A Study on the Effective Usage of mmWave Bands for 5G Backhaul Links

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ISSN 1226-3133 (Print)․ISSN 2288-226X (Online)

5G 백홀 링크를 위한 밀리미터파 대역의 효율적 이용에 관한 연구 A Study on the Effective Usage of mmWave Bands for 5G Backhaul Links

강 영 흥 Young-heung Kang

요 약

향후 이동통신망에서 주파수 부족이 중요한 문제가 되고 있어 광대역의 주파수를 확보할 수 있는 30 GHz에서 300 GHz 대역의 밀리미터파(mmWave) 통신이 수 기가비트 서비스를 제공하기 위한 5G 백홀(backhaul) 통신망의 중요한 일부 로서 제안되고 있다. 이에 WRC-19 의제 1.13에서는 24.25～86 GHz 범위에서의 IMT 용 주파수 결정을 추진하고 있으며, 통신용량을 증가시키기 위해 세계적으로 펨토셀(femtocell)과 같은 소형 셀과 이종망을 구축해 나가는 시점에서 광대역 이동통신서비스 제공을 위한 밀리미터파 주파수 개발이 중요시 되고 있다. 따라서 본 논문에서는 FCC의 밀리미터파 스펙트럼의 분배 현황, 전파특성, 최소 경로길이 기준 및 간섭분석 결과를 정리하여 국내의 5G 백홀 링크를 위한 밀리미 터파의 효율적 이용방안을 제시한다.

Abstract

Since scarcity of spectrum in future mobile networks, millimeter wave frequencies from 30 GHz to 300 GHz have been pro- posed to be used in an important part of 5G mobile communication backhaul links to provide several giga bits services. In ITU-R has been invited to conduct and complete in time for WRC-19 the appropriate studies to determine the spectrum needs for the terrestrial component of IMT in the frequency range between 24.25 GHz and 86 GHz. Also, small cells such as a femtocell, and heterogeneous networks have been deployed through world in order to enhance the communication capacity. At this stage, it is important to develop millimeter wave frequencies to provide 5G mobile broadband services, and thus this paper proposes the effective usage of these frequencies by summarizing the FCC allocation of millimeter waves, their propagation characteristics, the required minimum path length, and the interference effect.

Key words: 5G, Backhaul, Millimeter Wave, Path Length, Interference



「본 연구는 KCA연구(KCA연구-2015-16) 및 방송통신정책연구사업(R7719-16-1097)의 일환으로 수행하였음.」

군산대학교 컴퓨터정보통신공학부(School of Computer, Information and Communication Engineering, Kunsan National University)

․Manuscript received June 1, 2016 ; Revised July 7, 2016 ; Accepted September 6, 2016. (ID No. 20160601-03S)

․Corresponding Author: Young-heung Kang (e-mail: [email protected])

Ⅰ. 서 론

이동통신 트래픽 수요의 폭발적인 증가에 따라 통신용 량 요구와 스펙트럼의 부족이라는 모순성은 점점 두드러 지고 있다. 무선 대역폭의 부족은 5세대 통신(5G)망에서

중요한 문제가 되고 있다. 이에 거대한 대역폭을 확보할 수 있는 30 GHz에서 300 GHz 대역의 밀리미터파(mm- Wave) 통신이 HDTV(High Definition Television) 및 UHDV (Ultra-High Definition Video)와 같은 멀티 기가비트 통신 을 제공하기 위해 5G 통신망의 중요한 일부로서 제안되

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THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 27, no. 9, Sep. 2016.

고 있다^[1].

ITU-R에서는 WRC-19 의제 Item 1.13에 Resolution 238 (WRC-15)에 따라 제 1 업무(primary services) 기반의 이동 통신서비스에 가능한 추가 분배를 포함한 향후 IMT 개발 을 위한 주파수 대역의 확보를 위해 24.25～86 GHz 주파 수 범위에서 IMT 지상 컴포넌트를 위한 스펙트럼 소요량 을 결정하기 위한 연구와 서비스 보호를 고려하여 적절 한 주파수 공동사용 및 호환성 연구를 다루고 있다.

