05. 셀룰러의 개념

안녕하세요! 상남자 표본 우기입니다!

지난 포스팅은 무선 통신에서 필연적으로 발생하는 취약한 전송 조건에 대해 예방하기 위해 채널 부호화와 오류 제어를 하는 기법에 대해 소개했습니다.

 

이번 포스팅은 셀룰러의 개념에 대해 소개할까 합니다.

 

 

 

소개

 

셀(Cell)이란, MS(Mobile Station)이 사용하는 무선 자원을 하나의 BS(Base Station)이 통제할 수 있는 영역을 뜻합니다. 즉, 우리가 스마트폰에서 LTE나 5G를 사용할 수 있는 이유는 셀의 영역에 있기 때문인데요, 셀 내의 성능은 가입자의 수, 평균 Call 발생 수, 평균 통화 시간 등의 정보를 통해 어느 정도 예상할 수 있습니다.

(요즘 KT 5G가 잘 안되는 이유는 LTE 서비스를 지원하는 영역의 수보다 월등히 적기 때문입니다...)

 

이 포스팅에서는 셀과 관련된 많은 변수들과 이들의 셀룰러 개념과의 관련성에 대해 소개하도록 하겠습니다.

 

 

 

셀의 영역

 

셀룰러 시스템에서 가장 중요한 요소는 셀의 크기와 모양입니다. 이상적인 상황에서는 셀의 모양은 반지름이 R인 원형이지만 현실은 그렇지 않죠~ 따라서 여러가지의 모양으로 연구를 진행하지만 일반적으로 육각형으로 표현합니다.

 

 

육각형 셀

 

일반적으로 육각형 모양을 많이 사용하는 이유는 첫 번째로 원형에 가장 가까운 모양이기 때문입니다. 그리고 여러 개의 육각형 셀을 인접하여 배치하면 중첩 영역이 없으며 빈자리가 없기 때문에 영역 확장까지 가능합니다. (마치 벌집처럼)

 

셀의 영역이 늘어나면 늘어날수록 채널의 총 개수가 일정할 때 단위 면적 당 채널 수가 줄어듭니다. 아래 식을 통해 알 수 있습니다.

 

 예) 정사각형 셀로 가정

 

이는 셀룰러 폰 사용자가 늘어나면 채널 수를 증가시켜야 한다는 의미이고 실용적인 방법으로는 셀의 크기를 줄여 단위 면적 당 채널 수를 증가시키는 것입니다.

 

 

신호의 강도와 셀 파라미터

 

 

위의 그래프는 기지국으로부터 MS가 멀어질수록 수신전력의 크기를 나타낸 그래프입니다.

당연한 그래프겠죠? 기지국이랑 스마트폰이 멀어질수록 신호의 세기는 당연히 약해지겠죠,,

 

여기서 문제가 발생합니다.

스마트폰이 기지국과 멀어지면 신호의 세기는 약해진다고 했습니다. 그리고 셀의 영역은 여러 개가 있고 서로 붙어있습니다. A기지국에 있는 사용자가 이동하면서 옆에 있는 B기지국에 가까워진다면 이 사용자의 스마트폰은 A에서 보내는 서비스를 받아야 할까요 아니면 B에서 보내는 서비스를 받아야 할까요? 

 

이것에 대한 문제를 해결하는 것이 핸드오프(Hand-off) 또는 핸드오버(Hand-over) 작업이라고 합니다. 

 

핸드오프란 인접한 Cell로 무선 접속을 옮기는 작업입니다.

 

 

위의 그림은 두 개의 BS가 있고 MS(자동차)가 이동하는 중입니다. 

X1와 X2에 있을 때는 당연히 각각 BSi 와 BSj 의 신호만 인식할 것입니다.

X3와 X4에서는 X1, X2와 마찬가지겠지만 해당 기지국의 신호를 인식하기 위한 최소 수신 전력으로 정의합니다.

(이것은 실제 기지국마다 기준이 상이하므로 이 그래프에서만 정의한 것입니다.)

즉, X3와 X4에서는 어느 BS에서든 서비스를 받을 수 있다는 뜻입니다.

 

X5는 수신 전력의 그래프가 교차하는 지점입니다. 이는 핸드오프를 하는 가장 좋은 지점이라고 할 수 있겠습니다. 하지만 X3와 X4 사이에서는 어느 BS의 신호를 받아야 좋은지 알 수 없습니다. 그리고 MS가 자동차이기 때문에 이동성이 굉장히 빠를 것입니다. 이동성이 크다는 뜻은 핸드오프가 자주 발생한다는 뜻을 의미합니다.

따라서 Xth를 핸드오프 지점이라고 정의하고 E라는 임계치 값을 정하여 핸드오프 지점을 정하는 것입니다.

 

즉, 처음에는 MS가 BSi 의 신호를 받고 있다가 임계치 E의 값을 넘게 되면BSj의 신호를 받게 되는 것입니다.

 

 

핸드오프 발생률

 

 

핸드오프에 영향을 주는 요인은 셀의 면적과 모양도 있습니다. 위의 그림은 셀의 모양이 직사각형이고 각 측선이 R1, R2입니다. 

우리는 이 지역에서의 핸드오프 발생률을 구하고 이를 최소가 되는 값을 구하고 싶습니다. 우선 총 핸드오프 빈도수의 식은 다음과 같습니다.

 

식(1) 좌변 : 총 핸드오프 빈도수

 

여기서 면적 A = R1*R2 이고 A가 고정이라면, 발생률이 최소가 되기 위해 우선 세타의 값이 가장 최소가 되게 하는 요인이 되겠지요?

