[이동통신] 셀룰러 시스템의 구성

* 셀룰러 시스템의 구성 개요  

1. 기지국장치 (BTS: Base Transmit Station)

- 이동통시스템은 단말기(MS), 기지국(BTS), 기지국제어장치(BSC), 교환기(MSC), 홈위치등록기(HLR) 등으로 구성

- 여러 개의 셀들을 관리하는 BSC, 다수의 BSC를 연결하는 MSC 등으로 전체 시스템들이 계층적 구조로 되어 있음

- 이 외에도 높은 품질의 이동통신 서비스가 가능하도록 시스템의 고장 등을 파악하는 망 관리 장비, 고객의 요구를 관리하는 고객관리 장비, 서비스 요금을 부과하는 과금 장비 등이 포함됨

 

기저대역처리부

 

무선처리부

 

시험장치부

 

2. 전력 증폭기(HPA)

전력증폭기

 

HPA 구성

 

multi LPA/HPA

 

multi LPA/HPA

 

HPA 증폭방식

 

3. 저잡음 증폭기(LNA)

LNA

 

TMLNA

 

* 단말기

1. 단말기 H/W

- 이동전화 단말기는 무선대역처리부(RF: Radio Frequency), 기저대역(baseband) 처리부로 구분

- 세부적으로는 듀플렉서(duplexer), 고주파 및 중간주파수 처리부, 기저대역 처리부(Main Chip), 메모리를 비롯한 외부장치 등으로 구분

 

2. 단말기 S/W

- 실시간 처리가 가능한 OS를 기반으로 동작

- 단말기의 모든 H/W를 제어

- 각종 호 처리를 담당

- CDMA방식에서 다양한 부가서비스가 추가됨으로 인하여 S/W는 점점 복잡하고 프로그램 크기도 증가하고 있는 추세

• SMS(Short Message Service), 무선데이터, 인증, OTA (Over The Air Activation) 등의 추가로 더 많은 메모리와 빠른 속도 필요

 

3. 단말기의 진화

- 단말 주변장치의 발달에 따라 단말기의 성능이 고도화되면서 진화하고 있음

- 디지털카메라/GPS/스마트카트모듈이 탑재되면서 영상통신/위치서비스고도화/M-Commerce 보안 문제를 해결

- 반도체 기술의 발달로 CPU 고성능화, 저장 용량 확대 등이 이루어짐

- 디스플레이 기술발달로 Wide LCD, Color LCD, TFT LCD 등 고선명 화질을 구현

- 배터리기술의 발전으로 장시간 통화하며 무게는 경량화

- 다양한 형태의 음성, 데이터, 영상 정보를 하나의 단말기에서 다룰 수 있는 이동 멀티미디어 단말기 형태로 발전

 

* 기지국 (BTS: Base station transceiver system)

- 이동전화시스템 내에서 기지국제어장치(BSC)와의 유선 접속 및 단말기 간의 무선 접속을 위한 인터페이스 제공

- 무선 신호 송수신, 시스템 동기, 무선채널 부호화 및 복호화, 기저대역신호처리, 무선 자원 관리 등의 역할

 

1. 기지국 형상(형태)

- 기지국은 철탑을 세우고 철탑 위에 안테나를 설치한 후 안테나로부터 실내에 있는 기지국 장비에 연결

- 기지국의 설치방법(형상)

• 옥내형 기지국: 일반적으로 많이 설치
• 옥외형 기지국: 임대 등이 어려울 때 옥외형 기지국

기지국 형상

 

2. 펨토셀 기지국

- 1000조 분의 1(10-15)을 의미하는 펨토와 이동통신 단말기의 통신 가능 범위를 정의하는 셀의 합성어

- 1000조 분의 1 정도로 촘촘한 이동통신 서비스 커버리지를 의미

- 기존 이동통신서비스의 반경보다 훨씬 작은 지역까지 서비스할 수 있는 기술

- 유선과 무선이 융합되는 환경에 유용한 기술

- DSL모뎀처럼 생긴 초소형 기지국을 가정 내 유선인터넷망에 연결해 휴대폰으로 유무선통신을 자유롭게 사용할 수 있게 함

- 옥내중계기를 이용하지 않고 곧바로 기지국에서 교환기로 이동통신 데이터를 전송함으로써 구축 비용이 절감되고, 음영지역해소 및 통화품질 향상이 가능

