이동통신 실무기술 제2장 이동통신 전파환경 차세대 담당교수 : 조기환 교수님 소 속 : 정보과학대학원 컴퓨터정보 2학년 성 명 : 김만석 발 표 일 : 2001.04.18

제2장 이동통신 전파환경 1. 셀의 개념 2. 전파의 전송손실 3. 전파예측 모델 4. 페이딩 5. 다이버시티 2001-04-18 이동통신 전파환경

1. 셀의 개념 셀(Cell)이란 : 기지국에서 전파를 발사하여 통화가 가능한 영역 셀의 모형 : 정삼각형,정사각형,정육각형,다각형 셀 모형은 원래는 원형이다. 그러나 셀 모형은 기지국를 신설하거나 추가할 때 활용됨 겹치는 영역이 제일 적은 정육각형 셀을 가장 많이 사용함. 2001-04-18 이동통신 전파환경

육각형 셀 영역 r R 서비스 커버리지 면적은 2.598 R2 R*cos30 즉, 반경 어느 만큼를 커버하는냐에 따라 셀 종류가 나온다. 서비스 커버리지 면적은 2.598 R2 2001-04-18 이동통신 전파환경

셀의 종류 안테나 위치, 안테나 높이, 안테나 종류, 안테나 기울기, 송신 출력의 조정에 따라 다르다. 2001-04-18 이동통신 전파환경

셀의 종류(2) 적용지역 특 징 안테나 높이 서비스 영역 구 분 건물밀집 및 인빌딩서비스 지하 건물 지상 또는 지하 3m이내 건물밀집 및 인빌딩서비스 지하 건물 지상 또는 지하 3m이내 반경 50m이하 Pico Cell 통화밀집 가시거리전파 지역 다중특성채널 옥상위 6m이내 반경 1km이하 Micro Cell 교외지역, 회절, 산란등 준평할지역 비 가시거리 지상 20-60m 반경 35km이하 Macro Cell 넓은 지역 영상, 데이터 (위성통신) 음성서비스 지상 10m이상 반경100-500km Mega Cell 적용지역 특 징 안테나 높이 서비스 영역 구 분 안테나 위치, 안테나 높이, 안테나 종류, 안테나 기울기, 송신 출력의 조정에 따라 다르다. 2001-04-18 이동통신 전파환경

3개의 섹터 안테나(65o) 사용시 : 전방향 안테나의 2배 영역을 서비스 전방향성(무지향성) 셀과 지향성 셀 방사패턴 지향성 셀 방사 패턴 Omni 안테나 전방향성셀 섹터안테나 (65o) 방향성(지향성) 안테나는 8자 형태도 있고 무선LAN에서는 1개만 사용하여 서비스하는 것도 있다 계산공식은 생략-> 필요하면 다음에 발표 3개의 섹터 안테나(65o) 사용시 : 전방향 안테나의 2배 영역을 서비스 2001-04-18 이동통신 전파환경

전방향성과 지향성 셀의 비교 구 분 전방향성(Ommi) 지향성(3Sector) 셀구조 360도 무지향성 120도 지향성 구 분 전방향성(Ommi) 지향성(3Sector) 셀구조 360도 무지향성 120도 지향성 트래픽처리 1 3 채널 카드 커버리지 2 투자비용 소 대 도입적정성 커버리지가 넓지가 않고 트래픽이 없는 지역 도심지역(고트래픽) 주요 고속도로 (커버리지 확대) 2001-04-18 이동통신 전파환경

기지국과 중계기의 종류 자립식 철탑 강관주형철탑 (컨테이너형) 삼각트러스트 (실내형, Omni안테나) 강관주형철탑 (컨테이너형) 삼각트러스트 (실내형, Omni안테나) 광중계기 (전주에 설치된 모습) 광중계기 (건물옥상에설치) 초소형 중계기 2001-04-18 이동통신 전파환경

