모바일 빅뱅 시대의 주파수 효율 개선 핵심기술 개발 (연차보고서)
2016. 01. 29.
주관기관 : 한국전자통신연구원 참여기관 : 한국방송통신전파진흥원
미래창조과학부
연차보고서
사업명 정보통신방송 기술개발사업 과제번호 B0101-15-222
과제명
(국문) 모바일 빅뱅 시대의 주파수 효율 개선 핵심기술 개발 (영문) Development of core technologies to improve spectral
efficiency for mobile big-bang
주관기관 한국전자통신연구원 총괄책임자 최형도
참여기관
(책임자) 한국방송통신전파진흥원(이승훈)
총수행기간 2014. 03. 01. ~ 2017. 02. 28. (3년)
협약기간 2015. 03. 01. ~ 2016. 02. 29. (1년) 해당년도
수행기간 2015. 03. 01. ~ 2016. 02. 29. (12개월) 협약기간
총사업비(천원)
정 부
출연금 7,600,000 민 간 부담금
현금 0
계 7,600,000
현물 0
해당연도 사업비(천원)
정 부
출연금 7,600,000 민 간 부담금
현금 0
계 7,600,000
현물 0
키워드
(6 ~ 10개) 주파수공동사용, 전파채널측정, 소형셀, 간섭분석, M/W 링크, 회전모드
정보통신․방송 연구개발 관리규정 제33조에 의거하여 연차보고서를 제출합니다.
2016년 01월 29일
총괄책임자: 최 형 도 (인) 주관기관장: 이 상 훈 (인)
미래창조과학부 장관 귀하
일련
번호 개발 내용 추진 일정(개월) 달성도
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 (%) 광대역 주파수 확보 기술
1
Multi-site 레이더 주파수 공동 (중첩) 사용 기술 개발
100%
- Multi-site 레이더 주파수 공 동 사용 알고리즘 설계 - Multi-site 레이더 주파수 공
동 사용 알고리즘 H/W 탑재 및 시험
- 소출력 레이더 주파수 공동사 용 시스템 테스트베드 설계
2
간섭분석 시스템 S/W 구현
100%
- SEAMCAT 기반 전파간섭 분 석 시스템 구현
- 시공간 간섭 분석 시스템 구 현
3
실측기반 4㎓대 전파전파 특성 분석 및 전파모델 개발, 5㎓대 및 30∼40㎓대 전파 측정 시스템 설계
100%
- 4㎓대 전파특성 측정시스템 기저대역 설계
- 4㎓대 전파특성 측정시스템 기저대역 제작 및 성능 검증 - 38㎓대역 측정시나리오 개발
및 측정
- 38㎓대역 송수신 RF모듈 설계 및 제작
- 고정밀 측정 데이터 분석용 S/W 분석 툴 성능 개선
소형셀 기반 주파수 공동사용 핵심기술
4
5㎓ 비면허 LTE와 Wi-Fi간의 주파수 공동사용 기술개발 - 페이딩 환경에서 이종 OFDM 100%
신호 간의 SINR 산출
Ⅰ.
해당 연도 추진 현황Ⅰ-1 기술개발 추진 일정
(계획 : 실적 : )
- 비면허 주파수환경에 맞는 LTE 다운링크 공유기술 개발 - LTE signal on/off 기법에 의한
Wi-Fi와의 공유분석
- 3GPP 시나리오에 의한 비면허 LTE와 Wi-Fi간의 상호공존 시 뮬레이터 개발
5
LBT 기반 비면허 주파수 공동사용 채널접속기술 개발
100%
- 확률관점에서 프레임과 로드 LBT 간의 상호공존 분석 - Fairness 확보를 위한 LBT 랜
덤접속 알고리즘 개발
- OFDMA 신호간의 상호공존을 위한 채널접속 기술 개발
6
소형 셀의 무선 환경 인지 기술개발
100%
- Carrier Aggregation에 의한 수 동 상호변조 신호검출 기술 - Feature Detection을 이용한 광
대역 LTE와 Radar 신호 간의 식별 기술
- 5㎓ 비면허 LTE/Wi-Fi/Radar
환경에서의 채널선택
emulator 구현
7
주파수 소요량 산출 기술 개발
100%
- 모바일 트래픽의 통계적 예측 모델 개발
- 국제적 기법과 국내 실정을 반영한 주파수 소요량 예측 방법 개발
- 이통사 실측 데이터를 적용한 주파수 소요량 산출
8
소형셀 기반 주파수 공동 사용 관련 정책 지원
100%
- 주파수 공동사용 연구
- 용도자유대역 기술기준 연구
- 5㎓ 비면허주파수 연구
회전모드기반 주파수 효율 향상 기술
9
고효율 스펙트럼 이용을 위한 다중(2개) 회전 모드 안테나 모듈 구현
100%
- 다중(2개) 회전모드 안테나 모 듈 구현
- 다중모드간 간섭제거 알고리 즘 상세 설계, 구현, 검증
10
M/W 무선링크 시스템 상세설계, 개별 모듈간 연동시험
100%
- 안테나 채널 추정 알고리즘 보완설계
- 안테나 채널 추정 알고리즘 시험 및 검증
- 안테나/RF/BB 개별 모듈 상세 설계
- 안테나/RF/BB 개별 모듈 구현
- 안테나/RF/BB 모듈 연동 시험
11
주파수 제도 및 경제성 분석 연구
100%
- 2.1㎓대역 등 주파수의 시장 분석 및 정책 연구
- 5G 이동통신을 위한 전파 이 용제도 연구
- 모바일 트래픽 예측 및 주파 수 수급지수 산출방안
12
스펙트럼 엔지니어링 고도화 기술
100%
- 무선서비스간 측정 기술 개발 - ’16년 신규할당 예정대역
전파 간섭 측정 및 분석 - 무선서비스간 간섭 측정 시험
환경 구축
13 주파수 정책, 표준화 및 기술 동향 조사 연구 - 5G 시스템 도입을 위한 주파수 100%
확보 동향 연구
- ITU-R WP5D, WRC-15 등 국내외 표준화 및 기술 동향 조사․분석
- 주요국 주파수 중장기 정책 동향 조사․분석
목표
∙ Multi-site 기상 레이다 주파수 동기화(공동 사용) 신호 처리 모듈 설계 및 제작
∙ 시·공간적 전파간섭 분석 시스템 S/W 구현
∙ 실측기반 4㎓대 전파전파 특성 분석 및 전파모델 개발, 5㎓대 및 30∼40㎓대 전파 측정 시스템 설계
추진실적
<Multi-site 기상 레이더 주파수 공동 (중첩) 사용 기술 개발>
ㅇ Multi-site 레이더 주파수 공동 사용 알고리즘 설계
- 기상 타겟 신호 반사 모형 연구: 몬테카를로 모형과 확률 모형 비교 연구
- 현재 서로 다른 주파수 대역에서 운용되고 있는 기상 레이더들을 (2차년도 기준, 4대) 동일 주파수 채널에서 운용할 수 있도록 하는 핵심 알고리즘 설계
∙ 1차 간섭 제거: (준) 직교코드 기반 펄스압축
∙ 2차 간섭 제거: CLEAN 알고리즘 기반 점진적 상관 간섭 제거
- 개발 알고리즘 검증을 위한 MATLAB 기반 기상 레이더망 시뮬레이터 구현 및 평가 ∙ 확률 모형 기반 레이더 반사 신호 생성
∙ 4대의 기상 레이더가 주파수를 공유했을 때 제안한 알고리즘의 성능 확인 완료: 반사 도, 속도, 스펙트럼폭
- 연구실적물 ∙ 기술문서 5건
ㅇ Multi-site 레이더 주파수 공동 사용 알고리즘 H/W 탑재 및 시험
- 레이더 간섭 제거 알고리즘 개선 및 성능 분석의 용이성을 위해 MATLAB code를 직접 controller에서 실행할 수 있도록 NI platform을 사용한 시험 시스템을 구축. (M-script를 통해 MATLAB으로 구현된 알고리즘 포팅 용이, LabView를 통해 NI 하드웨어 플랫폼 제어 용이) - 복수의 독립된 NI 기반 하드웨어에 각각의 레이더가 구현되어 신호를 발생시키고, 신호 의 중첩은 아날로그 신호로 변형된 뒤에 결합기에서 일어남. 중첩된 신호가 레이더 송 수신기에 수신되어 주파수 공동 사용 알고리즘 (간섭신호 제거 알고리즘)을 수행하여 기 상 목표물 정보 추정.
