이동통신 발전 이해(1세대~7세대 이동통신)

* 이동통신의 개념과 진화

1. 이동통신의 개념

- 움직이는 대상과 일반 전화 사이나 이동하는 물체 상호 간에 발생하는 무선통신

- 이동체 통신이라고도 함

- 고정통신과 반대되는 개념

- 페이딩 현상이 나타날 수 있음

• 페이딩 현상: 신호 전파의 도달거리 차에 의해 수신되는 전파가 지나온 매질의 변화에 따라 그 수신전파의 강도가 급격하게 변동되는 현상

 

2. 이동통신 서비스의 진화 과정

- 진화과정에 따라 1세대, 2세대, ~ 7세대로 구분

- 셀룰러 이동통신, 무선전화, 무선호출 등의 경계가 2,5세대 이후부터 사라짐

이통통신 세대별 주요 기술의 변화

 

1) 1G

- 흔히 ‘카폰’이라 부르는 아날로그 이동통신 전화기로 사람 음성을 주파수로 변조해(FM) 보냄

- 사용자가 늘어나면 주파수가 부족해져서 이동 중 전화가 어려워지는 문제가 있음

 

2) 2G

- 1G에서 음성 신호를 디지털 신호로 변형하고 전송 방식을 아날로그에서 디지털로 변경

 

3) 3G

- 2G에서 인터넷 등 데이터를 전송할 수 있는 기술을 추가

 

4) 4G

- 회선방식 전송을 패킷 방식으로 바꾸어 데이터 효율을 높임

 

5) 5G

- 사물인터넷(IoT) 시대에 맞춰 데이터 전송이 요구되는 많은 개수의 센서가 필요

 

6) 6G

- 기존보다 주파수의 전송 속도를 더 높이기 위해서 뿐만 아니라 정확성, 시간 지연의 감소, 신뢰성의 향상도를 높임

 

이동통신 세대별 서비스 변화

 

3. 이동통신 시스템의 표준과 인증

- 무선 통신 관련 국제표준을 제정하기 위해, 1998년 12월 창설된 이동통신 표준화 기술협력 기구

- 3세대 이동통신규격인 WCDMA, HSDPA 등의 규격을 제정

 

이동통신 인증 표준

 

4. 핸드오프

- 다른 셀로 이동할 때 현재 통화 채널을 자동으로 전환해 주는 기술

 

1) Soft 핸드오프

- 셀 간의 핸드오프 방식

 

2) Softer 핸드오프

- 동일한 기지국 내 다른 섹터 간의 핸드오프 방식

 

3) Hard 핸드오프

- 이동국이 한 기지국에서 다른 기지국으로 이동할 때 기존 기지국과 연결되었던 채널을 끊은 후 새로운 기지국의 새로운 채널로 연결되는 핸드오프 방식

 

* 초기의 이동통신 (1세대~2.5세대)

1. 1세대 이동통신: 아날로그 셀룰러 시스템

아날로그 셀룰러시스템

 

- 전체 서비스 지역을 소규모의 서비스 영역인 셀로 분할한 후 각 셀에서 사용할 무선 채널을 할당

- 하나 이상의 셀에 기지국(BS)을 두고, 이 기지국을 이동통신교환기(MSC)와 연결하고, 교환기는 공중 교환 전화망(PSTN)으로 연결

- 모든 셀은 동일 주파수를 사용할 수 있으나, 서로 인접한 셀끼리는 동일 주파수를 사용할 수 없음

 

2. 2세대~2.5세대 이동통신: 디지털 셀룰러 시스템

디지털 셀룰러 전화망에서 이동통신의 구성요소

 

- 이동통신망은 관할 등록 지역인 셀로 나누어 무선 채널을 효율적으로 활용

- 하나 이상의 셀에 기지국(BS)을 두고 각 기지국을 하나의 이동통신교환기(MSC)와 연결

- 이동통신교환기에는 방문자 위치등록기(VLR)와 홈 위치등록기(HLR)가 있음

- 1989년부터 세계 표준화 방식으로 시분할 다중 접속 방식 채택

 

1) 서비스 종류에 따른 이동통신 구성

(1) 이동단말기

- 모든 이동체에 설치된 통신단말기

- 휴대폰처럼 가입자 쪽 종단에 있는 무선 인터페이스

- 무선 송수신기, 안테나, 제어장치로 구성

 

(2) 기지국

- 이동국과 교환국 중간에서 이동국과의 무선 전송을 담당

 

(3) 이동통신교환기

- 이동통신망과 일반 공중망을 연결

- 각 기지국에서 발생하는 착발 신호를 처리

- 기지국 감시 및 제어
- 공중 전화망의 시내교환 와 연결

 

