[테마특강] 마이크로웨이브 마이크로 셀(MMC) 방식

이홍배

89년 서울대 전기공학과 졸업

91년 서울대 전기공학과 석사

95년 서울대 전기공학과 박사

95년 (주)한원 입사

96~98년 1월 포스트닥연구소

98년 2월~현재 (주)한원 책임연구원

　현재 국내의 무선통신시스템은 많은 무선통신 표준(NADC·GSM·DECT 등) 중 퀄컴 CDMA(Code Division Multiple Access)방식을 채용하고 있다.

　이 방식은 전국토를 셀로 나누고 각 셀내에 하나의 기지국을 놓는 형식을 취하고 있다. 물론 예상 통화량에 따라 그 용량을 1FA에서 많게는 7FA까지 이용하고 있다.

　기지국은 크게 통화신호를 받아 저주파수대역으로 내려주는 RF(Radio Frequency) 전단(Front End)부분과 DSP(Digital Signal Processing)부분으로 구성돼 있다.

　현재 통신서비스 업체들은 이미 많은 기지국을 설치했다. 하지만 아직도 음영지역이 많아 고품질 서비스를 위한 기지국의 추가 설치 필요성을 절감하고 있다. 그러나 기지국 설치를 위해 필요한 고가의 기지국 장비와 이를 설치하기 위한 건물 등은 통신서비스 업체들에 부담을 안겨주고 있다.

　따라서 기지국의 기능 중 일부(RF 프런트 엔드 부분)만을 가지고 음영지역을 해소하고 또 기존에 설치된 기지국의 효율을 극대화하기 위한 방법으로 대두되고 있는 것이 마이크로 셀(Micro Cell)이다.

　기존의 중계기 시스템은 음영지역을 해소하는 방법으로 기지국에서 온 신호를 단순히 증폭시켜 보내는 형태를 취한다. 중계기의 안테나는 기지국으로부터 신호를 받는 안테나와 음영지역으로 신호를 보내는 안테나로 구성되어 있다. 물론 이들 두 안테나 사이의 격리(Isolation)가 신호중계에 결정적 역할을 한다. 이의 해결은 그리 쉬운 문제가 아니어서 가격 면에서 싼 중계기 설치에 한계가 되고 있다.

　마이크로 셀의 적용에서는 기지국의 RF신호를 다른 신호 또는 다른 주파수로 변환하고 음영지역에 신호를 낼 수 있는 위치에 다시 신호변환장치 또는 주파수 변환장치를 두어 원래의 RF 신호를 재생해야만 안테나 사이의 격리에 대한 제한을 피할 수 있다.

　현재 진행되고 있는 접근은 크게 RF 신호를 광으로 변환하는 광 마이크로 셀(FMC:Fiber Micro Cell)방식과 RF 신호를 마이크로웨이브로 변환하는 마이크로웨이브 마이크로 셀(MMC:Microwave Micro Cell)방식이다. 마이크로웨이브를 이용한 통신은 RF 엔지니어들의 연구 대상이다. 이는 무선이 갖는 장점에다 현재 기술력으로 상용화에 접근 가능한 주파수 범위, 그리고 현재 사용하고 있는 2㎓ 이내의 주파수가 주파수공용통신(TRS)시스템, 셀룰러 및 개인휴대통신(PCS)시스템 주파수대역으로 사용돼 포화상태여서 앞으로 더 높은 주파수의 이용이 필수적이라는 점 때문이다.

　마이크로웨이브를 이용한 일부 통신은 이미 세계에서 상용화하고 있다. DMR(Digital Microwave Radio) 등이 대표적인 예이다. 또한 마이크로웨이브의 점 대 점(Point-To-Point) 통신에의 적용은 이제 새로운 것이 아닐 정도다. DMR의 경우 주파수의 선정은 원하는 통신 점(Point)간의 거리에 따라 해야 할 것이다.

　마이크로웨이브 마이크로 셀은 마이크로웨이브를 이용한 통신시스템 중 한국에서 가장 먼저 내놓은 개념이다. 또한 국내에서 가장 먼저 상용화하기 시작한 마이크로웨이브를 이용한 통신시스템이 될 전망이다.

　마이크로웨이브 마이크로 셀의 구성은 먼저 순방향을 보면 BTS(Base-station Transceiver System)에서 출력된 신호를 IF 증폭기(AMP)를 이용해 먼저 증폭하고 출력레벨을 감쇠기로 조절한다. 이후 업컨버터를 이용해 마이크로웨이브 신호로 변환한다. 이때 이미지에 대한 영향을 적게 하기 위해 더블 컨버전의 개념을 넣든지, 이미지 리젝션 믹서를 도입하기도 한다.

　이렇게 마이크로웨이브로 변환된 신호를 SSPA(Solid State Power Amplifier)에 입력해 노이즈를 작게 해 수신감도를 높인다.

　이를 다운컨버터를 이용해 셀룰러와 PCS신호로 변환시킨다. 이를 다시 적절히 증폭해 HPA(High Power Amplifier)나 LPA(Linear Power Amplifier)에 입력시켜 이 출력이 듀플렉스를 통과해 안테나로 방사되어 단말기와 통화를 형성하게 된다.

