* 정회원 : 동의과학대학교([email protected]) 접수일자 : 2013. 02. 07 심사완료일자 : 2013. 02. 28
송기홍*
Estimation of the Number of Cell Sites for Nationwide Public Protection and Disaster Relief Network Using WiBro and LTE Technical Methods
Ki-Hong Song*
요 약
본 연구에서는 WiBro 및 LTE방식을 이용한 재난안전무선통신망 설계에 필요한 링크 버짓을 계산하여 전국망 구축에 필요한 셀 수량을 파악하며, 그 결과에 대한 상호 비교를 통하여 경제적 관점에서의 효율적인 통신방식을 제시한다.
계산 결과, 전국망을 구축하는 데 있어서 WiBro방식은 LTE방식에 비해 상향링크에 대한 PAPR과 전송 방식차이 및 SINR차로 인해 동일 주파수 대역에서 두 배 이상 많은 셀이 필요한 것으로 나타난다. 이러한 결과를 근거로, 전 국망 구축시 동일 대역을 이용할 경우 WiBro에 비해 LTE방식이 경제적인 면과 기술 및 시장 측면에서도 효율적이 라고 판단된다.
ABSTRACT
This paper calculates estimated number of cell sites to build a nationwide PPDR(Public Protection and Disaster Relief) network of WiBro and LTE technical methods through a link budget calculation, presents the efficient technical method through a comparison between the number of cell sites using WiBro and LTE.
As a calculation results, the number of cell sites using WiBro method are larger than twice compared to that of LTE method on the same frequency bands, due to the differences of uplink PAPR, uplink transmission technique and SINR. On the basis of the result, LTE mothod is considered as a more effective technology than the WiBro method on the economic, technical and marketing points of views on building a nationwide network.
키워드
재난안전무선통신망, WiBro, LTE, 링크버짓, 무선망 설계
Key word
PPDR(Public Protection and Disaster Relief) Network, WiBro, LTE, Link Budget, Wireless Network Planning
Open Access
http://dx.doi.org/10.6109/jkiice.2013.17.6.1266
Ⅰ. 서 론
최근 공공안전 및 재난 분야에서의 멀티미디어 서비 스 수요가 증가함에 따라 협대역 통신방식의 기술들이 그 필요성에 의해 광대역 공공안전재난 무선통신기술 로 진화하고 있다. 공공안전재난용으로 활발히 사용되 고 있는 통신기술은 TETRA(TErrestrial Trunked RAdio), iDEN(integrated Digital Enhanced Network), APCO P25 (Association of Public Safety Communications Officials' Project 25)등과 같은 협대역 기술방식인 TRS(Trunked Radio System)방식이 있으며, 광대역 공공안전재난무선 통신 기술방식으로 WiBro(Wireless Broadband) 및 LTE (Long-Term Evolution) 등이 있다.
재난안전무선통신망은 생존성 및 재난대응성이 높 고, 호 접속 시간이 매우 짧아 공공안전 및 재난구조에 효율적인 통신망 법과 질서 유지, 긴급한 상황에 대한 응답(통신 유지)과 생명 및 재산 보호, 재난 구조 상황 에 대한 응답이 용이한 통신망을 말한다. 이를 위해서 는 도시, 시골 등 넓은 영역에서 구현되어야 하며, 진보 된 기술들을 지원할 수 있을 만큼 높은 전송 속도가 요 구된다. 또한 긴급한 상황과 재난 구조 상황에서 국가 적 또는 다른 국가와의 네트워크와 상호 호환성이 있어 야 한다는 필요성에 따라 음성, 데이터, 영상 통신을 통 합하여 지원하며, 높은 수준의 보안 기능과 넓은 지역 을 커버해야 한다. 그리고 빠른 통신 연결, 간단한 동작 으로 지령 통화(Broadcasting)와 그룹 통신이 가능해야 한다.
