공간 분할 다중 접속

공간 분할 다중 접속의 핵심은 지리적 영역을 여러 개의 작은 셀로 나누고, 동일한 주파수를 공간적으로 분리된 셀에서 반복적으로 사용하는 주파수 재사용 개념에 기반을 둔다.

전체 서비스 지역은 정육각형 모양의 셀로 이론적으로 분할된다. 이 정육각형 모양은 완벽한 타일링이 가능하며, 셀 중심 간의 거리를 균일하게 유지할 수 있어 계획에 용이하기 때문에 이상적인 모델로 사용된다[2]. 각 셀은 하나의 기지국이 커버하며, 해당 셀 내의 모든 모바일 스테이션은 이 기지국을 통해 통신한다. 주파수 재사용을 위해 인접한 셀들은 서로 다른 주파수 그룹을 할당받아 동채널 간섭을 피한다.

동일한 주파수 그룹을 사용하는 셀들은 서로 충분히 떨어져 배치되어야 한다. 이 거리를 재사용 거리라고 하며, 간섭을 허용 가능한 수준으로 낮추는 데 결정적이다. 재사용 패턴의 효율성은 일반적으로 'N'개의 셀로 구성된 클러스터 크기로 표현된다. N이 작을수록(예: N=3, 4, 7) 클러스터 내 셀 수가 적어 동일한 지역에 더 많은 주파수를 재사용할 수 있으므로 시스템 용량이 증가한다. 그러나 이는 재사용 거리가 짧아져 간섭이 증가할 위험이 따른다. 반대로 N이 크면(예: N=12, 21) 간섭은 줄지만, 용량도 함께 감소한다.

따라서 네트워크 설계자는 서비스 지역의 트래픽 밀도와 허용 가능한 간섭 수준을 고려하여 적절한 클러스터 크기와 셀 배치를 계획한다. 이 구조를 통해 제한된 주파수 자원을 공간적으로 반복 사용함으로써 전체 시스템의 용량을 극대화할 수 있다.

핸드오프는 모바일 스테이션이 이동하면서 한 기지국의 커버리지 영역(셀)을 벗어나 인접한 다른 기지국의 셀로 서비스를 넘겨받는 과정이다. 이 과정은 통화 중단 없이 원활한 이동 통신 서비스를 유지하기 위한 핵심 메커니즘이다. 핸드오프는 네트워크에 의해 제어되며, 모바일 스테이션은 주변 기지국들의 신호 강도를 지속적으로 측정하여 네트워크에 보고한다.

핸드오프는 실행 방식에 따라 몇 가지 유형으로 구분된다. 우선 제어 주체에 따라 네트워크 제어 핸드오프와 모바일 지원 핸드오프로 나뉜다. 또한 연결 전환 방식에 따라 하드 핸드오프와 소프트 핸드오프가 있다. 하드 핸드오프에서는 먼저 기존 연결을 끊은 후 새 연결을 수립하는 '연결 후 끊기' 방식이다. 이에 비해 소프트 핸드오프는 새 연결을 먼저 수립한 후 기존 연결을 끊는 '연결 후 끊기' 방식으로, CDMA 기반 시스템에서 주로 사용되어 통화 품질을 유지한다.

핸드오프 결정은 일반적으로 다음과 같은 알고리즘에 기반한다.

성공적인 핸드오프를 위해서는 적절한 임계값 설정, 빠른 결정, 그리고 효율적인 무선 자원 관리가 필수적이다. 실패할 경우 통화 끊김 현상이 발생하여 서비스 품질이 저하된다.

기지국은 공간 분할 다중 접속 네트워크의 핵심 인프라 구성 요소이다. 하나 이상의 셀에 대한 무선 커버리지를 제공하는 고정된 장치로, 모바일 스테이션과의 무선 연결을 설정, 유지, 종료하는 역할을 담당한다. 기지국은 일반적으로 셀의 중심 또는 적절한 위치에 설치되며, 안테나, 송수신기, 제어 장치, 백홀 연결 인터페이스 등으로 구성된다.

