1. Introduction, Spectral & power efficiency, Cellular concept

 

 

이 게시글은 K-mooc 고영채교수님의 이동통신공학 1을 수강한 내용을 바탕으로 작성하였음

http://www.kmooc.kr/courses/coursev1:KoreaUnivK+ku_eng_001+2020_A07/about

 

 

 

• Introduction
• Spectral efficiency
• Power efficiency
• Cellular concept

 

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Introduction

 

Evolution of cellular systems

 

• 1st Gen : 1980년대 후반, 최초로 개인이 들고다니는 무선통신기기 (car phone)이 등장하였다. 기기 사이즈가 매우 크고 무거웠기 때문에 들고다니는 것이 번거로워 차에 놓고다녔기 때문에 붙은 이름이다.
• 2nd Gen : 1990년대 유럽과 미국을 중심으로 발전한 셀룰러 system이다. 이때부터 핸드폰이라고 부를 수 있는 형태의 기기가 등장하였다. 유럽에서는 TDMA을 채택하는 GSM 방식을 사용하였고, 한국에서는 CDMA를 채택하여 90년대 중반부터 이동통신기기가 보급되었다.
• 3rd Gen : 2세대 기기가 보급되며 이동통신기기에 대한 관심과 수요가 폭증하였다. 2세대 기기는 무선 인터넷을 사용하거나 많은 양의 데이터를 전송하는 데 어려움이 있었기에 3rd Gen이 개발되었다. 2세대는 나라마다 CDMA, TDMA 등의 각자 다른 방식을 채택하는 방식이었는데, 3세대에서는 전세계가 동일한 W-CDMA 표준을 사용한다. 이에 따라 서로 다른 나라 간 로밍이 가능하게 되었다.
• 4th Gen : 이동통신기기 사용자들은 이동하는 중에도 많은 양의 데이터를 주고 받기를 꾸준히 원했지만, 3세대의 기술력으로는 이 요구를 충족시키기가 어려웠다. 4세대 통신에서는 더 많은 유저들에 더 빠른 속도의 정보를 제공하고자 LTE 기술을 탑재하였다.
• 5th Gen : 유저들이 4세대 LTE-A (Advanced)의 속도를 더 이상 만족하지 못하는 지점에 다다를 때 5세대 통신의 개발이 이루어져야 한다. 그 지점이 2020년이라는 이야기도 있고, 더 먼 미래라는 의견도 있다.

 

 

1st → 2nd : Analog로부터 Digital을 사용하게 되었다는 혁신적 변화

2nd → 3rd : 전 세계가 동일한 통신표준을 사용하게 됨

3rd → 4th : 더 높은 data rate를 지원하기 위해 OFMD 사용

 

이 강의에서는 5th Gen을 어떤 방향으로 발전시켜야 할 것인지, 어떤 기술들을 만들 수 있을지에 대한 기초를 배운다.

 

 

 

 

 

 

Evolution of Data Rate in Cellular Systems

 

 

1세대는 Analog였으므로 제외하고, 2세대는 기기로 인터넷을 보는 등 데이터를 사용하는 작업을 거의 수행할 수 없었기 (문자 메시지 같은 short message를 보내는 데 주로 사용되었다) 때문에 3세대 이후만 측정되었다.

 

3세대 384 kbps : 사실 이 숫자는 noise가 매우 적은 완벽한 환경에서 측정된 것인지라 실제로는 이보다 성능이 더 열악하였으며 그에 따라 고성능에 시스템에 대한 요구가 증가하였다.

 

4세대 100Mbps : 3세대의 약 260배 data rate 성능을 보여주는 4세대 LTE가 도입되었다. (3세대와 마찬가지로 실제로 사용자들은 100Mbps 보다는 낮은 성능을 사용한다)

 

5세대 10~100Gbps : 5세대 통신을 만들어나가는 엔지니어가 되기 위해서는 5세대의 목적을 아는 것이 중요하다. Qualcomm에서는 4세대 data rate의 약 1000배에 해당하는 100Gbps performance를 보여야 한다는 의견을 제시하였으며, 이동통신 표준을 담당하는 3DPP 그룹에서는 현실적으로 4세대의 100배에 해당하는 10Gbps 속도가 5G에 적합하다고 판단하고있다.

