주파수 재사용 효율

셀룰러 네트워크는 지리적 영역을 여러 개의 작은 영역인 셀로 나누어 구성한다. 각 셀은 하나의 기지국이 커버하며, 전체 시스템은 이 셀들의 집합으로 이루어진다. 셀의 모양은 이론적으로 육각형으로 가정하는데, 이는 신호 커버리지를 효율적으로 모델링하고 겹침 없이 영역을 채울 수 있기 때문이다.

각 셀에는 사용 가능한 전체 주파수 대역 중 일부가 할당된다. 인접한 셀에는 서로 다른 주파수 그룹을 할당하여 간섭을 방지한다. 동일한 주파수 그룹은 일정 거리 이상 떨어진 셀에서 재사용한다. 이 거리를 주파수 재사용 거리라고 하며, 셀룰러 네트워크의 핵심 설계 요소이다.

셀의 크기는 네트워크 용량과 커버리지 요구사항에 따라 결정된다. 일반적으로 다음과 같이 분류된다.

이러한 계층적 구조를 통해 네트워크는 높은 사용자 밀도 지역과 낮은 사용자 밀도 지역을 모두 효율적으로 지원한다.

주파수 재사용 계수는 특정 주파수 채널이 네트워크 내에서 다시 사용되기까지의 거리와 빈도를 수치화한 지표이다. 이 계수는 일반적으로 정수 N으로 표현되며, 동일한 주파수 채널 세트를 사용하는 인접하지 않은 셀들의 군집 크기를 의미한다. 예를 들어, 재사용 계수가 3인 경우, 전체 주파수 대역이 3개의 셀 그룹으로 나누어져 순환적으로 할당된다는 것을 뜻한다. 이 계수는 시스템의 용량과 간섭 수준을 결정하는 핵심 매개변수 역할을 한다.

주파수 재사용 계수 N은 셀룰러 네트워크 설계에서 트레이드오프 관계를 보인다. 낮은 재사용 계수(예: N=1, 3)는 동일한 주파수를 더 가까운 셀에서 재사용할 수 있어 스펙트럼 효율성과 시스템 용량을 높인다. 그러나 이는 동채널 간섭을 증가시키는 결과를 초래한다. 반대로, 높은 재사용 계수(예: N=7, 12)는 동일한 주파수를 사용하는 셀들 사이의 물리적 거리를 멀리하여 간섭을 줄이지만, 셀당 사용 가능한 주파수 채널 수가 줄어들어 전체 시스템 용량이 제한된다.

재사용 계수는 기하학적 셀 배열과 밀접한 관련이 있다. 가장 일반적인 육각형 셀 구조에서, 재사용 계수 N은 i² + ij + j² 공식으로 계산된다. 여기서 i와 j는 0 이상의 정수이다. 이 공식에 따라 가능한 재사용 계수 값은 1, 3, 4, 7, 9, 12, 13, 16, 19, 21 등이 된다[2]. 각 N 값은 고유한 셀 군집 패턴과 주파수 재사용 거리를 가지며, 네트워크 설계자는 용량 요구사항과 허용 가능한 간섭 수준에 따라 적절한 값을 선택한다.

N-셀 재사용 패턴은 셀룰러 네트워크에서 동일한 주파수 채널 세트를 안전하게 재사용하기 위해 설계된 기하학적 배열을 의미한다. 여기서 'N'은 하나의 주파수 재사용 클러스터를 구성하는 셀의 총 개수를 나타내며, 이를 주파수 재사용 계수라고도 부른다. 이 패턴은 동일한 주파수를 사용하는 셀들 사이의 거리, 즉 주파수 재사용 거리를 최대화하여 동채널 간섭을 관리하는 동시에 제한된 주파수 자원을 효율적으로 재사용하는 것을 목표로 한다.

