글 싣는 순서
1. IEEE 802 무선 기술의 흐름 2. 이동 통신 기술의 흐름 3. 3G 영상 통화 시대
4. 4G를 향하여
지난 연재에서 IEEE 802의 Wireless PAN, Wireless LAN, Wireless MAN, Wirless WAN 에 대해 살펴보았습니다. 이번 연재에서는 무선 기술의 큰 축인 이동 통신 기술의 흐름에 대해 살펴보겠습니다. 3G 니 4G니 하는 구분도 이동 통신 기술에서 시작되었으며, IMS (IP Multimedia Subsystem)도 3G에서 태동되었습니다. 이동 통신 통신에서의 세대 구분과 주요한 차이점을 이해하고, 기술별 세부적인 내용보다는 전체적인 흐름을 위주로 살펴보겠습니다.
우선은 셀룰러의 개념을 이해할 필요가 있습니다. 이는 넓은 서비스 지역을 여러 개의 작은 셀로 나누고 셀 마다 기지국을 두어 적절하게 송출전력을 제어함으로써 한 기지국에 배정된 주파수를 지형적으로 멀리 떨어진 다른 기지국에서 재사용할 수 있도록 하는 것을 셀룰러 방식입니다. 즉, 증가하는 수요를 충족하기 위한 대용량 시스템을 위한 적용 방안으로 셀룰러가 고려되었습니다.
기술적인 진보를 거듭하여 FDMA 방식의1978년대에 개발된 AMPS 및 1985년 TACS 아날로그 셀룰러 시스템이 서비스가 되었습니다. 아날로그 이동 통신 기술로는 폭발적인 수요 증가를 감당할 수 없었고, 통신 기밀의 보장이 불가능하였기에 디지털 방식으로의 전환이 필요하게 됩니다. 디지털 셀룰러 시스템은 아날로그 시스템보다 주파수의 효과적 이용, 서비스의 다양화 및 고도화, 비용의 저렴화, 수용 용량의 증가 등 여러가지 장점을 가지고 있었습니다. 2세대 이동 통신 기술인 디지털 셀룰러 시스템은 TDMA 및 CDMA 방식으로 구분됩니다.
아날로그 셀룰러 시스템에서 디지텔 셀룰러 시스템을 지나 본격적으로 무선 이동 전화의 대중화를 가능하게 했던 개인 휴대 통신 (PCS, Personal Communications Service)가 1990년 후반에 등장합니다. PCS란 언제, 어디서나, 누구와도 통화가 가능하도록 하는 통신의 개념입니다. 즉, 기존의 이동전화보다는 저렴하고, 편리한 보행자 중심의 이동 통신 서비스라고 할 수 있습니다. PCS는 소형 및 경량화된 단말기를 저렴하게 공급하면서 대중화에 성공합니다.
셀룰러 시스템과 PCS는 기술적인 유사성 및 서비스의 차별성이 거의 없었습니다. WAP 게이트웨이를 통해 인터넷도 가능하고, 다양한 단말기도 출현하게 되었으나, 데이터 전송 속도는 멀티미디어 (데이터, 음성,영상)를 서비스 하기에는 매우 부족하였습니다. 또한, 국가간 로밍이 되지 않는 문제도 있었으며, 이를 해결하기 위해 IMT-2000 이 등장합니다. IMT-2000은 언제 어디서나, 원하는 상대와 음성과 영상, 데이터 등의 멀티미디어 정보를 주고 받을 수 있는 서비스라 할 수 있으며, 최대 2Mbps까지 데이터 서비스가 가능하도록 규정하였습니다. ITU는 2000Mhz 대역을 채택하여 전 세계를 하나의 통화권으로 묶을려고 하였으나, 미국에서 PCS 사업자에게 IMT-2000 주파수 대역을 할당함으로써 국제 로밍의 꿈은 무산되었습니다.
지금까지 3G까지의 이동통신 시스템에 대해 간략히 살펴보았으며, 아래 그림에 요약되어 있으며, 지금까지의 내용을 간략하게 다시 한번 정리하겠습니다.