　반면 역방향을 보면 단말기의 신호를 안테나·듀플렉스를 통해 LNA(Launch Numerical Aperture)로 입력되고 이에 다시 적절히 증폭한 후 업컨버터를 거쳐 SSPA로 증폭돼 기초 사이트의 MMC로 입력되면 이 신호는 LNA·다운컨버터를 거쳐 BTS의 수신단에 연결된다. 이같은 구성에서 보듯 마이크로웨이브의 고출력을 위해 SSPA를 이용하고 셀룰러나 PCS의 고출력을 위해서는 HPA나 LPA를 이용하고 있다.

　또한 시스템의 노이즈는 수신감도와 밀접한 관계가 있다. 이는 초단의 AMP에 크게 좌우되므로 신호를 받은 포인트에서는 LNA를 도입하고 있다. 마이크로웨이브는 마이크로웨이브 영역과 셀룰러 또는 PCS 주파수 영역을 모두 이용하는 만큼 두가지 주파수 대역의 LNA를 사용해야 한다.

　MMC와 FMC은 각각 나름대로 장·단점이 있다. 우선 광 마이크로 셀은 광선로를 이용하기 때문에 유선이 갖는 장점을 그대로 가질 수 있다.

　하지만 광선로를 새로 포설해야 하는 도심 외곽지역이나 섬 같은 경우 설치비용을 추가해야 하는 어려움이 있게 된다.

　반면 현재의 기술수준에서 보면 RF신호를 광신호로, 또는 광신호를 RF신호로 변환하는 장치인 O/E(Optical-to-Electrical), E/O(Electrical-to-Optical) 변환기가 RF신호를 마이크로웨이브로 변환하는 데 사용되는 장치인 믹서(Mixer)·SSPA·LNA보다 가격이 약 1.5배 싸다. 현재 정보통신부가 인가한 주파수 중 18㎓대역(17.7∼19.7㎓)과 23㎓대역(21.65∼23.4㎓)에 MMC를 이용하면 전파사용료가 광선로 사용료보다 훨씬 싸므로 MMC도 가격 면에서 경쟁력을 가질 수 있다.

　예를 들어 설치비용은 설치장소에 따라 다를 것이므로 이를 빼고 장비가격과 사용료(FMC는 광선로 사용료, MMC는 전파사용료)만 비교한다면 2∼3년 정도 MMC를 사용하면 FMC를 사용할 경우와 전체 금액에서 같은 수준이 된다. 그 이후부터는 이득을 얻을 수 있게 된다.

　물론 때에 따라서는 이미 개설된 시스템을 이전할 경우가 생기는데 이 경우 FMC는 새로 광선로를 포설해야 하고, 또 2년 이상은 그 광선로를 사용해야 하는 현실적인 규정 때문에 이설 자체의 어려움이 있는 단점이 있다. 그러나 MMC는 안테나만 새로 조정하면 되는 장점이 있다.

　현재 상용화에 들어간 MMC는 18㎓대역을 사용하고 있다. 기존의 CDMA 기지국에 연동하여 링크(Link)거리는 약 5㎞이다. 출력파워의 증가는 링크 거리를 더 길게 해 셀내의 음영지역 해소 및 도서·산간지방에까지도 양질의 통화서비스를 가능하게 해줄 수 있게 된다.

　MMC는 실내에 설치되지 않고 실외에 설치되는 ODU(Out Door Unit)이므로 별도의 항온이 유지되는 건물을 요구하지 않으나 가시선상(Line-of-Site)에 존재해야 하기 때문에 높은 곳(주로 통신탑)에 설치되는 것이 일반적이다. 따라서 설치 후 유지·보수의 어려움을 동반하게 된다.

　이의 해결을 위해 기지국에 연결되는 MMC부분에 모니터링 단자를 제공하고, 여기에 노트북을 연결해 MMC 내부 각 모듈의 상태를 감시할 수 있다.

　또한 RF 모뎀호를 마이크로웨이브 대역을 통해 리모트지역과 주고 받음으로써 MMC 리모트지역의 상태도 감시할 수 있다. 물론 이를 통한 이득조절도 가능하게 함으로써 멀리 떨어진 리모트지역까지 가지 않고도 전 시스템을 조정할 수 있다.

　또한 기존의 기지국 제어·감시를 위한 BSC(Base Station Controller)에 노드분배기를 통해 접속할 수 있게 함으로써 NMS(Network Management System)를 통한 MMC 제어도 가능하게 되어 있다.

　현재 MMC의 단점은 MMC 근접과 리모트지역간 가시선상이 되어야 한다는 점이다.

　이의 해결을 위해 현재는 기지국과 MMC의 근접부분을 유선으로 연결하는데 이에 대해 RF통신을 이용한 공기 커플링(Air Coupling)방법을 연구하고 있다.

　MMC는 마이크로웨이브 통신을 이용한 첫 상용화라는 상징적 의미와 함께 실제 현 셀룰러 및 PCS사업에서의 고품질 서비스에도 적절한 방법임에 틀림이 없다. 또한 마이크로웨이브 통신의 기본 골격을 제시함으로써 앞으로 선보일 많은 무선통신시스템의 좋은 본보기가 될 것이다.