정보통신기사, 정보통신학과, 통신직 등 정보통신일반 요점 정리 102. 2G 이동통신

102. 2G 이동통신

 

이동통신 서비스의 수요가 급격히 증가하고 아날로그 방식의 용량에 한계가 있으
며, 각 방식끼리 연동이 불가능하면서 디지털 셀룰러 시스템을 개발할 필요성이 높아
졌다. 2세대 이동통신 방식인 디지털 셀룰러 시스템은 1세대 아날로그 시스템의 문제
점을 보완하기 위해 많은 가입자를 수용할 수 있도록 했으며, 도청에 대한 보안과 보
다 발전된 통신 서비스를 제공했다. 1세대와 마찬가지로 2세대 이동통신 시스템에서
도 다양한 종류의 기술들이 개발되었으며, 대표적으로 IS-54, GSM, PDC 등이 있다.
IS-54(Interim Standard-54)는 1992년부터 미국에서 채택한 방식으로, AMPS 제
어 채널 규격을 그대로 수용하고 시분할 다중접속(TDMA, Time Division Multiple
Access) 방식에 기반을 두었다. GSM(Global System for Mobile Communications)은 유
럽방식으로, 1993년부터 상용 서비스를 시작하였다. PDC(Personal Digital Cellular)방
식은 일본에서 채택한 방식이다. 2G 이동통신 서비스는 1996년 국내에 도입된 이래
현재까지 사용되고 있으며, 휴대폰 번호 앞자리가 010이 아닌, 011, 017, 016, 019 등이 2G 이동통신 규격이라고 보면 된다.

가. 디지털 셀룰러 시스템의 개념
(1) 이동통신의 구성요소
디지털 셀룰러 이동통신 시스템은 서비스의 종류에 따라 이동단말기(MT, Mobile
Terminal), 기지국(BS, Base Station), 이동교환센터(MSC, Mobile Switching Center),
방문자 위치등록기(VLR, Visitor Location Register), 가입자 위치등록기(HLR, Home
Location Register), 운영 및 유지보수 센터(OMC, Operation and Maintenance Center)
등으로 구성된다. 이들 사이는 SS No.7 공통선 신호망을 사용해 제어 신호를 교환한
다. 디지털 셀룰러 이동통신망은 [그림 7-12]처럼 등록지역(RA, Registration Area)
인 셀로 나누어 무선 채널을 효율적으로 활용하는데, 하나 이상의 셀에 기지국을 두
고 각 기지국을 하나의 이동교환센터와 연결한다. 이동교환센터에는 가입자 정보를
일시적으로 저장하는 데이터베이스인 방문자 위치등록기와 영구적으로 저장하는 데
이터베이스인 가입자 위치등록기가 있다.

① 이동단말기(MT, Mobile Terminal) : 서비스 영역에서 이동하는 무선가입자 단
말기로서 기지국과 무선채널을 사용하여 통신하며, 제어장치와 송수신장치, 안
테나장치 등으로 구성된다.
② 기지국(BS, Base Station) : 이동단말기와 이동교환센터를 연결하며, 안테나, 기
지국 무선 송수신기, 제어부분, 전원 장치 등으로 구성된다.

③ 이동교환센터(MSC, Mobile Switching Center) : 이동통신망과 일반 공중전화망
을 연결하거나, 각 기지국에서 발생하는 발신 및 착신 신호를 처리하고, 중앙 통
제, 공중 전화망의 시내교환기와 연결한다. 또한 이동가입자의 위치를 검출하
고, 핸드 오버(Hand Over), 가입자 상호 간에 정보도 교환한다.
④ 가입자 위치등록기(HLR, Home Location Register) : 가입자 정보가 들어 있고,
하나의 센터 형식으로 동작하며, 중앙 집중 방식이다. 이동 단말기의 가입자 정
보와 위치 정보 등을 영구적으로 저장하는 데이터베이스이다.
⑤ 방문자 위치등록기(VLR, Visitor Location Register) : 이동단말기가 다른 지역에
서 등록지역(RA)인 현재의 지역으로 이동하였을 때, 이동단말기의 가입자 정보
를 일시적으로 저장하는 데이터베이스이다.
⑥ 운영 및 유지보수 센터(OMC, Operation and Maintenance Center) : 이동통신의
구성요소를 운용하고, 유지보수 하는 기능을 담당한다.

