전파자원을 이용한 다양한 무선 서비스에 대한 급증하는 수요는 더 많은 주파수 자원의 확보를 요구한다. 그러나 주파수 자원의 희소성과 고대역 주파수 발굴의 어려움을 감안하면, 늘어나는 전파자원의 수요를 충족시킬 수 있는 유일한 방법은 기존 전파자원의 이용 효율을 극대화시키는 것이다. 이러한 상황에서, 전파자원에 대한 초과 수요를 해결하기 위한 다양한 주파수 공유 방안이 최근 활발히 논의되고 있다. 이와 더불어, 주파수 공유의 실효성 검증과 무선시스템의 성과 예측을 위해, 주파수 이용효율 측정의 중요성이 높아지고 있다. 본 연구에서는 전파자원 이용효율의 합리적 측정 방법을 제안한다. 국제전기통신연합(ITU) 권고안을 토대로 전파자원 이용효율의 다양한 측정 방법을 고찰하고, 대기행렬모형을 이용한 전파 자원 이용효율 측정의 대안 모델을 제시한다. 이를 통해, 주파수 공유 시 전파자원의 이용효율이 어느 정도 증대되는지를 합리적으로 예측할 수 있다.
전파자원을 이용한 다양한 무선 서비스에 대한 급증하는 수요는 더 많은 주파수 자원의 확보를 요구한다. 그러나 주파수 자원의 희소성과 고대역 주파수 발굴의 어려움을 감안하면, 늘어나는 전파자원의 수요를 충족시킬 수 있는 유일한 방법은 기존 전파자원의 이용 효율을 극대화시키는 것이다. 이러한 상황에서, 전파자원에 대한 초과 수요를 해결하기 위한 다양한 주파수 공유 방안이 최근 활발히 논의되고 있다. 이와 더불어, 주파수 공유의 실효성 검증과 무선시스템의 성과 예측을 위해, 주파수 이용효율 측정의 중요성이 높아지고 있다. 본 연구에서는 전파자원 이용효율의 합리적 측정 방법을 제안한다. 국제전기통신연합(ITU) 권고안을 토대로 전파자원 이용효율의 다양한 측정 방법을 고찰하고, 대기행렬모형을 이용한 전파 자원 이용효율 측정의 대안 모델을 제시한다. 이를 통해, 주파수 공유 시 전파자원의 이용효율이 어느 정도 증대되는지를 합리적으로 예측할 수 있다.
The increasing demand for various mobile telecommunication services calls for more spectrum resource. Considering the scarcity of spectrum resource and the difficulties of development of higher frequency band, the unique way to meet the increasing demand is to maximize the utilization efficiency of ...
The increasing demand for various mobile telecommunication services calls for more spectrum resource. Considering the scarcity of spectrum resource and the difficulties of development of higher frequency band, the unique way to meet the increasing demand is to maximize the utilization efficiency of the current spectrum resource. Under the circumstances, various spectrum sharing plans have been in recent studies to dissolve the excess spectrum demand. In addition, spectrum efficiency measurement methods become more important to verify the effectiveness of spectrum sharing and estimate the performance of various wireless systems. Our research addresses measurement methods to estimate spectrum utilization efficiency in a rational manner. Based on ITU-R recommendations, various measuring methods for spectrum utilization efficiency are reviewed. Then a queueing based approach is newly presented as alternatives to the current models. By using the proposed model, the spectrum efficiency increment with the adoption of spectrum sharing plans can be estimated more properly.
The increasing demand for various mobile telecommunication services calls for more spectrum resource. Considering the scarcity of spectrum resource and the difficulties of development of higher frequency band, the unique way to meet the increasing demand is to maximize the utilization efficiency of the current spectrum resource. Under the circumstances, various spectrum sharing plans have been in recent studies to dissolve the excess spectrum demand. In addition, spectrum efficiency measurement methods become more important to verify the effectiveness of spectrum sharing and estimate the performance of various wireless systems. Our research addresses measurement methods to estimate spectrum utilization efficiency in a rational manner. Based on ITU-R recommendations, various measuring methods for spectrum utilization efficiency are reviewed. Then a queueing based approach is newly presented as alternatives to the current models. By using the proposed model, the spectrum efficiency increment with the adoption of spectrum sharing plans can be estimated more properly.
