Chapter 14. Cellular Wireless Networks

개요

Cellular network는 넓은 지역을 하나의 강한 송신기로 덮는 대신, 지역을 여러 cell로 나누고 각 cell을 낮은 전력의 **base station (BS)**이 담당하게 하는 무선 network 구조다. 핵심 효과는 같은 spectrum을 지리적으로 떨어진 cell에서 다시 쓰는 frequency reuse다. 이 덕분에 한정된 주파수 대역으로 훨씬 많은 mobile user를 동시에 지원할 수 있다.

이 장은 cellular wireless network를 세대별로 본다. 먼저 모든 cellular system에 공통인 cell geometry, frequency reuse, capacity increase, handoff, fading/multipath를 다룬다. 이후 first-generation analog system의 대표인 AMPS, second-generation digital system의 대표 기술인 CDMA / IS-95, 그리고 third-generation 3G / IMT-2000 / W-CDMA로 이어진다.

핵심 개념

Cellular의 본질: high-power single cell에서 low-power many cells로

Cellular radio는 mobile radio telephone service의 capacity를 늘리기 위해 등장했다. Cellular 이전의 mobile radio telephone service는 하나의 high-power transmitter/receiver가 넓은 반경을 커버하는 방식이었다. 원문 예시는 effective radius 약 80 km, channel 약 25개 수준이다. Coverage는 넓지만, 같은 frequency를 가까운 곳에서 다시 쓰기 어렵기 때문에 capacity가 작다.

Cellular approach는 반대로 100 W 이하 수준의 multiple low-power transmitter를 사용한다. 각 transmitter의 range가 작으므로 전체 지역을 여러 cell로 나누고, 각 cell에 antenna와 base station을 둔다. Adjacent cells는 interference/crosstalk를 피하기 위해 서로 다른 frequency를 쓰지만, 충분히 떨어진 cell은 같은 frequency band를 다시 쓴다.

세부 정리

14.1 Principles of Cellular Networks

Cellular Network Organization

각 cell은 하나의 **base station (BS)**이 담당한다. BS는 transmitter, receiver, control unit으로 구성되며, cell 안의 mobile unit과 radio link를 만든다. Cellular design의 첫 문제는 coverage area를 어떤 cell shape로 나눌 것인가다.

Figure 14.1 · PDF p. 434 · square pattern과 hexagonal pattern의 cell geometry 비교

Square cell matrix는 정의하기 쉽지만 handoff 판단에는 불리하다. Square width가 $d$이면 인접 cell center까지 거리가 $d$인 neighbor 4개와 $\sqrt{2}d$인 neighbor 4개가 생긴다. Mobile user가 cell boundary로 이동할 때 adjacent antenna까지 거리가 균등하지 않아 어느 antenna로 넘길지 판단이 복잡해진다.

Hexagonal pattern은 adjacent cell center가 균등한 거리에 놓이도록 해 handoff decision을 단순화한다. Hexagon의 radius $R$은 중심에서 꼭짓점까지의 거리이며 side length와 같다. Cell radius가 $R$일 때 adjacent cell center 사이 거리는 다음과 같다.

실제 cellular layout은 완벽한 hexagon이 아니다. Topography, local signal propagation, antenna site 확보 같은 현실 조건 때문에 cell boundary는 이상적 도형에서 벗어난다. 그래도 hexagonal model은 frequency reuse와 capacity 계산을 설명하는 표준적인 추상화다.

Frequency Reuse

무선 신호는 wire처럼 경계에 갇히지 않기 때문에, 같은 frequency를 너무 가까이 쓰면 서로 간섭한다. Frequency reuse는 각 cell의 transmit power를 조절하여 cell 안에서는 특정 frequency로 통신하되, 그 frequency의 leakage가 adjacent cell에서 큰 interference를 만들지 않게 하고, 충분히 떨어진 cell에서 같은 frequency를 다시 쓰는 방법이다.

Figure 14.2 · PDF p. 435 · reuse factor N=4, N=7, N=19 frequency reuse pattern

Reuse pattern이 $N$개 cell로 구성되고 전체 system에 $K$개 frequency가 할당되어 있다면, 각 cell은 평균적으로 다음 개수의 frequency를 가진다.

$N$은 reuse factor다. $N$이 작으면 cell당 frequency 수가 많아져 capacity는 커지지만 cochannel interference가 강해질 수 있다. $N$이 크면 같은 frequency를 쓰는 cell 사이 거리가 멀어져 interference는 줄지만 cell당 frequency 수가 줄어든다.

Hexagonal pattern에서 자주 쓰는 parameter는 다음과 같다.

