Chapter 10
Principles of Cellular Networks
개요..
Cellular Network가 왜 도입됐냐?
Mobile radio telephone service의 Capacity를 증가시키기 위해서다.
즉, 제한된 주파수 내에서 더 많은 사용자를 수용하는 게 목표다.
그럼 기존의 Pre-cellular 방식이 문제가 있었다면?
- High-power transmitter/receiver: 높은 출력을 가진 송수신기를 사용
- Wide Coverage: 유효 반경(Radius)이 약 80km에 달하는 넓은 영역을 하나의 기지국이 커버.
- Low Capacity: 시스템이 지원할 수 있는 Channel의 수가 약 25개에 불과했다.
즉, 반경 80km 내에서 동시에 통화할 수 있는 사용자가 좀 많이 제한적이다.
딱 봐도 문제가 많아 보인다.
그래서 다음과 같이 해결했다.
- Lower-power systems: 송신 출력을 낮추어 전파 도달 거리를 줄였다.
- Shorter radius: 커버리지 반경을 줄여 서비스 영역을 작은 단위(Cell)로 쪼개었다.
- Numerous transmitters/receivers: 다수의 송수신기를 배치하여 촘촘한 네트워크를 구성했다.
Cellular Networks
Cellular Network는 100W 이하의 저전력 송신기 다수를 기반으로 한다.
서비스 대상 지역을 작은 구역인 Cell로 분할하고,
이 Cell로 구역들을 전체적으로 커버할 수 있도록 잘 배치한다.
각 Cell은 다음과 같은 물리적 구성을 갖는다.
- Antenna: 각 Cell마다 전용 안테나가 존재한다.
- Base Station (BS): 각 Cell을 담당하는 기지국. 즉 셀 = 기지국(물리적으로) 으로, 송수신기와 제어 장치로 구성된다.
이때, 서로 맞닿아 있는 Cell끼리는 Interference(간섭)나 Crosstalk를 방지하기 위해 서로 다른 Frequency band를 할당한다.
물론 서로 충분히 거리가 떨어진 Cell들은 간섭의 영향이 없으므로 동일한 Frequency band를 재사용할 수 있다.
Cell을 어떻게 잘 배치할 수 있을까?
Square Pattern은 어떨까?
뭔가 딱 사각형 모양이라 예쁘긴 하다. 하지만,
- 4개의 이웃은 거리
- 나머지 4개의 이웃(대각선 방향)은 거리
거리가 다르다는 것은 Signal Strength(신호 강도)와 전파 지연 등이 일정하지 않음을 의미하므로,
사용자가 이동할 때 어느 기지국으로 연결을 넘길지 판단하기 복잡해진다.
그래서 Square Pattern은 탈락.
Hexagonal Pattern은 어떨까?
이 방법으로는 모든 인접한 6개의 기지국이 중심으로부터 동일한 거리 d 에 위치하게 된다는 점이 핵심이다.
만약 사용자가 Cell의 경계로 이동하게 되면, 모든 인접 Antenna가 등거리에 있다.
이는 사용자를 인접 Antenna로 전환하는 Handoff(또는 Handover) 시점과 대상을 결정하는 로직을 단순화한다. (사각형에 비해 단순해진다)
이때 계산적으로 보자면
- 반지름
- 기지국 간 거리
그래서, 결론: Hexagonal Pattern을 사용하여 배치한다.
물론 실제 환경에서는 완벽한 육각형 패턴이 사용되지 않는다. 지형적 제한(Topographical limitations), 국지적인 신호 전파(Signal propagation) 조건, 안테나 설치 위치의 현실적 제약 등으로 인해 실제 Cell의 모양은 불규칙하다.
추가적으로,
무선 Cellular System은 유선과 달리 신호가 공간으로 퍼져나가므로, 지리적으로 떨어져 있어도 간섭(Interference)이 발생할 수 있다. 그래서 많은 수의 통신을 동시에 지원하기 위해서는(위에 있던 Cellular network의 목적) 제한된 Spectrum을 효율적으로 관리하고 보존하는 메커니즘(예: Frequency Reuse)이 필수적이다. 추가로, 육각형의 구조를 선택하는 게 이러한 주파수 재사용 계획을 수립하는 데 있어서도 유리하다(수학적 모델링, 분석이 단순해 지니까).
