글 싣는 순서
1. IEEE 802 무선 기술의 흐름
2. 이동 통신 기술의 흐름 3. 3G 영상 통화 시대 4. 4G를 향하여
시작하기 전에
작년에 4G와 BcN에 대해 많은 분들이 관심을 가지고 있을 것으로 기대하여 연재를 기획하게 되었습니다만, 댓글도 없고, 유입 키워드도 거의 없어 중단했었습니다. 사실, 항상 인기 있는 글들이나 현재 업무와 관련성이 높은 부분에 대한 글을 위주로 글을 쓰는 습성 때문입니다. BcN 카테고리 내에서 제가 연재하고 있는 "4G 이야기" 외에도 "BcN 참조 모델의 이해"는 거의 1년 가까이 연재가 중단되었습니다.
사실, 이 글은 제가 모 교육 센터에서 BcN 강의를 진행하면서 사용했던 강의 내용을 기초로 작성하였습니다. 대부분의 수강생이 무선 기술과 이동 통신 기술에 대한 기술적인 이해를 어려워하여, 쉽게 엔진이어들이 이동통신 기술에 접근할 수 있도록 하기위해 기획되었던 글입니다. 마지막으로 BcN을 강의한 것이 거의 1년 반이 넘었기에 내용이 가물가물 합니다. ^^ 열심히 기억을 되살려 연재하도록 하겠습니다.
개요
우리나라에서는 2001년 경에 CDMA 2000이 서비스 되면서 영상 통화를 강조하는 광고가 TV 지상파에 실리기 시작했지만, 값비싼 사용료와 기술적인 한계로 인해 활성화되지 못했습니다. 2003년 12월이 되어서야 비동기식인 WCDMA가 서비스 상용화되었고, 2007년에 와서야 HSDPA가 전개되면서, 영상 통화시대가 열리게 됩니다. 이글에서는 WCDMA의 기술적인 특징, 망 구성 등에 대해 살펴보고, HSDPA에 대해서도 살펴보겠습니다.
IMT-2000의 의미
1995년 ITU는 세계적으로 2GHz대의 공통된 주파수와 유·무선 통합에 의한 통일된 이동성 관리기능을 이용하면서, 고품질의 음성 및 영상/고속데이터 서비스를 하나의 단말기로 가능하도록 하면서, Global Roaming 을 목표로 한 국제적 이동통신(International Mobile Telecommunication)을 구축한다는 의미에서 IMT-2000으로 명명하였습니다.
IMT-2000은 ‘하나의 단말기로, 전세계 어디서나, 누구하고나 어떠한 형태의 통신도 가능’하게 해주는, 다시 말해 ‘소비자 요구에 부합하는 다양한 멀티미디어 서비스’를 제공한다. 기존 2세대 이동통신에서 제공하는 음성서비스 이외에, 고품질의 인터넷 서비스인 Web Surfing, 전자상거래, 컨텐츠서비스(VOD, MOD, AOD), 신용카드, 각종 신분증 및 전자인감 기능 등을 하게 하는 개인중심 서비스, 휴대용 TV같은 방송서비스 등이 가능하도록 하였습니다.
IMT-2000에서는 항상 "꿈의 이동 통신"이라는 수식어가 항상 붙어 있었던 것으로 기억됩니다. ^^ 지금은 4G에게 그 수식어를 넘겼지만, 2000년도만 하더라도 획기적인 기술임에는 틀림없었습니다. IMT-2000의 원대한 계획이 진행되던 무렵, 미국에서 2GHz 대역을 사업자에게 할당해버리면서, 전세계 글로벌 로밍이 무산되었습니다. 유럽과 일본은 3GPP라는 컨소시엄을 결성하고, UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) 및 WCDMA을 표준화했습니다. 이에 미국과 한국을 중심으로 3GPP2컴소시엄을 결성하였고, CDMA 2000을 표준화했습니다. 각각의 표준은 ITU의 IMT-2000 프레임워크를 만족하도록 규정되었습니다.