기지국의 주요 기능은 무선 신호의 송수신, 채널 할당 및 관리, 핸드오프 제어, 그리고 모바일 스위칭 센터와 같은 네트워크 코어와의 트래픽 중계이다. 사용자가 이동하면서 한 셀에서 다른 셀로 이동할 때, 두 셀의 기지국은 서로 협력하여 통화나 데이터 세션의 연속성을 보장하기 위한 핸드오프 절차를 수행한다. 기지국의 성능과 배치 위치는 네트워크 용량, 커버리지 품질, 간섭 수준에 직접적인 영향을 미친다.

기지국의 유형은 커버리지 범위와 용도에 따라 다양하게 구분된다. 매크로셀, 마이크로셀, 피코셀, 펨토셀 등 셀의 크기와 출력 전력에 따라 기지국의 규모와 특성이 달라진다. 예를 들어, 광범위한 지역을 커버하는 매크로셀 기지국은 높은 전력과 높은 안테나 탑을 사용하는 반면, 실내나 고밀도 지역을 위한 피코셀 기지국은 소형이며 저전력으로 운영된다.

셀은 공간 분할 다중 접속 네트워크에서 서비스 영역을 지리적으로 나눈 기본적인 단위이다. 각 셀은 일반적으로 하나의 기지국이 커버하는 범위를 의미하며, 그 모양은 이론상 육각형으로 가정한다. 이는 원형 신호 영역을 겹침 없이 빈틈없이 덮을 수 있는 가장 효율적인 기하학적 형태이기 때문이다[3].

셀의 크기는 서비스 요구사항, 사용자 밀도, 주파수 대역 등에 따라 크게 달라진다. 크게는 반경 수십 킬로미터의 매크로셀부터, 작게는 건물 내부를 커버하는 피코셀이나 펨토셀까지 존재한다. 셀의 크기를 작게 설계하면 단위 면적당 더 많은 주파수를 재사용할 수 있어 시스템 전체 용량이 증가한다. 그러나 이는 더 많은 기지국 설치가 필요해져 인프라 비용이 상승하고, 핸드오프 발생 빈도가 높아지는 트레이드오프가 따른다.

셀 설계의 핵심 목표는 인접 셀 간의 간섭을 최소화하면서 연속적인 서비스 영역을 제공하는 것이다. 이를 위해 동일한 주파수를 사용하는 셀들은 일정 거리 이상 떨어뜨려 배치하는 '주파수 재사용' 패턴을 적용한다. 대표적인 패턴으로는 7개 셀을 하나의 클러스터로 묶는 방식이 널리 사용된다. 셀의 경계에서는 두 개 이상의 기지국 신호가 중첩되어, 모바일 스테이션이 원활한 핸드오프를 수행할 수 있는 영역을 형성한다.

모바일 스테이션은 공간 분할 다중 접속 네트워크에서 사용자 측에 위치하는 이동 가능한 통신 단말기이다. 일반적으로 휴대전화, 스마트폰, 태블릿, 데이터 카드가 삽입된 노트북, 또는 사물인터넷 기기 등이 이에 해당한다. 이 장치는 기지국과 무선 신호를 주고받아 음성 통화, 데이터 전송, 메시징 등 다양한 서비스를 이용할 수 있게 한다.

모바일 스테이션의 핵심 기능은 네트워크에 접속하고, 셀 간 이동 시 핸드오프를 수행하며, 무선 채널을 통해 정보를 송수신하는 것이다. 이를 위해 다음과 같은 주요 하드웨어 및 소프트웨어 구성 요소를 포함한다.

사용자가 이동하면 모바일 스테이션은 주기적으로 인접 기지국의 신호 강도를 측정한다. 현재 서비스 중인 기지국의 신호가 약해지고 다른 기지국의 신호가 더 강해지면, 네트워크는 핸드오프 절차를 시작하여 연결을 새로운 셀로 원활하게 이전한다. 이 과정에서 통화 중단 시간을 최소화하는 것이 핵심 기술적 요구사항 중 하나이다.

