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1. 핸드폰의 구동 원리
핸드폰 작동은 간단히 기지국과 교환기, 유선 케이블과 전파를 통해
이루어진다고 할수 있다. 핸드폰은 전파를 통해 기지국과 연락을 하며
기지국과 기지국은 바닥에 깔린 광케이블, 위성 등을 통해 연결이 된다
이 사이에는 교환기가 개입하여 무선전화 통화에 따른 여러가지 기능을
맡게 된다. 핸드폰은 수시로 해당 기지국 교환기에게 자신의 위치를
등록하게 되고, 이를 토대로 전화가 올경우 해당 위치 기지국에게 연락
하여 전화 연결이 되게 한다
그림 1 핸드폰의 구동원리
셀룰러 네트워크는 자세하게 MSC와 BSS,
HLR(Home Location Register), VLR(Visitor
Location Register), SCP(Service Control
Point), IN(Inteligent Network) 장비 등으로 구성
된다. 전화 연결을 위해선 다음 다섯가지 요소가 필요한데,
- HLR (홈 위치 등록기) : 가입자의 정보를 저장하고 있는 데이터베이
스로, 서비스의 종류와 홈 교환국 ID 정보를 가지고 있다. 홈 위치란
무선전화의 위치를 찾을때 맨 처음으로 검색하게 되는 위치를 의미하는데
이는 전화번호를 통해서 간단히 체크하기도 한다. 011의 경우 서울지역
이용자는 9xxx-xxxx 번호를 사용하게 되는데, 이때 9xxx 등이 바로 홈
위치를 찾는 데이터가 된다는 이야기이다. 일반적으로 무선전화기를
가입한 곳에서 제일 가까운 기지국이 홈 위치로 등록된다.
무선전화로 맨처음 전화를 걸게 되면 HLR 에 등록된 홈 교환국 ID 를
추적해 해당 교환국 관할 기지국 내에 무선전화가 위치해 있는지를 찾게
된다. 만일 이곳에 해당 휴대폰이 없는것으로 결과가 나오면 VLR 의
데이터베이스를 검색하게 된다.
- VLR (방문자 위치 등록기) : 홈 교환국을 벗어난 휴대폰의 위치를
등록하는 데이터베이스이다. 휴대폰은 수시로 제일 가까운 기지국을
통해 자신의 위치를 알리게 되고, VLR 에는 자신의 핸드폰에서 가장
가까운 기지국 ID 가 등록되게 된다. 무선전화로 전화를 걸어 홈
위치에서 휴대폰을 찾지 못하면 VLR 에 등록된 기지국 ID 를 찾게 되며
이곳에서 휴대폰으로 신호를 보내 연결될 수 있도록 한다.
- MSC 간의 메시지 교환
- 메시지를 목적지까지 전송하기 위한 추적작업
- 정상적인 연결을 위한 장거리 연결(광케이블 등)
등이 그것이다.
∂ 핸드폰의 위치 등록
핸드폰의 전원이 켜지면 핸드폰은 가까운 기지국으로 MIN(Mobile
Identification Number = 무선전화기 식별번호-전화번호) 와 ESN
(Electronic Serial Number-단말기고유번호) 메시지를 보내고, 기지국은
이 메시지를 교환기로 보내게 된다. 이때 교환기는 받은 MIN(전화번호)을
네트워크 안의 모든 MIN과 비교해 해당 휴대폰이 홈 교환국 위치인지
방문자 교환국 위치인지를 판별한다. 이때 HLR 는 해당 휴대폰의 정보를
요구하게 된다. 만잏 해당 휴대폰이 외부에 있경우 교환기는 STP(Signaling
Transfer Point-신호 전송 포인트)에 저장된 라우팅 정보(추적 루트)를
이용하여 그 가입자가 속해 있는 HLR로 메시지를 보내게 된다.
이때 HLR는 이 신호를 받아 MIN(전화번호)과 ESN(단말기고유번호) 을
이용해 번호가 유효한지 불법으로 쓰는지를 확인한 후 위치정보를 HLR에
등록하고 해당 휴대폰 정보를 외부 방문 교환국으로 보낸다. 이때 외부
방문 교환국에서는 이를 수신해 이를 VLR(방문자 위치 등록기)에 저장해
이용자는 홈 위치 이외의 곳에 있는동안 홈교환국을 거칠 필요 없이
통화를 받을 준비를 하게 된다.
∂ 핸드폰의 전화 연결
우리가 핸드폰으로 전화를 걸때에는 다음과 같은 단계를 거치게 된다.
- 번호를 입력해 전화를 건다
- 전화국에서는 핸드폰의 홈 교환국으로 연결을 하게 되는데, 홈 교환국은
HLR 에게 단말기의 위치를 묻는다. HLR 에서 만일 핸드폰이 바깥에
있을경우 다른 교환국 ID 번호를 알려주고, 홈 위치에 있을경우 바로 연결한다.
- HLR 은 핸드폰을 찾기 위한 TLDN(임시 지역 디렉토리번호)를 할당해 줄것을
바깥 교환국에게 요청하게 된다.
