제제22장장 이동통신 이동통신 전파환경 전파환경

(1)

Coding Theory & Communication Laboratory, University of Incheon 1/59 wgyang@incheon.ac.kr

http://ccl.incheon.ac.kr

제 제 2 2 장 장 이동통신 이동통신 전파환경 전파환경

인천대학교

인천대학교 공과대학공과대학 전자공학과전자공학과 부호이론부호이론 및및 통신방식연구실통신방식연구실

http://

http://cclccl.incheon.incheon.ac..ac.krkr

1. 셀의 개념

셀의 모형

“Cell”이란 기지국에서 전파를 발사하여 통화가 가능한 영역을 말함.

이동통신 시스템에서의 셀

¾

한 개 이상의 Cell Site를 가져야 함.

¾

셀들간의 셀을 주고 받을 수 있는 능력을 가져야 함.

셀의 표준

¾

정 육각형이 시스템을 설계하는데 개념적으로 아주 적합.

¾

이동통신 셀 계획(Cell Planning)에서 인접 기지국간의 채널간섭 및 셀 확장시 주파수 간섭의 최소화를 위한 Tool의 기본

그림 2-1 셀의 모형

셀의 종류

그림 2-2 육각형 셀의 영역 및 면적

그림 2-3 이동통신에서의 셀의 개념

(3)

메가 셀(Mega Cell)

¾

인공위성 통신망을 이용한 넓은 지역을 커버하는 광대역 서비스

¾

셀의 반경은 100~500km 이내

¾

영상, 데이터, 음성서비스를 동시에 제공

메크로 셀(Macro Cell)

¾

서비스 반경이 35km 이내

¾

통화량이 적은 지역으로 커버리지 확장을 목적.

¾

주로 교외지역, 준 평활지역에 사용.

¾

셀 확장을 위한 기지국 및 중계기 시설 시 기지국간 상호 주파수에 관계없이 도입이 가능.

¾

비 가시거리의 전파 전파 특성 (회절, 산란등 이용)

마이크로 셀(Micro Cell)

¾

반경 0.5~1km 정도의 서비스 영역.

¾

가시거리 전파가 주요 전송 경로.

¾

페이딩 발생(다중특성 채널)

피코 셀(Pico Cell)

¾

반경 50m이내의 도심지 내에 건물 밀집지역, 지하건물

¾

건물 내 광분산 시스템 또는 소형 중계기 등을 시설하여 서비스

¾

교환국으로부터 전송회선(E1 Line)을 건물 내 광분산 BTS(Pico BTS) 까지 연결

9 건물 내에 광케이블 포설 및 안테나를 부착하여 인빌딩 서비스

통달거리 및 셀 에리어 내에서 가입자 수용용량은 기지국 안테나 의 위치, 높이, 빔(전방향성, 지향성)형태, 기울기(Tilti), 송신출력 의 조정 등에 따라 변한다.

표 2.1 이동통신에서의 셀의 서비스 에리어 및 적용지역

(4)

전방향성 셀과 지향성 셀

전방향 셀

¾

360도 전체를 서비스하는 Omni안테나를 사용

지향성 셀

¾

대부분 삼각형 구조를 가지는 3개의 120도씩 커버리지가 가능한 Sector 안테나를 사용

¾

도심지역에서는 가입자 수용을 많이 하기 위하여 방사각도가 예민 한 파라보라 안테나(12~16도)를 사용하여 4~6 Sector로 시설, 서비스 하는 지역도 있다.

그림 2-4 전방향성과 지향성 셀의 구조 및 방사패턴

Sector안테나와 Omni안테나의 서비스 커버리지 비교

주빔방향

¾

전제조건

9 R₀= 반지름

9 신호감쇄 = 35log [거리]

9 섹터안테나 이득 = 8dB(옴니안테나 기준)

그림 2-5 방향성(Sector) 안테나의 커버리지 면적

0 0

35 /

8

1 . 693

10 R R

r

_H

= =

r

H

(5)

위의 그림과 같이 65도 Sector안테나를 사용하여

빔의 가장자리인 30도에서는 이득이 2.7dB감쇄

그러므로 Sector안테나의 이득은 8dB – 2.7dB = 5.3dB

빔의 가장자리인 30도 각도에서의 면적

셀의 경계 영역에서의 반경

3 섹터 안테나를 사용하는 기지국의 커버리지 면적

즉, 3 섹터 안테나(65°)를 사용한 기지국은 전방향 안테나를 사용한 기지 국에 비하여 두 배의 면적을 서비스 한다.