이러한 무선통신망이 전국을 최적의 상태로 서비스 하기 위해서는 효율적인 무선통신망 설계가 이루어져 야 한다. 무선통신망 설계란 구축된 무선통신망이 원 하는 서비스 품질을 만족하도록 기지국의 치국(위치, 수량 등) 방식을 경제적(투자비 예측 등)이며 신뢰성 (전파환경 분석 등)있게 무선통신망을 최적화하는 설 계 작업을 말한다. 이를 위해서는 경제적인 망 구축, 목 표 품질 및 유연한 망 확장성 등 이 명확하게 설정되어 야 한다.
본 고에서는 재난안전무선통신망용 기술로 표준화 중인 WiBro 및 LTE방식을 이용한 전국망 설계를 위해 링크 버짓 계산을 수행하고 그 결과를 통해 전국망 구축 에 필요한 셀 수량을 파악하고 상호 비교를 통하여 경제
적 관점에서의 효율적인통신방식을 제시한다.
본 논문의 구성은 다음과 같다. 먼저 2장에서는 WiBro 및 LTE 기술방식의 표준화 현황을 파악하며, 3장 과 4장에서는 WiBro 및 LTE 방식에 대한 링크 버짓 계산 및 셀 수량을 파악하고 상호 비교를 통하여 효율적인 통 신방식을 제시하였다. 제 5장인 결론에서는 전체 검토 결과를 정리하였다.
Ⅱ. 재난안전무선통신망용 기술 표준화 현황
재난안전무선통신망은 평시 일상업무에 사용하다 가 재난 시 신속·일사분란한 대응을 위해 관계기관(소 방, 경찰, 해경, 군, 산림청, 지자체 등)이 공동으로 활용 하는 무선통신망을 일컫는다. 동일한 통신방식을 사용 함에 따라 재난 시 기관별 상호공조가 가능하며, 공동 인프라 사용에 따라 중복 투자를 방지할 수 있고 효율 적인 주파수 이용이 가능하며 광대역 멀티미디어 서비 스가 가능해야 한다. 이러한 망 운용을 제공가능한 방 식인 LTE 및 WiBro 기술방식의 최근 표준화 동향을 살 펴본다.
2.1. 공공안전 LTE 표준화(3GPP)
최근 3GPP에서 공공안전 관련 핵심 요구기능인 단말 간 직접통화, 그룹통화에 대한 표준화 초기단계에 있으 며, 무선인터페이스 표준을 담당하는 RAN(Radio Access Network)에서 D2D(Device-to-Device) 관련 기능 연구를 Qualcomm 주도로 제안하였다. 미 상무성은 '12년 6월 미 국의 공공안전 LTE망 구축 계획을 발표하면서 D2D 기 능 표준화의 필요성을 강조하였다. 그룹통화는 시스템 관련 사항 등을 다루는 SA(Services & System Aspects)에 서 Work Item으로 현재 표준화가 진행 중에 있으며, ’13 년 3월 완료 예정이다.
이와 같은 일정으로 미루어, Rel. 12 표준 완성기간
(’14년 6월) 내에 공공안전 관련 기능이 포함된 기술표준
완료가 어려울 수 있으나, 공공안전 기능이 포함되어
Rel.12 표준이 완료될 경우 상용 장비 구현 소요시간은
약 1∼2.5년 소요될 것으로 예상하고 있다.
2.2. 공공안전 WiBro 표준화(IEEE 802.16 GRIDMAN) IEEE 802.16은 WiBro를 이용한 공공안전재난통신 표 준 제정을 위해 ’13년 완료를 목표로 GRIDMAN(Greater Reliability in Disrupted MAN) TG를 구성하였다. 2010년 6월에 출범한 IEEE 802.16 GRIDMAN 태스크그룹은 IEEE 802.16 시스템에서 단말 간 직접 통신과 그룹 통신 을 포함하는 통신망 신뢰성 보장 및 망에 대한 강건성을 통한 지속적인 서비스를 보장하기 위한 요구사항문서 를 작성하였다.
즉, 기존 TETRA 등 LMR서비스(PTT, 그룹전송, 단말 간 직접전송 등)에 그룹영상전송 등의 광대역 기능을 추 가하며, 태풍, 지진 등의 재난상황으로 인해 기존 망 접 속이 단절되었을 경우 기지국 중계 등을 통해 우회 접속 경로를 제공하는 재난상황에서의 망 강건성과 WiBro 사 물통신 기능을 기반으로 공항이나 항만에서 항공기․
선박-관제센터 간 통신, 항공기, 선박 간의 직접통신을 제공하기 위한 항공·해상 운행 관제 서비스 기능을 고려 하고 있다.