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문제 정의
이종의 무선시스템 간의 전파자원 공동 사용에 맞는 새로운 이용효율 측정 모델과 절차가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 대기행렬의 서버 이용률을 이용한 이용효율의 대안적 측정 방안을 제시하였다. 이는 주사용자와 부사용자의 공유 주파수 채널의 점유 시도 및 사용 시간에 대한 확률분포의 분석을 통해 전파자원의 이용률을 측정하는 방법이다.
본 연구는 ITU-R 권고안 SM.1046-2의 주파수 이용 효율성 정의와 다양한 측정 모델의 의미를 분석하고, 주파수 공유 상황에 적합한 전파자원 이용효율의 새로운 측정 모델과 절차를 제시한다.
본 연구에서는 ITU-R 권고안의 전파자원 이용효율성 정의와 다양한 측정 지표 그리고 측정 모델의 한계점 등을 살펴보았다. 주파수 자원의 희소성과 증가하는 무선 서비스의 수요를 고려하면, 수요에 대응할 수 있는 전파자원의 최적 공급방안은 기존의 전파자원 이용의 효율을 극대화하는 것이다.
이러한 측정 지표의 사용 예제로 시내지역의 셀기반 무선시스템의 SUE 를 추정해보자. 분자 부분의 유용한 효과를 전파자원을 통해 전송하는 트래픽 총량이라고 하고 각 무선시스템에 동일하게 적용되는 시간변수를 제외하면, (2)식을 다음과 같이 정의할 수 있다.
또한, 표준시스템의 SUE 를 기준으로 하여, 특정 무선시스템 및 전파자원 활용 방안에 대한 상대적 효율성을 비교할 수 있는 측정 방법을 제안한다. 이외에도 네트워크 환경과 구현되는 서비스 시스템의 형태에 맞는 다양한 전파자원 이용효율 측정 대안을 제시하여, 이용효율 측정가능성과 측정 결과의 정확성을 높이려 한다.
가설 설정
주사용자와 복수의 부사용자(전파자원을 공유하는 사용자의 총 수는 r 이라고 정의)를 대상으로 각각의서비스 요구 발생률과 서비스 시간 등을 다음의 기호로 정의한다. 계층의 순위를 나타내는 k 값이 작을수록 상위 계층의 고객(k = 1 인 경우는 주사용자)이라고 가정한다.
주파수 채널을 서버로 간주하기 때문에 공유되어지는 채널의 수에 따라 단일 서버(single server) 또는 복수 서버(multiple server)의 대기행렬모형으로 구분될 수 있다. 그런데 본 연구에서는 단일 채널에 대한 주파수 공유를 가정한다. 또한, 채널 점유를 통한 서비스 제공에 대한 우선순위 규칙에 있어 하위계층 사용자의 서비스 진행 중에도 상위계층 사용자의 요청에 따라 서비스를 중단하는 축출형(preemptive)과 진행 중인 서비스 완료까지 채널 점유를 허용하는 비축출형 (non-preemptive)으로 구분할 수 있다.
또한, 채널 점유를 통한 서비스 제공에 대한 우선순위 규칙에 있어 하위계층 사용자의 서비스 진행 중에도 상위계층 사용자의 요청에 따라 서비스를 중단하는 축출형(preemptive)과 진행 중인 서비스 완료까지 채널 점유를 허용하는 비축출형 (non-preemptive)으로 구분할 수 있다. 그런데, 데이터 통신을 위해 패킷을 전송 중인 부사용자의 서비스 도중에는 주사용자가 부사용자의 채널 점유를 뺏을 수 없다고 가정하여, 비축출형의 모델을 가정한다.
