1. 개 요

우리나라는 1996년 1월 1일 세계 최초로 CDMA 다중접속기술을 사용하는 이동통신시스템을 상용화하였다. 최초의 CDMA 방식의 디지털 이동통신 시스템은 IS-95 방식으로 아날로그 셀룰러 이동전화서비스를 제공하고 있던 800MHz 주파수 대역에 적용하여 서비스에 성공하였다.

이후 CDMA 이동통신시스템의 규격은 IS-95A, IS-95B, cdma2000 1x 등으로 새로운 서비스 기능을 추가하면서 발전해왔다. 1997년 10월에는 1.7GHz 주파수 대역에서 PCS라는 이름으로 CDMA 이동통신서비스를 시작하게 되었는데 초기 적용한 규격이 J-STD-008이라는 규격으로 주파수 대역만 다르고 다른 기술은 IS-95A와 동일하다.

이후 무선데이터의 속도가 증가하면서 64kbps 수준의 무선 데이터의 속도를 지원하는 IS-95B 규격이 나왔지만 부가 코드 채널(한 사람이 여러 채널을 할당받아 사용) 방식에 의해 높은 비용 증가 및 시설 운용의 비효율성으로 활성화되지는 못하였다.

이외에 IS-95보다 전력제어 및 핸드오프 측면이 개선되었는데 소프트 핸드오프 방식에서 고정치가 아닌 다이내믹 임계치 방식으로 전환하였고, 하드 소프트핸드오프처럼 핸드오프에서도 단말기가 지원하는 핸드오프를 기능을 구현하여 핸드오프의 성능을 개선하였다

CDMA 이동통신 시스템은 2000년에 이전과는 전혀 다른. 즉 음성과 고속데이터의 전송이 가능한 새로운 규격으로 발전하였는데 고속 이동시나 셀 경계 지역에서도 144kbps 이상의 전송속도를 낼 수 있었다. 이 새로운 시스템의 규격이 cdma2000 1x이다. 이 방식은 기존의 IS-95B와 달리 고속데이터를 전송하기 위해 부가코드채널을 이용하지 않고 부가채널의 전송 능력을 높이는 방식을 이용하였다. 이후 cdma2000 1x Rel. A, cdma2000 1x EV-DO, cdma2000 Rel. C (cdma2000 1x EV-DV) 등으로 진화하였다. 여기서 EV-DO는 Evolution Data Only의 약어이고 EV-DV는 Evolution Data and Voice의 약어이다.

우리나라의 경우 800MHz 주파수 대역을 이용해 셀룰러 서비스를 제공하는 이동통신사업자와 1.7GHz 주파수 대역을 이용해 PCS 서비스를 제공하는 이동통신사업자는 초기 IS-95와 JSD-008이라는 명칭만 다를 뿐 동일한 CDMA 디지털 이동통신시스템을 이용하여 서비스를 시작하였다.

이후 IS-95A, IS-95B, cdma2000, EV-DO, WCDMA 등 동일한 시스템 규격으로 서비스를 제공하고 있으므로 시스템의 서비스 능력은 일부 부가서비스를 제외하고는 동일하다. 다만 셀룰러와 PCS는 사용하는 주파수 대역이 달라 서비스 커버리지가 다르고, 시스템 성능에 영향을 미치게 된다. 결론적으로 셀룰러와 PCS는 시스템의 차이는 없으나 이용하는 주파수의 전파 특성에 따라 서비스 커버리지 및 시스템 성능이 다소 달라진다고 볼 수 있다.

 

셀룰러와 PCS의 차이는 시스템 측면보다는 이용하는 주파수의 전파 특성에 따라 매우 차이가 나는데, 이 점에 대해서 간단히 요약하고자 한다.

일반적으로 전파는 송신기에서 수신기까지 거리에 따라 전파의 세기가 감쇄한다. 하지만 다양한 장애물을 통과하면서 송수신 사이에서 방해 없이 도달하는 직접파, 건물의 벽 등으로 인한 반사를 거쳐 도달하는 반사파 그리고 건물의 옥상 등에서 회절하여 도달하는 회절파 등이 있다. 그런데 일반적으로 이동 통신 환경에서는 기지국과 단말기 안테나 사이가 직접파만으로 연결되는 경우는 많지 않으며 다수의 반사파나 회절파가 수신되므로 장소 및 시간에 따라 전파의 세기가 변하게 된다.

위와 같은 세 종류의 전파는 셀룰러와 PCS 주파수 대역의 전파 특성이 달라 서비스 차이를 보여준다. 또한 주파수 대역에 따라 안테나 특성이 달라진다. 그렇다면 셀룰러와 PCS 서비스의 중요한 차이인 전파의 감쇄, 회절, 투과 및 안테나의 길이에 따른 차이는 무엇인지 알아보자.