Ⅲ. WiBro 통신망 설계
3.1. 링크 버짓 계산
링크 버짓은 무선 통신시스템에서 중간의 신호전 달 채널(공기)의 감쇄 등을 고려하여 송신기와 수신기 가 성공적으로 통신이 이루어지도록 규격을 정하거나 조정하는 작업 또는 그 계산 결과를 의미한다. 즉 표 1 에 나타낸 바와 같이 전달손실과 송신기의 각종 PA(Power Amp.), 믹서단과 수신기의 LNA(Low Noise Amp.), 믹서 등의 이득, 잡음지수 등을 계산하여 각 단 에서의 최소 요구 규격 등을 설정하는 것을 말한다. 표 에 적용된 각 수치는 실제 이용 중인 WiBro의 수치 예 를 나타내며, LTE의 링크버짓 계산에도 동일 조건이 적용된다.
표 1의 각 파라미터를 이용하여 상향 및 하향 링크에 대한 링크버짓을 계산할 수 있으며, 계산 절차에 따라 WiBro의 상향 및 하향 링크에 대한 링크버짓을 계산하 면 표 2와 표 3과 같이 나타낼 수 있다.
표 1. WiBro 및 LTE 시스템 파라미터 Table. 1 The WiBro and LTE system parameters
파라미터 내 용
MAPL
최대 허용 전송손실
MAPL=안테나출력(EIRP)-수신감도+손 실 및 이득 합
EIRP 실효 등방성 복사전력
(송신출력+송신 안테나이득)
송신출력
RF모듈 출력(하향: 20W(43dBm), 200mW(23dBm))
MIMO : 3dB이득 증가 송신안테나
이득
3-sector : 18dBi, 6-sector : 19.5dBi, Omni : 8dBi, 단말 : 0dBi 케이블손실 기지국:2dB, 단말 0dB
수신감도 SINR+실효열잡음+Interference margin
열잡음밀도 -174dBm
잡음지수 기지국 : 4dB, 단말 : 7dB
간섭 마진 3dB
log-normal fade margin 9.05dB
표 2. WiBro 상향링크 링크버짓 Table. 2 WiBro Uplink link budget
파라미터 값
송 신 기
a Max. TX power (dBm) 23.0
b TX antenna gain (dBi) 0
c Body loss (dB) 2.0
d TDD loss(dB) 3
e PAPR loss(dB) 3
f EIRP (dBm) 15
수 신 기
g Node B noise figure (dB) 4.0 h Thermal noise (dBm/Hz) -174
i SINR (dB) -2.2
j Receiver sensitivity (dBm) -102.2 k Interference Margin (dB) 3.0
l Cable Loss (dB) 2.0
m RX antenna gain (dBi) 18.0
n Fade Margin (dB) 9.05
o Total -106.15
Maximum path loss 121.15
표 2에서 Wibro 상향링크에 대한 송신기 실효복사출
력(f : EIRP)과 수신기 최소 요구치(o)는 다음과 같이 계
산할 수 있다.
(1)
(2)
식(2)에서 는 WiBro 신호 대역폭을 나타 낸다. 식(1)과 식(2)를 이용하면 최대 허용전송손실 (Maximum Allowable Path Loss)은 다음과 같이 계산할 수 있다.
(3)
표 2에서 TDD(Time Division Duplex) 손실과 PAPR (Peak to Average Power Ratio)손실은 현재의 WiBro와 LTE간 듀플렉스 기술과 상향 링크 기술방식 차이에 의 해 커버리지 측면에서도 차이를 가진다. 즉, 상향링크 방식인 WiBro의 OFDMA(Othogonal Frequency Division Multiple Acess) 방식이 LTE의 SC-FDMA(Single Carrier Frequency Division Multiple Access)방식에 비해 3dB 높 은 PAPR로 인한 커버리지의 감소 효과가 있으며, FDD 와 TDD 구분된 듀플렉스 특성의 차이로 인해 출력이 약 3dB정도 감쇄된다.
