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1G는 미국의 1세대 '''아날로그(analog)''' 음성 시스템으로, 아날로그를 기반으로 하기 때문에 보안성/음성 품질/배터리 수명 등에서 매우 낮은 퀄리티를 보여주었다. | 1G는 미국의 1세대 '''아날로그(analog)''' 음성 시스템으로, 아날로그를 기반으로 하기 때문에 보안성/음성 품질/배터리 수명 등에서 매우 낮은 퀄리티를 보여주었다. | ||
따라서 이를 대체하기 위해서 2G 기반의 보이스(voice) 네트워크 아키텍쳐가 개발되었으며, 비로소 음성 통화가 디지털 방식으로 전환되었다. 이는 BS, BSC, | 따라서 이를 대체하기 위해서 2G 기반의 보이스(voice) 네트워크 아키텍쳐가 개발되었으며, 비로소 음성 통화가 디지털 방식으로 전환되었다. 이는 BS, BSC, MSC로 구성된다. 위에서 설명했듯이, BS는 사용자와 직접 통신하고, BSC는 여러 BS를 제어하며, MSC는 음성 연결과 스위칭을 담당하며, gateway MSC는 공중전화망 연결 지점으로 사용된다. 이때 2G는 FDM/TDM 결함 시스템을 사용한다. 이때 FDM과 TDM을 통해서 2G가 구현되는 것은 아래와 같이 구현된다: | ||
* 순수 FDM: 채널을 여러 개의 주파수 대역으로 나누고, 각 대역이 하나의 통화에 할당된다. | * 순수 FDM: 채널을 여러 개의 주파수 대역으로 나누고, 각 대역이 하나의 통화에 할당된다. | ||
* 순수 TDM: 시간을 프레임 단위로 나눈 뒤, 각 프레임을 다시 슬롯 단위로 분할한다. 각 통화 연결은 프레임 내의 특정 슬롯을 사용한다. | * 순수 TDM: 시간을 프레임 단위로 나눈 뒤, 각 프레임을 다시 슬롯 단위로 분할한다. 각 통화 연결은 프레임 내의 특정 슬롯을 사용한다. | ||
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2G GSM이 FDMA/TDMA 방식을 사용했던 데 반해, 3G UMTS는 CDMA 방식, 특히 DS-WCDMA(Direct Sequence Wideband CDMA)를 사용한다. 이 DS-WCDMA 방식은 분할된 대역폭 내의 TDMA 슬롯 내에서 CDMA 방식을 사용하므로, 채널을 분할하는 3가지 방식으로 모두 결합한 구조이다. | 2G GSM이 FDMA/TDMA 방식을 사용했던 데 반해, 3G UMTS는 CDMA 방식, 특히 DS-WCDMA(Direct Sequence Wideband CDMA)를 사용한다. 이 DS-WCDMA 방식은 분할된 대역폭 내의 TDMA 슬롯 내에서 CDMA 방식을 사용하므로, 채널을 분할하는 3가지 방식으로 모두 결합한 구조이다. | ||
==7.4.3 On to 4G: LTE== | |||
4G는 2025년 기준 현재 가장 널리 사용되고 있는 셀룰러 시스템이다. 4G는 완전히 IP 기반의 코어 네트워크와, 향상된 억세스(access) 네트워크를 구현하였다는 점에서 3G보다 한 차원 진보하였다. | |||
===4G System Architecture: An All-IP Core Network=== | |||
[[파일:4G network architecture.png|섬네일|400x400픽셀|Figure 3. 4G network architecture ]] | |||
4G 네트워크는 3G 네트워크와는 달리, 음성과 데이터 트래픽을 위한 별도의 네트워크 구성 요소와 경로가 존재하지 않는다. Figure 3는 4G 아키텍쳐가 전면적으로 IP 기반으로 되어있는 것을 보여준다. 즉 음성과 데이터 모두가 IP 데이터그램 형태로 UE(User Equipment)에서 P-GW(Packet Gateway)까지 전송되고, 그 P-GW는 외부 네트워크와 연결된다. 또한 이를 구현하기 위해서 4G 네트워크는 figure 3와 같이 data plane과, control plane을 구분한다. 즉, 4G는 전화망에서 완전히 탈피하여, 범용 IP 서비스를 구현하였다. 이때 4G 네트워크의 주요 구성 요소는 다음과 같다: | |||
