Cellular Wireless Networks

Principles of Cellular Networks

• Cellular network는 이동성을 제공하기 위해 만들어짐
• 무선이라는 자원은 상당히 제한된 자원임 -> 효율적으로 사용해야 함
• 제한 요소를 해결하기 위한 방식 => cellular
• 면적을 여러 개의 cell로 나누고 경우에 따라서 cell에서 같은 주파수를 동시에 사용
• 25 채널
• CDMA는 60 채널
• 반경 80km (하나의 셀이 80km)
• 하나의 셀 내에서는 같은 주파수를 동시에 사용할 수 없음
• 같은 주파수를 재사용하기 위해서는 셀 사이즈가 작을수록 좋음

Cellular Network Organization

• 모바일 기술의 주요 기술
• 각각의 셀은 base station(기지국)을 가짐
• Base station은 하나의 셀을 커버
• 커버하는 간격 = 셀의 사이즈는 전송하는 신호의 세기에 의해 결정됨
• 셀의 사이즈를 작게 할수록 주파수 재사용성을 높일 수 있음
  • 인접한 셀은 같은 주파수를 사용하지 않음
  • 충돌이 일어날 수 있기 때문
• 셀을 작게 할 때 장점
  • Power을 적게 소비
  • 단말기가 기지국과 가깝기 때문에 power소비가 적음
• 셀 사이즈를 줄였을 때 문제
  • 기지국이 늘어남
  • 기지국을 이동하게 됐을 때 handover가 일어날 수 있는데 통화가 끊어질 수 있음 -> 서비스 품질이 나쁨
• 다수의 low power 트랜스미터를 기반으로 함
• 하나의 큰 공간을 타일의 형태로 배열하여 채워놓은 것
• 빈 공간이 있으면 통신이 안됨 -> 타일의 일부가 겹치도록 함
• 각각의 안테나를 가짐 -> 하나의 셀은 base station을 가짐 -> base station은 무선통신을 함
• 통신하기 위해서 주파수를 할당받아야 함
• 기지국에 의해 서비스를 받음 -> 트랜스미터, 리시버, 컨트롤 유닛을 가짐
• 인접한 셀과는 다른 주파수를 사용 → Crosstalk 신호의 혼돈을 피하기 위해
• 사용자가 셀과 셀 사이에 있을 때 더 큰 신호를 보내는 셀과 통신
• 거리를 충분히 띄어 줘야 함

Cellular Geometries

• 셀의 모양이 사각형 - 중첩이 많이 되게
• 육각형
• 육각형을 더 선호함
• 사각형은 기지국 간의 거리가 다름
• 육각형은 모든 기지국 간의 거리가 같음

Frequency Reuse

• 주파수 재사용
• Cellular wireless network를 사용하는 이유 : 주파수자원의 부족
• 무선은 자원이 제한되어 있음
• 유선은 필요하면 선을 설치하면 됨
• 무선은 효율적으로 사용하는 방식이 있어야 함
• 주파수 재사용은 다른 셀에서 같은 시간에 같은 주파수를 사용할 수 있는 것
• 두 셀 간의 간격은 영향을 미치지 않을 만큼 충분히 멀어야 함
• 목적 : 서로 간섭 없이 주파수를 공유하는 것
• 같은 주파수를 사용하여 여러 명이 통신할 수 있음
• 하나의 기지국 내에서 사용되는 주파수 수 : 10~50개 정도
• 트랜시버(송수신기) power control
• 기지국에서 멀리 있으면 더 큰 세기로 보내야 함
• 주어진 주파수를 가지고 셀 내에서 통신함
• 인접한 셀에 영향을 미치면 안 됨

Frequency Reuse Patterns

• 숫자 : 같은 주파수를 사용하는 셀

Increasing Capacity

• 무선자원을 가지고 용량을 증가시키는 기법
  • 새로운 채널을 추가 (새로운 주파수를 사용)
  • 주파수를 빌림 – 혼잡한 셀이 인접한 셀로부터 주파수를 빌림
    • 주파수를 동적으로 할당
  • 셀 분할
    • 셀을 나누면 주파수의 재사용성이 높아짐