 

 

즉, 세대를 거듭하면서 상통하는 목적은 단 하나이다. : High Data Rate

이동통신 엔지니어들은 Data Rate를 증가시키기 위한 기술을 개발하는 것이 주된 업무라고 볼 수 있다.

 

 

 

 

 

Enabling Technologies in Cellular System

 

각 세대별로 Data rate를 증가시키기 위해 어떤 기술들을 도입하였는지 살펴본다.

 

3세대 : 안테나를 하나만 사용하던 2세대와 달리, 송신안테나를 여러개 사용하여 Transmit diversity 이득을 취하는 기술이 3세대에서 처음 도입되었다.

Adaptive modulation and coding이란 Rx의 channel 상황이 좋지 않을때는 Data rate를 조금 낮추고, 반대의 경우에는 빠른 전송을 수행하는 방식이다. Adaptive하게 전송속도를 조절하는 것. → 다양한 고급 기술들이 사용되었음에도 불구하고 3G의 Data rate는 소비자들의 요구를 만족시키지 못했기에 4G가 탄생한 것이다.

 

4세대 : OFDM은 4G가 탄생하기 전부터 존재하던 기술이지만, 이것이 스마트폰에 도입된 것은 4G부터이다. 3G에서는 Tx만 다중 안테나를 사용하였고, Rx 안테나는 하나였다. 4G는 Tx와 Rx 안테나 개수 모두 여러개를 사용하여 더 빠른 Data rate를 취한다. 또한 앞서 설명한 AMC를 더욱 발전시킨 형태로 (Improved AMC) 채택하였다.

 

5세대 : 다중안테나 MIMO 방식을 그대로 계승함과 동시에 안테나 개수를 극대화하여 100개의 Tx 안테나를 사용하는 Massive MIMO를 사용하는 방안이 검토중에 있다. (5G의 핵심 기술 중 하나이다). + small cell

 

 

 

 

 

 

Wireless Local Area Network (WLAN)

 

 

우리가 사용하고 있는 스마트폰은 Cellular system이라고 말한다. Cellular와 무선 LAN의 가장 큰 차이점은 바로 비용이다.

우리는 Cellular (스마트폰)을 사용하기 위해 이동통신 3사 (SKT, KT, LG U+)에 가입하여 해당 회사들에서 제공하는 주파수 대역을 사용하고, 사용 대가로 비용을 지불하고 있다.

반면 WLAN은 Unlicensed band로 ‘비허가 주파수대역’으로 WLAN을 사용하기 위한 장비만 있다면 BW를 무료로 사용할 수 있다.

 

 

 

WLAN도 Cellular system과 마찬가지로 Data rate를 증가시키는 방향으로 진화하고있다. 현재 우리가 주로 사용하는 WLAN은 IEEE802.11ac, ad로 이론적으로는 7GMbps에 가까운 Data rate 성능을 가진다. (실제 우리가 사용할 때는 이보다 낮은 성능으로 사용하지만)

 

 

 

 

Goal of the Course

 

1. How does the mobile wireless communications (MWC) system work?
2. What are the main obstacles for the MWC?
3. How can we improve the performance of MWC?

Spectral efficiency

우리가 사용할 수 있는 주파수 대역 BW는 한정되어 있는데, 한정된 BW에서 얼마나 많은 데이터를 보낼 수 있을 것인가를 나타내는 것이 바로 Spectral efficiency이다.

 

 

 

Basic Mobile Communications

 

위의 Introduction에서 Cellular와 WLAN에 대해 살펴보았는데, 이 course은 Cellular 통신에 집중하여 다룰 것이므로, Cellular system의 구성요소에 대하여 알아본다.

스마트폰 간 통신을 하는 경우, 스마트폰 (MS)끼리 직접 통신이 일어나는 것이 아니다. 항상 기지국을 통해서 통신이 이루어진다. (Bluetooth 같은 특이 case제외) Tx 측에서 Bast station에 정보를 전달하고, 그 정보가 다시 Rx 스마트폰으로 전달된다.

