정보통신공학과 통신학과, 정보처리기사 등 정보통신시스템 요약정리 70. 이동통신의 주요 기술

70. 이동통신의 주요 기술

 

가. 셀룰러 방식
한정된 주파수 자원의 효율적인 이용과 단말기의 소형화 등을 고려하여 이동통신
서비스를 효율적으로 제공하기 위해 통신 구역에 따라 [그림 6-6]과 같이 광역 방식과
셀룰러 방식으로 구분하여 이용되고 있다.

셀룰러 방식은 이동통신 서비스를 제공할 지역을 하나의 기지국에서 담당하는 대신
에, 여러 개의 작은 구역으로 나누고 각 구역에 기지국을 두어 서비스를 제공하는 시
스템이며, 여기서 각각의 구역을 셀(cell) 또는 존(zone)이라고 부른다. 셀룰러 시스템
은 하나의 셀에서 사용된 주파수를 다른 셀에서도 재사용 가능하므로 시스템 전체로
보았을 때 가입자 수용 용량을 증가시킬 수 있다.
전체 서비스 지역을 하나의 기지국에서 담당하는 광역 방식인 경우, 기지국과 멀
리 떨어진 서비스 지역의 변두리에 있는 이동국에서 송신하는 전력의 세기가 커야
하지만, 셀룰러 시스템을 사용하여 여러 셀로 나누었을 때에는 상대적으로 기지국과
의 거리가 짧아지므로 송신해야 하는 전력이 줄어들고 배터리 수명도 길어지는 장점이 있다.
셀룰러 방식 이전에 사용되었던 광역방식은 일종의 단일 셀 시스템으로서, 하나의
서비스 제공지역 전체에서 제한된 수의 무선채널을 사용하여 송수신하게 되며, 시스템
서비스는 기지국 송신 안테나의 성능에 따라 그 범위가 제한된다. 광역 방식은 한 채
널이 사용 중인 경우, 다른 채널은 동일한 서비스 지역 내에서 중복해서 사용될 수 없
으므로 가입자 수용 능력은 셀에 할당할 수 있는 무선채널 수에 의해 결정된다.
셀룰러 방식에서 각 셀의 중심부의 기지국들은 교환장치와 유선으로 접속된다. 이
개념에 의하면 전체 무선채널의 일부분을 사용하므로 무선채널은 인접 채널의 간섭으
로 인한 영향을 받지 않는 다른 셀에서 재사용할 수 있다. 따라서, 셀의 크기를 줄임으
로써 한정된 주파수 자원을 이용하는 동시에 시스템의 수용능력을 향상시킴으로써 무
선채널의 재사용 횟수를 늘릴 수도 있다.
이러한 셀룰러 시스템의 장점은 서비스 지역을 더 많은 셀로 잘게 나눌수록 크게 나
타나지만 무작정 여러 개의 셀로 나눌 경우 기지국을 설치하는 비용이 증가하고, 셀
간의 연결망이 추가로 필요하며, 이동국이 통화 중에 셀 간을 이동할 때 통화를 유지
하기 위한 핸드오프(hand-off)가 빈번하게 발생된다. 뿐만 아니라 통화 중이 아닌 이동국이라고 하더라도 그 이동국에 착신되는 호가 발생하였을 경우, 위치를 찾기 위한
위치등록과 페이징(paging) 과정이 더 많이 필요하게 되므로 전체적인 부하 증가를 가져온다.
광역 방식은 공중파 방송 등과 같이 단방향 특성의 서비스에 적합하고, 셀룰러 방식
은 이동통신을 비롯한 양방향 특성의 서비스에 적합하다. 셀룰러 시스템을 이용한 아
날로그방식의 시스템 용량 및 성능을 증대시키기 위한 노력에도 불구하고 수용 용량이
한계에 도달하게 되었으며, 디지털 신호처리 기술과 고집적화기술 등의 발전으로 용량
및 품질이 우수한 디지털 이동통신시스템이 지속적으로 개발되어 상용 서비스가 제공되고 있다.
한편, 최근에는 초소형 이동통신 기지국인 펨토셀(femto cell) 기지국이 주목받고
있다. 펨토셀이란 1000조분의 1을 뜻하는 펨토(femto)와 이동통신에서 1개 기지국이
담당하는 서비스 구역 단위를 뜻하는 셀(cell)을 합친 이름이다. 펨토셀은 기존 이동통
신 서비스 반경보다 훨씬 작은 지역을 커버하는 시스템으로서 옥내 중계기를 사용하지
않고 곧바로 기지국에서 교환기로 이동통신 데이터를 전송하기 때문에 통신 사업자는
네트워크 구축비용을 절감하면서 주파수 부하를 줄이고 통화품질까지 향상시키는 것이 가능하다.

