셀룰러 기지국 구조

셀룰러 네트워크의 핵심 개념은 지리적 영역을 여러 개의 작은 구역, 즉 셀(Cell)로 나누는 것이다. 각 셀은 일반적으로 육각형 모양으로 추상화되어 표현되며, 하나의 기지국이 무선 서비스를 제공하는 범위를 나타낸다. 이렇게 공간을 분할하는 주요 목적은 제한된 주파수 자원을 효율적으로 재사용하기 위함이다.

주파수 재사용은 동일한 주파수 대역을 지리적으로 충분히 떨어진 다른 셀에서 반복적으로 사용하는 방식을 말한다. 인접한 셀들은 서로 다른 주파수 그룹을 할당받아 간섭(Interference)을 피한다. 특정 주파수 그룹을 사용하는 셀들 사이의 최소 거리를 '재사용 거리'라고 하며, 이 거리는 네트워크 설계의 핵심 변수이다. 재사용 거리가 충분하면, 한 셀에서 발생하는 신호가 동일 주파수를 사용하는 다른 셀에서의 통신에 유해한 간섭을 일으키지 않는다.

주파수 재사용의 효율성은 '재사용 계수' 또는 '클러스터 크기'로 표현된다. 클러스터는 모든 주파수 그룹이 한 번씩 사용되는 인접 셀들의 집합을 의미한다. 예를 들어, 클러스터 크기가 7이라면 7개의 셀이 하나의 클러스터를 이루며, 네트워크 전체는 이 클러스터 패턴이 반복되어 구성된다[1]. 클러스터 크기가 작을수록 동일한 면적 내에서 주파수가 더 자주 재사용되어 전체 시스템 용량(Capacity)은 증가하지만, 셀 간 간섭의 위험도 함께 증가한다. 따라서 네트워크 설계자는 용량 요구사항과 허용 가능한 간섭 수준 사이의 균형을 고려하여 최적의 재사용 패턴을 결정한다.

핸드오버는 이동 중인 단말기가 한 셀의 서비스 영역에서 벗어나 인접한 다른 셀로 이동할 때, 통화 연결이나 데이터 세션의 끊김 없이 연결을 원활하게 이전하는 과정이다. 이 과정은 셀룰러 네트워크가 이동성을 지원하는 가장 핵심적인 기능 중 하나이다. 핸드오버가 성공적으로 수행되지 않으면 통화가 끊기거나 데이터 전송이 중단되는 현상이 발생한다.

핸드오버는 크게 두 가지 주요 유형으로 구분된다. 첫째는 '경계 핸드오버'로, 단말기가 현재 연결된 기지국의 신호 강도가 약해지고 인접 기지국의 신호가 더 강해질 때 발생한다. 둘째는 '부하 분산 핸드오버'로, 특정 셀이 가입자 수가 너무 많아 혼잡해질 때 네트워크가 인접 셀로 일부 단말기의 연결을 조기에 넘겨 부하를 균형 있게 분배하는 것이다. 또한, 동일한 기지국 내의 다른 셀룰러 기지국 섹터 간에 발생하는 '섹터 간 핸드오버'도 있다.

핸드오버 절차는 일반적으로 다음 단계를 따른다.

1. 측정(Measurement): 단말기는 주기적으로 현재 서빙 셀과 주변 셀들의 신호 품질(예: RSSI, 신호 대 잡음비)을 측정하여 네트워크에 보고한다.

2. 결정(Decision): 네트워크(일반적으로 기지국 컨트롤러 또는 분산된 알고리즘)는 측정 보고서를 분석하여 핸드오버가 필요한지와 목표 셀이 어디인지를 결정한다.

3. 실행(Execution): 네트워크는 목표 기지국에 자원을 할당하고, 단말기와 양쪽 기지국 간에 신호를 교환하여 연결을 새 셀로 빠르게 전환한다. 이 과정에서 데이터 전송은 매우 짧은 지연으로 유지된다.

핸드오버의 성능은 통화 끊김률과 핸드오버 지연 시간으로 평가된다. 네트워크는 복잡한 알고리즘을 사용하여 너무 빈번한 불필요한 핸드오버(핑퐁 핸드오버)나 너무 늦은 핸드오버를 방지하며, 최적의 사용자 경험과 네트워크 효율성을 보장한다.