Frequency Reuse
Cellular Network의 핵심 메커니즘으로, Frequency Reuse(주파수 재사용) 이 있다.
제한된 주파수 자원을 공간적으로 재사용하여 전체 시스템의 Capacity를 늘리자는 것이다.
목표가 뭔데?
- Multiple Simultaneous Conversations: 인접하지 않은(Non-adjacent) Cell들이 동일한 주파수를 사용하게 하기
→ 전체 네트워크 내에서 동시에 통화할 수 있는 사용자 수 늘리기 - Share Frequencies: 서로 간섭을 일으키지 않을 만큼 떨어진 거리의 Cell끼리 주파수를 공유하게 하기
그럼 이걸 어떻게 구현해?
Base Transceiver의 정교한 전송 전력 제어를 통해 구현한다.
해당 Cell 내부에서는 원활한 통신이 가능하도록 충분한 신호 강도를 보장해야 한다.
동시에, 해당 주파수의 신호가 Cell 경계를 넘어 인접 Cell로 과도하게 퍼져나가 간섭(Interference)을 일으키는 것을 제한한다.
무선 통신 환경은 매우 가변적(Variable)이므로, 가능한 범위 내에서 세밀하게 제어된다.
각 Cell에는 예상되는 트래픽 양에 따라 약 10~50개의 Frequency가 할당되고,
인접한 Cell은 서로 다른 주파수 대역을 사용해야 하지만,
일정 거리 이상 떨어진(Nearby but not adjacent) Cell에서는 동일한 주파수 세트를 다시 사용할 수 있다.
핵심 문제는 "동일한 주파수를 사용하는 두 Cell 사이의 거리를 얼마로 해야 간섭(Interference)을 피할 수 있는가"이다.
-
전체 시스템에 할당된 총 주파수 개수:
-
재사용 패턴(Cluster)을 구성하는 Cell의 개수:
-
개별 Cell이 사용할 수 있는 주파수 채널의 수:
즉, -
- 주파수를 재사용하는 패턴의 크기(Cluster Size)이다.
- 패턴 내의
- 그림 10.2에서는
-
- 동일한 주파수 대역을 사용하는 Cell(Cochannels) 중심 간의 최소 거리이다.
-
- Cell의 반지름이다.
-
- 인접한 Cell 중심 간의 거리이다. 육각형 구조에서
- 인접한 Cell 중심 간의 거리이다. 육각형 구조에서
그림에서 보면
- (a)
- (b)
- (c)
트래픽 밀집 지역의 수용 용량을 늘리고 싶나? 그럼 Cell Splitting(셀 분할)을 쓰면 된다.
Cell의 크기를 물리적으로 줄여 단위 면적당 주파수 재사용 횟수를 늘리는 것이 핵심이다.
- Cell Splitting: 트래픽 밀도가 높은 지역에서 기존의 큰 Cell을 더 작은 반경의 여러 Microcell로 쪼개는 기술이다.
- Capacity Increase: 동일한 면적 내에 더 많은 Base Station이 설치되고 주파수 채널이 재할당되므로, 단위 면적당 수용 가능한 가입자 용량(Capacity)이 증가한다.
작아진 Cell을 운영하기 위해서는 송신 전력의 조정이 필수적이다.
Cell의 반경이 줄어들었으므로, 신호가 해당 Cell 영역을 벗어나 인접 Cell에 간섭(Interference)을 일으키지 않도록 송신 전력을 낮춰야 한다.
Cell이 줄어들었으니까 사용자가 이동할 때 Cell의 경계를 더 자주 통과하게 된다.
그럼 통화 연결을 유지한 채 다음 Base Transceiver로 제어권을 넘기는 Handoff 과정이 훨씬 빈번하게 발생하며,
이는 시스템의 처리 부하(Switching load)의 증가로 이어진다.
그림은 보듯이 반경을
육각형의 면적은
따라서 기존과 동일한 전체 면적을 커버하기 위해서는 얼마나 Base Station의 수가 많아야 하나?
