기지국에서 연결을 유지하는 방법

기지국은 안테나, 기지국 트랜시버, 안테나 기둥, 지상 장비와 같은 다양한 요소로 구성되며, 모바일 디바이스의 신호를 관리하여 효율적인 셀룰러 통신을 가능하게 합니다. 4G와 5G 기지국의 차이는 5G 기술의 향상된 속도, 용량, 감소된 지연 시간에 있습니다. 철저한 테스트를 통해 이러한 기지국의 성능과 신뢰성을 최대로 높일 수 있습니다.

NI, 신뢰할 수 있는 무선 인프라
구축 지원

현재 세상은 그 어느 때보다 많은 기기들이 서로 연결되어 있으며, 우리 모두가 사용하는 네트워크를 안정적으로 유지하려면 엄청난 양의 리소스가 필요합니다. 일반적으로 통신탑 또는 기지국 트랜시버라고도 불리는 기지국은 현대 통신 시스템의 주요 요소입니다. 물리적 구조는 특정 "셀" 또는 영역의 무선 신호 송수신에 필요한 장비가 포함되어 있는데, 이것이 기지국(Cell Tower)으로 불리는 이유입니다. 기지국은 모바일 디바이스와 네트워크 간 무선 통신을 촉진합니다. 이는 무선 통신 에코시스템에서 없어서는 안 되는 구조로, 이를 통해 모바일 디바이스에서 전화를 걸고 문자를 보내며 인터넷에 액세스할 수 있습니다. 그리고 집중적인 테스트가 필요합니다.

NI는 새롭고 복잡한 기술을 테스트할 수 있는 유연하고 확장 가능하며 경제적인 솔루션을 제공하여 안정적인 무선 인프라 구축에 크게 기여하고 있습니다. 특히 6G의 도래와 관련하여 무선 기술이 발전하고 더 복잡해짐에 따라, 혁신적인 솔루션을 통해 테스트 엔지니어는 기지국 가동 시간을 유지하는 데 필요한 네트워크 설계와 테스트 기술을 더욱 깊이 있게 이해할 수 있게 될 것입니다.

기지국 구성요소

지평선을 바라보면 즉시 인지하지 못하더라도 거의 확실하게 기지국을 발견할 수 있습니다. 기지국의 크기는 우리가 익히 잘 아는 높은 것부터 연기 감지기보다 그리 크지 않은 소형 유닛까지 다양합니다. 크기는 필요한 범위와 해당 지역의 트래픽 밀도에 따라 달라집니다.

그렇다면 기지국의 형태는 어떨까요? 기지국은 일반적으로 3개 또는 4개의 방향으로 분할된 안테나 배열을 갖춘 높은 수직 기둥과 비슷하기 때문에 뚜렷하게 식별할 수 있습니다. 그러나 모든 기지국이 명확히 눈에 띄는 것은 아닙니다. 스텔스 타워는 주변 환경 내 물체로 은밀하게 위장되어, 지붕이나 교회 첨탑과 같은 기존 구조에 자연스럽게 녹아듭니다. 즉시 알아볼 수 있거나 주변 환경에 미묘하게 섞인 우뚝 솟은 구조에는 서비스 영역 전체에서 원활하게 셀룰러를 연결하는 다양한 중요 장비가 포함되어 있습니다.

각 기지국은 네트워크의 필요성과 서비스하는 영역의 특징에 따라 조금씩 다를 수 있지만, 일반적으로 대부분의 설치물에 다음과 같은 요소가 있습니다.