WCDMA와 CDMA 2000
이동 통신에 있어서 동기식이냐 비동기식이냐는 이야기가 항상 나옵니다. 이 부분에 대해 잠시 얘기하자면, 기지국은 원하는 가입자의 신호만을 걸려내야하며, 다른 기지국에서 오는 다른 가입자의 신호를 구분하는 것이 필요합니다. 따라서, PN (Pseudo Noise)과 같은 구분자가 필요하게 됩니다. CDMA의 경우 길고 복잡한 PN 코드 하나를 만들어서 위상을 지연시켜서 사용합니다. 위상을 지연시키기 위해서는 반드시 기지국과 핸드폰이 똑같은 시간 상에 있어야 합니다. 그래서, 기지국과 핸드폰은 GPS를 통해 시간을 받아 항상 시간상 일치가 되도록 합니다. 즉, 기지국과 단말이 시간상으로 일치되어 서비스 하는 방식을 동기식 이라고 합니다. WCDMA는 기지국마다 서로 다른 PN코드를 사용하는 방식으로 GPS를 필요하지 않는 대신 아주 복잡한 알고리즘을 통해 PN 코드를 생성해야 합니다.
IMT-2000은 크게 비동기식인 WCDMA와 동기식인 CDMA 2000으로 구분하므로, CDMA와 CDMA 2000에 대해 간략하게 비교해 보았습니다.
WCDMA
CDMA 2000
주도 지역
유럽 중심
미국 중심
표준 단체
3GPP
3GPP2
기지국간 동기
비동기식
동기식
초기 동기 시간
상대적으로 길다
상대적으로 짧다
설 설계
상대적으로 용이
상대적으로 복잡
기반 기술
GSM
IS-95
시스템 개발 업체
에릭슨, 노키아, NTT DoCoMo
퀄컴, 루슨트, 모토로라
셀 설계 시 WCDMA는 서로 다른 PN 코드를 통하여 기지국을 구분하므로 인접 기지국과 셀 반경을 고려하지 않고도 기지국 구축이 가능합니다만, CDMA 2000은 인접기지국과 동일한 PN 코드를 사용하므로 시간차를 통해 기지국을 구분하므로 상대적으로 복잡합니다.
간단하게 WCDMA와 CDMA 2000의 차이점을 살펴보았습니다. WCDMA 망은 전세계 3G 가입자의 90% 이상을 점유했으며, 국내에서는 동기방식의 CDMA망에서 WCDMA 방식으로 전환하였습니다. LG Telecom만이 동기식인 CDMA 2000 EV-DV(Data & Voice) 구현하였으며, SK Telecom과 KTF는 WCDMA를 구현하였습니다. 전 세계적인 상황을 보아도 동기식 방식은 앞으로도 시장이 계속 줄어들 것으로 판단됩니다. 따라서, 이 글에서는 WCDMA를 위주로 설명드리겠습니다.
WCDMA의 특징
Wdieband-CDMA는 처음 유럽의 GSM 방식을 대체할 새로운 3세대 기술로 고려되었으나, 동기식의 CDMA 2000 1x EV-DO (Data Only)에 비해 도입이 늦어지게 되었으며, WCDMA는 Release 99 이후로 지속적인 표준화를 진행하게 됩니다. Wideband라는 표현을 쓰는 것은 기존의 CDMA는 1.25Mhz 단위로 주파수 대역을 확산하여 사용하지만, Wideband-CDMA는 5Mhz 주파수 대역을 확산하여 사용합니다. 이 부분에 대해서는 HSDPA 부분에 설명될 것입니다. 참조하시기 바랍니다.
WCDMA의 주요 특징은 다음과 같습니다.
화상전화
64 Kbps의 전용 채널을 사용하여, H.324M 영상 포맷을 이용하여 영상전화가 가능합니다. 즉, 특정 사용자가 단독으로 사용할 수 있는 64Kbps의 무선 채널을 제공하며, End-to-end QoS를 보장힙니다.
End-to-end QoS 제공
트래픽을 4 종류로 구분하여 각 트래픽별 QoS를 보장하기 위한 알고리즘 및 파라미터를 규정하였습니다.