안테나 시스템은 무선 신호를 공중으로 방사하거나 수신하는 물리적 인터페이스 역할을 한다. 이 시스템은 주로 안테나 자체, 안테나를 지지하는 철탑 또는 마스트, 그리고 안테나를 무선 장비에 연결하는 동축 케이블 또는 도파관 등의 급전선으로 구성된다. 안테나는 특정 방향으로 신호를 집중시키거나 전 방향으로 고르게 전파를 방사하는 패턴을 가지며, 이는 안테나 이득과 빔 형성 기술에 의해 결정된다.

셀룰러 기지국에서 사용되는 안테나는 주로 다중 요소 배열 형태를 띠며, 이를 통해 공간 다중화 및 빔포밍과 같은 고급 기능을 구현한다. 대표적인 형태로 MIMO 기술을 지원하기 위한 다중 안테나 배열이 있다. 안테나는 일반적으로 수직 편파 또는 45도 경사 편파 방식을 사용하며, 두 가지 편파를 동시에 사용하는 교차 편파 안테나도 널리 사용되어 용량을 증가시킨다.

안테나 시스템의 주요 성능 지표는 다음과 같다.

설치 시에는 커버리지 목표에 따라 안테나의 방위각과 하향각을 정밀하게 조정한다. 이를 통해 원하는 셀 경계를 형성하고 인접 셀 간의 간섭을 최소화한다. 최근 기술 발전으로는 대규모 안테나 배열을 활용한 매시브 MIMO 시스템이 도입되어, 더욱 정교한 빔포밍과 높은 스펙트럼 효율을 실현하고 있다.

무선 장비는 기저대역 처리 장치로부터 디지털 신호를 받아 무선 주파수(RF) 신호로 변환하고 증폭하여 안테나 시스템으로 전송하는 역할을 한다. 반대로 안테나로부터 수신된 약한 RF 신호를 증폭하고 디지털 신호로 변환하여 기저대역 유닛으로 되돌려 보낸다. 이 핵심 변환 과정은 업링크와 다운링크 통신을 가능하게 한다.

주요 구성 요소로는 트랜시버(송수신기), 파워 앰프(전력 증폭기), 그리고 듀플렉서가 있다. 트랜시버는 송신과 수신 기능을 통합한 장치이다. 파워 앰프는 송신 신호를 증폭하여 넓은 지역에 신호를 전파할 수 있도록 한다. 듀플렉서는 하나의 안테나를 통해 송신과 수신 신호를 분리하여 동시에 처리할 수 있게 한다.

이 장비들은 통상 기지국 캐비닛 내에 랙 형태로 설치되며, 심한 기상 조건과 온도 변화에도 안정적으로 작동하도록 설계된다. 최신 기지국에서는 MIMO(다중 입출력) 기술 지원을 위해 여러 개의 트랜시버 체인을 통합하고, 소프트웨어 정의 무선(SDR) 기술을 도입하여 유연한 주파수와 프로토콜 대응이 가능해지고 있다.

기저대역 처리 장치는 셀룰러 네트워크의 기지국에서 안테나 시스템과 무선 장비로부터 수신된 신호의 핵심 디지털 처리를 담당하는 장치이다. 주로 기저대역 유닛이라고 불리며, 무선 장비와는 별도로 실내에 설치되는 경우가 많다. 이 장치는 아날로그 신호와 디지털 신호 사이의 변환 경계에 위치하여, 변조와 복조, 채널 코딩과 디코딩, 다중화와 역다중화 등 무선 접속의 기본적인 디지털 신호 처리 기능을 수행한다.

주요 처리 과정은 다음과 같다. 상향링크에서는 안테나를 통해 수신된 고주파 신호가 무선 장비에서 중간 주파수로 변환된 후, 기저대역 처리 장치에서 아날로그-디지털 변환기를 거쳐 디지털 샘플로 변환된다. 이후 직교 주파수 분할 다중화 신호의 복조, 오류 정정 코드 디코딩, 사용자 데이터와 제어 신호의 분리 등이 이루어진다. 하향링크에서는 반대 과정으로 사용자 데이터에 대한 채널 코딩과 변조를 수행한 후, 무선 장비로 전송하여 최종적으로 고주파 신호로 변환되어 방송된다.

기저대역 처리 장치의 성능과 복잡도는 이동통신 세대에 따라 크게 진화해왔다. 3G WCDMA에서는 확산 코드 처리에 중점을 두었고, 4G LTE에서는 OFDMA와 MIMO 기술 지원을 위한 대규모 병렬 처리 능력이 요구되었다. 5G NR에서는 더 넓은 대역폭과 더 많은 안테나 수를 지원하기 위해 처리량과 계산 복잡도가 극적으로 증가하였으며, 이는 가상화 및 클라우드 기술과 결합된 C-RAN 구조로의 발전을 촉진하는 요인이 되었다.

