핸드오버

3. 목적

통신에서 핸드오버가 수행되는 데에는 여러 가지 이유가 있다.^[1]

• 전화기가 한 셀의 통신 범위를 벗어나 다른 셀의 통신 범위로 이동할 때, 통화가 끊기는 것을 막기 위해 통화를 두 번째 셀로 전송한다.
• 특정 셀에서 새로운 통화를 연결할 용량이 부족할 때, 다른 셀과 겹치는 영역에 있는 전화기의 통화를 해당 셀로 전송하여 첫 번째 셀의 용량을 확보한다.
• 비-CDMA 네트워크에서 전화기가 사용하는 채널이 간섭을 받을 때, 간섭을 피하기 위해 통화를 다른 채널로 전송한다.
• 사용자의 행동 변화에 따라, 빠르게 이동하는 사용자가 멈추면 통화를 더 작은 셀로 전송하여 용량을 확보하고 간섭을 줄일 수 있다. (반대로 사용자가 빠르게 움직이면 통화를 더 큰 셀로 전송하여 핸드오버 빈도를 최소화한다.)
• CDMA 네트워크에서는 "근거리-원거리" 효과로 인해 인접 셀에 대한 간섭을 줄이기 위해 핸드오버가 유도될 수 있다.

4. 유형

핸드오버는 셀 간 및 셀 내 핸드오버 외에도, 연결 방식에 따라 하드 핸드오버와 소프트 핸드오버로 나눌 수 있다.^[3]

PHS는 휴대 전화에 비해 기지국의 셀 반경이 작아, 같은 속도로 이동해도 핸드오버가 더 자주 발생한다. 초기 PHS는 핸드오버 처리에 수 초가 걸려 통화가 끊기는 문제가 있었으나, 이후 각 회사에서 기술 개선을 통해 문제를 해결했다.

안정적인 핸드오버를 위한 기술은 회사마다 명칭이 다르지만, 기본적으로 채널 전환을 수반하는 하드 핸드오버(HHO: Hard Hand-over) 방식을 사용한다는 공통점이 있다.

• 아스텔 - "'''슈퍼 스무스'''" 및 "'''슈퍼 스무스 EX (엑스트라)'''"
• 도코모 PHS - "'''퀵 링크'''"
• 윌컴 - "'''트윈 웨이브'''" ( "H" 이후 채용), 제조사에 따라 "안테나 서치", "시카 링크"라고도 함.

4. 1. 연결 방식에 따른 분류

• 아날로그 방식 휴대 전화

• 2세대 이동 통신 (PDC, GSM)

• CDMA 방식 휴대 전화 (cdmaOne, W-CDMA 등 3세대 이동 통신)

4. 2. 제어 주체에 따른 분류

• '''하드 핸드오버''': 소스 셀의 채널이 해제된 후에야 대상 셀의 채널이 연결되는 방식이다. 대상에 연결되기 전 또는 '동시에' 소스에 대한 연결이 끊어지기 때문에 ''브레이크 비포 메이크(break-before-make)''라고도 한다. 통화 중단을 최소화하기 위해 즉각적으로 이루어지도록 설계되었으며, 네트워크 엔지니어에게 통화 중 이벤트로 인식된다. 서비스 제공 네트워크에서 가장 적은 처리가 필요하다. 이동 통신 단말이 기지국 사이에 있으면 기지국 중 하나로 전환할 수 있으며, 이로 인해 기지국은 이동 통신 단말과의 링크를 앞뒤로 바운스하게 되는데 이를 '핑퐁(ping-ponging)'이라고 한다.
• '''소프트 핸드오버''': 소스 셀의 채널이 유지되고 대상 셀의 채널과 병렬로 일정 기간 사용되는 방식이다. 소스에 대한 연결이 끊어지기 전에 대상에 대한 연결이 설정되므로 ''메이크 비포 브레이크(make-before-break)''라고 한다. 두 연결이 병렬로 사용되는 간격은 짧거나 길 수 있다. 네트워크 엔지니어에게 짧은 이벤트가 아닌 통화 상태로 인식된다. 두 개 이상의 셀에 대한 연결을 사용할 수 있으며, 세 개, 네 개 이상의 셀에 대한 연결을 하나의 전화로 동시에 유지할 수도 있다. 통화가 소프트 핸드오버 상태에 있으면 사용된 모든 채널 중 최상의 신호를 특정 시점에 통화에 사용하거나 모든 신호를 결합하여 더 선명한 신호 사본을 생성할 수 있다. 후자가 더 유리하며, 이러한 결합이 다운링크(순방향 링크)와 업링크(역방향 링크) 모두에서 수행되면 ''소프터(softer)''라고 한다. 소프터 핸드오버는 핸드오버에 관련된 셀에 단일 셀 사이트가 있는 경우 가능하다.

