Currently, the three major Korean mobile operators hold a total of 390MHz of bandwidth, but at the current data traffic increase of almost 6 times per year, more frequency bandwidth should be secured in order to meet the exploding data traffic in the future. It is believed that 2.1GHz frequency band is suitable for mobile communication in the light of frequency characteristics and continuity of the band. In this paper, we perform compliance analysis with the international radio regulation for coexistence with the adjacent region in order to use 2.1GHz band for LTE-Advanced. In addition, we verify that 2.1GHz band can coexist with the adjacent band by conducting an interference evaluation.
현재 이동통신 3사가 보유한 총 주파수는 390㎒에 이르지만 LTE 데이터 트래픽의 경우 1년 기준으로 약 6배가량 증가하고 있는 상황에서 폭증하는 트래픽을 감당하기 위해서는 좀 더 많은 주파수 확보가 필요하다. 이동통신용으로의 활용을 위해 고려중인 다양한 주파수 대역 중에서 2.1㎓ 대역은 지상 IMT 또는 위성 IMT용으로 사용할 수 있도록 분배한 대역이다. 2.1㎓은 주 파수 특성, 대역의 연속성 측면에서 이동통신용 주파수로 이용할 가치가 있다. 하지만, 2.1㎓ 대역을 이동통신용으로 사용하기 위해서는 국제적 규제에 대한 분석이 필요하며 인접 대역과의 양립 여부를 판단하여야 한다.[1]. 본 논문에서는 2.1㎓대역의 LTE-Advanced 활용 을 위하여 국제 법규 분석을 통하여 인접 지역 양립을 위한 규제 조건을 파악하고 양립 방안을 모색한다. 또한 인접 대역과의 양립 조건을 시뮬레이션을 통해 분석 한다. 본 논문의 구성은 다음과 같다. 2장에서는 2.1㎓ 대역의 이용 현황 및 LTE-Advanced 서비스용으로 활용할 경우에 대한 고려사항을 기술하였고, 3장에서는 국제 법규 분석을 통한 인접 지역과의 양립 방안을 모색하였다. 4장에서는 인접 대역과의 양립 가능성을 간섭평가를 통해 판단하였으며, 마지막으로 5장에서는 결론을 맺었다.
2.1㎓ 대역은 정확히 1980-2010㎒ 및 2017-2200㎒ 대역을 의미하며 1992년 개최된 WRC(World Radio Conference)에서 지상 IMT 또는 위성 IMT용으로 사용할 수 있도록 분배한 대역이다. 그림 1은 2.1㎓ 대역 및 인접 대역의 이용 현황을 나타낸다. 이후 본 대역을 이용, 2005년 12월 미국은 2개 사업자에게 위성 IMT용으로 심사, 할당하고 위성을 발사 한 바 있다. 하지만 이후 모두 파산하였고 현재 Dish Network이 위성을 인수하 여 서비스하고 있으나 실적이 저조한 실정이다. 해법을 통한 서비스 활성화를 위해 FCC(Federal Communication Committee)는 Dish Network이 동 대역을 지상용과 겸용할 수 있도록 허가할 것으로 알려져 있다.
또한 유럽에서는 2008년 4월 DBSD, 2009년 7월 TerraStar가 위성을 발사한 바 있고 2009년 Solaris Mobile이 위성을 발사하였으나 기기 결함 등으로 인해 아직까지 서비스가 정상궤도에 오르지 않았다. 이런 상황을 인식하여 EU(European Union)는 할당한 주파수를 회수하고 지상망으로 사용할 것인지, 기존사업자에게 계속 사업을 하도록 할지에 대해 검토 중인 것으로 알려져 있다.
우리나라의 경우, 2011년 모바일 광개토 플랜 [2]에 따라 본 대역을 2013년까지 단기 이동통신용으로 발표한바 있다. 하지만 국제표준 연계 문제, 인접국 상황 등을 고려하고 있어 2013년까지는 활용방안이 나오기 어려울 것으로 보인다.
