셀 (이동 통신)

3. 이동 통신 기술의 역사

이동 통신 기술의 역사는 1947년 12월 11일, 벨 연구소의 엔지니어인 더글러스 H. 링이 작성한 내부 메모에서 시작되었으며, 그는 AT&T에 이동 통신 시스템 개발을 제안했다.^[6]

최초의 상업용 이동 통신 네트워크인 1G는 1979년 일본전신전화 (NTT)에 의해 일본에서 처음으로 출시되었으며, 초기에는 도쿄 대도시 지역에서 서비스되었다. 5년 이내에 NTT 네트워크는 일본 전체 인구를 커버하도록 확장되었고, 최초의 전국적인 1G 네트워크가 되었다. 이는 아날로그 무선 네트워크였다. 벨 시스템은 1947년부터 이동 통신 기술을 개발해왔으며, 1979년 이전에 시카고와 댈러스에서 이동 통신 네트워크를 운영했지만, 상업 서비스는 벨 시스템의 분할로 인해 지연되었으며, 이동 통신 자산은 지역 벨 운영 회사로 이전되었다.

무선 혁명은 1990년대 초에 시작되었으며,^[7][8][9] 아날로그 전자공학에서 디지털 전자공학으로의 전환을 이끌었다.^[10] 벨 연구소에서 1955년과 1960년 사이에 발명된 MOSFET^{[11][12][13][14][15]}는 1990년대 초에 이동 통신 네트워크에 적용되었으며, 전력 MOSFET, LDMOS (RF 증폭기), RF CMOS (RF 회로) 장치의 광범위한 채택은 디지털 무선 이동 통신 네트워크의 개발과 확산을 이끌었다.^[10][16][17]

최초의 상업용 디지털 이동 통신 네트워크인 2G는 1991년에 출시되었다. 이는 새로운 사업자들이 기존의 1G 아날로그 네트워크 운영자에게 도전하면서 이 분야의 경쟁을 촉발시켰다.

4. 셀 신호 인코딩

여러 송신기의 신호를 구별하기 위해 다양한 채널 접속 방식이 개발되었다. 여기에는 주파수 분할 다중 접속 (FDMA), 시분할 다중 접속 (TDMA), 코드 분할 다중 접속 (CDMA) 등이 있다.^[2]

• FDMA (Frequency Division Multiple Access, 주파수 분할 다중 접속): 각 셀에서 서로 다른 사용자가 사용하는 송신 및 수신 주파수가 서로 다르다. 각 셀룰러 통화에는 전이중 작동을 제공하기 위해 주파수 쌍(기지국에서 이동국으로 하나, 이동국에서 기지국으로 하나)이 할당된다. D-AMPS와 같은 아날로그 시스템에서 사용되었다.
• TDMA (Time Division Multiple Access, 시분할 다중 접속): 각 셀에서 서로 다른 사용자가 사용하는 송신 및 수신 타임 슬롯이 서로 다르다. 디지털 데이터 신호를 사용하여 전송을 위해 시간 슬라이스에 맞는 음성 데이터 버스트를 저장 및 전달하고 수신단에서 확장하여 수신기에 다소 정상적인 소리가 나는 음성을 생성한다. GSM에서 사용되었다.
• CDMA (Code Division Multiple Access, 코드 분할 다중 접속): 제2차 세계 대전 중 군사용으로 개발되어 냉전 동안 직접 시퀀스 확산 스펙트럼으로 개선된 확산 스펙트럼 기술을 기반으로 한다. 초기 CDMA 셀룰러 시스템 및 Wi-Fi에 사용되었다. DSSS를 사용하면 여러 개의 동시 전화 통화를 시간이나 주파수로 채널화할 필요 없이 단일 광대역 RF 채널에서 수행할 수 있다. CDMA는 3G 셀룰러 무선 시스템의 기반이 되었다.

5. 주파수 재사용

이동 통신에서는 제한된 주파수 자원을 효율적으로 사용하기 위해 넓은 지역을 작은 셀로 나누고, 각 셀의 기지국이 특정 주파수를 사용하여 서비스를 제공한다. 일정 거리 이상 떨어진 기지국에서는 동일한 주파수를 재사용하여 주파수 이용 효율을 높인다.^[27] 이렇게 셀을 구성하면 제한된 주파수로 넓은 지역에 서비스를 제공할 수 있다.