무지향성 안테나 종류 무지향성 안테나 Omni 안테나 Omni 안테나 VHF 안테나 (1~2km 통신반경) 2001-04-18 이동통신 전파환경

지향성 안테나 종류 지향성안테나 파라보라 안테나 셀룰라 안테나 옥외설치 (1~3.5Km통신반경) 파라보라 안테나 : 정지위성에서 날씨 정보 수신시 사용되기도 하고 도심지역에서 가입자 수용을 많이 하기 위하여 사용하기도 함 파라보라 안테나 셀룰라 안테나 2001-04-18 이동통신 전파환경

주파수 재사용 셀 주파수 재사용 : 동일한 시스템내에 있는 다수의 기지국에서 동시에 같은채널을 사용하는것 5 Cell 1 4 3 2 7 6 5 ? AMPS/TDMA N=7 재사용 패턴 CDMA N=1 재사용 패턴 1 2001-04-18 이동통신 전파환경

이동통신 서비스 방식 AMPS(Advanced Mobile Phone System) 주파수 대역폭 : 25MHz 채널 간격 : 30KHz 채널 수 : 25000/30 = 832개 Full-duplex channel : 832/2 = 416개 Control channel : 21개, voice channel : 395개 채널당 1명의 가입자만이 사용할 수 있어 주파수 부족을 초래함 2001-04-18 이동통신 전파환경

이동통신 서비스 방식(2) FDMA(Frequency Division Multiple Access) 주파수 대역폭 : 1.25MHz 채널 간격 : 30KHz 채널 수 : 1250/30 = 41개 북미에 가장 광범위하게 설치된 셀룰러 전화시스템인 아날로그 AMPS의 기본기술 D-AMPS (Digital-Advanced Mobile Phone Service) FDMA를 사용하지만, 시분할 다중접속(TDMA)를 가미함으로써 각 FDMA 채널당 3개의 채널을 가짐 2001-04-18 이동통신 전파환경

이동통신 서비스 방식(3) TDMA(Time Division Multiple Access) FDMA 방식의 한 채널을 6명이 공유(효율) Frequency Amplitude Time F1 F2 F’1 F’2 1 2 3 TDMA 2001-04-18 이동통신 전파환경

이동통신 서비스 방식(4) CDMA(Code Division Multiple Access) 1.25MHz 대역 전체를 하나의 채널로 지정하여 각 가입자의 통화내용(아날로그)을 디지털화 하면서 별도의 코드를 부여하여 채널속에 입력시킨후 수신지에서 코드를 구분해 동일코드망을 골라내 조합하여 수신자에게 연결시키는 방식 주파수 이용 효율이 다른 것에 비해 월등 통신 비밀 보호 양호(서로 다른 코드 사용) 통화권과 보급율이 증대 기지국의 수 적음 단말기 통화시간 연장(배터리) 배터리 : 아날로그 방식보다 2001-04-18 이동통신 전파환경

이동통신 서비스 방식(5) 배터리 : 아날로그 방식보다 2001-04-18 이동통신 전파환경

2. 전파의 전송 손실 자유공간 전송손실 자유공간이란 진공중 또는 대기중에서 유전율이 균일한 매질 내에서 전파의 진행을 방해하는 장애물이나 반사 회전물이 전혀없는 공간 데시벨이 어떤 작은 단위인 걸로 알고 있으나 큰 잘못 2001-04-18 이동통신 전파환경

자유공간 전송손실 등방성 안테나(Isotropic Antenna) 송신전력 수신전력 자유공간 손실 자유공간에서 송신안테나와 수신안테나의 거리가 파장에 비해 충분히 크다고 할때 안테나를 통해 전방향으로 전파를 흡수 또는 복사하는 안테나 송신전력 자유공간에서 등방성 안테나에 공급되는 전력 수신전력 자유공간에서 등방성 안테나에서 복사되는 전자파가 전파되는 전력 자유공간 손실 송신전력(Pt)에 대한 수신전력(Pr)의 비 데시벨이 어떤 작은 단위인 걸로 알고 있으나 큰 잘못 2001-04-18 이동통신 전파환경

