무선 네트워크(Wireless Network)
무선 네트워크(wireless network)는 선(wire)이 없는 네트워크로, 노드(node)와 노드가 전파를 통해 통신하는 방식으로 운용된다. 현재는 휴대폰, 태블릿과 같은 PMD를 사용하지 않는 사람을 찾기 힘들 정도로 무선 네트워크는 일상생활에서 많이 접할 수 있다. 따라서, 많은 사람들이 무선 통신에 대해서 관념적으로 이해하고 있다.
모바일 = 무선?
일반적으로 '모바일'은 '무선'을 잘 구분하지 않고 사용되는 경우가 있지만, 컴퓨터 네트워크에서는 아래와 같은 차이가 있다. 특히, 어떤 장치나 망이 이동성(Mobility)을 가졌다고 하는 것은 크게 두가지 관점으로 나눠진다. 이용자 입장에서 언제, 어디서든 상관없이 네트워크에 접속할 수 있다면 그 장치는 모바일 장치이다. 또는, 장치가 언제, 어디서든 상관없이 네트워크에 연결될 수 있다면 그 장치는 모바일 장치라 할 수 있다.
| 모바일 (Mobile) |
무선 (Wireless) |
|
| 데스크탑 | X | X |
| 유선LAN 연결이 필요한 노트북 | O | X |
| 와이파이 공유기를 통한 LAN | X | O |
| 휴대폰 | O | O |
무선 이동 통신과 셀룰러 네트워크(Cellular Network)
무선 이동 통신은 '무선'과 '이동성'을 모두 지원하는 통신을 말한다. 일상에서 자주 쓰는 4G, 5G 이동통신이 대표적인 예시이다. 이들은 모두 셀룰러 네트워크라는 통신망 상에서 통신이 이뤄진다. 이때, 셀룰러 네트워크(Cellular Network)는 BS(Base Station; 기지국)를 중심으로 하는 셀(cell) 기반의 네트워크를 말한다.
셀(cell)은 BS가 책임지고 있는 통신 지역을 표현한 것으로, 하나의 셀에는 하나의 BS가 중심에 존재한다. 셀의 모양은 원, 삼각형, 사각형, 육각형 등으로 다양하지만, 주로 육각형 형태로 표현된다. CDMA방식이 적용된 3세대 이동통신(3G) 이후, 하나의 셀에 하나의 주파수만으로도 다수의 이용자를 관리할 수 있게 되었다. 이는 여러 셀들이 주파수를 재사용할 수 있게 되어 네트워크 서비스 제공자로 하여금 주파수 대역폭을 아낄 수 있게 되었다.
주파수 재사용(Frequency Reuse)
그렇다면, 셀들에게 주파수를 어떻게 할당해야 할까? 전파는 파동의 성질을 가지고 있기 때문에 동일 주파수에 대해 간섭이 일어난다. 따라서, 인접한 셀끼리는 동일한 주파수를 사용할 수 없고 어느정도 거리가 먼 셀들에게 같은 주파수를 할당한다. 이와 관련한 재사용 기술을 주파수 재사용(Frequency Reuse)라고 한다. 주파수 재사용에서는 여러 개의 셀들을 하나의 군집(cluster)으로 묶어서 관리한다. 하나의 군집 내에 셀들은 모두 다른 주파수가 할당되고, 이 군집들이 모여 망 전체를 형성한다. 이 군집을 결정하는 여러 식이 존재한다.
$$ D = \sqrt{3N}R $$
D는 재사용 가능 거리, N은 군집의 크기, R은 셀의 반지름
$$ N = i^2 + ij+j^2 $$
i, j는 동일 주파수 셀들 간의 이동 단위. 음이 아닌 정수의 값을 가진다.
i와 j의 조합을 통해 다양한 형태의 셀 군집을 만들 수 있다. N = 4(i = 2, j = 0), N = 7(i = 2, j = 1)을 주로 이용하곤 한다.
셀(Cell)
셀은 목적에 따라 그 크기가 다양하게 달라질 수 있다. 일반적으로 셀의 크기는 BS의 전파 송신 범위에 따라 분류하며, 범위가 커지기 위해선 안테나의 출력 세기도 강해져야 한다.
이 외에도 스페이스X의 스타링크 프로젝트처럼 저궤도 인공위성을 BS로 하는 셀도 있다.
셀 분할(Cell Splitting)과 셀 섹터링(Cell Sectoring)
무선 이동 통신이 세대를 거듭하면서 가용 주파수대역이 꾸준히 높아지고 있다. 주파수는 높아질수록 bps(bits per second)가 증가하기에 한번에 많은 양의 데이터를 전송할 수 있다. 다만, 높은 주파수의 전파는 입자성이 크기 때문에 장애물에 더 취약해지고 도달 범위도 줄어든다. 이를 해결하기 위해선 셀을 분할하거나 섹터링한다.
셀 분할(Cell Splitting)은 말 그대로 하나의 셀을 여러 개의 작은 셀로 분할하는 것을 말한다. 어떤 셀에 트래픽이 몰리면 셀 분할을 통해 여러 셀이 트래픽을 분담할 수 있게 한다. 셀의 크기가 작아짐에 따라 노드의 출력 세기도 낮아질 수 있어 노드의 전력 소비를 줄일 수 있다는 이점도 있다.
