집도시 Cell 1: 중심업무지역 글로벌셀 (grobal cell) 메가셀 (mega cell) 매크로셀 (macro cell) 마이크로셀 (micro cell) 피코셀 (peco cell) Basic terminal PDA terminal Audio/visual terminal 네트워크체계의형성 128

129 5.2 셀룰러시스템의기본기술 셀룰러이전의시스템 높은지역이나탑에안테나를장착 고출력단일무선기지국시스템통해넓은지역서비스 전력소모량이매우큼 할당된주파수대역내에서사용할수있는채널수한계 통화수요가증가하여도통화회선을늘릴수없음 Hand-off 기능이지원되지않음 인접셀로이동시호가끊어짐 재통화를위해다시주파수를맞추어야함 셀룰러시스템제안 129

130 5.2 셀룰러시스템의기본기술 이동 셀룰러이전의시스템 f 1 호단절! 이동 f 2 에호요구! f 2 130

131 5.2 셀룰러시스템의기본기술 셀룰러시스템 저출력다수기지국으로통화권제공 여러개의작은구역 ( 셀-cell) 으로나누어주파수할당 채널수를증가시켜충분한가입자수용용량을확보 주파수재사용 : 서로충분히멀리떨어져간섭발생이없는두셀에서는동일한주파수대역을사용 핸드오프 (Hand-off) 가이루어짐 호의단락없이자동적으로호의연결 전파가잘전달되지않는빌딩이나산뒷면과같은지역에서도주파수가다른기지국을설치하여통화가능 131

132 5.2 셀룰러시스템의기본기술 B 셀룰러시스템 G C B A G C F D A E F D E 132

133 5.3 셀룰러와주파수재사용 셀룰러시스템의용량증가 주파수재사용을적용하지않은셀룰러시스템 133

134 5.3 셀룰러와주파수재사용 셀룰러시스템의용량증가 주파수재사용을적용한셀룰러시스템 134

135 5.3 셀룰러와주파수재사용 주파수재사용 (frequency reuse) 인접한기지국에다른주파수를할당하고비교적먼거리에있는기지국에동일주파수를재사용 한정된주파수자원으로가입자용량을크게하기위해서통화품질에영향을미치지않는간섭범위내에서주파수재사용 B B G C G C A A F D F D E E B G C A 주파수재사용개념 F E D 135

136 5.3 셀룰러와주파수재사용 주파수재사용에따른용어 동일채널 (Co-channel) 셀 : 동일주파수를사용하는셀 동일채널간섭 (CCI): 동일채널사이의간섭 셀클러스터 (cell cluster): 다른주파수를사용하는셀들의그룹 클러스터크기 : 클러스터를구성하는셀의개수 ( 크기 ) 심볼의정의 N: 클러스터크기 S: 주파수재사용없이사용가능한총통화채널 K: 셀당할당된채널의개수 1/N: 주파수재사용계수 (frequency reuse factor) M: 셀룰러시스템을구성하는클러스터의수 136

137 5.4 주파수재사용과용량 주파수재사용에따른용량계산 가용총채널개수 (S) S = K X N (N=4, 7, 12, ) 클러스터의개수가 M개일경우셀룰러시스템의총용량 C = M X K X N = M X S 용량계산에따른의미 셀사이즈유지하면서클러스터크기 (N) 을줄이면각셀에할당되는채널수 (K) 는증가 가용총채널 (S) 이일정한값을가지면주어진전체통화영역권서비스를위해많은클러스터를반복하여할당 S가일정할때, 클러스터 M의증가는시스템용량증가 137

138 예제 1) FDD(Frequency Division Duplex) 방식의셀룰러시스템은두개의 25KHz simplex 채널을사용하고있으며, 총주파수대역은 33MHz 이다. 총주파수대역 = 33MHz 채널주파수대역 = 25KHz x 2 채널 = 50KHz/duplex 채널 총가용채널수 = 33,000/50 = 660 채널 주파수재사용개수 N=4 인경우 셀당가용총채널수 = 660/4= 165 채널 N=7 인경우 셀당가용총채널수 = 660/7= 95 채널 N=12 인경우 5.4 주파수재사용과용량 셀당가용총채널수 = 660/4= 55 채널 138

