이동통신 네트워크의 진화와 4세대 이동통신

지난해부터 삼성전자가 주도하는 와이브로(Wibro)가 표준 단체에서 표준으로 인정됨과 동시에 각국에서 상용화 작업이 시작됐다. SK텔레콤은 3G+라는 마케팅 브랜드로 HSDPA 서비스를 제공하기 시작했고 LG텔레콤 역시 올해 후반기부터 CDMA 1x EVDO rev A 기술로 고속 이동통신을 제공할 예정이다. 이는 3세대에서 4세대로 가는 과도기적인 기술들이다. 4세대 이동통신은 높은 이동성 지원, 고속 데이터 서비스 지원, 끊김 없는 서비스 제공으로 요약할 수 있다. 이 글에서는 현재까지 이동통신 네트워크가 진화해온 길을 되돌아 봄으로써 4세대 이동통신 네트워크가 어떤 방향으로 진화할지 이해할 수 있는 틀을 제공하고자 한다.

이동통신 네트워크의 진화: 음성 vs 데이터

네트워크는 네트워크가 주로 다루는 트래픽에 따라 음성 네트워크와 데이터 네트워크 두 가지로 나눌 수 있다. 음성 트래픽은 음성의 특성상 미리 정해진 고정된 크기의 트래픽이 오고 가기 때문에 네트워크 부하 및 사용자의 체감 품질을 유지하기가 쉽다. 반면 데이터 트래픽은 수십 킬로 바이트의 텍스트 데이터부터 기가 바이트 급 동영상 데이터까지 데이터 크기를 예측하기 어렵고 지속적인 네트워크 품질을 유지하기가 어렵다는 특성이 있다.
이런 특성을 고려하여 음성 네트워크와 데이터 네트워크는 출발부터 다르게 설계되었다. 그러나 네트워크가 진화함에 따라 음성을 주로 다루었던 네트워크에서도 데이터를 다뤄야 하고, 데이터를 주로 다루었던 네트워크에서도 음성을 다룰 수 있도록 바뀌어 가고 있다. 시간이 흐를수록 네트워크에서 오고 가는 대부분의 트래픽이 자연히 음성에서 다양한 형식의 멀티미디어 데이터로 옮겨가고 있다는 점에서 음성 네트워크에서도 데이터를 다룰 수 있어야 하는 것은 피할 수 없게 되었다.
마찬가지로 전화는 이동통신 네트워크에서 사용자들이 가장 필수적으로 생각하는 애플리케이션이므로 기존 데이터 네트워크가 이동통신 네트워크로 발전하기 위해서는 음성 트래픽의 특성을 수용할 수 있도록 변할 수 밖에 없다. 따라서 이동통신 네트워크는 이러한 데이터와 음성을 모두 수용할 수 있는, 그리고 더 나아가 단순한 데이터를 벗어나 사용자간 양방향 멀티미디어 데이터를 수용할 수 있는 방향으로 진화하고 있다.

전화망에서 출발한 이동통신 네트워크

그림 1은 음성 네트워크에서 출발한 이동통신 네트워크의 진화 과정이다. 기존 유선 전화망에서 이동 전화망으로 변화한 과정은 생략하고¹ , 2세대 이동통신부터 살펴보자. 각 진화 단계에서 어떠한 부분이 바뀌어 가는지는 추후에 살펴보기로 하고, 먼저 세대별 기술에 대해서 간략하게 설명하겠다.
음성 네트워크에서 출발한 이동통신 네트워크는 크게 북미식의 동기식과 유럽식의 비동기식으로 나눌 수 있다. 여기서 동기식과 비동기식이란 이동 단말들이 접근하는 기지국 간에 정밀한 시간 동기화가 필요한지 여부를 말한다. 그렇다고 비동기식이 시간 동기화가 필요 없음을 의미하지는 않는다. 정밀함의 차이다.²
세대 구분은 보통 지원할 수 있는 전송 속도로 나눈다. 2세대는 10Kbps, 3세대는 1Mbps, 4세대는 100Mbps를 이동중에 지원하는 것을 목표로 한다. 이를 볼 때, 세대간에 약 100배의 전송속도 향상이 일어나는 것으로 보면 틀리지 않다.