* eNodeB: 2G의 기지국(BS), 3G의 Node B와 비슷한 역할을 수행한다. | |||
** data plane에서 eNodeB는 LTE 무선 접속 네트워크를 통해 UE와 P-GW 사이의 데이터그램을 전달한다. | |||
** control plane에서는 UE의 등록 및 모빌리티 신호 트래픽을 처리한다. | |||
* P-GW(Packet Gateway): UE에 IP 주소를 할당하고, QoS 정책을 적용한다. 또한 데이터그램의 캡슐화 및 디캡슐화를 수행한다. | |||
* S-GW(Serving Gateway): 데이터 평면에서 모든 UE 트래픽의 모빌리티 중심 지점이다. | |||
* MME: UE의 연결 및 모빌리티 관리를 수행한다. 또한 HSS로부터 UE 가입자 정보를 수신한다. | |||
* HSS: UE의 로밍 가능성, QoS 프로파일, 인증 정보를 포함한 정보를 저장한다. | |||
==5G and 6G System== | |||
5G의 목표는 초당 수 Gbps의 고속 데이터 전송 속도와, 높은 신뢰성, 대규모 연결, 다수의 사용자에게 더욱 안정적인 서비스를 제공하는 것이다. 이때 5G가 제공할 수 있는 서비스는 아래와 같이 3가지 이다: | |||
# eMBB (Enhanced Mobile Broadband): 고속 스트리밍, AR/VR 등 고대역폭 애플리케이션 | |||
# mMTC (massive Machine-Type Communications): 수많은 IoT 장치 연결 (스마트 시티 등) | |||
# URLLC (Ultra-Reliable Low Latency Communications): 자율주행, 원격수술처럼 실시간성 요구되는 서비스 | |||
6G의 정의는 아직 사용되지 않는 주파수 대역을 활용하고, AI 기반 지능형 엣지(Intelligent Edge) 및 인지형 무선(Intelligent Radio) 기술을 통해 초고속, 초저지연 통신을 제공하여 5G보다 훨씬 빠른 속도와 효율적인 네트워크 제어를 실현하는 것이다. 이를 위해 우주, 공중, 지상과 같이 다양한 공간에 인프라를 설치하고 분산형 AI, 실시간 엣지 인텔리전스, 양자통신, 테라헤르츠(THz) 대역, VLC등을 활용하는 등 다양한 노력이 이루어지고 있다. | |||
==각주== | ==각주== | ||
[[분류:컴퓨터 네트워크]] | [[분류:컴퓨터 네트워크]] | ||
2025년 6월 18일 (수) 04:18 기준 최신판
상위 문서: Wireless and Mobile Networks
개요
셀룰러 네트워크(Cellular network)는 WiFi의 AP에 접속할 수 없지만, 무선 인터넷에 접속하고자 하는 수요를 충족시키기 위해 등장하였다. 이를 위해서 셀룰러 전화망이 전 세계 많은 지역에서 널리 보급되어 있는 상황에서, 셀룰러 네트워크를 확장하여 음성 통신뿐 아니라 무선 인터넷 접속까지 지원하도록 만들었다. 이를 통해, 합리적으로 높은 속도를 제공하고 모빌리티(moblity)을 지원하여, 예를 들어 버스나 기차를 타고 이동하면서도 TCP 세션을 유지한다.
1G/2G network architecture
1G는 미국의 1세대 아날로그(analog) 음성 시스템으로, 아날로그를 기반으로 하기 때문에 보안성/음성 품질/배터리 수명 등에서 매우 낮은 퀄리티를 보여주었다.
따라서 이를 대체하기 위해서 2G 기반의 보이스(voice) 네트워크 아키텍쳐가 개발되었으며, 비로소 음성 통화가 디지털 방식으로 전환되었다. 이는 BS, BSC, MSC로 구성된다. 위에서 설명했듯이, BS는 사용자와 직접 통신하고, BSC는 여러 BS를 제어하며, MSC는 음성 연결과 스위칭을 담당하며, gateway MSC는 공중전화망 연결 지점으로 사용된다. 이때 2G는 FDM/TDM 결함 시스템을 사용한다. 이때 FDM과 TDM을 통해서 2G가 구현되는 것은 아래와 같이 구현된다:
- 순수 FDM: 채널을 여러 개의 주파수 대역으로 나누고, 각 대역이 하나의 통화에 할당된다.
- 순수 TDM: 시간을 프레임 단위로 나눈 뒤, 각 프레임을 다시 슬롯 단위로 분할한다. 각 통화 연결은 프레임 내의 특정 슬롯을 사용한다.
