KR100728239B1 - 고정 무선통신시스템에서 보호비를 이용한 주파수 조정방법 - Google Patents

고정 무선통신시스템에서 보호비를 이용한 주파수 조정방법 Download PDF

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KR100728239B1
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최용석
이주환
서경환
배영조
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한국전자통신연구원
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Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야
본 발명은 무선통신 시스템에서 보호비를 이용한 주파수 조정 방법에 관한 것임.
2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제
본 발명은 무선망 설계 시에 연중 가용율(availability), 거리, 주파수, 지형 기후 인자, 송수신 안테나 높이 등을 내포하고 있는 페이드 마진을 추출하고, 외부의 간섭을 고려한 최대 허용 간섭 양을 계산하여 해당 무선망에 필요한 최소 신호대간섭 비인 보호비를 산출하고, 이 보호비를 이용해 무선 통신 시스템의 주파수를 조정할 수 있는 방법을 제공하고자 함.
3. 발명의 해결방법의 요지
본 발명은 무선통신 시스템에서 보호비를 이용한 주파수 조정 방법에 있어서, 주파수, 송수신기 사이의 거리, 연중 가용율, 송수신 안테나 경로의 각을 이용해 페이드 마진을 계산하고, 강우 강도, 주파수, 편파, 거리 가용율을 이용해 강우 감쇠를 계산하는 제1 단계; 변조 방식에 따라 수신한계 레벨인 신호대 잡음비를 계산하고, 간섭 신호의 양에 따라 전송품질의 열화를 일정 정도의 기준으로 정해 필요한 수신 한계 레벨에 대한 잡음대 간섭비를 계산하는 제2 단계; 송신 스펙트럼 마스크와 수신기의 무선 주파수 및 중간 주파수 필터 특성을 이용해 통합필터변별도를 계산하는 제3 단계; 상기 계산된 신호대 잡음비와, 상기 계산된 페이드 마진과, 상기 계산된 잡음대간섭비와, 상기 계산된 통합필터변별도와, 다중간섭허용 값(MIA)을 이용해 보호비를 산출하는 제4 단계; 설계된 무선 통신 시스템의 신호대 잡음비를 계산하는 제5 단계; 상기 제5 단계에서 계산된 신호대 잡음비가 상기 제4 단계에서 계산된 보호비보다 크거나 같은지를 확인하는 제6 단계; 및 상기 제6 단계에서 상기 신호대 잡음비가 상기 보호비보다 작으면, 무선망 재설계로 판단하고, 상기 신호대 잡음비가 상기 보호비보다 크거나 같으면 주파수 조정이 완료된 것으로 판단하는 제7 단계를 포함한다.
4. 발명의 중요한 용도
본 발명은 무선망 설계 에 이용됨.
보호비, 페이드, 마진, 통합필터변별도, 가용율, 주파수, 조정

Description

고정 무선통신시스템에서 보호비를 이용한 주파수 조정 방법{FREQUENCY COORDINATION BY CALCULATION OF PROTECTION RATIO IN THE FIXED WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM}
도 1은 본 발명에 따른 보호비를 이용한 주파수 조정 방법을 설명하기 위한 처리 흐름도,
도 2는 본 발명에 따른 보호비 규정을 위한 신호 레벨 및 개념도,
도 3은 본 발명에 따른 무선망의 동일채널 간섭을 설명하기 위한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 무선망의 인접채널 간섭을 설명하기 위한 도면,
도 5는 본 발명에 따른 주파수 조정을 위한 무선망의 예시도,
도 6은 본 발명에 따른 주파수 조정을 위한 거리 윤곽(profile)을 설명하기 위한 도면,
도 7은 본 발명에 의해 산출된 보호비의 예를 나타낸 그래프,
도 8은 본 발명에 의해 산출된 M-ary QAM 변조의 보호비 예를 나타낸 그래프,
도 9는 본 발명에 의해 산출된 M-ary PSK 변조의 보호비 예를 나타낸 그래프,
도 10은 본 발명에 의해 산출된 TCM-2D 변조의 보호비 예를 나타낸 그래프,
도 11은 본 발명에 의해 산출된 TCM-4D 및 MLCM 변조의 보호비 예를 나타낸 그래프,
도 12는 본 발명에 의해 산출된 다중경로 페이드 마진 및 강우 감쇠를 나타내는 보호비 정정인자 예를 나타낸 그래프,
도 13 및 도 14는 본 발명에 따른 인접채널 보호비에 필요한 NFD 계산을 위한 개념도,
도 15는 본 발명에 따른 인접채널 보호비 계산에 필요한 송신 스펙트럼 마스크를 나타낸 그래프,
도 16은 본 발명에 따른 인접채널 보호비에 필요한 NFD 계산 결과를 나타낸 그래프,
도 17은 본 발명에 의해 산출된 보호비 정정인자의 예를 나타낸 그래프.
본 발명은 무선통신 시스템에서 보호비(protection ratio)를 이용한 주파수 조정 방법에 관한 것이다.
