[DCN] Ep 10. Other Wireless Networks

Data Communications and Networking, 5th Edition By Behrouz .A Forouzan, McGraw-Hill Education

• 첫 번재 섹션에서는 14장에서 설명한 무선 접속 네트워크를 대체할 수 있는 무선 접속 네트워크인 WiMAX를 소개한다. 먼저 해당 네트워크가 제공하는 서비스를 소개하고 해당 네트워크의 기반이 되는 IEEE 802.16프로젝트를 소개한다. 마지막으로 WiMAX의 링크 계층과 물리 계층을 정의한다.

• 두 번째 섹션에서는 셀룰러 네트워크에 대해서 설명한다. 주파수 재사용 원칙을 설명하고, 해당 네트워크의 일반적인 작동을 설명한다. 다음 4가지 섹션은 각각 셀룰러 네트워크의 4가지 세대중 하나를 설명한다.

• 세 번째 섹션은 위성 네트워크이다. 위성의 모든 종류의 작동을 설명하고 GEO 위성과 그 특징들을 설명한다. 이후, MEO 위성과 그 응용을 보여준다. 마지막으로, LEO 위성의 특징과 응용을 보여준다.

WiMAX

이전에는 인터넷을 공급하기 위해서 유선 접속을 필요로 했지만, 오늘날은 무선 접속으로의 바뀌는 경향을 보인다. 그 이유는 주로 2가지 목적에 의해서인데 다음과 같다.
1. 사람들은 유선 접속이 가능하지 않거나 매우 비싼 (고정된)집이나 회사로부터 인터넷에 접근하기를 원한다.
2. 사람들은 그들의 셀룰러 폰(모바일)을 통해서 인터넷에 접속할 필요가 있다.

Worldwide Interoperability for Microwave Access(WiMAX)는 이러한 응용 유형을 위해 설계되었다. 그것은 "last mile" 광대역 무선 접근을 제공한다.

16.1.1 서비스들 (Services)

WiMAX는 구독자에게 2가지 유형의 서비스를 제공한다. (Fixed and Mobile)

Fixed WiMAX

그림 16.1은 고정 서비스의 아이디어를 보여준다. 기지국(Base Station)은 성능을 최적화하기 위해서 다른 유형의 안테나를 사용한다(무지향성 안테나(Omnidirectional), 섹터(sector), 패널(panel)). WiMAX는 빔스티어링 AAS(Adaptive Antenna system)을 사용한다. 전송중에, 안테나는 그 에너지를 구독자의 방향으로 집중할 수 있다. 전송 받는 동안에, 구독자로부터 전송된 최대 에너지를 수신하기 위해서 구독자 기지국 방향으로 집중할 수 있다.

고정 서비스는 유선 연결을 사용하는 전화기와 네트워크 회사들에 의해 제공되는 서비스와 비교될수 있다. WiMAX는 또한 동시에 송,수신이 가능한 MIMO 안테나 시스템을 사용한다.

Mobile WiMAX

그림 16.2는 모바일 서비스의 아이디어를 보여준다. 구독자가 한 구역에서 다른 곳으로 이동할 수 있는 이동국이라는 것을 제외하면 고정 서비스와 같다. 로밍과 같은 셀룰러에서의 문제들이 포함된다.

16.1.2 IEEE Project 802.16

WiMAX는 2002년 독점적인 광대역 무선 시스템을 표준화하기 위한 노력이었던, IEEE 802.16프로젝트의 결과이다. 때때로 wired local loop(dial-up, DLS, or cable)이라고 불리는 것과 반대로 wireless local loop로 불리곤 했다.
해당 프로젝트에 대해서 설명하기 이전에 802.11프로젝트와 비교해보자.

1. 802.11은 무선 LAN에 대한 표준이고, 802.16은 무선 WAN(or MAN)을 위한 표준이다.
2. 호스트와 기지국의 거리는 802.11은 매우 제한적이지만, 802.16은 수십 km에 이른다.
3. 802.11은 비연결(Connectionless)통신이지만, 802.16은 연결 지향적(Connection-oriented) 통신이다.

IEEE 802.16의 최신 버전은 다음 2가지 새로운 표준을 생성했다.

• 고정(Fixed) WiMAX에 대해 기술된 IEEE 802.16d
• 이동(Mobile) WiMAX에 대해 기술된 IEEE 802.16e
  두 표준은 원래의 802.16프로젝트의 아이디어를 변경시킨것이 아니라, 두 서비스의 특성에 대해 집중한 것이다.

16.1.3 802.16프로젝트의 계층 (Layers in Project 802.16)

그림 16.3은 802.16프로젝트의 계층을 보여준다.

Service Specific Convergence Sublayer

이것은 사실 광대역 무선 통신을 위해 수정된 DLC 부계층이다. 각 연결이 특정 QoS의 혜택을 받을 수 있는 연결-지향적인 서비스를 위해 고안되었다.

MAC Sublayer

MAC 부계층은 접근 방식(Access Method)과 프레임의 포맷(Frame Format)을 정의한다. 연결-지향 서비스를 위해 설계되었다. 패킷들은 통신 동안에 동일하게 유지되는 연결 확인자(Identifier)를 사용하면서 기지국에서 구독자에게 라우트된다.

• Access Method
  WiMAX는 예약(스케쥴링) 접근 방식을 사용한다. 기지국은 구독자 지국에게 데이터 크기의 슬롯 사이즈를 전송하기 전에 슬롯 예약을 만들어야할 필요가 있다. 각 구독자 지국은 기지국에게 데이터 크기의 슬롯 사이즈를 전송하기 전에 예약을 할 필요가 있다.

• Frame Format
  그림 16.4는 프레임 포맷을 보여준다. 우리는 2가지 유형(generic과 Control프레임)의 프레임을 구분할 것이다. 첫 번째는 페이로드를 전송하고 수신할 때 사용되어지고, 두 번째는 오직 연결 설정(Connection establishment)과정에서만 사용된다.
  두 프레임 유형 모두 6바이트 generic 헤더를 사용하지만, 몇 바이트들은 다른 프레임 유형에서 다른 해석을 가진다.

각 필드에 대한 간략한 설명은 다음과 같다.