전원 시스템은 기지국이 정상적으로 작동하기 위한 필수적인 에너지를 공급하는 역할을 한다. 일반적으로 상용 교류 전원을 사용하지만, 원격 지역이나 전력 공급이 불안정한 곳에서는 태양광 발전이나 풍력 발전과 같은 대체 에너지원을 활용하기도 한다. 입력된 교류 전원은 정류기를 통해 직류로 변환된 후, 배터리와 함께 무정전 전원 공급 장치에 연결된다. 이 과정에서 전압과 전류를 안정화하여 무선 장비와 같은 핵심 부하에 깨끗한 전력을 공급한다.

백업 시스템은 주 전원 공급이 중단되는 비상 상황에서 기지국의 서비스를 일정 시간 동안 유지하는 것을 목표로 한다. 가장 일반적인 백업 수단은 납축 배터리이다. 이 배터리는 주 전원이 정상일 때 충전되다가 정전 시 즉시 방전 모드로 전환되어 부하에 전력을 공급한다. 백업 시간은 네트워크 운영자의 요구사항과 배터리 용량에 따라 달라지며, 통상 수 시간에서 하루까지를 목표로 설계된다.

보다 긴 시간의 정전에 대비하거나 고가용성이 요구되는 핵심 기지국에는 디젤 발전기와 같은 2차 백업 시스템이 추가로 설치된다. 배터리 백업은 즉시 전환되는 반면, 디젤 발전기는 시동 및 정상 출력까지 수 분의 시간이 소요된다. 따라서 배터리는 발전기가 가동될 때까지의 짧은 간극을 메우는 역할을 한다. 전원 및 백업 시스템의 구성은 일반적으로 다음과 같다.

전원 관리 시스템은 이러한 모든 요소를 모니터링하고 제어한다. 이 시스템은 배터리의 충전 상태, 부하 전류, 발전기 운전 상태 등을 실시간으로 점검하며, 이상 상황이 발생하면 네트워크 운영 센터로 경보를 전송한다. 효율적인 전원 및 백업 설계는 네트워크의 가용성과 신뢰성을 보장하는 핵심 요소이다.

매크로셀 기지국은 셀룰러 네트워크에서 가장 넓은 지리적 범위를 커버하는 기지국 유형이다. 일반적으로 높은 타워, 건물 옥상, 독립된 철탑에 설치되며, 수십 킬로미터에 달하는 광범위한 서비스 반경을 제공한다. 이는 넓은 농촌 지역, 고속도로, 교외와 같은 넓은 지역에 기본적인 무선 접속망(RAN) 서비스를 제공하는 데 주로 사용된다. 높은 송신 전력과 고가의 대형 안테나를 사용하여 최대한 넓은 영역을 커버하는 것이 주요 목표이다.

매크로셀 기지국의 구성은 다른 유형의 기지국에 비해 가장 복잡하고 규모가 크다. 주요 구성 요소로는 고출력의 무선 장비(RU/RE), 기저대역 처리 장치(BBU), 전력 증폭기, 그리고 다중 섹터를 형성하는 대형 패널 안테나가 포함된다. 이 기지국들은 일반적으로 전용의 기지국 사이트를 필요로 하며, 강력한 전원 및 백업 시스템과 냉각 장치를 갖추고 있다. 또한 코어 네트워크와의 신뢰성 높은 유선 백홀 연결(예: 광케이블, 마이크로파)이 필수적으로 요구된다.

다른 소형 셀 기지국과 비교했을 때 매크로셀 기지국의 주요 특징은 다음과 같다.

매크로셀 기지국은 네트워크의 골격을 형성하는 핵심 인프라이다. 마이크로셀이나 피코셀 기지국은 매크로셀의 커버리지 내에서 특정 핫스팟의 용량을 보충하거나 실내 커버리지를 확장하는 역할을 하는 반면, 매크로셀은 네트워크의 기본적인 연결성을 보장한다. 현대 네트워크에서는 주파수 재사용과 셀(Cell) 분할을 통해 매크로셀 기지국들로 구성된 격자 구조를 형성하며, 이를 통해 전국적인 이동 통신 서비스를 가능하게 한다.