일반적으로 무선망에서 간섭 관리 기준에 대한 수신 신호레벨 평가는 주파수 조정에 기준이 되는 보호비(PR)에 근거하며, 보호비는 피해(victim) 수신기의 입력 단자에서 원하는 신호와 원하지 않는 신호의 상대적 레벨의 최소비로 규정한다.
고정 무선중계 시스템에서 신설 무선망 설계시 원하는 신호(C)와 원하지 않는 신호(I)를 계산하여 기존 무선망에 간섭을 줄 것인지 아닌지 사전 판단에 필요한 기준 값이 요구되는데, 이것은 무선망에서 최대 간섭을 허용하는 C/I의 최소 값인 보호비이다. 고정 무선중계 시스템과는 물론, 고정 무선중계 시스템과 위성통신 시스템, 고정 무선중계 시스템과 이동통신 시스템, 고정 무선중계 시스템과 기타 무선통신 시스템의 주파수 조정, 즉 무선망 설계에 직접 적용할 수 있는 보호비는 변조방식에 따른 C/N과 주파수, 거리, 지형 및 기후, 시간 백분율(가용율), 송수신 안테나 높이 등으로 표현되는 페이드 마진(FM: Fade Margin)과 시스템의 필터 특성에 관련된 통합필터변별도(NFD: Net Filter Discrimination)의 함수로 표현된다.
종래의 고정 무선중계 시스템에서 주파수 조정에 필요한 보호비 산출과 관련된 체계적이고 용이하게 적용할 수 있는 알고리즘은 없다. 또한 국내 무선 망 설계에서는 주로 외국의 장치 도입 및 적용에 따라 국내 자체의 보호비 산정 및 제안은 전무한 실정이다. 나아가 무선망 설계 시에 전송 품질 확보 및 간섭 분석을 위해 보호비는 국가의 기술기준 안으로 제시할 필요성이 절실히 요구된다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 요구 조건을 만족하기 위해 제안된 것으로, 무선망 설계 시에 연중 가용율(availability), 거리, 주파수, 지형 기후 인자, 송수신 안테나 높이 등을 내포하고 있는 페이드 마진을 추출하고, 외부의 간섭을 고려한 최대 허용 간섭 양을 계산하여 해당 무선망에 필요한 최소 신호대간섭비인 보호비를 산출하고, 이 보호비를 이용해 무선 통신 시스템의 주파수를 조정할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 보호비를 이용한 주파수 조정 방법은, 무선통신 시스템에서 보호비를 이용한 주파수 조정 방법에 있어서, 주파수, 송수신기 사이의 거리, 연중 가용율, 송수신 안테나 경로의 각을 이용해 페이드 마진을 계산하고, 강우 강도, 주파수, 편파, 거리 가용율을 이용해 강우 감쇠를 계산하는 제1 단계; 변조 방식에 따라 수신한계 레벨인 신호대 잡음비를 계산하고, 간섭 신호의 양에 따라 전송품질의 열화를 일정 정도의 기준으로 정해 필요한 수신 한계 레벨에 대한 잡음대 간섭비를 계산하는 제2 단계; 송신 스펙트럼 마스크와 수신기의 무선 주파수 및 중간 주파수 필터 특성을 이용해 통합필터변별도를 계산하는 제3 단계; 상기 계산된 신호대 잡음비와, 상기 계산된 페이드 마진과, 상기 계산된 잡음대간섭비와, 상기 계산된 통합필터변별도와, 다중간섭허용 값(MIA)을 이용해 보호비를 산출하는 제4 단계; 설계된 무선 통신 시스템의 신호대 잡음비를 계산하는 제5 단계; 상기 제5 단계에서 계산된 신호대 잡음비가 상기 제4 단계에서 계산된 보호비보다 크거나 같은지를 확인하는 제6 단계; 및 상기 제6 단계에서 상기 신호대 잡음비가 상기 보호비보다 작으면, 무선망 재설계로 판단하고, 상기 신호대 잡음비가 상기 보호비보다 크거나 같으면 주파수 조정이 완료된 것으로 판단하는 제7 단계를 포함한다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 보호비를 이용한 주파수 조정 방법을 설명하기 위한 처리 흐름도이다.
먼저, 보호비를 산출하기 위해서는 도 1에 도시된 바와 같이 전송 거리에 따른 다중경로 페이드 마진(FM)과 강우감쇠(101, 102), 수신한계 레벨에서 1dB 또는 3dB 열화를 허용하는 간섭 양(103, 104), 그리고 인접채널 간섭에 대한 영향을 줄이기 위한 통합필터변별도(NFD)(105, 106)를 각각 산출해야 한다.
첫째, 페이드 마진(FM)은 주파수, 송수신기 사이의 거리, 지형 및 기후, 연중 가용율, 송수신 안테나 경로의 각 등의 함수로 주어지고, 강우감쇠는 강우강도, 주파수, 편파, 거리, 가용율 등의 함수로 주어지며, 이는 이들 함수를 이용해 계산이 가능하다(101, 102). 상기 페이드 마진 및 강우 감쇠를 계산하는 과정은 후술하겠지만, 이는 이미 공지된 기술에 해당된다.