그림 1. 이동통신 네트워크의 진화

CDMA IS-95A와 CDMA IS-95B 그리고 GSM은 모두 2세대 이동통신 네트워크로서 음성만 지원하는 것을 주된 목적으로 설계되었다. 그러나 데이터 서비스에 대한 수요가 늘어나면서, 패킷 교환 방식(packet switched)의 네트워크를 포함하게 된다. 이것이 2세대에서 2.5세대로 진화하면서 변화된 가장 큰 부분이다. GPRS와 CDMA2000 1x가 이에 해당한다. EDGE는 GPRS에서 전송 속도를 향상시킨 기술로 굳이 구분하자면 2.75세대 정도에 해당한다.
이동통신사들은 멀티미디어 데이터 서비스를 시작하면서 전송 속도를 높여야 했는데 이러한 요구가 수용된 것이 3세대 이동통신망으로, 이론상으로 1Mbps를 지원하는 것을 목표로 설계되었다. 하지만 이는 기지국 최대속도로 사용자가 다양한 멀티미디어 서비스를 이용하기에는 여전히 낮은 수준이다. 따라서 지속적인 전송 속도 향상을 위해 네트워크는 진화하고 있으며, 요즘 한국에서 서비스가 막 시작되고 있는 HSDPA, CDMA 2000 1x EV-DO rev. A가 3.5세대 이동통신 네트워크로서 이동간에 약 14Mbps의 전송 속도를(1x EV-DO의 경우 약 3Mbps) 달성하는 것을 목표로 하고 있다.

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이동통신 네트워크의 구조

이제 각 세대별 네트워크 구조를 살펴 봄으로써 앞서 언급한 변화를 수용함에 따라 어떤 식으로 네트워크 구성이 진화해가고 있는지, 그리고 마지막으로 4세대 이동통신 네트워크에 대해 살펴보자.

그림 2. 기본적인 이동통신 네트워크의 구조

라디오 서브시스템은 사용자의 단말기와 기지국이 직접 통신하는 부분으로서, 무선 자원을 얼마나 효율적인 방법으로 사용하느냐에 따라 각 기술에서의 전송속도에 영향을 미친다. 네트워크 서브시스템은 각 이동통신사에 가입된 사용자 정보나 단말기의 정보 관리, 기지국 간의 사용자 이동 처리, 통화 종류에 따른 데이터망(Internet)과 전화망(PSTN)으로의 연결 등을 담당한다.
그림 2의 대략적인 개념을 가지고 실제 네트워크 구성을 살펴보자. 알 수 없는 단어들이 많이 나오겠지만, 세세한 이해는 접어두고 어떤 변화가 일어나고 있는지 살펴보는 것만으로도 충분하다.
북미식의 동기식 네트워크는 라디오 부분만을 표준으로 정의하고 뒤의 네트워크 서브시스템 구성은 자율에 맡기므로 딱히 정해진 네트워크 구조가 없다. 이에 반해 유럽식의 비동기식 네트워크는 네트워크 서브시스템 구성과 인터페이스를 지정해놓은 관계로 세대간의 진화요소를 파악하기가 좀 더 수월하므로, 비동기식 이동통신 네트워크 구성 변화에 대해 살펴보겠다. 큰 개념 변화는 동기식의 이동통신 네트워크에서도 똑같이 적용된다.

IP 네트워크로 변화

2세대 비동기식 이동통신의 대표적인 예인 GSM의 구조를 간략히 나타내면 그림 3과 같다(네트워크 서브시스템에서 사용자 정보를 담고 있거나 인증, 과금 등에 관련된 다른 컴포넌트는 제외했다). 앞서 말한 바와 같이, 2세대 이동통신은 오직 음성만을 염두에 두고 설계되었기 때문에 회선 교환 방식 장비로 네트워크 서브시스템이 구성되어 있고, 데이터 네트워크에 접속할 수는 있지만 IP가 아닌 모뎀을 통해 데이터 네트워크에 접근한다.

그림 3. GSM의 간략한 구조

2세대 이동통신 네트워크가 어느 정도 안정화 단계에 이르고, 회선 교환 방식에서 데이터 서비스를 수용해보려는 노력이 성과를 이루지 못하자, 데이터 서비스를 위한 컴포넌트들이 생겨나게 된다.³ 2.5세대의 대표적인 비동기식 이동통신 네트워크인 GPRS의 구조를 보자.

그림 4. GSM/GPRS의 간략한 구조

그림 4를 보면, 그림 3의 GSM에서 보지 못하던 이름들이 네트워크 서브 시스템에 등장한 것을 알 수 있다. 새로 등장한 SGSN과 GGSN은 패킷 데이터 교환 방식의 데이터 서비스를 위한 장비다. 3세대 이동통신 네트워크도 기본 구조는 그림 4와 거의 비슷하다.
이 그림들만으로는, 단순히 회선 교환 방식 위주의 네트워크 구조에서 데이터 서비스를 위한 패킷 교환 방식 컴포넌트가 추가된 정도로 이해하기 쉽다. 패킷 교환 방식의 컴포넌트가 추가되었다는 것은 각 컴포넌트간의 프로토콜이 이러한 변화를 수용해야 함을 뜻한다. 프로토콜의 변화를 살펴보기 위해 GSM과 GPRS의 프로토콜 스택을 살펴보자.