나. 다원접속 방식
이동통신 시스템에서 시간 및 주파수대역의 제한된 통신자원을 효율적으로 이용하
기 위해서는, 다수의 사용자가 제한된 통신 자원을 공유함으로써 통신 링크의 이용효
율을 극대화할 수 있어야 한다.
이것을 가능하게 하는 방법이 다원접속(multiple access) 방식이며,  주파수분할 다원접속(FDMA : Frequency Division Multiple Access)과 시분
할 다원접속(TDMA : Time Division Multiple Access) 및 부호분할 다원접속
(CDMA : Code Division Multiple Access) 등 3가지로 대별되며, 이들 방식에 따라
시스템의 용량과 운영방식 및 구현의 용이성 등이 결정되는데, 아날로그 시스템에는
주로 FDMA가 그리고, 디지털 시스템에는 TDMA와 CDMA가 사용되고 있다.
주파수분할 다원접속(FDMA) 방식은 시간을 공유하면서 주파수 스펙트럼을 여러
개의 구간으로 나누어서, 사용자가 각각 주어진 주파수 대역을 사용하는 방식으로 망
동기(network synchronization)가 필요 없으나 인접 채널 간에 간섭이 발생한다. 우
리나라에서 초기 이동전화 방식이었던 아날로그 방식의 AMPS 시스템은 30KHz 간
격으로 대역폭을 분할하여 사용하였다.
시분할 다원접속(TDMA) 방식은 하나의 반송파(carrier)를 여러 사용자가 공유하여
사용하면서 시간 축을 여러 개의 구간으로 나누어서 여러 사용자가 각자에게 할당된
시간 구간을 사용하는 방식이며, 채널 간에 간섭은 적으나 망동기가 필요하다. 유럽에
서 사용되고 있는 디지털 방식의 GSM 시스템이 대표적인 사용 예이다.
부호분할 다원접속(CDMA) 방식은 대역 확산 스펙트럼(SS : Spread Spectrum)이
이루어지는 광대역 시스템을 채용한 방식이며, CDMA는 여러 사용자가 시간과 주파
수를 공유하면서 각 사용자에게 교차 상관이 적은 유사잡음(PN : Pseudo random
Noise) 코드를 할당하여, 각 사용자는 할당된 PN 계열을 이용해 송신할 신호를 확산
하여 전송한다. 수신측에서는 송신측에서 사용한 것과 같은 PN 코드를 발생시켜서 동
기를 맞추고, 이를 이용하여 수신된 신호를 역확산하여 원하는 신호를 복원한다. 즉,
넓은 주파수 대역을 사용자들이 공유하면서 각각의 통화마다 상이한 부호를 부여하여,
디지털화 된 정보를 식별 부호와 함께 전송하여 구분하는 방식이며, 양 측에 동기를
맞추고 분할된 모든 부호 중에서 원하는 신호를 복원해 수신이 이루어지게 된다.
CDMA는 특정 사용자 그룹의 코드들을 가진 사용자들만 정보 수신이 가능하며, 일
치된 코드를 가지지 못한 다른 사용자들은 신호를 수신할 수 없으므로 보안 기능이 우
수하다. 그리고, 일반적으로 스펙트럼의 어떤 특정한 부분이 페이딩의 영향을 받는 경
우, 그 주파수대에 할당된 사용자는 페이딩이 계속되는 한 매우 나쁜 통신품질을 갖게
되는데, CDMA의 경우 각 사용자는 페이딩 대역으로 도약된 동안만 잠시 통신 품질의
저하를 초래하기 때문에 페이딩의 영향을 덜 받는다.
특히, CDMA는 FDMA 방식보다 약 20배 정도의 통화량을 수용할 수 있기 때문에,
좁은 지역에서 많은 가입자 용량을 수용할 필요가 있는 경우에 매우 적합하다. 이동통
신에 사용된 CDMA 시스템은 우리나라에서 세계 최초로 개발하였으며, 이후 지속적
인 기술의 개발로 성능이 많이 향상된 다양한 시스템이 사용되고 있다. <표 6-4>는 다
원접속 방식의 특징을 비교한 것이다.