5. 기술 비교

하드 핸드오버는 어느 시점에서든 하나의 통화가 하나의 채널만 사용한다는 장점이 있다. 하드 핸드오버 이벤트는 매우 짧아서 사용자가 인지하지 못하는 경우가 많다. 구형 아날로그 전송 시스템에서는 딸깍 소리나 짧은 비프음으로 들릴 수 있지만, 디지털 시스템에서는 감지하기 어렵다. 또한, 휴대폰 하드웨어가 두 개 이상의 채널을 동시에 수신할 필요가 없어 더 저렴하고 간단하다는 장점이 있다. 하지만 핸드오버가 실패하면 통화가 일시 중단되거나 비정상적으로 종료될 수 있다. 하드 핸드오버를 사용하는 기술은 대상 셀과의 연결이 불가능한 경우 소스 셀과의 연결을 다시 설정하는 절차를 가지고 있지만, 항상 가능한 것은 아니며 통화가 일시 중단될 수도 있다.

소프트 핸드오버는 대상 셀과의 안정적인 연결이 설정된 경우에만 소스 셀과의 연결이 끊어지므로 실패한 핸드오버로 인해 통화가 비정상적으로 종료될 가능성이 낮다. 또한, 여러 셀에서 동시에 채널을 유지하므로 통화가 실패하는 경우는 모든 채널이 동시에 간섭을 받거나 페이드될 때뿐이다. 서로 다른 채널의 페이딩과 간섭은 관련이 없으므로 동시에 발생할 확률은 매우 낮다. 따라서 소프트 핸드오버 상태일 때 연결의 안정성이 높아진다. 셀룰러 네트워크에서 대부분의 핸드오버는 열악한 커버리지 위치에서 발생하므로, 소프트 핸드오버는 단일 채널의 간섭이나 페이딩을 중요하지 않게 만들어 통화 안정성을 크게 향상시킨다. 하지만 여러 채널을 병렬로 처리할 수 있는 휴대폰의 복잡한 하드웨어가 필요하다는 단점이 있다. 또한, 단일 통화를 지원하기 위해 네트워크에서 여러 채널을 사용하므로 네트워크 용량이 감소한다. 네트워크 엔지니어는 소프트 핸드오버의 기간과 발생 영역의 크기를 조정하여 통화 안정성과 용량 감소의 균형을 맞출 수 있다.

휴대 전화는 기지국 간 핸드오버 외에도 섹터 간 핸드오버도 수행한다.

• 아날로그 방식 휴대 전화: 주파수를 전환할 때 통화가 잠시 끊어지고, 음질도 전파 상황에 따라 변화한다. 초기 선박 전화에서는 핸드오버가 구현되지 않았다.^[1]

• 2세대 이동 통신 (PDC, GSM): PDC 방식에서는 파일럿 캐리어에 의한 하드 핸드오버(HHO)가 수행된다.^[2]

• CDMA 방식 휴대 전화 (cdmaOne, W-CDMA 등 3세대 이동 통신): 여러 기지국과 동시 통신하는 소프트 핸드오버(SHO) 방식이므로 이론상 순간적인 끊김 없이 전환이 가능하다. 단, 주파수 전환을 수반하는 하드 핸드오버(HHO)의 경우에는 순간적인 끊김이 발생한다. 섹터 간 핸드오버는 소프터 핸드오프라고 한다.^[3]

6. 구현

셀룰러 네트워크에서 핸드오버를 구현하기 위해 각 셀에는 잠재적인 대상 셀 목록이 할당된다. 이 목록은 "이웃 목록"이라고 불리며, 특수 컴퓨터 도구를 사용하여 생성된다. 이 도구는 다양한 알고리즘을 사용하며, 현장 측정 데이터나 컴퓨터 예측을 입력 데이터로 활용한다.^[1]

