이동통신개요

[스타]

이동통신 [ Mobile Communications ]

1. 개념 및 정의

이동통신(移動通信, mobile communications)이란 사용자가 자유롭게 이동하는 중에도 계속적인 통신이 가능하도록 해 주는 통신시스템을 말한다. 이동통신이 무선통신(無線通信, wireless communications)의 기술을 사용하므로 그 일부의 범주에 포함되기는 하지만, 사용자의 이동성이 보장되어야 하므로 무선을 이용했다고 해서 반드시 이동통신이 되는 것은 아니다.

이동통신에도 많은 종류의 서비스가 존재한다. 보통 휴대전화라고 불리는 서비스인 셀룰러 이동통신을 비롯하여 주파수 공용 통신(TRS: Trunked Radio System), 위성 이동통신 등이 있으나 주파수 공용 통신이나 위성 이동통신 등은 사용 대상이 매우 제한되어 있고 현실적으로 이동통신이라는 용어는 셀룰러 이동통신을 의미하므로 여기에서도 셀룰러 이동통신에 의미를 한정하도록 한다.

다수의 사용자에게 자유로운 서비스를 제공하는 데 가장 큰 걸림돌이 되는 것은 한정된 전파 자원이다. 이동통신용으로 사용할 수 있는 주파수 영역은 한정되어 있어서 사용자마다 주파수를 나누어 사용하는 다중 접속 기술인 주파수 분할 다중 접속(FDMA: Frequency Division Multiple Access)을 사용한다고 해도 서비스를 동시에 이용할 수 있는 사용자의 수는 극히 제한될 것이다.

두 번째는 거리에 따른 전파의 감쇄 특성이다. 전달되는 전파의 강도는 자유공간일 경우 거리의 제곱에 반비례한다. 현실의 세계에서는 대기 중의 입자 및 잡음 등의 영향으로 감쇄는 더 심하게 된다. 따라서 장거리의 상대에게까지 도달하려면 상당히 큰 전력으로 송출해야 하고 이는 매우 비현실적이다.

이는 세 번째 문제와도 연결된다. 바로 한정된 전력의 문제이다. 이동 중의 사용자는 전원을 배터리에 의존해야 하므로 한정된 환경일 수밖에 없다. 센 전력으로 송출해야만 한다면 충분한 시간의 통신 서비스를 이용할 수가 없다.

기지국

상기의 문제점을 해결하는 방안으로 제시된 것이 셀룰러 시스템(cellular system)이다. 셀룰러 시스템은 서비스 대상 지역을 작은 크기의 여러 개의 셀로 나누어 각 셀마다 셀의 중심에 기지국(base station)을 두고 그 셀의 영역에 존재하는 사용자들은 해당 기지국과 통신하는 방법을 사용한다. 이론적으로는 셀의 크기만 적절히 조절하면 주파수의 지역적 재활용과 필요 전력의 감소 등을 통해 상기한 문제점들이 모두 해결된다. 현실적으로는 다음의 문제점들을 해결할 필요성이 대두된다. 인접한 셀 간의 간섭, 사용자가 셀 간을 이동할 때 발생하는 핸드오버(hand over), 그리고 기지국으로부터의 전파가 도달하지 않는 셀 내에서의 음영 지역의 문제 등이다. 이런 문제들을 해결하는 기술은 이미 개발되어 사용되고 있지만 현재도 끊임없이 개선하는 연구가 진행되고 있다.

일정 지역에 있는 셀들의 기지국들은 하나의 이동 교환국(MSC: Mobile Switching Center)에 연결, 집중된다. 셀룰러 네트워크는 이런 이동 교환국들이 서로 연결되어 구성된다. 이 외에도 홈 위치 등록기(HLR: Home Location Register)라는 장치가 있어서 이동통신의 운용에 필요한 사용자들의 각종 정보를 저장해 놓고 통화가 발생할 때마다 사용자를 조회하여 처리해 준다.