- 미국과 같이 영토가 넓은 지역의 경우에는 서비스 커버리지를 완벽히 제공하기 어렵기 때문에 이동통신 커버리지 문제가 발생, 가정과 같은 지역의 통화 불량에 대한 이동통신 민원이 많이 발생할 수밖에 없는 경우 펨토 셀이 문제를 해결할 수 있음

- 한국과 같이 인구밀도가 높은 환경에서 이동통신 서비스를 제공하는 경우 단위 면적의 통화량이 매우 높아 기지국이 서비스 중단될 수 있는데, 펨토셀이 통화량을 분산할 수 있는 해결방안이 될 수 있음

 

3. 무선처리부와 디지털처리부의 분리

- 기지국은 디지털 신호를 처리하는 디지털처리부(DU: Digital Unit)와 RF신호를 처리하는 무선처리부(RU:RF Unit)가 함께 구성되는 것이 일반적

- 이동 통신기술이 발전하면서 다양한 이동통신 시스템이 함께 서비스가 되면서 기지국 수도 급증하고 통화량이 증가하면서 기지국 설치 및 배치 등이 더욱더 어려워짐

- 이러한 문제를 해결하기 위해 2010년 이후 기지국의 DU와 RU를 분리하고 DU는 동일한 장소에 집중배치하여 DU의 채널 카드를 함께 사용하면서 동적으로 할당하는 기술이 도입

- 이것은 최근 도입되고 있는 클라우드 컴퓨팅의 개념을 이동통신 네트워크에 적용하는 방식임

- RU는 RRH(Remote Radio Head)라고 부르며, 다양한 기지국(WCDMA WiBro, LTE 등)의 디지털 처리부를 집중화하고 무선처리부만 서비스 지역에 설치함으로써 기지국의 채널 용량을 동적으로 관리하고 기지국의 설치 및 배치를 용이하게 할 수 있음

 

* 중계기

- 기지국만으로는 전파가 도달하지 않는 통화 불량 지역을 개선하기 위하여, 기지국과 단말기의 신호를 받아 증폭하여 발사하는 장치

 

1. 중계기 종류

1) 광 중계기

- 광 중계기는 도너와 리모트로 구성

• 도너: 기지국의 RF신호를 광신호로 변환 광선로를 통해 중계기까지 전송
• 리모트: 전송된 광신호를 다시 RF신호를 변환하여 안테나로 송신하는 방식

- 광선로 이용으로 매우 안정적

- 도심의 트래픽분산 및 음영지역 해소등 다양하게 활용

- 광선로 임차료 고가, 광소자 특성이 통화 품질에 영향

 

2) RF 중계기

- 기지국의 RF신호를 직접 받아 증폭하여 서비스하는 방식

- 주로 도심빌딩 내부 및 터널 등의 음영 지역을 개선하는 데 사용

- 기지국과 중계기의 링크가 RF로 구성되므로 광중계기나 M/W중계기처럼 링크 구성을 위해 모 기지국의 변화를 일으키지 않음

- 중계기의 입/출력신호가 같은 주파수를 사용하므로, 중계기의 송수신 안테나가 충분히 이격 되지 않으면 출력 신호가 중계기의 입력으로 다시 유입되는 발진현상 발생

 

3) 변파 중계기 및 마이크로웨이브 중계기

- 변파중계기

• 기지국으로부터 수신 주파수와 다른 주파수로 변경하여 송신하는 중계기

- 마이크로웨이브 중계기

• 수신기지국과 중계기 사이클 8Ghz 또는 18Ghz 대역의 마이크로웨이브를 사용하는 방식
• 마이크로웨이브 구간 사이에 가시거리(LOS: Line of sight)가 확보되어야만 사용 가능

