[Network - 이동통신] CH1 Introduction

[Network - 이동통신] CH1 Introduction

 

이동 통신이란?

 말 그대로 이동하면서 통신하는 것을 말한다. 이동 통신은 기본 단위인 Cell이 있는데 단말기가 이동할 때마다 Cell이 바뀐다. 1세대때는 아날로그 방식을 사용하고 북미 방식이 대표적이었다. 2세대때는 디지털 방식으로 유럽 방식이 대표적이었다. 3세대에는 품질이 올라가고 Multimedia가 지원되었고 IMT-2000이라는 표준을 사용하며 CDMA라는 대표 기술을 사용하였다. 3세대의 경우 초기에는 정지 상태에서 2Mbps의 속도를 낼만큼 상당히 느렸다. 그 후 LTE로 대표되는 4세대에선 OFDM을 대표 기술로 사용하고 최근에 나온 5G, 즉 5세대에는 mmWave를 사용한다.

 기지국(Base Station, BS)은 cell 단위로 설치하게 된다. 이때 Cell은 크기에 따라 4가지 종류로 나뉘게 된다. 아래 사진과 같이 가장 작은 단위부터 차례대로 Picocell(Building과 같은 단위), Microcell(거리, 시), Macrocell(Suburban), Global(전세계 단위)이 있다.

 아래 사진을 보면 X축은 전송속도, Y축은 이동성을 나타낸다. 기존에는 Global system for mobile communication 범위가 나타내는 것과 같이 속도는 느려도 이동성을 최대화 시키는 방식을 사용하였다. 최근에는 Broadband radio 범위와 같이 속도도 빠르고 이동성도 큰 방향의 방식을 사용한다.

 무선 기술에는 여러가지가 있다. 

1. 기본적인 이동통신 기술 - Infra 방식 (=기지국 중심) : Cellular, Wireless LAN/PAN
2. 위성 기반 방식 : GPS, Satellite Based GPS
3. Infra (기반 시설) 없는 방식 : Home Networking, Ad Hoc Networks, Sensor Networks

 

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Cellular Sytem

cell

 Cellular System의 기본 단위는 cell이다. 하나의 cell에 하나의 기지국이 있고, 그 기지국은 하나의 cell을 커버한다. Macro cell level에서 기지국의 이상적 커버 영역은 반지름 2-10km의 원 안의 영역인데 이는 기지국의 전송 출력과 비례한다. 하지만 실제로는 cell의 모양이 원의 구조일 수는 없다. 실제로는 modeling시 모양에 따라 정육각형 모양을 구성하며 방해물이 있을시 울퉁불퉁한 모양이 나오게 된다. 

 이동통신의 핵심 기술은 MA(Multiple Access), 즉 다중 접근이다. 이는 여러명이 하나의 기지국에 동시에 통신하기 위한 기술인데 사용자 한명마다 하나의 channel이 필요하기 때문에 다중 channel을 사용했다. 이 MA 기술은 1-3세대를 나누는 기술이기도 하다. 1-3세대를 대표하는 방식은 각각 FDMA, TDMA, CDMA이다. 1-3세대에서 다중 channel을 이용한 이유중 하나는 기지국 설치에 많은 비용이 들기 때문에 하나의 기지국으로 많은 channel을 이용 가능하게 하여 이득을 보려고 한것에 있다.

 FDMA, TDMA, CDMA (+OFDM)를 설명하면 다음과 같다.

FDMA (Frequency Division Multiple Access)

FDMA 방식

 FDMA 방식은 1세대를 대표하는 방식이다. 이름에서 알수 있듯이 주파수(Frequency) 영역을 나눠서 channel을 구현한다. 이는 아날로그 방식이며 같은 시간에 다른 주파수 영역을 사용하는 것을 말한다. 각각의 주파수 영역은 중복이 되면 안된다. 위의 이미지에서 X축은 Time, Y축은 Frequency인데 각각의 사용자는 주파수 영역으로 나눠져 있음을 알 수 있다. User1부터 UserN까지 사용하는 모든 주파수 영역을 total bandwidth라고 한다.

