이동통신 채널

현재 우리가 무선통신에서 사용되는 주파수 중 송신 혹은 수신장치를 일반 대중이 사용할 수 있도록 경제성 있게 제작할 수 있는 주파수 범위는 대략 수백 KHz에서 수 GHz의 주파수대이다. 이러한 주파수대를 KHz대역을 사용하는 AM 라디오 방송에서부터 100MHz 근방의 FM방송, TV방송, CB(Citizen Band) 무선기 그리고 최근 사용되기 시작한 2GHz대의 PCS까지 다양한 무선통신 시스템들이 나누어서 사용하고 있다. 주파수는 동일한 지역에서 하나 이상의 시스템이 동시에 사용할 수 없기 때문에 어느 나라에서나 아껴야 할 공공의 자원으로 인식되어 있고 이에 따라 우리나라의 전파 관리국이나 미국의 FCC(Federal Communications Commission)등과 같은 국가 기관에 주파수의 할당이나 불법적인 주파수의 사용에 대한 규제 등 한정된 자원의 효율적인 관리를 위한 노력을 하고 있다. 이중에서 특히 개인 이동통신에 사용되는 휴대용 무선기나 이동전화는 하나의 주파수가 할당되어 정보를 송신하고 이를 다수가 수신하는 방송 형태와는 달리 각 개인별로 별도의 주파수를 사용해야 하기 때문에 많은 사람들이 동시에 이용하기 위해서는 일반 방송과는 다른 방법으로의 접근이 필요하다. 실제로 개인 이동통신에서 주파수의 사용 효율을 높이기 위한 방법 중의 하나인 셀룰러 방식은 1960년대에 제안되었으며 1970년에는 FCC에서 셀룰러방식의 개인 이동통신을 위한 주파수가 할당되었다. 이후 AT&T에서 AMPS(Advanced Mobile Phone System)의 개발이 완료되어 1983년 시카고와 볼티모어 지역에서 상용 서비스를 시작한 것이 미국에서의 이동통신의 효시이다. 셀룰러방식의 이동통신에서는 서비스 지역을 수Km 정도의 작은 셀로 나눈 후 전파가 전달되면서 거리에 따라 그 크기가 감소하는 점을 이용하여 인접한 셀에서는 서로 다른 주파수를 할당하고 전파가 감쇄되어 영행을 미치지 않을 정도로 떨어진 셀에서는 같은 주파수를 다시 사용할 수 있도록 셀의 크기와 전파 출력의 강도 등을 조절하여 배열함으로써 한 셀에서 사용된 주파수를 다른 셀에서 재사용이 가능하도록 하여 주파수의 이용 효율을 높이고 있다. <디지털방식의 이동통신 시스템 등장> 1996년 신규 PCS사업을 위한 1.9GHz대역의 주파수가 할당되어 경매되기 전까지 미국의 이동통신에서는 800MHz대역(정확하게는 기지국 송신 주파수 대역에 869-894MHz 그리고 단말기 송신 주파수 대역에 824-849MHz)에서 아날로그 방식으로 동작하는 AMPS가 주로 사용되었다. AMPS방식에서는 1개의 음성이 FM(Frequency Modulation)방식으로 변조되어 30KHz의 주파수를 점유하는 1개의 Channel을 구성하며 이에 따라 위의 주파수 대역에는 총 832(=894-869/0.03)개의 AMPS Channel을 구성할 수 있다. 이와 같이 주어진 주파수 대역을 여러 개의 Channel로 나누어서 동시에 이용하는 방식을 FDMA(Frequency Division Multiple Access)라고 부른다. 또한 FCC는 통신시장에서 경쟁 유도를 위해 이러한 832개의 Channel을 A와 B Block의 두 그룹으로 나누어 각 지역별로 두 개 회사에 416 Channel씩 할당해 주었다. 이러한 416 Channel 중에서 단말기와 시스템간의 교신을 위한 21개의 Control Channel을 제외한 나머지 395개의 Channel이 음성통신을 위한 Channel로 사용될 수 있다. 따라서 7-Cell 재사용 시스템에서는 각 셀이 대략 58개의 음성채널, 다시 말해서 한 셀당 57명의 동시 통화가 가능해진다. 그러나 이러한 정도의 통화용량은 90년대 들어 이동통신 가입자가 급격히 늘어나면서 인구 밀집 지역에서의 통화 수요를 충족 시키기가 어려워지기 시작했다. 이에 따라 이동통신 사업자들은 셀의 크기를 줄이거나 지향성 안테나를 이용한 주파수 재사용 효율을 높여 주는 등의 노력과 동시에 근본적으로 시스템 용량을 늘려줄 수 있는 다지털방식의 이동통식 시스템에 관심을 갖게 되었다. <디지털 방식의 장점> 디지털 방식의 이동통신 시스템의 개발에 가장 먼저 관심을 보인 지역은 유럽지역으로 1982년 CEPT(Comference of European Post and Telecommunications)에서 Group Special Mobile(GSM)을 개발하기 위한 연구팀을 구성한 것이 그 시작이었다. 이후 Global System for Mobile Communications으로 그 이름을 바꾼 GSM은 1987년 유럽 내 17개국이 공통규격으로 채택하기로 합의함에 따라 그 표준화와 상용화가 급진전되어 가장 먼저 디지털 이동통신 시장에 선보인 시스템이 되었고 지금도 세계적으로는 가장 많은 국가에서 사용하고 있는 시스템이 되었다. 