둘째, 변조 방식에 따라 수신한계 레벨(일반적으로 BER=10-6 기준)인 신호대 잡음비(C/N)를 구하며(103), 간섭신호의 양에 따라 전송품질의 열화를 1dB 또는 3dB 로 기준을 정할 때 필요한 수신 한계 레벨에 대한 잡음대 간섭비(N/I)를 계산한다(104).
셋째, 통합필터변별도(NFD)는 송신기 및 수신기 주파수가 다르거나 채널 대역폭이 같거나 다를 때 간섭 신호의 감소로 정의하며, 송신 스펙트럼 마스크와 수신기의 무선 주파수(RF) 및 중간 주파수(IF) 필터의 전체 필터 특성에 의해 결정된다. 상기 통합필터변별도를 계산하는 과정은 후술하기로 한다.
이렇게 구한 결과로부터 외부의 간섭을 최대 허용하는 무선망에 필요한 최소 신호대간섭비인 보호비를 산출한다. 이때 인접 채널에 대한 보호비와, 동일 채널에 대한 보호비를 각각 산출한다(107, 108). 상기 보호비를 산출하는 방법은 후술하기로 한다. 상기 산출된 보호비를 이용해 무선망의 주파수를 조정하거나 무선망을 재설계하게 되는데, 이를 위해 시스템의 신호대간섭비(C/I)를 계산한다(109). 그런 다음, 상기 계산된 시스템의 신호대간섭비(C/I)가 산출된 보호비보다 크거나 같은지를 확인한다(110). 만약, 시스템의 신호대 간섭비가 보호비보다 크거나 같은 경우에는 주파수 조정이 완료되지만, 그렇지 못한 경우에는 무선망을 재설계하여야 한다.
이렇게 산출된 보호비는 다양한 변조 방식, 주파수, 거리, 지형기후인자, 송수신 안테나 높이 등에 따라 기준을 제시할 수 있으며, 실제 무선망 설계시 간섭 유무의 판단 기준으로 적용할 수 있다.
본 발명에 따르면, 적용하는 시스템의 대역폭, 잡음 지수, 손실 등을 고려하지 않고 연간 시스템 가용율을 변수로 이론적 보호비 산출을 용이하게 할 수 있으며, 또한 주파수, 변조 방식, 기후지형인자 등의 변수에 대해 확장성이 매우 용이하여 주파수 조정시에 간섭 분석 및 무선망 설계의 사전 분석 기법으로도 활용도 및 의미가 매우 크다고 여겨진다.
본 발명은 동일한 개념을 밀리미터파 대의 주파수 조정에 적용이 가능하며, 이때는 전송거리가 짧아 다중경로에 의한 페이드 마진 보다 강우에 의한 감쇠가 훨씬 강해 전체 보호비 계산에서 강우감쇠에 대한 페이드 마진이 도입된다. 본 발명에 따른 보호비 산출에 대한 개념이 밀리미터파 대의 무선 망의 간섭 분석 및 설계에도 적용할 수 있다.
본 발명은 고정 무선중계 시스템과 이동통신 시스템간의 간섭, 고정 무선중계 시스템과 위성통신 시스템간의 간섭, 그리고 고정 무선중계 시스템과 기타 무선통신 시스템간의 간섭을 분석함에 있어서 산출된 보호비의 기준 값이 적용되어 간섭 허용의 판단 기준으로 활용이 가능하다.
본 발명에 따른 보호비 산출 방법을 보다 구체적으로 살펴본다. 본 발명에 관련된 보호비의 수학적 모델링은 다음과 같이 설명된다.
무선중계 시스템에서 수신기 감도와 간섭의 비인 Ts/I(Threshold-to-Interference)는 주어진 BER = 10-y 에서 수신한계(Ts) 값과 전체 간섭신호(I)와의 차이를 의미한다. 즉, 어떤 BER(일반적으로 10-6)에서 주어진 수신한계 값과 원하지 않은 간섭신호가 수신기에 유입되어 C/N이 1 또는 3dB 열화를 유발하는 간섭신호와의 차이를 의미한다.
일반적으로 수신기의 감도 Ts 와 전체 간섭신호 I 는 다음의 수학식 1과 같이 표현된다.
Ts = 10 log(kTB)+ NF + C/N(@BER 10-y)
I = 10 log(kTB) + NF - (N/I)x - MIA + NFD
여기서 Ts 는 특정 BER에서 수신기 감도 레벨이며, I는 간섭 신호원으로부터 간섭을 받는 수신기에 수신되는 최대 허용간섭 전력을 의미한다. 그리고 k는 Botzmann의 상수(J/K)(=1.38x10-23 J/K), T는 kelvin 온도(=300 DEG kelvin), B는 수신기 대역폭(Hz), NF는 잡음지수(dB)이다. 그리고 C/N은 특정 BER에서 선정된 변조 방식별로 주어지는 C/N의 값을 의미한다. (N/I)x 는 x(dB) 열화에 대한 잡음 대 간섭 전력의 비, N/I 값을 의미하며, 만약 C/N이 0.5, 1.0, 2.0 dB 열화가 되는 경우에는 각각 N/I 가 10, 6.0, 3.0 dB 로 주어진다. MIA는 다중간섭허용(Multiple Interference Allowance)으로 일반적으로 약 4dB (= 10 log(0.6 x N), 여기서 N은 간섭 신호원)를 적용한다.
