[Computer Network1] 10 - Cellular Wireless Network

해당 글은 건국대학교 김기천 교수님의 컴퓨터네트워크1 수업 내용을 정리한 글입니다.

 

Cellular Network

 

cellular network는 이동 전화 서비스의 용량(capacity)을 늘리기 위해 개발되었습니다. cellular radio이전의 시기에는 높은 출력을 가진 단 하나의 송신기가 넓은 지역을 전부 커버하며, 채널 수가 25개 정도로 매우 적어서 동시에 통화할 수 있는 사람이 극히 제한적이었습니다.

 

따라서 기존의 고출력 단일 기지국 방식에서 벗어나 cellular 개념을 도입합니다. 저전력 송신기를 여러 개 사용하며, 전체 서비스 지역을 cell이라는 작은 구역들로 나누고 이들이 타일처럼 배치되어 전체를 커버합니다. 각 cell에는 기지국(base station)이 있어 송신, 수신, 제어 기능을 수행합니다. 각 cell에는 사용할 주파수 범위가 할당됩니다. 이때 서로 인접한 셀끼리는 서로 다른 주파수를 사용해야 합니다. 그래야 간섭(interference)이나 혼선(crosstalk)을 피할 수 있기 때문입니다. 반대로, 서로 충분히 멀리 떨어진 셀들은 같은 주파수 대역을 재사용할 수 있습니다.

 

cell

 

전파는 안테나를 중심으로 사방으로 퍼지기 때문에, 이상적인 커버리지 모양은 원입니다. 하지만 지도를 원으로 채우려니 원끼리 겹치거나(간섭 발생), 빈 공간(음영 지역)이 생기기 때문입니다. 따라서 다음의 두 가지 방법이 존재합니다. 1) 정사각형: 빈틈없이 채울 수는 있지만, 중심에서 각 변까지의 거리와 모서리까지의 거리 차이가 큽니다. 2) 정육각형: 원과 가장 비슷하면서도 빈틈없이 공간을 채울 수 있습니다. 게다가 기지국 간의 거리(d)가 일정하게 유지되어 설계가 단순합니다.

 

Frequency Reuse

 

인접한 셀끼리는 서로 간섭을 피하기 위해 다른 주파수를 사용합니다. 하지만 일정 거리 이상 떨어진 셀들은 간섭이 미미하므로 같은 주파수를 다시 사용할 수 있습니다. 이때 기지국의 전송 출력(power)을 적절히 조절하여 옆 동네로 전파가 너무 넘어가지 않게 하는 것이 중요합니다.

reuse pattern

 

주파수를 나누어 쓰는 한 묶음의 단위를 cluster라고 하며, 이때 필요한 셀의 개수를 N이라고 합니다. 그림은 N=4, 7, 19일 때의 패턴을 보여줍니다.

 

사용자가 폭발적으로 늘어나면 N=7 패턴만으로는 감당할 수 없습니다. 이때 용량을 늘리기 위한 방법은 다음과 같습니다:

• Frequency borrowing: 옆 셀이 한가하다면 그 셀의 주파수를 잠시 빌려와서 씁니다.
• Cell splitting: 사람이 몰리는 핫플레이스(예: 강남역)에는 기존의 큰 셀 안에 더 작은 셀들을 촘촘하게 배치합니다.
• Cell sectoring: 기지국 하나가 360도 전방향으로 쏘는 대신, 120도씩 3개 부채꼴(섹터)로 나누어 쏩니다. 방향성 안테나(directional antenna)를 사용하여 전파 간섭을 줄이고 효율을 높일 수 있습니다.
• Microcell: 빌딩 숲이나 가로등 같은 곳에 아주 작은 기지국을 설치하여 좁은 구역을 커버합니다.

(left) cell splitting, (right) microcell

 

Cellular system

 

overview of cellular system

 

위 그림은 전체 이동통신 시스템이 어떻게 연결되어 있는지를 보여줍니다.

 

1) Base trasnceiver station은 오른쪽의 안테나 탑으로 셀의 중심에 위치하며 이는 사용자의 단말기와 무선으로 직접 통신합니다.

2) Base station controller, BSC는 여러 개의 기지국을 관리하며, 기지국 간의 handoff 등을 제어합니다.

3) Mobile telecommunications switching office, MTSO는 전체 시스템의 두뇌입니다. 여러 BSC를 연결하고, 일반 전화망(PSTN)과 연결되는 관문 역할을 합니다.

