[논문]5G/IoT 시대의 밀리미터파 대역 전파전파 기술동향 (Harmonized Site-General Path Loss 모델 개발)

김종호; 윤영근; 김명돈; 정영준

5G/IoT 시대의 밀리미터파 대역 전파전파 기술동향 (Harmonized Site-General Path Loss 모델 개발) 원문보기

電磁波技術 : 韓國電磁波學會誌 = The Proceedings of the Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.28 no.4, 2017년, pp.45 - 53

김종호 (한국전자통신연구원) , 윤영근 (한국전자통신연구원) , 김명돈 (한국전자통신연구원) , 정영준 (한국전자통신연구원)

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문제 정의

우선 통합 모델은 경로손실 지수, 옵셋 및 주파수 의존지수를 포함하는 ABG 모델로 합의하였다. 또한 주파수 대역별 통계적 모델을 도출하기 위하여 측정결과 데이터의 수량을 균일하게 만들기 위한 데이터 서브샘플링 방법을 채택하는데 합의하였다. 여기서 서브샘플링 방법으로서 한국이 분석 결과를 통해 제기한 “로컬 미디언” 방법을 활용하기로 합의하였다.
이번에 완성된 밀리미터파 대역에서 사용할 수 있는 통합된 사이트 일반 경로손실 표준모델은 6～38 GHz까지 한국의 각 도심지역(서울, 광주, 대전 등) 전파환경 측정 자료를 토대로 개발되었다. 또한 해당 모델은 일본(0.8～37 GHz, 도심), 영국(27～73 GHz) 및 인텔 등 여러 국가나 산업체에서 측정한 자료들을 한국이 주도하여 통합한 모델로써 한국의 국제적 위상을 높였을 뿐만 아니라, 향상된 역량을 함께 보여줄 수 있는 기회가 되었다. 이러한 성과는 향후 20 Gbps 이상의 데이터 전송이 가능하고, 100만 개 이상의 IoT 등 고밀도(핫스팟) 지역의 초 광대역 서비스 등 차세대 전파통신 시스템 개발 및 주파수 활용에 원활히 적용할 수 있도록 기초를 다진 것으로 볼 수 있다.