Mobile Radio Propagation Effects

신호의 세기

• 해독할 수 있을 만큼 충분히 큰 크기로 받아야 함
• 주고받는 대상 : base station, 단말기
• 디지털 : 0,1이 정확하게 해독할 수 있는 크기
• 그렇다고 너무 강하면 안됨 -> 다른 채널에 영향을 미침
• 신호의 크기는 적절해야 함
• 기지국 관점에서 모바일이 멀리 있던 가까이 있던 비슷한 세기로 받아들여져야 채널 간의 간섭을 줄일 수 있음
• 노이즈도 편차가 클 수 있음
• Signal to noise ratio 신호와 노이즈의 비율 -> 클수록 양질의 신호

Fading

• 유선은 신호가 전해지는 통로가 정해져 있음 -> 지연이 일정
• 무선은 통로가 다양, 단말기가 이동 -> 시간의 편차가 생김 (fading)
• 받는 신호의 세기가 충분한 세기를 갖더라도 여러 통로를 통해 같은 시간에 출발한 신호가 다른 시간에 도착 -> 신호 자체의 해독을 방해할 수 있음

Design Factors

Propagation effects

• 모바일이 전송할 수 있는 파워를 제한 시킴
• 안테나의 높이도 중요
• Propagation effects를 예측하기 힘듦
• 경험적인 데이터를 사용하여 모델링

Multipath Propagation

• 무선의 다양한 통로
• 산란, 반사, 회절
• 같은 시간에 출발한 신호라도 다른 시간에 도착함 -> 해독에 문제가 생김 (fading)

Effects of Multipath Propagation

• 이상적이려면 한 번에 도착해야 함
• LOS (line of sight) : 직선거리 -> 길이가 짧음
• 속도가 느린 것과 빠른 것 비교
• 속도가 느리면 한 비트 폭이 큼
• 속도가 빠르면 한 비트 폭이 작음
• 속도가 빠르면 여러 비트에 영향을 미침
• 속도가 느리면 망가지는 비트의 수가 줄어들 수 있음

Types of fading

• Fast fading : half wavelength distance보다 빠르게 변함
• Slow fading : 느리게 변함
• Flat fading : 모든 주파수에 다 영향을 미침
• Selective fading : 특정 주파수만 영향을 받음

Error Compensation Mechanisms

• 무선은 유선에 비해 신뢰성이 낮음
• 속도도 느리고 에러가 날 확률이 높음
• 에러에 대한 대처 필요
• 에러를 정정하는 방법
  • 재전송(backward error correction), forward error correction(수신 측에서 에러 정정)
• LAN은 재전송 기법 사용
• 무선이나 위성통신은 FEC사용
• 무선은 에러 확률이 높기 때문
• 재전송을 여러 번 해야 함
• 재전송 요청하고 받는데 오래 걸림
  • 수신 측에서 에러 정정함

Adaptive equalization

• 감쇠가 일어나면 증폭
• 주파수마다 감쇠도가 다르므로 증폭도도 달라야 함
• Intersymbol 심볼 간의 인터페이스 사용

다양성

• 다수개의 트랜스미터와 리시버 사용
• 주파수마다 신호의 감쇄가 다르고 품질이 다름
• 다수의 채널을 통해 데이터를 받으면 어떤 채널은 손상을 덜 입고 어떤 채널은 손상을 많이 받음
• 손상을 덜 입은 측에 의해 코딩을 하면 정확한 데이터를 받을 수 있음
• 다수개의 논리 채널을 사용함
• 각 채널을 거쳐 신호를 보냄
• 에러를 제거하는 것이 아니라 감소시킴
• 공간 다양성은 전송 통로를 포함
• 다양성의 종류 : frequency diversity, time diversity
• Spread spectrum는 frequency diversity 방식
• 원래 가지고 있는 신호의 대역폭을 전송하기 위해 더 큰 대역폭으로 확산시킴
• 일부의 좁은 대역의 주파수가 망가지더라도 전체에 영향을 주지는 않음

First Generation Analog

• 1세대 : 아날로그
• 2세대 : 디지털
• 3세대 : 디지털
• 4세대 : 디지털
• 세대가 높아질수록 고속(넓은 대역을 요구)
• 1세대는 전화 네트워크
• 아날로그 트래픽 채널
• 1980년대 초반 시작
• Advanced Mobile Phone Service (AMPS)라고 명명됨
• 나중에 디지털로 대체됨