- 바깥 교환국에서는 TLDN 을 HLR 로 보내주게 되고, HLR 은 이 RLDN 번호를
홈 교환국으로 보내 이곳과 연결시킨다.
TLDN 은 바깥 교환국에서 만드는 새로운 임시 전화번호로 일반 핸드폰 번호와 같이
취급된다. 핸드폰이 위치한 바깥의 교환국에서는 핸드폰 이용자의 TLDN 을
얼마나 오래 보관할 것인지를 결정하기 위해 타이머를 사용하게 된다.
이 타이머는 핸드폰 추적을 위해 널널하게 잡히게 된다. 보통 2초동안 이와 같은
추적작업을 거쳐 핸드폰에 전화가 연결되는데, 우리가 핸드폰으로 전화를 걸때
2초정도 "연결중..."이라는 메시지가 뜨는것이 바로 이러한 과정을 의미한다.
∂ 기지국 이동시 통화유지(핸드오버)
걸어가면서 휴대폰을 쓰거나, 차를 타고 고속도로를 질주하며 휴대폰을 쓰게
되는데도 전화통화는 끊기지 않는다. 서울에서 통화가 시작되었는데 대전에
가면서도 똑같은 곳에 전화를 할수 있는 이유는 무엇일까? 분명 휴대폰이
연락을 하고 있는 기지국 영역을 벗어나면 끊기는것이 정상일텐데 말이다.
움직이는 휴대폰이 연락을 하고 있는 기지국 영역(셀)을 벗어나 다른 기지국
영역(셀)으로 들어가게 될때, 계속해서 통화를 유지하기위해 통화로(기지국-
핸드폰 연락통로)를 이동하는 기지국으로 바꾸어 주는것을 '핸드오버(Hand
over)'라고 한다. 이 핸드오프는 하드 핸드오프와 소프트 핸드오프로 나뉘는데
기존의 아날로그 방식은 기존의 기지국과의 연락을 끊어버리고 새로운 기지국과
연결하는 하드 핸드오버(Hard Hand-over) 방식을 쓰는 반면, CDMA 방식의 핸드폰
은 두개의 기지국과 통화로를 계속해서 유지할 수 있는 특징을 지닌다. 이를
소프트 핸드오버(Soft Hand-over)라고 한다. 바로 이 핸드오버 기술 덕분에
우리는 핸드폰을 이동시키면서도 통화를 유지할수 있는 것이다.
그림을 보면 다음과 같다.
내가 가지고 있는 휴대폰이 연락을 하고 있는 기지국에서 점점 멀어지면서
다른 기지국 영역으로 이동하게 되면 기존의 기지국 영역에서 보내는 신호인
'파일롯 채널'을 찾게 되고, 이 파일롯 채널이 두개가 나오면 기존의 통화로를
그대로 유지하면서 새로운 기지국과 통화로를 뚫어 연락을 하게 된다. 즉 두
기지국을 동시에 연결해 동시에 통화를 하게 되고, 기존 기지국이 끊기고
새로운 기지국과는 계속해서 통화로가 유지되면서 움직이면서도 전화를 할수
있는 것이다.
∂ 기지국과 멀어지면(전력제어)
핸드폰을 사용할때 LCD 판을 유심히 보면 안테나 막대기가 있는것을 알수 있다.
시내를 돌아다닐때엔 막대기가 꽉 차있지만, 산속이나 건물안에서는 막대기가
두세개만 나온다. 즉 기지국으로부터 도달하는 전파가 약하다는 뜻이다.
하지만 신호가 적다 하더라도 통화가 끊기는 일은 없다. 왜그럴까?
전파의 특성상 기지국과 핸드폰 사이의 거리가 멀어지면 멀어질수록, 또는
장애물이 생길수록 전파의 힘이 약해져 통화 품질에 손실이 생기게 된다.
핸드폰 단말기의 출력이 일정하다고 가정하면, 기지국에서 100m 떨어져 있는
핸드폰과 1000m 떨어져 있는 핸드폰 사이의 거리 비율이 10배 이므로, 멀리
떨어진 핸드폰은 가까이에 있는 핸드폰보다 1000분의 1 내지 10만분의 1의
약한 신호를 기지국에 보내게 된다. 이럴경우 전파의 전력이 약한만큼 사용할
수 있는 CDMA 용량이 심각하게 줄어들게 되고, 멀리 있는 이동국은 가까이 있는
이동국의 더 많은 CDMA 용량때문에 통화를 간섭받기까지 한다. 이를 근거리/
원거리 문제(Near/Far problem)이라고도 한다
그림 3 기지국과 멀어지면
이를 극복하기 위해서는 기지국에서 수신되는 핸드폰의 수신전력이 일정하도록
거리에 따라 핸드폰의 송신 전력을 조정해야 한다. 즉 핸드폰이 기지국에 비해
멀리 있으면 멀리있을수록 더 센 전력으로 전파를 쏘아 물리적인 거리차이에
따른 전파손실을 해결하는 것이다. 이를 전력제어라고 하는데, 대부분의 무선
전화기는 1초에 800번 전력증감을 체크하게 된다.이를 통해 기지국과 멀어지더
라도 통화가 유지될 수 있는 것이다.
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