표 3. WiBro 하향링크 링크버짓 Table. 3 WiBro downlink link budget
파라미터 값
송신기
a Max. TX power (dBm) 43.0
b TX antenna gain (dBi) 18.0
c Cable loss (dB) 2.0
d EIRP (dBm) 59.0
수신기
e UE noise figure (dB) 7.0
f Thermal noise (dBm) -104.5 g Receiver noise floor (dBm) -97.5
h SINR (dB) 3.2
i Receiver sensitivity (dBm) -94.3 j Interference Margin (dB) 3.0 k Control Channel Overhead (dB) 1.0 l RX antenna gain (dBi) 0.0
m Body Loss (dB) 2.0
n Fade Margin (dB) 9.05
o Total -88.25
Maximum path loss 140.25
식(1), 식(2) 및 식(3)과 같은 방법으로 WiBro에 대한 하향 링크버짓을 계산하면 표 3과 같다.
3.2. WiBro용 전국망 셀 수량
일반적으로 이동통신망에서의 링크 버짓은 하향 링 크에 비해 상향 링크에 대한 최대 허용 손실인 MAPL (MAximum Allowable Pathloss)이 더 작은 값을 가지므 로 무선망을 설계할 경우 상향 링크에 대한 MAPL을 적 용한다. 링크버짓을 계산한 후 COST-Hata전파 예측모 델을 이용하여 도시 형태별 셀 반경을 계산하며, 계산 결과에 따라 기지국 서비스 면적을 계산하고 해당 면적 을 이용하여 전체 서비스면적에 대한 셀 수량을 산출 한다.
그림 1은 750㎒대역을 이용한 WiBro방식의 무선통 신망을 구축할 경우 전송손실에 따른 도달 거리를 도시 형태별로 구분하여 나타낸 그림이다. 그림에서 최대 전송손실(MAPL)인 121.15dB는 옥외 환경에서의 상향 링크에 대한 최대 전송손실을 나타낸다. 계산 결과, 대 도시 실외에서의 반경은 약 0.73㎞, 교외지역은 1.35㎞
및 시골지역에서는 4.3㎞로 나타나는 것을 확인할 수 있다.
그림 1. 도시형태에 따른 전송손실별 도달거리(750㎒) Fig. 1 Cell radius to the transmission loss for each
geotype
표 4는 그림 1의 결과를 이용한 도시 형태별 셀 반경
과 면적을 나타낸다. 표에서 보는 바와 같이 실내 커버
리지를 확보하기 위하여 건물 침투 손실을 밀집 도심
에서는 18dB, 도심에서는 15dB, 변두리 지역에서는
12dB 및 시골지역에서는 10dB를 적용하여 계산하였
다. 이것은 대도시에 위치한 건물일수록 규모가 큰 대 형 건물이 많아 건물침투 손실치가 높아지는 특성을 고려한 것이다.
표 4. 도시 형태별 실내·외 환경에서의 셀 면적 Table. 4 Cell coverage in the outdoor and indoor
environments for each geotype
구 분
밀집도심 [㎞]
도시 [㎞]
교외 [㎞]
시골 [㎞]
반경 [㎞]
면적 [㎢]
반경 [㎞]
면적 [㎢]
반경 [㎞]
면적 [㎢]
반경 [㎞]
면적 [㎢]
750㎒실외 0.73 1.67 0.73 1.67 1.35 5.73 4.3 58.09 실내 0.25 0.20 0.31 0.30 0.68 1.45 2.25 15.91
본 고에서는 우리나라의 도시 형태를 밀집 도심, 도 심, 교외 및 시골 지역으로 구분하였으며, 각 도시 형태 별 실외 서비스 면적과 그에 따른 최소 셀 수량을 표 5에 나타내었다. 표 5에서 도시 형태를 구분하기 위해 밀집 도심은 서울을 포함한 7대 광역시, 도심 지역은 인구 분 포별 순위에 따라 24번째까지의 도시, 교외 지역은 그 이 상부터 84번째까지의 도시 및 시골지역은 그 이하로 구 분하였다.