AMPS Parameters

• 주파수 대역 : 800 MHz
• 대역폭 : 30M
• Upload와 download 간의 간격 45 MHz
• 하나의 채널에 대한 대역폭 : 30kHz
• Voice channel의 수 : 790
• Control channel의 수 : 42
• Power : 3와트
• 거리 : 20km
• Voice channel 모듈레이션 : 아날로그 채널 FM 12kHz
• Control channel 모듈레이션 : 디지털 채널 FSK 8kHz
• 데이터 전송속도 10 kbps
• 에러 컨트롤 코딩 : BCH

Operation

• AMPS는 NAM(numeric assignment module)이 rom에 있음 -> 수정안 됨 identification에 사용
• NAM은 폰의 번호를 포함
• 폰의 시리얼 번호
• MTSO(교환국)에 폰의 시리얼 번호와 번호를 전송함
• Mobile telecommunication switching office
• 교환기는 데이터베이스를 기반으로 과금(billing)함
• 폰이 다른 기지국에서 사용되더라도 번호를 기반으로 로컬 서비스 프로바이더에게 과금이 통보된다

AMPS call sequence

• Subscriber가 다이얼링함
• 다이얼링 한 것을 교환기(MTSO)가 받음
• 교환기가 받은 번호가 합법적인 번호인지 확인함
• 사용자 폰에 트래픽 채널을 할당
• 채널이 할당되면 수신자에게 ring 신호를 보냄
• 수신자가 응답하면 MTSO가 회로를 설정하고 과금 정보를 통보함
• 전화를 끊으면 MTSO가 자원을 해제함 과금이 끝남

AMPS Control Channels

• 컨트롤 채널은 컨트롤 정보를 전송하는 채널
• 디지털 채널임 -> 모듈레이션 방법으로 FSK(frequency shift keying) 방식을 사용
• 컨트롤 정보가 경우에 따라서 음성 채널을 통해서 전송될 수 있음 – conversation 중에
• call설정돼서 대화하는 도중에도 컨트롤 신호를 주고받을 수 있어야 함 -> 트래픽 채널을 통해
• 컨트롤 채널을 통해 긴급한 메시지를 주고받을 수 있음
• Power level 변경이나 handoff정보

Second Generation CDMA

• 디지털 방식
• 특징
• 신호의 퀄리티가 높음
• 데이터 전송속도가 빠름
• 용량이 커야 함
• 1세대와 차이점
• 디지털 트래픽 채널
• 암호화가능
• 에러 감지와 정정 사용
• 채널 접근 방식
• TDMA, CDMA

Code division Multiple Access(CDMA)

• 표준 : IS-95
• 대역폭은 반은 reverse채널 반은 forward채널
• Spread spectrum 방식 사용 => direct-sequence방식 DSSS
• Chipping code가 필요 – 직교성이 있음 -> 서로의 코드가 영향을 미치지 않음

W-CDMA Parameters

• 채널 대역폭 : 5 MHz
• Direct spread
• Chip code의 rate : 3.84 Mcps
• 프레임의 길이 10ms
• 프레임의 슬롯 수 : 15
• 모듈레이션 방식 : QPSK
• Forward : QPSK
• Reverse : BPSK
• Coherent detection : Pilot symbols
• Time multiplexed
• multirate제공
• spreading factors : 4 ~ 256
• power control : open and fast closed loop
• spreading : forward, reverse

CDMA advantages

주파수 다양성

• 적은 주파수를 더 큰 대역에 확장
• 일부 주파수가 영향을 받더라도 더 큰 주파수는 영향을 받지 않음

보안

• 코드를 아는 수신자만에 해독이 가능
• 경로가 여러 개이더라도 많은 영향을 받지 않음
• 품질이 낮아지는 정도가 적음 – 감쇠도가 천천히 낮아짐

CDMA Disadvantages

Self-jamming

• 다수의 유저가 같은 채널 사용 -> 다른 채널이 영향을 미칠 수 있음

Near-far problem

• 기지국까지의 거리에 따라 신호의 강도가 다를 수 있음
• 신호의 강도가 큰 것이 작은 것에 영향을 미칠 수 있음
• Automatic power control 사용 : 멀리 있던 가까이 있던 power크기를 실시간으로 조절하여 기지국이 받는 power의 크기는 같게 함

