기지국

기지국(Base Station)은 무선통신의 서비스를 위해 네트워크와 단말기를 연결하는 무선 통신설비이다.

개요

기지국은 육상 이동통신(무전기, 휴대전화 등)의 육상 고정국을 의미한다.이동국이나 다른 기지국과 전파를 주고 받거나 케이블망으로 이어준다. 간혹 오지나 해상에 무전기나 휴대전화 등을 가설하기 위한 이동식 장비를 이동식 기지국이라고 하기도 하는데 엄밀하게는 틀린 표현이다. 직접 들고 다니는 이동식 장비라면 이동국, 차량에 탑재하는 장비라면 차량국, 선박에 설치하는 장비라면 선박국이 올바른 표현이다.전파를 수발신을 하기 때문에 당연히 엄청난 양의 전자파를 발생시키며, 이것이 설치된 건물의 입주자들이 건강상 문제가 발생한다고 우려해 철거를 요구하는 민원이 많다. 하지만 전자파와 건강 간의 관계는 아직 명확하게 밝혀지지 않았다.보통의 HAM용 기지국은 트랜스미터, 리시버 등의 각종 통신 장비가 설치된 샤크 룸, 트랜스미터의 출력을 증폭하는 파워앰프, 안테나가 설치된 송신탑으로 이루어져 있다.

이동통신 서비스

이동통신 기지국의 서비스를 위한 주요 개념은 단말기와 송수신할 수 있는 커버리지, 주위의 기지국과 연계된 서비스 할당 지역인 셀, 이동통신 억세스 네트워크와의 연결 등이다.

• 커버리지

하나의 기지국이 단말기와 정보를 송수신할 수 있는 범위를 커버리지라 한다. 송신측 커버리지는 기지국의 무선 송신 강도에 의해 결정된다. 수신측 커버리지는 기지국이 단말기 신호를 수신하는 수신 감도에 의해 결정된다. 대개의 경우 기지국은 송신 커버리지와 수신 커버리지가 동일하도록 조정된다.

• 셀

CDMA, GSM, WCDMA와 같은 이동통신 서비스를 제공하는 사업자는 서비스 제공지역을 포괄하는 기지국들을 설치한다. 하나의 기지국이 서비스를 제공하도록 할당된 범위를 셀이라 한다. 이 때문에 휴대전화를 셀룰러 폰이라 하기도 한다. 기지국들은 서로 인접하여 있어서 서비스 제공 지역 전체를 벌집처럼 덮어 사용자가 하나의 셀에서 다른 셀로 이동하더라도 지속적으로 서비스를 제공할 수 있다. 이렇게 지속적으로 서비스를 제공하는 기술을 핸드오프 기술이라고 한다.

주요 기술

이동통신 기지국의 주요 기술에는 신호 산란에 의한 간섭을 제어하는 다중 경로 제어, 특정 지역에 대해 보다 많은 정보를 송수신할 수 있도록 하는 셀 분할, 하나의 셀을 둘 또는 셋으로 나누어 관리하는 섹터 등이 있다.

• 다중 경로 제어

기지국으로 수신되는 가입자의 신호는 가입자의 단말기에서 송신 된 후 수많은 장애물과 지형등에 반사되어 다수의 신호 경로를 형성하게 된다. 기지국은 두개의 수신 안테나를 이용하여 수신된 신호의 강도와 신호 지연을 검출하게 되고 이 중 가장 강한 신호를 취사선택하여 네트워크로 전송한다. 이것을 다중 경로 제어 또는 다이버시티(Diversity) 기술이라 한다.

• 셀 분할

셀은 이론적으로 기지국을 정 중앙에 둔 정육각형 형태로 설계된다. [1] 그러나, 실제 서비스에서는 서비스 사용자가 집중되어 있는 곳의 신호처리가 중요한 문제가 된다. 이를 위해 하나의 셀을 보다 작은 범위의 여러 개의 셀로 분할 할 수 있다. 셀의 분할에는 보다 적은 출력으로 커버리지 범위를 줄인 소출력 기지국을 여러 곳에 설치하거나 재야의 종 타종과 같은 행사로 인해 발생하는 일시적인 사용자 증가를 위해 이동 기지국을 사용하는 방법이 있다.

