[논문]위성/지상 겸용망에서 위성 업링크 간섭 분석

강군석; 홍태철; 김희욱; 구본준; 장대익

위성/지상 겸용망에서 위성 업링크 간섭 분석
Analysis on Satellite Uplink Interference for Satellite/Terrestrial Integrated System 원문보기

통신위성우주산업연구회논문지 = The Journal of Korea Society of Communication and Sapce Technology, v.9 no.1, 2014년, pp.107 - 114

강군석 (한국전자통신연구원 위성휴대방송통신연구실) , 홍태철 (한국전자통신연구원 위성휴대방송통신연구실) , 김희욱 (한국전자통신연구원 위성휴대방송통신연구실) , 구본준 (한국전자통신연구원 위성휴대방송통신연구실) , 장대익 (한국전자통신연구원 위성휴대방송통신연구실)

초록
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2.1GHz 위성 주파수 대역은 상향 1980-2010 MHz, 하향 2170-2200MHz의 주파수 대역으로 위성 IMT를 포함한 위성이동통신 뿐만아니라 이동통신용으로 사용 가능하도록 규정되어 있으며, 지상 IMT 대역과 인접한 넓은 대역폭을 이용하여 광대역 서비스를 제공할 수 있어, 최근 국제적으로 위성/지상 겸용으로 활용하기 위한 연구들이 진행되고 있다. 위성/지상 겸용망의 효율적인 주파수 활용으로 광대역 멀티미디어 서비스 제공과 공공 안전 및 재난 구호 서비스 제공할 수 있다. 위성과 지상이 동일한 주파수 대역을 활용하여 상호간 서로 재사용하기 위해서는 위성 사용자와 지상 사용자 간의 간섭 조정이 필요하다. 이러한 망간 간섭은 위성/지상 겸용망의 설계에 있어서 가장 중요한 요소라고 할 수 있다. 본 논문에서는 위성통신시스템과 지상통신시스템이 주파수 자원을 공유하여 활용하는 위성/지상 겸용망 시스템에서 위성 업링크에서 지상 단말들로부터 받는 업링크 간섭에 대해 분석하고 위성/지상 겸용망의 업링크 간섭을 완화하기 위한 방안을 살펴본다.

Abstract ▼ AI-Helper

The satellite 2.1 GHz frequency bands, 1980-2010 MHz and 2170-2200MHz are allocated for mobile satellite service including satellite IMT, while it does not preclude the use of these bands for mobile services. The concept of an integrated satellite/terrestrial network has been introduced in worldwide because the terrestrial use in these bands adjacent to existing terrestrial IMT bands is attractive to provide mobile broadband services. The integrated satellite/terrestrial infrastructure with a high degree of spectrum utilization efficiency has the ability to provide both multimedia broadband services and public protection and disaster relief solutions. In addition, it is required to consider interference issues between the terrestrial and satellite components in order to reuse the same frequency band to both satellite and terrestrial component. This paper analyzes the interference for satellite uplink in the satellite/terrestrial integrated system and the interference reduction scheme for satellite uplink interfered by terrestrial user equipment.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 위성 주파수 대역의 효율적인 활용을 위한 위성/지상 겸용망에서 위성빔 내부의 무수히 많은 지상 단말로부터 위성으로의 동일 채널 업링크 간섭에 대해 분석하고, 이러한 간섭을 완화시켜 위성단말의 수신 성능을 향상시킬 수 있는 기법을 살펴보았다. 위성 업링크 간섭의 경우 Exclusive zone 설정, 지상단말의 송신전력 제한과 같은 방법을 적용하여 간섭량을 감소시킬 수 있음을 시뮬레이션을 통해 분석하였다.
본 논문에서는 위성/지상 겸용망 시스템의 위성 업링크에서 지상 단말 (User Equipment, UE)들에 의한 간섭에 대해 분석하고 이를 완화하기 위한 방법을 분석한다. 위성 업링크의 경우 위성이 수신하는 주파수와 동일한 주파수를 사용하는 인접 위성빔 영역에 존재하는 무수히 많은 지상 사용자 단말로부터 간섭이 발생하게 된다.
그림 5에서처럼 EZ 설정을 하게 되면 위성빔의 경계(-3dB beam width)에서 일정 범위 내에 위치한 지상셀에서 해당 위성빔의 사용 주파수를 지상 단말에 할당하지 않게 된다. 위성빔의 경계에 있는 지상 단말에 의한 송신 신호가 업링크 간섭에 가장 큰 영향을 미치게 되므로 EZ 설정에 따라 해당 영역에서 위성빔에서 사용하는 RB에 대해 할당을 제한하여 간섭원을 제거하는 것이다.