2.2. 2.1㎓대역에서의 LTE-Advanced 서비스 활용 시 고려 사항
표 1은 2013년 8월에 실시된 주파수 경매결과를 포함, 2013년 10월 현재 이동통신3사가 보유한 총 주파수다. 이 중 주파수 경매 조건에 따라 SKT 주파수 중 1.8㎓ 대역 20㎒폭은 6개월 내 반납 예정이므로 사실상 총 390㎒이다. 그림2는 2013년 4월 기준, 무선통신 기술방식 별 트래픽 추이를 나타낸다. LTE 트래픽의 경우 2012년 4월 대비 약 6배가량 증가함을 알 수 있다. 현재와 같은 추세가 지속된다면 표 1에 나타난 주파수만으로는 폭증하는 트래픽을 대처하기에는 힘들 것으로 예측된다. 상기 상황을 고려할 때, 2.1㎓ 대역은 주파수 특성, 대역의 연속성 측면에서 LTE-Advanced와 같은 이동통신용으로 유용한 주파수이므로 활용 방안에 대한 분석이 필요하다. 하지만, 2.1㎓ 대역을 이동통신용으로 사용하기 위해서는 두 가지 고려 사항이 있다. 첫째, 2.1㎓ 대역은 LTE와 같은 지상용으로의 배타적 사용권을 주지 않았기 때문에 국제적 규제에 대한 분석이 필요하다.
이동통신 3사 주파수 할당현황
상기 상황을 고려할 때, 2.1㎓ 대역은 주파수 특성, 대역의 연속성 측면에서 LTE-Advanced와 같은 이동통신용으로 유용한 주파수이므로 활용 방안에 대한 분석이 필요하다. 하지만, 2.1㎓ 대역을 이동통신용으로 사용하기 위해서는 두 가지 고려 사항이 있다. 첫째, 2.1㎓ 대역은 LTE와 같은 지상용으로의 배타적 사용권을 주지 않았기 때문에 국제적 규제에 대한 분석이 필요하다. 둘째, 인접 대역인 1920-1980㎒ 3GPP 밴드1 및 2010-2025㎒ TDD 3GPP 밴드34와 양립 조건을 분석하여야 한다.
주파수는 전 세계 공통 자원으로서 주변국과 혼, 간섭 방지 등을 위해서 특정용도로 운용하기 위해서는 ITU(International Telecommunication Union)에 등록을 하여야 한다. 본 대역 또한 LTE-Advanced 용으로 운용하기 위해서는 지상망의 송수신 제원을 포함하는 문서를 ITU에 제출하는 행위인 지상망 국제등록이 필요하다. 국제 전파규칙 No. 5.389A에 따르면 2.1㎓대역을 이용하는 위성망은 No. 9.11A에 따른 위성망 우주국과 지상국간 조정을 수행하도록 규정하고 있다. 또한 전파 규칙 No. 9.17 과 No. 9.18에서 지상망 송, 수신 무선국과 지구국간 조정을 수행하도록 규정하고 있다. 전파규칙에서 조정이란 동일 주파수 대역을 이용하는 무선국간 유해 혼신 발생 방지를 위한 협의를 의미하며 해당 무선국의 국제등록 절차 수행을 통해 조정권이 확보됨을 의미한다. 즉 동일 주파수 대역을 이용하는 위성 망 우주국과 지상망간 유해 간섭, 또는 동일 주파수 대역을 이용하는 위성 망 지구국과 지상망간 유해 간섭 발생할 수 있으므로 조정이 필요하다. 아울러 어떤 시스템이든지 국제 등록된 제원 내에서 실제적인 운용이 이루어져야 한다. 즉, 위성망 우주국과 지상국간 조정은 위성 망 조정자료 공표일 당시에 운용 중인 지상망과 3 년 이내 운용 예정인 지상망의 경우 조정 대상이 되며 실제 운용 중이어야 한다. 