• 섹터

하나의 기지국이 관리하는 셀 안의 서비스 품질을 강화하기 위해 셀을 둘 또는 셋으로 분할하여 각각의 섹터에 대해 별도로 송수신 신호를 처리하는 기술을 섹터라 한다. 하나의 셀을 120° 씩 분할하여 세 개의 섹터를 운영하는 것이 일반적이다. 기지국은 각 섹터에 대해 하나의 송신 안테나와 두개의 수신 안테나를 할당한다.

• 핸드 오버

이동통신 사용자가 이동하면서 신호를 주고 받는 경우, 지속적인 서비스를 위하여 신호의 송수신을 관할하는 섹터 또는 기지국을 변경해야 할 필요가 있다. 이러한 섹터 또는 기지국의 변경을 핸드 오버라 한다.

구성 장비

기지국의 주요 구성 장비는

• 기지국 제어기

기지국의 신호 처리를 제어한다.

• 출력 증폭기

기지국의 송신 신호를 증폭한다.PA로 불린다.

• 컴바이너

출력 증폭기들에서 증폭된 여러 신호를 송신 안테나로 전송하기 위해 결합시키는 기능을 가진 장비이다.

• 필터

서비스에 사용하는 주파수 이외의 불필요한 주파수를 차단하는 장비이다. 일반적으로 하나의 안테나를 이용하여 송수신을 할 수 있도록 설계된 듀플렉서를 사용한다,

• 안테나

송신 신호를 공중에 방사하는 송신 안테나와 수신 신호를 감지하는 수신 안테나로 구성되어 있다.

• 원격감시장비

기지국은 서비스 사업자에 의해 원격으로 통제되는 무인 시설이기 때문에 기지국의 각종 상태를 실시간으로 전달하는 원격감시장비를 갖추고 있다.

• 부대시설

온도 제어를 위한 에어컨, 전력공급을 위한 분전반 등이 설치된다.

• 중계기

이동통신 신호를 수신하여 증폭한 후 다시 출력하는 장비로 고객이 자택에서 전파수신감도 불량 등의 증상을 호소하면 통신사에서 해당 건물에 추가로 설치해주기도 한다. 기지국을 추가로 설치할 필요는 없지만 무선신호가 약해 통신이 불량한 지역에 주로 설치한다.사실 통신 종사자들은 중계기를 기지국이라고 하지 않는다. 통신 업계에서는 교환국과 유선으로 연결되어 휴대전화를 유선망과 연결하여 주는 역할을 하는 장비를 기지국이라고 하는데 중계기는 공중의 전파를 수신하여 다시 전파로 중계해주는 역할이기 때문이다.

• 펨토셀

유선인터넷망을 이용해 작은 기지국 역할을 수행하는 장비로 중계기로도 소용이 없을 정도로 전파의 신호 강도가 약할 경우 설치한다. 가정집 내에 설치하는 장비이기 때문에 건물 외벽 중계기, 기지국 설치 문제로 이웃이나 건물주와 마찰이 있을 경우 대안으로 설치하기도 한다. 일반적인 기지국과는 다르게 해당 통신사의 인터넷망으로 송신하는 구조이다.