- RF loop back 시험 시스템을 이용하여 볼륨 타겟 모형에 대하여 4대의 레이더가 단일 주파수를 공유 시 개발한 알고리즘 성능 시험 완료
- 연구실적물
∙ 시제품 1set (multi-site 레이다 주파수 공동사용 신호처리 모듈), 기술문서 3건
Ⅰ-2 해당 연도 추진 실적 가. 광대역 주파수 확보 기술
ㅇ 소출력 레이더 주파수 공동 사용 시스템 테스트베드 설계
- Multi-site 기상 레이더 주파수 공동 사용 기술을 실 기상 환경에서 평가하기 위한 소출 력 레이더 테스트베드 시스템 설계
∙ 2차년도 제작한 시험 시스템의 송수신기에 무선 송수신 기능 추가됨.
∙ NI 플랫폼 기반 레이더 신호 처리: 펄스 압축 신호 생성, 수신 신호에 대한 간섭 제거 알고리즘 수행
∙ 실 기상 환경에서 무선으로 신호를 송수신하기 위한 설계: 증폭기, 채널 필터, RF Circulator, 무선 안테나 관련 기능 및 요구사항 정의
- 연구실적물 ∙ 기술문서 1건
<고밀도 복합 환경 지역에 적합한 시·공간적 전파간섭 분석 시스템 개발>
ㅇ SEAMCAT 기반 전파 간섭 분석 시스템 구현
- 간섭분석 시스템 요구사항 정의 및 상세 설계 수정 - 간섭분석 시스템 기능 구현 및 시험
∙ 일반시스템/(W)CDMA/LTE 시스템간 간섭 분석 추가 기능 ∙ 밀집 모드에서 LTE 단말기간 간섭 분석 추가 기능
∙ 라이브러리(송신기,수신기, 안테나, 송수신마스크, etc) 제공 구현 - 연구실적물
∙ 국제논문: 3건, S/W(ESET ver1.1) 1건, 기술문서 3건, 기술이전 1건
ㅇ 시공간적 간섭 분석 시스템 구현
- 시·공간적 통계적 모델링 적용 전파간섭 분석 시스템 GUI 및 구조 설계 - 시·공간적 간섭분석 시스템 알고리즘 구현 및 시험
∙ GIS 기반 일반 시스템 간섭 분석 기능
∙ 시간율·공간율에 따른 간섭 신호 크기 평가 기능 - 연구실적물
∙ 국내특허 출원접수: 1건, 기술문서 1건, S/W(ESET_globe ver1.1) 1건
<4㎓대 전파 특성 시스템 RF 파트 제작 및 실환경 전파 특성 측정, 모델 개발 및 30∼40㎓대 전파 측정 시스템 설계>
ㅇ 4㎓대 전파 특성 측정 시스템 RF 파트 제작 및 실환경 전파 특성 측정, 모델 개발
- 4㎓대역 전파특성 측정시스템 RF 파트 제작
∙ 4㎓대역 전파 특성 측정시스템 up/down converter 제작을 통한 RF 파트 설계 및 제작 완료 ∙ 4㎓대역 전파 특성 측정시스템 RF파트에 대한 상세설계서, 시험절차서, 결과보고서
작성 완료
- 4㎓대역 전파특성 측정시스템 RF 파트 성능 검증
∙ 4㎓대역 전파특성 측정시스템 RF 파트 test-bed 개발 완료(RF파트 트랜시버 모듈, 신호발생 및 신호처리 모듈, 동기화 작업 수행 제어 모듈, 데이터 저장 및 모니터링 모듈, 전파 채널 분석 모듈 개발 완료)
∙ 4㎓대역 전파특성 측정시스템 통합 성능검증 완료(주파수, 대역폭, CIR, 송수신 이득 제어, 파일 저장 및 재생, 송수신 필터, 송수신 UI 구성)
- 연구실적물
∙ 시제품 1set(기저대역 및 RF 모듈을 포함한 4㎓대역 전파특성 측정시스템), 기술문서 3건 - 4㎓대역 Small-cell 환경에서의 전파전파 특성 측정 및 모델링
∙ 도심 모바일 핫스팟 지역 및 비번화가 지역에서의 전파특성 측정 진행
∙ 측정된 결과로부터 경로 손실, 지연 확산, K-factor, 채널 용량 등의 전파 특성 파라 미터 도출 및 모델링 진행
∙ 공간율/시간율에 따른 전파 특성 파라미터 도출 및 모델링 진행
ㅇ 38㎓대 측정 시나리오 개발 및 측정 - 38㎓대 전파특성 측정 및 DB 구축
∙ 개활지환경 전파특성 측정(전북 부안 계화면 2km 이상), 관련 개활지측정 DB확보 ∙ 실내 환경 측정(서울역사, 인천공항터미널), 관련 실내측정 DB 확보
∙ 실외 Urban low-rise 환경 측정(대전 관평동) 및 Urban high-rise 환경 측정(대전 둔산동, 서울 강남 일대), 관련 실외측정 DB 확보
ㅇ 38㎓대역 전파 특성 측정시스템 설계
- 38㎓대역 송수신 RF모듈 설계 및 제작 완료 ∙ 위상잡음 –92dBc/㎐@40㎑, -92dBc/㎐@100㎑
∙ 이득 27dB이상, 출력 27dBm이상, VSWR 1.2:1 이하(입력) ∙ 38㎓대역 Horn 안테나 방사패턴 측정 완료 (무반향실) - 고정밀 측정 데이터 분석용 S/W 분석 툴 성능 개선 완료 ∙ 도심 코너(corner)영역 경로손실 산출 S/W 개발
∙ 안테나 빔폭에 따른 지향성 다중경로 특성 파라미터 모델링
- 38㎓대역 전파 특성 측정시스템 통합 성능시험 완료
∙ 통합 성능시험 결과: 경로손실 측정가능범위 150dB, CIR Dynamic range 최대 50dB - 연구 실적물
∙ 시제품: 38㎓대 전파측정용 RF 송/수신모듈 각 1set
∙ 국제/국내논문: 8/3건, 국내특허 출원: 1건, 국제/국내기고서: 4/2건
목표
∙ 5㎓ 비면허 LTE와 Wi-Fi간의 주파수 공동사용 기술개발
∙ LBT 기반 비면허 주파수 공동사용 채널접속 기술개발
∙ 소형 셀의 무선환경 인지기술개발
∙ 주파수 소요량 산출 기술 개발 연구 추진실적
o 5㎓ 비면허 LTE와 Wi-Fi간의 주파수 공동사용 기술개발 - 페이딩 환경에서 이종 OFDM 신호 간의 SINR 산출
∙ 이종 OFDM 신호가 간섭원으로 작용하였을 때의 Effective SINR 분석 ∙ 링크레벨 추상화 오차에 따른 Effective SINR 영향 분석
∙ 주요결과 : 기술문서 1건, 논문 2건
- 비면허 주파수 환경에 맞는 LTE 다운링크 공유기술 개발
∙ 면허대역과 비면허대역 CA 기반 LTE 기술개발과 관련하여 스케줄링, 프레임구조, DRS 설계, 채 널접속기술 개발
∙ 비면허대역 DRS 시퀀스 생성방법 및 LAA HARQ-ACK/NACK 피드백 정보로 버스트의 제1 서 브프레임 선택기술 등의 3GPP LTE-LAA 표준기술 개발
∙ 주요결과 : 특허 11건, 논문 8건, 기고서 16건, 기술이전 1건 - LTE signal on/off 기법에 의한 Wi-Fi와의 공유분석
∙ Signal on/off 기법 적용 시 duty cycle의 변화에 따른 공유 성능 분석 ∙ 일정한 Duty cycle에서 on 지속시간의 변화에 따른 공유 성능 분석 ∙ LTE-U Forum의 CSAT 기반 비면허대역 LTE 기능 및 공존 시험 완료
