Recently 5th Generation(5G) network traffic is gradually increasing with the expansion of 5G service, and these trends of 5G traffic causes the needs for a continual spectrum supply. However, since frequency is a limited resource and currently the mid band above 3 GHz which is 5G main service band has a problem with short coverage, it is necessary to refarm the redundancy of low-band spectrum of existing mobile technology such as 4G into 5G. The quantization of this spectrum redundancy and availability can be achieved through network assessment. Meanwhile, network assessment should be estimated based on the traffic-intensive area in consideration of regional traffic density distribution since spectrum resources are not shared regionally. This dissertation proposed the methodology for network assessment using volume-based and spectrum-based evaluation methods with the traffic-intensive regions scale approach. First, this dissertation proposed the concept of a virtual sample region which is a logical region consisting of higher dense cells for spectrum utilization or traffic in a dense area. Then traffic trend using the correlation with national traffic is predicted in this region, estimate network capacity using spectral efficiency, bandwidth, and spectrum reuse factor (the number of base stations). Finally, the capacity margin of the network is derived from difference between traffic volume and network capacity. Secondary, virtual cell concept corresponding to the capacity of radio resources in virtual sample regions is proposed for spectrum-based network evaluation. In this dissertation the analytical domain is transformed from the usage rate to the usage count domain representing trends of traffic, bandwidth, and the number of cells in the network. Subsequently, the trends of radio resource block (RB) usage counts in the virtual cell is derived from the correlation between the RB usage counts and national traffic, and the cell-weighted RB usage rate is predicted by the ratio of it to the total number of RB. For the numerical evaluation of network assessment for availability, the forecast was undertaken by December 2028 using measured data of the top 10% of 4G traffic density cells in Seoul, Korea from March 2017 to March 2022. According to the proposed method in this dissertation, the capacity margin of a 4G network has a minimum value of 32,693 GB/h (33.8%) in Sep. 2018, and increases to 115,713GB/h (80.9%) by December 2028. And it is analyzed that the spectral availability has a minimum value of 34.1% in September 2020 and increases to 80.3% by December 2028.
최근 5세대(5G) 이동통신 서비스의 확산에 따라 4G 사용자 트래픽은 감소하는 반면 5G 트래픽은 점차 증가하고 있으며, 이러한 추세에 따라 5G에 대한 지속적인 주파수의 공급이 요구되고 있는 상황이다. 그러나 주파수는 한정적인 자원이고, 현재 운용되는 5G의 주요 주파수 대역이 3.5㎓ 중심의 중대역으로서 기존 4G 대역에 비해 짧은 커버리지의 특성을 가지므로, 4G를 비롯한 기존 통신 기술의 저대역 혹은 중저대역의 주파수 여유분을 5G로 전환하는 것이 필요하다. 이러한 주파수 여유분 혹은 주파수 가용성에 대한 정량적인 평가는 네트워크 가용성 평가를 통해 이루어 질 수 있다. 한편 스펙트럼 자원은 지역적으로 교환될 수 없으므로, 네트워크 평가는 트래픽의 지역적 분포를 고려하여 단일 셀이나 전국 네트워크 규모가 아닌 실제 네트워크 포화가 발생할 가능성이 큰 트래픽 밀집지역을 기반으로 분석되어야 한다. 본 논문에서는 트래픽 밀집 지역의 관점에서 트래픽 볼륨 기반 및 스펙트럼 사용률 기반 평가 방법을 통해 네트워크의 가용성 평가하는 방법론을 제안한다. 먼저 트래픽 밀집 지역 기반 네트워크 평가를 위하여 대상 밀집 지역의 상위 밀집 셀로 구성된 논리적 지역인 가상 표본 지역 개념을 제안한다. 그리고 이 가상 지역에서의 트래픽 볼륨 기반 네트워크 평가를 위해 전국 트래픽과의 상관관계를 이용한 트래픽 추세를 예측하고, 주파수 효율, 대역폭, 재사용률(기지국 수)을 이용한 네트워크 용량을 산출하여, 마지막으로 네트워크의 용량 마진을 도출한다. 한편, 스펙트럼 기반 네트워크 평가를 위해서 가상 표본 지역에서 무선자원의 용량 개념을 가지는 가상 셀 개념을 제안한다. 또한 분석 관점을 사용률 도메인에서 사용량 도메인으로 전환하고, 이를 통해 네트워크의 트래픽, 대역폭, 기지국 수 변화를 포함하는 무선자원 사용 수 개념을 정의한다. 이 후 이러한 무선자원 사용 수와 전국 트래픽과의 상관관계를 통해 가상셀 내 무선자원 사용수의 추세를 산출하고, 총 무선자원 수를 각각 산출하여 이의 비율로 셀 가중 무선자원 사용률을 예측한다. 네트워크 가용성 평가 결과의 수치적 산출을 위해 대한민국 서울의 4G 트래픽 밀집 상위 10% 셀에서 2017년 3월부터 2022년 3월까지 실제 측정된 데이터를 사용하여 2028년 12월까지 결과를 예측하였다. 본 논문의 제안된 방법에 의하면 4G 네트워크의 용량 마진은 2018년 9월에 32,693 GB/h (33.8%)의 최소값을 가지고, 2028년 12월까지 115,713GB/h (80.9%)로 늘어나고, 스펙트럼 가용성은 2020년 9월에 34.1%에 최소값을 가지고, 2028년 12월까지 80.3%로 늘어나는 것으로 분석된다.