6. 지향성 안테나

셀 타워는 트래픽이 많은 지역에서 수신을 개선하기 위해 종종 지향성 신호를 사용한다. 미국에서 연방 통신 위원회(FCC)는 전방향성 셀 타워 신호를 100W의 출력으로 제한한다. 타워에 지향성 안테나가 있는 경우 FCC는 셀 사업자가 최대 500W의 등가 등방 복사 전력(ERP)을 방출하도록 허용한다.^[21]

원래의 셀 타워는 균일한 전방향성 신호를 생성했으며, 셀의 중심에 위치했고 전방향성이었지만, 셀룰러 맵은 세 개의 셀이 수렴하는 육각형의 모서리에 셀룰러 전화 타워가 위치하도록 다시 그릴 수 있다.^[22] 각 타워에는 각 셀에 대해 120도씩 세 개의 다른 방향을 향하는 세 개의 지향성 안테나 세트가 있으며(총 360도), 세 개의 다른 셀로 다른 주파수로 송수신한다. 이를 통해 최소 세 개의 채널과 각 셀당 세 개의 타워가 제공되며, 최소한 한 방향에서 사용할 수 있는 신호를 수신할 가능성이 크게 증가한다.

7. 방송 메시지 및 페이징

거의 모든 셀룰러 시스템에는 여러 이동 통신 장치에 정보를 분배하는 데 사용되는 방송 메커니즘이 있다. 일반적으로 이동 통신 시스템에서 방송 정보의 가장 중요한 용도는 이동 통신 송수신기와 기지국 간의 일대일 통신을 위한 채널을 설정하는 것이다. 이를 ''페이징''이라고 한다. 일반적으로 채택되는 세 가지 페이징 절차는 순차적, 병렬 및 선택적 페이징이다.

페이징 프로세스의 세부 사항은 네트워크마다 다르지만, 일반적으로 전화가 위치한 제한된 수의 셀을 알고 있다. 이 셀 그룹을 GSM 또는 UMTS 시스템에서는 위치 영역이라고 하고, 데이터 패킷 세션이 관련된 경우 라우팅 영역이라고 한다. LTE에서는 셀이 추적 영역으로 그룹화된다. 페이징은 이러한 모든 셀에 방송 메시지를 전송하여 수행된다. 페이징 메시지는 호출기, CDMA 시스템에서 SMS 메시지를 전송하는 데 사용될 수 있으며, UMTS 시스템에서는 패킷 기반 연결에서 낮은 다운링크 지연 시간을 허용한다.

LTE/4G에서 페이징 절차는 데이터 패킷을 UE에 전달해야 할 때 MME에 의해 시작된다. MME에서 지원하는 페이징 유형은 다음과 같다.

• 기본.
• SGs_CS 및 SGs_PS.
• QCI_1 ~ QCI_9.

8. 이동 전화 네트워크

이동 통신에서는 하나의 주파수 대역에 다수의 사용자를 수용하기 위해 다중접속 기술을 사용한다. 그러나 다중 접속을 사용하더라도 일정량 이상의 사용자가 동시에 접속하면 채널 포화가 일어나 정상적인 서비스가 어렵게 된다.^[26] 이동 통신에서는 제한된 주파수 자원을 보다 효율적으로 사용하기 위하여 넓은 지역을 작은 셀로 나누고 셀 중간에 위치한 기지국이 특정 주파수를 사용하여 서비스를 제공하며, 일정 거리 이상 떨어진 기지국에서 동일한 주파수를 재활용하여 주파수 이용 효율을 높이고 있다.^[27]

오른쪽 그림과 같이, 전체 이동 통신 서비스를 위하여 4종류의 주파수가 이용되고 있다. 인접한 셀들은 서로 다른 주파수를 사용하여 주파수 간섭에 의한 문제를 회피하면서 떨어진 셀에서는 동일 주파수를 재활용한다. 이렇게 셀을 구성하면 넓은 지역을 제한된 몇 개의 주파수로 서비스할 수 있다.

휴대 전화 네트워크는 셀룰러 네트워크의 가장 흔한 예이며, 휴대 전화는 셀 사이트(기지국) 또는 송신 타워를 통해 전화를 받거나 걸 수 있는 휴대용 전화기이다. 전파는 휴대 전화로 신호를 주고받는 데 사용된다.

위성 전화, 위성 회선 이용 서비스를 제외하고, 기지국 상호 간이나 비 이동 통신 대상 등에는 유선 통신을 하며, 기지국과 이동국 간에는 무선 통신을 사용한다.

휴대 전화・PHS (접속형(독자형))・위성 전화 등에서는 독자적인 전화망을 구성하여, 공중 전화망과 상호 접속하고 있다. 또한, PHS (활용형(의존형))는 ISDN 방식의 공중 전화망에 의존하고 있다.

8. 1. 이동 전화 네트워크의 구조

• 기지국으로 구성된 기지국 서브시스템 네트워크.
• 음성 통화 및 문자 처리를 위한 코어 회선 교환 네트워크.
• 이동 데이터를 처리하기 위한 패킷 교환 네트워크.
• 가입자를 더 넓은 전화 네트워크에 연결하는 공중 전화망.