현재의 LTE 및 이동 WiMAX를 포함한 4세대 통신(4G) 시스템은 이론값에 가까운 셀 당 bits/s/Hz의 스펙트럼 효 율을 얻기 위해 OFDM(Orthogonal Frequency Division Mul- tiplexing), MIMO(Multiple Input Multiple Output), 멀티 유 저 다이버시티, 링크 적응, 터보 코드, HARQ(Hybrid Au- tomatic Repeat Request)와 같은 첨단 기술들을 이미 사용 하고 있다. 더 이상의 스펙트럼 효율 개선의 한계로 인해 면적 당 통신용량을 증가시키기 위한 다른 방법으로 펨 토셀(femtocell)과 같은 소형 셀과 이종망(heterogeneous networks)을 구축해 나가는 것이다. 그러나 통신용량은 셀의 수에 따라 선형적으로 증가하므로 이동 데이터 트래픽의 급증하는 증가에 대처할 수가 없으므로 밀리미터파 광대 역 주파수 확보가 중요하다^[2].

최근 밀리미터파 대부분의 연구는 28 GHz, 38 GHz, 60 GHz, E 대역(71～76 GHz 및 81～86 GHz)에 집중되어 있 다. CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) RF IC에서의 급속한 발전은 밀리미터파 대역에서의 제품화 의 길을 열었으며^[3], 밀리미터파 대역의 셀룰러 시스템 또는 메시망(mesh network)에 관련된 WPAN(Wireless Per- sonal Area Network) 또는 WLAN(Wireless Local Area Net- work)을 위한 ECMA-387, IEEE 802.15.3c, IEEE 802.11ad 와 같은 여러 표준들이 이미 제정되었다^[3].

한편, 30 GHz 이상은 강우감쇠에 더욱 민감하며, 이로 인해 낮은 주파수 대역에 비해 경로길이가 제한된다. 즉, 이득이 높을수록 캐리어 주파수가 낮을수록 최대 경로 길 이는 증가하며, 160～180 dB의 전형적인 이득에서 99.999

%의 가용율(availability) 기준으로 실질적인 경로 길이는 42 GHz에서 3 km, 70/80 GHz에서 2 km를 갖는다. 따라서 국내외 주파수 대역에 따른 전송거리 기준에 대한 명확 한 데이터가 필요하며, 이에 5G 백홀용으로 밀리미터파

를 효율적으로 이용하기 위해서는 밀리미터파 대역의 전 송거리 기준에 대한 연구가 필요하다.

또한, 밀리미터파 통신은 M/W 대역(즉, 2.4 GHz 및 5 GHz)에서 운용하는 기존 타 통신시스템과의 근본적인 차 이에 의해 5G 무선망에 중요한 영향을 미치는 밀리미터 파 통신용 물리계층, MAC 계층, 라우팅 계층에서의 많은 도전 과제를 지니고 있다. 밀리미터파 통신의 이동성에 기인하는 높은 전파손실, 지향성, 민감한 차단특성은 이 러한 도전 과제를 해결하기 위한 아키텍처 및 프로토콜 에서의 새로운 사고와 통찰력을 요구하고 있다.

따라서 최근 다양한 무선 서비스(C-ITS, Gigabit Wi-Fi 등) 도입 및 5G 등 IMT 주파수 대역 수요 증가에 따라 밀 리미터 대역 이용 효율성 제고를 통한 가용 주파수 자원 확보를 위해 밀리미터 주파수 이용효율화 기술, 밀리미터 파 경로길이 기준, 주파수 간섭 및 이용 대역폭 분석에 대 한 연구가 절실히 필요한 실정이다. 이에 본 논문에서는 미국 FCC의 밀리미터파 스펙트럼의 분배 현황, 전파특 성, 최소 경로길이 기준 및 간섭분석 결과를 정리하여 밀 리미터파의 효율적 이용방안을 제시한다.

