기지국

3. 이동통신 기지국의 주요 기술

이동통신 기지국은 원활한 통신 서비스를 제공하기 위해 다양한 기술을 활용한다. 대표적인 기술로는 신호가 여러 경로를 통해 수신될 때 발생하는 간섭을 효과적으로 제어하는 다중 경로 제어, 통화량이 많은 특정 지역의 서비스 품질을 높이기 위해 하나의 셀을 더 작은 셀들로 나누는 셀 분할, 그리고 하나의 셀을 특정 방향성을 가진 여러 구역으로 나누어 관리하는 섹터 기술 등이 있다. 이러한 기술들은 제한된 주파수 자원을 효율적으로 사용하고 안정적인 통신 환경을 구축하는 데 기여한다.

3. 1. 다중 경로 제어

3. 2. 셀 분할

3. 3. 섹터

• 공간 다이버시티 외에도 주파수/시간 다이버시티, 안테나 패턴 다이버시티, 편파 다이버시티 등 다른 종류의 다이버시티 기법들이 있다.

3. 4. 핸드오버

4. 구성 장비

5. 기지국의 일반적인 구조 (영문 위키 참고)

기지국(BTS)은 일반적으로 다음과 같은 주요 구성 요소로 이루어진다.

• 송수신기 (TRX): 무선 신호의 송수신 기능을 담당하며, 상위 네트워크 장비(예: 기지국 제어기)와 신호를 주고받는다. 경우에 따라 원격 무선 헤드(RRH, Remote Radio Head)라는 별도의 장치로 분리되기도 한다.
• 기저대역 수신기 유닛 (BBxx): 주파수 도약, 신호 디지털 신호 처리(DSP) 등의 기능을 수행한다.
• 전력 증폭기 (PA): 송수신기(TRX)에서 나온 신호를 안테나를 통해 전송하기에 충분하도록 증폭하는 장치이다. 출력 증폭기라고도 불리며, 송수신기와 통합될 수도 있다.
• 결합기 (Combiner): 여러 송수신기에서 나오는 신호를 하나로 묶어, 하나의 안테나를 통해 효율적으로 전송할 수 있게 한다. 이를 통해 필요한 안테나 수를 줄일 수 있다. 컴바이너라고도 한다.
• 다중화기 (Multiplexer) / 필터: 안테나 하나로 송신과 수신을 동시에 할 수 있도록 신호를 분리하고, 서비스에 필요한 주파수 외의 불필요한 주파수를 걸러내는 역할을 한다. 일반적으로 송수신 겸용 안테나를 위한 듀플렉서(Duplexer) 형태가 많이 사용된다.
• 안테나: 전파를 이용해 무선 통신 신호를 공기 중으로 보내거나 받는 장치이다. 기지국이 설치된 구조물에 그대로 노출되거나, 주변 환경과 어울리도록 위장된 형태로 설치되기도 한다 (은폐된 셀 사이트).
• 제어 기능 및 원격 감시 장비: 기지국 내의 모든 장치를 제어하고 관리하는 소프트웨어 및 하드웨어 시스템이다. 기지국은 보통 무인으로 운영되므로, 운영 및 유지보수(O&M) 센터에서 원격으로 기지국의 상태를 확인하고 설정을 변경하며, 소프트웨어 업데이트 등을 수행할 수 있도록 각종 상태 정보와 알람을 전송하는 기능(알람 확장 시스템)이 포함된다.
• 부대 시설: 안정적인 운영을 위해 온도 조절을 위한 에어컨, 전력 공급을 위한 분전반 등의 부가적인 설비가 함께 설치된다.

6. 이동통신 관련 학계의 주요 이슈

이동통신 기술과 관련하여 학계에서는 다양한 연구가 진행되고 있으며, 주요 이슈는 다음과 같이 정리할 수 있다.

• MAC (Media Access Control) 계층: 여러 사용자가 한정된 통신 자원을 효율적으로 공유하고 관리하기 위한 기술 연구가 중요하다. 특히, 사용자 이동성에 따른 자원 할당 변화, 데이터 전송 효율을 높이기 위한 트래픽 모델링, 오류 제어를 위한 채널 코딩(특히 ARQ) 등이 주요 연구 주제이다.
• PHY (Physical) 계층: 신호 전송 자체의 성능을 개선하는 데 초점을 맞춘다. 다이버시티 기술을 통해 신호 품질을 높이고, 특히 다중 경로 전파로 인해 발생하는 ISI 문제를 해결하려는 연구가 활발하다. 전반적인 통신 시스템의 성능 향상을 위한 새로운 변조 방식, 코딩 기법 등도 연구된다.
• 시스템 구현: 통신 시스템의 복잡한 기능들을 하나의 칩에 집적하는 System on Chip (SoC) 기술 역시 중요한 연구 분야이다. 이는 통신 장비의 소형화, 저전력화, 고성능화에 기여한다.