가장 일반적인 패턴은 정육각형 셀 구조를 기반으로 하며, 클러스터 크기 N은 i² + ij + j² 공식을 만족하는 정수로 결정된다[3]. 이 공식에 따라 가능한 대표적인 N 값은 1, 3, 4, 7, 9, 12, 13, 16, 19, 21 등이 있다. 각 셀은 클러스터 내에서 고유한 주파수 채널 세트를 할당받으며, 이 패턴이 네트워크 전체에 반복되어 적용된다.

N 값이 작을수록(예: N=1 또는 3) 동일한 지리적 영역 내에서 주파수 재사용 빈도가 높아져 시스템의 총 스펙트럼 효율성과 용량은 증가한다. 그러나 동시에 동일 주파수를 사용하는 셀들 사이의 거리가 가까워져 동채널 간섭이 심화되는 단점이 있다. 반대로 N 값이 클수록(예: N=7 또는 12) 재사용 거리가 멀어져 간섭은 줄어들지만, 하나의 셀이 사용할 수 있는 가용 채널 수가 줄어들어 셀당 용량이 감소한다. 따라서 네트워크 설계자는 서비스 품질 요구사항과 용량 요구사항 사이의 균형을 고려하여 최적의 N 값을 선택한다.

주파수 재사용 거리는 동일한 주파수 채널을 사용하는 두 셀의 중심 사이의 최소 물리적 거리를 의미한다. 이 거리는 동채널 간섭을 허용 가능한 수준으로 제어하기 위해 결정되는 핵심 파라미터이다. 재사용 거리가 충분히 멀지 않으면, 동일한 주파수를 사용하는 다른 셀에서 발생하는 신호가 간섭으로 작용하여 통화 품질이 심각하게 저하될 수 있다.

주파수 재사용 거리(D)는 일반적으로 셀 반경(R)과 주파수 재사용 계수(N 또는 K)에 의해 결정된다. 가장 일반적인 육각형 셀 배치 모델에서, 재사용 거리는 다음 공식으로 계산된다.

D = R * √(3N)

여기서 N은 재사용 패턴을 구성하는 총 셀의 개수(클러스터 크기)이다. 예를 들어, N=7 재사용 패턴에서 재사용 거리는 셀 반경의 약 4.58배가 된다. N 값이 클수록 재사용 거리는 증가하여 간섭은 줄어들지만, 사용 가능한 주파수를 더 넓은 영역에 분배하게 되어 전체 스펙트럼 효율성은 낮아지는 트레이드오프 관계가 존재한다.

재사용 거리는 네트워크 설계의 핵심 요소로, 실제 환경에서는 지형, 안테나 높이, 송신 전력, 안테나 빔 패턴(예: 섹터화 적용 시) 등 여러 요인에 의해 조정된다. 고도로 진보된 간섭 관리 기법과 주파수 호핑 기술을 사용하는 현대 시스템에서는 이론적인 재사용 거리를 줄여 N=1(모든 셀이 모든 주파수를 사용)에 가까운 완전 재사용을 구현하기도 한다. 이는 시스템 용량을 극대화하는 방향으로 발전하고 있다.

동채널 간섭은 셀룰러 네트워크에서 동일한 주파수 채널을 사용하는 서로 다른 셀들 사이에서 발생하는 간섭이다. 이는 주파수 재사용의 핵심 원리에서 필연적으로 발생하는 현상으로, 제한된 주파수 자원을 효율적으로 재사용하기 위해 지리적으로 떨어진 셀에 동일한 주파수를 할당할 때 생긴다. 동일 채널을 사용하는 셀을 동채널 셀이라고 부르며, 이들 사이의 거리를 주파수 재사용 거리라고 한다.

동채널 간섭의 주요 원인은 신호의 공간적 전파 특성이다. 무선 신호는 할당된 셀 경계를 넘어 감쇠되면서도 주변 영역으로 확산된다. 사용자 단말기는 의도된 기지국(서빙 셀)의 신호뿐만 아니라, 멀리 떨어진 다른 동채널 셀의 기지국에서 오는 불필요한 신호도 함께 수신한다. 이때 원하는 신호 대비 간섭 신호의 비율이 낮아지면 통화 품질이 저하되거나 데이터 전송 오류가 발생한다.

