2011 년 10 월한국인터넷방송통신학회논문지제 11 권제 5 호 논문 2011-5-24 인접채널에서네트웍공유를위한성능분석 Analysis on Performance for Network Sharing in Adjacent Channels 조주필 *, 이옥구 ** Juphil Cho, Ockgoo Lee 요약본논문에서는인접채널에서다른통신시스템이공존할수있는방안으로공유파라미터를분석하였다. 이기종시스템에서간섭송신기의다양한밀도와전송출력에따른성능결과를분석하였다. 두시스템간의간섭밀도와허용최대송신출력의관계를분석하기위해간섭송신기가 WiBro이고 WLAN이희생수신기인경우를고려하였다. WLAN의중심주파수가 687MHz이고간섭원밀도가 50개 /km 2 인경우요구되는보호대역은 10MHz 이었다. 분석된상호공존결과는향후동일주파수환경에서다양한통신프로토콜을이용하는무선기기에대한상호공존조건을마련하는기술개발에활용할수있을것이다. Abstract In this paper, we analyze the sharing parameters in order to co-use of different communication systems in adjacent channels. We analyze the performance result according to various density of interfering transmitter and transmitter output in hetero systems. In order to get the relationship with between density of interfering transmitter and transmitter output, we consider the case that WiBro is an interfering transmitter an WLAN is a victim receiver. When the center frequency of WLAN is 687MHz and interferer density is 50/km 2, required guard band is 10MHz. Analyzed coexistence results may be widely applied into the technique developed to get the coexisting condition for wireless devices using many communication protocols in same frequency. Key Words : LED, VLC, Channel, Communication Ⅰ. 서론 미국연방통신위원회 (Federal Communications Commission, 이하 FCC) 는 2008년 11월 4일에 DTV(Digital Television) 에서사용하는 UHF(Ultra High Frequency) 및 VHF(Very High Frequency) 대역의주파수를 FCC가정한규제조건을만족하면누구나사용이가능한비면허대역으로승인하였다. 미국 FCC의정책을준용하여국내에서도이에상응하는 TV 화이트스 * 정회원, 군산대학교전파공학과 ** 정회원, 퀄컴 (Qualcomm), ( 교신저자 ) 접수일자 2011.9.17 수정일자 2011.10.13 게재확정일자 2011.10.14 페이스주파수이용에관한정책및전파사용과전파출력등에대한규제가마련될것으로판단된다. 따라서국내 TV 전파환경에서가용채널대역을산출하고이를바탕으로적절한 TV 화이트스페이스의공유방안을고시하고, 이를구현하기위한다양한방안들이제시되어야할시점에이르렀다고할수있으며, 이러한관점에서방송대역에서휴대통신을위한주파수공유기술간공유파라미터최적화기술의연구는그의미와필요성이크다고할수있다. 현재전세계적으로무선통신분야에서통신과방송의융합을추진하고있으나이런기술적인발전과변화에대응하기위한주파수자원은극히부족한상황이다. [1] IEEE, ECMA, 1900.6으로대표되는북미및유럽의 CR 표준화관련단체에서는스펙트럼센싱기 - 179 -
