옥외 모바일 무선 광통신 시스템에서의 주광의 영향 및 링크 가용성 분석

Abstract

무선 단말 기술의 발달과 더불어 관련 초고속 및 실시간 무선 통신 기술 기반 어플리케이션 개발의 가속화로 인하여 이동 통신 시스템에서 요구되는 전송 용량은 지수적으로 증가하고 있다. 이동 통신 시스템은 전송 용량을 증대시키기 위한 방안으로 세대를 거쳐 진화하면서 반송파 주파수를 꾸준히 높여왔으며, 최근 자연스럽게 차세대 무선 통신 기술의 대안으로서 100 GHz 이상 주파수를 활용하는 서브-테라헤르츠(sub-THz) 대역 신호의 사용이 고려되고 있다. 그러나 서브-테라헤르츠 대역 신호는 높은 전력을 가진 신호를 생성하는 것이 어려울 뿐 아니라 대기 영향에 의한 감쇠가 심하여 전송 거리가 크게 제한되고, 고속 신호를 수용할 수 있도록 평탄한 주파수 응답 특성을 갖는 전자소자를 구현하기 까다로운 기술적 이슈가 존재한다. 따라서 차세대 이동 통신 기술의 후보군으로서 무선 광통신(free-space optical communication: FSOC)시스템을 활용하는 방안을 생각해 볼 수 있다. 무선 광통신 기술은 가시광 또는 적외선 대역의 빛을 활용하여 신호를 전송하는 기술로서 이미 광섬유 통신에서 널리 쓰이고 있는 광통신 기술을 활용할 수 있다는 장점이 있다. 따라서 100 Gb/s 이상의 초고속 신호 생성 및 수신이 용이하며, 고출력 레이저와 고감도 광검출기를 활용하여 장거리 전송도 가능하다. 고정형 무선 광전송 시스템은 이미 상용화되어 광섬유 포설이 어려운 지역이나 신속한 통신 링크 설치가 요구되는 곳에 활용되고 있다. 그러나 이동 통신 시스템을 위한 모바일(mobile) 무선 광통신 시스템에 대한 연구는 아직까지 전무하다. 고정형 광전송 시스템에 비하여 모바일 무선 광통신 시스템은 주광(solar radiation)에 영향을 크게 받으며, 송수신단 정렬을 위한 고속의 PAT(pointing, acquisition, and tracking), 가시선(line of sight: LOS)를 확보 기술이 요구될 것으로 판단된다. 본 학위논문에서는 차세대 모바일 무선 통신 시스템으로서 모바일 무선 광통신 시스템 적용의 적합성을 평가하기 위해 주광에 의한 영향을 분석하고, 도심 환경에서 링크 가용성(link availability)을 도출한다. 또한 링크 가용성을 높이기 위한 방안으로 반사판을 활용하는 방법을 제시하고 이 방법의 유효성을 분석한다. 먼저 지상 태양 전력 스펙트럼 밀도 측정 자료를 기반으로 1550 nm 광전치 증폭기(optical pre-amplifier: OPA), 750 nm 아발란치 광 검출기(avalanche photo-detector: APD) 기반 직접 검출 수신기 (direct-detection receiver), 1550 nm코히어런트 호모다인(coherent homodyne) 수신기에 대해 수신 감도를 이론 분석하였다. 분석 결과 주광이 광수신기에 직접 인가되는 경우 수신기 종류에 관계없이 30 dB 이상의 수신감도 페널티가 발생하였다. 이는 무선 광전송 시스템의 광전력 마진(power margin) 값을 크게 상회하는 것으로서 주광이 수신기에 직접 인가되면 전송이 불가능하다고 할 수 있다. 다음으로는 송수신단 가시선상에 태양이 위치하여 주광이 수신기에 직접 인가되는 솔라 컨정션(solar conjunction)이 발생할 확률을 계산하였다. 이를 위하여 특정 위도에 위치한 $5.8^\circ$의 시야각(field of view)을 가진 광 수신기에 태양광이 직접 인가되는 확률을 수치 해석적 방법을 통하여 계산하였다. 분석 결과 솔라 컨정션은 하지 때 최대로 발생하며, 그 확률은 0.4% 미만이었고, 수신기의 시야각이 좁아질수록 이 확률은 줄어드는 경향성을 보였다. 마지막으로 모바일 무선 광통신 시스템을 도심 환경에 적용했을 경우의 링크 가용성을 분석하였다. 도시 구역의 형태, 건물 높이 분포, 기지국의 위치 및 높이와 같은 요인을 도심 환경의 변수로서 정의하였고, 이러한 도심 환경 아래 가시선이 확보되는 확률을 도출하였다. 또한 가시선이 확보되지 않을 경우 반사판을 이용하여 대체 가시선을 확보하는 방법을 제시하고 그 유효성을 검증을 진행하였다. 몬테 카를로(Monte Carlo) 시뮬레이션 결과 도심의 블록 길이에 따라 주기적으로 급격히 감소되는 링크 가용성 그래프를 확인하였으며, 평균적으로 우하향 지수곡선 형태를 보였다. 반사판을 활용하여 링크 가용성을 높이는 방법의 유효성은 미국 Los Angeles 상업 지역의 건물 분포를 활용하여 분석하였고, 결과적으로 기지국이 지상에서 80 m 높이에 위치하고 이동 단말기가 지상 1.5 m에 위치한 경우 173 m 전송 거리에 대하여 링크 가용성을 42%에서 60%로 향상시킬 수 있을 것으로 예측되었다. 도출된 링크 가용성은 대기 흡수 및 난기류 효과를 제외한 이상적인 환경에서의 결과이지만, 향후 무선 광통신 기술을 이용한 모바일 네트워크 구현 연구에 있어 중요한 판단 기준이 될 것이라 사료된다.