139 예제 2) 통화량제어를위하여 1001 개의무선채널이존재하는셀룰러시스템이있다고생각하자. 셀당면적은 6km 2 이고전체시스템의면적은 2100km 2 이라고가정하자. 클러스터크기 (N) 가 7 이면이시스템의용량을계산하라. 총가용채널수 (S) = 1001, 채널클러스터크기 (N) = 7 셀당면적 (A cell ): 6km 2, 총시스템면적 (A sys ): 2100km 2 셀당가용채널 (K) K = S / N = 1001 / 7 = 143( 채널 / 셀 ) 클러스터의면적 (A cluster ) A cluster = N x A cell = 7 x 6 = 42km 2 총클러스터수 (M) M = A sys / A cluster = 2100 / 42 = 50 개 시스템용량 (C) 5.4 주파수재사용과용량 C = K x M x N = 50 x 143 x 7 = 50,050 채널 139

140 5.4 주파수재사용과용량 예제 2) 전체시스템영역의통화권을유지하기위하여 N= 4 인클러스터를사용하면반복하는총클러스터수는얼마인가? 클러스터크기가 4 이면이시스템의용량을계산하라. 클러스터크기가증가하면시스템용량은증대되는가? N = 4 이면, 클러스터의면적 (A cluster ) A cluster = N x A cell = 4 x 6 = 24 km2 총클러스터수 (M) M = A sys / A cluster = 2100 / 24 = 개셀당가용채널 (K) K = S / N = 1001/4 = 250 ( 채널 / 셀 ) 시스템용량 (C) C = K x M x N = = 87,000 채널클러스터수가증가하면총용량은증가한다. 그이유는클러스터수 (M) 가 50(N=7) 에서 87(N=4) 로증가하면용량은 50,050 채널에서 87,000 채널로증가한다. 140

141 5.4 주파수재사용과용량 셀룰러시스템의동일채널 (co-channel) 셀들의위치 1) 육각형셀의어떠한변을따라셀이동 (i) 2) 60도시계반대방향으로각도변경후셀이동 (j) j i, j 를사용하여동일채널의셀의위치를정했을때클러스터의크기 i 2 2 N = i + i j+ j 141

142 5.4 주파수재사용과용량 N= N= (a) i = 2 and j = 0 (b) i =1 and j = 2 N= N=19 (c) i = 2 and j = 2 (d) i = 2 and j=3 142

143 5.5 간섭과시스템용량 : 주파수재사용 주파수재사용과동일채널간섭을위한셀모델링 30 심볼의정의 Dnorm 120 i j x y R: 정육각형의셀의반경 3R: 두인접셀의중심점 간의거리 R 3 R 0 3 R 30 D: 가장가까운두동일채널 셀간의거리 정규화된가장가까운두동일 채널셀간의거리 : D nnnn 2 Dnorm = y 2 + ( i + x) 2 = j 2 cos 2 (30 ) + ( i + j sin(30 )) 2 = i 2 + j 2 + ij x = j sin(30 ), y = j cos(30 ) 143

144 5.5 간섭과시스템용량 : 주파수재사용 정규화된가장가까운두동일채널셀간의거리 : D nnnn 2 2 N 으로표현하면 N = i + i j+ j Dnorm = N D 를 N, R 로표현하면 D= D 3R= 3NR norm 동일채널재사용비 (co-channel reuse ratio): Q D Q= = 3N R 결과 : 클러스터를구성하는셀의수 (N) 동일셀거리 (D) 동일채널재사용비 (Q) 동일채널간섭 (CCI) 통화품질 총클러스터개수 총통화용량 144

145 5.5 간섭과시스템용량 : 주파수재사용 동일채널셀 (co-channel) 재사용비 주파수재사용패턴 (I,j) (1,1) (2,0) (2,1) (3,0) (2,2) (3,1) (3,2) (4,1) (3,3) (4,3) (4,3) 클러스터크기 (N 주파수재사용비 (Q)

146 5.5 간섭과시스템용량 : 주파수재사용 주파수재사용에따른신호전력대간섭비 S/N S/(Ns + I) ( 신호대잡읍비가커야신호를잘수신 ) S : 수신된신호전력 Ns : 잡음전력 I : 간섭전력 S ( n = KP ) ( n I = KP ) t R t D S I P t R D S / N = S / I = 잡음이아주작을때 ( R D ) n P t 동일채널사용 146

147 5.5 간섭과시스템용량 : 주파수재사용 동일채널을사용하는셀이 2 개일때간섭전력 (I) I = n n I1+ I 2 = KP ( D) + KP ( D) = 2KP ( D) t t t n S / I = S I1+ I 2 = KPt R 2KP D t n n = R 2D n n S I2 D P t P t R I1 D P t 147

148 5.5 간섭과시스템용량 : 주파수재사용 동일채널을사용하는셀이 6 개일때간섭전력 (I) S / I R = 6 D n n R D 148

149 5.5 간섭과시스템용량 : 주파수재사용 주파수재사용계수 (Q) Q = D R R 6D 1 6 D R 1 6 n n n S / I = = ( ) = ( Q) n 1 = Q = n (6S / I) 3N 149