국가 간의 이동 등 다른 HLR이 관리하는 영역을 방문하여 이동통신 서비스를 이용하는 것을 로밍(roaming)이라고 한다. 로밍 시에는 그 지역의 HLR에 사용자가 등록되어 있지 않으므로 사용자의 HLR에서 정보를 받아와 임시 저장하여 사용하게 된다. 이때 임시 저장하는 장치를 방문자 위치 등록기(VLR: Visitor Location Register)라고 한다.

2. 이동통신의 역사

마틴 쿠퍼(Martin Cooper, 1928~)

무선을 이용한 통신이 시작된 것은 1900년대 초부터였지만 무선을 이용한 전화가 등장한 것은 1921년으로, 미국 디트로이트 경찰의 차량 이동전화 서비스가 시작되면서부터였다. 하지만 이는 교환이 필요했고 일방으로만 통신이 가능한 방식이었다. 따라서 전화라기보다는 무전기에 가까운 서비스라고 평가받기도 한다.

일반인을 대상으로 한 최초의 이동전화 서비스는 1946년 미국 세인트루이스에서 3개의 채널을 이용한 수동교환방식의 서비스였다. 사용자가 직접 다이얼을 돌려 상대방과 접속하여 양방향 통화가 가능한 서비스는 1964년이 되어서야 제공되기 시작했다. 1975년에 미국 모토로라 사의 마틴 쿠퍼(Martin Cooper)를 비롯한 연구진들은 셀룰러 개념을 이용한 이동통신 방법을 개발하고 미국 특허등록을 하였다.

1978년에는 미국 시카고에서 AMPS(Advanced Mobile Phone Service) 방식, 미국 워싱턴 D.C.에서는 ARTS(American Radio Telephone Service) 등 아날로그 방식의 셀룰러 이동전화 서비스가 시험 운용되었다. 이후 셀룰러 방식의 이동전화는 1979년 일본에서 최초로 상용화되었고 1983년에는 미국에서도 상용 서비스가 시작되었다. 국내에서는 1984년에 AMPS 방식의 상용 서비스가 시작되었다. 이 아날로그 방식의 셀룰러 이동통신을 제1세대 이동통신이라 부른다. 이후 1990년대에는 디지털 이동전화 방식들이 등장하게 되었다.

우리나라와 미국의 코드 분할 다중 접속(CDMA: Code Division Multiple Access), 유럽의 GSM(Global System for Mobile communication), 그리고 일본의 PDC(Personal Digital Cellular) 등이 개발되었는데 이들이 제2세대 이동통신이다. 특히 CDMA 방식의 이동통신은 미국의 퀄콤 사와 한국의 전자통신연구소가 공동 개발하여 1996년 세계에서 최초로 한국에서 상용 서비스를 제공하였다. CDMA의 상용화에 가장 큰 공헌을 한 연구자는 앤드류 비터비(Andrew Viterbi)이다. 그가 창안한 비터비 알고리즘은 CDMA 시스템의 수신기 구현에서 기본적인 알고리즘으로 사용되고 있다. 비터비는 퀄콤 사의 공동 창업자이기도 하다.

제3세대 이동통신은 1990년대 말부터는 2GHz 대역에서 2Mbps의 전송속도로 멀티미디어 서비스를 지향하는 IMT-2000이라는 기준이다. 이를 만족시키는 기술표준인 W-CDMA와 CDMA2000은 2000년대 들어서면서 상용화되었다. 현재는 제4세대 이동통신의 개발이 진행되고 있다. 제4세대에서는 최대 데이터 전송속도가 고속 이동시에 100Mbps, 저속에서는 1Gbps를 달성하는 것이 목표이다. 현재 4세대 기술로는 LTE-Advanced와 Wibro-Evolution 등이 개발 중에 있다.