Hexagonal cell pattern에서 가능한 $N$ 값은 다음 형태로 나온다.

따라서 가능한 값은 $1,3,4,7,9,12,13,16,19,21,\ldots$이다. Cochannel distance와 cell radius의 관계는 다음과 같다.

또는 adjacent center distance $d$를 쓰면 다음처럼 표현할 수 있다.

원문 AMPS 예시에서 $K=395$, $N=7$이면 cell당 평균 frequency 수는 $395/7$, 즉 약 57개다. 이 숫자는 reuse factor가 capacity와 interference의 균형점임을 보여준다.

Increasing Capacity

System이 성장하면 특정 cell에 할당된 frequency만으로 call traffic을 감당하지 못할 수 있다. Capacity를 늘리는 대표 방법은 다음과 같다.

Figure 14.3 · PDF p. 437 · 큰 cell을 더 작은 cell로 나누는 cell splitting

Cell splitting의 capacity 효과는 면적 계산으로 볼 수 있다. Cell radius를 factor $F$만큼 줄이면 coverage area는 $F^2$만큼 줄어들고, 같은 지역을 덮기 위해 필요한 base station 수는 $F^2$만큼 증가한다. 예를 들어 radius를 절반으로 줄이면 같은 area에 필요한 cell 수가 4배가 되고, frequency reuse를 유지한다면 concurrent call capacity도 대략 4배로 늘 수 있다.

Macrocell과 microcell의 차이는 다음처럼 요약된다.

작은 cell은 낮은 transmit power와 더 좋은 propagation condition을 제공하지만, mobile unit이 더 자주 cell boundary를 지나므로 handoff가 훨씬 빈번해진다.

Frequency Reuse 예시

원문 예시는 같은 geographic area를 더 작은 cell로 나눌 때 capacity가 어떻게 늘어나는지 보여준다. Hexagon radius가 $R$일 때 면적은 다음과 같다.

32개 cell, radius $1.6\ \text{km}$, total traffic channel $336$, reuse factor $N=7$이면 cell당 channel은 $336/7=48$개이고, 전체 concurrent call capacity는 다음과 같다.

같은 area를 radius $0.8\ \text{km}$인 128개 cell로 나누면 cell당 channel 수는 여전히 48개지만 전체 capacity는 다음처럼 증가한다.

즉 같은 spectrum과 같은 reuse factor를 쓰더라도 cell size를 줄이면 같은 지역 안의 cell 수가 늘고, 그만큼 total concurrent calls가 증가한다. 이것이 cellular design의 가장 중요한 capacity scaling 원리다.

Operation of Cellular Systems

Cellular system의 주요 구성요소는 base station (BS), mobile telecommunications switching office (MTSO), 그리고 public telecommunications switching network다.

Figure 14.5 · PDF p. 439 · BS, MTSO, public network로 이루어진 cellular system 개요

각 cell 중앙 근처에는 BS가 있고, BS는 antenna, controller, 여러 transceiver를 포함한다. Controller는 mobile unit과 network 나머지 부분 사이의 call process를 처리한다. 여러 mobile unit은 한 cell 안에서 움직이며 BS와 통신한다. 여러 BS는 하나의 MTSO에 연결되고, MTSO는 mobile unit 사이의 call, mobile subscriber와 fixed subscriber 사이의 call을 연결한다. 또한 MTSO는 voice channel assignment, handoff, billing information monitoring을 수행한다.

Mobile unit과 BS 사이에는 두 종류의 channel이 있다.

Figure 14.6 · PDF p. 440 · mobile cellular call setup, paging, ongoing call, handoff 흐름

Figure 14.6의 통화 흐름은 다음과 같다.

Cellular system은 이 밖에도 call blocking, call termination, call drop, fixed/remote mobile subscriber와의 연결을 처리한다. Call blocking은 nearest BS의 traffic channel이 모두 바쁠 때 일정 횟수 재시도 후 busy tone을 주는 경우다. Call drop은 interference나 weak signal 때문에 minimum required signal strength를 유지하지 못할 때 traffic channel을 끊고 MTSO에 알리는 경우다.

Mobile Radio Propagation Effects

Mobile radio communication은 wired communication이나 fixed wireless communication보다 propagation이 훨씬 불안정하다. 주요 concern은 signal strength와 fading이다.