이때 기지국 BS에서 Rx MS로 향하는 channel을 Downlink channel이라고 말하고, Tx MS로부터 BS로 향하는 channel을 Uplink channel이라고 말한다. 따라서 기본적으로 MS간의 channel은 존재하지 않는다. 즉, 무선통신의 대부분 channel은 MS와 BS간 channel을 의미한다.

 

D2D (direct to direct)는 BS를 거치지 않고 MS간 직접 통신이 이루어지는 상황을 의미한다. 이때의 channel은 두 MS를 직접 연결한다. D2D라고 명시된 경우가 아니라면 반드시 BS를 거치는 통신이며 channel은 BS를 경유한다. 또한 D2D는 4세대 advanced system 또는 5세대에 가능할 것이라는 전망이 있다.

 

또한 MS (Mobile station)은 MU (Mobile user)라고도 부른다.

 

 

 

 

 

Half Duplex and Full Duplex

 

 

Full duplex는 같은 BW 내에서 동시에 통신할 수 있는 방식을 의미한다.

Half duplex는 듣거나 말하는 행위 중 한 번에 하나만 할 수 있다. 즉, 들을 때는 말할 수 없고 말할 때는 들을 수 없는 무전기 system이다. Half duplex를 두 사용자가 이용할 때, 한 사람은 말하고 다른 한 사람은 듣는 상태이면 통신이 원활하다.

 

1. Time division duplex : 동시에 두 사용자가 말한다면 서로 어떤 말을 했는지 들을 수가 없다. 이를 해결하는 가장 쉬운 방법이 바로 Time division duplex (TDD)이다. 이 방법은 두 사용자 간 취할 수 있는 행동을 time division하여 할당한다. 쉽게 말해 한 이용자가 말할 수 있는 시간을 정해놓고, 그 시간 간격 동안 상대방은 청취하는 것이다.

 

1. Frequency division duplex : 두 사용자가 동시에 이야기를 하는데, 서로 다른 BW 대역을 사용해서 말하는 것이라면 filter를 이용하여 내가 받고 싶은 신호만 추출할 수 있다. 쉽게 말해서, 두 사용자가 동시에 말하면 Time domain에서는 신호가 겹쳐 왜곡되지만 Frequency domain에서 이 두 신호를 분리해낼 수 있다는 것이다.

 

Half duplex는 위의 두 가지 방식 TDD, FDD를 이용하여 Full duplex를 모방할 수 있다.

 

 

 

TDD : A와 B가 통신할 수 있는 시간이 총 10초가 주어진 경우, A와 B가 각각 5초씩 말할 수 있다. BW에 대한 제약은 없으므로, A와 B가 같은 BW를 사용해도 문제되지 않는다.

 

FDD : A와 B 모두 10초 전부 사용하여 동시에 말할 수 있다. 하지만 이 경우에는 TDD에서 사용할 수 있는 BW의 절반 밖에 사용하지 못한다.

 

여기서 A, B를 BS와 MS로 생각한다면 TDD를 사용하는 경우 BS와 MS가 시간대를 나누어 사용하는 것이고, FDD를 사용하는 경우 BS와 MS가 BW를 나누어 사용하는 것으로 이해할 수 있다.

 

 

 

 

 

Frequency Band Allocation for Mobile Service Companies

 

한국의 이동통신 3사에서 사용하는 주파수 대역

예를들어 SKT의 Frequency band에서 1940~1960 / 2130~2150 으로 표시된 것은 1940~1960MHz를 Uplink로, 2130~2150MHz를 Downlink로 사용한다는 의미이다.

Total BW를 보면 3사가 각각 137MHz, 117MHz, 60MHz를 정부로부터 구매하여 사용하고 있음을 알 수 있다.

 

 

 

 

FDD vs. TDD

 

여기서는 TDD와 FDD를 구현하는 방법에 대해 간단하게 알아본다.

먼저 TDD의 경우 Tx/Rx switch를 이용하여 각자 data 전송시간에 맞추어 switching한다. Uplink일 때는 Tx쪽으로 switch가 이동하고 downlink일 때는 Rx쪽으로 switch가 이동한다.

FDD의 경우 Tx와 Rx가 서로 수신할 때 각자 원하는 BW의 신호만을 수신해야 하므로 각각 Filter가 장착된 모습을 볼 수 있다.