∙ CSAT 알고리즘 검증을 위한 ETRI-퀄컴의 LTE-U Trial Test 수행(미래부 5㎓ 비면허주파수 연 구반 참관)
∙ 주요결과 : 논문 3건, 기술문서 2건
- 3GPP 시나리오에 의한 비면허 LTE와 Wi-Fi간의 상호공존 시뮬레이터 개발 ∙ 3GPP 시뮬레이션 시나리오 환경에 따른 LTE와 Wi-Fi 상호 공존 시뮬레이터 개발 ∙ 시뮬레이션 결과를 바탕으로 3GPP LAA Work Item에 기고
∙ 주요결과 : 시뮬레이터 1건
나. 소형셀 기반 주파수 공동사용 핵심기술
o LBT 기반 비면허 주파수 공동사용 채널접속 기술개발 - 확률관점에서 프레임과 로드 LBT 간의 상호공존 분석
∙ LBT 기술을 확률관점에서 모델링하고 Closed-form 도출하여 시뮬레이션을 통해 검증 ∙ 프레임과 로드 LBT 간의 상호공존 환경에서의 성능분석
∙ 주요결과 : 논문 3건
- Fairness 확보를 위한 LBT 랜덤접속 알고리즘 개발
∙ Fairness 성능 개선을 위한 LBT 랜덤 접속 알고리즘 개발 및 성능 분석 ∙ LBT 랜덤 접속 알고리즘이 기존의 BEB 보다 성능이 개선됨을 확인 ∙ 주요결과 : 논문 1건, 특허 1건
- OFDMA 신호간의 상호공존을 위한 채널접속 기술 개발
∙ Wi-Fi 신호와 LTE-LAA 신호가 동일한 OFDM 부반송파를 이용하여 전송할 때 Zadoff-Chu sequence를 이용하여 상호공존 할 수 있는 기술 개발
∙ 주요결과 : 특허 1건, 기고서 3건, 기술문서 1건
o 소형 셀의 무선 환경 인지 기술개발
- Carrier Aggregation에 의한 수동 상호변조 신호검출 기술
∙ 주파수 집성을 위한 광대역 수동상호변조 왜곡신호 고정밀 측정기술 개발 ∙ 수동상호변조 신호검출 모듈 설계
∙ 주요결과 : 특허 1건, 기술이전 1건, 기술문서 4건
- Feature Detection을 이용한 광대역 LTE와 Radar 신호 간의 식별 기술 ∙ Radar, LTE-U와 Wi-Fi 신호 구분이 가능한 Feature Detection 기술 개발 ∙ 주요결과 : 기술문서 1건, Feature Detector 1건
- 5㎓ 비면허 LTE/Wi-Fi/Radar 환경에서의채널선택 emulator 구현 ∙ LTE/Wi-Fi/Radar가 공존하는 가상 환경 구축 기능 구현 ∙ DFS 파라미터 변경 기능 및 채널 변경 정책 설정 기능 구현 ∙ 주요결과 : 기술문서 1건, 채널선택 emulator 1건
o 주파수 소요량 산출 기술 개발 연구 - 모바일 트래픽의 통계적 예측 모델 개발
∙ 시계열 ARIMA 모형을 적용하여 예측 정확도를 높인 중단기 트래픽 예측 모델 개발 - 국제적 기법과 국내 실정을 반영한 주파수 소요량 예측 방법 개발
목표 ∙ 고효율 스펙트럼 이용을 위한 다중(2개) 회전 모드 안테나 모듈 구현
∙ M/W 무선링크 시스템 상세설계 및 개별 모듈간 연동시험 추진실적
ㅇ 고효율 스펙트럼 이용을 위한 다중(2개) 회전 모드 안테나 모듈 구현 - 다중 회전 모드 안테나 결합기/Feeder 상세설계, 제작, 및 시험
∙ 다중 회전 모드로의 확장을 위한 도파관형 3 중 회전모드 합성부(버틀러 매트릭스) 설계 및 제작
∙ 합성부 출력 포트별 위상차를 이용한 회전모드 급전 방식 사용
∙ 3 중(-1, 0, +1) 회전모드 합성부를 이용한 회전모드 안테나(prototype) 구성 및 근역장 특성 테스트
: 3 중 회전 모드 합성부와 2x2 안테나 Feeder 및 카세그레인 안테나 구조
∙ ITU-R M.1768-1, M.2290 등 국제적 예측 기법 및 국내 포화율 기준 실측 데이터를 적용한 주파수 소요량 예측 방법 개발
∙ 주요실적: TD 1건
- 이통사 실측 데이터를 적용한 주파수 소요량 산출 ∙ 기술방식별, 사업자별 주파수 소요량 산출
∙ 주파수 점유율에 따른 주파수 공급 시기 및 공급량 예측 ∙ 주요실적: 논문 2건, TD 1건
o 소형셀 기반 주파수 공동 사용 관련 정책 지원 - 주파수공동사용 정책 연구
∙ 미국 FCC의 3.5㎓ 주파수 공동사용 고시 분석 ∙ 국내 주파수 공동사용 후보 주파수 발굴 - 용도자유대역 기술기준 연구
∙ 용도 자유대역 관련 전파특성 및 기술동향 분석
∙ 262㎒/24㎓ 기술적 조건(무선설비규칙개정안) 작성 제출 ∙ 주파수분배표 개정(안) 및 비신고 고시 개정(안) 작성 제출 ∙ 주요결과 : 기술기준 개정 3건
- 5㎓ 비면허 주파수 연구
∙ 국내 5㎓ 무선랜 이용현황 분석 및 가이드라인 연구 ∙ 5㎓ 공유기술 및 무선랜 채널확대 방안 마련 (연구반 검증)
다. 회전모드기반 주파수 효율 향상 기술
: 근역장 측정을 통한 3 중 회전 모드 발생 확인 및 격리도 특성 측정 - 회전 모드간 간섭 제거 알고리즘 상세 설계 및 성능 검증
∙ 회전 모드(-1, 0, +1 모드) 간 분리를 위한 모드간 간섭 제거 알고리즘 개발을 통해 간접 제거 기능 향상
∙ Zero Forcing 기반 모드간 간섭제거 알고리즘 상세설계
∙ 몬테카를로 시뮬레이션을 통한 간섭제거 알고리즘 성능 검증 - 연구실적물
∙ 시제품 1건(도파관형 3 중 회전 모드 합성부), 논문 1건, 기술문서 16건, 시뮬레이션 프로그램 2건
ㅇ M/W 무선링크 시스템 상세설계 및 개별 모듈간 연동시험 - 안테나 채널 추정 알고리즘 보완설계
∙ LOS-MIMO 시스템 성능 시뮬레이션을 위한 모뎀 구현
: 대역폭 55㎒, OFDM, 16-QAM(64-QAM optional) 모뎀, Reed-Soloman (255,239) : OFDM 시스템 설계 규격 도출 및 Verilog 코드 설계
∙ 안테나 채널 추정 알고리즘 보완설계
: Orthogonal training sequence를 이용한 송신 신호 위상차 추정
: 이전 프레임의 송신신호 위상차이 정보를 이용한 채널 추정 안정성 향상 : 위상차 정보와 채널 간 크기 정보를 동시에 이용하여 간섭 제거 수준 향상
: 실시간 채널 추정 정보 확인을 위한 모니터링 기능 추가(위상정보 및 비트 에러량) ∙ 아날로그 방식의 간섭제거 알고리즘 설계
: 가변감쇠기와 위상천이를 이용한 아날로그 방식의 간섭제거 알고리즘 설계 : 기존 상용 장비와의 호환성을 위해 2~3 ㎓ IF 주파수 대역 이용