인접한 국가간에도 서로 방식이 달라 국가간 상호 로밍이 불가능했고 이에 따라 기존의 이동통신 시스템으로는 성장에 한계를 느껴 차세대 디지털이동통신 방식에 일찍 눈을 돌린 유럽과는 달리 미국은 AMPS 방식의 이동통신 시스템의 이용에 별다른 문제가 없는 상황에서 1980년대 후반에 기존의 AMPS시스템과 호환이 될수 있는 D-AMPS(Digital AMPS) 혹은 NATDMA (North American Time Division Mutiple Acess)로 불리는 디지털이동통신 방식의 개발에 착수하였으며 1990년에는 퀄컴의 주도아래 CDMA방식의 이동통신 시스템 개발에 착수하였다. 이동통신에 디지털 방식을 도입함으로써 얻어지는 이점은 여러 가지를 들 수 있다. 먼저 아날로그 방식으로 전송을 할 경우에는 전송중에 들어오는 잡음이 그대로 전달되어 전파 환경이 열악한 자역에서 통화할 경우 통화 품질의 저하가 심각해지게 되나 디지털 방식을 사용할 경우에는 전송중에 잡음이 들어 오더라도 수신측에서 부호를 재생하는 관정에서 제거되기 때문에 전송중 잡음이 사용자에 전달이 되지 않아 어떠한 환경에서도 좋은 음질을 보장한다. 또한 효과적인 음성압축을 통하여 같은 폭의 주파수 대역에 아날로그 방식에 비해 2배에서 6배까지 더 많은 음성 Channel을 수용할 수 있게 된다. <다중화 방식의 기본개념> 그러면 지금까지 언급된 FDMA 방식의 AMPS와 TDMA 방식의 GSM및 NA-TDMA(Code Division Mnltiple Acess)방식의 특징들을 살펴보기에 앞서 각 방식의 기본적인 개념을 알아보도록 하겠다. FDMA나 TDMA 그리고 CDMA 모두 기본적으로는 하나의 정보 전달 통로를 통해서 독립적인 여러 개의 정보를 전달하기 위해 고안된 다중화 방식들이다. 이해를 돕기 위해서 정보가 전달되는 주파수 대역을 하나의 파이프로 그리고 각각의 음성을 서로 다른 액체로 비유해 보기로 한다. 우리가 이렇게 서로 다른 액체를 하나의 파이프를 통해서 보낸 수 있는 방법은 기존의 파이프안에 다시 작은 직경의 파이프 를 설치하여 각 액체를 각각의 작은 파이프를 통해서 보내는 방법과(FDMA) 시간차이를 두고 각 액체를 교대로 보내는 방법(TDMA), 그리고 모든 액체를 섞어서 보낸 후 받는 쪽에서 이를 다시 분리하는 방법(CDMA)을 생각할 수 있다. 이중에서 CDMA 방식에서는 각각의 음성을 서로 구별이 가능한 부호열(Code Sequence)에 섞어서 전송함으로써 받는 쪽에서 이러한 부호열에 따라 분리할 수 있도록 하여 준다. GSM과 NA-TDMA는 모두 TDMA 방식을 채택하고 있으나 GSM의 경우는 새로운 주파수 할당이 가능한 유럽 지역에서 표준안이 제정되어 200KHz 간격으로 주파수 대역을 나눈 반면 NA-TDMA는 기존의 AMPS가 사용하던 대역을 그대로 사용하기 위해서 AMPS와 같은 30KHz 간격으로 주파수 대역을 나누어 사용한다. 또한 앞에서 언급한 주파수 재사용에서도 NA-TDMA는 AMPS의 주파수 재사용 배치와 같은 7-Cell 단위의 주파수 재사용을 하고 있으나 GSM의 경우는 3-Cell 단위의 주파수 재사용을 함으로써 재사용 효율을 높이고 있다. Vocoding 방식에 있어서는 GSM이 13Kbps의 RPE-LTP(Regular Pulse Excitation with Long-Term Prediction)을 사용하고 NA-TDMA는 7.95kbps의 VSELP(Vector Sum Exited Linear Predictive)를 사용한다. CDMA경우에는 그 특성상 넓은 대역을 필요로 하기 때문에 1250KHz간격으로 대역을 나누어서 사용하며 앞에서 설명한 바와 같이 동일한 주파수 대역 내에서 Code를 이용하여 각 Channel을 구분하기 때문에 인접한 셀에서도 같은 주파수를 사용할 수가 있어 주파수의 재활용률이 1이다. CDMA의 경우도 GSM이나 NA-TDMA와 같이 Vocoder를 사용하는데 여기에서는 음성에 따라 1Kbps에서 8Kbps(국내의 경우 800 MHz대 이동전화 및 홍콩에서 채택) 혹은 1Kbps에서 13Kbps까지의 (미국 이동통신 사업자 및 국내 PCS에서 채택) 음성에 따라 가변적인 데이터 속도로 동작하는 QCELP(Qualcomm Code Excited Prediction)가 사용된다. 이와 같이 음성을 효율적으로 압축할 수 있는 Vocoding 기술의 채택과 효율적인 주파수 재사용은 기존의 AMPS방식에 비해 3배(GSM, NA-TDMA)에서 15배(CDMA) 이상의 용량 증가를 가져와 제한된 주파수를 이용해 더욱 더 많은 사람이 이동할 수 있게 된다. 또한 디지털 방식으로의 전환은 CDPD와 같은 데이터 전용망을 필요로 하는 아날로그 방식과는 달리 음성과 데이터의 결합을 가능하게 하여 인터넷 등 이미 우리 생활의 일부가 된 데이터 서비스를 이동 중에도 손쉽게 제공할 수 있게 되었다.