[테마특강] 광중계국 시스템

이효준

60년 전남 목포産

79년 목포고 졸

83년 서울대 전자공학과(학사)

84년 한국과학기술대 통신학(석사)

89년 한국과학기술대 통신학(박사)

84~86년 금성전기 입사(사원)

86~96년 LG정보통신 근무(부장)

96~현재 LG텔레콤 망구축(담당)

이동통신 서비스에 대한 소비자들의 욕구가 갈수록 커지고 있다. 지금까지 이동통신 서비스가 미치지 못했던 산간 벽지, 낙도 뿐 아니라, 도심지역 중 전파환경이 열악해 전파 사각지대로 남아있는 지하 공간 및 아파트 단지 등에 이르기까지 더욱 고품질의 서비스를 원하고 있다. 그러나 이동통신 사업자가 이러한 요구를 수용하기는 쉽지 않다. 통화량이 적은 지역에 막대한 비용을 투자해 기지국을 건설, 운용하는 것은 투자의 비효율성으로 이동통신 사업자의 경영 수지를 악화시킬 뿐 아니라 국가적인 자원의 낭비를 초래하기 때문이다.

따라서 기존 이동통신 시스템과 다른 개념으로 대안을 마련하고 통화 품질을 제고시킬 방법이 요청되고 있다. 현재 선진국에서는 케이블TV 네트워크를 이용한 중계시스템, 마이크로 웨이브(Micro-wave) 또는 레이저(LASER)를 이용한 중계시스템, 광케이블(Optical Cable)을 이용한 중계시스템 등을 도입하는 방안이 적극 검토되고 있다. 국토의 80% 이상이 산악 및 구릉으로 이뤄진 우리나라의 지형적 특성을 고려할 때, 기지국과 중계국간 가시거리(Line-of-Sight) 확보가 필요한 마이크로웨이브 또는 레이저 중계시스템의 활용이나 현재 국내에서 설치 운용중인 케이블TV 네트워크 중계시스템의 활용은 매우 제한적이다. 이의 대안으로 떠오르고 있는 것이 광중계국 시스템이다.

광중계국 시스템은 기지국과 원격 안테나 사이에 광케이블을 이용해 전파를 송수신함으로써 전파손실을 최소화해 우수한 통화 품질을 구현할 수 있는 시스템이다. 한 기지국당 반경 20㎞이내에 최대 12개의 원격 안테나를 자유롭게 설치할 수 있기 때문에 광범위한 지역을 서비스할 수 있는 것이다. 현재 개인휴대통신(PCS)에 사용되는 J-STD-008 CDMA 방식의 경우 전 기지국이 GPS에 의해 동기화해 동작하므로 광선로에서 발생하는 전파 지연 문제는 광중계국 시스템을 적용하는데 가장 큰 장애가 된다. 이를 해결하기 위해서는 시스템 파라미터(System Parameter)를 최적으로 운용하는 노하우(Know-How)가 필요하다.

광중계국 시스템을 활용할 경우 제한된 기지국수로도 통화량이 많지 않은 산간이나 농어촌 지역, 국도나 지방도로는 물론 도시내 대형 빌딩 내부 음영지역까지 서비스 범위의 확장이 가능해진다. 예컨대 기존 개념의 이동통신망에서 4개의 기지국으로 서비스가 가능했던 지역을 광중계국시스템을 활용하면 2개의 기지국과 5개의 광중계국으로 서비스 가능하다. 현재까지 주변 기지국의 시스템파라미터를 최적의 상태로 설계할 경우 광중계국 한 국의 서비스 범위는 기존 기지국 한 국의 서비스 범위와 동일하게 유지할 수 있는 것으로 파악되고 있다.