표 5. 전국망을 위한 최소 셀 사이트 수 Table. 5 Estimated number of cells required to
provide national coverage
도시 형태 면적
(㎢)
750㎒
셀커버리지 기지국 수
밀집 도심 5,355 1.68 3,188
도심 6,390 1.68 3,804
교외 35,381 5.73 6,175
시골 52,661 58.09 907
전체 99,787 14,074
표 5에서 보는 바와 같이 750㎒대 주파수를 이용하여 WiBro 전국망을 구축하는 데 필요한 최소 셀 수는 약 14,074개가 필요한 것을 알 수 있다.
Ⅳ. LTE 통신망 설계
4.1. 링크 버짓 계산
LTE망의 링크 버짓 계산도 WiBro와 동일한 절차를 이용한다. 표 1의 LTE기술방식의 규격을 이용하여 LTE 망에서의 상향 및 하향 링크버짓에 대한 계산 결과를 표 6과 표 7에 나타내었다.
표 6. LTE 상향링크 링크버짓 Table. 6 LTE uplink link budget
파라미터 값
단말기
a Max. TX power (dBm) 23.0
b TX antenna gain (dBi) 0
c Body loss (dB) 2.0
d EIRP (dBm) 21
기지국
e Node B noise figure (dB) 4.0
f Thermal noise (dBm) -104
g Receiver noise floor (dBm) -100
h SINR (dB) -2.56
i Receiver sensitivity (dBm) -102.56 j Interference Margin (dB) 3.0
k Cable Loss (dB) 2.0
l RX antenna gain (dBi) 18.0
m Fade Margin (dB) 9.05
n Total -106.51
Maximum path loss 127.51
표 7. LTE 하향링크 링크버짓 Table. 7 LTE downlink link budget
파라미터 값
기지국
a Max. TX power (dBm) 43.0
b TX antenna gain (dBi) 18.0
c Cable loss (dB) 2.0
d EIRP (dBm) 59.0
단말기
e UE noise figure (dB) 7.0
f Thermal noise (dBm) -104.5 h Receiver noise floor (dBm) -97.5
g SINR (dB) 3.2
i Receiver sensitivity (dBm) -94.3 j Interference Margin (dB) 3.0 k Control Channel Overhead (dB) 1.0 l RX antenna gain (dBi) 0.0
m Body Loss (dB) 2.0
n Fade Margin 9.05
o Total -82.25
Maximum path loss 141.25
표에서 보는 바와 같이 LTE는WiBro에 비해 SINR, PAPR 및 상향링크 전송방식 등의 차이로 인해 최대 전 송손실치인 MAPL값이 약 6.4dB 정도 개선된 값을 가 진다.
4.2. LTE용 전국망 셀 수량
그림 2에는 750㎒대역을 이용한 LTE방식의 무선통 신망을 구축할 경우 전송손실에 따른 도달 거리를 도시 형태별로 구분하여 나타내었다. LTE망에서의 MAPL인 127.5dB를 실선으로 표시하였다.
그림 2. 도시형태에 따른 전송손실별 도달거리(750㎒) Fig. 2 Cell radius to the transmission loss for each
geotype(750㎒)
표 8은 750㎒에서 옥외 환경에 대한 상향 링크 최대 전송손실(MAPL)을 이용하여 도시 형태별 셀 반경 및 면 적 산출 결과를 실내완경과 신외 환경으로 구분하여 나 타낸다. 표에서 보는 바와 같이 750㎒에서의 셀 경계에 서의 스펙트럼 효율을 고려한 밀집 도심지역 옥외 셀 반 경은 1.1km이나 실내의 경우 320m로 줄어드는 것을 볼 수 있다.
표 8. 도시 형태별 실·내외 환경에서의 셀 반경 Table. 8 Cell coverage in the outdoor and indoor
environments for each geotype
구 분
밀집 도심 도심 교외 시골
반경 [㎞]
면적 [㎢]
반경 [㎞]
면적 [㎢]
반경 [㎞]
면적 [㎢]
반경 [㎞]
면적 [㎢]
실외 1.1 3.80 1.1 3.80 2.0 12.57 6.4 128.67 실내 0.32 0.32 0.43 0.58 0.82 2.11 2.65 22.06
각 도시 형태별 면적과 그에 따른 최소 셀 수량은 표 9 와 같다.