• 첫 비트는 프레임 확인자이다. 0이라면, generic 프레임을, 1이라면, control 프레임을 나타낸다.
• EC(Encryption control). 해당 프레임이 암호화 되었는지 아닌지 판단하기 위한 1비트이다. 1은 security sublayer에서 암호화 되었음을 의미한다.
• Type. 프레임의 유형을 정의하기 위한 6비트이다. 오직 generic프레임에만 존재하고(?) 일반적으로 페이로드의 유형을 정의하기 위해 사용된다.
• CI(Checksum Id). checksum을 위한 필드가 있는지 없는지 나타내기 위한 1비트이다. 페이로드가 멀티미디어라면, 프레임에 대해서 (물리계층에서)forward error correction이 적용되고 checksum의 필요가 없다.
• EK(Encryption Key). 암호화가 필요하다면, 암호화를 위한 4개의 키 중 하나를 정의하기 위한 2비트의 필드이다.
• Length. 프레임의 전체 길의를 정의할 11비트의 필드이다. generic 프레임에 존재하고 control 프레임에서는 Bytes Needed필드로 교체된다.
• Bytes Needed. 물리 계층에서 할당된 슬롯을 위하여 필요한 바이트의 숫자를 정의하기 위한 16비트의 필드이다.
• Connection ID. 현재 연결에 대한 연결 확인자를 정의하기 위한 16비트의 필드이다. IEEE 802.16과 WiMAX는 연결-지향 프로토콜임을 유의해라.
• Header CRC. 두 프레임의 유형은 8비트 header CRC 필드를 필요로 한다. header CRC는 헤더 자체가 오염되었는지 확인하기 위함이다. $x^8 + x^2 + x + 1$다항식을 사용하여 나눈다.
• Payload. service specific convergence sublayer로 부터 프레임에 캡슐화된 데이터인, 페이로드를 정의하는 가변 길이의 필드이다. control 프레임에서는 필요 없는 필드이다.
• CRC. 존재한다면, 전체 프레임에 대한 에러 탐지를 위해 사용된다. Ethernet에서 사용되는 동일한 약수(divisor)를 사용한다.

주소지정 (Addressing)

각 지국은 글로벌 인터넷에 있는 노드이기 때문에, 각 구독자와 기지국은 전형적으로 48비트 MAC 주소를 가진다. 하지만, 그림 16.4에는 발신지와 수신지의 주소 필드가 없다. 그 이유는 연결-설정 단계 동안 connection identifier에 두 주소의 조합이 매핑되어 있기 때문이다.
이 프로토콜은 연결 확인자 또는 가상 연결 확인자(VCI, Virtual Connection Identifier)를 사용하는 연결-지향적 프로콜이다. 각 프레임은 데이터 전송 동안 같은 연결 확인자를 사용한다.

Security sublayer

데이터 링크 계층에서의 마지막 부계층은 WiMAX를 사용하는 통신을 위해 보안을 제공한다. 광대역 무선 통신의 성질은 구독자와 기지국 간의 정보 교환을 위해서 암호화를 제공하기 위한 보안을 요구한다.

Transmission Convergence Sublayer

해당 부계층은 전이중(duplex, bidirectional) 통신을 위해 설계된 시분할 다중화(Time-Division Multiplexing)의 변형인TDD(Time-Division Duplex)를 사용한다.
네트워크 계층에서의 데이터-링크 계층 프레임은 물리 계층에 있는 부프레임(subframe)의 다양한 슬롯들에 캡슐화되어진다.
물리 계층의 각 프레임은 기지국에서 구독자에게(downstream), 그리고 구독자로부터 기지국으로(upstream) 데이터를 전송하는 두 서브프레임으로 구성되어 있다. 각 서브프레임은 그림 16.5에서 보듯이 슬롯으로 나누어져 있다.

Physical Medium Dependent Sublayer

해당 부계층은 계속된 수정에 있다. 원래, 802.16은 10-66GHz 대역과 QPSK(2bits/baud), QAM-16(4bits/baud), QAM-64(6bits/baud) 변조로 정의된다 (순서대로 기지국과 long, medium, short 거리의 통신을 위해서 사용되는).
추후에 IEEE는 802.16d(fixed WiMAX)를 정의하였고, (무선 LAN과의 호환성을 위해) OFDM을 사용하면서 2-11 GHz 대역폭을 추가했다.
이후, 802.16e(mobile WiMAX)가 정의되었고 SOFDM을 추가했다.

16.2 이동 통신(Cellular Telephony)

이동 통신(Cellular telephony)은 모바일지국(MSs, Mobile Stations)이라고 불리는 두 이동 유닛들 간 또는 하나의 이동 유닛과 하나의 고정 유닛(land unit)간의 통신을 제공하기 위해 설계되었다.
서비스 제공자는 위치를 찾을 수 있고, 발신자를 추적하고, 전화를 위한 채널을 할당하고, 발신자가 범위를 벗어날 경우 기지국과 기지국간의 채널을 옮길 수 있어야 한다.

이러한 추적을 가능하게 하기 위해서, 각 이동 통신 서비스 지역은 cells이라고 불리는 작은 지역으로 나뉜다. 각 cell은 안테나를 포함하고 있고 solar powered, 또는 AC powered 네트워크 지국(BS, Base Station)에 의해 통제된다.
각 BS는 mobile switching center(MSC)라고 불리는 스위칭 오피스에 의해 제어된다.
MSC는 모든 BS와 telephone central office간의 통신을 조정한다.

Cell의 크기는 고정적이지 않고 해당 지역의 인구수에 따라 증가하거나 감소할 수 있다. 고밀도의 지역들은 저밀도의 지역보다 트래픽을 충족하기 위해서 더 많은 작은 cell들을 필요로 한다.
일단 정해지면, cell크기는 인접 cell 신호들의 간섭을 막기 위해서 최적화 된다. 각 cell의 전송파워는 다른 cell들의 것들과 간섭되지 않기 위해서 저전력을 유지한다.