따라서 광중계국의 적용으로 무선망 설계 개념에 큰 변화가 이뤄지고 있다. 기존에는 소요 기지국 수가 기지국의 서비스 가능 범위에 의해 결정됐다. 따라서 우리나라 지형적 특성상 기지국 서비스 범위가 크게 제한 받아 소요 기지국 수가 과다할 수밖에 없었다. 그러나 광중계국 시스템이 도입되면 필요 기지국 수가 가입자 통화 사용량에 따라 정해지며, 서비스 가능 범위에 따라 광중계국 수가 결정된다. 이러한 개념으로 전국망을 설계한 경우 기지국만으로 망을 구축하는 방법에 비해 비용을 약 10분의 1로 줄일 수 있다. 뿐만 아니라 광중계국 시스템은 원격 안테나가 부착된 슬레이브의 크기가 소형이어서 철탑이나 컨테이너 등이 필요없이 전신주, 가로등, 건물벽면 등에 간단하게 설치 가능해 환경 친화적 특성으로 자연환경을 훼손하거나 도시 미관을 해칠 염려가 없다. 또한 하나의 기지국 건설에는 보통 한달 이상의 공사기간이 소요되나 광중계국의 경우 광선로가 있으면 하루정도면 설치, 운용이 가능하다.

광중계기는 이처럼 서비스 범위의 확장에만 사용되는 것만은 아니다. 광중계기를 이용해 마이크로 셀을 구성할 경우 도심지의 통화밀집 지역(Hot Spot) 해결에도 사용될 수 있다. 광선로의 광대역 송수신 특성을 이용하면 전체 PCS대역 뿐만 아니라 셀룰러(Cellular) 대역의 전송도 동시에 가능하다. 그만큼 통화량 증가에 따른 시스템 증설도 매우 간단하게 구현할 수 있다.

광중계국 시스템은 레이저 다이오드의 스위칭 기능만을 사용한 기존 디지털시스템과 달리 선형동작 영역을 이용한다. 송신단에서 사용하는 방식은 MQW(Multiple Quantum Well) 레이저 다이오드(LD)로부터 발광하는 광신호를 무선통신(RF)신호로 직접 변조하는 방식이다. 일반적으로 SCM(Subcarrier Multiplexing)광전송 방식이라고 불린다. 송신단의 MQW 레이저 다이오드에서 직접 RF변조된 광신호는 광케이블을 매개로 해, 수신측에 있는 포토 다이오드(PD)에 의해 광신호를 RF신호로 복조한다. MQW 레이저 다이오드는 레이저 광원, 투명한 반도체 전극(InGaAs), 거울로 구성돼 있다. 투명한 반도체 전극은 인가된 전압에 따라 전자조가 바뀌어 빛을 흡수 한다. 따라서 투과율이 낮아지게 되며 일종의 셔터 역할을 해 빛의 양이 조절된다.

MQW 레이저 다이오드에는 파브리페로트(Fabry-Perot) 레이저 다이오드와 DFB 레이저 다이오드 등이 있는데, 선형성이 좋고 동작 온도 범위가 넓으며 잡음 지수가 낮은 DFB 레이저 다이오드가 광중계국 시스템에 주로 사용된다. 포토 다이오드에는 선형성이 좋은 플래너 핀(Planar Pin)PD가 사용된다.

광중계국 시스템의 RF/광링크는 RF증폭단으로 모델링이 가능하다. RF증폭단은 RF이득, 입력 잡음 등으로 구성되며 각 구성 요소들은 주어진 광손실이나 광케이블 길이로 주어진다. 송신측과 수신측 사이의 광케이블의 길이가 길어짐에 따라 이들 변수가 변하게 된다.

광손실은 ㏈o로 나타내며, 광케이블의 길이에 따른 0.5㏈o/㎞의 손실과 커넥터 손실 0.5㏈o/커넥터(connector) 로 결정된다. ㏈o는 전기 데시벨(단위 ㏈e) 2개와 같다. 즉 광손실이 1㏈o 증가하면 RF 이득이 2㏈e만큼 감소하게 된다.

