[네트워크 기초] 12. 네트워크 통신의 발전사 (2) 1세대 이동통신

 

1️⃣ 이동통신 세대별 네트워크 기술 변화 과정  

- 등장배경, 국제표준구조와 기술별 특징 및 한계 

이동통신 Mobile Telecommunication 은 말 그대로 '이동 가능한 원거리 통신'을 의미한다. 

이동통신은 1980년대부터 약 10년 주기로 세대가 바뀌며 진화해오고 있다. 

 

이동통신 기술이 세대를 거듭할수록 품질과 성능이 대폭 개선됨에 따라 이전 세대의 기술은 가입자 수의 감소와 관리 비용의 증가로 서비스가 결국 종료되는 생명 주기를 볼 수 있다. 

 

 

2️⃣ 1세대 이동통신

: 음성통화 서비스의 시작

1980년대 시작된 이동통신을 1세대 이동통신이라고 부르며, 또 다른 말로는 아날로그 셀룰러 시스템이라고 한다. 

통신서비스가 음성 데이터 즉, 연속적인 값을 가지는 아날로그 신호를 주고받는 셀룰러 시스템이기 때문에 아날로그 셀룰러 시스템이라고 했다. 

 

아날로그 Analog 란 규칙적인 일정한 패턴 없이 시간에 따라 연속적으로 변화하는 물리량을 의미하며, 시간에 따라 다양한 크기의 진폭을 가지는 물리량이 연속적으로 나타나는 파형을 보인다. 

1세대 아날로그 셀룰러 시스템은 아날로그 음성 신호를 사용하여 음성통화를 지원하였다. 

 

아날로그 음성 데이터는 가공되지 않은 원음 그대로이기에 생생한 음성 표현이 가능하지만, 그만큼 왜곡이 심하다는 단점도 있다. 

이러한 이유로 1세대 이동통신망에서 데이터는 전송채널과 시스템 장비를 지날수록 잡음으로 인한 신호의 왜곡과 손실로 인해 통화 품질이 낮아졌고, 데이터의 용량도 큰 편이어서 데이터 처리의 효율성이 굉장히 낮았다. 

 

1세대 이동통신 시스템은 별도의 표준화된 규격이 존재하지 않아서 다양한 아날로그 셀룰러 시스템이 등장하였고, 국가별로 각기 다른 시스템이 적용되었다. 

-> 이렇게 나라마다 다르게 적용된 아날로그 셀룰러 시스템은 주파수 대역과 변조 방식, 채널 대역폭도 서로 달라 호환이 되지 않는 문제가 있었다. 

 

각 나라별 아날로그 셀룰러 시스템은 각기 다르지만, 공통으로 FDMA라는 다중접속 기술을 이용한다. 

FDMA란 다중접속 기술 중에서도 이동통신망의 정해진 가용주파수 대역을 여러개로 분할하여 이동통신 단말에 할당하는 방식을 주파수 분할 다중접속(FDMA, Frequency Division Mutiple Access) 라고 한다. 

 

- 1세대 이동통신에서 FDMA 방식의 특징

: 1세대 이동통신망에서 다중접속 기술로 FDMA방식이 적용된 이유는 구현이 비교적 단순하기 때문이다. 

단순히 주파수 영역만 구분해서 가입자에게 할당하는 방식이다 보니 구현도 쉽고 구축 비용도 높지 않았다. 

 

 

- 1세대 이동통신 시스템의 기본 구조 

셀룰러 시스템은 기본적으로 이동국, 기지국, 기지국 제어기, 이동통신 교환기, 공중 교환 전화망의 다섯가지 구성요소로 구분된다. 

이동국(MS, Mobile Station) 은 이동 가능한 휴대용 단말 장치를 의미한다. 오늘날 우리가 사용하는 스마트폰, 노트북 등이 모두 여기에 해당된다. 

 

이동국이 다른 이동통신 단말과 통신하기 위해서는 전파를 송수신하기 위한 장치가 필요한데, 이것이 기지국 송수신장치(BTS, Base Transceiver Station)이다. 

각 기지국이 통신서비스를 지원하는 소규모 영역을 셀이라고 부르는데, 해당 셀 영역에 이동국이 들어오면 기지국 송,수신 장치는 해당 이동국이 통신 신호를 주고받을 수 있도록 신호의 중계역할을 한다. 

 

이런 기지국 장치들을 한데 모아 중앙에서 관제하는 장치가 기지국 제어기(BSC, Base Station Controller)이다. 

