M/W 중계용 주파수 개발 및 재배치 방안 연구

그림 3과 같이 M/W 중계대역(8 GHz)과 인접해 장비교체없이 활용 가능한 7,110～7,725 MHz, 8,350～8,430 MHz, 8,500～10,200 MHz 대역을 공동사용 후보대역으로 검토하였다. 후보대역 중 무선국 이용현황, 운용지역, 기술(대역폭, 출력 등) 및 운용특성(고정, 이동) 등을 고려하여 표 4의 근거에 의해 우선적으로 7,110～7,725 MHz 대역을 검토하게 되었다.

그림 3. | Fig. 3. 공동사용 후보대역 | Candidate bands for sharing.

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7,110～7,725 MHz 대역은 지역적으로 공공용 M/W 중계, 위성통신용으로 사용 중이지만 이용지역을 면밀히 검토한바 지역적으로 공동사용이 가능할 것으로 판단되었다. M/W 중계는 서울, 부산 등 내륙에서 지역적으로 사용하고 있어 평상시에 그림 4와 같이 서해 및 남해 도서지역에서 고정 M/W 중계용으로 공동사용이 가능하다. 또한, WGS(wideband global SATCOM) 및 무궁화 5호 위성이 하향링크(downlink)로 운용 중이나 출력이 낮고, 운용 채널수가 적어 주파수 공동사용이 가능하다.

그림 4. | Fig. 4. 공동사용 가능지역 | Potential sharing area.

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공공용의 운용형태 중 고정운용에 대해서는 기 시설자와의 협의를 통해 채널배치, 기술특성 등을 검토하고, 일부 간섭 우려 지역에 대해서는 편파변경 등 운용계획 조 정을 통해 간섭문제 해결이 가능하다.

그러나 선박, 기차, 육상 이동체에 장착된 소형 터미널들은 안테나 포인팅 에러를 가지고 있어 이로 인한 잠재적 간섭을 발생하는 문제점을 갖고 있다. 이에 적절한 간섭평가방법을 사용하여 M/W 중계망과의 주파수 공동사용을 검토해야 한다. 여기서는 하향으로 운용되는 고정형의 위성지구국과 이동형의 선박국과 주파수 공동사용을 위해서는 이들에 간섭을 주는 M/W 무선국으로부터의 간섭평가가 우선되어야 한다.

5-2-1 고정형 위성지구국에 미치는 간섭

여기서는 7,110～7,725 MHz 대역의 FSS(fixed satellite service) 시스템의 하향링크 주파수 대역을 고려한다. 그림 5에 보이는 간섭 시나리오는 위성에서 지구국으로의 하향 FSS 서비스와 주파수 공동사용을 위한 M/W 서비스와의 간섭을 나타내고 있다. FS 송신국으로부터 위성지구국에 미치는 간섭전력(I_FE)은 식 (1)과 같이 표현된다.

그림 5. | Fig. 5. 위성지구국에 미치는 M/W 간섭 | M/W interference into a satellite earth station.

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$$I_{FE}=P_F+G_F\left({\theta }_F\right)-PL\left(r\right)+G_F\left({\theta }_E\right)\left[\text{dBW}\right]$$

(1)

여기서, P_F는 FS의 송신전력, G_F(ψ_F)는 FS 송신국이 수신 위성지국을 향하는 송신안테나 이득, G_E (ψ_E)는 위성지구국이 FS를 바라보는 수신안테나 이득, PL(r)은 FS와 위성지구국간의 거리 r에 따른 경로손실이다.

또한, ψ_F는 FS 송신국이 위성지구국을 바라보는 off-boresight 각이며, ψ_E는 위성지구국이 FS를 바라보는 off-boresight 각이다.

그림 6은 지구국의 앙각이 20°로 극히 낮은 경우에 거리에 따른 간섭전력 분포에 대한 3차원 특성의 예를 나타내었다. 앙각이 낮은 경우 FS 송신 안테나와 지구국 안테나간의 방위각에 따른 간섭전력은 FS 송신 메인빔(main beam) 방향에서 백로브(back lobe) 방향보다 강하게 지구국 수신에 영향을 준다.