150 5.5 간섭과시스템용량 : 주파수재사용 한채널당 30KHz를사용하는아날로그 AMPS 시스템의경우충분한음성품질을제공하기위해서는신호대간섭비 (S/I) 가 18dB 이상일때재사용비및 N은? 전파감쇄계수 (n) 가 4 일경우, 주파수재사용비 (Q) Q = (6 10 ) = (6 63.1) = 4.41 클러스터크기 (N) 2 Q N = = 신호대간섭비 (S/I) 가 18dB를만족하기위해서는최소한클러스터를구성하는셀의수크기 7이되어야한다. 150

151 5.5 간섭과시스템용량 : 주파수재사용 셀경계지점에위치한이동국의신호대간섭비 S R = I 2( D- R) + 2( D+ R) + 2D A 주파수재사용 A A S = I 2( Q-1) + 2( Q-1) + 2Q D D+R R D+R A D-R D A D-R A A 151

152 5.6 셀분리 (cell splitting) 셀분리 (cell splitting) 셀분리란? 가입자가과밀한지역의셀을작은여러개의셀들로분할 셀분리요구조건 안테나의높이와전송전력을고려한새로운기지국설치 셀분리시동일채널 (co-channel) 셀들사이의최소한의동일 채널재사용비 (Q) 는기존과동일하게유지필요 반경이작아짐에따라동일채널거리 (D) 를작게해야함 152

153 5.6 셀분리 (cell splitting) 셀분리에따른영향 셀의반경이 R 에서 R/2 로감소 ( 예 ) 에따라 약 4 배정도의셀을증설 R/2 R A 셀반경 (R) 이감소에따른송신전력의감소 P = [ at old cell boundary] µ P R r t1 t2 t1 t1 t2 -n P = [ at new cell boundary] µ P ( R / 2) r P P = = 12dB P 16 -n 셀개수의증가에따른전체클러스터개수의증가로용량증대 기지국의수가증가하여작은셀반경으로인한빈번한핸드오프 시스템에부하가크게증가하여호단락으로인한통화품질저하 153

154 5.7 섹터링 (sectoring) 섹터링 (sectoring) 기존의옴니 (omni) 안테나대신지향성 (directional) 안테나를사용하여동일채널 (co-channel) 을감소하면 SNR이개선 정해진방향으로만신호를송수신하고간섭을받음 셀의반경을유지하고주파수재사용비를줄이는방법 주파수재사용의증가 ( 클러스터개수의증가 = 클러스터의셀개수의감소 ) 로용량증대 (a) 3 섹터 (120 ) (b) 6 섹터 (60 ) 154

155 섹터링을사용하였을시채널들은섹터그룹으로분산 120 도섹터링 (sectoring) 5.7 섹터링 (sectoring) 주파수재사용개수가 7이라면첫번째동일채널 (co-channel) 간섭셀들에서의간섭원의수는 6개에서 2개로줄어들게된다. 155

156 5.7 섹터링 (sectoring) 옴니안테나의 S/I S ( ) _ omni = I 120 로 3 섹터링된지향성안테나의 S/I 옴니안테나에대한지향성안테나의 S/I 의증가율 1 6 k Q S ( ) _120 = I 1 2 k Q S ( ) _120 I S ( ) _ omni I = 3 156

157 5.8 트렁킹이론 (Trunking theory) 가용통신채널 가용통신채널 : 3개가입자 : 5명동시통화의경우통화 : 3명, 블럭킹 : 2명 시간적으로달리통화하면통화 5명모두가능 Trunking 동시에모든가입자가통신회선을사용하지않을경우가일반적임 이런것을고려하여한정된주파수대역내에서얼마나많은가입자를수용할수있나? 157

158 5.8 트렁킹이론 (Trunking theory) 트렁킹이론이란? 한정된주파수대역내에서많은가입자를수용하기위해모든가입자가동시에통신회선을사용하는대신에통화시간및통화시간대, 우선통화자등을고려하여통신회선을사용하는원리 트렁킹이론을위한고려사항 The Grade of Service (GOS) 가장바쁜비즈니스시간대에통신시스템에가입자의통화연결정도혹은블럭킹의정도를나타내는것 주로 Blocking probability 로정의 통화점유율 ( 얼랑 :Erlang): 시간당발생수 (call/hours) 와통화시간의 곱으로표현 Au = λh[ Erl] 158

159 5.8 트렁킹이론 (Trunking theory) 사용자의시간당호요구는 0.8 이고, 호당통화시간이각각 1.76 분이면이사용자의통화점유율은얼마인가? A = 0.8 call/ = Erlang/user u 159