0 0

35 / 3 . 5

30

10 R 1 . 147 R

r = =

0 0

/ cos 30 1 . 636 417

.

1 R R

r

_s

= =

0

2 0

2 0 2

2 598 . 2 2

) 636

. 1 ( 25 . 0 598 . 2 3

) 5 . 0 ( 598 . 2 3 3

A

R

R r

As

A

_s

=

×

=

×

=

×

=

전방향성과 지향성 셀은 기지국의 장비가격 및 서비스 커버리지 확보 방법 등을 고려하여 최적의 셀을 선택하여야 한다.

표 2.2 전방향성과 지향성 셀의 비교

그림 2-6 전방향성과 지향성 안테나의 커버리지(예)

(6)

11/59 Coding Theory & Communication Laboratory, University of Incheon

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주파수 재사용 셀

아날로그 시스템에서 한정된 주파수 대역폭과 많은 가입자 수용 을 위해 주파수 재사용(Frequency Reuse)이 필수.

주파수 재사용이란

¾

동일한 시스템 내에 있는 다수의 기지국에서 동시에 같은 채널을 사 용하는 것.

그림 2-7 주파수 재사용 (예)

CDMA 방식에서는 주파수를 여러 개의 셀이 공동으로 사용하는 방식으 로 가입자 증가에 따른 주파수 대역을 2개 이상 사용할 경우에도 전체의 셀이 공유하는 것이므로 주파수 재사용은 필요가 없다.

그림 2-8 AMPS(FDMA) 와 CDMA의 주파수 및 채널 할당

(7)

2. 전파의 전송손실

자유공간 전송손실

자유공간 전송손실이란

¾

전자파가 자유공간을 퍼져나가면서 전자파의 에너지를 흡수 또는 산란등에 의해서 신호의 세기가 점점 약해지는전자파전자파복사손실복사손실

등방성 안테나

¾

안테나에서 복사(Radiation)되는 전자파가 전파되는 수신전력( )

¾

실효개구면적은 이기 때문에 수신안테나에서 수신전력 ( )

d Pt

π Pr = 4

d Pt d

Pt  ×



 



= 

×

=

2 2

4 4

Pr 4

π λ π

λ π

= 송신출력

= 송, 수신 안테나 간의 거리

Pr

Pt d

π λ

²

/ 4

¾

송신전력( )에 대한 수신전력( )의 비를 계산하였을 때 자유공 간 손실( )

¾

경로손실의 데시벨(dB) 표현

¾

경로손실의 정의에 따른 안테나 이득을 고려한 dB표현

¾

즉, 송•수신점간의 거리 d에 따른 전파의 세기

9 1/d²에 비례

9 거리가 2배 멀어지면 전자파의 세기는 1/4로 줄어든다.

9 거리가 절반으로 줄어들면 전자파의 세기는 4배로 커진다.

Pt Pr

Ls

4

2

Pr 



 



= 

= λ

π d Ls Pt

 

 



= 

 

 



= 

λ π λ

π d d

Ls 4

log 4 20

log 10

2

] [ log 20 4

/ log 20 ] [

Pr = Pt + Gt + Gr + λ π − d dB

Gt : 송신안테나 이득 Gr : 수신안테나의 이득

(8)

¾

GHz적용시 자유공간손실

¾

MHz적용시 자유공간손실

¾

실질적으로 송•수신 안테나의 이득을 감안한 전손실

¾

실제 통신환경에서는 이상적인 자유공간에 나태내기가 곤란하다.

9 이동통신 환경에서 기지국 안테나는 비교적 높은 곳(10~50m)에 있다.