그림 6. | Fig. 6. 앙각이 20°인 경우의 간섭전력 예 | An example of interference power with elevation angle of 20°.

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간섭평가에 의하면 FS 송신 안테나와 위성지구국간의 분리거리가 멀수록, 지구국의 앙각이 높을수록, 두 시스템간의 방위각이 클수록 간섭영향은 줄어들고 있다. 표 5에 계산된 한 예를 보이며, 두 시스템이 주파수 공동사용을 위해서는 앙각이 극히 낮은 10°에서 FS 송신안테나 메인빔이 위성지구국 수신안테나의 보어사이트 방향일 때 분리거리가 43 km를 필요로 하고 있다. 그러나 위성지국국 안테나의 보어사이트 방위각을 10°로 M/W 송신국을 설치하면 위성지구국과의 분리거리를 3 km로 크게 줄여나갈 수 있다.

표 5. | Table 5. 위성 지구국과의 공동사용 기준 | Sharing threshold for satellite earth station.

Azimuth angle		0°		10°		20°
Elevation angle		10°	50°	10°	50°	10°	50°
Separation distance	Type 1	43 km	16 km	3 km	<1 km	2 km	<1 km
	Type 3	42 km	15 km	3 km	<1 km	2 km	<1 km

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5-2-2 이동형 선박국에 미치는 간섭

ITU-R Rec. SF.1650-1^[6] 권고문서는 ESV(earth stations on board vessels) 시스템이 FSR(Fixed Service Receiver)에 간섭을 주지 않기 위한 해안 분리거리를 계산하기 위한 알고리즘을 제공하고 있으며, 이를 이용하여 그림 7과 같은 간섭 시나리오로부터 FS 시스템이 기존 위성 선박국에 대한 간섭영향을 평가할 수 있다. FS 시스템의 -10 dB 빔폭 내에 위성 선박국이 운영되는 시간 및 FS 보어사이트와의 진행 각도, 위성을 바라보는 앙각 등이 중요한 간섭 파라미터라 할 수 있다. 위성 선박국에 수신되는 평균전력$\left(\overline{p_{r,0}\left({\theta }_E\right)}\right)$은 식 (2)와 같다.

그림 7. | Fig. 7. 위성 선박국에 미치는 간섭 | Interference to a satellite vessel.

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$$\overline{p_{r,0}\left({\theta }_E\right)}=\frac{e\left({\theta }_E\right)g_{r\max }}{l_{452}\left(20\right)l_F}\frac{2\pi {\phi }_m{r}_0}{180v_E\sin {\theta }_0}\frac{f_E}{8760}\left(0.5981\right)=R_x\frac{f_E}{v_E\sin {\theta }_0}e\left({\theta }_E\right)$$

(2)

여기서, $R_x=2.3833\times {10}^{-6}\frac{g_{r\max }{\phi }_m{r}_0}{l_{452}\left(20\right)l_F}$

• e(θ_E): ESIM의 e.i.r.p (dBW/40 kHz)

• g_{r max}: 수신 안테나 최대이득(dBi)

• l_F: FS 피더손실(dB)

• l₄₅₂(20): Rec. ITU-R P.452 전파손실 모델(p=20 %)

• φ_r: 오프축(off-axis) 각도 (도)

• φ_m: -10 dB 오프축 각도 (도)

랜덤하게 변하는 ESV의 위성을 바라보는 안테나의 포인팅 에러와 FSR을 향하는 방위각에 대한 통계해석을 통해 FSR 수신 간섭기준 초과확률(outage probability)에 근거한 간섭기준을 고려하는 것이 더욱 편리하다. ESV의 앙각 및 방위각의 변동에 의한 FSR 수신 간섭기준 초과확률 I_thr은 다음과 같다.

$$P_{out}=\mathrm{Pr}\left(I_t>I_{thr}^l\right)={\displaystyle {\int }_{I_{thr}^l}^{\infty }{f}_{FS}\left(I_t\right)d}{I}_t$$

(3)

여기서,

$$\beta =R_{x1}/I_{thr}^l$$

(4)

식 (3)은 단지 $0.11R_{x1}\le I_{thr}^l\le 158.5{\epsilon }_E^{-2.5}{R}_{x1}$ 범위에서만 유효하며, 이보다 작거나 크면 초과확률 P_out=1 또는 0이다.