7. 다이버시티 기법 (영문 위키 참고)

기지국으로 수신되는 가입자의 신호는 단말기에서 송신된 후 여러 장애물과 지형에 반사되어 다수의 경로로 나뉘어 도달한다. 기지국은 두 개의 수신 안테나를 이용해 각 경로로 들어온 신호의 강도와 지연 시간을 파악하고 이 중 가장 강하고 안정적인 신호를 선택하여 네트워크로 전송한다. 이를 다중 경로 제어 또는 다이버시티(Diversity) 기술이라고 부른다.

수신 신호의 품질을 높이기 위해 가장 흔히 사용되는 방법은 두 개의 수신 안테나를 사용하는 공간 다이버시티 또는 안테나 다이버시티이다. 이 방식에서는 두 안테나를 신호 파장의 홀수 배에 해당하는 거리만큼 떨어뜨려 배치한다. 예를 들어, 900MHz 주파수의 경우 파장은 약 33cm이므로, 이 거리의 홀수 배만큼 간격을 둔다. 이렇게 하면 특정 경로의 신호가 약해지는 페이딩 현상으로 인한 통신 끊김을 막을 수 있다. 안테나는 수평 또는 수직으로 배치할 수 있는데, 수평으로 간격을 두는 방식이 설치는 더 복잡하지만 일반적으로 더 나은 성능을 보인다.

공간 다이버시티 외에도 주파수나 시간을 달리하는 다이버시티, 안테나의 방사 패턴을 이용하는 다이버시티, 전파의 편파 특성을 이용하는 편파 다이버시티 등 다양한 다이버시티 방식이 존재한다.

한편, 기지국은 서비스 영역을 여러 구역으로 나누어 관리하기도 하는데, 이를 섹터화(Sectorization)라고 한다. 각 구역을 섹터(Sector)라고 부르며, 각 섹터는 마치 하나의 독립된 셀처럼 작동할 수 있다. 섹터화에는 주로 특정 방향으로만 전파를 강하게 보내는 지향성 안테나가 사용되어, LoRa(장거리 통신 기술) 등 다른 통신과의 간섭을 줄이는 데 도움이 된다.

섹터화되지 않은 기지국은 모든 방향으로 전파를 보내는 무지향성 안테나를 사용한다. 가장 일반적인 섹터화 방식은 3섹터 구조로, 마치 클로버 잎처럼 기지국 주변을 3개의 구역으로 나누고 각 구역을 별도의 지향성 안테나로 담당한다. 각 안테나는 보통 서로 120°의 각도를 이루도록 설치되지만, 지형이나 서비스 환경에 따라 각도를 조절하기도 한다. 경우에 따라서는 2개의 섹터로 나누는 2섹터 방식도 사용되는데, 이때는 보통 두 안테나가 서로 180° 방향을 바라보도록 설치된다.

8. 실제 사용의 예 (서울)

서울 지역의 기지국은 보통 3km에서 5km 정도의 서비스 가능 영역(커버리지)을 가지며, 이를 통해 가입자들에게 이동통신망 서비스를 제공한다. 기지국들이 촘촘하게 설치되어 있기 때문에, 단말기가 하나의 PN(Pseudo-random Noise, 의사 난수 잡음) 코드만 수신하는 경우는 드물며, 보통 2개, 때로는 4개 이상의 PN 코드를 동시에 수신하는 멀티 PN 상태가 되는 경우가 많다. 사용자가 이동하면서 기지국 간의 서비스 영역 경계를 넘나들 때 통화가 끊기지 않도록 하기 위해서는 핸드오프(Handoff) 또는 핸드오버(Handover)라는 기술이 사용된다. 핸드오프 과정에서 중요한 개념 중 하나가 NGBR(Neighbor List, 인접 기지국 목록)이다. 성공적인 핸드오프를 위해서는 현재 서비스 중인 기지국이 다음 연결될 가능성이 있는 인접 기지국의 정보를 NGBR 목록에 가지고 있어야 한다. 이 외에도 여러 설정값(PARAMETER)들이 핸드오프 성공에 영향을 미친다.

참조

_[1] 웹사이트 What is eCPRI, and why is it important for 5G and open vRAN? | Fierce Network https://www.fiercewi[...] 2019-10-15
_[2] 문서 셀 (이동통신) 관련 설명