3. 주요 이동통신 기술

1) 셀룰러 기술

셀룰러 기술의 기본개념도

이동통신은 그 특성상 전파를 사용할 수밖에 없는데, 전파는 모두가 공유하는 공간을 매체로 하게 되므로 특별한 방법을 생각하지 않으면 동시에 여러 명이 사용하기 힘들어진다. 이를 해결하기 위한 방법이 다중 접속 기술(multiple access technology)이다. 다중 접속과 함께 이동통신의 용량 문제를 해결해 주는 것이 셀룰러 기술이다. 물론 셀룰러 기술은 휴대 단말기의 전력 문제도 해결해 준다.

서비스 공간을 이상적인 평면이라고 가정하고, 이 공간을 벌집 모양과 같이 여러 개의 정육각형의 셀로 분할하는 경우를 생각하자. 각 정육각형의 중심에는 기지국을 배치하고 그 정육각형 내에 존재하는 사용자는 그 기지국과 통신을 하게 한다. 셀룰러 시스템은 기본적으로 영역 분할 다중 접속의 기능을 제공한다. 이때 하나의 셀에는 인접한 6개의 셀이 존재하게 되는데, 셀 내에서 주파수 분할 다중 접속(FDMA)이나 시분할 다중 접속(TDMA: Time Division Multiple Access) 기술을 사용하는 경우에는 혼선을 피하기 위해 인접 셀에서는 동일한 주파수를 사용하지 않는다.

코드 분할 다중 접속(CDMA)의 경우는 주파수가 같아도 코드가 다르면 서로 별개의 신호로 인식되므로 인접 셀 간에 동일한 주파수를 사용해도 되지만, 되도록 신호가 인접 셀까지 미치지 않도록 전력을 제어해야 한다. 코드가 달라도 확산된 신호는 잡음으로 작용하기 때문이다. 주파수의 재활용도를 높이기 위한 기술 중 하나는 셀을 기지국에서 볼 때 120도 간격의 3개의 섹터(sector, 부영역)로 나누고 지향성 안테나를 사용하는 것이다. 이렇게 하면 한 개의 섹터에 대해서는 2개의 인접 셀만 존재하므로 그 인접 셀들은 나머지 두 개의 섹터에서 사용하는 주파수들은 재활용이 가능하게 된다.

2) 핸드오버

(1) 핸드오버의 의미

사용자가 통신에 사용하는 채널을 변경하는 작업을 핸드오버(hand over)¹⁾라고 한다. 사용자가 하나의 셀 영역을 떠나 인접 셀로 진입하면 통신하는 기지국이 변경되어야 하기 때문에 핸드오버가 필요해지게 된다. 기지국의 변경은 원래 연결되어 있는 기지국과는 연결을 끊고 새로운 기지국과 새 연결이 만들어져야 한다는 것을 의미한다. 하지만 이런 과정에서 통화가 단절되어서는 안 된다. 서비스의 단절 없이 원활하게 통신하는 상대 기지국을 변경하는 것이 필요하다. 같은 셀 내라고 하더라도 섹터가 변경되는 경우 채널이 변경되어야만 하므로 핸드오버가 발생한다.

또한 현재 사용하는 채널의 불량 등으로 통화가 어려울 때 핸드오버가 발생하기도 한다. 세 경우 모두 기술적으로 본다면 현재 사용하고 있는 채널의 신호 감도 등이 기준에 미달될 때 신호 감도가 좋은 새로운 채널로 전환하게 되는 것이다.

(2) 핸드오버의 종류

핸드오버는 하드(hard) 핸드오버, 소프트(soft) 핸드오버 그리고 소프터(softer) 핸드오버의 세 종류가 있다.

하드 핸드오버는 일단 기존 셀과의 연결을 해지하고 난 후 새로운 셀과 연결하는 방법이다. 하드 핸드오버는 주파수 분할 다중 접속(FDMA)이나 시분할 다중 접속(TDMA) 방식을 사용하는 시스템에서 주로 사용하고 있다. 이는 네트워크에게는 가장 부담이 적은 핸드오프 방식이지만 핸드오버 시 순간의 통화 단절이 느껴질 수도 있다.