이동형 선박국의 방위각 변동에 따라 FS로부터 받는 간섭영향을 분석하기 위해 방위각의 랜덤분포 특성을 일양분포로 가정하여 식 (4)의 β 에 따른 이론적 초과(outage) 확률과 시뮬레이션에 의한 결과를 그림 8에 보인다. 초과확률이 작을수록(P_out = 10⁻³⁾ 이하) 이론해석과 시뮬레 이션 결과가 일치하고 있지만, 그 확률이 클수록 오차가 점점 증가함을 알 수 있다. 여기서, 파라미터 β 는 간섭기 준치, $I_{thr}^l$에 대한 FS 시스템의 간섭 수신전력의 비를 나타내고 있다. 이에 선박국의 앙각이 20°에서 30°로 증가 하면 초과확률 0.1 %, 즉 P_out = 10^-3 기준으로 간섭 기준치의 10배에서 30배 정도의 간섭 마진을 갖게 된다. 이론해석 결과를 토대로 선박국의 앙각이 25°인 경우, 초과 확률 P_out = 10^-3)에서 10^-2로 그 운영기준을 낮추면 수신 간섭전력 마진은 20배에서 23배 정도로 높아진다.

그림 8. | Fig. 8. β 에 따른 초과확률 | Outage probability with β.

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간섭평가에 의하면 선박국의 앙각이 낮을수록, FS 송신국 안테나 보어사이트 방향으로 접근할수록, 선박국의 운영시간이 길수록, 선박국의 이동속도가 낮을수록 FS 송신에 의한 간섭영향이 크게 나타나고 있다. 표 6은 가용률 99 %(초과확률 P_out = 10^-2 기준)에서 두 시스템간의 분리거리를 계산한 값이다. 이로부터 알 수 있듯이 두 시스템이 주파수 공동사용을 위해서는 여러 파라미터 조합으로부터 다양한 거리분석이 이루어져야 하며, 본 예에서는 4～32 km 분리거리에 의한 주파수 공동사용이 가능하다.

표 6. | Table 6. 위성 선박국과의 공동사용 기준 | Sharing threshold for satellite vessel.

	Elev. angle		Path angle		Operation hour		Speed
	20°	30°	1°	10°	100 h	1,000 h	10 km/h	50 km/h
Separation distance	32 km	22 km	31 km	12 km	4 km	12 km	17 km	8 km

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새로운 링크 설계에서는 용량을 증대시키기 위해 다음의 3가지 방안을 검토할 수 있다. 첫 번째는, 국내에서 이용효율이 낮은 전형적인 M/W 주파수 대역(17.7～19.7 GHz, 21.2～23.6 GHz, 36.5～42.5 GHz 대역)과 밀리미터파 주파수 대역(71～76 GHz, 81～86 GHz 대역)을 사용하는 단거리 도시형 링크, 전형적인 중장거리 M/W 주파수 대역을 사용하는 어그리게이션(aggregation) 링크의 개발이다. 두 번째는, 광대역 채널화로 14 GHz 이상에서 56 MHz 및 112 MHz 채널 대역폭 제품 이용이다. 세 번째는, H-QAM(1024QAM 이상)과 결합한 적응형 변조기술 사용, 스루풋(throughput) 용량 증대를 위한 헤더압축(header compression), 2배의 주파수 용량을 실현하는 멀티채널 및 XPIC 적용 등이다.