160 5.8 트렁킹이론 (Trunking theory) 전체요구통화점유율 (offered traffic intensity) A= U A u 사용자통화점유율 ( 가입자의트래픽부하 :A u ), 가입자수 (U) 채널당통화점유율 A = U A / C c C : 주어진채널수 u 가용트래픽 (A ca ) 과요구트래픽 (A) 의관계식 Aca = A [1 - 블럭킹확률] 160

161 5.8 트렁킹이론 (Trunking theory) 트렁킹이론을위한모델링방법 호의요구시가용채널이있으면즉시연결이가능하고, 가용채널이없으면블록킹 ( 얼랑 B 모델 : blocked calls cleared) 호의요구시가용채널이있으면즉시연결이가능하고, 가용채널이없으면대기상태로일정시간호를유지 ( 얼랑 C 모델 : blocked calls delayed) 얼랑 B 모델 통화부하및채널의수와의상관관계로표현 P [ Blocking] = B( A, N) r N = of channel = B -1( P, A) # b A: 총통화점유율, N : 채널수 B 얼랑테이블 161

162 5.8 트렁킹이론 (Trunking theory) 예제 ) A 지역에한시간에호요구수가 3000호, 총가입자수가 3750명이며평균호통화시간은 1.76분이라할때블록킹확률을 2% 미만으로유지하기위해서필요한총채널의수는? 개인별시간당호요구수는 = 3000/3750 = 0.8 call/hour 개인별얼랑은 = 0.8 call/60 x 1.76 = Erlang/user 전체통화점유율은 = x = 88 Erlang 여기서 P b = 0.02 = (88) 임으로, 총채널수 = 100 채널 162

163 CHAPTER 6 cdmaone 시스템기술 163

164 6.1 개요 cdmaone 시스템무엇인가? CDMA 방식을기반으로한으로 IS-95(Interim standard) 라고알려져있음 미국퀄컴사가주파수대역확산기술을응용하여개발한 CDMA( 부호분할다중접속 ) 방식의디지털셀룰라시스템 음성위주의서비스를제공하는 2세대 CDMA 기술이란여러사용자가시간과주파수를공유하면서신호를송수신할수있는기술 CDMA 이론은 1950년대에정립되었고 1960년대부터는도청방지용으로군통신에서사용. 164

165 6.1 개요 cdmaone 시스템의특징 대용량이다. 고품질의서비스제공가능 보안성이탁월 고품질의데이타서비스를제공 이동국의소비전력이적게들고소형경량화가가능 셀간의핸드오프를유연하게제공하는소프트핸드오프기술사용 165

166 6.2 무선접속기술 무선다중접속기술이란? 무선채널을여러사용자가공유하여신호를전송하기위한기술 사용자간에간섭을주지말아야한다 직교성 직교성판단을위한수식 T 0, m n Sn( t) Sm( t) dt = 0 k, m = n 수식의미 자기외다른신호에대해서는적분결과값이 0 이고자기신호의경우값 (k) 이존재 다른신호가나에게주는영향이없음 ( 0 ) 직교성보장 : 서로다른신호의경우계산결과가 0 의값을가짐 166

167 6.2 무선접속기술 무선다중접속종류 주파수분할다중접속 (FDMA) 방식 Power Time Frequency Narrow Band (30 khz) 직교성확인 서로다른주파수로전송되는신호 : 167

168 시분할다중접속 (TDMA) 방식 6.2 무선접속기술 8 Time Slots Power Time 200 khz Time Slot Frequency 직교성확인 168

169 6.2 무선접속기술 코드분할다중접속 (CDMA) 방식 Power 1.25 MHz Time Code 1 : Code 2 : Frequency 직교성확인 169

170 6.2 무선접속기술 CDMA 을이용한데이터전송 ( 예 ) User 1 : code 1 사용, 전송데이터 : 1 Data 1 x Code S 1 (t) = Data x Code User 2 : code 2 사용, 전송데이터 : -1 Data - 1 x Code S 2 (t) = Data x Code

171 6.2 무선접속기술 User 1 수신과정 S 1 (t) + S 2 (t) x Code (S 1 (t) + S 2 (t)) x Code (S 1 (t) + S 2 (t)) x Code 1 8 User 2 수신과정 S 1 (t) + S 2 (t) x Code (S 1 (t) + S 2 (t)) x Code (S 1 (t) + S 2 (t)) x Code

172 6.3 코드의종류및발생 Code 의종류 직교코드 (Orthogonal Code) : Orthogonal(Walsh Hadamard) Code Biorthogonal Code. etc. PN(Pseudo-Noise) Code : m-sequence(maximal Code Sequence), Gold Code, Ksami Code. etc. 172