휴대 전화 기지국

일반 기지국

통신 안테나와 중계기 등을 본래 모습 그대로 설치하는 기지국으로 어디에 설치하느냐에 따라 실내 기지국과 실외 기지국으로 구분된다.실내 기지국은 건물주와 협의해서 건물 내 일정한 공간에 설치한다. 이때 모든 창문은 통신사 보안상 안을 볼 수 없게 막아버린다. 이는 외부 방해요소(더위, 추위, 비 등)를 건물이 다 막아 주기 때문에 유지관리 면에서 어느정도 용이하다. 시골에 가도 간간이 실내 기지국이 보이는데, 규모가 좀 되면 넓은 터에 건물을 지어서 사용하지만 작으면 기지국 터에 컨테이너 박스로 지어 놓은 것도 있다.실내기지국에 설치되는 장비로는 해당 통신사 통신장비와 장비보호차원에서 365일 24시간 가동되는 냉방기, 전기장치가 많아 스프링쿨러를 사용할 수 없어 자동소화장치로 소화약재를 사용한다.통신사의 보안을 위해 출입인원 통제장치도 필요하며 출입문도 기지국 안에서만 열리게한다.감시 장치 역시 설치되며 기지국에 설치된 장비의 상태를 망관리실로 보내준다 마지막으로 기지국의 정전상태에 대비하기위해 축전기를 설치한다. 실외 기지국은 도시 지역에서는 주로 건물 옥상에 실외형 기지국 장비[5] 몇개 갖다놓은 것이고, 시골 지역에서는 나대지에 철망을 치고 그 안에 장비 몇개 갖다 놓은 것이다. 이는 부수적인 소화장비, 냉방기를 설치 할 필요가 없지만 외부 방해요소에 그대로 노출된다.모든 기지국은 출입문이나 그 옆에 통신사, 기지국명이 적힌 명판을 달아놓는다.요새 설치하는 기지국과 노후된 기지국을 대신해 설치하는 기지국은 RRH(Remote Radio Head)라고 하는 무선 출력만 담당하는 장비만 가지고 있고 데이터 처리 장치 BBU(Base Band Unit)를 분리하여 데이터 처리 장비를 국사 한 곳으로 몰아서 설치하는 식으로 기지국 크기와 소비전력을 줄였다. BBU는 디지털 무선 신호(디지털 IQ 스트림)를 RRH로 전송하고 RRH에서는 이 신호를 DAC로 아날로그로 변환해 송신하는 구조이다. RRH에서 수신된 신호도 ADC로 디지털로 변환해 BBU로 전송한다. 이 둘의 연결은 CPRI라는 규격을 주로 사용한다.

위장 기지국

통신 기지국은 이동통신 전파를 수발신 해주는 필수품이지만, 엄청난 전자파를 발생시켜서 시도때도 없이 철거를 요구하는 민원이 들어온다. 사실상 혐오시설 취급. 보통 건물 옥상에 중계장비를 설치한 기지국이 보이는데, 임대료를 보통 300만원 정도를 내고 설치한다. 근대 이게 보통 건물 입주자의 동의 따위 없이 건물주가 임대료 받고 설치하는 것이라서 충돌을 일으키기 일쑤. 건물주가 자기 건물 자기 맘대로 하는 거라 입주자의 동의가 필요 없다.시도때도 없이 철거요청이 들어오는데, 당장 이걸 철거해버리면 그 주변 지역은 이동통신 전파가 끊긴다. 아파트 단지 등 고층 건물이 밀집한 경우, 전파가 닿지 않는 사각지대가 양산돼서 이곳저곳에 중계용 기지국을 설치해야 하는데, 이걸 전부 철거하면 그 아파트 지구에선 이동통신을 쓸 수 없다. 그리고 철거하고 나서 전파가 안 터지면 다시 재설치를 요구하겠지여러모로 생긴 것도 볼품없어 주변 경관을 해치고, 전자파 발생 때문에 온갖 민원이 쏟아져 들어와서 막무가내식 철거를 요구하는 탓에 아예 민원 회피하고 눈에도 보기 좋게 할 작정으로 눈에 띄지 않게 주변 사물처럼 위장하는 것이 요즘 추세이다.참고로 서비스모드로 -0db띄우는 모드로 보면 요런탑이 -60까지 나온다. 순간적으로만 그렇게 뜨고 여러 문제로 출력이나 빔의 방향이 다른지 (물리적 방향이라기보다는 촛점) 실제 전파는 좀 안 잡힌다. 3G기준이다. 아무리 기지국이 개판인 CDMA도 주파수 대역의 이점으로 칸이 더 잘 뜬다. 다만 둘 다 전화나 데이터망은 끊김이 있다. 결국 통신사들은 더더욱 장비를 숨기려하고, 부적절한 위치에 설치된 기지국을 발견한 주민들은 더더욱 분노하는 악순환이 반복중이다. 덕분에 통신사 관계자와 공사업체 관계자만 골치아파졌다.요즘 고속도로 등을 지나가다가 나무같이 생겼는데 잘 살펴보면 아닌 것들을 본 적이 있을 것이다. 죄다 위장 기지국이다. 요즘은 아파트 배기구로 위장하여 설치한 것들도 보이고, 나뭇잎으로 위장된 것에 케이블 덕트 커버를 건물의 벽돌색으로 페인트 칠하는 등 별의 별 형태의 위장이 다 나왔다. 그리고 그런 위장을 전문적으로 만드는 회사도 있다.