- 안테나간 경로별 채널 추정 알고리즘 시험 및 검증
∙ HDL 코드를 이용한 LOS-MIMO 시스템 채널 추정 알고리즘 시험 및 검증
: ADC/DAC 루프백 측정결과 두 채널 모두에서 +/- 5도 이내 까지 송신신호 위상차 검출 : 실시간 채널 추정 알고리즘 적용시 +/- 45도 이내에서 -30dB 이하, +/- 80도
이내에서 20dB 이하의 EVM 달성
: 고정 위상(90도)을 적용한 경우, 이론적인 성능 저하 특성과 일치함을 확인 ∙ 아날로그 방식의 다중 채널간 간섭제거 알고리즘 시험
: 2.2㎓ IF 주파수 대역에서 25dB 이상의 간섭제거 특성을 나타냄 - 안테나/RF/BB 개별 모듈 상세 설계
∙ 2x2 LOS MIMO 시스템에 적합한 상세 설계 완료
: 유사한 송신/수신 이득, 위상 및 지연 특성을 얻기 위한 RF/IF 모듈 소형화 설계 : 송신기와 수신기 분리를 통한 동일 회로 구조 및 동일 IF/RF LO 신호 사용 ∙ 독립 모듈구조의 시스템 설계
: 안테나/RF(Tx, Rx, LO)/BB 모듈의 독립화를 통해 제작용이성 및 시스템 복잡도 완화 : 향후 PDM(Polarization Division Multiplexing) 및 4x4로의 확장시 융통성 증대
- 안테나/RF/BB 개별 모듈 구현
∙ 2채널용 18㎓ RF Tx/Rx/LO 모듈 제작
: 2채널 전송이 가능한 18㎓ RF 모듈, 2㎓ I/Q 변복조기로 구성된 RF/IF 모듈 제작 : 10dB 이상의 P1dB, +/-2dB 이내의 대역평탄도와 6.5dB 이하의 잡음지수 달성 : 7.8㎓ RF LO 신호의 10dBm이상 출력전력 및 위상잡음 –117dBc/Hz@100KHz 달성
∙ 2x2 LOS MIMO에 적합한 Baseband 신호처리 모듈 제작
: 두 개의 FPGA를 사용해 OFDM 방식 모뎀과 FEC를 독립적으로 동작
: 단일 Baseband 모듈에서 2개의 OFDM 모뎀 및 LOS MIMO 알고리즘 처리 가능 : 향후 PDM 및 4x4로의 확장성을 위해 두 개의 10GE 인터페이스 추가 구성 - 안테나/RF/BB 개별 모듈 연동 시험
∙ 안테나 채널 추정 알고리즘 검증을 위한 시험 셋업
: 무선전송 시험을 위한 링크거리 4m, 안테나 이격거리 18cm의 실험실 시험 셋업 : 송신신호 위상차이가 90도에서는 SNR 17dB에서 uncoded BER 0, 30도에서도 SNR
21dB정도로 coded BER 10E-5을 달성함
: 보상알고리즘 사용여부에 따라 75도 위상 차이에서 coded BER 10E-5에서의 SNR이 18dB와 24dB로 6dB 차이를 보임
- 연구실적물
∙ 시제품 1set(2x2 LOS MIMO 시스템 플렛폼), 알고리즘 1건(안테나 채널추정 알고리즘), 논문 4건, 국내특허 출원 2건, 기술문서 12건
목표
∙ 2.1㎓ 대역 등 주파수의 시장 분석 및 정책 연구
∙ 5G 이동통신을 위한 전파 이용제도 연구
∙ 모바일 트래픽 예측 및 주파수 수급지수 산출방안 추진실적
ㅇ 2.1㎓ 대역 등 주파수의 시장 분석 및 정책 연구 (보고서 7건, 정책반영 2건) - 2.1㎓ 대역 주파수의 가치 및 이용정책 분석
라. 주파수 관리 및 경제성 분석
목표
∙ 700㎒대역 이종 무선서비스간 전파간섭 분석
∙ 국내 공공통합망 단말 기술기준 개정
∙‘16년 이동통신 신규 할당 예정대역 전파 간섭 분석 ∙ 2.1㎓ 대역 주파수의 가치 분석
∙ 2.1㎓ 대역 주파수 할당의 파급효과 분석 ∙ 2.1㎓ 대역 주파수의 이용정책 분석
- 기타 이동통신 주파수의 활용정책 및 파급효과 분석 ∙ 전파자원 배분의 효율성과 공평성 개념 정립 ∙ 전파자원 배분의 기본 원칙 마련
∙ 주파수 할당과 이동통신 산업생태계 변화 고찰 ∙ 기타 전파자원 이용 정책 지원
ㅇ 5G 이동통신을 위한 전파이용제도 연구 (보고서 5건, 논문 1건) - 5G 이동통신을 위한 현행 전파이용제도의 문제점 분석
∙ 5G 이동통신 기술 분석
∙ 5G 이동통신 도입에 따른 산업 변화 분석 ∙ 기존 전파이용제도의 문제점 분석
- 5G를 위한 전파이용제도 변경 방안 ∙ 전파자원 이용단계 파악
∙ 전파이용단계별 5G의 특징 및 제도 변경방안 연구
ㅇ 모바일 트래픽 예측 및 주파수 수급지수 산출방안 (보고서 6건)
- 이통사의 실제모바일 트래픽에 기반한 통계적 트래픽 예측 모델 개발 ∙ 이동통신 트래픽 추이 분석
∙ 모바일 트래픽 예측
- ITU 등 기존 예측 방법 검토 및 우리나라에 적합한 예측 방법 개발 ∙ 주파수 소요량 예측을 위한 트래픽 밀집지역의 셀 트래픽 분석 ∙ 트래픽 예측 방법론 연구
- 주파수의 수요와 공급을 고려한 주파수 수급지수 산출방안 연구 ∙ 주파수 수급 차이를 고려한 주파수 수급지수 모형
∙ 주파수 공급시차를 고려한 주파수 수급지수 모형 마. 스펙트럼 엔지니어링 고도화 기술
추진실적
ㅇ 무선 서비스간 측정 기술 개발 (보고서 1건, 기술기준 1건) - 700㎒대역 이종(異種) 서비스간 전파간섭 측정
∙ 700㎒대역 LTE, 무선마이크 및 DVB-T2간 간섭 - 700㎒대역 통합공공망 단말 기술기준 개정(안) 마련 ∙ 통합공공망과 DVB-T2간 간섭 측정
- 700㎒z대역 무선마이크 이용현황 측정
∙ 서울, 부산, 파주 업종지역별 무선마이크 이용 현황 분석
ㅇ‘16년 신규 할당 예정대역 전파 간섭 측정 및 분석 (보고서 1건) - 전파간섭 시뮬레이션
∙ 700㎒대역 이종서비스간 간섭 시뮬레이션 ∙ 1.8㎒대역 LTE와 PCS간 간섭 시뮬레이션 - ‘16년 할당 예정대역 전파잡음 측정
∙ 700㎒대역, 1.8㎓대역, 2.5㎓대역별 전파잡음 특성 측정(서울, 부산지역)
ㅇ 무선 서비스간 간섭 측정 시험 환경 구축
∙ 광대역 무선통신시험기, 휴대용 신호분석기, 방송신호발생기 등 구비
ㅇ 기타 주파수 분배 및 할당을 위한 정책 및 기술 지원(총 27개 연구반)
- 주파수 할당ㆍ기술기준 마련 : 간이무선국, 생활무선국용 무선설비 기술기준 개정 지원 - 전파 관련 현안 사항 지원 : 평창 동계올림픽 5G 시범서비스 방안, 2.1㎓ 한중간 주파수 협상 등 - 기타 기술 표준화 지원 : ITU-R(SG3, SG5, WRC-15), TTA 등 국내외 표준화 지원
목표
∙ 5G 시스템 도입을 위한 주파수 확보 동향 연구
∙ ITU-R WP5D, WRC-15 등 국내외 표준화 및 기술 동향 조사․분석
