차세대 이동통신 실무기술 제9장 RF시스템 1. 기지국장치(BTS) 1-1 기저대역처리부 1-2. 무선처리부

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1 차세대 이동통신 실무기술 제9장 RF시스템 1. 기지국장치(BTS) 1-1 기저대역처리부 1-2. 무선처리부
1-3. 시험장치부 2. 전력증폭기(HPA) 2-1. HPA의 개요 2-2. HPA의 증폭방식 3. 저잡음 증폭기 3-1. LNA 3-2 TMLNA 4. 채널 전력 4-1. 코드 채널전력 4-2. 파이롯 채널전력 4-3. 페이징 채널전력 4-4. 동기채널전력 4-5. 트래픽 채널전력 5. 스퓨리어스 방사 5-1. 스퓨리어스 방사 규격 시스템에 미치는 영향 6. GPS 6-1. GPS란? 6-2. GPS시스템 구성 과 목 명 : 이동통신실무기술 담당교수 : 조기환 교수님 학 번 : 발 표 자 : 태 규 열

2 기본용어 정리 (1) ■ 고주파(High-Frequency)
■ 주파수(Frequency) - 주기적으로 변동하는 현상에서 같은 상태가 1초(s) 동안 몇 번 돌아오는가를 나타내는 수. - 전기에너지의 파동이 1초동안에 발생하는 진동수 - 진동수와 같은 뜻이며, 주기 T의 역수 1/T로 표시된다. 전파 ·음파등 주기현상이 일정한 속도로 전달되는 파동에서는 매질(媒質) 내의 어떤 점을 1 s 동안에 통과하는 파수(波數)가 이것에 해당되는데, 파동의 전파속도(傳播速度)를 v, 파장을λ, 주파수를 c라 하면 v=λ·c, c=v/λ 의 관계가 성립된다. 일반적으로 저주파(低周波)는 수천 Hz 이하의 전파, 고주파는 수십 kHz 이상의 전파를 가리킨다 ■ 고주파(High-Frequency) - 높은 주파수를 가진 전자파(電磁波) - 저주파에 대응하는 말이다. 고주파라는 말은 여러 가지 뜻으로 쓰이고 있어 명확한 구분이 없다. 전력공학 분야에서는 상용주파수인 50∼60Hz를 저주파, 그 이상을 고주 파라고 하며, 보통의 전기계기에서도 같음 - 통신공학에서는 가청(可聽) 주파수대인 20∼2만 Hz 이상을 가리키는 경우가 많으나, 신호파에 대하여 반송파(搬送波)를 가리킬 때도 있음 슈퍼헤테로다인 방식의 수신기에서는 희망수신주파수가 일반적으로 중간주파보다 높 으므로, 이것을 고주파라 함. 즉, 중파수신기에서는 500∼1,600kHz가 고주파이고 FM 수신기·텔레비전 수상기에서는 각각 80MHz 부근의 90∼220MHz대(帶)가 고주파임.

3 기본용어 정리(2) ■ 무선주파수(RF:Radio Frequency) - 무선통신용으로 사용되는 모든 주파수 - 송수신에 관련해 이동단말기와 기지국간에 통화를 접속해 주는 신호와 기타 필요한 정보의 교신을 위해 사용 800~900Mhz Ghz ~40 Ghz ■ 채널(Channel) - 우리가 사용하는 주파수 대역은 채 널에 의해 구분되는데 이것은 사용 상 혼선을 에방하기위해 사용할 수 있는 주파수를 규정한 것을 의미함 예로써 디지털 휴대폰을 운용하기 위해 정부로 부터 10Mhz의 주파수 대역을 할당 받아 서비스를 운용하는 사업 자라 면 원칙적으로 주파수 대역을 전부 사용하여 서 비스 할 수 있으나, 혼선을 피하기 위해 일정한 거리를 둔 특정 주파수만을 사용하게 되는데 이 것을 채널이라고 함. (가시적) (비가시적)