• 안테나—특정 셀 내에서 모바일 디바이스와 신호를 주고받는 데 매우 중요합니다. 안테나의 주요 타입에는 두 가지가 있습니다.
  • 패널 안테나—이 디바이스는 넓은 영역에 사용되는 평평한 직사각형 디바이스입니다. 다용도로 사용할 수 있으며 원하는 적용 범위와 용량을 얻기 위해 다양한 구성으로 배열할 수 있습니다. 동일한 채널에서 여러 데이터 스트림을 전송하여 용량을 증가시키는 MIMO (다중 입력 다중 출력) 기술을 사용할 수 있습니다.
  • 섹터 안테나—기지국에서 3개 또는 4개로 그룹화되는 섹터 안테나는 특정 방향 또는 "섹터"로 범위를 적용할 수 있습니다. 이렇게 세분화하면 전체 적용 범위가 효과적으로 확장되고 신호 간 간섭이 줄어듭니다. 종종 기하학적 구성으로 배열되어 전방위적으로 사용 가능합니다.
• BTS (기지국 트랜시버) —BTS에는 RF 신호를 송수신하는 무선 트랜시버가 있습니다. 각 트랜시버 또는 채널은 특정 수의 동시 호출을 지원합니다. BTS에는 통신 암호화 및 암호 해독 장비, 스펙트럼 필터링 도구, 듀플렉서, 증폭기도 포함됩니다.
• 통신탑 또는 안테나 기둥—물리적으로 높은 구조로 안테나를 높게 유지하며 일반적으로 강철로 제작됩니다. 안테나의 높이는 필요에 따라 조정되며, 높을수록 적용할 수 있는 범위가 더 넓어집니다. 또한 구조는 바람과 장비 무게 등 환경적 스트레스 요인을 견딜 수 있어야 합니다.
• 지상 장비—기지국 전력 시스템 (종종 신뢰성을 위한 배터리 백업), 온도 제어용 HVAC 시스템, 호출 데이터 처리에 사용되는 기저대역 수신기 등 다양한 보조 시스템이 담긴 인클로저 또는 쉘터가 포함되어 있습니다.
• 마이크로파 접시형 안테나―통신 네트워크에 케이블로 물리적으로 연결되지 않은 기지국 (보통 원격 위치)의 경우 마이크로파 접시형 안테나는 백홀 연결에 사용됩니다. 이 접시형 안테나를 사용하면 다른 기지국 또는 네트워크 노드와 지점 간 통신이 용이해집니다. 이 케이블은 종종 기지국의 측면에서 볼 수 있으며 케이블 연결이 현실적이지 않은 곳에서 특히 유용합니다.
• 케이블링—케이블링은 기지국의 모든 구성요소를 연결하여 서로 통신할 수 있게 만듭니다. 케이블링에는 동축 케이블, 마이크로파 전송용 도파관, 광섬유 케이블과 같은 다양한 타입이 포함될 수 있습니다. RF 케이블은 데이터 전송을 위해 BTS에서 안테나와 네트워크 케이블로 연결됩니다.

이러한 기지국 구성요소의 원활한 오케스트레이션은 무선 통신 네트워크의 근간을 지지합니다.

기지국은 어떻게 작동합니까?

기지국은 모바일 디바이스와 통신 네트워크 간에 중개자 역할을 합니다. 쉽게 말해, 기지국은 모바일 디바이스에서 신호를 수신하고, 이 신호를 디지털 포맷으로 변환한 후 전화나 인터넷 등 대상으로 전송하는 방식으로 작동합니다. 수신 호출 또는 데이터의 경우 이 프로세스가 반대로 작동합니다. 이 프로세스는 간단해 보일지 모르지만 많은 단계와 장비가 필요합니다. 자세한 내용을 살펴보겠습니다.

통신 프로세스는 휴대폰과 같은 모바일 디바이스가 신호를 보낼 때 시작됩니다. 이 신호는 전자기파 (구체적으로는 RF 파)이며, 본질적으로 사용자의 음성 또는 데이터가 변조된 것입니다. 신호는 안테나 기둥에 장착된 안테나 중 하나에서 수집됩니다. 이 안테나는 MIMO 기술을 사용하여 동일한 채널에서 여러 데이터 스트림을 전송하여 용량을 늘릴 수 있습니다.

안테나가 신호를 수신한 후, 안테나는 일련의 고주파 동축 케이블 또는 도파관을 통해 기지국에 위치한 BTS로 전달됩니다. BTS는 RF 신호를 네트워크에서 처리할 수 있는 디지털 포맷으로 변환합니다. 처리된 신호는 백홀 연결을 통해 MSC (이동 전화 교환국)로 전달됩니다. 위치와 인프라에 따라 광섬유 케이블 (도심 또는 교외 지역)로 물리적으로 연결될 수도 있고 마이크로파 링크 (원격 지역)로 무선으로 연결될 수 있습니다.

