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[13]이동통신 시스템

1. 이동통신 시스템 구조

2. 교환기

이동통신 교환기(PCX: PCs eXchange)는 이동통신 서비스의 제공에 가장 중요한 망 구성장치로서 유선통신기능(PSTN/ISDN)과 이동통신 기능을 제공하는 유/무선 복합 디지털 교환기로 주요기능은 다음과 같습니다.

- 기본 및 부가 서비스 처리기능
- 가입자의 착발신 호처리 기능
- 위치 등록 절차 및 핸드오프 절차 처리기능
- 기존망의 타망과 연동가능

이동통신 교환기(PCX)는 ASS(Access Switching Subsystem), INS(Interconnection Network Subsytem), CCS(Central Control Subsystem), LRS(Location Registration Control Subsystem)으로 구성됩니다.

3. HLR

이동통신 서비스 가입자에 대한 정보를 저장하고 있는 데이터베이스로서 이동단말기에서 발신시, 위치 등록시, 이동 단말기로 착신시 등 거의 모든 가입자 데이터를 이동통신 교환기(PCX) 교환기의 방문가입자 위치등록장치 (VLR, Visitor Location Register)에 제공해주는 역할을 하며 이동단말기로의 착신을 위한 필요한 루팅 정보를 보유하고 있습니다. 모든 정보 및 자료 전송은 N0.7 공통선 신호방식을 사용합니다.

4. 기지국

기지국 장치(BTS: Base Transceiver System)는 기저대역 신호처리, 유무선 변환 및 무선 신호의 송, 수신 등을 수행하여 가입자 단말기와 직접적으로 연결되는 망 종단 장치입니다.
기지국은 RF 무선 처리부와 CDMA 신호를 처리하는 채널 및 제어기로 이루어진 기저대역 처리부가 있습니다.
기지국 장치(BTS) 각 유니트는 Interface unit, CDMA mod/Demod unit, Transceiver unit, RF unit, GPS unit과 같은 기능을 합니다.

5. 기지국제어기

기지국 제어장치(BSC:Base Station Controller) 는 기지국과 이동통신교환기 사이에 위치하여 기지국관리 및 제어를 담당합니다. CDMA 방식의 가변음성 부호를 효율적으로 처리할 수 있도록 패킷교환 구조로 되어 있고, 각종 신호처리는 No.7 신호방식을 이용합니다.
주요 기능은 다음과 같습니다.

- 각 단말기에 대한 무선채널 할당 및 해제기능
- 단말기와 기지국의 송신출력 제어기능
- 셀간 소프트 핸드오프 수행 및 하드 핸드 오프 결정
- 트랜스 코딩(16kbps ⇔ 64kbps) 및 보코딩 기능(13kbps, 8kbps)
- 핸드오프 및 신호처리를 위한 GPS(Global position system) 클릭 분배기능
- 기지국에 대한 운용 및 유지 보수 기능

기지국 제어장치(BSC)는 네트워크 인터페이스(Network Interface), 트랜스코더 및 보코더(Transcoder & Vocoder), 호 처리 프로세서, 게이트 웨이 연결(Gateway Connection) 및 기지국 유지보수 장치, GPS 및 클럭 분배기로 구성됩니다.

※ 보코더(Vocoder)
디지털 이동전화 시스템에서 통화 품질을 결정하는 중요한 요소로 아날로그 음성신호를 디지털 신호로 변환(인코더:encoder) 또는 그 반대로 디지털 신호를 아날로그 음성으로 변환 (디코더:decoder)한 기능을 수행하는 장치.

[14]셀확장

초기에 서비스 지역에 셀을 설계한 후에 가입자가 증가하게 되면, 증가한 가입자를 수용하기 위해서 추가로 셀을 늘려야 할 필요가 있다. 이를 <그림 1-7>에서 트래픽 밀집 지역이 넓어지는 경우에 대해서 보여 주고 있다. 이 경우 인접 지역의 셀이 존재하면, 이를 <그림 1-7>에서 보여주는 것처럼 셀을 분할하며, 영역을 확장한다.
또한 이미 서비스가 제공되고 있는 지역에서 트래픽이 증가하여 셀의 밀도를 높이는 경우에 대해서는 <그림 1-8>에서 보여주고 있다. 이 경우 기존의 셀로는 발생하는 트래픽을 감당할 수 없으므로 셀을 추가하므로, 기존의 셀에 비해서 셀반경이 작아진다. 셀반경이 작아지면 이 지역에서 수용 가능한 트래픽이 증가할 뿐 아니라, 커버리지 기준도 옥외 커버리지에서 옥내 커버리지 영역이 증가하는 효과도 가져온다.