4 기본용어 정리(3) ■ 대역폭(Bandwithl) - Bandwidth(대역폭)은 데이터 통신에서 어떤 주어진 영역 안의 네트워크에서 이용 할 수 있는 주파수의 최대치와 최소치의 범위를 의미. - 예를 들어 TV 방송에서 최소 300Hz에서 부터 최대 3300Hz에 이르는 주파수의 신호를 전달할 수 있는데, 이러한 경우에 TV 통신의 대역폭은 3000Hz가 된다. - 대역폭 크기의 단위는 헤르츠(Hz)로 나타내고 일반적으로 대역폭이 넓을수록 더 많은 정보를 전송할 수 있다. 특히 그랙픽 카드와 모니터에서 이 수치가 높을수록 대역폭은 선명한 영상을 처리한다. 예를 들면 인간 음성의 대역폭은 3.4kHz이고 들을 수 있는 음향의 대역폭은 20kHz이다 ■ 중간주파수 ( 中間周波數, intermediate frequency ) - 슈퍼헤테로다인 방식에서 입력전파의 주파수와 국부발진주파수의 차이인 주파수, 즉 수신장치 내의 국부발진기 출력과 수신주파수를 혼합함으로써 얻을 수 있는 주파수를 말한다. 전파의 수신장치에 있어 수신주파수에서 직접 복조(復調)하지 않고, 국부발진기에 의해 일단 매우 낮은 주파수로 변환한 후 복조하는 방법, 즉 슈퍼헤테로다인 방식이 자주 사용되는데, 이 2차적인 주파수가 중간주파수이다. - 중간주파수를 사용함으로써 혼신(混信)을 방지 또는 경감할 수 있다는 것, 증폭 회로 등이 간단해지는 것 등의 이점이 있다. ■ 반송파(Carrier Wave) - 데이터 통신에서 음성신호나 저주파의 데이터 신호를 실어보내기 위해 사용되는 일정 주파수의 고주파 신호 파형.

5 기본용어 정리(4) ■ 고조파(高調波:Harmonic) - 기본파(월래의 파형과 같은 주기의 정현파)이외의 주기 파형에 포함되는 주파수 성분. 기본파의 n배의 주파수를 갖는 성분을 제n고조파라고 함. ■ 기본파(基本波:Fundamental Wave) - 3각파,구형파등 모든 비사인파는 주파수가 다른 많은 사인파가 합성된 것이며, 이들 사인파중 가장 낮은 주파수의 사인파를 기본파라고하며, 다른 주파수 성분은 모든 기본파의 주파수의 정수배의 주파수를 가지고 있는데 이것을 고조파라고 함. ■ 기지국(BTS:Base Transmit Station) - Cell Site라고도 하며 육상이동국과의 통신 또는 이동 중계에 의한 통신을 하기 위하여 육상에 개설하고 이동하지 아니하는 무선국. - 각 기지국의 무선 신호는 특정 지역만을 커버함. 서비스지역 내에는 수백개의 기지국이 존재할 수 있음 전원 장비, Interface 장비, 송수신기와 안테나로 구성 ■ 이동전화교환국(MTSO:Mobile Telephone Switching Office) - 각 기지국에서 발생되는 착발신되는 호를 처리하고 모든 기지국이 효율적으로      운용될 수 있도록 하는 중앙통제기능과 함께 공중전화망의 교환기와도 연결할      수 있는 기능을 가지고 있음. - 이동전화 교환국은  제어부, 통화로부, 및   주변기기로 구성되어 있으며 통화가 완료된 호에 대한 과금자료수집 기능도 갖고 있음.

