셀룰러(Cellular) 통신의 개념과 이해

휴대폰을 영어로 하면 Cellular Phone이라고 배웠다. 셀룰러가 무슨 뜻인지 모르고 그냥 그러나보다 하는 사람이 많은데 Cellular란 이동 무선 통신에서 셀의 설치에 의해 통신망을 구성, 운용하는 것을 말한다. 셀이란 하나의 넓은 서비스 지역을 세포 형태로 분할하여 소형 송신 전력 기지국을 설치하는 작은 구역을 가리킨다.

 

무선전화 초기(1950~60년대)에는 광역(large-Zone)방식을 사용 하였다. 안테나로 강한 신호를 쏘아서 넓은 지역을 한꺼번에 커버하는 방식이었다. 하지만 무선통신 사용자가 늘어나면서 좀 더 효율적인 방식이 필요하게 되었는데, 이때 나온 방식이 Cellular 방식이었고 아직까지 쓰이고 있다.

 

무선통신을 하려면 전파가 필요하고 사용자는 원하는 데이터를 특정 주파수를 통해 전송 받거나 전송한다. 통신을 할 때 마다 잘게 쪼갠 주파수 대역 하나를 할당 해 주었던 예전 FDMA방식이나, 요즘 고도화된 CDMA나 OFDM방식 모두 한정된 주파수를 여러 사람이서 나눠 써야 된다는 본질적인 문제가 있다. 정해진 서비스 지역 안에 동시에 통신을 하는 사람이 수없이 늘어난다면 그건 어떤 고도화된 방식으로도 해결 하기 힘든 문제다.

 

그렇기 때문에 Cell 단위로 나누는 게 필요한 것이다. 사용가능한 주파수는 한정되어 있고 그 주파수를 나눠 가질 수 있는 사용자 수도 한정되어 있기에 서비스 지역을 작은 단위로 나누면 최소한 그 서비스 지역 안에서의 동시 사용자 수는 줄어들 것이다. 단순히 산술적으로 보자면 하나의 큰 광역방식을 사용 하는 것 보다, 해당 광역을 둘로 나누게 되면 2배의 사용자가 커버 가능해 지고 10개로 나누면 10배의 사용자가 커버 가능해 지는 것이다.

 

 

이런 면에서 당연히 광역방식 보다는 셀룰러 방식이 효율적이다. 하지만 셀룰러 방식이기 때문에 해결해야 될 문제가 생겼다. 그 중 하나가 Hand-off (또는 Hand-over) 이다. 어떤 셀에서 주파수(또는 코드)를 할당받아 통화를 하면서 해당 셀을 벗어나 다른 셀로 이동하게 되면 주파수를 새로 할당 받아야 되고 현재의 연결 정보가 다른 셀의 기지국으로 이관 되어야 한다. 기술적으로 복잡해 지는 것이다. 그리고 셀 단위로 같은 주파수를 나눠 쓰자니 셀 끼리의 경계면에서는 혼선이 생길 수도 있다. 이 말고도 셀룰러 방식은 효율적인 만큼 기술적으로 해결 해야 될 부분이 많다. 

 

셀을 도식화 할때 보통 오른쪽 그림과 같이 육각형 벌집 형태로 그리는 경우가 많다. 이런 모양으로 그림처럼 경계가 딱 구분이 되어 있으면 너무 좋겠지만 실제로 셀 모양은 저렇지 않다. 아무리 등방성 안테나(방향이 없이 원형으로 전파를 쏘는 안테나)라도 해당 지역의 지형 지물이나 여러가지 다른 요인에 의해서 상당히 불규칙한 모양을 가진다. 

 

아래에 있는 두 그림처럼, 원형으로 되어 있을 경우엔 전파 송신 거리를 계산해서 이상적인 경계선을 그을 수 있지만 실제 현실에서는 그게 불가능하다. 그래서 Hand off를 해야 되는 시점 또한 정하기가 까다로워 지는 것이다.

 

 

보통 맨 오른쪽 그림과 같이 기존 셀의 신호보다 현재 이동하고 있는 셀의 신호가 더 강해지는 시점을 잡아서 Hand-off가 이루어진다. 주파수 분할 방식이 발전되어 가면서 Hand-off 방식도 점점 효율적으로 발전해 왔다.

 

 

1. Hard Hand-off : 기존 아날로그방식에서 핸드오버시 먼저 사용중인 통화채널을 끊고 새로운 채널에 절체하여 통화를 계속하는 방식으로 사용자가 인지 못할 정도의 짧은 시간에 이루어진다. 만약 이동국이 두 셀간의 경계를 중심으로 반복적으로 이동하는 경우 두 기지국과 번갈아 가면서 연결되는 핑퐁현상이 발생할 가능성이 있는데 CDMA에서 소프트 핸드오버로 해결한다.
2. Soft Hand-off : 새로 할당받은 채널과 현재까지 이용하던 채널을 동시에 점유하여 절체하는 방식으로  2개의 채널을 짧은 시간동안 점유하게 된다. 이로 인하여 하드 핸드오버의 단점인 통화단절, ping pong 현상은 해결되나 2개 채널의 동시 점유로 채널이용 효율이 다소 낮아진다.
3. Softer Hand-off : soft 핸드오버가 기지국간 핸드오버이고 softer 핸드오버는 동일한 기지국내 섹터간의  핸드오버이다.CDMA방식에서 사용하는 soft/softer 핸드오버는 기지국으로부터 여러 경로로 도착하는 신호를 서로 구별할 수 있는 능력이 필요한데 이런 기능을 Rake Receiver가 수행한다.

 

그리고 아까 언급한 경계면에서의 주파수 혼선문제도 있다. 이에 관한 이슈를 주파수 재사용(Frequency reuse)이라고 부른다. 어떻게 하면 여러개의 셀에서 주파수 간섭 없이 주파수 대역을 활용할 수 있을까.

 

이론적으로는 동일한 주파수 대역을 인접한 셀에서도 똑같이 사용 가능 하지만 잘 알다 시피 셀의 크기와 경계를 정확히 정의할 수 없기에 현실적으론 불가능하다. 이를 Cochannel Interference 이라고 한다. 따라서 같은 주파수 대역을 재사용하려면 일정 간격이랑 떨어진 셀이어야 하는데 이 거리를 Reuse distance라고 부른다.

 

Reuse distance는 주로 셀을 몇개 건너뛰로 사용해야 안전한가를 나타내는 정수값이다. 그 값을 도출하는 과정은 네트워크 사정에 따라 다르고 다소 이론적인 부분이지만 값을 구하는 공식은 매우 간단하니 잠깐 언급하고 넘어가겠다.

 

셀을 육각형으로 표현한 벌집 모델에서 Reuse distance는 옆으로 몇칸 떨어진 셀에서 인접한 60도 방향의 셀을 선택해서 건너뛴 셀을 카운트 한다. 잘 이해가 안간다면 아래 그림을 보자.

 

 

이렇게 떨어진 셀에서 Distance를 구하는 공식은 아래와 같다.

 

 

즉, 위 그림과 같은 경우 N = 7 이 된다.

 

※ 글 등록 일자는 2021년이지만, 실제 작성은 2010년 정도 한 것이므로, 현재 상황과 맞지 않는 부분이 있을 수 있습니다.