9 단말기 안테나는 매우 낮아(1.5m정도) 주변의 가로수, 자동차, 건물등에 의해 완전한 자유공간이 형성되기 힘들다.

d f

dB

Ls ( ) = 92 . 45 + 20 log + 20 log

d f

dB

Ls ( ) = 32 . 45 + 20 log + 20 log

f : 사용주파수 (GHz) d : 송수신점간의 거리 (km)

f : 사용주파수 (MHz) d : 송수신점간의 거리 (km)

Gr d Gt

Lt  − −



 



= 

λ π log 4

20

Gt : 송신 안테나 이득

Gr: 수신 안테나 이득

완전한 가시거리

¾

송신점과 수신점사이의 제 1 프레넬영역(Fresnel Zone)에 장애물이 없는 경우.

¾

이경우는 자유공간에서의 전파 전파로 근사화 할 수 있다.

프레넬 영역(Fresnel Zone)

¾

가시거리영역 전송로에 장애물이 놓여 있는 경우 그 영향을 분석하 는 데 사용됨.

¾

제 1 프레넬 반경

¾

n차 프레넬 반경

그림 2-9 프레넬 영역 설명도 2

1 2 1

1

d d

d A d

= λ +

2 1

d d

d n d

A

_n

= λ +

(9)

¾

송신 안테나와 수신안테나의 사이에서는 양 안테나 영역 반경이 매 우 좁고, 송•수신 안테나 중간지점에서 반경이 가장 크며, 양쪽이 좁 고 가운데가 넓은 타원체 모양을 형성하는데 이 영역을 프레넬 영역 이라 한다.

¾

주파수가 높을 때

9 프레넬 반경이 줄어들어 쉽게 가시거리가 생긴다.

9 즉, 직진성이 강해져서 직접 전파경로에 끼어들지 않으면 영향이 작다.

¾

주파수가 낮을 때

9 파장이 커지므로 프레넬 반경이 커져 가시거리를 확보하기 가 어렵다.

9 즉, 직진성이 떨어져 주변 전자파 산란체에 의해서 영향을 받게 된다.

평면대지 전송손실

마이크로 셀 환경

¾

평면대지의 전송손실을 계산하기 위하여 적용

Tow-Ray 모델

¾

기지국과 이동국 사이에 직접 전달되는 전파와 지면에 반사된 전파 가 합쳐지는 것을 모델링 한 것이다.

그림 2-10 Tow-Ray 모델

(10)

¾

대지 반사파가 직접파와 동시에 수신된 경우의 전송손실( )

¾

여기서 이고, 이므로

¾

위 식에서

9 송수신점 사이의 거리가 가까운 경우 수신 신호 강도는 sine 함수에 따 라 변동된다.

9 송수신점 사이의 거리가 멀어지면 전파 손실은 주파수와 무관하다.

9 안테나 높이와 비교해서 송•수신점 사이의 거리가 멀어지면 전파 손실 은 송 •수신점간 거리의 4승 법칙에 비례한다.

Le

 

 



 



 



= 

= d

hthr GtGr d

Le Pt

λ π π

λ 2

2 sin

Pr

² ₂

hthr d >>

λ ^sin( ^x ⁾ ⁼ ^λ ⁽ ^for ^small ^x ⁾

2 2

2





 



= 

d GtGr hthr Le

그림 2-11 Tow-Ray 모델로 계산한 예

(11)

¾

그림 2.11

9 기울기가 다른 두개의 곡선으로 근사시킬 수 있다.

9 기울기가 변하는 꺽어지는 점을 Breake Point라 한다.

9 송신점에서 Breake Point 지점(350m)까지는 거리의 자승에 비례하여 수 신감도가 떨어진다.

9 Breake Point 지점에서 1km까지는 거리 4승에 비례하여 수신감도가 떨 어진다.

9 위의 모델은 주변의 전자파 장애물을 고려하지 않은 모델로 도로에서 의 전파환경에서는 적용이 가능하나 전자파 장애물이 다양하게 존재하 면 적용하기 곤란하다.

¾

이동통신에서는 다양한 경로의 수신주파수를 비교하여 가장 양호한 신호를 선택하기 위해 레이크(Rake) 수신방법이 보편적으로 사용된 다.

지형지물에 의한 회절손실

일반적으로 UHF(300MHz~3000MHz)대의 주파수 통신에서는 산 악이나 건물 뾰족한 모서리(Knife-edge obstacle)에 의한 회절손실 을 중요시 하고 있다.

빌딩 등의 지형지물에 의한 장애손실은 나이프에지(Knife-edge) 회절 모드에 의한 계산 치와 아주 잘 일치한다.

