성층권 시스템을 이용한 IMT-2000 망 구성 방안 연구

성층권 시스템을 이용한 IMT-2000 망 구성 방안 연구
손성환 0 * , 김재명 * , 정구익 ** , 이군섭 ** , 이동학 ** , 정원석 **
인하대학교 정보통신대학원 * , SK 텔레콤 네트워크 연구원 **
A study of IMT-2000 network configuration using HAPS
Soung Hwan Shon 0 * , Jae Moung Kim * , Gu Ik Chung ** , Goon Seop Lee ** , Dong Hahk Lee ** , Won Suk Chung **
1. 서 론
The Graduate School of Information Technology & Telecommunications, INHA University *
SK Telecom Network R&D Center **
kittisn@naver.com, jaekim@inha.ac.kr
romeocki@sktelecom.com, ksl@sktelecom.com, dhlee@sktelecom.com, wschung@sktelecom.com
요 약
최근 이동통신 서비스 사용자의 급격한 증가와 다양한 형태의 멀티미디어 서비스의 제공을
위해 차세대 이동통신 시스템인 IMT-2000 시스템을 개발하게 되었으며, 2000 년 이후부터는 성
층권 비행선을 사용하여 IMT-2000 용 기지국으로 사용하기 위한 연구가 시작 되었다. 성층권통
신시스템은 저비용, 유지보수의 용이성 및 단말기의 소형화 등의 장점을 가지고 있어 무선통신.
방송망의 활용에 관심을 갖게 되었다. 이에 따라 본 논문에서는 성층권 시스템을 사용한 IMT-
2000 망의 구성방안 및 링크분석을 통해 기술적 타당성을 분석하였다.
최근 이동통신 서비스 사용자의 급격한 증가와
다양한 형태의 멀티미디어 서비스의 제공을 위한
서비스는 필연적이 됨에 따라 전세계적으로 이러한
문제를 해결하기 위해 IMT-2000 시스템을 개발하게
되었다. 이에 따라 1990 년대 중반에 IMT-2000 시스
템의 위성 부문에 대한 개발도 진행되었으나
GMPCS 시스템들의 사업적인 실패로 IMT-2000 시
스템의 위성 부문에 대한 기술 개발은 상당부분 지
연 되거나 중단되었다. 그러나 2000 년부터 성층권
시스템을 통신 및 방송용으로 사용하기 위한 연구
가 진행 됨에 따라 위성과 지상통신 시스템의 장점
을 두루 갖춘 성층권 시스템을 IMT-2000 기지국용
으로 사용 하기 위한 연구가 시작되었다[1][2].
본 논문에서는 성층권 시스템을 사용하여 IMT-
2000 망을 구성할 때 가능한 방안을 분석해 보고
그에 따른 링크의 분석을 통해 성층권 시스템을 사
용한 IMT-2000 기지국의 타당성을 분석하도록 한다.
2. 성층권 시스템
성층권통신시스템(HAPS)는 고도 20∼50km 정도의
성층권에 무인비행선을 체공시켜 통신 및 방송서비
스 및 원격탐사, 전파감시 등의 각종 무선 응용 서
비스 제공을 목적으로 하는 시스템으로 성층권은
기상 조건이 비교적 안정되어 있고, 항공관제 영역
위쪽에 위치하며, 필요할 경우 비행선을 착륙시켜
유지 보수가 가능하다. 성층권 비행선은 전장 약
150∼250m 정도의 크기로 약 1ton 정도의 탑재체를
탑재할 수 있으며, 내부의 헬륨 가스를 사용하여 정
점 체공을 위한 부력을 얻고, 성층권에서 바람 등의
영향에 대해 자세 및 위치를 제어하기 위해 전동기
로 구동되는 프로펠러를 사용한다. 성층권 비행선에
요구되는 전력은 낮에는 비행선 표면에 장착된 태
양 전지를 사용하고, 밤에는 내부에 장착된 연료전
지에 의해 공급된다. 성층권 통신 시스템은 시스템
비용이 정지궤도 위성과 비교하여 1/4∼1/10 에 불과
하고 유지보수가 용이하기 때문에 저비용으로 서비
스를 실현할 수가 있다. 또한 전송손실이 크게 감소
될 수 있기 때문에 단말기의 소형화가 가능하여 지
상방식 수준의 저전력 휴대 통신을 할 수 있으며
직경 70km(앙각 30 도)에서 직경 500km(앙각 5도)의
범위까지 광역 통신이 가능한 장점이 있다.