그림 5. GSM의 프로토콜 스택

그림 6. GPRS의 프로토콜 스택

프로토콜 스택을 비교해보면 GPRS에서 봤던 단어들을 발견할 수 있다. 사용자 단말기 쪽에서도 IP 계층이 보이고, GGSN과 SGSN은 IP로 인터페이스가 정의되어 있다. 지면 관계상 다른 이동통신망 구조를 모두 열거할 수는 없지만 이러한 추세는 3.5세대까지 계속된다. 즉, 점점 이동통신망 고유의 인터페이스나 컴포넌트들은 사라지고 네트워크 서브시스템의 컴포넌트들과 인터페이스는 IP 컴포넌트들과 IP로 대체되어 가고 있다.

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강력한 기지국으로의 변화

진화 과정에서 발견할 수 있는 또 다른 사실은, 기지국에 해당하는 컴포넌트들의 역할이 늘어난다는 사실이다. 3세대 망에서 3.5세대 망으로 진화를 살펴보면, 주목할만한 것은 상위 컴포넌트에서 하던 일들이 기지국으로 넘어왔다는 것이다. 이는 지연(delay)을 줄이는 데 크게 기여함으로써, 3세대에서 3.5세대로 진화하면서 전송 속도를 높이는 중요한 요소가 된다.
기존 RNC(WCMDA에서 기지국 제어기에 해당)에서 하던 패킷 스케쥴링과 오류가 났을 경우 자동으로 재전송을 해주는 기능이 Node-B(WCDMA에서 기지국에 해당)로 넘어옴으로써, 데이터 전송 중 오류가 났을 경우 Node-B의 상위 컴포넌트인 RNC까지 갔다 왔어야 했던 경로가 Node-B까지만 한정됨으로써 지연을 줄일 수 있게 된다.

데이터 네트워크에서 출발한 이동통신 네트워크

데이터 네트워크에서의 출발점은 무선랜을 생각할 수 있다. 하지만 무선랜은 처음 목적이 이더넷(ethernet) 확장으로 설계됐기 때문에 이동성에 대한 고려가 전혀 없다. 무선랜에 이동성을 지원하는 여러 제안이 나왔지만 아직 표준으로 확고하게 자리잡은 것은 없는 상태다.
광대역 무선 접속을 위해 제안된 802.16에 이동성을 추가하고 한국 현실에 맞게 바꾼 와이브로가 대표적으로 눈여겨볼만한 데이터 네트워크에서의 이동통신망으로의 진화 과정이다. 현재 상용화 단계에 있지만 데이터 서비스에 주력하고 있어 아직 음성 지원은 미비한 상태다. 속도 면에 있어서는 HSDPA보다 더 4세대 이동통신에 근접해있다. 그러나 음성 네트워크의 역사만큼 데이터 네트워크의 역사는 길지 않기 때문에 아직 이동통신 네트워크'에서의' 진화보다는 이동통신 네트워크'로의' 진화 과정에 있다.

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4세대 이동통신 네트워크

음성 네트워크는 데이터 서비스를 위해 이동성을 유지하는 가운데 전송 속도를 높이며 진화해 왔고, 데이터 네트워크는 높은 전송 속도를 유지하면서 음성 네트워크가 가진 이동성의 장점을 흡수하려는 노력을 하고 있다. 즉, 음성 네트워크의 진화와 데이터 네트워크의 진화의 목적지인 4세대 이동통신 네트워크는 높은 이동성을 유지하면서도 빠른 전송속도를 지원하도록 같은 지향점을 향해 발전해 나가고 있다. 결국 4세대 이동통신은 태생은 다르지만 지향점이 같은 두 이동통신 네트워크 기술들로 이루어질 것이며 이 이동통신 네트워크 기술들은 모두 고속 이동 중에서 높은 전송속도를 지원할 것이다.

음성 네트워크에서 출발한 이동통신 네트워크의 진화 과정에서 보았듯이 네트워크 서브시스템은 점차 IP 네트워크로 단일화되고 있다. 4세대 이동통신망에서 네트워크 서브시스템이 IP 네트워크로 단일화되면 기존 유선망과 연결이 쉬워진다. 그뿐 아니라 IP 장비들을 활용하므로 별도의 인터페이스 장비가 사라짐으로써 네트워크 구축에 필요한 비용도 절감될 것이다. 기지국 성능이 막강해짐에 따라, 자연히 네트워크 서브시스템에 존재하는 기지국 상위 컴포넌트의 역할이 줄어들게 된다.
따라서 4세대 이동통신 네트워크에서는 기지국 상위의 컴포넌트들이 하던 역할이 기지국으로 기능이 통폐합될 가능성이 크며, 올 IP 네트워크로의 변화에 따라 바로 IP 네트워크에 붙게 될 가능성이 크다. 이렇게 되면 기존에 계층적인 구조를 갖던 이동통신 네트워크의 네트워크 서브시스템은 지금의 인터넷 구조와 동일한 수평적인 구조를 갖게 될 것이다.
IP에 기반한 수평적인 구조로 변하는 것은 네트워크 확장성이 높아지고 네트워크 구축이 기존보다 저렴해진다는 장점이 있다. 하지만 계층적 구조에서 비교적 손쉽게 처리했던 사용자의 이동성 지원이나 자원 배분이 수평적 구조에서는 어려운 단점도 있다. 이는 현재 모바일 IP 등의 이동성 지원 기술과 새로운 자원 배분 알고리즘들에 의해 해결될 것이다.