마이크로셀 기지국은 도시 환경에서 매크로셀 기지국의 커버리지와 용량을 보완하기 위해 배치되는 소형 기지국이다. 일반적으로 반경 수백 미터 이내의 비교적 작은 지역을 커버하며, 주로 도심의 보행자 통행량이 많은 거리, 쇼핑몰, 교통 환승 지점, 또는 매크로셀 커버리지의 약점이 발생하는 지역에 설치된다. 송신 출력이 낮고 안테나 높이가 낮아 커버리지 영역이 제한적이지만, 이로 인해 동일 주파수를 인접 지역에서 더 조밀하게 재사용할 수 있어 네트워크의 전체 용량을 크게 향상시킨다.

마이크로셀의 물리적 구조는 가로등, 전신주, 건물 외벽 등에 장착되는 소형 캐비닛과 저전력 안테나로 구성되는 경우가 많다. 이는 매크로셀에 비해 설치가 상대적으로 용이하고 미관상 덜 두드러지는 장점이 있다. 주요 목적은 고밀도 사용자 지역에서 발생하는 트래픽을 분산시키고, 건물 그림자 효과나 좁은 골목길 같은 무선 신호의 취약 지점을 해소하는 것이다.

마이크로셀은 네트워크 설계에서 용량 증대와 핫스팟 커버리지 제공에 중점을 둔다. 아래 표는 매크로셀과 마이크로셀의 주요 특성을 비교한 것이다.

이러한 기지국은 RAN의 중요한 부분으로, 트래픽을 수집하여 코어 네트워크로 전달한다. 5G와 같은 최신 네트워크에서는 초고밀도 네트워크 구현을 위해 마이크로셀의 배치가 더욱 중요해지고 있다.

피코셀 기지국은 실내나 소규모 실외 공간의 무선 커버리지와 용량을 보강하기 위해 설계된 저출력, 소형 기지국이다. 일반적으로 수십 미터에서 100미터 내외의 반경을 커버하며, 주로 사무실 건물, 쇼핑몰, 공항 대합실, 호텔 로비, 지하철역 등 비교적 제한된 공간에서 사용자 밀집으로 인한 통화 품질 저하나 데이터 정체를 해결한다. 출력은 수백 밀리와트(mW) 수준으로, 매크로셀 기지국보다 훨씬 낮다.

이 기지국은 마이크로셀보다 더 작은 범위를 담당하며, 주로 유선 백홀(예: 이더넷, 광케이블)을 통해 코어 네트워크에 연결된다. 설치가 상대적으로 간편하고 비용 효율적이어서, 통신 사업자가 특정 핫스팟 지역의 네트워크 용량을 신속하게 증강하는 데 적합하다. 사용자에게는 매크로셀 기지국과의 원활한 핸드오버를 통해 이동 중에도 끊김 없는 서비스를 제공한다.

주요 적용 사례와 기술적 특징은 다음 표와 같다.

피코셀 기지국의 도입은 네트워크 용량을 세분화하여 분산시키는 네트워크 분산 전략의 일환이며, 전체적인 셀룰러 네트워크의 스펙트럼 효율성을 높이는 데 기여한다.

펨토셀 기지국은 가장 작은 규모의 셀룰러 네트워크 기지국으로, 주로 실내에서 매우 제한된 범위의 무선 커버리지를 제공하는 소형 저전력 장치이다. 일반적으로 가정, 소규모 사무실 또는 특정 실내 공간에서 사용되며, 서비스 범위는 수십 미터에 불과하다. 펨토셀은 가입자의 광대역 인터넷 연결(예: xDSL, 케이블 모뎀, 광섬유)을 백홀(backhaul)로 활용하여 코어 네트워크에 트래픽을 전송한다. 이는 통신 사업자의 기존 매크로셀 네트워크를 보완하고, 실내에서의 통화 품질 및 데이터 속도를 개선하는 데 주된 목적이 있다.

펨토셀의 주요 구성과 특징은 다음과 같다. 하드웨어는 소형 실내용 장치 형태로, 일반적인 라우터 크기와 유사하다. 내부에는 소형 안테나, 저전력 무선 송수신기, 그리고 네트워크 게이트웨이 기능을 통합한 기저대역 처리 장치가 포함된다. 소비자가 직접 설치할 수 있도록 설계되었으며, 플러그 앤 플레이 방식으로 동작한다. 펨토셀은 제한된 수의 동시 사용자(보통 4~16명)만을 지원하도록 용량이 설정되어 있다.