 

TDMA (Time Division Multiple Access)

TDMA 방식

 TDMA 방식은 2세대를 대표하는 방식이고 디지털 방식이다. TDMA에서는 시간을 나눠서 사용자는 자기 차례일때 주파수를 사용한다. 위의 그래프에서 보면 X축은 시간, Y축은 주파수인데 이번에는 시간 영역을 기준으로 나눠져 있음을 알 수 있다. 이때 주파수는 같은 영역을 사용한다. 1번 사용자부터 N번재 사용자까지 모두 사용하면 다시 1번 사용자로 돌아오는 cycle이 생기는데 한 cycle을 frame이라고 한다. 사용자들은 이 frame이 mili sec 단위로 매우 짧기 때문에 cycle이 도는 것은 느낄수 없다.

 

CDMA (Code Division Multiple Access)

CDMA 방식

 CDMA 방식은 3세대를 대표하는 방식이다. 이는 code channel을 형성해서 각 user마다 할당한다. Code란 논리적(logical)한 자원이며 실제 존재하지는 않는다. 따라서 수학적으로 직교성(Orthogonal)을 활용해서 구현한다.

 Code channel은 0과 1의 sequence다. 각 사용자마다 고유한 code sequence를 갖고, 서로 다른 code channel끼리 직교성을 유지해야 서로 간섭이 일어나지 않게 된다.

 CDMA에서 code channel이 송수신 되는 과정은 아래와 같다.

 가장 윗줄의 Information bits는 전송하려고 하는 data를 의미한다. 위에서 밑으로 내려오는데, 위는 1을 의미하고 아래는 0을 의미한다. 따라서 전송하려고 하는 data는 10이다. 두번째 줄의 Code at transmitting end는 송신자가 가진 code channel을 나타낸다. 송신자와 수신자는 같은 code channel을 알고 있어야 서로 송수신이 가능하다. 두번째 줄의 신호를 보면 한 bit내에 10개의 chip으로 이루어진 code sequence가 2번 반복되어 있다. 읽어보면 1010011010으로 나타난다. 3번째 줄, transmitted signal은 위의 두 줄을 곱한 결과이다. 이렇게 전송 부분에서 transmitted signal을 통해 데이터가 전송되고, 수신 측에서 received signal과 같이 데이터를 받는다. 만약 error가 없다면 송신한 부분과 같은 데이터를 받는다. Code at receiving end 줄은 송신측의 code channel과 같은 것을 가지고 있어야하며 4, 5번째 줄을 곱하면 마지막 줄이 나오게 된다. 이는 보내려고 한 원신호와 같다.

 

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

 위에 추가로 OFDM에 대해 알아보자. OFDM 방식은 4세대를 대표하는 방식으로 LTE의 핵심 기술이다. 4세대부터는 1-3세대와는 다르게 channel의 수를 늘리는 것이 아닌, 각각의 사용자들의 속도를 어떻게 높일 것인지, 즉 고속화에 초점을 두었다. OFDM 방식은 FDMA를 기반으로 개선된 방식이다.

윗줄: FDMA, 아랫줄: OFDM

 위의 이미지에서 보면 첫번째 줄에서는 사용자마다 빈칸이 있는 것을 알 수 있다. 이는 간섭을 방지하기 위한 것인데 이와는 다르게 두번째 줄의 OFDM방식은 오히려 겹쳐져 있다. 이것은 한 사용자가 여러개의 carrier를 다 쓴다는 것을 의미하는데 이렇게 반씩 겹쳐져 있는 것은 직교성을 만족시키기 위해서다. 위의 이미지처럼 한 사용자가 5개의 carrier를 다 사용한다는 것은 전송 속도가 5배 늘어나고 bandwidth는 줄어든다는 것을 의미한다. 기존에는 직렬방식을 사용하였다면 OFDM에서는 여거 carrier를 병렬 전송하여 5bit를 한번에 보낸다. 또한 OFDM은 여러 carrier를 전송하기 때문에 multicarrier기술이라고도 불린다.

