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2010.07.22 14:59 Season#1/for Layman

WCDMA의 구조와 원리

WCDMA (FDD 모드, Release 99 기반) 에 대한 구조와 원리를 망 구조와 프로토콜 중심으로 살펴봅니다

 

0. 들어가며

 
 대한민국의 휴대폰 보급률은 2008년 5월 말 기준으로 92.2% 에 달한다고 합니다. 이 휴대폰의 핵심이 되는 기술은 세계적으로 기술 변혁이 일어나는 때를 기점으로 하여 ‘세대’라 일컬어지며 구분이 되고 있습니다. (2 Generation, 3 Generation, Beyond 3 Generation 등) 2008년 현재 기준 세계 및 국내 휴대폰 시장은 3세대 이동통신(3 Generation = 3G) 기술이 그 주류를 이루고 있습니다. 3G는 IMT2000이라고 이야기 되기도 합니다. 지난 2007년 10월 18일 국제전파총회(ITU) 에서 국내 3세대 이동통신 기술인 Wibro (Mobile WiMAX)를 국제 표준으로 선정했었죠? 이로서 전세계 국제 3세대 이동통신 기술은 다음과 같이 6가지로 늘어나게 되었습니다.
① WCDMA
② CDMA2000 1xEV-DO
③ TD-SCDMA (중국식)
④ DECT (유럽식)
⑤ UWC-136 (위성통신방식)
⑥ Mobile WiMAX
  여러가지가 있습니다만 국내외에서 가장 널리 쓰이고 있는 기술은 단연 WCDMA 기술입니다. 여기에선 바로 이 WCDMA 기술에 대해서 알아보려 합니다.
 

1. WCDMA란?

 
 
 < WCDMA 기술은 현재 가장 널리 쓰이고 있는 기술입니다. (LG전자의 SH470, 삼성전자의 SHC-W550) >
                            (이미지 출처 : http://www.cyon.co.kr, http://www.anycall.com)
 
 WCDMA은 Wideband Code Division Multiple Access의 약자로 '광대역 부호 분할 다중 접속'이라고 말합니다. 이를 이해하기 위해서 다중접속 방식에 대해 먼저 이야기해 보겠습니다.
 
  • 다중 접속 (Multiple Access)

  앞서 언급했었던 여러 이동통신기술들은 일반적으로 다중 접속하는 방식에 따라서 구분이 됩니다. 상식적으로 생각해 볼까요? 핸드폰은 무수히 많은 사람들이 가지고 있습니다. 각각의 핸드폰 전파들이 지나다니는 길은, 물리적으로 일정 영역 (정확히는 주파수 대역, radio spectrum)으로 한정되어 있습니다. 따라서 '어떤 방식으로 이 한정된 영역을 각각의 핸드폰 사용자들이 불편없이 사용할 수 있도록 분배해 줄까?'가 핸드폰 이동통신기술을 설계하는 분들에게는 고민거리가 됩니다. 이 '분배'의 방식에는 TDMA, FDMA, CDMA, CSMA, OFDMA, ODMA, SDMA 등이 있으나 일반적으로 TDMA, FDMA, CDMA 세 가지가 주로 거론됩니다.

<TDMA 모드에서 사용자 자원 배분>

 여러분이 이 분배의 문제를 고민한다고 생각하면 어떤 방법이 있을 수 있을까요? 한 개의 학교 운동장에서 여러 축구팀들이 경기를 해야한다고 생각해 보세요. 간단한 방법으로 각각 축구팀들에게 하나의 운동장을 각각 어떤 시간에 쓸지 구분지어주면 될겁니다.
 이런 방식이 TDMA 방식입니다. 시분할다중접속이란 정해진 시간만큼만 각각의 사용자들이 한정된 전파 자원을 독점해 쓰는 겁니다. CRC (Cyclic Redundancy Checking, 오류 검출의 한 방식) 가 가능하기도 하죠.
 이 방식에서는 각각의 cell (통신이 일어나는 지역의 단위)은 일정 개수의 각기 다른 주파수를 각각의 cell에 반복적으로 사용합니다. (몇 개의 주파수를 반복 사용할지 여부는 Frequency Reuse Factor 값을 따릅니다.) 같은 cell 내에서는 같은 주파수를 사용하게 되고 이 주파수는 시간을 기준으로 분할되어 사용자에게 나누어집니다. 다른  대표적인 2G 통신방식 중 하나인 GSM가 이 방법으로 동작합니다. 이 기술과 더불어 Frequency hopping 기술과 함께 상용화 되었는데 자세한 내용은 제목의 Wikiperdia TDMA 링크에 들어가서 확인해 보시기 바랍니다.
<FDMA 모드에서의 사용자 자원 배분>
 주파수분할다중접속은 축구팀들이 한꺼번에 언제나 운동장에서 축구할 수 있도록 운동장의 영역을 각 팀들에게 나누어주는 겁니다. (물론 이런 식으로 축구하기는 힘들겠습니다만)
 한정된 주파수 자원을 주파수대 별로 쪼개서 각각의 사용자들에게 주파수 별로(frequency bands) 동시에 쓸 수 있도록 나누어 주는 것이죠. 물론 각 사용자에게 나누어진 주파수는 서로 간섭해서 통신 품질을 저하시키는 일이 없도록 해야합니다. 하지만 상대적으로 효율성이 낮은 방식으로 알려져 있으며 미국의 AMPS 방식 등에 이용 되었습니다.
<CDMA 모드에서의 사용자 자원 배분>
 
 코드분할 다중접속은 미국의 Qualcomm사가 주도하고 있는 다중접속 기술로 각각 모든 cell이 같은 주파수를 동시에 사용하는 통신방식입니다. 이 때 일어나는 서로 간의 간섭현상을 해결하기 위해서 CDMA에서는 각각 사용자가 이용하는 주파수 상의 데이터를 코드화 (encoding) 하여 구분하고 있습니다. 신호를 보내는 자와 받는 자간의 코드가 맞지 않는다면 해독 (decoding) 되지않아 각 신호가 누구에게 가는 것인지가 명확하게 구분됩니다.
 
 WCDMA는 앞서 살펴본 어원에서도 느낄 수 있듯이 기본적으로 CDMA 방식 (코드를 기준으로 사용자들간의 데이터가 구분됩니다.) 을 채용하고 있습니다. 그리고 부분적으로 TDMA, FDMA적 특징을 차용하고 있습니다. WCDMA는 TDD 방식과 FDD 방식을 사용하는 두 가지 종류로 크게 구분됩니다.
① TDD (Time Division Duplex)
  TDD는 CDMA 방식 위에 추가로 주파수로 사용자들을 구분하고, TDMA와 같이 통신 자원 사용 시간으로도 사용자들을 구분합니다. 하나의 주파수에서 데이터를 올리고 받는 일을 같이 처리합니다.
 
② FDD (Frequency Division Duplex)
 반면에 FDD는 코드와 주파수를 기반으로 자원을 배분한다는 것은 같지만 통신 자원 사용 시간으로 사용자들을 구분하지는 않으며 데이터를 올리고 내려받는 일을 주파수 별로 나누어 처리합니다.
 본 글에서는 FDD 방식의 WCDMA에 대해서 중점적으로 이야기할 것입니다.
 

2. WCDMA의 네트워크 구조

 
 여기서는 어떤 식으로 WCDMA망이 하드웨어적으로 구성되는지 살펴보겠습니다. WCDMA망 표준 구조는 Release 99, Release 4, Release 5 순으로 발표 되었습니다. 각 표준은 망 구성요소가 교체되고 부가 기능이 늘어나는 등 몇몇 차이점들이 존재하나 근본적인 원리는 서로 같습니다. 여기서는 Release 99에 중심을 두고 WCDMA의 기본 원리를 설명하는데 초점을 맞추겠습니다.
 

2.1. UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)

 
<UMTS 망의 개념적인 구조도>
 
 UMTS는 3G 통신의 국제 규격을 제정하는 3rd Generation Partnership Project (3GPP)에서 결정한 3G 이동통신망 이름입니다. 사용자가 가지고 있는 단말기를 시작으로 통신사가 가지고 있는 이동통신용 중계기, 기지국 등 이동통신 시설들을 포함하는 개념입니다.
 UMTS에는 3세대 통신 규약인 WCDMA와 2세대 통신 규약들인 GSM, EDGE로 크게 구분지어 집니다. 사실 WCDMA는 GSM을 그 모태로한 3세대 통신 규약이기 때문에 비슷한 역할을 하는 구성 요소들 (Core Network 등) 도 존재하고 이름만 다를 뿐 내부적으로는 비슷한 구조를 하고 있는 부분들 (Node B - RNC와 BTS - BSC간의 관계 등) 도 많습니다.
 UMTS에서 지켜져야 할 대표적인 규약은 멀티미디어 데이터 송수신, QoS, 2Mbps 지원 등이 있습니다. (이 중 QoS에 대해서는 뒤에서 더 자세히 살펴 보겠습니다.)
 UMTS 망은 크게 Core Network와 UTRAN 두 부분으로 나누어 질 수 있습니다. 그리고 사용자 단말기 (User Equipment) 가 UTRAN과 연결됩니다. 즉, CN-UTRAN-UE 순서로 서로 연결되어서 망을 구성합니다.
 
<UMTS Release 99 구조도>  
 

2.1.1. CN (Core Network)

  프로토콜 구조에서 상위 레벨단 데이터 처리를 담당합니다. 말 그대로 망 안쪽 부분을 지칭하는 것입니다. 중간 매개체인 UTRAN을 거처서 UE와 전화 통화 연결, 혹은 데이터 통신 연결을 처리하거나 요금 과금 시스템, 망 보안 관련처리를 담당하고 있습니다. 내부적으로는 MSC, GMSC, SGSN, GGSN, HLR 등의 구성요소를 가집니다.
 각각의 기능을 간략하게 살펴본다면 다음과 같습니다.
MSC (Mobile Switching Center)
 음성 정보를 다루며 다양한 NAS 프로토콜들을 지원하여 통화 제어, 단말기의 이동성 확보 등의 다양한 기능을 수행합니다.
② GMSC (Gateway Mobile Switching Center)
 음성 정보를 취급하고 PSTN (public switched telephone networ, 일반적인 전화 음성 통화망) 과 무선 통신망을 연결해 주는 관문 역할을 담당합니다. 이를 통해서 핸드폰 사용자들은 자신의 통신회사에 등록되지 않은 일반 전화기와도 연결될 수 있게 됩니다.
③ SGSN  (Serving GPRS support node)
 packet (데이터의 묶음 단위) 정보를 다루며 자신의 영역 안으로 들어오는 UE를 감지하고 packet 송수신을 제어합니다.
④ GGSN (Gateway GPRS Support Node)
 packet 정보를 취급하고 인터넷 망과 CN을 연결하는 관문 역할을 담당합니다. SGSN에서 들어온 UE 정보를 이용해서 UE와 GGSN 간에 packet 송수신이 가능한 논리적 길을 만듭니다. 이를 통해서 핸드폰에서 인터넷에 접속하는 것이 가능해 지는 것이죠.
⑤ HLR (Home Location Register)
 사용자의 위치 정보를 저장하고 있습니다. 망에서 단말기 인증 절차, 등록 등의 역할을 담당합니다.
 

2.1.2. UTRAN (UMTS Terrestrail Radio Access Network)

 CN과 UE를 연결해 주는 다리 역할을 하고 있습니다. 주로 전파 자원을 제어하고 할당하거나 사용자의 이동성을 보장하는 기능을 담당합니다. 내부적으로는 Node B, RNC, RNS 가 존재합니다.
① Node B
 Node B는 여러 개의 cell들과 그에 상응하는 carrier들을 가지고 있습니다. 이 cell들 안에 존재하는 많은 UE들과 연결되어 있으며 이에 사용되는 주파수들을 확보하고 있습니다.
 
② RNC (Radio Network Centrol)
 RNC는 Node B에 연결되어 이를 제어 할 뿐만 아니라 통신 자원을 할당하거나 뒤에서 이야기할 handover 기능, RB (Radio Bearer) 등을 담당하게 됩니다.
 
③ RNS (Radio Network Subsystem)
 RNC와 그에 달려있는 Node B를 묶어서 하나의 RNS이라고 부릅니다. UTRAN 망은 이러한 RNS들의 집합이라 말할 수 있습니다. RNS는 다시 UE와의 연결 상태에 따라서 개념적으로 SRNS (Serving RNS) 와 DRNS (Draft RNS) 로 구분됩니다. SRNS는 계속 UE와 연결을 유지하고 있는 기존 RNS를 가리키는 것이고, DRNS는 UE가 RNC 간을 이동하는 상황 등에서 새롭게 UE와 연결되는 RNS (주로 SRNS와 인접한 RNS가 되겠죠.) 를 가리키는 개념입니다.

2.1.3. UE (User Equipment)

 UMTS 통신망에 가입 되어있는 사용자의 단말기를 지칭합니다. UTRAN의 Node B와 전파로 연결되어 있습니다.
   

2.2. Domain

 
 UMTS 망의 CN에서는 대표적으로 CS domain, PS domain, BS domain 3가지 도메인이 존재합니다. 각 도메인들은 NC (Core Network)에 위치하고 있습니다. 각 도메인들은 Iu 인터페이스를 사용하여 UTRAN의 RNC와 연결됩니다.
 

2.2.1. CS (Circuit Switched) domain

 physical layer 쪽에서 dedicated channel을 할당 (송신자, 수신자가 1:1로 연결된다는 의미) 하여 데이터를 전송하는 방식입니다. MSC, HLR, AuC(Authentication Center)가 연결에 주된 역할을 하고 있습니다. 대표적인 기능에는 NAS단에서 사용되는 MM protocol, CM protocol, CC protocol, SMS들이 있습니다. 일반적으로 사용자 통화 음성 데이터가 이 도메인을 사용해서 송수신 됩니다.
 간략하게 살펴보면 다음과 같습니다.
① MM (Mobility Management)
 핸드폰은 자유롭게 이동할 수 있지만 이와 연결되는 기지국은 이동할 수 없습니다. 따라서 단말기가 이동함에 따라서 가까운 기지국으로 연결을 전환해 줄 필요가 있습니다. 이에 관한 역할을 담당합니다.
② CM (Connection Management)
 통화 연결을 제어 합니다.
③ CC (Call Control)
 음성 통화 송수신 절차에서 CN과의 연결을 담당하고 통화 재연결, 음성 통화의 송수신을 관리합니다.
④ SMS (Short Message Service)
 핸드폰 문자 서비스를 말합니다.

2.2.2. PS (Packet Switched) domain

 사용자 데이터를 Packet 단위로 데이터를 전송할 경우에는 이 도메인을 사용합니다. SGSN , GGSN 가 주된 역할을 하고 있습니다. CS domain가 운반하는 음성 데이터는 물론, 비디오, 각종 제어명령들도 이 도메인을 사용하여 송수신 됩니다. 대표적으로 GMM(GPRS Mobility Management) protocol, PS bearer를 사용하는 SM(Session Management) protocol가 있으며 일반적으로 CS domain에 비해서 속도가 빠른편입니다.
  CS domain과 PS domain 각각 대표 기능들의 대응 관계를 표로 나타낸다면 다음과 같습니다.
 
<CS/PS domain 기능들의 대응 관계>
 

2.2.3. BS (Broadcast Switched) domain

 데이터를 일정한 구역 안의 여러 UE들에게 일괄적으로 배포해야 할 필요가 있을 때 사용하는 도메인입니다.

2.3. QoS (Quality of Service)

 
  UMTS 망에서 통신은 크게 두가지 domain으로 나뉘어진다고 얘기 했었습니다. PS domain과 CS domain이 그것이죠. QoS는 PS domain 에 연관된 개념입니다. UMTS 망에서는 한정된 통신 자원을 수많은 통신 서비스 이용자들에게 동적 할당(dynamic resource allocation)해 주면서 사용자들이 다양한 서비스를을 끊김없이 사용할 수 있도록 해줍니다.
 그러나 우리가 사용하는 통신 서비스들(비디오, 오디오, 데이터 등)간에는 사용자들이 품질에 불편을 못 느끼는 최저 품질기준이 제각각 다릅니다. 이는 서비스의 특성에 기인합니다. 오디오 데이터는 통신 중에 다소 데이터 손실 때문에 잡음이 생긴다 할지라도 사용자가 이용하는데 문제가 없습니다. 비디오 데이터 역시 codec에 따라 차이가 있을 수 있겠지만 화면에 약간의 잔상이 생기는 정도로는 사용자 이용에 큰 불편이 없죠. 하지만 데이터 통신 같이 전송되는 매 bit 값들 하나하나가 중요한 역할을 담당하는 경우 데이터의 손실에 민감해 질 수 밖에 없습니다.
 서비스의 종류에 따라서 각기 다른 기준의 QoS를 가지고 있습니다. WCDMA에서 이야기하는 QoS는 대표적으로 속도와 신뢰성(불편없는 서비스 이용을 위해 에러가 얼마나 적어야 하는가)입니다. 대표적인 서비스들의 QoS 기준을 알아본다면 다음과 같습니다.
 
<각 서비스별 QoS 기준>
 
 이곳에서 말하는 오류의 단위가 되는 BER은 Bit Error Rate의 약어입니다. bit 단위로 에러 발생률을 수치화한 것입니다. 데이터 서비스의 BER 값이 가장 작음을 알 수 있습니다.
 이 외에도 실시간 비디오 시청 같은 연속적인 데이터 전송을 요구하는 서비스(streaming service) 인지 그렇지 않은 서비스(문자 서비스 등)인지에 따라서도 QoS가 달리 적용됩니다.
 

3. WCDMA의 protocol 구조

 
<WCDMA protocol 구조도>
 
 이번에는 논리적인 구조를 살펴보겠습니다. protocol은 통신 규약, 즉 통신자 상호간에 미리 정해놓은 약속을 뜻합니다. (프로토콜은 물리적, 논리적 양측면이 공존하나 여기에서는 논리적 관점에서 보는 것으로 하겠습니다.) 여기서 이야기하는 프로토콜 구조는 망쪽에도 존재하고 UE에도 존재하여 서로 연결됩니다. 기본적으로 WCDMA의 protocol 구조는 크게 AS와 NAS 로 나누어질 수 있습니다. 맨 아래단부터 차근차근 살펴보겠습니다.
 

3.1. AS (Access stratum)

 
 통신이 연결되는 과정을 무역에 비유해 볼까요? 나라 간 서로 물자를 이동시키고 대화할 수 있는 길을 만드는 역할을 이 AS에서 하게 됩니다. 길 뚫고 통신할 수 있는 통신선 깔고... 언뜻 생각해도 중장비나 몸쓰는 일이 많을 것 같군요. AS 역시 물리적인 physical layer 쪽에 관계된 일을 주로 맡게 됩니다.
 AS는 저레벨단(lower level layer) protocol을 가리킵니다. 저레벨단이라는 것은 하드웨어쪽에 가까운 하부 논리 구조를 나타냅니다. 내부적으로 UE와 UTRAN, UTRAN과 CN을 이어주는 인터페이스 역할을 담당하고 있습니다. AS protocol의 관심사는 'NC와 UE간에 데이터를 어떻게 안정적으로 넘겨 줄 것인가'가 되는 것입니다. 그래서 뒤에서 언급하게 될 power control이나 handover등의 역할을 수행하게 됩니다.
 

3.1.1. Physical channel

 channel을 이야기할 때 중요한 개념은 일반적으로 하위단 및 상위단 channel 들이 하나의 묶음으로 이루어져서 각기 특성에 맞는 다양한 데이터들을 전송하고 있다는 점입니다.
 Physical channel은 WCDMA 프로토콜 구조에서 가장 바깥쪽에 위치한 영역입니다. 주된 기능은 channelization, scrambling code를 사용하여 여러 종류의 데이터들을 주파수에 동시에 올려서 데이터를 바깥으로 전송하거나 무선으로 들어온 데이터를 안으로 받아들입니다.
 Physical channel는 목적에 따라 여러 종류로 세분화 되어 있습니다. 각기 다른 종류의 Physical channel 들은 전송 방향 (uplink, downlink 혹은 양방향)에 따라 또는 FDD/TDD 지원 여부에 따라서 나뉘어 집니다. Transport channel, Logical channel과 함께 하나의 조를 이루어 데이터 전송을 하기도 합니다. (하지만 조를 이루지 않고 하드웨어에 관련된 정보만을 송수신하는 Physical channel들도 존재합니다.)
 또 뒤에서 살펴볼 power control에서 TCP 값을 전파하는 역할도 담당합니다.

 

3.1.2 Physical layer

 physical layer는 말 그대로 물리 영역입니다. 하드웨어에 직접적으로 관련된 부분을 담당하게 됩니다. 일반적으로 무선 통신을 하게되는 UE와 UTRAN 망쪽 (Node B)에 각각 이 영역이 존재하고 있습니다. 데이터를 송수신할 때 상위 단에서 내려오는 데이터 묶음을 Air로 내보내거나 Air에서 들어온 데이터를 상위 단으로 전달하는 역할을 합니다. RF (Radio Frequency) 관련 처리 등을 담당하기도 합니다.
 앞서 살펴본 대로 WCDMA 방식에서는 CDMA 방식을 채용하고 있기 때문에 UE간 신호 간섭을 줄이기 위해서encoding/decoding 하는 과정이 필요합니다. 이를 위해서 physical channel에서는 두 가지 code를 가지고 있는데 channelization code와 scrambling code가 그것들입니다.
 
  • Channelization Code & Scrambling Code
 FDD 모드의 UMTS 망에서 데이터를 송수신하는데 있어서 Channelization Code와 Scrambling Code가 어떤 역할을 하는지 알아보겠습니다.
  Channelization Code는 데이터 전송 속도에 영향을 받습니다. UE에서 uplink시에는 같은 cell 내 연결은 UE 스스로 같은 Channelization Code를 선택해서 데이터를 전송합니다. 반면에 Scrambling Code는 RNC로 부터 각기 다른 UE에 다른 Scrambling Code가 할당되어 데이터 업로드시 신호 간섭 현상을 줄입니다.
 downlink 시에는 Channelization Code가 같은 cell 내 UE들에게 다르게 할당되는 반면 다른 cell에는 같은 값이 할당될 수 있습니다. cell 간 신호 간섭이 일어날 수 있는데 이 때 Scrambling Code는 같은 cell 끼리는 같은 값을 할당받게 됩니다. 따라서 Scrambling Code를 이용하여 cell 간 신호간섭 현상을 줄일 수 있습니다.
 
 이 기능 외에도 phsyical layer는 handover, compressed mode, power control 기능들을 지원합니다. 하나씩 살펴 보도록 하겠습니다.
 
  • Handover
 먼저 UMTS망에서 handover란 무엇인지 간단하게 알아보도록 하겠습니다. 기본적으로 망은 기지국들이 세워짐으로서 생성되고 사용자들은 단말기를 가지고 이 망에 연결함으로서 이동통신이 가능해 집니다. 그런데 만약 A라는 기지국에 연결되어 있던 단말기를 가진 사용자가 이동해서 A 기지국이 커버할 수 있는 범위를 벗어나면 어떻게 될까요? 아마 사용자의 단말기는 연결이 끊어지게 될 것입니다. 이것을 방지하기 위해서 단말기가 A 기지국의 범위를 벗어나도 통신이 이상이 없도록 근처의 다른 기지국과 단말기를 연결시켜주는 작업을 handover라고 합니다. handover에는 hard handover와 soft-handover가 존재합니다.
Hard-handover
 Hard-hanover란 단말기가 현재 망에서 다른 망으로 이동할 때, 먼저 기존 망 연결을 종료한 후 새로운 망과 연결되는 방식을 일컫습니다. 순간 단말기가 망에서 완전히 떨어지는 순간이 존재하는 handover 방식입니다. Hard-handover는 다시 seamless 방식과 non-seamless 방식으로 나뉘는데 seamless 방식이란 사용자가 통화 중에 망 이동을 경험하더라도 통화 연결이 중단되는 것을 느끼지 못하는 방식을 말합니다. non-seamless 방식은 이와 반대가 됩니다. 그러나 FDD 방식의 WCDMA 망에서는 이 방법이 아닌 soft-handover를 채용하고 있습니다.
 
Soft-handover
 드디어 이야기하고자 했던 주제가 나왔군요. Soft-handover는 앞서 언급한 바와 같이 protocol의 Physical layer에서 중요하게 다루어지는 기능 중 하나입니다. FDD 모드의 WCDMA에서 Mobile mobility 구현에 중추적인 역할을 하고 있는 기능이죠. 자세하게 살펴볼까요?
 
Uplink
 먼저 데이터를 UE로 보낼 때 soft-handover가 이루어지는 과정에 대해 단계적으로 살펴 보겠습니다. 이 handover는 같은 SRNC를 두고 있는 Node B들 간에서 발생하는 handover입니다.
 
<Uplink Soft-handover UE는 가장 좋은 품질의 연결을 하나 선택합니다.>
ⓐ UE가 보낸 데이터는 Node B를 거쳐 SRNC로 전달됩니다.
ⓑ 이때 보내는 데이터와 함께 현재 uplink 연결이 얼마나 안정적인가를 보고합니다.
ⓒ 그림처럼 하나의 UE를 기점으로 여러 Node B가 SRNC로 데이터를 전달할 경우가 있을 수 있는데, 이 경우 SRNC는 가장 품질이 좋은 uplink 연결의 Node B를 선택하여 데이터를 받게 됩니다.
Downlink
 데이터를 UE가 망에게 받는 상황에서의 handover는 좀 더 복잡합니다. UE는 Node B에서 Node B'로 이동한다고 가정하고 설명하도록 하겠습니다. SRNC가 handover 전반에서 하는 역할에 주목하여 살펴보시기 바랍니다.
ⓐ Node B에 연결된 UE가 인접한 Node B'를 감지하고 측정합니다.
ⓑ UE는 측정한 결과를 Node B의 SRNC에 보냅니다.
ⓒ UE와 Node B가 멀어질수록, Node B'가 가까워질수록 Node B의 신호 세기는 강해지고 상대적으로 Node B'의 신호 세기는 약해 지게 됩니다.
ⓓ SRNC는 Node B'가 연결되어 있는 DRNC에게 요청하여 Node B'가 UE에게 연결하도록 만듭니다.
ⓔ SRNC는 UE가 Node B' 와 새로운(기존 것들과는 다르겠죠.) Scrambling code와 channelization code를 사용해서 추가로 연결이 되어 있음을 인지하게 됩니다.
 
<UE가 이동함에 따라 변화하는 신호세기>
 
ⓕ UE는 내장된 rake receiver를 이용해서 두 신호를 결합해서 새로운 신호(combined signal)를 만들게 됩니다. 이 새로운 신호는 상대적으로 기존의 두 신호보다 품질이 좋게 되겠죠.
ⓖ SRNC는 두 연결을 계속 유지하다가 신호가 약해지는 Node B - UE 간의 연결을 끊게 됩니다.
 
<SRNC relocation 전의 망 연결 상태>
ⓗ SRNC는 현재 DRNC가 SRNC로 갱신될 때까지(SRNC relocation) DRNC, Node B'를 사용해서 UE와 연결을 유지하게 됩니다.
ⓘ SRNC가 갱신되면서 다시 정상적인 구조로 돌아왔습니다!
Softer-handover
 handover에서 Soft는 연결을 유지하며 UE가 부드럽게 다른 기지국으로 '넘어'간다는 뜻으로 쓰였습니다. 그렇다면 softer하다는 것은 무엇일까요? 이 방식은 UE가 여러개의 연결을 유연하게 '계속적으로' 유지하면서 통신이 연결된다는 뜻입니다.
 Uplink에서 handover가 이루어 질 때 하나의 UE가 하나의 Node B에 있는 여러개의 Cell에 연결되어 있을 경우 발생합니다. Node B는 하나의 UE에서 뻗어나온 여러개의 uplink들을 가지고 각 신호들을 결합해서 새로운 신호(conbined signal)을 만들게 됩니다. 앞서 Downlink의 UE가 그랬던 것 처럼 품질 좋은 uplink를 갖게 되는 것이죠. 이 방식이 바로 앞 uplink에서의 soft-handover와 다른 점은 가장 좋은 uplink를 '선택'하는 것이 아니라 여러 uplink를 '유지'하여 새로운 신호를 만든다는 점입니다.
  • Compressed mode
 간단히 말해서, compressed mode는 handover를 위해서 필요한 개념입니다. handover에서 UE가 인접한 다른 cell들의 신호 세기 등을 감지하고 그 데이터를 이용해서 망을 넘어가게 된다고 했었습니다. 그런데 자신의 데이터 송수신도 바쁜데 인접한 망 신호 체크를 어떤 식으로 할 수 있을까요? 간단한 방법으로 자신의 cell 데이터를 수신하는 수신기 이외에 다른 신호도 감지할 수 있는 수신기를 하나 더 다는 겁니다. 그런데 이것은 하드웨어적으로 비용이 추가되는 작업입니다. 만약에 비용 추가없이 소프트웨어적으로 처리해야한다면 어떤 방법이 있을 수 있을까요?
 다른 신호를 체크해 볼 시간적 여유가 있다면 가능하게 되겠죠. compressed mode란, 데이터의 지속되는 흐름에 공백을 넣어서 다른 cell들을 체크해 볼 수 있는 여유를 갖게 하는 겁니다.
 대표적으로 3가지 형식의 compressed mode가 존재합니다. 첫번째 방법으로, 데이터를 지워서 데이터의 공백을 만드는 방법입니다. 두번째로 데이터의 전송량을 인위적으로 줄여서 신호 체크 여유를 갖게 하는 방법이 있습니다. 마지막으로 channelization code의 길이를 조정해서 데이터 전송량을 늘려 다른 신호를 체크할 수 있는 여유를 갖게 하는 방법입니다. 물론 이를 위해서 신호 세기를 더욱 세게 올려주어야 겠죠.
 
  • Power control
 휴대폰의 가장 고질적인 문제점 중 하나는 베터리 관리입니다. 귀찮게 자주 충전할 필요없이 오래지속되는 휴대폰은 더할나위없이 편리할 것 입니다. 그런데 이와 배치되는 것이 신호 세기입니다. UE에서 내는 신호 세기가 세지면 세질수록 통화 품질은 좋아지지만 그만큼 베터리를 많이 소모하게 됩니다. 일반적으로 안테나가 잘 뜨지 않는 곳에서 휴대폰 베터리가 빨리 소모되는 것도 이와 무관하지 않습니다. 통화 품질을 유지하면서 최대한 베터리를 오래가도록 하는 일, 바로 power control에서 다루게 될 이야기입니다.
 power control에서는 SIR(Signal to Interference Ratio)이라는 개념이 중요한데요. 이는 신호간섭률이라고 생각하시면 되겠습니다. 이를 기억하면서 세부 내용을 살펴 봅시다.
Uplink
 uplink power control은 inner power control과 outter power control 두 가지로 구분됩니다. inner power control은 UE와 Node B간의, outter power control은 Node B와 RNC간의 power control을 각각 일컫습니다.
 
Uplink outer loop power control
 outer loop의 목적은 UE가 power control할 때 기준이 되는 SIR 값을 구하는 것이죠. 이 기준을 결정하는 요인은 해당 서비스의 QoS가 됩니다. 이 QoS의 조건을 만족하는 선에서 기준이 되는 SIR 값이 결정되는 것입니다. Node B는 주기적으로 회선의 품질 정보를 RNC 로 보내게 되고 RNC는 이 품질 정보를 기준으로해서 연결된 UE의 기준 SIR값을 결정하게 됩니다.
 
Uplink DCH closed loop
 단말기 power control을 위하여 Node B는 매 전송마다 UE로부터 신호를 받고 outer loop에서 결정된 기준이 되는 SIR 값과 현재 UE와 연결되어 있는 SIR 값을 비교하는 작업을 수행하게 됩니다. 만약 현재 연결 통신의 SIR값이 기준값보다 크다면 파워를 감소하라는 명령을 내리게 되고 반대의 경우는 파워를 증가하라는 명령을 UE에 전달하게 됩니다. 명령 전달은 TCP값을 cell 내에 Node B가 일괄적으로 뿌리는 (broadcast) 방식으로 이루어 집니다. TCP 값에 따른 UE의 파워 증가 감소 여부는 다음과 같습니다.
 
<TCP 값과 UE 파워 변화>
 
 UE는 받은 데이터를 2가지 방법 중 하나를 택해서 처리하게 됩니다.
 
방법 1
 매 전송되는 순간의 TCP 값을 사용해서 파워를 조절하는 방법입니다. 민감하게 UE 파워를 올렸다 내렸다하면서 적정 파워를 찾아가는 방법입니다.
 ① 일반 연결
 일반적으로 Node B로부터 받은 TCP 값에 따라서 파워를 조절합니다.
② soft handover, UE에 연결된 여러 연결들이 하나의 Node B로 향하고 있을 경우
 같은 Node B로 연결되어 있으므로 자연히 TCP 값도 같은 값을 받게 되므로 이에 맞추어서 파워를 조정하게 됩니다.
③ soft handover, UE에 연결된 여러 연결들이 각기 다른 Node B들로 향하고 있을 경우
 이 경우는 UE가 각기 다른 Node B들에 의해서 연결 상태를 각각 평가 받게 되므로 TCP 값이 다르게 UE로 전송되어 질 수 있습니다. 이 경우 UE는 모든 Node B가 TCP=1을 전송한 경우  UE의 파워를 증가시키고 하나 이상의 Node B가 TCP=0를 전송한 경우 UE의 파워를 감소 시킵니다.
 방법 2
 5번 연속으로 전송된 TCP 값을 기준으로 파워를 조절하는 방법입니다. 상대적으로 UE 파워의 변화가 적습니다. 여기에서는 TCP 대신 TCP_cmd를 사용합니다. TCP_cmd의 특징은 파워를 현상 유지하는 명령이 있다는 것입니다. TCP_cmd와 파워의 변화 관계는 다음과 같습니다.
 