Signal strength는 receiver에서 quality를 유지할 만큼 강해야 하지만, 같은 frequency band를 쓰는 다른 cell에 cochannel interference를 만들 만큼 강해서는 안 된다. Human-made noise, 자동차 ignition noise, 다른 signal source, BS와 mobile unit 사이 거리, mobile movement가 모두 signal level을 바꾼다. 따라서 cellular layout 설계자는 BS/mobile transmit power, mobile antenna height, BS antenna height, local propagation model을 함께 고려해야 한다.

원문은 cell size 추정을 위한 대표 empirical model로 Okumura/Hata model을 소개한다. Urban environment에서 path loss는 carrier frequency $f_c$, transmitting antenna height $h_t$, receiving antenna height $h_r$, distance $d$, mobile antenna correction factor $A(h_r)$의 함수다. 암기할 식이라기보다는, cellular planning이 단순 geometry가 아니라 empirical propagation model에 의존한다는 점이 중요하다.

Fading과 Multipath Propagation

Fading은 transmission medium이나 path 변화 때문에 received signal power가 시간에 따라 변하는 현상이다. Fixed environment에서는 rainfall 같은 atmospheric condition이 fading을 만들 수 있지만, mobile environment에서는 antenna 중 하나가 움직이므로 obstacle과 path 관계가 계속 변하고 훨씬 복잡한 fading이 생긴다.

Figure 14.7 · PDF p. 443 · reflection, scattering, diffraction propagation mechanism

Multipath propagation의 세 mechanism은 다음과 같다.

LOS가 명확하면 diffraction/scattering은 보통 작고 reflection이 중요할 수 있다. Urban street level처럼 clear LOS가 없으면 diffraction과 scattering이 signal reception의 주요 수단이 된다.

Multipath가 만드는 ISI

Multipath의 첫 번째 문제는 여러 signal copy가 서로 다른 phase로 도착해 destructive addition을 만들 수 있다는 점이다. 그러면 signal-to-noise ratio가 낮아져 receiver detection이 어려워진다.

두 번째 문제는 digital transmission에서 특히 중요한 **intersymbol interference (ISI)**다.

Figure 14.8 · PDF p. 444 · time-variant multipath에서 delayed pulse가 다음 symbol을 방해하는 모습

Figure 14.8은 narrow pulse가 한 번 전송되었을 때 receiver가 LOS pulse 외에도 reflection/diffraction/scattering으로 생긴 secondary pulse를 받는 상황을 보여준다. 이 pulse가 bit information을 담고 있다면, 지연된 copy가 다음 bit의 primary pulse와 겹쳐 noise처럼 작용한다. Mobile antenna가 움직이면 obstacle 위치 관계가 바뀌므로 secondary pulse의 개수, magnitude, timing도 계속 변한다. 그래서 multipath를 제거하는 signal processing은 고정 filter 하나로 해결되지 않는다.

Types of Fading

Fading은 변화 속도와 frequency 영향 범위로 나눌 수 있다.

Error Compensation Mechanisms

Multipath fading으로 생기는 error/distortion을 줄이는 방법은 세 범주로 정리된다.

Diversity에는 여러 nearby antenna를 쓰는 space diversity, directional antenna를 여러 방향으로 두는 방식, 그리고 frequency diversity나 time diversity가 있다. Frequency diversity의 대표 예가 spread spectrum이며, 이는 Chapter 9와 연결된다.

14.2 First-Generation Analog

First-generation cellular network는 traffic channel이 analog인 cellular telephone network다. 대표 예시는 **Advanced Mobile Phone Service (AMPS)**다. 이 절에서 중요한 점은 AMPS가 cellular principle을 analog voice와 frequency channelization으로 구현했다는 것이다.

Spectral Allocation

AMPS는 base station에서 mobile unit으로 가는 방향과 mobile unit에서 base station으로 가는 방향에 별도 band를 둔다. 즉 full-duplex 통화를 위해 forward/reverse 방향의 frequency가 분리된다.

Table 14.2의 핵심 parameter는 다음과 같다.

North American AMPS에서는 두 25-MHz band가 사용되고, operator별로 한 방향당 12.5 MHz가 할당된다. Channel spacing은 30 kHz이므로 operator당 416 channel을 만들 수 있다. 이 중 21개는 control channel이고, 나머지 395개가 call carrying channel이다. Voice conversation은 analog FM으로 운반되고, control information은 10 kbps digital data로 전송된다. Major market에서는 이 channel 수가 충분하지 않으므로 AMPS는 frequency reuse에 의존한다.

