전기전자/정보통신

전자정보통신학회지_2021.7 해설 요약 (p712-720)

이동체통신의 미래
지상 2차원 셀 구성에서 3차원 공간 셀 구성으로
도쿄공업대학 공학원 전기전자계 후지이 테루야(藤井輝也) 교수 외 6인

Abstract
오늘날 도시 지역을 중심으로 빌딩의 중고층에서 이동통신이 증대하고 있다. 또한 상공을 자유자재로 이동하는 드론이나 플라잉 카 등이 화제가 되고 있다. 그들과의 통신을 확보하는 수단으로서 이동체통신의 활용이 기대를 받고 있다.

그 실현 수단으로서, 현행 2차원 지상 셀 구성에서 중고층이나 상공의 휴대단말과의 통신을 동시에 가능하게 하는 다양한 3차원 공간 셀 구성이 검토되고 있다. 주파수 이용률의 관점에서는 그들이 동일 주파수로 공용하는 것이 바람직하다. 본고에서는 다양한 3차원 공간 셀 구성을 연계시켜, 동일 주파수로 실현하는 3차원 공간 셀 구성의 개요를 소개한다.

키워드: 이동통신, 2차원 셀 구성, 3차원 공간 셀 구성, HAPS, 드론

1. 머리말
오늘날 도시 지역을 중심으로 빌딩의 중고층에서 이동통신이 증대하고 있다. 그리고 상공을 자유자재로 이동하는 드론이나 플라잉 카 등도 화제를 모으고 있다. 그들과의 통신을 확보하는 수단으로서, 커버 구역이 넓고 브로드밴드 통신이 가능한 이동체통신의 활용이 기대를 받고 있다.

그러나 현행 이동통신은 지상의 기지국과 지상의 휴대단말(이하 지상 단말)과의 통신이 기본이다. 셀 구성의 관점에서 보면 지상에 셀을 평면적으로 배치한 2차원 셀 구성이다. 빌딩의 중고층이나 상공의 휴대단말과의 통신을 확보하는 3차원 공간 셀 구성이 아니다.

그래서 중고층이나 상공의 휴대단말과의 통신을 가능하게 하는 3차원 공간 셀 구성이 기대를 받고 있다. 예를 들면, 지상 매크로 셀 내에 동일 주파수를 이용하는 스몰 셀을 복수 설치해서 구성하는 지상 2차원 HetNet(Heterogeneous Network) 구성을 높이 방향으로 확장하고, 스몰 셀을 빌딩 중고층에 설치해서 구성하는 3차원 공간 HetNet 구성이 주목을 받고 있다.

또한 지상 기지국이 5G의 빔 형성(beamforming) 기술을 이용해 지상과 빌딩 중고층이나 그 상공을, 동일 주파수를 이용해서 서비스 구역화하는 ‘3차원 공간 셀 구성’이 새로운 기술로서 검토를 추진하고 있다. 한편, 지상 20km의 상공의 성층권에 무선 중계국을 탑재한 무인비행기(HAPS)를 체류 비행시켜, 성층권 상공에서 지상이나 그 상공을 동시에 서비스 구역화하는 HAPS에 의한 3차원 공간 셀 구성이 다시 각광을 받고 있다.

동절기 산악에서 산사태에 의한 조난, 태풍이나 지진에 의해 발생하는 토사 재해 등에 의한 조난이 최근에 증가하고 있다. 이들 조난에서는 조난자는 눈, 토사, 돌덩이 밑에 묻히게 되면, 조난자의 휴대단말이 서비스 구역에서 벗어나면서 휴대단말이 수신하고 있는 GPS 정보를 전송하지 못하는 경우가 있다. 그래서 드론에 탑재한 무선 중계국에 의해 휴대단말이 깊게 묻힌 공간을 임시로 서비스 구역화해서 휴대단말의 위치를 특정하는 임시 3차원 공간 셀 구성이 검토되고 있다.