동채널 간섭의 정도는 주파수 재사용 패턴에 크게 의존한다. 재사용 계수(N)가 작을수록, 즉 동일 주파수를 더 가까운 셀에서 재사용할수록 간섭은 증가한다. 반대로 재사용 계수를 크게 하여 동채널 셀들 사이의 거리를 멀리 떨어뜨리면 간섭은 줄어들지만, 사용 가능한 주파수 대역을 각 셀이 나누어 쓰므로 셀당 할당 대역폭이 줄어 시스템 전체 용량이 제한받는 트레이드오프 관계가 생긴다[5].

이 간섭을 정량화하는 주요 지표는 신호 대 간섭비(SIR 또는 S/I)이다. 네트워크 설계 시 목표 SIR 값을 달성할 수 있도록 기지국 안테나의 설치 높이, 출력 전력, 그리고 위에서 언급한 재사용 거리를 최적화한다. 현대 네트워크에서는 셀 분할, 섹터화, 적응형 변조 및 코딩(AMC)과 같은 고급 기술을 통해 동채널 간섭을 관리하면서도 주파수 재사용 효율을 극대화한다.

인접 채널 간섭은 서로 다른 주파수 채널을 사용하지만, 그 주파수 대역이 서로 인접해 있을 때 발생하는 간섭 현상이다. 동채널 간섭이 동일한 주파수를 재사용함으로써 생기는 것과 달리, 인접 채널 간섭은 채널 간의 주파수 간격이 충분하지 않아 한 채널의 신호가 인접 채널의 대역으로 누설되거나, 수신기의 필터 성능이 불완전하여 인접 채널 신호를 완전히 차단하지 못할 때 발생한다.

이 간섭은 주로 송신기의 변조 특성 불완전성이나 수신기의 대역 통과 필터 선택도 부족에서 기인한다. 이상적인 필터는 정확히 할당된 채널 대역폭만 통과시키고 나머지는 완벽히 차단해야 하지만, 실제 구현에서는 인접 채널의 신호 일부가 통과하게 된다. 이로 인해 원하는 신호보다 훨씬 강한 인접 채널 신호가 존재할 경우, 약한 신호는 간섭에 쉽게 묻혀 수신 성능이 크게 저하된다.

인접 채널 간섭을 완화하기 위한 주요 전략은 다음과 같다.

* 채널 간격 확대: 채널을 할당할 때 충분한 주파수 간격(가드 밴드)을 두어 신호 간 격리를 강화한다.

* 정밀한 채널 계획: 네트워크 설계 단계에서 강한 신호를 방출하는 셀에 인접한 채널을 할당하지 않도록 주파수 배치를 최적화한다.

* 향상된 필터링 기술: 수신기에서 더욱 날카로운 롤오프 특성을 가진 고성능 필터를 사용하여 인접 채널 신호를 효과적으로 차단한다.

이러한 관리 기법은 특히 채널 대역폭이 좁고 채널 수가 많은 초기 FDMA 기반 시스템에서 매우 중요했다. 현대의 OFDMA 기반 시스템에서는 부반송파 간의 직교성으로 인해 인접 채널 간섭 영향이 상대적으로 적지만, 여전히 시스템 간 간섭이나 필터 설계 시 고려해야 할 요소로 남아 있다.

간섭 완화 전략은 동채널 간섭과 인접 채널 간섭을 최소화하여 네트워크 성능과 주파수 재사용 효율을 극대화하는 핵심 기법이다. 주요 전략으로는 전력 제어, 안테나 기술 활용, 지능형 주파수 할당 등이 있다.

전력 제어는 기지국과 단말기의 송신 전력을 동적으로 조절하여 간섭을 줄이는 방법이다. 업링크에서는 단말기가 기지국에 도달하는 신호 강도를 일정 수준으로 유지하도록 전력을 조정하여 다른 셀에 대한 간섭을 최소화한다. 다운링크에서는 셀 경계에 있는 사용자에게는 높은 전력을, 셀 중심부 사용자에게는 낮은 전력을 할당하여 불필요한 간섭을 방지한다.