3 이라고 가정한다. 또한 전송 시간(주파수 점유시간) 의 2차 모멘트 값은 각각 1.7, 1.4, 1.2 이라고 가정한다.
주파수 채널을 공유하여 패킷을 전송하는 주사용자와 부사용자는 포아송 과정(poisson process)을 갖는 주파수 이용 패턴을 갖는다. 또한, 주사용자와 부사용자의 데이터 패킷 전송에 대한 서비스 시간은 특정 확률분포가 아닌 일반분포를 갖는다고 가정한다. 주사용자와 복수의 부사용자(전파자원을 공유하는 사용자의 총 수는 r 이라고 정의)를 대상으로 각각의서비스 요구 발생률과 서비스 시간 등을 다음의 기호로 정의한다.
주사용자는 하나이고, 부사용자의 수를 2개로 가정한다. 주사용자와 부사용자의 패킷 발생간격은 지수분포 형태를 갖고, 부사용자 1의 발생률(λ2)은 단위시간당 0.
1 이라고 정의한다. 패킷 전송에 대한 평균시간을 추정한 결과는 주사용자의 경우 1(단위시간), 부사용자 1은 0.5, 부사용자 2는 0.3 이라고 가정한다. 또한 전송 시간(주파수 점유시간) 의 2차 모멘트 값은 각각 1.
제안 방법
대기행렬을 이용한 주파수 자원 이용률의 측정과정이해를 위해 인지무선 기술을 응용한 주파수 공유에 대한 서버 이용률과 평균 대기시간의 수치 예제를 다음과 같이 제시한다.
1046-2 에서 제시된 전파자원 이용 효율 측정 모델은 주파수 이용지수(U)를 이용하여, 다양한 이용효율 측정 방안을 설명한다. 또한, 표준시스템의 SUE 를 기준으로 하여, 특정 무선시스템 및 전파자원 활용 방안에 대한 상대적 효율성을 비교할 수 있는 측정 방법을 제안한다. 이외에도 네트워크 환경과 구현되는 서비스 시스템의 형태에 맞는 다양한 전파자원 이용효율 측정 대안을 제시하여, 이용효율 측정가능성과 측정 결과의 정확성을 높이려 한다.
UWB와 달리 1차 업무와 동일한 수준의 출력으로도 주파수 공유가 실현될 수 있다. 우리나라 전파법 제6조에서는 주파수 공유라는 용어대신 주파수 공동사용이라는 용어를 채택하고 있으나, 현실적으로 주파수 공유라는 용어가 일반적으로 사용되고 있음을 고려하여 본 논문에서는 두 가지 용어를 동일한 의미로 사용하기로 한다.
이에 다음 장에서는 우선순위 이용자에게 이용권한이 있으나 사용하지 않고 있는 주파수 채널에 접근하여 해당 주파수 채널을 통해 특정 무선서비스를 제공하는 자원 운용 상황을 대기행렬모형으로 분석하여, 주파수 공유를 고려한 전파자원 이용효율의 측정 방안을 제시한다.
성능/효과
주사용자의 패킷 발생이 빈번해지거나, 패킷 전송에 소요되는 시간이 길어지면 주파수 채널의 이용률과 주 사용자 패킷 전송에 대한 평균 지연시간이 늘어남을 확인할 수 있다. 그런데 주파수 채널을 이용하는 주사용자의 주파수 접근이 증가하거나, 주사용자의 전송 패킷 사이즈가 큰 경우, 부사용자들과 주파수 자원 공유에 있어 평균 지연시간이 데이터 패킷 전송에 대한 허용 시간 기준치를 충족할 수 있는지를 따져봐야 한다.