Release 4 대비 용량 증가
화상 통신 (64Kbps)를 기준으로 셀 당 30명의 가입자를 수용할 수 있으며, Downlink 2Mbps, Uplink 2Mbps를 지원합니다.
현재 상용 단말기는 칩의 제약으로 인해 사용자 당 Downlink 384Kbps, Uplink 64Kbps 또는 Downlink 128Kbps, Uplink 128Kbps를 지원합니다.
두 개의 서로 다른 서비스를 동시 제공
서로 다른 QoS를 가지는 2개의 서비스를 동시에 제공합니다. 즉, 데이터 사용 중에 음성 착발신이 가능하며, 파일 다운로드 중에도 뉴스 검색이 가능합니다.
Always On
데이터 통신을 위한 세션의 설정 후 데이터가 없을 경우 일시적으로 무선 자원만을 해제하고, 데이터 발생 시에 빠르게 재접속이 가능하도록 합니다.
이렇게 간단하게 WCDMA의 특징에 대해 살펴보았습니다. 기존의 2G 서비스에 대해 데이타 부분이 대폭 강화된 것을 알 수 있습니다. 네트워크 엔진이어들에게는 이런 이야기 보다는 망 구성을 보면 좀 더 쉽게 이해할 수 있을 것입니다.
WCDMA Release 4 네트워크 구조
Release 99에서 MSC는 Gateway와 통합되어 있었지만, Release 4에서는 Signaling 만을 처리하는 MSC (모바일 교환기)와 음성 전송 및 변환을 담당하는 MGW (Meida Gateway)로 분리하였습니다. MSC는 H.248 Megaco를 통해 MGW를 제어합니다. MSC는 SS7망 (지능망)과 연동되는 SS7 GW와 Sigtran을 통해 연동됩니다. 우리의 주 관심인 데이타 통신 부분을 보시면, 기지국 제어 장비인 RNC (Radio Network Controller)에서 바로 SGSN으로 연결되어 데이타 통신을 가능하게 합니다.
망 구성도에 대해 이야기 하다보니 용어의 홍수에 빠지는 기분이 드리라 생각됩니다. 기본적으로 SP Voice 쪽에 기본 지식은 있어야 제가 위에 설명한 말들을 좀 이해할 수 있을 것입니다만, 큰 그림을 보는 차원에서 간단하게 이해하자면, Node B라 불리는 기지국이 있고, RNC를 통해 기지국을 제어하고, RNC는 패킷이 Signaling 이면 MSC로 전송하고, bearer(음성)이면 MGW로 전송하고, 데이타 패킷이라면 SGSN으로 전송합니다. 따라서, Node B에 연결된 사용자 단말은 음성, 데이터를 모두 처리할 수 있습니다만, End-to-end가 IP로 구동되지는 않습니다.
Relase 5 All IP 네트워크 구조
아래 그림을 보시면, 완벽한 All IP 구조라는 것을 알수 있습니다. End-to-end가 All IP로 구성되어 있으며, CSCF 및 MGCF등과 같은 기능은 IMS내의 주요 기능적인 구분입니다. 언젠가 IMS에 대한 글을 올릴 수 있지 않을까 합니다. 여기에서는 IMS는 호 처리 장비이며, 소프트 스위치와 비슷하다 정도로만 이해하시면 될 듯합니다.
Release 5의 주요 특징은 다음과 같습니다.
SIP 기반의 호 처리
모든 단말은 SIP를 사용하여, 이기종 단말간에 다양한 서비스를 구현할 수 있도록 하였습니다.
IPv6 지원
IPv6 지원을 기본으로 하였으며, IPv4는 선택사항입니다. 그러나, 현실적인 이유로 좀 더 유연한 설계가 가능합니다. 이동 통신망의 경우 기본적으로 폐쇄망이기 때문에 IPv6를 구현할 때 가장 용이하게 전개할 수 있는 망 가운데 하나입니다.
IMS (IP Multimedia Subsystem) 의 제안
멀티미디어 서비스를 위해 코어망의 핵심 요소로서 IMS가 제안되었습니다.