표 9. 전국망을 위한 최소 셀 수량 Table. 9 Estimated number of cells required to
provide national coverage
지역 특성 면적(㎢) 최소 셀 수량
밀집 도심 5,355 1,410
도심 6,390 1,682
교외 35,381 2,815
시골지역 52,661 410
전체 99,787 6,317
전국망을 구성하는 데 있어서 14,074개의 기지국이 필요한 WiBro방식에 비교하면 LTE방식은 6,317개의 셀 이 필요한 것으로 나타나므로 LTE방식의 스펙트럼 효 율 때문에 필요 셀 수량이 매우적은 것을 볼 수 있다.표 10에서는 750㎒대역에서 WiBro와 LTE방식을 이용한 전국망 구축 시 필요한 셀 수량를 비교하였다.
표 10. WiBro 및 LTE 기술방식간 사이트 수량 비교 Table. 10 Comparison of the number of cell sites
between WiBro and LTE
지역 특성 면적(㎢) WiBro LTE
밀집 도심 5,355 3,188 1,410
도심 6,390 3,804 1,682
교외 35,381 6,175 2,815
시골지역 52,661 907 410
전체 99,787 14,074 6,317
비교 결과에서 보듯이 WiBro방식은 LTE방식에 비해
최대전력과 평균전력의 비를 나타내는 PAPR, 상향링크
에 대한 전송 방식차이 및 SINR차로 인해 동일 주파수
대역에서 두 배 이상 많은 셀이 필요하다. 따라서 전국망
구축시 동일 대역을 이용할 경우 WiBro에 비해 LTE방
식이 효율적이라고 할 수 있다.
Ⅴ. 결 론
본 연구에서는 WiBro 및 LTE방식을 이용한 재난안 전무선통신망 설계를 위하여 각 방식의 링크 버짓을 계 산하고 전국망 구축에 필요한 셀 수량을 파악하였다. 셀 수량에 대한 상호 비교를 통하여 경제적 관점에서의 효 율적인 통신방식을 제시하였다.
계산 결과, 전국에 걸쳐 재난안전무선통신망을 구축 하는 데 있어서 WiBro방식은 LTE방식에 비해 상향링크 에서의 PAPR과 전송 방식차이 및 SINR차로 인해 동일 주파수 대역에서 두 배 이상 많은 셀이 필요한 것으로 나 타났다.
이상의 계산 결과를 통하여 전국망 구축시 동일 대 역을 이용할 경우 WiBro에 비해 LTE방식이 경제적인 면과 기술 및 시장 측면에서도 효율적이라고 판단된 다.
참고문헌
[ 1 ] 윤석헌․김사혁 외(2009), 뺷재난안전 무선통신망 정책방향 수립을 위한 연구뺸, 정보통신정책연구원 [ 2 ] 이순화(2011), 뺷해외 재난안전무선통신망 구축 및
운영 현황뺸, 정보통신산업진흥원
[ 3 ] 한국전자파학회(2011.12), 뺷광대역 무선통신 주파 수 소요량 산출 및 공급방안 연구 뺸, 방송통신위 원회
[ 4 ] 김원익․박우구(2011.6), 뺷재난안전무선통신망 구 축현황 및 전망뺸전자통신동향 분석 제26권 3호 [ 5 ] 장성철․윤철식(2011), 뺷와이브로 기반의 공공안
전재난통신 표준기술 동향뺸 TTA저널
[ 6 ] 이윤호(2012), 뺷2012년 세계전파통신회의(WRC- 12)뺸 TTA저널
[ 7 ] 3GPP TS36.300, “Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Rad io Access Praclel Inc (2010), "The 4G Era Public safety communications and LTE Technology and market assessment"
[ 8 ] FCC (2010), "Connecting America : National Broad- band Plan"
[ 9 ] FCC (2010), "The Public safety nationwide intero- perable broadband network : A new model for capacity performance and cost", FCC White Paper
[10] Fiercewireless (2011), "Motorola, Verizon team on public-safety LTE solutions"
저자소개