따라서 면적에 대한 식을 위의 식에 대입하여 좌변을 0으로 두고 세타에 대하여 미분(최솟값)을 하게 되면 

 

식(2) 미분을 적용한 식

 

식을 정리하게 되면 R1^2과 R2^2로 정리할 수 있습니다. 두 식을 식(1)에 대입하게 되면

 

 

따라서, 세타가 0일 때 최소가 되는 것을 알 수 있습니다.

 

세타가 0일 때 식을 간략화하면,

 

 

위의 식에 대한 결론입니다.

세타가 0일 때 즉, 셀의 모양이 사각형일 때 MS의 이동 방향과 수직 및 수평 축으로 정렬되었을 때 핸드오프가 최소가 됩니다.

 

 

 

 

셀의 용량

 

셀의 용량에 있어서 부하는 통상적으로 두 가지의 중요한 랜덤 변수로 특정합니다.

 

 

제공된 트래픽 부하는 아래와 같이 정의 되며 서비스 채널이 한 시간 동안 계속 점유되었을 때 정량적으로 

1 얼랑(Erlang)이라고 부릅니다.

 

셀의 용량에서 얼랑 B 공식이 있고 얼랑 C 공식이 있습니다. 간단히 설명하자면

셀 내의 용량이 꽉 찼을 때(모든 채널이 busy 상태),

 얼랑 B 공식은 새로 들어온 호(Call)를 잘라 버리는 것입니다.

 얼랑 C 공식은 새로 들어온 호를 대기열에 추가를 시켜 지연을 시키는 것입니다.

 

(맞는지는 모르겠지만, 예시로 우리가 전화를 했을 때 상대방이 통화 중이면 바로 끊기는 것이 얼랑 B 공식에 해당하고 은행에 전화했을 때 모든 상담원이 통화 중인데 "연결까지 3분 남았습니다"라고 잠시 대기하라는 것이 얼랑 C 공식에 해당합니다.... 맞나..?)

 

얼랑 공식에 관해서는 확실하게 이해를 하지 못했으므로 아래 링크를 통해 확인해보시기 바랍니다.

 

https://en.wikipedia.org/wiki/Erlang_(unit) 

Erlang (unit) - Wikipedia

 

 

 

 

주파수 재사용

 

위에서 단위 면적 당 채널수를 증가시키는 방법에서 셀 면적을 줄이는 방법에 대해 설명하였습니다. 이외에도 주파수 재사용하는 것이 있습니다. 즉, 멀리 떨어져 있는 간섭을 주지 않는 두 셀 간에 주파수 대역 또는 채널을 재사용하는 것입니다.

초창기 FDMA 방식은 셀의 영역은 2 ~ 20 km 였기 때문에 가능했습니다. 주파수를 재사용 함으로써 각 셀에서 사용할 수 있는 대역폭이 늘어나게 된 셈입니다.

 

 

대표적으로 7개의 셀 구조가 4개의 군집을 이루고 있는 모습이 위의 그림입니다.

 

그림에서 동일한 채널을 사용하는 두 셀간의 거리를 "재사용 거리"라고 부르고 변수 D 로 나타낸다.

D와 셀 반경 R, 군집 당 셀 수 N 사이에는 아래와 같은 관계가 있습니다.

 

따라서 재사용 인자 q는 다음과 같습니다.

 

 

추가로 위의 그림에서 각 군집마다 셀의 번호 위치가 같다는 것을 알 수 있는데 이는 일정한 재사용 거리를 사용하기 위함입니다. 다시 말해, 위치가 각기 다르다면 A군집의 1번 셀과 B군집의 1번 셀이 바로 옆에 있다면 너무 가까워 채널 간섭을 일으킬 수 있기 때문입니다.

 

 

 

 

동일 채널 간섭

 

셀룰러 시스템에는 다양한 요인으로 동일한 주파수 대역을 사용하는 셀들이 많이 존재합니다.

동일한 주파수를 사용하는 셀들은 적어도 재사용 거리만큼은 물리적으로 떨어져야 한다고 설명드렸습니다. 동일 채널 간 간섭이 서로 간에 문제가 되지 않도록 송출 전력을 조정해야 하지만 여전히 그러한 셀들 간에 0이 아닌 간섭이 어느 정도 존재합니다..

 

아래 그림을 통해 구체적으로 설명드리겠습니다.

 

 

위 그림과 같이 군집 당 7개의 셀을 가진 셀룰러 시스템에서 재사용 거리에는 여섯 개의 셀들이 존재합니다. 겉의 두 번째의 동일 채널들은 재사용 거리의 두 배 만큼 떨어져 있으므로 이들로부터의 간섭은 사실상 무시할 만하다고 볼 수 있겠죠?

 

동일 채널 간섭비(CCIR)은 다음과 같습니다.

 

 

크기가 7인 군집에서는 M = 6 이며 CCIR은 다음과 같습니다.

 

 

위의 식은 전파 전파 경로 손실의 기울기를 의미하며 통산 2에서 5사이의 값을 가집니다. 거리의 분포가 아래 그림처럼 근사할 때, 순방향 채널(down link)에서의 동일 채널 간섭의 비가 가장 커지며 CCIR은 다음과 같습니다.

 

 

순방향 채널에 있어서의 최악의 경우 (전방향성 안테나)

 

 

 

 

여기까지가 5장 셀룰러 시스템의 내용입니다.

뒤에 셀 섹터링에 내용이 조금 남았지만 앞으로 뒤에 챕터에서 섹터링에 대한 얘기가 많이 나오기 때문에 그때 더 자세하게 설명하도록 하겠습니다. 

 

감사합니다!