173 코드의종류및발생 Walsh code (Walsh-Hadamard code) 코드내에어떠한코드를선택하더라도완벽한직교성유지 Walsh code 생성방법 = = = = k k k k k H H H H H H H H H H H

174 6.3 코드의종류및발생 Walsh code (Walsh-Hadamard code) 코드내에임의의코드를선택완벽한직교성유지 ( 예 ) H 2, x H 2, H 2,0 x H 2, H 2,0 x H 2,1 0(orthogonal) 174

175 6.3 코드의종류및발생 시간동기가맞지않아직교성이깨진경우 H 2, x H 2, H 2,2 x H 2, H 2,2 x H 2,3-4 코드간의상호상관값 (cross correlation) 이매우커짐 코드간의간섭이커짐 사용 ) CDMA 시스템의순방향링크에서채널구분 역방향에서사용불가능 코드간의시간동기미확보 의사잡음코드 (pseudo-noise code) 사용 175

176 6.3 코드의종류및발생 의사잡음코드 (PN code: pseudo-noise code) : 동전의앞면이나오면 1 뒷면이나오면 -1 로나타내는실험을여러번반복하여발생시키는코드와비슷한특성 PN Code 의특성 균형특성 (balanced property) 한주기내에 1 의개수와 -1 의개수의차이가하나 상관특성 (correlation Property) 자기상관값 R xx (τ) 는 τ=0 일때를제외하고는매우낮은값 런특성 (run property) 런의길이가 1인것이전체런의개수중 1/2, 런의길이가 2인것이 1/4, 런의길이가 3인것이 1/8,, 런의길이가 r인것은발생개수가 1/2 r 이어야한다. PN 의길이 (n 비트 ) L = 2 n 1 런의총수 2 n 1 176

177 6.3 코드의종류및발생 ) 균형성 0 의수 : 7, 1 의수 : 8 2) 상관특성 곱 합 곱 합 1 2) 런특성총런수 : 8( ) 런길이 4 1 번 :1/8, 런길이 3 1 번 :1/8, 런길이 2 2 번 :1/4, 런길이 1 4 번 :1/2(1,0 각각 ) 177

178 6.3 코드의종류및발생 PN 코드생성 천이레지스터 (shift register) 를이용하여 생성 n 개레지스터를사용하면 다른출력이주기적으로생성 최대길이시퀀스 2 n 1 n=4 인경우 PN 코드구현 (L=15) 개의서로 Shift Register Shift Register Shift Register Shift Register 178

179 6.3 코드의종류및발생 n=3 인 PN 코드생성 PN 코드길이 : L =2 3 1=7 PN generator PN generato t = t = 1 Pattern= PN 코드 : { C n } = { } - - > { } 179

180 6.3 코드의종류및발생 4-shift register 에의해생성된 PN 코드랜덤특성 런특성 전체 run 의개수 : 8 개 - 런길이 1 : 4 개 - 런길이 2 : 2 개 - 런길이 3 : 1 개 - 런길이 4 : 1 개 균형성 1 의개수 :8 개 0 의개수 :7 개 180

181 6.3 코드의종류및발생 상관특성 m(0): m(1): m(0) m(1): m( 0) m(1) : 1 m( 0) m(0) : 15 m 0) m(1) = m(0) m(2) = m(0) m(3) = = ( m(0) m(14) = 1 15 R(τ )

182 대역확산이란? 전송하고자하는신호가가진대역폭보다더넓은대역으로확산하여전송하는방식 종류 6.4 대역확산 직접시퀀스대역확산 (DS-SS) 주파수도약대역확산 (FH-SS) 직접시퀀스대역확산 전송데이터에훨씬빠르게발생하는직교코드혹은 PN 코드를곱하여원데이터의주파수대역보다훨씬크게대역확산하여전송하는기술 182

183 직접시퀀스대역확산및역확산 직접시퀀스대역확산의예 6.4 대역확산 메시지 ( 데이터 ) 메시지주파수대역 직교코드, PN 코드 직교코드의주파수대역 메시지에직교코드곱한후신호 확산된주파수대역 183

184 6.4 대역확산 직접시퀀스대역확산및역확산 직접시퀀스대역확산의신호의전송 ( 예 ) 184

185 대역확산처리이득이란? 6.4 대역확산 데이터를대역확산으로전송하여얻는이득 데이터주기 처리이득 = 코드주기 예 ) 데이터주기 : 1s, 코드주기 : 10ms 일때 처리이득 :