16.2.1 수행 (Operation)

일단 이동 통신의 수행에 대해서 간단히 알아보자

주파수 재사용 원칙 (Frequency-Reuse Principle)

일반적으로, 이웃한 cell들은 간섭을 유발할 수 있기 때문에 통신을 위해서 동일한 주파수 대역을 사용하지 않는다. 하지만, 사용가능한 주파수 대역은 제한되어있고 재사용될 필요가 있다.
주파수 재사용 패턴은 N cell들의 구성이다. (N은 재사용 요인(Reuse Factor)이다.)
패턴이 반복될 때, 주파수는 재사용될 수 있다.
그림 16.7은 두 가지 상황을 보여준다.
cell에 있는 숫자들은 패턴을 정의한다. 패턴에서 같은 숫자를 가진 cell들은 같은 주파수 대역을 사용할 수 있다. 우리는 이러한 cell들을 reusing cells이라 부른다. 그림 16.7에서 보듯이 재사용 요인4를 가지는 패턴에서, 오직 하나의 cell이 같은 주파수 대역을 사용하는 cell들을 분리할 수 있다.

전송 (Transmitting)

모바일 지국은 강한 신호를 가지는 setup 채널을 구하면서 대역폭을 스캔하고, 해당 채널을 사용함으로써 가장 가까운 기지국으로 데이터(phone number)를 전송한다.
기지국은 MSC에게 데이터를 전달하고, MSC는 telephone central office에 데이터를 전달한다.
이 상황에서, MSC는 전화에게 사용되지 않는 음성 채널을 할당하고 연결이 수립된다. 모바일 지국은 자동적으로 새로운 채널에 맞추어 조정하고 통신이 시작될 수 있다.

수신 (Receiving)

전화를 받을 때, telephone central office는 MSC에게 번호를 전송한다. MSC는 paging이라 불리는 절차를 통해서 각 cell에 대한 query 신호를 전송함으로써 모바일 지국의 위치를 검색한다. 일단 모바일 지국이 발견되면, MSC는 울림(ringing)신호를 전송하고, 모바일 지국이 응답하면, 전화에 음성 채널을 할당한다.

handoff

통화를 하는 동안에, 모바일 지국은 cell을 이동할 수 있다. 그렇게 되면 신호는 매우 약해진다. 이 문제를 해결하기 위해서, MSC는 매 초마다 신호의 세기를 모니터링한다. 신호의 세기가 감소하면, MSC는 더 좋은 새로운 cell을 찾는다. 이후, MSC는 전화를 새로운 채널로 변경한다.

• Hard Handoff
  초기의 시스템들은 Hard handoff를 사용했다. hard handoff에서는, 모바일 지국은 오직 하나의 기지국과 통신을 한다.
  MS(Mobile Station)가 하나의 cell에서 다른 곳으로 이동할 때, 통신은 새로운 것과 연결이 수립되기 전에 기존의 것과 연결이 깨져야 한다.

• Soft Handoff
  새로운 시스템들은 Soft handoff를 사용한다. 모바일 지국은 동시에 두 기지국과 통신할 수 있다. 이것은 handoff동안에, 모바일 지국은 기족의 것으로부터 연결을 끊기 전에 새로운 기지국과 연결 할 수 있다는 것을 의미한다.

로밍 (Roaming)

이동 통신의 한 가지 특징은 roaming이다. 로밍은 유저가 통신을 위한 접근을 가질수 있거나, 커버리지가 있는 지역에 도달할 수 있는 것을 의미한다. 서비스 제공자는 보통 제한된 커버리지를 가진다. 이웃한 서비스 제공자는 로밍 계약을 통해서 확장된 커버리지를 제공할 수 있다. 두 나라간의 편지를 배달하기 위한 비용은 두 나라간의 동의에 의해 나뉠 수 있다.

16.2.2 First Generation (1G)

이동통신은 현재 4세대이다. 1세대는 아날로그 신호를 사용하는 음성 채널을 위해 설계되었다.

AMPS

Advanced Mobile Phone System(AMPS)는 북미에서 아날로그 셀룰러 시스템의 선두주자 중 하나이다. 이것은 링크의 채널을 구분하기 위해서 FDMA를 사용한다.

AMPS는 FDMA를 사용하는 아날로그 셀룰러 전화 시스템이다.

대역 (Bands)

AMPS는 ISM 800-MHz 대역에서 작동한다. 시스템은 2가지 구분된 아날로그 채널을 사용한다.
1. 기지국에서 모바일 지국으로의 forward 통신(869-894MHz)
2. 모바일 지국에서 기지국으로의 reverse 통신(824-849MHz)

각 대역은 832개의 채널로 나뉜다. 하지만, 두 공급자는 각 공급자를 위한 각 cell에서 416개의 채널을 의미하는 영역을 공유한다.
416개 중 21개의 채널은 제어를 위해 사용된다.
AMPS는 주파수 재사용 요인 7을 사용한다. 이것은 오직 395 트래픽 채널들중 $\frac{1}{7}$만이 실제로 사용된다는 것을 의미한다.

전송 (Transmission)

AMPS는 FM과 FSK 변조를 사용한다. 그림 16.9는 역방향에서의 전송을 보여준다. 음성 채널들은 FM을 이용하여 변조되고, 제어 채널들은 30kHz 아날로그 신호를 생성하기 위해서 FSK로 변조된다.
AMPS는 각 25MHz대역을 30kHz대역으로 나누기 위해서 FDMA를 사용한다.

16.2.3 Second Generation (2G)

더 좋은 품질의 모바일 음성 통신을 제공하기 위해서 2세대 이동 통신 네트워크가 개발되었다. 1세대가 아날로그 음성 통신을 위해 설계된 반면에, 2세대는 디지털화된(Digitized) 음성을 위해 설계되었다.
3가지 주요 시스템(D-AMPS, GSM, IS-95)이 발전되었다.

D-AMPS

아날로그 AMPS가 디지털 시스템으로 진화된 산물이 디지털 AMPS(Digital-AMPS)이다. D-AMPS는 AMPS와 호환성을 갖도록 설계되었다. 이것이 의미하는 바는 한 cell에서 전화 하나는 AMPS를, 다른 하나는 D-AMPS를 사용할 수 있다는 것이다. D-AMPS는 처음에 IS-54로 정의되고 나중에 IS-136으로 개정되었다.

대역 (Band)

AMPS와 동일한 대역과 채널을 사용한다.