그리고 통합필터변별도(NFD)는 송신기 및 수신기 주파수가 다르거나 채널 대역폭이 같거나 다를 때 간섭 신호의 감소로 정의한다. 통합필터변별도(NFD)는 송신 스펙트럼 마스크와 수신기의 RF 및 IF 필터의 전체 필터 특성에 의해 결정된다. 동일 채널의 간섭인 경우에는 NFD = 0가 되며, 인접채널의 간섭 경우에는 채널 대역폭의 함수로 주어지거나 또는 간섭원의 송신주파수와 피해 수신기의 주파수와의 중심 주파수 차이의 함수로 주어진다.
한편 페이드 마진(FM)은 페이딩이 가장 많이 발생하는 해당 월의 평균치로 어떤 시간백분율을 초과하는 경우의 페이딩 깊이(dB)이다. 따라서 선정된 시간백분율에 대해 필요한 페이딩 깊이는 최악 월에 대해 평균적으로 수학식 2와 같이 주어지며, 주파수, 지형, 전송거리, 송수신 안테나의 높이의 함수로 주어진다.
FM = 10 log[ K d3 .6 f0 .89(1+|εp|)-1.4 ] - 10 log(p)
여기서 f는 주파수(GHz), d는 송신기와 수신기 사이의 거리(km), p는 시간의 백분율(%)로서 해당 무선 링크에서 연간 가용율(availability)이 99.99%인 경우에는 p가 0.01%이 된다. |εp|= |hr - he|/d 는 경로 경사각(milliradians)이다. 그리고 hr 및 he는 바다표면에서의 각각 송수신 안테나 높이(m), K는 지형기후 인자로 표 1과 같이 주어진다. 표 1 에서 PL은 지상 100m 이내에 평균 굴절 기울기가 -100N units/km 보다 적을 시간에 대한 백분율이며, 국가 마다 약간의 차이가 있을 수 있다.
수학식 2를 참조하면, 무선망 설계에서 연간 가용율이 99.9 ~ 99.999% 로 하고자 하는 경우에는 p가 0.1 ~ 0.001% 가 된다. 또한 이러한 목표치가 구현되기 위해서는 해당 구간의 거리, 주파수, 지형 기후인자, 송수신 안테나의 높이 등의 함수로 표현되는 페이드 마진(FM)의 최소 값이 실제 수신 시스템의 열 페이드 마진(Thermal FM)보다 커야함을 의미한다. 여기서 열 페이드 마진은 수신 시스템의 정상적인 수신 레벨에서 수신기 감도 레벨과의 차이를 의미한다.
변수 K 조건
K=10-6.5 PL 1.5 송수신 안테나 중에 더 낮은 위치의 있는 안테나가 바다표면으로부터 700m 아래에 존재하는 링크
K=10-7.1 PL 1.5 송수신 안테나 중에 더 낮은 위치의 안테나가 바다표면으로부터 700m 이상에 존재하는 링크
K=10-5.9 PL 1.5 링크가 중규모로 물의 분포, 다수의 호수 또는 해안 영역을 지나는 구간
K=10-5.5 PL 1.5 링크가 대규모로 물의 분포 또는 해안 영역을 지나는 구간
따라서 시스템에서 필요한 보호비(PR)는 연간 가용율을 고려한 페이드 마진(FM)을 포함하는 목표하는 신호대 간섭(Carrier-to-Interference)의 비, (C/I)obj 의 최소 값으로 다음 수학식 3과 같이 표현된다.
PR = (C/I)obj = Ts - I + FM
= C/N(@BER 10-y) + FM + (N/I)x + MIA - NFD
수학식 3에서는 보호비를 변조 방식의 함수인 C/N로 표현되었으며, 이는 대역폭의 함수가 아닌 단지 C/N의 함수와 FM의 변수인 주파수, 거리, 지형기후인자, 시간 백분율(가용율), 송수신 안테나 높이로 표현됨을 알 수 있다. 따라서 선택된 변조 방식에서 특정한 BER을 주는 C/N을 구하면 쉽게 보호비(PR)를 계산할 수 있다. 또한 보호비(PR)의 정정인자를 적용하면 다른 변조 방식에서도 보호비 값을 표에서 쉽게 구할 수 있는 형태가 된다. 따라서 수학식 3으로부터 고려할 수 있는 결과는 다음과 같다. 주어진 주파수에 대해 첫째, 선택된 변조 방식(C/N)에 대해 거리의 함수로 보호비 표현이 가능하며, 둘째, 거리를 고정하고, 변조 방식(C/N)에 대한 함수로 보호비 표현이 가능하다. 동일한 개념을 주파수 변화와 이에 따른 강우 감쇄에 대한 정정인자를 앞의 2가지에 대해 동일하게 나타낼 수 있다.