 

휴대폰 -> 기지국 -> BSC -> MTSO -> PSTN -> 집 전화 순서로 연결됩니다.

 

기지국과 단말기 사이의 무선 채널은 크게 두 가지로 나뉩니다:

• control channel: 통화 연결 설정, 유지, 기지국과 단말기 간의 관계 설정(핸드폰을 들고 다른 cell들을 이용할 때마다 전화번호를 바꾸지 않습니다. 그 이유는 cell을 옮길때, BS와 관계를 그때 그때 설정하기 때문입니다) 등 관리 목적의 신호를 주고 받습니다.
• traffic channel: 실제 사용자의 음성이나 데이터를 실어 나르는 채널입니다.

ex

 

위 그림은 전화를 거는 과정을 단계별로 보여줍니다:

 

(a) monitoring: 단말기가 켜지면 주변에서 가장 신호가 강한 기지국을 찾아 대기합니다.

(b) request for connection: 사용자가 번호를 누르면 제어 채널을 통해 연결 요청을 보냅니다.

(c) paging: 누군가 나에게 전화를 걸면, MTSO가 기지국을 통해 내 단말기를 호출합니다.

(d) call accept: 연결이 되면 트래픽 채널이 할당됩니다.

(e) ongoing call: 할당된 채널로 통화가 진행됩니다.

(f) handoff: 이동하며 신호가 약해지면, 인접한 더 강한 기지국으로 연결을 넘겨주어 통화가 끊기지 않게 됩니다.

 

다음과 같은 기타 기능들도 존재합니다:

• call blocking: 트래픽 채널이 모두 사용 중이면 통화 연결이 거부되고 통화 중 신호(busy tone)을 보냅니다.
• call termination: 사용자가 전화를 끊으면 채널을 반납합니다.
• call drop: 신호 세기가 너무 약해져서(예: 터널) 기지국이 연결을 유지할 수 없을 때 발생합니다.

 

Mobile radio propagation effects

 

물리적인 라디오파 전송에는 다음과 같은 효과들을 고려해야 합니다:

• Signal strength: 신호는 기지국과 통신할 수 있을 만큼 충분히 강해야 하지만, 너무 강하면 인접 셀에 간섭(Co-channel interference)을 줄 수 있으므로 적절히 조절해야 합니다.
• Fading: 전파 경로의 변화로 인해 수신 신호의 세기가 시간에 따라 급격하게 변하는 현상입니다.

한편, 전파 환경은 너무 복잡해서 예측하기 어렵습니다. 그래서 도쿄 지역의 데이터를 분석해 만든 Okumura/Hata 모델 같은 경험적 모델을 사용하여 전파 손실을 예측하고 설계합니다.

 

figure

 

위 그림은 전파가 장애물을 만났을 때 어떻게 이동하는지 보여주는 그림입니다:

• 반사(R): 전파 파장보다 큰 물체(벽, 지면)에 부딪혀 튕겨 나가는 현상입니다.
• 산란(S): 전파 파장보다 작은 물체(나뭇잎, 가로등)에 부딪혀 사방으로 흩어지는 현상입니다.
• 회절(D): 건물 모서리 같은 날카로운 부분을 만나면 전파가 휘어져서 장애물 뒤쪽까지 도달하는 현상입니다.

figure

 

위 그림은 송신된 하나의 펄스가 반사, 산란, 회절을 겪으며 여러 경로로 흩어졌다가 수신기에 서로 다른 시간차를 두고 도착하는 상황입니다. 직접 온 신호(LOS)와 늦게 도착한 신호(multipath pulses)들이 겹치면서 신호가 왜곡되거나 약해지는 현상이 발생합니다.

 

Error Compensation Mechanism

 

페이딩으로 신호가 깨지는 것을 막기 위한 기술들입니다:

• Forward Error Correction, FEC: 데이터를 보낼 때, 에러를 수리할 수 있는 여분의 비트(redundancy)를 추가해서 보냅니다. 
• Adaptive Equalization: 다중 경로로 인해 퍼져버린 신호 에너지를 원래 시간 간격으로 다시 모아줍니다. 왜곡된 신호를 펴주는 다림질 같은 기술입니다(잘 모름).
• Diversity: 하나의 채널이 페이딩으로 망가져도, 다른 채널은 괜찮을 수 있다는 확률에 기반합니다. 송신기와 수신기 사이의 여러 개의 논리적 채널을 만듭니다.
  • Space diversity: 여러 개의 안테나를 물리적으로 떨어뜨려 설치합니다.
  • Frequency diversity: 서로 다른 주파수로 같은 신호를 보내거나, 주파수를 넓게 퍼뜨리는 확산 대역 기술을 사용합니다.