자유공간 전송손실(2) 경로손실 – dB로 표시 전파의 세기 주파수가 높으면 손실이 증가 거리가 멀어질수록 손실 증가 거리가 2배 멀어지면 전자파의 세기는 1/4로 줄어듬 거리가 반으로 줄어들면 전자파의 세기는 4배로 커짐 데시벨이 어떤 작은 단위인 걸로 알고 있으나 큰 잘못 2001-04-18 이동통신 전파환경

자유공간 전송손실(3) 프레넬 영역(Fresnel Zone) 송신안테나와 수신안테나 사이의 송.수신 안테나 중간지점에 반경이 가장 크고, 양쪽이 좁고 가운데가 넓은 타원체의 모양의 영역 가시거리 영역 전송로에 장애물이 놓여있는 경우 그 영향을 분석하는데 사용 수신점 송신점 프레넬영역 2001-04-18 이동통신 전파환경

자유공간 전송손실(4) 프레넬 영역(Fresnel Zone) 송.수신점간의 거리가 같은 위치에서 주파수가 높아지면 프레넬 반경이 줄어들어 쉽게 가시거리 확보 주파수가 낮아지면 파장(λ)이 커지고, 프레넬반경이 커져 가시거리 확보에 어려움 주파수가 높아지면 직진성이 강해져 직접 전파경로에 끼여들지 않으면 손실 영향이 작아지고 주파수가 낮아지면 직진성이 떨어져 주변 전자파 산란체에 의한 손실 영향을 많이 받음 대용량을 먼 거리까지 송신하기 위하여는 높은 주파수 사용 – 먼거리까지 가시거리 확보 낮은 주파수 사용 – 출력(송신전력)을 높임 2001-04-18 이동통신 전파환경

평면대지 전송손실 마이크로 셀 환경 적용 Two-Ray모델 Rake 수신방법 마이크로 셀 환경의 대표적 모델 기지국과 이동국 사이에 직접 전달되는 전파와 지면에 반사된 전파가 합쳐지는 것을 모델링 한 것 송수신점이 가까운경우 수신강도는 Sine함수에 따라 변동 Breake Point지점까지는 거리 d2에 비례하여 감소, Breake Point ~ 1Km는 거리 d4에 비례하여 수신감도 감소 Rake 수신방법 다양한 경로의 수신 주파수를 비교하여 가장 양호한 신호를 선택하는 방법 CDMA방식의 중요한 특징중의 하나가 레이크 수신기능 가장 양호한 신호 : 가장 먼저 도달한 신호 2001-04-18 이동통신 전파환경

지형지물에 의한 회절 손실 UHF(300MHz~3000MHz) 대의 주파수 통신에서는 Knife-edge에 의한 회절손실을 중요시 함 Knife edge : 산악 또는 건물에 의한 차단 모양이 칼날같이 뾰쪽한 형태를 지칭하는 것 송.수신점간의 가시선과 장애점 높이가 일치할 때 약 6dB의 회절 손실 발생 장애점이 송.수신점간의 가시선보다 높으면 회절손실 증가 2001-04-18 이동통신 전파환경

실내에서의 전파손실 구조물에 따른 평균 손실 구 분 평균손실 표준편차 25 Cm 콘크리트 벽 25 dB 5 dB 금속 벽 구 분 평균손실 표준편차 25 Cm 콘크리트 벽 25 dB 5 dB 금속 벽 20 dB 4 dB 나무와 벽돌 Siding 12 dB 3 dB 알루미늄 Siding 8 dB 2 dB 유리 벽 1.5 dB 사무용 가구 1 dB 엘리베이터 내 15 dB 2001-04-18 이동통신 전파환경