이런 특징으로 인해서 저비용 서비스의 실현, 고
속통신 서비스 및 휴대통신 서비스가 가능하며 일
반사용자의 다양한 서비스 욕구를 만족 시킬 수 있
다.
특히 이동통신 기지국의 성층권 시스템의 활용은

WRC-2000 부터 대두되기 시작 하여 우리나라를 포
함한 아시아 지역에서는 2010∼2025MHz, 2110∼
2170MHz 대역에 대해 HAPS 를 사용한 IMT-2000 기
지국용으로 활용할 수 있게 되었다[2]. HAPS 를 사
용한 기지국은 기존의 저궤도 혹은 정지 궤도 위성
시스템과는 달리 지상에 세워진 높은 탑 위에 통신
중계기를 설치한 개념으로 비행체 한기당 다수의
셀을 보유하도록 하여 수많은 지상 기지국을 대체
할 수 있는 경제성을 보유하고 통신 품질을 향상
할 수 있는 장점을 가지고 있다.
비행선당 제공되는 서비스 영역은 여러 개의 셀
들의 집합으로 구성되는데, 이는 전체 빔 커버리지
를 수많은 작은 셀로 구성하여 주파수 재사용을 통
한 주파수 자원 이용효율을 극대화하고, 고 이득 빔
의 사용으로 지구국 및 사용자 단말의 초소형화가
가능하게 된다.
3. 성층권 시스템을 이용한 IMT-2000 망
구성방안
성층권 시스템을 사용한 IMT-2000 시스템은 위에
서 언급한 바와 같이 고도 20km 상공에 체공하고
있는 무인 비행선을 지상의 기지국용으로 활용하기
위한 것으로 성층권 시스템과 사용자 사이의 사용
자 링크에서 IMT-2000 지상부문 요소를 성층권 통
신 시스템에 적용하여 구성할 수 있다. IMT-2000 의
지상부문 요소를 기능적으로 크게 나누어 보면
UE(User Equipment), RAN(Radio Access Network),
CN(Core Network)로 나눌 수 있다. 이중 RAN 은 기
지국(Node-B / BTS)과 그것을 제어하는 기지국 제어
장치(RNC / BSC)로 구성되고 CN 은 MSC(Mobile
Switching Center), 가입자 정보처리장치(HLR : Home
Location Register), Circuit Switching / Packet Switching
Node 및 Gateway 로 구성된다.
또한 성층권 시스템의 물리적 구성요소를 살펴보
면 통신 탑재체, 지상 Gateway 와 Network Control
Center 로 나눌 수 있다[3][4][5].
따라서 위에 언급된 지상부분 기능적 구성 요소
를 성층권 시스템의 물리적 구성요소를 시스템 설
계 및 운용의 측면에서 적절히 구성함으로써 서로
다른 망 구성을 할 수 있으며 크게 3가지로 나누어
생각 할 수 있다.
3.1 성층권 시스템으로 단독적인 IMT-2000 망구성
단독적으로 IMT-2000 망 구성을 하는 경우 성층
권 시스템은 RAN 과 CN 의 일부기능을 수행하는
경우로 RAN 의 인터페이스와 CN 과 RAN 을 연결
하는 인터페이스는 HAPS 내부에서 구현된다. 또한
외부적으로 HAPS 들을 연결하는 IPL(Inter Platform
Link)를 통해 MSC 간의 링크가 구성되며 피더링크
는 MSC 와 지구국에 있는 Gateway 를 연결하는 역
할을 수행한다. 이 경우는 전송망 교환기가 함께 탑
재됨으로 User-HAPS-User 의 링크를 구성하여
Gateway 를 거치지 않고 링크를 구성할 수 있다. 하
지만 HAPS 탑재체의 부담이 가중되며 O&M 이 쉽
지 않은 단점이 존재하기 때문에 현재로써는 구현
상의 어려움을 다수 가지고 있다.
3.2 성층권 시스템이 RAN 의 기능을 수행하는 경우
성층권 시스템이 RAN 의 기능을 수행하는 경우
는 성층권 시스템이 기지국 제어장치와 기지국 제
어장치에 의해 제어 되는 다수개의 기지국으로 구
성된 경우와 다수 기지국의 기능을 수행하는 경우
로 나누어 생각해 볼 수 있다.