AMPS Operation

AMPS-capable cellular telephone에는 read-only memory에 **numeric assignment module (NAM)**이 들어 있다. NAM은 service provider가 부여한 telephone number, 즉 **Mobile Identification Number (MIN)**와 manufacturer가 부여한 serial number, 즉 **Electronic Serial Number (ESN)**를 담는다. Phone이 켜지면 ESN과 MIN을 MTSO에 전송한다. MTSO는 stolen unit database를 확인해 도난 단말을 차단할 수 있고, MIN을 billing에 사용한다.

AMPS에서 call placement는 다음 흐름으로 이루어진다.

AMPS Control Channels

각 AMPS service는 21개의 full-duplex 30-kHz control channel을 포함한다. 이는 subscriber에서 base station으로 가는 reverse control channel (RCC) 21개와 base station에서 subscriber로 가는 forward control channel 21개로 구성된다. Control channel은 FSK로 digital data frame을 전송한다.

통화 중에도 control information은 voice channel 위로 보낼 수 있다. Mobile unit이나 base station이 약 100 ms 동안 voice FM transmission을 끄고 FSK-encoded message를 burst로 삽입한다. 이런 message는 power level change나 handoff 같은 urgent control에 사용된다.

14.3 Second-Generation CDMA

Second-generation cellular system은 1G의 capacity 압박과 analog 한계를 해결하기 위해 digital traffic channel을 도입했다. 핵심 변화는 voice도 digital form으로 encode한 뒤 전송하고, digital data service를 더 자연스럽게 지원하며, encryption/error correction/multiple access를 digital processing으로 처리한다는 점이다.

1G와 2G의 차이는 다음처럼 정리된다.

Code Division Multiple Access (CDMA)

Cellular CDMA도 FDMA처럼 cell에 frequency bandwidth가 할당되고, reverse direction과 forward direction이 분리된다. Full-duplex communication에서는 mobile unit이 reverse channel과 forward channel을 모두 사용한다. 차이는 transmission이 direct-sequence spread spectrum (DS-SS) 형태라는 점이다. DS-SS는 chipping code로 data rate를 높여 signal bandwidth를 넓히고, 여러 user에게 orthogonal chipping code를 할당해 receiver가 individual transmission을 분리하도록 한다.

CDMA의 장점은 다음과 같다.

단점도 분명하다.

RAKE Receiver

CDMA는 multipath를 단순 noise로만 보지 않고, 경우에 따라 여러 path의 signal energy를 모아 성능을 높인다. Multipath signal copy들이 한 chip interval보다 더 떨어져 도착하면 receiver는 dominant signal에 chipping sequence를 correlate하여 복구할 수 있다. 더 나은 방법은 여러 path의 signal을 각각 recover한 뒤 적절한 delay와 weight로 combine하는 것이다. 이것이 RAKE receiver의 원리다.

Figure 14.9 · PDF p. 450 · multipath copy를 여러 correlator로 모아 결합하는 RAKE receiver

Figure 14.9의 흐름은 다음과 같다. Transmitter는 binary data를 자기 chipping code와 XOR해 spread sequence를 만들고 modulation한다. Wireless multipath channel은 서로 다른 delay $T_1$, $T_2$, $T_3$와 attenuation factor $a_1$, $a_2$, $a_3$를 가진 copy를 만든다. Receiver는 demodulated chip stream을 delay가 다른 여러 correlator에 넣고, channel estimate에서 얻은 weight로 output을 combine한다. 따라서 multipath가 반드시 손실만이 아니라 diversity source로도 사용된다.

IS-95 Channel Structure

IS-95는 대표적인 second-generation CDMA system이다. Forward link와 reverse link의 structure가 다르다.

Figure 14.10 · PDF p. 451 · IS-95 forward/reverse logical CDMA channel structure

Forward link는 같은 $1.228\ \text{MHz}$ bandwidth를 공유하는 최대 64개 logical CDMA channel로 구성된다. Forward channel의 code는 64 x 64 Walsh matrix에서 나온 64개 orthogonal 64-bit code다.

Reverse link는 같은 $1.228\ \text{MHz}$ bandwidth를 공유하는 최대 94개 logical CDMA channel로 구성된다. 최대 32개 access channel과 62개 traffic channel을 지원한다. Reverse traffic channel은 mobile-unique하며, 각 station은 electronic serial number 기반의 unique long code mask를 사용한다. Access channel은 call initiation, paging response, location update에 사용된다.

IS-95 Forward Link Transmission

Forward traffic channel processing의 핵심은 variable-rate voice/data를 일정한 spread spectrum chip rate로 변환하는 것이다. 원문 Figure 14.11은 manifest에 없지만, processing 흐름은 다음과 같다.

