[컴퓨터네트워크] WAN | Cellular System, Satellite Networks

Connection의 뒷단에서 일어나는 일들

지금까지 네트워크를 공부하면서 소프트웨어 레벨의 네트워크는 꽤 익숙해졌다고 생각했다. 하지만 데이터를 실어 나르는 물리적인 인프라, 특히 우리가 매일 사용하는 스마트폰이 어떻게 끊김 없이 기지국을 갈아타며 데이터를 주고받는지에 대해서는 상대적으로 모르고 있었다.

"지하철을 타고 이동하면서 유튜브를 볼 때, 내 패킷은 대체 어떻게 끊어지지 않고 따라오는 걸까?"

이건 WAN(Wide Area Network)의 핵심인 셀룰러 시스템과 위성 네트워크에서 그 해답을 찾을 수 있었다. 오늘은 무선 통신의 물리적, 논리적 구조를 정리해보고자 한다.

1. 셀룰러 시스템: 제한된 자원을 나누어 쓰는 기술

셀룰러 통신의 핵심은 '제한된 주파수 자원을 어떻게 효율적으로 쓸 것인가'에 대한 엔지니어링적 해답이다.

1.1 기본 아키텍처와 주파수 재사용 (Frequency Reuse)

셀룰러 시스템은 크게 세 가지 요소로 구성된다.

MS (Mobile Station): 우리가 들고 다니는 스마트폰.
BS (Base Station): 기지국. 셀(Cell)이라는 육각형 영역을 담당한다.
MSC (Mobile Switching Center): 기지국들을 제어하고 중앙 전화국과 연결하는 관제탑 역할이다.

여기서 흥미로운 개념은 주파수 재사용(Frequency Reuse)이다. 만약 모든 기지국이 같은 주파수를 쓴다면 인접 지역에서 간섭(Interference)이 발생해 통신이 불가능할 것이다.

따라서 인접한 셀끼리는 서로 다른 주파수 세트를 사용하고, 일정 거리가 떨어진 셀에서 다시 같은 주파수를 재사용한다. 이 패턴을 수학적으로 모델링하여 N이라는 재사용 계수(Reuse Factor)를 도출해 내는 것이 셀룰러 설계의 핵심이다.

Frequency Reuse Principle

1.2 핸드오프(Handoff): 이동성의 보장

우리가 이동 중에도 통화가 끊기지 않는 것은 MSC가 신호 강도를 모니터링하다가, 더 강한 신호를 보내는 인접 셀로 연결을 넘겨주기 때문이다. 이를 핸드오프라고 한다.

Hard Handoff: "끊고 연결하기 (Break before make)". 순간적인 단절이 있을 수 있다. 1기지국과만 연결된다.
Soft Handoff: "연결하고 끊기 (Make before break)". 동시에 두 기지국과 연결되어 신호 품질이 더 안정적이다. (CDMA 시스템의 큰 장점이다.)

2. 통신 세대의 진화: 아날로그에서 All-IP까지

통신 기술의 역사는 곧 데이터 전송 효율화의 역사다.

1G (Analog): 사람의 목소리를 아날로그 신호로 보냈다. FDMA 방식을 써서 주파수를 잘게 쪼개 채널을 만들었다. 보안에 취약하고 잡음이 많았다.
• AMPS (Advances Mobile Phone System): 북미의 대표적인 아날로그 셀룰러 시스템 중 하나.
• 다중 접근 방식: 링크에서 채널을 분리하기 위해 FDMA (Frequency Division Multiple Access)를 사용.
• 주파수 대역: ISM 800MHz에서 작동하며, 역방향 통신(824-849MHz)과 순방향 통신(869-894MHz)에 두 개의 분리된 아날로그 채널을 사용.
• 채널: 각 대역은 832개의 채널로 나뉘며, AMPS의 주파수 재사용 계수는 7.
FDMA

2G (Digital): 드디어 음성을 디지털(0과 1)로 압축해서 보냈다. 여기서 TDMA(시간을 쪼개서 씀)와 CDMA(코드를 섞어서 씀) 방식이 등장했다. 특히 퀄컴이 주도한 CDMA(IS-95)는 주파수 재사용 효율이 1에 가까워 용량 증대 혁명을 가져왔다.
2세대는 AMPS를 디지털화한 D-AMPS와 GSM, CDMA 기반의 IS-95를 통해 효율성과 보안을 높임.
• D-AMPS (Digital AMPS): AMPS와 동일한 대역과 채널을 사용하지만, 음성 채널을 7.95 kbps로 디지털화.
    ◦ 다중 접근 방식: TDMA (Time Division Multiple Access)를 사용하여 세 개의 디지털 음성 채널이 결합됨 (오버헤드를 포함하여 48.6kbps). 채널 비트 전송률은 48.6kbps.
Digital AMPS

• GSM (Global System for Mobile Communications): 이중 통신을 위해 두 개의 대역을 사용하며, 채널 비트 전송률은 270.8kbps.
GSM