인접채널에서네트웍공유를위한성능분석 술에대해서는구현이슈로정의하고단지스펙트럼센싱함수의입출력인터페이스정의만을표준화함에따라서국내에서도스펙트럼센싱에대한표준화역시특정기술보다는센싱요구조건및센싱기능함수의입출력인터페이스기술로진행될것으로예상된다. 또한 IEEE 802 산하의표준화기구에서는 TV 화이트스페이스를이용한무선전송기술표준을개발하기위한움직임들이활발하게진행되고있다. [2] 최근 ISM 대역및 UNII 대역을기반으로동작하는무선기기들 (WLAN, Bluetooth, ZigBee, Digital Cordless Phone 등 ) 은자체적으로전파간섭을최소화하거나회피할수있는알고리즘을가지고있으므로동종기기간간섭문제는크게대두되지않는다. 그러나이기종간의전파간섭및혼신문제는시스템의안정성을열화시킬수있는요인이될수있다. 주파수낭비를줄이고앞으로다가올주파수고갈의문제를해결하고자 Mitora가 Cognitive Radio 환경을제안했으며 [3], 그것에관한내용들을논의하고표준화시키는개념이 IEEE 802.22이며아직까지표준화가활발히진행되고있는상태이다. IEEE 802.22 WRAN 은미국, 캐나다, 브라질등유선랜을가설하기힘든광활한지역에서무선인터넷접속이가능하기위하여 VHF/UHF대역 (54~862 MHz) 의 TV대역중사용되지않는채널을활용하여통신하는방식을다루고있다. [4] 국내에서는서로다른전파형식또는통신방식을갖는무선시스템들이상호간간섭을주지않는조건하에서공통으로사용하는주파수대역을의미하는개념이제시되었다. 방송대역에서휴대통신을위한주파수공유기술간공유파라미터최적화기술의연구는중요한것으로사료되며, 본논문에서는그성능및효과를기본동향자료의분석과더불어시나리오기반의시뮬레이션결과를통해정량적인분석을제시하였다. 또한, 방송채널에서 WiBro 와 WLAN 의공용을가능케하기위한사전단계로필요한파라미터및그를활용한특성분석등을수행하였다. 본논문에서는 Wireless LAN (WLAN) 과 Wireless Broadband (WiBro) 가 DTV 대역에서작동하고, WiBro 는 WLAN 과동일채널에서작동한다고가정한다. 또한 WLAN 단말이희생원으로동작하고 WiBro 단말은간섭원으로기능한다고가정한다. 본논문은시스템의최적화를위한공유핵심파라미터의적절한값을찾기위해시뮬레이션을수행하였다. 이를위해 WLAN 과 WiBro 의간섭영향을 WLAN 단말이 WiBro 에간섭을미치는경 우의시나리오에대해분석하였다. 분석방법으로는 WLAN UE와 WiBro MS 사이의보호거리, 이에따른간섭을미치는송신기의 duty cycle이고려되었으며 duty cycle의정의에의해이를송신단말의전송확률로가정을하였다. Ⅱ. 공유핵심파라미터설정및시나리오 미국의 FCC( 미국연방통신위원회 ) 에서발표된자료에보면뉴욕, LA와같은대도시몇몇지역을제외하고대부분주파수활용효율이평균 30% 이어서주파수효율성이너무나부족한현실이다. [5] 그림1.1은 1-6 GHz 대역의주파수사용현황을나타낸것인데중간중간에전혀사용하지않은영역이있으며사용량이적은대역도존재한다. 이는주파수를할당해놓았지만사용않아심각한주파수낭비가되고있음을알수있다. 우리나라의경우주파수를사용하는형태와모든통신주파수전대역을조사해보면사용효율이미국과비슷한범위에있을거라생각된다. 그림 1. FCC 에서조사한 2002 년 12 월에조사한미국주파수사용현황 Fig. 1. Frequency usage of US in December 2002 from FCC. DMB/DTV 채널의 174-698 MHz에서 WiBro 와 WLAN 시스템의공유를위한시나리오가수행되었다. 전파모델및실제성능분석은자유공간채널모델에대해수행되었다. 자유공간에서의동작영역은 sensitivity 에따라측정을하였다. WiBro 실험채널모델은. 해당시스템의수신 sensitivity인 -90.6 dbm 에해당하는값을적용하여와이브로시스템의서비스영역을계산하였다. WiBro 이동단말의경우, 주파수옵셋이 -5 ~ 5 MHz - 180 -
2011 년 10 월한국인터넷방송통신학회논문지제 11 권제 5 호 인경우감쇠값은 0 dbc이고, ±5.45 MHz의경우에 -36 dbc가량감쇠되도록설정하였다. 도심에서의실내환경이기본으로가정되었으며이를통한공유변수설정및분석이수행되었다. 이기종시스템간의인접주파수공유를위한성능을분석하기위해간섭 (Interfering) 시스템으로는 WiBro 시스템을, 희생 (Victim) 시스템으로는 WLAN 시스템인경우를가정하였다. 그림 3. 시스템간인접채널사용패턴 Fig. 3. Co-use scenario using adjacent channels between systems 그림 2. 시스템간의셀공유시나리오 Fig. 2. Scenario of cell sharing between two systems 그림 2에서전파간섭시나리오는크게거리와밀도에따른시나리오로구분되며 ISM 대역에서사용되거나사용될기기별로경우의수만큼짝지어간섭원과희생원으로적용한다. 