또한 만약 새로운 셀에 채널을 할당해 줄 수 있는 자원이 부족하다면 통화가 바로 단절될 수도 있다. 셀 경계에서는 이웃한 셀 간에 핸드오버가 계속적으로 발생하여 통화에 심각한 지장을 초래할 수도 있다. 이런 문제를 해결하기 위해서 기존 셀과의 연결을 계속 유지하면서 새로운 셀과 연결을 생성하는 방법을 사용할 수 있다. 새 연결이 완전히 생성되어야 기존 셀과의 연결을 해지하는 것이다. 이것이 소프트 핸드오버이다. 소프트 핸드오버는 코드 분할 다중 접속(CDMA)을 사용하는 셀룰러 시스템에서 구현하기가 용이하다.

소프터 핸드오버는 하나의 셀 내에서 섹터가 바뀔 때 발생하는 핸드오버이다. 섹터의 변경이 하나의 셀 내에서 발생하는 것이므로 잠시 동안 두 섹터를 모두 이용하여 통신을 하다가 인접 섹터로의 변경을 완료하게 된다.

3) 다이버시티

셀룰러 시스템은 대개 사용자가 밀집된 도시지역에서 사용된다. 도시는 고층 빌딩이 밀집된 지역이 많아 이들이 이동 단말기와 기지국 사이를 가리기도 하고 이들에게 반사되어 수신되는 전파에 의해 다중 경로에 의한 위상차가 발생하기도 한다. 결국 이로 인해 수신 신호의 불규칙한 감쇄가 발생하게 된다. 이를 페이딩(fading)이라고 부른다.

페이딩 문제는 다이버시티(diversity) 기술을 통해 해결하고 있다. 다이버시티에는 공간 다이버시티, 주파수 다이버시티, 시간 다이버시티 등이 있다.

(1) 공간 다이버시티

공간 다이버시티란 수신하려는 신호의 반파장 이상의 거리를 사이에 둔 2개 이상의 안테나를 통해 신호를 수신하여 결합하는 방식으로 페이딩을 처리하는 기술이다. 이와 같이 하면 불규칙한 페이딩 성분들은 서로 상쇄되고 신호 성분은 강화되는 효과가 발생한다. 공간 다이버시티는 크기가 작은 이동 단말기에서는 구현하기가 쉽지 않으므로 주로 이동국에서 기지국으로 가는 역방향 링크에서만 기지국에서 두 개의 안테나를 설치하고, 신호를 수신하여 적용하고 있다.

(2) 주파수 다이버시티

주파수 다이버시티는 다수의 주파수 채널을 통해 신호를 보내고 이를 수신하여 신호를 합하는 방식이다. 코드 분할 다중 접속 시스템에서는 핸드오버 시 서로 다른 확산 코드를 이용한 신호들을 동시에 수신하게 된다. 이때 수신기에서는 각각을 복원하여 신호를 합하게 되는데 이는 주파수 다이버시티의 일종이라고 볼 수 있다. 이와 같은 원리는 차세대 이동통신용 기술로 주목받고 있는 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 기법에서도 적용되고 있다. 시간 다이버시티는 동일한 신호를 시간차를 두어 중복하여 전송한 후 이를 각각 수신한 후 합하여 복원하는 방식이다. 실제로 이와 같이 송신하는 것은 전송 시간 지연 등의 문제로 인해 적용하기 매우 어렵게 된다.

그러나 코드 분할 다중 접속의 경우에는 다중 경로를 통해 수신되는 신호들이 자연스럽게 시간차가 생기게 되고 복원에 사용되는 코드의 타이밍을 조절하여 수신하면 시간 다이버시티의 효과를 볼 수 있게 된다. 코드 분할 다중 접속의 레이크(rake) 수신기는 이와 같은 원리를 이용한 것이다.