다음으로 통합필터변별도(NFD)에 대한 수학적 표현은 다음의 수학식 4와 같이 정의한다.
Figure 112005072261423-pat00001
수학식 4에서 Pc는 수신기에서 동일채널에 수신된 전력 양을, Pa는 송신 스 펙트럼을 주파수 편이 Δf로 이동한 경우, 수신기에서 수신된 전력 양을, G(f)는 송신기 출력의 전력 스펙트럼 마스크를, H(f)는 수신기 필터 체인의 전체적인 필터 특성을, G(f-Δf)는 송신기 출력의 전력 스펙트럼 마스크를 주파수 편이 Δf를 한 경우를 각각 나타낸다.
동일채널일 때(즉, 주파수 편이(Δf)가 0인 경우), 서로 주파수 영역에서 동일하게 정렬된 송신(Tx) 및 수신(Rx) 마스크들로부터 다음과 같은 절차를 수행한다.
1) 송신기 스펙트럼 마스크와 수신기 필터 마스크로부터 표본을 한다. 그리고 주파수 간격의 크기는 가장 좁은 대역폭을 갖는 시스템에 의존한다.
2) 송신기와 수신기 표본 값들을 더한다.
3) 2)에서 얻은 데시벨 합을 절대치로 변환한다.
4) 3)에서 계산된 절대 값을 합한다.
5) 필요에 따라 송신기 마스크를 주파수 편이를 주고, 1) ~ 4)까지 반복한다.
6) 동일채널 전체 합을 주파수 편이의 합으로 나눈다.
7) 6)에서 구한 값을 데시벨로 변환한다.
위의 절차를 이산적 수식으로 표현하면 수학식 5와 같이 표현된다.
Figure 112005072261423-pat00002
수학식 5에서 n은 표본의 수이며, Tci(dB)는 동일 채널서 정의된 주파수 스텝에서 표본된 송신 스펙트럼 마스크의 값이다. 그리고 Rci(dB)는 동일채널에서 정의된 주파수 스텝에서 표본된 수신기 전체 필터 특성의 스펙트럼 값이며, Toi(dB)는 송신 스펙트럼 마스크를 주파수 편이하여 해당 주파수에서 표본된 값이다. 적분 구간은 해당 수신기의 대역폭이며, 주파수 편이는 일반적으로 0에서 해당 수신 채널 대역폭 이상으로 한다. 따라서 수학식 5로부터 송신 스펙트럼 마스크와 수신기의 전체 필터의 특성을 알면 쉽게 통합필터변별도(NFD)를 구할 수 있으며, 이 결과로부터 인접 채널에 대한 간섭의 보호비는 수학식 3으로부터 계산이 가능하다.
수학식 3으로부터 도출할 수 있는 결과를 살펴보면, 주어진 주파수, (N/I)x, MIA, NFD에 대해 첫째, 선택된 변조 방식(C/N)에 대해 거리의 함수로 보호비(PR) 표현이 가능하며, 둘째, 거리를 고정하고, 변조 방식(C/N)에 대한 함수로 보호비(PR) 표현이 가능하다. 셋째, 기후 지형인자 K의 변화에 대해 보호비(PR)를 나타낼 수 있으며, 또한 주파수가 높아짐에 따라 강우 감쇄에 대한 정정인자를 위의 3 가지 결과에 대해 포함시킬 수 있다.
본 발명에 따른 고정 무선중계 시스템의 보호비에 대한 개념을 도식적으로 나타낸 것이 도 2이다.
본 발명에 따른 고정 무선중계의 간섭 유형은 도 3과 도 4에 도시된 바와 같이 동일채널 간섭과 인접채널 간섭으로 나눈다. 동일채널 간섭은 동일한 주파수 및 채널에 외부에서 간섭이 유입되는 경우이며, 인접채널 간섭은 동일한 주파수대의 인접 채널에서 유입되는 간섭을 의미한다. 이러한 간섭의 원인이 되는 소스(source)는 동일한 서비스를 갖는 고정 무선중계 시스템이거나 주파수를 공유하는 레이다 또는 이동 및 위성 신호이거나 이들 시스템의 스프리우스(spurious)가 고정 무선중계 시스템에 영향을 주는 경우이다.
본 발명에 따른 고정 무선중계 시스템의 간섭 계산 및 보호비 적용을 위한 예를 살펴보자. 잠정적 간섭 시나리오의 전형적인 예로 단일 주파수 사용에 대해 도 5에 제시하였다. 도 5에서 링크 'A-B'는 기존 서비스를 의미하며, 링크'C-D'는 신설된 링크이다. 잠재적 간섭경로(A-D 및 C-B)는 해당하는 안테나의 주 빔 방향에 대해 각각 송신 및 수신 안테나가 상대적인 변별도 각(θ' 및 θ)를 갖는 것을 보여준다.