<TCP_cmd 값과 UE 파워 변화>
 
① 일반 연결
 5번 연속으로 받는 TCP 값을 보고 5회 전부 파워 증가나 5회 전부 파워 감소를 명령 받지 않았다면 파워 상태를 그대로 유지합니다. 다른 경우는 Node B의 명령에 따릅니다.
② soft handover, UE에 연결된 여러 연결들이 하나의 Node B로 향하고 있을 경우
 같은 Node B로부터 나온 연결들이 확인 되었다면 이들간에 약한 신호들을 합쳐서 강한 신호를 만드는 작업이 일어납니다. 새로 생성된 이 강한 신호를 분석해서 망에서 파워 증가, 감소, 불변 중 어떤 명령이 내려왔는지를 파악하고 UE의 파워를 조절합니다.
 
<soft handover, UE에 연결된 여러 연결들이 각기 다른 Node B들로 향하고 있을 경우>
 
③ soft handover, UE에 연결된 여러 연결들이 각기 다른 Node B들로 향하고 있을 경우
 각각의 Node B들로 부터 들어온 TCP 값들은 5개씩 존재할텐데 각각의 TCP_cmd 값을 구합니다. 5개 모두가 파워 상승이라면 TCP_cmd=1, 모두 파워 감소라면 TCP_cmd=-1 가 되고 나머지 경우는 파워 불변 (TCP_cmd=0)이 됩니다. 그럼 연결된 Node B의 개수 만큼 TCP_cmd 값이 만들어 졌지요? 이들의 평균을 구합니다. 평균 TCP_cmd가 0.5 이상이라면 UE를 파워 상승시키고 -0.5 이하라면 UE의 파워를 감소시킵니다. 그 이외의 경우는 UE의 파워를 변화시키지 않습니다.
Downlink power control
 UE와 Node B의 역할이 바뀌는 것일 뿐 세부적인 동작 원리는 같습니다.  

3.1.3 Transport channel

 Physical layer와 MAC 사이의 인터페이스 역할을 담당하는 transport channel는 크게 dedicated channel과 common channel 두 가지 종류로 나위어 질 수 있습니다. dedicated channel은 말 그대로 수신자와 송신자 1:1 통신을 하는 채널을 말합니다. 이와 달리 common channel은 일 대 다수의 통신을 할 수 있습니다. 이 채널은 앞서 살펴 보았던 Physical channel과 마찬가지로 전송 방향과 FDD/TDD 지원 여부에 따라 구분됩니다. 이에 더하여 통신 회선이 얼마만큼의 데이터를 전송할 수 있는가에 따라서도 구분됩니다.
 

3.1.4. MAC (Medium Access Control)

 MAC protocol은 말 그대로 통신 수단 자원 접근을 제어하는 protocol입니다. 앞서 이동통신에서는 통신 주파수 영역이 한정되어 있다고 말씀드렸습니다. 따라서 각각의 사용자들이 언제 얼마나 사용 영역을 배분 받는 것이 중요해지는데 그 역할을 담당하고 있는 protocol입니다. (상위 layer인 RRC layer에서 제어 받게 됩니다.)
 MAC는 통신자원의 동적할당을 합니다. 이것은 다시 말하자면 자원을 점유하고자 하는 유저간의 우선순위를 정한다는 말이죠. 처음에 logical, transport channel를 서로 연결시키고 tranport 할 데이터의 포멧을 결정한 후, 데이터의 우선 순위를 결정하는 방식으로 순위를 결정하게 됩니다.
 일반적으로 MAC은 각 UE 당 하나씩의 instance를 생성하여 관리하며, 다수의 logical channel와 다수의 transport channel를 각각 사용하여 입출력 통로를 여러개 가지고 있습니다.
 

3.1.5. Logical channel

 이 채널의 주된 역할은 데이터 전송의 특징을 결정 짓는다는 것입니다. 일 대 일 통신인지, 일 대 다수 통신인지, user plane 인지 control plane 인지 여부도 결정됩니다. 이 채널도 역시 전송 방향과 FDD/TDD 지원 여부에 따라 구분됩니다. Physical channel, Transport channel, Logical channel이 한 조로 데이터를 송수신한다는 이야기는 앞서 했었는데, 세 채널 각각 어떤 통신 방향과 어떤 division duplex를 사용하는지에 맞게 한 조로 구성되어 데이터를 송수신하게 됩니다.
 예를 들면, Physical channel의 PCPCH (Physical Common Packet Channel) - Transport channel의 CPCH  (Common packet Channel)- Logical channel의 DCCH (Dedicated control channel)는 모두 FDD 모드, uplink를 지원하여 한 조로 묶여 FDD 모드로 uplink 데이터를 처리할 수 있게 되는 겁니다.
 

3.1.6. RLC (Radio Link Control) protocol

 일반적으로 RLC instance는 서비스 당 하나씩 사용하게 됩니다. 이것은 각 서비스들이 각기 다른 QoS(Quality of Service) 기준을 가지고 있기 때문입니다. 다시 말하자면 정상적인 데이터의 송수신을 위하여 서비스마다 각기 다른 전송 속도와 신뢰성 조건을 만족하는 RLC 세팅이 필요하기 때문입니다. 또한 데이터를 자르거나 (segmentation) 잘린 데이터를 이어 붙이는 (reassembly) 기능도 담당하게 됩니다. 데이터 이동 단위는 PDU로 큰 PDU가 작은 PDU로 잘려서 layer를 이동하게 됩니다. 혹은 반대의 경우 잘려진 PDU가 연결되어 큰 PDU로 복원되어 사용됩니다.
 신뢰성있는 두 RLC 간 데이터 전송을 가능하게 해 주는 서비스입니다. 대표적인 기능으로는 ARQ (Automatic Repeat Request)와 flow control가 있습니다.
 ARQ는 에러를 감지했을 경우 데이터를 재전송을 요청하는 기능을 담당합니다. 이 기능 때문에 PDU가 순서가 엉망으로 들어오더라도 (원래 크기의 PDU로 안전하게 복원하기 위해서 잘려진 PDU들은 그 순서 정보값을 각각 가지고 있습니다.) 원래 PDU로 안전하게 복원할 수 있습니다.
 Flow control은 말 그대로 버퍼가 데이터로 넘쳐 데이터 손실이 나타나지 않나 감시하는 기능을 담당합니다.
 
Ciphering
 Ciphering은 데이터 암호화를 담당합니다. UE나 RNC에서 f8 알고리즘을 사용해서 생성한 Keystream 값을 이용해 일반 데이터를 암호화하고 다시 Keystream 값을 사용해서 암호화된 데이터를 이전 상태로 되돌립니다. 일반적으로 Ciphering은 RLC에서 일어나게 되나 RLC가 transparent하게 동작할 경우는 MAC Layer에서 이루어지게 됩니다.  
 

3.1.7. SAP

 SAP은 Layer 간의 인터페이스 역할을 해주는 논리 영역을 의미합니다. channel도 일종의 SAP이라고 볼 수 있는데요. SAP은 RRC 와 각 AS layer들 간의 control message 전달을 할 때 인터페이스 역할을 하며, PDCP, BMC와 AS layer 들과의 연결 사이에도 인터페이스 역할을 해주고 있습니다.
 

3.1.8. RRC (Radio Resource Control) protocol

 여기에서는 RRC signaling message의 전송을 담당하는 RRC connection의 생성, 수정, 해제를 담당합니다. RRC connection은 UE와 UTRAN 사이에서 일어나게 되는데, NAS 쪽에서 RRC connection을 이용하는 전송 서비스들을 제공합니다. UE에서는 RRC 프로토콜이 1개만 생성되나 여러 UE들과 연결해야하는 UTRAN에서는 여러개의 RRC 프로토콜 instance를 갖게 됩니다.
 두번째로, 중요한 RRC 프로토콜의 기능은 뒤에서 자세히 살펴 볼 RAB (Radio access bearer)에 관한 기능입니다. RAB는 NAS의 UE에서 CN으로 올라가는 음성, 패킷 데이터들 즉, user plane connection을 생성하는 역할을 담당합니다.
 세번째로 Mobile mobility을 지원을 담당하고 있습니다. 뒤에서 설명하게 될 각종 handover들을 제어하여 단말기의 자유로운 이동성을 보장합니다. 또한 Cell, URA 영역을 갱신하여 효과적으로 망내 단말기의 위치를 파악할 수 있도록 합니다. (이에 대해서도 뒤에서 설명하도록 하겠습니다.)
 
3.1.8.1 RRC connection state
 UE는 RRC connection의 상태에 따라 미리 정의된 해당되는 state에 위치하도록 되어 있습니다. 이 state에 대해서 알아봅시다.
 
<UTRAN RRC connection mode>
① CELL_DCH state
 RRC connection request나 UTRAN이 연결 세팅을 변경할 때 되는 state입니다. UTRAN, SRNC에서 UE의 위치 정보를 가지고 있습니다. UE는 이 상태에서 할당되거나 공유된 자원을 모두 이용할 수 있고 RNC로부터 받은 TCF의 범위 내에서 활용가능합니다. 또한 이 state에서 physical layer 기술 (channelization이나 scrambling code 등)로 UE identification이 가능합니다. 이 곳에선 모든 state로 이동 가능합니다.
 
② CELL_FACH state
 이 state는 uplink가 사용가능하다는 것이 특징입니다. UTRAN이 RRC 연결할 때 UE에게 common channel을 쓰도록하거나 RB reconfiguration 의 일환으로 이 state에 진입하게 됩니다. common channel은 전송량에 따라서 다르게 쓰게 됩니다. (적은 uplink 전송량에 대해서는 RACH, 큰 전송량에 대해서는 CPCH를 각각 사용)
 UE의 위치정보는 cell 쪽으로 알려지게 되는데 이 데이터를 기반으로 뒤에서 이야기하게 될 cell update가 일어나게 됩니다. 이는 UE의 위치정보를 정확히 파악하기 위함입니다. 이 때 cell 내에서 UE는 SRNC로부터 u-RNTI라는 임시 식별자를 받아서 인식됩니다.
 
③ CELL_PCH state
 이 state의 근본적인 목적은 DRX (Discontinous Reception) parameter (뒤에서 paging개념과 함께 살펴 보겠습니다.)를 사용해서 베터리 사용량을 줄이고 UE의 정확한 위치를 망에 인지시켜 주는 것입니다. 망에서 주기적으로 UE로 보내는 신호(paging)를 UE가 속한 cell에만 발신하게 해주는 것입니다. 이 state는 위에서 설명한 CELL_DCH, CELL_FACH state 쪽에서 건너와야 하는 곳이고 cell의 정보를 주기적으로 체크해서 cell update를 가능하게 합니다. UTRAN 쪽에서 paging message를 받게 될 때도 이 state로 넘어와서 UE에서 응답을 해주게 됩니다.
 
Sleep mode
 paging를 설명하기 앞서 UE의 sleep mode에 대해 알아야 합니다. UE는 베터리를 보존하기 위해서 사용자가 일정 시간 핸드폰을 사용하지 않을 때마다 sleep mode로 들어갑니다. sleep 모드에서는 외부로부터의 음성 통화, 문자 메시지가 들어오거나 사용자의 입력을 인지할 수 있을 정도의 최소한의 전기만을 사용합니다. 내외부에서 신호가 감지되면 UE는 sleep 모드에서 빠져 나와 정상적인 상태로 돌아갑니다.
 
Paging
 UE의 sleep mode를 제어하기 위해서 CN이나 UTRAN에서는 주기적으로 DRX를 UE에게 전송합니다. 이를 paging이라고 하고 이 때 전송되는 메시지를 paging message라 일컫습니다. paging message는 8개의 레코드로 구성되는데, 각각 paging 목적이나 식별자 정보등을 가지고 있습니다.
 
④ URA_PCH state
 DRX를 사용한 베터리 절약 기능 등 기본적인 기능은 CELL_PCH와 같으나 다른 점이 있다면 프로세스가 UE가 속한 cell이아니라 URA (UTRAN registration area, cell들의 묶음) 단위로 이루어진다는 것입니다. 비슷한 기능을 담당하는 CELL_PCH state가 있음에도, 왜 이러한 state가 필요하게 될까요? UE가 고속으로 이동할 때를 대비하기 위함입니다. UE가 수많은 cell 들을 단시간에 지나가게 될 경우 CELL_PCH로 짧은 시간에 너무 잦은 cell update가 일어나게 되어 망 효율을 떨어뜨릴 위험이 있습니다. 여기서 UE의 이동 속도에 따른 URA의 크기 결정이 성능을 결정하는데 중요한 문제로 부각되게 되는데, 이는 뒤에서 다시 다루도록 하겠습니다.
 또 하나 CELL_PCH와 다른 점이라면 uplink를 지원하지 않기에, 망 update 등을 하기 위해서는 CELL_PCH로 넘어가서 데이터를 전송해야 한다는 점입니다.
3.1.8.2. Areas
 WCDMA에서는 NC에서 UE의 위치를 추적하는 것이 매우 중요합니다. 망에서는 UE에게 베터리를 절약할 수 있도록 주기적으로 paging라는 개념의 작은 데이터를 전송해 줍니다. 망에서 특정 UE와의 연결 세기가 약해짐을 감지하게 되면, 통신하기 위해서 paging 신호 세기를 증가시켜 계속적으로 UE가 paging를 받을 수 있도록 해야합니다. 따라서 계속적으로 UE의 위치를 추적해야할 필요가 있습니다. 그래서 cell 말고도 공간적인 영역 구분이 필요하게 되었습니다.
 여기서 말하는 영역에는 3가지 종류가 있습니다. LA(Location Area), RA(Routing Area), URA(UTRAN Registration Area)가 그것들입니다. RA는 기지국을 중심으로 이루어지는 cell 들의 집합체이며, LA는 이런 RA들의 집합체입니다. 이와는 별도로 URA는 가변적인 크기를 갖습니다.
① LA (Location Area)
 UE가 망과 연결이 끊어져 있거나 대기 상태일 때 UE가 cell 들을 지나가게 되면 UE는 LAI (Location Area Identifier) 값을 파악해서 현재 속해있는 영역을 구분합니다. 만약 자신이 속한 RA나 LA가 변경된 것이 감지 되면 LAU (Location Area Update) 를 사용해서 영역 정보를 정확하게 바꾸게 됩니다. 크기가 다르지만 거의 같은 특징을 갖고 있다고 할 수 있습니다.
 
② RA (Routing Area)
 LAI가 RAI (Routing Area Identifier)가 되고 LAU가 RAU (Routing Area Update)가 되는 것일 뿐 내용은 LA와 같습니다.
 
③ URA (UTRAN Registration Area)
 UE가 빠른 속도로 cell 들을 통과한다고 할 때 수많은 영역 update가 일어나게 되어 사용자 데이터 이동이 없음에도 망 사용률이 불필요하게 증가하게 될 수 있습니다.
 따라서 URA의 개념이 필요하게 됩니다. 다수의 cell을 확보하여 UE의 빠른 이동에 대비하는 것입니다. URA가 충분히 넓다면 영역 update가 그리 많이 필요하지 않을 것입니다. 그러나 paging 측면에서 생각해 본다면 URA가 많은 cell들을 확보하고 있으므로 UE가 속한 URA에 대해서 paging이 일어난다고 할 때 많은 paging 전송이 생성됩니다.
 만약, URA이 작다면 이와 반대 상황이 될 것입니다. paging 전송이 줄어드는 대신 영역 update에 대한 전송량이 늘어나게 될 것입니다.
 따라서 URA의 속도에 맞는 적절한 URA 크기를 결정하는 것이 망내 불필요한 전송을 줄이는 포인트가 될 것입니다.
3.1.8.3. Addressing
 수많은 UE들이 망에 존재하게 되는데 이들을 제어하고 통신을 연결시켜 주기 위해서는 각각의 UE를 식별할 수 있는 수단이 필요하게 됩니다. 여기서는 UE 식별을 위한 addressing 방법에 대해 얘기해 보죠. UMTS망에서의 addressing은 크게 CN addressing과 UTRAN addressing으로 나뉘어 집니다.
 
3.1.8.3.1. CN addressing
① IMSI
 15자로 구성된 CN의 HLR에 기록되어 있는 UE 고유의 식별자입니다. 각각의 UE를 구분하거나 UE의 위치를 파악하기 위해서 사용됩니다. MMC (Mobile Country code)와 MNC (Mobile Network Code), MSIN (Mobile Subscriber Identification Number) 으로 구성되어 있습니다. 즉 국가 번호 + 네트워크 번호 + 전화번호의 결합 순서로 이루어집니다. (MCC + MNC + MSIN = IMSI) 예를 들어 이런 식이 되는 겁니다.
 
<IMSI의 구조>
 
 이 정보는 SIM 이라 불리우는 3G 단말기에 끼우도록 되어 있는 칩에 저장되어 있습니다. 잠깐 이에 대해서 살펴 보도록 하죠.
SIM (Subscriber Identity Module)
 3G 단말기에 끼울 수 있게 설계된 사용자 정보를 저장한 칩입니다. 이 SIM 카드가 없는 단말기는 정상 서비스를 받을 수 없습니다. 사용하려는 핸드폰이 분실된 것인지 검증된 UE가 맞는지 여부를 망에서 확인하기 위함입니다. 고유한 IMSI 값들을 가지고 있으며 인증 알고리즘 (f1, f2, f3, f4, f1*, f5* 등), PIN number, 로밍관리 정보, 음성 사서함 번호, 전화 서비스 목록 등에 대한 정보를 담고 있습니다. 이 카드를 다른 3G 단말기에 넣는 것 만으로도 통신회사로 부터 기존과 같은 과금체계와 서비스를 제공받을 수 있습니다. (그러나 2008년 12월 현재, 아직까지 한국에서 외국과 같은 자유로운 SIM 사용에 대한 규제는 완전히 풀리지 않은 상황입니다.)
 ② TMSI (32bit)
 망에서는 사용자의 indentity와 사용자의 현재 위치를 비밀로 보장해야 할 의무가 있습니다. TMSI는 보안상 UE의 진짜 정체를 감추기 위해 GSM에서 망이 UE에게 임시로 부여하는 식별자입니다. 내부적으로 LAI 정보와 UE 식별자를 함께 갖고 있는 방식입니다. CS domain에서 사용됩니다. 일반적으로 암호화된 연결을 통해서 부여됩니다. 망에 의해서 주기적으로 바뀌어 질 수 있는 값이며 현재 UE가 속한 MSC 안에서만 그 의미를 갖습니다. 보안상의 이유로 특정 UE가 TMSI 값을 오래 가지고 있는 것은 허용되지 않습니다.
 
③ The P-TMSI (32bit)
 기능은 TMSI와 같습니다. PS domain에서 사용하는 TMSI라 생각하시면 됩니다. 보안상 UE의 진짜 정체를 감추기 위해 GPRS에서 UE에게 임시로 부여하는 식별자입니다. 일반적으로 암호화된 연결을 통해서 부여됩니다. 망에 의해서 주기적으로 바뀌어 질 수 있는 값이며 현재 UE가 속한 SGSN 안에서만 그 의미를 갖습니다. 보안상의 이유로 특정 UE가 P-TMSI 값을 오래 가지고 있는 것은 허용되지 않습니다.
 
3.1.8.3.2. UTRAN addressing
 UE가 CELL_DCH state에 존재할 때는 전적으로 physical layer 쪽의 자원 (channelization code, scrambling code 등)만을 가지고 UE를 식별해 내야 하지만 그 이외의 경우라면 다음과 같은 식별자가 있습니다.
① s-RNTI (20bits)
 SRNC에 의해서 결정되는 식별자로 SRNS 내에서의 식별자 역할을 하게 됩니다.
② u-RNTI (32bit)
 s-RNTI와 RNC Id정보로 구성됩니다. UTRAN 내에서의 식별자 역할을 합니다. 망에서 paging하거나 망 update를 수행할 때 사용됩니다. 영구적으로 사용되는 식별자는 아닙니다.
③ c-RNTI (16bit)
 UE가 이동하여 cell 전환이 일어날 때, CRNC에 의하여 부여되는 식별자입니다.
3.1.8.4. RRC connection의 구성
 RRC connection가 연결되면 UTRAN에게 자원을 할당받게 되고 u-RNTI를 부여받습니다. 다른 통신 프로토콜에서 볼 수 있는 것처럼 여기에서도 각 계층별 논리적인 연결관계가 생겨납니다. 하나씩 살펴 보도록 하겠습니다.
① RL (Radio Link)
 RL은 physical layer에서 생성되는 연결입니다. 정확하게는, UE와 UTRAN의 Node B간의 연결이라 말할 수 있습니다. 하나의 RL은 하나의 Node B와 하나의 UE의 연결입니다. 하지만 Node B는 수많은 UE들과 연결을 유지하고 있으며 FDD모드 WCDMA망의 Node B에서 나가는 RF(Radio Frequency) carrier는 1개 입니다. 따라서 수많은 연결(RL)들이 하나의 RF carrier 안에 뭉쳐져서 나가고 있다는 말이 됩니다. 수많은 연결들은 각각 무엇으로 구분되어질까요? 앞서 설명했었던 대로 channelization code와 scrambling code들로 각각 구분지어지면서 각각의 UE와 연결됩니다.
 RLS (Radio Link Set)는 RL들의 묶음입니다. 하나의 Node B에서 나오는 연결들은 하나의 RLS로 볼 수 있습니다. softer-handover와 같이 하나의 Node B와 연결되어 있는 구조상에서는 같은 RLS에 연결되어 있다고 표현할 수 있는 것이죠.
 
② SRB (Signaling Radio Bearer)
 RB (Radio Bearer)는 AS단에서 활용되는 연결입니다. 사용자 정보들이나 signal 전송 모두에 사용되는데 특별히 signal 전송에 사용되는 RB를 SRB (Signaling Radio Bearer)라고 일컫습니다. SRB에는 앞서 살펴봤던 physical channel connection, transport channel connection, logical channel connection, RLC channel connection가 존재합니다. 이들이 연결됨으로서 RRC connection이 연결되는 것이죠. SRB는 physical channel connection을 제외한다면 UE와 SRNC간의 연결이라고 볼 수 있습니다.
 
③ RAB (Radio Access Bearer)
 RAB는 RB에 비해 보다 상위단, 즉 NAS에 관련된 개념이라고 볼 수 있습니다. SGSN의 요청으로 QoS에 의거하여 만들어지는 이 연결은, 신호 정보들을 주고 받는 SRB와는 달리 RAB는 사용자 정보들을 나르는데 초점이 맞추어져 있습니다. 이 연결은 Iu-bearer와 RB로 구성됩니다.
 
④ PDP context
 PDP context는 RAB보다도 한 단계 상위 개념입니다. PS domain을 사용하는 사용자 데이터들을 UE에서 GGSN까지 QoS에 의거하여 연결시켜줍니다. 이 연결은 CN bearer와 RAB로 이루어집니다.
3.1.8.5. Message Integrity Protection
 NAS부터 고레벨 AS단 사이에서 쓰이는 RRC message는 RRC connection의 연결을 요청하거나 끊을 때 등 여러 작업에서 쓰이게 됩니다. 이 RRC Message들의 신뢰성을 보장하기 위해서 Message Integrity Protection 라는 개념이 나오게 됩니다. 이는 UE나 UTRAN의 RNC 모두에서 쓰일 수 있습니다.
 UE 나 RNC는 f9 알고리즘에 여러 파라메터들을 넣어서 MAC-I 값을 생성해 낼 수 있습니다. RRC message가 필요할 때 송신자는 이 MAC-I 값을 메시지에 합쳐서 (Message Integrity) 수신자에게 보내주게 됩니다. 수신자 역시 f9 알고리즘을 사용할 수 있기 때문에 이를 이용해서 XMAC-I (Expected MAC-I) 값을 생성해 낼 수 있습니다. 수신자는 이 두 값을 비교하여 해당 RRC Message의 신뢰성을 판별하게 됩니다. 같으면 정확한 RRC message로 인지하고 그렇지 않다면 부적절한 접근으로 인지합니다.
 

3.1.9. PDCP (Packet Data Convergence Protocol)

 PS domain만을 사용하는 프로토콜입니다. 뒤에서 살펴볼 handover가 일어날 때, SRNC 전환이 일어나게 되는데 이때 데이터의 손실이 일어나지 않도록 데이터를 재전송하도록 해줍니다.
 

3.1.10. BMC (Broadcast and Multicast Control) protocol

 cell에 SMS를 뿌리는 역할을 지원하는 프로토콜입니다. 메시지는 주기적으로 common physical channel로 들어오게 되고 얼마나 주기적으로 들어오느냐는 UE에게 뿌려진 SIB5, SIB6 메세지로 결정되게 됩니다. 사용자는 UE를 조작하여 이런 식으로 특정 지역 내 모든 UE에게 뿌려지는 (broadcast) 메시지를 차단할 수 있습니다.
 

3.2. NAS (Non-Access Stratum)

 
 앞서 AS를 설명할 때 무역에 빗대어 이야기 했었습니다. 그러나 나라 간에 단순히 길만 냈다고 무역이 이루어지는 것은 아닙니다. 서로 관심 무역 품목도 확인하고 계약서 만들고 그 길을 활용해 무역을 할 수 있도록 논리적인 기반을 만들어야 합니다.
 이와 마찬가지로 단순히 데이터를 주고 받게 되었다고 해서 전화 통화나 문자 송수신이 연결되는 것은 아닙니다. 서로 전화번호를 확인하고 해당 사용자가 망에 정상적으로 등록하는 사용자인지도 파악하는 등 오고가는 데이터를 활용해서 실제 통신이 이루어지게 해야합니다. 이 역할을 NAS에서 하게 되는 것입니다.
 NAS는 상대적으로 고레벨 (하드웨어적이기보단 소프트웨어적인 레벨) 단의 protocol을 가리키는 개념입니다. 결국 망 통신은 CN과 UE간 데이터를 주고 받는 행위죠. 사용자나 중앙 네트워크 입장에서 서로간 주고 받는 데이터가 어떤 식으로 복잡한 망 구조를 지나는가를 일일히 계산하고 따져가며 데이터를 송수신한다면 복잡하고 비효율적인 구조가 될 것입니다. 따라서 UE가 UTRAN과 어떻게 데이터를 주고 받는가, UTRAN과 CN 사이의 데이터 송수신은 어떻게 되는가와 같은 문제들은 하부 물리 layer 쪽의 AS에게 맡기고 NAS에서는 실제로 송수신되는 데이터를 활용해서 어떻게 전화나 문자를 사용자들이 사용하게 할 것인가가 관심사가됩니다.
 다시 이 NAS는 User plane과 Contol plane 두 가지로 구분됩니다. User plane은 사용자가 주고 받기 원하는 음성, 문자 등의 데이터들을 가리킵니다. Control plane은 그런 사용자 데이터를 주고 받는 것을 돕기 위해 NC와 UE간 주고 받는 기타 신호 정보들을 일컫는 말입니다.
 대표적으로 사용되는 프로토콜은 앞서 간략하게 언급했었던 MM, CC, SS (Supplementaty Service), SMS, GMM, SM protocol 등이 있으며 실질적으로 user service control, registration, indentification, authentication, MM funfction 등의 기능을 담당하고 있습니다.
 

3.3. Authentication

 
 모든 데이터 통신의 기본은 보안입니다. 특히 핸드폰을 이용한 무선 통신은 사용한 만큼 사용자에게 요금이 부과되는 시스템이기 때문에 보안의 중요성은 더욱 커진다고 봐야 합니다. 그렇기 때문에 UE에 대한 인증 절차가 중요해 집니다. 먼저 인증에서 중요한 역할을 담당하는 AV 값에 대해서 살펴보겠습니다.
 

3.3.1. AV (Authentication Vector)

 AV는 RAND, XRES, CK, IK, AUTN 값들의 집합으로 만들어지는데 인증 절차에 중요한 역할을 담당합니다. 이 값은 보안을 이유로 재사용되지 않고 사용 후 폐기 됩니다. AV를 구성하고 있는 값들에 대해 간략하게 알아보도록 하겠습니다.
① RAND (128bit)
 망의 AuC로부터 생성되는 임의의 수입니다.
② XRES (32bit)
 망에서 RAND와 authentication key값을 바탕으로 생성되는 값입니다.
③ CK (128bit)
 UE와 RNC간 암호화 통신을 가능하게 해주는 역할을 담당합니다.
④ IK (128bit)
 authentication key값과 RAND 값을 바탕으로 생성되는 값입니다.
⑤ AUTN (128bit)
 SQN, AK, AMF, MAC 값으로 만들어지는 데이터 집합체입니다.
⑥ MAC (64bit)
 UE가 인증요청을 검증할 때 쓰이는 값입니다.

3.3.2. Authentication 절차

 
<일반적인 UE 인증 절차>
 
 WCDMA에서는 인증 절차가 양방향로 이루어 집니다. 즉, 망은 적합한 UE인지를 인증하고 UE는 적합한 망인지 여부를 인증하죠. 3G 단말기에 끼우도록 되어 있는 USIM 칩과 망에서는 authentication key라는 값을 갖고 있습니다. 이 값을 비교하여 상대방이 적합한 통신 상대인지를 판별하게 됩니다.
 
 그럼 이를 상기하면서 일반적인 UE 인증 절차에 대해서 살펴보겠습니다.
 VLR/SGSN가 인증이 필요한 새로운 UE를 감지하게 되면 우선 HRL/AuC에게 인증에 필요한 AV라는 인증에 필요한 값을 보내달라 요청합니다. HRL/AuC가 AV 값을 보내오게 되면 VRL/SGSN은 그 값들 중 하나의 AV 값을 고르고, 해당 AV 내부에 있는 RAND (Random Number) 와 AUTN (Authentication Token) 값을 빼내서 인증이 필요한 UE에게 넘겨줍니다.
 UE는 USIM 내부의 인증 알고리즘 중 하나인 f1 알고리즘을 사용해서 XMAC (Expected MAC) 값을 생성하고, 망으로 부터 받은 AUTN 내부에서 MAC 값을 추출해 XMAC과 MAC을 비교합니다. 이 값이 다르면 인증실패가 됩니다.
 두번째로, UE는 망으로부터 받은 AUTN, RAND와 authentication key 값을 f5 인증 알고리즘에 사용해서 SQNHE (The Sequence Number frome The Home Environment) 값을 생성해 냅니다. 이 SQNHE 값을 가지고 있는 USIM에 저장되어 있던 SQNMS값과 비교하여 32 이상 벗어났을 경우 역시 인증 실패가 됩니다.
 앞의 두 비교에서 인증이 모두 성공했다면 UE는 f2, f3, f4 알고리즘을 사용해서 RES, CK, IK값들을 각각 생성해 내고 이를 SGSN/VLR로 다시 보내 줍니다.
 UE가 보낸 RES는 CN에게 보내지고 CN에서는 XRES (Expected RES)를 생성하여 RES 값과 비교합니다. 만약 이 두 값이 같다면 해당 UE는 마침내 성공적으로 인증을 받은 것이 됩니다.
 
 

4. 마치며

 
 미약하나마 WCDMA에 관하여 전반적으로 살펴보았습니다. WCDMA는 광범위한 기술이라 처음 접하시는 분들이 쉽게 이해하기는 힘들 것이라 생각합니다. 이 주제에 대해서 공부하시는 분들에게 이 글이 작게나마 도움이 되셨길 바랍니다.
 
 

5. 참고문헌

 
서적
 
Andrew Richardson, "WCDMA Design Handbook", Cambridge University Press
(WCDMA 원리에 대해서 자세히 서술하고 있으며 본 글에 가장 큰 참고가 되었습니다.)
 
Harri Holma, Antti Toskala 공저 / 방효창, 이상근, 조성언 공역, "WCDMA FOR UMTS", 세화 (박룡)
 
웹페이지
 
(인터넷 백과사전 웹페이지로 전파 공학적 부분을 이해하는 데 도움이 되었습니다.)
 
(다양한 UMTS 정보들이 게시되어 있는 사이트입니다.)
 
(ITU (International Telecommunication Union) 에서 제정한 3G 규격 관련 정보를 확인할 수 있습니다.)
 
(3rd Generation Partnership Project 의 홈페이지로 UMTS 관련 정보를 확인할 수 있습니다. 요즘은 B3G 기술인 LTE을 집중적으로 소개하고 있습니다.)