186 6.4 대역확산 대역확산장점 항재밍 (Anti-Jam): 재밍신호를용이하게제거할수있음 간섭제거 (Interference Rejection) 사용자보안 (Message Security & Privacy) 낮은도청확률 (Low Probability of Intercept) 다이버시티이득 항재밍특성예간섭제거특성 ( 예 ) 186

187 6.5 cdmaone 용 Code cdmaone 시스템에서직교코드및 PN 코드사용 기지국구분, 기지국채널구분, 이동국 ( 사용자 ) 구분을위하여코드사용 기지국구분을위해서는짧은 (short) PN 코드사용 PN 코드의길이 : L = = cccc 이동국구분을위해서는긴 (long) PN 코드사용 PN 코드의길이 : L = = cccc 기지국채널구분직교코드사용 Walsh-Hadamard code(64) 187

188 기지국간구분 ( 예 ) 2 15 주기의 PN Code 사용 기지국구분은동일 PN Code 의시간 offset 64 chip, 256chip 6.5 cdmaone 용 Code 188

189 6.5 cdmaone 용 Code GPS 와동일 PN Code 의시간 offset 을기지국구분 (256chip) GPS 256chip 256chip 기지국 _1 기지국 _3 기지국 _2 189

190 6.6 cdmaone 에적용기술 : 다이버시티 다이버시티기술 동일한정보를가지며상관관계가없는 2개이상의전송신호를결합, 또는선택하여성능을향상시키는방법 종류 : 주파수다이버시티, 시간다이버시티, 공간다이버시티 주파수다이버시티 동일신호를충분히떨어진서로다른주파수로전송하고, 이들신호를수신하여적절히결합하는방식 시간다이버시티 같은신호를시간적으로반복하여전송하고, 이들신호를수신한후적절히결합하는방식 공간다이버시티 공간적으로파장의 1/2 이상떨어지도록위치시킨다수의수신안테나를통하여수신된신호들을결합하는방식 190

191 6.6 cdmaone 에적용기술 : 핸드오프 핸드오프 (Handoff) 이동국이다른기지국영역으로이동할때새로운기지국으로통화로를넘겨주는절차 소프트핸드오프 : Make before Break 하드핸드오프 : Break before Make 소프트핸드오프 하드핸드오프 191

192 6.6 cdmaone 에적용기술 : 전력제어 전력제어 (Power control) 송신전력을조정하여용량을높이는기법 전력제어의목적 기지국통화용량극대화 이동국배터리수명연장 인접기지국통화용량최대화 균일한통화품질 전력제어의종류 : 개방루프전력제어, 폐루프전력제어, 순방향전력제어 개방루프전력제어 : 이동국의초기전송전력을조정하는기법으로, 기지국으로부터가까이있는이동국의초기전송전력은작게, 멀리있는이동국의초기전송전력은크게송신하는방법으로수신된기지국의신호에따라이동국의초기전송전력결정 192

193 6.6 cdmaone 에적용기술 : 전력제어 개방루프전력제어 이동국의초기전송전력을조정하는기법으로, 기지국으로부터가까이있는이동국의초기전송전력은작게, 멀리있는이동국의초기전송전력은크게송신하는방법으로수신된기지국의신호에따라이동국의초기전송전력결정 193

194 6.6 cdmaone 에적용기술 : 전력제어 폐루프전력제어 통화중에이동국에서전송되는전력을조정하는기법으로기지국의수 신된목표값을기준으로하여수신된측정값이목표값보다크면이동 국에게전송하는전력을내리라는명령을주고이동국은이명령에따라 1dB 전력을내려서전송하며, 목표값보다작은면이동국에게전송하는 전력을올리라는명령을주어이동국은이명령에따라 1dB 전력을올려 서전송하여이동국의전송하는전력을조정함 전력제어비트 : 0, 1-0 bit 이동국전송전력 Up - 1 bit 이동국의전송전력 Down 전력제어비트는 1.25msec 마다생성되어이동국에게주어짐 194

195 CHAPTER 7 차세대이동통신기술 195

196 의세대별특징 7.1 개요 196

197 7.1 개요 차세대이동통신의특징 저비용으로보다편리한고품질의다양한멀티미디어서비스제공 유무선통합과다양한무선접속기술간융합 3세대보다 10배이상빠른전송속도요구 ( 수백 Mbps) 차세대이동통신을위한핵심요소기술 무선다중접속기술 : OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplex) 성능 ( 용량 ) 개선기술 : MIMO(Multiple Input Mutiple Output) 주파수활용기술 : 무선인지기술 (CR: Cognitive Radio) 197