<다원접속 방식의 특징 비교>

방식	장점	단점
FDMA	•변복조기의 동작속도가 저속 •타국의 송신신호와의 간섭을 피하기 위 한 복잡한 동기를 필요로 하지 않으며 다원접속이 용이 •소형 지구국에 의한 통신이 가능	•중계기당 전송용량이 적음 •여러가지 전송속도를 가지는 데이터에 대한 처리가 어렵고 디지털 신호와의 비 화성이 적음 • 대역 배치에 따른 주파수이용율이 저하됨 •가입자의 수용용랑이 적음
TDMA	•여러가지 속도를 갖는 디지털 데이터 의 처리가 용이 •각국의 회선용량의 변경에 유연하게 대 처 가능 •중계기의 송신전력 및 대역을 최대로 이용하는 것이 가능 • 가입자의 수용용량이 FDMA의 3~6배	• 타국 송신기와의 간섭을 피하기 위한 동기 가 필요하며 베이스밴드처리가 가능 •회로가 복잡 •낮은 트래픽을 갖는 것도 TDMA의 속도 에 대응한 송신전력이 필요 •전송왜곡처리기술이 복잡 •제어장치가 복잡
CDMA	•제어와 비화기술의 적용이 용이 •각 국에 채널부호를 고정적으로 할당함 과 동시에 요구접속의 운용이 가능 •인접채널의 간섭이나 페이딩등의 영향 에 강함 •가입자의 수용용량이 FDMA의 20배로 매우 높음 • 암호화가 용이하며 데이터의 보안성이 우수	•광대역의 주파수대역폭이 필요 •동기를 맞추기 위한 기술이 복잡 •CDMA기술을 구현하는 것이 복잡 •대역내의 다른 통신방식에 큰 간섭의 영향을 줄 수 있음

다. 핸드오프와 위치등록 방식
핸드오프는 셀룰러 시스템의 한 셀에서 다른 셀로 이동해 갈 때, 상이한 통화 채널
을 자동적으로 전환해 주는 것으로서, 핸드오버(handover)라고도 말하며, [그림 6-8]
과 같이 하드(hard) 핸드오프와 소프트(soft) 핸드오프 등으로 구분된다. AMPS 시스
템에서는 새로운 통화 채널을 열기 전에 기존의 채널을 먼저 끊는‘break before
make’방식의 하드 핸드오프를 사용하고, CDMA 시스템에서는 대부분의 핸드오프가
채널을 먼저 연결하고 기존채널을 끊는‘make before break’방식인 소프트 핸드오프를 사용한다.

