정보통신공학과 통신학과, 정보처리기사 등 정보통신시스템 요약정리 76. W-CDMA 시스템

76. W-CDMA 시스템

 

가. GSM 시스템과 W-CDMA 시스템
유럽에서 이동 전화로 국경을 허물겠다는 목표로 개발한 것이 GSM 시스템이며, 가
입자 식별모듈(SIM : Subscriber Identity Module) 카드를 사용하여 이를 해결하였
다. SIM 카드는 가입자 정보를 가지고 있어서 이 카드만 꽂으면 자기 단말기처럼 쓸
수 있다. 어느 곳으로 여행을 갈 때 단말기가 아닌 지갑 속에도 들어가는 SIM 카드만
있으면 그 나라에서 전화기를 빌려 자기 것처럼 쓸 수 있고, 보안이 뛰어나서 전자상
거래 등에서도 효용성이 높다. SIM 카드가 없으면 통화와 문자메시지 등 대부분의 서
비스를 사용할 수 없지만, 응급 전화번호로는 전화할 수 있다.
GSM 시스템에 관련된 규격은 ETSI에서 범유럽 표준규격으로 제정되었으며, 협대
역 TDMA 방식을 적용해 유럽을 단일 통화권으로 묶었다. GSM의 기지국 송신 주파
수는 935~960MHz, 수신 주파수는 890~915MHz를 사용하였고, 송신 주파수 간격
을 45MHz, 고주파 회로 채널수는 124개이며, 셀 반경은 0.5~35Km 정도이다.
GSM의 데이터 전송속도를 높이기 위해, 회선교환 모드를 기반으로 한
HSCSD(High Speed Circuit Switched Data)와 패킷 전송모드를 기반으로 하는
GPRS(General Packet Radio Service)가 도입되었으며, 이후에는 데이터 전송속도
가 384Kbps까지 가능한 EDGE(Enhanced Data rate for the GSM Evoloution)가
발표되었다.

여기서, HSCSD는 GSM을 기반으로 하는 회선교환 프로토콜을 사용하여 4개의 무
선 채널을 동시에 사용함으로써, 57.6Kbps의 전송속도를 제공하며 메일 서비스를 지
향한 인터넷과 인트라넷(intranet)의 이동접속에 주로 사용되고 있다. GPRS는 GSM
기반의 패킷교환 무선 프로토콜을 사용하여 116Kbps의 전송속도를 제공하며, 이동
통신 환경에서 웹 브라우징과 같은 인터넷 프로토콜 기반 서비스와 데이터 통신 서비
스를 효과적으로 실현할 수 있다. EDGE는 GPRS의 상위 버전의 기술로서 개발된 것
이다.
W-CDMA는 GSM을 기반으로 구축한 이동통신 사업자들이 IMT-2000 서비스를
위해 채택한 방식이며, 비동기식 CDMA 기술을 적용하였다. 따라서 W-CDMA 시스
템에서는 단말기 내에서 자체적으로 동기를 맞추어 핸드오프 기능을 수행하며, 5MHz
의 주파수 대역을 갖고 음성과 데이터 및 동영상 서비스가 가능하다.
또한, W-CDMA는 부분적으로 TDMA와 FDMA의 특징을 사용하고 있으며, 크게
TDD(Time Division Duplex) 방식과 FDD(Frequency Division Duplex) 방식으로
구분된다. TDD 방식은 CDMA 방식 위에 추가로 주파수를 이용하여 사용자들을 구분
하거나, TDMA와 같이 통신 자원 사용 시간으로도 사용자들을 구분하며, 하나의 주파
수에서 데이터를 올리고 받는 일을 같이 처리한다. FDD 방식은 코드와 주파수를 기반
으로 자원을 배분한다는 것은 같지만, 통신 장원 사용 시간으로 사용자들을 구분하지
않으며, 데이터를 올리고 내려받는 일을 부파수별로 나누어 처리한다.
W-CDMA의 기술적인 특징으로는 높은 주파수 이용률, 주파수 관리로부터의 해방,
낮은 이동국 송신 전력, 상향·하향 링크에 독립자원의 사용 등을 들 수 있다. GSM
방식과 W-CDMA 방식의 특징을 상호 비교하면 <표 6-8>과 같다.