나이프에지(Knife edge)

¾

산악 또는 건물에 의한 차단 모양이 칼날같이 뾰족한 형태를 지칭하 는 것으로 실제의 지형을 기하학적 측면에서 해석하기 위해 단순화 시킨 모형

그림 2-12 나이프에지(Knife edge)

(12)

송•수신점이 가시거리 일 경우

¾

클리어런스(Clearance)가 충분치 못할 경우 수신 전계 강도가 흔들려 수신신호 세력이 불안정 하다.

¾

이것이 가시선쪽으로 접근할 경우 신호의 흔들림은 더욱 크게 된다.

¾

최종적으로 송•수신점간의 가시선과 장애점 높이가 일치할 때약약

6 6dB dB의 회절손실이 발생한다.

¾

장애점이 송•수신점간의 가시선보다 더욱 높아지면 회절손실은 더 욱 증가한다.

¾

나이프에지에 의한 수신점에서의 전계강도(V)

r

s

d h h d

V 2 1 1 2

2 1

 =



 



 +

= λ

d1: 송신점에서 나이프에지까지의 거리 d2: 수신점에서 나이프에지까지의 거리 rs: 프레넬 반지름

실내에서의 전파손실

실내의 전파환경

¾

분산체의 밀도가 매우 높고, 벽은 반사 및 격리(isolation)면이 된다.

¾

개인용 공간

9 인공 구조물들은 넓은 대역의 전파전파 손실을 가져온다.

9 자유공간보다 양호한 경우 도파현상에서부터 거리의 6승에 반비례하 는 경우에 이르기까지 매우 다양한 특성이 공존.

¾

대형 집회장이나 개방된 공장 같은 경우를 제외하고는 대개의 경우 지연특성이 짧다.

¾

실내에서는 이동국의 움직임이 매우 느리거나 정지해 있다.

9 주요 전파경로가 뚜렷하여 페이딩이 수신위치에 따라서 발생한다.

¾

CDMA를 적용하여 실내에서 다중경로에 의한 페이딩 제거

9 같은 공간에 안테나를 두개 설치하고 두 안테나에 시간지연을 일부러 삽입하여 CDMA에서의 레이크수신을 하여 시간 다이버시티 효과를 얻 을 수 있다.

(13)

wgyang@incheon.ac.kr http://ccl.incheon.ac.kr 표 2.3 구조물에 따른 평균손실

3. 전파예측 모델

전파예측 모델의 종류

이동통신에서의 전파환경의 많은 변수를 고려하여 여러가지 실 험을 통해서 값을 얻고 이를 수식화, 도표화하여 지역 특성별로 보정값을 만들어 전송손실을 감안한 서비스영역을 모델화

여러 가지 불규칙적인 변수들을 보상하기 위해 보상계수가 제공.

어떤 지역이 선택되면 셀에 대한 디자인을 수행하기 전에 여러 모델 중 유사한 특성을 지닌 모델을 분석하고, 파라미터를 측정 하고 측정된 것을 평가해야 한다.

이러한 어려운 작업을 수행할 소프트웨어 Tool이 필요

소프트웨어 Tool도 디자이너가 어떤 데이터를 입력하느냐에 따 라 그 결과는 유동적.

(14)

wgyang@incheon.ac.kr http://ccl.incheon.ac.kr 표 2.4 전파전파 예측 모델

Okumura-Hata 모델

모델을 선정하기 위한 기초 자료로 지상장애물에 대한 종류를 정 의

지상 장애물

¾

지물의 종류는 너무 다양하고 아무리 세분화 시켜 측정하더라도 실 제적으로 그 정확성은 매우 떨어진다.

¾

각국에서는 분류도 조금씩 다르다.

표 2.5 지상장애물의 분류

(15)

Okumura 모델에서의 평균 전계강도 곡선

¾

동작주파수, 기지국과 이동국간의 거리 기지국과 이동 안테나높이, 지역형태 등의 파라미터 함수로 구해진다.

¾

실효 송신출력이 1kW일 때를 기준.