(4) 홈 위치등록기

- 이동단말기의 가입자 정보와 위치 정보 등을 영구적으로 저장하는 데이터베이스

- 단말기 정보확인, 위치확인, 등록인식 등의 기능을 함

 

(5) 방문자 위치등록기

- 이동단말기가 다른 지역에서 관할 등록 지역인 현재의 지역으로 이동하였을 때 이동단말기의 가입자 정보를 일시적으로 저장하는 데이터베이스

 

(6) 운용보존국

- 이동통신의 요소를 운용하고, 유지 보존 기능을 담당

 

3. 무선 전화와 무선 데이터 통신 서비스 (1세대~2.5세대)

1) 1세대 이동통신 : CT-1

- 아날로그 무선전화 방식

- 일반 가정에서 사용하는 무선전화기가 이 방식을 사용

- 아날로그 통화 범위가 50~100m로 매우 짧으며, 핸드오프 기능이 없음

 

2) 2세대 이동통신 : CT-2

- 가정 내에서는 무선전화기, 가정 외에서는 휴대용 전화기, 사무실 등에서는 구내전화기로 사용하는
디지털 방식

 

3) 2세대~2.5세대 이동통신 : PHS

- 일본에서 1995년 7월부터 상용 서비스를 시작

- 가격이 저렴한 대중적인 무선통신 서비스

- TDMA 방식을 사용

 

4) 2.5세대 이동통신 : DECT, TRS

(1) DECT

- 아날로그에 비해 음질이 깨끗

- 도/감청이 불가능

- 휴대폰과 비슷한 기능을 제공하는 가정용 디지털 무선전화기

- 미국과 한국을 제외한 거의 모든 나라에서 사용

 

(2) TRS

- 미국에서 처음 채택한 방식

- 무선중계국에 할당된 일정 주파수를 독립된 각각의 채널로 묶어 다수의 사용자가 공동으로 사용할 수 있음

- 일정 주파수를 전용하는 기존 셀룰러 시스템과는 다름

 

* 3세대 이동통신: IMT-2000

- 1996년 이전에는 플림스(FPLMTS)라는 이름으로 사용하다 1996년 이후부터 IMT-2000으로 바뀜

- 지상과 이동, 위성통신 전체가 하나로 융합

- 각 사용자가 개인 단말기로 음성, 이미지, 텍스트 등 멀티미디어 서비스를 제공받을 수 있음

- 이동통신 서비스 욕구충족과 대용량 멀티미디어 데이터의 속도 한계점을 극복하기 위해 출현

 

1. IMT-2000 시스템의 구성과 표준화

- 이동단말기, 기지국, 이동통신 교환기 등으로 구성

• 무선 접속 구간: 이동단말기와 기지국 사이
• 핵심망: 기지국과 이동통신교환기 사이에 있는 다른 망과 연동하기 전까지의 교환망

- 표준화를 세계 단일 표준안으로 만드는데 실패하면서 두가지 방식으로 양분

- 유럽과 일본 중심의 비동기식과 북미 중심의 동기식으로 양분되어 진화

 

1) 북미 중심(미국식)의 동기식

- 무선 접속 구간에서는 CDMA 2000을, 핵심망에서는 ANSI-41에 기반을 둠

- 표준화 기구로는 3GPP2 협의체가 있음

 

2) 유럽과 일본 중심의 비동기식

- 무선 접속 구간에서는 W-CDMA를, 핵심망에서는 GSM-MAP에 기반을 둠

- 표준화 기구로는 3GPP 협의체가 있음

 

* 3.5세대 이동통신 (3GPP, 3GPP2)

1. 3GPP 계열

1) HSDPAs (고속 하향 패킷 접속)

- 시속 250Km로 움직이는 차 안에서도 서비스가 가능

- 하향으로 최대 14.4Mbps, 상향으로는 2Mbps의 속도를 제공

- 전 세계 어디에서도 하나의 단말기로 음성, 영상, 메시징, 데이터 등을 국내처럼 사용할 수 있는 글로벌 로밍이 가능

 

2) HSUPA (고속 상향 패킷 접속)

- 업로드 전송속도를 HSDPA보다 늘려 최대 5.8Mbps까지 구현할 수 있는 이동통신 서비스

- 휴대전화에서 업로드를 이전보다 고속화할 수 있게 함

- WCDMA/ HSDPA보다 한 단계 진일보한 WCDMA R6 기술

- 한국에서는 2007년 6월 상용화된 HSDPA처럼 WCDMA 규격을 따름

 

3) HSPA / HSPA+ (진화형 HSPA)