그런 다음 셀룰러 네트워크의 중추인 MSC는 호출 또는 데이터를 다른 모바일 디바이스 또는 인터넷 서버가 될 수 있는 올바른 대상으로 라우팅합니다. 수신 호출 또는 데이터의 경우, 기본적으로 프로세스가 반대로 이루어집니다. MSC는 신호를 BTS에 디스패치하고, BTS는 이를 다시 RF 신호로 상향 변환합니다. 이 RF 신호는 기지국의 안테나를 통해 원하는 모바일 디바이스로 전송됩니다.

기지국 신호는 얼마나 멀리 도달합니까?

기지국은 최대 20마일 떨어진 지방 지역의 전화기에 신호를 보낼 수 있습니다. 건물과 같이 물리적 장애물이 많고 인구 밀도가 높은 도시에서는 범위가 1~2마일로 줄어들 수 있습니다. 기지국은 수천 개의 호출 또는 인터넷 연결을 동시에 처리할 수 있습니다.

기지국의 도달 거리를 확인할 때 기술적으로 셀 반경이라고 하는 범위는 몇 가지 요인의 영향을 크게 받을 수 있습니다. 일반적으로 5G 네트워크에서 사용되는 것과 같은 높은 주파수 신호는 범위가 짧지만 용량은 더 큰 경향이 있는 반면, 4G LTE의 지방 지역에서 자주 사용되는 낮은 주파수는 더 멀리 이동할 수 있지만 데이터 전달량은 더 적습니다. 안테나의 높이와 타입도 적용 범위를 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. 안테나가 높으면 장애물을 극복하고 더 넓은 영역에 적용할 수 있습니다. 섹터 안테나와 같은 안테나는 특정 방향으로 범위를 지정하는 데 사용될 수 있지만, 패널 안테나는 광범위한 범위에 영향을 미칩니다. 고급 MIMO 설정에 사용되는 빔포밍 기술을 사용하면 신호를 특정 사용자에게 집중시켜 범위를 확장하고 신호 품질을 향상시킬 수 있습니다.

최신 기지국은 정교한 기술을 사용하여 동시 호출 또는 데이터 세션의 수를 최대화하여 수천 개의 동시 요청을 처리합니다. MIMO를 사용하면 여러 데이터 스트림을 동시에 송수신할 수 있어 대역폭을 추가하지 않고도 용량을 효과적으로 늘릴 수 있습니다. 또한 QAM (직교 진폭 변조)과 같은 효율적인 고급 스펙트럼 기술을 사용하여 대역폭의 Hz당 더 많은 비트를 전송합니다. 사용되는 특정 기술에 따라 용량이 달라집니다. mmWave 기술은 더 높은 대역폭을 위해 여유를 두기 때문에 용량이 크게 증가할 수 있습니다. 또한 특정 영역에서 셀 사용에 할당된 주파수의 범위 (사용 가능한 스펙트럼의 양이라고도 함)가 용량에 영향을 미칠 수 있습니다.

무선 통신의 가시선

무선 통신에서 가시선은 무선 전파가 기지국과 같은 송신 안테나에서 스마트폰과 같은 수신 안테나로 전달되는 직접적이고 방해받지 않는 경로를 뜻합니다.

최적의 신호 강도와 품질을 얻으려면 송수신기 간 가시선이 명확해야 합니다. 건물, 나무, 언덕 또는 심지어 대기 조건과 같은 장애물은 신호 감쇠 또는 약화, 신호가 표면에서 반사되어 서로 다른 시간에 수신기에 도착하는 다중 경로 전파를 발생시켜 잠재적으로 간섭을 일으키고 이로 인해 성능이 저하될 수 있습니다.

