해피레포트 - [테마특강]이동통신 중계기시스템 기술 현황

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[테마특강]이동통신 중계기시스템 기술 현황

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이동통신 서비스의 급속한 발달에 따라 이제 까지 비수요 지역으로 이동통신 서비스가 완전하게 제공되지 못했던 산간 벽지, 낙도, 도심 전파 사각지대, 지하철, 터널, 아파트 단지 등에서도 고품질의 서비스를 원하고 있다. 그러나 통신 사업자가 전파 사각 지역에 기지국 증설을 위해 막대한 투자를 하는 것은 잘못하면 통신 사업자의 경영수지를 악화시키고 국가적으로도 막대한 투자 비효율성으로 손실을 초래할수 있다. 이의 대응 방안으로 저렴한 비용에 높은 통신품질과 서비스 범위를 개선할 수 있는 ‘중계시스템’이 활용되고 있다. 최근 1인 1휴대폰 시대가 도래하면서 그 밑거름이 되었던 과학 기술 분야를 살펴보면 대표적으로 셀룰러 개념의 도입, 무선 전송기술의 발전(CDMA의 상용화), 광 전송기술의 발전 등을 들 수 있다. 셀룰러의 개념은 무선통신의 가장 큰 제약성인 주파수 스펙트럼의 한정으로 인한 통화 용량부족 및 통화 품질 문제를 모든 지역을 셀이라는 단위로 나누어 주파수 재사용 효율을 높임으로써 무선 이동통신 발전의 계기를 마련했으며 무선 전송기술의 발전은 무선통신 시스템의 디지털화라는 점에서 발전의 계기를 마련했다. 이동통신 시스템의 디지털화는 기존 아날로그 시스템의 시스템 용량 한계와 취약한 보안성 등 품질 문제에 대한 방안으로 강구되었으며 그 결과로 TDMA, GSM, CDMA 등 많은 방식이 등장하게 됐다. 광전송기술의 발전은 교환망의 고속화 및 광전 변환기술의 발전으로 망구현 기술의 발전에 이바지했다. 국내에선 90년대에 CDMA 무선 이동전화 서비스가 상용화되면서 그 수요는 소수 계층에 국한되어 있었다. 또 무선망 환경도 수요지역이 제한적이었다. 그러나 점진적으로 무선 이동전화 서비스가 대중화됨에 따라 사업자의 무선망 환경도 보다 넓은 지역과 시스템 용량의 확대가 절실히 요구되기 시작했으며, 우리나라의 지형적 특성과 인구 밀집도의 특수성으로 인해 최적의 무선환경을 설계하는데 있어서 많은 음영지역에 대한 대책이 필요하게 됐다. 여기서 음영 지역이라 함은 기지국과 단말기간의 전파통로가 단절된 지역을 의미한다. 즉, 건물이나 지형에 의하여 전파가 도달되지 못하는 지역을 말한다. 이러한 음영지역의 해소를 위해서는 기지국을 추가로 설치하거나 중계기를 이용해 무선 망을 설계하게 된다. 성능면에서는 기지국이 월등히 중계기 보다는 좋은 특성을 갖는다. 그러나 표 1에서 보는 바와 같이 비용면에서 기지국은 중계기에 비해 비용이 많이 드는 단점이 있다. 소규모 음영지역을 해소하기 위해서는 기지국의 설치라는 점이 비용 및 성능 측면에서 과다 투자될 수 있다는 점도 간과할 수 없기때문에 무선망 설계 및 서비스 사업자는 음영지역 해소 방안을 중계기로 해결하는 경우가 일반적이다. 여기서 중계기의 동작원리 및 구조에 대해서 알아 보면 다음과 같다. 중계기란 산이나 빌딩 혹은 기타 지형지물로 인한 전파 차단 지역 또는 터널, 지하 주차장과 같이 전파 도달이 어려운 음영지역을 대상으로 기지국의 신호가 도달할 수 있도록 신호를 증폭해 음영지역을 서비스하며, 음영 지역 단말기의 신호가 기지국으로 도달할 수 있도록 연결하여 주는 장치를 의미한다. 또한 최근에는 저가의 비용으로 셀 커버리지 확대용으로 사용되고 있는 상황이다. 가장 보편화된 중계기의 형태는 RF 중계기를 예로 들 수 있다. 간단하게 동작 원리를 설명하면 Donor 안테나를 통해 수신된 기지국 신호는 듀플렉서를 통해 저잡음 증폭기(LNA)에 입력돼 저잡음 증폭하고, 증폭된 신호는 국부 발진기의 발진주파수와 혼합해 중간주파수로 다운 컨버전한다. 중간 주파수대에서 스커트(skirt) 특성이 우수한 표면 탄성파(SAW)필터를 통해 원하는 주파수대만을 통과시키고 다시 업컨버전해 고출력 증폭기(high power amplifier)를 통해 증폭한 후 서비스 안테나로 음영 지역을 서비스한다. 반대로 단말기의 신호는 서비스 안테나로 수신되고 이 신호를 필터 및 증폭기들을 통해 증폭 및 여과한뒤 Donor안테나를 통해 기지국에 접속되게 한다. 