Details of Mobile communication 이동통신 5강

Goals: 이동통신의 개념을 설명할 수 있다. 다중접속방식을 설명할 수 있다. 이동통신 발전사를 설명할 수 있다.

1. 이동통신의 개념: 전파라는 매체를 이용하여 이동 중에도 가능한 통신 서비스를 말한다.

   • 전파(wave)란? 전기장과 자기장이 공간을 통해 전파되는 형태의 에너지(a form of energy) = 전자기파

2. 다중접속방식(Multiple access methods): 한정된 주파수 자원(limited frequency resources)을 다수의 사용자(multiple users)가 공유할 수 있도록(enable to share)하는 방법.

   • 방법 1) 주파수 분할 다중접속(Frequency Division Multiple Access, FDMA): 각 나라나 지역에게 주파수 대역을 나누어 줌으로써 서로 다른 국가들이 동일한 주파수를 공유하면서도 각자 독립적으로 통신할 수 있도록 한다.

   • 장점: 기지국 안태나, 증폭 및 변조를 위한 장치가 간단하고 복잡한 동기가 불필요하다.

   • 단점: 여러개의 주파수를 동시에 증폭하기 때문에 변조 오류를 줄이기 위해서는 채널 사이에 사용하지 않는 주파수 대역을 삽입해야 한다. 따라서 중계기당 전송용량이 적고 회선 이용효율이 낮다. 다양한 속도를 갖는 디지털 전송방식에 비해 호환성이 부족하다.

   • 방법 2) 시간 분할 다중접속(Time Division Multiple Access, TDMA): 하나의 주파수 대역을 공유하는데 이 것을 시간으로 나누어 여러 사용자가 번갈아가며 이용하는 방식이다. 각 사용자는 할당된 시간 슬롯 내에서 자신의 데이터를 전송할 수 있다. 예)휴대전화 네트워크

     • 장점:

       1. 다중 사용자 지원: 한 주파수 대역을 여러 시간 슬롯으로 나누어 각 사용자에게 할당함으로써 다중 사용자를 효과적으로 지원할 수 있습니다.

       2. 주파수의 효율 향상: 하나의 주파수 대역을 여러 사용자가 번갈아가며 사용하기 때문에 주파수를 효율적으로 사용할 수 있습니다. 이는 더 많은 사용자가 동일한 주파수 대역에서 통신할 수 있게 합니다.

       3. 운용상의 우연성: 시간 슬롯을 유연하게 조정하여 다양한 속도의 데이터를 전송할 수 있습니다. 따라서 고속 데이터 전송이 필요한 휴대전화 네트워크에서도 효과적으로 사용될 수 있습니다. 이는 특정 시간대에 사용자가 증가하는 등의 상황에 대처할 수 있도록 합니다.

     • 방법 3) 코드 분할 다중접속(Code Division Multiple Access, CDMA): 여러 사용자가 동일한 주파수 대역을 공유하면서도 각각의 사용자를 식별하는 고유한 코드로 구분하여 통신하는 방식이다. 데이터를 전송할 때 이 코드가 데이터와 함께 사용된다. 확산(spreading)과 역확산(despreading)의 과정이 있는데 확산이란 데이터를 전송하기 전에 일종의 고유한 코드와 함께 곱해져서 넓은 주파수 대역으로 퍼뜨리는 과정이다. 역확산 이란 수신된 신호를 해당 사용자의 고유한 코드와 곱하여 원래의 데이터를 추출하는 과정이다. 이러한 확산/ 역확산의 과정으로 인해 외부 간섭이나 잡음에 강하고 보안성이 우수하기 때문에 최초에는 군사적인 목적으로만 사용되었다.

3. 이동통신발전사(Mobile Communication Evolution)

   북미나 유럽에서 대표적으로 어떤 방식이 사용되었고, 발전해왔는지를 중점적으로 공부하세요.

   • 발전 순서(Evolution): 1G -> 2G -> 2.5G -> 3G -> 3.5G -> 4G -> 5G

   • 1G: 아날로그 전송방식(FDMA)를 이용하여 사람의 **음성만(voice only)**을 전기적 신호로 전달한다. 전달하는 방식으로는 AMPS가 사용되었다. AMPS(Analog Mobile Phone System)은 1G이동 통신 기술의 초기 형태 중 하나이다(북미). 아날로그 기술을 기반으로 한 첫번째 이동 전화 시스템 중 하나였다. 이동 통신 기술의 발전을 이끌었다. 1990년대 후반- 2000년 초반에 대부분 국가에서 1G 서비스를 종료하고 2G이상의 이동 통신 기술이 주를 이루게 되었다.