∙ 주요국 주파수 중장기 정책 동향 조사․분석 추진실적
ㅇ 5G 시스템 도입을 위한 주파수 확보 동향 연구 - 주요국 5G 이동통신 동향 조사․분석
- 저대역(6㎓이하), 고대역(6㎓이상)관련 해외 주요국 주파수 후보대역 동향 분석 ∙ (미국) FCC에서 검토 중인 5G 후보대역 동향 조사‧분석
바. 주파수 정책, 표준화 및 기술 동향 조사 연구
∙ (영국) Ofcom에서 검토 중인 5G 후보대역 동향 조사‧분석 ∙ (유럽) 유럽(METIS)에서 검토 중인 5G 후보대역 동향 조사‧분석
ㅇ ITU-R WP5D, WRC-15 등 국내외 표준화 및 기술 동향 조사․분석 - 5G 이동통신 기술 및 핵심성능 지표 동향 조사·분석
- LTE-TDD 기술 특성 및 주요국 동향 조사․분석
ㅇ 주요국 중장기 주파수 정책 동향 조사․분석 - 미국의 중장기 주파수 정책 동향 조사·분석
∙ 모바일 광대역 계획 (National broadband plan (2010.3)) ∙ 대통령 각서1 (Presidential Memorandom (2010.4)) ∙ 주파수 확보 10년 계획(NTIA Ten Year Plan (2010.10)) ∙ 대통령 각서2 (Presidential Memorandom (2013.6)) - 영국의 중장기 주파수 정책 동향 조사·분석
∙ 공공용 주파수 민간 개방(DCMS Enabling UK growth (2011.3)) ∙ PSSR 진행상황(DCMS Public Sector Spectrum Release (2014.3)) ∙ 국가 주파수 전략(DCMS The UK Spectrum Strategy(2014.3))
∙ 국가 주파수 전략 후속조치(OFCOM Spectrum Management Strategy(2014.4)) ∙ 모바일 데이터 전략(OFCOM Mobile Data Strategy (2014.5))
∙ 호주의 중장기 주파수 정책 동향 조사‧분석
∙ 5년 중단기 주요 전파 정책(ACMA Five Year Spectrum Outlook) ∙ 중장기 계획(ACMA Towards 2020 (2011.5)
∙ 전파정책 개편안(DoC Spectrum Reveiw (2015.5))
ㅇ 연구실적물 : 동향 보고서 1건 사. 계량실적 총괄표
구분
특허 논문 표준화 기술
이전 기술료
출원*
(국내/국외)
등록 (국내/국외)
계 (국내/국외)
SCI(E) (국내/국외)
비SCI (국내/국외)
계 (국내/국외)
기고/반 영/채택 (국외)
기고/반 영/채택 (국내)
건수 백만원
계획(건) 37 / 19 1 / 0 38 / 19 0 / 7 8 / 6 8 / 13 7/15/0 1/2/0 1 - 실적(건) 21 / 1 0 / 0 21 / 1 0 / 5 14 / 33 14 / 38 9/1/14 1/4/0 3 110 ※ 특허는 ‘14년 접수 ’15년 출원 실적(6/1) 포함
※ 논문(SCI)은 ‘14년 제출, ’15년 발표 실적 2건 포함 ※ 기술이전은 무상공여 1건 포함
Ⅱ.
기술개발결과II-1 광대역 주파수 확보 기술
(1) Multi-site 기상 레이다 주파수 공동사용 신호 처리 모듈 설계 및 제작
(가) Multi-site 기상 레이더 주파수 공동 사용 알고리즘 설계
현재 S-band 고출력 기상 레이더는 각각 특정한 주파수 대역을 독립적으로 할당하여 운용함으로써 원천적으로 주파수 간섭을 배제하고 있다. 국내의 경우, S-band 9대와 C-band 1대 총 10대의 기상 레이더들이 약 73 ㎒의 (한 대당 8 ㎒, 일부 중첩) 주파수 대역을 배타적으로 차지하고 있다. 하지만 날이 갈수록 부족해지는 주파수 자원을 효율적으로 사용하고 추가의 주파수 자원을 확보한다는 면에서, 동일 대역에서 multi-site 기상 레이더들을 운용할 수 있는 기술이 요구된다. 제안하는 기술은 현재 서로 다른 주파수 대역에서 운용되고 있는 기상 레이더를 동일 주파수 채널에서 운용할 수 있도록 하여 주파수 이용 효율을 높이기 위한 것이다.
① 기상 레이더망 시스템에서의 주파수 공동 사용 기술 개요
먼저, 기상 레이더망에서의 주파수 공동 사용 기술에 대해 전체적으로 알아보면 아래와 같다.
(그림 II-1-1) 기상 레이더 주파수 공동 사용 개념도
①-A. 직교 코드
제안하는 기술의 기본 원리는, 직교 코드 (orthogonal code) 기반 펄스 압축 (pulse compression) 기법을 쓰는 것이다.
개의 기상 레이더로 이루어진 레이더망 시스템에서 ⋯ 번 째 기상 레이더를 편의상 레이더 이라고 부르기로 한다. 제안하는 시스템에서, 각 레이더는 길이가 인 (펄스 압축) 코드에 따라 펄스를 변조하여 송신하는 펄스 압축 레이더이다. 레이더 이 사용하는
STEP 상세 설명
1 변조 펄스 송신 각 레이더는 직교 코드 집합의 서로 다른 코드를 사용하는 펄스를 변조하여 송신한다. 이때, 중심 주파수는 같다.
2 기상 목표물에 의한 반사
각 레이더에서 송신한 펄스는 기상 목표물에 반사되어 변형을 겪은 뒤에, 모든 레이더 방향으로 되돌아간다.
3 반사 신호 수신
각 레이더는 기상 목표물에 반사되어 되돌아온 펄스들을 수신한다. 이 수신 신호에는, 다른 레이더에서 쏘아 보낸 펄스가 반사되어 온 신호들이 같이 포함되어 있다.
4
정합 필터 (matched filter) 통과
수신 신호는 해당 레이더의 송신 코드에 대응하는 정합 필터를 거치게 되고, 이 과정에서 직교 코드의 성질에 따라 다른 레이더로부터의 간섭 신호가 제거된다.
5 기상 정보 추정 간섭이 제거된 반사 신호에서 기상 목표물의 정보를 추정한다.
코드를
⋯ (식 II-1-1) 이라고 두면, 코드 과 의 상관함수를 (correlation function)
m ax m in
(식 II-1-2) 로 쓸 수 있다. 이때, 일 때는 자기상관을 (autocorrelation), ≠ 일 때는 상호상관을 (cross-correlation) 뜻한다. 이제 레이더들의 코드 이 다음의 두 조건
≠ (식 II-1-3) 과 ≠ (식 II-1-4) 를 만족시킬 때, 이 코드들을 직교 코드 또는, 코드 전체를 직교 코드 집합이라고 한다.
①-B. 직교 코드 기반 펄스 압축 기상 레이더망
직교 코드를 사용하는 펄스 압축 기상 레이더들로 이루어진 레이더망에서, 단일 주파수 대역에서의 동시 동작 원리를 아래 표에 간단히 정리하였다.
