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보고서 상세정보

적응 배열 안테나(Adaptive Array Antenna) 기술을 적용한 고성능 이동 무선 인터넷 시스템 기술 과제

  • 사업명

    정보통신산업기술개발(기금)

  • 과제명

    적응 배열 안테나 (Adaptive array antenna) 기술을 적용한 고성능 이동 무선 인터넷 시스템

  • 주관연구기관

    (주)넷포드

  • 연구책임자

    박일

  • 참여연구자

    김영수   최문규   원진규   이일렬   김인태   하태근   이지연   신동호   이강훈   조정범   남기문   ...  

  • 보고서유형

    최종보고서

  • 발행국가

    대한민국

  • 언어

    한국어

  • 발행년월

    2005-06

  • 과제시작년도

    2004

  • 주관부처

    정보통신부

  • 사업 관리 기관

    정보통신연구진흥원
    Institute for Information Technology Advancement

  • 등록번호

    TRKO201000017473

  • 과제고유번호

    1440002219

  • DB 구축일자

    2013-04-18

  • 초록 


    ...


    가. 적응 배열 안테나 기술이 적용된 휴대인터넷 시스템
    (1) 개요
    적응 배열 안테나 기술이 적용되는 휴대인터넷 시스템은 다이버시티 기술이 적용되는 휴대인터넷 시스템과 구별되어 개발된다. 즉, 적응 배열 안테나가 적용될 ...