안테나 기술을 활용한 전략도 효과적이다. 섹터화를 통해 안테나의 빔을 특정 방향으로 집중시키면, 불필요한 영역으로의 신호 방사가 줄어들어 간섭이 감소한다. 더 나아가, MIMO 기술과 빔포밍을 적용하면 신호를 특정 사용자에게 정확히 전달할 수 있어, 공간적으로 간섭을 분리하는 데 기여한다. 지능형 주파수 할당 알고리즘은 네트워크 트래픽 부하와 간섭 상황을 실시간으로 분석하여 최적의 주파수 채널을 동적으로 할당한다.

이러한 전략들은 상호 보완적으로 적용되어, 제한된 주파수 자원 내에서 더 많은 셀이 동일 주파수를 안전하게 재사용할 수 있는 기반을 마련한다. 결과적으로 네트워크의 시스템 용량과 스펙트럼 효율성이 향상된다.

셀 분할은 주어진 지리적 영역을 더 작은 셀로 나누어 주파수 재사용 효율을 높이는 기법이다. 기존의 큰 셀을 여러 개의 작은 셀로 분할하면 단위 면적당 더 많은 기지국을 설치할 수 있게 되며, 이는 동일한 주파수를 더 짧은 거리 간격으로 재사용할 수 있음을 의미한다. 결과적으로 시스템 전체의 용량과 스펙트럼 효율성이 향상된다.

분할의 정도는 일반적으로 반경을 기준으로 구분된다. 예를 들어, 매크로셀의 커버리지 반경을 절반으로 줄이면, 동일한 면적을 커버하는 데 필요한 셀의 수는 약 4배 증가한다. 이는 주파수 재사용 패턴이 더 조밀해져 동일한 주파수 대역으로 더 많은 사용자를 수용할 수 있게 만든다. 셀 분할은 특히 도시나 인구 밀집 지역에서 트래픽 수요가 급증할 때 용량을 확장하는 기본적인 방법으로 사용된다.

그러나 셀 분할에는 몇 가지 도전 과제가 따른다. 셀의 크기가 작아질수록 필요한 기지국의 수가 기하급수적으로 증가하여 네트워크 구축 및 유지보수 비용이 상승한다. 또한, 셀 경계가 많아지면 핸드오버 발생 빈도가 증가하여 제어 신호의 오버헤드가 커지고, 통화 중단 가능성도 높아질 수 있다. 더 작은 셀들은 지형과 건물의 영향도 더 크게 받는다. 이러한 문제들을 완화하기 위해 셀룰러 네트워크 설계에서는 적절한 셀 크기와 주파수 재사용 계수를 선택하는 최적화 과정이 필수적이다.

섹터화는 단일 셀을 여러 개의 섹터로 나누어 각 섹터마다 별도의 안테나와 주파수 자원을 할당하는 기법이다. 이는 기존의 전방향성 안테나를 사용하는 방식에서 발전한 것으로, 셀 내부에서 발생하는 간섭을 줄이고 주파수 재사용 효율을 높이는 데 목적이 있다. 일반적으로 120도 각도의 지향성 안테나를 사용하여 셀을 3개의 섹터로 나누는 3-섹터 구성이 가장 널리 사용된다.

섹터화의 핵심 이점은 동일한 주파수 대역을 더 가까운 거리에서 재사용할 수 있게 한다는 점이다. 전방향성 셀에서는 인접 셀 전체가 간섭원이 될 수 있지만, 섹터화를 적용하면 특정 방향의 섹터만이 간섭의 주요 원인이 된다. 이로 인해 동채널 간섭이 감소하고, 결과적으로 주파수 재사용 계수 N의 값을 줄일 수 있다. N 값이 작아질수록 클러스터 내 셀 수가 줄어들어 가용한 전체 주파수 대역을 각 셀이 더 넓게 사용할 수 있게 되어 시스템의 총 용량이 증가한다.

