Cellular Wireless Network

Cellular Network Organization

• 모바일 기술의 핵심
• 다수의 저출력 송신기 사용(이전에는 고출력 송신기 사용)
• 영역을 cell단위로 분할(타일 패턴으로 셀들이 겹치지 않도록 배열, 각 셀이 고유한 안테나를 보유하여 주파수 대역을 할당받음, base station 제공 )
• interference, crosstalk 방지(인접한 셀은 서로 다른 주파수를 할당받아서 간섭 방지, 멀리 있는 셀들은 동일한 주파수 대역을 재사용하여 효율성 극대화)

사각형 셀 

• d의 거리가 모두 일정하지 않아서 효율적이지 않음

육각형 셀

•  모든 인접한 안테나 간의 거리가 일정함
• 이로 인하여 인접한 셀끼리 전환이 쉬움

하지만 육각형셀은 잘 사용하지 않음

1. 지형적 제약 : 산, 강 등으로 인한 패턴 왜곡 발생
2. 신호 전파 조건 : 신호의 특성과 간섭으로 인해 조정 필요
3. 안테나 배치 제한 : 안테나를 설치할 위치의 제약

Frequency Reuse

같은 주파수를 여러 셀에서 나눠 쓰는 방법

주파수 재사용의 이유

 

• 인접한 셀들 간의 주파수를 공유하면서도 간섭을 방지하기 위해.
• 이를 통해 다수의 동시 통화를 지원 가능.

기지국 송수신기의 전력 제어

• 주어진 주파수 내에서 셀 내부 통신을 가능하게 함.
• 인접한 셀로 신호가 넘어가지 않도록 전력을 제한하여 간섭 방지.

 

패턴이 N개로 이루어진 셀

주파수 간섭 방지를 위해선 적절한 간격을 유지해야한다. 

(a) : N = 4, 주파수 재사용 간격이 짧아서 간섭 가능성이 높음

(b) : N = 7, 더 넓은 간격으로 간섭 가능성이 줄어듦

(c) : N = 19, 가정 넓은 간격으로, 주파수 간섭 가능성이 최소화 

즉, N이 커지면 frequency reuse 간격이 멀어지면서 frequency reuse를 덜하게 된다. 그래서 간섭가능성이 줄어듦, 하지만 N이 너무 커지면 주파수 활용도가 떨어질 수 있다. frequency reuse를 많이 하면 주파수 자원을 효율적으로 사용할 수 있지만 reuse 간격이 짧아져서 간섭 가능성이 커짐

 

Increasing Capacity(Network 용량 증가)

• Add new channels : 처음부터 모든 채널을 사용하지 않고 필요에 따라 추가시킴
• Frequency Borrowing : 과부하 된 셀이 필요에 따라 인접한 셀에서 주파수를 가져옴
• Cell splitting : 기존 셀을 더 작은 셀로 나눠서 용량을 증가시킴(지형과 트래픽이 불균형할 때 적용, 트래픽이 많은 지역에서는 더 작은 셀을 사용)

 

셀 분할의 효과

• 더 많은 사용자를 수용하기 위해 트래픽이 많은 지역에서 셀 크기를 줄임.
• 작은 셀은 신호 범위를 제한하기 때문에, 더 높은 용량을 제공.

셀 분할의 단점

• 작은 셀일수록 통화 전환(Handoff)이 더 자주 발생.
• 기지국 설치와 유지보수 비용 증가.

Cell Sectoring : 하나의 셀을 3~6개의 쐐기 모양 섹터로 나누는 방식으로 간섭을 줄이고 네트워크 용량을 증가시키며 채널 재사용 효율을 높임

Microcells : 셀의 크기를 줄여서 더 작은 지역을 커버하는 방식으로 고밀도 지역에서 소규모 셀을 사용해 네트워크 효율을 극대화하는 방법(트래픽이 많은 지역에서 사용)

셀크기가 작아질수록 동일한 지역 내에 더 많은 셀을 배치할 수 있고 트래픽 치리 용량을 증가시키고, 혼잡한 지역에서 네트워크 효율성을 극대화할 수 있음

 

Cellular System Channels

• Control Channels : 통화 설정 및 유지, 모바일 장치와 인접 기주국 간의 관계 설정(네트워크 관리 및 통화 설정)
• Traffic Channels : 사용자 간의 정보 교환(실제 음성과 데이터 전달)