Ⅱ. 밀리미터파 스펙트럼

3～300 GHz 스펙트럼에서 그림 1에 보이는 바와 같이, 252 GHz의 대역폭이 이동통신 광대역용으로 적합하며, 밀리미터파는 대기 중의 산소, 물방울에 의해 흡수되는 특성을 갖고 있다. 57～64 GHz 대기 흡수대역은 경험적 으로 15 dB/km의 감쇠를 나타내며, 수증기에 의한 흡수 율은 164～200 GHz 대역에서 수십 dB까지 올라가므로 이 대역은 이동통신용으로 제외된다.

FCC는 마켓(market) 당 두 개의 라이선스를 경매에 붙 여 그림 1(b)와 같이 A 라이선스는 27.5～28.35 GHz, 29.1

～29.25 GHz, 31.075～31.225 GHz 대역의 총 1.15 GHz 대 역폭, B 라이선스는 31.0～31.075 GHz, 31.225～31.3 GHz 대역의 총 150 MHz 대역폭을 포함하고 있다.

2003년 FCC는 E-대역으로서 71～76 GHz, 81～86 GHz, 92～95 GHz 주파수 대역을 P-P WLAN, 이동통신 백홀, 광대역 인터넷 억세스를 포함한 초고속 데이터 통신용으 로 분배하였으며, 그림 1(c)에 보이는 것처럼 E-대역에서

(3)

(a)

(b)

(c) 그림 1. 밀리미터파 스펙트럼^[2]

Fig. 1. Millimeter wave spectrum^[2].

총 12.9 GHz 대역폭이 가능하다. E-대역의 높은 지향성의

"펜실빔(pencilbeam)" 신호특성은 상호간섭 없이 근접시 키는 기술이 가능하므로 FCC 등은 이 대역에서 "라이트 라이선싱(light licensing)"을 도입하고 있다^[2].

Ⅲ. 전파특성

3-1 자유공간 전파

밀리미터파의 전송손실은 근본적으로 자유공간 손실 에 의해 크게 좌우된다. 대형의 개구면적을 갖고 있는 안 테나는 무선파로부터 많은 에너지를 수신하기 때문에, 작 은 개구면적의 안테나보다 더욱 큰 이득을 얻는다. 그러 나 파장이 짧아지면 동일 개구면적으로 많은 에너지를 수신할 수 있으므로, 다수의 안테나들은 높은 이득의 송 수신기 빔포밍(beamforming)을 가능하게 한다. 예를 들어 안테나 면적이 일정할 때, 80 GHz에서의 빔은 2.4 GHz 에서의 빔보다 30 dB 이상의 이득(협대역 빔)을 가지게 된다^[4].

3-2 침투성 및 기타 손실

3～300 GHz 주파수에서 대기가스 손실과 강우 감쇠는 수증기 및 강우 흡수 대역을 제외하고, km 당 수 dB 이하 이며, 반사 및 회절에 기인하는 손실은 물질과 표면에 상 당히 의존한다. 비록 반사 및 회절에 의해 밀리미터파의 전송거리가 줄어들지만, NLOS(Non-Line-Of-Sight) 통신에 는 유용하다. 밀리미터파 신호는 높은 레벨의 감쇠에 의 해 외부 및 기지국으로부터 빌딩 실내로 전파수신이 차 단될 수 있다. 이 경우, 실내 커버리지는 실내 밀리미터파 펨토셀 또는 Wi-Fi 방법을 통해 제공될 수 있으며, 60 GHz 밀리미터파를 사용하는 차세대 Wi-Fi 기술이 이미 IEEE 802.11ad에서 개발되고 있다^[5].