Hata 모델에서의 경로손실

c b

m

b

a d L

f

L = 69 . 55 + 26 . 16 log( ) − 13 . 82 log( h ) − ( h ) + ( 44 . 9 − 6 . 55 log( h )) log( ) −

f : 주파수(MHz) d : 기지국과 이동국과의 거리(km)

hb: 기지국 안테나 높이(m) Lc: 클러터 분류에 대한 보정계수

hm: 이동국 안테나 높이(m)

a(hm) = (1.1log(f)-0.7)hm-(1.56log(f)-0.8), 이동국 안테나 높이 보정계수

표 2.6 Okumura 및 Hata 모델의 적용범위

Bertoni – Walifsch(COST-231)모델

도심지역은 건물이 많기 때문에 건축물에 의해 전파환경이 절대 적인 영향을 받게 된다.

개별빌딩과 여러 개의 다중 전파경로의 효과를 고려

도심지역의 다중경로를 고려.

표 2.7 COST-231 모델 적용지역

(16)

경로손실은 아래 그림과 같이 세가지 항목에 의해서 결정

¾

자유공간 손실

¾

Multi-Screen 분산 손실

¾

Roof to Street 분산과 산란 손실

그림 2-13 안테나가 건물지붕보다 높은 경우 적용(COST-231)

) (

log 20 ) ( log 20 4 .

32 + d km + f MHz

b f

d

h

_b

) ( 54 ) 18 log ( 4 0 . 7 ( / 925 1 )) 9 log 1

log(

18 + ∆ + + + − + − −

−

Lst h

f

w + + ∆

_m

+

−

− 16 . 9 10 log 10 log 20 log

Lst is a function street orientation

4. 페이딩

개요

송신기와 수신기 사이에 직접경로를 통해 도달하는 전자파와 많 은 산란체의 영향에 의한 전파경로는 직접경로와 비교하여 신호 의 감쇠와 기산지연이 발생되어 수신점의 전계강도가 시간적으 로 변동하는 현상을 페이딩(Fading)이라 한다.

그림 2-14 Rayleigh Fading 과 Log Normal Fading의 전파영향

(17)

좁은구간 페이딩(Short Term Fading)

¾

다중경로 페이딩(Multipath Fading)이라 부르기도 한다.

¾

기지국과 이동국 사이의 장애물로 인한 전자파의 반사등의 영향

¾

대부분의 이동국이 빠른 속도로 이동할 경우 도플러(Doppler)효과에 의해 페이딩이 빠른 속도로 발생

¾

수신점에서 수신 전계강도의 진폭 및 위상이 레일리 확률분포함수 를 따르기 때문에 레일리 페이딩(Rayleigh Fading)이라 부르기도 한 다.

긴구간 페이딩(Long Term Fading)

¾

기지국과 이동국 사이의 거리 내에서 이동국이 그 주변으로 이동할 때 지형의 변화로 인해 발생한다.

¾

느린 페이딩율을 가진다.

¾

수신 전계강도의 변화를 Long-Normal 페이딩이라 부른다.

페이딩의 종류

감쇠성 페이딩(attenuation fading)

¾

초단파, M/W파 대에 있어서 대기굴절률 분포의 영향 또는 대지의 영향에 의해 발생

¾

각각의 원인에 따라 덕트(duct)형과 K형으로 나뉜다.

레일리 페이딩(Rayleigh fading)

¾

임의의 지점에서 발사된 전파는 직접파와 다중경로를 통해서 수신 되는 신호는 전계강도의 확률분포가 레일리 분포에 가까우 ㄴ특성 을 갖는다.

¾

장거리 무선통신의 경우 공기의 매질변화에 의한 페이딩도 레일리 페이딩 특성을 갖는다.

¾

가시거리내의 전파에 적용할 수 있는 레일리 페이딩의 발생확률은 거리의 3.5승에 비례해서 증가한다.

(18)

신틸레이션 페이딩(Scintillation fading)

¾

대기의 변동에 의해 공간에 유전율이 다른 부분이 생길 때 그곳에서 산란한 전파때문에 생긴다.

¾

전계의 변동은 크지 않다.