그러나 섹터화는 단점도 동반한다. 섹터 수가 증가하면 핸드오버 발생 빈도가 높아져 제어 신호의 오버헤드가 증가한다. 또한, 각 섹터마다 별도의 안테나와 트랜시버 장비가 필요하므로 네트워크 구축 및 유지 비용이 상승한다. 지나치게 세분화된 섹터화(예: 6-섹터)는 이득 대비 비용 효율이 떨어질 수 있어, 현장에서는 3-섹터 구성이 성능과 경제성을 고려한 표준으로 자리 잡았다.

주파수 호핑은 무선 통신 시스템에서 간섭을 분산시키고 주파수 재사용 효율을 높이기 위해 사용되는 기술이다. 송신기와 수신기가 미리 합의된 패턴에 따라 통신 채널을 빠르게 전환하는 방식으로 동작한다. 이 기법은 크게 느린 주파수 호핑과 빠른 주파수 호핑으로 구분된다. 느린 주파수 호핑은 하나의 통신 프레임 또는 여러 프레임 동안 동일한 주파수를 사용한 후 전환하는 방식이며, 빠른 주파수 호핑은 하나의 심볼 또는 칩 구간 내에서 여러 번 주파수를 변경한다.

이 기술의 주요 이점은 동채널 간섭과 페이딩의 영향을 줄이는 것이다. 특정 주파수 대역에서 간섭이나 심한 페이딩이 발생하더라도, 호핑을 통해 신호가 다른 주파수로 이동하면 그 영향을 피할 수 있다. 결과적으로 시스템의 전체적인 신뢰도가 향상된다. 또한, 호핑 패턴을 잘 설계하면 인접 셀 간의 간섭을 무작위화하여 시스템 전체의 용량을 증가시킬 수 있다.

주파수 호핑은 특히 초기 셀룰러 네트워크와 GSM 시스템에서 널리 적용되었다. GSM에서는 느린 주파수 호핑이 채택되어 기지국과 단말기가 타임슬롯 단위로 주파수를 변경했다. 이는 주파수 재사용 계수를 더 공격적으로 낮출 수 있게 하여, 동일한 대역폭으로 더 많은 사용자를 수용하는 데 기여했다. 또한, CDMA 기반의 2G 및 3G 시스템에서도 빠른 주파수 호핑이 스펙트럼 확산 기술과 결합되어 사용되기도 했다.

차세대 네트워크에서는 OFDMA와 같은 기술이 주류를 이루면서 주파수 호핑의 적용 방식이 진화했다. 예를 들어, LTE와 5G NR에서는 주파수 선택적 스케줄링과 결합된 형태로 자원 블록 단위의 주파수 호핑 개념이 사용되어 채널 조건에 따른 유연성을 제공한다.

스펙트럼 효율성은 주어진 대역폭 내에서 얼마나 많은 데이터를 전송할 수 있는지를 나타내는 척도이다. 이는 무선 통신 시스템의 성능을 평가하는 핵심 지표 중 하나이며, 단위는 일반적으로 비트/초/Hz 또는 비트/초/Hz/셀로 표현된다. 높은 스펙트럼 효율성은 제한된 주파수 자원을 더 효과적으로 활용하여 시스템 용량을 증가시킨다는 것을 의미한다.

주파수 재사용 효율은 스펙트럼 효율성에 직접적인 영향을 미친다. 주파수 재사용 계수가 낮을수록, 즉 동일한 주파수를 더 가까운 거리에서 재사용할수록 단위 면적당 더 많은 채널을 제공할 수 있어 스펙트럼 효율성이 향상된다. 그러나 이는 동채널 간섭을 증가시켜 신호 품질을 저하시킬 위험이 있다. 따라서 스펙트럼 효율성은 간섭 수준과 용량 사이의 균형을 통해 결정된다.

