고정 기지국 및 셀룰러 환경을 기반으로 하는 4G 네트워크 모델이 사용자가 네트워크 커버리지 안에 존재해야 서비스가 가능한 네트워크 중심인데 반해서, 5G 시스템에서는 사용자의 위치에 상관 없이 최적의 경험이 사용자를 따라 다니는 사용자 중심의 네트워크 모델이 제공되는 것을 목표로 하고 있다. 이동 개인셀 기술은 사용자 중심의 네트워크를 실현하기 위하여 사용자와 함께 이동하는 무선 백홀 기반의 초소형 기지국 및 이를 이용한 다양한 서비스를 제공하는 기술이다. 본 고에서는 이동 개인셀 기술의 여러 가지 용도와 이동 개인셀로 인한 성능 향상에 대해 논한다.
급증하는 모바일 트래픽 용량에 대처하고 사용자의 QoS(Quality of Service)를 만족시킬 수 있는 기술 중 하나로 단위면적당 용량 증대에 기여할 수 있는 소형셀 기술이 부각되고 있다. 소형셀 기지국 기술은 3G, 4G 이동통신시스템에서는 셀의 소형화를 통한 용량 증대, 음영지역 해소를 위하여 사용되고 있으며, 5G 이동통신에서는 보다 밀집한 셀의 구성 및 셀 소형화를 통한 용량증대 기술로 UDN(Ultra Dense Network) 분야와 연계되어 연구 중이다. 본고에서는 소형셀 기지국 주요 기술분석을 통하여 상용 소형셀 기지국의 개발 접근방법을 제시하고, 소형셀 표준화 동향을 통한 소형셀 기지국 진화방향을 알아본다. 또한, 소형셀 기지국 기술 시장 동향분석으로 국내 및 글로벌 시장의 규모를 파악하여 향후 5G 이동통신에서의 소형셀 기술의 나아가야 하는 방향을 제시하고자 한다.
본 논문에서는 TDD-OFDM/OFDMA(Time Division Duplex-Orthogonal Frequency Division Multiplexing/Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 기반의 차세대 이동 통신 시스템과 고정 위성 지구국간의 주파수 공유 분석 결과를 제시하였다. 기존의 A-MCL을 이용하여 한 기의 차세대 이동 통신 기지국에 의한 간섭 전력을 평가하였다. 그리고 셀룰라 서비스를 가정한 다수의 기지국과 이동국에 의한 간섭은 확장된 A-MCL을 이용하여 평가하고 누적 밀도 함수(CDF)를 이용하여 확률적으로 분석하였다. 분석 결과를 통해 한 기의 기지국과의 공유를 위한 최소 이격 거리는 $4{\sim}5.33$ km임을 알 수 있었다. 또한 셀룰라 시스템인 경우 섹터 당 평균 20명의 사용자를 동시에 서비스할 때 기준 간섭치를 만족하는 기지국 간 거리는 6.5km이고 이때 위성 지구국으로부터 가장 인접해 있는 기지국까지의 거리는 2.8 km임을 확인할 수 있었다.
5세대 이동통신 시스템은 4세대 LTE 시스템의 용량 대비 1000배의 용량 증대를 목표로 한다. 이를 달성하기 위해 많은 수의 소형셀을 활용하는 heterogeneous network 기술이 차세대 이동통신 기술로 각광받고 있다. 5세대 이동통신 시스템에서는 고정형 기지국과 이동형 기지국이 기하급수적으로 늘어날 것으로 예상되는데, 이러한 기지국을 모두 유선으로 연결하는 것은 비용 측면에서 합리적이지 않고, 이동형 기지국을 지원하기 위해서는 유선으로 백홀 링크를 지원하는 것보다 효율적인 무선 백홀망 시스템의 구축이 필요하다. 본 논문에서는 이러한 배경을 바탕으로 고정 및 이동 액세스 포인트와 무선 백홀 스위치를 기반으로 한 5세대 이동통신 초광역 무선 백홀망 시스템을 제안, 초광역 무선 백홀망의 link budget을 분석하고 대형 어레이 안테나를 활용한 빔 기반 초광역 무선 백홀망 시스템의 성능을 시뮬레이터 분석을 통해 검증을 진행하였다. 초광역 무선 백홀망 link budget 분석을 통해 1 nJ/Gbps의 에너지 효율의 달성 가능성을 확인하고, 전송 시뮬레이터를 통해 무선 백홀 스위치를 중심으로 $10km^2$의 면적에 이동 액세스 포인트가 여러 위치에 존재할 때 사이드로브를 제어함으로써 빔 간 간섭을 줄일 경우 빔 당 1 W의 전송 전력을 통해 평균 주파수 효율을 5 bps/Hz 이상 달성 가능함을 확인하였다.