198 7.2 OFDM OFDM 전송이론 다중반송파변조란? 여러개의부반송파를이용하여변조 단일반송파변조방식 198

199 다중반송파변조의장점 7.2 OFDM 여러개의협대역부반송파에변조된신호는채널에의한왜곡이없음 단일반송파로변조된신호는채널에의한왜곡이심각함 199

200 7.2 OFDM 다중반송파변조의문제점 다중부반송파에의해변조된신호는주파수대역폭이증가또는각부반송파간간섭이발생됨 대역폭증가 부반송파간간섭 해결책 : 부반송파를직교성있는부반송파로이용 OFDM 방식임 200

201 7.2 OFDM 해결책 : 부반송파를직교성있는부반송파로이용 f s, 2f s, 3f s, 로 sampling 하면부반송파의스펙트럼이겹쳐있어도부반송파간간섭이없음 부반송파가겹쳐져있으므로단일반송파의스펙트럼보다주파수대역폭이감소 201

202 OFDM 방식의송신기 7.2 OFDM 보내고자하는데이터를직렬에서 N개의병렬로변환 N개의병렬로변환된데이터를 N개의직교성있는부반송파를각각곱 IFFT 구현 N 1 = n= 0 X n cos(2π f n t) 202

203 7.2 OFDM OFDM 방식의수신기 IFFT/FFT 를이용하여구현 FFT 구현 203

204 OFDM 방식의통신시스템 7.2 OFDM Input data stream Data encoding M-QAM Serial bit To symbol Serial To Parallel IFFT Parallel To Serial Guard interval Insertion and windowing Digital/ Analog converter Channel Algorithm MLE estimator Output data stream Data decoding Parallel To Serial FFT Serial To Parallel Guard interval Removal and windowing Analog/ Digital converter 204

205 7.2 OFDM OFDM 을위한심벌간간섭 (ISI: inter Symbol Interference) 방지기술 다중경로를통해수신된신호는심볼간간섭발생 해결방안? 간섭발생 (ISI) 205

206 심볼간간섭 (ISI) 방지기술 7.2 OFDM 보호구간 (Guard interval) 0 을삽입하는방식 간섭이발생하지않음 순환확장 (Cyclic extension): 보호구간에 Cyclic prefix 를삽입하는방식 206

207 7.2 OFDM OFDM 다중접속기법 TDMA, FDMA, CDMA와 OFDM방식을결합해서사용 OFDM-TDMA : 각사용자에게시간슬롯을할당하고할당된시간동안각사용자는모든부채널 ( 부반송파 ) 을사용하여데이터전송 OFDM-FDMA(OFDMA) : 전체대역을각사용자의요구하는전송률에따라부반송파를할당 OFDM-CDMA(MC-CDMA) : 각사용장에게고유의확산부호를할당하여모든시간과부반송파를함께사용 207

208 OFDM 다중접속기법 7.2 OFDM OFDM-TDMA, OFDM-FDMA(OFDMA), OFDM-CDMA(MC-CDMA) Sub-carrier User-1 OFDMA(OFDM-FDMA) User-2 User-3 Sub-carrier User-4 OFDM-CDMA(MC-CDMA) OFDM-TDMA 208

209 OFDM 방식의응용시스템 LTE, 무선랜, 디지털방송 7.2 OFDM 209

210 OFDM 방식의응용시스템 LTE, 무선랜, 디지털방송 7.2 OFDM 인터넷 Ethernet switch Router Cable modem, DSL modem or DSU/CSU Access point Access point 210

211 OFDM 방식의응용시스템 LTE, 무선랜, 디지털방송 7.2 OFDM 211

212 7.3 MIMO 안테나의배열에따른구별 SISO(Single Input Single Output) 하나의송신안테나에하나의수신안테나 SIMO(Single Input Multiple Output) 하나의송신안테나에다중의수신안테나 스마트안테나 원하는신호에대해서는안테나빔을형성하고간섭신호에대해서는널빔을형성하여간섭신호를제거하는빔형성기법을가진안테나 212

213 7.3 MIMO 안테나의배열에따른구별 MISO(Multiple Input Single Output) 다중송신안테나에하나의수신안테나 송신다이버시티이득을얻을수있음 안테나로송신하기전에공간부호화와결합한 STTD(Space Time Transmit Diversity) 기술 공간부호화 213

214 7.3 MIMO MIMO(Multiple Input Single Output) 송수신양단에여러개의다중안테나를사용 한정된주파수자원및송신전력에서도채널용량을증대시키는기술 MIMO기술의종류 공간다중화 (spatial multiplexing) 전송다이버시티기술 214

215 7.3 MIMO 공간다중화기술 각송신안테나로부터독립적인데이터를동시에전송 고속데이터전송가능 채널용량 = 섀넌 (Shannon) 의채널용량 Transmit Antennas Receive Antennas S/P Signal Processor Signal Processor Multipath Channel 215