밀리미터파는 나뭇잎에 의한 손실은 중요하며, 그 전 파손실의 예를 그림 2(a)에 나타낸다. 여기서 80 GHz, 10

(a) 나뭇잎 통과특성

(a) Foliage penetration characteristics

(b) 강우감쇠특성

(b) Rain attenuation characteristics 그림 2. 밀리미터파 전파특성^[2]

Fig. 2. Propagation characteristics of millimeter wave^[2].

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m 나뭇잎 침투에서 전파손실은 약 23.5 dB로 3 GHz보다 15 dB 이상 높다. 또한, 밀리미터파 전송은 큰 강우강도 에서 심각한 감쇠를 가지며, 그림 2(b)에 나타내었다^[6]. 예 를 들어, 밀리미터 주파수에서도 2.5 mm/h의 약한 강우에 서는 약 1 dB/km의 감쇠를 보이지만, 150 mm/h의 몬순지 역과 같은 강한 강우환경에서는 수십 dB/km 이상의 감쇠 를 일으켜 통신 두절을 가져온다.

3-3 도플러 및 다중경로

무선 채널의 도플러는 3～350 km/h 이동성을 가지면 3～60 GHz 캐리어 주파수에서 도플러 시프트는 10～20 kHz 범위를 갖는다. MMB(Millimeter-wave Mobile Broad- band)의 경우, 송수신기의 좁은 빔은 도래파의 각도 퍼짐 을 크게 줄여 도플러 확산을 줄여 주고, 또한 도래파가 어 떤 방향으로 집중되어 도플러 스펙트럼에서의 넌제로 (non-zero) 바이어스를 이루게 되며, 수신기의 자동 주파 수제어(AFC: Automatic Frequency Control) 루프에서 거의 보상될 수 있다. 그러므로 MMB 채널의 시간영역 변동은 풍부한 산란환경에서 전방향 안테나에 의해 관측된 것보 다 아주 작게 된다.

밀리미터파는 좁은 송수신기 빔을 가지게 되어 다중경 로 성분은 제한적이다. 이전의 연구들은 밀리미터파 채널 의 PDP(Power Delay Profile)의 RMS(Root Mean Square) 값 은 도시환경에서 1～10 ns이며, 채널의 코히어런트(co- herent) 대역폭은 약 10～100 MHz를 보여주고 있다. 그러 나 이들 연구에서 사용된 송수신기 안테나 이득은 MMB 에서보다 높으므로, MMB 시스템에서의 더 긴 경로가 있 을 수 있으며, 이들 연구에서의 값보다 작은 코히어런트 대역폭이 얻어질 수 있다^[2].

Ⅳ. 최소 경로길이 기준

5 GHz 이상의 주파수에 대한 강우 감쇠 예측 문제는 국내외적으로 장기간에 걸쳐 연구가 진행되어 왔으며, 이 를 토대로 경로 감소 인자로서 고려해야 할 중요인자는 특정 운영 주파수에서 특정 링크에 대한 최소 경로길이 이다. 참고문헌 [7]에서는 국립전파연구원에서 표준안으 로 제공하고 있는 대전지역의 강우강도와 ITU에서 제공

하는 강우강도를 이용하여 최소 경로길이를 분석하였다.

그 결과로서 11.7 GHz 대역의 경로길이는 ITU-R 모델이 국내 측정모델에 비해 35 %(8 km) 이상 길게 가져갈 수 있다. 마찬가지로 15.2 GHz, 18.7 GHz, 23.2 GHz 대역에 서 각각 30 %(3 km), 29 %(2 km), 40 %(2 km) 이상의 경 로 길이 마진을 얻을 수 있다.