셀 설계는 공간 분할 다중 접속 네트워크의 성능, 용량 및 서비스 품질을 결정하는 핵심 과정이다. 설계 목표는 주어진 주파수 자원과 지리적 환경에서 최대한 많은 사용자에게 안정적인 서비스를 제공하는 것이다. 주요 설계 요소로는 셀 반경, 셀 형태, 주파수 재사용 계획, 기지국 배치 등이 포함된다.

셀의 크기와 형태는 서비스 지역의 지형, 건물 밀도, 예상 사용자 수(트래픽 밀도)에 따라 결정된다. 일반적으로 도심과 같이 사용자 밀도가 높은 지역은 반경이 작은 수많은 마이크로셀이나 피코셀을 사용하여 용량을 높인다. 반면, 교외나 농촌 지역은 반경이 큰 매크로셀을 사용하여 넓은 지역을 커버한다. 셀의 이론적 형태는 정육각형으로 가정하는데, 이는 중복 없이 평면을 완전히 덮으면서도 중심 간 거리가 균일한 최적의 형태이기 때문이다.

주파수 재사용 계획은 동일한 주파수 채널을 공간적으로 분리된 셀들에 할당하여 전체 시스템 용량을 극대화하는 작업이다. 설계 시 가장 중요한 고려사항은 동채널 간섭을 허용 가능한 수준으로 유지하는 것이다. 이를 위해 주파수 재사용 계수 (K)를 정의하며, 일반적으로 3, 4, 7, 12 등의 값을 사용한다. 재사용 계수가 작을수록 주파수 효율은 높아지지만, 동채널 셀 간 거리가 가까워져 간섭이 증가하는 트레이드오프 관계가 있다.

셀 설계는 정적인 과정이 아니라 네트워크 성장에 따라 지속적으로 최적화된다. 초기 계획 후, 실제 트래픽 패턴과 간섭 수준을 측정하여 기지국의 출력 전력, 안테나 각도(틸트), 심지어 셀의 추가 또는 분할을 통해 조정하는 과정이 필요하다. 이러한 RF 최적화 작업은 네트워크의 효율성과 서비스 품질을 유지하는 데 필수적이다.

간섭 관리는 공간 분할 다중 접속 네트워크의 성능과 용량을 결정하는 핵심 요소이다. 무선 주파수 자원이 제한된 상황에서 인접 셀들이 동일한 주파수를 재사용하기 때문에 발생하는 셀 간 간섭을 효과적으로 제어하지 않으면 통신 품질이 심각하게 저하된다. 주요 간섭원은 동일한 주파수를 사용하는 인접 셀의 기지국과 단말기이다. 이를 관리하기 위해 주파수 재사용 계획, 전력 제어, 안테나 기술, 그리고 고도화된 네트워크 알고리즘이 활용된다.

주파수 재사용 계획은 간섭을 관리하는 가장 기본적인 방법이다. 네트워크 설계 단계에서 전체 서비스 영역을 여러 개의 셀로 나누고, 이 셀들에 사용 가능한 주파수 대역을 체계적으로 할당하여 동일 주파수를 사용하는 셀들 사이의 물리적 거리를 최대화한다. 대표적인 방식으로는 주파수 재사용 인자(예: 1, 3, 7)를 기반으로 한 고정 할당 방식이 있으며, 네트워크 부하에 따라 주파수를 유연하게 재배치하는 동적 채널 할당 방식도 발전했다.

보다 진보된 간섭 관리 기술로는 적응형 전력 제어와 스마트 안테나 기술이 있다. 적응형 전력 제어는 단말기와 기지국이 상대방에게 필요한 최소한의 송신 전력만을 사용하도록 실시간으로 조절하여 불필요한 간섭 신호의 전력을 줄인다. 스마트 안테나, 특히 다중 입출력 기술은 빔포밍을 통해 신호 에너지를 특정 사용자에게 집중시켜 전송함으로써 다른 방향으로의 간섭을 최소화하고 신호 대 간섭 잡음비를 향상시킨다.

4세대 및 5세대 이동 통신에서는 이러한 기법들이 더욱 정교해졌다. LTE와 5G NR에서는 다수의 기지국이 협력하여 사용자 데이터와 간섭 신호를 함께 처리하는 CoMP와 같은 기술이 도입되었다. 또한, 초고밀도 소형 셀 네트워크를 배치할 때는 매크로 셀과의 계층적 간섭을 관리하기 위해 크리프티드 스펙트럼 공유나 부분적 주파수 재사용 등의 기법이 적용된다.