통화 중에는 소스 셀 채널에서 신호의 여러 매개변수를 모니터링하고 평가하여 핸드오버 시점을 결정한다. 다운링크 및 업링크 방향을 모두 모니터링할 수 있으며, 핸드오버는 전화기, 소스 셀의 기지국 (BTS), 또는 인접 셀의 BTS에 의해 요청될 수 있다. 전화기와 인접 셀의 BTS는 서로의 신호를 모니터링하여 가장 적합한 대상 후보를 선택한다. 일부 CDMA 기반 시스템에서는 이웃 목록에 없는 셀도 대상 후보가 될 수 있다.^[1]

아날로그 시스템에서는 "수신된 신호 전력"과 "수신된 신호 대 잡음비"가 하드 핸드오버의 기준이 된다. 비-CDMA 2G 디지털 시스템에서는 수신된 신호 전력, 비트 오류율 (BER), 블록 오류율 (BLER), RxQual, 전화기와 BTS 간의 거리 등이 기준이 될 수 있다. CDMA 시스템에서는 파일럿 채널(CPICH) 및/또는 RSCP에서 측정된 Ec/Io 비율이 주로 사용된다.^[1]

CDMA 시스템에서 소프트 또는 소프트 핸드오버 중인 전화기는 여러 셀에 동시에 연결되며, 레이크 수신기를 사용하여 신호를 처리한다. 각 신호는 "레이크 핑거"라는 모듈에서 처리된다. 소프트 핸드오버 중에 사용되는 셀 집합을 "액티브 세트"라고 하며, 검색 핑거가 새 셀에서 충분히 강한 신호를 발견하면 해당 셀이 액티브 세트에 추가된다. 이웃 목록의 셀은 더 자주 확인되지만, 이웃 목록 외부의 셀과의 핸드오버도 허용된다.^[1]

휴대 전화는 기지국 간 핸드오버 외에 섹터 간 핸드오버도 수행한다.^[1]

• 아날로그 방식 휴대 전화의 핸드오버^[1]

• 2세대 이동 통신 (PDC, GSM)^[1]

• CDMA 방식 휴대 전화 (cdmaOne, W-CDMA 등 3세대 이동 통신)^[1]

7. 핸드오버 실패 원인

핸드오버가 실패하는 경우가 있는데, 이 문제에 대한 많은 연구가 진행되어 왔다. 문제의 근원은 1980년대 후반에 발견되었다. 주파수는 인접한 셀에서 재사용될 수 없기 때문에 사용자가 한 셀에서 다른 셀로 이동할 때 통화를 위해 새로운 주파수가 할당되어야 한다. 사용 가능한 모든 채널이 사용 중일 때 사용자가 셀로 이동하면 사용자의 통화가 종료되어야 한다. 또한, 인접한 셀이 서로 간섭하여 수신기의 민감도를 저하시키는 신호 간섭 문제도 있다.

어떤 방식에서도 이동국은 이동 속도나 진행 방향을 언제 바꿀지 모르며, 사전에 통신 상태의 악화를 예측할 수 없다. 따라서 핸드오버는 통신 상태가 나빠진 후에 시작되는 사후 처리 방식이 되며, 급격하게 전파 상태가 악화된 경우, 처리가 따라가지 못해 실패할 가능성을 남겨두고 있다.

8. 핸드오버 우선순위 지정

서로 다른 시스템은 핸드오버 요청을 처리하고 관리하는 데 서로 다른 방식을 사용한다. 일부 시스템은 새로운 발신 통화를 처리하는 방식과 동일한 방식으로 핸드오버를 처리한다. 이러한 시스템에서 핸드오버가 처리되지 않을 확률은 새로운 발신 통화의 차단 확률과 같다. 그러나 통화가 대화 중에 갑자기 종료되면 새로운 발신 통화가 차단되는 것보다 더 짜증나기 때문에, 진행 중인 통화의 갑작스러운 종료를 방지하기 위해 핸드오버 요청에 새로운 통화보다 우선 순위를 부여해야 하며, 이를 핸드오버 우선 순위 지정이라고 한다.

이를 위한 두 가지 기술은 다음과 같다.

; 보호 채널 개념

: 이 기술에서는 셀에서 사용 가능한 총 채널 중 일부를 해당 셀로 핸드오버될 수 있는 진행 중인 통화의 핸드오버 요청을 위해 독점적으로 예약한다.

; 대기열

: 핸드오버의 대기열 처리가 가능한 이유는 수신 신호 레벨이 핸드오버 임계값 아래로 떨어지는 시점과 신호 레벨 부족으로 인해 통화가 종료되는 시점 사이에 유한한 시간 간격이 있기 때문이다. 지연 크기는 특정 서비스 지역의 트래픽 패턴에 따라 결정된다.