(2) 핸드오프(Hand-Off)
핸드오프란 하나의 셀 위치에서 인접한 셀 위치로 이동할 때, 현재의 통화 채널을
자동으로 전환해서 연결해 주는 것을 말하며, 이를 통해서 이동 중에도 통화의 끊김
이 발생하지 않게 된다. 핸드오프 방식에는 새로운 통화 채널을 열기 전에 기존의 채
널을 일시적으로 먼저 끊고 연결해 주는 방식의 하드(Hard) 핸드오프 방식과 새로운
통화 채널을 연결한 후에 기존의 채널을 끊어주는 방식인 소프트(Soft) 핸드오프 방식
이 있다. 기존의 AMPS(Advanced Mobile Phone Service) 시스템에서는 하드 핸드오프
방식을 사용했으며, CDMA 시스템에서는 대부분 소프트 핸드오프 방식을 사용한다.
① 하드 핸드오프
하드 핸드오프 방식은 셀 간을 이동할 때 기지국과 이동국간에 약 15㎳(0.015초) 이
하의 통화단절이 발생한다. 이 방식에서 기지국은 항상 역방향 음성채널을 사용하여
이동단말기로부터 수신신호 강도를 감시하고 수신신호 강도가 통화채널 전환 레벨까
지 떨어지면 기지국은 이동전화 교환기에 통화채널 전환을 요청하게 된다. 통화 채널
이 자동으로 바뀌는 동안의 통화 단절시간동안 기지국과 이동단말기 간에는 디지털
메시지 교신을 수행하며, 통화중인 가입자는 워낙 짧은 시간에 핸드오프가 이루어지
기 때문에 순간적인 통화두절 상태를 거의 감지하기 어렵다. [그림 7-13]은 하드 핸
드오프 과정을 나타낸다.

② 소프트 핸드오프
소프트 핸드오프 방식에서는 통화 중인 이동단말기가 동일 CDMA 주파수를 갖는
다른 셀 영역 근처로 접근할 경우, 이동단말기는 새로운 셀의 파일럿(Pilot) 신호 세기
가 충분히 높음을 감지하여 이 사실을 현재의 셀에 알린다. 그러면 새로운 셀은 이동
단말기에게 통화 채널을 열어주게 되어, 이동단말기는 동시에 두 개의 셀과 통화 채널
을 사용하여 통화를 하게 된다. 이후 이동단말기의 새로운 셀 위치로 더욱 근접해짐에
따라 이전의 셀에서 전해오는 신호는 점점 약해지며, 이 신호의 세기가 일정 레벨보다
낮아지면 이동단말기는 이 사실을 두 셀에 알리며, 이전 셀은 이동단말기에 대한 통화
채널을 끊게 된다. 이러한 방식은 3개의 셀 경계에서도 동일하게 적용되며 핸드오프
도중에 통화 채널이 끊어지지 않으므로 사용자는 핸드오프가 된다는 사실조차 모르게
되며, 만약 이동단말기가 데이터 통신을 행하고 있었다면 통화의 단절이 없으므로 높
은 품질의 서비스를 제공받을 수 있다. [그림 7-14]는 소프트 핸드오프를 나타낸다.

(3) 위치관리
위치관리는 크게 위치추적과 위치파악으로 분류되며, 이중 위치 추적은 다시 위치
등록(Location Registration)과 위치갱신(Location Update) 과정으로 구분된다. 위치등
록은 단말기가 새로운 망으로 이동할 때 자신의 존재를 알리기 위해 등록하는 과정을
말하며, 위치갱신은 등록된 단말기의 이동에 따라 위치정보를 새롭게 갱신해 나아가
는 과정을 말한다. 또한 위치파악은 호 설정 시에 착신 호를 전달하기 위해 현재 이동
단말기가 접속된 교환국을 찾아내는 과정을 일컫는다. [그림 7-15]는 위치등록과정
을 메시지 흐름에 따라 표현한 것이며, VLR(Visitor Location Register)은 방문자 위치
등록기, HLR(Home Location Register)은 가입자 위치등록기를 나타낸다.