가시선은 5G 네트워크에서 사용되는 주파수 대역과 같이 파장이 짧고 장애물에 흡수되거나 반사되기 쉬운 고주파 대역에서 특히 중요합니다. 가시선 때문에 기지국을 지면보다 높은 곳에 위치시키는 경우가 많으며, 빔포밍과 같은 기술을 사용하여 무선 신호를 수신기를 향한 특정 방향으로 집중시킵니다.

기지국 타입

기지국은 구조, 위치, 사용하는 기술의 타입에 따라 다릅니다. 가장 일반적인 타입의 기지국에는 모노폴 타워, 격자 타워, 가이드 타워, 스텔스 타워, 루프탑 타워, 스몰셀 타워 등이 있습니다.

모노폴 타워

가장 단순한 타입의 기지국으로, 특히 도시 지역에서 가장 일반적으로 사용되는 기지국입니다. 모노폴 타워는 일반적으로 높이가 50-200 피트 사이인 독립적인 단일 기둥입니다. 안테나는 일반적으로 캐니스터 내부의 상단에 두거나 외부에 장착됩니다.

격자 타워

이는 지방이나 고속도로에서 흔히 볼 수 있습니다. 모노폴 타워보다 더 강력하여 더 많은 장비를 지지하고 더 높은 곳까지 도달할 수 있습니다. 격자 타워는 독립형이며, 격자 효과를 생성하는 수평 로드와 대각 로드의 프레임워크를 특징으로 합니다. 

가이드 타워

가이드 타워는 안정화를 위해 가이와이어를 사용합니다. 이 타워는 구축하기에 가장 가볍고 경제적이지만, 가이와이어가 타워에서 지면까지 상당한 거리를 유지해야 하기 때문에 많은 공간이 필요합니다. 가이드 타워는 일반적으로 많은 공간을 사용할 수 있는 지방 지역에서 사용됩니다.

스텔스 타워

이름에서 알 수 있듯 위장 또는 은폐된 기지국은 주변 환경과 잘 녹아들도록 만들어졌습니다. 나무 (종종 "모노파인"이라고도 함), 시계탑, 깃대, 교회 첨탑처럼 보이거나 건물이나 표지판과 같은 기존 구조에 통합되게 설계할 수 있습니다.

루프탑 타워

인구 밀도가 높은 도시 지역에서는 독립형 기지국을 만드는 것이 비실용적이거나 불가능할 수 있습니다. 이러한 경우, 안테나를 건물의 지붕이나 기존 구조에 설치할 수 있습니다. 이는 기존 타워보다 훨씬 낮게 설치할 수 있지만 적용 범위를 충분히 넓히려면 더 조밀하게 설치해야 합니다.

스몰셀 타워

5G 기술의 도래로 스몰셀 타워가 점점 보편화되고 있습니다. 마이크로 셀, 피코 셀 또는 펨토 셀이라 불리는 이러한 스몰셀은 범위가 작지만 많은 양의 데이터를 빠르게 전송할 수 있습니다. 스몰셀 타워는 가로등, 전신주 또는 고밀도 지역의 건물에 장착되는 경우가 많습니다.

이렇게 다양한 타입의 기지국은 모두 모바일 디바이스에서 신호를 송수신한다는 기본 목적을 수행합니다. 사용되는 기지국의 타입은 지리, 인구 밀도, 모바일 네트워크의 특정 요구 사항과 같은 다양한 요소에 따라 달라집니다.

4G 대 5G 기지국

4G와 5G 기지국의 주요 차이는 무선 네트워크의 속도, 용량, 지연 시간에 영향을 미치는 기술의 변화에 있습니다. 4G 네트워크는 일반적으로 최대 2.5 GHz의 저주파수 대역에서 작동하는 반면, 5G 기술은 최대 100 GHz의 고주파수 대역을 통합하여 더 넓은 스펙트럼을 사용합니다. 이러한 더 높은 주파수, 특히 24 GHz 이상의 밀리미터파 대역을 사용하면 네트워크 전송 속도가 빨라지지만 범위는 작아집니다.