• IS-95 (Interim Standard 95): CDMA (Code Division Multiple Access)와 DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)에 기반.
    ◦ 주파수 재사용: 인접 셀의 간섭이 CDMA 또는 DSSS 전송에 영향을 미치지 않기 때문에, IS-95 시스템의 주파수 재사용 계수는 일반적으로 1.
    ◦ 핸드오프: 기지국이 파일럿 채널을 통해 신호를 지속적으로 방송하므로, 이동국은 자신의 셀과 인접 셀의 파일럿 신호를 감지하여 소프트 핸드오프를 수행할 수 있음.
    ◦ 동기화: 기지국은 GPS(Global Positioning System) 서비스를 사용하여 동기화를 제공.
IS-95
3G (Data): 음성 중심에서 데이터 중심으로 넘어가는 과도기. IMT-2000 프로젝트를 통해 '어디서나 인터넷 연결'을 꿈꿨다.
3G 셀룰러 전화의 주요 목표는 보편적인 개인 통신을 제공하는 것.
• 속도 목표: 움직이는 차량에서 144 kbps, 보행자 접근 시 384 kbps, 고정 사용자에게 2 Mbps의 데이터 속도를 목표로 설정.
• 기술: 2GHz 대역과 2MHz 대역폭을 사용하며, 패킷 교환 및 회선 교환 데이터 서비스를 모두 지원.
◦ IMT-DS: 유럽에서 개발된 광대역 CDMA(W-CDMA)를 사용하며, 5MHz 대역폭을 사용.
◦ IMT-MC: IS-95 기술의 진화로, CDMA 2000으로 알려져 있으며, 북미에서 개발됨.

4G (All-IP): 4G의 가장 큰 특징은 패킷 스위칭(Packet Switching) 기반이라는 점이다. 즉, 음성 통화(VoLTE)조차도 데이터 패킷으로 처리된다. 100Mbps 이상의 속도를 구현하며 진정한 모바일 브로드밴드 시대가 열렸다.
• 성능 목표: 움직이는 차량에서 100 Mbps, 고정 사용자에게 1 Gbps의 데이터 속도를 제공.
• 특징: 스펙트럼 효율적인 시스템이며, 이질적인 네트워크 간의 원활한 핸드오프를 지원. 가장 중요한 특징은 4G가 모든 IP(All IP), 패킷 교환 네트워크라는 점.

3. 위성 네트워크: 궤도 역학이 결정하는 통신 특성

지상의 기지국으로는 커버할 수 없는 오지나 해상 통신은 위성 네트워크가 담당한다. 한국은 망이 전부 깔려있지만, 당장 미국만 생각해도 그랜드 캐년 같은 곳은 통신이 되지 않는다는 점~~(아마 경제적인 이유로...?)~~을 생각하면 스페이스X가 하려는 위성 통신의 중요성을 체감할 수 있을 것이다.

위성 통신을 이해하려면 케플러의 법칙을 알아야 한다.

$$Period = C \times Distance^{1.5}$$

결국 지구에서 멀어질수록 공전 주기가 길어진다는 물리학 법칙이 위성의 용도를 결정한다.

3.1 궤도별 위성의 특징

GEO (정지 궤도 위성, 36,000km 상공):
- 지구 자전 주기와 동일하게 돌아 지구에서 볼 때 멈쳐있는 것처럼 보인다.
- 장점: 위성 3개만 있으면 지구 전체 커버가 가능하다. 안테나를 고정해두면 된다.
- 단점: 거리가 너무 멀어 지연 시간(Latency)이 크다. 실시간 게임이나 고속 통신엔 부적합하다.
MEO (중궤도 위성, 18,000km 상공):
- 대표적으로 GPS가 여기 속한다. 밴 앨런 대(Van Allen belt) 사이에 위치하며, 약 12시간 주기로 돈다. 삼변측량법을 통해 위치를 계산한다.
LEO (저궤도 위성, 500~2,000km 상공):

장점: 지연 시간이 매우 짧다. 앞서 말한 스페이스X의 Starlink가 주목받는 이유다.
단점: 위성이 너무 빨리 지나가기 때문에(90~120분 주기), 끊김 없는 통신을 위해 수천 개의 위성을 띄워야 하고, 위성 간 핸드오프 기술이 매우 복잡하다.

마무리

이번 정리를 통해 네트워크는 단순히 논리적인 연결이 아니라, 전파의 간섭을 피하고(셀룰러), 중력과 원심력의 균형을 맞추는(위성) 물리학적 토대 위에 세워져 있음을 다시금 깨달았다.

특히 4G로 넘어오면서 All-IP 구조가 정착되었다는 점은 소프트웨어 엔지니어로서 시사하는 바가 크다. 물리적 제약을 하드웨어와 통신 이론으로 극복해 낸 덕분에, 우리는 그 위에서 자유롭게 애플리케이션을 개발할 수 있는 것이다.

다음에는 이 물리적 인프라 위에서 작동하는 네트워크 계층에 대해 더 자세히 알아보고자 한다.

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