펨토셀 도입의 장점과 활용 방안은 주로 네트워크 효율성 증대와 서비스 품질 개선에 있다. 매크로셀 기지국의 트래픽 부하를 분산시켜 네트워크 전체의 용량(Capacity)을 늘린다. 특히 건물 내부에서 발생하는 신호 감쇠 문제를 해결하여 실내 커버리지 블랙홀을 제거한다. 이는 사용자에게 더 나은 서비스 경험을 제공하고, 사업자에게는 네트워크 운영 효율성을 높이는 결과를 가져온다. 보안 측면에서는 가입자의 인터넷 연결을 통해 안전한 터널(예: IPsec)을 형성하여 데이터를 암호화 전송한다.

그러나 펨토셀은 간섭(Interference) 관리, 특히 인접한 매크로셀 또는 다른 펨토셀과의 주파수 간섭을 최소화하기 위한 자체적인 간섭 제어 메커니즘을 필요로 한다. 또한, 사업자 입장에서는 수많은 펨토셀 장치를 원격으로 구성, 관리, 모니터링할 수 있는 효율적인 관리 시스템의 구축이 필수적이다.

RAN은 셀룰러 네트워크에서 사용자 장치와 코어 네트워크를 연결하는 무선 접속 부분을 총칭한다. 이는 기지국과 그 제어 장치들로 구성되며, 사용자의 무선 신호를 수신하여 처리하고 코어 네트워크로 전달하는 역할을 담당한다. RAN의 주요 기능은 무선 자원 관리, 핸드오버 제어, 사용자 데이터의 암호화 및 압축, 그리고 코어 네트워크로의 트래픽 라우팅이다.

RAN의 구체적인 구성 요소는 세대별 기술에 따라 다르다. 2G GSM에서는 BTS(기지국 송수신기)와 이를 제어하는 BSC(기지국 제어기)가 RAN을 이루었다. 3G UMTS에서는 Node B와 RNC(무선 네트워크 제어기)가 해당 역할을 했다. 4G LTE로 진화하면서 네트워크 구조가 평평해졌으며, RAN은 eNodeB라는 단일 노드로 구성된다. eNodeB는 기존의 Node B와 RNC의 기능을 통합하여 지연을 줄이고 효율성을 높였다.

최신 5G NR(New Radio)의 RAN은 더욱 유연한 구조를 지닌다. 기존의 통합된 기지국 장비를 무선 기능과 처리 기능으로 분리한 CU-DU 분리 아키텍처를 도입한다. DU(분산 단위)는 실시간 처리가 필요한 무선 신호 처리를 담당하고, CU(중앙 집중 단위)는 비실시간적인 제어 및 사용자 데이터 처리를 담당한다. 이 분리는 C-RAN 구현을 용이하게 하며, 네트워크 리소스를 유연하게 배치하고 관리할 수 있게 한다.

RAN은 코어 네트워크와 표준화된 인터페이스를 통해 연결된다. 예를 들어, LTE eNodeB는 S1 인터페이스를 통해 EPC(진화된 패킷 코어)에 연결된다. 5G에서는 gNB(5G 기지국)가 NG 인터페이스를 통해 5GC(5G 코어)에 연결된다. 이러한 인터페이스를 통해 제어 신호와 사용자 데이터가 원활히 교환되며, 서로 다른 벤더의 장비 간 상호 운용성이 보장된다.

기지국은 무선 접속망(RAN)의 일부로서, 단말기와의 무선 연결을 담당한다. 그러나 실제 통화나 데이터 세션의 제어, 사용자 인증, 외부 네트워크와의 연결 등 핵심 기능은 코어 네트워크가 수행한다. 따라서 기지국은 반드시 코어 네트워크와 연결되어야 하며, 이 연결은 표준화된 인터페이스를 통해 이루어진다.

인터페이스의 종류와 프로토콜은 세대별 통신 기술에 따라 진화해왔다. 2G(GSM) 네트워크에서는 기지국(BTS)과 코어 네트워크(MSC)가 A 인터페이스를 사용하여 연결되었다. 3G(UMTS)에서는 Node B와 RNC가 Iub 인터페이스로, RNC와 코어 네트워크(CS 도메인의 MSC, PS 도메인의 SGSN)가 각각 Iu-CS와 Iu-PS 인터페이스로 연결되었다.