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Cellular System의 기반구조

 Cellular System은 Infra 방식이다. 초기에는 하나의 기지국이 전체 지역을 감당하였다. 이렇게 생각하면 초기는 cellular 방식이 아니라고 볼수도 있다. 초기 방식은 bandwidth가 제한되어있기 때문에 동시에 지원할 수 있는 사용자 수도 제한되어 있었다. 이후에 이런 문제를 해결하기 위해 하나의 기지국이 커버하는 영역을 감소시켰다. 즉, 여러 cell을 사용함으로써 기지국을 여러곳에 설치하였다. 이에 따라 기지국의 전송범위가 줄어들었고 이는 전송 power도 줄었다는 것을 의미한다. 이렇게 celluar 방식으로 바뀌고 한 주파수 channel을 여러 cell에서 사용이 가능하게 되었다. 이것이 cellular 방식의 큰 특징 중 하나이다(주파수 재사용 : frequency reuse). Cell수 만큼 주파수 채널이 증가하고, 이에 따라 기지국 수도 늘어나기 때문에 그만큼 비용도 증가한다.

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MS, BS, BSC, MSC, and PSTN

 BS가 있는 원은 각각 cell을 의미한다. 그 위의 BSC(Base Station Controller)는 기지국을 control 한다. MSC(Mobile Switching Center)로 교환기를 의미하며 PSTN은 유선망이다. 아래부터 MSC까지를 이동 통신망이라고 부른다. 하지만 정작 이동성이 있는 것은 MS뿐이다.

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Channel의 유형

 Channel에는 control, traffic channel이 있다. Control Channel은 실제 통화할때 사용하는 것 이외의 제어용 channel이다. Traffic channel은 실제로 통화하는데 사용하는 channel이다. 또한 기지국을 중심으로 들어오는 channel을 reverse(uplink) channel, 기지국을 중심으로 나가는 channel을 forward(downlink) channel이라고 한다.

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Call setup 과정

Outgoing call (전화를 거는 경우)

1. 기지국에 call을 요청한다. (Control Channel 사용)
2. Traffic channel을 할당한다. 이때 사용하는 방식에 맞춰서 할당한다. (Control Channel 사용)
3. Channel을 잘 받았다는 확인을 한다. (Control Channel 사용)
4. Traffic Channel 사용 시작

Incoming call (전화를 수신하는 경우)

1. 단말기 위치를 찾기 위해 Paging Channel(Control Channel의 한종류)를 사용하여 요청한다.
2. 위와 동일

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무선 통신 시스템의 구성도

1. 보낼 데이터를 준비한다.
2. Coding은 2가지 종류가 있다. 첫번째로 Channel coding(error 검출, 정정), 두번째로 Source Coding(압축).
3. Modulator변조. 이때 Carrier에 coding된 data를 실어서 보낸다.
4. Transmitter
5. Antenna 안테나를 통해 공기중으로 전파한다.
6. 수신 Antenna
7. Receiver
8. Demodulator. Carrier를 빼낸다.
9. Decoding
10. Data recover

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Satellite Systems

일부 이동통신에서 사용한다.

- 기존 applications : weather satellite, radio and TV broadcasting, military satellites

- Telecommunication applications : Global telephone connections, backbone for global network, GPS

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Ad Hoc Network

기반 구조 없이(Infra 없이) 망을 임시로 형성하는 방식이다. Source & Destination이 계속 바뀌기 때문에 방향을 아는 것이 중요하다. Ad Hoc Network의 대표적 응용 분야로는 Wireless Sensor Network가 있다. 이는 Sensor node를 통해 relay로 data를 보내는 방식이다.

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참고 도서

Introduction to Wireless and Mobile Systems(4판)