제조사

2000년대까지는 에릭슨, 노키아, NEC, 후지쯔, 모토로라, 지멘스, 노텔 네트웍스, 알카텔 등 많은 업체가 무선 기지국 장치를 제조해왔다.

2000년대 중반부터 화웨이, ZTE 등의 중국 기업들이 저렴한 가격을 무기로 시장을 빠르게 장악해나갔다. 이로 인해 기존 업체들의 실적 부진이 시작되었다. 이들의 약진은 별로 떳떳하지 못한 성공인데, 해킹과 인력 포섭을 통해 기술을 저렴하게 습득하여 저가 공세를 펼 수 있었고, 원가 미만으로 장비를 납품한 뒤 유지보수비용에 바가지를 씌우는 방식으로 수익률을 높였기 때문이다. 여기에 더해 중국의 보호무역 정책으로 인해 중국 내에서는 무조건 자국산 제품을 우선 구매해야 하므로, 이들은 글로벌 기업들이 들어오지 못하는 중국 내에서 독보적인 판매고를 올릴 수 있었다.계속되는 중국 업체들의 기술 유출과 저가 공세로 시장이 침체된 사이 2008년 세계금융위기가 찾아오면서 통신장비 업계는 크게 재편되었다. 100년이 넘는 역사를 자랑하던 캐나다의 노텔 네트웍스가 파산했고, 모토로라와 알카텔, 지멘스의 통신장비 부문을 노키아가 인수합병해 노키아 네트웍스로 재출범시켰다. 여기에 LTE와 5G에 막대한 투자를 쏟은 삼성전자가 빠르게 성장하여 노키아와 전통적인 강호 에릭슨과 함께 글로벌 통신장비 3강을 형성하였다.2019년 점유율 기준 무선 기지국 제조업체 순위는 화웨이, 에릭슨, 노키아, 삼성전자, ZTE 순이며, 외국 기업의 진출이 제한적인 중국 시장과 개발도상국 시장을 배제하면 화웨이와 ZTE가 빠져 에릭슨, 노키아, 삼성전자가 3대 글로벌 무선통신장비 제조사로 불린다.일반적으로 선진국 이동통신사에서는 상술한 3대 업체의 장비를 이용하여 통신망을 구축하며, 이는 대한민국의 SK텔레콤과 KT도 마찬가지다. 국산(삼성) 장비 사용률은 KT가 근소하게 더 높은데, KT가 SKT보다 늦게 민영화되며 국내기업 우선구매 정책의 영향을 오래 받았기 때문이다.자본력이 부족한 개발도상국, 특히 사하라 이남 아프리카 국가들은 화웨이 등 중국 장비의 사용률이 압도적으로 높다. 서방 업체의 장비 가격을 감당하지 못해 저렴한 중국산 장비로 눈이 쏠리는데다, 중국 정부에서 무상 차관까지 줘가며 중국 장비로 통신망을 만들라고 요구하기 때문이다.2010년대 중반까지는 선진국의 일부 이동통신사도 중국산 장비를 사용했다. BT, 소프트뱅크 모바일, LG U+가 대표적이다. 하지만 2018년 이후 도널드 트럼프 행정부가 화웨이의 중국군 결탁 의혹으로 인한 보안 위협을 이유로 백악관 행정명령 13873호를 발령하자 일부 이통사들이 화웨이와의 거래 중단과 기존 화웨이 장비를 철거하였다.엄격한 이동통신 이동성(Mobility) 및 QoS를 보장해야 하는 규격상 생각보다 높은 기술력을 요구한다. 앞서 설명한대로 무선 중계기와 무선 기지국은 개념이 다르며 기지국은 거의 대부분 대기업 연구소와 국가단위 R&D를 통해 막대한 자본을 활용해 개발한다. 중계기, 모바일 백홀 등은 중소기업에서도 다소 연구개발 및 시장 진입에 용이한 편이다.