3. 전파예측 모델 전파예측 모델 이론적 환경과 경험적 측정의 조합으로 생성 여러가지 불규칙적인 변수를 위한 보상계수 제공 전송손실을 감안한 서비스영역을 모델화 한 것 주위환경의 많은 변수를 고려하여 여러가지 실험을 통하여 값을 얻음 이를 수식화,도표화하여 지역 특성별로 보정값 생성 이론적 환경과 경험적 측정의 조합으로 생성 여러가지 불규칙적인 변수를 위한 보상계수 제공 전계강도 예측모델로 발표된 13개 모델 중 최상의 모델은 없다. Okumura-Hata 모델 Bertoni-Walifsh(COST-231)모델 2001-04-18 이동통신 전파환경

Okumura-Hata 모델 Okumura 모델 1968년 Okumura,Omori,Kawano,Fukuda등이 발표한 모델 전파 경로와 전계 강도의 관계를 정량적으로 정리하여 실용성이 높아 육상 이동통신 무선 방식의 설계 기준으로 사용 전파경로상의 지형을 분류하여 각각의 전계강도를 도면에 표시 개방지역 : 지형의 기복 높이가 약 20m 이하인 지형 교외지역 : 기복의 파동이 완만한 방해물이 없는 평탄한 지형 도심지역 : 빌딩이나 2층 이상의 건조물, 울창한 수목이 혼합된 밀집지역 도심지역의 전계 강도를 기준으로 하여 그 외 지형물에 대해서는 기준 중앙치로 부터의 보정치로 표현 Okumura 곡선은 송신 안테나의 높이, 사용 주파수를 파라미터로 하여 수신 안테나의 높이에 의한 보정을 별도로 행함 Okumura 곡선에서는 여러 가지 주파수대 안테나 높이 등에 대한 전파 손실이 곡선 형태로 표시되기 때문에 이를 컴퓨터에 적용하기 어려운 단점이 있다. 이 문제를 일본 NTT의 ‘Hata’가 ‘다이폴 안테나’ 사이의 전파 손실에 대한 실험식을 만들었다. 이 식이 ‘Okumura-Hata’식이다 2001-04-18 이동통신 전파환경

Okumura-Hata 모델(2) Okumura 및 Hata 모델의 적용 범위 구 분 Hata Okumura 주파수 구 분 Hata Okumura 주파수 100 ~ 1,500MHz 100 ~ 30,000MHz 구간거리 1 ~ 20 Km 1 ~ 100 Km 기지국 안테나 높이 30 ~ 200 m 3 ~ 1,000 m 이동국 안테나 높이 1 ~ 10 m Hata영역이 Okumura영역에 포함되었므로 이 영역에서는 쉬운 hata 공식을 사용 Okumura-Hata 식은 이동체 안테나의 높이가 증가함에 따라 전파 손실은 감소하지만, 대도시의 경우 전체 전파 손실에 비해 별로 크지 않다, 그러나 중소도시의 경우에는 편차가 있어 이를 해소하기위한 보정값의 수정등 지형에 맞게 보완하여야 함 2001-04-18 이동통신 전파환경

Bertoni-Walifsch 모델 중간 규모의 도시에서 기지국의 안테나가 주변 건물의 지붕높이보다 높을 경우 적용 Okumura,Hata모델의 경우 기지국서비스반경예측 곤란 (건물,지형등이 직접 고려되지 못하고 실험치의 평균이 적용) 도심지역의 개별빌딩과 다중전파 경로를 고려 Bertoni 와 Walifsch의 이론적인 모델에 기초 Bertoni-Walifsch 모델의 경로손실 자유공간 손실 Multi-Screen 분산 손실 Roof to Street 분산과 산란손실 중간 규모의 도시에서 기지국의 안테나가 주변 건물의 지붕높이보다 높을 경우 적용 2001-04-18 이동통신 전파환경