Node-B/
BTS
Node-B/
BTS
Node-B/
BTS
Node-B/
BTS
Node-B/
BTS
Node-B/
BTS
NodeB(BTS)
RNC(BSC)
RNC/
BSC
RNC/
BSC
SGSN/
PDSN
MSC/VLR
SGSN/
PDSN
MSC/VLR
MSC
GGSN(PDGN)
HLR
HLR
HLR
GGSN/
PDGN
GMSC
GGSN/
PDGN
GMSC
그림 1. 기지국 및 기지국 제어장치로 구성되는 경우
성층권 시스템에 기지국 제어장치까지 탑재되는
경우 성층권 시스템은 다수의 기지국과 그것을 제
어하는 하나의 기지국 제어장치로 구성되며 피더링
크는 RAN 과 CN 을 연결하는 통로의 역할을 수행
하게 된다. 이 경우에는 다수의 기지국과 기지국 제
어장치로 구성되어 탑재체의 부담이 다소 증가될
수 있으며 CN 을 그대로 사용할 수 있기 때문에 추
가적인 CN 의 설치가 요구되지 않는 장점이 있다.
Node-B
BTS
Node-B
BTS
Node-B
BTS
Node-B
BTS
Node-B
BTS
Node-B
BTS
Node B
(BTS)
RNC/BTS
RNC/BTS
RNC
(BSC)
SGSN
/PDSN
MSC/VLR
SGSN
/PDSN
MSC/VLR
HLR
HLR
그림 2. 기지국으로 구성되는 경우
GGSN
/PDGN
GMSC
GGSN
/PDGN
GMSC

성층권 시스템이 기지국의 역할을 수행하는 경우
에는 성층권 시스템이 기지국 기능을 수행하고, 지
구국은 기지국 제어장치의 기능을 수행하게 된다.
이때 피더링크는 기지국과 기지국 제어장치를 연결
하는 인터페이스를 구성하며 지구국과 외부 지상망
간의 연결은 지상링크를 통해 구성된다.
3.3 성층권 시스템이 User 의 신호를 단순 중계하는
경우
이때 성층권 시스템은 User 의 신호를 단순 중계
하는 기능을 수행하게 되며 지구국은 기지국을 포
함한 RAN 의 기능을 수행하게 되고 지상인터페이
스를 통해 지상 CN 과 연결된다.
그림 3. User 의 신호를 단순 중계하는 경우
이 경우 성층권 시스템의 탑재체 부담이 가장 적
고 모든 망 구성요소가 지상에 존재하게 되기 때문
에 망 운용 관리 차원에서 가장 용이한 경우라고
할 수 있다.
위에서 살펴본 3 가지 경우를 종합해보면 단독적
인 IMT-2000 망을 구성하는 경우 성층권 비행선 탑
재체 비용 및 망 관리의 측면에서의 부담이 크다는
점과 CN 과 RAN 이 모두 성층권 비행선에 탑재되
어 있으므로 CN 과 RAN 의 독립적인 유지 발전이
보장되지 못한다는 점을 고려해 볼 때 현재로써는
구현의 어려움이 따를 것으로 생각되며, 추후 기술
개발 여하에 따라서 구성이 가능할 것으로 생각된
다. 또한 링크의 전파 지연시간을 생각해 볼 때 사
용자-비행체-사용자의 단일 홉 링크 구성이 사용자-
비행체-CN-비행체-사용자의 이중 홉 링크 구성에
비해서 큰 장점을 가지지 못하기 때문에 성층권 시
스템이 RAN 의 기능을 수행하는 경우가 비용과 망
관리 측면에서 유리할 것으로 생각된다. 또한 성층
권 비행체가 중계기의 역할을 수행하는 시스템에서
하나의 비행체를 지원하기 위해 지상에서 필요한
지구국 또는 관문국의 수가 많은 경우 유지 보수가
어려운 반면 RAN 의 기능을 수행할 경우 유지 보
수시 비행체 만을 유지보수 함으로써 가능하기 때
문에 RAN 의 기능을 수행 하는 경우가 유리하다.
따라서 중계기로 성층권 시스템이 사용되는 경우는
재해 재난시 임시적으로 신호를 중계하는 경우 더
욱 적합하며 성층권 비행체가 RAN 의 기능을 수행
하는 경우가 성층권 시스템을 사용하여 IMT-2000
망을 구성할 시 가장 유리할 것으로 생각된다. 특히
RAN 의 기능을 수행하는 경우 중 기지국 만이 탑
재되는 경우는 서비스를 점진적으로 확장할 때 더
욱 적합할 것으로 생각된다.