<표 6-8 GSM 방식과 W-CDMA 방식의 특징 비교>

구 분	GSM	W-CDMA
무선 전송방식	TDMA	CDMA
주파수 대역폭	200KHz	5MHz
주파수 재사용 계수	1∼18	1
통화품질 제어방식	네트워크 설계	무선 재사용 알고리즘
패킷 데이터	타임슬롯 기준 스케줄링	부하기준 패킷 스케줄링
역방향 송신 다이버시티	제공기능 없음	역방향 품질에 따라 제공

GSM에서의 주파수 대역폭은 200KHz로서 주파수 재사용률은 W-CDMA와 비교
하여 최대 18배까지 효율이 좋다. W-CDMA에서의 주파수 대역폭은 5MHz의 광대역으로 고속 데이터 전송에 적합하며, 통화품질 관리의 제어는 무선 재사용 알고리즘에
의해서 조정함으로써 최대의 효율을 얻을 수 있다. 이 방식은 기지국의 채널카드를 적
정량 배치할 경우 통화품질은 양호하나 수용 용량이 떨어지며, 채널카드를 많이 배치
하여 운용하면 통화품질은 약간 저하되더라도 많은 가입자를 수용할 수 있다.
GSM의 패킷데이터 전송방식은 타임슬롯 기준의 스케줄링 방법을 사용하므로 고정
된 시간에 의한 전송이 이루어지는 반면에, W-CDMA에서의 패킷데이터 전송방식은
부하 기준 패킷 스케줄링을 사용함으로써 GSM 방식에 비해 무선 환경의 신호대 잡음
비에 의해 품질이 결정되며, 가입자 수용 용량의 증대와 효율적인 망 관리가 가능하
다. 단말기에서 기지국으로 송신될 때의 역방향 다이버시티인 경우 GSM에서는 제공
되지 않지만 W-CDMA에서 제공됨으로써 회선품질이 떨어지는 구간에서도 양호한
통화 및 데이터 전송이 가능하다.

나. W-CDMA 시스템의 망구조와 프로토콜
W-CDMA 시스템의 무선접속망은 [그림 6-26]과 같이 나타낼 수 있으며, 사용자
단말장치인 이동기(UE : User Equipment), 무선 기지국장치(BTS : Base
Transceiver Station), 무선망 제어장치(RNC : Radio Network Controller), 멀티
미디어 신호처리장치(MPE : Multimedia signal Processing Equipment)에 의해
구성된다.

W-CDMA 시스템의 무선접속망 구성

W-CDMA의 망 표준 구조는 Release 99(Release 3이라고도 함), Release 4,
release 5 순으로 발표되었으며, 각 표준은 망 구성요소가 교체되고 부가 기능이 늘어
나는 등 몇 가지 차이점들이 존재하나 근본적인 원리는 서로 동일하다.
한편, 3GPP에서 3세대(3G) 이동통신망 이름으로 부여한 UMTS(Universal Mobile Telecommunication System)는 W-CDMA와 GSM, EDGE 등의 방식이 적
용되었으며, UMTS 망은 [그림 6-27]과 같이 CN과 UTRAN(UMTS Terrestial
Radio Access Equipment)으로 크게 구분되며, 사용자 단말기인 이동기(UE)는
UTRAN과 연결된다.