또한 위성 망 지구국과 지상국간 조정은 지구국 조정자료 접수일 당시에 운용 중인 지상망과 3년 이내 운용 예정인 지상망의 경우 조정 대상이 된다. 따라서 다른 국가의 2.1㎓ 대역 위성 망 조정 자료의 공표 현황을 파악한 이후 우리 정부의 이의제기를 통해 조정 대상 국가로의 포함 여부를 확인하여야 한다. 중국, 일본 등 인접국이 2.1㎓ 대역에서 위성 망을 운영할 경우 주파수를 보호하기 위해서는 기술한 바와 같이 실제 상용화 망이 없다 할지라도 실험국 등록을 사전에 하여야 하며 이때 향후 사용 계획 예정인 LTE-Advanced와 같은 지상망 송수신 제원을 포함하여야 한다. 또한 실제 조기 구축을 통해 국내 무선망 활용 을 위한 호환성 검토와 인접국 위성 망으로부터의 간섭 신호레벨 측정 등을 통해 국내 지상망 운용의 근거를 확보할 필요가 있다. 예를 들어 위성전파감시센터를 통해 중국 및 일본의 위성신호세기 측정을 상시적으로 실시하여 실질적인 국내무선망의 간섭 여부를 파악할 필요가 있다.
중국은 2.1㎓ 대역을 위성용으로 이용할 계획임을 발표하였고 일본 또한 2013년 말 까지 2.1㎓ 대역 이용 방안을 마련할 계획인 가운데 Softbank는 위성, 지상 겸용 서비스를 준비 중인 것으로 알려져 있다. 인접국인 일본과 중국이 모두 2.1㎓ 대역을 위성용으로 사용할 경우 우리나라가 LTE-Advanced로 본 대역을 이용하는 것은 기술적으로 쉽지 않다. 그러므로 중국이 쏘아 올릴 위성과 우리나라가 사용할 LTE-Advanced간 유해 손실이 발생할 수 있음을 중국에 밝혀 협상을 시작하여야 한다. 만일 중국이 우리나라 지상을 보호해줄 규정적 의무가 없다고 주장할 경우 시스템 즉 지상망 TDD 등 사용을 전제로 협상 테이블에 끌어 들여야 할 것으로 보인다. 또한 협상이 진전되지 않을 것을 대비하여 일본과의 공조 방안도 검토해보아야 하며 상기 협상으로도 실질적인 주파수 대역 확보가 쉽지 않을 경우 지상 LTE-Advanced 망 구축이 아닌 지상, 위상 겸용 방식과 같이 분할하여 사용하는 방안으로 전환해야 한다.
본 장에서는 2.1㎓ 대역의 LTE-Advanced 활용 여부에 대한 두 번째 고려 사항인 인접 대역과의 양립 조건을 시뮬레이션을 통해 분석한다. 이를 위해 먼저 간섭 분석을 위한 시뮬레이션 시나리오를 정의하고 모델링을 수행하였으며, 이후 시뮬레이션 결과를 분석하였다.
그림 3과 표 2는 2.1㎓ 대역이 3GPP의 신규 운용 대역(New Band)이 되었다는 가정 하에 인접대역인 Band1, Band34와의 혼, 간섭 분석을 위한 시뮬레이션 시나리오 구성도이다. 신규 운용대역은 간섭원(Aggressor)이며 Band1과 Band34는 피간섭원(Victim)이 된다. 현재 Band1에서는 10㎒ 대역폭을 기본으로 하는 LTE시스템이 운용 중에 있고 Band34는 TDD대역으로 지정되어 있으므로 LTE TDD 시스템이 운용되고 있다고 가정하였고 환경은 도시 밀집 지역 및 500m 셀 크기로 가정하였다.