다음은 수신된 신호레벨의 계산에 대해 살펴보면, 원하는 수신 신호전력이거나 원하지 않는 수신 신호전력은 다음의 수학식 6과 같이 표현된다.
Pr = Pt + Gt - Lt - Lb + Gr - Lr
수학식 6에서 Pr (dBm)은 수신기 입력 단에서 RF 신호전력을, Pt (dBm)은 송신기 출력 단에서 RF 신호전력을, Gt (dBi)는 수신기 방위각에서 송신 안테나의 이득을, Lt (dB)는 송신기와 관련된 피더(feeder) 및 브랜칭(branching) 손실을, Lb (dB)는 송신과 수신 안테나 사이에 전체 전송 손실을, Gr (dBi)는 송신기 방위각에 서 수신 안테나의 이득을, Lr (dB)는 수신기와 관련된 피더(feeder) 및 브랜칭(branching) 손실을 각각 의미하며, Gt 및 Gr은 각각 방위각을 포함하는 안테나의 이득을 의미한다.
이러한 간섭관리 기준에 대한 수신 신호레벨 평가는 주파수 조정의 기본 기준인 보호비(PR)에 근거한다. 보호비의 정의는 피해(victim) 수신기의 입력단자에서 원하는 신호와 원하지 않는 신호의 상대적 레벨의 최소비로 규정한다. 디지털 및 아날로그 시스템의 조정을 위해 필요한 보호비는 각 무선중계 시스템에 대해 각각 구할 수 있다.
피해 수신기의 입력단에서 원하는 신호 전력 대 원하지 않는 신호 전력의 비(C/I)는 다음과 같이 주어진다.
C/I = 원하는 신호전력(dBm) - 원하지 않는 신호전력(dBm)
원하지 않는 신호전력이 k개가 유입될 때, 전체 간섭전력은 각각 간섭전력의 합으로 다음의 수학식 7과 같이 주어진다.
Figure 112005072261423-pat00003
만약 단일 간섭신호가 우세할 경우에는 k=1로 적용한다. 원하는 신호와 원하지 않는 신호의 비는 보호비와 비교될 수 있는데, 성공적인 주파수 조정을 위해서는 C/I는 보호비보다 크거나 같아야 한다.
디지털 시스템에 있어서 보호비는 특정한 경로길이에 대해 정규화된 보호비 값으로 정정인자를 적용하여 적절히 정정이 될 수 있다. 정정은 피해 수신기 시스템의 실제 경로길이와 지형적 위치를 고려하며, 지형적 위치는 관련 최악월의 다중경로 페이딩 통계 PL(%)과 강우강도 율 R(mm/hr)의 함수로 나타낸다. 따라서 각 주파수 대역마다 보호비를 구하고, 관련 정정인자를 제시하여 보호비를 산출할 수 있다.
다음은 주파수 간섭 계산시 고려해야 하는 조정 윤곽에 대해 살펴보자. 간섭의 영향을 완화시킬 수 있는 방법 중의 하나는 가해 및 피해 장치 간에 자유공간 손실이다. 물론 자유공간 손실은 거리의 함수이다. 조정 윤곽 거리의 안쪽은 수용할 수 없는 간섭이 발생하지만, 이 거리 밖은 간섭이 무시된다. 도 6에서는 지상 무선중계 시스템을 위한 조정은 방위각으로 안테나 주 빔의 좌우 5도로 펼쳐진 더 큰 반경 섹터를 갖는 원형좌표 윤곽을 사용하여야 한다. 이들 반경은 원형좌표 거리(Dc)와 키홀(keyhole) 좌표거리(Dk)이다. 다시 키홀 좌표거리(Dk)는 안테나 주 빔에 대해 +/-5도 이며, 원형 좌표거리(Dc)는 안테나에 대해 나머지 350도 원형을 갖는 호이다. 원형의 조정 윤곽에 사용되는 기준으로 주파수 15GHz 미만에서는 원형 좌표거리(Dc) = 200km, 키홀 좌표거리(Dk) = 400km 이며, 주파수 15GHz 이상에서는 Dc = 75km, Dk = 140km 로 선정하고 있다.
수학식 3에서 보호비 산출에 적용되는 C/N은 코딩 및 변조방식에 따라 다르기 때문에 하나의 기준을 정립하기 위해서는 ITU-R F.1101에서 BER = 10-6 에 대해 제시된 값을 이용하여 표 2에 나타내었으며, 물론 각 변조 방식에 대해 직접 계산으로 C/N을 구할 수도 있다. 현재 무선 통신 시스템에서 적용되는 변조 방식은 다양할 수 있으나, 여기에서는 대표적으로 M-ary QAM, PSK, MLCM, TCM-2D 및 TCM-4D로 하였다. 또한 (N/I)x = 6.0dB(C/N 이 1.0dB 열화되는 경우), MIA = 4.0dB, 주파수 6.2GHz, PL = 1, 5, 10(ITU-R에서 제시한 한국 지형에 대한 자료), p = 0.01%, 경로 경사각 εp= 0 에 대해 고정 무선중계 시스템의 보호비 계산을 제시하였다. 위에서 선정된 값은 다양하게 변화를 줄 수 있으나 실례를 보이기 위한 것이며, 특히 주파수는 1.0GHz에서 밀리미터파 대역까지 적용이 가능하나 여기에서는 장거리 무선중계 시스템의 대표적인 주파수로 6.2GHz를 선정하였다. 이러한 조건 하에 본 발명에 따른 산출 방법으로 계산된 결과를 도 7 내지 도 12에 나타내었다.