가설 설정

3°로 하였다. 지상부문의 파라미터들은 지상 LTE 파라미터들을 차용하였으며[11], 지상셀 반지름의 경우 평균적인 지상셀 크기로 가정하여 1km로 설정하였다. 간섭분석에 사용될 위성 안테나 빔 패턴은 ITU-R S.

제안 방법

EZ 설정에 따른 위성 업링크에 수신 간섭을 시뮬레이션을 통해 분석하였다. 먼저 그림 7에 EZ width가 -6.
위성 주파수 대역을 지상 시스템에서 재사용하는 시나리오에는 여러 가지가 있을 수 있다. 본 논문에서는 그림 1과 같이 전체 위성 주파수 대역을 주파수 재사용율에 의해 각각의 위성빔에 일정대역씩 주파수를 할당하고 해당 위성빔이 사용하는 주파수 대역을 제외한 나머지 주파수 대역을 지상 시스템에서 재사용하는 방식을 고려한다.
이러한 방식으로 EZ 영역 내부의 지상셀에 주파수 자원 할당을 제외하게 되면 지상망에서 사용할 수 있는 자원이 줄어들게 된다. 시뮬레이션을 통해 이러한 방식을 적용한 경우 위성 업링크 간섭과 지상망에 할당되는 주파수 자원에 대해 분석하였다.
본 논문에서는 위성 주파수 대역의 효율적인 활용을 위한 위성/지상 겸용망에서 위성빔 내부의 무수히 많은 지상 단말로부터 위성으로의 동일 채널 업링크 간섭에 대해 분석하고, 이러한 간섭을 완화시켜 위성단말의 수신 성능을 향상시킬 수 있는 기법을 살펴보았다. 위성 업링크 간섭의 경우 Exclusive zone 설정, 지상단말의 송신전력 제한과 같은 방법을 적용하여 간섭량을 감소시킬 수 있음을 시뮬레이션을 통해 분석하였다. 그리고 위성/지상 겸용망에서 위성 단말의 업링크 수신이 가능한 최대 수용 가능한 간섭량이 결정되면 이에 따른 지상간섭에 의해 수용 가능 지상 단말 수가 결정될 수 있음을 보였다.
위성/지상 겸용망에서 지상 단말들에 의한 위성 업링크 간섭을 분석하기 위해 LTE 기반의 시뮬레이터를 구현하였다. 시뮬레이터의 구성은 위성 부문과 지상부문으로 이루어져 있으며 각각의 세부 구성을 표 1에 나타내었다.
위성부문 파라미터에서 위성빔의 수는 간섭 영향을 충분히 반영하기 위해 19개로 설정하였고, 3dB 빔폭의 경우 20m 급 위성 안테나를 고려하여 0.3°로 하였다.
그림 4에 지상단말에 의한 위성 업링크 간섭분석 결과를 나타내었다. 지상단말은 중심의 0번 위성빔과 동일 주파수를 사용하는 위성빔을 제외한 나머지 위성빔에서 uniform하게 발생시켰으며, 업링크 간섭은 0번 위성빔에 대해 측정하였다. 그림 4의 간섭분석 결과에서 지상 단말로부터 위성 업링크 간섭이 심각함을 알 수 있다.

대상 데이터

지상부문의 파라미터들은 지상 LTE 파라미터들을 차용하였으며[11], 지상셀 반지름의 경우 평균적인 지상셀 크기로 가정하여 1km로 설정하였다. 간섭분석에 사용될 위성 안테나 빔 패턴은 ITU-R S.672-4[8]를 통해 권고하고 있는 FSS(Fixed Satellite Service)용 안테나 빔 패턴을 사용하였다. 현재 ITU-R 권고에 MSS(Mobile Satellite Service)용 안테나 빔 패턴은 정의된 것이 존재하지 않고, MSS용 간섭분석 등에서 FSS 안테나 빔 패턴을 이용하고 있다.