9. 시스템 간 및 시스템 내 핸드오버

통화 중인 이동 통신 장치가 다른 MTSO(Mobile Telephone Switching Office)에서 제어하는 다른 셀룰러 시스템으로 이동할 때, 통화 끊김을 방지하기 위해 사용되는 핸드오프 절차를 시스템 간 핸드오프라고 한다. MTSO는 이 핸드오프 시스템에 관여한다. 이동 통신 신호가 특정 셀에서 약해지고 MTSO가 통화를 전송할 수 있는 자체 시스템 내의 다른 셀을 찾을 수 없는 경우, 시스템 간 핸드오프를 사용한다. 시스템 간 핸드오프 구현 전에는 MTSO 호환성을 확인해야 하며, 시스템 간 핸드오프에서는 지역 통화가 장거리 통화가 될 수 있다.^[1]

통화 중인 이동 통신 장치가 동일한 MTSO에서 제어하는 인접한 셀룰러 시스템으로 이동할 때, 통화 끊김을 방지하기 위해 사용되는 핸드오프 절차를 시스템 내 핸드오프라고 한다. MTSO는 이 핸드오프 시스템에 관여한다. 이동 통신 신호가 특정 셀에서 약해지고 MTSO가 통화를 전송할 수 있는 자체 시스템 내의 다른 셀을 찾는 경우, 시스템 내 핸드오프를 사용한다. 시스템 내 핸드오프에서는 핸드오프 후에도 동일한 MTSO에서 통화를 처리하므로 지역 통화는 항상 지역 통화로 유지된다.^[1] 휴대 전화는 기지국 간 핸드오버 외에 섹터 간 핸드오버도 수행된다.^[1]

• 아날로그 방식 휴대 전화^[1]

• 2세대 이동 통신 (PDC, GSM)^[1]

• CDMA 방식 휴대 전화 (cdmaOne, W-CDMA 등 3세대 이동 통신)^[1]

10. 이동 통신 기술별 핸드오버

CDMA 방식 휴대 전화 (cdmaOne, W-CDMA 등 3세대 이동 통신)는 통화 중 전파 상태가 나빠지면 여러 기지국과 동시 통신하는 소프트 핸드오버(SHO) 방식을 사용한다. 이론적으로는 핸드오버로 인한 끊김 없이 전파 상태가 좋은 기지국으로 전환이 가능하다. 그러나 주파수 전환을 수반하는 하드 핸드오버(HHO)의 경우에는 순간적인 끊김이 발생한다. 섹터 간 핸드오버는 소프터 핸드오프라고 한다.

10. 1. 휴대 전화

11. 수직 핸드오버 (Vertical Handover)

통화 연결이 하나의 액세스 기술에서 다른 기술로 전송되는 기술 간 핸드오버도 있다. 예를 들어 GSM에서 UMTS로 또는 CDMA IS-95에서 CDMA2000으로 통화가 전송되는 경우가 이에 해당한다.

3GPP UMA/GAN 표준은 GSM/UMTS에서 Wi-Fi로, 또는 그 반대로의 핸드오프를 가능하게 한다.

12. 핸드오버의 문제점

핸드오버는 실패하는 경우가 있으며, 이 문제에 대한 많은 연구가 진행되어 왔다. 문제의 근원은 1980년대 후반에 발견되었다. 주파수는 인접한 셀에서 재사용될 수 없기 때문에 사용자가 한 셀에서 다른 셀로 이동할 때 통화를 위해 새로운 주파수가 할당되어야 한다. 사용 가능한 모든 채널이 사용 중일 때 사용자가 셀로 이동하면 사용자의 통화가 종료되어야 한다. 또한, 인접한 셀이 서로 간섭하여 수신기의 민감도를 저하시키는 신호 간섭 문제도 있다.

어떤 방식에서도 이동국은 이동 속도나 진행 방향을 언제 바꿀지 모르며, 사전에 통신 상태의 악화를 예측할 수 없다. 따라서 핸드오버는 통신 상태가 나빠진 후에 시작되는 사후 처리 방식이 되며, 급격하게 전파 상태가 악화된 경우 처리가 따라가지 못해 실패할 가능성을 남겨두고 있다.

참조

_[1] 서적 Fundamentals of Mobile Data Networks Cambridge University Press 2016
_[2] 서적 Fundamentals of Mobile Data Networks Cambridge University Press 2016
_[3] 서적 Fundamentals of Mobile Data Networks Cambridge University Press 2016