이동통신 시스템에서 기지국에 Outage가 발생하면 해당 기지국에 접속된 단말의 연결 단절로 전체적인 네트워크 성능이 저하된다. 그러므로 Outage를 감지하고 복구하는 것이 중요하다. 본 논문에서는 기지국의 KPI와 이웃 기지국의 네트워크 스캐닝을 이용하여 Outage 기지국을 검출하고, Outage 기지국의 이웃 기지국의 송신전력과 주파수 대역을 변경하여 Outage를 복구하는 기법에 대해 연구하였다. 제안된 기법은 기지국의 KPI 뿐만 아니라 이웃 기지국의 네트워크 스캐닝을 이용하여 Outage 기지국을 검출하기 때문에 기존보다 더 정확한 Outage 기지국을 검출하여 오작동을 줄일 수 있다. 추가적으로, Outage가 발생하면 이웃 기지국의 송신전력과 주파수 대역 변경을 통해 적은 신호 간섭으로 Outage를 복구할 수 있다.
본 논문에서는 협력 무선 통신 시스템의 순방향 링크에서 각 이동국의 제한된 피드백 정보를 이용하여, 인접한 기지국들에서 동시에 전송되는 빔성형된 순방향 링크들 간의 간섭을 효과적으로 억제하는 충돌 회피 빔성형 기술을 제안한다. 제안하는 충돌 회피 빔성형 기술에서, 각 이동국은 서비스 기지국이 신호 전송을 위해 사용할 신호 가중치 벡터와 간섭 기지국이 해당 이동국에게 최대 간섭을 주는 주 간섭 가중치 벡터들에 대한 정보를 피드백한다. 또한, 클러스터 스케줄러는 각 기지국에서 사용하는 가중치들에 의해 성형되는 빔들 간의 충돌을 억제하도록, 동시에 데이터를 전송할 이동국들과 해당 이동국들이 사용할 빔성형 가중치들을 동시에 결정한다. 시뮬레이션을 통해 제안하는 충돌 회피 빔성형 기술이 기존의 기지국별로 빔성형을 수행하는 비 협력 빔성형 기술보다 높은 시스템 전송 용량을 제공할 수 있음을 보인다. 또한, 협력 공간 분할 다중 접속 기술과의 전송용량을 비교하여, 제안하는 충돌 회피 빔성형 기술과의 장단점을 비교 분석한다.
LTE (long-term evolution) 를 비롯한 4G 이동통신 기지국 시스템에 있어서 최근에 DU(digital unit)와 RU(radio unit) 로 분리된 형상의 기지국들이 많이 등장하고 있다. 이러한 형태의 기지국에서 DU 는 전화국사에 설치하고 RU 는 옥외에 설치하는 형태로서, DU와 RU 간의 분리 가능한 거리는 이동통신 망 설계를 하는데 있어서 매우 중요한 요소가 된다. 하지만, DU와 RU 간 허용거리는 이동통신의 물리계층 기술에 의해 제약을 받을 수 있다. 본 논문에서는 FDD (frequency division duplexing) 기반의 4G 이동통신 시스템에서 Closed-Loop MIMO (multiple input multiple output) 기술에 의해 제한되는 DU와 RU 간 한계거리에 대해 분석하였다. DU와 RU 간 한계거리는 이동통신 시스템의 동작 주파수에 따라 다른 결과를 나타내며, 2 GHz의 동작주파수를 가정할 경우에는 약 11 km의 한계거리를 가지는 것으로 분석되었다.
본 논문에서는 기지국에 스마트 안테나를 사용한 이동 통신 시스템에서 기지국 다이버시티를 고려하여 빔성형 가중치 결정 방법과 전력 제어 방법을 순방향 링크와 역방향 링크에 대해 제시하고 이를 Monte-Carlo 시뮬레이션 방법을 이용하여 확인하였다. 결과에 의하면 역방향 링크에서는 다이버시티 threshold가 증가함에 따라 즉, 이동국이 더 많은 기지국들과 링크함에 따라 셀의 용량이 증가하였다. 이와 반대로 순방향 링크에서는 다이버시티 threshold가 증가할수록 용량이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 본 논문의 결과는 스마트 안테나를 적용한 시스템의 효율적인 무선망 운용 방식 결정의 지표가 될 것으로 기대된다.
이동 무선 통신 시스템을 설계할 때 기지국의 위치는 매우 중요한 파라미터 중 하나이다. 기지국 위치를 설계할 때 여러 가지 복잡한 변수들을 잘 조합하여 코스트가 최소가 되도록 설계해야 한다. 이러한 문제를 해결하는데 필요한 알고리즘이 조합 최적화 알고리즘이며, 지금까지 조합 최적화 기술로 Random Walk, Simulated Annealing, Tabu Search, Genetic Algorithm과 같은 전역 최적화 기술이 사용되어 왔다. 본 논문은 이동 통신시스템의 기지국 위치 최적화에 위의 4가지 알고리즘들을 적용하여 각 알고리즘의 결과를 비교 분석하며 알고리즘에 의한 최적화 과정을 보여준다.
본 고에서는 국내의 차세대 이동통신 표준전송방식으로 선정되어 시스템 및 망구축 작업이 진행되고 있는 CDMA 시스템 기지국에서 수행되는 신호처리 동작을 내부구성 블럭인 RF/IF 수신부, 디지틀 수신부, 변조부, 전력제어부등을 중심으로 설명하고 각 기능블럭간의 신호전송 및 제어관계에 대하여 분석 고찰하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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