성능/효과

최근 주파수 재사용이 가능한 다중빔 위성으로 인해 양방향 이동위성통신 시스템에 대한 연구들이 활발히 진행되고 있다. 2.1GHz 위성 주파수 대역은 국제적으로 위성통신뿐만 아니라 이동통신용으로 사용 가능하도록 규정되어 있으며 지상 IMT 대역과 인접한 60MHz의 넓은 대역폭을 이용하여 3G뿐만 아니라 4G 등 다양한 기술 적용이 가능하다. 국제적으로 모바일 광대역 서비스 제공 및 공공니즈를 해소하기 위한 위성/지상 겸용으로 활용하는 추세이며[1-5], 국내에서는 개인휴대단말의 경량화, 소량화가 가능한 S대역 주파수를 활용하여 지상망의 가용 주파수 확보 및 이동통신의 음영지역을 최소화하여 안전사고 등 위기사항 발생 시 국민의 생명과 안전을 보호하기 위해 2.
그림 10과 그림 11에 위성 업링크 간섭원인 단일 RB에 대한 동시 사용 지상 단말의 수가 각각 2,000대, 8,000대 일 때 위성 업링크 간섭에 의한 수신 CINR을 나타내었다. EZ width 영역이 3dB 커질 때 지상 단말로 부터의 간섭이 1/2로 감소하게 되므로 지상 단말의 수가 2,000대이고 EZ 설정이 없는 경우와 지상 단말의 수가 8,000대이고 EZ width가 -9.0dB인 경우의 CINR 특성이 거의 일치함을 알 수 있다.
그림 4의 간섭분석 결과에서 지상 단말로부터 위성 업링크 간섭이 심각함을 알 수 있다. INR 측면에서 간섭원인 지상 단말의 수가 2배 증가할 때 간섭량은 약 3dB씩 증가하는 것을 확인할 수 있다.
위성 업링크 간섭의 경우 Exclusive zone 설정, 지상단말의 송신전력 제한과 같은 방법을 적용하여 간섭량을 감소시킬 수 있음을 시뮬레이션을 통해 분석하였다. 그리고 위성/지상 겸용망에서 위성 단말의 업링크 수신이 가능한 최대 수용 가능한 간섭량이 결정되면 이에 따른 지상간섭에 의해 수용 가능 지상 단말 수가 결정될 수 있음을 보였다. 추후 위성/지상 겸용망에서 업링크 간섭량에 다른 위성의 지상 단말의 수용 범위 등 추가적인 연구가 필요할 것으로 보인다.
그림 6에서 파란색으로 표시된 영역은 전체 125RB 중 125RB 모두를 활용 가능함을 나타내고, 녹색은 100RB를 활용 가능함을, 노란색은 75RB를 활용 가능함을, 주황색은 50RB를 활용 가능함을, 붉은색은 25RB를 활용 가능함을 나타낸다. (Blue : 125 RB, Green : 100 RB, Yellow : 75 RB, Orange : 50 RB, Red : 25 RB)
그림 15에서 위성단말의 수신 CINR, 즉 지상단말에 의한 간섭은 지상단말의 총 송신 전력과 관련 있음을 알 수 있다. 즉 이웃한 위성빔 영역 내부에 존재하는 동일한 RB를 사용 하는 지상단말의 수와 이들의 평균 송신전력에 의해 간섭이 결정된다는 것을 확인 할 수 있다. 따라서 위성/지상 겸용망에서 위성 단말의 업링크 송수신이 가능한 최대 수용 가능한 간섭량이 결정되면 이에 따른 지상망에서 총 간섭량이 결정되고, 총 간섭량에 의해 평균 송신 전력에 따른 수용 가능 지상 단말 수가 결정될 수 있을 것이다.
그림 13에 지상단말 최대송신전력 제한에 따른 업링크 간섭 분석 결과를 나타내었다. 지상단말의 최대송신전력 제한에 따라 평균 송신전력이 낮아지게 되어 간섭 또한 줄어드는 것을 확인 할 수 있다.
표 2에서 EZ 영역을 크게 할수록 지상기지국의 업링크 RB 활용율이 감소하는 것을 확인 할 수 있다.