6 1. 기지국장치(BTS) ■ 기지국 장치(Base Transmit Station) 이동통신 교환기(PCX), 기지국 제어장치(BSC)와 중계회선이 연 결되어 무선통신 서비스 제공 BSC로 부터 전달된 디지털 신호를 RF로 변환하여 가입자를 호출 하는 역할을 수행(망종단장치) ■ 이동통신교환기 구성도 IWF HLR - 기저대역처리부 -무선처리부 -시험장치부로 구성 E1S E1S msc PCX MTSO BSC PCX BSM (Base Station Controller) MS (PCs eXchange) BTS (Base Station Manager)

7 ■ 기지국 장치(Base Transmit Station) 구성도
기지국간의 동기 일치. Hand off수행 안테나 Rx Tx GPS안테나 기저대역 처리부 무선처리부 Time and Control GPS unit Traffic Channel Timing RF신호 IF신호 T1/E1 Line Interface unit CDMA Mod/ Demod unit Transciver unit RF unit α BSC β γ CLK/Sync Control Time and Control 시험장치부 BTU RF 기지국간의 출력 및 송수신장치 성능 시험. 교환국에서 원격측정가능 BTU: Base Transmit Test Unit IF:Itermediate Frequency 註) 기저대역(Baseband): 보통 한 매체에 다른 신호들과 동시에 신호를 전송하는 멀티플렉싱을 위하여 신호를 더 높고 효율적인 주파수 대역으로 변조시키기 이전의 원래 주파수 대역을 말한다.

8 1-1. 기저대역처리부 -교환기의 BSC로부터 Trunk Line(E1)으로 연결
-Interface unit과 CDMA Mod/Demod unit로 구성 ① Interface unit - BTS와 BSC간의 중계선 정합장치로서 T1/E1방식에 의해 디지털 정합 - BSC로 부터 들어오는 신호의 변환(64Kbps →16Kbps) 및 채널분배 기능 수행 - GPS로부터 클럭과 동기를 수신하여서 전송로 동기를 맞춤. ② CDMA Mod/Demod unit - 각 채널의 변복조 수행 - 각 채널내의 Sync,Paging,Access,Forward Reverse트래픽을 처리 - 신호및 제어방식은 LAPD프로토콜 사용 - BTU로부터 정보를 수신 받아서 Piolt,Sync,Paging,Traffic채널의 출력 조정을 수행 - 4.95Mhz IF(Intermediate Freguency)를 QPSK변조를 한후 출력 註) LAPD(Link Access Procedure on the D-channel)프로토콜:D체널상의 링크접근절차 - CCITT권고 X.25등의 패킷통신용 프로토콜의 레벨2로서 규정된 링크접근절차평형형(LAPB)에 대하 여, 계층 2다중,논리 주소의 자동 부여 기능,방송모드에 의한 1대 n의 정보 전송기능등을 부가한 종합 통신망(ISDN)사용자·망 인터페이스의 D채널상에서 적용되는 계층 2프로토콜.

9 IF신호→ RF신호 RF신호 → IF신호 변환
1-2. 무선처리부 -1 Transceiver Unit Disribution 1 sector기준 TX IF from Mod/Demod unit HPA LNA GPS Unit ∇ Rx RF Tx RF RF Unit ■ 무선처리부 구성도 GPS Clock IF신호→ RF신호 RF신호 → IF신호 변환 RF신호 를 분배 및 결합 이동통신 기지국의 핵심 부품

10 1-2. 무선처리부 - 2 ① Transceiver unit ② Distribution unit
- Forward Link Transmit를 위하여 IF신호(4.95Mhz)를 RF(1.84~1.85Ghz)로 변환시킴 - 역방향링크(Reverse Link Receiver)를 위하여 RF신호를 IF신호로 변환 - RF수신 입력신호의 세기(RSSI)를 측정 및 자체 유니트 상태감시 기능 - Transceiver unit 성능이 불량한 경우 RF출력단에 많은 영향을 줌. ② Distribution unit - RF신호를 분배 및 결합하는 기능 수행 - LNA에서 수신된 신호는 증폭되어 분배유니트에서 Transceiver unit로 연결 - 송수신 Level를 시험할 수 있는 단자 제공 ③RF unit - 분배유니트로부터 들어온 RF신호는 일정한 이득으로 RF신호를 증폭하여 대역외 의 불요파 방사 를 억업하기 위한 송신대역 통과여파기(Transmit Band Pass Filter)를 통과하여 안테나로 출력을 보내는 역할. - Tx안테나와 Rx안테나를 공유할 수 있도록 Duplexer를 사용할 수 있음. - 송신기 종단 출력을 측정하기 위하여 방향성결합기(Directional Coupuler)를 사용하여 기지국 시 험장치를 이용한 원격으로 출력전력 및 전압정재파비(VSWR)의 측정이 가능 ④ GPS unit - 24개의 이동 위성으로 부터 1Pulse Per Second(PPS)신호와 10Mhz Reference Clock을 수신하여 기 지국의 실시간 클럭 및 시간제공을 위하여 가공처리한후 각 유니트로 신호들을 생성하여 분배 - 송신기는 GPS로부터 최대 7개의 GPS수신이 가능하며 최소 3개이상을 수신하여 위치를 확인하는 데 사용 - 삼각법등을 이용하여 이동단말기의 위치를 알아냄.