향후 5G 백홀용으로 밀리미터파 대역을 고려할 때는 최소 경로길이에 대한 기준 연구가 중요하다. 국내는 전 파지정기준 고정부분에 주파수 대역에 상관없이 최소 경 로길이 13 km 기준을 두고 있지만, 미국은 47 CFR Part 101 Fixed Microwave Services^[11]에 개인용도 및 일반 캐리 어 P-P M/W 서비스에서 고정링크의 최소 경로길이는 10 GHz 이하에서 17 km와 10 GHz 이상에서 5 km의 두 가지 기준을 정의하고 있다. 한편, 영국에서는 주파수 할당기 준을 포함하여 무선 인터페이스 기술적 조건에 대한 규 정을 두고 있으며, 주파수 대역의 선택을 원천적으로 링 크 경로길이와 트래픽 용량에 따라 다양한 최소 경로길 이 기준을 두고 있다. 이는 짧은 경로길이의 높은 주파수 대역 사용을 촉진시켜 낮은 대역에서의 혼잡을 피하고 있다^[12]. 대부분의 고정서비스를 P-P 구성으로 운용하는 호주도 영국과 유사하게 1.5～58 GHz 주파수에서 일반 캐리어 및 개인망 운용을 위한 전송용량을 대역별로 제 공하고 있으며, 여기에 최소 경로길이 기준을 포함하고 있다^[13]. 표 1에 국내외 최소 경로길이를 주파수 대역별로 비교해 놓았다.

표 1. 최소 경로길이 기준 비교[km]

Table 1. Comparison of the required minimum path lengths [km].

Frequency

[GHz] GB Australia US Korea

1.350～1.517 30.0

20.0 17.0

13.0 3.600～4.200 24.5

5.925～7.125 16.0 7.425～7.900 15.5

12.75～15.35 9.50 5.0 5.0

17.70～23.60 4.0

2.0 N/A

24.50～26.80 3.0 37.00～39.50 1.0

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Ⅴ. 간섭분석

5-1 간섭 시나리오

여기서는 매크로 셀의 백홀 주파수 대역의 일부가 지 역적으로 떨어져 있는 스몰 셀에 할당된 경우를 고려한 다. 동일채널 간섭분석에서는 이러한 두 시스템이 대역의 조정 없이 사용을 허용하기 위해 매크로 셀과 스몰 셀간 의 최소거리 분리기준을 구하는데 있다. 여기서 구하는 최소거리 기준은 그림 3에 보이는 바와 같이 매크로 셀의 백홀 센터(BC: Backhaul Center)와 스몰 셀의 가장 가까운 노드, 즉 스몰 셀의 에지(edge) 간의 거리로 정의한다. 등 방향(omni) 안테나의 스몰 셀의 기지국은 단일 주파수를 사용하며, 시스템 트래픽은 적절한 TDD 타임 슬롯(slot) 으로 제어되어, 빌딩이나 지형지물에 의한 감쇠에 의해 사용자 간의 동일채널 간섭이 충분히 낮다면 주파수 재 사용이 가능하다^[8].

지상 간섭평가를 위해 CEPT 및 ITU에서 동의한 표준 전파모델은 ITU-R Rec. P.452-14^[9]로 주어진다. 이 모델은 주파수 공유 및 공존 연구를 위해 사용되며, 자유공간손 실 및 클러터(clutter)에 기인하는 감쇄를 포함하고 있다.

또한, 시골(rural), 교외(suburban), 도시(urban), 밀집도시(den- se urban)에 따른 클러터 높이 및 공칭거리(nominal distance)에 대한 값을 제공하고 있다.

5-2 최소 분리거리

간섭 기준치 ^  dB 값을 만족시키기 위한 매크로 백홀 센터에서 스몰 셀 에지의 이동 터미널 간의

그림 3. 백홀 섹터간의 간섭 시나리오

Fig. 3. Interference scenario between backhaul sectors.

표 2. 간섭원과 피간섭원의 파라미터

Table 2. Parameters for interfering and interfered source.

간섭 시스템 피간섭 시스템

주파수 [GHz] 28 28

최대 Tx 전력 [dBm] 18 0

Tx and Rx

안테나 이득 [dBi] 40 0

대역폭 [MHz] 28 20

잡음 지수 [dB] 6 0

안테나 높이 [m] 20～50 1.5

그림 4. 매크로셀 백홀 지향성 안테나에 의한 I/N Fig. 4. I/N from directional antenna in macrocell backhaul.