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9컴퓨터치 《프로그램장애대한 임시 정정

출처: Naver 영어사전

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2008.12.08 09:55 Season#1/for Layman

 

1. 개요

 

l        IMT-2000은 International Mobile Telecommunication-2000의 약칭으로 하나의 단말기로 언제 어디서나 음성, 데이터 및 영상 등을 고속으로 주고 받을 수 있는 통합 개념의 글로벌 멀티미디어 이동통신서비스를 말함

l        IMT-2000은 전세계 표준화 및 동일 주파수를 사용하여 글로벌 로밍(Global Roaming)을 지원하는 개인화된 신개념 서비스로 3세대(3G) 이동통신 서비스라고 불림

l        IMT-2000은 무선접속표준인 서비스 방식에 따라 유럽방식인 비동기식(W-CDMA)과 북미방식인 동기식(cdma2000)으로 구분됨


2. 2G와 3G 이동통신의 비교

 

구분

2세대(PCS, 셀룰러)

3세대(IMT-2000)

서비스 형태

음성, 저속 데이터

고속 멀티미디어(음성,데이터,영상)

이동성

국내 및 제한적 국제 로밍

글로벌 로밍

데이터 속도

9.6Kbps~14.4Kbps

144Kbps~2Mbps

주파수 대역

셀룰러

824~849MHz

869~894MHz

1885~2025MHz

2110~2200MHz

PCS

1750~1780MHz

1840~1870MHz

채널 대역폭

1.25MHz, 30KHz

5MHz

무선접속 표준

CDMA, TDMA

W-CDMA, cdma-2000

 

3. 비동기식과 동기식의 비교

 

구분

비동기 방식

동기 방식

주도 지역

유럽/일본 (기존 GMS 사용지역)

북미 (기존 CDMA 사용지역)

기술표준 단체

3GPP

3GPP2

일반적 표현

WCDMA (또는 UMTS)

CDMA2000

핵심망 규격

GSM-MAP (유럽 GSM망 규격)

ANSI-41 (미국 CDMA망 규격)

기반 기술

GSM

IS-95

기지국간 동기

기지국 마다 상이한 PN code를 갖는 비동기

GPS를 통한 기준시간을 이용, 같은 PN code를 사용 기지국간 동기

무선접속규격

DS(Direct Sequence) 방식

MC(Multi Carrier) 방식

대역폭

5MHz

1.25MHz

기술진화

R3, R4, R5 단계로 All IP로 진화

1x 이후 Migration Plan 불확실

주요 개발 업체

국외:에릭슨,노텔,노키아,도코모 등

국내:LG전자,삼성전자,머큐리 등

국외:퀄컴,루슨트,모토롤라 등

국내:LG전자,삼성전자 등

국내 사업자

KTF, SKT

LGT

 

4. 무선접속규격

 

구분

2세대

2.5세대

3세대

동기식

(북미)

접속 규격

IS-95/IS-95A/IS-95B

IS-20000(1X)

CDMA2000

전송 속도

64Kbps

384Kbps

2Mbps

비동기식

(유럽)

접속 규격

GSM, HSCSD

GPRS, EDGE

W-CDMA

전송 속도

57.6Kbps

115/384Kbps

2Mbps

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2008.12.08 09:31 Season#1/for Layman

3GPP Release 변천사


1.Release 99 ( Release 3 )
- 음성서비스
- CDMA
- ITU로부터 IMT2000으로 인증
- UpLink 384Kbps
- DownLink 384Kbps

2.Release 4
- WCDMA, UMTS
- Release 99 로부터 거의 변화가 없음
- KTF의 Show, SK 의 생각대로 T
- 영상통화
- UpLink 384Kbps
- DownLink 384Kbps

3.Release 5
- HSDPA ( High Speed Downlink Packet Access )
- 고속서비스 이용
- DownLink 의 속도를 올리기 위한 방법
 * AMC : User 의 전파상태에 따라 동적으로 전송속도를 제어하는 기술 ( 피드백 채널 이용 )
 * HARQ : 신속하게 에러를 복원 ( 전방향, 순방향 )
 * Fast Packet Scheduling : MAC-HS
- UpLink 384Kbps
- DownLink 14.4Mbps

4.Release 6
- HSUPA ( High Speed Uplink Packet Access )
- UpLink 의 속도를 올림
- UpLink 5.8Mbps
- DownLink 14.4Mbps

5.Release 7
- HSPA+
- Release 6 보완
- OFDM, MIMO
- UpLink 5.8Mbps
- DownLink 14.4Mbps

6.Release 8
- LTE
- Release 99 ~ 7 까지 사용되어 왔던 Network 구조를 대대적으로 변화시킴
 * NB 와 RNC 를 합쳐서 eNB 로 통합
- UpLink 50Mbps
- DownLink 100Mbps

[출처]http://jyhpan.tistory.com/217

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2008.12.08 09:13 Season#1/for Layman


1. WCDMA란?

Analog Cellular 시스템은 흔히 제1세대 시스템이라 합니다.
현재 사용되고 있는 GSM, PDC, cdmaOne(IS-95), US-TDMA(IS-136) 등은 제2세대 시스템입니다. 이 시스템들은 음성통신을 무선환경에서 전달하는 것을 주 목적으로 개발되었고 현 무선통신 시장을 발전시키는데 독보적인 역할을 했습니다.
제3세대 시스템은 멀티미디어 전송을 목적으로 개발되었고, 고화질 화상 서비스, 빠른 데이터 전송율 등 많은 기존 시스템과의 차별성을 가짐으로서 상상할 수도 없는 높은 부가가치를 창출할 것으로 예상되고 있습니다.
WCDMA는 가장 많은 국가들이 채택하고 있는 제3세대 이동통신 시스템입니다. 우리나라, 유럽, 일본, 미국 그리고 중국 등의 많은 기관들이 3GPP(3'rd Generation Project Group)을 구성하여 기술 스팩을 발전시켜 나가고 있습니다.
제3세대 통신시스템을 개발하고자 하는 의지는 ITU(International Telecommunications Union)의 WARC(World Administrative Radio Conference)의 1992년 회의에서 시작되었으며, ITU에서는 이 제3세대 시스템을 IMT-2000(International Mobile Telephony 2000)이라 일컫고 CDMA와 TDMA를 기반으로 하는 몇 가지 무선 접속 규격(air interface)을 정의하고 있습니다. 애초 IMT-2000 시스템의 목적은 세계적으로 단일 무선 접속 규격을 만드는 것이었으나 여러 가지 정책적, 기술적인 문제들로 인해 어려워진 것이 사실입니다. 하지만 W-CDMA는 유럽의 모든 나라와 우리나라, 일본을 포함하는 많은 나라들에서 제3세대 통신을 위한 무선 접속 기술로서 채택되어 있어 부분적으로나마 ITU의 목적에 가장 부합하는 규격이라고 볼 수 있습니다.

사용자 삽입 이미지


2. IMT-2000의 버젼별 발전 현황

사용자 삽입 이미지


3. WCDMA의 개요와 특성

W-CDMA(Wideband CDMA) System은 높은 음성 품질을 가지고 이동성을 보장하며 PCS에 용응될 수 있다. 음성 코딩을 위해서는 32kbps ADPCM(Adaptive Differential Pulse Code Modulation)을 채택하였고 시속 100km 정도의 속도로 움직이더라도 통화가 가능하다.

(1) Configuration of the W-CDMA System

1) Forward Link
송신기는 음성 부호화기, Convolutional 부호화기, Interleaver, Multiplexer, 무선 주파수 변조기로 구성된다. 수신기는 음성 복호화기, Viterbi 복호화기, Deinterleaver, Rake 수신기, 무선 주파수 복조기로 구성된다.
Forward Link에서 기지국은 기지국내의 모든 단말기로 데이타를 전송하며 따라서 동기화가 필요하다. W-CDMA System에서는 Walsh Orthogonal Codes를 사용하여 간섭이 생기지 않으며 PN Code는 신호에 지연이 생기더라도 Correlation을 감소시켜 준다.

2) Reverse Link
송신기는 음성 부호화기, Convolutional 부호화기, Interleaver, Multiplexer, 무선 주파수 변조기로 구성된다. 수신기는 음성 복호화기, Viterbi 복호화기, Deinterleaver, 간섭 해소 시스템(ICS:Interference Canceler System), 무선 주파수 복조기로 구성된다.
W-CDMA 시스템은 많은 가입자를 수용할 수 있으며 Long PN Code를 사용하여 다른 가입자로 부터의 간섭을 억압한다.


(2) Details of the W-CDMA System

대역 확산의 방식은 DS(Direct Sequence) 방식이 사용되는데 주파수 사용 효율이 높고, 간섭에 강하며 Fading에 강하다는 장점이 있다.
그외 W-CDMA System의 특성은 아래와 같은 것이 있다.

- Power Control
- Path Diversity receiving
- Error Control
- Interference Canceler system(ICS)
- Robust Voice Encoding

W-CDMA 시스템이 Fading에 강한 것은 Power Control, Path Diversity, Error Control에 기인한 것이며 ICS로 인하여 큰 용량을 가지게 된다. 또한 뛰어난 음성 코딩 방식으로 유선에 가까운 높은 음성 품질을 얻을 수 있다.

1) Path Diversity
W-CDMA 시스템에는 Rake Receiver가 사용되는데 다음과 같은 세가지 기능을 가지고 있다.

- 대역 확산 신호의 동기화된 샘플링
- 다중 경로 지연에 따른 Correlation Detection
- 채널 반사에 따른 Weighting Diversity

2) Error Control
Fading 채널에서 대부분의 에러는 수신된 신호가 낮을때 발생하며 에러는 Burst의 형태로 나타난다. 이 Burst Error가 Convolutional Code에 유입되면 송신 신호에서 에러가 발생할 확률이 높아지므로 이러한 현상을 방지하기 위해 Error Pattern을 Randomize하는 Interleaver가 사용된다.

3) ICS(Interference Canceler System)
W-CDMA의 Reverse Link에는 ICS가 사용되며 ICS는 기지국에 설치된다. ICS는 무선 채널 Estimator, Pilot 신호 Canceler, Interference Canceler로 구성된다.


[출처] http://songsunghan.tistory.com/37

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TAG 3G, WCDMA
2008.04.22 19:40 Season#1/for Layman
출처 블로그 > 프로페셔널 되기
원본 http://blog.naver.com/ugigi/60010800107

 

Overview of the Global System for Mobile Communications

John Scourias
jscouria@www.shoshin.uwaterloo.ca


Table of Contents

1. History of GSM
2. Services provided by GSM
3. Architecture of the GSM network

4. Radio link aspects

5. Network aspects

6. Conclusion and comments


History of GSM

During the early 1980s, analog cellular telephone systems were experiencing rapid growth in Europe, particularly in Scandinavia and the United Kingdom, but also in France and Germany. Each country developed its own system, which was incompatible with everyone else's in equipment and operation. This was an undesirable situation, because not only was the mobile equipment limited to operation within national boundaries, which in a unified Europe were increasingly unimportant, but there was also a very limited market for each type of equipment, so economies of scale and the subsequent savings could not be realized.

The Europeans realized this early on, and in 1982 the Conference of European Posts and Telegraphs (CEPT) formed a study group called the Groupe Spécial Mobile (GSM) to study and develop a pan-European public land mobile system. The proposed system had to meet certain criteria:

  • Good subjective speech quality
  • Low terminal and service cost
  • Support for international roaming
  • Ability to support handheld terminals
  • Support for range of new services and facilities
  • Spectral efficiency
  • ISDN compatibility
In 1989, GSM responsibility was transferred to the European Telecommunication Standards Institute (ETSI), and phase I of the GSM specifications were published in 1990. Commercial service was started in mid-1991, and by 1993 there were 36 GSM networks in 22 countries [6]. Although standardized in Europe, GSM is not only a European standard. Over 200 GSM networks (including DCS1800 and PCS1900) are operational in 110 countries around the world. In the beginning of 1994, there were 1.3 million subscribers worldwide [18], which had grown to more than 55 million by October 1997. With North America making a delayed entry into the GSM field with a derivative of GSM called PCS1900, GSM systems exist on every continent, and the acronym GSM now aptly stands for Global System for Mobile communications.

The developers of GSM chose an unproven (at the time) digital system, as opposed to the then-standard analog cellular systems like AMPS in the United States and TACS in the United Kingdom. They had faith that advancements in compression algorithms and digital signal processors would allow the fulfillment of the original criteria and the continual improvement of the system in terms of quality and cost. The over 8000 pages of GSM recommendations try to allow flexibility and competitive innovation among suppliers, but provide enough standardization to guarantee proper interworking between the components of the system. This is done by providing functional and interface descriptions for each of the functional entities defined in the system.

Services provided by GSM

From the beginning, the planners of GSM wanted ISDN compatibility in terms of the services offered and the control signalling used. However, radio transmission limitations, in terms of bandwidth and cost, do not allow the standard ISDN B-channel bit rate of 64 kbps to be practically achieved.

Using the ITU-T definitions, telecommunication services can be divided into bearer services, teleservices, and supplementary services. The most basic teleservice supported by GSM is telephony. As with all other communications, speech is digitally encoded and transmitted through the GSM network as a digital stream. There is also an emergency service, where the nearest emergency-service provider is notified by dialing three digits (similar to 911).

A variety of data services is offered. GSM users can send and receive data, at rates up to 9600 bps, to users on POTS (Plain Old Telephone Service), ISDN, Packet Switched Public Data Networks, and Circuit Switched Public Data Networks using a variety of access methods and protocols, such as X.25 or X.32. Since GSM is a digital network, a modem is not required between the user and GSM network, although an audio modem is required inside the GSM network to interwork with POTS.

Other data services include Group 3 facsimile, as described in ITU-T recommendation T.30, which is supported by use of an appropriate fax adaptor. A unique feature of GSM, not found in older analog systems, is the Short Message Service (SMS). SMS is a bidirectional service for short alphanumeric (up to 160 bytes) messages. Messages are transported in a store-and-forward fashion. For point-to-point SMS, a message can be sent to another subscriber to the service, and an acknowledgement of receipt is provided to the sender. SMS can also be used in a cell-broadcast mode, for sending messages such as traffic updates or news updates. Messages can also be stored in the SIM card for later retrieval [2].

Supplementary services are provided on top of teleservices or bearer services. In the current (Phase I) specifications, they include several forms of call forward (such as call forwarding when the mobile subscriber is unreachable by the network), and call barring of outgoing or incoming calls, for example when roaming in another country. Many additional supplementary services will be provided in the Phase 2 specifications, such as caller identification, call waiting, multi-party conversations.

Architecture of the GSM network

A GSM network is composed of several functional entities, whose functions and interfaces are specified. Figure 1 shows the layout of a generic GSM network. The GSM network can be divided into three broad parts. The Mobile Station is carried by the subscriber. The Base Station Subsystem controls the radio link with the Mobile Station. The Network Subsystem, the main part of which is the Mobile services Switching Center (MSC), performs the switching of calls between the mobile users, and between mobile and fixed network users. The MSC also handles the mobility management operations. Not shown is the Operations and Maintenance Center, which oversees the proper operation and setup of the network. The Mobile Station and the Base Station Subsystem communicate across the Um interface, also known as the air interface or radio link. The Base Station Subsystem communicates with the Mobile services Switching Center across the A interface.

Figure 1. General architecture of a GSM network

Mobile Station

The mobile station (MS) consists of the mobile equipment (the terminal) and a smart card called the Subscriber Identity Module (SIM). The SIM provides personal mobility, so that the user can have access to subscribed services irrespective of a specific terminal. By inserting the SIM card into another GSM terminal, the user is able to receive calls at that terminal, make calls from that terminal, and receive other subscribed services.

The mobile equipment is uniquely identified by the International Mobile Equipment Identity (IMEI). The SIM card contains the International Mobile Subscriber Identity (IMSI) used to identify the subscriber to the system, a secret key for authentication, and other information. The IMEI and the IMSI are independent, thereby allowing personal mobility. The SIM card may be protected against unauthorized use by a password or personal identity number.

Base Station Subsystem

The Base Station Subsystem is composed of two parts, the Base Transceiver Station (BTS) and the Base Station Controller (BSC). These communicate across the standardized Abis interface, allowing (as in the rest of the system) operation between components made by different suppliers.

The Base Transceiver Station houses the radio tranceivers that define a cell and handles the radio-link protocols with the Mobile Station. In a large urban area, there will potentially be a large number of BTSs deployed, thus the requirements for a BTS are ruggedness, reliability, portability, and minimum cost.

The Base Station Controller manages the radio resources for one or more BTSs. It handles radio-channel setup, frequency hopping, and handovers, as described below. The BSC is the connection between the mobile station and the Mobile service Switching Center (MSC).

Network Subsystem

The central component of the Network Subsystem is the Mobile services Switching Center (MSC). It acts like a normal switching node of the PSTN or ISDN, and additionally provides all the functionality needed to handle a mobile subscriber, such as registration, authentication, location updating, handovers, and call routing to a roaming subscriber. These services are provided in conjuction with several functional entities, which together form the Network Subsystem. The MSC provides the connection to the fixed networks (such as the PSTN or ISDN). Signalling between functional entities in the Network Subsystem uses Signalling System Number 7 (SS7), used for trunk signalling in ISDN and widely used in current public networks.

The Home Location Register (HLR) and Visitor Location Register (VLR), together with the MSC, provide the call-routing and roaming capabilities of GSM. The HLR contains all the administrative information of each subscriber registered in the corresponding GSM network, along with the current location of the mobile. The location of the mobile is typically in the form of the signalling address of the VLR associated with the mobile station. The actual routing procedure will be described later. There is logically one HLR per GSM network, although it may be implemented as a distributed database.

The Visitor Location Register (VLR) contains selected administrative information from the HLR, necessary for call control and provision of the subscribed services, for each mobile currently located in the geographical area controlled by the VLR. Although each functional entity can be implemented as an independent unit, all manufacturers of switching equipment to date implement the VLR together with the MSC, so that the geographical area controlled by the MSC corresponds to that controlled by the VLR, thus simplifying the signalling required. Note that the MSC contains no information about particular mobile stations --- this information is stored in the location registers.

The other two registers are used for authentication and security purposes. The Equipment Identity Register (EIR) is a database that contains a list of all valid mobile equipment on the network, where each mobile station is identified by its International Mobile Equipment Identity (IMEI). An IMEI is marked as invalid if it has been reported stolen or is not type approved. The Authentication Center (AuC) is a protected database that stores a copy of the secret key stored in each subscriber's SIM card, which is used for authentication and encryption over the radio channel.

Radio link aspects

The International Telecommunication Union (ITU), which manages the international allocation of radio spectrum (among many other functions), allocated the bands 890-915 MHz for the uplink (mobile station to base station) and 935-960 MHz for the downlink (base station to mobile station) for mobile networks in Europe. Since this range was already being used in the early 1980s by the analog systems of the day, the CEPT had the foresight to reserve the top 10 MHz of each band for the GSM network that was still being developed. Eventually, GSM will be allocated the entire 2x25 MHz bandwidth.

Multiple access and channel structure

Since radio spectrum is a limited resource shared by all users, a method must be devised to divide up the bandwidth among as many users as possible. The method chosen by GSM is a combination of Time- and Frequency-Division Multiple Access (TDMA/FDMA). The FDMA part involves the division by frequency of the (maximum) 25 MHz bandwidth into 124 carrier frequencies spaced 200 kHz apart. One or more carrier frequencies are assigned to each base station. Each of these carrier frequencies is then divided in time, using a TDMA scheme. The fundamental unit of time in this TDMA scheme is called a burst period and it lasts 15/26 ms (or approx. 0.577 ms). Eight burst periods are grouped into a TDMA frame (120/26 ms, or approx. 4.615 ms), which forms the basic unit for the definition of logical channels. One physical channel is one burst period per TDMA frame.

Channels are defined by the number and position of their corresponding burst periods. All these definitions are cyclic, and the entire pattern repeats approximately every 3 hours. Channels can be divided into dedicated channels, which are allocated to a mobile station, and common channels, which are used by mobile stations in idle mode.

Traffic channels

A traffic channel (TCH) is used to carry speech and data traffic. Traffic channels are defined using a 26-frame multiframe, or group of 26 TDMA frames. The length of a 26-frame multiframe is 120 ms, which is how the length of a burst period is defined (120 ms divided by 26 frames divided by 8 burst periods per frame). Out of the 26 frames, 24 are used for traffic, 1 is used for the Slow Associated Control Channel (SACCH) and 1 is currently unused (see Figure 2). TCHs for the uplink and downlink are separated in time by 3 burst periods, so that the mobile station does not have to transmit and receive simultaneously, thus simplifying the electronics.

In addition to these full-rate TCHs, there are also half-rate TCHs defined, although they are not yet implemented. Half-rate TCHs will effectively double the capacity of a system once half-rate speech coders are specified (i.e., speech coding at around 7 kbps, instead of 13 kbps). Eighth-rate TCHs are also specified, and are used for signalling. In the recommendations, they are called Stand-alone Dedicated Control Channels (SDCCH).

Figure 2. Organization of bursts, TDMA frames, and multiframes for speech and data

Control channels

Common channels can be accessed both by idle mode and dedicated mode mobiles. The common channels are used by idle mode mobiles to exchange the signalling information required to change to dedicated mode. Mobiles already in dedicated mode monitor the surrounding base stations for handover and other information. The common channels are defined within a 51-frame multiframe, so that dedicated mobiles using the 26-frame multiframe TCH structure can still monitor control channels. The common channels include:
Broadcast Control Channel (BCCH)
Continually broadcasts, on the downlink, information including base station identity, frequency allocations, and frequency-hopping sequences.
Frequency Correction Channel (FCCH) and Synchronisation Channel (SCH)
Used to synchronise the mobile to the time slot structure of a cell by defining the boundaries of burst periods, and the time slot numbering. Every cell in a GSM network broadcasts exactly one FCCH and one SCH, which are by definition on time slot number 0 (within a TDMA frame).
Random Access Channel (RACH)
Slotted Aloha channel used by the mobile to request access to the network.
Paging Channel (PCH)
Used to alert the mobile station of an incoming call.
Access Grant Channel (AGCH)
Used to allocate an SDCCH to a mobile for signalling (in order to obtain a dedicated channel), following a request on the RACH.

Burst structure

There are four different types of bursts used for transmission in GSM [16]. The normal burst is used to carry data and most signalling. It has a total length of 156.25 bits, made up of two 57 bit information bits, a 26 bit training sequence used for equalization, 1 stealing bit for each information block (used for FACCH), 3 tail bits at each end, and an 8.25 bit guard sequence, as shown in Figure 2. The 156.25 bits are transmitted in 0.577 ms, giving a gross bit rate of 270.833 kbps.

The F burst, used on the FCCH, and the S burst, used on the SCH, have the same length as a normal burst, but a different internal structure, which differentiates them from normal bursts (thus allowing synchronization). The access burst is shorter than the normal burst, and is used only on the RACH.

Speech coding

GSM is a digital system, so speech which is inherently analog, has to be digitized. The method employed by ISDN, and by current telephone systems for multiplexing voice lines over high speed trunks and optical fiber lines, is Pulse Coded Modulation (PCM). The output stream from PCM is 64 kbps, too high a rate to be feasible over a radio link. The 64 kbps signal, although simple to implement, contains much redundancy. The GSM group studied several speech coding algorithms on the basis of subjective speech quality and complexity (which is related to cost, processing delay, and power consumption once implemented) before arriving at the choice of a Regular Pulse Excited -- Linear Predictive Coder (RPE--LPC) with a Long Term Predictor loop. Basically, information from previous samples, which does not change very quickly, is used to predict the current sample. The coefficients of the linear combination of the previous samples, plus an encoded form of the residual, the difference between the predicted and actual sample, represent the signal. Speech is divided into 20 millisecond samples, each of which is encoded as 260 bits, giving a total bit rate of 13 kbps. This is the so-called Full-Rate speech coding. Recently, an Enhanced Full-Rate (EFR) speech coding algorithm has been implemented by some North American GSM1900 operators. This is said to provide improved speech quality using the existing 13 kbps bit rate.

Channel coding and modulation

Because of natural and man-made electromagnetic interference, the encoded speech or data signal transmitted over the radio interface must be protected from errors. GSM uses convolutional encoding and block interleaving to achieve this protection. The exact algorithms used differ for speech and for different data rates. The method used for speech blocks will be described below.

Recall that the speech codec produces a 260 bit block for every 20 ms speech sample. From subjective testing, it was found that some bits of this block were more important for perceived speech quality than others. The bits are thus divided into three classes:

  • Class Ia 50 bits - most sensitive to bit errors
  • Class Ib 132 bits - moderately sensitive to bit errors
  • Class II 78 bits - least sensitive to bit errors
Class Ia bits have a 3 bit Cyclic Redundancy Code added for error detection. If an error is detected, the frame is judged too damaged to be comprehensible and it is discarded. It is replaced by a slightly attenuated version of the previous correctly received frame. These 53 bits, together with the 132 Class Ib bits and a 4 bit tail sequence (a total of 189 bits), are input into a 1/2 rate convolutional encoder of constraint length 4. Each input bit is encoded as two output bits, based on a combination of the previous 4 input bits. The convolutional encoder thus outputs 378 bits, to which are added the 78 remaining Class II bits, which are unprotected. Thus every 20 ms speech sample is encoded as 456 bits, giving a bit rate of 22.8 kbps.

To further protect against the burst errors common to the radio interface, each sample is interleaved. The 456 bits output by the convolutional encoder are divided into 8 blocks of 57 bits, and these blocks are transmitted in eight consecutive time-slot bursts. Since each time-slot burst can carry two 57 bit blocks, each burst carries traffic from two different speech samples.

Recall that each time-slot burst is transmitted at a gross bit rate of 270.833 kbps. This digital signal is modulated onto the analog carrier frequency using Gaussian-filtered Minimum Shift Keying (GMSK). GMSK was selected over other modulation schemes as a compromise between spectral efficiency, complexity of the transmitter, and limited spurious emissions. The complexity of the transmitter is related to power consumption, which should be minimized for the mobile station. The spurious radio emissions, outside of the allotted bandwidth, must be strictly controlled so as to limit adjacent channel interference, and allow for the co-existence of GSM and the older analog systems (at least for the time being).

Multipath equalization

At the 900 MHz range, radio waves bounce off everything - buildings, hills, cars, airplanes, etc. Thus many reflected signals, each with a different phase, can reach an antenna. Equalization is used to extract the desired signal from the unwanted reflections. It works by finding out how a known transmitted signal is modified by multipath fading, and constructing an inverse filter to extract the rest of the desired signal. This known signal is the 26-bit training sequence transmitted in the middle of every time-slot burst. The actual implementation of the equalizer is not specified in the GSM specifications.

Frequency hopping

The mobile station already has to be frequency agile, meaning it can move between a transmit, receive, and monitor time slot within one TDMA frame, which normally are on different frequencies. GSM makes use of this inherent frequency agility to implement slow frequency hopping, where the mobile and BTS transmit each TDMA frame on a different carrier frequency. The frequency hopping algorithm is broadcast on the Broadcast Control Channel. Since multipath fading is dependent on carrier frequency, slow frequency hopping helps alleviate the problem. In addition, co-channel interference is in effect randomized.

Discontinuous transmission

Minimizing co-channel interference is a goal in any cellular system, since it allows better service for a given cell size, or the use of smaller cells, thus increasing the overall capacity of the system. Discontinuous transmission (DTX) is a method that takes advantage of the fact that a person speaks less that 40 percent of the time in normal conversation [22], by turning the transmitter off during silence periods. An added benefit of DTX is that power is conserved at the mobile unit.

The most important component of DTX is, of course, Voice Activity Detection. It must distinguish between voice and noise inputs, a task that is not as trivial as it appears, considering background noise. If a voice signal is misinterpreted as noise, the transmitter is turned off and a very annoying effect called clipping is heard at the receiving end. If, on the other hand, noise is misinterpreted as a voice signal too often, the efficiency of DTX is dramatically decreased. Another factor to consider is that when the transmitter is turned off, there is total silence heard at the receiving end, due to the digital nature of GSM. To assure the receiver that the connection is not dead, comfort noise is created at the receiving end by trying to match the characteristics of the transmitting end's background noise.

Discontinuous reception

Another method used to conserve power at the mobile station is discontinuous reception. The paging channel, used by the base station to signal an incoming call, is structured into sub-channels. Each mobile station needs to listen only to its own sub-channel. In the time between successive paging sub-channels, the mobile can go into sleep mode, when almost no power is used.

Power control

There are five classes of mobile stations defined, according to their peak transmitter power, rated at 20, 8, 5, 2, and 0.8 watts. To minimize co-channel interference and to conserve power, both the mobiles and the Base Transceiver Stations operate at the lowest power level that will maintain an acceptable signal quality. Power levels can be stepped up or down in steps of 2 dB from the peak power for the class down to a minimum of 13 dBm (20 milliwatts).

The mobile station measures the signal strength or signal quality (based on the Bit Error Ratio), and passes the information to the Base Station Controller, which ultimately decides if and when the power level should be changed. Power control should be handled carefully, since there is the possibility of instability. This arises from having mobiles in co-channel cells alternatingly increase their power in response to increased co-channel interference caused by the other mobile increasing its power. This in unlikely to occur in practice but it is (or was as of 1991) under study.

Network aspects

Ensuring the transmission of voice or data of a given quality over the radio link is only part of the function of a cellular mobile network. A GSM mobile can seamlessly roam nationally and internationally, which requires that registration, authentication, call routing and location updating functions exist and are standardized in GSM networks. In addition, the fact that the geographical area covered by the network is divided into cells necessitates the implementation of a handover mechanism. These functions are performed by the Network Subsystem, mainly using the Mobile Application Part (MAP) built on top of the Signalling System No. 7 protocol.

Figure 3. Signalling protocol structure in GSM

The signalling protocol in GSM is structured into three general layers [1], [19], depending on the interface, as shown in Figure 3. Layer 1 is the physical layer, which uses the channel structures discussed above over the air interface. Layer 2 is the data link layer. Across the Um interface, the data link layer is a modified version of the LAPD protocol used in ISDN, called LAPDm. Across the A interface, the Message Transfer Part layer 2 of Signalling System Number 7 is used. Layer 3 of the GSM signalling protocol is itself divided into 3 sublayers.

Radio Resources Management
Controls the setup, maintenance, and termination of radio and fixed channels, including handovers.
Mobility Management
Manages the location updating and registration procedures, as well as security and authentication.
Connection Management
Handles general call control, similar to CCITT Recommendation Q.931, and manages Supplementary Services and the Short Message Service.
Signalling between the different entities in the fixed part of the network, such as between the HLR and VLR, is accomplished throught the Mobile Application Part (MAP). MAP is built on top of the Transaction Capabilities Application Part (TCAP, the top layer of Signalling System Number 7. The specification of the MAP is quite complex, and at over 500 pages, it is one of the longest documents in the GSM recommendations [16].

Radio resources management

The radio resources management (RR) layer oversees the establishment of a link, both radio and fixed, between the mobile station and the MSC. The main functional components involved are the mobile station, and the Base Station Subsystem, as well as the MSC. The RR layer is concerned with the management of an RR-session [16], which is the time that a mobile is in dedicated mode, as well as the configuration of radio channels including the allocation of dedicated channels.

An RR-session is always initiated by a mobile station through the access procedure, either for an outgoing call, or in response to a paging message. The details of the access and paging procedures, such as when a dedicated channel is actually assigned to the mobile, and the paging sub-channel structure, are handled in the RR layer. In addition, it handles the management of radio features such as power control, discontinuous transmission and reception, and timing advance.

Handover

In a cellular network, the radio and fixed links required are not permanently allocated for the duration of a call. Handover, or handoff as it is called in North America, is the switching of an on-going call to a different channel or cell. The execution and measurements required for handover form one of basic functions of the RR layer.

There are four different types of handover in the GSM system, which involve transferring a call between:

  • Channels (time slots) in the same cell
  • Cells (Base Transceiver Stations) under the control of the same Base Station Controller (BSC),
  • Cells under the control of different BSCs, but belonging to the same Mobile services Switching Center (MSC), and
  • Cells under the control of different MSCs.
The first two types of handover, called internal handovers, involve only one Base Station Controller (BSC). To save signalling bandwidth, they are managed by the BSC without involving the Mobile services Switching Center (MSC), except to notify it at the completion of the handover. The last two types of handover, called external handovers, are handled by the MSCs involved. An important aspect of GSM is that the original MSC, the anchor MSC, remains responsible for most call-related functions, with the exception of subsequent inter-BSC handovers under the control of the new MSC, called the relay MSC.

Handovers can be initiated by either the mobile or the MSC (as a means of traffic load balancing). During its idle time slots, the mobile scans the Broadcast Control Channel of up to 16 neighboring cells, and forms a list of the six best candidates for possible handover, based on the received signal strength. This information is passed to the BSC and MSC, at least once per second, and is used by the handover algorithm.

The algorithm for when a handover decision should be taken is not specified in the GSM recommendations. There are two basic algorithms used, both closely tied in with power control. This is because the BSC usually does not know whether the poor signal quality is due to multipath fading or to the mobile having moved to another cell. This is especially true in small urban cells.

The 'minimum acceptable performance' algorithm [3] gives precedence to power control over handover, so that when the signal degrades beyond a certain point, the power level of the mobile is increased. If further power increases do not improve the signal, then a handover is considered. This is the simpler and more common method, but it creates 'smeared' cell boundaries when a mobile transmitting at peak power goes some distance beyond its original cell boundaries into another cell.

The 'power budget' method [3] uses handover to try to maintain or improve a certain level of signal quality at the same or lower power level. It thus gives precedence to handover over power control. It avoids the 'smeared' cell boundary problem and reduces co-channel interference, but it is quite complicated.

Mobility management

The Mobility Management layer (MM) is built on top of the RR layer, and handles the functions that arise from the mobility of the subscriber, as well as the authentication and security aspects. Location management is concerned with the procedures that enable the system to know the current location of a powered-on mobile station so that incoming call routing can be completed.

Location updating

A powered-on mobile is informed of an incoming call by a paging message sent over the PAGCH channel of a cell. One extreme would be to page every cell in the network for each call, which is obviously a waste of radio bandwidth. The other extreme would be for the mobile to notify the system, via location updating messages, of its current location at the individual cell level. This would require paging messages to be sent to exactly one cell, but would be very wasteful due to the large number of location updating messages. A compromise solution used in GSM is to group cells into location areas. Updating messages are required when moving between location areas, and mobile stations are paged in the cells of their current location area.

The location updating procedures, and subsequent call routing, use the MSC and two location registers: the Home Location Register (HLR) and the Visitor Location Register (VLR). When a mobile station is switched on in a new location area, or it moves to a new location area or different operator's PLMN, it must register with the network to indicate its current location. In the normal case, a location update message is sent to the new MSC/VLR, which records the location area information, and then sends the location information to the subscriber's HLR. The information sent to the HLR is normally the SS7 address of the new VLR, although it may be a routing number. The reason a routing number is not normally assigned, even though it would reduce signalling, is that there is only a limited number of routing numbers available in the new MSC/VLR and they are allocated on demand for incoming calls. If the subscriber is entitled to service, the HLR sends a subset of the subscriber information, needed for call control, to the new MSC/VLR, and sends a message to the old MSC/VLR to cancel the old registration.

For reliability reasons, GSM also has a periodic location updating procedure. If an HLR or MSC/VLR fails, to have each mobile register simultaneously to bring the database up to date would cause overloading. Therefore, the database is updated as location updating events occur. The enabling of periodic updating, and the time period between periodic updates, is controlled by the operator, and is a trade-off between signalling traffic and speed of recovery. If a mobile does not register after the updating time period, it is deregistered.

A procedure related to location updating is the IMSI attach and detach. A detach lets the network know that the mobile station is unreachable, and avoids having to needlessly allocate channels and send paging messages. An attach is similar to a location update, and informs the system that the mobile is reachable again. The activation of IMSI attach/detach is up to the operator on an individual cell basis.