전송 (Transmission)

각 음성 채널은 매우 복잡한 PCM과 압축 기술로 디지털화된다. 한 음성 채널은 7.95kbps로 디지털화되며 3개의 7.95kbps 디지털 음성 채널이 TDMA를 이용하여 결합한다. 그 결과는 48.6kbps 디지털 데이터이며, 많은 부분이 오버헤드이다. 그림 16.10에서 볼 수 있듯이 시스템은 한 프레임에 1,944비트씩 매초 25개의 프레임을 송신한다. 각 프레임은 40ms(1/25초) 동안 유지되며, 세 개의 디지털 채널에 의해 공유되는 6개의 틈새(slot)로 나누어진다. 즉, 각 채널에 두 개의 틈새가 할당된다.
각 틈새는 324비트를 포함하지만 159비트만이 디지털화된 음성에서 온 것이고, 64비트는 제어용이며, 101비트는 오류 정정에 사용된다. 다시 말하면, 할당된 두 채널에 각각 159비트씩 데이터를 넣는다. 시스템은 64제어 비트와 101 오류 정정 비트를 추가한다.
결과로써 나오는 48.6kbps 디지털 데이터는 QPSK를 사용하는 반송파를 변조하며, 그 결과는 30kHz의 아날로그 신호이다. 마지막으로 30kHz 아날로그 신호는 25MHz 대역에서 주파수 다중화된다. D-AMPS는 주파수 재사용 인자 7을 가진다.

D-AMPS, 즉 IS-136은 TDMA와 FDMA를 사용하는 디지털 휴대 전화 시스템이다.

GSM

이동 통신용 글로벌 시스템(GSM, Global System for Mobile Communication)은 유럽 전체를 대상으로 공통의 2세대 기술을 제공하기 위해 개발된 유럽 표준안이다. 개발 목적은 호환성이 없는 다수의 1세대 기술을 대체하는 것이다.

대역 (Band)

양방향 통신을 위해 GSM은 두 대역을 사용한다. 그림 16.11과 같이 각 대역은 900MHz 방향으로 이동되는 것으로 폭이 25MHz이다. 각 대역은 보호 대역으로 분리된 124개의 200kHz짜리 채널로 분할된다.

전송 (Transmission)

그림 16.12는 GSM시스템을 보여준다. 각 음성 채널은 디지털화되며 13kbps 디지털 신호로 압축된다. 각 틈새는 156.25비트를 전달한다. 8개의 틈새가 다중화되어 하나의 TDMA 프레임을 만들며, 26개의 프레임이 하나의 다중프레임으로 묶여진다.
각 채널의 비트율은 다음과 같이 계산할 수 있다.

각 270.8kbps 디지털 채널은 GMSK(유럽형 시스템에서 주로 사용되는 FSK의 한 방식)를 이용하여 반송파를 변조하여 200kHz의 아날로그 신호가 된다. 마지막으로 124개의 200kHz 아날로그 채널은 FDMA를 이용하여 다중화된다. 그림 16.13은 다중 프레임에서 사용자 데이터와 오버헤드를 보여주고 있다.
TDMA에서 많은 양의 오버헤드가 있는 것을 알 수 있다. 한 틈새당 사용자 데이터는 단지 65비트이다. 시스템이 오류 정정을 위해 별도의 비트를 추가해서 한 틈새당 114비트가 된다. 여기에 제어 비트가 추가되어 156.25비트까지 도달하게 된다. 8개의 틈새가 한 프레임으로 캡슐화된다. 24개의 트래픽 프레임과 추가로 2개의 제어 프레임을 합쳐 하나의 다중프레임으로 만든다. 다중 프레임 하나는 120ms의 지속시간을 가진다. GSM 구조에서는 오버헤드를 추가하지 않는 슈퍼프레임(superframe)과 하이퍼프레임(hyperframe)을 정의하고 있으나 이 책에서는 설명하지 않는다.

재사용 인자

복잡한 오류 정정 방식 때문에 GSM은 재사용 인자 3의 낮은 값을 사용한다.

GSM은 TDMA와 FDMA를 사용하는 디지털 휴대 전화 시스템이다.

IS-95

북미에서 주도적인 2세대 표준 중의 하나가 잠정 표준 95(IS-95, Interim Standard 95)이다. 이 표준은 CDMA와 DSSS를 기반으로 한다.

대역과 채널 (Bands and Channels)

IS-95는 양방향 통신을 위해 두 대역을 사용한다. 두 대역은 전통적인 ISM-800MHz 또는 ISM-1900MHz이다. 각 대역은 보호 대역으로 분리된 1.228MHz짜리 20개의 채널로 분할된다. 각 서비스 제공자에게 10개의 채널이 할당된다. IS-95는 AMPS와 병행하여 사용될 수 있다. 각 IS-95 채널은 41개의 AMPS 채널과 동등하다 (41 * 30kHz = 1.23MHz)

동기화 (Synchronization)

모든 기지국 채널은 CDMA를 사용하기 위해 동기화되어야 한다. 동기화를 제공하려면 기지국은 다음 절에서 설명하는 위성 시스템의 하나인 GPS(Global Positioning System) 서비스를 사용한다.

전방향 통신 (Forward Transmission)

IS-95는 두 가지 전송 기술을 갖는다. 하나는 전방향(기지국에서 이동 지국으로)에서 사용하며, 다른 하나는 역방향(이동지국에서 기지국으로)에서 사용된다. 전방향에서 기지국과 모든 이동 지국 간의 통신은 동기화되어 기지국은 모든 이동 지국에게 동기화된 데이터를 송신한다. 그림 16.14는 전방향 통신에 대한 단순화된 그림을 보여주고 있다.

각 음성 채널은 디지털화되어 기본 데이터율 9.6kbps 데이터를 만들어낸다. 오류 정정과 반복 비트를 추가하고, 중간에 끼워넣기(interleaving)를 하면 19.2ksps(kilo signals per second)의 신호가 된다. 이 출력은 19.2ksps 신호를 이용하여 스크램블된다. 스크램블된 신호는 이동국의 전자 일련번호 (ESN, Electronic Serial Number)를 사용하며, 각 칩이 42비트인 $2^{42}$의사랜덤 칩을 만드는 긴 코드 생성기로부터 만들어진다. 칩들은 패턴이 자체적으로 반복하기 때문에 의사랜덤으로 생성되며 랜덤하게 생성되지 않는다는 것에 주목해야 한다. 긴 코드 생성기의 출력은 64비트 중에서 한 비트를 선택하는 데이메이터(decimater)로 입력되며, 데시메이터의 출력이 스크램블에 사용된다. 스크램블은 각 지국의 ESN이 유일한 것이기 때문에 보안성을 갖게 된다.
스크램블의 출력은 CDMA 다중화기로 입력된다. 각 트래픽 채널에 하나의 월시(Walsh) 64 * 64행으로 구성된 칩이 선택되어 1.228 Mcps(megachips epr second)신호가 된다.