현재 4G LTE에서는 위 두 방식이 모두 사용될 수 있다. TDD기반 LTE도 있고 FDD기반 LTE도 있다.

 

 

 

 

 

“Real” Full-Duplex

 

위에서는 Half-duplex (TDD)를 빠르게 수행하면 Full-duplex같은 효과를 낼 수 있다는 것을 알아보았다. 하지만 이것은 Real Full-Duplex가 아니라 그저 Full-duplex와 유사한 성능을 내기 위해 노력한 것일 뿐이다.

Real Full-duplex는 위에서 보는 것처럼 Simultaneous transmission and reception (STR) 즉, 같은 시간에 같은 BW를 사용하여 데이터를 주고 받는 완벽한 full-duplex system이다.

근데 사실 TDD, FDD를 개발한 사람이 STR을 생각하지 않았을리가 없다. STR은 누구나 생각 가능한 완벽한 통신이지만 기술적으로 구현하는 것이 어렵다. TDD의 사용 이유와 마찬가지로 동일 시간, 동일 주파수에 두 사용자가 신호를 보내면 자기가 보낸 신호가 상대방이 보낸 신호와 간섭을 일으키게 되는데, 이를 self-interference라고 부른다.

 

이러한 self-interference 문제를 해결하는 것이 STR을 성공시키는 핵심 관건인데, 강의가 촬영된 2020년 기준 세계 몇 회사에서 self-interference를 거의 제거한 통신 서비스를 가능하게 하여 5G에서 STR이 사용될 수 있을 것이라는 전망이 있다.

 

 

 

 

 

Frequency Allocation per Frequency Band

 

어떤 사람이 통신을 하고자 하면 analog 신호를 쏴 보내야하므로 항상 BW와 time을 사용해야 한다. BW는 국가가 소유하는 귀중한 자산인데, 국가는 이 BW를 이용하여 사업자들에게 경매로 팔거나 무료로 주기도 한다. (BW를 국가목적을 위해 사용하는 경우보다는 보통 경매로 파는 경우가 많다)

예를 들어 우리는 AM 라디오를 들을 때 550kHz~1550kHz 대역을 사용하고, FM 라디오를 들을 때는 88~108MHz 대역을 사용하고 있다. 이 외에도 이동통신 3사의 cellular BW 등등은 세계적으로 2GHz 근방의 BW를 사용하고자 합의되어있다.

 

위 그림을 보면 무선통신을 사용하고자 하는 유저, 기관이 매우 많기 때문에 현재 거의 모든 BW영역이 할당되어 사용 중에 있다는 것을 알 수 있다. 5G 통신을 위해서는 더 많은 BW를 사용해야 하는데, 사용 가능한 BW를 탐색하는 것 또한 주요한 이슈이다.

 

 

위 그림을 보면 800MHz~2GHz 영역에 사용할 수 있는 BW 대역이 거의 없음을 확인할 수 있다.

 

 

 

 

 

 

Licensed Band and Unlicensed Band

• Licensed band
• Unlicensed band

 

 

Spectrum Efficiency in Digital Modulations

BW는 매우 중요하고 비싼 자원이다. (2018년 과학기술정보통신부는 6월 15일(금)부터 시행한 5세대(5G) 이동통신 주파수 경매에서 2일차인 18일에 총 낙찰가 3조 6,183억원으로 경매가 종료되었다고 6.18. (월) 밝혔다) 따라서 이동통신 3사 같은 사업자 입장에서는 주어진 BW내에서 최대한 많은 데이터를 전송하여 효율적으로 사업을 영위해야만 한다.

 

한정된 BW에서 어느 정도의 Data rate를 확보할 수 있는가를 나타내는 척도가 바로 Spectrum efficiency이다. : 1Hz당 몇 bit를 보낼 수 있는지를 나타낸다. Spectrum efficiency는 digital modulation과 밀접한 관련이 있으므로 자세한 내용은 차후에 살펴보도록 한다.

