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정확한 시간 및 동기화를 위해 셀룰러 네트워크는 GNSS 타이밍 수신기에 의존하고 있습니다. 다중 경로 신호는 밀집된 도시 지역에 설치된 타이밍 수신기에 심각한 위협이 되는 것으로 나타났습니다.
참고: 이 블로그 내용은 Calnax와 함께 ITSF 2020 (2020년 11월 4일 수요일, 16:40 GMT)에 발표할 내용과 동일합니다.
타이밍은 현대 통신 네트워크의 도전과제 중 하나입니다. 원활한 네트워크 통화 및 데이터 전송을 위해서는 고도화 셀룰러 네트워크의 개별 BS(base station) 동기화가 필요합니다. 즉, 모든 셀 동기화가 가능한 신뢰가는 공통 참조 타이밍 소스가 필요합니다.
대부분의 셀룰러 네트워크에서 해당 소스는 GPS 및 기타 글로벌 위성 내비게이션 시스템(GNSS)에서 방출되는 시간 신호입니다. 네트워크의 PRTC(Primary Reference Time Clock)에 있는 GNSS 수신기에 의해 수집되며, 이를 사용해 1PPS 시간 신호를 생성합니다. 이 신호는 네트워크의 다른 모든 클럭(clock)에서 시간, 위상 및 주파수 동기화 기준이 됩니다.
PRTC는 지속적으로 GNSS 시간을 다시 가져오고 네트워크 재배포를 통해 일정 시간이 지나고 나서 기타 하위 단계의 클럭 동기화가 깨지는 현상을 막아야 합니다.
100% 신뢰할 수 없는 GNSS 시간
아키텍처는 다를 수 있지만 가장 기본적인 셀룰러 네트워크에서 시간 및 동기화 방식이며 잘 작동하기도 합니다. 그러나 여기서 가장 중요한 가정은 바로 GNSS에서 생성된 시간이 정확하고 신뢰할 수 있다는 것입니다. 하지만 이 가정이 언제나 옳은 것은 아닙니다.
부정확한 GNSS 시간 신호에는 RF 간섭, 위성 시스템의 간헐적인 오류 등 여러 가지 이유가 있습니다. 자세한 개요는 ITU 기술적 보고서를(페이지 10-13을) 참고할 수 있으나, 이번 블로그는 GNSS 신호의 다중 경로 조각화에 대해 알아보겠습니다.
다중 경로는 GNSS 신호 수신에 큰 위협이 될 수 있습니다.
다중 경로는 GNSS 신호가 수신기의 안테나로 향하는 경로에서 장애물을 만나 발현되는 효과입니다. 높은 건물, 나무, 차량, 심지어는 지상에서도 신호가 반사되거나 회절되어 안테나 도달까지 별도의 경로가 요구될 수 있습니다.
이렇듯 제각각인 도착 시간으로 인해 GNSS 신호의 수신기 측정에 편차가 발생할 수 있습니다. 최가악의 경우 수신기가 부정확한 1PPS 시간 신호를 출력해 지터(jitter)를 추가하는 등 결과적으로 네트워크 타이밍 성능을 저하시킬 수 있습니다.
(다중 경로에 대한 더 자세한 정보는 e북을 참고하세요.다중 경로와 암흑화 이해하기: 도시 환경에서 GNSS 신호 전파 시뮬레이션하는 방법)
더 많은 기지국간의 긴밀한 동기화를 요구하는 5G 네트워크 등장으로 GNSS 칩셋 개발자는 물론 PRTC의 개발자와 사용자는 다중 경로가 타이밍 및 동기화 정확도에 미칠수 있는 영향을 이해하고 최소화해야 합니다.
Spirent와 파트너 Calnex는 타이밍 수신기 개발자와 사용자가 타이밍 수신기에 대한 다중 경로의 위험 평가가 가능한 시뮬레이션 테스트베드를 개발했습니다.
위치에 따라 다르고 측정이 어려운 다중 경로 효과
설치된 정확한 위치에 따라 달라지는 PRTC 안테나 때문에 PRTC에 대한 다중 경로의 영향을 측정하는 것은 어렵습니다. 하늘이 잘 보이는 열린 공간에 설치된 안테나의 경우 문제가 없습니다. 하지만 고층 빌딩으로 둘러싸인 밀집된 도시 지역에서는 다중 경로가 요인이 될 가능성이 높습니다.