CDMA로 다중화된 신호는 1.228MHz의 신호를 만들기 위해 QPSK 변조기에 입력되며, 결과로 나타나는 대역은 FDMA를 이용하여 적절하게 이동된다. 아날로그 채널 하나가 64개의 디지털 채널을 만들며, 이 중 55개의 채널은 트래픽 채널(디지털화된 음성 전송)이다. 나머지 9개의 채널은 제어와 동기화용으로 사용된다.

• 채널 0은 파일럿 채널이다. 이 채널은 모든 이동 지국에게 계속적인 1의 행렬을 보낸다. 이 행렬은 비트 동기화를 제공하며, 복조를 위한 위상 참조로서 역할을 하고, 이동 지국이 핸드오프 결정을 할 때 이웃한 기지국들과 신호 강도 비교를 허용한다.
• 채널 32는 이동 지국에게 시스템에 관한 정보를 제공한다.
• 채널 1에서 7은 하나 이상의 이동 지국으로 메시지를 송신하기 위한 페이징 용도로 사용된다.
• 채널 8에서 31과 33에서 63은 트래픽 채널로서 기지국에서 상대편 이동 지국으로 디지털화된 음성을 전달한다.

역방향 통신 (Reverse Transmission)

전방향에서 CDMA의 사용이 가능한 것은 파일럿 채널이 전송을 동기화하기 위해서 연속적인 1의 행렬을 전송하기 때문이다. 이런 일을 담당해야 하는 부분이 필요하지만 만들기 어려우므로 역방향에서는 동기화가 사용되지 않는다. 역방향 채널은 CDMA 대신에 DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)을 사용한다. 그림 16.15는 역방향 전송에 대한 단순화된 그림을 보여주고 있다.

음성 채널은 디지털화되어 9.6kbps의 데이터를 생산한다. 그러나 오류 정정과 반복 비트를 추가하고 끼워넣기를 한 후에는 28.8ksps의 신호가 된다. 이 출력은 6/64 기호 변조기를 통과한다. 이 기호들은 6 기호 묶음(chunk)으로 나뉘고 각 묶음은 2진 숫자(0에서 63까지)로 해석된다. 2진 숫자는 칩들의 행 선택을 위한 64 64 walsh행렬의 색인으로 사용된다. 각 비트가 한 행에 있는 칩에 의해 곱해지지 않는 이 과정이 CDMA가 아니라는 것을 주목하자. 각 6기호 묶음은 64 칩 코드로 대체된다. 이것은 일종의 직교성을 제공하기 위한 것이며, 서로 다른 이동 지국들로부터 오는 칩의 행렬을 구분한다. 이 결과로 307.2kcps 또는 (28.8/6) 64의 신호를 만들어낸다.
각 칩을 4로 확산하는 것이 다음 단계이다. 다시 이동 지국이 ESN이 307.2의 4배인 1.228 Mcps의 비율로 42비트의 긴 코드를 만든다. 확산 후에 각 신호는 QPSK 변조가 된다. 이 변조는 전방향에서 사용되었던 것과는 약간의 차이가 있으나 여기서는 상세히 설명하지 않는다. 여기에는 다중 접속 방식이 없으며 모든 역방향 채널은 공기 중으로 자체의 아날로그 신호를 송신한다. 그러나 확산 때문에 정확한 칩이 기지국에서 수신된다.
역방향에서 $2^{42} -1$ 디지털 채널(긴 코드 생성기 때문에)을 만들어내지만, 보통 94개의 채널이 사용된다. 62개는 트래픽 채널이며 32개의 채널이 기지국 접속을 획득하는 데 사용된다.

IS-95는 CDMA/DSSS와 FDMA를 사용하는 디지털 휴대 전화 시스템이다.

2개의 데이터율 집합 (Two Data Rate Sets)

IS-95에는 각 집합에 4개의 서로 다른 데이터율을 갖는 2개의 데이터율 집합을 정의하고 있다. 첫 번째 집합에는 9,600, 4,800, 2,400과 1,200bps를 정의하였다. 예를 들어 만약 1,200bps가 선택된 데이터율이라면 9,600bps의 데이터 율을 제공하기 위해 각 비트는 8번 반복된다. 두 번째 집합은 14,400, 7,200, 3,600과 1,800bps를 정의한다. 이것은 오류 정정에 사용되는 비트 수를 감소하여 가능하다. 한 집합 내에서 비트율은 채널의 움직임과 관계과 있다. 만약 채널이 침묵하고 있을 때는 단지 1,200비트만이 전송 가능하며, 이것은 각 비트를 8번 반복하여 확산을 향상시킨다.

주파수 재사용 인자

IS-95 시스템에서는 이웃 셀에서 오는 간섭이 CDMA나 DSSS 전송에 영향이 미치지 않기 때문에 주파수 재사용 인자가 정상적으로 1이다.

소프트 핸드오프

각 기지국은 파일럿 채널을 이용하여 신호를 계속 브로드캐스트한다. 이것은 한 이동 지국이 자체의 셀과 이웃 셀들에서 파일럿 신호를 감지할 수 있다는 것을 의미한다. 이렇게 되면 이동국은 하드 핸드오프와 대비되는 소프트 핸드오프를 할 수 있게 된다.

16.2.4 Third Generation (3G)

3세대(Third Generation, 3G) 휴대 전화는 다양한 서비스를 제공하는 기술의 조합이라고 할 수 있다. 3세대 휴대 전화는 디지털 데이터와 음성 통신을 모두 제공할 수 있다. 작은 휴대용 장치를 이용하여 한 사람이 현재의 고정 전화망 서비스 품질과 비슷한 음성 품질로 전 세계의 어떤 사람과도 이야기 할 수 있다. 3세대 시스템의 흥미 있는 특징 중 하나는 휴대용 장치가 언제나 연결되어 있어서 인터넷에 연결하기 위해 번호를 사용할 필요가 없다는 것이다(you do not need to dial a number to connect to Internet).