    가. 적응 배열 안테나 기술이 적용된 휴대인터넷 시스템
    (1) 개요
    적응 배열 안테나 기술이 적용되는 휴대인터넷 시스템은 다이버시티 기술이 적용되는 휴대인터넷 시스템과 구별되어 개발된다. 즉, 적응 배열 안테나가 적용될 경우 추가요구 사항이 발생하므로, 요구 사항에 맞도록 시스템 개발을 해야 한다. 적응 배열 안테나 기술을 이용해서 휴대인터넷 시스템 개발을 할 경우 다이버시티 기술을 이용할 경우와 비교해서 다음과 같은 추가 요구 사항이 있다.
    ● 빔형성 알고리듬
    ● 캘리브레이션 알고리듬
    ● 다중 개의 RF 경로 자원
    ● 기지국 플랫폼
    ● 시스템 제어
    본 과제에서는 위의 적응 배열 안테나 요구 사항을 모두 만족하는 휴대인터넷 기지국 시스템에 대한 설계를 진행하며, 기존 기술이 다이버시티 기술에 대한 호환성을 보장한다. 또한 휴대인터넷 서비스를 위한 기능으로 다음과 같은 내용이 개발된다.
    ● 인증 서버 기능
    ● 위치 서버 기능
    ● 호처리 시나리오
    ● 핸드오버 시나리오
    ● 페이징 시나리오
    (2) 개발 내용
    (가) 기지국 플랫폼
    적응 배열 안테나 알고리듬이 적용되는 기지국 플랫폼은 기존의 다이버시티 기지국 플랫폼의 기능을 모두 제공하는 동시에 다수 개의 RF 체인을 제공/제어해야 하고, 각 휴대인터넷 가입자 별로 빔형성 알고리듬을 적용해야 한다. 본 과제의 기지국 플랫폼은 적응 배열 안테나 알고리듬이 적용될 수 있는 구조로 설계되며, 휴대인터넷 서비스를 위한 서버 및 호처리 시나리오 등에 대한 플랫폼 역할을 한다.
    (나) 빔형성 알고리듬
    다수 개의 안테나를 이용해서 빔형성을 하는 경우에는 각 안테나 별로 위상 및 크기 조절을 실시간적으로 진행해야 한다. OFDMA/TDD 방식의 휴대인터넷의 경우, 업링크와 다운링크가 같은 주파수를 사용하므로, 본 과제에서는 업링크의 안테나 별 채널정보를 이용해서 다운링크의 빔형성 용으로 사용한다. 빔형성 알고리듬은 각 휴대인터넷 가입자 별로 실시하며, 출력 전력 최대화, SINR 최대화를 기본으로 다중 경로 환경을 고려한다.
    (다) 캘리브레이션 알고리듬
    적응 배열 안테나 알고리듬을 적용해서 각 휴대인터넷 가입자에게 빔형성 패턴을 방사할 경우에 기지국 시스템 내부의 RF 경로의 위상 차이 때문에 오차가 발생할 수 있다. 즉, 업링크 정보를 이용해서 다운링크의 빔형성 위상을 결정하는 경우, 기지국 시스템 내부의 업링크 및 다운링크 경로의 위상 오차가 발생할 수 있는 것이기 때문이다. 본 과제에서는 이와 같은 기지국 시스템 내부의 위상 차이를 극복할 수 있도록 적응 배열 알고리듬을 이용하는 휴대인터넷 시스템에 대한 캘리브레이션 알고리듬을 구현한다. 기지국 플랫폼은 캘리브레이션 알고리듬을 구현하기 위한 캘리브레이션 경로 및 장치를 제공해야 한다.
    (라) 무선 물리 계층
    국내의 휴대인터넷 서비스는 IEEE802.16/16e에서 정의하는 무선 물리 계층 중 OFDMA/TDD 방식으로 진행한다. 본 과제에서는 2004년 7월 정통부에서 국내의 휴대 인터넷 기술 방식으로 선정한 내용을 준수하여 무선 물리 계층을 구현한다. 무선 물리 계층은 빔형성 및 캘리브레이션 알고리듬과 연동하여 각 휴대인터넷 가입자에게 최적의 무선 환경을 제공한다.
    ● IEEE802.16 표준 준수
    ● TDD 방식의 이중화
    ● 주파수 재사용 계수 1
    ● 9MHz 이상의 대역폭
    ● 시속 60km 이상의 이동성
    (마) 무선 MAC 계층
    IEEE802.16/16e에서 정의되는 무선 MAC 계층은 무선 물리 계층과 네트워크 인터페이스 사이에서 휴대인터넷 가입자의 인증 및 데이터 송수신 기능을 담당한다. 특히 적응 배열 안테나가 적용되는 경우에는 다수 개의 무선 물리 계층과 연동해야 하므로 무선 물리 계층의 관리 및 제어 기능이 추가적으로 요구된다.
    (바) RF 처리 모듈
    빔형성 및 캘리브레이션 알고리듬을 이용해서 OFDMA/TDD 방식의 휴대인터넷 시스템을 구현할 경우 RF 모듈의 개발이 요구된다. 기지국 및 단말기에서 구현되는 휴대인터넷 시스템 용 RF 처리 모듈은 다음과 같은 것들로 구성된다.
    ● Front End Unit : 2.3GHz 필터로 구성
    ● Time Division Duplex Switch : OFDMA/TDD 방식에서 스위치로 구성
