[1-0-0] Cellular System이란?

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안녕하세요. RTLog 입니다.

오늘은 이동통신의 중요한 개념인 Cellular System에 대해 알아볼까 합니다.

Celluar System

통신 시스템의 발전 히스토리 관점에서 지금의 Celluar System을 이해해보도록 하겠습니다.

유선전화망

- PSTN(Public Switched Telephone Network)

요즘에는 유선 전화망을 사용하는 것을 보기 정말 힘든데요.

각 지역을 유선으로 연결하는 PSTN이라고 부르는 네트워크 기반으로, 유선 전화망이 구축되었습니다.

PSTN은 전화의 창시자인 벨(Alexander Graham Bell)의 시대로부터 지속적으로 발전해 온 회선 교환방식 전화망입니다.

* 과거에는 음성 통신 기반이 주였기 때문에 회선 교환방식이 사용되었으나, 현재는 데이터 통신이 주가 되어 패킷 교환 방식이 사용됩니다. (4G부터 All-IP Network)

* 회선 교환 방식과 패킷 교환 방식에 대해 알아보시면 좋을 것 같습니다.

이동전화망

- Mobile Radio Communication Network

무선 통신이 발전하면서, 이동전화망이 구축되었습니다.

각 Base Station(BS, 기지국, 아래에서 Radio Tower) 담당하는 지역의 크기가 매우 넓었는데요.

BS는 전파를 통해 UE와 통신하고, 각 BS들은 PSTN으로 연결되어 멀리 떨어진 지역과 통신이 가능했습니다.

기존의 이동전화망과 셀룰러 시스템에는 가장 큰 차이점은 BS의 담당 지역(Coverage Area) 입니다.

Coverage Area가 커지면 어떤 단점이 존재할까요?

Coverage Area에 비례하여 강한 전파를 송수신해야 합니다. (장비의 크기, 즉 이동성과 연결되는 문제)

또한, 제한된 주파수 영역을 Coverage Area 내부의 가입자가 나누어 사용해야 했기 때문에, 가입자 수에 제한이 생기는 가장 치명적인 단점이 존재했습니다.

셀룰러 시스템은 Coverage Area를 줄여, 제한된 주파수를 재활용하자는 관점에서 제안되었습니다.

셀룰러 이동통신망

- Cellular Mobile Communication Network

셀룰러 시스템은 BS의 Coverage Area를 Cell이라는 단위로 지정하고, 각 Cell마다 주파수 할당/관리를 독립적으로 수행하는 시스템입니다. (Cell A와 Cell B에서 간섭이 발생하지 않는다면, 각 Cell의 가입자는 동일한 주파수 대역을 사용해도 전혀 문제가 없겠죠.)

Cell의 크기가 줄어들수록, 저출력 통신이 가능해져 장비의 크기가 줄어들 뿐만 아니라 주파수의 재활용이 가능하여 가입자 수를 늘릴 수 있었습니다. (BS 개수, 즉 무선 통신 인프라 확충이 동반되어야 하긴 했습니다.)

셀의 크기가 작아지고 개수가 많아지면서, 인접 셀과의 간섭에 중요한 영향을 끼치는 Cell Planning(Cell 크기를 어떻게 설정하고, 어떻게 배치하는지)이 중요한 문제로 대두되었습니다.

위 그림은 가장 대표적인 7-Cell 패턴입니다. 같은 번호로 매핑된 Cell에서는 같은 주파수를 재사용 가능하고, 인접 셀과는 셀 간섭으로 인해 주파수 재사용이 불가능함을 나타내고 있습니다. (주파수 재활용을 나타내는 Frequency Reuse Factor는 1/7이 됩니다.)

현재는 Frequency Reuse Factor가 1으로, 모든 주파수 대역을 모든 셀에서 재활용 있게 되었는데요. 이를 위해, CDMA와 OFDM이 개발되었고 현재는 OFDM을 기반으로 셀룰러 시스템이 구축되고 있습니다.

* 최근에는 Cell의 크기를 점점 더 줄여가는 추세라고 하는데요. 다른 포스트로 추가해보겠습니다.

셀룰러 이동통신망 구조

이동 통신망은 크게 2가지 네트워크로 구성되었습니다.

BS와 PSTN을 연결하는 Core Network와 BS와 UE를 연결하는 RAN(Radio Access Network)입니다.

Core Network는 유선망, RAN은 무선망(무선 접속 기술)이라고 이해하시면 좋을 것 같습니다.

조금 더 풀어서 이야기해보면, 사용자의 단말(UE)은 RAN 기술을 통해 기지국(BS)에 접속하고, 각 기지국은 Core Network로 PSTN이나 Internet과 같은 유선망과 연결되어 멀리 떨어진 지역과도 통신이 가능해지는 형태입니다.

BS naming: Node B(3G) , gNodeB(4G) , gNodeB(5G)
RAN naming: GSM & UTRAN(3G) , E-UTRAN(4G) , NG-RAN(5G)
Core Network naming: Global System for Mobile Communications(GSM, 3G), Evolved Packet Core(EPC, 4G), 5G Core(5GC, 5G)

*인터넷 망으로 사용되었던 IP network를 활용하여 4G부터 All-IP Network가 사용됨

* 5G는 5GC를 사용하는 단독모드 (Stand-Alone)와 EPC/5GC를 섞어쓰는 혼용모드 (Non-Stand-Alone)의 선택 가능

Reference

https://www.youtube.com/watch?v=uIADYgsT7ls&list=PL2fxOURY4wI7T4jSwSOwj-7I5E2p_jJM5&index=49

감사합니다.