Authentication and security

Since the radio medium can be accessed by anyone, authentication of users to prove that they are who they claim to be, is a very important element of a mobile network. Authentication involves two functional entities, the SIM card in the mobile, and the Authentication Center (AuC). Each subscriber is given a secret key, one copy of which is stored in the SIM card and the other in the AuC. During authentication, the AuC generates a random number that it sends to the mobile. Both the mobile and the AuC then use the random number, in conjuction with the subscriber's secret key and a ciphering algorithm called A3, to generate a signed response (SRES) that is sent back to the AuC. If the number sent by the mobile is the same as the one calculated by the AuC, the subscriber is authenticated [16].

The same initial random number and subscriber key are also used to compute the ciphering key using an algorithm called A8. This ciphering key, together with the TDMA frame number, use the A5 algorithm to create a 114 bit sequence that is XORed with the 114 bits of a burst (the two 57 bit blocks). Enciphering is an option for the fairly paranoid, since the signal is already coded, interleaved, and transmitted in a TDMA manner, thus providing protection from all but the most persistent and dedicated eavesdroppers.

Another level of security is performed on the mobile equipment itself, as opposed to the mobile subscriber. As mentioned earlier, each GSM terminal is identified by a unique International Mobile Equipment Identity (IMEI) number. A list of IMEIs in the network is stored in the Equipment Identity Register (EIR). The status returned in response to an IMEI query to the EIR is one of the following:

White-listed
The terminal is allowed to connect to the network.
Grey-listed
The terminal is under observation from the network for possible problems.
Black-listed
The terminal has either been reported stolen, or is not type approved (the correct type of terminal for a GSM network). The terminal is not allowed to connect to the network.

Communication management

The Communication Management layer (CM) is responsible for Call Control (CC), supplementary service management, and short message service management. Each of these may be considered as a separate sublayer within the CM layer. Call control attempts to follow the ISDN procedures specified in Q.931, although routing to a roaming mobile subscriber is obviously unique to GSM. Other functions of the CC sublayer include call establishment, selection of the type of service (including alternating between services during a call), and call release.

Call routing

Unlike routing in the fixed network, where a terminal is semi-permanently wired to a central office, a GSM user can roam nationally and even internationally. The directory number dialed to reach a mobile subscriber is called the Mobile Subscriber ISDN (MSISDN), which is defined by the E.164 numbering plan. This number includes a country code and a National Destination Code which identifies the subscriber's operator. The first few digits of the remaining subscriber number may identify the subscriber's HLR within the home PLMN.

An incoming mobile terminating call is directed to the Gateway MSC (GMSC) function. The GMSC is basically a switch which is able to interrogate the subscriber's HLR to obtain routing information, and thus contains a table linking MSISDNs to their corresponding HLR. A simplification is to have a GSMC handle one specific PLMN. It should be noted that the GMSC function is distinct from the MSC function, but is usually implemented in an MSC.

The routing information that is returned to the GMSC is the Mobile Station Roaming Number (MSRN), which is also defined by the E.164 numbering plan. MSRNs are related to the geographical numbering plan, and not assigned to subscribers, nor are they visible to subscribers.

The most general routing procedure begins with the GMSC querying the called subscriber's HLR for an MSRN. The HLR typically stores only the SS7 address of the subscriber's current VLR, and does not have the MSRN (see the location updating section). The HLR must therefore query the subscriber's current VLR, which will temporarily allocate an MSRN from its pool for the call. This MSRN is returned to the HLR and back to the GMSC, which can then route the call to the new MSC. At the new MSC, the IMSI corresponding to the MSRN is looked up, and the mobile is paged in its current location area (see Figure 4).

Figure 4. Call routing for a mobile terminating call

Conclusion and comments

In this paper I have tried to give an overview of the GSM system. As with any overview, and especially one covering a standard 6000 pages long, there are many details missing. I believe, however, that I gave the general flavor of GSM and the philosophy behind its design. It was a monumental task that the original GSM committee undertook, and one that has proven a success, showing that international cooperation on such projects between academia, industry, and government can succeed. It is a standard that ensures interoperability without stifling competition and innovation among suppliers, to the benefit of the public both in terms of cost and service quality. For example, by using Very Large Scale Integration (VLSI) microprocessor technology, many functions of the mobile station can be built on one chipset, resulting in lighter, more compact, and more energy-efficient terminals.

Telecommunications are evolving towards personal communication networks, whose objective can be stated as the availability of all communication services anytime, anywhere, to anyone, by a single identity number and a pocketable communication terminal [25]. Having a multitude of incompatible systems throughout the world moves us farther away from this ideal. The economies of scale created by a unified system are enough to justify its implementation, not to mention the convenience to people of carrying just one communication terminal anywhere they go, regardless of national boundaries.

The GSM system, and its sibling systems operating at 1.8 GHz (called DCS1800) and 1.9 GHz (called GSM1900 or PCS1900, and operating in North America), are a first approach at a true personal communication system. The SIM card is a novel approach that implements personal mobility in addition to terminal mobility. Together with international roaming, and support for a variety of services such as telephony, data transfer, fax, Short Message Service, and supplementary services, GSM comes close to fulfilling the requirements for a personal communication system: close enough that it is being used as a basis for the next generation of mobile communication technology in Europe, the Universal Mobile Telecommunication System (UMTS).

Another point where GSM has shown its commitment to openness, standards and interoperability is the compatibility with the Integrated Services Digital Network (ISDN) that is evolving in most industrialized countries, and Europe in particular (the so-called Euro-ISDN). GSM is also the first system to make extensive use of the Intelligent Networking concept, in in which services like 800 numbers are concentrated and handled from a few centralized service centers, instead of being distributed over every switch in the country. This is the concept behind the use of the various registers such as the HLR. In addition, the signalling between these functional entities uses Signalling System Number 7, an international standard already deployed in many countries and specified as the backbone signalling network for ISDN.

GSM is a very complex standard, but that is probably the price that must be paid to achieve the level of integrated service and quality offered while subject to the rather severe restrictions imposed by the radio environment.

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Copyright © John Scourias 1996-1999
Written by
John Scourias
Last modified October 14, 1997.   http://ccnga.uwaterloo.ca/~jscouria/GSM/gsmreport.html 에서 발췌

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TAG 2G, gsm
2008.04.22 19:39 Season#1/for Layman
출처 블로그 > wireless communications for humen
원본 http://blog.naver.com/kki1982/60034324458


cdmaOne은 현재 우리가 사용하고 있는 IS-95방식의 cdma를 말합니다. cdma2000은 IMT2000 표준안 중 IS-95C(MC-CDMA)에 해당하는 것입니다.

1. CDMA와 이동통신?

 1.1 이동통신의 기초

 1.2 CDMA 방식의 이동통신
  1.3 CDMA 이동통신망의 동작
  • 1.3.1 CDMA 순방향 채널 구조
  • 1.3.2 CDMA 역방향 채널 구조
    • access channel
    • traffic channel

2. How can we handle MS' mobility? (Mobility Management)

3. Current Issues

4. Communications by LEO Satellite

5. Detailed technolgies

6. misc

7. kewords


 

1.CDMA 란 무엇인가?  

1.1 이동통신의 개요 및 발전
1.1.1 CDMA(Code Division Multiple Access)란?
CDMA란 대역확산(Spread Spectrum)기술을 활용하여 전체 대역 내에서 각각의 정보를 측정부호(PN Code) 및 시간차이로 분할하여 보내고 수신쪽에서도 전체대역 내의 많은 정보 중 송신시 사용된 것과 동일한 부호(동일한  )와 시간 차이를 갖는 정보만을 골라내어 원래 신호를 재생해 내는 방식을 말합니다.
CDMA는 동일한 주파수를 많은 셀에서 사용할 수 있으며, 타방식보다 간섭이 적고, 통화자가 침묵하고 있는 시간 동안 전송을 중지 함으로써 아날로그 방식보다 수용 용량을 많이 늘릴 수가 있습니다. 아래의 하태숙 박사의 설명 예를 보면 이해가 잘 될 것입니다.
1.1.2  CDMA의 시작과 이동통신 개요
1.1.2-1 CDMA의 시작
이동통신 사용자가 급증하게 따라 서비스 제공 업체들은 주파수 자원 문제에 직면하게 되었는데, 미국의 벤처 기업인 퀄컴사는 세계통신업계에 89년 초 새로운 제안을 했습니다. 1950년대부터 군용 및 위성통신에 쓰이던 대역확산(Spread Spectrum) 통신방식을 디지털 셀룰라 서비스에 응용할 수 있다는 연구결과를 발표한 것이었습니다.
90년 초반 우리나라뿐 아니라 미국, 유럽, 일본 등 세계 각국에서는 디지털 방식의 이동전화 개발이 본격적으로 진행되기 시작했는데 미국, 일본과 유럽 등 대부분은 이미 TDMA(Time Division Mutiple Access)방식으로 개발을 한창 진행 하고 있었고 뒤늦게 디지털 이동통신 사업을 시작한 우리나라는 미국의 일부 통신업체와 함께 CDMA(Code Division Mutiple Access) 방식을 채택하게 된 것이지요.
퀄컴이 CDMA방식의 디지털 이론을 발표했을 당시에는 일부에서 정교한 송신출력제어의 어려움과 통화절차의 복잡성 등을 이유로 상용 가능성을 부정했지만 CDMA이론이 제시하는 아날로그 대비 10배 가량의 용량증대 (TDMA의 경우 3~4배 정도라고 합니다.) 와 고품질의 음 질, 보안성 보장 등의 매력은 이후 AT&T, Motorora, NYNEX, Northerntelecom등 세계의 통신업체들의 주목을 끌게 되었습니다.
1.1.2-1.1 한국의 경우 CDMA
우리나라의 경우는 통신 방식을 정할 당시, CDMA가 아직 어느나라 에서도 상용화 된 적이 없었던 기술이었기 때문에 이것을 상용화하는데 성공할 경우 기술자립을 성취할 수 있다는 점이 그 무엇보다 중요한 요소로 작용했다는 말도 있습니다. 물론 21세기 정보통신 서비스에 가장 적합하다는 근거도 있었습니다만...
1993년 ETRI 주도로 CDMA시스템 개발에 착수하게 되었고 1996년 1월 1일 SK Telecom이 세계 최초로 상용화에 성공했다고 합니다. (LG정보통신도 "세계 최초로 CDMA 상용화에 성공"이라는 말을 자주 쓰는데...서비스는 SK-텔레콤이 먼저 시작했는데...누가 먼저인지 정확히 모르겠군요.)
우리 나라가 CDMA를 세계 최초로 상용화한 경위가 웹페이지에 있어서 아래에 옮겨두었습니다.
"1991년 4월에 ETRI와 퀄컴간 CDMA 공동 개발을 추진하기로 합의하였다. 1991년 8월에 ETRI와 퀄컴사간 제1단계 공동 개발에 착수하고, 1992년 7월에 제2단계 공동 개발을 추진하였다. ( 소문에 의하면? 이 당시 우리나라가 돈이 좀 있었더라면 퀄컴이라는 회사를 살 수 있었을 지도 모른다고 하더군요. 당시 퀄컴은 별로 알려지지도 않은 벤쳐회사였고, ETRI는 여기다 투자를 했었는데...)
그 해 12월에 ETRI가 삼성·LG·현대·맥슨 등의 4개사를 상용 시스템 공동개발업체로 선정하고 기술 개발을 추진하였다. 1993년 6월에는 이동전화 신규사업자(신세기통신)의 통신방식이 CDMA로 결정되었다. 그 해 8월에 퀄컴과 국내 업체간 기술실시계약을 체결하였으며, 11월에 CDMA 방식의 기술기준을 제정하였다. 1995년 2월에 삼성전자가 1차 상용시험(108항목)을 완료하였다. 그 해 11월 정보통신부는 공청회를  거쳐 한정된 연구개발 능력을 고려할 때 복수표준보다 단일표준이 바람직하다는 결과를 토대로 PCS 기술표준을 CDMA로 결정하였다. 1996년 1월 마침내 SK 텔레콤이 인천,부천지역에서 CDMA 상용 서비스를 시작하였다. "
98년 12월말 현재 한국의 CDMA 셀룰러/PCS 가입자수는 1천 350만명을 초과하여 불과 2년 남짓한 기간동안 전세계적으로 가장 큰 CDMA망을 이루고 있다. 올 해 (1999) 4월까지의 가입자수가 1천 800만에 육박하고 있다고 한다.  1999년 9월 가입자 수가 2000만을 넘어섰다.
한국은 세계 최초로 CDMA 방식을 상용화시킨 기술력과 세계 최대의 CDMA 가입자들에게 다양한 서비스를 제공하는 세계 최고의 운용능력을 확보하고 있다. 이와 같은 한국의 기술력과 운용능력은 CDMA분야에서 세계 최고수준의 전문적인 인력이 그만큼 풍부하다는 것을 의미한다.
1.1.2-1.2 한국의 CDMA 기술력과 외국 기업들의 투자 (출처가 생각이 안 나는군요.)
한국은 세계 최초로 CDMA 방식을 상용화시킨 기술력과 세계 최다의 CDMA 가입자들에게 다양한 서비스를 제공하는 운용 능력을 확보하고 있다. 한국은 기지국과 단말기간 접속기술만 퀄컴사가 보유한 특허기술을 사용하였을 뿐 대부분의 기술은 자체 확보한 것으로, CDMA 교환기는 한국의 TDX 교환기를 활용하였다. 기지국의 경우 퀄컴의 무선접속기술을 제외한 시스템설계기술,제어기술, RF기술, 주파수간 핸드오프기술 등 대부분의 기술은 자체 개발하였다. 또한 단말기도 퀄컴사의 무선접속기술을 제외한 저전력화, 소형·경량화 기술을 자체 개발하였다. 한국은 세계 최대 규모의 CDMA 가입자를 수용하여 안정되고 신뢰성 있는 시스템을 운영하면서 데이타 서비스, 음성사서함 서비스 등 다양한 응용 서비스 및 운용기술을 개발한 노하우를 보유하고 있고,망운용기술과 과금기술 등은 이미 노텔이 자신의 GSM망에 이식하려 할 정도로 고도화되어 있다. 한국이 보유한 CDMA 장비 및 운용기술로 인해 한국의 경제 위기에도 불구하고 선진 외국 통신업체들의 투자 움직임은 오히려 가속화되고 있다. 세계 유수의 이동통신 장비업체인 모토롤라가 CDMA 단말기 전문제조업체인 어필, 팬택, 텔슨 등 3개 업체에 6,100만불을 주식 취득 및 지급보증의 형태로 국내에 투자하였다. 한편, 캐나다의 BCI와 미국의 AIG는 한솔PCS에 2억 6천만불을 투자하기로 1998년 9월에 합의하였으며, 영국 BT도 LG텔레콤에 4억불을 투자하기로 동년 10월에 합의하였다. 한국의 CDMA 관련 업체에 투자하는 외국 기업들은 CDMA 방식의 급속한 성장 전망에 입각하여 CDMA 단말기 제조기술과 서비스 운용 능력을 확보하려는 것으로 보인다.
 
1.1.2-2 개요
(다음은 한양대학교 하태숙 박사의 CDMA에 관한 설명에 덧붙인 것이다.)

코드분할 다중접속방식(CDMA : Code Division Multiple Access)을 FDMA나 TDMA와 비교하기 위해서 다음과 같은 경우를 예로 들었다.

어떤 모임 장소에서 여러 사람이 보여서 이야기를 하고 있다. FDMA 방식은 모든 사람이 같은 언어를 사용하고, 모임 장소를 이야기를 할 수 있도록 작은 구역으로 나누어논 각각의 대화실에 차례를 기다렸다가 들어가서 이야기를 하는 것이다. TDMA 방식은 역시 같은 언어를 사용하지만, FDMA 방식과는 다르게 모든 사람이 같은 장소에 모여서 이야기를 한다. 그러나 모든 사람이 동시 에 이야기를 하는 것이 아니라 각각 이야기 하는 시간을 정해서 자기에게 할당된 시간 동안에만 이야기를 한다고 생각하면 된다. 물론 이야기를 하는 시간이 단절 되어 대화에 지장이 있을 것 같지만, 실제로는 전혀 대화하는데 지장이 없다. 여기에 비해서 CDMA 방식은 다른 두 방식과 비교해 보면, 여러 사람이 같은 장소 에 모여서 동시에 이야기를 하는 것과 같다. 다만 서로 다른 언어를 사용하기 때 문에, 또는 정해진 지역 안에서만 들리게 작게 이야기 하기 때문에 그 집단 안에서만 그 내용을 알아 들을 뿐이고, 다른 사람이 이야기 하는 것은 단지 잡음으로만 느끼는 것과 같다.  아래 그림 1.1의 예를 보면, 쉽게 이해가 될 것이다.
<그림 1.1 CDMA 방식의 통신>

CDMA 기술은 기본적으로 오래전부터 사용해왔던 대역확산 통신기술을 이용한 것으로, 대역확산 기술이 가지고 있는 모든 장점에 주파수 이용효율을 크게 증가시킨 것이다. 위의 예를 기술적으로 표현해 보면, 모든 서비스 영역에서 같은 주파수 대역을 사용할 수 있기 때문에 셀룰라 개념에서 보면 주파수 재사용 계수가 1이 되어, 주파수 이용 효율이 다른 방식에 비해서 월등히 높다는 것과, 모든 서비 비스 영역에서 같은 주파수 대역을 사용할 수 있기 때문에 소프트 핸드오버가 가 능하다는 점, 또한 서로 다른 코드를 사용하여 통신을 하기 때문에 무선 구간의 통신 비밀 보호 특성이 매우 우수하다는 장점이 있다.

1.1.3 이동 통신의 특징
▷ 통신 매체로써 전파( Radio )를 사용한다.
▷ 사용가능한 무선주파수가 한정되어 있다.
▷ 단말기의 이동성으로 인한 전파전파( Radio Propagation ) 특성을 고려하는 것이 필요하다.
▷ 우선적으로 사용할 주파수를 선정하는 것이 필요하다.
1.1.3.1 셀룰라 망의 셀 크기 구분
각 셀은 셀의 크기에 따라서 다음과 같이 일반적으로 구분한다.
보통 지금의 이동전화에서는 셀반경이 5 km - 30 km로 이를 매크로셀(Macro Cell)이라 하고,개인 통신 개념이 나타나면서 가입자 수용용량을 증가 시키기 위해서 셀반경을 줄여, 셀 반경이 500 m - 1 km 내외의 셀을 마이크로셀(Micro Cell)이라는 것이 생겨났다. 이들 마이크로셀과 매크로셀 사이의 크기를 가지는 셀을 미니셀(Mini Cell)이라 하기도 한다. 이보다 셀 반경이 더 작아져서 200m 이내가 되면 이를 피코셀(Pico Cell)이라고 한다. 또 저궤도 인공위성을 이용한 이동전화 서비스에서는 셀반경이 100km 이상되는 셀이 사용되는데 이를 메가셀(Mega Cell)이라고 한다.
이러한 셀 분류는 정해진 기준이 있는 것은 아니며, 대개 이러한 분류 기준으로 사용하고 있다.
1.1.3.2 셀룰라 망의 셀(안테나) 구분
전방향셀이란 기지국이 셀의 가운데 위치하여 수평방향으로 360도 전방향으로 전자파를 송신하는 안테나를 사용하여 서비스 하는셀을 말하며, 섹터셀이란 기지국이 어떤 특정 방향으로 전자파를 송신하는 안테나를 사용하여 셀을 여러 개의 섹터로 분할하여 각각의 섹터마다 서로 다른 안테나와 RF 장비를 사용하는 기지국으로, 전방향셀에 비하여 간섭을 제어하기가 쉽고, 안테나 이득이 커서 하나의 기지국으로 서비스 할 수 있는 면적이 전방향셀에 비해서 넓어 여러 가지 이점이 있는 셀을 말한다. 요즈음 시내에서 흔히 볼 수 있는 이동통신망 기지국은 대부분이 섹터셀을 위한 것이며, 대부분이 3-섹터 셀을 위한 것이다.
1.1.4 이동통신망의 진화
현재 세계 각 나라에서 활발히 운용되고 있는 이동통신 서비스로는 무선호출, 셀룰러전화, 코드리스 전화, 그리고 위성 이동통신을 들 수가 있다. 이들과 관련하여 이동통신의 진화 과정은 다음과 같이 정리될 수가 있다.
1 세대 : 아날로그 셀룰러전화, 아날로그 코드리스 전화( CT1 ), PSTN(공중전화망)
2 세대 : 디지털 셀룰러 전화, 디지털 코드리스 전화(CT2), ISDN
2.5 세대 : 2세대 시스템들을 개선, 통합하여 보다 개인화, 광대역화되고 어느 정도 시스템간의 호환성을 갖춘 서비스 제공이 목표. 현재 우리가 쓰고 있는 이동전화
3 세대 : 기존의 유, 무선 시스템을 통합하여 완전한 이동성과 멀티미디어서비스의 제공이 목표. IMT-2000( International Mobile Telecommunications ), UPT( Universal Personal Telecommunications ), UMTS( Universal Mobile Communications Systems )
4세대 : MBS(Mobile Broadband System) 60GHz 대역의 전파사용, 155Mbps까지 전송할 수 있는 시스템

80대말까지는 아날로그 셀룰라 시스템인 AMPS (Advanced Mobile Phone System) 가 주로 쓰였지만 90 년대에 들어서 언제 어디서나 누구나 어떤 형태의 서비스도 받을 수 있게 한다는 취지 아래 PCS 의 개념이 나오게 되었다. 그런데 새로운 이 PCS개념의 통신 서비스를 위해서 새로운 기술이 나온 것은 아니다. 기존의 디지털 셀룰라 이동 전화 시스템을 발전시켜 PCS로 나아가려는 것이다. 주파수 대역만 PCS를 위해서 옮긴 것이다. (예를 들면 TV에서 주파수가 다른 VHF(30MHz∼300MHz)와 UHF(300MHz∼2GHz)를 사용하는 것과 마찬가지) 따라서 지금 분명히 디지털 셀룰라와 PCS는 여러면에서 다르기는 하지만, 또는 모호한 면을 보이기도 한다. 하지만 그 원천 기술 자체는 그 뿌리가 같다고 하는 것이 맞을 것 같다.

지금 우리는 2.5세대의 이동통신 시스템을 주로 이용하고 있지만 곧 제3세대의 이동통신 기술을 이용하게 된다. 4세대는 아직 구체적인 것은 없지만 미래의 시스템으로 연구되고 있는 중이다.

우리는 이동통신망의 발전을 low-tier system 과  high-tier system 으로 나누어 생각해 볼 수도 있다.  예를 들어 기존의 PCS는 high-tier system에 해당하는 것이고, 우리나라의 CT-2 서비스 같은 것은 low-tier system(기존의 가정에서 쓰던 무선 전화의 확장)에 해당한다.  low-tier system은 기존 공중망에 유선 인터페이스를 추가한 것이라고 생각할 수도 있다. 그림 1.2 참조


Low-Tier system

High-Tier system

구현 방안

PSTN의 지능망 활용

PSTN가입자선로의 무선화

Cellular망에 신호망, 지능망 구축

Microcell의 도입으로 용량확대

서비스 속성

저속의 가입자 서비스

고밀도의 좁은 지역 커버

유선전화 정도의 높은 통화품질

고속의 가입자 서비스

저밀도의 넓은 지역 커버

셀룰러보다 높은 음질 수준

표준안

DECT, PHS, DCTU, PACS 등

Upband IS-95 및 IS-54, PCS-1900, DCS-1800, PCS-2000, W-CDMA

 <그림 1.2  이동통신망의 발전. low-tier and high-tier system>

1.1.5  이동 통신 서비스의 종류
Cordless Telephone ( CT ) : CT-1 => CT-2 (발신전용) => CT-3 (착발신 모두 가능)
Cellular Telephone (아날로그, 디지털)
주파수 공용 통신 ( Trunked Radio System, TRS )
무선 호출 ( Radio Paging ) : 단방향 호출, pager-2의 경우는 착발신이 가능하다.
무선 데이터 통신 ( Radio Data Communications )
위성 이동 통신 ( Satellite Mobile Communications )

1.1.6 이동통신망의 구조

이동통신망은 그림 1.1.6-1에서 보듯이 왼쪽의 이동망과 오른쪽의 고정망의 결합으로 이루어진다.  ( 아래 그림 1.1.6-3에서 논리적인 면에서의 셀 모양, 이상적인 셀모양, 실제 셀모양을 확인하자.)

 

<그림 1.1.6-1 이동통신망의 일반적인 구조>

MS(Mobile Station) : 이동단말
AC(Authentication Center) : 인증센터
VLR(Visitor Location Register) : 방문자 위치 등록기
BTS(Base Station Transciever Subsystem) : 기지국(BS)
HLR(Home Location Register) : 홈 위치 등록기
BSC(Base Station Controller) : 기지국 제어장치
MSC(Mobile Switching Center) : 교환기
BSM(Base Station Manager) : 기지국 관리 장치

그림 1.1.6-2는 셀룰라망 중에서 간단히 CDMA와 AMPS를 구분지어 보기 위하나 것이다. 이동통신 시스템의 전체적인 구조는 어떤 셀룰라 방식이나 비슷하고, 이동국과 기지국을 연결시켜주는 인터페이스 CAI(Common air interface)부분이 크게 다르다고 생각하면 될 것이다. 물론 세부적으로 다른 점(예를 들어 source coding)이 많겠지만 말이다. 이 인터페이스부분에서 AMPS는 주파수를 분할하여 채널을 구분하고 CDMA는 IS-95 표준에 따라서 부호를 분할하여 통화채널을 구분해 준다.

<그림 1.1.6-2>

<그림 1.1.6-3>

1.1.7 디지털 셀룰러와 PCS의 주파수 특성 비교
현재 Speed 011이나 신세기 017은 800MHz 대역을, PCS 사업자들은 1.8GHz 대역을 사용하고 있는데 두 주파수대역의 특성을 비교해 보면 다음과 같습니다. 서비스의 비교를 하는 것은 아닙니다. 기본적으로 주파수 대역의 차이가 이들 서비스 사업자들이 내세우는 장단점이 될 수도 있겠군요. PCS는 후발 업체들에 의한 서비스이므로, 당연히 앞선 사업자들 보다 좋은 주파수대를 얻을 수는 없었겠지요. 차후에 서비스에 대한 비교가 가능해진다면 하도록 하지요.
전파 도달거리 : 전파 도달거리가 길어야 안정된 통화가 가능하다는 전제를 한다면,. 전파의 특성상 800MHz는 전파의 도달거리가 길어 넓은 지역을 안정적으로 커버할수 있지만 1.7GHz는 주파수가 상대적으로 높아 감쇄가 심하고 전파 도달거리가 짧아 넓은지역을 서비스하기는 힘든 면이 있습니다. 원래 PCS라는 것이 도시에서 사용하는 것을 기본 목적으로 한 것이기도 하고, 두 주파수대가 차이가 있기는 하지만 그리 큰 문제는 없다고 생각이 됩니다. 시스템을 어떻게 잘 설치하느냐에 따라 이런 기본적인 문제는 해결이 가능할 것이기 때문입니다.
전파의 회절성 : 전파가 어떤 장애물의 끝을 통과할 때 그 후방까지 얼마나 커버할 수 있는지를 생각해 보면, 정도 800MHz는 상대적으로 회절성이 높아 전파가 골고루 도달하지만 1.8GHz대는? 회절성이 낮아 통화 불능 지역이 조금은 더 발생할 수 있겠습니다.
전파의 투과성
상대적으로 800MHz 대역이 투과성이 더 높습니다. 따라서 건물 내에서, 같은 설비의 이동 통신망 환경이라면 통화률에 차이를 보일 것입니다.



1.1.8 CDMA 방식의 장점
CDMA 방식의 장점은 다음과 같이 간단히 들 수 있다.
통화 용량의 증가
  - TDMA가 아날로그 대비 가입자 수용용량을 3-4배 제시하는데 비해 10배 이상의 용량을 제시
고품질의 통화 서비스 제공
이동전화의 소비전력이적고, 소형 경량화 가능
   - 셀 반경이 같을 경우 CDMA방식의 단말기가 소모전력이 월등히 적다.
뛰어난 보안성
TDMA보다 넓은 셀 운영이 가능
   - 설치하거나 운용할 때 드는 비용이 상대적으로 저렴
가. 기술적 장점
첫째, CDMA는 경쟁방식인 GSM과 비교할 때, 음성품질, 배터리 사용시간, 통신 보안성, 주파수 이용효율 등 여러가지 측면에서 우수한 것으로 나타나고 있다. 음성품질은 유선전화 수준으로 선명하며, 통화절단현상이 없고 대도시 등 열악한 전파환경에서도 잘 작동한다.
둘째, 전력소비를 최소화함으로써 통화시간과 대기시간의 연장이 가능하다. 이론적으로 CDMA방식은 GSM과 비교할 때 동일전지를 사용할 경우 배터리 사용시간이 20∼30% 정도 길다.
세째, 통신 보안성 측면에서는 GSM과 비교할 수 없을 만큼 우수한 기능을 발휘한다.
넷째, 주파수 이용효율이 높아 이론적으로는 기존 아날로그 방식보다 9∼10배, GSM보다 3∼5배의가입자를 더 수용할 수 있다.
나. 서비스 측면에서의 장점
CDMA 기술은 다양한 서비스에 채택되어 그 기술적 장점을 입증하고 있으며, 서비스 시장에서도 점차 우위를 확보하고, 빠르게 확산되는 추세를 보이고 있다. 서비스 측면에서 CDMA의 장점은 다음과 같다.
첫째, 셀룰러/PCS 서비스 시장이 확대되고 경쟁이 가열화 함에 따라 서비스 사업자는 가입자 수의 확대와 통화요금의 인하를 원하고 있다. CDMA 기술은 향후 이동통신 사업의 주요 경쟁요소인 통화시간의 판매에 있어서 단연 유리하다. 그 이유는 개략적으로 동일한 비용조건하에서 보다 많은 가입자 수용용량으로 보다 낮은 이용료 책정이 가능하기 때문이다.
둘째, CDMA 기술의 음질향상과 다양한 부가기능의 발달로 1개망에서 이동전화와 WLL 서비스를 복합해서 제공할 수 있다. 즉, 가입자를 이동전화가입자와 고정서비스 가입자로 분리, 가입시키고 요금체계를 상이하게 운영하는 것이 가능하다. 또한 기본적으로 이동전화서비스를 제공하면서 특정기지국 반경내에서의 통화는 저렴한 요금을 부과하고 타기지국 지역으로 이동하는 경우에는 이동전화요금을 부과하는 형태의 서비스도 제공할 수 있다.
셋째, CDMA 기술은 통화가능지역의 조절기능이 있어, GSM에 비하여 적은 기지국 수로 설계 및 운영이 가능하다. 위와 같은 CDMA의 장점으로 이미 GSM이 설치된 국가에서도 CDMA가 진입할 수 있도록 하는 추세이다.
다. 경제적 측면에서의 장점
어떤 기술이라도 시장에서 생존하기 위해서는 시스템 및 단말기 가격이 적절해야 한다. 아무리 우수한 기술이라 할지라도 시스템이나 단말기가격이 지나치게 비싸면 이용자들이 외면해 결국 시장에서 성공할 수 없다. 현재 CDMA 단말기 가격은 아직까지는 핵심칩을 퀄컴이 독점공급하고 있고 주변회로의 집적화가 미비해 GSM에 비해 다소 높은 가격을 형성하고 있다. 그러나 최근 퀄컴외에 Cadence, DSPC, Motorola 등으로 핵심칩 공급선이 다변화되고 시장규모가 충분히 확보되고 있기 때문에 곧 GSM과 동등한 가격수준을 형성할 전망이다. 가입자당 기지국 설치비용은 기지국 수를 GSM의 70%만 설치해도 되고, 주파수 활용도가 높아 가입자당 실제 네트워크 건설비용을 40% 감소시킬 수 있어 최고의 수익성과 경제효율을 보장한다. 이는 한국과 중국에서 이미 증명되었다. 한편, 기술료의 경우 S/W도입비는 CDMA가 다소 높지만, 선급기술료나 경상기술료 등은 GSM이 높다. 그래서 총비용을 고려하면, 기술료도 CDMA가 GSM보다 유리한 것으로 나타나고 있다.
참고
아래 그림은 기존의 AMPS, US-TDMA, GSM에서 쓰고 있는 방식과 CDMA의 차이를 간단히 나타낸 것이다.


1.2  CDMA 방식에 나타난 이동통신의 특징 
1.2.1 대역확산 통신기술
대역확산 통신방식은 초기 군사용으로 사용한 전자파를 이용한 무선통신에서 적에게 도청이 되지 않고, 적의 방해전파에도 강한 통신방식을 구현하고자 하는 요구에서 출발했다. 그래서 장비가 복잡하고 송신시 전력제어가 곤란하여 일반용으로는 사용되지 못했다. 그러나 오늘날 첨단 전자 기술의 발달로 셀룰러 이동통신에서도 이 대역확산 기술을 사용할 수 있게 되었다.
일반적인 디지털 통신에서는 송신하고자 하는 데이터를 PSK나 FSK 방식으로 디지털 변조하여 송신한다. 그러나 확산 대역 통신에서는 디지털 변조된 신호에 고속의 확산부호를 곱하여 주파수의 대역폭을 광대역으로 확장 시킨후 신호를 전송한다. 그리고 수신부에서는 송신측에서 사용한 것과 똑같은 고속의 확산부호를 곱하여 주파수의 대역폭을 협대역으로 바꾸는 역확산 과정을 거친 후 복조를 하게 된다.
현재 디지털 셀룰러 CDMA방식에서는 10KHZ의 대역폭을 가진 신호를 1.25MHZ의 대역폭을 갖도록 확산 시키고, 이 확산된 정보 신호는 넓은 주파수 대역에 골고루 퍼져서 그 신호의 세기가 원래의 신호에 비해서 희미해지게 된다.. 따라서 이 신호를 수신 하려면 전체 주파수 대역을 모두 흩어 보아야 하므로 그 신호의 존재를 알기 어렵다고 볼 수 있다. 즉 전송 신호가 희미해지므로 다른 신호에 간섭을 적게 주며, 보안의 신뢰도가 높으며, 그리고 신호가 넓은 주파수 대역에 퍼져 있으므로 전파경로에서 간섭이나 잡음이 있더라도 넓은 주파수 대역 중 그 영향이 일부분에만 미치므로 그 영향이 상당히 감소하여 통화품질이 좋아질 수가 있다. 이것들이 바로 CDMA방식의 장점이라고 할 수 있겠다.
대역확산 통신방식에는 Frequency Hopping Direct Sequence 방식이 있는데, 이는 뒤에서 이야기 하도록 한다. (현재  Direct Sequence 방법이 주류이다. 이 방식에서는 code가 pseudo-random noise를 생성하는데 사용이 된다.) 아래 그림은 DSSS의 원리를 간단히 나타낸 것이다.
아래 두 그림(1.2.1-1, 1.2.1-2)은 어떻게 송신 데이터가 대역확산 과정을 거치고, 수신측에서 역확산 과정을 거쳐 원래의 데이터를 얻는지를 나타내고 있다.