 

4) 초소형 중계기

- 도심 밀집지역의 지하 등 음영지역에서 많이 사용하는 초소형 중계기

 

* 기지국 제어기 (BSC: Base Station Controller)

- 기지국(BTS)과 정합하여 무선자원 및 호 제어기능을 수행하며 교환기와 접속

- 기지국 간 핸드 오프를 처리함

- 하나의 BSC는 여러 개의 BTS를 제어하며, BSC내에는 두뇌 역할을 하는 BSM(Base Station Manager)은 BSC와 BTS를 운용/유지 보수함

- GUI(Graphic User Interface) 형식으로 구현되어 운영자가 손쉽게 관리할 수 있도록 되어 있음

- 초기 BSC는 음성 서비스만을 고려하였다가 이후 데이터 서비스가 추가되면서 음성과 데이터 서비스를 분리하는 기능을 가지게 됨

 

* 교환기

- 이동통신교환기(MSC:Mobile Switching Center)는 망의 중심부=

- 이동가입자 상호 간 또는 이동통신가입자와 PSTN, ISDN(integrated services digital network)등 고정통신망 또는 다른 이동통신사업자의 가입자와 호를 교환하는 기능 제공

- 이동통신교환기를 MTSO(Mobile Tele-communication switching off ice)라고 사용하는데 이것은 이동통신 교환 국사로 해석되며, 교환기, BSC, HLR 등 다양한 교환 장비를 포함하여 사용하는 것으로 해석 가능

- 이동통신교환기는 가입자의 호 요구에 따른 교환 기능을 수행하기 위해서 가입자 정보를 저장하고 있는 HLR 및 VLR과의 정보 교환 기능 제공

- 단말과의 신호 및 음성 데이터 송수신을 위한 BSC(기지국 제어기)와의 인터페이스 기능 제공

- 다른 통신망과 직접 접속하는 관문교환기가 있는데 PSTN 또는 이동통신 사업자 망과의 효율적인 망 연동 기능과 과금 정산 기능 수행

- 이동통신 교환기 운영은 2세대 디지털 이동통신에서 STM(Synchronous Transfer Mode) 방식의 교환기를 사용하다가 3세대 이동통신에서 음성, 영상 등 다양한 서비스 제공의 효율성을 높일 수 있는 ATM(Asynchronous Transfer Mode) 교환기 사용 

• STM교환기: 일반적으로 T-S-T(Time Space Time) 구조라고 하며 이용자는 시간상에서 특정 타임 슬롯만 이용하도록 고정되어 있음
• ATM교환기: 모든 망구성 요소가 타임 교환방식으로 이루어져 데이터의 유무에 따라 채널별 슬롯이 증감되어 빈 채널이 없으므로 전송 효율이 높음

 

* 라우터

- 여러 다른 종류의 망과 다양한 단말 간 데이터를 주고받는 데이터 교환장비

- 이동통신 서비스

• 1세대: 아날로그 이동통신 음성서비스
• 2세대: 디지털 이동통신 음성 및 저속데이터 서비스
• 3세대: 멀티미디어 이동통신 음성, 데이터, 영상서비스

- 3세대 이동통신 후반부터 무선 데이터 신호가 급증하기 시작

- 4세대 이동통신에 급격하게 무선데이터 증가로 라우터가 이동통신망 핵심장비로 등장 

 

1. 라우터 기능

1) 패킷 데이터를 전달하는 기능

라우터는 패킷 데이터가 전달될 목적지 IP주소를 확인하고 라우팅 테이블의 IP주소를 확인한 후 일치되면 패킷을 목적지 IP주소지로 전달할 네트워크로 송신

 

2) 패킷데이터의 서비스 품질관리 기능

인터넷망을 이용하는 서비스는 음성, 데이터, 영상 그리고 동일 데이터라도 이메일과 스트리밍서비스와 같이 다양한 서비스가 존재하며 서비스 중요도가 다르므로, 음성과 같이 실시간으로 이루어져야 하는 서비스는 지연시간을 최소화하도록 우선 전달하도록 하는 등의 서비스에 따른 품질관리 기능