시나리오에서간섭원에의해간섭을받는희생원은 victim receiver (Vr), 간섭의영향이전혀없는통신환경에서희망신호를 Vr로송신하는기기를 wanted transmitter (Wt), Vr에간섭신호를발생시키는간섭원을 interfering transmitter (It) 로정의한다. 그리고 Vr와 Wt 사이의전파경로를 victim system link, Vr과 It 의경로를 interference link, Wr과 It의경로를 interfering system link라한다. 간섭환경에서전파응용설비는통신기기가아니므로 Vr가될수없고 It로만설정할수있다. 그림 3은이기종시스템간의인접채널이용패턴을보이고있다. 그림 4는셀내에서의시스템간최소거리와 간섭확률이 0% 인영역등을보이고있다. 안전간섭영역 (SIA) 은간섭확률이 0% 부터희생단말로부터의최대허용구간까지를나타내고있다. 안전간섭영역에서간섭확률은간섭단말들의다양한밀도분포에의해측정될수있다. 이때간섭송신기의밀도는 50, 100, 150, 200개 /km 2 로설정한다. 그림 4. 시스템간최소거리및간섭허용구역분포 Fig. 4. Minimum distance btw. systems and distribution of interference allowance area 전체시나리오에대한영향분석은 SEAMCAT을통해서이루어졌으며간섭발생여부를결정하는데사용되는신호감지레벨을추출하기위한공유시나리오를통해진행되었다. [5] 무선시스템간의간섭분석방법으로많이사용되는방법은크게 MCL (Minimum Coupling Loss), E-MCL(Enhanced MCL) 및 Monte-Carlo 방식으로나눌수있다. MCL은시스템파라메타와전파모델을통해서시스템이간섭의영향을전혀받지않고동작하기위해떨어져야하는최소한의거리즉이격거리 (Protection distance) 를계산한다. 그러나 MCL은송수신기의활동률 (Activity factor) 을무시하고일정한크기의송수신신호가계속수신되는최악의경우로가정하므로실제적용하기에는부적절할정도의큰이격거리값이계산된다. MCL을개선한 E-MCL 은링크가용성 (Link availability) 을고려하면서이격거리와간섭확률을계산한다. Monte-Carlo 방법은간섭환경과관련된모든파라미터값들을지정하고통계적인방법에의해간섭확률을계산하는방식으로모든간섭환경을시뮬레이션할수있으나복잡도가큰간섭분석방법이다. 본논문에서는 Monte-Carlo 방식을기반으로 ERO - 181 -
인접채널에서네트웍공유를위한성능분석 (European Radiocommunications Office) 에서개발한 SEAMCAT simulation tool을사용하여앞에서제안된간섭시나리오에따라방송및비면허대역에서사용되는기기중에서 WLAN(802.11g) 과 WiBro 의간섭시뮬레이션결과를고찰하였다. [6] III. 모의실험 주파수공유분석시적용된 WLAN 시스템의공유성능분석을위해사용된파라미터는표 1과같다. 표 2는 WiBro 이동단말의시뮬레이션파라미터값을보이고있다. 표에서와같이두시스템의채널사용은인접한채널이아닌같은채널에서의공유를가정하였으며, WiBro 기지국의송신출력은 33 dbm, 이동단말의송신출력은 25dBm으로가정하였다. 표 1. WLAN 의주요변수 Table 1. Main parameters of WLAN Parameter Value Units Frequency 185/481 /687 MHz Reception Bandwidth 22 MHz Receiver Sensitivity -55.33 dbm Interference Criteria(C/I) 10 db Noise Floor -90.41 db Antenna Height Rx 1.5/Tx 2.5 m Antenna Azimuth 0~360 Degree Antenna Peak Gain 6 dbi Antenna Pattern Omni-directional Output Power 23 dbm 표 2. 와이브로의주요변수 Table 2. Main parameters of WiBro Parameter Value Units Frequency Co/adjacent channel with WLAN MHz Bandwidth 10 MHz Base station(bs) Transmit power 33 dbm Antenna hight 30 m Mobile Stations (MS) Transmit power 25 dbm Antenna height 1.5 m Noise floor -107 dbm/mhz Noise Figure 7 db S/N 9.4 db Sensitivity -90.6 dbm 모의실험에이용된각각의시스템에있어서서로다른링크에대한전파모델은별도로다음과같이가정된다 : 간섭링크인 WiBro 시스템을위해확장형 Hata 모델이사용되었고 (Wt: 원하는송신기 (Wanted transmitter) Vr: 희생 (Victim) 수신기 ), 확장형 Hata 모델은희생링크인 WLAN(It: Interfering transmitter Wr: Wanted receiver), 확장형 Hata SRD model은간섭링크 (It: 간섭송신기 Vr: 희생수신기 ) 에각각적용되었다. DMB/DTV 채널에서세가지의독립적주파수인 185/481/687 MHz에대해인접채널에서송신단말기및수신단말의분포와보호대역을고정시간섭확률 5% 를만족키위한최대허용송신출력레벨을구하였다. 실험결과는자유공간채널모델을적용하여분석되었다. 이전에도입된시스템매개변수를기초로하여, 간섭시나리오와 5% 미만의간섭확률을 WLAN 의성능요구사항에대한허용수준으로선택하였고, WLAN UE와 WiBro 간의동시사용을위해각각의인접채널간섭을 SEAMCAT으로평가하였다. WLAN UE 및 WiBro 간시스템에서인접채널간섭시나리오는동일한주파수로 WiBro 와 WLAN 을동시에운영하는것으로가정한다. 단일 WiBro MS가 WLAN UE에간섭영향을미치는경우, 25 dbm의 WiBro MS의전송전력에따라, WiBro MS와 WLAN UE 사이의보호거리는 5% 의허용간섭확률을만족시키도록구해져야한다. 자유공간채널모델에서각단말분포와보호대역을고정한경우성능구현가능구간인간섭확률 5% 를만족키위한최대허용송신출력레벨의상관성능을그림 5-7에서보이고있다. 그림 5는자유공간채널모델에서이종시스템간의간섭확률이 5% 를만족하는경우, WLAN 및 WiBro 의중심주파수가각각 185, 201 MHz 인경우, 간섭단말의분포를제곱킬로미터당 50, 100, 150, 200 개로변화되는경우의간섭원인 WiBro 의최대허용출력레벨을보이고있다. 그림에서처럼간섭원의수가가장적은 50개 /km 2 인경우보호대역을 25MHz 로설정한경우에있어서성능을만족하는 25dBm의출력을보임을확인할수있다. 단위면적당간섭송신기의분포가 100, 150, 200으로증가하는경우요구되는보호대역은 30, 31 MHz로증가함을알수있었다. 이경우, 실제채널공유에는어려움이있을것으로파악된다. - 182 -
2011 년 10 월한국인터넷방송통신학회논문지제 11 권제 5 호 25MHz 였으나그림 6에서는 10MHz 가감소하여 15MHz 로개선됨을확인할수있다. 그림 5. 보호대역과최대허용송신출력비교 (WLAN : 185 MHz, WiBro : 201MHz + 보호대역 ) Fig. 5. Comparison of performance between guard band and maximum allowable transmit power (WLAN : 185 MHz, WiBro : 201MHz + guard band) 그림 7. 보호대역과최대허용송신출력비교 (WLAN : 687 MHz, WiBro : 671MHz + 보호대역 ) Fig. 7. Comparison of performance between guard band and maximum allowable transmit power (WLAN : 687 MHz, WiBro : 671MHz + guard band) 그림 6. 보호대역과최대허용송신출력비교 (WLAN : 481 MHz, WiBro : 497MHz + 보호대역 ) Fig. 6. Comparison of performance between guard band and maximum allowable transmit power (WLAN : 481 MHz, WiBro : 497MHz + guard band) 그림 6은자유공간채널모델에서이종시스템간의간섭확률이 5% 를만족하는경우, WLAN 및 WiBro 의중심주파수가각각 481, 497 MHz 인경우, 단위면적당간섭송신기 (WiBro) 의분포를제곱킬로미터당 50, 100, 150, 200 개로변화되는경우에있어서간섭원의최대허용출력레벨및요구보호대역의크기를보이고있다. WLAN 의중심주파수가 185 MHz인경우와비교시전체적인간섭원분포에서개선된성능을보이고있다. 간섭원단말밀도가 50인경우그림 5에서는요구보호대역이 또한, 전체적으로도그림 6의경우그림 5의결과에비교해 5 ~ 10 MHz 의보호대역크기를감소시켜실제두시스템공존시개선된성능을예측할수있다. 그림 7은 WLAN 및 WiBro 의중심주파수가각각 687, 671 MHz 인경우, 단위면적당간섭송신기 (WiBro) 의분포를제곱킬로미터당 50, 100, 150, 200 개로변화되는경우에있어서간섭원의최대허용출력레벨및요구보호대역의크기를보이고있다. 