일반적으로 주파수가 높을수록 거리에 따른 감쇄가 증가한다. 이동통신서비스를 제공할 때 하나의 기지국이 넓은 서비스 구역을 확보하기 위해서는 전파도달 거리가 길어야만 한다. 전파의 특성상 셀룰러의 800MHz는 전파의 도달거리가 길어 넓은 지역을 서비스할 수 있지만 PCS의 1.8GHz는 상대적으로 주파수가 높아 감쇄가 크고 전파 도달거리가 짧아 서비스 영역이 상대적으로 좁다.

셀룰러와 PCS 서비스의 전파 감쇄 특성에 따른 차이를 살펴보기 전에 간섭이 존재하지 않는 noise limited의 전송 속도 9.6kbps의 음성 시스템 역방향 링크를 가정하여 비교한다. 셀 반경은 단말의 전력 23dBm 정도로 제한되어 있기 때문에 역방향에 의해서 결정되는 것이 일반적이다. 이러한 경우 음성 품질을 보장하기 위해서 필요한 신호와 잡음 비를 4배 정도로 할 때 기지국에서 수신할 최소 신호 전력은 약 -122.6dBm 정도이다. 이를 기준으로 최대로 허용할 수 있는 평균 경로 손실은 약 158dB이 되고 전파가 순간적으로 변하는 페이딩을 고려하면 약 145dB 정도의 경로 손실만을 허용할 수 있다.

따라서 서비스가 가능한 전파경로 손실은 정해져 있는데 셀룰러와 PCS서비스의 주파수가 다르므로 기지국으로부터 주파수의 전파 특성에 따라 145dB 정도 감쇄가 되는 거리가 다르다. 물론 PCS의 전파가 빠르게 감쇄되므로 셀반경이 작아진다. 이를 한 개의 기지국과 한 개의 단말기만으로 가정하여 계산했을 때 셀룰러 주파수인 800MHz와 PCS 주파수인 1700MHz에서 지원 가능한 최대 셀 반경 빛 서비스 면적은 다음과 같다.

 

전파의 회절성은 전파가 어떤 장애물의 끝을 통과할 때 그 후방에서까지 도달하는 성질을 말하는데 건물 등의 후방에 존재하는 음영지역을 제거할 수 있게 해주는 아주 중요한 성질이다. 일반적으로 회절성은 주파수가 높을수록 회절하는 각도가 작아진다. 800㎒ 대역을 이용하는 셀룰러 서비스는 1.8㎓ 대역을 이용하는 PCS 서비스와 비교하여 상대적으로 주파수가 낮기 때문에 셀 커버리지 내에 음영 지역이 적다.
일반적인 연구결과는 Fresenel Diffraction 모델을 적용할 경우 800㎒ 대역에 비해서 1.8㎓ 대역이 동일한 거리에서 일정하게 3.5㏈의 추가 전파회절 손실이 존재하여 셀 영역 내의 건물 후방 등의 음영 지역이 상대적으로 넓어지게 되어서 커버리지 홀(Coverage hole)이 존재하게 된다. 동일한 회절 손실에 대한 800㎒와 1700㎒의 음영 지역을 비교하면 다음과 같다.

 

전파가 건물 등을 통과 하는 특성으로 투과성이 좋아야 빌딩 내부에서 전파의 수신 강도가 강해져서 좋은 품질을 확보할 수 있다. 일반적으로 주파수가 높을수록 오히려 전파의 투과 손실은 작으며 1800㎒ 대역이 900㎒ 대역에 비해서 상대적으로 건물 투과성이 좋다. 각 주파수 대역에서의 건물 투과 손실은 다음과 같다. 손실 차이는 0.8㏈ (1.2) 정도이다.

 

단말에서 두 개의 안테나를 사용하여 서로 독립적인 신호를 수신함으로써 하나의 안테나에서 수신되는 신호 품질이 나쁘더라도 나머지 안테나로 수신되는 신호를 이용해 원활한 통신이 이루어지도록 하는 것이 다이버시티이다. 관련 서적과 논문에 의하면 수신 다이버시티의 원활한 동작을 위해서는 안테나간의 거리가 신호 주파수 파장의 절반 이상으로 유지해야 하는데, 각 주파수별 파장은 다음과 같다.

<표 5-4>에서 확인할 수 있듯이 1700㎒ 대역은 800㎒ 대역에 대해서 유지해야 될 안테나 간 간격이 작다. 따라서 수신 안테나 간 간격을 8.82cm로 할 경우 1800㎒ 대역에서는 0.5λ를 만족시키는 반면, 800㎒ 대역에서는 0.22λ에 해당된다. 이럴 경우 800㎒ 대역에서는 1700㎒ 대역에 대해서 상대적으로 약 1㏈ 정도의 수신 다이버시티 성능 열화가 있는 것으로 분석되고 있다.