최소거리를 구하기 위해 표 2와 같은 파라미터를 가정 한다.

만일 매크로 백홀 센터의 안테나는 지향성 안테나로 ITU-R Rec. 699-7^[10]권고안 모델을 사용하여 매크로 백홀 센터에서 거리에 따라 계산된 I/N 값을 그림 4에 나타낸 다. 메인 빔(main beam) 방향과 백 로브(back lobe)에서의 I/N 값은 많은 차이를 보이고 있다. 메인 빔에 의한 I/N 값 은 분리거리가 6 km에서 I/N=0 dB가 얻어진 반면, 백 로 브에서는 분리거리가 3 km에서 I/N=—60 dB로 간섭 마진 이 50 dB 이상이다.

도시지역에서 수신안테나 높이에 따른 최소 분리거리 를 계산하여 그림 5에 나타낸다. 수신안테나 높이에 따 라 최소 분리거리는 상당한 차이를 보이며, 예를 들어 e.i.r.p.=30 dB일 때, 안테나 높이가 5 m와 20 m에서의 최

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그림 5. 수신 안테나 높이에 의한 최소 분리거리

Fig. 5. Minimum separation distance with receive antenna height.

소 분리거리를 계산하면, 25 km에서 220 km로 늘어나게 되어 그 차이가 200 km 이르며, 도시지역 환경에서는 수 신 안테나의 높이에 따른 간섭영향이 크게 나타나고 있다.

Ⅵ. 효율적 이용 방안

ITU-R에서는 WRC-19 의제 Item 1.13에 Resolution 238 (WRC-15)에 따라 주 업무(primary services) 이동통신서비 스에 가능한 추가 분배를 포함한 향후 IMT 대역 개발을 다루고 있다. 여기에는 24.25～86 GHz 주파수 범위에서 IMT 지상 컴포넌트를 위한 스펙트럼 소요량을 결정하기 위한 연구와 이동통신에 주 업무로 분배된 24.25～27.5 GHz, 37～40.5 GHz, 42.5～43.5 GHz, 45.5～47 GHz, 47.2

～50.2 GHz, 50.4～52.6 GHz, 66～76 GHz 대역과 이외의 추가 분배 예상 대역인 31.8～33.4 GHz, 40.5～42.5 GHz, 47～47.2 GHz 대역에서의 서비스 보호를 고려하여 적절 한 주파수 공동사용 및 호환성 연구를 다루고 있다.

ITU-R에서 고려되고 있는 24.25～86 GHz 대역은 국내 에서 서울지방항공청이 자가 통신용 고정국 2국 및 사용 승인 외에 타 허가 무선국이 없으므로 향후 5G IMT용으 로 주파수 활용이 적극 기대되고 있다. 국내 기존 이동통 신사업자 및 향후 사업자에 필요한 5G 통신용 및 백홀용 소요 대역폭을 산출하고, 기존의 서비스 및 향후 계획의

지상 서비스와 위성 서비스와의 주파수 공동사용을 위한 호환성 연구를 수행하여 국내 최적의 5G IMT 용 주파수 를 적극적으로 분배해 나가야 한다.

참고문헌 [14]에서는 측정된 NLOS 측정된 손실을 고 려하여 스루풋(throughput) 성능과 경로길이에 따른 링크 마진을 구하였다. 이 결과로부터 밀리미터파의 높은 주파 수를 사용하는 이점이 명백히 보여주고 있으며, 적당한 안테나 크기에서 최대 100 Mbps의 5.8 GHz 시스템에 비 해 최대 400 Mbps 28 GHz 시스템에서 20 dB 이상의 마진 이 얻어졌다. 이에 동일 크기의 안테나로 주파수가 높을 수록 큰 이득을 얻을 수 있으므로 밀리미터파 시스템은 고성능의 네트워크를 구현할 수 있다.