    ● Power Amplifier : 전력 증폭기로 구성
    ● Updown Converter : 1차 및 2차 변환기로 구성
    (사) 네트워크 인터페이스
    휴대인터넷 서비스는 "All IP" 형태로 구성되므로, 휴대인터넷 시스템의 네트워크 인터페이스는 IP 정합을 의미한다. 휴대인터넷 시스템의 네트워크 인터페이스는 기지국 시스템 또는 기지국 제어기에서 Fast Ethernet 또는 Gigabit Ethernet을 이용해서 구현되며, 응용에 따라 구리선(Copper) 또는 광(Optic)으로 연결된다. IP 정합이란 물리적인 정합 이외에도 다음과 같은 여러 가지 응용 소프트웨어의 구현을 필요로 한다.
    ● Quality of Service : 서비스 품질 제어
    ● Security : 각 세션에 대한 보안 기능
    ● Mobile IP : 이동 단말에 대한 지원
    ● Routing : 목적지 라우팅을 위한 경로 제어
    (3) 결과물 활용 범위
    본 과제의 결과물은 단말기, 기지국 시스템, 기지국 제어기로 구성되는 휴대인터넷 시스템에 활용이 가능하며, 다이버시티 기술을 이용한 1 단계 휴대인터넷 서비스 및 적응 배열 안테나를 이용한 2 단계 휴대인터넷 서비스에 모두 적용이 가능하다. 다음은 본 과제의 결과물이 1 단계 또는 2 단계 휴대인터네 시스템의 응용 내역을 보여 준다.
    ● 본 과제 결과물의 1 단계 휴대인터넷 시스템 적용 내역
    ▶ 기지국 플랫폼 설계 방안
    ▶ 단말기 에뮬레이터 구현
    ▶ 무선 물리 계층 및 무선 MAC 계층 응용
    ▶ 인증 서버 및 위치 서버 구현 응용
    ▶ 휴대인터넷 호처리/핸드오버/페이징 방안
    ● 본 과제 결과물의 2 단계 휴대인터넷 시스템 적용 내역
    ▶ 빔형성 알고리듬의 기지국 적용
    ▶ 캘리브레이션 알고리듬의 기지국 적용
    ▶ 적응 배열 안테나를 적용한 무선 MAC 계층의 기지국 적용
    ▶ 인증 서버 및 위치 서버 구현 응용
    ▶ 휴대인터넷 호처리/핸드오버/페이징 방안
    나. 시험 용 단말기 플랫폼
    본 과제에서는 기지국 플랫폼의 개발 내용을 단말기 에뮬레이터로 적용하는 것을 기본으로 한다. 기지국 플랫폼을 이용해서 단말기 에뮬레이터를 구현할 경우 다음과 같은 내용을 고려해야 한다.
    ● RF 출력 전력
    ● PC 등 단말기 연동 방안
    ● 클럭 동기 구현 방안
    다. 서버 개발
    (1) 개요
    휴대인터넷 서비스는 IP 기반의 인터넷망과 무선 가입자망을 결합하여 휴대용 무선 단말기를 대상으로 옥내외의 광범위한 지역에서 고속으로 인터넷에 접속하여 다양한 컨텐츠를 제공하는 서비스이다. 이러한 서비스를 만족시키기 위해 국내 휴대인터넷 기술표준에서는 상향 1Mbps 이상과 하향 3Mbps 이상의 최대 전송 속도, 상향 128Kbps 이상과 하향 512Kbps 이상의 최소 전송 속도, 주파수 재사용 계수 1, 시속 60Km의 이동시 150ms이내의 핸드오버 제공, TDD/OFDMA를 사용한 2.3GHz ~ 2.4GHz 무선 대역사용 등의 기능을 요구하고 있다.
    상기 서비스를 제공하기 위해서 휴대인터넷 시스템은 기지국 시스템과 기지국 제어기 시스템을 이용해서 IP 망정합 기능, IP 라우팅 및 Mobile-IP 기능, 휴대인터넷 가입자 정합을 위한 인증 및 보안 기능, 과금 서버에 과금 서비스 제공 기능, 기지국 제어기 제어 아래 기지국 시스템 간 및 기지국 제어기 간 단말기의 이동성 제어 기능, IP-Multicasting 기능, 자원 관리 및 제어 기능 등을 제공하여야 한다.
    이와 같은 기능을 갖는 휴대인터넷 시스템을 개발하기 위한 기술로는 트래픽 처리 관점에서 IPv4/v6 정합 기술, IP 패킷 스위칭 기술, IP 라우팅과 휴대인터넷 Mobile IPv4/v6 기술 및 서비스 품질 제어 기술 등이 있으며, 시그널링 측면에서 인증 및 과금처리와 시스템 관리를 위한 기술 등을 포함한 종합적인 시스템 기술이 필요하며, 대규모의 휴대인터넷 가입자 및 기지국 시스템, 기지국 제어기를 수용할 수 있도록 설계되어야 한다.
    또한 휴대인터넷 시스템은 단말기 인증 보안, 기지국 시스템 및 기지국 제어기 제어, 고속 핸드오버 등과 같이 특정 장비의 자체 처리 기능으로 구현되지 못하는 연동기능을 구현하기 위해서 단말기 및 기지국 시스템, 기지국 제어기의 기술적 요구 사항을 결정하여야 하는 등 무선망 시스템과 기술적으로 밀접하게 연계되어 있다.