11 1-3. 시험장치부 -교환실에서 원격으로 BTS의 상태를 감시할 수 있음(Alram발생,저출력,전원 off
유니트특성 불량 등) CDMA Mod/Demod Unit와 RF Unit의 출력을 감시하여 원격조정이 가능 RF출력 단자에서 안테나 까지의 급전선을 점검할 수 있으며 VSWR을 측정 하여 전파발사의 정상 유무 감시가 가능 BSM을 통하여 RF파라미터의 출력조정 및 각종 Window size파라미터를 조정 - 기지국의 S/W변경시 원격으로 Down loading 및 Update가능

12 2. 전력 증폭기(HPA) 2.1 HPA의 개요 HPA(High Power Amplifier)는 저전력의 RF신호를 고전력으로 증폭하는 회로로 기지국의 최종 출력단에 사용 이동국의 경우 소비되는 전력의 대부분이 전력증폭기에서 소비되기 때문 에 효율이 특히 좋아야 함. ■ HPA의 성능 등급 트랜지스터의 바이어스 전압에 따라 선형성 및 전력효율(RF출력/공급전력)이 결정 A급 : 선형성은 우수, 전력효율은 좋지 않음(실리콘계열 트랜지스터 설정) - AB급 : 중간정도의 선형성 및 전력효율(GaAs FET) - C급 : 선형성은 나쁘나 전력효율이 우수한 특성을 나타냄(GaAs FET) (이동국에서 사용하고 선형성의 문제를 해결하기 위하여 진폭이 아닌 위상 에 실리는 QPSK 변조 사용) 註)전계효과트랜지스터((field effect transistor : FET): 트랜지스터의 일종으로 Source,Drain,Gate세개의 전극을 갖는 반도체 소자. 일반적으로 바이폴러트랜지스터가 베이스-이미터간에 흐르는 전류로 이미터-컬렉터간의 전류를 제어하지만 FET는 게이트-소스간에 가해진 전압으로 발생하는 전기장에 의해 소스-드레인간의 전류를 제어한다. Mos형,접합형,쇼트키형등이 있다.

13 Feed Forward방식 ■ 입력주파수를 Main AMP에서 증폭하여 최종적으로 Linear한 주파수를 얻음 ■ 모든 주변 환경에 능동적으로 대처 가능한 루프의 특성에 의해 선형성이 보장 되기 때문에 매우 안정적인 주파수 증폭을 할수 있음 ■ 운용적 측면에서 고려할 사항 회로가 복잡하고 고가이기 때문에 LPA 선정시 경제성 고려 증폭기의 출력이 저출력일 경우 경제성에서 불리하고 고출력일 경우 시스템 에 미치는 영향이 매우 큼 Feed Forward 방식과 전치보상방식 모두 동작가능토록 함 ■ Feed Forward LPA의 구성도 LPA Main AMP Error AMP AMP출력주파수 입력주파수 최종 출력주파수 주파수 지연 Delay Coupler 註) LPA(Linear Power Amplifier:선형전력증폭기)- 이동통신기지국 및 중계기에서 무선신호 송신시 신호의 왜곡현상을 선형적으로 최소화시켜 증폭시키는 장치