¾

원인은 파면의 산란, 산란파의 중첩, 대기굴절률의 불규칙 등

산란성 페이딩(Scattering fading)

¾

가시거리 통신에서 대기의 난류등에 의해 생기는 산란파가 일반적 으로 복수파원을 보이므로 수신된 산란파는 여러 간섭파의 합성이 되고 진폭은 시시각각으로 변화하여 일어나는 현상

간섭성 페이딩(Interference fading)

¾

하나의 안테나로부터 나온 전파가 도중에 몇 개의 다른 경로를 통과 하여 도달했을 때 그 시각적 차이에 따라 서로가 간섭하면서 주기적 으로 강해지고 약해지는 현상.

편파성 페이딩(Polarization fading)

¾

전리층에서 전파가 반사될 때 지구자계의 영향으로 타원편파가 된 다.

¾

전파의 세기는 일정해도 편파면이 회전하기 때문에 수신 공중선의 유기전력이 변동되는 현상

흡수성 페이딩(absorption fading)

¾

전파가 전리층을 통과 또는 반사할 때 전파가 흡수됨으로써 전파 에 너지의 감쇠로 생기는 현상

도약성 페이딩(Skip fading)

¾

전리층의 변화에 의해서 도약거리가 변동하는 현상이 일어난다. 또 한 반사파가 도래해서 페이딩을 일으킨다.

¾

전리층 전자밀도의 변동이 심한 일몰시나 일출시에 현저하게 발생

(19)

이동통신에서의 페이딩

이동통신 시스템에서의 주파수

¾

800MHz(셀룰러)와 1.8GHz(PCS)로서 특히 PCS 주파수 대역은 직접 파에 의한 M/W통신이다.

이동통신에 존재하는 페이딩

¾

덕트(Duct)형과 K형 페이딩

9 전송 경로상 대기의 기상변화에 의해 감쇠를 받는다.

¾

다중경로 페이딩 또는 레일리 페이딩

9 다중경로를 통해 전파된 신호의 경로차로 인한 보강간섭과 상쇄간섭

¾

전자파 그늘에 의한 페이딩(Shadow fading)

9 전파의 전달경로 중간에 전자파차단 물질에 의해서 신호가 일시적으로 작아지는 현상.

페이딩 현상은 무선을 이용한 통신 환경에서는 피할 수 없는 현 상이며 전송품질을 떨어뜨리는 주요 원인이다.

그림 2-15 이동통신에 있어서의 전파특성

(20)

덕트형 페이딩(Duct Fading)

¾

대기중의 굴절률(n)이 기상상태의 불안정으로 온도 역전층이 고도 상에 급격히 발생하여 전파의 불안정한 전파경로를 발생시켜 신호 의 감쇠가 수 10dB 이상 변화시키는 현상

¾

전파 통로상에 덕트가 발생하면 전파가 덕트내에 제한된다.

¾

이 경우 수신점 밖으로 나가서 수신점이 극히 약화 되거나 덕트가 수 신점을 포함하여 강한 수신 전계를 주기도 하므로 변동폭이 크고 불 규칙하여 갑자기 일어나는 현상

K형 페이딩

¾

지구 등가 반경계수(K)의 시간적변동에 의해 수신신호가 불안정하 여 변동하는 현상

¾

송•수신점 사이에 가시거리 일지라도 전파 통로상 클리어런스 (Clearance)가 충분치 않으면 이에 의해 신호감쇠가 발생한다.

¾

클리어런스가 충분하다고 할지라도 K값 변동에 의해 직접파와 반사 파의 통로의 길이가 변화하는데 이에 따라 위상간 상호간섭 발생

클리어런스(Clearance)

¾

기하광학적 전파경로와 장애물 사이의 간격을 클리어런스라 한다.

¾

클리어런스 hc가 제 1 프레넬영역의 반경인 r₁과 같을 때 이것을 프 레넬 영역 클리어런스라 한다.

¾

일반적으로 차량통화 한계를 나타내는 용어로서 많이 사용된다.

(21)

레일리 페이딩

¾

직접파와 다중경로를 통해 수신된 페이딩으로서 서로 다른 경로를 통하여 도달한 신호가 상호보강 간섭과 상쇄간섭을 일으켜서 나타 나는 것.

¾

페이딩의 간격은 파장에 따라서 나타난다.