 

 

For a certain 𝑀-ary digital modulation, we can transmit at the rate of log_2𝑀 bits/sec/Hz and. In this case the spectral efficiency is log_2𝑀 bits/sec/Hz

 

 

 

 

 

 

Power efficiency

power efficiency란 주어진 power를 가지고 얼마나 효율적으로 통신할 수 있는지를 나타낸다. 여기서 효율(efficiency)이라는 것은 Bit error rate나 Symbol error rate로 표현될 수 있다. 다시 말해 한정된 power를 가지고 얼마나 더 우수한 BER, SER 성능을 낼 수 있는지를 의미한다.

 

아주 간단한 예시로, 내가 누군가와 소통할 때 작은 목소리, 큰 목소리를 사용하는 경우를 비교해보면 된다. Efficiency 측면에서, 작은 목소리로 원활하게 의사소통할 수 있다면 베스트이다. 목소리를 키워야하는 경우 power도 많이 소모될 뿐더러 같은 공간에 있는 다른 사람들의 의사소통을 방해할 수 있다. → 본인이 달성하고자 하는 Data rate를 만족시키는 최소한의 power를 사용할 때 Power efficiency가 최적이다.

 

 

 

Antennas

기본적으로 안테나는 power를 밖으로 방사시켜 전달하는 회로이다.

2G phone까지는 핸드폰에 안테나가 장착되어 있어 이를 물리적으로 꺼내 사용할 수 있었다. 3G로 넘어오면서 패치 형태의 안테나를 기기 내부에 장착하여 더 이상 안테나를 외부에서 보기는 어려워졌다.

 

 

1. Isotropic

안테나를 하나의 점 모양 source로 생각했을 때, 이 안테나에서 power가 sphere 영역으로 퍼져나가는 경우를 의미한다. 즉, 안테나를 통해 power가 모든 방향으로 퍼져나가는 것이다. Isotropic은 통신에 부합한 안테나는 아니다. 우리는 Tx와 Rx간 power를 증폭시키는게 목적인데, Isotropic은 Tx, Rx의 방향과 무관한 방향 (예를 들어 하늘, 땅)으로도 power를 전파하기 때문

 

1. Omni-directional

Omni는 점을 의미하는데, 안테나를 기준으로 한 2차원 평면에 대해 power를 방사하는 것이다. z축으로는 방사하지 않기 때문에 Isotropic 보다는 방사 구역이 한정되어 있지만, x-y 평면에서 360도를 포함하고 있다.

 

1. Directional

위 두 형태와는 달리 내가 원하는 방향으로만 power를 전파시킬 수 있는 안테나를 directional 안테나라고 말한다. 또한 안테나가 directivity가 있다고도 말할 수 있다.

동일한 Power를 사용하는 경우 Directional 안테나를 사용하면 power가 Rx에 집중되어 전파되기 때문에 다른 방식들보다 Rx에서 가장 많은 power를 전달 받을 수 있다.

 

 

Omni-Directional and Directional Antennas

 

 

Directional antenna는 Omni-directional보다 power를 $\frac{2\pi}{\theta_d}$​

배 만큼 더 전달할 수 있다. antenna가 MS에 더욱 direct한 방향으로 전파된다면 $\theta_d$

가 작아져 더 많은 power를 전달할 수 있다.

 

 

 

 

 

Path loss

 

 

Path loss(경로감쇠)는 거리에 따라 power가 감소하는 현상을 의미한다. Rx에서 전달받은 신호의 quality는 전달받은 신호의 세기(power)에 비례한다. 강의실에서 앞자리 앉은 학생은 소리를 더 크게 듣는 반면, 뒷자리의 학생은 비교적 작은 소리를 듣게되는 것과 같다.

 

위 식은 free-space에서 측정된 식이다. 실제 환경에서는 신호를 쏘아 보내면 신호가 온갖 장애물들에 부딪혀 반사, 산란, 간섭을 일으킨다. free-space에서는 이런 모든 장애물들이 존재하지 않는다고 가정한다. (모든 벽이 신호를 흡수하는 물질로 되어있다면 free-space를 가정한 실험을 진행할 수 있다)

 

free-space의 경우 송신전력 $ P_t​$와 수신전력 $P_r$​의 관계는 다음과 같다.

$$ P_r=k\frac{P_t}{r^2} $$​​

즉 수신전력 $P_r$​은 송신전력 $P_t$에 대해 거리의 제곱 $r^2$에 따라 감소한다.