14 2-3. HPA의 구성 ■ 트랜시버 Unit에서 HPA로 RF신호를 송신하면 HPA에서 고출력으로 증폭하여 안테나를 통해 방사
■ 선형성이 요구되는 HPA일경우 출력전력의 특성이 선형구간에서만 동작하도록하기 위하여 HPA의 최대출력보다 훨씬 낮은 출력에서 시스템을 설계 ■ RF 인터페이스 송수신안테나 HPA LNA Transceiver Unit Rx Tx 공동제어 공통제어 Unit RF Unit 듀플렉서

15 2-4. Multi LPA/HPA ① Multi LPA구성
가입자 증가에 따른 CDMA방식의 주파수 사용은 FA단위로 증설 가능 ① Multi LPA구성 ■ 장점: - LPA간 soft redundancy의 부하 분담 방식으로 출력 조정 가능 - 신뢰성 증대와 주파수의 임의 배열 및 변경이 가능 - 높은 선형성의 특성에 의해 LPA 효율의 극대화 ■ 단점: - LPA의 집중배열에 의한 시스템 구조의 비효율성 고가에 의한 경제성이 떨어짐 ■ LPA 병렬접속 LPA Self LPA 1FA 트랜시버 2FA 트랜시버 LPA Tx BPF LPA 3FA 트랜시버 안테나 LPA 4FA 트랜시버 특정한 LPA이상 발생시 나머지 LPA가 출력을 분담하여 동작함 (Soft Redundancy)

16 HPA의 증폭방식 CDMA방식에서의 주파수 대역폭이 1.2MHz로서 FDMA나 TDMA방식 보다 넓음으로 HPA의 특성은 매우 우수한 선형성이 요구됨. 전치보상(Pre-Distortion)방식 ■ HPA에서 사용되는 트랜지스터의 비선형 특성이 각각 다르므로 모든 HPA에 대한 조정이 필요하므로 생산성이 매우 낮음 ■ 온도 및 주변의 변화, 주파수 등 비선형성이 수시로 변화 할 수 있으므 로 양산과정 및 유지보수의 어려움 ■ 변화요소를 최소화하기 위해 HPA의 입력단에 가변변수를 사전에 예 측하여 입력함으로써 HPA의 최종 출력을 일정하게 유지시켜주는 방식 ■ Pre-Distortion회로에 의한 HPA 비선형성 보상법 HPA Pre-Distortion Linearizer Input Output ⓐ전치보상 입력 ⓑ전치 보상기 출력 ⓒHPA 출력

17 ■ 주파수 배치는 1FA, 3FA, 5FA단위로 한칸씩 띄워서 배치하는 구조로서 제한성을 가지고 있음
② Multi HPA구성 ■ 주파수 배치는 1FA, 3FA, 5FA단위로 한칸씩 띄워서 배치하는 구조로서 제한성을 가지고 있음 ■ 구조적으로 생산원가의 저가로 경제성 및FA별 HPA배치에 따른 시스템 구조의 효율성 ■ HPA에서 한 개의 FA는 다른 FA로 부터 Reverse Power가 역류되지 않도록 하여 주는 다수의 필터로 구성된 Power Combiner가 필요 ■ HPA 병렬접속 및 출력 Combining (BPF:Band Pass Filter) 여파기(Filter)통신에서, 필터는 다른 신호들의 흐름을 중지시킨 상태에서, 신호를 선택적으로 정렬시키고 원하는 신호대역으로 통과 시키는 장치. 이러한 종류의 필터는 잡음을 제거하거나, 신호들을 원하는 대역폭의 채널로 갈라내는데 사용됨. Third Order Intermodulation term 1FA 3FA 5FA HPA BPF

18 3. 저잡음 증폭기(LNA) 3-1. LNA(Low Noise Amplifier)
신호의 잡음 성분을 억제한 상태에서 본래 신호만을 증폭시켜 수신 수신신호의 감도를 향상시켜주는 증폭기 ■ 자잡음 증폭기의 구성도 Rx Rx/Tx Co-axial cables Co-axial cables ▼ Driver Module (1per sector) LNA ▼ LNA Rx/Tx Duplex HPA Surge Protection Power/Control