1G (1세대 이동 통신, 아날로그 셀룰러 시스템)
아날로그 방식의 이동통신으로 FDMA를 이용한 최초의 무선을 이용한 음성 서비스입니다. 다른 부가 기능은 없습니다.
2G (2 세대 이동 통신, 디지털 셀룰러 시스템)
SMS(Short Message Service, 단문 메세지) 서비스 및 모뎀을 이용한 7-14Kbps의 데이타 서비스가 가능하게 되었으며, 수용 용량이 3-8배 이상 증가한 것이 특징입니다.
2.5G (2.5 세대 이동 통신, 개인 휴대 통신)
2G와 3G 중단 단계, 즉 3G로 넘어가는 과도기적인 기술로써, 2G의 인프라를 그대로 사용하면서 3세대에 가까운 통신 서비스를 제공하는 것을 의미합니다.13Kbps의 보코더를 사용하여 기존 시스템보다 음성 수용 용량이 기존에 비해 1.5배 정도 증가하여 경제적인 가격으로 고품질의 서비스가 가능해졌습니다. 특히 WAP (Wireless Application Protocol)를 통해 핸드폰에서 인터넷이 가능해졌으며, 최대 153Kbps의 데이터 속도를 제공하게 되었습니다. 휴대폰은 컬러 액정 및 블루투스와 WLAN 기능을 탑재하게 되었습니다. 이 때부터 이동 통신 기술을 통해 음성만을 전달하는 것이 아닌 다양한 부가 서비스 및 데이타 서비스에 집중하게 되었습니다. 또한, Mobile IP가 가능한 Data Core Network을 추가함으로써 이동간에도 음성과 데이터호가 단절되지 않도록 되었습니다.
3G (3 세대 이동 통신, IMT-2000)
범세게 이동 통신 기술로 2000년대에 서비스, 2GHz 주파수 대역 사용, 최대 2000Kbps의 데이타 전송속도를 의미하는 2000을 붙이게 되었습니다. 증가된 데이타 전송 속도로 인해 음성 서비스에 국한되지 않고, 멀티미디어 서비스를 제공할 수 있게 되어 영상 전화 시대를 열게 되지만, 서비스가 활성화되지는 못했습니다. 또한 세계적으로 공통된 주파수 대역을 사용하여 글로벌 로밍이 가능하도록 계획되었지만, IMT는 동기식인 CDMA 2000과 비동기식인 (W-CDMA)방식으로 나뉘게 되면서 실패하게 됩니다.
최초에는 유럽진영에서 WCDMA를 들고 나오면서 3GPP를 결성하고 되고, 미국 진영에서 반대하면서 동기식 기반의 CDMA 2000을 내세우면서 3GPP2를 결성하게 되면서, 국제적 이동 통신은 좌초하게 되었습니다.
우리나라의 이동 통신 현황
1980년대에 들어 이동통신 수요가 늘어나고 새로운 통신기술 발달에 따라 국내에서도 이동통신산업의 중요성이 대두되기 시작하였다. 정부는 이러한 통신산업의 변화에 대응하고자 1984년 3월 ‘한국이동통신’을 설립하여 1984년 5월 AMPS 방식의 아날로그 셀룰러 서비스를 시작하여 1991년 말에 전국망 서비스가 이루어질 수 있게 되었다. 한편 통신사업 구조조정의 일환으로 1994년 제2 이동전화사업자인 신세기통신의 선정으로 한국이동통신의 민영화와 함께 이동전화사업은 독점체제를 종식하고 복수경쟁체제로 접어들었다.
아날로그에 이어 1996년 1월부터 디지털 방식의 CDMA 이동전화 서비스가 도입하여, 우리나라 이동통신 역사의 한 획을 긋는 CDMA기술의 상용화에 성공하였습니다. 1997년 10월부터는 새로운 이동전화 서비스인 PCS도 도입되었다. PCS서비스가 등장하면서 국내 이동전화시장은 급속하게 성장하였습니다.