제안 방법

전파모델은 무선전파 환경 변화에 따라 새롭게 지속적으로 개발되어 왔다. 고정통신부터 시작해서 초기 2세대(2G) 이동통신을 거쳐 디지털로 변환되고, 3세대/4세대(3G/4G)를 위한 초고속통신과 핫스팟 환경에 대응하기 위하여 적용되는 전파모델로 변화하였다. 이를 위해 선진국들은 일찍부터 측정을 통한 실험적 전파모델을 개발하는데 많은 시간과 자본을 투입하였다^[1]～[4].
만약, 해당 대역이 미사용 중이면 서로 인접한 대역의 간섭분석을 통해 적절한 보호대역을 설정하고 사용할 수 있다. 그러나 할당 예정 대역에서 이미 다른 서비스가 사용되고 있으면, 주파수 공유 분석을 통해 공동사용이 가능한가를 검토 후, 공유가 가능한 경우에 한하여 인접대역과 간섭분석을 실시하여 적절한 보호 대역을 산정한다.
지붕 아래와 지붕 위 전파 경로를 모두 고려하기 위해 송신 안테나를 설치하였지만, 다른 국가에 비해 많은 데이터들을 확보하지 못하였다. 따라서 한국은 주파수 대역에 따라 도출되는 모델의 계수가 통합 수집된 데이터 량에 따라 데이터 량이 많은 주파수 쪽으로 치우칠 수 있는 문제점을 제기하였으며, 이에 다른 국가들이 제출한 주파수별 데이터 샘플수를 최소 영국의 데이터 량에 맞추도록 서브샘플링 방법을 제안하였다.
측정 거리 사용 범위에 대해서도 여러 문제가 있었지만, 모든 주파수에서 공통된 거리에 측정 데이터가 존재할 경우, 가장 신뢰성이 있다는 한국의 제안을 받아들였다. 마지막으로 도심과 부도심의 데이터 통합에 대해서는 각 환경에 대한 전파 특성이 매우 다를 수 있으므로 각 환경을 따로 분석 후 비슷한 특성이 나타날 경우에는 데이터를 통합하는 방향으로 합의하였다.
전파 특성 측정시스템의 송신기 기저대역 모듈에서 생성된 500 MHz 대역의 측정용 PN(Pseudo Noise) 신호는 TRXM 및 RFM을 거쳐 28 및 38 GHz RF 주파수로 상향 변환된 후, 송신용 혼 안테나를 통해 송출된다. 수신기에서는 안테나를 통해 수신된 RF 신호로부터 상호 상관된 CIR(Channel Impulse Response) 응답 신호로 변환하고, 기저대역 모듈에서 A/D(Analog to Digital Convert) 변환을 통해 데이터를 획득 및 저장하도록 개발되었다. <표 1>은 개발된 전파특성 측정시스템의 제원을 나타내며, [그림 2]는 28 및 38 GHz 대역 광대역 송수신 전파 측정시스템의 송신기와 수신기를 각각 설치하여 측정하는 모습을 보여준다.
여기서 서브샘플링 방법으로서 한국이 분석 결과를 통해 제기한 “로컬 미디언” 방법을 활용하기로 합의하였다.
그리하여 한국이 CG 3K-6 그룹의 온라인 모임을 주도하기로 하였으며, 총 5회에 걸친 컨퍼런스 콜과 전자우편 연락망을 통해 통합 모델 개발을 위한 방법론을 논의하였으며, 다음과 같은 여러 가지 쟁점 사항들에 대하여 합의된 결론을 이끌었다^[25]. 우선 통합 모델은 경로손실 지수, 옵셋 및 주파수 의존지수를 포함하는 ABG 모델로 합의하였다. 또한 주파수 대역별 통계적 모델을 도출하기 위하여 측정결과 데이터의 수량을 균일하게 만들기 위한 데이터 서브샘플링 방법을 채택하는데 합의하였다.
이에 따라 한국전자통신연구원에서는 2014년부터 ‘모바일 빅뱅 시대의 주파수 효율 개선 핵심기술 개발’을 통해 관련 전파모델을 개발하기 시작하였다^[12]. 해당 사업에서 28 및 38 GHz에서 동작하고, 채널대역폭 500 MHz의 광대역 전파 특성을 측정 및 분석하기 위한 장치를 개발하여 전파측정 캠페인을 통해 다양한 실측 데이터를 획득하였다.

대상 데이터

이번에 완성된 밀리미터파 대역에서 사용할 수 있는 통합된 사이트 일반 경로손실 표준모델은 6～38 GHz까지 한국의 각 도심지역(서울, 광주, 대전 등) 전파환경 측정 자료를 토대로 개발되었다. 또한 해당 모델은 일본(0.
1 GHz 대역에서 주로 도심지역을 중심으로 측정을 수행하였으며, 주파수 의존성을 고려한 alpha-beta-gamma(ABG) 모델을 제안하였다. 일본은 한국에서와 같이 전방향 수신 안테나를 사용했을 뿐 아니라, 약 500 m까지의 장거리에서도 측정 데이터를 확보하였다. 그러나 타 국가들이 500 MHz 이상 광대역 신호를 이용하여 측정을 수행한 것에 비해 협대역 CW(Continuous Wave) 신호를 이용하여 측정을 수행하였으며, 제시된 측정데이터들 중 일부는 SNR(Signal to Noise Ratio)이 매우 낮은 조건의 데이터를 포함하고 있다는 문제점이 제기되었다.

성능/효과

따라서 특정 환경 및 전파 경로 기준으로 개발된 ‘site-specific(사이트 한정)’ 모델보다 일반화가 가능한 환경 및 전파경로 기준으로 개발된 통계적인 ‘site-general(사이트 일반)’ 모델이 더 적합하다.