¾

수신신호의 세기가 레일리 분포특성을 갖는다

그림 2-16 직접파와 다중경로에 의한 페이딩

그림 2-17 레일리 분포특성

(22)

¾

레일리 분포특성에서 x축이 신호의 크기를 y축이 확률을 나타냄

¾

신호의 세기가 어느 정도 큰 값을 가지고 있는 확률은 크고, 작은 값 을 가지고 있는 확률은 매우 작아서 신호가 적어졌다가 곧 큰 신호로 복구되어야 한다.

¾

확률밀도함수

 

 



 − +

=

0 2 2

0

exp 2

2 ) 1 ,

( b

y x y b

x

P π

단, =평균수신전력

− ∞ < x, y < +∞ b

₀

그림 2-18 레일리 분포의 신호패턴

¾

페이딩의 영향은 x(t), y(t)에 의한 직교변조와 동등하며, 육상 이동 통신용 페이딩 시뮬레이터는 이에 기초해서 구성된다.

¾

위의 그림에서 수신되는 파는 포락선 R(t)와 위상θ(t)를 이용해서 종 합확률 밀도함수 P(R, θ)

그림 2-19 직교변조를 이용한 레일리 페이딩의 표현

 

 



 −

=

0 2

0

exp 2

) 2 ,

( b

R b

R R

P θ π

단, 0 ≤ R, -n ≤ 0 ≤ n

(23)

¾

R, θ는 서로 독립한 랜덤 확률 변수

¾

각각의 확률밀도함수 P(R, θ)

¾

수신전력대 잡음전력(C/N) r

 

 



 −

=

0 2

0

exp 2 )

( b

R b

R R P

θ π 2 ) 1

( =

P

Pn r R

π 2

=

2 Pn = 수신기의 잡음전력

R = 수신파의 포락선

5. 다이버시티(Diversity)

개요

다이버시티란

¾

두개 이상의 독립된 전파경로를 통해 전송된 여러 개의 수신 신호 중 에 가장 양호한 특성을 가진 신호를 이용하는 방법

¾

즉, 불완전한 신호레벨을 보상함으로써 페이딩의 영향을 감소시키 는 방법으로 임의의 시간에 위치나 주파수를 충분히 떨어뜨릴 경우 페이딩이 동시에 일어나지 않는다는 통계적 성질을 이용한다.

다이버시티 수신

¾

브랜치 구성법

9 서로 독립적으로 변동하는 복수의 페이딩 파를 수신

¾

합성수신법

9 브랜치 구성법으로 수신된 파를 합성하여 포락선 레벨이 떨어짐을 경 감

(24)

다이버시티 브랜치 구성방식

2개 이상의 안테나를 사용하여 수신하는 Hardware적인 수신방식

공간 다이버시티(Space Diversity)

¾

공간적으로 충분히 떨어진 (안테나의 거리는λ/2 이상) 거리에 2개 이상의 안테나를 사용하여 수신하는 방식

¾

두개의 신호 중 양호한 신호를 선택하여 수신감도를 좋게 하는 방식

그림 2-20 공간 다이버시티 구성도

¾

수평 다이버시티

9 안테나를 수평적으로 이격 시켜 놓은 방식

9 건물 등으로부터 반사되는 다중 반사파 성분은 수평적으로 변하므로 안테나를 수평으로 떨어뜨려 설치한다.

9 안테나 이격거리는 10 λ이상 떨어졌을 때 최대의 효과

그림 2-21 수평 다이버시티 방식

(25)

¾

수직 다이버시티

9 안테나를 수직으로 이격 시켜서 사용하는 방식

9 주로 M/W대의 통신중계를 위한 방식에 많이 사용된다.

9 상관계수 k는 안테나 간격에만 영향을 받는다.

9 같은 상호연관을 없게 하기 위해서는 수평인 경우보다 더 큰 안테나 이 격이 필요

그림 2-22 수직 다이버시티 방식

편파 다이버시티(Polarization Diversity)

¾

수직편파와 수평편파를 한 개의 안테나에 내장하여 수신하는 안테 나를 이용하는 방법

¾

거리확보가 필요 없다.

¾

다중경로에 의한 전자파는 편파가 변하게 된다.