4. 성층권 시스템을 사용한 IMT-2000 망
링크 분석
그림 4. 성층권 시스템을 이용한 IMT-2000 망 개념도
성층권 시스템을 사용한 IMT-2000 망은 위 그림
에서 보는 것처럼 S-band 신호로 User 와 성층권 비
행선에 탑재된 기지국의 링크(User 링크)를 구성하고
V-band 또는 Q-band 신호를 사용하여 기지국과 지
상망간의 링크(피더링크)를 구성하게 된다. 또한
Optical link 를 사용하여 각 플랫폼간의 링크를 구성
하게 된다.
성층권 시스템을 사용하였을 경우와 지상 기지국
을 사용했을 때의 User-link 의 경로 손실은 각각 아
래의 식과 같다.
성층권 시스템을 사용할 경우:
4πd
pathloss = (1)
λ
d: propagation distance, λ : wave length
지상 기지국을 사용할 경우(ITU-R M.1225 vehicular) :
L b
−3
= 40(
1−
4⋅10
∆hb
) log R −18⋅
log∆h
+ 21log
f + 80 (2)
R = 셀 반경(km),
∆ h : 평균지붕 높이 대비 기지국 안테나 높
b
이의 차(가정:20m)
f : 반송파 주파수(가정 2000Mhz)
위의 식을 사용하여 동일한 주파수를 사용하여 경
로 손실을 계산해 보면 성층권 시스템을 사용한 경
우 약 125dB(앙각: 30 도 가정) 지상 기지국을 사용
한 경우 약(125.9dB)가 되어 지상의 기지국을 사용
한 경우와 큰 차이를 보이지 않는 수준이 된다. 더
구나 지상 기지국의 안테나 이득(18dBi)와 WRC-
2000(Res.221)에서 정의한 안테나 빔 패턴의 이득
(23dBi, Max 50dBi)을 고려해 보았을 때 성층권 시스
템의 안테나 이득이 더 큰 것을 알 수 있다. 이러한
부분들을 대략적으로 고려해 보았을 때 기존에 위

성을 사용할 때 가장 큰 문제점이 되었던 사용자
단말의 소형화 및 전력의 문제는 큰 제한요소로 작
용하지 않을 것으로 생각된다.
피더링크는 User link 를 통해 접속한 사용자의 신
호들을 지상의 CN 에 연결해주는 링크로서 여기서
는 기지국 제어장치까지 탑재되어 있는 경우만을
생각한다. 기지국 제어장치는 각각의 기지국의 신호
들을 Transcoding 된 신호를 CN 에 연결하기 때문에
피더링크 신호는 Transcoding 또는 패킷 데이터 신
호를 중계하게 된다. 피더링크는 28/31GHz 와
47/48GHz 주파수를 사용하여 중계할 수 있다.
각 주파수 대역에 따른 전파손실은 아래와 같다.
표 1. 주파수 대역별 경로 손실 및 강우감쇄
주파수 대역 경로손실 강우 감쇄
28/31GHz 154dB 10dB
47/48GHz 158dB 15dB
위의 주파수 대역과 성층권 시스템의 안테나이득
을 20dBi 지상 Gateway 의 안테나 이득을 35dBi 로
가정 할 때 링크의 타당성을 위해 대략적인 링크
설계를 해보면 아래 표와 같다.