 

<그림 1.2.1-1 확산 코드에 의한 통신>

<그림 1.2.1-2 송수신과정에서 대역확산 방식의 사용>

구체적으로 대역확산이 이루어 지는 것을 아래 그림에서 보면, 원래 송신 데이타의 대역폭이 확산코드에 의해서 확산신호의 대역폭 만큼 넓어졌음을 알 수 있다. 이 과정을 '확산(Spreading)'이라 하는데, 이때 송신 데이타가 가지고 있는 에너지는 일정하므로 데이타에 해당하는 크기는 넓어진 대역폭만큼 반비례하여 작아진다. 이렇게 신호를 전송할 때 대역폭이 넓어졌다고 해서 이러한 기술을 대역확산(Spread-Spectrum) 기술이라 한다.

<각 신호의 대역폭 비교>

수신측에서는 받은 확산신호에 다시 동일한 확산코드를 곱해서 원래의 데이타를 복구할 수 있다. 주파수 영역에서 보면, 확산신호의 대역폭이 다시 원래 데이타 신호의 대역폭으로 줄어들었는데, 이를 역확산(Despreading)이라 한다. 물론 여기서도 데이타가 가지고 있는 에너지가 일정하기 때문에 신호의 크기도 줄어든 대역폭만큼 다시 커져서, 다른 신호로부터 분리하여 데이타를 복구할 수가 있게된다.
1.2.2 간섭과 페이딩에 강한  CDMA
신호의 전송 도중에 확산신호에 강한 협대역 간섭 신호가 수신되었다고 가정하면, 이 두 신호가 수신기 쪽에서 역확산 과정을 거칠 때, 원래 송신했던 신호는 역확산이 되지만, 간섭 신호는 여기에서 확산 과정이 일어나서 그 크기가 확산된 대역폭에 반비례하여 줄어들게 된다. 아래 그림이 이를 설명하고 있다.
이동통신 환경에서 많이 나타나는 페이딩 현상의 원인은 다중경로에 의한 레일리 페이딩이 대부분인데, 페이딩이 일어나는 대역폭이 200kHz 내외로 좁기 때문에 CDMA의 확산된 신호 대역폭이 1.25 MHz인 것을 감안하면 페이딩이 발생하더라도 신호의 크기가 전체적으로 줄지 않고 일부만 페이딩이 되는 것과 같게 된다. 이는 다이버서티를 사용하는 것과 같은 효과를 내며, 또한 CDMA 방식에서는 레이크 수신기를 사용하므로 페이딩에는 강한 특성을 보이게 된다.
1.2.3 CDMA Celluar 표준
현재 IS-95C (cdma2000 for IMT-2000) 까지 표준안이 나와 있는데, 먼저 IS-95A (IS-95포함하여 14.4kbps까지)를 보자. (IS-95 에서는 최대 데이터 전송률을 9.6kbps 까지, 8kbps QCELP) 여기서는 wideband spread spectrum cellular 이동 통신을 위한 호환 표준에 대해서 정의하고 있다. 시스템의 quality reliability에 대한 언급은 없다. 채널의 생성과 파워 컨트롤, 호 처리, 핸드오버, 그리고 cellular 시스템 동작을 위한 등록 기술 등에 대해서 기술하고 있다.
호환을 위해서 Radio 인터페이스와  호 처리 프로토콜이 정의되어 있다. 그리고 Base Station 은 MS에 비해서 상대적으로 적은 호환성만 가지면 된다는 것을 알 수 있다.
추가적으로 TSB-74라는 specification이 있는데, 이는 IS-95A 시스템과 PCS CDMA 시스템간의 Interaction에 관해서 기술하고 있다. (IS-95 가 1993년 7월에 나왔고, IS-95A는 1995년 5월에 나왔다.)
(IS-95에서는 사실 transmitter 에 대해서만 규정하고 있다. receiver에 대해서는 정확히 규정하고 있지는 않다.)
◆ J-STD-008 : ANSI for PCS (1.8 ~ 2 GHz) 초기에 기존의 디지털 셀룰라와의 차별이 된다고 해서 표준이 따로 정해졌지만, 실제 큰 차이는 없다.
◆ IS-95B는 IS-95A 와 J-STD-008 를 둘다 같이 정의하고 있다.  
1.2.4 소프트 핸드오프가 가능한 이유
CDMA 시스템이 소프트 핸드오프를 지원할 수 있는 가장 큰 이유는, 통화채널의 주파수 대역이 같기 때문이다. 사용하는 주파수 대역이 같기 때문에 같은 RF 초단부분을 사용하고, 디지틀 부분인 확산과 역확산 과정에서 레이크 수신기를 이용하여, 서로 다른 확산 코드를 사용할 수 있도록하여, 동시에 두 개 이상의 기지국에 접속할 수 있도록 해 주기 때문이다.
여기서 CDMA의 이러한 특성과 관련해서 그 capacity 문제를 이야기해 보자. 소프트 핸드오프를 사용할 경우, 두 개의 채널을 동시에 잡게 되는 경우가 발생하게 되는데 그러면 채널 사용 용량이 많이 줄어드는 것이 아닌가 하고 생각할 수가 있다. 하지만, 뒤에서 이야기 되겠지만 CDMA 방식에서는 다중경로 페이딩과 관련하여 레이크 수신기를 사용하며 Path diversity의 효과를 볼 수 가 있기 때문에 채널 사용 용량이 줄어든다고 할 수 없다. (path가 여러 개이면 그만큼 frame error가 날 확률이 낮아진다.)
path 가 여러 개인 경우에 path 하나를 사용하는 것과 같은 프레임 에러율을 유지하는 것이, 상대적으로 더 작은 power의 사용만으로도 가능하므로 (power control을 통해서), capacity의 낭비가 아니라 오히려 전체 capacity가 증가할 수도 있다는 것이다.
1.2.5  레이크 수신기의 사용
CDMA 방식의 중요한 특징 중에 하나가 레이크(Rake) 수신기를 사용한다는 것이다. 다중경로의 영향으로 신호들이 서로 다른 시간 지연 (위상의 차이)을 가지고 수신기에 도착하게 되는데, (FDMA나 TDMA와 같은 협대역 시스템에서는 이들 서로 다른 신호들을 구분하지 못한다. 등화기를 사용...) 레이크수신기는 이들 다중경로 신호들을 잘 묶어서 해서 더 나은 신호를 얻을 수 있도록 해 준다. 즉 시간의 차이가 있는 신호를 분리해 낼 수가 있다는 것이다. CDMA방식에서는 시간차를 가지고 수신이 되어도 서로 독립적인 신호로 인식하므로, fading을 해결하는 다이버서티(diversity)방법을 고려한다면, 마치 시간 다이버서티와 같은 역할을 하는 것이다. 이와 같이 서로 다른 경로로 도착한 신호를 분리할 수 있는 이러한 수신기를 레이크수신기라 하고 이는 CDMA의 기본적인 대역 확산 원리에 의해서 얻을 수 있는 특성이다.
그 과정은 다중경로에 의해서 들어오는 각각의 신호를 별개로 분리해 내고, 경로 각각마다 demodulation을 하고 역확산(despreading) 과정을 거친 후, 이들 신호들을 combine하여 digital domain을 얻게 된다.
레이크 수신기는
4개의 수신기(현재 3개의 finger를 사용하여 신호가 센 것부터 3개의 경로를 처리하고 있으며, 또 하나는 searcher라 불리우는 것으로 기지국으로부터의 pilot 신호 세기를 계속해서 측정하는데, 핸드오프시에 신호세기를 판단하는데도 사용한다) 를 하나의 set으로 묶어 사용하는 것이라 생각할 수가 있다. 하나의 수신기가 다른 다중경로들을 찾고 그 정보를 다른 세 개의 finger들에게 알려주게 되고, 각 finger는 가장 강한 다중경로에 따라서 demodulation을 한다.
여기서 한가지 유의할 것은, 각 경로로부터의 신호를 combine하는 시점이다. CDMA의 소프트 핸드오프를 고려해야 하기 때문에, demodulation과 역확산이 이루어진 후에 combine이 이루어져야 한다. 서로 다른 기지국 A와 B가 있다고 하면, 이 두 기지국들은 서로 다른 Walsh 코드와 PN sequence를 사용하고 있기 때문에, 하나의 단말이 소프트 핸트오프를 위해서는 각 신호를 위와 같은 과정을 거친 후 동일한 신호정보로 인식해야 한다.
1.2.6 파워 컨트롤 (power control)
CDMA  방식의 이동통신망에서는 파워컨트롤을 얼마나 잘 하는지가 매우 중요하다. 왜냐하면 단말 각각의 파워 세기가 다른 단말들에게는 방해요소로 작용을 하기 때문에 셀의 용량에 상당한 영향을 미치게 되기 때문이다. 일반적으로 파워 컨트롤을 목적은 셀내의 모든 이동 단말들이 각각 자신의 이동단말에서 기지국으로 전달하는 신호의 세기가 거리에 관계가 없이 거의 같아지도록 하는 것이다. (near-far effect) 모두 같아지게 되는 경우를 퍼펙트 파워컨트롤이라고 하는데, 실제로는 구현하기가 어렵다.
다시 말하면, 만약에 기지국과 단말 사이의 채널이 symmetric 하다면 사실 특별한 파워 컨트롤이 필요 없이 기지국이 사용할 파워를 결정하면 된다. 하지만 이동통신 망 자체가 불균형 망 (기지국과 단말의 통신 능력이 다르다)이기 때문에 위에서 말한 파워 컨트롤이 필요하게 된다.
파워 컨트롤에 대해서는 뒤에 자세히 정리할 생각입니다. 저도 아직 아는 것이 없어서...
다음은 open loop power control의 그림입니다.
1.2.7 확산이득
데이터 신호의 대역이 확산코드에 의해서 얼마나 넓게 확산되었는지를 나타내는 것이다. 확산이득은 송신측에서 보면 신호를 주파수 대역에서 얼마나 넓게 분산시키느냐 하는 정도를 나타내는데, 즉 신호의 크기가 얼마나 줄어드는지를 나타낼 수가 있는데 이는 전파의 전파에서 잡음과 관련한 감쇄와 함께 고려해야 할 사항이다. (대역이 넓어 지면서 신호의 크기가 줄어드는 이유는 원래 신호가 가지고 있는 에너지 양은 일정하고, 이 에너지가 주파수 대역으로 넓게 퍼지게 되므로 넓게 퍼진 만큼 그 크기가 작아져서 에너지 보존의 법칙을 만족시킨다.), 수신측에서 보면 신호를 1 이라는 크기로 수신했을 때, 역확산 과정을 거치면 신호의 크기를 얼마나 크게 키울 수 있는 지를 나타낸다. 이를 확산이득으로 나타낸 것은 수신한 쪽에서 다른 신호와 같이 수신되었을 때 역확산 과정에서 다른 간섭신호는 다시 확산이 되므로 그 크기가 확산이 되는 만큼 줄어들게 된다.

Gp=10log(Bss/Bs)

확산이득 Gp는 위와 같은 식으로 나타나며, 여기서 Bss는 신호가 실리는 확산신호의 대역폭을, Bs는 데이터 신호의 대역폭을 나타낸다.
Up-banded IS-95 (QCDMA) 의 경우 확산이득은 Bss를 1228kHz라고 하면,
→8 kbps 보코더인 경우 : 21dB
→16 kbps 보코더인 경우 : 19.3dB  가 된다.
1.2.8 소프트 용량 (soft capacity)
CDMA방식으로 통신이 이루어지는 경우는 다른 방식과 달리 수용 용량이 가변적이라고 할 수가 있다. TDMA나 FDMA의 경우는 정해진 협대역 채널 각각이 하나의 통신을 위해서 사용되지만, CDMA의 경우는 주파수 스펙트럼 전체가 하나의 채널 공간으로 사용된다. 그래서 많은 사용자가 들어 올수록 상대적으로 통신의 질은 떨어지지만 서로 간의 간섭문제만 해결을 하면 사용자의 수용은 계속 이루어 질 수가 있다는 것이다. 그래서 이를 소프트 용량이라고 부르는데, 위에서 말한 확산이득과 관련하여 소프트 용량을 가진다는 것을 확인해 보자.

확산이득은

 

와 같다.

물론 어느정도의 질이 보장되는 서비스를 위해서는  당연히 용량에 제한이 오게 된다. 하나의 셀 안에서 전체적으로 쓸 수 있는 양은 대충 정해지게 되고 각 이동 단말에게는 얼마만큼의 파워를 적절히 나누어 줄 것인가가 이슈가 된다. 최근 멀티미디어 데이터의 전송이 필요하게 되었는데, 이를 위해 전송 데이터의 rate를 높이기 위해서는 파워를 높여 주는 것이 필요하다. 일반적으로 resource를 더 많이 할당해 준다는 것은  파워를 더 많이 쓸 수 있도록 해 준다는 것이다.(왜냐하면 bit당 에너지는 똑같기 때문이다.)
1.2.9 Walsh code 와 PN code
기지국과 단말기는 서로간의 통신을 위해서 호설정시 각각이 같은 알고리즘을 가지고 같은 PN 코드를 가지도록 한다.  CDMA에서는 PN sequence 에서 각각의 호가 시작부분(offset)을 달리 하여 서로간의 코드를 구분하는 방식을 사용한다. 즉, 각 단말들은 offset만이 다른 코드를 사용한다는 것이다. 그래서 offset의 설정이 하나의 중요한 문제가 된다.
CDMA 방식이 사용하는 대역확산 통신방식은 확산코드로 완전 잡음과 같은 신호를 확산 신호로 사용해야 한다. 그러나 단지 잡음과 같은 확산코드로는 각 가입자 마다 서로 다른 코드를 사용해야 하므로, 다중접속방식으로 적절하지 않다. 따라서 IS-95 에서는 순방향 채널에 대해서는 직교확산 방식을 사용한다. IS-95 방식에서는 3가지의 코드를 사용한다.
첫 번째, forward 채널에서 기지국이 송신하는 각 채널을 이동 단말이 구분하기 위해서 사용하는 직교확산 코드인 Walsh 코드가 있다.
두 번째, reverse 채널에서 사용하는, 즉 기지국이 각 가입자를 구별하는데 사용하는 긴 코드(Long Code)가 있다.
세 번째로는 이동 단말이 각 기지국을 구별하는데 사용하는, 즉 기지국이 사용하는 짧은 코드(Short Code)가 있다.
IS-95 방식에서 사용하는 Walsh 함수는 64 비트로 구성되어 64가지 종류가 있다. 이를 W1, W2, W3, ···로 구분한다. Walsh 함수는 서로 다른 코드를 곱하면(Exclusive OR), 0 (또는 -1) 과 1 이 섞여서 나오고 이를 모두 평균하면 0 이 되도록 되어 있고, 같은 코드를 곱하면 모두 1 이 나와서 확산 신호에 숨어있는 데이터를 복구할 수 있게 된다.
현재 IS-95 방식에서 사용하는 64 비트로 구성된 Walsh 함수를 <그림>에 나타내었다.  
Walsh 함수의 직교성을 쉽게 살펴보기 위하여 4비트로 구성된 Walsh 함수를 가지고 다른 코드를 곱했을 때와 같은 코드를 곱했을 때를 비교해서 보여주면 <표 2-3>과 같다.  
위에서와 같이 같은 Walsh 함수를 곱한 마지막의 경우에는 Walsh 함수의 곱 결과가 모두 1이 되어서 Walsh 함수와 곱해진 데이터 신호가 나타나게 된다. 그러나 다른 Walsh 함수를 곱하면 결과가 '-1'과 '1'이 번갈아 나와서 원래의 신호와 이 곱해진 결과과 다시 곱해져 있게되어 원래 신호를 복구할 수 없다. Walsh 함수는 또한 다른 Walsh 함수 뿐만 아니라 같은 Walsh 함수라도 한비트만 동기가 맞지 않아도 다른 Walsh 함수를 곱했을 때와 같은 결과를 주기 때문에 동기를 반드시 일치 시켜야 한다.
1.2.10 보코더(Vocoder)
1.2.10-1
PCM은 일반유선 전화에서 주로 사용되는 것으로 사람의 음성신호를 64Kbps의 데이타 전송율로 바꾸어 주는데 64Kbps란 1초동안 음성신호를 64000개의 디지털 신호로 쪼개준다는 의미이다.
일반적으로 1초에 1비트의 정보를 보내기 위해서는 주파수 대역폭 1Hz가 필요하다고 합니다.. 따라서 음성신호를 디지털로 바꿀 때 가능하면 낮은 데이타 전송율로 변환하여야 주파수 사용 효율을 높일 수 있는데 이를 위해 Vocoder에서는 PCM에서 만들어진 64Kbps의 데이타에서 목소리의 특징만을 뽑아내어 8.6Kbps. 4.0Kbps. 2.0Kbps. 0.8Kbps의 4가지 데이타 전송율 중 선택적으로 변환한다.
말소리가 빠를때는 8.6Kbps의 데이타 전송율로 변환시키고, 말이 느릴 때는 4.0Kbps의 데이타 전송율로 변환 시킨다. 그리고 사람이 말을 거의 하지않는 경우는 2.0Kbps나 0.8Kbps중의 하나로 변환한다. Vocoder는 이렇게 사람이 말을 느리게 하는 경우 데이타를 낮은 전송율로 가변적으로 변환하여 주파수를 효율적으로 사용할 수 있도록 해 준다.
1.2.10-2 EVRC(Enhanced Variable Rate Speech Codec)
현재 디지털 이동전화 시스템에서는 음성신호를 1초에 8000개의 디지털 신호로 쪼개는 8KQCELP 방식을 사용하고 있다고 합니다.(아마도 sktelecom은...) EVRC는 이런 8Kbps의 전송속도를 가진 디지털 이동전화의 음질을 획기적으로 높여줄 수 있는 소프트웨어라고 하는데, PCS서비스 업체에서 통화 품질 문제를 자꾸 이야기하니까, 디지털휴대폰업체에서 내 놓은 기술이지요. QCELP에 기반하고 있습니다. EVRC기술은 통화 중 발생하는 잡음을 줄여주고 잡음이 심할경우 통화자의 목소리를 자동으로 키워주는등 사람의 목소리를 원음에 가깝게 재생할 수 있도록 해 준다고 합니다.
1.2.11 Multiple Access Control (MAC) in mobile communications
1.2.12 Security in the CDMA system
1. CDMA 기술은 상대적으로 다른 방식보다 뛰어난 보안성을 보이는데, 이것은 사용자마다 고유PN (Pseudo Noise) 코드를 사용하여 암호화하여 통화 비밀을 유지하도록 해 주기 때문이다.
2. CDMA 망 구축 및 제어부문(인증, 메시지 암호화 및 통화 보안관련)을 살펴보면, (1) CAVE 인증 알고리즘을 사용하며 (2) 이동국과 기지국은 메시지의 계층 3에 대해서만 암호화를 실시하며, (3) 사용자별 긴 코드 마스크가 사용되므로 통화의 프라이버시를 보장한다.
3. 참고로 CDMA 망에서의 통화접속 절차를 보자. (나중에 착발신 호 설정 순서에 대해서 정리하죠)
(1) 이동국은 사용자 번호 입력후 송신
(2) 이동국은 발신메시지 송신(ESN,MIN,전화번호)
(3) 기지국은 이동국에 통화채널 할당
(4) 기지국은 전화번호를 이동교환전화국에 전송
(5) 통화채널 초기화
(6) 기지국은 긴 개인코드 사용으로 통신보안 유지
(7) 기지국은 사용자 인증 수행
(8) Ring Back Tone : 음성 채널을 통하여 음성부호화된 통 송신 또는 이동국의 음성부호기에서 톤 생성
(9) 사용자 대화

1.3 CDMA 시스템에서 이동 단말(Mobile Station)과 기지국의 동작 과정

1.3.1 CDMA 시스템의 MS 초기화
크게 CDMA 시스템 결정 단계, pilot 채널 획득 단계, 기지국과의 동기화를 이루는 단계, 그리고 마지막으로 timing reference를 통해서 기지국과의 동기를 계속 맞추어 나가는 단계로 구성된다.
1. CDMA 시스템 결정단계 (fc 도 여기서 결정)
사용할 아날로그/CDMA 시스템 결정
2. pilot 채널 획득
기자국과의 동기화를 위해 pilot 채널 획득이 필요하고, 그리고 동기화를 위해서는 사용할 offset을 알아야만 한다. 이미 pilot PN sequence를 MS도 알고 있기 때문에, MS는 우선 demodulation을 통해서 기지국으로부터 받게 되는 chip sequence를 얻을 수가 있고, 이 chip sequence를 받으면서 bit하나씩을 이미 알고 있는 PN sequence 와 비교해 보고 MS 자신이 PN code의 어느 부분부터 수신을 하게 되었는지를 알 수가 있다. 그래서 이를 알게 되어 PN sequence와 동기시킬 수가 있게 된다. 즉 pilot 채널을 획득한 것이다. 이제 offset을 알아야 하는데, 이는 3.sync 메시지 획득에서 이루어진다.
3. sync 메시지 획득
2에서 말한 것처럼 offset을 얻기 위해서는 마찬가지로 demodulation과정을 통해서 우선 walsh 32 code를 얻는다. CDMA 방식의 modulation 방식을 보면 interleaving 과정을 거친 각 bit symbol들은 64 chip의 walsh code와의 연산을 통해서 4배의 길이로 바뀌어진다. 그래서 여기서도 그 demodulation 과정에서 4번씩 반복되는 code를 보고 원래의 convolution 전 단계의 실제 information을 알아낸다. 이 메시지에서 frame의 시작과 끝을 알 수가 있고(frame flags) 그 안의 정보가 얻고자하는offset과 paging 채널의 data rate, 그리고 sync time 등이다.
4.timing reference
MS는 하나의 셀 안에서 이동을 계속한다. 따라서 기지국과의 거리에 따라서 앞 단계에서 MS가 기지국과의 sync를 맞추었음에도 불구하고 propagation delay 때문에 sync가 맞지 않을 수가 있다. 그래서 top reference 에 맞추기 위해서 MS는 (modulation과정에서 보면) 1/2 PN chip 만큼의 차이가 나면 time reference를 조정한다.
 

1.3.1 CDMA 순방향 채널 구조

1.3.2 CDMA 역방향 채널 구조

access 채널의 경우


traffic 채널의 경우


 

2. Paging 채널을 통해서 시스템 관련 메시지 받기
3. Access 채널을 통해서


2. Mobility Management (location update & paging)

  2.1 Handoff (Handover)

2.1.1 핸드오프의 정의
핸드오프(유럽권에서는 핸드오버라고 부른다.)는 한 셀에서 다른 셀로 이동해 갈 때 현재의 통화채널을 새로이 들어가게 되는 기지국의 통화채널로 자동적으로 전환해주는 것을 말한다. (아래 그림 2.1.1-1) 즉, 이동 단말이 서비스중인 기지국(또는 섹터) 영역을 벗어나 다른 기지국(또는 섹터)으로 이동을 할 때, 계속 통화를 유지하기 위해 통화로를 이동한 셀로 바꾸어주는 것을 말한다.
AMPS시스템에서는 새로운 통화 채널을 열기 전에 기존의 채널을 먼저 끊는 "break before make" 방식의 hard hand off를 사용 하였으나 CDMA시스템에서는 대부분의 hand off가 채널을 먼저 연결하고 기존채널을 끊는 "make before break"방식인 soft hand off 가 사용된다.
( 조금 다른 또하나의 방식으로 softer hand off가 있다. 위에서 섹터 이야기가 나왔는데 이와 관련해서, 하나의 셀을 몇 개의 섹터로 나누어 쓰는 경우 셀간의 핸드오프보다 더 자연스럽게 핸드오프를 할 수가 있는데, 그래서 붙여진 이름이 softer hand off 이다. 교환기와 상관없이 기지국 자체가 핸드오프를 수행할 수 있다는 것이다.)
<그림 2.1.1-1>
2.1.2 핸드오프 방식
핸드오프는 위에서 이야기한 것처럼 크게 하드 핸드오프(break-before-make)와 소프트 핸드오프(make-before-break) 방식으로 구분할 수 있다. 이동하면서 다른 셀로 넘어갈 때 기존 기지국과의 연결을 먼저 끊고 다른쪽 셀에서 다시 연결을 하는지(Hard Handoff), 아니면 2개의 연결을 유지하다가 원래 있던 곳의 연결을 끊는지(soft handoff)의 여부에 따라서 이 두가지 방식이 정해진다.
하드 핸드오프는 예전의 AMPS에서나 GSM에서 사용되었고, CDMA에서도 하드 핸드오프가 가능하지만 소프트 핸드오프를 사용한다. 그런데 이동국이 다른 교환국(MSC)에 속해 있는 기지국으로 이동할 경우, 다른 주파수 채널로 통화 채널을 변경할 경우, 또 서로 다른 프레임 옵셋(Frame Offset)을 가지는 통화 채널로 변경할 경우에는 하드 핸드오프를 한다. 즉, 소프트 핸드오프는 동일 주파수, 동일 프레임 옵셋, 동일 교환기에 속해 있는 기지국 또는 섹터간에 핸드오프를 할 경우에 사용된다.
CDMA 방식에서 특별히 소프트 핸드오프가 가능한 이유는 위 1.2.4 에서 말한 바와 같다. 소프트 핸드오프 방식을 사용하면, 호 봉쇄율(call drop rate)이 줄어들고, ping-pong 효과를 없애 핸드오프 신호 발생을 줄일 수가 있다.
2.1.3 로밍 (Roaming)
위에서 말했듯이 이동전화망에서 핸드오프가 필요한 것처럼, 사용자의 이동에 따라 서비스 시스템은 그에 따른 서비스를 가능하게 해 줄 수 있는 능력이 필요하게 된다. 일반적으로 이러한 서비스를 로밍 (Roaming)서비스라고 한다.
일반전화망(PSTN)에서 시내교환국에 가입자 정보를 등록,관리하고 있는 것처럼 이동 전화망에서도 가입자 정보를 저장하고 있다. 최초로 가입자가 등록한 교환국이 있는데 이 교환국을 가입자의 홈교환국(Home Switch Offoce)이라 한다. 현재 우리가 부여 받게 되는 단말기위 앞 세자리의 번호범위가 지역마다 정해져 있는데, 이것이 자신의 홈교환국을 지정하는데 사용된다.
홈교환국은 등록된 가입자에 대한 각종 정보를 교환기 내에 있는 HLR (Home Location register)라는 데이터베이스에 저장해 놓는다. 이동전화 가입자는 자신의 각종 가입정보가 저장된 홈 교환국권 (Home Area)을 벋어나서도 이동전화 서비스를 받을 수 있는데, 이는 타 지역에 들어갈 경우에도 자신의 위치를 그 타지역에 등록 (VLR 사용)하여 자신의 위치를 알리는 작업을 수행하기 때문이다.
로밍이 수행되는 과정은 이동국이 홈 교환국권(Home Area)을 벗어나서 타교환국권(Visited Area)으로 들어갈 때 이동국은 그 지역의 교환국과 신호교신을 통해 자신이 위치한 지역의 교환국에 자신의 위치정보를 등록하고, 교환국은 자기지역으로 들어온 이동국의 위치정보를 홈교환국으로 통보하고, 홈교환국으로부터 이동국에 대한 각종 정보를 (HLR에 들어있는) 제공받아 VLR (Visitor Location Register)에 저장한다. 또한 홈교환국은 상대측교환국 (자기가입자가 이동해 있는 지역의)으로부터 통보받은 이동국의 위치정보를 HLR에 기록한다. 이런 과정을 통해 이동국이 위치한 지역의 교환국에는 이동국의 정보가 등록되고 그 지역에서도 통화가 가능하게 된다.
사실 이렇게 말은 간단하지만, 실제 시스템에서는 사용자 위치 확인과 등록 작업이 쉽게 이루어지지 않는다. Location registration Paging에서 좀 더 많은 것을 다루도록 한다.
로밍은 한 사업자의 교환기 사이에서만 일어나는 것은 아니다. 우리가 요즘 흔히 들을 수 있듯이, 사업자간이나 국간간 사업자간에도 로밍 협약을 체결하여, 다른 사업자의 장비를 이용해서도 서비스를 하고 있다. 초기에는 로밍이 가능한 다른 나라에 갈 경우, 단말기를 빌려야 하는 번거러움이 있었지만 최근에는 그런 문제점이 어느 정도 해결되어 신청만 하면 사용중인 단말기를 그냥 사용할 수 있는 서비스가 제공되고 있다. 
물론 IMT-2000 서비스가 시작되면, 지금의 로밍 개념은 달라질 것이다.
위성과의 연계를 통한 범세계적 공통 주파수 사용과 전세계적 로밍 기능을 제공할 것이기 때문에, 사막과 해상 등 통신시설을 설치할 수 없는 지역까지도 서비스를 제공할 수 있을 것이기 때문이다.

  2.2 CDMA Handoff Process

간단히 CDMA에서 사용되는 소프트 핸드오프의 과정을 이야기하면, 우선 이동 단말이 현재의 A 기지국에 "어떤 B 라는 기지국으로부터의 신호가 더 크니까 핸드오프를 해야겠다" 라고 핸드오프 요구를 한다. 그러면, 현 기지국 A는 이를 BSC(Base Station Controller)에 알리게 되고, 기지국  B는 페이징을 통해서 그 이동단말을 찾아 통신하게 된다. 여기서 만약 이동하는 단말이 새로이 들어가게 되는 셀 B가 셀 A가 속해 있던 BSC에 함께 속해 있는 것이 아니라면, BSC는 단말의 핸드오프 요구를 MSC에까지 알려서 다시 B가 제어받고 있는 해당 BSC를 찾은 후 위와 같은 과정을 거치게 된다.
실제 핸드오프의 과정을 핸드오프 threshold variable들과 같이 연관시켜 살펴보자.

여러 곳에서 오는 pilot 채널들의 신호 세기를 계속해서 측정하고 있던 이동 단말은 이동하다가 어떤 하나의 신호가 T_ADD값을 넘어서게 되면 얼마 동안의 시간동안 유지한 후 핸드오프에 들어갔다고 판단하고 기지국에 이를 알리고, 기지국은 핸드오프 방향 메시지(handoff-direction message)를 날리게 된다. 다시 빠져나가는 것을 생각하면, 신호의 세기가 T_DROP 이하로 떨어져서 얼마동안 유지가 되면 해당 기지국은 그 단말이 빠져 나간 것으로 여기게 되는 것이다. 핸드오프 구간은 위 그림에서 빗금친 부분에 해당한다.
핸드오프를 위해서 이동 단말은 pilot 채널들에 대한 정보를 가지고 있어야 하는데, 이동단말의 입장에서 기지국들을 분류한 것이라고 생각할 수가 있다.

→Active Set : 이동 단말에 할당된 순방향 트래픽 채널과 같은 기지국 (섹터)의 파이롯

→Candidate Set : 현재 Active set은 아니지만 충분한 크기로 수신되는 파이롯

→Neighbor Set : 현재 Active나 Candidate set에는 없지만 candidate 가 될 수 있는 파이롯

→Remaining Set : 현재 시스팀으로 위의 집합을 제외한 가능한 모든 파이롯

예를 들자면, 위 그림과 연관지어 생각하면 핸드오프 구간에 들어가는 기지국이 active set이 되고 그 바로 직전에 T_ADD 값을 넘어서는 순간부터 핸드오프 구간의 시작까지에 해당하는 기지국들이 candidate set이 된다는 것이다. T_ADD 값을 넘어선 후 얼마간의  threshold 시간을 두는 이유는 pingpong 핸드오프 현상을 막기 위해서이다.