셀 경계 간섭은 인접한 셀들이 동일한 주파수 채널을 재사용할 때, 서로의 통신 영역 경계에서 발생하는 원치 않는 신호 간섭을 가리킨다. 이는 공간 분할 다중 접속 시스템의 근본적인 설계 특성인 주파수 재사용에서 비롯된 필연적인 현상이다. 시스템 용량을 극대화하기 위해 제한된 주파수 자원을 지리적으로 분리된 셀들에 반복적으로 할당하면, 충분히 떨어진 셀 간에는 문제가 없지만, 경계를 맞대고 있는 셀들 사이에서는 서로의 신호가 간섭원으로 작용하게 된다.

간섭은 크게 두 가지 유형으로 나뉜다. 첫째는 동채널 간섭으로, 동일한 주파수를 사용하는 다른 셀의 기지국 신호가 목표 셀의 모바일 스테이션에 도달하여 발생한다. 둘째는 인접 채널 간섭으로, 주파수 스펙트럼 상에서 매우 인접한 채널을 사용하는 신호가 필터링의 불완전성으로 인해 서로 영향을 미칠 때 생긴다. 셀 경계에 위치한 사용자는 원하는 기지국의 신호보다 간섭 신호의 세기가 더 강해질 수 있으며, 이는 통화 품질 저하, 데이터 전송 속도 감소, 심지어 연결 끊김으로 이어진다.

이 간섭을 관리하고 완화하기 위한 여러 기술이 개발되어 적용된다. 핵심은 간섭 신호의 세기를 최소화하거나, 유용한 신호의 세기를 상대적으로 강화하는 것이다.

특히 4G LTE와 5G NR에서는 OFDMA 기반의 주파수 자원 스케줄링, ICIC와 eICIC 같은 셀 간 간섭 협조 기술, 그리고 네트워크 밀집화에 따른 초소형 셀 도입으로 인한 새로운 형태의 간섭을 해결하기 위한 노력이 지속되고 있다.

핸드오프 실패는 모바일 스테이션이 한 기지국의 서비스 영역(셀)에서 다른 기지국의 서비스 영역으로 원활하게 이동할 수 없어 통신이 단절되는 현상이다. 이는 핸드오프 과정에서 발생하는 주요 문제점 중 하나로, 통화 중 끊김 또는 데이터 세션 손실로 이어진다.

핸드오프 실패의 주요 원인은 다음과 같다.

이러한 실패를 완화하기 위해 다양한 기법이 사용된다. 예를 들어, 핸드오프 마진을 적절히 설정하거나, 예비 채널을 확보하는 방식의 셀 설계 및 계획이 중요하다. 또한, 핸드오프를 예측하고 준비하는 예측형 핸드오프 알고리즘, 그리고 4G LTE나 5G 네트워크에서 채택된 네트워크 중심의 제어 방식을 통한 빠른 자원 할당 등이 핸드오프 실패율을 낮추는 데 기여한다.

공간 분할 다중 접속은 현대 이동 통신 시스템의 근간을 이루는 기술로, 세대별 기술 발전에 따라 그 구현 방식과 효율성이 진화해왔다.

초기 2G 시스템(예: GSM)에서는 주로 시분할 다중 접속과 결합된 형태로 SDMA 개념이 적용되었다. 지리적 영역을 셀로 나누고 제한된 주파수 대역을 재사용함으로써 동시 접속자 수를 늘리고 시스템 용량을 증대시켰다. 3G 시대(예: W-CDMA)에 들어서는 코드분할다중접속과의 결합이 두드러졌으며, 스마트 안테나 기술의 초기 적용으로 공간 필터링을 통한 간섭 감소와 용량 향상이 시도되었다.