→ Base Station의 수가
즉
이는 인프라 구축 비용의 급격한 상승을 의미한다.
Capacity와 Coverage를 최적화하기 위한 잡기술로 두가지가 있다.
1. Cell Sectoring (셀 섹터링)
단일 Omni-directional Antenna(전방향 안테나)를 사용하는 대신, Cell을 부채꼴 모양으로 나누어 관리하는 기법이다.
- 하나의 Cell을 3개에서 6개의 쐐기 모양(Wedge-shaped) Sector로 나눈다. (예:
- 각 Sector에는 해당 Cell에 할당된 전체 채널 중 별도의 Subset을 배정한다. 즉, Sector끼리 주파수를 나누어 쓴다.
- Base Station은 전방향으로 신호를 쏘는 대신, 특정 Sector 방향으로만 전파를 집중시키는 Directional Antenna(지향성 안테나)를 사용한다.
이를 통해 인접 Cell이나 다른 Sector로 향하는 불필요한 Interference는 줄어든다. 그리고 해당 방향으로의 도달 거리를 늘리거나 신호 품질을 개선한다.
2. Microcells (마이크로셀)
Cell의 크기를 극단적으로 줄여 고밀도 트래픽을 처리하는 방식이다.
일단, Cell이 작아짐에 따라 안테나의 설치 위치가 낮아진다.
기존의 셀은 높은 언덕이나 고층빌딩 옥상에 설치했으나, 이제는 소형건물의 옥상이나 대형 건물 벽면, 가로등같이 조금 더 낮은 곳에 설치하게 된다.
또한, 셀 하나당 커버해야 할 영역이 훨씬 작아지므로 Base Station과 Mobile Unit 모두 송신 전력을 낮춰서 운용할 수 있다.
- 주요 활용처
- Congested Areas: 트래픽이 폭주하는 도심지 거리.
- Highways: 고속도로를 따라 연속적인 커버리지 제공.
- Indoor: 대형 공공 건물 내부나 지하 등 전파 음영 지역 해소 및 용량 증대.
| 구분 | Cell Sectoring | Microcells |
|---|---|---|
| 접근 방식 | 하나의 Cell을 방향(Angle)으로 분할 | Cell의 반경(Radius) 자체를 축소 |
| 핵심 장비 | Directional Antenna | Low power Tx/Rx, Lower elevation antenna |
| 주 목적 | Interference 감소 및 주파수 재사용 효율 증대 | 단위 면적당 Capacity 극대화 (Traffic 밀집 해소) |
Frequency Reuse의 예시를 보자.
동일한 면적을 커버할 때 Cell Radius를 줄이면 시스템의 전체 Capacity(즉 얼마만큼의 통신량이 가능해지는지)가 어떻게 변하는지 보자.
- Area of a Hexagon (Cell Area):
- Channels per Cell:
- Total Concurrent Calls (System Capacity):
그래서 이 예시를 통해 알 수 있는 것은?
이 예제는 Cellular Network 설계의 핵심 원리를 보여준다.
- Area: 두 시나리오 모두 약
- Capacity: Radius를 절반(
- Implication: 이는 Microcells을 도입하여 Cell 크기를 줄이는 것이 트래픽 밀집 지역의 용량을 증대시키는 강력한 방법임을 수치적으로 증명한다.
Cellular System의 전체적인 구조: BS와 MTSO
Figure 10.5 및 텍스트는 Cellular System의 주요 구성 요소와 그들 간의 계층적 연결 구조를 설명하고 있다.
전체 시스템은 크게 무선 구간을 담당하는 Base Station과 전체 네트워크 제어를 담당하는 MTSO로 구분된다.
1. Base Station (BS)
BS는 각 Cell의 중심(근사적 위치)에 위치하며, Mobile Unit과의 무선 통신을 직접 담당하는 'Edge' 노드이다.
- 구성 요소: 하나 이상의 Antenna, Controller, 그리고 다수의 Transceiver로 구성된다.
- 역할:
- 할당된 Channel을 통해 Mobile Unit과 데이터를 송수신한다.