    (2) 개발 내용
    (가) 서버 플랫폼
    본 과제의 수행기업은 IEEE802.16/16e/WiBro에서 정의된 휴대인터넷 서비스 용 서버 플랫폼을 개발하는 데 있어서, 상용화된 플랫폼과 외국 기술을 도입하지 않고, 휴대인터넷 요구 사항을 최적의 플랫폼으로 구현하고 순수한 국내 기술을 이용해서 휴대인터넷 전용 서버 플랫폼을 설계한다. 다음의 그림은 본 과제의 수행기업이 구현하는 휴대인터넷 서비스 용 서버 플랫폼의 시스템 다이어그램을 나타낸다.
    본 과제의 수행기업은 IEEE802.16/16e/WiBro 표준에서 정의되고, 국내의 휴대인터넷 망 구성에서 필요한 서버 플랫폼을 위의 블럭도와 같은 플랫폼으로 개발한다. 위의 블록도에서 서버 플랫폼은 운영체제, 개발 환경, S/W 응용 프로그램, 프로세서 간 통신 및 H/W 구현 등의 다섯 가지 레이어로 구성되며, 각 레이어의 특징 및 구현 내용은 다음과 같다.
    ● 운영체제 (Operating System) : 이중화 기능이 포함된 리눅스 기반의 실시간 운영 체제와 디바이스 용 실시간 운용체제 등 2 가지 운용체제로 구성된다.
    ● 개발환경 : 운영체제에서 제공하는 API, 각종 디바이스 드라이버, DBMS, IP 관련 프로토콜, 이중화 드라이버 등으로 구성되며, 운영체제와 S/W 응용 프로그램 사이에서 해당 기능을 수행한다.
    ● S/W 응용 프로그램 : IEEE802.16/16e/WiBro에서 기능적으로 표준화된 이동 무선 데이터 처리 시스템을 구현하는 프로그램으로 H/W와는 프로세서 간 통신으로 연동하고 운영체제와는 개발 환경을 이용하여 연동한다.
    ● 프로세서 간 통신 : 시스템 내부의 신뢰성 있는 통신 경로를 제공하는 것으로, 윈도우 메카니즘을 통해서 신뢰성을 확보하며, 예외 처리에 대한 기능을 추가함으로써 서버 시스템 내부의 제어 용 통신 경로를 제공한다.
    ● H/W 구현 : IEEE802.16/16e/WiBro에서 정의되는 휴대인터넷 기능을 수행하기 위한 물리적인 기능을 제공하는 것으로 고성능 및 대용량 처리를 위한 스위치 및 네트워크 프로세서로 설계된다. 또한 서버 시스템 내부에서 트래픽 경로와 제어 경로를 완전히 분리함으로써 시스템 신뢰성을 향상시키는 동시에 추후 기능 추가에 대한 시스템 영향을 없도록 구현된다.
    본 과제의 휴대인터넷 시스템 용 서버 플랫폼은 일반 라우터 또는 일반 데이터 처리 용 상용 플랫폼이 아니며, IEEE802.16/16e/WiBro의 기능에 최적화된 플랫폼이며, 다음과 같은 핵심 기능이 추가된다.
    ● 트래픽 경로와 제어 경로의 완벽한 분리
    ● 주제어부의 Concurrent Write 방식의 이중화 구현
    ● 과금 정보 저장을 위한 디스크 실현
    ● 네트워크 프로세서 기반의 기지국 및 IP 네트워크 정합
    ● 이중화 및 다중화
    ● 동일한 플랫폼을 이용한 IPv4/IPv6 구현
    (3) 결과물 활용 범위
    본 과제에서 구현된 서버 플랫폼 및 서버 기능, 그리고 그 결과로 수반되는 기본호처리 시나리오, 핸드오버 및 고속 핸드오버 시나리오, 페이징 시나리오 등은 1 단계 2 단계의 휴대인터넷 시스템을 위한 핵심 기술이며, 휴대인터넷 망을 구성하는 단말기, 기지국 시스템 및 기지국 제어기에 기능적으로 포팅될 수 있으며, 또한 DHCP 서버와 같은 기능은 휴대인터넷 사업자의 요구 또는 망구성 방안에 따라 독립적인 망구성 요소로도 적용이 가능하다. 다음은 서버 기능과 관련된 내용을 활용 범위를 나타낸 것이다.
    ● 단말기에 적용되는 기술
    ▶ 호처리 시나리오
    ▶ 핸드오버 시나리오
    ▶ 페이징 시나리오
    ● 기지국 시스템에 적용되는 기술
    ▶ 플랫폼 구현 내용을 이용한 기지국 설계
    ▶ DHCP를 이용한 IP 할당
    ▶ 과금 및 통계 기능
    ▶ 호처리 시나리오
    ▶ 핸드오버 시나리오
    ▶ 페이징 시나리오
    ● 기지국 제어기에 적용되는 기술
    ▶ 플랫폼 구현 내용을 이용한 기지국 설계
    ▶ DHCP를 이용한 IP 할당
    ▶ 과금 및 통계 기능
    ▶ 기지국 제어 기능
    ▶ 호처리 시나리오
    ▶ 핸드오버 시나리오
    ▶ 페이징 시나리오