일반적으로 전파는 방향성을 갖지 않고 매질을 통해 퍼져나간다. 따라서, 셀룰러 네트워크에서 사용되는 대부분의 안테나는 무지향성 안테나(Omni-antenna)이다. 하지만, 방향성을 가진 안테나(Directional-antenna)를 사용하면 특정 방향에서의 전파를 더 원활하게 송수신할 수 있다. 이를 통해 하나의 셀을 방향에 따라 여러 개의 섹터(sector)로 나눌 수 있는데, 이를 셀 섹터링(Cell Sectoring)이라고 한다. 셀 섹터링은 주파수 재사용에서 발생할 수 있는 동일 채널 간섭(Co-channel Interference)를 예방할 수도 있다.
핸드오프(Handoff)
셀룰러 네트워크에서 노드는 이동성을 가지기 때문에 어떤 노드가 기존의 셀에서 다른 셀로 이동하는 일은 흔하게 일어난다. 셀의 전환은 곧 기존의 BS에서 새로운 BS로 채널을 연결해야 함을 의미하고, 이를 위한 기술을 핸드오프(Handoff) 또는 핸드오버(Handover)라고 한다.
전환 방식에 따라 두 가지 핸드오프가 존재한다.
| 소프트 핸드오프 (Soft Handoff) |
하드 핸드오프 (Hard Handoff) |
| "make before break" | "break before make" |
| 두 셀 모두 연결을 유지하다가 기존 셀의 연결을 끊음 | 새 셀과 연결을 하기 전에 기존 셀의 연결을 끊음 |
| CDMA방식에서 주로 사용 | TDMA방식이나 FDMA방식에서 주로 사용 |
| 동시에 여러 개의 채널을 연결 | 동시에 하나의 채널만을 연결 |
CDMA(Code-Division Multiple Access)의 등장 이후에는, 노드가 코드(code)만 잘 관리한다면 여러 개의 채널에 쉽게 가입할 수 있어 소프트 핸드오프를 많이 사용한다. 노드가 자연스럽게 셀을 이동하면서 핸드오프가 발생할 수도 있지만, 셀 분할로 분할된 여러 셀의 채널에 가입하고 트래픽에 따라 유동적으로 핸드오프가 발생할 수도 있다.
셀룰러 네트워크 인프라(Cellular Network Infrastructure)
새로운 네트워크 환경을 설계할 때, 인프라를 처음부터 새로 구축하는 것은 너무 많은 시간과 비용이 소비되기 때문에 기존의 네트워크의 인프라 일부를 이용하는 경우가 많다. 따라서, 셀룰러 네트워크에서 BS 이후의 환경은 대부분 유선 네트워크의 인프라를 확장하는 식으로 설계되어 있다. MS(Mobile Station; 앞서 본 노드와 동일)가 다른 노드와 통신을 요청하면 계층을 올라가면서 해당하는 노드의 위치를 찾아간다.
셀룰러 네트워크의 라우팅, HLR(Home Location Register)과 VLR(Vistor Location Register)
유선 네트워크의 경우 목적 노드의 위치가 고정되어 있기 때문에 해당하는 위치로 곧바로 연결이 가능하다. 하지만, 무선 이동 네트워크 환경에서는 목적 노드의 위치가 유동적이기 때문에 목적 노드의 현재 위치를 알아낼 필요가 있다. 이를 해결하기 위해 각 MSC(Mobile Switching Center)에 VLR(Vistor Location Register)를 추가해 담당하는 위치에 방문 중인 노드 정보를 기록한다.
MS로 라우팅하기
모든 MS들은 어떤 BS의 HLR(Home Location Register)에 등록되어 있다. 따라서, 어떤 노드가 목적 노드와 통신을 하고자 하면 목적 노드의 홈 BS로 일단 라우팅한다. 목적 노드가 홈 BS에 위치한다면 곧바로 통신이 이뤄지지만, 다른 BS에 위치한다면 HLR에 등록된 방문 위치로 리다이렉트(Redirect)된다. 따라서, MS에 대한 위치정보를 HLR에 주기적으로 갱신해야한다.
MS 위치 갱신하기
BS는 주위에 있는 MS를 파악하기 위해 주기적으로 비콘(Beacon) 신호를 브로드캐스팅하면 MS가 응답하면서 위치를 갱신한다. MS가 이동하다가 새로운 비콘 신호를 듣게 되면 Active Beacon Kernel Table이라는 테이블에 정보를 저장한다. 이 테이블에는 현재 들리는 비콘 신호들의 데이터를 저장하고 있고, 이 데이터에는 비콘 신호를 전송한 BS에 대한 정보를 담고 있다. MS가 다른 BS로 핸드오프하기를 원하면 이 정보를 통해 해당 BS에게 등록을 요청한다. 이후, 방문 BS가 홈 BS에게 인증 요청을 하고, 인증 응답에 따라 등록 여부를 결정한다. 등록이 결정되면 방문 BS는 자신의 VLR에 MS의 정보가 저장되고, 홈 BS도 자신의 HLR에서 해당하는 MS의 정보를 갱신한다.