8. 2. 소형 셀

• 마이크로 셀: 2km 미만
• 피코 셀: 200m 미만
• 펨토 셀: 약 10m
• 아토 셀: 1m~4m

8. 3. 이동 전화 네트워크에서의 핸드오버

8. 4. 이동 전화 네트워크에서의 주파수 선택

9. 코어 네트워크

기지국 상호 간, 다른 이동 통신망, 고정 통신망과의 접속을 수행하는 네트워크이다.^[1] 1990년대부터 VoATM^영어(음성 over 비동기 전송 모드)가 사용되었다.^[1] 2000년대에 들어 비용 절감을 위해 이동체 데이터 통신망의 IP over ATM에서 완전한 인터넷 프로토콜화와 함께 VoIP화가 서서히 진행되고 있다.^[1] PHS도 참조할 것.^[1]

고정 통신망으로부터의 발신의 경우, 전화번호로 이동 통신 관문 교환기를 선택하여 접속한다.^[1] 음성 압축 방식의 변환이나 무음 압축은 이동 통신망 측의 관문 교환기에서 수행된다.^[1]

10. 위치 등록

홈 메모리는 이동국의 위치 정보, 과금 정보 등 모든 가입자 데이터를 관리한다.^[1]

단말의 전원을 켜면 기지국에 접속하여 위치 등록을 수행한다.^[1] 또한, 위치 등록 구역을 넘을 때는 위치 정보를 갱신한다.^[1] 통화 중에 기지국의 서비스 구역을 넘을 때는 핸드오버 처리를 수행한다.^[1] 또한, 단말의 GPS 수신기나 무선 LAN 접속 기능을 이용하여 보다 정밀한 위치 정보를 얻어 각종 부가 서비스를 제공하는 것도 존재한다.^[1]

11. 무선 제어

무선 제어 네트워크(Radio Access Network)는 이동 단말(Mobile Station)과 통신하는 기지국(Node)과 무선 네트워크 제어 장치(Radio Network Controller)로 구성된다.

12. 국제 표준

단말기가 국경을 넘어 이동하기 때문에 국제 표준화가 필수적이다.

참조

_[1] 웹사이트 Cellular Networks, Cells, and Base Stations — EITC http://www.eitc.org/[...] 2024-11-22
_[2] 서적 Fundamentals of Mobile Data Networks Cambridge University Press
_[3] 웹사이트 Google's Private Cell Phone Network Could Be a Threat to Cellular Carriers | MIT Technology Review http://www.technolog[...] Technologyreview.com 2013-01-24
_[4] 웹사이트 Private 5G Networks: 2024 – 2030 https://www.snstelec[...] 2024-05-08
_[5] 특허 "3,663,762" 1972-05-16
_[6] 간행물 The 1947 Paper That First Described a Cell-Phone Network https://www.theatlan[...] 2011-09-16
_[7] 서적 RF and Microwave Passive and Active Technologies https://books.google[...] CRC Press 2018
_[8] 논문 The wireless revolution 1991-11
_[9] 뉴스 The wireless revolution https://www.economis[...] 1999-01-21
_[10] 서적 Silicon RF Power MOSFETS https://books.google[...] World Scientific 2005
_[11] 논문 Frosch and Derick: Fifty Years Later (Foreword) https://iopscience.i[...] 2007-09-01
_[12] 논문 Surface Protection and Selective Masking during Diffusion in Silicon https://iopscience.i[...] 1957
_[13] 서적 History of Semiconductor Engineering Springer Science & Business Media 2007
_[14] 서적 History of Semiconductor Engineering Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2007
_[15] 논문 The mechanisms for silicon oxidation in steam and oxygen https://linkinghub.e[...] 1960
_[16] 서적 5G Mobile Communications: Concepts and Technologies https://books.google[...] CRC Press 2018
_[17] 논문 Asad Abidi Recognized for Work in RF-CMOS 2008
_[18] 문서 Telecommunication Networks Institution of Electrical Engineers 1997
_[19] 웹사이트 Phone Networks http://www.therevers[...] The Reverse Phone 2011-06-08
_[20] 웹사이트 Heterogeneous LTE Networks and Inter-Cell Interference Coordination http://www.nomor.de/[...] Nomor Research 2010-12
_[21] 웹사이트 The Myth of Cellular Tower Health Hazards http://www.wirelessw[...] 2007-03
_[22] 웹사이트 Cellular Telephone Basics http://www.privateli[...] Privateline.com 2006-01-01
_[23] 특허 Cellular Radiotelephone System for Different Cell Sizes 1979-03-13
_[24] 서적 The evolution of mobile communications in the US and Europe. Regulation, technology, and markets Artech House 1993
_[25] 웹사이트 CDMA 2000 and CDMA 450 https://www.itu.int/[...] 2003-12-03
_[26] 웹인용 CDMA 방식의 채널 포화 http://rsiwin.com.ne[...] 2006-01-07
_[27] 서적 CDMA 이동 통신(IMT-2000) 기전연구사 2006
_[28] 서적 CDMA(개정증보판) 진한도서 2008
_[29] 서적 차세대 이동 통신 실무기술 진한도서 2009
_[30] 서적 같은책
_[31] 서적 GSM 이동 통신 기술 기초 진한엠엔비 2008