인접대역과 시뮬레이션 시나리오
표 3은 시뮬레이션 시행을 위한 기지국과 단말기의 가정 파라미터 값이다. 기지국을 중심으로 단말기들이 일정하게 분포하지 않는 형태를 가정하였으므로 어떤 단말기의 경우 셀 경계 지역에 위치한 가장 최악의 시나리오가 될 수 있는 상황이 될 것이다. 아울러 단말기와 단말기 간의 경우에도 마찬가지로 단말기들이 일정하게 분포하지 않는 상황 가정과 함께 셀 경계지역에 위치한 최악의 시나리오를 가정하였다. 또한 단말기 안테나의 경우, 0㏈i의 안테나 이득을 가진 무지향성 패턴 안테나(Omni-directional Radiation Pattern)로 가정하였다. 표 4는 기지국 안테나의 가정 파라미터 값을 나타낸 다. 여기서 안테나 이득 값은 Feeder Loss를 포함하여 15㏈i로 가정하였다.
기지국 및 단말기의 가정 파라미터 값
기지국 및 단말기의 가정 파라미터 값
송신 안테나 커넥터로부터 수신 안테나 커넥터로의 경로 손실(Path Loss)은 안테나 이득 및 케이블 손실을 포함하며 다음 식(1)에 의해 결정되어진다. G_Tx는 송신 안테나 패턴과 케이블 손실을 고려한 수신 안테나 방향으로의 송신 안테나 이득이다. G_Rx는 송신 안테나 방향으로의 수신안테나 이득이다. 상이한 전개 시나리오에서의 상관 경로 손실은 표 5와 같다.
경로손실모델
ACIR (Adjacent Channel Interference power Ratio)은 간섭원으로부터 송신된 총 출력 값과 피간섭원 수신기에 영향을 준 총 혼, 간섭 출력 값 간의 비율로서 결정된다. 사실 ACIR값은 송, 수신기 시스템이 기술 특성상 완벽하지 않기 때문에 발생된다. 즉 ACIR은 Paggressor/ Pvictim 이다. 상향에서 ACIR은 단말기 ACIR값에 의해 좌우된다. 그림 4 및 표 6에서 보는 바와 같이 각각의 ACIR 값의 대역폭은 LTE-Advanced 단말기의 송신 대역폭과 동일한 것으로 간주한다. ACIR1/2 위치 밖에서, ACIR3는 모든 위치를 위해 사용되어 졌다. 이는 실제 스펙트럼 모양에 근거하여 ACIR3가 ACIR2보다 작은 것으로 간주하는 모델이다.
RB 옵셋 및 상향 ACIR 모델
하향에서 그림 5와 표 7에서 보는 바와 같이 LTE-Advanced 인접채널 누설 전력비( Adjacent Channel Leakage power Ratio)로부터 얻어지는 공통의 ACIR과 간섭원 단말기의 인접채널감도(Adjacent Channel Selectivity) 요구조건은 간섭원 주파수 채널에서 그들의 위치와 독립적인 모든 주파수 자원 블록을 위해 사용될 수 있다.
ACS 및 ACIR 모델
LTE-Advanced 기지국의 ACLR은 피 간섭원 시스템의 ACS보다 매우 크다. 그러므로 ACIR을 결정하는데 무시할만한 정도이다. 즉 ACIR=Average +X(in ㏈)이며 X는 Average와 관계되는 오프셋 값이다. Average는 다음 식(2)에 의해 각각의 규격에 의거한 UE ACS 요구 조건 (ACS1, ACS2 and ACS3)으로부터 결정된다.
FDD 상향채널이 인접해 있을 때 TDD 하향의 경우에 ACIR은 ACLR과 ACS 어느 하나의 값에 의해서 특정화되지 않는다. 단말기의 ACLR과 ACS는 다른 요인보다 그리 크지 않다. 그러므로 ACIR 계산에 있어서 간섭원 단말기의 ACLR과 피간섭원 단말기의 ACS 양쪽 모두를 고려해야 한다. 주파수 채널에서 피 간섭원으로의 가해 단말기의 위치에 의존하는 피 간섭원의 ACS는 다른 ACS 값이 적용된다. 그림 6에서 UE2와 UE4와 같은 간섭원의 단말기에서 ACS는 두 개의 ACS에 의한 평균값이다. 결과적으로 표 8에서는 주파수 채널에서 간섭원의 단말기의 위치에 따른 ACS 값을 나타내고 있다.