HSDPA (High Speed Downlink Packet Access)의 정의
데이타만을 위한 최대 10Mbps의 하향 전송속도를 높이기 위해 공유채널을 이용하는 기술이 제안되었습니다.
강화된 QoS 및 메세지 서비스
WCDMA (Wideband-CDMA)의 표준화 동향
지금까지 Release 99, Relase 4, Release 5에 대해 살펴보았습니다. 여기에서는 새롭게 추가된 Release 6의 기능들에 대해 간략히 살펴보고, Release 7 및 LTE (Long Term Evolution)에 대해서는 4편에서 살펴보겠습니다. 위의 그림을 보시면, 3GPP2와 경쟁하는 관계로 시장선점을 위한 표준화가 매우 빠르게 진행되는 것을 알 수 있습니다.
Release 6의 주요 기능은 다음과 같습니다.
Wireless LAN/UMTS interworking
무선랜과 3G WCDMA 망간에 연동을 위한 방안을 제시하였습니다. 제가 BcN의 "이기종망간의 연동"이라는 블로그에 이 부분에 대한 글을 정리하여 올렸습니다. 관심있으신 분들은 참조하시기 바랍니다.
Presence
상태정보 (Presence)의 교환에 대한 서비스입니다. 메신저 프로그램을 사용할 경우 채팅을 하기전에 상대방 프레즌스의 정보를 통해 시도 여부를 결정할 수 있습니다.
Speech recognition and speech enabled services (음성 인식 및 이를 이용한 주요 서비스)
IMS "Phase 2"
IMS Messaging, Conferencing, Group Management 등과 같은 기능을 IMS에 추가
Interoperability between IMS using different IP-connectivity networks
IMS를 통해 무선 또는 유선망의 특성에 상관없이 IMS를 통해 상호 연동성에 대해 고려
Push to talk over Celluar
핸드폰을 가지고 PTT가 가능하도록 합니다. 즉, 무전기처럼 하나의 채널을 여러 사람이 공유하여 사용하는 것을 말합니다.
Multimedia Broadcast / Multicast Service (MBMS)
OSA/Paray 기반의 API 제공
HSDPA의 주요 특징
이미 언급되었듯이, HSDPA는 WCDMA Release 5에 포함된 기술로써, 2003년 6월에 표준화가 완성되었습니다. 기존의 Relase 4에서 최소한의 업그레이드를 통해 이루어질 수 있도록 하였으며, 기존의 Node B의 무선 구간에 대한 변화는 불가피하였습니다. HSDPA는 기본적으로 하향링크에 대한 속도 개선을 위주로 하여 CDMA2000 1x EVDO와 마찬가지로 3.5G 서비스로 구분됩니다. HSDPA가 전개되면서 진정한 의미의 영상 통신이 가능해졌습니다.
주요 특징은 다음과 같습니다.
Wideband를 사용하여 멀티미디어 서비스에 적합
그림에서 보듯이 3GPP2의 3.5 G EV-DO (Date Only)는 1.25 Mhz 단위로 3개 반송주파수로 나뉘어 데이터가 전송됩니다. 따라서, 2번 채널의 경우 전송할 데이터가 없으면 그 만큼 무선 대역을 사용하지 않으며, 음성과 데이타가 동시에 동일 대역 (FA, Frequency Assignment)에 수용될 수 없습니다. 그러나, HSDPA는 5MHz 대역을 확산하여 사용하므로,음성과 데이타가 동시에 동일 FA에 수요될 수 있으며, 음성과 영상이 사용하지 않는 부분은 데이타가 추가적으로 활용가능합니다.
Big Shard Pipe
하나의 셀 안에 다수의 사용자 단말이 있을 경우에 유용합니다. 일정한 영역을 공유 채널 (Shard Pipe)로 할당하여 모든 사용자가 사용할 수 있습니다. 따라서, 데이타 전송량이 많은 사용자가 그만큼 많은 대역을 사용하고, 사용량이 적은 사용자는 그만큼 적게 사용하므로 인해 전체적인 데이타 전송량을 극대화하는 것입니다. 아래 그림에서 보는 것처럼 User 1과 User 4가 무선 상태가 매우 좋은 곳에 있고 데이타 사용량이 많을 경우 그 만큼 충분한 대역을 할당받아 사용할 수 있습니다.