또한, ITU는 40 GHz 이상의 밀리미터파에서 여러 FS (Fixed Service) 대역 세그먼트(segment)의 대역폭은 3 GHz 를 초월하며, RF 채널 배치에 대한 관련 권고에 따라 채 널 당 대역폭은 주파수가 높을수록 증가하고 있다(즉, 70/80 GHz 대역에서 1 GHz 이상이다)^[8]. 이에 밀리미터파 는 광대역의 스펙트럼이 가능하므로 광통신과 유사한 수 Gbps 통신용량을 제공할 수 있으며, NLOS 환경에서 조 차 소형 셀에 고성능의 백홀을 지원하므로 이에 밀리미 터파 이용을 적극 추진해 나가야 한다.

한편, 표 1로부터 외국은 주파수 대역에 따라 8 GHz 이 하의 낮은 대역에서는 최소 경로길이를 15.5 km 이상으 로 12～16 GHz 주파수 대역에서는 5～9.5 km, 17 GHz 이 상에서는 1～4 km 기준을 적용하고 있다. 한편, 국내 강 우강도를 고려한 경로길이 계산결과^[7]로부터 국내의 최 소 경로길이 기준도 8 GHz 이하의 대역에서는 15 km 이 상, 12～16 GHz 대역에서는 5 km, 17 GHz 이상의 대역에 서는 2～3 km의 기준을 고려해서 향후 국내 이동통신 백 홀 설계 및 구축을 촉진시켜 나가야 한다.

5G 백홀용으로 밀리미터파의 도입은 동일서비스 또는 기존의 타 서비스와의 간섭영향 평가가 필연적이다. 이에 본 논문에서는 28 GHz 대역에서 동일서비스간의 간섭영 향으로서 5G P-MP 백홀 구조를 고려하여 등방향 또는 지 향성 안테나를 고려하여 시스템간 분리거리를 계산하였 다. 등방향의 동일 특성 안테나에 의해 분리거리에 따른 I/N 값은 반경에 따라 동일 한 값을 가지는 반면, 지향성 안테나를 사용하여 매크로 백홀 센터에서 거리에 따라

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계산된 I/N 값은 메인 빔(main beam) 방향과 백 로브(back lobe)에서의 I/N 값은 많은 차이를 보인다. 도시지역에서 수신안테나 높이에 따른 최소 분리거리는 상당한 차이를 보이므로 수신안테나 높이 설계를 신중히 가져가야 한다.

타 시스템간의 간섭의 예로서 위성지구국이 매크로셀 의 허브국 또는 가입자국에 미치는 간섭영향은 지구국이 위성을 바라보는 앙각에 따라 그 간섭영향이 크게 다르 므로 앙각에 따른 최소분리거리를 평가하는 것이 중요하 다. 이에 향후 밀리미터파 5G 백홀을 설계하기 위해서는 동일 채널 및 인접 채널간의 간섭영향 평가가 이루어져 야 하고, 위성지구국의 앙각과 안테나의 지향성을 신중히 고려하여 조정영역(coordination area)을 설정해 나가야 할 것이다.

Ⅶ. 결 론

주파수 이용 현황을 보면 세계 각국에서 6 GHz 이하의 M/W 주파수를 6 GHz 이상으로 주파수 회수 및 재배치를 진행해 나가면서 광대역을 얻기 위한 30 GHz 이상의 밀 리미터파를 지속적으로 개발하여, 이에 대한 채널배치 및 최대 대역폭 허용기준 등을 마련해 나가고 있다. 국내의 경우도 비록 통신 중계용 무선국은 10 GHz 이상 대역에 83 % 이상이 이용하고 있지만, 방송중계용 무선국이 이 용하는 주파수대역은 주로 10 GHz 이하 대역에 90 % 이 상이 이용하고 있으므로 이에 대한 주파수 회수 및 재배 치, 나아가 30 GHz 이상의 주파수 이용현황이 전무하므 로, 이에 대한 구체적인 연구개발이 진행되어야 한다.