4G(LTE)에서는 플랫 아키텍처가 도입되면서 RNC가 사라지고, 기지국(eNodeB)이 직접 코어 네트워크(EPC)와 연결된다. 이때 사용되는 것이 S1 인터페이스이다. S1 인터페이스는 제어 신호를 전송하는 S1-MME(eNodeB와 MME 간)와 사용자 데이터를 전송하는 S1-U(eNodeB와 S-GW 간)로 구분된다. 5G(NR)에서는 NG 인터페이스가 이 역할을 계승하며, gNodeB는 제어 평면에서는 AMF와 N2 인터페이스로, 사용자 평면에서는 UPF와 N3 인터페이스로 연결된다. 이러한 인터페이스들은 모두 IP 기반의 패킷 전송 네트워크를 통해 운용된다.

커버리지 계획은 특정 서비스 품질을 보장하면서 무선 신호가 도달해야 하는 지리적 영역을 정의하고, 이를 실현하기 위한 기지국 배치 전략을 수립하는 과정이다. 이 계획은 네트워크 설계의 핵심 단계로, 목표 서비스 지역 내에서 핸드오버 없이도 통화가 가능한 영역을 최대화하는 것을 목표로 한다.

계획 수립 시 가장 먼저 고려되는 요소는 목표 지역의 지형과 지물이다. 평탄한 평야, 산악 지형, 고층 빌딩이 밀집한 도심, 실내 공간 등 환경에 따라 전파의 전파 특성이 크게 달라진다. 이를 예측하기 위해 전파 전파 모델을 사용한다. 이 모델은 지형 데이터, 빌딩 높이, 주파수 대역 등의 입력값을 바탕으로 신호 강도의 감쇠를 시뮬레이션하여 각 후보 기지국 위치의 예상 커버리지 반경을 계산한다.

최종적인 커버리지 계획은 단순히 신호 도달 범위를 확보하는 것을 넘어, 경제성과 용량 계획과의 균형을 맞추어야 한다. 과도하게 넓은 셀을 설계하면 용량 부족과 간섭 증가를 초래할 수 있으며, 반대로 너무 많은 기지국을 설치하면 막대한 건설 및 유지보수 비용이 발생한다. 따라서 계획자는 목표 커버리지 달성, 충분한 네트워크 용량 확보, 그리고 총 소유 비용 최소화라는 세 가지 목표를 종합적으로 고려하여 최적의 기지국 위치, 수량, 구성을 결정한다.

용량 계획은 특정 셀(Cell) 또는 기지국이 동시에 처리할 수 있는 사용자 수와 데이터 트래픽 양을 확보하기 위한 설계 과정이다. 이는 단순한 지리적 커버리지 확보를 넘어, 네트워크가 예상되는 부하를 효율적으로 수용하고 서비스 품질을 유지할 수 있도록 하는 것을 목표로 한다. 계획의 핵심은 주어진 주파수 스펙트럼과 물리적 인프라 내에서 최대 처리량을 달성하는 것이다.

용량 요구사항은 주로 지역의 인구 밀도, 사용자 행동 패턴(예: 동영상 스트리밍 증가), 시간대별 트래픽 변화(러시아워 현상) 등을 기반으로 추정된다. 주요 계획 요소는 다음과 같다.

용량 계획은 간섭(Interference) 관리 및 주파수 재사용 계획과 긴밀하게 연관된다. 셀 반경을 줄여 용량을 높이는 셀 분할은 동일 주파수를 재사용하는 셀들의 거리가 가까워지게 만들어 간섭 증가를 유발할 수 있다. 따라서 고용량 지역에서는 마이크로셀이나 피코셀과 같은 소형 기지국을 계층적으로 배치하는 헤테로지니어스 네트워크 구축이 일반적이다. 또한, 부하 분산(Load Balancing) 기술을 통해 인접 셀들 사이에서 사용자를 균형 있게 분배하여 특정 기지국의 과부하를 방지한다.

트래픽은 지속적으로 증가하고 사용 패턴이 진화하기 때문에, 용량 계획은 일회성 작업이 아니라 지속적인 모니터링과 예측을 통한 확장성 있는 접근이 필요하다. 네트워크 운영자는 트래픽 데이터를 분석하여 병목 현상을 파악하고, 소프트웨어 업그레이드, 추가 주파수 할당, 또는 새로운 기지국 설치 등을 통해 용량을 단계적으로 증설한다.