- Mobile Unit과 네트워크 간의 통화 프로세스(Call process)를 제어한다.
2. Mobile Telecommunications Switching Office (MTSO)
MTSO는 여러 BS를 통합 관리하며 시스템의 제어 및 스위칭 기능을 담당하는 핵심 요소이다.
(현대적 관점의 Core Network 역할)
- 연결 구조: 하나의 MTSO가 다수의 BS를 관할한다.
BS와 MTSO 간의 링크는 주로 유선(Wire line)을 사용하지만, 무선 링크도 가능하다. - 핵심 기능:
- Call Connection: Mobile Unit 간의 통화를 연결하거나,
Mobile Unit과 고정된 유선망(PSTN) 가입자 간의 연결을 수행한다. - Resource Management: 각 통화에 대해 Voice Channel을 할당한다.
- Handoff Control: 사용자가 이동함에 따라 발생하는 Handoff 과정을 제어하고 수행한다.
- Billing: 과금 정보를 위해 통화를 모니터링한다.
- Call Connection: Mobile Unit 간의 통화를 연결하거나,
Cellular System Channels
Mobile Unit(이동 단말)과 Base Station (BS, 기지국) 간에 설정되는 무선 링크인 Channel의 종류와 역할은 다음과 같다.
사용자의 개입 없이(전화관리원 이런거 필요 없어) 자동화된 시스템 내부에서 두 가지 핵심 채널이 구분되어 운용된다.
1. Control Channels (제어 채널)
통신의 '내용'이 아닌 통신을 '수립하고 관리'하기 위한 Signaling 데이터를 전송하는 채널이다.
네트워크 오버헤드(Overhead)에 해당한다.
- Call Setup & Maintenance: 통화 요청, 수신, 종료 등 호(Call)의 생명주기를 관리한다.
- Establish Relationship: Mobile Unit이 현재 위치에서 가장 가까운 BS를 찾고, 동기화를 맞추며, 네트워크에 등록하는 과정을 수행한다. (예: Beacon 수신, Paging 등)
2. Traffic Channels (트래픽 채널)
실질적인 사용자의 데이터를 전송하는 채널이다.
- Payload Delivery: 사용자의 음성(Voice) 통화 데이터나 인터넷 패킷(Data)을 운반한다.
- Connection: 호 설정이 완료된 후, 실제 통신이 이루어지는 파이프라인 역할을 한다.
Figure 10.6은 단일 MTSO가 제어하는 영역 내에서 두 Mobile User 간에 통화가 연결되고 유지되는 전체 프로세스(Call Processing)를 6단계로 도식화한 것이다.
1. Mobile Unit Initialization (초기화 및 등록)
- Scanning: Mobile Unit 전원이 켜지면 시스템의 Setup Control Channel을 스캔한다.
- Selection: 여러 기지국(BS) 중 신호가 가장 강력한 채널을 선택한다. 이는 단말이 자신이 속한 Cell을 자동으로 파악하는 과정이다.
- Handshake & Registration: 선택된 BS를 통해 MTSO와 Handshake를 수행하여 사용자를 식별하고 현재 위치(Location)를 등록한다. 단말이 이동하면 주기적으로 재스캔하여 이 과정을 반복한다.
2. Mobile-originated Call (발신)
- Request: 발신자가 Preselected Setup Channel을 통해 상대방 번호를 전송한다.
- Channel Access: 단말은 Forward Channel(BS→Mobile)을 모니터링하여 채널이 Idle 상태인지 확인한 후, Reverse Channel(Mobile→BS)을 통해 데이터를 전송한다. (CSMA 방식과 유사한 매체 접근 제어)
- Routing: BS는 이 요청을 MTSO로 전달한다.
3. Paging (호출)
- Broadcast: MTSO는 수신자가 위치한 영역의 BS들에게 Paging Message를 보낸다.
- Search: 각 BS는 자신의 Setup Channel을 통해 해당 번호를 호출하는 신호를 전송(Broadcast)하여 수신자를 찾는다.