2.3 Location Update

이동단말은 말 그대로 위치를 이동하기 때문에 그 위치 추적과 등록이 필요하게 된다. 현재 이동단말 이용자들의 위치 등록은 IS-41 표준안을 따르고 있는데, 이를 위한 많은 방법들이 있다.
쉽게 생각해서 사용자가 다른 기지국에 들어갈 때마다 위치등록을 하고, 기지국도 paging을 계속하면 된다고 할 수 있다. 하지만 이 경우 그 cost가 너무 크고 비효율적이다.그래서 일반적으로 생각되는 것이 location area 단위로 location을 report 방법이다. LA라는 것은 몇 개의 셀 묶음을 말하는데, 즉 셀을 옮길 때마다 기지국에 자신의 위치를 알리지 말고, 하나의 group인 LA를 벗어날 때만 알리자는 것이다. 즉 할 일을 LA 단위로 하자는 것이다. 그래서 데이터 베이스에도 각 사용자들의 위치를 나타내기 위한 셀 ID 대신 LA ID를 가지도록 한다.
이런 방법을 쓸 경우, 이 LA 크기의 결정이 paging 시의 cost와 tradeoff 가 있다는 것을 고려하여 이 tradeoff에 따라서 정책을 달리해야만 한다. 왜냐하면 Total location management cost 는 location update cost + paging cost 로 주어지기 때문에, 사용자의 Call rate와 mobility rate를 parameter 로 고려할 때, 어떤 사용자로의 call이 많은 경우 paging cost를 줄이는 것이 좋고, 사용자의 mobility가 높은 경우 location update cost를 줄일 수 있는 방법을 생각해야만 하기 때문이다. 즉 call-to-mobility ratio(CMR)를 통해 LA size를 결정해야 한다.
Intelligent paging : 확률적으로 순차적으로 LA중에서 paging을 하고, location update는 하지 않는 방법도 있다고 한다. 이 경우 얼마나 확률적으로 위치를 잘 찾아내는가 하는 것이 문제가 되겠다.
2.3.1 LR (HLR + VLR)의 계층적 구조
이동 단말 사용자의 위치 정보를 위한 데이터베이스로 사용하는 LR (location register)은 HLR과 VLR의 계층적인 구조를 가지며, IS-41표준안을 따르고 있다.(데이터의 교환은 X.25나 SS7 signaling network를 이용, 우리나라는 SS7. <그림 2.3.1-1>)
이 계층적인 데이터베이스 구조를 사용하는 것은 LR update를 위한 Long haul traffic을 줄이는 것이 가장 중요한 목적인데, 즉 불피요한 traffic은 만들지 말자는 것이다.
2.3.1-1 계층적구조 및 과정
Home location register (HLR)은 기본적으로 각 사용자의 전화번호와 VLR ID를 가지고 있고, Visitor location register (VLR)에는 각 사용자들의 전화번호와 LA ID가 있다.
▶ MSC마다 VLR이나 HLR이 설치된다.
▶ 같은 VLR 구역 내에서 이동단말의 이동시 LA만 바뀌는 경우 (MSC내 이동) : VLR만 update하면 된다.
▶ long haul trunk 을 이용할 필요 없다. (예를 들어, 서울지역을 HLR로 가지고 있는 사람이 부산에서 기지국간을 왔다갔다 하는 경우, 부산지역 내에서의 signaling traffic만으로 해결한다.)
▶ VLR 구역이 바뀌는 경우 (MSC간 이동)
   →새로운 MSC는 HLR을 통해 해당 전화번호의 profile을 요청한다.
   →VLR에 신규등록
   →기존 VLR에서 삭제

2-3 Paging

2.4 Performance의 측정

▶ call-to-mobility ratio 당 DB transaction 수
▶ call-to-mobility ratio 당 hop 의 수
▶ call-to-mobility ratio 당 traffic의 양

2.5.1 핸드오프를 리소스(resource) 관점에서 보자.


3. Current Issues

3.1 트래픽의 불균형(asymmetric) 문제

기존의 이동통신에서의 음성통신은 양방향(duplex)방식으로 통신양이 비슷하다. 하지만 멀티미디어 통신을 고려하게 된 지금, 이동 컴퓨팅에서는 트래픽의 불균형 문제를 생각해야만 한다. 데스크탑 컴퓨터에서 이루어지던 웹 브라우징 같은 것도 이제는 이동 단말에서 이루어질 수 있어야 하는 시대가 되었다. reverse link 로는 수십 Kbyte 정도면 되겠지만, forward link 로는 그림 등 훨씬 더 큰 트래픽이 발생하게 된다. 그런데 컴퓨팅 파워는 여전히 기지국에 집중되어 있기 때문에 이런 트래픽의 불균형 문제를 해결하는 방법이 고려되어야만 한다.
현재 사용되고 있는 FDD 방식에서는 reverse link의 트래픽 양이 forward 의 약 20% 정도도 안 되기 때문에 (80%의 낭비, 양방향을 고려하면 40%의 낭비, 셀마다 달라질 수 있다.) 이를 개선하는 방법이 필요하게 된다. 그래서 나온 것이 CDMA/TDD 이다. (멀티미디어 트래픽 해결 방법 중의 하나이다.) 이 방법에서는 현재 20MHz(10MHz+10MHz)를 사용하고 있는 기지국과 이동단말간의 대역폭을 시분할 방법을 통해서, time slot에 따라 단말과 기지국이 쓰는 것을 나누도록 한다. 이렇게 시간 슬롯을 나누어 사용하게 되면 좀 더 유연하게 resource(power + time slot) 를 사용할 수 있게 된다.
3.2 IMT-2000
3.2.1 IMT-2000 의 등장
3.2.1.1 IMT-2000 국제 표준화 추진 일정
92 주파수대역폭 지정완료(WARC92)
97 추가주파수 지정론의 대두 (WRC97)
97~99 유럽·일본 W-CDMA방식 지지, 미국 cdma2000 지지  
99.3 무선접속규격에 대한 주요 특성 정의 (ITU)
99.6 동기/비동기 통합표준안 ITU에 권고 (OHG)
99년말 IMT-2000 표준안 확정 (ITU)
2000.5 무선접속규격 세부표준승인 무선총회
2000.6 IMT-2000 추가 주파수 할당안 확정 (WRC2000)
3.2.2 IMT-2000 이란 무엇인가?
언제 어디서나, 하나의 단말기로, 음성-영상-데이타를 포함한, 유무선 통합의 초고속 멀티미디어 서비스를 해 주는 글로벌 로밍이 가능한 제 3세대 이동통신 서비스이다.
3.2.2.3 기존 단말기와의 차이점
가장 중요한 차이점은 데이터 전송속도다. CDMA 단말기의 최대 데이터 전송속도가 9.6Kbps, PCS 단말기의 전송속도가 28.8Kbps인 것에 비해 IMT-2000의 데이터 전송속도는 최대 2Mbps까지 구현가능하다. 그래서 IMT-2000은 단말기에 부착된 초소형 영상카메라를 이용해 영상 데이터를 전송하더라도 끊김현상이 거의 없어 선명하면서도 생생한 화면을 보며 통화할 수 있다. 이를 위해 IMT-2000 단말기에는 단말용 영상부품인 컬러 액정화면을 비롯해 고성능 CMOS 카메라, 비디오 코덱 등 각종 첨단 부품이 내장돼 있다. 사람의 음성을 디지털로 변환, 압축하는 알고리듬(보코더)의 성능 또한 CDMA는 8Kbps, PCS는 13Kbps인 것에 반해 IMT-2000은 8∼32Kbps로 크게 향상됐다.  
3.2.3 IMT-2000 서비스와 응용
3.2.4 IMT-2000 과 현 이동시스템의 서비스 비교
3.2.5 IMT-2000 과 기존 시스템의 미래
세계 이동통신시장을 선도하여 나가는 두가지의 방식은 CDMA와 GSM 방식이라고 할수 있다. _98년 현재 세계 CDMA 가입자수는 1천 6백만명 수준이며, GSM은 1억 5백만명으로 GSM이 압도적인 우위를 나타내고 있다.) In-Stat, Total Worldwide Subscribers of '1998 Subscriber Unit Sales and Subscriber Forecast', 1998, Jan.
그러나, Datacomm Research사의 시장전망에 따르면, 2003년에 CDMA 가입자는 1억 6천5백만명으로 예측되어 GSM의 1억 6천 4백만명을 능가할 것으로 전망된다. 이와 같은 전망은 주로 아시아 지역(7천8백만 가입자 예상) 및 북미지역의 성장(5천3백만 가입자 예상)에 기인하는 것으로 나타나고 있다. 이와 같이 CDMA 시장은 아시아, 북미지역을 중심으로 세계 주력시장에서 급속한 성장이 예상되고 있다. GSM은 100개가 넘는 국가에서 채택되었으나, 가입자의 2/3이상이 유럽에 편중되어 있고, 대부분이 소규모 국가 또는 개도국 중심으로 보급되었기 때문에, 성장에 한계를 보일 것으로 전망된다.
지역별 시장현황과 전망을 보면, 유럽에서도 서유럽지역은 아직 GSM이 지배적이지만 동유럽지역, 특히 러시아는 WLL을 통한 CDMA의 시장확대가 두드러지고 있다. 북미지역에서는 디지털방식중 CDMA가 지배적인 방식으로 보급되고 있다. 아시아 지역에서는 GSM 가입자수가 CDMA 가입자수의 2배를 넘고 있으나, 한국과 일본을 중심으로 CDMA 네트워크가 날로 확장되고 있다. 또한 CDMA WLL이 중국, 인도네시아, 필리핀 등에서 건설되고 있어 이 지역에서의 CDMA시장 확대가 예상된다. 또한 라틴아메리카 지역에서는 GSM이 칠레에 국한된 것에 비해 CDMA는 전 국가에 걸쳐 이동전화 및 WLL분야에서 보다 빠른 성장세를 보이고 있다
3.2.5.1 cdmaOne 진영의 IMT-2000전망
3.2.5.1 CDMA 시장 전망과 세계적인 확산
CDMA와 GSM 방식은 현재 세계 이동통신시장을 양분하고 있다. 1998년 현재 세계 CDMA 가입자 수는 1,600만명이며, GSM은 1억500만명으로 GSM이 압도적인 우위를 나타내고 있다. 그러나, Datacomm Research사의 전망에 따르면, 2003년에는 CDMA 가입자가 1억6,500만명으로 예측되어 GSM의 1억 6,400만명을 능가할 것으로 전망된다. 이와 같은 전망은 주로 아시아 지역(7,800만 가입자)과 북미지역의 성장(5,300만 가입자)에 기인하는 것으로 나타나고 있다. CDMA는 신호를 암호화함으로써 통신의 비밀 보장이 가능할 뿐만 아니라, 소프트핸드오프, 단말기에서의 깨끗한 통화 기능 등으로 통화 품질이 우수하며, 주파수 이용 효율이 높아 이론적으로는 GSM보다 3∼5배의 가입자를 더 수용할 수 있다는 기술적인 장점을 가지고 있다. 그리고 동일 지역을 기준으로 CDMA는 망 구축에 소요되는 기지국 수가 GSM에 비해 적어 망 구축비용이 40% 이상 저렴하다. 1개망에서 이동전화와 무선가입자망 서비스를 복합해 제공할 수 있어 이동전화  가입자와 유선전화 가입자로 분리하여 가입시키고, 요금체계를 다르게 운영할 수 있다는 장점을 갖고 있어 앞으로 CDMA는 빠르게 확산될 것으로 기대된다.
지역별 시장 현황을 보면, 유럽에서도 서유럽지역은 아직 GSM이 지배적이지만 동유럽지역, 특히 러시아는 무선가입자망을 통한 CDMA의 시장 확대가 두드러지고 있다. 북미지역에서는 디지털방식 중 CDMA가 지배적인 방식으로 보급되고 있다. 아시아지역에서는 GSM 가입자 수가 CDMA의 2배를 넘고 있으나, 한국과 일본을 중심으로 CDMA가 날로 확장되고 있다. 라틴아메리카에서는 GSM이 칠레에 국한된 반면 CDMA는 전국가에 걸쳐 빠른 성장세를 보이고 있다.
IMT-2000이 기존의 각종 이동통신 서비스를 흡수, 통합해 나갈 것이라고는 하지만, 이와 병행하여 기존의 서비스들도 제각기 그들 서비스의 고도화가 진행될 것이므로 예상되며 상당기간동안은 양세대 서비스들이 병존하며 경쟁하게 될 것이라고 한다. 아래의 그림은 그 추세를 나타내고 있다.
 
아래 그림은 GSM(TDMA/FDMA)방식과 CDMA방식의 발전 추세를 보이고 있다.
 
 
3.2.6 synchronous vs. asynchronous
IMT-2000은 크게 미국이 주도하고 있는 동기식(cdma2000)과 유럽과 일본이 주도하고 있는 비동기식(WCDMA)으로 구분된다. 동기식은 위치추적시스템(GPS)을 이용해 기지국의 시각(절대시각)을 일치시키는데 반해, 비동기식은 기지국 자체 클록으로 이를 조정하는 방식을 말한다. 그리고 동기식과 비동기식은 무선 기반기술에서 차이가 나는데, 동기식은 퀄컴의 CDMA기술인 IS-95를 기반으로 하는데 반해 비동기식은 범유럽 표준 이동전화기술인 GSM을 기반으로 한다. 하지만 동기식과 비동기식 모두 무선 다중화기술로 광대역 CDMA(W-CDMA)방식을 이용하는데는 차이가 없다. (전자신문 1999년 1월1일자 기사 참조)
그러면 동기식 시스템에서 기지국간에 동기화를 시키는 이유는 무엇인가? 간단히 이야기 하면 이동 단말이 다른 셀로 이동할 때는 셀 획득(cell acquisition)이 필요한데, 이를 빨리 처리하기 위한 것이 주된 이유라고 할 수 있다. 즉, 핸드오프를 하는 경우 단말기는 자신의 searcher로 誰仄뭇湧?신호를 측정하고 있다가 신호세기에 따라서 기지국이 보내는 short code(기지국의 ID)를 빨리 인식해야 하는데 이를 위해서는 기지국간의 동기가 필요하다는 것이다.
비동기식 시스템은 그러면 어떻게 하는 것인가? (잘 모름) 동기식과 달리 여기서 가장 중요한 것은 기지국들이 자체 클록을 가지기 때문에, 단말기 입장에서 어떻게 빨리 셀 획득을 하느냐 하는 것이겠지요. 이를 위한 알고리즘이 무지 중요하다고 하는군요. (최근에 신세기통신의 한 연구원이 획기적인 알고리즘을 만들어냈다고 합니다.)
(참고로 우리나라는 미국의 GPS위성을 사용하고 일반적으로 3개의 위성으로부터 신호를 받아서 기지국 마다의 거리차에 의한 propagation delay 차를 보정한다고 한다.)
자세한 내용은 정리가 되는대로...
3.3 W-CDMA
CDMA 방식의 가장 큰 장점은 수신신호가 외부 잡음신호에 비해 보다 강하다는 것인데, 그 이유는 CDMA 방식이 FDMA나 TDMA 방식에 비해서 비교적 넓은 주파수대역에 걸쳐 신호를 확산시키기는 방법을 사용하기 때문이다. 시스템에서 쓸 수 있는 전체 주파수 대역폭은 동일하더라도 채널당 주파수 대역폭을 넓게 사용함으로써 그 넓이만큼 외부 잡음신호의 세기를 감소시킬 수 있는 것이다.  
물론 채널당 주파수 대역폭을 넓게 사용하는 과정에서 가용 채널(CDMA에서는보통 FA라고 일컬음) 수는 현저하게 줄어든다. 그러나 CDMA에서는 한 채널을 여러 사용자가 공유할 수 있도록 사용자들을 코드로 구분하기 때문에 동시에 서비스할 수 있는 사용자 수는 오히려 증가한다. 이와 같은 사실로 미루어 볼 때 현재의 디지털 셀룰러나 PCS에서 사용하는 채널당주파수 대역폭(1.25MHz)에 비해 더 넓은 대역으로 신호를 확산하게 되면 보다 좋은 성능을 얻을 수 있음을 쉽게 알 수 있다. 이러한 방식이 광대역 부호분할 다중접속 방식인 W-CDMA이다. 이는 차세대 이동통신 서비스인 IMT-2000에서 세계표준으로 쓰이게 될 무선접속방식이다. 한 채널(FA)당 5MHz의 주파수 대역을 사용해 신호를 확산시키기 때문에 우수한 성능을 얻어낼 수 있다고 한다.  
W-CDMA 방식은 크게 세가지로 나뉜다.
기존의 CDMA와 같은 단일 반송파(캐리어)에 확산신호의 크기를 증대시켜 대역폭을 넓게 사용하는 단일 반송파 직접확산 방식(DS-WCDMA)이 대표적이다. 또 직교 주파수분할 방식(OFDM)과 결합한 개념으로 다중반송파 CDMA(MC-CDMA) 방식 및 다중톤 CDMA(MT-CDMA) 방식 등이 있다. 직교 주파수 분할 방식인 OFDM 기법은 xDSL과 같은 유선 디지털 가입자망에 이미 적용돼 상용화되고 있다. 이 기법을 이용한 다중접속 방식은 매우 불안정한 환경에서 고속의 데이터 전송이 요구되는 개인이동통신 및 멀티미디어 통신 등의 분야에 적합한 방식으로 주목받고 있다.
MC-CDMA 방식은 전송하고자 하는 사용자의 정보를 주파수 영역에서 각각 다른 반송파에 실어 보내는 방식이다. 수신기에서는 각 반송파에 실려오는 정보를 결합해 광대역 확산 효과를 얻을 수 있다. 각 반송파를 서로 다른 복수의 안테나를 이용해 송신하면 수신신호의 품질을 더욱 향상시킬 수 있다.  또 이렇게 넓은 대역폭을 이용하게 되면 사용자들에게 보다 빠른 전송속도의 통신 서비스를 제공할 수 있다.  
W-CDMA를 이용하는 IMT-2000에서는 최대 2Mbps의 전송속도로 데이터 통신이 가능하다.  이렇게 되면 현재 일반가정에서 유선망을 통하는 것 보다 훨씬 더 빠른 속도의 무선 인터넷을 이용할 수 있다.  
3.4 CDMA/TDD 와 CDMA/FDD
3.5 Soft handoff 와 Hard handoff
여기서는 이 두가지 handoff 자체를 비교하려는 것이 아니라, 실제 시스템에서 이 두가지 handoff의 비율을 고려할 때 시스템의 성능을 높일 수 있는 방법을 생각해 보도록 한다. 현재 실제 시스템에서 소프트 핸드오프와 하드 핸드오프의 비율은 6대4정도라고 한다. 그러면 이를 토대로...
3.6 IMT2000 시장 전망 (자료 출처: LG 텔레콤, 한솔 PCS)
IMT-2000 관련 해결과제
- 어떠한 기술이 최대 현안인 중복투자 문제를 최소화할 수 있는가 ?
- 장비 국산화를 위하여 국내 제조업체의 경쟁력이 어느 정도인가?
- IMT-2000 서비스로 사업을 시작할 경우 경쟁력 있는 방식은 어느 것인가?
- 정부가 원하는 시기에 맞출 수 있는 기술방식은 어느 것인가?
서비스 문제
- 기존 이동통신 통신망 및 서비스로부터 발전
- 음성 및 고속데이타 서비스 제공
- 글로벌 로밍 제공
현재 두 가지의 표준안이 진행되고 있지만, 대세는 DS-ANSI 방식일 것으로 생각된다. 이것은 기존 사업자의 입장이고, 새롭게 IMT-2000 사업권을 획득하려는 유선망 사업자들은 대다수가 DS-GSM MAP 방식을 선호하고 있다. 이와 관련해서 IMT-2000 서비스를 진화론과 창조론의 두 시각에서 바라보는 전자신문  11월 23일 기사가 있다.
IMT-2000 서비스 방식과 관련하여 아래 3.6.1에서 3.6.6까지는 019LG텔레콤의 견해이다.
3.6.1 단말기와 망구축 비용
DS 방식이 전세계 시장의 70~80% 이상을 확보하므로서 가격 경쟁력이 높음
3.6.2 서비스 제공능력/확장성
- DS-ANSI 방식은 기존 2세대 망과의 연동을 통해 2세대 서비스의 연속성 확보 가능
- DS 방식은 TDD 시스템과 원활한 호환성을 가짐 (TDD는 In-Building용으로 이용 가능)
- DS 방식은 TDD 방식과 합의된 규격을 이용하므로 호환성 확보 용이
3.6.3 글로벌 로밍
- DS방식 만이 IMT-2000 서비스의 원활한 글로벌 로밍이 가능함
- 전세계 대부분이 DS 방식 채택 (유럽, 일본, 중국, 아시아/아프리카, 미주 등)
- 미국의 기존 CDMA 사업자가 MC 방식을 선호하나 IMT-2000 주파수 대역이 아니므로 글로벌 로밍과 무관
3.6.4 서비스의 발전
- IMT-2000의 최대 잠재 가입자(2010) : 1천3백만 예상
3.6.5 국내 제조업 보호/육성
- DS-ANSI 방식이 국내 시장을 보호할 수 있음
- 단말기 시장 : 국내업체의 IS-95/DS-CDMA의 듀얼 모드 단말기 경쟁력이 높음
- 국내 수요를 기반으로 해외시장 진출
- 시스템 시장 : Core N/W 기술을 기반으로 경쟁력 확보 가능
3.6.6 개발일정
- DS-ANSI 방식은 2002년 상반기까지 상용시스템 개발 가능
- 국제 표준화 일정(2002.2월 완료) 및 국내 제조업체의 개발일정(2001.12월)
다음은 한솔 PCS의 견해이다.
3.6.7 서비스 방식
이동통신사업자
- Core Network : ANSI-41망을 사용하여 기존시설 재활용 및 투자비 절감
- 무선접속 : 글로벌 로밍에 유리한 DS방식과 기존의 MC 방식중에서 고민
- DS/ANSI-41 방식과 MC/ANSI-41 중에서 기술개발 동향을 보며 결정할 예정
유선통신사업자
- Core Network : 세계적 주류인 GSM기반의 GSM-MAP방식 채택
- 무선접속 : 수요가 많아 글로벌 로밍에 유리한 DS방식 선호
- 신규서비스에 맞추어 새로운 방식인 DS/GSM-MAP 선호
3.6.8 IMT-2000 사업권 관련 정책제안
1. 외국의 사업권 선정 동향에서 보듯이 기존의 이동통신사업자는 모두 IMT-2000 서비스를 기존 가입자들에게 계속 제공하도록 해야 함
2. 외국의 사례에서 보듯이 IMT-2000 시대의 이동통신사업자 수는 4-5개 정도가 사업성과 경쟁 등을 고려할 때 적절한 사업자 수임
3. 선정방식으로는 나름대로의 장단점이 있겠지만 지나친 과열경쟁으로 승자의 저주 등의 폐단이 극대화 될 IMT-2000에서는 비교심사제 적용
4. 기술표준은 기존 사업자들의 시설을 최대한 활용하여 국가적인 낭비를 최소화하는 방향으로 선택 (IPR 문제 등을 고려한 신중한 대처도 필요)

4. Communication by LEO (Low Earth Orbit) Satellite
  • LEO Satellite System
  • GMPCS: 통신위성의 궤도에 따라 정지궤도(GEO), 중궤도(MEO), 저궤도(LEO)로 구분하고 MEO 및 LEO 시스템은 사용 주파수대역에 따라 BIG LEO(1GHz 이상), LITTLE LEO(1GHz 이하)로 구분함.  지난 94년 국제전기통신연합(ITU) 보고서에서 처음으로 GMPCS(Global Mobile Personal Communications System)라는 용어를 사용하기 시작하면서 알려지기 시작한 이 서비스는 지구 상공 비정지궤도(저궤도 또는 중궤도)에 수십개의 위성을 띄워 이동통신 서비스를 제공하는 범세계 위성 이동통신 시스템이다. 이미 잘 알려진 바와 같이 GMPCS는 세계의 거대 통신사업자들이 주축이 돼 범국가적인 규모로 추진되고 있으며, PCS와 연계해 통신망이 없는 산간 벽지, 도서 지역 등 지구촌 구석구석까지 국경 없는 이동통신 서비스를 제공한다는 구상이다.
  • 각 서비스의 특징  

 
5. Detailed technolgies

5.1 Frequency Hopping 과 Direct Sequence 방식

5.2 이동통신에서 사용되는 확률 분포

일반적으로 이동통신에서는 exponential distribution을 기본으로 해서
K(자연수)로 normalize 한 K-stage Erlang distribution (hyper-exponential)
K(실수)로 normalize한 Gamma distribution
K가 무한대일때 (여기서 mean : finite value) log-normal distribution
을 사용한다.
(위의 continuous distribution 말고, discrete version에서 접근한다면 다음과 같이 표현할 수가 있겠다. 베르누이 분포 ⇒ 이항 분포 ⇒ 이항분포의 continuous version이 바로 normal 분포이다. )
5.2.1 log_normal distribution
radio propagation과 관련하여 log-normal distribution에 대해서 알아보자.
송신측과 수신측 사이의 Air 매질을 생각하자.
송신측  ⇒  |   λ1    |   λ2    |  λ3  | ...  |  λk-1 |   λk    |  ⇒  수신측
공기중의 매질은 사실 매순간 달라질 수 있고, 이것은 실제 통신시에 propagation에 영향을 미치게 된다.
k-stage Erlang distribution의 경우에 각 step (1에서 k까지)은 exponential distribution을 따른다고 한다. 실제로 이들 step들과 step들이 유지되는 시간 간격 t는 무한대라고 할 수가 있다. 그리고 각 간격의 time과 rate는 ramdom variable을 가진다. 그래서 우리는 앞서 말한 대로 normal distribution을 사용할 수 있는 것이다.
이때 송신신호를 A라고 할 때,
첫 번째 step을 지나면 원래의 신호는 Ae-λ1t 가 되고 두 번째 step을 지나면 Ae-λ1te-λ2t 가 될 것이다.
그래서 수신측에서의 신호는 결국 Ae-λ1tAe-λ2tAe-λ3t...Ae-λkt  = Ae-(λ1+λ2+λ3+ ... +λk)t 이다.
여기서 (λ1+λ2+λ3+ ... +λk)t 가 normal distribution(Gaussian random variable의 합)을 따르므로, 이 distribution을 log_normal distribution이라고 한다. (any independent random variable의 합을 normal distribution 이라고 한다. Y = λ1+λ2+λ3+ ... +λk  여기서 exp.을 취하는 것이 바로 log-normal distribution)
5.3 스마트 안테나
현재 이동통신 발전에 크나큰 기여를 한 셀룰라 구조의 이동통신망 시스템은 그 구조적인 면에서는 최상의 효율성을 보이고 있다. 그런데, 이동통신에 대한 수요가 급증함에 따라 한정된 스펙트럼을 효과적으로 이용하고자 하는 연구는 한정된 스펙트럼을 효과적으로 이용하고자 하는 기본 개념에 따라서 셀을 점점 더 나누어 가고 있다.  물론 이에 따라서 스펙트럼의 효율성은 증가한다.
그러나 셀을 분할함에 따라서 기지국을 설치해야 하고 기지국을 설치하는데는 4-8억정도의 비용이 추가 부담되는 것뿐만 아니라 잦은 핸드오프로 인한 통신 단절 현상 또는 신뢰성 하락이 필연적으로 존재하게 되는 단점을 가지고 있다. 그래서 최근에는 기지국을 증설하지 않고 진보된 안테나 기술을 적용해서 통신 용량을 대폭 증가시키고 통신 품질을 개선할 수 있는 새로운 연구가 진행되고 있다. 이것은 소위 스마트 안테나 기술을 이용해서 원하는 가입자의 방향으로 전파를 집중시키고 타가입자의 간섭 신호는 저하시켜 송수신함으로써 기존의 이동통신 시스템의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 기술이다. 이는 안테나 배열과 전파 방향을 제어할 수 있는 디지탈 신호처리 기술을 복합적으로 활용하여 구현되는 최첨단 Beamforming 기술로서 상당한 관심을 일으키고 있다.
5.3.1 스마트 안테나의 원리
일반적으로 이동통신 시스템의 기지국 안테나는 앞서 이야기한 것 처럼 대부분이 3-sectorized 안테나이고 전방향 안테나(Omnidirectional Antenna)도 사용되고 있다. 이 두가지는 자신이 맡은 영역 내에서 사용자의 방향에는 상관없이 일정한 이득을 내도록 만들어져 있다. 이럴 경우 안테나에 송수신되는 모든 신호들은 기지국의 송수신 안테나와의 거리에 따라 Power의 정도를 달리하여 송수신되며 송수신 희망 신호에 간섭의 영향을 미친다. 따라서 이 기지국 안테나는 선택적으로 신호에 이득을 주어 송수신할 수 없다. 물론 이 3-sectorized 안테나도 전방향 안테나에 비해서는 간섭을 대략 1/3이나 줄이는 것이다.
간섭의 영향을 줄이는 또다른 방법으로 안테나가 하드웨어적으로 어떤 방향으로 고정되어, 정해진 특정각으로부터 도달하는 신호에 대해서는 큰 이득을 주고 다른 방향에서 송수신되는 간섭 신호에 매우 작은 이득을 주도록 하는 방법이 있다. 그러나 이 경우는 송수신체가 고정되어 있는 경우에만 해당하는 것이다.
그래서 이제는 이동체가 이동하거나 그 신호의 도달각이 상황에 따라 가변적일 때, 여러 안테나 소자로 구성된 어레이(Array)를 사용해서 원거리 신호원들의 위치를 파악하거나 그들로부터 나오는 신호들을 선택적으로 송수신할 수 있는 방법을 생각하게 되었다.
스마트 안테나 시스템이란 배열된 안테나의 위상을 제어하여 특정 신호(원하는 방향의 신호)를 선택적으로 송수신하고 간섭 신호의 영향을 최소화시킴으로써 가입자 상호간의 간섭을 대폭 감소시킨 것이다. 즉 셀내의 각 단말기에 독립된 beam을 송수신기 간에 제공하고, 원하는 단말기 방향으로 이들을 극대화되도록 빔을 형성시킴으로서 여타의 단말기 방향에 전파량을 극소화할 수 있다. 이렇게 해서 수신 신호의 잡음을 대폭 감소시킬 수가 있다.
스마트 안테나 시스템은 통화 채널간 방해 전파를 최소화하여 통화 품질을 향상시키고 가입자 수를 증가시킬 수 있는 시스템이며 원하는 방향으로 전파가 집중되어 각 단말기는 저전력으로 통화가 가능하므로 배터리 수명도 획기적으로 연장할 수 있을 것이다.

5.3.2 CDMA 환경에서의 스마트 안테나 시스템 CDMA 환경을 사용하는 시스템에서는 가장 중요한 것이 파워 컨트롤이라고 할 수 있다. 이는 가입 용량을 제한하는 가장 근본적인 원인이 다른 가입자들 신호의 간섭이기 때문이다. 동일 셀내에서 발생되는 모든 신호가 그 가입자의 통신을 방해하는 간섭이 되며, 이는 CDMA가 갖고있는 구조적인 신호 환경이다. 따라서 파워 컨트롤에 따라서 간섭 효과에 따른 가입 용량이 정해지게 된다.
셀내의 가입자 수는 파워 컨트롤에 따른 Processing Gain(W/R)에 의해 결정되는데 W는 현재 사용하고 있는 PN(Pseudo Noise) 코드칩의 Duration에 의해 결정되는 사용 대역폭이며 R은 데이타의 전송률이다. Processing Gain을 상이한 PN코드간의 Orthogonality(직교성)면에서 관찰하며 W/R이 클수록 즉 확산된 사용 대역폭을 넓힐수록 상이한 가입자간에 직교성이 증가하여 간섭의 영향이 줄어들므로 W/R이 크면 보다 많은 가입자를 가질수 있다.
IS-95에서는 Processing Gain이 약 4인 셈이므로 각각의 가입자 카드에서 원하는 신호의 세기는 간섭 신호의 세기보다 평균 4배로 많게 통신되고 있다. 따라서 어떤 샘플링 시간에서 원하는 신호와 상이한 신호를 4개 이상의 간섭 신호원이 동일값으로 송신했다면 PN코드만으로는 간섭 신호의 분리가 불가능하다. 그러므로 현재 상용화된 CDMA 시스템에서 간섭 신호의 분리 방법으로는 셀을 섹터화하여 간섭 신호와 희망 신호를 분리하는 방법을 사용하고 있다.
스마트 안테나 기술은 기존의 섹터화 개념을 혁신하는 것으로도 볼 수 있는데 이는 각 가입자마다 독립된 빔패턴을 기지국에서 제공하는 것이다. 즉 셀내의 모든 가입자에게 방향성 빔패턴을 제공함으로서 통화 방향으로는 최대의 이득을 설정하고 여타의 방향으로는 이득을 최소화한다. 이것은 송신과 수신 양방향에 제공되며 셀내의 모든 가입자에게 독립적으로 동시에 제공된다. 이와같은 최적의 빔형성(beamforming) 기술은 기지국에 배열 안테나를 설치하고 각 가입자에 맞는 최적의 웨이트를 독립적으로 계산하여 각 가입자에게 제공하는 기술이다.

CDMA 환경의 경우 원하는 신호와 간섭 신호는 PN코드에 의해 분리된다. 이 원리를 이용하여 각 가입자마다 수신되는 고유 벡터값을 계산하여 배열안테나 위상을 조정함으로서 배열된 안테나는 신호원이 있는 방향으로 독립적인 빔패턴을 형성시킨다. 즉 m개의 빔형성 모듈은 배열 안테나 n개를 독립적으로 위상 배열할 수 있으며 이는 각 가입자 방향으로 빔패턴을 형성하여 원하는 신호와 간섭 신호간의 신호차를 크게 유지하여 통화 품질을 개선하는 것이다.
 


6. Misc
  • coherent detection  
6.1 GSM
(조만간에 GSM에 관한 기술적인 내용을 추가할 생각입니다. 아래 내용은 김희철 님의 자료를 인용하였습니다. 김희철님의 홈페이지는 http://www.netian.com/~ktec/ 입니다. 정리가 잘 되어 있습니다.)
6.1.1 GSM의 역사
1982년 CEPT(Coference of European Posts and Telegraphs)에서는 범유럽용 이동통신 시스템을 개발하기 위해 GSM(Group Special Mobile)을 조직하고 다음과 같은 사항들을 목표로 하였다. (GSM은 General...등등을 거쳐서 세계적인 것을 강조하는, 현재 Global System for Mobile communicatioin 이라는 것으로 쓰이고 있다.)

- 높은 음성 품질, 저렴한 사용 요금, International Roaming 지원, 새로운 서비스 지원, ISDN과의 호환성

1989년에 GSM은 ETSI(European Telecommunication Standards Institute)로 이관되었고 1990년 GSM PhaseI이 발표되었다. 상용 서비스는 1991년 중반에 시작되었으며 1993년에는 전세계 22개국에 36개의 GSM 망이 구축되었다. GSM, DCS1800, PCS1900은 전세계 80개국에 보급되었으며 GSM은 Global System for Mobile로 이름이 바뀌었다.