간섭 관리는 셀룰러 네트워크의 성능과 용량을 최적화하는 데 필수적인 설계 요소이다. 간섭은 인접한 셀(Cell)들이 동일하거나 인접한 주파수를 사용할 때 발생하는 신호 간의 불필요한 영향을 가리킨다. 이는 통화 품질 저하, 데이터 속도 감소, 심지어 통신 연결 끊김을 초래할 수 있다. 간섭은 크게 동일 채널 간섭과 인접 채널 간섭으로 나뉜다. 동일 채널 간섭은 주파수 재사용 계획에서 동일한 주파수를 사용하는 서로 다른 셀들 사이에서 발생하며, 인접 채널 간섭은 서로 인접한 주파수 대역을 사용하는 채널 사이에서 발생한다.

간섭을 관리하는 주요 방법은 주파수, 공간, 전력의 세 가지 차원에서 이루어진다. 주파수 도메인에서는 신중한 주파수 재사용 계획이 핵심이다. 이를 위해 셀들을 클러스터로 그룹화하고, 클러스터 내 각 셀에 고유한 주파수 세트를 할당하여 동일 채널 간섭을 최소화한다. 재사용 거리는 셀 반경과 재사용 인자에 따라 계산된다. 공간 도메인에서는 안테나의 틸트(기울기)와 방위각을 조정하여 주 신호가 원하는 커버리지 영역에 집중되도록 하고, 간섭이 발생하는 영역으로의 신호 누출을 줄인다. 또한, 섹터 안테나를 사용하여 셀을 여러 섹터로 나누는 것도 공간적 분리를 통한 간섭 관리 기법이다.

전력 제어는 간섭 관리에 있어 매우 중요한 기법이다. 기지국과 이동 단말 모두 필요한 최소한의 전송 전력으로 통신하도록 조절하여 불필요한 간섭을 줄인다. 특히 업링크(단말→기지국)에서의 전력 제어는 근처에 있는 단말이 먼 거리에 있는 단말의 신호를 압도하지 않도록 하여 기지국 수신기의 성능을 보호한다. 현대 네트워크에서는 ICIC(Inter-Cell Interference Coordination)와 같은 고급 기술이 사용된다. ICIC는 인접 셀들 사이에 자원(예: 특정 시간-주파수 블록) 사용을 협상하거나 제한함으로써 간섭을 사전에 완화한다.

간섭은 네트워크가 조밀해지고 마이크로셀(Microcell) 기지국이나 피코셀(Picocell) 기지국이 추가될수록 관리가 더 복잡해진다. 특히 5G(NR) 네트워크에서는 초고밀도 네트워크部署와 다양한 주파수 대역의 사용으로 인해 CoMP(Coordinated Multi-Point)[4]와 같은 더 정교한 협력 기법이 간섭 관리의 핵심이 되었다.

4세대 이동통신인 LTE는 이전 세대보다 높은 데이터 속도와 낮은 지연 시간을 제공하기 위해 기지국 구조에 상당한 변화를 도입했다. 핵심은 OFDMA를 기반으로 한 무선 접속 기술 채택과, 네트워크 아키텍처의 평탄화(Flattening)이다. 기존의 계층적 구조를 가진 UMTS와 달리, LTE는 Node B와 RNC의 기능을 통합한 eNodeB라는 단일 노드로 RAN을 단순화했다. 이로 인해 제어 평면과 사용자 평면의 처리 효율이 향상되고, 핸드오버 지연이 감소했다.

전형적인 LTE 기지국(eNodeB)은 크게 무선 장비(RE)와 기저대역 처리 장비(BBU)로 구성된다. BBU는 디지털 신호 처리, 채널 코딩, 스케줄링 등 계층 2 및 일부 계층 1 기능을 담당한다. RE는 RF 신호의 송수신, 증폭, 필터링 등을 수행하며, BBU와는 CPRI나 OBSAI 같은 표준 인터페이스로 연결된다. 안테나는 주로 MIMO 기술을 활용하기 위해 2x2 또는 4x4 배열의 패널 안테나를 사용한다.

LTE 기지국의 배치는 주파수 대역에 따라 매크로셀, 마이크로셀, 피코셀 등 다양한 형태로 이루어진다. 특히 도심 지역의 용량 증대를 위해 소형 기지국(Small Cell)의 배치가 활발해졌다. 네트워크 측면에서 eNodeB들은 X2 인터페이스를 통해 서로 직접 연결되어 빠른 셀 간 협력 통신과 로밍 없는 핸드오버를 가능하게 한다. 또한, 모든 eNodeB는 EPC라 불리는 코어 네트워크와 S1 인터페이스로 연결된다.