　 어떤 경우나 추가된 셀은 인접 셀에 영향을 미치기 때문에 이를 고려하여 주변 셀의 커버리지와 새로 추가한 셀의 커버리지를 조정하고, 상호 셀간 간섭을 고려하여, 추가한 셀을 포함하여, 주변 셀의 안테나 방향, 다운틸트, 송신전력 등, 기지국 파라미터를 조정해야 한다.

각 셀은 셀의 크기에 따라서 서로 다른 이름을 사용한다. 보통 지금의 이동 전화에서는 셀반경이 5 km - 30 km로 이를 매크로셀(Macro Cell)이라 하고, 개인 통신 개념이 나타나면서 가입자 수용용량을 증가 시키기 위해서 셀 반경을 줄여, 셀 반경이 500 m - 1 km 내외의 셀을 마이크로셀(Micro Cell)이라 하고, 마이크로셀과 매크로셀 사이의 크기를 가지는 셀을 미니셀(Mini Cell)이라 하기도 한다. 이보다 셀 반경이 더 작아져서 200m 이내가 되면 이를 피코셀(Pico Cell)이라 부른다. 또한 저궤도 인공위성을 이용한 이동 전화 서비스에서는 셀반경이 100km 이상되는 셀이 사용되는데 이를 메가셀(Mega Cell)이라 한다. 이러한 셀 분류는 딱 정해진 기준이 있는 것은 아니며, 대개 이러한 분류 기준으로 사용하고 있다.

[15]주파수 재사용 계수

셀룰라 시스팀에서 단위 면적당 채널수를 증가시키는 방법으로 셀반경을 줄이는 것 외에 '주파수 재사용 계수'를 조절하는 방법이 있다. '주파수 재사용 계수'란 셀룰라 시스팀에서 주파수 효율이 얼마인지는 나타내는 데 사용하는 파라미터로, 전체 주파수 대역을 몇 개의 셀에 나누어 주는가를 나타내는 것으로 셀수를 말한다.
위의 예를 기준으로 설명하면, 주어진 총 채널수를 7개로 나누고, 이 7개의 나누어진 통화 채널수를 7개의 셀에 나누어 주었으므로 이 경우 '주파수 재사용 계수'는 7 이다. 이때 서울지역 7개 셀 묶음이나, 인천지역 7개 셀 묶음을 셀 클러스터라 한다. 따라서 '주파수 재사용 계수'를 이 셀 클러스터에 포함된 셀 수를 말한다고 할 수 있다.

여러 가지 경우의 주파수 재사용 계수를 갖는 셀 클러스터 모양을 <그림 1-4>에서 보여주고 있다. 셀 모양을 정육각형으로 가정하여 셀 클러스터의 셀 수, 즉, 주파수 재사용 계수가 3, 4, 7인 경우에 대해서 전방향셀(Omni-directional Cell)인 경우와 3 섹터셀(Sectored Cell)인 경우에 대해서 셀 클러스터의 셀배치 모양을 보여주고 있다. <그림 1-4>의 (a), (b), (c)는 전방향 셀에 대한 셀배치 모양이고, (d), (e), (f)는 섹터셀인 경우의 셀배치를 나타낸 것이다.
여기서 전방향셀이란 기지국이 셀의 가운데 위치하여 수평방향으로 360도 전방향으로 전자파를 송신하는 안테나를 사용하여 서비스 하는 셀을 말하며, 섹터셀이란 기지국이 어떤 특정 방향으로 전자파를 송신하는 안테나를 사용하여 셀을 여러 개의 섹터로 분할하여 각각의 섹터마다 서로 다른 안테나와 RF 장비를 사용하는 기지국으로, 전방향셀에 비하여 간섭을 제어하기가 쉽고, 안테나 이득이 커서 하나의 기지국으로 서비스 할 수 있는 면적이 전방향셀에 비해서 넓어 여러가지 이점이 있는 셀을 말한다. 이에 대한 자세한 차이점 및 용도는 추후에 좀더 자세히 설명하도록 한다.