99년 말에는 SK텔레콤이 신세기통신을 합병하고 또 한국통신프리텔(현 KTF)이 한솔M.com(구 한솔 PCS)을 인수하는 등 국내 이동전화시장은 획기적으로 변화하였다. 이에 따라 현재 국내 이동전화 시장은 셀룰러 이동전화 계열에 SK텔레콤, PCS계열에 KTF와 LG텔레콤 3개사로 시장이 개편되었습니다.
3G 시스템 도입을 위한 IMT-2000 사업을 추진하여, 2000년 12월에 해당 사업자로 선정하였다. 2000년 12월에 SK텔레콤과 KTF가 비동기식(W-CDMA) IMT-2000 사업자로 선정되었다. 동기방식과 비동기방식의 균형발전을 위하여 2001년 8월에 동기식(cdma2000) 사업자로 LG텔레콤을 추가로 허가하였다.
그러나 W-CDMA 사업자들은 기술개발 지연등의 이유로 당초 제시한 서비스 일정을 지키지 못하였다. 결국 비동기사업자들은 계획보다 1년 반이 늦은 2003년 12월 말에 비동기식 상용 서비스를 시작하였다.
아날로그 셀룰러 시스템과 디지털 셀룰러 시스템의 다중 접속 방식
무선이라는 한정된 주파수 자원을 다수의 사용자가 공유할 수 있도록 하는 것이 다중 접속입니다. 다중접속 방식은 FDMA, TDMA, CDMA로 나눌 수 있습니다. 셀룰러 시스템을 이해하기 위해서는 다중접속 방식을 이해할 필요가 있습니다. 왜 FDMA에서 TDMA 및 CDMA로 변화하게 되었는 지를 알 수 있습니다.
FDMA (Frequency Division Multiple Access, 주파수 분할 다중 접속)
주파수 분할 다중 접속 방식은 일정한 간격으로 주파수 영역을 나누고, 주파수 영역별로 채널을 나누어 사용자에게 할당하여 사용합니다. 기지국 장치가 크며, 전력 소모가 심하다는 단점이 있으며, 초창기 벽돌 모양의 전화기로 통신하던 때에 사용하던 방식입니다. 초창기 이동 통신 시스템으로, 단말 뿐만아니라 통화료도 매우 비싼던 이유가 수용 용량이 낮기 때문이였습니다.
FDMA는 크게 미국 방식과 유럽 방식 두가지가 있으며, 각각의 차이는 다음과 같습니다.
AMPS (Advanced Mobile Phone System)
- 1978년 벨연구소에서 개발
- 800 MHz 대역을 이용하며, 30KHz 단위로 채널 할당
- 사용자 당 2개의 채널을 사용 (상향 및 하향)
TACS (Total Access Communication System)
- 1985년 영국에서 개발
- 900MHz 대역을 이용하며, 25KHz 단위로 채널 할당
- 사용자 당 2개의 채널을 사용 (상향 및 하향)
TDMA (Time Division Multiple Access, 시분할 다중 접속)
시분할 다중 접속 방식은 상호간 통화중 50% 이상이 묵음이며, 말하는 중일 경우에도 50% 이상은 묵음이라는 사실을 이용한 것으로 주파수를 시간을 기준으로 쪼개어 여러 사용자가 접속할 수 있도록 하는 것입니다. 즉, 아래 그림에서 보듯이 각 주파수 채널을 3개의 타임슬랏으로 나누어서 용량을 3배 증가 시켰습니다. 각각의 타임 슬랏은 30 ~ 40 ms 단위로 나뉘므로 음질 저하가 있지만, 더 많은 사용자들이 사용할 수 있게 수용 용량을 확대하여 가격적으로 저렴하게 되었습니다. TDMA는 FDMA의 3배에서 8배까지 수용 용량이 증가된 것이 가장 큰 장점입니다.
TDMA는 크게 동기식과 비동기식으로 나뉩니다. 모든 통신 시스템은 서로 간에 동기를 맞추어야 통신이 가능합니다. 무선 시스템도 마찬가지로 단말과 기지국간에 통신을 하기 위해서 동기를 맞추어야 합니다. 이때, 동기식이란, 동기를 맞추기 위한 기준 시간 정보를 GPS 위성으로 부터 받아서 사용합니다.반면에 비동기식은 기지국 자체에서 기준 시간을 만들어서 사용하며, 기지국 마다 특별 코드가 있어서 통신을 합니다.