  • 목차(Contents) 

    1. 표지...1
    2. 제출문...2
    3. 요약문...3
    4. 목차...27
    5. 제1장 휴대인터넷 기술 및 서비스...30
    6. 제1절 기술 개발의 배경...30
    7. 1. 기술 개요 및 배경...30
    8. 2. 기술 개발의 설명...32
    9. 제2절 국내외 연구 동향...40<...
    1. 표지...1
    2. 제출문...2
    3. 요약문...3
    4. 목차...27
    5. 제1장 휴대인터넷 기술 및 서비스...30
    6. 제1절 기술 개발의 배경...30
    7. 1. 기술 개요 및 배경...30
    8. 2. 기술 개발의 설명...32
    9. 제2절 국내외 연구 동향...40
    10. 1. 국내외 표준화 동향...40
    11. 2. 국내외 기술 동향...42
    12. 제3절 기술 개발의 시장성...49
    13. 1. 휴대인터넷 서비스의 특성...49
    14. 2. 적응 배열 안테나 알고리듬의 효과...51
    15. 3. 휴대인터넷 서비스의 시장성...54
    16. 제2장 연구 개발의 내용 및 결과...56
    17. 제1절 모뎀 개발...56
    18. 1. 기지국 플랫폼...56
    19. 2. 빔형성 알고리듬...61
    20. 3. 캘리브레이션 알고리듬...66
    21. 4. 무선 물리 계층...68
    22. 5. 무선 MAC 계층...75
    23. 6. RF 처리 모듈...127
    24. 7. 단말기 플랫폼 개발...141
    25. 제2절 서버 기능 개발...147
    26. 1. 인증 서버...147
    27. 2. 위치 서버...152
    28. 3. 과금 및 통계 기능...153
    29. 제3장 연구 개발의 결과 및 성능 평가...154
    30. 제1절 적응 배열 안테나 알고리듬 검증...154
    31. 1. 성능 평가 및 검증 환경...154
    32. 2. 알고리즘 계산 시간...157
    33. 3. 빔형성 모듈(Beam Forming Module)을 이용한 성능 분석...158
    34. 4. 다운링크 빔형성 성능...165
    35. 5. 캘리브레이션 알고리듬 검증...168
    36. 6. 성능 평가 결과...171
    37. 제2절 플랫폼 개발 결과...172
    38. 1. 기지국 플랫폼...172
    39. 2. 서버 플랫폼...189
    40. 제3절 S/W 개발 결과...198
    41. 1. DHCP 서버 구현...198
    42. 2. 과금 및 통계 기능...200
    43. 3. 기본 호처리 시나리오...204
    44. 4. 핸드오버 시나리오...209
    45. 5. 페이징 시나리오...220
    46. 제4장 결 론...226
    47. 참고문헌...229
    48. Acknowledgement...231
  • 참고문헌

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