[표 8.] TDD 하향, ACS 모델하향 ACIR 모델
TDD 하향, ACS 모델하향 ACIR 모델
공통 ACLR값은 그림 7및 그림 8에 나타난 바와 같이 공통 ACLR 값은 피간섭원의 채널 상에 있는 ACLR 값 들을 평균화하여 얻어진다. 평균 ACLR은 채널 상, 간섭원 단말기의 위치에 따라 표9에 나와 있다. 결과적으로 ACIR값은 표10과 같이 1/(1/ACLR + 1/ACS)식에 의해 계산된다.
간섭원 단말기에 따른 평균 ACLR 값
간섭원 단말기에 따른 평균 ACIR 값
3GPP 기술규격 TS 36.213에 의해, 서브프레임 i에서 PUSCH(Physical Uplink Shared Channel) 송신 시에 단말기 송신 전력은 다음 식(3)에 의해 구해진다. 여기서 ΔTF(
PO_PUSCH(j) 값(dBm)
하향에서 서브 프레임 당 단말기 수는 시뮬레이션 결과에 영향을 주지 않는다. 그 이유는 총 송신전력은 일정하기 때문이다. 하지만 총 송신전력이 서브 프레임당 단말기의 수에 따라 달라지기 때문에 상향에서의 서브 프레임 당 단말기 수는 시뮬레이션 결과에 영향을 줄 수 있다. 하나의 단말기의 자원 블록의 수는 통상적으로 실제 상향 스케줄러에서 8개에서 16개이기 때문에 서브 프레임 당 단말기의 수는 다음 식(4)에 의해 결정된다.
시뮬레이션에서 스케줄러는 라운드 로빈 스케줄러로 가정하였고 트래픽 모델은 풀 버퍼 트래픽으로 가정하였으며 시뮬레이션 인터페이스는 Shannon bound [4] 인터페이스로 가정하였다.
4.2.1. 하향FDD LTE에 의한 10㎒LTE-FDD 영향
하향 FDD LTE에 의한 10㎒ LTE-FDD 영향 시뮬레이션은 다음 가정에 의해 시행되었다. 먼저 간섭원은 10/15/20㎒ LTE-Advanced이고, 피 간섭원 시스템은 10㎒ LTE이다. 시뮬레이션 주파수는 2100 ㎒이며 Macro Cell, Urban Area 환경을 가정하였다. 셀 레인지는 500m이다. 평균 하향 셀 용량 손실과 관련된 시뮬레이션 결과는 표 12 및 그림 9와 같이 얻어지며 5% CDF 하향 사용자 용량 손실 시뮬레이션 결과는 표 13 및 그림 10과 같이 얻어진다.
평균 하향 셀 용량 손실
5%-ile 하향 용량 손실
4.2.2. 상향 FDD LTE에 의한 10㎒LTE-FDD영향
상향 FDD LTE에 의한 10㎒ LTE-FDD 영향 시뮬레이션은 하향 FDD LTE 시뮬레이션과 동일한 가정에 의해 시행되었다. 셀 총 용량 손실을 평균한 시뮬레이션 결과 값은 표 14 및 그림 11과 같다. 5% CDF 상향 사용자 용량 손실에 관련된 시뮬레이션 결과는 표 15 및 그림 12와 같다.