변조 방식 C/N(dB) @ BER= 10-6
QAM 16 QAM 17.6
32 QAM 20.6
64 QAM 23.8
128 QAM 26.7
256 QAM 29.8
512 QAM 32.4
PSK 2 PSK 10.5
4 PSK 13.5
8 PSK 18.8
16 PSK 24.4
MLCM 32 MLCM 18.3
64 MLCM 21.7
128 MLCM 24.5
TCM 2D 16 TCM 14.3
32 TCM 17.6
128 TCM 23.6
512 TCM 29.8
4D 64 TCM 21.9
128 TCM 24.9
512 TCM 31.1
도 7은 64-QAM 에 대해 거리에 따른 보호비 값을 보여주며, PL= 10일 때, 거리 60km에서 보호비(PR)은 74.9dB, 페이디 마진(FM)은 41.1dB가 됨을 표 3에서 나타내었다.
거리(km) 페이드 마진(dB) 보호비(dB) PR-MIA(dB)
10 13.1 46.9 42.9
20 23.9 57.7 53.7
30 30.2 64.0 60.0
40 34.7 68.5 64.5
50 38.2 72.0 68.0
60 41.1 74.9 70.9
70 43.5 77.3 73.3
80 45.6 79.4 75.4
도 8에서는 PL = 10 및 도 7과 동일한 조건에서 M-ary QAM 에 대한 보호비를 나타내었으며, 64-QAM, 거리 60km 의 보호비를 0 dB로 하여 타 변조에 대한 상대적인 그림을 그릴 수도 있다.
도 9 내지 도 11은 다양한 변조 방식, PSK, MLC, TCM 에 대한 보호비를 나타낸 것으로, 결과는 도 7과 동일한 조건에서 구한 보호비이다.
도 12는 보호비의 정정인자의 한 예를 나타낸 것으로, 계산에 적용된 조건은 도 7과 동일하며, 단지 주파수만 11.0GHz 으로 하였다. 또한 강우강도(mm/hr)를 40, 60,80으로 하여 연간 강우에 의한 무선 링크의 가용율을 99.99% 일 때로 가정하였다. 도 12에서 알 수 있듯이 주파수가 높아 감에 따라 다중경로 페이드 마진과 강우 감쇠에 의한 마진이 동시에 요구됨을 알 수 있다. 다중경로 페이드 마진이 강우에 대한 감쇠보다 크기 때문에 기준을 다중경로 페이드 마진으로 선정하였으며, 거리를 30km 일 때 페이드 마진을 0dB 로 하였다.
도 13 및 도 14에서는 통합필터변별도(NFD) 계산에 대한 개념을 도식적으로 나타내었다. 도 12에서는 간섭 신호가 동일한 대역폭 및 채널에 유입되는 경우, 즉 동일채널 간섭(주파수 편이 Δf=0)에 대한 NFD의 결과이며, 그래프에서 알 수 있듯이 이러한 경우에는 필터의 기능이 간섭신호를 제거하지 못한다. 따라서 NFD=0 가 된다. 그러나 도 14에서는 송신 스펙트럼 마스크가 대역폭의 1/2 만큼 주파수 편이가 있는 경우의 NFD 계산 결과로, 이는 10 log [(a)/(a)']이 됨을 보여 준다.
도 15에서는 실제 NFD을 계산하기 위해 6.2GHz의 채널 대역폭을 갖는 송신 스펙트럼 마스크, Tci 중에 특성 (a)를 선정하였다. 한편 수신기의 전체 필터특성, Rci는 일반적으로 장치 제조사에서 제공되지만, 여기에서는 편의상 송신 스펙트럼 마스크와 동일한 것으로 간주하여 계산하였다.
도 16은 도 15의 조건에서 NFD 계산 결과를 나타낸 것으로, 동일채널(즉, Δf=0)에서 NFD=0dB 이며, Δf= 15 및 30 MHz에서 NFD는 각각 3.6, 27.4dB를 갖는다.