4) 위치 등록

셀룰러 시스템에서 중요한 역할을 하는 장치 중의 하나가 위치 등록기(location register)이다. 전화기의 위치가 고정되어 있는 유선전화와는 달리 이동전화는 항상 이동하므로 전화가 걸려온 경우 호출 신호를 전송하는 방법이 매우 중요해진다. 이동 단말기가 어느 순간에 어디에 있는지 모른다면 그 이동 단말기를 호출하는 호가 발생했을 때 해당 셀룰러 시스템내의 모든 기지국이 호출 신호를 송출해야 할 것이다.

하지만 이 방법은 과도한 통신량을 유발할 뿐만 아니라 전력의 낭비도 심하다. 이 문제를 해결하기 위해서 필요한 것이 위치 등록기이다. 이동 단말기는 주기적으로 자기의 존재를 알리는 신호를 송출한다. 이 신호를 수신한 기지국은 신호를 자기의 이동 교환국으로 보낸다. 이동 교환국은 해당 이동 단말기가 자신이 관할하는 범위 내에 있다는 정보를 위치 등록기에 보낸다. 위치 등록기는 해당 가입자(A)의 정보에 그 이동 교환국의 정보를 기록해 둔다.

이제 다른 가입자(B)가 A를 호출하는 경우를 생각해 보자. B가 전화를 걸면 B가 속한 지역의 이동 교환기는 위치 등록기에 기록된 A의 위치를 조회한다. 위치 등록기가 A가 속한 이동 교환국의 정보를 주면 B의 이동 교환국은 A를 호출하는 신호를 A의 이동 교환국으로 송출한다. 신호를 수신한 A의 이동 교환국은 자신에게 속한 모든 기지국에게 A를 호출하는 신호를 보낼 것을 명령한다. 이에 A가 응답하면 응답 신호를 수신한 기지국을 통해 통신이 시작되는 것이다.

5) 전력 제어

주파수 분할 다중 접속(FDMA)이나 시분할 다중 접속(TDMA) 시스템에서는 전력 제어가 큰 문제가 되지 않는다. 물론 이런 시스템에서도 통신에 필요한 최소한의 전력만을 송출하는 것이 이동 단말기의 한정된 전원 환경에는 유리하다.

반면 코드 분할 다중 접속(CDMA) 시스템에서는 전력 제어가 필수적이고 매우 중요한 기능이 된다. 전력 제어에는 기지국으로부터 이동 단말기로 송출하는 신호의 전력을 제어하는 순방향 전력 제어와 반대로 이동 단말기로부터 기지국으로의 송출을 제어하는 역방향 전력 제어가 있다. 순방향 전력 제어는 상대적으로 간단하다. 기지국은 이동 단말기가 보고하는 정보에 따라 해당 단말기로 송출하는 신호의 전력을 제어하게 된다. 역방향 링크에서는 다른 이동 단말기의 신호는 백색잡음(white noise)과 같이 작용한다. 그런데 이 잡음 전력이 너무 크면 통신이 어려워지므로 되도록이면 필요한 최소한의 전력으로 신호를 송출하는 것이 좋다. 역방향 전력 제어의 원칙은 이동 단말기의 셀 내 위치에 상관이 없이 기지국에 도달하는 신호 전력이 동일해야 한다는 것이다. 즉, 기지국에 가까우면 송신 전력을 낮게 설정하고 기지국에서 멀어질수록 전력을 키워야 한다.

실제 역방향 전력 제어 과정은 보다 복잡하지만 간단히 설명하면 다음과 같다. 이동 단말기는 기지국이 송출하는 기본 파라미터를 이용하여 초기 송신 전력 값을 설정하고 신호를 송출한다. 이에 기지국으로부터 응답이 없으면 일정한 크기의 전력을 증가시켜 송출한다. 또 다시 응답을 받지 못하면 또 다시 전력을 증가시켜서 송출한다. 만약 응답을 받게 되면 그 값을 이용해 통신을 하게 된다. 코드 분할 다중 접속이 현재 이동통신에서 기본적인 기술이 되어 있는 상황이므로 전력 제어는 매우 중요한 기술 중 하나라고 할 수 있다.

[네이버 지식백과] 이동통신 [Mobile Communications] (학문명백과 : 공학, 형설출판사)