 

Wireless network generations

 

table

• 1G: 최초의 셀룰러 전화 시스템입니다. 트래픽 채널이 아날로그이며, 북미의 AMPS(Advanced Mobile Phone Service)가 가장 널리 쓰였습니다. 기존 유선 전화망(PSTN)의 연장선으로 설계되었습니다.
• 2G: 아날로그에서 디지털로 전환되었습니다. 음성을 0과 1로 변환하여 보내며, 암호화를 통해 도청을 방지하여 보안성이 높아졌습니다. 또한 오류 검출 및 수정을 통해 품질이 개선되었으며, TDMA와 CDMA 방식이 도입되었습니다.
• 3G: 데이터 속도가 매우 빨라졌으며, circuit switching 뿐만 아니라 packet switching 데이터 서비스도 지원하여 인터넷 접속이 원활해졌습니다.
  • CDMA, code division multiple access: 코드를 이용해서 신호를 구분합니다. 대역폭은 5MHz로 넓게 사용할 수 있으며, 데이터 비트 하나를 쪼개서 암호화하는 더 작은 단위인 chip을 전송 단위로 사용합니다. 3Mcps는 초당 3백만 개 이상의 칩을 전송한다는 뜻으로, chip rate가 빠를수록 데이터를 더 잘게 쪼개서 넓게 퍼뜨릴 수 있으므로, 보안성이 좋아지고 간섭에 강해집니다.
  • Multirate: 과거(2G)에는 전화기 하나당 하나의 회선만 열렸습니다. 통화하면서 문자를 보내거나 인터넷을 하기는 어려웠는데, CDMA는 사용자 한 명에게 여러 개의 논리적 채널을 동시에 열어줄 수 있으며, 각 채널의 data rate를 다르게 설정할 수 있습니다.
• 4G: all-ip 기반으로 3G까지는 음성과 데이터를 따로 처리했지만, 4G는 모든 것을 IP 패킷으로 처리하는 all-ip 패킷 교환 네트워크를 기반으로 합니다. 4G의 표준 기술로 LTE가 채택되었고, 이는 OFDMA 기술을 기반으로 합니다.

 

Femtocells

 

저전력, 짧은 도달 거리를 가진 초소형 기지국입니다. generation이 진행될 수록 frequency는 높아지며, data rate는 좋아지고, cell size는 점점 줄어드는 경향이 있습니다. 4G에서는 femtocell을 통해 효과적으로 음영지역을 해결합니다.

femtocell

 

LTE-Advanced

 

LTE advanced가 높은 data rate와 효율을 달성하기 위해 사용하는 두 가지 핵심 기술입니다:

• OFDM(orthogonal frequency-division multiplexing): 주파수 대역을 수많은 좁은 sub-carrier로 나누어 데이터를 병렬로 전송하는 방법입니다. 하지만 신호의 전력 변동폭이 커서 전력 증폭기의 효율이 떨어지고, 이는 배터리 소모가 심하다는 단점으로 이어집니다(PAPR, peak-to-average power ratio가 높다).
• MIMO(multiple-Input multiple-output): 송신기와 수신기의 안테나를 여러 개 사용하여 데이터를 동시에 여러 경로로 주고받는 기술입니다. 속도와 신뢰성을 높여줍니다.

 

duplexing 방식도 FDD(frequency division duplex, upstream과 downstream의 주파수를 다르게 설정하여 분리하는 기술)과 TDD(time division duplex, 같은 주파수를 쓰되, 시간차를 두고 upstream과 downstream을 번갈아 쓰는 기술)이 존재합니다:

FDD and TDD

 

또한 carrier aggregation이라는 기술을 통해 서로 다른 주파수 대역을 묶어서 속도를 높였습니다. 도로 폭이 좁으면(대역폭이 작으면) 차가 빨리 달리지 못하지만, 흩어져 있는 좁은 도로들을 합쳐서 하나의 넓은 고속도로(광대역) 처럼 사용하면 차가 빨리 달릴 수 있습니다.

carrier aggregation