하향에서 ACIR offset 0 ㏈일 경우, 평균 용량손실 및 셀 경계에서의 손실은 모두 5%이하이며 상향에서 ACIR offset 0 ㏈일 경우, 평균 용량손실 및 셀 경계에서의 손실은 모두 5%이하로 나타났다. 그러므로 3GPP LTE Band1과 2.1㎓ 대역 간 양립은 단말기 ACLR 모델(ACLR1-30㏈, ACLR-43㏈ and ACLR-50㏈)과 단말기 ACS 모델 (ACS1: 33㏈, ACS2: 34.3㏈, 및 ACS3:46.3㏈)에서는 가능함을 알 수 있다.
평균 상향 용량 손실
5%-ile 상향 용량 손실
4.2.3. 상향 FDD LTE에 의한 Band34 영향
상향 FDD LTE에 의한 Band34 영향 시뮬레이션에서 셀 총 용량 손실을 평균한 시뮬레이션 결과 값은 표 16 및 그림 13과 같다. 5% CDF 상향 사용자 용량 손실에 관련된 시뮬레이션 결과는 표 17 및 그림 14와 같다.
평균 TDD 하향 용량 손실
5%-ile TDD 하향 용량 손실
그림 15는 LTE 단말기 송신 전력 분포를 나타내며, 그림 16은 주요 간섭원(Major Interferer)과 혼신을 받는 단말기 간 결합손실(Coupling Loss)을 보여준다. 이를 통해 동일채널 시스템과 인접 시스템 각각에 있어 주요 간섭원 TDD 하향 단말기에 가장 큰 혼, 간섭을 유발하는 요인임을 알 수 있다.
3GPP LTE TDD Band34의 기지국과 2.1㎓ 대역 단말기간의 시나리오에서 시뮬레이션 결과 또한 3GPP LTE Band1과 2.1㎓ 대역 간 양립 시뮬레이션 결과와 비슷하다. 3GPP LTE TDD Band34의 단말기와 2.1㎓ 대역 단말기 간 시나리오에서 시뮬레이션 결과 또한 무시할 만 한 수준으로 시스템 용량 손실에 영향을 주지 않는 것으로 밝혀졌다. 주요 요인은 기지국과 단말기간 전송 출력의 차이에 의한 것이다. 대부분의 단말기 송신 출력은 46㏈m에 이르는 기지국 송신 출력보다 훨씬 더 적은 값이다. 비록 피간섭원 단말기로의 인접 단말기 채널의 결합손실이 피해단말기로의 동일 채널에 있는 기지국보다 더 적을 지라도 그것의 차이는 기지국과 단말기 간의 전력차이보다 여전히 적다. 결론적으로 3GPP Band1과 Band 34에 큰 영향 없이 본 대역을 LTE 서비스로 이용할 수 있음을 증명하였다 [5].
본 논문에서는 2.1㎓대역의 LTE-Advanced 활용을 위하여 국제 법규 분석을 통하여 인접 지역 양립을 위한 규제 조건을 파악하고 양립 방안을 모색하였고, 인접 대역과의 양립 조건을 시뮬레이션을 통해 분석하였다. 먼저 인접 지역과의 양립을 위하여 주변국과의 공조 및 협상을 이끌어 내야하며, 협상으로도 실질적인 주파수 대역 확보가 쉽지 않을 경우 지상 LTE-Advanced 망 구축이 아닌 지상, 위상 겸용 방식과 같이 지리적 및 주파수 대역으로 분할하여 사용하는 방안으로 전환해야 한다. 인접 대역과의 양립은 시뮬레이션 결과를 통해 인접 대역인 3GPP Band1과 Band 34에 큰 영향 없이 2.1㎓ 대역을 LTE 서비스로 이용할 수 있음을 증명하였다.
향후에는 2.1㎓ 주파수 대역이 Band1과 함께 동시에 사용가능한 듀플렉서 방식으로 정의될 경우를 대비하여 Band1 및 Band34와 간섭 없이 효율적으로 사용될 수 있는 듀플렉서 방안과 자원블록 할당 방안에 대해서 연구를 지속할 예정이다.