3세대 개념은 ITU가 2000년을 위한 인터넷 이동 통신(IMT, Internet Mobile Communication for year 2000)이라는 청사진을 만들어내면서 1992년에 시작되었다. 이 청사진에서 다음과 같이 3세대 기술의 몇 가지 평가지표를 정의하였다.

• 현재 사용하는 공중 전화망의 품질보다 우수한 음성 품질
• 이동하는 차량에서 144kbps, 보행자에게는 384kbps, 그리고 고정 위치 사용자(집 또는 사무실)에게는 2Mbps의 데이터율 제공
• 패킷 교환과 회선 교환 데이터 서비스 지원
• 2 GHz 대역
• 2 MHz 대역폭
• 인터넷 인터페이스

3세대 휴대 전화의 주요 목표는 보편적인 개인 통신을 제공하는 것이다.

IMT-2000 무선 인터페이스

그림 16.16은 IMT-2000에 적용된 무선 인터페이스(무선 표준)를 보여주고 있다. 다섯 가지 모두 2세대 기술로부터 개발되었다. 처음 둘은 CDMA 기술에서, 세 번째는 CDMA와 TDMA의 조합으로부터, 그리고 마지막은 FDMA와 TDMA 양쪽 모두에서 진화되었다.

IMT-DS

이 방식은 CDMA의 한 변형으로 W-CDMA(wideband CDMA)라고 한다. W-CDMA는 5MHz 대역폭을 사용한다. 유럽에서 개발되었으며 IS-95에서 사용된 CDMA와 호환성이 있다.

IMT-MC

이 방식은 북미에서 개발되었으며 CDMA 2000으로 알려져 있다. 이것은 IS-95 채널에서 사용된 CDMA 기술의 진화된 형태로서 새로운 광대역(15MHz) 대역 확산(spread spectrum)을 IS-95의 협대역(narrowband)(1.25MHz) CDMA와 조합한 것이다. IS-95와 역호환성이 있으며, 15MHz까지 다중의 1.25MHz 채널들(1, 3, 6, 9, 12배)로 통신하는 것을 허용한다. 더 넓은 채널을 사용하여 3세대에 정의된 2Mbps 데이터율에 이를 수 있도록 한다.

IMT-TC

이 표준은 W-CDMA와 TDMA의 조합을 사용한다. 이 표준은 W-CDMA에 TDMA 다중화를 추가하여 IMT-2000의 목표를 달성하고자 한다.

IMT-SC

이 표준만은 TDMA만을 사용한다.

IMT-FT

이 표준은 FDMA와 TDMA의 조합을 사용한다.

16.2.5 Fourth Generation (4G)

4세대에서 휴대 전화는 무선 통신에서 사용자들의 요구를 충족시키기 위해서 다양한 통신 기술의 융합이 가능하게 되었다. ITU는 4세대 이동 통신 서비스를 IMT-Advanced로 정의하였고 2011년 2월에 표준화를 완료하였다. ITU 4G 작업반에 의해 규정한 목표 중 일부는 다음과 같다.

• 높은 네트워크 용량
• 인터넷에 접속하기 위해 움직이는 차 안에서는 100Mbit/s, 움직이지 않는 상태에서는 1Gbit/s의 속도
• 전 세계 어디에서든 두 곳 사이의 데이터 속도는 최소 100Mbps
• 다른 네트워크로 이동 시 소프트 핸드오프
• 완벽한 연결 및 다중 네트워크에서 국제 로밍
• 차세대 멀티미디어를 지원하기 위한 고품질 서비스
• 현존하는 무선 표준과 상호 운용성
• All IP, 패킷 교환망

4세대는 3세대와 달리 패킷 기반으로 IPv6를 제공한다. 이는 더 나은 멀티캐스트, 보안, 라우팅, 최적화 기능을 제공한다.

접속 기법 (Access Scheme)

4세대에서 능률, 용량, 확장성을 증가시키기 위해 새로운 접속 기술이 개발되었다. 예를 들어 OFDMA(Orthogonal FDMA)와 IFDMA(Interleaved FDMA)는 차세대 UMTS(Universal Mobile Telecommunications System)의 상향 링크와 하향 링크에 대해 각각 고려하고 있다. 유사하게 MC-CDMA(Multicarrier Code Division Multiple Access)는 IEEE 802.20 표준에 대해 제안되었다.

변조 (Modulation)

보다 효과적인 64-QAM(Quadrature Amplitude Modulation)은 LTE(Long Term Evolution)표준으로 제안되었다.

라디오 시스템 (SDR)

4세대는 SDR(Software Defined Radio) 시스템을 사용한다. 하드웨어를 사용하는 일반적인 라디오와는 달리 SDR 요소들은 소프트웨어 모음으로 이루어져 있어서 유연하다. SDR은 주파수 인터페이스 완화를 위해 주파수를 이동하는 프로그램으로 변경할 수 있다.

안테나 (Antenna)

4세대에서는 지능형 안테나인 MIMO(Multiple Input Multiple Output)과 MU-MIMO(MultiUser MIMO)안테나 시스템을 사용하였다. 이 안테나 시스템과 특별한 멀티플렉싱을 함께 사용하는 4세대는 데이터 속도를 증가시키기 위해 안테나로부터 다중 폴드로 동시에 전송하는 독립적인 스트림을 허용한다. MIMO는 방해전파가 발생했을 때 다른 주파수로 움직이기 위해 송신기와 수신기를 동등하게 허용한다.

응용 (Applications)

4세대는 15~30Mbps 속도로 고품질의 텔레비전 스트리밍을 사용자에게 제공한다. 100Mbps 속도에서 DVD-5 컨텐츠는 5분안에 다운로드 받을 수 있다.

16.3 위성망 (Satellite Networks)

위성망(satellite networks)은 지구상의 한 지점에서 다른 지점으로 통신을 제공하는 노드들의 조합이다. 망에서 노드는 위성, 지구 기지국, 또는 사용자 단말이나 전화기가 될 수 있다. 달과 같은 실제 위성이 네트워크에서 중계 노드로 사용될 수 있지만, 신호 이동 중에 감소되는 에너지를 재생하는 전자 장치 설치가 가능한 인공위성의 사용을 생각할 수 있다. 자연적인 위성을 사용하는 또 다른 제약은 통신에서 긴 지연을 초래하는 지구까지의 거리이다.