 

나. 시분할 다중접속(TDMA, Time Division Multiple Access)
TDMA는 하나의 대역폭을 다수의 사용자가 시간을 배정받아 접속하는 다중 접속
방식을 말한다. 즉, [그림 7-16]과 같이 전송로를 시간으로 분할하여 사용하는 방식
이다. TDMA에서는 중계기가 증폭하는 반송파가 하나뿐이기 때문에 변조의 문제가
없어서 중계기의 송신 전력을 100% 사용할 수 있다. 따라서 다양한 속도의 디지털 신
호 전송이 용이하다는 장점이 있다. 이밖에 주파수 이용 효율을 높일 수 있고 운용상
의 유연성을 확보할 수 있다는 장점이 있다. 유럽의 GSM이나 미국의 TDMA는 순수
한 시분할방식이 아니고 일차로 주파수분할 방식으로 통화 채널을 구분한 후, 해당
채널 내에서 시분할을 수행하고 있어 주파수 이용 효율이 높지 않은 편이다. 따라서 3
세대 이동통신 시스템인 CDMA2000과 W-CDMA에서는 코드분할 다중접속(CDMA,
Code Division Multiple Access) 방식을 채택하고 있다.

다. 코드분할 다중접속(CDMA, Code Division Multiple Access)
CDMA는 차세대 디지털 이동통신 방식의 일종으로 스펙트럼 확산 기술을 채택한 방
식이다. CDMA는 미국의 퀄컴사에서 제안한 북미의 디지털 셀룰러 자동차/휴대 전화
의 표준 방식으로 한국의 전자통신연구원(ETRI)의 기술지원을 받아 제안하였는데, 이
것이 1993년 7월 미국 전자공업코드협회(EIA)의 IS-95 표준으로 제정되었다. CDMA
는 [그림 7-17]과 같이 복수의 사용자가 동일한 주파수 대역을 공유할 수 있는데, 사
용자를 구분하기 위해 사용자 채널 고유의 의사 잡음 부호(PN Code, Pseudo-Noise
Code)를 사용한다. CDMA 방식은 시분할 다중접속(TDMA) 방식이나 아날로그 방식
의 주파수분할 다중접속(FDMA) 방식에 비해 대역폭 당 사용자 채널을 10∼20배 증가
시킬 수 있고, 송신 주파수가 광대역이므로 다중 경로 신호(Multipath Signal)에 의한
주파수 선택성 페이딩에 강하다. CDMA는 IMT-2000의 표준방식으로 채택되었다.
[표 7-4]는 다중접속 방식(FDMA, TDMA, CDMA)의 특징과 장단점을 비교한 것이다.

 

다중접속 방식의 특징과 장단점

종류	특징	장점	단점
FDMA	• 연속 전송 가능 • 대역의 일부만 사용	• 수신기 구조 간단 • 대역폭의 낭비가 없음	• 용량이 적음 • 통화품질이 나쁨 • 전력소모 많음 • 주파수 계획 필요
TDMA	• 슬롯에서만 전송 가능 • 전체 대역 모두 사용	• 통화품질 비교적 우수 • 용량이 비교적 큼 • 전력 소모량 적음	• 수신기 구조 복잡 • 주파수 계획 필요
CDMA	• 연속 전송 가능 • 전체 대역 모두 사용	• 통화품질 우수 • 용량이 가장 큼 • 전력 소모량 적음 • 주파수 계획이 거의 필요 없음	• 수신기 구조 매우 복잡 • 전력 제어 필요 • 트래픽 제어 필요

 

라. GSM(Global System for Mobile Communications)
GSM은 유럽 전기통신표준협회(ETSI)에서 제정한 디지털 셀룰러 이동통신 시스템
의 표준 규격이다. 당시 유럽에서는 NMT, TACS 등 상호 호환성이 없는 다양한 아
날로그 셀룰러 시스템이 혼재한 상황이었기 때문에, 이를 통합하는 유럽방식의 디지
털 셀룰러 시스템 표준을 제정하였다. 주요 목표는 표준화를 통하여 호환성을 유지하
고, 디지털화를 통하여 전송 품질을 향상시키면서 유럽에서의 로밍(Roaming)을 가능
하게 하고, 시스템의 대용량화를 통하여 급증하는 가입자를 수용하면서 음성과 데이
터 통신을 유연하게 제공하는 것 이었다. 그 후 유럽 연합의 결정에 따라 1988년 설
립된 ETSI가 GSM의 업무를 승계하여 표준화를 진행하였고, 1992년 독일 등에서 상
용화에 성공하였다.