9 수신된 신호를 독립적으로 편파 분리할 수 있는 편파 수신 안테나를 활 용

¾

안테나의 설치장소가 협소한 곳이나 공간 다이버시티 안테나를 설 치할 수 없는 장소에 사용

그림 2-23 편파 다이버시티 구성도

(26)

각도 다이버시티(Angle Diversity)

¾

지향성이 다른 수신 안테나를 이용하는 방식

¾

다중경로에 의한 다중파 도래방향의 폭이 넓은 이동 수신국에 적합.

¾

브랜치 수를 증가시키기 위해서는 Beam 폭이 좁고 첨예한 지향성 수신안테나 필요.

¾

각 빔간의 간섭이 적어야 한다.

그림 2-24 각도 다이버시티 구성도

주파수 다이버시티(Frequency Diversity)

¾

한 개의 안테나에 주파수가 다른 두개의 송신기를 사용함으로 동일 송신 점에서 동시에 서로 다른 둘 이상의 주파수를 발사하여 수신측 에서 합성 또는 선택하여 수신하는 방법

¾

주파수가 다르므로 감쇠정도가 다르며, 수신출력이 매우 나쁜 상태 가 적으므로 페이딩 영향을 적게 한다.

¾

각 주파수 차이는 수백 kHz정도 떨어져야 한다.

그림 2-25 주파수 다이버시티 구성도

(27)

시간 다이버시티(Time Diversity)

¾

일정한 시간 간격으로 동일한 정보를 복수 회로에 전송하고 이를 일 정시간 지연 후 비교하여 양호한 신호를 선택

그림 2-26 시간 다이버시티 구성도

합성 수신법

브랜치 구성법을 이용하여 수신된 복수개의 출력 신호를 합성하 는 방법에는 선택합성법, 등이득 합성법, 최대비 합성법이 있다.

그림 2-27 합성방법에 따른 S/N비 개선효과

(28)

선택 합성법

¾

어느 주어진 시간에 서로 다른 Branch에서 수신된 모든 신호를 비교 하여 가장 좋은 신호를 선택하는 방식

¾

여러 개의 수신기가 필요

¾

이동 수신기에서 여러 개의 수신 검파기가 필요하므로 제조원가의 상승요인이 된다.

¾

회로 구성이 매우 복잡하다.

¾

이 방식을 사용했을 경우 평균 수신전력이 통계적으로 2.2dB의 이득 상승

그림 2-28 선택 합성법 구성도

¾

아래의 그림과 같이 signal A와 signal B를 합성하여 두개의 신호 중 양호한 신호만 switch 에서 선택

그림 2-29 선택합성법의 수신 신호 선택방식

(29)

등이득 합성법

¾

각각의 Branch 신호를 모두 합하기 위하여 위상이 고정된 합성 회로 를 사용

¾

모든 수신 신호의 이득을 조절하여 동일한 가중 값을 가지고 합성

¾

만일 하나의 신호가 극심한 페이딩을 받는다면 잡음으로 합성되어 신호 대 잡음비를 약화 시킬 수 있다.

¾

평균수신전력은 통계적으로 2.6dB의 이득 상승

그림 2-30 등이득 합성방법 구성도

최대비 합성법

¾

여러 개의 Branch로부터 입력된 신호를 최적의 성능을 얻기 위해서 중첩하고 합성 전에 동기를 취하는 방식

¾

극심한 페이딩 신호에 대해서는 기여도를 작게 하고, 수신신호의 크 기가 클수로 기여도를 크게 하면 합성효과가 더 커지는 방법을 이용

9 각 수신신호에 적절한 가중 값을 주어서 송신하는 방식

그림 2-31 최대비 합성방법 구성도

(30)

¾

CDMA방식

9 광대역 신호를 사용하므로 RAKE수신기를 사용

9 동일한 정보를 가지고 시간차를 두어 송신되는 n개의 정보를 채널 탭 가중치를 최적으로 예측하고 최대비 결합기에서 출력을 얻는다.

¾

최대비 합성방식

9 최대비 n개의 신호를 수신하여 n개의 채널 탭을 통하여 최종단에 결합 기에서 합성하는 것

구현방법이 복잡하지 않으면서도 좋은 수신 성능

¾

합성법의 평균수신전력은 통계적으로 3dB의 이득이 상승

그림 2-32 최대비 합성법의 수신신호 선택방법

제제22장장 이동통신 이동통신 전파환경 전파환경