 

 

 

 

 

 

Signal-to-Noise Ratio

통신환경에 noise가 존재하는 경우 signal을 전달하는 데 어려움을 겪는다는 것은 진리이다. 그렇다면 얼마 만큼의 noise가 존재해야 signal bits에 error가 발생할 것인지를 나타내는 지표가 필요한데, 그것을 나타내는 것이 바로 SNR이다.

 

이동통신 simulation에서 noise의 영향이 작은 경우를 살펴보는 경우 Signal power를 증가시킨다고 말하지 않고, SNR을 증가시킨다고 말한다.

 

예를 들어 BPSK의 BER $P_b$​는 다음과 같다.

$$P_b(\gamma)=Q(\sqrt{2\gamma})$$

여기서 $\gamma$=SNR 이므로 BER은 곧 SNR에 의해 결정된다. 따라서 SNR의 변화에 따라 BER이 변화하여 signal bits에 error가 발생할 확률이 변하는 것이다.

 

Tx와 Rx가 0.5km 떨어져있는 상황에서 측정한 SNR이 $\gamma(\text{0.5km})_{dB}=16dB$ 일 때 이 dB를 watt단위로 바꾸면 40[W]가 되므로, 40[W]를 위 BER 식에 대입하면 BER=$Q(\sqrt{2 \dot 40})$ 이 된다.

 

위는 거리에 따른 BPSK의 BER 성능을 나타낸다. 거리 d가 증가할수록 BER이 급격히 나빠지는 것을 확인할 수 있다.

 

우리가 음성통화를 할 때 문제없이 통신하기 위해서는 약 $10^{-3}$의 BER이 필요하다. 

$\text{BER}= $10^{-3}$ 을 만족하는 지점은 약 1.3km정도이므로, MS와 BS간 거리가 1.3km정도 거리까지는 voice 통신이 가능하다고 추측할 수 있다. (물론 BPSK인 경우)

 

 

BPSK보다 symbol수가 더 많은 modulation을 사용하는 경우 distance에 따른 BER 성능은 다음과 같다.

Tx에서 사용하는 modulation 방식의 symbol수가 많아질수록 Data rate는 빨라지지만 BER 성능은 더 나빠지는 결과를 확인할 수 있다. 64QAM을 사용하는 경우 MS와 BS의 거리가 0.2km 이상만 되어도 voice 통신이 어려워질 수 있다.

 

위는 아주 극단적인 예시이므로 실제에 적용하기는 어렵지만, 이러한 simulation을 통해 distance에 따른 BER을 서로 다른 modulation간 비교, 분석할 수 있다는 점에서 의미를 가진다.

 

 

 

 

power efficiency란, 이동통신의 궁극적인 목표로써 가능한 적은 power로 가능한 빠른 data rate와 우수한 BER 성능에 도달하는 것이다.

 

 

 

 

 

 

 

 

Cellular concept

스마트폰이 가지고 있는 system을 cellular system이라고 이야기한다. 이 Cellular system의 개념과, 이것이 어떻게 구성되어 있는지 살펴본다.

 

 

 

Cellular systems

 

Cellular system은 spectral efficiency와 밀접한 관련이 있다.

 

어떤 회사가 100MHz BW를 가지고 사업을 하고자 한다. 이때 Downlink에 5MHz, uplink에도 5MHz가 필요하다면 duplex 차원에서 한 사람이 쌍방향 통신을 하기 위해서는 총 10MHz가 필요하다.

이때 사용자 간 사용하는 BW를 겹치지 않게 해야하므로 (BW가 겹치면 frequency interference가 발생한다) 동시에 최대 10명의 사용자가 서비스를 이용할 수 있다. 하지만 이게 과연 최선일까?

 

BW를 더 효율적으로 사용하고자 하는 개념이 바로 cellular system이며, 여기서는 frequency reuse 기술을 이용한다.