그림 9는 56 MHz 채널 대역폭과 256QAM 변조를 사용하는 기본 형태에서 전송용량 증대를 가져오는 방안들의 효과를 나타내고 있다. 그림에서 1024QAM 적응형 변조, 헤더압축에 멀티채널 2+0 XPIC 기술을 사용하면 2017년도 LTE-Advanced 매크로셀에서 요구되는 트래픽 수요기준을 넘어서는 1.3 Gb/s의 전송용량을 기대할 수 있다.

그림 9. | Fig. 9. 새로운 링크에 의한 전송용량 증대^[7] | Promotion in transmission capacity with new links^[7].

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서비스 제공자들은 다음의 두 가지 방법 중 하나를 사용하여 그림 1의 최종 용량보다 2배 또는 4배의 전송용량을 실현할 수 있다. 4+0 멀티채널 구성의 4×56 MHz 채널구현을 통하여 2.5 Gb/s 전송용량 증대와 2+0 멀티채널 구성의 2×112 MHz 채널구현을 통하여 5Gb/s 전송용량 증대이다^[7].

M/W 백홀 주파수로 사용될 수 있는 주파수 대역들은 전파특성에 의해 결정된다. 즉, 주파수가 높아짐에 따라 강우감쇄 및 자유공간손실이 증가하므로 높은 주파수에서의 전송 거리는 제한적일 수밖에 없다. 우리나라도 아열대성 기후로 접어들면서 시간당 80 mm/h 이상의 집중호우를 고려하면 가용성 목표치를 1/2 최대 링크용량으로 낮추어야 하는데, 6～42 GHz 대역에서 4096QAM 대신에 64QAM, 60 GHz 및 70/80 GHz 대역에서 256QAM 대신에 16QAM의 적응형 변조기법을 고려해 나가야 한다.

주어진 홉 길이에서 전송용량을 증대시킬 수 있는 전형적인 멀티밴드 조합은 다음과 같다. 약 5 km 이하의 홉 길이에서 18～42 GHz 대역은 초광대역인 70/80 GHz 대역과의 어그레게이션, 5 km 이상의 홉 길이에서는 협대 역의 6～15 Ghz 대역과 광대역의 18～42 Ghz 대역과 어그레게이션이 가능하다.

오늘날 높은 주파수 대역은 홉 길이 때문에 도시형 링크로 제한적이어서 8/11 GHz 대역을 선호하고 있다. 이에 멀티밴드 부스터는 그림 10에 보이는 바와 같이 비교적 장거리의 넓은 지역에서 높은 백홀 주파수 대역을 사용할 수 있도록 한다. 멀티밴드 부스터를 통해 정부에서도 주파수 대역, 지형적 특성, 로컬 M/W 홉 밀도에 웨이팅 펙터(weighting factor)를 두어 면허 제도를 개선한다면 이용이 저조한 고주파수 대역을 효율적으로 사용하게 될 것이다^[7].

그림 10. | Fig. 10. 멀티밴드 M/W 백홀 구성 예^[7] | Example of multi-band M/W backhaul configuration^[7].

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2021년까지 전세계 셀 사이트의 65 %가 M/W 백홀 기술을 사용하여 연결될 것이며, 전송용량 수요의 급속한 증가에 따라 기술혁신에 의한 상당한 성능개선 및 기존 스펙트럼의 효율적 이용이 요구되고 있다. 그 목표로서 100 GHz 이상의 스펙트럼을 개발하여 수 km의 홉 길이로 여러 응용과 이용 케이스(case)를 지원하기 위한 100 Gbps 전송용량을 추구하고 있다. 높은 주파수 대역은 전송거리 및 서비스 커버리지(coverage)에 있어서 제한적이지만, 일반적으로 광대역의 주파수 대역폭을 제공하여 초고속 데이터 전송용량을 갖게 된다. 현재 70/80 GHz 대역(71～76 GHz/81～86 GHz)은 그 인기가 폭발하고 있으며, 수 km의 전송거리에 1～20 Gbps 전송용량이 가능하다. 한편, 100 GHz 이상의 스펙트럼은 275 GHz까지 고정서비스에 할당되어 있지만, 아직 채널지정은 이루어지지 않았다.