각각의 주파수 재사용 계수에 대해서 <그림 1-2>에서 적용한 500개 통화 채널을 가지고 셀당 할당할 수 있는 통화 채널수를 계산해 보면, 재사용 계수가 3 인 경우는 500/3= 166개, N = 4인 경우는 500/4 =125개, N=7인 경우 71개, N = 12인 경우는 42개로, 주파수 재사용 계수가 작아질수록 각 셀에 배정할 수 있는 통화 채널수가 많아진다는 것을 알 수 있다. 즉 가능하면 주파수 재사용 계수를 작게 하면 셀당 할당할 수 있는 통화 채널수가 증가하여 단위 면적당 채널수가 증가한다는 것을 알 수 있다.
이 셀 구조중에 주파수재사용 계수가 7인 경우를 예로 <그림 1-5> 에 같은 주파수를 재사용하는 셀을 빗금쳐서 표시하고 있다.
그러나 주파수 재사용 계수가 작아지면 <그림 1-4, 5>에서 보여주는 것처럼 같은 주파수를 사용하는 셀이 가까워지기 때문에 서로의 간섭량이 증가하므로 무조건 주파수 재사용 계수를 줄일 수가 없다. 이 주파수 재사용 계수는 주변의 전파환경에도 영향을 받지만, 가장 큰 결정 요인은 이동통신 시스템이 요구하는 최소 신호대 간섭비 (C/I)이다. 이동통신 시스팀이 요구하는 최소 신호대 간섭비(C/I)가 크면, 같은 주파수 채널을 사용하는 셀을 멀리 떨어지게 하여 서로의 간섭을 줄여야 하고, 최소 신호대 간섭비(C/I)가 작으면, 간섭이 어느정도 증가하여도 되므로, 주파수 재사용 계수를 줄여서, 같은 주파수를 사용하는 셀이 조금 가까와져도 신호를 복구할 수 있게 된다.

주파수 재사용 계수 따른 간섭량의 변화를 살펴보자. 먼저 육각형 형태의 전방향 셀을 가정하면 셀 반경과 같은 주파수를 사용하는 셀사이의 거리는 주파수 재사용 계수의 함수임을 알 수 있다. 이를 수식으로 표현하면 다음과 같다.
이는 셀 반경이 2km인 셀의 주파수 재사용 계수가 7인 경우 같은 주파수를 사용하는 셀과의 간격이 9.2km 이라는 것이다. 또한 가장 흔하게 사용하는 3 섹터셀을 기준으로 주파수 재사용 계수에 따른 셀사이의 간격을 예로 살펴보자. 이때 셀사이의 간격은 셀반경에 비해서 몇 배 인가로 나타내는 것이 좋다. 이에 대한 이유는 다음 장의 전파전파 특성을 살펴보면 전자파의 크기가 작아지는 가장 큰 원인이 거리이기 때문이다.

<그림 1-6>와 같이 3섹터 셀이 분포하고 있을 때, 같은 주파수를 사용하는 셀사이의 거리를 계산해 보자.
각 주파수 재사용 계수에 따라 3섹터 셀의 셀반경에 대한 셀간 거리는 위의 수식을 적용하면 다음과 같다.

이동통신 시스팀에서 신호복구에 필요한 시스팀(기지국, 단말기)의 신호대 잡음비(C/I 또는 Eb/No) 를 작게 설계하여, 주파수 재사용 계수를 줄이는 것이 채널 용량 증가에 크게 기여할 수 있음을 알 수가 있다. 실제 예를 들어 설명해 보면, 대개 디지틀 방식의 셀룰라가 아날로그 방식 셀룰라보다 용량이 크다고 하는데, 주어진 주파수 대역으로 제공할 수 있는 통화 채널수만 비교해 보면, 앞에서 예를 다시 적용해 보면, 15 MHz 주파수 대역폭인 경우 아날로그인 AMPS 시스팀의 경우 통화 채널수가 500개이고, 디지틀 방식인 GSM은 600개로, 총 통화 채널수만 비교하면 용량 차이가 1.2배 이다. 그러나 AMPS 시스팀의 경우는 S/N 비가 18dB 이어서 주파수 재사용 계수를 7을 적용하고 있고, GSM의 경우는 S/N 비가 6dB 로 주파수 재사용 계수를 4를 적용할 수 있다. 따라서 GSM 방식이 AMPS 방식에 비해서 용량이 2배 이상임을 알 수 있다.

특히 새로운 무선접속 방식인 CDMA의 경우 이론적인 주파수 재사용 계수는 1 이고, 실제의 경우에도 1/0.6 정도이므로 다른 무선접속 방식(아날로그인 AMPS, TDMA 디지틀 방식인 GSM)에 비하여 각각 이론적으로는 주파수 재사용 계수에서만 아날로그에 배해서 4배, TDMA 방식에 비해서 2∼2.4배 차이가 난다. 즉 CDMA 방식이 다른 무선접속 방식에 비해서 채널 용량이 큰 가장 큰 이유가 CDMA의 주파수 재사용 계수에 있음을 알 수 있으며 CDMA의 경우는 뒤에 좀 더 자세하게 설명하겠다.