위성망은 지구를 큰 cell로 나눈다는 관점에서 휴대 전화망과 유사하다. 위성은 아무리 멀리 떨어져 있어도 지구상의 어떤 지점에서 다른 어떤 지점까지 전송 능력을 제공한다. 이 장점은 지상 기반 구조에 막대한 투자 없이도 전 세계의 저개발 지역에 고품질 통신을 가능하게 한다.

16.3.1 동작 (Operation)

위성의 운영과 관련된 몇 가지 일반적인 문제들을 살펴보자.

궤도 (Orbits)

인공위성은 지구를 따라 움직이는 경로인 궤도(orbit)를 가져야 한다. 궤도에는 그림 16.17과 같이 적도(equatorial)궤도, 경사(inclined)궤도와 극(polar)궤도가 있다.
위성이 지구를 완전히 한 바퀴 도는 데 필요한 시간인 위성 주기는 지구 중심에서 위성까지의 거리 함수로, 주기를 정의하는 케플러의 법칙(Kepler's law)에 의해 결정된다.

영향예상지역 (Footprint)

위성은 양방향 안테나(line-of-sight, 가시선)로 마이크로파를 처리한다. 그러므로 위성에서 나오는 신호는 영향예상지역(footprint, 또는 조사범위)이라고 불리는 특별한 지역을 정상적인 목표로 한다. 영향 예상지역의 중심에서 신호 전력이 최대치가 되며 중심에서 멀어짐에 따라 전력이 감소한다. 영향예상지역의 경계는 전력이 규정된 임계치에 이르는 지역이다.

위성 통신을 위한 주파수 대역 (Frequency Bands)

위성 마이크로파 통신용으로 예약된 주파수는 GHz 대역이다. 각 위성은 서로 다른 주파수 대역에 송신과 수신을 한다. 지구에서 위성으로 전송하는 것을 업링크(uplink)라고 하며 위성에서 지구로 전송하는 것을 다운링크(downlink)라고 한다. 표 16.1은 각 대역에 대한 명칭과 주파수를 나타낸다.

세 종류의 위성 (Three Categorizes of Satellites)

궤도의 위치에 따라 위성은 GEO(Geostationary Earth Orbit), LEO(Low Earth Orbit), MEO(Medium Earth Orbit)라는 세 종류로 구분된다.

그림 16.18는 지구 표면에 대해 위성의 고도를 보인다. 서로 다른 궤도를 갖는 이유 중 하나는 밴 앨런 방사대(Van Allen belt)가 두 군데 있기 때문이다. 밴 앨런 방사대는 충전된 입자를 포함하는 층이다. 두 방사대 중 하나에 위치하는 위성은 에너지로 충전된 입자에 의해 완전히 파괴된다. MEO궤도는 두 방사대 사이에 위치한다.

16.3.2 GEO 위성

가시선 전파는 송신 안테나와 수신 안테나가 한 위치에 고정되어 있어야 한다(한 안테나의 가시권에 반드시 다른 안테나가 있어야 한다). 이런 이유로 지구의 자전속도보다 빠르거나 느린 위성은 단지 짧은 시간 동안만 쓸모가 있다. 계속적인 통신을 보장하기 위해서는 위성이 어떤 지점에 고정되어 있는 것처럼 여겨지도록 위성은 반드시 지구와 같은 속도로 움직여야 한다. 이런 위성을 정지 궤도(geostationary)위성이라고 한다.
궤도 속도는 행성과의 거리에 근거하므로 단 한 궤도만이 정지궤도가 된다. 이 궤도는 적도면에 있으며, 지구 표면에서 대략 22,000 마일 상공에 위치한다.
그러나 정지궤도 위성 하나로는 전체 지구를 감당할 수 없다. 궤도상에 있는 위성 하나는 다수의 지국과 가시선 접속을 하지만 지구의 많은 부분은 지구 곡률 때문에 여전히 가시권 밖에 있게 된다. 전 세계적인 전송을 위해서는 정지궤도 상에서 서로 같은 거리만큼 떨어져 있는 최소 3개의 위성이 필요하다. 그림 16.19은 적도 주변의 정지궤도 상에서 서로에 대해 각각 120$\degree$각도를 가진 3개의 위성을 보여준다.

16.3.3 MEO 위성

중궤도(MEO, Medium-Earth Orbit)위성은 두 밴 앨런 방사대 사이에 위치한다. 이 궤도의 위성은 지구를 도는 데 대략 6~8시간이 걸린다.

위치정보시스템 (GPS)

MEO 위성 시스템의 예제 하나는 대략 지구 상공 18,000km(11,000 마일) 고도에서 움직이는 GPS이다. GPS는 미국 국방성에서 설치한 시스템이지만 지금은 공공 시스템이다. 이 시스템은 24개의 위성으로 구성되어 있으며 차량과 선박에 시간과 위치를 제공하여 육상과 해상 항해 시스템으로 사용된다. GPS는 통신용 사용되지 않는다. GPS는 그림 16.20과 같이 여섯 궤도에 있는 24개의 위성을 이용한다. 궤도와 각 궤도에 있는 위성의 위치는 어느 시간에도 지구상의 어느 점에서도 4개의 위성이 보일 수 있도록 설계되었다. GPS 수신기는 위성 현재 위치를 알려주는 연감(almanac)을 가지고 있다.

삼변측량법 (Trilateration)

GPS는 삼변측량법에 근거한다. 삼변측량법과 삼각측량법은 자주 혼용되어 왔다. 이 책에서는 3개의 각을 사용하는 삼각측량법(Triangulation)보다 3개의 변을 사용하는 삼변측량법(Trilateration)을 사용할 것이다. 평면상의 세 점에서 우리가 있는 곳까지의 거리를 알면 우리의 위치를 정확히 알 수 있다. 점 A, B, C를 중심으로 원을 그리면 반드시 세 원 위의 어딘가에 위치하게 된다.
그러나 3차원 공간에서는 상황이 달라진다. 그림 16.21b와 같이 3개의 구(sphere)는 두 점에서 만난다. 경도, 위도, 고도를 갖는 공간상에서 정확한 위치를 알기 위해서는 4개의 구가 필요하다. 그러나 우리 위치에 대하여 추가적인 사실을 가지고 있다면, 3개의 구로도 충분하다. 그 이유는 구가 만나는 두 지점 중의 하나는 절대로 일어날 수 없기 때문에 의심할 여지 없이 다른 것이 선택된다.