4G LTE와 5G NR에서는 SDMA의 개념이 고도화된 다중 사용자 MIMO 형태로 발전했다. 기지국이 다수의 안테나를 사용하여 공간적으로 분리된 여러 사용자에게 동일한 시간-주파수 자원을 동시에 할당할 수 있게 되었다. 이는 특히 5G에서 대규모 MIMO 기술과 결합되어 빔포밍을 통해 매우 정밀한 공간 분할과 높은 스펙트럼 효율을 실현한다. 세대가 올라갈수록 셀의 크기는 작아지는 소형화 경향을 보이며, 매크로셀, 마이크로셀, 피코셀, 펨토셀 등 이종 네트워크 구성이 일반화되었다.

공간 분할 다중 접속의 원리는 무선 LAN 환경, 특히 IEEE 802.11 표준 기반의 Wi-Fi 네트워크에서도 핵심적인 역할을 한다. 무선 LAN은 일반적으로 액세스 포인트를 중심으로 서비스 영역을 형성하는데, 이는 셀 개념과 유사하다. 다수의 액세스 포인트를 설치하여 건물 내 층별이나 넓은 캠퍼스 등에서 공간적으로 네트워크 커버리지를 분할하고 확장하는 방식이 적용된다.

셀 설계의 핵심은 인접한 액세스 포인트가 서로 다른 채널을 사용하도록 배치하여 동채널 간섭을 최소화하는 것이다. 예를 들어, 2.4 GHz 대역의 비중첩 채널(1, 6, 11번)을 번갈아 가며 배치하는 방식이 일반적이다. 이를 통해 한정된 주파수 자원을 공간적으로 재사용하여 전체 네트워크 용량을 극대화할 수 있다. 사용자는 물리적으로 이동할 때 가장 강한 신호를 제공하는 액세스 포인트에 자동으로 연결되며, 이 과정은 로밍이라고 불린다.

이러한 방식은 고밀도 사무실, 공항, 대학 캠퍼스, 스마트 팩토리 등에서 수백乃至 수천 명의 사용자에게 안정적인 고속 무선 서비스를 제공하는 기반이 된다. 특히 Wi-Fi 6 (802.11ax)와 같은 최신 표준은 OFDMA 및 향상된 스케줄링 기술을 도입하여 고밀도 환경에서의 다중 사용자 접속 효율을 더욱 높였으며, 이는 공간 분할과 결합되어 전체 네트워크 성능을 개선한다.

공간 분할 다중 접속은 주파수 분할 다중 접속, 시분할 다중 접속, 코드 분할 다중 접속과 함께 무선 통신에서 채널 용량을 증가시키는 핵심적인 다중 접속 방식 중 하나이다. 이들 방식은 제한된 무선 자원을 여러 사용자에게 효율적으로 할당하는 원리가 근본적으로 다르며, 종종 상호 보완적으로 결합되어 사용된다.

각 방식의 핵심 원리와 특징은 다음과 같이 비교할 수 있다.

FDMA와 TDMA는 각각 주파수 또는 시간이라는 단일 차원에서 자원을 분할하는 방식이다. 반면, CDMA는 코드 차원을 추가하여 주파수 효율을 높였지만, 사용자 간 간섭을 완전히 제거하지는 못한다. SDMA는 이들과 차원이 다르며, 공간이라는 새로운 자원을 활용한다는 점에서 독특하다. SDMA는 동일한 주파수를 지리적으로 떨어진 셀에서 재사용하거나, 하나의 기지국 안에서 빔포밍 기술을 통해 여러 사용자에게 공간적으로 분리된 빔을 제공함으로써 시스템 전체의 용량을 극대화한다.

현대의 이동 통신 시스템은 단일 방식만을 사용하기보다는 이러한 방식을 혼합하여 적용한다. 예를 들어, GSM은 TDMA와 FDMA를 결합했으며, 3G WCDMA는 CDMA를 기본으로 하면서도 셀 구조(SDMA)를 필수적으로 사용한다. 4G LTE와 5G NR에서는 OFDMA(직교 주파수 분할 다중 접속)가 기본 다중 접속 방식으로 채택되었지만, 여전히 핵심 기반 구조로서 셀룰러 네트워크(SDMA)와 고급 빔포밍 기술을 통해 공간 분할의 이점을 극대화하고 있다.