세가지중심주파수의실험결과에있어서가장고주파인그림 7의경우상대적으로개선된성능을보임을확인할수있었다. 가장성능이개선된단말분포가 50의경우송신단말의최대허용출력 25dBm과간섭확률 5% 를만족하는요구보호대역은 10MH로효율적인결과값임을보이고있다. 다른밀도분포에서도최악의경우와비교해서 15~ 10MHz 의보호대역개선효과를보임을알수있었다. 이러한자유공간에서의실험이극한적인상황에서의채널공유를위한기술개발에도움이될것으로생각한다. 따라서, 도심환경에서도이러한결과를바탕으로할때두시스템이상호공존할수있는기술들을바탕으로좋은성능을보일수있을것으로기대된다. - 183 -
인접채널에서네트웍공유를위한성능분석 Ⅳ. 결론 TVWS 내에서 WiBro 와 WLAN 간의인접채널공유를위한성능분석을수행하였다. 자유공간채널모델에서각단말분포와보호대역을고정한경우성능구현가능구간인간섭확률 5% 를만족키위한최대허용송신출력레벨의상관성능을보였으며. 주요중심주파수별파라미터성능분석에서고주파수로중심주파수가이동할수록개선된성능을보임을확인하였다. WLAN 단말에대해 WiBro 이동단말이간섭원으로작용하였으며각성능은자유공간모델에대해분석되었다. WLAN 및 WiBro 의중심주파수가각각 687MHz, 671MHz 인경우간섭단말의밀도가 50개 /km 2 이면두시스템간의요구보호대역구간이 10MHz 로비교적양호한성능을보임을확인하였다. 향후간섭원을 WLAN 으로한경우에대한추가성능분석이필요한것으로기대되며이를통해분석한결과는향후동일주파수환경에서다양한통신프로토콜을이용하는무선기기에대한상호공존조건을마련하는기술개발에활용할수있을것이다. [2] 고광진, 황성현외 3명, IEEE 802.22 WG 에서의 CR 응용 : WRAN MAC 설계, 한국전자파학회, 전자파기술제 17권제 2호, 4월, pp. 38-49, 2006. [3] J.Mitola III, "Cognitive Radio for Flexible Mobile Multimedia Communications," IEEE Mobile Multi-media Conf, pp3-10, 1999. [4] Niels Hoven, Anant Shahai, "Power Scaling for Cognitive Radio" WirelsssCom05 Symposium on Emerging Networks, Technologies and Standards, Maui, Hawaii, June 2005. [5] M.Marus, "Unlicensed Cognitive Sharing of TV Spectrum," IEEE CommMag, pp.24-25, May, 2005. [6] SEAMCAT Handbook, January 2010, ECO. [7] 이성준외, 선형표적에대한바이스태틱 RCS의시간-주파수영역해석, 한국정보기술학회논문지, 제 8권, 9호, Sep., 2010. [8] 안진영외, Prerake 송신신호처리에기반한 UWB MIMO 시스템성능분석, 한국정보기술학회논문지, 제 8권, 9호, Sep., 2010. 참고문헌 [1] S.Haykin, "CR:Brain-empowered Wireless Comm.," IEEE JSAC, vol,23, No.2, pp.202-220, Feb, 2006. 본연구의일부는지식경제부및산업기술개발평가원의정보통신산업원천기술개발사업의일환으로수행하였음. [2009-F-035-01, 10GHz 이하대역에서 Dynamic Spectrum Access 를위한상호공존성 (Coexistence) 기준연구 ]. 저자소개 조주필 ( 정회원 ) 2001 년 : 전북대학교전자공학과공학박사 2000 년 ~2005 년 : 한국전자통신연구원 (ETRI) 이동통신연구단선임연구원 2006 년 ~2007 년 : ETRI 초빙연구원 2011 년 ~ : 미국 USF, Visiting Researcher 2005 년 ~ 현재 : 군산대학교전파공학과부교수 < 주관심분야 : Cognitive-Radio, 주파수융합기술, LTE > 이옥구 ( 정회원 ) 2001 년성균관대학교전기전자및컴퓨터공학부공학사 2005 년한국과학기술원전기및전자공학과공학석사 2009 년조지아텍전기및전자공학과공학박사 2010 년 ~ 현재 : 퀄컴 (Qualcomm) < 주관심분야 : Wireless communications, mm-wave and THz communications> - 184 -