5G 또는 NR은 단순히 이전 세대보다 빠른 속도를 제공하는 것을 넘어, 네트워크 아키텍처와 기지국 구조 자체에 근본적인 변화를 가져왔다. 4G LTE의 비교적 통합된 기지국(eNodeB) 구조와 달리, 5G NR은 기능 분할(Functional Split) 개념을 도입하여 무선 접속망(RAN)의 물리적 및 논리적 구성을 재정의했다. 핵심 변화는 기지국 기능을 중앙 집중식 BBU와 분산형 RRU로 나누던 기존 방식에서 더 세분화된 CU와 DU, 그리고 RU로 분리한 것이다.

이러한 분리는 네트워크의 유연성과 효율성을 극대화하기 위한 설계이다. RU는 주로 안테나 근처에 배치되어 실시간성이 요구되는 무선 신호 송수신 및 간단한 처리 기능을 담당한다. DU는 여러 RU를 제어하며, 물리층 및 미디어 접근 제어층의 일부 처리와 같은 지연에 민감한 기저대역 처리를 수행한다. 한편, CU는 여러 DU를 관리하고, 비실시간적인 상위 계층 제어 및 사용자 데이터 집중화 기능을 담당하여 더 중앙화된 위치에 배치될 수 있다. 이 분리 구조는 네트워크 기능 가상화 및 소프트웨어 정의 네트워킹 원칙과 결합되어, C-RAN 아키텍처의 실현을 한층 촉진했다.

5G 기지국 구조의 또 다른 특징은 대규모 MIMO와 빔포밍 기술을 효율적으로 지원하도록 설계된 안테나 시스템이다. 기존 패시브 안테나 어레이를 대체한 액티브 안테나 시스템은 수십 개에서 수백 개의 소형 안테나 요소와 각 요소를 직접 구동하는 RF 트랜시버 칩을 단일 패키지에 통합한다. 이는 소프트웨어 제어를 통해 공간적으로 매우 정밀한 다중 빔을 동적으로 형성하고 추적할 수 있게 하여, 용량과 커버리지를 동시에 향상시킨다.

아래 표는 5G NR의 새로운 기지국 구성 요소와 주요 역할을 요약한 것이다.

이러한 구조적 변화는 네트워크 운영자에게 자원 배치와 용량 조정에 있어前所未有的한 유연성을 제공한다. 예를 들어, 고밀도 도시 지역에는 많은 DU와 RU를 배치하여 용량을 확보하면서, CU는 지역 데이터 센터에 통합하여 운영 효율성을 높일 수 있다. 이는 다양한 5G 사용 사례—고속 모바일 브로드밴드부터 초저지연 URLLC, 대규모 기기 연결 mMTC까지—를 단일 물리적 인프라 위에서 효율적으로 지원하는 기반이 된다.

C-RAN은 클라우드 컴퓨팅 기술을 무선 접속망(RAN)에 접목한 새로운 네트워크 아키텍처이다. 기존의 분산형 기지국 구조에서 무선 신호 처리 기능을 중앙 집중화된 BBU(Baseband Unit) 풀(Pool)로 이동시키는 개념이다. 이 구조에서는 원격 무선 헤드(RRH 또는 RU)가 안테나 근처에 설치되어 무선 신호의 송수신만 담당하고, 복잡한 기저대역 신호 처리는 중앙의 데이터 센터에 위치한 BBU 풀에서 집중적으로 수행된다.

C-RAN의 주요 구성 요소와 특징은 다음과 같다.

이 구조는 여러 장점을 제공한다. 중앙 집중화된 BBU 풀을 통해 자원을 동적으로 할당하고 공유할 수 있어 네트워크 효율성과 용량이 향상된다. 또한, 장비의 설치 및 유지보수 비용이 절감되고, 전력 소비를 줄일 수 있다. 특히 5G 네트워크에서 요구되는 대규모 MIMO와 빔포밍 같은 복잡한 처리 알고리즘을 효율적으로 구현하는 데 유리하다.

그러나 C-RAN 도입에는 기술적 과제도 존재한다. RRH와 BBU 풀 사이의 프론트홀 링크는 매우 엄격한 대역폭과 지연 요구사항을 가지며, 이를 위한 고품질의 전송 네트워크 구축이 필요하다. 또한, 모든 처리가 중앙에 집중되므로 BBU 풀의 신뢰성과 보안이 매우 중요해진다. 이러한 문제를 해결하기 위해 eCPRI 같은 새로운 인터페이스 표준이 개발되고, 지연을 줄이기 위한 엣지 컴퓨팅과의 결합도 고려되고 있다.