광중계국 시스템에서 순방향 채널은 BTS(Base-station Transceiver System)에서 출력된 RF신호가 분배기를 거친 후 증폭기와 감쇄기를 통해 적당한 레벨로 변환되어 전기-광변환 모듈(E/O)로 입력된다. 전기-광변환 모듈에서 전기-광변조가 발생하며 변조된 광신호는 광케이블을 매개로 각 슬레이브로 전달된다. 슬레이브에서는 광신호를 광-전기 변환 모듈(O/E)을 통해 이전의 RF신호로 복조되고 신호 레벨 조정을 거쳐 HPA(High Power Amplifier)를 통해 요구되는 실효 출력까지 증폭된다. 이때 사용되는 HPA는 높은 선형성이 요구된다. 증폭된 신호는 듀플렉스(Duplexer)를 통해 안테나로 전달된다.

역방향 채널의 흐름은 슬레이브의 안테나를 통해 이동국으로부터 수신된 RF신호가 듀플렉스를 경유해 증폭기에서 적당한 신호 레벨로 조정이 돼 전기-광변환 모듈로 입력된 후 변조된다. 이때 사용되는 초단 증폭기는 시스템 전체의 잡음형태(Noise Figure)를 결정하므로 특성이 매우 좋은 LNA(Low Noise Amplifier)를 사용해야 한다. 변조된 광신호는 광케이블을 매개로 해 마스터에 실장한 광-전기 변환 모듈에서 RF신호로 복조된다. 복조된 RF신호는 대역 통과 필터를 통과한 후 적절한 레벨 조정을 거쳐 다른 슬레이브로부터의 출력과 합성되어 BTS로 입력된다.

통화량이 비교적 적은 국도 주변에 설치된 광중계국 시스템은 광중계국당 서비스 범위가 기지국과 거의 동일하게 나타나 전체 시스템의 서비스 범위를 넓히는데 효과적이다. 또 통화량이 밀집된 대형 고층건물에 시스템을 설치했을 경우 주변의 다수 기지국으로부터의 전파간섭 현상으로 인한 반복적인 핸드오프에 의해 나타나는 통화단절, 통화 품질저하 현상이 완전히 해소되는 것으로 밝혀졌다. 주변의 지형지물보다 매우 높은 건물의 경우 주위의 수많은 기지국의 가시거리(Line of Sight)가 된다. 이에 따라 항상 3개 이상의 기지국과 소프트 핸드오프 상태를 유지하는 통화채널 잠식현상이 발생되어 주위 기지국의 효율을 매우 낮추는 단점이 있는데 광중계국의 효과적인 배치로 이 문제를 해결해 전체 시스템의 효율을 크게 높일 수 있다. 또 통화량이 폭주하는 지역(Hot Spot)에서 광중계국을 마이크로 기지국으로 활용, 통화량 분산에 활용할 수 있는 것으로 실험결과 나타났다.

광중계국 시스템을 사용한 경우 기지국만으로 전체망을 구성할 때에 비해 고려해야 할 사항이 많다. 이 가운데 주변 기지국의 시스템 파라미터를 최적의 상태로 유지하는 무선망 최적화 작업이 필수적이다. 최적화 작업이 부적절할 경우 기존 시스템의 품질보다도 열악한 결과가 될 수 있으므로 많은 주의가 필요하다.

현재 우리나라에서 상용화해 운영하고 있는 광중계국 시스템은 전파 음영 지역을 해소하고 부하가 적은 기지국의 통화 처리 용량을 분산시키는 효과를 나타내고 있다. 더욱이 광대역 RF신호를 수용할 수 있는 광케이블의 특성에 따라 CDMA방식을 채용한 PCS 뿐만 아니라 GSM, DCS-1800, IS-54, W-CDMA 등 모든 종류의 이동통신과 광케이블의 공동 이용이 가능하며 이러한 특성을 이용해 현재의 광중계국 시스템으로 향후 제 3세대 이동통신 시스템인 IMT2000 시스템에도 활용이 가능할 것으로 기대된다.