4. Call Accepted (수신 및 채널 할당)
- Response: 수신 단말이 자신의 번호를 인식하고 BS를 통해 MTSO에 응답한다.
- Circuit Setup: MTSO는 발신자와 수신자 사이의 경로(Circuit)를 설정한다.
- Channel Assignment: MTSO는 각 BS에게 사용 가능한 Traffic Channel을 할당하고, BS는 이를 단말에게 통보한다. 두 단말은 각각 할당된 Traffic Channel로 주파수를 변경(Tuning)한다.
5. Ongoing Call (통화 진행)
- Data Exchange: 연결이 수립된 상태이다. 음성 및 데이터 신호는 Traffic Channel을 통해
Mobile A ↔ BS A ↔ MTSO ↔ BS B ↔ Mobile B의 경로로 교환된다.
6. Handoff (핸드오프)
- Mobility Support: 통화 중 단말이 현재 Cell의 범위를 벗어나 인접 Cell로 이동하는 상황이다.
- Switching: 시스템(MTSO)은 통화의 끊김이나 사용자 인지 없이, 연결을 새로운 BS로 넘기고 새로운 Traffic Channel을 할당한다.
추가적인 예외상황에 대한 처리는 다음과 같다.
1. Call Blocking (통화 차단/폭주)
통화 요청 시 가용한 자원이 없을 때 발생하는 현상이다.
- 원인: 가장 가까운 BS에 할당된 모든 Traffic Channels이 사용 중(Busy)일 때 발생한다.
- 프로세스:
- Mobile Unit은 설정된 횟수만큼 재시도를 수행한다.
- 재시도 후에도 채널 확보에 실패하면 사용자에게 Busy Tone을 송출하여 통화 불가를 알린다.
2. Call Termination (통화 종료)
정상적으로 통신이 완료되어 자원을 해제하는 과정이다.
- 조건: 두 사용자 중 한 명이 전화를 끊을 때(Hang up) 발생한다.
- 동작: MTSO가 이를 감지하고, 양쪽 BS에 할당되었던 Traffic Channels을 해제(Release)하여 다시 유휴 자원(Idle Pool)으로 되돌린다.
3. Call Drop (통화 절단)
통신 중 의도치 않게 연결이 끊기는 비정상 종료 현상이다.
- 원인: Interference(간섭)가 심하거나 신호 음영 지역(Weak signal spots)에 진입했을 때 발생한다.
- 조건: BS가 일정 시간 동안 통신 유지에 필요한 최소한의 Signal Strength를 확보하지 못할 때 발생한다.
- 결과: Traffic Channel이 강제로 해제되고 MTSO에 해당 사실이 통보된다.
4. Calls to/from Fixed and Remote Mobile Subscriber (외부 망 연동)
Cellular Network 내부뿐만 아니라 외부 네트워크와의 연결성을 보장하는 기능이다.
- PSTN 연동: MTSO는 Public Switched Telephone Network (PSTN) 와 연결되어 있다. 이를 통해 모바일 사용자는 일반 유선 전화(Fixed subscriber)와 통화할 수 있다.
- Roaming/Remote: PSTN이나 전용 회선(Dedicated lines)을 통해 멀리 떨어진 다른 지역의 MTSO와 연결하여, 원거리의 모바일 사용자와도 통신할 수 있다.
Mobile Radio Communication(이제 계속 이동하는 경우)
우리가 맨날 폰 들고다니면 통신하는 기기가 고정되는게 아니라 계속 이동하는 거잖아요?
그럼 Mobile Radio Communication은 유선이나 고정 무선 통신에 없는 추가적인 complexity를 포함할 것 같죠?
1. Signal Strength (신호 강도)의 딜레마
Mobile Unit과 Base Station 사이의 신호 강도는 적절한 균형(Trade-off)을 맞춰야 한다.
- Lower Bound (최소 요구치): 수신 측에서 Signal Quality를 유지할 수 있을 만큼 충분히 강해야 한다.
- Upper Bound (최대 허용치): 동일한 주파수 대역을 사용하는 다른 Cell에 과도한 Co-channel Interference(동일 채널 간섭)를 일으키지 않을 만큼 약해야 한다.