기지국 제어기는 보통 하드웨어와 소프트웨어로 구성된 기지국 장비들의 서비스 상태를 모니터링하고, 통신에 필요한 리소스를 관리한다. 

특히 기지국 제어기는 이동통신 단말이 동일 셀 안에서 이동중이거나 다른 셀 간을 이동중일 때 끊김없는 통신 서비스를 제공하는 역할을 하는데 이를 핸드오버Handover라고 한다. 

 

기지국 제어기가 관리하는 임의의 기지국 셀 영역에 위치한 이동통신 단말이 다른 기지국 셀 영역으로 이동하는 경우에도 통신 신호의 끊김을 막기 위한 기지국 제어기 장비 간에 핸드오버가 발생하는데, 이때 두 기지국 제어기 사이에서 교환기 역할을 하는 것이 바로 이동통신 교환기(MSC, Mobile Switching Center)다. 

이동통신 교환기는 이동통신망에서 음성통화 및 각종 부가 서비스를 제어하고 서로 다른 기지국 제어기 간 스위칭 연결, 외부망과의 연결 기능을 제공한다. 

 

이때 외부망을 공중교환 전화망(PSTN, Public Switched Telephone Network) 라고 하는데 소규모 회선 교환 전화망들을 합친 더 큰 규모의 전화망을 의미한다. 

 

구성요소	영문 명칭	국문 명칭	역할
MS	Mobile Station	이동국, 가입자 단말	노트북, 휴대폰 등 단말장치
BTS	Base Transceiver Station	기지국	단말의 이동통신망 연결 지원
BSC	Base Station Controller	기지국 제어기	기지국 간 통신 중계
MSC	Mobile Switching Center	이동통신 교환기	PSTN 망으로 중계
PSTN	Public Swithed TelePhone Network	공중 교환 전화망	대규모의 유선 전화망

 

이동 단말이 현재 셀 영역의 기지국들과 특정 주파수 대역을 통해 연결된다. 

그리고 이때 사용되는 무선 주파수 자원들은 각 기지국의 상위에 있는 기지국 제어기를 통해 관제 되며, 이동 단말이 서로 다른 셀 간에 통신할 수 있도록 이동통신 교환기가 중계하는 역할을 한다. 

최종적으로 이동통신 교환기는 기지국 제어기의 오류를 모니터링하고, 관제 이외에도 기지국에 연결된 이동 단말들이 다른 네트워크와 통신할 수 있도록 게이트웨이 역할을 한다. 

 

특히 통신하고자 하는 이동 단말의 셀 간의 거리가 멀어서 이동통신 교한기가 중계할 수 있는 범위를 벗어나는 경우도 있는데, 이 경우 활용하는 것이 PSTN 즉 공중 교환 전화망이다. 각 이동통신 교환 장치는 공중 교환 전화망과 연결되어 있어서 공중 교환 전화망을 통하여 다른 이동통신 교환기에 의해 관제되는 셀영역의 이동 단말과 통신할 수 있다. 

 

 

2️⃣ 셀룰러 시스템 특징 

- 주파수 재사용

이동 통신에서 통신을 위한 넓은 지역을 우선 셀이라는 작은 구역으로 나누고, 그 셀 중간에 기지국을 구축하여 해당 기지국에서 특정 주파수를 사용해 셀 영역에 무선 통신 서비스를 제공하는 것이다. 

 

그래서 하나의 셀 영역에서는 동일한 주파수로 통신이 이루어지며, 인접한 다른 셀들은 다른 주파수를 사용하기 때문에 주파수 간섭에 의한 신호의 왜곡을 방지할 수 있어 통신에 활용되는 한정된 주파수 자원을 재활용할 수 있다. 

동일한 주파수 대역이 겹치지 않으면서도  주파수를 계속 재사용하여 전체 통신 지역을 커버할 수 있다. 

 

 

- 핸드오버

하나의 셀 영역에서는 동일한 주파수를 사용하기 때문에 이동통신 단말이 셀 영역을 벗어나지 않는다면 콜다운이라고 부르는 신호 끊김 현상 없이 안정적으로 통화할 수 있다. 

하지만 이동통신 가입자 단말들은 하나의 셀 영역에만 있지 않고 계속 다른 셀 영역으로 이동한다. 가입자 단말이 하나의 셀 에서 다른 셀 영역으로 이동할 때 통신 신호의 끊김이 발생하지 않도록 신호의 연속성을 보장하는 기술이 바로 셀룰러 시스템의 핸드오버이다. 

 

핸드오버 기술은 통신 채널의 전환방식에 따라 소프터 핸드오버(softer handover) , 소프트 핸드오버(soft handover) , 하드 핸드오버(hard handover)로 나뉜다. 