Fast Hybrid ARQ
무선 구간은 간섭등에 이해 전송 에러가 발생하므로, 패킷 데이터의 전송 효율을 높이는 것이 중요합니다. HARQ는 FEC (Forward Error Correction, 에러 정정) 과 ARQ (Automatic Repear reQuest, 재전송) 을 동시에 사용합니다. 즉, 수신측에서 패킷에 대한 에러 정정이 불가능할 경우 ARQ를 통해 재전송 받습니다. 기존에는 RNC로 부터 재전송을 받았다면, HSDPA는 Node B (기지국)에서 재전송 받기 때문에 더욱 빠르게 복구가 가능합니다.
High Order modulation
만일 무선 송수신 상태가 매우 좋다면, 기존의 변조 방식보다 더 많은 정보를 전송할 수 있는 16QAM (위상 및 진폭 변조 방식)을 사용하여, 한 번에 4bit의 정보를 전송합니다.
2ms의 Shorter TTI (Transmit Time Interval)
Big Shard Pipe 에 대한 그림을 보시면, 각각의 TTI가 2ms로 되어 있습니다. 이 것이 작으면, 전체적인 laternecy가 줄어드는 장점이 있습니다. 예를글면, 재전송시에도 다음 2ms뒤에 재전송이 가능하므로 빠르게 처리 될 수 있습니다.
Fast Link Adaption 또는 Adaptive Modulation Coding (AMC)
데이터 전송시 채널의 상태에 맞게 적절한 변조 및 코딩 방식을 사용하도록 합니다. 즉, 채널상태가 좋으면 16QAM (4bit 전송)을 사용하다가 채널 상태가 좋지 않으면 QPSK (2bit 전송)를 사용하도록 하여 전송 성공률을 높이도록 하는 것입니다.
위의 그림에서 보듯이 기지국에서 가까울 수록 높은 데이타 전송 속도를 위해 높은 변조 방식을 적용하는 것이고, 기지국에서 멀수록 전송 성공률을 높이는 것이 좋으므로 낮은 변조 방식을 적용합니다.
정리하며
WCDMA와 HSDPA를 간단하게 비교해 보면, 아래 표와 같습니다. 지금까지 제가 설명한 내용을 이해하셨다면, 아래 표의 내용을 이해하는 데 어려움이 없을 것입니다. 따로 설명드리지는 않겠습니다.
현재 HSDPA는 상용화되어 서비스 중입니다. KTF는 Show라는 이름으로, SKT는 Live on 3G+라는 이름으로 서비스하고 있습니다. 두 통신사 모두 대대적인 마케팅 비용을 쏟아부으면서 영상 통화 시대의 개막을 알리고 있습니다. WCDMA Release 5 HSDPA가 구현되어서야 진정한 의미의 영상통화가 가능하게 되었습니다. 현재 우리는 주위의 한 두분들이 낮은 가격에 영상을 보면서 이야기하는 시대에 살고 있습니다. 또한, 웹 서핑 등과 같은 다양한 서비스를 즐기고 있으며, 기지국마다 14.4Mbps의 용량을 이용하여 노트북에 T-login 처럼 USB 단말하나만 연결하면, KTX에서도 인터넷에 접속할 수 있게 되었습니다.
이렇게 3세대 및 3.5세대 이동통신 기술에 대해 살펴보았습니다. 다음 편에서는 4G에 대해 살펴보겠습니다.
첨언
그리고, 이 글은 인테넷에서 떠도는 다양한 자료를 참조하여 작성되었습니다. 딱히 어떤 자료다라고 적을려고 하니 마땅히 주로 참조한 것이 없고, 적을려고 해도 출처가 불분명한 것들이 많아서 죄송하게 생각합니다. 혹 이글을 보시다가 내가 작성했던 글 가운데 하나 인걸 하시는 분은 아마도 그 글일 가능성이 높습니다.