여담으로, 동기식에 사용되는 GPS는 미국 군사 위성이며, 현재 사용료가 무료입니다만, 언제 유로로 전환할 지 모릅니다. 따라서, 유럽, 중국, 러시아 등에서 동기식 사용을 주저하는 이유 가운데 하나입니다.
TDMA도 미국과 유럽방식으로 두 가지가 있습니다.
IS-136 (Interim Standard)
- 30KHz 채널을 3개의 타임 슬랏으로 나뉨
- 사용자당 10KHz 이므로 음질 저하가 있음
GSM (Global System for Mobile Communications)
- 200 KHz 채널을 8개의 타임 슬롯으로 나눔
- 사용자당 25KHz 이므로 음질 수준은 유지됨
- 현재 세계 200여개국에서 채택
- SIM 카드에 의한 국제 로밍이 지원
CDMA (Code Division Multiple Access, 코드 분할 다중 접속)
코드분할 다중 접속 방식은 시간과 주파수를 공유하면서 송수신하여 FDMA 방식 보다 10배에서 최대 20배이상의 수용 용량과 우수한 통화 품질을 제공합니다. 장치가 복잡하고, 전력 제어 및 동기 기술이 필요한 것이 단점입니다. 아래그림에서 보듯이 CDMA는 확산 대역 통신 기술을 사용합니다. 확산 대역 통신을 이해하기가 쉽지 않습니다. 간단하게 설명해 보겠습니다.
확산 대역 통신은 최초에 군사용 목적으로 사용되던 것으로, 보안성이 우수하여 도청 방지 및 간섭 및 혼선 등을 제어할 있습니다. 아래그림에서 보듯이 반송 주파수에 데이타를 실어서 전송하는 것 대신에 신호의 대역폭보다 훨씬 넒은 대역폭으로 신호를 확산시켜 전송하는 것으로 신호의 존재 유무를 알기 어렵습니다. 확산을 한다는 것은 신호에 확산 코드를 곱하는 것으로 이 확산코드를 알지 못하면 원래의 신호를 얻을 수 없습니다. 그래서, CDMA는 기본적으로 도청이 불가능하다고 하는 것입니다.
CDMA를 이용한 것중 알려진 것이 퀄컴에 의해 개발된 IS-95 입니다. FDMA나 TDMA는 30KHz 대역을 나누었지만, CDMA는 1.25MHz 대역을 확산하여 사용합니다. 각 사용자는 확산 코드에 의해 구분됩니다. IS-95B는 800MHz 대역과 1.9GHz 대역을 사용하는 2.5G 기술입니다.
이동 통신 기술의 전개
이제 다중 접속 방식을 이해하셨다면, 이동 통신 기술의 세대구분을 쉽게 이해할 수 있스빈다. 아래 그림에 보시면 쉽게 이해할 수 있을 것입니다.
지금까지 이동 통신의 기술 전개 흐름에 대해 다루었습니다. 이동 통신의 혁신적인 진화 단계마다 세대 구분이 이루어졌습니다. 간단하게 정리하면, 아날로그 방식에서 디지털로 넘어가는 단계에서 1세대와 2세대가 구분이되고, 3세대로 넘어가면서 멀티미디어 서비스 (음성, 영상, 데이터) 서비스가 가능하게 되었습니다. 향후 다음 4 세대는 데이터 전송 속도를 획기적으로 증가시켜 다양한 부가 서비스 및 유무선 통합 등이 이루어 질 것입니다.
여기까지 해서 이번 글을 마무리 짓고, 획기적인 전기를 마련된 CDMA, WCDMA, HSDPA에 대해서는 다음 글에서 설명하도록 하겠습니다. 제 생각에는 다중 접속 방식에서 부터 설명을 하면 읽으시는 분들이 무리없이 이동 통신을 쉽게 이해할 수 있을 것으로 생각되었기에, 글의 전개를 이렇게 잡았습니다.