RAKE receiver

• 바이너리 데이터를 코드하고 xor
• 여러 채널을 통해 전송이 이루어짐
• 수신 측에서 디코드 하고 해독해서 수신함

IS-95

• CDMA의 대표적인 프로토콜
• IS-95의 구조
• Sync : control 채널
• Paging : control 채널
• Traffic : voice 채널
• IS-95 Forward Link forward channel : 기지국에서 단말기한테 오는 것
• Pilot : 0 채널, timing 정보를 얻기 위해 사용
• Synchronization : 32 채널, 모바일 스테이션에 대한 identification 정보를 얻기 위해 사용되는 채널
• 어떤 모바일이 어떤 기지국에 있는지 알기 위해 모바일 station에서 기지국에 신호를 보내고 기지국에서 교환기에 신호를 보냄
• Paging : 1~7 채널, 컨트롤 채널, 이동단말기에서 목적지가 어디인지 나타냄
• Traffic
  • Set1 : channel 8~31
  • Set2 : channel 33~63
  • Voice channel의 총 수 : 55개
  • 하나의 기지국에서 최대로 연결할 수 있는 사용자의 수 55개

Forward Link Processing

생략

Forward Link

Scrambling

• 0과 1이 계속 반복되면 송신기와 수신기 사이의 동기화능력을 잃을 수 있음
• 그러지 않기 위해 scrambling사용
• 0이 반복되는 패턴을 0이 반복되지 않도록

Power Control

• 트래픽 채널에서 일부의 대역을 할당받아서 함 – Stealing
• 어떤 채널이 본래의 목적이 있는데 다른 목적으로 할당받아 사용
• 그런 모듈을 사용하여 Power 제어 정보를 전달

DSSS

• 최종적으로 1.2 Mbps이 됨
• 마지막으로 모듈레이션 할 때 QPSK

Third generation(3G) Systems

• 디지털 방식
• 속도가 빨라짐
• 멀티미디어, 데이터, 비디오를 제공해 주기 위해
• 음성 품질이 PSTN(유선전화) 퀄리티를 보장
• 넓은 공간에서는 144 kbps
• 보행자의 경우 384 kbps까지 가능
• 고정된 유저 2.048 Mbps까지 가능
• 상하행이 같은 속도 symmetrical
• 다른 속도 asymmetrical
• 하행의 대역폭이 높음
• Symmetrical, asymmetrical 모두 가능
• 패킷스위칭, circuit 스위칭 모두 사용
• 인터넷 인터페이스 연동 가능
• 이용가능한 스펙트럼을 효율적으로 사용 -> 속도를 높일 수 있음
• 다양한 모바일 장비 수용가능
• 현재 서비스뿐만 아니라 미래의 서비스도 수용할 수 있음

3G Driving Forces

• 서비스가 음성이나 텍스트에서 비디오로 넘어감
• 비디오는 데이터양이 많음 -> 고속이어야 함
• 채널을 효율적으로 쓰거나, 채널의 대역폭을 높여야 함
• PCSs(personal communications services)
• PCNs(personal communication networks)
• 3G를 사용하여 언제 어디서나 누구나 하고 통신할 수 있는 구조 제공
• Time division multiple access, code division multiple access 두 가지 모두 사용
• PCS handsets 저전력 화하고, 작아지고 가벼워짐

Typical Mobile Device Capacity Demands

• 피처폰
• 스마트폰
• 슈퍼폰
• 태블릿 컴퓨터

IMT-2000 Terrestrial Radio Alternative Interfaces

CDMA Design Considerations

Bandwidth and Chip Rate

• 대역폭 5 MHz
• 데이터 속도는 144~384kHz
• Chip rate는 3 Mbps

Multirate

• 여러 종류의 속도 제공
• 제공하는 방법 : 여러 채널을 다중화

CDMA Multirate Time and Code Multiplexing

Fourth Generation(4G) Systems

• LTE
• 디지털 방식
• 더 높은 속도
• 자유자재로 인터넷 접근
• 이메일을 영구적으로 연결
• 멀티미디어 서비스를 실시간으로 제공

4G Development

• 두 가지 candidates
• Long Term Evolution (LTE)
• IEEE 802.16 committee(wireless man)
• 표준화작업 중

Wireless Network Generations

Advantages of OFDM

• 장점
• fading의 영향을 거의 안 받음
• 멀티패스에 대한 영향도 작음 – 작은 신호 무시
• Equalizers 사용 필요 없음

ORDM Quadrature Phase Shift Keying(QPSK)

• 심볼 2비트로 표현
• OFDMA
• 병렬 처리