   • 2G: 핵심 기술(key technology)은 디지털 변조 및 디지털 주파수 방식을 사용하여 **음성 통화(**voice calls)와 데이터 전송data transmission)을 지원한다. 통화 품질의 향상과 통화 보안의 강화가 이루어졌으며, 데이터 서비스의 도입과 인터넷 접속 기능이 추가되었다. 2G의 기술 종류로는 유럽의 GSM(Global System for Mobile Communications), 미국의 CDMA(Code Division Multiple Access), TDMA(Time Division Multiple Access)가 있다.

   • 2.5G: 2G와 3G 사이의 중간 단계로, 데이터 전송 속도와 기능을 향상시키면서도 3G의 일부 기술을 도입하여 더 나은 이동 통신 서비스를 제공하는 기술이다. 유럽 GSM/3GPP계열의 GPRS(General Packet Radio Service)와 EDGE(Enhanced Data rates for GSM Evolution)는 데이터 전송을 개선하기 위한 기술이 사용되었고 미국에서는 CDMA(코드 분할 다중 접속) 네트워크를 기반으로 3GPP2 계열의 CDMA2000 1xRTT와 PCS인 이동 통신 기술이 사용되었다.

   • 3G: 고속 데이터 전송이 가능해졌다. 모바일 인터넷 액세스, 온라인 비디오 스트리밍, 멀티미디어 메시징 및 다양한 인터넷 서비스를 제공하는 데 큰 도움이 되었다. 유심을 사용하게 되었다. 유럽, 일본은 3GPP컨소지엄을 형성하였고 UMTS 및 W-CDMA를 표준화 하였다(유럽). 그리고 미국, 한국은 3GPP2컨소지엄을 형성하여 CDMA2000을 표준화 하였다. ITU(International Telecommunication Union)의 IMT-2000(International Mobile Telecommunications-2000)는 이를 국제적으로 표준화하는 데 사용되는 표준이다. 유럽에서는 UMTS(Universal Mobile Telecommunication System)이라고도 한다.

     • ITU가 선택한 6가지 기술: W-CDMA 유럽, CDMA2000 북미, Wibro 한국, TD-SCDMA 중국, EDGE 유럽, DECT

   • 3.5G: 고속 데이터 전송 속도를 높여 더욱 빠른 인터넷 액세스를 제공한다. 3GPP계열로는 LTE가 있고 3GPP2계열로는 CDMA, 와이브로(Wibro)가 있다. 3.5G 기술은 주로 개발도상국이나 일부 지역에서 사용되는 경우가 있다. 특히 개발되지 않은 지역이나 인프라가 부족한 지역에서는 아직 3.5G 기술이 사용되고 있을 수 있다. 또한, 일부 국가에서는 네트워크 업그레이드가 더 늦게 이루어졌기 때문에 3.5G 기술이 여전히 사용되고 있는 경우도 있다.

   • 4G: 3G보다 더 높은 데이터 전송 속도를 제공하고 더 나은 네트워크 성능을 제공한다. 유럽의 3GPP 계열의 LTE(Long Term Evolution)는 4G의 주요 표준 중 하나이다. 미국의 CDMA기술도 4G에 보탬이 되었지만 LTE의 성능에 밀려 미국의 이동 통신 업체들은 CDMA를 LTE로 전환하였다. 이로인해 LTE가 4G의 표준이 되었고 CDMA 네트워크는 점차 퇴출되었다. 와이브로-에볼루션(Wibro-evolution)이 등장하였지만 역사의 뒤안길로 퇴장하였다.

   • 5G: 이동 통신 기술의 최신 발전(latest stage) 단계이다. 매우 높은 데이터 전송 속도(extremely high data transmission speeds)를 제공하여 초당 수 기가바이트의 데이터를 처리 할 수 있다. 실시간 통신 및 응용 프로그램을 제공한다. 가상 현실(virtual reality), 8K 비디오 스트리밍(8K video streaming)등 혁신적인 기술이 가능하다. 5G의 표준은 ITU와 유럽의 5GPP에서 개발되었다. 5G의 표준화 작업은 유럽이나 미국만의 주도가 아니라 전 세계적으로 다양한 지역과 기관의 협력(collaboration among various regions and organizations worldwide)에 의해 이루어졌다.

   • 6G: 6G가 아직 상용화되거나 표준화되기 전이기 때문에 정확한 기술적인 세부 내용에 대해서는 명확히 알려진 바가 없지만 인공지능(AI) 및 기계학습(Machine learning), 새로운 대역의 주파수(1000GHz이상) 사용기술, 자동주행화, 뇌-컴퓨터 결합 인터페이스 등장 등이 있다. 2030년에 상용화될 예정이고 6G를 연구하고 있는 주요 국가로는 미국, 유럽, 한국, 일본, 중국, 호주 등이 있다.