즉, 하드 핸드오프는 주파수 할당이 변하거나 이동교환국(MSC)이 변할 때 발생하
며, 소프트 핸드오프는 동일 주파수를 가지고 셀 간에 통화 채널이 전환될 때 발생한
다. 이외에도 동일 주파수이고 동일한 셀에서 두 개의 섹터(sector)와 동시에 통화하
는 경우, 섹터 간에 발생하는 핸드오프를 소프터(softer) 핸드오프라고 한다. 소프트
핸드오프 방식은 동시에 두 개의 채널이 필요하지만, 소프터 핸드오프 방식은 하나의
채널을 사용하므로 훨씬 더 간단하다.
핸드오프는 가입자가 한 셀에서 다른 셀로 이동할 때 이동체의 식별 및 추적을 가능
하게 함으로써, 서비스 지역 내에서 셀 간의 이동시 통화의 연결을 유지하는 것이다.
따라서, 이동가입자가 단말기를 새로 작동시키거나 또는 다른 지역으로 이동할 경우에
위치 확인 기능이 필요하며, 이를 위해 가입자 위치등록기(HLR : Home Location
Register)와 방문자 위치등록기(VLR : Visitor Location Register)가 사용된다. 여
기서 HLR은 이동 가입자가 원래 등록된 본적지에 해당되는 기능을 하며, 단말기 정보
와 가입 정보 및 위치 정보 등을 지닌 이동 가입자 데이터베이스다. 반면에 VLR은 현
재 거주하고 있는 주민등록지에 해당되는 기능을 하며, 방문 가입자에게 또는 가입자
로부터 호를 처리하기 위한 정보를 검색하는데 사용되는 데이터베이스다. HLR과
VLR은 이동교환국에 위치하고 있다.

HLR과 VLR을 통해 자신의 위치를 갱신하는 일련의 과정을 위치등록(location
registration)이라고 하며, 특히 지역을 벗어나서 위치등록을 할 경우 로밍(roaming)
이라고 한다. 위치등록과 로밍은 기지국에서 주도적으로 수행하게 되며, 이를 위해 기
지국은 페이징(paging) 신호를 주기적으로 송출한다.  

셀룰러 망에서의 위치관리는 [그림 6-10]과 같이 HLR과 VLR을 이용하는 계층적
데이터베이스 구조를 갖는다.

셀룰러 망에서의 위치등록 과정

과정 (1)은 이동국이 새로운 등록 지역으로 이동했을 때, 가장 가까운 기지국으로 위
치갱신 메시지를 보낸다. 이 과정은 이동 단말기가 기지국으로부터 주기적으로 전파되
는 등록 지역의 신원을 확인하여, 변경이 있을 때 제어 채널을 통해 위치 등록을 요구
함으로써 이루어진다. 이때 자신의 이동신원번호(MIN : Mobile Identification
Number)와 전자순서버호(Electronic Serial Number)를 함께 전송하여, MSC로 하
여금 이를 확인하고 갱신하도록 한다.
과정 (2)에서 기지국은 수신한 메시지를 MSC에게 전달한다. 과정 (3)에서 MSC는
수신한 이동신원번호(MIN)에 기초하여 가입자 단말기와 로밍 단말기를 구별할 수 있
으며, VLR을 갱신하여 이동 단말기가 서비스 영역 내에 있음을 알리다. 과정 (4)에서
VLR은 HLR로 위치등록 메시지를 보내어 데이터베이스를 갱신하도록 한다.
그리고, 과정 (5)에서 HLR은 이동 단말기에 대한 인증 절차를 거친 후, 새로운
VLR의 신원을 기록하고 VLR에게 등록 확인 메시지와 가입자의 사용자 프로파일을
보낸다. 과정 (6)에서 VLR은 MSC에게 등록 확인 메시지를 보낸다. 과정 (7)에서
HLR은 이전 VLR에게 동록 해제 메시지를 보내고, 과정 (8)에서 이전 VLR은 이동 단
말기에 대한 기록을 삭제하고 HLR로 해제 확인 메시지를 보냄으로써 위치등록 과정
이 마무리된다.