거리 측정 (Measuring the distance)

만약 각 위성에서 우리가 있는 곳까지 거리와 각 위성의 위치를 알고 있으면 삼변측량법으로 우리의 위치를 찾을 수 있다. 미리 정의된 위성의 경로를 이용하여 GPS 수신기는 각 위성의 위치를 계산할 수 있다. 그런 다음 적어도 3개의 GPS 위성(구의 중심)에서 GPS 수신기까지의 거리를 알아야 한다. 거리 측정은 편도 거리측정(one-way ranging)방법을 사용한다. 모든 GPS 위성과 지구상의 수신기과 동기화되었다고 가정하자. 24개의 위성은 동기화되어 각각 고유한 패턴을 갖는 복합 신호를 전송한다. 수신기의 컴퓨터는 위성에서 온 신호와 수신기의 복사된 신호 간의 지연을 측정하여 위성과의 거리를 계산한다.

동기화 (Synchronization)

이전 설명에서 모든 위성과 수신기의 시간이 모두 동기화되어 있다고 가정하였다. 위성은 매우 정확하고 다른 위성과 동기화 기능이 있는 원자 시계(atomic clock)를 사용한다. 원자 시계의 가격은 보통 5만 달러 이상이기 때문에 수신기는 가격이 저렴한 일반 수정 시계를 사용한다. 거리를 계산하는데 offset을 만들어내는 위성 시계와 수신기 시계 사이에 알려지지 않은 offset이 존재한다. 이 offset 때문에 측정된 거리 값을 의사거리(pseudorange)라고 한다.
GPS는 시계 offset 문제를 해결하기 위해 좋은 방법을 사용한다. 이 문제를 해결하기 위해 모든 위성에서 사용되는 같은 offset값을 인식한다. 위치 계산은 4개의 미지수를 찾아서 행해진다. 4개의 미지수는 수신기의 좌표 $x_r, y_r, z_r$과 공통 시간 offset $dt$이다. 4개의 미지수를 구하기 위해 최소 4개의 수식이 필요하다. 이는 4개의 위성에서 의사거리 측정을 해야 함을 의미한다. 측정된 의사거리를 $PR_1, PR_2, PR_3, PR_4$라 하고 각 위성의 위치를 $x_i, y_i, z_i$(i는 1부터 4까지)라 하면 다음 수식을 통해 4개의 미지수 값을 구할 수 있다.

위 수식에서 사용된 좌표는 지구-중심 지구-고정 좌표계(Earth-Centered Earth-Fixed[ECFF] reference frame)를 사용한다. 좌표의 공간 중심은 지구의 중심이고, 좌표 공간은 지구와 함께 회전한다. 이는 ECEF 좌표의 고정된 점은 지구의 표면상에서 변하지 않음을 의미한다.

응용 (Applications)

GPS는 군에서 사용되었다. 또 다른 용도는 네비게이션(navigation) 시스템이다. IS-95 cell 방식 전화 시스템은 GPS를 이용하여 기지국 간의 동기화를 달성한다.

16.3.4 LEO 위성

저궤도(LEO, Low-Earth orbit)위성은 극궤도를 가진다. 고도는 500에서 2,000킬로미터이며, 회전 주기는 90분에서 120분이다. 위성의 속도는 시간당 20,000에서 25,000킬로미터이다. LEO 시스템은 보통 cell 방식 전화 시스템과 유사한 cell 방식의 접속을 한다. 정상적인 영향예상지역의 지름은 8,000킬로미터이다. LEO위성은 지구에 가깝기 때문에 왕복 시간 전파 지연은 정상적으로 20ms이하이며, 오디오 통신에서 사용할 수 있다.
LEO 시스템은 위성군으로 하나의 네트워크로 동작하며, 각 위성이 하나의 교환기로 작동한다. 서로 인접하는 위성은 위성 간 링크(ISL, intersatellite link)로 연결된다. 이동 시스템은 사용자 이동 링크(UML, user mobile link)를 통해 위성과 통신을 한다. 위성은 또한 지구국(Earth station, 게이트웨이)과 게이트웨이 링크(GWL, gateway link)를 통해 통신한다. 그림 16.22는 전형적인 LEO위성망을 보여준다.

LEO 위성은 작은(little) LEO, 큰(big) LEO와 광대역(broadband) LEO라는 세 종류로 분류될 수 있다.
작은 LEO는 1GHz 이하에서 동작하며 대부분 낮은 데이터율의 메시지 전달에 사용된다.
큰 LEO는 1에서 3GHz 사이에서 동작한다. 글로벌 스타(Globalstar)는 큰 LEO 위성 시스템의 한 예이다. 이 시스템은 6개의 극궤도에 48개의 위성을 사용하며, 각 궤도에 8개의 위성을 갖고 있다. 궤도는 거의 1,400km 고도에 위치하고 있다. 이리듀 시스템 또한 큰 LEO의 예이다. 이리듐(Iridium)시스템은 여석 궤도에 66개의 위성을 가지고 있으며 각 궤도에는 11개의 위성이 있다. 궤도는 750km 고도에 있으며 각 궤도의 위성은 대략 위도가 32도만큼 서로 떨어져 있다. 광대역 LEO는 광 네트워크와 유사한 통신을 제공한다. 첫 광대역 LEO 시스템은 텔레데식(Teledesic)이었다. 텔레데식은 광섬유 통신(광대역 채널, 낮은 오류율, 그리고 낮은 지연)과 같은 서비스를 제공하는 위성 시스템이다. 주요 목적은 전 세계의 모든 사용자에게 광대역 인터넷 접속을 제공하는 것이다. 때로는 "하늘의 인터넷"이라고 부른다. 이 프로젝트는 크레이크 맥코우(Craig McCaw)와 빌 게이츠에 의해 1990년에 시작되었고, 나중에 이 컨소시움에 다른 투자자들이 참여하였다.