6.1.2. GSM 서비스 개요
6.1.2-1 서비스
GSM은 개발 단계부터 ISDN과의 호환성을 목표로 하였지만 무선상의 제약때문에 ISDN-B channel 64kbps는 지원이 불가능하다. 통신 서비스는 Teleservices, Data services, Supplementary services로 나눌수 있다. GSM의 가장 기본적인 서비스는 Telephony 서비스라고 볼수 있으며 다른 디지탈 통신과 마찬가지로 음성은 디지탈로 인코딩되어 디지탈 비트열의 형태로 전송된다.
GSM이 지원하는 서비스 중에는 Emergency Service가 있는데 가입자는 세자리의 전화번호를 이용해 긴급호를 발생시킬 수 있으며 무료로 통화할 수 있다. GSM은 POTS(Plain Old Telephone Service), ISDN(Integrated Services Digital Network), PSPDN(Packet Switched Public Data Network), CSPDN(Circuit Switched Public Data Network)에 접속되어 최대 9600bps로 통신을 할수 있으며 이때 X.25 또는 X.32등 다양한 프로토콜을 사용할 수 있다. GSM이 ISDN이나 다른 디지탈 망과 접속시에 별도의 모뎀이 필요치 않지만 아날로그 POTS와 접속시에는 Audio Modem이 필요하다. 이외 G3 팩스, SMS(Short Message Service) 기능을 지원한다. SMS는 양방향의 단문 전송 서비스로 최대 160byte까지 전송할 수 있으며 실제적으로는 170자까지 전송할 수 있다. SMS는 Point-to-point 서비스나 Cell Broadcasting 서비스로 활용될 수 있으며 SIM에 저장시킬 수도 있다. GSM PhaseI에서는 Call Forwarding(수신자가 전화를 받을수 없을 경우 다른 전화 번호로 착신 전환하는 서비스)과 Call Barring(Incoming/Outgoing) 기능을 지원하였고 PhaseII에서는 Caller Identification(발신자의 전화번호와 이름이 표시됨), Call Waiting, Multi-party Conversation(다수의 사람이 동시에 통화할 수 있음) 등을 제공하였다.
GSM 서비스 중에서 가장 탐나는 것 중의 하나는, 물론 유럽 대부분의 나라가 같은 표준을 따르기 때문이기도 하지만, PIN(personal identity number)를 사용해서 어디서나 단말기를 빌려서 쓸 수가 있다는 것이다.
GSM에서 사용하는 MS(단말기)는 단말 장치와 Smart Card의 일종인 SIM(Subscriber Identity Module)으로 구성된다. SIM은 개인의 이동성을 제공하는 것으로 사용자는 자신의 단말기가 아니더라도 SIM만 넣으면 다른 단말기도 사용이 가능하다. 단말기는 각각 고유의 IMEI(International Mobile Equipment Identity)를 가지고 있다. IMSI(International Mobile Subscriber Identity)는 SIM에 저장되어 있으며 시스템에 접속시 인증용으로 사용된다. 다시말하면 IMEI와 IMSI는 GSM에서 개인의 이동성을 보장하기 위한 것이다. SIM Card는 PIN(Personal Identity Number)로 보호되는데 이 PIN은 4자리의 숫자로 조합된 코드이며 GSM 망 접속시 필요하다.


6.1.2-.2 통신망
통신망은 아래의 4가지로 분류할 수 있다.

- Stationary Terrestrial Networks : PSTN, ISDN
- Cellular Networks : GSM, CDMA, DCS, PCS
- Wireless Terminals : CT1, CT2, DECT
- Satellite Based Systems : Inmarsat, Iridium

고정 유선망은 현재 가장 널리 퍼져있는 네트웍이며 아날로그 PSTN과 디지탈 ISDN으로 구분된다.(ISDN은 GSM과 LAPD 프로토콜로 연동됨)

6.1.2-2.1 셀룰라 네트웍
GSM 계열의 망으로는 GSM900과 DCS1800, PCS1900이 있다. 이들 방식은 TDMA에 기초하고 있으며 PCS1900은 북미에서 사용되는 방식이다. DCS1800은 GSM900과 매우 유사하며 단지 운용되는 주파수 대역이 고주파라는 점만 다르다.

6.1.2-2.2 셀의 여러 가지 형태
셀은 크게 Umbrella Cell(반경 100km, 위성통신), Hyper Cell(반경 20km, 도시외곽 지역), Macro Cell(반경 1~20km, 고속도로 주변), Micro Cell(50~300m, 도심 지역), Pico Cell(~100m, 건물내)로 구분할 수 있다. GSM900의 최대 반경이 35km이고 DCS1800의 경우 10km.
5. GSM의 무선 링크

6.1.2-.3 사용 주파수
GSM900용으로 Uplink에는 890~915MHz, Downlink에는 935~960MHz 대역이 할당되었다. GSM900용으로 모두 2 * 25MHz의 주파수 대역이 할당된 셈이다. DCS1800은 Uplink로 1710~1785MHz가 할당되었고 Downlink로 1805~1880MHz가 할당되었다.

2.3.1 다중접속과 채널 구조
주파수 자원은 한정되어 있으므로 가급적이면 다수의 사용자가 동시에 채널을 효율적으로 이용하는 방안을 모색하게 되었고 GSM은 다중접속 방식으로 TDMA를 선택하였다.(TDMA는 FDMA의 개념을 포함하는 개념임)
FDMA의 측면에서 보았을때 총 25MHz에 이르는 주파수 대역을 200KHz 대역의 채널 124개로 분할 하였다. 이렇게 분할된 채널은 다시 TDMA 방식을 이용하여 시간으로 분할되는데 TDMA에서 가장 기초가 되는 단위인 Time Slot은 15/26ms의 길이를 가진다. 하나의 TDMA 프레임에는 모두 8개의 Time Slot이 있으며 하나의 논리적 채널은 하나의 Time Slot이다. TDMA에서 채널 패턴은 약 3시간마다 주기적으로 반복된다.
음성과 데이타 신호를 전송하기 위해 사용되는 채널을 TCH(Traffic Channel)이라고 한다. TCH는 26-frame Multiframe 또는 26 TDMA Frame Group으로 정의되며 26-frame Multiframe의 길이는 120ms이다. 26개의 frame중 24개는 트래픽용이고 1개는 SACCH(Slow Associated Control Channel)이며 나머지 하나는 사용되지 않는다. Uplink와 Downlink의 TCH는 3 Time Slot으로 구분되어 있으므로 단말기는 송수신을 동시에 할 필요가 없고 이는 단말기의 전기적 구조가 간단해질 수 있음을 의미한다. Full rate TCH외에 Half rate TCH가 정의되어 있으며 Half rate TCH를 사용할 경우 시스템의 용량은 2배로 증가될 수 있다.

6.1.2-.4 전력 제어
GSM 단말기는 최대 출력 20, 8, 5, 2, 0.8watt의 5 Class로 구분되며 20W 단말기를 Class1로 부르고 0.8W 단말기를 Class5로 부른다. Co-Channel Inteference를 최소화하기 위해 기지국과 단말기는 음성 품질을 유지하기 위한 최소의 출력으로 운용된다. 전력의 레벨은 2dB 단위로 높아지거나 낮아지며 최소 13dBm, 즉 20mW까지 조정된다. 단말기는 BER(Bit Error Rate)을 이용하여 신호의 세기와 품질을 측정하여 언제 전력 레벨을 조정해야 할지를 결정한다.

6.1.2-5 GSM Network
셀룰라 네트웍에서는 무선 링크를 통하여 음성과 데이타를 어느 정도의 품질을 유지하며 전송해야 한다. 서비스 지역은 셀로 지역적으로 분할되어 있으며 핸드오버가 일어난다. GSM의 경우 가입자는 International Roaming을 요구할 수 있으며 이때 등록, 인증, Call Routing등의 기능이 필요하다.
GSM의 Signaling Protocol은 세개의 계층으로 이루어져 있다. Layer1은 Physical Layer로 채널의 구조에 해당되는 부분이며 Layer2는 Data Link Layer로 interface를 구성하는 부분인데 LAPD의 수정 버젼인 LAPDm이다. interface로는 SS No.7(Signaling System No.7)의 MTP(Message Transfer Part) Layer2가 사용된다. Layer3는 3개의 Sublayer로 나뉘어지며 무선 자원의 관리, 이동성 관리를 담당한다.

6.1.3 GSM에서의 핸드오버
- 동일 셀내에서 채널, 즉 Time Slot간의 핸드오프
- 동일 BSC내의 핸드오프
- 동일한 MSC내에서 서로 다른 BSC간의 핸드오프
- 서로 다른 MSC간의 핸드오프

위의 네가지 Type중 처음 두가지 핸드오프를 Internal Handoff라고 하며 BSC의 제어를 받는다. 핸드오프의 측면에서 보았을때 셀은 단말기가 적정한 신호 세기와 품질을 유지하며 음성이나 데이타를 수신받을 수 있는 지역을 의미하는데 만약 어떤 셀에서 통화중인 단말기가 이동중에 신호의 세기가 약해짐을 감지하면 이를 BTS 및 BSC로 보고하여 다른 셀로의 전환을 요구하게 된다. Internal Handoff에서는 핸드오프에 사용되는 신호 처리를 간소화하기 위해 BSC는 핸도오프의 수행 결과만을 MSC로 보고한다.
나머지 두가지의 핸드오프는 External Handoff라고 부르며 MSC의 제어를 받는다. External Handoff는 MSC나 단말기에 의해 Initiate될 수 있는데 Idle Time Slot 동안 단말기는 최대 16개 인접셀의 Broadcast Control Channel을 탐색하고 수신된 신호의 세기를 측정하여 핸드오프를 위한 6개의 Best Candidate를 선택한다. 이 정보는 BSC를 거쳐 MSC로 보고 되며 최소 1초에 한번 보고되어 핸드오버 알고리즘으로 사용된다.
GSM의 권고안에는 핸드오프에 대한 규정이 없다. GSM에서 핸드오프로 주로 사용되는 방법에는 두가지가 있는데 모두 전력 제어와 관련된 것이다. 그중 하나가 Minimum Acceptable Performance 알고리즘으로 핸드오버 이전에 전력 제어를 수행하는 방식이다. 즉, 어떤 특정값 이하로 신호가 약화될 때 단말기의 출력을 우선 높이고 그래도 신호 품질이 개선되지 않을때만 핸드오버를 한다. 이 방식은 매우 단순하여 많이 사용되지만 셀의 경계 지역에서 단말기가 최대 출력으로 전송중에 다른 셀로 이동해 버리면 핸드오프가 되지 않는 문제점이 발생한다.
또 다른 방식은 Power Budget이라는 방식으로 신호의 출력을 적정 수준으로 유지하거나 개선하기 위해 핸드오버를 이용하는 방식이다. 다시 말하면 전력 제어 이전에 핸드오버가 수행되는 방식이다. 이 방식은 셀의 경계에서도 원활한 핸드오프가 이루어질 수 있도록 하며 인접 채널로 부터의 간섭을 줄여 주지만 복잡하여 구현하기 어렵다는 단점이 있다.

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2008.04.16 14:34 Season#1/for Layman

3강 전길남 박사님 강의 정리



안녕하세요. 9월 19일 특강 강의노트입니다.

강의 목표】
현재까지의 세계 전반적인 인터넷에 대한 설명과 더불어 한국의 인터넷 성장, 특징들을 언급해보고, 앞으로 인터넷, 한국 인터넷이 어떤 방향으로 나아갈 것 인가에 대한 논의.
초대담화: 전길남 교수님

▣ 이력사항

2007.5.4

Birth : 1943. 1. 3
Address : Division of Computer Science
Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)
Daejeon 305-701
Republic of Korea

E-mail : chon at cosmos.kaist.ac.kr , chonkn at gmail.com
Tel : +82 42 869 3514(office), +82 19 525 3514(mobile)
Fax : +82 42 869 5554
URL :
http://cosmos.kaist.ac.kr/salab/professor/frame.html


<Education>Ph.D in Computer Science, UCLA, 1974
M.S. in Computer Science, UCLA, 1967
B.S. in Engineering Science, Osaka University, 1965

<Employment>
Professor, Computer Science Division, KAIST, 1982-Present
(Department Chair 1985-1987)
(Computer Center Director 1988-1990)
(Adjunct Professor, Graduate School of Culture Technology, 2005-Present)
Principal Investigator, ETRI(formerly KIET), 1979-1982
Member of Technical Staff, JPL, California Institute of Technology, 1976-1980
Postgraduate Research Associate, UCLA, 1971-1974
System Engineer, Rockwell International(formerly Collins Radio), 1969-1971

<Research Interest>
Internet
System Engineering
Human Computer Interaction

<Award>
World Technology Award - Communication Technology, 2003
Presidential Award - Information Technology, 1998(Korea)
Scientist of the Year, 1997(Korea)
Presidential Award - Mountain Climbing, 1980(Korea)


<Membership>Fellow of Institute of Electrical Engineers, 2000
Fellow of World Technology Forum, 2003
Honorary Member of World Innovation Foundation, 2005

<External Activities>
Advisory Board, Communications of ACM,1996-Present
Board, Information Retrieval Facility, 2006-Present
IEEE Internet Award Committee, 2006-Present
Academic Advisory Panel, Asia Institute of Technology, 2003-2006
Governor, International Council of Computer Communication, 1995-2005
Founding Chair, Asia Pacific Advanced Network, 1997-2004
Editorial Board, British Computer Society, 1994-2002
Co-Chair, Coordinating Committee on Intercontinental Research Networking, 1993-2001
Founding Chair, Asia Pacific Top Level Domain Consortium, 1999-2001
Founding Chair, AP* Retreat, 1996.
Program Chair, INET, 1995
Founding Chair, KRNET, 1993-1999(Korea)
Founding Chair, Asia Pacific Networking Group, 1991-1995
Founding Chair, HCI Conference, 1993-1994(Korea)
Founding Chair, Asia Pacific Networking Group, 1991-1995
Founding Vice-Chair, Open Systems and Internet Association, 1987(Korea)
Founding Chair, Joint Workshop on Computer Communications(ICOIN now), 1986
Program Chair, Pacific Computer Communications Symposium, 1985
Project Coordinator, AsiaNet, 1983-1985
Project Manager, Internet Deployment in Korea(SDN), 1982


논문국외 저널 게재 논문: 17국외 학술 대회 발표 논문: 36편국내 저널 게재 논문: 11국내 학술 대회 발표 논문: 2편 수상내역1987 국민훈장 기린상 수상
(스위스 마타혼 북벽 등정)1997 올해의 과학자상 수상1997 국민훈장 동백장 수상

 

◆ 강의 동영상 보기



▣ 인터넷에서의 전길남 교수님 발자취

1982 SDN1983-84 HP Lab. UUCP로 연결1985 PCCS: 국내 최초의 IT/CS 국제 컨퍼런스1986 .kr 등록1987 .kr Second Level Domain체계 구축1988 OSIA 설립의 산파역1988 ANC 구성1990 HANA/SDN 인터넷 연결1990 JTC1/SC21 표준화회의 유치1991-92 GUI Consortium1992 1 HCI1993 1 KRNET1993 NIC 전산원 이전1993 APNIC Pilot Project1994 KNC 구성1996 Internet Expo1997 APAN1997 KRIA1997 NIC-Committee 구성1997 ICANN 태동 1998 인터넷 백서1998 RFC-KR1998 인터넷 주소위원회1999 APTLD ~ Location-aware Computing

 

언론매체를 통해 바라본 전길남 박사님<그림1. 발표 조에서 도출해본 전박사 특징> -한국에 인터넷을 탄생시킨 애국자1982년 우리나라에서는 처음으로 `TCP/IP'를 이용해 전자통신연구소와 서울대를 연결하는 `SDN'을 구축, 우리나라에 인터넷을 탄생시킨 주인공이다. 인터넷 신화를 만든 인재를 키워낸 `인터넷 대부'이자 인터넷의 시작과 성장, 확대과정을 바로 옆에서 지켜본 `인터넷 역사의 산 증인' 이기도 하다.[1] -엄격한 교육자◇그를 만든 사람들 = 김 대표는 지금의 자신을 있게 해 준 사람으로 부모님과 은사인 전길남 한국과학기술원(KAIST) 교수를 꼽는다. 중략..초창기 국내 인터넷 관련 벤처업체들의 창업을 도우면서 한국 인터넷의 '대부'로 불렸던 전 교수는 김 대표에게 엄격하고 무서운 스승이었지만 회사를 이끄는 데 필요한 것을 가르쳤다는 것이 김 대표의 회상이다.[2] -기업가과거에는 제자들에게 인터넷을 가르쳤지만,이제 제자들로부터 비즈니스를 배우고 있습니다. ”국내 인터넷의 대부로 불리는 한국과학기술원(KAIST)전길남(57)교수가 성공한 제자 벤처기업가들의 도움으로 늦깎이 벤처기업가로 변신했다. 전 교수는 최근 서울 강남에 ‘네트워킹닷넷 ’www.networkinginc .net)이라는 국제 인터넷 인큐베이팅 기업을 설립했다.자본금 5억원,직원 5명의 미니 기업인 네트워킹닷넷은 전 교수의 휴먼 네트워크를 통해 아시아 지역의 유망 인터넷 기술 기업들을 발굴할 예정이다. 들어가며..

인터넷, 우리는 이 단어가 언제부터 이렇게 익숙해졌을까? 21세기를 살고 있는 우리는 더 이상 인터넷과는 뗄래야 뗄 수 없는 관계가 되었다. 이러한 인터넷은 불과 몇 십 년 전만 하더라도 그저 우리 생활에서 편리한 도구 중의 하나일 뿐이었다. 다양한 정보를 공유하고 네트워크 형성을 목적으로 시작된 인터넷의 기본 정신과 철학은정보의 공개와 공유를 통한 인간의 행복이다. 웹 창시자인 팀 버너스 리가 꿈 꾼 웹은 언제 어디서나 정보에 접근할 수 있는완벽한 정보의 연결이다. 웹의 본질은연결성이며, 연결정신이 곧 웹 정신이다.[3] 세상에 처음 선보일 때만 하더라고 현재와 같은 큰 파급효과를 상상조차 하지 못했다. 현재에 와서는 인터넷폐인이 등장할 정도로 현실세계보다 인터넷 속에서의 삶에 더욱 익숙해져 버렸고, 인터넷이 존재하지 않는 세상을 잊어 버린 지 오래다. 정보가 모든 부분에서 가장 중요한 자원이 되는 현재에 와서는 인터넷은 더 이상 하나의 도구가 아니다. 인터넷은 이제 하나의 사회간접자본으로 자리잡고 우리 생활 모든 부분에서 크고 작게 영향력을 행사하고 있다. 크게는 국가의 경제수준을 평가하는데 있어서 인터넷이 한 부분을 차지하게 되었고, 작게도 우리의 생활 속에서 다양하게 영향력을 행사하고 있다. 예전에는 전문가들에 의해 꾸며져 왔던 인터넷이라는 공간이 이제는 사용자가 직접 참여하고 꾸며가는 창조의 공간이 되었다. 한국인터넷만을 보더라도 블로그나 미니홈피가 인기를 끌고 최근에는 다양한 UCC가 등장하면서 모두가 인터넷의 주인이 되어가고 있는 것이다.

하나의 도구에서 사회간접자본으로까지 자리하게 된 인터넷, 그저 우리 생활 속의 일부로 스쳐지나갔던 인터넷에 대해서 지금부터 구체적으로 살펴보고자 한다. 컴퓨터의 발전 과정 속에서 인터넷이 등장하게 기술적인 부분을 살펴봄과 동시에, 인터넷의 역사에 대해서 알아보고자 한다. 마지막으로 우리가 지향해야 할 미래 인터넷을 한 번 논의해 보도록 하겠다. , 그럼 다들 인터넷의 머나먼 여정을 떠날 준비가 되었나?


1. 컴퓨터 & 인터넷1) 컴퓨터와 인터넷의 역사 <그림2. 인터넷의 시기별 특징>

인터넷과 컴퓨터 역사연구는 60,70년대경 별도의 영역으로 여겨졌으나 현재의 경우 이 둘의 역사는 같이하는 것으로 보아 함께 연구되어지고 있다. 먼저 컴퓨터의 역사는 1940년대 세계 최초의 전자식 계산기인 에니악(ENIAC)의 출현으로 시작된다. 이 시기 컴퓨터의 개발은 미국과 영국에 의해 주도되었으며 미국의 경우는 미사일 개발과 관련하여 개발되었으며, 영국과 독일의 경우는 암호ㆍ통신과 관련하여 발명 되었다. 1950년대 들어서는 군사상의 목적인 아닌 조직 또는 회사, 나라마다 한 대씩이면 된다는 개념으로 생각되어 컴퓨터를 보유하였다. 우리나라의 경우에도 경제기획원에서 통계처리를 위해 컴퓨터를 최초로 수입하였다. 본사에 메인프레임 컴퓨터 한 대를 설치하고 지방의 지사와 연결함으로서 우리나라의 컴퓨터 네트워크가 시작되었다고 볼 수 있다.

1960년대 되서 컴퓨터 네트워크 본격적으로 시작되었다고 보는데 두 가지 이유가 있다. 그 첫 번째로 UCLA MIT에서 있는 슈퍼컴퓨터를 자신의 사무실에서 컴퓨터로 접속하여 프로그램 보내고 결과를 받을 수 있게 되었다. 두 번째로 조직마다 한 대가 아닌 부서마다 컴퓨터 한 대씩 있어야 한다고 생각하였다. 이러한 이유로 컴퓨터 네트워크 리서치가 시작되었으며 이때 영국과 미국이 세계적으로 리드하였다. 연결방법으로는 Circuit Switch Packet Switch가 있었는데 Circuit Switch의 경우는 전화선으로 인터넷을 연결하여 그 라인을 혼자서 사용하는 방법이었고, Packet Switch는 하나의 라인을 여러 사람이 공동으로 사용하는 형태였다. 그러나 전화선을 이용하여 커뮤니케이션을 혼자서 사용하기에는 고비용이었으므로 여러 사람이 같이 사용가능한 Packet Switch형태가 채택되었다.

인터넷의 시초는 미 국방부의 알파넷 프로젝트로 69년부터 시작되었으며 그 당시 영국이 미국보다 약간 앞서 있었으나 영국에서는 이 프로젝트 거절하여 미국보다 네트워크성립이 3~4년 정도 늦게 출발되었다. 그러나 만약 영국이 60년대 이 프로젝트를 시작했으면 인터넷의 출발이 영국이 되었을 수 있었을 것이다.

1970년대 되어 미국의 알파넷(현 인터넷)이 본격적으로 시작되었으며 대학원생에 의해 인터넷 문화가 만들어지기 시작하였다. 학생에 의해 만들어진 인터넷문화이기에 70년 초부터 모든 문서가 컴퓨터 내 들어가게 되었고, 후에는 국제기준(international standard)이 되는 문서가 만들어졌다. 그러나 알파넷은 컴퓨터 네트워크상 존재하기에 연결만 하면 문서를 자유로이 다운로드(download) 가능하게 했으며 알파넷에서 개발된 소프트웨어는 항상 오픈소스(open source)형태였다. 그렇기에 현재 우리가 알고 있는 오픈소스는 60,70년대 인터넷에서 시작된 것이었다.
 

Internet Tech (지금 기술까지 인터넷 테크놀로지 발전단계)

TCP/IP

North America 대학원생, 학생 20

WWW

유럽, 30

Client/server(ftp)

NA 대학원생, 20

DNS

NA 대학원생, 20

Java

NA, 30

P2P

NA, 10

Browser

NA 대학원생, 20

FTTH

NA, 40

WiFi

NA, 30

Packet switching

NA-유럽, 20

Ethernet

NA, 20

→ 미국80%, 유럽10% 개발 but 아시아 5%미만, 인터넷의 경우 20대의 젊은 개발자가 주도.
2)
한국 컴퓨터와 인터넷의 역사<그림3. 한국 인터넷 연표>
[4]
3) 국외 차세대 IT 정책 추진 현황.[5]
최근 세계 각국은 미래사회에서 선도적 위치를 점하기 위해 IT 분야 차세대 성장 사업을 집중적으로 추진하고 있다. 주요국의 차세대 IT정책을 요약하면 아래와 같다.<그림4. 차세대 IT 선도 국가들>
미 국
NITRD(Networking and Information Technology Research and Development) 계획을 추진하고 있다NITRD 6개 중점 연구?개발
분야에는 최첨단 컴퓨팅(High End Computing), 인간과 컴퓨터 상호작용 및 정보관리(Human Computer Interaction & Information Management), 대규모 네트워킹(Large Scale Networking), 소프트웨어 설계 및 생산성(Software Design and Productivity), 고신뢰성 소프트웨어 및 시스템(High Confidence Software and Systems), IT 사회 경제 및 노동력의 함의와 IT 노동력 개발(Social, Economic, and Workforce Implications of IT and IT Workforce Development) 등이 선정되었다.
일 본
일본 경제산업성은 ‘신산업 육성 전략 자료’를 발표하였다(2004. 5). 이 전략은 NT, IT, BT 등의 첨단 기술과 일본의 전통적 우위 산업인 제조업 기술을 접목하여 역동적 산업 구조로 전환하고, 향후 20~30년간의 세계 1위 기술 및 산업을 구축하는 것을 목표로 하고 있다. 중점 추진 산업으로 선정된 7대 전략 부분에는 연료전지, 정보가전, 로봇, 콘텐츠 등 4개 첨단신산업분야와 건강복지기기 및 서비스, 환경?에너지기기 및 서비스, 비즈니스지원 서비스 등 3대 사회수요 확산대응 신산업분야가 포함되어 있다. 중 국IT산업은 이미 중국의 가장 중요한 핵심 산업으로 인식되고 있다. 중국은 국무원과 정보산업부, 과학기술부, 국가광전총국 등이 나서 반도체, 소프트웨어, 온라인게임, 홈네트워크, 자동차전자, 통신네트워크, 디지털TV 7개 분야에 대한 육성 계획을 수립하였다. 중국의 IT시장은 이미 기본적인 규모를 갖췄으며 전통산업과의 결합을 시도중이다.
유 럽
유럽(EU) 6차 프레임워크 프로그램 가운데 IST(Information Society Technologies) 프로그램을 추진하면서 정보사회기술(IST) 분야 중점연구 분야를 선정해 추진하고 있다. EU ITS(정보사회기술) 중점연구 분야에는 사회경제분야의 응용 IST 연구, 컴퓨팅 통신 및 소프트웨어 기술, 컴포넌트와 마이크로시스템, 지식과 인터페이스 기술 등이 있다. EU 프로젝트는 미국과 달리 산업부문보다는 생활부문에서의 복지 환경조성을 위한 컴퓨팅 기술연구가 특징적이다.

시사점정보기술의 혁명과 글로벌화의 심화 등 국내외 환경이 급변함과 함께 세계 각국은 미래 산업 주도를 위해 신 산업을 창출?발전시키고 있다. 이미 새로운 주도산업의 육성을 태만히 할 경우 경쟁력상실로 국가위기에 까지 이를 수 있음을 인식하고 경쟁적으로 신 산업을 육성하고 있는 실정이다. 


2. 인터넷의 현재 (2000~2007)
Internet Population
2000
년대 인터넷은 도로, 전기 등과 같은 사회간접자본(Social Infrastructure)이 되기 시작했다. 인터넷의 사용인구를 보았을 때도 전세계의 10억명 이상이 인터넷에 접속하고 있으며 그 인구는 향후 기하급수적으로 성장할 것으로 예상된다. 이처럼 전세계의 인구가 공유하고 있는 광대역 인터넷은 동북아시아와 북유럽이 세계적으로 통신망을 리드하고 있으며 특히 아시아인들의 사용량이 미국을 비롯한 서구 다른 나라의 유저(user)보다 배정도 많은 점이 특이할 많은 점이다.
<그림4. 국가별 인터넷 유저구분>[6] <자료1. 2007년도 세계 인터넷 이용자 인구 통계>[7] <자료2. 국내 통신 총괄 가입자수>[8] 위 통계자료에 의하면 인터넷 사용인구는 아시아 37%, 오스트렐리아 37%, 유럽 27% 순으로 아시아가 큰 비중을 차지하고 있으며, 아시아 중에서도 한국이 큰 비중을 차지하고 있음을 알 수 있다. 앞으로 아시아 내에서 인터넷 보급이 안 된 국가들의 잠재 인터넷 인구를 생각해본다면 인터넷의 주도권은 아시아가 잡게 되리라는 전망을 해볼 수 있다. 이는 문서(text)위주의 데이터 전송을 주로 사용하는 서구인과 달리 그림이나 그래픽 기능을 사용하는 경우가 많기 때문이라는 문화적 맥락에서의 비교 또한 가능할 것이다.

Social Network Service
인터넷의 핵심 컨텐츠 중 개인홈페이지, 블로그(personal website / blog) 서비스를 들 수 있다. 특히 한국의 경우 싸이월드의 미니홈피, 네이버의 블로그 등과 같은 개인소유의 웹사이트의 대중화는 인터넷을 우리 생활 속에 한층 더 가깝게 만들었다. 이와 같은 현상은 언론 재벌 루퍼트 머독의 인수로 더 유명해진 미국의 ‘마이스페이스(www.myspace.com, 일본의 ‘믹시(www.mixi.jp)’ 미니홈피 등을 통하여 알 수 있듯이 세계적인 경향임을 알 수 있다. 현재 인맥활용 사이트는 어느 나라 할 것 없이 엄청난 경제적 가치를 지닌다. 온라인 공간에서 형성되는 인적 네트워크의 힘이 갈수록 세지고 있다. ‘인터넷 공간에서 누리는 사회적 인간관계’를 가능하게 한 서비스를 SNS(Social Network Service)라고 한다. SNS는 새로운 사람을 사귀는 것보다 그 관계를 유지하고 관리하는 게 훨씬 중요하다는 사실과 디지털 카메라의 보급으로 인해 자신을 표현하고자 하는 욕구가 결합한 것이다.

Convergence
 현재의 인터넷은 전화, 텔레비전 등 모두 디지털화(digitalization)로 하나 되는 커다란 움직임이 있으며 이는 인터넷이 전화를 흡수하며 텔레비전, 영화 역시 인터넷을 사용할 수 있게 되는 변화를 의미한다. 이러한 집중성(Convergence)은 향후 20년 안에 엄청난 변화를 촉발시킬 것이며 현 Youtube나 아이티TV의 출현이 이러한 변화의 시작일 것이다. 이러한 디지털 컨버전스에 부합하는 집단들이 등장하게 되는데 이들을 Smart Mob이라 일컫는다. PDA, 휴대전화, 메신저, 인터넷, 이메일 등 첨단 정보통신 기술을 바탕으로 긴밀한 네트워크를 이루어 정치, 경제, 사회 등의 제반 문제에 참여하는 사람들의 집단이다. [9]이제 컨버전스 기술과 함께 우리 인간들도 이에 재빠르게 적응하며 삶의 양식을 바꾸어 나가고 있다.더 나아가 우리는 네트워크 기기들로 이루어진 컨버전스 된다는 제한된 사고에서 벗어날 필요가 있다. 삼성전자 황창규 사장이 정보기술(IT) 이후에 찾아올 거대한 미래사회의 트렌드를 'IT와 바이오기술(BT), 나노기술(NT) 등이 융합된 퓨전기술(Fusion Technology)'이라고 선언했다.[10] 이제 Wireless라는 개념은 무한대의 가치를 갖게 되는 것이라 볼 수 있겠다.

Side Effect
그러나 인터넷의 등장이 우리의 삶에 예기치 않은 부정적인 면(Side Effects)도 문제시 되고 있다. 인터넷의 성장과 함께 바이러스, 스팸 이메일의 증가의 문제는 네트워크 인프라를 기반으로 한 인터넷에게는 치명적인 약점이다. 또한 급격한 기술발달을 처리할 수 있는 사회적 여건이 만들어지지 않았기에 직접소유권 문제, 프라이버시 문제는 앞으로 더 심각한 사회문제로 대두될 전망이다



3. 미래 인터넷
1)
미래 인터넷의 특징
정보 격차

1970년 리서치 커뮤니티를 목적으로 시작된 인터넷은 현재 10억 명의 인구가 사용하고 있으며 향후 1조명의 사용자가 인터넷에 접속할 것으로 기대된다. 이는 앞으로 인터넷 사용인구가 천 배 이상 증가할 것을 의미하며 인터넷활용과 관련된 범세계적 문제가 발생할 것이 예측된다. 인터넷활용능력 여부에 따라 국가간 혹은 개인간의 부의 집중화문제가 심화되어 점진적으로 빈익빈부익부현상이 심화될 것이다. 특히 인터넷의 혜택에서 소외되어 있는 개발도상국의 국민을 비롯한 사회소외계층 50억 인구들을 위한 인터넷의 개발이 시급한 실정이다. 그러나 이들을 위한 인터넷의 개발은 경제적 이익이 크지 않기 때문에 기업들의 참여가 저조한 실정이며, 향후 인도와 중국의 경제성장과 맞물려 이 문제는 더욱 심각해질 전망이다.

 

 

단위 : %

분 류

정보이용격차 - 인터넷 이용률

2002

2003

2004

2005

2006

· 장애인

22.4

27.6

34.8

41

46.6

· 저소득층

22.9

31.7

38.4

44.2

48.4

· 농어민

11.9

16.2

16.9

23

29.4

· 장 노년층

9.3

13

19.3

22.5

28.3

<자료3. 정보이용격차 인터넷이용률 2002-2006>[11]

국내의 인터넷이용률과 가구 PC보유율을 살펴보도록 보면 인터넷에 소외 된 집단은 장애인, 저소득층이 아니라 농어민, 장노년층임을 알 수 있다. 그것이 의미하는 바는 인터넷을 사용하는데 금전적인 부분, 신체적인 부분이 문제시 되지 않고, 현재 삶 속에서 인터넷이 필요하지 않은, 친숙하지 않은 집단이라고 볼 수 있겠다.