ITU, 세계 각국은 주파수 대역특성에 맞게 최소 전송 길이에 대한 규정들을 정하고 있으며, 국내에서도 강우감 쇠 등 현실적인 대기환경 조건을 고려한 주파수 대역에 따른 최소 전송길이 기준을 마련해야 한다. 이에 현재 모 든 주파수에 대해 최소 전송길이를 13 km로 정하고 있는 국내 전파지정에서의 기준 값을 12 GHz 이하에서 15.5 km 이상, 15～17 GHz 대역에서는 5 km, 17 GHz 이상의 대역에서는 2～3 km의 최소 전송길이 기준으로 개선하는 게 바람직하다.

5G 백홀 설계를 위해서는 전송거리 이외에도 주파수 공동사용을 위한 간섭의 시나리오와 메카니즘에 대해 분

석하여 이에 대한 평가를 진행해 나가야 한다. 여기에는 이종망 구조에 따른 간섭 시나리오 설정이 중요하며, 동 일 채널 및 인접 채널간의 간섭영향 평가가 이루어져야 하고, 특히 타 시스템과의 간섭분석으로서 위성지구국과 의 조정영역(coordination area)을 설정 등을 통해 밀리미 터파의 적극적인 개발이 필요한 시점이다.

References

[1] M. Elkashln, T. Q. Duong, and H. H. Chen, "Milimeter- wave communications for 5G: fundamentals: Part I [Gu- est Editorial]", IEEE Commun. Mag., vol. 52, no. 9, pp.

52-54, 2014.

[2] F. Khan, Z. Pi, "Millimeter wave mobile broadband sys- tems", IEEE Commun. Mag. vol. 49, no. 6, pp. 101-107, Jun. 2011.

[3] T. S. Rappaport, J. N. Murdock, and F. Gutierrez, "State of the art in 60-GHz integrated circuits and systems for wireless communications", Proceedings of the IEEE, vol.

99, no. 8, pp. 1390-1436, Aug. 2011.

[4] D. M. Pozer, Microwave Engineering, 3rd ed., Wiley, 2005.

[5] E. Perahia et al., "IEEE 802.11ad: Defining the next generation multi-Gb/s Wi-Fi", 2010 7th IEEE Consumer Commun. and Next Conference, Jan. 2010.

[6] ITUR P.838-3, "Specific model for rain for use in prediction methods", 2005.

[7] 강영흥, "이동통신 백홀 설계를 위한 M/W 억세스 링 크의 경로길이 분석", 한국항행학회논문지, 19(6), pp.

607-613, 2015년 12월.

[8] 한국방송통신전파진흥원, "M/W 주파수 이용효율화 방안", 최종보고서, 2015년 12월.

[9] ITU-R Rec. P.452-14, Prediction procedure for the eva- luation of interference between stations on the surface of the Earth at frequency above 0.1 GHz, 2009.

[10] ITU-R Rec. F.699-7, Reference radiation patterns for fixed wireless system antennas for use in coordination studies and interference assessment in the frequency

(8)

range from 100 MHz to about 70 GHz, 2006.

[11] FCC, 47 CFR Part 101-Fixed Microwave Services.

[12] RA, UK radio interface requirement 2000, Feb. 2002.

[13] ACA, Microwave radio spectrum trends: accommo-

dating the demands of growth, new technologies and relocation, Feb. 2000.

[14] Ericsson Review, Non-line-of-sight microwave backhaul for small cells, Feb. 2013.

강 영 흥

1984년 2월: 한국항공대학교 통신공학과 (공학사)

1986년 2월: 한국항공대학교 전자공학과 (공학석사)

1993년 2월: 한국항공대학교 전자공학과 (공학박사)

1988년 3월～1990년 2월: 한국항공대학교 통신공학과 조교