라. 이동통신의 채널 특성과 다이버시티 방식
육상 이동통신 시스템에서는 송신 안테나와 수신 안테나가 가시영역 내에서 직진
전파경로에 의하여 신호가 전달되는데, 전파 경로상의 지형지물에 의해 전파의 반사나
회절이 발생하고, 이에 부가하여 이동국이 움직인다는 특성 때문에 이동통신의 채널은
고정통신 시스템과 구별되는 여러 특징들이 있다. 이들은 다중경로 페이딩(multipath fading) 외에 도플러(doppler) 현상, 인접 채널 및 동일 채널 간섭, 음영 효과
(shadowing), 지연 확산(delay spread), 수신전력 감쇠 등이다.
셀룰러 이동통신에서는 전파 경로 상의 건물이나 지형 등에 의한 반사 때문에, 다중
경로(multi-path) 현상이 생겨 수신 신호의 진폭이 시간에 따라 커지거나 작아지는
등의 페이딩(fading) 상태가 발생한다. 즉, 다중경로 페이딩은 무선 링크에서 대기
(atmosphere) 중의 비나 먼지 등에 의해 굴절율이 변화하여 수신점에서 다중파가 간
섭 및 발산되거나, 또는 건물과 나무 등 장애물에 의해 전파가 전달되지 못해 수신 전
계강도가 시간적으로 변동하는 현상을 말한다. 이러한 페이딩 현상을 극복하기 위해
다이버시티(diversity) 방식을 사용한다.
다이버시티의 기본 개념은 [그림 6-11]과 같이, 송신기와 수신기를 각각 출발지와 목적지로 하고, 전송로를 도로에 비유할 경우, 각종 재해로 도로가 불통이 될 수 있지
만, 양 지접 사이에 복수의 도로가 있다면 한 개의 도로가 불통되어도 다른 길을 통해
서 목적지에 도착할 수가 있다. 즉, 다이버시티는 페이딩을 제거하고 항상 일정한 강
도로 수신할 수 있게 하는 방식이며, 다이버시티 수신에 있어서 복수의 페이딩파를 얻
는 것은 송신과 수신 사이에 독립된 전송로를 만드는 것이다.
다이버시티 방식에는 두 가지 이상의 수신 안테나를 어느 정도 떨어진 장소에 설
치하는 공간(space) 다이버시티, 일한 통신정보를 주파수가 약간 다른 두 가지 이상
의 전파에 실어서 전송하는 주파수(frequency) 다이버시티, 직교(orthogonal)하는
두 편파의 전파를 이용하는 편파(polarization) 다이버시티 등이 있으며, 셀룰러 이
동통신 시스템에서는 공간 다이버시티를 가장 많이 사용하고 있다. 특히, 공간 다이
버시티는 두 개 또는 여러 개의 안테나를 공간적으로 서로 격리시켜 설치하고, 여러
개의 수신신호를 수신한 후 이것들을 합성함으로써 페이딩의 영향을 감소시키는 방식이다.
한편, 도플러 현상은 이동국의 움직임에 따라 수신 신호 주파수가 변화는 것으로서,
다중경로 전파 현상과 이동국의 움직임 때문에 이동통신 채널을 통하여 디지털 신호를
수신할 때는 전파 경로의 입사각이 다른 신호가 수신기에 도달하게 됨으로써 수신 신
호가 변화게 된다. 도플러 현상에 의한 주파수 변화를 도플러 편이(doppler shift)라
고 하는데, 이 도플러 편이는 이동국의 속도와 이동국이 사용하는 반송파의 주파수에
비례한다. 음영 효과는 기지국과 이동국 사이에 존재하는 지형과 인공 구조물 등의 차폐물들 때문에, 서로 간의 전파 경로가 순간순간 바뀌게 됨에 따라 수신 전계강도가
변화하여 발생한다.
또한, 디지털 신호는 전송속도와 전파 경로마다 길이가 다른 다중경로 전파 현상 때
문에, 각 경로에 따른 신호가 수신기에 동시에 도달되지 않으며, 이들의 시간 차이를
지연 확산이라 불린다. 지연 확산이라는 도달시간의 차이로 인해 수신 데이터 심볼 간
의 간섭을 일으켜 수신기가 데이터를 정확하게 복원하는 것을 어렵게 만든다.