 

 

단위 : %

분 류

정보이용격차 - 가구 PC 보유율

2002

2003

2004

2005

2006

· 장애인

56.4

57.9

62.3

66.2

68.7

· 저소득층

33.4

46.7

49.9

53.4

57.7

· 농어민

29.4

33.2

35.8

43.6

50.2

<자료. 정보이용격차 가구 PC 보유율 2002-2006>

위 자료를 보면 장애인 > 저소득층 > 농어민 순으로 PC보유가 된 것을 알 수 있다. 이것을 보면 농어민 집단은 자신들의 삶에서 PC라는 것은 불필요하다고 볼 수 있지 않을까 한 번 생각을 갖게 한다. 저가형 PC에 대한 사업이 저소득층에게 보급을 집중할 필요하다고 본다.

SOC

현재를 살아가는 우리에게 인터넷은 기존의 물, 전기, 도로 등과 같은 사회의 기본적시설일까 아니면 전혀 새로운 개념으로 보아야 하는 것 인가. 만약 우리가 인터넷을 새로운 그 무엇이라 여긴다면 이 문제는 더 어렵게 될 것이다. 이에 대한 대답으로 이미 인터넷은 글로벌한 인프라(global infrastructure)가 되었음을 지적한다면 현재만이 아닌 미래의 인터넷을 예측하는데 도움이 되리라 생각한다. 사회간접자본으로서의 인터넷은 향후 어떠한 형태로 개발, 발전되어야 할 것 인가. 과거 10~15년 전 open source의 형태로 개발자에게 부의 환수가 전혀 이루어지지 못하는 구조에서는 개발이 한계에 직면할 것이다. 이에 앞으로 국가간의 상호 협력적 개발이 이루어져야 할 것이다. 특히 지난 40년간 미국과 유럽의 다른 나라에서 개발한 시스템을 가져다 사용했던 우리로서는 미래 인터넷사용자의 대부분을 아시아인이 차지하게 될 것이기에 앞으로 아시아 자체적 연구개발에 적극적 참여가 요청된다. 이와 관련 최근 한국, 중국, 일본 삼국이 인터넷 개발에 공동 출자하여 인터넷을 연구하고 있으며 아시아 내 이 삼국의 역할이 더욱 증대될 것으로 기대된다. 글로벌 사회간접자본으로서의 인터넷성장의 이면에는 해결해야 할 여러 문제들을 포함하고 있다.

남은 과제

먼저 현 인터넷체제 하에서는 향후의 잠재적 인터넷 사용자증대에 유연하게 대응할 수 없음을 지적할 수 있다. 개발도상국의 50억 인구와 선진국에서의 소외계층까지 수용하려면 현재의 인터넷 시스템으로는 무리가 따를 수밖에 없기 때문에 국제적 차원의 연구개발이 필요한 것이다. 두 번째 인터넷의 안전성 측면이다. 미래의 인터넷은 병원 내 수술을 집도하는 시스템에도 적용될 것으로 예상되나 바이러스를 비롯한 네트워크상의 문제로 인하여 trust network로서의 역할에 어려움이 따른다. 이에 향후의 인터넷은 안정성의 문제 즉, 인터넷이 trust network까지 성장해야 함을 목적으로 하고 있다. 세 번째 기존의 인터넷이 움직이는 것에서의 사용이 어려운 한계를 극복해야 할 것이다. 일본의 경우를 보듯이 5~10년 후의 인터넷은 컴퓨터를 통한 데이터 전송방속이 아닌 Mobile을 통한 무선인터넷의 시대가 도래할 것이며 이를 위하여 언제 어디서나 사용가능 한 인터넷이 되어야 한다. 마지막으로 인터넷의 보급화와 더불어 관리(management)측면이 중요해질 것이다. 다수의 개인이 사용하는 인터넷과 관련하여 발생하는 시스템문제를 개인해결 가능한 상태로 만들어져야 하며 이를 통해 인터넷이 진정한 의미의 글로벌 네트워크로 자리매김하게 될 것이다.

2) 한국 인터넷의 미래는?

한국의 인터넷 사용은 한국에 컴퓨터 기술이 도입되는 시기와 거의 비슷하게 사용되었다. 따라서 컴퓨터의 발전과 인터넷의 발전이 함께 함을 보여주는 대표적인 본보기라고도 할 수 있다. 정부는 1990년대 후반산업화엔 뒤졌지만 정보화엔 앞서자이란 구호를 앞세우며 적극적으로 정보산업을 육성시켜나갔다. 그 결과 현재 한국은 세계에서 주목할 만한 인터넷 강국으로 성장하고 있다. 골드만삭스에서 2005년 국가별 장기적인 성장 잠재력 지수를 평가하는 조사를 시행하였다. 장기적인 성장잠재력을 평가하는 지수인 GES는 인플레이션, 재정적자, 해외차입, 투자, 대외개방도 등의 거시 경제변수 전화보급률, P.C 보급률, 인터넷 보급률 교육 정도 평균 수명, 정치적 안정, 부패지수, 경제 활동과 관련된 법제화 정도 등으로 구성된 지수로 장기적이고 지속적인 성장을 위한 구조적 정책적 근간을 이루는 요소로 되어 있다[12]. GES 지수에 따라 2050년도 세계 국가별 경제 수준을 평가해 본 결과 한국은 미국의 뒤를 이어 2위를 차지하였다. 그 이유는 여러 가지가 있겠지만 PC와 인터넷 보급률이 높았기 때문이라는 결과를 보여주고 있다.

이처럼 한국의 인터넷 보급률은 세계적으로 주목할 만한 성과를 가져 왔다. 그러나 한국의 인터넷을 통한 정보는 찌질이로 천대받아 이제 더 이상 인터넷에서 선한 정보가 나올 수 없다는 부정적 평가를 받기도 한다. 인터넷 기반 산업에서 하드웨어 라고 할 수 있는 기반은 닦여 있다. 그러나 인터넷을 통한 정보의 질적인 측면에서는 한국이 좀 더 생각해 봐야 할 문제이다. 미래 한국의 인터넷은 골드만 삭스사에서 보여주고 있는 결과와 같이 고무적이다. 그러나 그 내용과 질, 자체 개발적인 기술의 측면에서는 좀 더 깊이 있는 평가와 개선이 있어야 한다.

나오며..미래 인터넷. 어떤 형태로 우리에게 다가올 것인지 알 수 없지만, 분명한 것은 현재보다 나은 형태라는희망이 담겨 있지 않을까 싶다. 우리는 이번 특강을 준비해오면서 배우며 느낀 바를 바탕으로 미래인터넷의 밑그림을 그려보고자 한다. 사회적 가치를 만들어 내는 인터넷

전길남 교수님세계의 인터넷 역사강의를 통해 우리는 두 가지로 흐름을 정리해 볼 수 있다. 첫 번째는 인터넷 기술개발의 비약적 성장과 확산으로 인해 벌어지는 양극화 현상을 인터넷 인프라 구축과 보급으로 해결해 보자는 개발론적 견해이다. 두 번째로는 자연(自然)이 주어지는 생활양식 가운데 살고 맨발이 땅을 밟고 있는 평화로운 제3의 공간에 과연 인터넷은 필수불가결한 것인가? 다소 회의론적인 두 번째 견해는 그렇다고 기술혁신을 지양하지만은 않는다. 다만 반성해 보고 패닉을 줄여보자는 인문사회과학적 의지를 반영하고 있는 견해라고 할 수 있다.

물론 인터넷 기술을 개발하는데 사용된 시간과 자본은 막대하고 개발자들의 피와 땀은 그 무엇으로도 비교할 수 없을 것이다. 뿐만아니라 이들이 개발한 인터넷 기술은 현재 많은 사람들에게 여러방면으로 큰 도움을 주고 있다. 그러나, 본인은 이러한 인터넷 기술의 보급이 빈부격차를 극복하고 양극화 현상을 구원할 방법으로는 생각하지 않는다. 3세계와 개도국에게 100달러짜리 컴퓨터를 보급해 보겠다는 니콜라스 네그로폰테(MIT, 미디어 연구소)의 생각도 인류를 사랑하는 방법이 될 수 있겠지만, 우리는 현재의 인터넷기술을 활용하면서 평화로운 그곳의 자연(自然)적 삶을 존중하는 가운데 행복을 추구할 수 있다고 생각한다. 그것은 역시 막강한 기술의 발달로 인해 아주 저렴한 비용으로 세계에 인터넷을 보급함에 있지 않다. 오히려 지금 사용하고 있는 사용자들과 관리자들, 인터넷 기술 스스로가 도움을 줄 수 있고 받을 수 있는 마인드를 가져보자는 것이다.

정보를 공유하고 사람과 사람, 공동체와 공동체를 연결함으로 인간의 행복을 추구한다는 웹 정신이 이제 다시 우주와 같이 방대한 인터넷 세계에서 재고되어야 한다. 도움을 주고 받는 데 사용되는 인터넷은 행복하기 때문이다. 쓰나미 피해 때 자기 나라와 상관없는 동남아 작은 국가를 위해 미국 사이트가 화면을 내어 준 적이 있다. 애플사와 아마존 사이트가 바로 그 주인공이다. 이들은 메인 화면에 도움의 손길을 호소하는 공간을 마련함으로 이곳을 찾는 많은 이들에게 감동을 주었고 실제로 큰 도움을 주었다고 한다. 조금이라도 좋으니 돈 좀 벌어보겠다는 마음을 돌이켜 비싼 메인 화면을 통채로 도움을 주는 시간과 공간으로 승화시킨 것이다.

인터넷을 통해 얻는 찌질이 정보와 보지도 않고 지워버리고 마는 상업적 호객행위의 장소가 이제는 사람들을 행복하게 하고 조금이라도 도움을 줄 수 있는 공간으로 질적 선회를 감행해야 할 때 인 것 같다. 행복은 기술은 사람들의 행복을 추구하는 마인드에서 출발하고 행복한 기술이 행복한 인터넷을 만든다고 생각한다.

사용자를 위한 인터넷
100달러 PC보급과 같은 정보격차를 줄이려는 행위들은 앞서 언급한 ‘정보의 공개와 공유를 통한 인간의 행복’이라는 웹 정신에 부합하는 행위이다. 허나 이 행위가 본연의 의미에 부합하기 위해서는 다음과 같은 2 가지 제안을 하고자 한다.먼저 깨끗한 인터넷을 만들어 널리 퍼트려야 한다. 현재 우리가 인터넷을 사용하면서 가장 불편한 점은 무엇인가? 각종 광고로 뒤덮여 버린 화면들이 아닐까 싶다. 메신저에 로그인할 때, 메일을 확인할 때 우리는 상업적인 광고에 노출되어 있다. 물론 광고는 웹사이트들의 주요한 수입원천이라는 것을 간과하는 것은 아니다. 네이버와 구글을 비교를 해보자. 네이버에 들어가보면 웹 창 여기저기에 현란한 플래시로 도배되어 있고, 실시간 순위리스트들은 어떠한 방식으로 선정되는지 모른다. 여기까지는 사업자의 수익이라 인정하고 검색을 한 번 해보자. 검색은 사용자들이 원하는 정보를 가져다 줄 수 있어야 한다. 허나 검색은 네이버사와 광고계약을 맺은 업체들이 나오게 된다. 나는 이 포털에서 사용자들을 위한 인터페이스를 찾아볼 수 없다. 이에 반에 구글은 어떠한가? 다른 포털 사이트에 있는 화려한 플래시가 없어 멋대가리 없어 보이지만 사용자들의 배려를 엿볼 수 있다. 원하는 정보를 검색을 하면 나오는 정보들의 배열은 상업적인 것이 아니라 사용자들이 많이 클릭한 순으로 나온 다는 점이다. 그렇다면 구글은 사용자들에게 자선사업을 하는 것인가? 구글은 사용자들의 편의와 자사의 이익을 동시에 추구할 수 있는 웹을 만들기 위해 노력 중인 것이다. 연결의 증가를 시키기에 앞서 사용자의 입장으로 웹 개발을 해야 할 것이다. , 질 좋은 연결을 모색해보자는 것이다. 그렇다면 질 좋은 연결을 만들었다고 해서 해결될 문제인가? 생각해보면 아직 연결되지 않은 이들은 컴퓨터를 어떻게 사용해야 할지, 인터넷을 어떻게 사용해야 할지 모른다. 단순한 연결의 양을 확장시키기에 앞서 올바르게 연결을 사용할 수 있는 방안을 생각해보아야 한다. 지난 추석 때 고모부가 나를 반갑게 맞이하며 데리고 간 곳은 바로 컴퓨터 책상이었다. 컴퓨터, 인터넷에 무지하신 지라 컴퓨터 관리를 잘 못 해오셨다. 고모부의 컴퓨터를 키니 한 30분 동안 각종 스파이웨어들로 가득해 나의 눈살을 찌푸리게 했다. 나는 신속히 문제점을 파악하여 한 시간 가량 동안 이 스파이웨어를 소탕하는데 시간을 보냈다. 허나 고모부는 내가 컴퓨터를 만지기 전까지 얼마나 많은 시간을 허탈하게 보냈을까? 생각이 든다. 이는 컴퓨터, 인터넷에 대한 약간의 지식만 있으면 쉽게 해결할 수 있는 부분이었는데 말이다. 결국 나는 소외된 계층에게 컴퓨터와 인터넷을 보급하는 것으로 끝나는 것이 아니라 이를 잘 사용할 수 있는 여건을 마련해주어야 한다고 생각한다. 현재 국내에서 한국인터넷청년봉사단이라 하여 개발도상국을 중심으로 한 국가에 가서 그 나라 국민들에게 컴퓨터, 인터넷 사용하는 법을 알려주는 프로그램이 있는 것으로 알고 있다. 이런 봉사활동들이 한국이 중심이 되어 국내, 외로 널리 펴져야 한다고 생각한다. 사람들은 인터넷을 단순 기술력 보급으로만 해결하려 하지 말고 사용자들을 위한 건전한 온라인 문화 정착에도 힘써야 한다.

온라인과 오프라인의 균형잡기

정보화에서는 앞서고자 했던 정부의 정책 아래 우리나라 인터넷은 유행처럼 번져 나갔다. 인터넷 문화가 제대로 자리잡기 전에 인터넷 사용자는 급속히 확산되면서 문화지체현상은 여러 가지 문제를 가져왔다. 인터넷 폐인이 등장하면서 현실세계에 적응하지 못하고 온라인에만 집착하는 사람들이 생겨났고, 줄임 말이나 신조어는 인터넷이라는 공간 속에서 유행하며 한글 파괴 현상까지 초래하게 되었다. 새로운 네트워크를 형성하고 다양한 사람들과의 커뮤니케이션을 위해 속속 등장했던 카페나 소모임 등은 잠깐 동안 활성화 되는 듯 했으나 결국은 흐지부지 해체되어 갔다. 따라서 온라인에서 친밀감을 찾고 외로움을 해소하고자 했던 사람들은 더 큰 소외와 고독을 경험하게 되었다. “악플보다 무플이 더 무섭다라는 말은 이러한 현상을 가장 잘 표현한 말이라 생각된다.

인터넷은 우리의 삶을 많은 부분에서 편리하게 해 주었고 새로운 즐거움을 주는 공간이었음을 부인할 수는 없다. 다만 온라인과 오프라인 사이에서 균형을 잡지 못하고 한 쪽으로 치우치게 될 때 우리의 삶은 불행할 수 밖에 없다고 본다. 온라인에만 치우쳐서 오프라인 현실 속에서 적응할 수 없다면 실질적인 대인관계는 완전히 파괴될 것이며 극단적으로는 생존에 있어서도 큰 문제가 될 수 있을 것이다. 그렇다고 온라인을 무시하며 오프라인에만 충실하다고 해서 잘 살아갈 수는 없을 것이다. 오프라인만큼이나 온라인에서 이루어지는 일들이 많아지고 있고, 결코 시대의 흐름을 역행할 수는 없기 때문이다. 결국 앞으로는 온라인과 오프라인 사이에서 얼마나 잘 균형을 잡느냐 하는 것이, 얼마나 인터넷을 잘 이용하느냐 하는 문제와 일맥상통하게 될 것이다. 결국 이 문제는 앞으로의 future 인터넷에 대한 문제와 연관되어 심도 있게 고민해 봐야 할 주제라 생각한다.

공학도와 문화생산자와의 만남

질문 하나-아시안 중심 인터넷 구축하려면 언어적인 문제는?현재 인터넷은 영어중심으로 하고 있으나 언어적인 문제 역시 해결되어야 함. 이와 관련 연구는 되고 있지만 얕은 수준이며 효과적인 연구가 이루어지지 않음. 결국 인터넷은 세계 전체적인 문제이기 때문에 우리도 해결해야 할 문제. 우리나라 역시 인터넷 강국이라고 하고 있지만 해결할 생각은 하지 않음. 이용은 하고 있지만 주인의식을 가지진 못함. 식민지 정신에서 벗어나야 함. 우리에게도 책임이 있다는 것을 인식해야 할 것. 중국은 아직 힘들다고 볼 수 있음. 우리나라 일본은 공동책임이 있다고 봐야 함. 능력에 있어서는 우리나라와 미국이 크게 다르지 않다고 봐야 함. 사고방식의 전환.
질문 둘-현재의 네트워크를 대체할 수 있는 기술이 현재 한국에서도 시작되고 있는가?미국과 유럽은 시작되고 있었고 한국 역시 올해와 내년에 준비. 2년 정도의 차이라고 생각하면 될 것. 미국은 연구를 빨리빨리 진행함. 우리나라의 경우 스피드가 문제이긴 하지만 노력은 하고 있음. 어차피 장기적 10~15년 정도 봐야 한다. 우리나라 정부가 기업체까지 확보해서 직접 이익이 되지 않는 것에 투자할 가능성은 없음. open research에 투자하려 하지는 않는 편이기 때문임.
질문 셋-소외된 인구에 대한 인터넷 보급 노력이 이루어지고 있음. 현재 한국에서 진행되고 있는 것이 있는가? 전길남 박사님MIT교수의 아이디어 100달러 컴퓨터 만들어야 함. 개도국에 제공해야 한다는 프로젝트. 그사이 몇 개 회사가 200달러 미만의 컴퓨터를 만들어 내고 있음. 결국에 나올 것으로 보이긴 하지만 보급은 그렇게 쉽지 않을 것으로 보임. 개도국 자체의 선택이 아니라 선진국에서 필요한 것을 제공하는 형태. 그것이 우선시 되는 문제. 좋은 모델의 케이스는 나오지 않고 있음. 어쩌면 중국이 할 수도 있지 않을 까. 내부에서도 필요하기 때문에 생산 가능성을 보임. 인도는 아직 부족함. 모델 케이스가 나와야 한다는 것이 가장 중요.누가 투자할 것인가 하는 문제. 경제적 이익이 없음. 연구했다고 해서 그것 역시 좋은 논문이 나올 가능성도 없음. 개인적으로 아시아의 문제라고 봄. 아시아가 리드해야 함. ▶조한혜정 교수님 연결하는 자체로서 좋은 것인지, 어떤 의미에서는 필요성을 못 느낄 때에는 가만히 내버려 둬야 하는 것이 아닌 가. 100달러 PC의 보급이 정말 좋은 아이디어인가 따져야 할 부분이 생략되고 있지 않은가. 토론의 장 역시 많이 존재하지 못함. Catch-up 게임을 해야만 한다. 직접 이익이 안 되는 연구를 하지 않고 있고 그렇기 때문에 도덕적으로 연구를 해야 함. 기업에서도 하고 싶다라는 의견을 표시하면서도 현실적으로 단기적 계산에 머물게 되고 연구가 진행되기가 힘들게 됨. 글로벌적으로 폭넓은 인식이 필요. 아시아라는 카테고리에 묶일 것이 아니라 세계적인 인식이 중요. 보다 넓은 인식의 고민이 해결책을 찾게 되지 않을 까.

질문-
, , 일이 진짜 협력할 수 있는 것인가?할 수만 있다면 정말 좋은 것. 안 된다면 아시아의 리더십을 기대하기가 힘들다고 봄. 중국의 13억 인구를 위해서 필요한 것. 중국정부로서는 투자가치가 있다고 봄. 방글라데시 같은 경우에도 할 수 있으면 좋지만 기술력 부족, 자본 부족, 정치적 리더십도 존재하지 않음.
질문 다섯-Contents의 문제? 예전에는 인터넷을 다양하게 활용할 수 있었는데 이제는 포탈 중심으로 개편이 되고 있음. 인터넷 안에서 쳇바퀴. 우리나라 사람이 컨텐츠 쪽에 관심을 갖게 된다면 한국인터넷에 있어서는 위기가 아닌 가. 다른 방향의 개발이 이루어지고 있는 가.정보데이터의 질을 지켜야 한다. 정보사회에서 데이터의 질이 가장 중요. 그러한 의미에서는 선진국이 아니라 개도국으로 볼 수 있음. 정부에서의 잘못된 데이터마저도 고칠 생각조차 하지 않음. 영국의 경우 데이터의 질을 굉장히 신경쓰고 있음. 한국은 표지판만 보더라도 에러가 굉장히 많음. 고칠 수 있지만 시스템이 그렇게 되어 있지 않음. 결국 퀄리티의 문제.
질문 여섯-packet switch, 이러한 컨버젼이 웹 정신에 근접하고 있는 것인가? 원래 서킷 스윗칭은 다른 사람이 사용할 수 없었고, 패킷 스위치는 함께 사용하는 의미. 패킷 스위치가 없었다면 너무 비용이 비싸기 때문에 현재처럼 사용할 수 없었을 것임. 현재에 와서는 다시 한 번 패킷 스위치가 되어야 하는 것이 아닌가. 컨비네이션이 중요. 컨버젼스는 방송위원회, 도시위원회, 영화 등등. 함께 의논해야 함. 법률적인 문제 먼저 해결할 수 있어야 함. 기업체의 규제에 대해서도 해결되어야 사회 자본으로 사용할 수 있음. 웹은 그런 것을 관계없이 사용할 수 있어야 한다. 해결하는 것은 문제가 되지 않지만 법률, 기업체등의 문제가 지나야 할 것임.

참고문헌
-디지털타임스, 장윤옥 IT Talk, 2007.06.29
-
연합뉴스, 연합CEO초대석 김정주 넥슨 대표, 2005.10.13 - 2.0 시대의 기회 시멘틱 웹, 디지털미디어리서치, 김중태
-http://i-museum.or.kr >
자료마당> 인터넷 연표 中 -한국 전산원, u-Korea 구현을 위한 IT839 전략 분석
-www.internetworldstats.com/stats.htm
-www.itstat.go.kr
-
네이버 백과사전
-
파이낸셜 뉴스 경제, IT-BT-NT 융합된다.황창규 사장, 2006.10.08 -이호진 세계지역연구센터 미주팀 부연구위원, 보고서에 나타난 2050년 한국경제, 2006.01.02


[1] 디지털타임스, 장윤옥 IT Talk, 2007.06.29
[2] 연합뉴스, 연합CEO초대석 김정주 넥슨 대표, 2005.10.13
[3] 2.0 시대의 기회 시멘틱 웹, 디지털미디어리서치, 김중태
[4] http://i-museum.or.kr > 자료마당> 인터넷 연표
[5] 한국 전산원, u-Korea 구현을 위한 IT839 전략 분석
[6] www.internetworldstats.com/stats.htm
[7] www.internetworldstats.com/stats.htm
[8] www.itstat.go.kr
[9] 네이버 백과사전
[10] 파이낸셜 뉴스 경제, “IT-BT-NT 융합된다.” 황창규 사장, 2006.10.08

[11] www.itstat.go.kr >정보화>정보격차>정보이용격차

[12] 이호진 세계지역연구센터 미주팀 부연구위원, 보고서에 나타난 2050년 한국경제, 2006.01.02

제목과 본문은 수업 참여자 여러분들이 마음껏 수정하실 수 있습니다.

많은 참여 부탁드립니다.

강정석입니다.

제가 질문했던 부분 나름대로 정리해보았습니다. 녹취가 아니기 때문에 매우 부정확하지만 그냥 참고라도 하시라고:$

개인적으로 두 분의 다름이 꽤 흥미로웠거든요.

강연 준비한 조에서 종합해서 올리실 때 지우셔도 상관없습니다.


이건 관련기사. 다른 기사 모음도 잘돼있어요

<188弗로 또 ↑…100달러 랩톱 원가예측 실패?>


강정석 : 미국 교수 뭐시기의 아이디어를 바탕으로 후진국의 정보소외계층, 특히 어린이와 학생들을 위해 100달러짜리 피씨를 만들어 보급하겠다는 움직임이 있다. amd 등등 미/서구 기업·학교가 중심이 돼서 진행되고 있는데, 전길남이 이야기한 인터넷 세상의 ‘남아있는 50억’을 위해 아시아의 대학이라든가 기업에서 할 수 있는 일이 뭐가 있을 것인가, 아님 진행되고 있는 게 뭐가 있는가. 예를 들면 삼성이 메모리를 싼값에 공급해준달지...


전길남 : 요새는 워낙 일반 노트북도 가격이 내려가고 있기도 하고... 뭐 걔네는 회사를 하나 차려서 일하고 있는 걸로 알고 있다. 그런데 “니넨 이런게 필요해, 그러니까 우리가 주겠다” 이런 마인드로 잘 갈 수 있을까? 그리고 개도국한텐 100달러도 엄청나게 큰 돈이다. 아직 Model Case가 안 나온 상태긴 한데, 아시아에서는 중국 정도가 가능하지 않을까 싶다. 다만 이러한 PC를 위해서는 지금의 것과는 다른 방식의 인터넷 기술이 필요할 것이다. 그리고 “누가 투자할 것인가?”의 문제도 여전히 미해결 상태다.


조 한 : 그 교수는 MIT의 네그로폰테다. ‘연결’ 자체로 좋은가? 100달러 피씨의 도입이 그 나라들에 어떤 영향을 줄 것인가를 생각해 보았는가? 그것은 진짜 좋은 아이디어인가? 그런 걸 따지는 게 잘 안되고 있다. [우리는 Catch-up Game만 하고 있다. 이렇게 가도 되는 건가. 잘 살게 됐으니까 이제 베풀어보자 이런 마인드는 곤란하고. 블라블라. 죄송합니다 잠시 흐름을 놓쳐서-_-]
그렇지만 ‘한국’ 틀 내에 있으란 소리는 아니다. 미래 인터넷 공헌의 1/3을 아시아에서 이뤄내자는 소리가, 경계를 넘나들지만 ‘나의 고향’ 사람들의 삶을 낫게 하고자 고민해보자는 거다. 그러다 보면 좋은 기술도 나오게 될 것이고.


전길남 : Global Social Infrastructure를 구성하는데 한중일의 협력이 가능할 것인가? 가능하다면 정말 좋을 것이다. 아니라면 인터넷의 미래에서 아시아가 리더십을 갖기는 어려울 것이다. 100달러 피씨도 당장 중국의 시골 같은 데 보급하는 게 좋을 수도 있다. 기본 인프라는 어느 정도 되어 있으므로 중국은 여기 투자가치가 있다고 생각할지도 모른다. 하지만 인프라도 없는 진짜 후진국은 어떻게 할 것인가? 여기 피씨를 공급한다고 해도 그것을 활용할 수 있는가?


잠시후 유아람의 질문에 대해


전길남 : 라오스 대학에 한국교수가 파견돼 인터넷 교육을 하고 있더라. 그런데 라오스는 웹사이트가 250개, 라오스말로 된건 40개에 불과하다. 이 수업 듣는 학생들이 거기에 10-20명만 가도 대학 하나 3만명 학생의 홈페이지를 만들어 줄 수 있다. 그러면 그게 라오스 인터넷에 breakthrough가 될 수 있지 않겠냐.


조 한: 그럴 필요가 있느냐. 그냥 걔네는 살면서 피곤하면 야자수 밑에서 낮잠 자고 여유로운 생활을 할 수 있는 거 아니냐. 굳이 그런 ‘광풍’에 휘말리게 할 필요가 있느냐. 이런 문제제기를 해야 한다. 전길남은 기술자로서 인터넷이 확장돼야 한다는 입장이지만, 우리같이 인문사회과학을 하는 사람은 좀 다르게 보아야 할 필요가 있다.

첨부파일

한국 인터넷의 과거, 연재 그리고 미래 강의노트.doc


인터넷의 과거, 연재 그리고 미래 강의노트.pdf


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인터넷의 기원과 전망
    전길남 저
pp. 77~92 (16 pages)


FROM: http://www.dbpia.com/view/ar_view.asp?arid=81049#"

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Introduction to FDM, OFDM, OFDMA, SOFDMA

Frequency Division Multiplexing (FDM)

WiMAX air interface is based on OFDM/OFDMA physical layer (PHY). To understand how OFDM and OFDMA work, it is useful to start with its "mother" namely FDM (Frequency Division Multiplexing).

Frequency Division Multiplexing (FDM) sub-carriers

Figure. Frequency Division Multiplexing (FDM)
Spacing is put between two adjacent sub-carriers.

In FDM system, signals from multiple transmitters are transmitted simultaneously (at the same time slot) over multiple frequencies. Each frequency range (sub-carrier) is modulated separately by different data stream and a spacing (guard band) is placed between sub-carriers to avoid signal overlap.

Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)

subcarriers in Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)

Figure. Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)
Sub-carriers are closely spaced until overlap.

Like FDM, OFDM also uses multiple sub-carriers but the sub-carriers are closely spaced to each other without causing interference, removing guard bands between adjacent sub-carriers. This is possible because the frequencies (sub-carriers) are orthogonal, meaning the peak of one sub-carrier coincides with the null of an adjacent sub-carrier.

In an OFDM system, a very high rate data stream is divided into multiple parallel low rate data streams. Each smaller data stream is then mapped to individual data sub-carrier and modulated using some sorts of PSK (Phase Shift Keying) or QAM (Quadrature Amplitude Modulation). i.e. BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM.

OFDM needs less bandwidth than FDM to carry the same amount of information which translates to higher spectral efficiency. Besides a high spectral efficiency, an OFDM system such as WiMAX is more resilient in NLOS environment. It can efficiently overcome interference and frequency-selective fading caused by multipath because equalizing is done on a subset of sub-carriers instead of a single broader carrier. The effect of ISI (Inter Symbol Interference) is suppressed by virtue of a longer symbol period of the parallel OFDM sub-carriers than a single carrier system and the use of a cyclic prefix (CP).

OFDM has been in theory for decades but just entered real world applications in recent years thanks to the availability of modern chips that can handle complex digital signal processing. Wireline and wireless, fixed and mobile communications or networking technologies have chosen OFDM to achieve higher data rate (what is called broadband). Examples of such technologies are: ADSL, HomePlug AV, WiMedia UWB, Wi-Fi (802.11a/g), WiMAX.

Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA)

Like OFDM, OFDMA employs multiple closely spaced sub-carriers, but the sub-carriers are divided into groups of sub-carriers. Each group is named a sub-channel. The sub-carriers that form a sub-channel need not be adjacent. In the downlink, a sub-channel may be intended for different receivers. In the uplink, a transmitter may be assigned one or more sub-channels.

subcarriers in Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA)

Figure. Orthogonal Frequency Division Multiple Access
Sub-carriers with the same color represent a sub-channel.

Subchannelization defines sub-channels that can be allocated to subscriber stations (SSs) depending on their channel conditions and data requirements. Using subchannelization, within the same time slot a Mobile WiMAX Base Station (BS) can allocate more transmit power to user devices (SSs) with lower SNR (Signal-to-Noise Ratio), and less power to user devices with higher SNR. Subchannelization also enables the BS to allocate higher power to sub-channels assigned to indoor SSs resulting in better in-building coverage.

uplink subchannelization in OFDM and OFDMA

Figure. Uplink Subchannelization in WiMAX
In OFDM, only one SS transmits in one time slot.
In OFDMA, several SS's can transmit at the same time slot over several sub-channels.

Subchannelization in the uplink can save a user device transmit power because it can concentrate power only on certain sub-channel(s) allocated to it. This power-saving feature is particularly useful for battery-powered user devices, the likely case in Mobile WiMAX.

Scalable OFDMA (SOFDMA)

SOFDMA (S-OFDMA) adds scalability to OFDMA. It scales the FFT size to the channel bandwidth while keeping the sub-carrier frequency spacing constant across different channel bandwidths. Smaller FFT size is given to lower bandwidth channels, while larger FFT size to wider channels. By making the sub-carrier frequency spacing constant, SOFDMA reduces system complexity of smaller channels and improves performance of wider channels.

As a reminder, IFFT (Inverse Fast Fourier Transform) is used in a WiMAX transmitter to create an OFDM waveform from modulated data streams, while FFT (Fast Fourier Transform) is used in a WiMAX receiver to demodulate the data streams. The FFT size equals the number of sub-carriers, e.g. in a OFDM/OFDMA system with 256 sub-carriers, the FFT size is 256.

Transmitter RF chain consists of encoder, modulator, IFFT, Filter, DAC, RF, and antenna; Receiver RF chain consists of antenna, RF, ADC, Filter, FFT, demodulator, decoder

Figure. Transmitter and Receiver RF chains in WiMAX
Basic building blocks of a Tx RF chain and a Rx RF chain.


SOFDMA is the OFDMA mode used in Mobile WiMAX. It supports channel bandwidths ranging from 1.25 MHz to 20 MHz. With bandwidth scalability, Mobile WiMAX technology can comply with various frequency regulations worldwide and flexibly address diverse operator or ISP requirements, that's whether for providing only basic Internet service or a broadband service bundle.

OFDM and OFDMA Symbol Structure

OFDM subcarrier structure

Figure. OFDM symbol structure in WiMAX

Both OFDM and OFDMA symbols are structured in similar way. Each symbol consists of:
- data sub-carriers (OFDM) or sub-channels (OFDMA) that carry data (information),
- pilot sub-carriers as reference frequencies and for various estimation purposes,
- DC sub-carrier as the center frequency, and
- guard sub-carriers or guard bands for keeping the space between OFDM/OFDMA signals.

OFDMA subcarriers (subchannels) structure

--> QUIZ

FROM:  http://www.conniq.com/WiMAX/fdm-ofdm-ofdma-sofdma-01.htm

posted by Salt n Light
TAG FDM, OFDM, OFDMA, SOFDMA
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