표 2. Feeder link 링크 설계
Frequency band 28/31GHz 47/48GHz
U
P
L
I
N
K
D
O
W
N
L
I
N
K
T
O
T
A
L
output power 11.7609(dB) (15W) 21.4613(dB)(300W)
Tx feeder loss 1(dB) 1(dB)
Tx Ant Gain 35(dB) 35(dB)
EIRP 45.7609(dBW) 55.4613(dBW)
Free space loss 154.567(dB) 158.365(dB)
Rain attenuation 10.6107(dB) 15.8622(dB)
other loss 3(dB) 3(dB)
Rx Ant Gain 20(dB) 20(dB)
received power -100.417(dB) -99.9654(dB)
Rx feeder loss 1(dB) 1(dB)
system noise
temperature
588.626(K) 588.626(K)
G/T -7.30161(dB/K) -7.69839(dB/K)
noise density -200.903(dBW/Hz) -200.903(dB)
Available C/No 100.486(dBHz) 101.137(dB)
output power 11.7609(dB)(15W) 21.4613(dB)
Tx feeder loss 1(dB) 1(dB)
Tx Ant Gain 20(dB) 20(dB)
EIRP 30.7609(dBW) 40.4613(dB)
Free space loss 153.683(dB) 158.182(dB)
Rain attenuation 9.10903(dB) 15.6858(dB)
other loss 3(dB) 3(dB)
Rx Ant Gain 35(dB) 35(dB)
received power -98.031(dB) -99.4062(dB)
Rx feeder loss 1(dB) 1(dB)
system noise
temperature
438.626(K) 438.626(K)
G/T 8.57906(dB/K) 8.57906(dB/K)
noise density -202.18(dBW/Hz) -202.18(dBW/Hz)
Available C/No 104.149(dBHz) 102.774(dBHz)
Require C/No 94.1509(dB) 94.1509(dB)
overall C/No 98.9321(dB) 98.8688(dB)
overall link
margin 4.78116(dB) 4.71788(dB)
위의 파라미터를 사용시 피더링크의 RF 송출 전력
은 28/31GHz 대역에서 약 15W 송출 전력으로 링크
가 성립함을 알 수 있다. 만약 47/48GHz 대역을 사
용하게 될 경우에는 강우감쇄 및 경로 손실이 약
10dB 정도 늘어나기 때문에 EIRP 상으로 약 10dB
정도의 전력이 더 요구된다. 이것은 동일한 이득의
안테나를 사용하였을 때 송출전력이 10 배 정도 늘
어 나게 되기 때문에 47/48GHz 대역을 사용할 때 링
크의 성립이 어려울 것으로 예상된다. 따라서 피더
링크 주파수로는 28/31GHz 대역을 사용하는 것이
현 시점에서는 타당할 것으로 생각된다.
5. 결 론
본 논문에서는 IMT-2000 기지국으로의 성층권 시
스템이 사용이 가시화 됨에 따라 이동통신망의 구
축방안과 User-link 와 Feeder-link 의 링크 분석을 통
해 사용의 타당성에 대해서 알아 보았다. 알아 본
바와 같이 성층권 시스템을 사용할 경우에 기존 위
성을 이동통신에 사용할 경우 가장 큰 문제점으로
작용하던 사용자 단말의 크기 및 전력의 문제는 크
지 않을 것으로 생각되며 피더링크로 사용될 수 있
는 2 개의 주파수 대역 중 28/31GHz 대역이 링크 성
립이 용이할 것으로 생각된다.
이러한 성층권 시스템을 사용한 IMT-2000 기지국
의 이용은 넓은 커버리지와 기지국이 설치되기 어
려운 지역에 기지국으로 사용될 수 있는 장점 등이
있지만 아직 탑재체의 무게 / 전력 등에 어느 정도
의 제한사항이 존재 한다. 따라서 성층권 통신을 위
한 저전력 경량화된 기지국의 개발 등의 제한 사항
이 존재 하고 있기 때문에 이런 부분의 기술 개발
을 통해 이동통신망에 있어 성층권 시스템의 비중
이 높아 질 수 있을 것이다.
6. 참고 문헌
[1] ITU-R Resolution 122, “Use of the bands 47.2
47.5GHz and 47.9-48.2GHz by High altitude platform
stations(HAPS) in the fixed service and by other
service and potential use of bands in the range 18-
32GHz by HAPS in the fixed service” ,1997
[2] ITU-R Resolution 221, “Use of high altitude platform
stations providing IMT-2000 in the bands 1885-
1980MGz, 2010-2025MHz in Tegion 1 and 3 and
1885-1980 MHz and 2110-2160MGz in Region 2”,
2000
[3] TTAE.3G-23.002 : ‘Network Architecture ; TTA
English Standard’
[4] Harri Holma and Antti Toskala, WCDMA for UMTS,
John Wiley & Sons, pp. 283-302, 2000.
[5] Samuel C.Yang, 3G CDMA 2000 Wireless System
Engineering, Artech House, 2004
[6] Masao NAKAGAWA, “Joint System of Terrestrial and
High Altitude Platform Station(HAPS)Cellular for W-
CDMA Mobile Communications”, IEICE vol.85,
no.10, pp2051-2058, Oct 2002