19 3-2. TMLNA (Top Mountain Low noise Amplifier)
■ 안테나 케이블 손실에 의한 기지국의 역방향 셀반경 및 용량감소를 초래하는 잡음지수의 증가를 방지하는 장비 ■ 가입자 통화 서비스를 향상시킬 수 있는 저잡음 증폭기의 일종 ■ 설치대상 지역 - 건물사이 및 건물내에서 단말기의 신호를 기지국이 받지 못하는 경우 - 기지국에서 다른 기지국으로 Handoff시 호 단락현상이 발생하는 경우 - 기지국의 Coverage가 설계범위 보다 좁은 경우 - BTS와 ANT사이의 Cable loss에 의한 수신 감도 손실이 발생하는 경우 ■ 효과 - 단말기의 송신 Power절감 효과로 단말기 밧데리 사용 시간 연장 - 100dBm이하의 작은 수신 레벨에서는 기지국의 수신감도의 증가 ■ TMLA 설치 구성품 TMLNA(Top mountain Low Noise Amplifier) PDU : Power Distribute Unit Bias Tee : 전원/신호합성기 ■ TMLA 설치시 통신신뢰도 상승

20 ■ TMLNA 설치 구성도 Diectional Coupler Duplex Arester ∇ 송신기 수신기
안테나를 통해서 유입될수 있는 불요전자파(낙뢰)로부터 통신기기 보호 초소형 피뢰기 ■ TMLNA 설치 구성도 Diectional Coupler 안테나 Duplex Arester ∇ 송신기 수신기 하나의 안테나로 송신 및 수신신호를 결합하거나 분배하는 기능(대역통과필터내장) ⓐ TMLNA 미설치시 Diectional Coupler 송신기 수신기 Duplex BiasTee TMLNA ∇ 안테나 PDU 기지국감도를 증가시킴으로서 단말기 통화품질을 안정화시키고 기지국시스템의 성능 향상 시킴 DC전원 ⓑ TMLNA 설치시

21 ① TMLNA의 구성 ■ TMLNA 구성도(Tx/Rx 겸용) ∇ Rx Fillter 증폭기 Bypass Switch
안테나 Rx Fillter 2개의 GaAs FET로구성 Tx Fillter 증폭기 Bypass Switch Rx Fillter Tx신호 ⊃ Bias Tee BTS Port & DC Feed

22 TMLNA PDU ② 전압분배기(PDU-Power Distribution unit) ∇ ■ TMLNA PDU구성도
■ 6개의 전원/신호합성기(Bias Tee)를 통해 전원을 공급하기 위한 전원을 분배 ■ TMLNA 에서 발생된 오동작 검출 및 경고 기능 수행 ∇ TMLNA 동축케이블 Bias Tee O/P1 O/P2 O/P3 O/P4 O/P5 O/P6 PDU Tx/Rx1 ○ Rx2 Tx/Rx1 ○ Rx2 ○ BTS Cabinet 24V DCin ■ TMLNA PDU구성도

23 ■ 전원/신호합성기(Bias Tee)구조
■ TMLNA를 동작하기 위해서 동축급전선을 통하여 DC전원을 공급하는 장치 ■ BTS측으로는 DC Blocking Capercity를 통하여 전원을 차단하고 TMLA측으로만 전원을 공급 ■ 전원/신호합성기(Bias Tee)구조 Air wound choke BTS Port DC Blocking Capacity Ant Air wound choke GDT Transorb DC Feed 註) GDT:Gas Discharge Tube : 순간적인 높은 전압을 Ground쪽 방전한다.(Arester기능) Transorb:제너다이오드를 사용하여 입력전압 DC12V가 넘을 경우 동작하고 과전압 을 방지한다 Air Wound Choke:순간적으로 전압 입력시 충방전 Choke역할을 한다.

24 The End 감사합니다. 參考文獻 컴퓨터용어표준연구회.1999. 컴퓨터용어대사전. 서울:(주)영진출판사
한국통신기술협회.1993.정보통신용어사전. 서울:한국통신기술협회 The End 감사합니다.