가장 눈에 띄는 차이 중 하나는 데이터 전송 속도입니다. 5G 기지국은 4G 기지국보다 훨씬 빠르게 데이터를 전송할 수 있습니다. 4G LTE 네트워크의 최고 속도는 약 100 Mbps이지만, 5G 네트워크는 이론적으로 100배 향상된 최고 10 Gbps의 속도를 낼 수 있습니다.

지연 시간 또는 전송 지시에 따른 데이터 전송 지연은 5G가 뛰어난 또 다른 부분입니다. 4G 네트워크의 일반적인 지연 시간이 약 50 밀리초인 것에 비해 5G는 이를 몇 밀리초로 줄이려 하며, 이는 자율 주행 차량과 같은 리얼타임 어플리케이션에 특히 중요합니다. 고주파수의 범위가 더 짧기 때문에, 5G 기술의 경우 특히 인구 밀도가 높은 지역이나 실내에서는 더 촘촘하게 기지국을 두어야 합니다. 이 문제를 해결하기 위해 스몰셀 타워를 사용하여 적용 범위와 용량을 확장합니다.

4G 기지국에 비해 5G 기지국은 Massive MIMO (다중 입력 다중 출력)로 알려진 하나의 타워에 더 많은 안테나를 통합하여 네트워크의 용량과 효율성을 높입니다. 또한 빔포밍 기술을 사용합니다. 이 기술은 4G 기지국과 같이 모든 방향으로 무선 신호를 무차별적으로 브로드캐스트하는 대신 특정 방향으로 집중시킵니다. 이 방법은 기지국 신호 강도를 높이고 간섭을 줄입니다.

이러한 차이에도 불구하고 4G와 5G 기술은 상호 배타적이지 않습니다. 대부분의 5G 네트워크는 백홀과 전체 네트워크 구조를 4G와 공유하며, 무선 인터페이스만 달리 사용합니다. 이러한 타입의 배포를 일반적으로 NSA (비독립형) 네트워크라고 합니다. NSA 네트워크가 널리 사용되는 이유는 기지국을 제외한 모든 구성요소를 재사용할 수 있어 네트워크 구축 비용을 절감할 수 있기 때문입니다. 더 큰 용량을 얻을 수도 있는 독립형 (SA) 네트워크도 있지만, 이를 활용하려면 모든 네트워크 구성요소를 처음부터 구축해야 하기 때문에 비용이 훨씬 많이 듭니다. 따라서 대부분의 디바이스는 NSA 네트워크에서 필요에 따라 4G와 5G 간을 전환할 수 있습니다.

기지국 및 무선 인프라 테스트

테스트는 잠재적인 문제를 식별하고 수정하여 최적의 성능, 지속적인 가동 시간, 견고하고 원활한 무선 연결을 유지할 수 있기 때문에 기지국 인프라의 신뢰성을 높이는 데 매우 중요합니다. O-RAN 테스트는 개방형 무선 접속 네트워크 구성요소의 성능과 상호 운용성을 평가하며, 고급 셀룰러 네트워크의 원활한 기능을 보장하는 데 특히 중요합니다. 

NI는 유연하고 확장 가능하며 경제적인 솔루션을 통해 기지국 구성요소의 테스트에서 중추적 역할을 합니다. 무선 기술이 발전하고 복잡해지고, 특히 6G의 등장으로 혁신적인 테스트 솔루션에 대한 수요가 증가하고 있습니다. NI는 고품질 RF 측정을 무선 통신 테스트의 광범위한 전문 지식과 결합하여 이러한 요구에 부응하고 있습니다.

최근에는 기지국 구성요소를 세분화할 때 독점 프로토콜에서 표준 인터페이스로 전환하기 때문에 특수한 루프 내 테스트와 에뮬레이션이 필요하게 되었습니다. NI는 고품질 RF 측정을 통해 이러한 특수 테스트를 제공하여 이러한 요구에 부응하고 있습니다. NI와의 파트너십을 통해 수십 년간의 무선 업계 경험을 활용하여 견고한 테스트 솔루션을 활용할 수 있습니다. 빠르고 연결된 무선 인프라 개발에 대해 자세히 알아보십시오.