 

mobile sellular call 통화 과정

(a) : 모바일 장치가 켜지면 가장 강한 control channel 선택하여 현재 위치한 셀의 기지국 안테나와 연결(handshake를 통해 사용자 식별)

(b) : 모바일 장치는 Control channel을 통해서 상대방의 전화번호를 전송(MTSO로 전송)

(c) : MTSO는 수신자 모바일 번호를 기반으로 특정 기지국에 paging 메시지 전송

(d) : 수신 모바일 장치는 자신에게 할당된 채널에서 번호를 인식하고 응답(MTSO로 전송)

(e) : 두 모바일 장치는 각 기지국 및 MSTO를 통해 데이터를 교환

(f) : 모바일 장치가 한 셀의 범위를 벗어나 새로운 셀 범위로 이동 시, 새로운 기지국의 트래픽 채널로 전환(통화 중단 없이)

초기화 → 발신 → 페이징 → 통화 수락 → 통화 진행 → handoff

 

Cellular system의 Other Functions

• Call Blocking(통화 차단)  : 반복적인 시도 후에도 모든 트래픽 채널이 사용중일 때(네트워크 용량 초과 시), 통화 연결이 차단
• Call Termination(통화 종료) : 통화를 종료하면 사용 중이던 채널 해제(다른 사람 사용가능)
• Call Drop : BS가 필요한 신호 강도를 유지하지 못하면 통화가 끊어짐
• Calls to/from Fixed and Remote Mobile Subscriber : MTSO가 PSTN과 연결하여 고정사용자와 이동 사용자 간의 통화를 가능하게 함

Mobile Radio Propagation Effects

• Signal Strength(신호 강도) :  BS와 모바일 장치 간의 신호강도를 의미

1. 신호 강도는 충분해야 신호 품질유지 가능함, 지나치게 강하면 간섭 문제가 발생()

2. 환경적 요인에 따라 동적으로 변함

• Fading(페이딩)  : 수신 신호의 시간적 변화(전파 경로의 변화에 따라서 발생(co-channel interference)

1. 신호 강도와 별개로 전파 경로 변화로 인한 신호 품질 저하를 초래함.

 

Design Factors(설계 고려 요소)

Propagation effects

• BS 및 이동 단말에서의 원하는 최대 송신 전력 수준
• 이동 단말 안테나의 일반적인 높이
• 기지국 안테나의 사용 가능한 높이

Propagation effects는 동적이며 예측이 어려움. 그래서 empirical(경험적) data를 기반으로 한 모델을 사용하자. 대표적으로 Hata모델이 있다.(도쿄 지역 세부분석, 도시 환경에서의 경로 손실 정보 제공)

Reflection(R,반사) : 전자기 신호가 파장에 비해 큰 표면과 만날 때 발생

Diffraction(D, 회절) : 전파가 불투명하고, 파장보다 큰 문체의 가장자리와 만날 때 발생

Scattering(S, 산란) : 장애물 크기가 신호의 파장과 비슷하거나 작을 때 발생

 

Types of Fading

 

• Fast Fading : 단시간 또는 짧은 거리에서 빠르게 변동하는 신호에서 발생
• Slow Fading : 환경 변화(그림자)로 인한 평균 신호 세기의 느린 변동
• Flat Fading : 모든 주파수 성분이 동일한 영향을 받음.
• Selective Fading : 주파수 대역의 특정 부분만 영향을 받는 페이딩.

Error Compensation

• Forward error correction : 데이터를 송신하기 전에 추가적인 error correction bit를 함께 전송
• Adaptive equalization : 심벌 간 간섭(Intersymbol Interference, ISI)을 해결하기 위해 사용(흔터진 심볼 에너지를 원래의 시간 간격으로 재결합)
• Diversity : 각 채널은 서로 독립적인 fading 현상이 있다. 이점을 활용해서 송신기와 수신기 간의 논리적 채널 신호를 다중으로 분산시켜서 영향을 줄이는 방식이다. 오류를 완전히 제거할 수는 없지만 분산된 전송으로 오류율을 낮춤

Wireless Network Generations

CDMA

3G시스템의 주요 기술로 여러 사용자가 고유 코드를 통해 동일한 주파수 대역에서 통신하는 방식