(표 II-1-1) 직교 코드 기반 펄스 압축 기상 레이더망에서의 주파수 공동 사용 원리
위 Step 2의 신호 반사 과정에서, 기상 목표물의 반사도 (reflectivity), 속도 등에 따라 펄스의 진폭, 위상 등에 변화가 일어나는데, 이 과정을 송신 펄스가 기상 목표물에 대응되는 채널을 통과하는 것으로 모형화할 수 있다. 이 채널을 반사 채널이라고 (reflection channel) 부른다.
Step 3에서 레이더 1의 (메인 레이더로 가정) 수신 신호는,
(식 II-1-5) 와 같이 쓸 수 있다. 여기서,
는 레이더 에서 레이더 1으로의 반사 채널을,
는 레이더 1의 수신 안테나에서의 잡음이다. 또한, 위 첨자 는 ⋯ 레이더 1에서 쏘아 보낸 몇
번째 펄스에 (또는 그에 해당하는 시간) 해당하는지를 가리킨다. 이제 Step 4로 넘어가서, 레이더 1의 수신 신호 는 레이더 1의 코드 에 정합된 필터를 거치게 되는데 그 정합 필터 출력은 직교 코드의 성질과 식 (II-1-5)에 따라
(식 II-1-6) 으로 주어진다. 여기서, 은 레이더 1의 직교 코드 에 정합된 필터의 충격 응답이다. 위 식에서, 직교 코드 기반 펄스 압축 기법에서 정합 필터를 거친 결과, 추정하고자 하는 채널 성분과 잡음 성분만이 남게 되는 것을 확인할 수 있다. 이때, 잡음 성분은 여러 개의 펄스에 대하여 정합 필터 출력을 평균함으로써 제거할 수 있다. 결국, 직교 코드 기반 펄스 압축 기법을 적용함으로써 기상 레이더망 안의 각 레이더는 같은 주파수 대역에서 동작하는 다른 레이더들의 간섭을 받지 않고 독립적으로 동작할 수 있게 된다.
①-C. 실제 구현에서 고려해야 할 간섭 성분들
앞선 ①-B에서 언급한 시스템의 문제점은, 이상적인 직교 코드를 실제로 구현할 수 없다는 것이다. 가능한 해법으로, 직교 코드에 가능한 한 가까운 준 직교 코드를 (nearly-orthogonal code) 쓰고, 이로 인해 생겨나는 간섭 성분을 추가적인 신호처리 기법을 통해 제거하는 것을 생각해 볼 수 있다. 이를 좀 더 자세히 살펴보면 아래와 같다.
준 직교 코드를 쓸 때 레이더 1의 정합 필터 출력은 아래와 같다.
(식 II-1-7) 여기서, 은 레이더 1의 코드 의 자기상관함수 의 부엽 (sidelobe) 성분이다. 직교 코드와 달리 준 직교 코드에서는 이 자기상관함수의 부엽 성분 과 상호상관함수 이
≠ 0이 아니기 때문에, 정합 필터 출력에서 다음의 두 성분들이 추가로 남게 된다.
(잔여 성분 1) = (잔여 성분 2) =
여기서, 자기상관함수의 부엽 로 인한 잔여 성분 1을 intra-radar 간섭, 상호상관함수로 인한 잔여 성분 2를 inter-radar 간섭이라고 한다.
기상 레이더망 주파수 공동 사용 기술의 핵심은, 위에 설명한 intra-radar 및 inter-radar 간섭을 없애거나 또는 가능한 한 줄이는 것에 있다. 제안하는 기술에서는 이 두 간섭을 다루기 위해 다음의 두 가지 방법을 쓴다. 첫 번째는, 성능이 우수한 준 직교 코드를 씀으로써 두 간섭 성분들을 가능한 한 작게 만드는 것이다. 하지만, 성능이 우수한 준 직교 코드를 쓰더라도 두 간섭 성분을 완전히 없애는 것은 불가능하고, 때로는 그 정도가 아주 작더라도 채널 추정에 있어 큰 걸림돌로 작용할 수 있다. 이를 위해, 정합 필터 뒤에 추가적으로 간섭 제거를 위한 신호처리 과정을 거치게 하는데 이것이 두 번째 방법이다.
② 핵심 알고리즘 1: 준 직교 코드 설계
기상 레이더망에서의 주파수 공동 사용을 위한 첫 번째 핵심 알고리즘으로서, 준 직교 다진 위상 (poly-phase) 코드 설계 알고리즘을 설계하였다.
(그림 II-1-2) 준 직교 코드 설계 문제
준 직교 코드 설계 과정은 크게 두 단계로 이루어진다. 첫 번째 단계에서는, 전역 최적화 기법인 모의담금질 (simulated annealing: SA) 기법을 바탕으로 확률적으로 코드들의 위상 값을 바꾸어 가며 이상적인 직교 코드를 향해 나아간다. 두 번째 단계에서는 첫 번째 단계에서 찾은 해를 좀더 다듬는 지역 최적화 과정이 이루어지는데, 단계 1에서 찾은 코드들의 위상 값을 차례로 바꾸어 가며 가장 우수한 코드 조합을 찾게 된다.
(a) 1 단계 (b) 2 단계 (그림 II-1-3) 핵심 알고리즘 1: 준 직교 코드 설계 알고리즘
③ 핵심 알고리즘 2: 점진적 상관 간섭 제거
기상 레이더망에서의 주파수 공동 사용을 위한 두 번째 핵심 알고리즘은, 준 직교 코드의 불완전함으로 인해 정합 필터를 거친 뒤에도 남게 되는 간섭 성분을 제거하기 위한 것으로서, 2차적인 간섭 제거 역할을 한다. 이 점진적 상관 간섭 제거 과정은 크게 두 단계로 이루어진
루프를 반복함으로써 동작한다. 첫 번째 단계에서 정합 필터 출력의 최댓값으로부터 가장 신뢰도가 높은 기상 목표물의 정보를 추정하고, 그로부터 예상되는 부엽 간섭 성분을 두 번째 단계에서 역으로 계산하여 조금씩 제거해 나가는 것이 그 기본 원리이다.
(a) 1 단계 (b) 2 단계 (그림 II-1-3) 핵심 알고리즘 1: 준 직교 코드 설계 알고리즘
(그림 II-1-4) 핵심 알고리즘 2: 점진적 상관 간섭 제거
④ 알고리즘 성능 평가를 위한 모의실험 결과 (기상 레이더 4대)
제안한 알고리즘을 적용하여, 4대 기상 레이더들이 같은 주파수 대역에서 동작하는 상황을 모의실험하였다. 먼저, 모의실험에 사용한 기상 채널 프로파일은 아래와 같다.
제안한 기술의 성능 평가를 위해, 기존의 (간섭 레이더가 없는 상황에서 동작하는) 단일 기상 레이더 WSR-88D의 요구사항을 (SNR이 10 dB일 때 반사도 허용 오차 1 dB, 속도 및 스펙트럼
(a) 시나리오 1 (b) 시나리오 2 (그림 II-1-5) 모의실험용 기상 채널 프로파일: (위에서부터) 반사도, 속도, 스펙트럼 폭
(a) 시나리오 1
(b) 시나리오 2
(그림 II-1-6) SIR에 따른 기상 정보 추정 성능: (왼쪽에서부터) 반사도, 속도, 스펙트럼 폭
폭 허용 오차는 1 m/s) 참고하였다. 각 시나리오에 대한 메인 레이더에서의 기상 정보 추정 성능을 (그림 II-1-6) 보면, SIR 10 dB (worst case) 이상에서 단일 기상 레이더의 성능 요구사항을 평균적으로 만족시키는 것을 확인할 수 있다.