다양한 기술은 스펙트럼 효율성을 높이기 위해 발전해왔다. 셀 분할과 섹터화는 간섭을 줄이면서 동일 주파수의 재사용 빈도를 높이는 전통적인 방법이다. OFDMA와 같은 현대의 다중 접속 방식은 부반송파를 유연하게 할당하고, MIMO 기술은 공간 차원을 추가하여 단위 주파수당 전송률을 극적으로 증가시킨다. 5G 네트워크에서는 초고밀도 네트워크 구축과 더 정교한 간섭 조정 기술을 통해 스펙트럼 효율성을 한층 더 개선하고 있다.

스펙트럼 효율성은 이론적 한계에 근접하고 있으며, 지속적인 향상을 위해서는 새로운 패러다임이 필요하다. 연구자들은 인지 무선, 궤간 간섭 조정, 그리고 대규모 MIMO와 같은 기술을 통해 한정된 스펙트럼 자원 내에서 시스템 용량을 극대화하는 방법을 모색하고 있다.

시스템 용량은 특정 셀룰러 네트워크가 단위 시간당, 단위 대역폭당, 단위 면적당 처리할 수 있는 총 통화량 또는 데이터량을 의미한다. 이는 주어진 주파수 재사용 패턴과 간섭 관리 기법이 네트워크의 성능을 얼마나 효율적으로 끌어올리는지를 정량화하는 핵심 지표이다. 시스템 용량은 일반적으로 초당 메가비트(Mbps) 단위로 측정되며, 면적당 용량(예: Mbps/km²)으로 표현될 때 네트워크의 공간적 효율성을 평가할 수 있다.

주파수 재사용 효율은 시스템 용량에 직접적인 영향을 미친다. 주파수 재사용 계수가 낮을수록, 즉 동일한 주파수가 더 가까운 거리에서 재사용될수록 단위 면적당 할당 가능한 채널 수가 증가하여 용량이 향상된다. 그러나 이는 동채널 간섭 수준을 높여 신호 품질을 저하시킬 위험이 따른다. 따라서 시스템 용량은 사용 가능한 총 대역폭, 채널 대역폭, 재사용 계수, 그리고 허용 가능한 최대 간섭 수준 사이의 균형을 통해 결정된다.

다양한 기술은 시스템 용량을 극대화하기 위해 주파수 재사용 효율을 개선한다. 셀 분할은 큰 셀을 여러 개의 작은 셀로 나누어 단위 면적당 기지국 수를 증가시켜 용량을 높인다. 섹터화는 셀 내에서 안테나를 사용해 여러 섹터를 형성하고, 각 섹터에 독립적인 채널 세트를 할당함으로써 동일한 셀 내에서 주파수를 재사용하여 용량을 증대시킨다. OFDMA 기반의 현대 시스템에서는 소프트 주파수 재사용과 같은 동적 자원 할당 기법을 통해 셀 경계 지역의 간섭을 관리하면서도 셀 중심부에서는 주파수 재사용 계수를 1에 가깝게 적용하여 전체 시스템 용량을 크게 향상시킨다.

주파수 분할 다중 접속은 사용 가능한 전체 주파수 대역을 여러 개의 좁은 주파수 채널로 나누고, 각 채널을 하나의 사용자 통신에 할당하는 방식이다. 초기 아날로그 셀룰러 네트워크인 AMPS와 같은 1세대 시스템의 핵심 기술이었다. FDMA 시스템에서 주파수 재사용은 특정 지리적 영역(셀)에 할당된 채널 그룹을, 충분한 간격을 두고 떨어진 다른 셀에서 다시 사용함으로써 구현된다.

FDMA 시스템의 주파수 재사용 효율은 주로 주파수 재사용 계수(N)와 주파수 재사용 패턴에 의해 결정된다. 재사용 계수 N은 서로 다른 채널 그룹을 사용하는 인접 셀의 총 개수를 의미하며, 일반적인 값은 7, 4, 3 등이다. 예를 들어, 재사용 계수 7은 전체 주파수 대역이 7개의 셀 그룹으로 나뉘어 순환적으로 할당됨을 의미한다. 재사용 계수가 작을수록 동일한 지리적 영역 내에서 같은 채널을 더 자주 재사용할 수 있어 스펙트럼 효율성이 높아지지만, 동채널 간섭의 위험도 증가한다.