4. 핸드오프(handoff technology)란?: 핸드오프 기술은 모든 이동 통신 세대에서 사용된다. 이동 통신이란 사용자가 이동하면서 통신 서비스를 유지하기 위해서는 기지국 간의 핸드오프가 필수이다. 따라서 1G부터 5G까지의 모든 세대에서 핸드오프 기술이 사용된다.

이미지 출처: 고려사이버대학교 정보통신개론 5차시 수업강의노트 일부

추가설명 (extra explanations)

• FDMA 쉽게 설명: 국가 A와 국가 B가 같은 주파수 대역을 사용하려고 합니다. 이때, 중계기(송신국)가 100MHz의 주파수 대역을 사용하여 정보를 송출합니다. 국가 A의 중계기는 100MHz에서 정보를 송출하고, 국가 B의 수신기는 동일한 주파수 대역에서 이 정보를 수신합니다. 그러나 이러한 충돌을 방지하기 위해 각 국가는 서로 겹치지 않는 주파수 대역을 할당받습니다. 예를 들어, 국가 A와 국가 B는 각각 다른 주파수 대역을 사용하게 됩니다. 이렇게 할당된 주파수 대역에서는 서로 다른 정보를 송수신하므로, 각 국가는 자체적으로 통신할 수 있습니다. FDMA를 통해 각 국가는 자신의 주파수 대역에서 독립적으로 통신할 수 있으며, 서로 다른 국가들 간에도 동일한 주파수를 사용할 수 있습니다.

• 중계기(송신국) Transmitter (Transmitting station): 중계기는 특정 주파수 대역을 사용하여 정보를 전송한다. 이 주파수 대역은 해당 국가 또는 지역에게 할당된다. 예를 들어, 국가 A의 중계기는 100MHz의 주파수 대역을 사용하여 라디오 방송을 송출할 수 있다.

• 수신기(수신국) Receiver (Receiving station): 수신기는 중계기가 송출한 신호를 수신한다. 이 신호는 중계기가 사용하는 주파수 대역에서 수신된다. 예를 들어, 국가 B의 수신기는 국가 A의 중계기가 송출한 신호를 수신하기 위해 100MHz의 주파수 대역을 감지한다.

• 다중접속방식(Multiple access methods)과 다중화(multiplexing)의 공통점과 차이점

  • 둘 다 여러 사용자나 데이터 스트림이 하나의 통신 매체를 공유할 때 사용되는 기술

    다중접속방식(Multiple access methods):

    • 누가 언제 통신할지 조절: 이 기술은 여러 사용자가 동시에 통신할 수 있는 방법을 관리한다. 예를 들어, 집에서 Wi-Fi를 사용할 때, 여러 기기가 같은 무선 라우터에 연결될 수 있다. 이때 라우터는 각 기기에게 언제 데이터를 전송할지를 조절한다.

    • 접속 방법: 주파수를 나누어 사용하는 FDM(Frequency Division Multiplexing)이나 시간을 나누어 사용하는 TDM(Time Division Multiplexing) 등

다중화(Multiplexing):

• 여러 데이터 스트림을 하나로 합치거나 분할: 이 기술은 여러 데이터 스트림을 하나의 통신 매체를 통해 전송할 수 있도록 한다. 예를 들어, 여러 전화 통화가 하나의 전화선을 통해 전송될 수 있다.

• 접근 방법: 데이터 스트림을 조합하거나 분할하여 전송. 이렇게 조합된 데이터는 동시에 전송될 수 있다.

차이점 요약:

• 다중접속방식: 누가 언제 통신할지를 조절하는 기술, 여러 사용자 간의 통신을 관리.

• 다중화: 여러 데이터 스트림을 하나로 합치거나 분할하여 전송하는 기술로, 데이터 스트림의 효율적인 전송을 도와줌.

• 다중접속방식은 사용자가 통신 매체에 접속하는 방법을 관리하는 것이며, 사용자의 관점에서 본다면 맞다. 다중화는 전송 방식을 관리하고 데이터를 전송하는 방법을 다루는 것이기 때문에, 전송 방식의 관점에서 본다면 맞다.

  간단히 말해, 다중접속방식은 여러 사용자가 통신 매체에 동시에 접속할 수 있는 방법을 관리하고, 다중화는 여러 데이터 스트림을 효율적으로 전송하는 방법을 관리한다. 사용자는 다중접속방식을 통해 통신 매체에 접속하고, 데이터는 다중화를 통해 전송된다.