그런데 주파수 채널을 이용하는 주사용자의 주파수 접근이 증가하거나, 주사용자의 전송 패킷 사이즈가 큰 경우, 부사용자들과 주파수 자원 공유에 있어 평균 지연시간이 데이터 패킷 전송에 대한 허용 시간 기준치를 충족할 수 있는지를 따져봐야 한다. 특히, 전파자원 이용률은 패킷 발생률과 평균 전송 시간에 비례하여 증가하지만, 전송서비스에 대한 평균 대기시간이 길어져 QoS 기준치를 충족하지 못할 가능성이 높아짐을 알 수 있다.
1046-2 [10] 는 특정 무선 서비스에 사용되는 주파수 대역의 특성, 무선 네트워크의 관리 방법, 무선 서비스에 이용되는 송수신기 및 안테나의 기술적 특성 등 여러 요인들이 전파자원 이용효율에 큰 영향을 미친다는 것을 확인하고, 무선 서비스 관련 신기술 또는 개선된 기술들의 최적화를 통해 효율성을 증대시키는 방안을 분석하였다. 특히, 주파수 이용 효율(spectrum utilization efficiency) 에 대한 측정방법을 다양한 수식 모델로 제시함으로써, 전파자원 활용 시스템과 이용 방식에 적합한 효율성 측정 방안을 선택할 수 있게 하였다.
후속연구
본 연구의 결과는 전파자원 이용효율의 객관적 측정을 가능하게 하여, 주파수 공유를 비롯한 다양한 전파자원 활용방안의 성과를 예측해 볼 수 있을 것이다. 객관적인 전파자원의 이용효율 측정 결과는 주파수 대역의 발굴 및 재배치 등의 주요 전파정책 결정과정에서 중요한 역할을 수행할 것이다. 또한 주파수 이용효율에 대한 객관적 검증을 통해 유휴대역의 용도 전환 및 주파수 공유를 실현하여 주파수 초과 수요에 대응할 수 있고, 신규 무선 서비스의 발굴과 성장을 촉진시킬 수 있다.
본 연구의 결과는 전파자원 이용효율의 객관적 측정을 가능하게 하여, 주파수 공유를 비롯한 다양한 전파자원 활용방안의 성과를 예측해 볼 수 있을 것이다. 객관적인 전파자원의 이용효율 측정 결과는 주파수 대역의 발굴 및 재배치 등의 주요 전파정책 결정과정에서 중요한 역할을 수행할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
주파수 활용도는 무엇을 대상으로 하여 측정하는가?
주파수 활용도는 사용되어지는 주파수 대역과 특정 무선시스템 서비스 범위 내의 모든 사용자를 대상으로 하여 측정된다. 식(7)의 분자부분에는 n번째 서비스 이용자가 사용하는 무선신호의 범위 R(n)와 bps로 측정 되는 전송용량 D(n)/T(n) 의 파라미터가 포함되어 있다.
상대 주파수 이용효율 측정의 이점은 무엇인가?
상대 주파수 이용효율 측정의 이점은 특정 시스템의 전파자원 이용효율을 보다 쉽게 구할 수 있다는 점이다. 이는 유사한 서비스를 제공하는 무선 시스템의 전파자원 이용효율 계산과정에서 다수의 공통적인 측정 변수들이 존재하기 때문이다.
전파자원의 희소성을 고려했을 때, 늘어나는 무선 통신 서비스를 위한 추가적인 주파수 확보가 더욱 어려운 이유는 무엇인가?
그러나 전파자원의 희소성을 고려했을 때, 늘어나는 무선 통신 서비스를 위한 추가적인 주파수 확보는 더욱 어려워질 전망이다. 이는 통신망 구축에 필수적인 매크로셀에 적합한 대부분의 주파수 대역이 이미 통신용으로 할당되어, 무선 서비스의 확대 성장에 대응할 수 있는 추가 전파자원의 공급에는 한계가 존재하기 때문이다. 이러한 무선통신의 수요 증가와 주파수 공급의 한계에 따라 전파자원의 효율적 활용에 대한 중요성이 강조되고 있다.
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