COST-231 모델 COST-231모델 구 분 적용 범위 주파수 800 MHz ~ 2,000 MHz 기지국 반경 COST-231 Working group 에 의하여 개발 주파수의 영향, 거리의 진행방향효과, 주변 건물지붕보다 낮은 기지국 안테나 특성을 고려하여 Bertoni-Walifsch 모델 보완 안테나가 주변 건물의 지붕보다 낮은 경우에도 적용 구 분 적용 범위 주파수 800 MHz ~ 2,000 MHz 기지국 반경 200 m ~ 5,000 m 기지국 안테나 높이 4 m ~ 6 m 단말기 안테나 높이 1 m ~ 3 m 2001-04-18 이동통신 전파환경

전파 예측 모델 Tool                                                                                                                                                            ▪ 한국통신프리텔은 우리나라의 대도시와 산악지형의 전파 환경 특성에 적합한 CDMA무선망 설계 및 품질분석시스템인 네트 스파이더를 순수 국내기술로 개발. ▪ 이 시스템은 전국 산악지역을 포함한 6개 광역시의 지형과 구조물의 전파환경특성을 완전 디지털 지도화하여 지역별, 지형특성별 전파분석, 무선망 설계, 기지국 최적화 등 종합적인 무선망 설계 운용업무의 효율성을 극대화 함. 2001-04-18 이동통신 전파환경

Net-SPIDER의 주요 기능 User-Friendly Standard GUI 충분히 시험되고 검증된 Prediction Model (Longley Rice, Okumura-Hata, Cost231, Walfisch-Ikegami) 사용자 정의 Prediction Model을 쉽게 구현 할 수 있다. Site, Antenna 등의 시설물 투명 관리. Radius, Signal Strength, Path-Loss 등의 다양한 기법으로 Batch 예측 가능. Vector와 Raster의 중첩 Display 및 Transparency Control이 가능하다. 실제 측정결과와 예측결과를 토대로 한 보정치 Fetch 및 이를 이용한 보다 개선된 CDMA 분석 알고리즘 제공. 높은 해상도의 DTM Data(Normal Display, Sun-Shaded Display)와 높이값 자동 Fetch, Terrain Profile 조작기능을 제공. 객체 지향의 GIS기술을 통해 거대한 GIS 공간 데이터 관리가 용이. CDMA Simulator와 Network 최적화 기능을 수행. FMD(Field Measurement Data)와 예측 데이터의 비교로 기존 모델링기법의 최적화 가능. Network 최적화를 위한 Diagonostic 측정데이타 분석기능을 제공. 기지국별 Traffic 용량을 분석하여 용량 최적화 구현기능. 연간 200억원의 수입절감 효과 2001-04-18 이동통신 전파환경

전파 예측 모델 Tool(2) ▪ (주) 인텔링스에서 개발                                                                                                                          국내 최초로 3차원으로 개발 ▪ (주) 인텔링스에서 개발 ▪ 전파 송신 기지국의 출력과 주파수, 안테나 고도 및 안테나 특성에 따른 전파전파 상황을 예측하는 시스템. ▪ LEE, HATA, OKUMURA, COST-231모델등 여러 가지 전파 예측모델이 사용되며 다양한 출력형식을 지원하여 사용 편의성을 높인 제품. 2001-04-18 이동통신 전파환경

무선망 엔지니어링 시스템                    국내 최초로 3차원으로 개발 2001-04-18 이동통신 전파환경

제2장 이동통신 전파환경 참고자료 (Reference) 김희철의 IMT-2000 (http://my.netian.com/~ktec) 주노의 CDMA (http://archi.snu.ac.kr/jhpark/manage/study/mobile.html) 컴내꺼의 이동통신 자료 (http://rsiwin.com.ne.kr) 권덕희의 통신강좌 (http://my.netian.com/~dhkwon/home2.htm) 문희의 공부방 (http://members.tripod.lycos.co.kr/munhee/study.htm) Net-spider (http://comis.kaist.ac.kr/~israin/study/freetel/netspider) ㈜인텔링스 (http://www.dbtel.co.kr) 2001-04-18 이동통신 전파환경