다중 경로 반사의 정확한 특성은 환경 안의 장애물에 따라 달라지기 때문에 일반화하기가 어렵습니다. 또한 물리적 위치에서 라이브 테스트도 어렵습니다. 테스트에는 제어 역할을 할 수 있는 신뢰도 높은 GNSS 시간 소스가 필요하기 때문입니다. 다중 경로가 존재하면 이것이 불가능합니다.
이 솔루션은 연구소 환경 안에서 다중 경로의 효과를 시뮬레이션합니다. 현실 지리 모델과 사실적인 GNSS 신호를 생성하는 RFCS(Radio Frequency Constellation Simulator), 3D 환경을 모델링하기 위한 환경 모델링 소프트웨어 및 광선 추적 소프트웨어를 사용하해 사실적인 다중 경로 효과를 모델링합니다. 이 셋업에서 다중 경로를 사용하지 않은 수신기 테스트가 가능하며 다른 변수를 사용해 안정적인 테스트 반복이 가능합니다.
다중 경로 평가를 위한 완전한 테스트베드
Spirent와 파트너 Calnex는 타이밍 수신기 개발자와 사용자가 타이밍 수신기에 대한 다중 경로의 위험 평가가 가능한 시뮬레이션 테스트베드를 개발했습니다.
이 셋업에는 Spirent GSS7000 다중 Constellation, 다중 주파수 RF 신호 시뮬레이터,Sim3D 환경 모델링 및 레이 트레이싱 소프트웨어 (다중 경로 시뮬레이션 용) 외에도 Calnex의 Paragon-X 타이밍 모니터를 포함하여 출력 1PPS 및 PTP 신호의 정확도를 모니터링합니다.
Testbed setup for 1PPS and PTP outputs from the timing receiver device under test (DUT)
이 셋업을 통해 3가지 시간 및 동기화 애플리케이션 상용 수신기에 대한 테스트를 진행했습니다. 우리의 목표는 다중 경로가 1PPS 출력에 미치는 정확도 저하 정도를 이해하는 것이였습니다. 또한 타이밍 정확성을 위한 ITU G.8272 표준의 셀룰러 네트워크의 PRTC-A 기준 클럭(UTC의 양쪽에 +/-100ns)을 미충족에 대한 리스크를 알아보는 것이였습니다.
테스트를 진행하는 장치에는 단일 주파수 및 다중 주파수 다중 GNSS 수신기와 유연한 IEEE 1588 PRTC를 포함합니다. 먼저 다중 경로가 없는 맑은 하늘 환경에서 각 수신기를 시뮬레이션 테스트 후, 실제 다중 경로 신호가 존재하는 3개의 도시(샌프란시스코 시내, 맨해튼 및 상하이)에서 시뮬레이션 테스트를 진행했습니다. 각 테스트는 24시간이 소요되었습니다.
Simulation of line of sight (white), reflected (red) and diffracted (blue) signals, San Francisco location
심각한 취약점 발견
이 테스트는 3가지 수신기에서 다중 경로 취약점을 드러냈습니다. 맑은 하늘에서 진행한 테스트 결과는 3개 DUT 모두 PRTC-A 한계 내에서 실행되었습니다. 하지만 밀도 높은 도시에서 진행된 테스트에서 DUT는 ITU G.8272 표준이 정의한 PRTC-A 한계를 훨씬 벗어난 1PPS 및 PTP 측정에서 상당한 성능 저하를 보였습니다.
Timing accuracy in clear-sky conditions: timing outputs remain well within the 100ns performance threshold
Timing accuracy in multipath conditions: significant deviations exceed ITU-defined tolerances
결론
Spirent가 진행한 테스트에 따르면 맑은 하늘에서 타이밍 정확도 표준을 준수하는 타이밍 수신기가 다중 경로가 자주 발생하는 위치에서는 상당한 성능 저하를 가져올 수 있다는 사실을 알려주었습니다.
따라서 GNSS에 의존하는 타이밍 수신기 제조업체, 통합자 및 구매자는 다중 경로 환경 아래서 각 수신기 성능을 테스트하고 그 영향을 최소화할 수 있는 조치를 취해야 합니다.
(예를 들어 완화책의 일환으로 타이밍 모듈을 위한 NTT Furuno의 다중 경로 완화 알고리즘과 Spirent 3D에서 테스트 진행 결과를 확인하세요.)
Spirent Sim3D 소프트웨어는 실제 및 실제 지리적 3D 위치에서 다중 경로 효과 시뮬레이션 분야에서 이룬 큰 발전을 의미합니다. 위 설명된 테스트베드는 영국 연구소에서 사용할 수 있습니다. 원하신다면 연락을 통해 더 자세한 정보를 확인하실 수 있습니다.
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