(나) Multi-site 레이더 주파수 공동 사용 알고리즘 H/W 탑재 및 시험
Multi-site 기상 레이더 주파수 공동 사용 알고리즘의 성능을 평가하기 위한 시험 시스템을 설계 및 제작하였고, 볼륨 타겟 기반 레이더 주파수 공동사용 핵심 알고리즘을 탑재하여 그
성능을 평가하였다. 올해 제작된 시험 시스템은 복수의 독립된 NI 기반 하드웨어에 각각의 레이더가 구현되어 레이더 신호를 발생시키고, S-band 레이더 RF 신호들을 유선으로 전송한다. 이와 같이 각각의 하드웨어에서 전송된 RF 신호를 결합기에서 중첩시킨다. 이를 통해서 레이더 H/W에서 일어날 수 있는 왜곡 요소들을 고려하여 성능을 검증할 수 있다.
제작한 시험 시스템의 구조를 (그림 II-1-7)에 보였다. 시험 시스템은 크게 레이더 간섭 신호 발생기와 메인 레이더 송수신기로 구성되어 있다. 레이더 간섭 신호 발생기와 메인 레이더 송수신기는 독립적인 NI 하드웨어 플랫폼으로 구현된다. 레이더 간섭 신호 발생기는 간섭 레이더에서 발생하는 레이더 신호를 생성하여 송신한다. 레이더 송수신기는 1) 메인 레이더 신호의 송신, 2) 간섭 레이더 신호와 중첩된 반사 신호의 수신, 그리고 3) 중첩 신호에서 간섭 신호 제거 알고리즘 수행, 4) 기상 목표물 정보 추정을 수행한다. 메인 레이더와 간섭 레이더 신호간의 중첩은 결합기에서 일어난다. 단, 하드웨어의 대수 (2대)에 제약이 있기 때문에, 3대 이상의 레이더로 구성된 레이더망의 성능 검증을 위해서 간섭 신호 발생기에서 중첩된 레이더 신호를 생성하여 전송한다.
(그림 II-1-7) 레이다 주파수 공동사용 시험 시스템 구조
(그림 II-1-8)는 구현된 시험 시스템의 사진으로 상용 NI PXIe에 모듈 형태로 장착되는 Arbitrary waveform generator (AWG), up-converter, digitizer, down-converter, RF module, controller 등으로 H/W를 구성하였다. 현재는 단계적인 알고리즘의 성능 검증을 위해 레이더 내부 하드웨어에서 발생할 수 있는 영향만을 고려하여 시험 시스템을 설계/제작하였다. 좀 더 구체적으로, 레이더 송수신기와 간섭 신호 발생기의 송신부에서 무선 채널 환경에서 일어날 수 있는 요소를 미리 반영한 레이더 신호를 생성하여 S-band를 통해 전송하였다.
(그림 II-1-8) 레이다 주파수 공동사용 시험 시스템 사진
(그림 II-1-9)는 시험 시스템을 제어하고 탑재된 알고리즘의 성능을 평가하기 위한 GUI이다.
(그림 II-1-9-a)은 송수신기를 위한 GUI로 1) 레이더 송신 파라미터 설정 정보, 2) 기상 채널 시나리오, 3) 수신된 레이더 신호의 처리 과정, 그리고 4) 수신단의 기상 성능 추정 성능을 보여준다. (그림 II-1-9-b)은 간섭 신호 발생기를 위한 GUI로 1) 레이더 송신 파라미터 설정 정보, 2) 기상 채널 시나리오만을 보여준다.
(a) 송수신기
(b) 간섭 신호 발생기
(그림 II-1-9) 시험 시스템 제어 및 성능 평가용 GUI
제작한 시험 시스템을 통해 주파수 공동사용 기술의 성능을 레이더망 파라미터를 변경하며 시험하였다. (그림 II-1-10)은, 레이더의 개수가 4대이고, 신호 대 간섭비가 10 dB와 30 dB일 때의 결과 값을 보여준다. (그림 II-1-10)에서 볼 수 있듯이, 4대의 레이더가 동일 채널을 공유했을 때 반사도, 속도, 스펙트럼 폭을 잘 추정하는 것을 확인할 수 있다. 또한 (표 II-1-2)에서 볼 수 있듯이 추정 오차는 기상 레이더 시스템에서 요구하는 성능 요구사항 (반사도 1 dB, 속도 1 m/s 오차, 스펙트럼 폭 1 m/s 오차) 안에 있음을 확인하였다.
기상 파라미터 추정오차
SIR 10 dB SIR 30 dB 반사도 (reflectivity) 0.585 (dB) 0.428 (dB) 속도 (velocity) 0.987 (m/s) 0.766 (m/s) 스펙트럼 폭 (spectrum width) 0.345 (m/s) 0.352 (m/s)
(a) 신호 대 간섭비: 10 dB (b) 신호 대 간섭비: 30 dB
(그림 II-1-10) 시험시스템을 이용한 성능 평가 결과 화면: (a) 10 dB SIR, (b) 30 dB SIR
(표 II-1-2) 시험시스템을 이용한 성능 평가 결과값
(다) 소출력 레이더 주파수 공동사용 시스템 테스트베드 설계
Multi-site 기상 레이더 주파수 공동 사용 기술을 실 환경에서 평가하기 위해 3차년도에 제작할 소출력 레이더 시스템에 대하여 설계하였다. (그림 II-1-11)에 나타난 바와 같이 소출력 레이더 시스템은 1) 송신부, 2) 수신부, 그리고 3) 레이더 제어부로 구성되어 있다. 송신부는 레이더에서 발생하는 송신 펄스의 생성 및 무선 안테나를 통한 레이더 신호 전송의 기능을 수행한다. 수신부는 무선 안테나를 통한 레이더 신호 수신 기능과 수신 신호 처리 및 타겟 파라미터 검출의 기능을 수행한다. 레이더 제어부는 GUI 기반으로 작동하며, 레이더 시스템 제어와 시험 결과 전시 기능을 수행한다.
(그림 II-1-11) 소출력 레이더 시스템 구조도
이를 구현하기 위한 하드웨어의 구성도는 (그림 II-1-12)에 나타내었다. 하드웨어는 NI 플랫폼 기반으로 구성되며 2차년도에 개발한 시험 시스템의 송수신기를 활용하며, 2차년도에
RF Circulator, 그리고 안테나가 추가된다.
신호 증폭기는 원거리의 기상 타겟까지 무선 신호를 전송하기 위해서 송신 신호의 출력을 증폭시키기 위해 장착한다. 신호 증폭 시 왜곡을 줄이기 위해 신호 증폭의 선형 구간이 충분히 넓어야 한다. 채널 필터는 신호를 일정 대역폭 안에 들어올 수 있도록 필터링해주는 부품이며, RF Circulator는 레이더의 송신 모드와 수신 모드를 주기적으로 변환시켜주는 부품이다.
안테나는 기상 타겟 검출에 적합하도록 S-band에서 안테나 빔폭이 작아야 하며, 전송 신호 부엽 성분이 충분히 작아야 한다.
(그림 II-1-12) 소출력 레이더 하드웨어 구성도
(2) 고밀도 복합 환경 지역에 적합한 시·공간적 전파간섭 분석기술 개발
새로운 무선 통신 기술의 변화와 미래 전파 관리 유연화에 대비하기 위하여 기존 통계적 간 섭 분석 기술인 몬테카를로 간섭 분석 알고리즘의 지속적인 개발과 새로운 시공간적 간섭 분 석 알고리즘 개발이 필요하다. 또한 시공간적 간섭 분석 알고리즘 개발을 위해서는 시변 특성 전파 모델과 GIS 및 연동 기술 등이 부가적으로 필요하다. 이와 관련하여 본 연구과제에서는 고밀도 복합 환경 지역에 적합한 시·공간적 전파간섭 분석 시스템을 개발하고 있다.