CN은 프로토콜 구조의 상위 레벨단 데이터 처리를 담당하며, 망 안쪽 부분을 지칭
하고 있다. 중간 매개체인 UTRAN을 거쳐서 UE와 전화 통화 및 데이터 통신 연결을
처리하거나, 요금의 과금 시스템과 망 보안 관련 처리를 담당하고 있다. 내부적으로는
통화 제어와 단말기의 이동성 확보 등의 기능을 수행하는 이동교환기(MSC), 공중전화
망과 무선 통신망 등의 PLMN과의 관문 역할을 담당하는 GMSC(Gateway Mobile
Switching Center), 패킷 송수신 기능을 제어하는 SGSN(Serving GPRS Support
Node), 패킷정보를 취급하고 패킷데이터망(PDN)과 인터넷 망과의 관문 역할을 담당
하는 GGSN(Gateway GPRS Support Node), 사용자의 위치 정보를 저장하고 망에
서 단말기 인증 절차와 등록 등의 역할을 수행하는 HLR 등으로 구성된다.
UTRAN은 CN과 UE를 연결해 주는 역할을 하며, 주로 전파 자원을 제어하고 할당
하거나 사용자의 이동성을 보장하는 기능을 담당한다. 내부적으로는 셀 내에 있는 많
은 UE들과 연결되어 있는 노드 B(Node B), 노드 B에 연결되어 이를 제어할 뿐만 아
니라 통신 자원을 할당하거나 핸드오프 기능 등을 담당하는 RNC, 그리고 RNC와 그
에 달려있는 노드 B를 묶어서 하나의 RNS(Radio Network Subsystem)이라고 한
다. UTRAN은 이러한 RNS들의 집합이라고 말할 수 있으며, RNS는 UE와의 연결 상
태에 따라 개념적으로 SRNS(Serving RNS)와 DRNS(Draft RNS)로 구분된다.
W-CDMA의 프로토콜 구조는 크게 하위계층에 해당되는 AS(Access Stratum)와 상위계층에 해당되는 NAS(Non-Access Stratum)로 나뉜
다. AS는 하드웨어에 가까운 프로토콜을 가지며 UE와 UTRAN, 그리고 YTRAN과
CN을 이어주는 인터페이스 역할을 담당하고 있다.
AS 계층의 물리채널(physical channel)은 W-CDMA 프로토콜 구조에서 가장 바
깥쪽에 위치한 영역으로서, 채널 코드와 스크램블링(scrambling) 코드를 사용하여 여
러 종류의 데이터들을 주파수에 동시에 올려서 데이터를 외부로 전송하거나, 무선으로
들어온 데이터를 내부로 받아들인다. 물리 채널은 전송 방향이나 FDD/TDD 지원 여
부에 따라서 각기 다른 종류가 사용된다. 물리계층(physical layer)은 하드웨어에 직
접 관련된 부분의 기능을 담당하며, W-CDMA 방식에서는 UE 간의 신호 간섭을 줄
이기 위해 부호화/복호화 과정이 필요하다.
AS 계층의 전송 채널(transport channel)은 물리계층과 MAC 사이의 인터페이스
역할을 담당하며, MAC 프로토콜은 통신 수단의 자원 접근을 제어하며 통신 자원을
동적으로 할당한다. 즉 자원을 점유하고자 하는 사용자 간의 우선순위를 정하는데, 처
음에 논리 채널과 전송 채널을 서로 연결시키고 전송할 데이터의 포맷을 결정한 후 우
선순위를 결정한다
AS 계층의 논리 채널(logical channel)은 데이터 전송의 형태로서 일대일 통신, 일대
다수 통신인지, 또는 사용자 평면인지 제어 평면인지의 여부를 결정하는데, 전송방향과
FDD/TDD 지원 여부에 따라 결정된다. RLC(Radio Link Protocol) 프로토콜은 각 서
비스마다 각기 다른 전송 속도와 신뢰성 조건을 만족하는 서비스품질(QoS : Quality
of Service) 기준을 설정하거나, 데이터의 분할 및 조립 등의 기능을 수행한다.
SAP(Service Access Point)은 계층 간의 인터페이스 역할을 해주는 논리적인 역
역이며, 채널도 일종의 SAP이라고 볼 수 있다. RRC(Radio Resource Control) 프로
토콜은 RRC 신호 메시지의 전송을 담당하는 RRC 연결의 생성, 수정 및 해제를 담당
하며, RRC 연결은 UE와 UTRAN 간에 이루어지는데, NAS 쪽에서 RRC 연결을 이
용하는 전송 서비스들을 제공한다. 또한 RRC 프로토콜은 NAS의 UE에서 CN으로 올
라가는 음성과 패킷 데이터들, 즉 사용자 평면의 연결을 생성하는 RAB(Radio
Access Bearer)에 관한 기능을 수행하고, 이동성의 지원도 담당한다.
PDCP(Packet Data Convergence Protocol)는 패킷 교환 도메인이 사용하는 프
로토콜로서, 핸드오프가 발생할 때 SRNC 전환이 일어나게 되는데, 이때 데이터의 손
실이 생기지 않도록 데이터를 재전송하도록 해준다. BMC(Broadcast and Multicast
Control) 프로토콜은 셀에 단문메시지 서비스(SMS : Short Message Service)가 제
공되도록 관련 기능을 지원한다.
그리고, NAS 계층은 상대적으로 소프트웨어적인 프로토콜이며, 사용자 평면(user
plane)과 제어 평면(control plane)으로 구분된다. 사용자 평면은 사용자가 음성과 문
자 등의 데이터들을 통신하는 기능을 가리키며, 제어 평면은 원활한 사용자 데이터의
통신을 위해 CN과 UE 간에 주고받는 기타 신호 정보들에 관련된 기능을 일컫는다.