2. 제어의 복잡성 (Complicating Factors)
신호 강도를 일정하게 유지하는 것은 다음과 같은 환경적 변수들 때문에 매우 어렵다.
- Human-made Noise (인공 잡음): 잡음 레벨이 지역에 따라 심하게 변동한다.
- 예: 자동차 점화 장치(Ignition)에서 발생하는 노이즈는 한적한 교외보다 도심지에서 훨씬 강력하다.
- Distance (거리): 신호의 세기는 Base Station으로부터의 거리에 따라 자연적으로 감소한다(Path Loss).
- Dynamics (동적 변화): 사용자가 이동(Mobility)하고 있기 때문에 신호 강도가 고정되지 않고 실시간으로 계속 변한다.
3. Fading (페이딩)
- 정의: 신호 강도(Signal Strength)가 통신 가능한 유효 범위 내에 있더라도, 전파 경로상의 여러 물리적 현상(반사, 회절 등)으로 인해 신호가 급격히 약해지거나 왜곡되어 오류를 유발하는 현상이다.
그럼 이런 어려움을 포함하는 Cellular Network 설계 시 고려해야 할 물리적 요소들과,
예측하기 어려운 전파 특성을 해결하기 위한 모델링 기법(Okumura/Hata Model)에 대해 알아보자.
1. 설계 시 고려 요소 (Design Factors)
엔지니어는 Cell Size를 결정하기 위해 다음의 변수들을 종합적으로 고려해야 한다.
- Transmit Power: Base Station (BS) 과 Mobile Unit의 최대 전송 전력 레벨.
- Antenna Height:
- Mobile Unit: 사용자의 평균적인 높이(보통 지상 1.5m 내외).
- BS: 설치 가능한 기지국 안테나의 높이.
- Propagation Effects: 전파가 퍼져나가는 물리적 현상.
2. 난제(예측하기 어렵다) 및 해결책(경험적인 데이터 기반인 Okumura/Hata Model)
- 문제점: Propagation Effects는 매우 동적(Dynamic)이며 이론적으로 완벽하게 예측하기 어렵다.
- 접근법: 순수한 물리 이론보다는 실제 측정 데이터에 기반한 Empirical Data(경험적 데이터)를 사용한 모델링이 가장 효과적이다.
그래서, Okumura/Hata Model이 있는데,
이는 전파 경로 손실(Path Loss)을 예측하기 위해 가장 널리 사용되는 대표적인 모델이다. - Okumura (1968):
- 일본 도쿄 지역에서의 정밀한 분석을 기반으로 개발되었다.
- Urban Environment(도심 환경)에서의 Path Loss 정보를 제공한다.
- Hata (1980):
- Okumura의 데이터를 바탕으로 다양한 환경 조건(도심, 교외, 개방지 등)을 반영할 수 있도록 수식화(Empirical formulation)한 모델이다.
- 특징:
- Path Loss Prediction의 정확도가 매우 높다.
- 다양한 상황에 적용 가능한 실용적인 수단을 제공한다.
무선 통신 환경에서 신호 전달에 영향을 미치는 3가지 핵심 물리적 메커니즘으로,
Reflection(반사), Diffraction(회절), Scattering(산란)이 있다.
이들은 Wavelength(파장)와 장애물의 크기 관계에 따라 구분된다.
주요 내용은 다음과 같다.
1. Reflection (반사)
- 조건: 전자기파가 신호의 Wavelength보다 훨씬 큰 표면에 부딪힐 때 발생한다. (예: 지면, 대형 건물 벽면)
- 특징 및 영향:
- Phase Shift: 지면 반사파(Ground-reflected wave)는 반사 시 180도 위상 변화가 발생한다.
이것이 직접파(Line-of-Sight, LOS)와 합쳐질 때 상쇄 간섭을 일으켜 심각한 신호 손실을 유발할 수 있다. - Multipath Interference: 모바일 안테나는 대부분의 인공 구조물보다 낮은 위치에 있다. 따라서 여러 경로를 통해 들어온 반사파들이 수신 측에서 Constructive(보강) 혹은 Destructive(상쇄) 간섭을 일으킨다.