216 7.3 MIMO 전송다이버시티기술 여러개의송신안테나에서같은정보를가지는신호를반복적으로전송 송신다이버시티가능 채널용량 < 섀넌 (Shannon) 의채널용량 Transmit Antennas Receive Antennas Copier Signal Processor Signal Processor Multipath Channel 216

217 안테나를이용한통신발전과정 7.3 MIMO Intelligent Antenna (IA_MIMO) MIMO Cooperative MIMO Geometry SISO SISO Mobile SISO DPC/BF MLD 1948 년 MISO SIMO 1996 년 Routing MISO Network (Net-MIMO) SIMO Multiuser (MU-MIMO) Cellular 2003 년 217

218 7.3 MIMO MIMO 응용분야 3세대 /4세대이동통신, Wibro, WLAN, WiMAX 등모든의전송용량증대기술로공통적으로활용 송수신다이버시티기술을통한의용량을증대하는목적을가지는다양한분야에서사용 협력통신등을이용한홈네트워크, 고정무선액세스릴레이 (Fixed radio access relay) 등에서의서비스커버리지증대목적으로사용 최근출시되는무선공유기의경우대부분 2개이상의안테나를사용 MIMO Single Antenna Multi Antenna 218

219 7.4 CR(Cognitive Radio) 무선인지기술이란? 무선인지기술은어떤장소에서든주파수를분석기술을통해사용하지않는주파수를찾아내이용할수있게하는기술 SDR(Software Defined Radio) 기술을기반으로사용가능한주파수를결정하는스펙트럼센싱기술 CR이필요한이유? 기하급수적으로증가하는방송및통신시스템으로인한무선주파수자원부족 전송데이터의고속화및멀티미디어서비스의요구로인한주파수자원의수요가급증하지만사용가능한주파수자원은한정 주파수를효율적으로분배및할당하여사용할수있는기술필요 219

220 7.4 CR(Cognitive Radio) SDR 기술이란? H/W의변경없이 S/W 변경만으로하나의송수신시스템을통해다수의무선통신규격을통합수용하기위한다중접속기반기술 아날로그인무선전송부분 (RF/IF 처리부분 ) 을디지털신호처리 (DSP: Digital signal processing) 기술을이용해서디지털화하여 SW로처리할수있는기술 SDR이필요한이유? 다양한규격에따른서로다른주파수할당대역에영향을받지않고언제어디서나자유롭게무선채널을접속하고특정채널을임의로선택하기위한무선전송처리기술이필요 SDR 기술과 CR 기술이융합된 SDR 플랫폼요구 220

221 7.4 CR(Cognitive Radio) SDR 과 CR 기술융합된 SDR 플랫폼 W-LAN b/g/a Wi-Fi/i-Max b/g/a Wibro/WRAN e/22 Ad-hoc Network Application Cognitive Radio S/W(Middle Ware) SDR Platform Hard Ware Reconfigurable Radio SDR 플렛폼을통해유비쿼터스센서네트워크, Ad-hoc 기반지그비 (zigbee) 방식등의다양한이동통신서비스를하나의단말기에서제공 221

222 7.4 CR(Cognitive Radio) SDR 기술의특징 주파수나스펙트럼대역, 출력신호를소프트웨어적으로변경하여사용 전파환경및사용자요구에맞는자동무선채널접속 서비스의종류에따라다른프로토콜, 스펙트럼대역, 운영주파수, 변조형태등을소프트웨어적으로적용 서비스변화에따라수시로변경가능한유연성 (flexibility) 과적응성 (adaptability) 222

223 7.4 CR(Cognitive Radio) CR기술의핵심인스펙트럼센싱 (spectrum sensing) 이란? 외부의통신환경에대한정보를탐색하고얻기위해스펙트럼을할당받은우선사용자의스펙트럼사용현황을파악해서사용하지않는스펙트럼을찾는과정 스펙트럼센싱기술의종류 정합필터를이용한송신기검출방식 SGN(Stationary Gaussian Noise) 환경에서정합필터를이용해서수신된신호의신호대잡음비를최대화하여스펙트럼사용현황검출 사용자가사용하는신호의변조형태, 펄스모양, 패킷의구성및모양등의정보가필요 에너지검출을이용한송신기검출방식 스펙트럼을센싱하여구간별에너지를검출해서스펙트럼사용현황파악 사용자에대한정보가없어도검출가능 223

224 CR 기술의응용분야 7.4 CR(Cognitive Radio) WPAN 초고속 LAN 3G, 4G 홈네트워킹 Cognitive Radio WiMAX BcN SDR 보안기술 224