- HSPA : 2개의 모바일 프로토콜 HSDPA와 HSUPA를 합친 것

- HSPA+ : 더 개선된 3GPP 표준

- UMTS 프로토콜을 사용하는 기존 3G 모바일 전기통신망의 성능을 확장하고 개선

- HSPA가 인터넷전화 서비스를 안정적으로 지원하기 힘든 것과 달리, HSPA+는 향상된 속도와 용량을 바탕으로 상용망에서의 서비스가 강화

 

4) LTE

- 4세대 이동통신 서비스에 가장 가까움

- HSDPA보다 한층 진화된 고속 무선 데이터 통신 규격

- 휴대전화 네트워크의 용량과 속도를 증가시킴

- 반송파 대역폭을 1.4MHz에서 20MHz까지 상향시킴

- TDD와 FDD를 이용한 전이중 통신을 지원

- 하향 링크 최고 속도는 100Mbps, 상향 링크 최고 속도는 50Mbps

- WCDMA에서 진화한 기술

- OFDM과 MIMO는 이 방식에서 사용되는 핵심 기술

- IP망과 음성망, 데이터망을 하나로 묶는 개념 적용

 

2. 3GPP2 계열

1) CDMA 2000 1x EV-DO Revision A/B/C

- 미국 통신업체 퀄컴이 1999년 하반기에 선보인 초고속 무선데이터 통신기술

- 문자·영상·음악 등의 데이터를 최고 2.54Mbps의 속도로 전송할 수 있음

- ‘EV’는 ‘Evolution’을 나타내고, ‘DO’는 ‘Data Only’ 또는 ‘Data Optimized’를 의미

- TDM 방식으로 전송하고 최대 출력으로 전송

- 우리나라 이동통신사들은 2002년부터 본격적으로 CDMA 2000 1x EV-DO 서비스를 실시

 

2) Wibro (무선 광대역 인터넷)

- 이론적으로 최대 다운로드 속도는 10Mbps, 최대 전송 거리는 1km, 시속 120km로 이동하면서 사용할 수 있음

- 평균적인 속도는 100Mbps급 초고속 인터넷에는 미치지 못하지만, 3G 이동통신망보다는 빠름

- 2006년 6월 30일부터 서울과 경기도 일부 지역에서 상용화 서비스를 시작

- 2018년 12월 31일 24시를 기준으로 서비스가 종료

 

* 4세대 이동통신

1. All-IP 네트워크와 4세대 이동통신

- 4세대(4G)라는 이름으로 등장한 기술표준의 네트워크

- 표준화를 제정하는 협의체인 GPP, GPP2에서는 차세대 이동통신망인 All-IP를 진행

- IP 프로토콜에 기반을 두고 음성, 영상, 텍스트 등을 실시간/비실시간으로 서비스

- 각 단말기별로 있는 IP 주소를 이용해 발신 측과 수신 측을 연결해 통신

- 개인통신에서 옥외통신, 위성통신, IMT-2000의 전체 물리 계층 모델을 모두 포함

- 4세대는 이동통신 기술뿐만 아니라 무선 랜, 휴대 인터넷, 디지털 방송 기술까지 포함

 

All-IP

 

등장 배경

 

2. 4세대 이동통신: LTE-A, Mobile WiMAX Evolution

- 유럽의 3GPP LTE-A, 우리나라의 모바일 와이맥스 에볼루션, 퀄컴의 3GPP2 MBWA 등이 있음

- 이중 LTE-A와 모바일 와이맥스 에볼루션이 진화

 

1) OFDMA

- 2G, 3G, 4G의 핵심기술로 사용자 체감 성능을 개선시킴

- 매우 혼잡한 영역에서 예측하기 어려운 사용자 경험 대부분을 완화

- 많은 클라이언트를 AP(무선 공유기) 한 대에 동시에 연결하여 혼잡을 완화

 

2) 4G의 진화 - 3GPP 계열(LTE)

- 3GPP는 규격 버전을 Release 단위로 관리

• Release 8~9 : LTE
• Release 10~12 : LTE-A
• Release 13~14 : LTE-A Pro

 

(1) LTE-A

- 2009년 국제전기통신연합에서 ITU-T 표준 4G 시스템 후보로 제출되어 IMT-어드밴스드로 승인

- 2011년 3월에 3GPP가 릴리즈 10을 기반으로 완성한 WCDMA 계열의 4세대 이동통신

- LTE의 본래 규격

- 2012년 9월 러시아의 이동통신사 요타에서 세계 최초로 300Mbps급의 서비스를 상용화

- 우리나라는 SK텔레콤이 2013년 6월 두 개의 75Mbps급 LTE 대역을 묶은 150Mbps급의 서비스를 상용화

- LG 유플러스가 LTE-A 상용화와 동시에 LTE 전용모드로 지원되는 통신 방식을 7월에 상용화, KT는 9월에 상용화

 