도 17은 M-ary QAM에 대해 표 4와 관련하여 인접 채널의 간섭에 대한 보호비 적용을 나타낸 보호비 정정인자를 보여준다. 표 4에서는 채널 간격 29.65MHz를 갖는 6.2GHz 대역에 대해 앞에서 도 7에서 동일한 조건으로 구한 보호비로부터 동일채널 및 인접채널 간섭에 대한 보호비를 나타내었다. 즉, 표 3으로부터 거리 60km에서 보호비가 74.9dB 인데, 주파수 간격 29.65MHz 또는 약 30 MHz에서 도 16에서 구한 NFD 는 27.4dB를 가지므로, 인접채널에 대한 간섭으로부터 보호를 하려면 C/I가 보호비인 47.5dB보다 커야됨을 의미한다. 도 17에서 M-ary QAM 변조에 대해 보호비 정정인자를 제시하였는데, 예를 들어 32 QAM, 거리 40km에서 보호비 정정인자는 -10dB 임을 보여준다. 따라서 요구되는 인접채널에 대한 보호비는 74.9 - 10 - 27.4(NFD) = 37.5 dB가 됨을 알 수 있다.
주파수 offset(MHz) 보호비(PR) 기타 변수
0(co-channel) 74.9 dB 64-QAM, 거리: 60km PL: 10
29.65(1st adjacent channel) 47.5 dB
이상에서 설명한 방법은 타 변조방식 및 타 주파수, 대역폭이 다른 채널에도 동일한 개념으로 확장할 수 있으며, 보호비 정정인자를 통해 용이하게 보호비를 구할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
상기와 같은 본 발명은, 고정 무선중계 망에서 보호비를 단지 적용하는 변조방식에 따른 C/N과 지형기후인자, 거리, 주파수, 가용율, 송수신 안테나의 높이 등의 함수로 표현되는 페이드 마진을 이용하여 도출함으로써 주파수 조정의 간섭 분석 및 허용 간섭 기준 설정에 적용할 수 있다. 더욱이 본 발명은 다양한 변조방식, 주파수, 거리, 지형기후인자 등에 따라 보호비 정정인자를 적용하면 쉽게 해당하는 보호비를 구할 수 있으며, 또한 강우강도에 따른 감쇠로 필요한 강우 페이드 마진 을 보호비 산출에 표현할 수 있어, 밀리미터파 대역까지 적용이 가능하다. 또한, 본 발명은 고정 무선중계 시스템과 이동통신 시스템, 고정 무선중계 시스템과 레이다 시스템, 고정 무선중계 시스템과 위성시스템, 고정 무선중계 시스템과 기타 무선통신 시스템 간의 주파수 조정를 위한 간섭 분석에 고정 무선중계 시스템 측면에서 보호비 산출 및 적용이 가능하다.

Claims (3)

  1. 무선통신 시스템에서 보호비를 이용한 주파수 조정 방법에 있어서,
    주파수, 송수신기 사이의 거리, 연중 가용율, 송수신 안테나 경로의 각을 이용해 페이드 마진을 계산하고, 강우 강도, 주파수, 편파, 거리 가용율을 이용해 강우 감쇠를 계산하는 제1 단계;
    변조 방식에 따라 수신한계 레벨인 신호대 잡음비를 계산하고, 간섭 신호의 양에 따라 전송품질의 열화를 일정 정도의 기준으로 정해 필요한 수신 한계 레벨에 대한 잡음대 간섭비를 계산하는 제2 단계;
    송신 스펙트럼 마스크와 수신기의 무선 주파수 및 중간 주파수 필터 특성을 이용해 통합필터변별도를 계산하는 제3 단계;
    상기 계산된 신호대 잡음비와, 상기 계산된 페이드 마진과, 상기 계산된 잡음대간섭비와, 상기 계산된 통합필터변별도와, 다중간섭허용 값(MIA)을 이용해 보호비를 산출하는 제4 단계;
    설계된 무선 통신 시스템의 신호대 잡음비를 계산하는 제5 단계;
    상기 제5 단계에서 계산된 신호대 잡음비가 상기 제4 단계에서 계산된 보호비보다 크거나 같은지를 확인하는 제6 단계; 및
    상기 제6 단계에서 상기 신호대 잡음비가 상기 보호비보다 작으면, 무선망 재설계로 판단하고, 상기 신호대 잡음비가 상기 보호비보다 크거나 같으면 주파수 조정이 완료된 것으로 판단하는 제7 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템에서 보호비를 이용한 주파수 조정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 통합필터변별도는, 하기의 수학식 8과 같이 계산되는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템에서 보호비를 이용한 주파수 조정 방법.
    Figure 112007026183540-pat00004
    여기서, n은 표본의 수, Tci(dB)는 동일 채널서 정의된 주파수 스텝에서 표본된 송신 스펙트럼 마스크의 값, Rci(dB)는 동일채널에서 정의된 주파수 스텝에서 표본된 수신기 전체 필터 특성의 스펙트럼 값, Toi(dB)는 송신 스펙트럼 마스크를 주파수 편이하여 해당 주파수에서 표본된 값을 각각 나타낸다.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 보호비는 신호대 잡음비(C/N)와 페이드 마진(FM)과 잡음대 간섭비(N/I)와 다중간섭허용 값(MIA)과 통합필터변별도(NFD)를 이용해 하기의 수학식 9와 같이 계산되는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템에서 보호비를 이용한 주파수 조정 방법.
    보호비=C/N(@BER 10-y) + FM + (N/I)x + MIA - NFD
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