FDMA의 간섭 관리와 효율은 다음 표와 같은 요소들에 크게 의존한다.

FDMA 기반 시스템은 각 사용자에게 독점적인 주파수 채널을 할당하기 때문에, 간단한 구현과 낮은 지연 시간의 장점이 있다. 그러나 사용 중이지 않은 채널의 주파수 자원이 낭비될 수 있고, 채널당 하나의 사용자만 지원하기 때문에 시스템 전체의 사용자 수용 용량에 한계가 있다. 이러한 한계는 이후 시분할 다중 접속이나 코드분할 다중 접속과 같은 더 진보된 다중 접속 기술로의 전환을 촉진하는 요인이 되었다.

시분할 다중 접속 시스템은 시간 슬롯을 할당하여 여러 사용자가 동일한 주파수 대역을 공유하는 방식이다. 각 사용자는 정해진 시간 동안만 통신을 수행하며, 이는 주파수 재사용 계수를 높이는 데 유리한 구조를 제공한다. TDMA 기반의 2세대 이동 통신 시스템에서는 주파수 재사용 계수가 7인 정규 육각형 패턴이 널리 사용되었다. 시간 영역에서의 분할 덕분에 동일 셀 내에서도 간섭을 관리하기 용이하며, 이는 전체 시스템의 주파수 재사용 효율을 높이는 데 기여한다.

코드분할 다중 접속 시스템은 모든 사용자가 동일한 주파수 대역과 시간을 공유하지만, 각 사용자에게 고유한 확산 코드를 할당하여 신호를 구분한다. 이 특성은 "주파수 재사용 계수 1"을 실현하는 핵심 메커니즘이 된다. 즉, 모든 셀이 동일한 전체 주파수 대역을 사용할 수 있어 스펙트럼 활용도가 극대화된다. 그러나 모든 셀에서 동일 주파수를 사용하기 때문에 발생하는 동채널 간섭은 시스템 용량의 주요 제한 요소로 작용한다. CDMA 시스템의 용량은 간섭의 총량에 의해 결정되는 "간섭 제한 시스템"의 특성을 가진다.

TDMA와 CDMA의 주파수 재사용 효율을 비교하면 다음과 같은 차이가 나타난다.

CDMA의 주파수 재사용 계수 1은 이론적으로 매우 높은 효율을 제공하지만, 실제 성능은 정교한 전력 제어와 소프트 핸드오버 같은 간섭 관리 기법에 크게 의존한다. 반면, TDMA는 명확한 주파수 계획을 통해 간섭을 제어하지만, 주파수 자원을 물리적으로 분할해야 하므로 스펙트럼 활용에 있어 선천적인 제약을 가진다. 이러한 차이는 이후 3세대 이동 통신에서 CDMA가 기반 기술로 채택되는 데 중요한 근거가 되었다.

OFDMA는 직교 주파수 분할 다중 접속 방식을 의미하며, 주파수 재사용 효율을 극대화하기 위한 핵심 기술 중 하나이다. 이 방식은 사용자에게 시간과 주파수 자원을 동시에 할당하는 2차원 스케줄링이 가능하여, 네트워크 용량과 스펙트럼 효율성을 크게 향상시킨다.

OFDMA 시스템에서 주파수 재사용은 유연하게 계획될 수 있다. 전통적인 셀룰러 네트워크에서는 주파수 재사용 계수가 1, 3, 7 등 고정된 값을 사용했지만, OFDMA 기반 시스템(예: 4G LTE, 5G NR)에서는 소프트 주파수 재사용과 부분 주파수 재사용 같은 동적 기법을 적용한다. 이를 통해 셀 중심부와 셀 경계부 사용자에게 서로 다른 전력 수준과 주파수 대역을 할당하여, 동채널 간섭을 효과적으로 관리하면서도 전체 시스템의 주파수 사용 효율을 높일 수 있다.