장점은 소규모 빌딩 서비스에 적합하며, 시설비용이 매우 저렴하다. 단점은 안테나 아이솔레이션(isolation)확보의 문제점과 ‘Near Far’ 문제점이 대두된다. 이러한 RF중계기의 단점을 보완한 형태가 변파 중계기이다. 변파 중계기는 기지국의 RF 신호를 사용하지 않는 빈 FA 신호로 변환해 안테나로 전송한 후, 원격지에서 수신하여 다시 원래의 주파수 신로로 변환하면 입출력 안테나간의 주파수가 다르기 때문에 발진을 방지할 수 있다. 장점은 안테나 아이솔레이션의 확보가 용이해 다소 넓은 지역의 커버리지를 확보할 수 있고, 아이솔레이션 확보가 어려운 지역에 적합하다. 단점은 변파 중계기에 배정된 대역내에 반드시 빈주파수 대역이 필요하기 때문에 대역내 주파수 사용률이 높은 도심 등에서는 사용이 난해하다는 것이다. 위의 두가지 형태의 중계기들은 기지국과 음영 지역간의 연결 통로가 무선 환경이라는 점에서 많은 제약성과 장단점들을 내재하고 있다. 국내의 환경 즉 많은 사업자 및 지형적 특성에 의한 많은 음영 지역에 대한 해소로는 기지국과 음영 지역간 연결 및 서비스에서 RF 링크로는 한계성이 대두돼 이러한 문제점을 해결할 수 있는 기지국과 서비스 지역간의 유선 링크 형태의 중계기가 고려되었으며, 대표적인 기술이 옵티컬 링크, 즉 광전송 기술을 수용한 형태의 광 중계기다. 광중계기는 기지국의 RF신호를 전송, 특성이 우수한 광 링크를 이용해 서비스 지역으로 전송함으로써 양질의 신호를 전달할 수 있고, 보다 넓은 지역의 고출력 서비스를 구현할 수 있으므로 간이 기지국 대용으로도 사용할 수 있는 장점이 있다. 이러한 특성들로 인해 국내에서는 광 중계기의 활용도가 전세계에서 유래를 찾아볼 수 없을 정도로 많이 사용됐으며, 최근에는 해외 시장에서도 국내의 광 중계기 기술에 대한 인지도가 매우 높이 평가돼 수출도 많이 성사되고 있다. 광 중계기 시스템은 기지국에서 커플러(coupler)로 직접 신호를 분기해 광신호로 변환시켜 송신하며, 음영 지역에서 광변환해 전송된 역방향 신호를 다시 전기적 신호로 변환하여 기지국으로 입력시켜주는 도너(DONOR) 유닛과 도너 유닛에서 전송된 광신호를 전기적 신호로 변환후 고출력 증폭기로 증폭해 안테나로 음영지역을 서비스하고, 단말기로 부터 수신된 신호를 광신호로 변환하여 도너 유닛측으로 전송하는 리모트 유닛으로 구성된다. 주요 블록의 기능을 살펴보면,광변환 송수신기는 전기적 신호를 광신호로 변환하는 E/O 변환기와 광신호를 전기적 신호로 변환하는 O/E 변환기로 구성되며, 전류의 양에 따라 빛을 발생하는 레지어 다이오드와 빛의 양에 비례해 전류를 발생하는 포토 다이오드로 구현된다. 광케이블은 성능이 우수한 싱글 모드 광섬유가 보통 사용되며, km당 0.4dB 이하의 손실을 갖는다. 광 커넥터는 FC/APC(Angle Physical Contact) 형태가 주류를 이룬다. WDM(Wavelength Division Multiplexing)을 이용해 하나의 광 케이블에 순방향 및 역방향 신호를 다중화하게 된다. 보통 광 전송 성능이 좋은 파장인 1310nm의 신호와 1550nm의 신호가 WDM에서 많이 이용된다. 광 중계기 개발 초기에는 산간 벽지 등의 통화량이 작고 설치 환경이 열악한 지형에 적합한 소형 저출력의 10와트급 중계기와 간이 기지국 대용의 고출력의 50와트급이 제작돼 음영지역을 서비스하게 됐다. 이후로 다양한 형태의 중계기가 개발됐으며 그 흐름을 살펴보면 다음과 같다. 위의 형태는 모두 아날로그 광 전송 기술을 적용한 시스템이다. 최근에는 일정한 기지국 역할까지도 광 중계기에서 포함하는 형태인 디지털 광 전송 기술과 접목된 간이 기지국급의 중계기도 개발해 적용하고 있으며, 기존 기지국의 형태와 광분산 중계기의 접목된 형태인 광분산 기지국도 각 사업자들에서는 논의 및 개발 중에 있다. ◆ 진복술 이트로닉스 영업팀장 bsjin@etronics.co.kr 83년 조선대학교 전자공학과 졸업 85년 육군통신중위전역(ROTC 20기) 85년 기아산업 전장개발부 입사 90년 해태전자 상품기획팀 입사 현 이트로닉스 통신시스템 영업팀장

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