후속연구

여기에 나온 경로손실 예측 모델은 다양한 전파환경(도심, 부도심, 주택지, 초고층, 고층, 저층 등)과 지붕 위(over roof-top), 지붕 아래(below roof-top) 등과 같은 기지국의 높이와 전파 전달경로에 따른 분류로 나누어졌으며, 각 분류별로 별도의 전파 예측 모델 수식들이 개발되어 있다. 그러나 향후 IMT-2020(5G) 신규의제에 사용될 수 있는 전파모델의 경우, 24.25～86 GHz 범위에 적용 가능한 모델 개발이 더 필요하게 되지만, 현재의 ITU-R 권고 P.1411에 포함된 경로손실 모델은 도심, 지붕 아래의 경우 최대 16 GHz까지 적용 가능하며, 부도심, 지붕 위의 경우는 최대 20 GHz까지만 가능하며, 주택지는 최대 26 GHZ까지 적용 가능하고 그 이상의 주파수에 대해서는 적용할 수 없었다.
8～37 GHz, 도심), 영국(27～73 GHz) 및 인텔 등 여러 국가나 산업체에서 측정한 자료들을 한국이 주도하여 통합한 모델로써 한국의 국제적 위상을 높였을 뿐만 아니라, 향상된 역량을 함께 보여줄 수 있는 기회가 되었다. 이러한 성과는 향후 20 Gbps 이상의 데이터 전송이 가능하고, 100만 개 이상의 IoT 등 고밀도(핫스팟) 지역의 초 광대역 서비스 등 차세대 전파통신 시스템 개발 및 주파수 활용에 원활히 적용할 수 있도록 기초를 다진 것으로 볼 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	5G/IoT 시대에는 어떤 서비스 제공을 목표로 하고 있는가?	5G/IoT 시대에는 유무선 통합 All-IT(All-Information Technology) 기반으로 4G 대비 1,000배 용량 증대 및 에너지 절감, 언제 어디서나 개인당 Gbps급의 체감 속도 제공, 대규모 디바이스의 수용 등의 서비스 제공을 목표로 하고 있다. 구체적으로는 초고용량 영상 콘텐츠가 보편화되어 홀로그램 서비스로 확대될 것이고, 생각하는 순간 반응하는 양방향 초실시간 서비스가 실현되며, 실시간 원격 제어 서비스가 활성화될 것이고, 본격적으로 완전한 자율 주행시대가 도래할 것으로 예상되고 있다.
	신규 무선 서비스를 위해 필요한 것은 무엇인가?	새로운 무선서비스가 등장하면 이를 위한 후보 주파수 대역의 전파특성을 확인하고, 기존 주파수 대역을 공동 사용하거나, 새로운 주파수 대역으로 할당이 가능한지 고려해야 한다. 신규 무선 서비스를 위해 적절한 주파수 대역을 선정하기 위해서는 해당 서비스와 주파수 분배의 용도가 서로 같아야 하고, 할당하려는 대역에 기존의 다른 서비스가 사용 중인가를 확인하는 작업이 우선적으로 필요하다. 만약, 해당 대역이 미사용 중이면 서로 인접한 대역의 간섭분석을 통해 적절한 보호대역을 설정하고 사용할 수 있다.
	신규 무선 서비스를 위해 할당 예정 대역에서 이미 다른 서비스가 사용되고 있으면 어떻게 조치하는가?	만약, 해당 대역이 미사용 중이면 서로 인접한 대역의 간섭분석을 통해 적절한 보호대역을 설정하고 사용할 수 있다. 그러나 할당 예정 대역에서 이미 다른 서비스가 사용되고 있으면, 주파수 공유 분석을 통해 공동사용이 가능한가를 검토 후, 공유가 가능한 경우에 한하여 인접대역과 간섭분석을 실시하여 적절한 보호 대역을 산정한다.

참고문헌 (25)

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