4세대 이동통신에 이르면, 여러 종류의 네트워크가 동시에 존재하게 될 것이다. 이렇게 되면 어떤 한 종류의 네트워크 서비스가 지역 전체를 담당하기보다는, 위치와 용도에 맞게 기존에 존재하는 네트워크들이 계층구조를 이룰 가능성이 높다. 따라서 이동통신 네트워크는 사용자가 눈치채지 못하는 사이에 여러 종류의 네트워크를 오고 가며 끊김 없는 서비스를 제공할 수 있도록 구현되어야 한다. 이를 위해 수직, 수평 핸드오버 기술, 최적의 자원 분배를 위한 네트워크 선택 기술 등 아직 해결해야 할 점이 남아있다.

서비스의 변화가 일어나기 위해서는 우선 여러 얽힌 문제들이 풀리고 기반조건이 마련되어야 할 것으로 보인다. 우선 가격정책이 유선망과 같이 책정되어 요금 부담 없이 사용자들이 마음껏 이용할 수 있게 되어야 한다. 이는 기지국이 수용할 수 있는 사용자 수가 정액제 요금을 수용할 수 있을 만큼 늘어나야 가능할 것이다.
또한 이동통신 기기 플랫폼이 개방되어 현재 PC에서 사용하는 위젯류의 애플리케이션을 직접 제작 사용할 수 있게 된다면 위치정보를 이용한 4세대 이동통신 기반의 기발한 서비스들이 폭발적으로 늘어날 수 있을 것이다.
예를 들어 이동통신 기기로 어떤 레스토랑을 가리키면 GPS와 통신하고 레스토랑 정보를 가져와서 레스토랑의 메뉴 및 평점 등을 보여주는 식의 서비스 아이디어가 생겨날 것이다. 또 얼마 전 애플의 아이폰 시연에서 스티브 잡스가 보여주었던 구글 맵을 이용한 모바일 매시업 서비스도 대표적인 예다. 마지막으로 이동통신사가 독점해왔던 이동통신 전화가 VOIP 기술이 발전하면서 VOIP 전화로 대체될 가능성이 있지만, 우리나라의 강한 이동통신사 중심의 정책 구조로 볼 때 쉽지만은 않은 일이다.

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소셜 북마크
	mar.gar.in
	Digg
	del.icio.us
	Slashdot

맺음말

지금까지 음성 네트워크의 진화과정을 주로 살펴보고 그 진화과정에서 나타나는 변화들로부터 4세대 이동통신 네트워크의 모습을 그려보았다. 세세한 기술에 대한 이해 없이도 이와 같은 흐름과 이해의 틀을 갖추고 있다면 앞으로의 이동통신 네트워크 변화에 적절히 대처할 수 있을 뿐만 아니라 기술이 변화하고 진화해가는 과정을 지켜보는 것도 한가지 흥미로운 일일 것이다.

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Notes

¹ 1세대 이동통신의 대표적인 것은 AMPS로서 1980년대에 차량에 장착했던 휴대폰 정도로 생각하면 크게 틀리지 않다.
² 동기식에서는 GPS에 의한 정확한 시간 동기화를 필요로 한다.
³ HSCSD(High Speed Circuit Switched Data)가 대표적이다. 회선 교환 방식에서 데이터를 수용하려 노력했으나 데이터 트래픽의 특성 자체가 회선 교환 방식에서 맞지 않아 GPRS로 변화하게 된다.

참고 자료

1. Mobile Communications 2nd Edition, JOCHEN SCHILLER, 2003
2. In Search of the All-IP Mobile Network, PETER NEWMAN, IEEE Radio Communications. Dec 2004
3. Mobile Network Evolution: A Revolution on the Move, Johan De Vriendt et al, IEEE Communication Magazine, April 2002

필자 소개

		박준상 joonsang@gmail.com 연세대학교 컴퓨터과학과 모바일 네트워킹 연구실에서 석사과정을 밟고 있다. 여러 종류의 다른 네트워크들이 융합하거나 상호 작용하는 컨버전스 네트워크(convergence network)를 위한 알고리즘 및 네트워크 설계에 관심을 두고 연구를 하고 있다.

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