후속연구

이렇게 최대 송신전력을 제한하게 되면 기지국에서 수신하는 SINR이 낮아지게 되므로, 송신전력이 제한된 지상 단말의 경우 전송율이 보다 낮은 MCS (Modulation and Coding scheme)을 사용하는 방식으로 적용할 수 있을 것이다.
그리고 위성/지상 겸용망에서 위성 단말의 업링크 수신이 가능한 최대 수용 가능한 간섭량이 결정되면 이에 따른 지상간섭에 의해 수용 가능 지상 단말 수가 결정될 수 있음을 보였다. 추후 위성/지상 겸용망에서 업링크 간섭량에 다른 위성의 지상 단말의 수용 범위 등 추가적인 연구가 필요할 것으로 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	2.1GHz 위성 주파수 대역은 어떻게 규정되어 있는가?	2.1GHz 위성 주파수 대역은 상향 1980-2010 MHz, 하향 2170-2200MHz의 주파수 대역으로 위성 IMT를 포함한 위성이동통신 뿐만아니라 이동통신용으로 사용 가능하도록 규정되어 있으며, 지상 IMT 대역과 인접한 넓은 대역폭을 이용하여 광대역 서비스를 제공할 수 있어, 최근 국제적으로 위성/지상 겸용으로 활용하기 위한 연구들이 진행되고 있다. 위성/지상 겸용망의 효율적인 주파수 활용으로 광대역 멀티미디어 서비스 제공과 공공 안전 및 재난 구호 서비스 제공할 수 있다.
	2.1GHz 위성 주파수 대역는 어떠한 서비스를 제공할 수 있는가?	2.1GHz 위성 주파수 대역은 상향 1980-2010 MHz, 하향 2170-2200MHz의 주파수 대역으로 위성 IMT를 포함한 위성이동통신 뿐만아니라 이동통신용으로 사용 가능하도록 규정되어 있으며, 지상 IMT 대역과 인접한 넓은 대역폭을 이용하여 광대역 서비스를 제공할 수 있어, 최근 국제적으로 위성/지상 겸용으로 활용하기 위한 연구들이 진행되고 있다. 위성/지상 겸용망의 효율적인 주파수 활용으로 광대역 멀티미디어 서비스 제공과 공공 안전 및 재난 구호 서비스 제공할 수 있다.
	위성 사용자와 지상 사용자 간의 간섭은 어떠한 설계에서 가장 중요한 요소인가?	위성과 지상이 동일한 주파수 대역을 활용하여 상호간 서로 재사용하기 위해서는 위성 사용자와 지상 사용자 간의 간섭 조정이 필요하다. 이러한 망간 간섭은 위성/지상 겸용망의 설계에 있어서 가장 중요한 요소라고 할 수 있다. 본 논문에서는 위성통신시스템과 지상통신시스템이 주파수 자원을 공유하여 활용하는 위성/지상 겸용망 시스템에서 위성 업링크에서 지상 단말들로부터 받는 업링크 간섭에 대해 분석하고 위성/지상 겸용망의 업링크 간섭을 완화하기 위한 방안을 살펴본다.

참고문헌 (11)

H. W. Kim, K. Kang and D-S Ahn, "OFDMA based mobile satellite communication applying fractional frequency reuse technique,"27th AIAA International communications Satellite System Conference, June 2009.
V. Deslandes, J. Tronc and A-L Beylot, "Analysis of interference issues in Integrated Satellite and Terrestrial Mobile Systems,"5th Advanced satellite multimedia systems conference and the 11th signal processing for space communications workshop, pp. 256-261, 2010.
V. Deslandes, J. Tronc and A-L Beylot, "Frequency sharing implementation in LTE-based integrated satellite-terrestrial system,"29th AIAA International communications Satellite System Conference, japan, nov. 2011.
A. B. Awoseyila and B. G. Evans, "On achieving optimum C/I in satellite-terrestrial frequency sharing networks,"29th AIAA International communications Satellite System Conference, japan, nov. 2011.
M. Umehira, "Faesibility of frequency sharing in satellite/terrestrial integrated mobile communication system,"29th AIAA International communications Satellite System Conference, japan, nov. 2011.
강군석, 홍태철, 김희욱, 구본준, "위성/지상 겸용망에서 위성 다운링크 수신단말 간섭완화 기법,"통신위성우주산업연구회논문지, vol. 8, no. 4, pp.81-88, 2013.

원문보기 상세보기
ITU-R Report M.2041, Sharing and adjacent band compatibility in the 2.5 GHz band between the terrestrial and satellite components of IMT 2000"
ITU-R Recommendation S.672-4, Satellite antenna radiation pattern for use as a design objective in the fixed-satellite service employing geostationary satellites"
C. Loo, "Statistical model for land mobile satellite link," IEEE trans. Veh. Technol., vol. 34, pp. 122-127, Aug. 1985

상세보기
F. P. Fontan, M. V-Castro, C. E. Cabado, J. P. Garcia, and E. Kubista, " Statistical modeling of LMS channel," IEEE trans. Veh. Technol., vol. 50, no. 6, pp. 1549-1567, Nov. 2001

상세보기
3GPP TR 36.942 V10.3.0, 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Radio Frequency (RF) system scenarios (Release 10), 2012-06.

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표제어: PCR

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용어 설명 출처 목록 (6)

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