여기서 중요한 설계 이유는 세 가지다. FEC와 interleaving은 mobile channel error를 줄이고, scrambling과 long code는 privacy 및 interference pattern 완화를 돕고, Walsh code는 forward channel 내부 logical channel orthogonality를 제공한다.

IS-95 Reverse Link Transmission

Reverse link는 forward link와 비슷해 보이지만 목적과 code 사용 방식이 다르다.

Figure 14.12 · PDF p. 455 · IS-95 reverse traffic channel transmission processing

Reverse traffic channel processing은 다음과 같다.

Reverse link에서 Walsh matrix는 forward link처럼 channel separation용 orthogonal code만으로 쓰이는 것이 아니다. Reverse에서는 6-bit symbol을 64-bit orthogonal codeword로 바꾸는 block coding에 가까우며, base station receiver의 decision-making을 개선한다. 이를 $(n,k)=(64,6)$, $d_{min}=32$인 block error-correcting code처럼 볼 수 있다.

Forward link와 reverse link의 modulator가 다른 이유도 중요하다. Forward link에서는 Walsh matrix에서 나온 spreading code들이 orthogonal하다. Reverse link에서는 여러 mobile unit의 transmissions가 chip boundary에 완전히 맞지 않으므로 spreading code orthogonality가 보장되지 않는다. 따라서 long code, randomization, power control, OQPSK 같은 장치가 interference를 줄이는 데 더 중요하다.

14.4 Third-Generation Systems

Third-generation (3G) wireless communication의 목표는 voice뿐 아니라 multimedia, data, video를 지원할 수 있는 비교적 high-speed wireless communication이다. ITU의 IMT-2000 initiative는 3G capability를 다음 방향으로 정의했다.

3G의 배경에는 universal personal telecommunications와 universal communications access라는 목표가 있다. 전자는 사용자가 하나의 account로 넓은 지역 또는 전 세계에서 자신을 식별하고 통신 서비스를 쓰는 개념이고, 후자는 사무실, 거리, 비행기 같은 다양한 환경에서 같은 terminal로 information service에 접속하는 개념이다. 따라서 3G는 단순히 voice channel을 더 많이 만드는 것이 아니라, mobile computing과 Internet access를 wireless로 확장하려는 방향이다.

Alternative Interfaces: IMT-2000 Radio Interfaces

IMT-2000은 하나의 radio interface만 강제하지 않고 여러 interface를 포함한다. 중요한 이유는 1G/2G system에서 3G로 부드럽게 진화할 수 있는 upgrade path를 제공하기 위해서다.

Figure 14.13 · PDF p. 457 · IMT-2000 terrestrial radio interface 계열

Figure 14.13의 interface 계열은 다음처럼 정리된다.

W-CDMA Parameters와 3G CDMA Design Issues

3G의 dominant technology는 CDMA 계열이다. W-CDMA의 key parameter는 다음처럼 요약된다.

3G CDMA design에서 bandwidth 목표가 5 MHz인 이유는 균형점이다. 5 MHz 이상이면 narrower bandwidth보다 multipath resolution이 좋아진다. 하지만 spectrum은 제한된 resource이므로 너무 넓게 잡을 수 없다. 또한 5 MHz는 144 kbps와 384 kbps라는 3G 주요 target data rate를 지원하기에 충분하다.

Chip rate는 desired data rate, error control 필요성, bandwidth limit의 결과로 정해진다. W-CDMA의 3.84 Mcps처럼 3 Mcps 이상 chip rate가 3G design parameter에 합리적이라고 본다.

Multirate: Time Multiplexing과 Code Multiplexing

Multirate는 한 user에게 여러 fixed-data-rate logical channel을 제공하고, 각 logical channel이 서로 다른 data rate와 destination을 가질 수 있게 하는 기능이다. 이는 한 사용자가 동시에 여러 application을 쓰는 상황을 지원한다. 예를 들어 voice, file transfer, background signaling이 서로 다른 logical channel로 움직일 수 있고, system은 각 service가 필요한 capacity만 제공해 spectrum을 더 효율적으로 쓴다.

Figure 14.14 · PDF p. 459 · 3G multirate 지원을 위한 time multiplexing과 code multiplexing

Figure 14.14는 multirate를 구현하는 두 방법을 보여준다.

3G의 중요한 변화는 cellular network가 더 이상 “mobile voice telephone”만이 아니라 packet/circuit service, asymmetrical Internet traffic, multimedia service를 함께 수용해야 하는 wireless access infrastructure가 되었다는 점이다.

연결 관계

Cellular wireless network는 앞 장들의 여러 개념과 직접 연결된다.

오해하기 쉬운 내용

핵심 용어 정리