27. 셀룰러 네트워크#2 (셀룰러 시스템 동작, 페이딩 )

책 : Data & Computer Communication - 제 10판 -

저자 : William Stalling

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< 제 10장 셀룰러 무선 네트워크 > pg313

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1. 셀룰러 네트워크
2. 주파수 재사용
3. 셀룰러 시스템 동작
4. 페이딩
5. 셀룰러 네트워크 세대

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1. 셀룰러 시스템 동작

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※ MTSO : 호 (call) 제어 동작

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1-1 ) 두 단말간 호 설정

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단말 초기화 : 현재 위치에서 가장 큰 신호 세기를 제공하는 기지국을 탐색

• 기지국의 주파수 정보가 없으므로, 주파수 대역을 바꿔가면서 대역별로 탐색을 한다
• 최적의 셀을 찾으면 handshake 과정을 통해 연결을 설정한다.
• 최초 연결 설정 이후에도 핸드오버를 위한 신호 세기 비교 동작을 주기적으로 시행한다.

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단말 A와 단말B의 연결과정

1. 단말 A의 호 요청 : A가 연결한 B의 번호를 기지국에 전송한다.
2. 기지국은 이를 MTSO 에 전송한다.
3. MTSO 는 단말 B의 위치 ( 어느 기지국에 속해있는지 ) 를 파악하기 위해 자신이 관리하는 모든 기지국에 페이징 신호를 전송한다.
4. 단말 B가 페이징 신호에 실린 자신의 번호를 인식하여 기지국에 응답한다.
5. 기지국이 MTSO에 이를 전닳나다.
6. MTSO는 A가 속한 기지국과 B가 속한 기지국 사이에 회선을 설정한다.
7. 연결이 유지되는 동안 A,B는 각각의 기지국과 MTSO 를 통해 음성 또는 데이터를 주고 받는다.

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--> 단말 B에서 핸드오버가 발생한다면 ? ( B가 K셀에서 K+1셀로 연결이 핸드오버 되었다. )

1. 핸드오버가 발생하면서 A와 B의 호가 중단되면 안된다.
2. 단말 A와 B에게는 핸드오버 사실을 알리지 않는다.
3. 위 행동은 MTSO 에 의해 관리된다.

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1-2 ) 경로 손실 ( Path loss )

• 무선 신호는 공기 중에서 전파되면서 그 크기가 감쇄된다.
• Pathloss 란 신호의 이동거리에 따른 감쇄 정도를 나타낸다.
• 이 신호 감쇄는 주변 환경의 영향을 크게 받으며, 주변 환경은 동적으로 변하기 때문에 ( 사람의 이동 , 새의 움직임 바등 ) 수학적으로 모델링 ( 함수화 ) 하기 어렵다.
• 따라서 수많은 데이터를 바탕으로 가장 합리적인 식을 사용해서 쓴다.
• 아래는 도시 환경에서의 pathloss 식의 예시이다.

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※ LdB = 감쇄되는 데시벨 정도, fc = 캐리어 주파수 , ht = 기지국 높이 , hr 수신(단말) 높이 , d = 거리

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2. 페이딩

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페이딩이란 전송 매체 또는 경로의 변화로 수신 신호 전력이 시간에 따라 변하는 것을 말한다. 고정 환경에서는 비와 같은 대기조건의 영향을 받고, 이동 환경에서는 다양한 장애물의 위치가 시간에 따라 변하면서 영향을 받는다. 대부분의 페이딩은 이동환경에서 발생한다.

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2-1) 다중 경로 페이딩

다중 경로 : 전자기파의 반사 , 회절, 산란으로 인해 전파 수신 경로가 여러개인 경우

다중 경로에서 오는 신호는 진폭 , 위상, 입사각이 다르기 때문에, 수신지점에서 상쇄 간섭이 발생할 수 있고 신호 세기가 수신 불가능할 정도로 낮아질 수 있다.

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※ ISI ( inter - symbol interference ) : 심볼간 간섭

• 시간 지연된(다중경로 페이딩에 의해) 선행신호가 후행 신호와 겹쳐서 왜곡을 일으키는 현상

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2-2 ) 페이딩 오류 보정 방법

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1) 순방향 오류 정정 ( Forward error correction, FEC )

기본 원리는 송신 메시지에 충분한 비트를 추가해 일정 수준 이하의 error 가 발생해도 원본 메시지를 판단하는데 문제가 없도록 하는 기술이다.

예를 들어 송신단에서 전송하려는 비트가 101 이면, 각 비트를 2개씩 복사해 111000111 로 전송한다. 수신 측에서는 이를 3bit 씩 끊어서 수신해 3bit 중 1과 0중 더 많은 쪽의 비트를 선택한다. 101 010 110 으로 수신하였다면, 오류 비트가 3개 발생했지만, 결과적으로는 101 로 수신하기 때문에 에러가 발생하지 않는다.

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2) 적응적 등화 (Equalization)

학사 과정에서는 다루기 어려운 내용이며, 간단하게 설명하면 왜곡된 신호 y와 원래 신호 x 사이에 발생한 오류를 행렬화 하는 것이다. 즉 y = Hx 로 두고, H의 역행렬을 구해 신호를 복원하는 기술이다. H의 역행렬은 동적으로 변하기 때문에 구하기 어렵다. 따라서 적응적 방법 ( 간소화된 방법을 통해 계산량을 낮춰서 실시간으로 H의 역행렬을 구하는 방법 ) 으로 근사값을 구할 수 있다.

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3) 다이버시티 (diversity)

• 공간 다이버 시티 : 같은 신호를 공간적으로 떨어진 다수의 안테나에서 송신한다. 수신 측은 단 하나의 신호만 무사히 도착하면 에러없이 신호를 수신가능하다.
• 시간 다이버 시티 : 같은 신호를 다른 시간대에 걸쳐 여러 번 전송한다. 하나의 시간에서만 신호가 무사하면 된다.
• 주파수 다이버 시티 : 같은 신호를 여러 주파수 대역에 걸쳐 여러번 전송한다. 하나의 대역에서만 무사히 도착하면 된다.

 

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3. 셀룰러 네트워크 세대

4G 부터 구리선에서 ALL-IP 기반 서비스로 바뀌었다.

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LTE 구조

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※ 릴레이 노드에서의 간섭

릴레이가 동일한 주파수 대역에서 기지국으로부터 신호를 수신하는 동시에 단말로 신호를 전송하는 전이중 동작을 할 경우, 릴레이의 송신 신호가 간섭으로 작용한다.

-> 릴레이 노드에서 반이중 동작을 하도록 함으로써 해결할 수 있다.

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※ EPC

• MME : 이동/보안과 관련된 제어신호를 관리, 슬립모드인 단말의 추적 및 페이징을 관리
• SGW : 단말에 의해 송수신되는 데이터를 IP패킷으로 변환, IP 패킷들을 라우팅, SGW를 통해 패킷들이 한 eNB 에서 다른 지역의 eNB 로 라우팅됨
• PGW : EPC와 외부 IP망과의 연결점, PGW는 외부망 입출력 패킷을 라우팅
• HSS : 사용자 및 가입자 정보가 있는 데이터베이스를 관리. 이동성 관리, 호/세션 설정, 접속 허가 등의 기능을 지원한다.