OFDMA의 주요 특징인 직교성 덕분에 인접한 부반송파 간의 인접 채널 간섭이 최소화된다. 이는 보호 대역을 크게 줄일 수 있게 하여, 사용 가능한 주파수 대역을 더 조밀하게 패킹할 수 있게 한다. 결과적으로 동일한 대역폭 내에서 더 많은 사용자를 수용하거나 더 높은 데이터 전송률을 제공할 수 있으며, 이는 곧 향상된 주파수 재사용 효율로 이어진다.

따라서 OFDMA는 고정된 주파수 할당 패턴의 한계를 극복하고, 트래픽 부하와 채널 조건에 따라 자원을 최적화함으로써 차세대 이동 통신 시스템의 주파수 재사용 효율을 정의하는 표준 기술이 되었다.

4세대 이동통신 표준인 LTE는 주파수 재사용 효율을 극대화하기 위해 OFDMA와 SC-FDMA를 기반으로 한 새로운 아키텍처를 도입했다. 기존 2G/3G 네트워크보다 훨씬 유연한 주파수 할당이 가능해졌으며, 기본적으로 주파수 재사용 계수 1을 목표로 설계되었다[6]. 이를 통해 사용 가능한 전체 스펙트럼을 모든 셀에서 활용할 수 있어 이론상 최대의 스펙트럼 효율성을 달성할 수 있다.

주파수 재사용 계수 1을 구현하면서 발생하는 심한 동채널 간섭 문제는 정교한 간섭 관리 기법으로 해결했다. 핵심 기술은 ICIC이다. ICIC는 기지국 간에 협력 신호를 교환하여 인접 셀의 자원 사용 상황을 실시간으로 파악하고, 셀 경계에 있는 사용자에게 간섭이 적은 주파수 자원을 할당하는 방식으로 동작한다. 주로 주파수 영역에서 자원 블록을 선택적으로 할당하는 방식이 사용된다.

LTE 네트워크의 주파수 재사용 효율은 네트워크 부하와 배치 환경에 따라 동적으로 조정된다. 주요 적용 방식은 다음과 같다.

이러한 기술들을 통해 LTE는 높은 주파수 재사용 효율을 유지하면서도 셀 경계 사용자의 서비스 품질을 보장할 수 있었다. 이는 네트워크 용량과 데이터 전송률을 크게 향상시키는 기반이 되었다.

5G NR 네트워크는 주파수 재사용 개념을 더욱 유연하고 동적으로 발전시켜, 네트워크 용량과 효율성을 극대화한다. 5G에서는 기존의 고정된 주파수 재사용 계수 패턴보다 상황에 맞춰 조정 가능한 소프트웨어 정의 네트워킹 접근법을 강조한다. 특히, 네트워크 슬라이싱 기술을 통해 서비스 유형(예: 초고신뢰 저지연 통신, 대규모 사물인터넷, 고속 모바일 브로드밴드)에 따라 가상화된 논리적 네트워크를 생성하고, 각 슬라이스에 최적화된 주파수 자원 할당 및 재사용 정책을 적용할 수 있다.

주파수 재사용 효율 향상을 위한 핵심 기술로는 초고밀도 네트워크 구축과 동적 스펙트럼 공유가 있다. 수많은 소형 셀을 기존 매크로 셀 내에 고밀도로 배치하여 공간적 스펙트럼 재사용을 극대화한다. 또한, 동적 스펙트럼 공유 기술은 4G LTE와 5G NR이 동일한 주파수 대역을 시간에 따라 유연하게 공유할 수 있게 하여, 주파수 자원의 활용도를 높이고 5G의 점진적인 도입을 용이하게 한다.

이러한 발전은 궁극적으로 네트워크의 스펙트럼 효율성과 시스템 용량을 획기적으로 증가시키는 데 기여한다. 5G NR은 상황 인지형 자원 관리로 전환되어, 트래픽 부하와 사용자 분포에 따라 주파수 재사용 패턴을 동적으로 최적화함으로써, 이론적으로 주파수 재사용 계수 1(모든 셀이 모든 주파수를 사용)에 가까운 운영도 가능하게 한다[7].