(2) LTE-A Pro

- LTE 계열 규격 중 가장 진화된 규격

- 4.5G라고도 불림

- 500Mbps 이상 1Gbps급 속도를 지원, 유선망처럼 기가급 속도가 가능한 Gbit LTE

- 5G 도입 이후에도 4.5G와 같은 LTE evolution 기술 역시 계속 사용됨

 

(3) 광대역 LTE

- LTE보다 넓은 주파수 대역폭을 사용하는 서비스

- 주파수 대역폭이 넓어졌기 때문에 기존 LTE보다 데이터 전송속도가 훨씬 빠름

- 광대역 LTE는 같은 대역의 주파수를 넓히는 것이지만 LTE-A는 서로 다른 대역을 묶어 주파수 대역을 확장

- 2013년 9월 KT가 가장 먼저 광대역 LTE 서비스를 시작

 

(4) 광대역 LTE-A

- 20MHz 광대역 주파수에 10MHz인 일반 주파수를 묶어 최고 225Mbps의 다운로드 속도를 낼 수 있는 LTE 서비스

- 최대 다운로드 속도는 225Mbps, 기존 LTE(75Mbps)의 3배, 광대역 LTE나 LTE-A (150Mbps)의 1.5배

- 2014년 6월 19일 SK텔레콤이 세계 최초로 상용서비스를 시작

 

3) 4G의 진화 - 우리나라와 3GPP2 계열

(1) 와이브로 에볼루션

- 4세대 이동통신 규격에 맞게 우리나라에서 개발한 무선 광대역 인터넷 기술

- 2006년 우리나라가 세계 최초로 상용화하기 시작해 서비스 중인 3세대 통신기술 Wibro 기술의 성능을 크게 개선

- 2011년 이후 상용화

- 이동 중에는 WCDMA 속도(2Mbps)의 50배, 정지 중에는 초고속 유선통신 속도의 10배 이상 속도를 지원

 

(2) 모바일 광역 무선 액세스(MBWA)

- 전기 전자 기술자 협회(IEEE)의 표준협회가 규정한 모바일 무선 인터넷 액세스 네트워크를 위한 표준

- 본 표준은 2008년에 발표되었지만, MBWA는 더 이상 개발되지 않음

 

* 5세대 이동통신 (IMT-2020, 5G)

- 4세대 기술인 LTE보다 1,000배 빠르며, 2019년에 상용화를 시작

- 사람, 사물, 정보가 언제 어디서나 연결될 수 있도록 1Gbps 급으로 데이터를 전송

- 사람과 사람, 사람과 사물, 사물과 사물이 연결되어 다양한 정보를 실시간으로 활용할 수 있는 사물인터넷(IoT)이 핵심 서비스

- SK텔레콤은 스위스의 스위스콤과 2019년 7월 16일부터 세계 최초로 5G 로밍 서비스를 시작

- SKT 5G 이용자가 스위스에 방문할 경우 스위스콤 5G망 커버리지 안에서 5G 서비스를 이용할 수 있음

- 취리히, 제네바, 베른 등 주요 관광지 포함 110개 도시에서 5G 서비스를 제공 중

- LG유플러스도 지난 7월 16일 핀란드에서 5G 로밍 서비스를 시작

 

* 미래의 이동통신(6세대~7세대)

1. 6세대 이동통신의 서비스와 특징

- 2030년 현재 5G의 20Gbps보다 50배 빠른 1Tbps 최대 전송용량과 10배 우수한 1Gbps 사용자 체감속도

- 테라헤르츠급 통신대역폭 등 테라급 통신 서비스가 나올 것으로 예측

- 드론, 에어택시, 하이퍼루프 등 미래형 3차원 교통수단에 대한 서비스를 제공하며 통신이 가능하도록 시속 1000km 이동속도에서도 통신이 지원

- 저 궤도 통신위성을 연계, 지상 120m 이하에 그쳤던 서비스 고도를 지상 10km까지 확장

- 무선구간 1ms, 유선구간 5ms의 초저지연 서비스도 제공

- 전체 통신망에 인공지능이 적용되어 자율적으로 운영되고 미래형 지능 서비스가 운영되는 초지능 네트워크 구현

- 6G가 상용화되면 사물을 연결하는 사물인터넷을 넘어 모든 환경이 연결되는 만물지능 인터넷(AIoE)이 가능해질 전망

 

2. 7세대 이동통신 전망

- 7G 이동통신은 2040년경에 이루어질 전망, 사람이 존재하는 모든 공간 자체가 네트워크화될 것으로 예측

• ETRI 미래사회 연구실의 보고서

- 인간의 텔레파시까지도 연결할 수 있으리라 전망