아래 그림은 본 연구과제에서 개발하고 있는 시·공간적 전파간섭 분석 시스템의 전체 구조 도에 해당된다. 시·공간적 전파간섭 분석 시스템은 다양한 무선 통신 간섭 분석을 위한 SEAMCAT 기반 전파 간섭 분석 시스템과 유연한 전파 관리를 위한 시공간 간섭 분석 시스템 으로 구성되어 있다. 1차년도에는 SEAMCAT 기반 전파 간섭 분석 시스템 및 시·공간적 간섭 분석 시스템의 요구사항을 정의하고 상세 설계를 하였다. 또한 SEAMCAT 기반 전파 간섭 분석 시스템은 일부 기능들을 구현하였다. 2차년도에는 SEAMCAT 기반 전파 간섭 분석 시스템의 추 가 기능들을 구현하고, 시·공간적 간섭 분석 시스템의 설계된 기능들을 일부분 구현하였다.
(그림 II-1-13) 전파 간섭 분석 시스템 전체 구조도
(가) SEAMCAT 기반 전파 간섭 분석 시스템 구현
SEAMCAT (Spectrum Engineering Advanced Monte Carlo Analysis Tool)은 ECO (European Communicaion Offic)에서 다양한 통신 시스템 간에 발생할 수 있는 간섭 영향을 분석하는 도 구로 개발하여 현재 CEPT (European Conference of Postal and Telecommunications Administrations) 산하 47개국과 전 세계적으로 널리 사용하고 있다.
SEAMCAT은 아래 그림과 같이 일반 전파이용시스템, WCDMA 시스템, LTE 시스템간의 간섭 분석 알고리즘이 탑재되어 있다. 개발한 시스템은 SEAMCAT에 구현되어 있는 일반 전파이용시 스템, WCDMA 및 LTE 시스템간 간섭 분석 기능을 기본적으로 구현하고, 추가로 필요한 다양 한 간섭 분석 알고리즘을 개발하고 있다. 현재 추가적으로 단말기간 밀집 모드 이용 환경을 반 영한 간섭 분석 알고리즘, 송수신기 실내외 분포 조절 및 서비스 환경 생성 기능을 구현하였 다. 기존 SEAMCAT 이 간섭 분석을 위하여 수많은 기술적 파라미터를 입력하고 결과값을 산출 하여 일반인이 사용하기에 어려움이 있어, 툴 사용자들이 쉽게 간섭 분석 시나리오를 구성할 수 있도록 GUI를 구현하였다. 또한 간섭 분석 시뮬레이션을 위하여 입력하는 기술적 파라미터 값의 오류에 따른 시뮬레이션 결과값의 오류를 최소화하기 위하여 국내 6㎓ 이하 주파수 대역 에서 이동통신 서비스와 인접하여 서비스되고 있는 무선 서비스를 선정하여 송신기, 수신기, 안테나, 송신 마스크, 수신 마스크 등의 라이브러리 DB화를 구현하였다. 이때 사용된 값들은 국내 기술기준을 기본적으로 준수하였으며, 기술 기준에서 제시하지 않는 값은 국제 표준 값을 준수하였다.
(그림 II-1-14) SEAMCAT 기반 분석 시스템 전체 구조도
① 다양한 시스템간 간섭 분석 기능 구현
일반시스템, (W)CDMA 시스템, LTE/LTE-A 시스템에 대하여 다양한 간섭 분석 시나리오 대하여 간섭 영향을 분석할 수 있는 기능을 구현하였다. 일반 시스템이 간섭을 받는 희생 시스 템인 경우 간섭 확률로 간섭 영향을 분석할 수 있으며, (W)CDMA 시스템 또는 LTE/LTE-A 시
스템이 희생시스템인 경우 용량 손실 또는 평균 전송율 손실로 간섭 영향을 평가 할 수 있다.
(그림 II-1-15) 간섭 시뮬레이션 구현 결과1-일반시스템
(그림 II-1-16) 간섭 시뮬레이션 구현 결과2-LTE시스템
② 단말기간 밀집 모드 간섭 분석 기능 구현
카페나 지하철 또는 스타디움 같은 밀집공간에서 사용자 단말기의 사용 빈도가 급격히 증 가하고 있다. 밀집 공간의 사용자 단말기들은 동일한 장소에서 동일한 시간에 사용을 하고, 단 말기간 거리가 짧아서 인접 대역 주파수 간섭 문제가 우려된다. 기존 SEAMCAT에 구현된 LTE 단말기간 간섭 분석 알고리즘은 밀집 모드를 반영할 수 없어 밀집 모드를 반영한 LTE 단말기 간 간섭 분석 알고리즘을 제안하고 2-tire 셀 환경내에서 단말기간 밀집 모드 간섭 영향을 분석 할 수 있는 기능을 구현하였다.
(그림 II-1-17) 단말기간 밀집 모드 분석 기능 구현 예
③ 사용자 편의를 고려한 GUI 및 라이브러리 구현
기존 SEAMCAT을 이용하여 간섭 분석을 위한 시나리오를 구성할 때, 입력해야 하는 파라미 터 개수가 많고, 전문적 지식을 가지지 않은 일반 사용자에게 생소하여 간섭 분석에 어려움이 있다. 본 시스템에서는 이러한 점을 고려하여 간섭을 받는 희생링크와 간섭을 주는 간섭 링크 를 그림과 같이 GUI를 이용하여 시나리오 구성을 용이하게 할 수 있게 설계하고 구현하였다.
(그림 II-1-18) 사용자 편의를 고려한 GUI 구현 결과
또한 간섭 분석에 필요한 기술적 파라미터 값의 오류에 따른 시뮬레이션 결과값의 오류를 최소화하기 위하여 다양한 무선 서비스에 대한 송신기, 수신기, 안테나, 송신 마스크, 수신 마 스크 등의 라이브러리 DB화를 구현하였다.
(그림 II-1-19) 라이브러리 구현 결과
(나) 시·공간적 간섭 분석 시스템 구현
시공간적 간섭 분석 시스템은 간섭원과 희생원을 발생시키고 간섭량을 계산하고, 입력 받은 허용 간섭 기준을 만족하는지 여부를 평가하여 결과를 알려주는 기능을 제공한다. 이러한 기능 을 제공하기 위하여 Monte Carlo 엔진, Interference Analysis 엔진, Path loss 모델 엔진, GIS 엔 진, Examination 엔진, Database로 구성된다.
아래 그림은 구현된 시공간 간섭 분석 시스템의 메인 화면을 보여준다. 다양한 아이콘을 포 함하는 Menu Window, Workspace의 설정값 확인 및 수정 기능을 제공하는 Workspace Window, 3차원 지도 정보를 나타내는 Main Map display Window, Index Map Window, Simulation 결과를 보여주는 Result Window, Simulation Control Window로 구성된다.
(그림 II-1-20) 시공간적 간섭 분석 시스템 메인 화면
시공간 간섭 분석 알고리즘을 아래 그림과 같이 구현하였다. 해석하고자 하는 지역에서 각 시험 지점 마다 입력받은 파라미터에 따라 간섭 시스템과 수신 시스템을 구성하여 간섭 신호 크기를 계산하고, 계산된 간섭량의 크기가 허용 간섭 기준 시간율을 초과하는지 만족하는지 평 가한다. 각 시험 지점마다 시간율 만족 여부를 평가하여 전체 면적에 대하여 허용 간섭 기준 공간율을 만족하는지 체크하는 기능을 제공한다. 이때 허용 간섭 기준은 지리적 간섭, 대역외 간섭, 대역내 간섭을 포함하는 각각 허용 가능한 간섭 레벨을 시간율(%), 공간율(%) 기준으로 정한다. 구현된 시공간적 간섭 분석 시스템은 정해진 허용 간섭 기준을 넘지 않으면 면허보유 자가 자유롭게 기술과 용도를 선택하여 변경하기 위한 툴로 사용될 수 있으므로, 본격적인 기 술 및 용도 중립성 제도를 도입하기 위하여 필요한 도구로 사용할 수 있다.