 

3) 패킷 데이터 폭주 관리 기능

여러 사람이 동시에 패킷 데이터를 발생시켜 대량의 데이터가 들어올 경우 병목현상이 일어나 패킷데이터가 전달되지 않게 된다. 이때 폭주를 제어하기 위해 서버 큐의 길이 이후 데이터를 수신하지 않거나, 서버 큐의 일정비율을 정하여 데이터를 수신하지 않거나, 서버 큐의 길이에 따라 데이터 수신 비율을 조정하는 방법 등 이용

 

2. 라우터 종류 

1) 액세스라우터

규모가 작은 사무실 또는 가정사무실에서 계층구조가 아닌 형태로 이용됨

 

2) 분배라우터

여러 액세스 라우터로부터 데이터를 수신하여 동일 장소 또는 다른 장소에 있는 네트워크로 데이터를 송신하는 라우터

WAN규모의 네트워크에 적용

 

3) 보안라우터

외부 네트워크로부터 자산의 데이터를 보호하기 위해 방화벽 또는 가상망(VPN)을 별도로 설치하지 않고 라우터 결합

 

4) 코어라우터

여러 건물을 가지고 있는 대학 캠퍼스 또는 대기업에서 여러 분배라우터 사이에서 데이터를 중계하는 라우터

 

5) 에지라우터

에지 공급자 라우터라고도 하며 인터넷 서비스 사업자의 종단에 있는 라우터

 

6) 보더라우터

ISP사업자 간 종단에 위치한 라우터

 

7) 가입자라우터

가입자망의 종단에 위치한 라우터

 

8) 음성/데이터/영상처리 라우터

음성/데이터/영상 서비스 제공을 위해 액세스 서버 또는 게이트웨이 기능을 가진 라우터

 

* 방문자 위치 등록기 (VLR: Visitor Location Register)

- 교환기 영역에서 임시적으로 단말기를 관리하기 위해 임시 번호를 부여하여 가입자를 관리하는 데이터베이스

- 가입자가 현재 이동해 있는 MSC영역의 가입자 정보를 일시적으로 관리하고 임시 번호를 부여

- 단말기가 발신 전화할 때 HLR을 이용하지 않게 하여 통화량 감소시킴

 

* 홈위치 등록기 (HLR:Home Location Register)

- 가입자의 위치정보 등을 보관하는 데이터베이스

- 가입자의 실시간 데이터베이스 처리가 가능한 구조

- 단말기의 액세스 능력, 기본 서비스, 부가 서비스 등 중요한 데이터를 등록해야 함

- 착신가입자의 루팅 기능을 수행

 

* 인증장치/단말장치 등록기

- 인증장치

• 인증을 위해 인증키와 인증 알고리즘을 저장, 인증절차를 수행하는 장치
• HLR에 인증키를 제공하고 단말기가 계산한 결과치와 인증센터의 결과를 비교하여 적법한 가입자인지를 확인

- 단말장치 등록기(EIR:Equipment Identity Register)

• 단말기의 정보를 저장하는 장비
• EIR은 단말기의 도난, 불법사용 등을 방지

 

* 망관리 (NMS) / 고객관리 (CMS) / 과금시스템 (BS:Billing system)

- 망관리시스템(NMS)

• 장애 관리 및 운영관리를 위한 장비

- 고객관리 시스템(CMS)

• 가입자의 불편 사항을 처리
• 서비스를 관리하는 장비
• 가입자의 불편사항을 이용하여 서비스 및 통화품질 개선
• 망관리 및 과금관리 시스템과 연계한 실시간 정보수집 전달

- 과금시스템(BS:Billing system)

• 가입자의 통신요금을 관리하는 장비
• 교환기로부터 가입자의 통신 정보를 받아 통신요금 산출