그러나 유럽에서는 채널지정에 대한 제도 연구가 이뤄지고 있으며, 92～114.25 GHz 및 130～174.8 GHz 대역을 검토하여 각각 W 및 D 대역으로 부르고 있다. 100 GHz 이상의 스펙트럼은 그림 11에 보인 주파수 대역에서 사이사이마다 빈 대역에 패시브(passive) 서비스, 즉 EESS(Earth Exploration Satellite Service) 및 RAS(Radio Astronomy Service)에 분배되어 있다.

그림 11. | Fig. 11. 대기감쇄 특성^[8] | Atmospheric attenuation characteristics^[8].

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가스흡수 손실특성은 70 GHz 이상에서 약간 증가하여 D 대역까지 2 dB/km, 275 GHz 대역까지는 약 4 dB/km 단위로 증가하고 있다. 자유공간손실도 함께 증가하여 70 GHz 이상에서 D 대역까지 6 dB, 275 GHz 까지 11 dB 증가하고 있어, 100 GHz 이상의 주파수는 전파손실 면에서 좋지 않다.

한편, 275 GHz 이상의 대역은 패시브 서비스로 분배되어 액티브(active) 서비스 이용은 배제되어 있다. 우선적으로 WRC-19에서 275～450 GHz 대역에 대해 육상이동 및 고정서비스 응용으로 논의가 진행될 예정이다. 만일 275～320 GHz 대역이 고정서비스에 추가된다면, 그림 11에 보이는 바와 같이 적절한 가스흡수 특성으로 연속의 68 GHz 대역폭을 확보 가능하다. 국내에서도 향후 5G 시대의 백홀 전송에 100 Gbps를 지원할 수 있도록 100 GHz 이상의 대역에 적합한 미래의 혁신기술을 가능하게 하는 스펙트럼 제도 및 규정이 필요한 실정이다^[8].

M/W 중계대역(8 GHz)과 인접해 장비교체 없이 활용 가능한 후보대역 중 무선국 이용현황, 운용지역, 기술(대역폭, 출력 등) 및 운용특성(고정, 이동) 등을 고려하여 우선적으로 7,110～7,725 MHz 대역을 검토하게 되었다. 이 대역은 지역적으로 공공용 M/W 중계용으로 사용 중이지만, M/W 중계는 서울, 부산 등 내륙에서 지역적으로 사용하고 있어 평상시에 서해 및 남해 도서지역에서 공동사용이 가능하다는 결론을 얻었다.

5G 백홀 링크 설계에서는 용량을 증대시키기 위한 모든 가능한 메카니즘을 사용해 나가야 하며, 낮은 주파수의 협대역 채널과 높은 주파수의 광대역 채널을 결합하는 멀티밴드 부스터(multiband booster) 기술을 적용하는 게 바람직하다. 이와 같은 새로운 기술들은 18～42 GHz 대역이용의 증가뿐만 아니라, 70/80 GHz 대역에서의 이용을 크게 증가시켜 나갈 것이다. WRC-19 의제로 육상이동 및 고정서비스 응용으로 275～450 GHz 대역이 검토되고 있으며, 이미 252～275 GHz 주파수 대역은 고정서비스에 분배되었다. 이에 국내에서도 100 GHz 이상의 주파수 개발을 위해 미래의 혁신기술을 가능하게 하는 스펙트럼 제도 및 규정을 마련하는 것이 매우 중요하다.

결론적으로 국내의 경우 서해안 지역은 도서거리가 멀어 통신사업자들이 홉 길이가 긴 낮은 주파수 M/W 대역의 새로운 주파수 수요제기뿐만 아니라, 기존의 6 GHz 대역의 M/W 장비 수명 만료에 따른 장비 대체 수요가 증가하고 있다. 따라서 앞으로의 연구수행 방향은 이 수요제기에 따른 해결방안 모색과 7.2～7.725 GHz 대역에서의 공공 주파수 이용을 면밀히 검토한 후 M/W 서비스와의 간섭분석 및 특정지역에서의 주파수 공동사용 방안을 마련해 나가고자 한다.