 

그림 하단의 예시를 보면 Uplink로 총 1940~1970 MHz의 BW가 사용 가능할 때, $\Delta f_{1,2,3}$

이 각각 10MHz씩 나눠서 사용하게 된다. 이렇게 한 사업자가 가지고 있는 총 BW를 쪼개서 각 지역마다 서로 다른 BW를 사용하게 하는 방법이 cellular system의 기본 개념이다.

 

 

앞서 본 그림에서는 $\Delta f_{1,2,3}$​를 각각 하나의 지역에서만 사용하였는데, 바로 위 그림에서는 각 BW를 더 작은 여러개의 지역에서 사용한다. $f_n$을 하나의 지역에서만 사용하는 것이 아니라 인근의 다른 지역에서도 사용하는 것이다.

 

즉, 동일 BW를 한 공간에서 사용하고, 또 공간을 떨어뜨려서 다시 사용하는 것으로 이해할 수 있으므로 이를 frequency reuse라고 한다.

 

이때 각 small region에는 BS가 존재하며 서로 같은 $f_n$​을 사용하는 영역의 BS간 거리를 $D_n$으로 표기한다. $D_{1,2,3}$​를 모두 같게 설정한다면 frequency reuse를 통해 한국 전체를 커버할 수가 있다.

 

 

 

 

 

 

Cluster

 

 

N=3인 경우를 예시로 설명하면, 색이 서로 같은 영역은 서로 같은 BW를 사용하고 있는 것이다. 이 Cluster를 계속 반복시키면 결국 모든 region을 커버할 수 있다.

 

위 4개 cluster 중에서는 N=3인 경우에서 frequency reuse가 가장 많이 발생한다. cell 개수가 같을 때 사용할 수 있는 BW 영역이 3개로 제한되어있기 때문이다. 이론적으로 frequency reuse를 가장 많이 할 수 있는 경우는 N=1인 경우이다.

 

Frequency reuse를 많이 할수록 인접한 cell (나와 같은 BW를 사용하는 cell)간 거리가 가까워지게 되어 co-channel interference (동일 주파수 간섭)이 발생하여 성능이 저하된다.

 

 

 

 

 

Cellular Reuse Cluster

 

 

Cluster를 구성할 때는 반드시 한 cell에서 동일한 BW를 사용하고 있는 가장 인접한 cell간의 거리는 모든 BW에서 동일해야 한다. 모든 개수의 Cluster가 이 조건을 만족할 수 있는 것은 아니다. 예를들어 N=1,3,4는 이 조건을 만족할 수 있지만 N=2인 경우에는 불가능하다.

 

해당 조건을 만족하는 cluster 개수는 $N=i^2+i\cdot j+j^2$로 로 구할 수 있다. 이때 $i$와 $j$는 정수이며 $i \geq j$를 만족한다.

 

 

 

$i=1,\; j=0 \rightarrow N=1$

$i=1,\; j=1 \rightarrow N=3$

$i=2,\; j=0 \rightarrow N=4$

$i=2,\; j=1 \rightarrow N=7$

 

 

 

 

Reuse Distance

 

Reuse distance란 한 cell에서 동일한 BW를 사용하고 있는 가장 가까운 cell과 중점간의 거리이다. (모든 BW에서 Reuse distance는 같다)

 

 

 

 

Properties of the Cellular-Geometry

 

Isotropic antenna를 가정하는 경우 안테나의 전파 방향은 circle 모양이지만, 기하학적인 설명을 간편하게 하기 위해 육각형의 cell 모양을 사용한다.

 

• R : cell size (cell radius)
• d : 현재 cell의 BS에서 바로 인접한 cell의 BS까지의 거리

 

 

인접 cell이 2개 cell만큼 거리에 떨어져 있다면 당연히 $d=2\times\sqrt{3}R$​

 

 

 

$D$는 reuse distance로 현재 내가 A라는 BW를 사용하고 있을 때 A를 사용하고 있는 가장 인접한 cell까지의 중심거리를 의미한다.

 

N이 작아지면 frequency reuse가 더욱 빈번하게 발생하여 spectral efficiency는 높아지지만 Q (Co-channel reuse factor)는 작아지게 된다.

반대로 N값이 커질수록 spectral efficiency는 낮아지지만 Q값은 커진다.

 

자세한 내용은 다음강에