본고에서는 HetNet 구성에 의해 빌딩 중고층을 구역화하는 3차원 공간 셀 구성, 지상 기지국에 의해 지상과 중고층이나 상공을 동시에 구역화하는 3차원 공간 셀 구성, HAPS에 의해 지상이나 상공을 동시에 서비스 구역화하는 3차원 공간 셀 구성, 그리고 임시 무선 중계국에 의해 지상에서 묻힌 공간을 서비스 구역화하는 ‘임시 3차원 공간 셀 구성’에 대해 개설한다.

위에서 말한 각 3차원 공간 셀 구성은 각각 독립적으로 시스템화가 가능하다. 그러나 시스템 간 연계 기술을 적용해 모든 시스템이 동일 주파수를 공용하는 것이 가능해지면 주파수 이용 효율의 발본적인 개선을 기대할 수 있다. 그래서 각 3차원 공간 셀 구성을 통합한 ‘시스템 간 연계 3차원 공간 셀 구성’에 대해서도 아울러 개설한다.

2. 셀 구성
셀룰러 이동통신 시스템의 기본은 셀 구성에 있다. 서비스 구역은 일반적으로 2차원 평면이며, 정육각형의 중심에 기지국을 설치한 셀로 분할하고, 각 셀에 주파수(채널)를 할당, 셀 내의 휴대단말과 통신한다. 이 구성에 의해, 송신전력(소비전력)을 작게 할 수 있고, 동일 주파수를 지리적으로 떨어진 셀에서 반복해 재이용하는 것이 가능해지면서 적은 주파수(대역폭)로 많은 휴대단말과의 통신을 실현하고 있다.

동일 주파수를 반복해서 재이용할 수 있는 거리에 의해 주파수 이용 효율이 정해진다. 동일 주파수의 반복 거리는 다른 셀에서 나오는 동일 주파수 간섭(이하, 간섭)에 의한 통신 품질로 결정된다. 간섭을 작게 제어할 수 있을수록 가까운 거리에서 동일 주파수를 재이용할 수 있기 때문에 주파수 이용 효율을 향상시킬 수 있다.

예를 들면, 제2세대까지의 이동통신 시스템에서는 7~4셀 반복이 일반적이며, 제3세대 이후에는 간섭에 강한 무선 전송 방식(오류 정정 기술 포함)을 채용해서 1셀 반복이 기본이다. 현재의 2차원 셀 구성은 지상 단말과의 통신을 기본으로 해서, 지상의 휴대단말의 통신 품질이 향상하도록 셀 구성의 최적화를 도모하고 있다.

그 때문에 휴대단말이 상공에서 이용되면, 예를 들면 송수신 사이가 ‘예측’ 되면서 다른 휴대 기지국에 강한 간섭을 줘서 지상 휴대 단말의 통신 품질이 현저히 떨어지는 경우가 있다.

예를 들면, 높이 별로 2차원 셀 구성을 구축하고(높이 방향 계층 셀 구성), 계층 별로 다른 주파수를 할당하는 3차원 공간 셀 구성을 생각할 수 있다. 이 구성에서는 계층 간의 간섭을 회피할 수 있지만 계층 수가 증대할수록 새로운 주파수가 필요해져서 주파수 이용률이 크게 저하된다.

그래서 계층 간의 동일 주파수 간섭을 회피 또는 억압(캔슬)해서, 각 계층에서 동일 주파수를 이용할 수 있는 3차원 공간 셀 구성이 기대를 받고 있다.

3. HetNet 구성에 의한 3차원 공간 셀 구성
4. 지상 기지국에 의한 3차원 공간 셀 구성
5. HAPS 무선 중계국에 의한 3차원 공간 셀 구성
6. 드론 무선 중계국에 의한 임시 3차원 공간 셀 구성
7. 이동체통신에서의 3차원 공간 셀 구성
8. 맺음말

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