- Phase Shift: 지면 반사파(Ground-reflected wave)는 반사 시 180도 위상 변화가 발생한다.
2. Diffraction (회절)
- 조건: 전파가 Wavelength보다 큰 불투과성 물체의 모서리(Edge)를 지날 때 발생한다.
- 특징 및 영향:
- 파동이 모서리를 새로운 파원(Source)으로 삼아 진행 방향을 바꾸어 퍼져 나간다.
- 이 현상 덕분에 송신기와 수신기 사이에 장애물이 있어 LOS가 확보되지 않는(Obstructed) 상황에서도 신호를 수신할 수 있다.
3. Scattering (산란)
- 조건: 장애물의 크기가 신호의 Wavelength와 비슷하거나 그보다 작을 때 발생한다. (예: 가로등, 교통 표지판, 나뭇잎 등)
- 특징 및 영향:
- 입사된 신호가 여러 개의 약한 신호로 흩어진다.
- 도심 환경에는 이러한 작은 물체들이 많아 산란 효과를 예측하기 매우 어렵다(Difficult to predict).
환경에 따른 영향 (Impact on System Performance)
이 세 가지 효과는 Local Condition과 Mobile Unit의 이동 상황에 따라 다르게 작용한다.
- Clear LOS (시야가 트인 경우):
- Reflection이 신호 품질에 상당한 영향을 미친다.
- Diffraction과 Scattering의 영향은 미미하다.
- No Clear LOS (도심지 거리 등):
- 직접파가 차단되므로, Diffraction과 Scattering이 신호를 수신하게 하는 주된 수단(Primary means)이 된다.
이 자료는 Multipath Propagation(다중 경로 전파)이 무선 통신, 특히 디지털 전송에 미치는 부정적인 영향에 대해 설명하고 있다.
두 가지 주요 현상은 Phase Cancellation에 의한 신호 감쇠와 Inter-Symbol Interference (ISI) 이다.
주요 내용은 다음과 같다.
1. Signal Fading (Destructive Interference)
다중 경로를 통해 수신된 신호들은 각기 다른 경로 길이를 거쳐오므로 도착 시 Phase(위상)가 서로 다르다.
- Destructive Addition: 만약 서로 다른 위상의 신호들이 합쳐질 때 상쇄 간섭이 발생하면,
전체적인 Signal Level이 Noise 레벨에 비해 급격히 떨어지게 된다. - 결과: 수신기에서 신호를 검출(Detection)하기 매우 어려워진다.
2. Inter-Symbol Interference (ISI, 심볼 간 간섭)
이게 10.8에서 나타내는 거다. 디지털 전송에서 매우 중요한 문제로, 이전 데이터의 잔상이 현재 데이터의 판독을 방해하는 현상이다.
- 메커니즘 (Figure 10.8 설명):
- 송신기가 좁은 Pulse(데이터 비트)를 전송한다.
- 수신기는 가장 먼저 도달하는 Line-of-Sight (LOS) 신호(Primary pulse)를 받는다.
- 그 후, 반사(Reflection), 회절(Diffraction), 산란(Scattering)에 의해 지연된 Secondary Pulses(잔향)들이 뒤따라 도착한다.
- 만약 데이터 전송 속도가 빠르면, 이전 비트의 지연된 Pulse들이 다음 비트의 Primary Pulse가 도착하는 시점과 겹치게 된다.
- 결과: 지연된 펄스들이 다음 비트에 대해 Noise로 작용하여, 수신기가 0인지 1인지 데이터를 복구(Recovery)하는 것을 방해한다.
3. 동적 변화의 어려움 (Dynamic Challenge)
Mobile Unit이 이동함에 따라 주변 장애물과의 기하학적 관계가 변한다.
- 반사파(Secondary pulses)의 개수, 크기(Magnitude), 도착 시간(Timing)이 실시간으로 계속 변한다.
- 이러한 불규칙한 변화 때문에, 다중 경로 효과를 걸러내고 원래 신호를 복원하는 Signal Processing 기술(예: Equalizer)을 설계하기가 매우 어렵다.