 

소프트 핸드오버는 가입자 단말장치가 하나의 셀 내부에서 이동할 때 발생하는 핸드오버 기술을 지칭한다. 

하나의 셀 영역에서도 동일한 주파수로 통신하더라도 위치에 따라 지형물이나 외부 간섭등으로 인해 신호의 세기가 다를 수 있다, 이 경우, 이동 단말은 자신의 통신 채널을 동일 셀 영역에서 운영되는 동일 주파수 범위 내에서 신호가 가장 양호한 채널로 변경함으로써 통신 품질을 유지할 수 있다. 

 

서로 다른 셀 사이를 이동할 때 발생하는 핸드오버 기술에는 소프트 핸드오버와 하드 핸드오버가 있다. 

소프트 핸드오버는 이동 통신 단말이 다른 기지국의 셀 영역으로 이동할 때, 전에 속해 있던 셀 영역 주파수 채널의 신호 연결을 서서히 끊고 이동하려는 셀 영역의 주파수 대역 채널로 서서히 변경하는 핸드오버 기술을 지칭한다. 

이 경우에는 신호의 끊김 없이 자연스러운 채널 이동이 가능하다. 

 

하드 핸드오버는 소프트 핸드오버와는 달리 이동 통신 단말 사이 셀 사이를 이동할 때 이전 셀 영역에서 연결된 통화 채널을 바로 끊고, 곧바로 이동한 셀 영역의 주파수 채널로 연결하는 핸드오버 기술을 지칭한다. 

이전 연결을 바로 끊고 새로운 연결이 이루어지다 보니 신호 끊김 현상이 발생할 수 있다. 

 

 

핸드 오버를 수행하는 주체가 누구냐에 따라서도 핸드오버 기술을 세가지로 구분할 수 있다. 

통신망 제어 핸드오버 NetWork Controlled Handover, 이동국 보조 핸드오버 Mobile Assited Handover, 이동국 제어 핸드오버 Mobile Controlled Handover 

 

통신망 제어 핸드오버는 기지국이 주체가 되어 이동통신 단말과 연결되는 통화 채널의 신호 강도를 측정하고 이동통신 단말과 연결되는 신호 강도가 센 쪽이 기지국으로 핸드오버를 제어하는 것을 말한다. 

 

이동국 보조 핸드오버와 이동국 제어 핸드오버는 이동통신 단말장치가 중심이 된다. 

이동국 보조 핸드오버는 이동통신 단말, 즉, 이동국이 직접 통화 채널의 신호 세기를 측정하여 이를 기지국에 전송해 상위의 이동 통신 교환기가 핸드오버 여부를 결정하는 방식이다. 이때 이동국이 보조적인 역할을 하므로 이동국 보조 핸드오버라고 한다. 

이동국 제어 핸드오버는 이동통신 단말이 직접 기지국과 연결되는 통신 채널의 신호 세기를 측정할 뿐만 아니라 이동국이 직접 핸드오버 여부를 결정하는 방식이다. 

 

 

3️⃣ 1세대 이동통신의 한계 

- 1세대 이동통신은 주로 음성통신 중심으로 서비스가 제공되었다.

- 1세대 이동통신은 단말기 가격과 통신 요금이 비쌌고, 단말기는 매우 크고 무거웠을 뿐 아니라 최대 충전 시의 통화 가능 시간도 짧았기 때문에 휴대성과 성능이 낮았다. 

- 아날로그 신호 특성상 신호 간섭으로 인한 왜곡과 손실이 빈번하게 발생해 가입자 수가 증가할 수록 통화 품질은 저하되는 문제점이 있었다. 

 

 

 

4️⃣ 정리  

- 1세대 이동통신은 1980년대에 시작되었으며, 아날로그 셀룰러 시스템이라고 부른다. 
- 1세대 이동통신은 나라마다 다양한 방식으로 구축되었다. 
- 주로 FDMA 방식으로 주파수 대역을 분할하여 이동통신 단말에 할당하였다. 
- 주로 음성통신 중심으로 서비스가 제공되었다. 
- 1세대 이동통신은 단말기 가격과 통신 요금이 비쌌고, 단말기는 매우 크고 무거웠을 뿐 아니라 최대 충전 시의 통화 가능 시간도 짧았기 때문에 휴대성과 성능이 낮았다. 
- 아날로그 신호 특성상 신호 간섭으로 인한 왜곡과 손실이 빈번하게 발생해 가입자 수가 증가할 수록 통화 품질은 저하되는 문제점이 있었다.