따라서 FDM/TDM 결합 시스템에서는 채널을 여러 개의 주파수 대역으로 나눈 뒤, 각 대역 내에서 시간을 프레임과 슬롯 단위로 나눈다. 즉, 채널이 F개의 대역폭으로 나뉘고, 각 대역폭이 T개의 시간 슬롯을 가진다면, 전체 채널은 F x T개의 통화를 동시에 처리할 수 있다. Figure 1은 2G가 어떠한 방식으로 구성되어있는지에 대한 대략적인 개요도를 보여준다. 해당 figure에 나온 용어들은 아래와 같은 의미를 가진다[1]:
- 셀(cell):하나의 기지국이 커버하는 지리적인 영역을 의미한다.
- BS(base station)[2]: 이때 셀을 구성하기 위해서 사용되며, 해당 셀 내의 모바일 단말들로 부터의 신호를 전송하고 수신하는 역할을 한다.[3]
- BSC(Base System Controller): 수십개의 BS를 관리한다.
- 사용자를 추적하고, BS 채널을 사용자에게 할당하는 등의 일들을 한다.
- MSC(Mobile Switching Center): 셀을 유선 전화망(Public telephone network)과 연결하며, 통화 연결(call setup)과 모빌리티를 관리한다.
- ISP는 여러 개의 MSC를 가지고 있으며, 그중 gateway MSC는 ISP의 셀룰러 네트워크를 더 큰 공중 전화망과 연결하는 역할을 한다.
- gateway MSC: 어떤 ISP는 여러 개의 MSC를 가지고 있는데, 그중 gateway MSC는 ISP의 셀룰러 네트워크를 더 큰 전화망과 연결하는 역할을 한다.
3G Cellular Data Networks
2G는 사용자들에게 음성 서비스를 전달하기 위해서 이들을 공중 전화망에 연결하는 방식이다. 하지만 이는 인터넷을 제공하는 방식이 아니며, 인터넷이나 위치 기반 서비스 등을 지원하기 위해서는 모바일 단말기가 모든 TCP/IP 프로토콜 스택을 실행해야 하며, 셀룰러 데이터 네트워크를 통해 인터넷에 연결할 수 있어야 한다. 이러한 사항을 지원하기 위해서 3G 기술이 개발되었다.
이때 주의할 것은 셀룰러 데이터 네트워크라는 분야는 여러 표준과 세대를 거치며 계속 진화해 왔기 때문에 매우 복잡하다는 것이다. 이때 문에 새로운 새대가 등장하고, 발전할 때마다 새로운 기술과 서비스, 약어가 등장한다. 또한 2.5G, 3G, 3.5G, 4G 기술에 대한 요구사항을 정하는 공식적인 단일 기구가 존재하지 않으므로, 이들 사이의 차이를 구분하기가 때로는 어렵다는 것이다. 따라서 해당 문서에서는 3세대 파트너십 프로젝트(3GPP)에 의해 개발된 UMTS(Universal Mobile Telecommunications Service) 기반의 3G 및 4G 표준에 초점을 맞춘다.
3G Core Network
Figure 2는 3G 셀룰러 네트워크 아키텍쳐의 개요를 잘 보여준다. 3G 코어 네트워크(core network)는 무선 접속 네트워크(Radio Access Networks, RAN)를 공중 인터넷에 연결해 주는 역할을 한다. 이 코어 네트워크는 figure 1에 나온 기존 셀룰러 음성 네트워크의 구성 요소들과도 연동된다. 이는 2G를 기반으로 하는 막대한 인프라가 이미 존재하므로, 기존 음성 셀룰러 네트워크는 그대로 두고 새로운 3G 셀룰러 네트워크 기능을 병렬적으로 추가했기 떄문이다.
3G 코어 네트워크에는 두 가지 노드 유형이 존재한다. 이는 SGSN (Serving GPRS Support Node)과 GGSN (Gateway GPRS Support Node)이다. SGSN은 모바일 단말기와 무선 접속 네트워크 간의 데이터그램 송수신을 담당한다. SGSN은 해당 지역의 음성 네트워크 MSC와 연동하여, 사용자 인증, 핸드오프(handoff), 모바일 단말의 위치 정보 저장, 모바일 노드와 GGSN 간의 데이터그램 전달 수행 등의 서비스등을 제공한다. GGSN은 게이트웨이 역할을 하며, 여러 개의 SGSN을 더 큰 인터넷에 연결한다. 즉, 모바일 노드에서 시작된 데이터그램이 인터넷으로 들어가기 전에 마지막으로 거치는 지점이다. 이때 외부 세계에서는 GGSN은 일반적인 게이트웨이 라우터처럼 보이지만, GGSN 내의 모바일 단말들의 모빌리티는 감지되지 않는다.
3G Radio Access Network: The Wireless Edge
3G 무선 접속 네트워크(RAN)는 3G 사용자가 경험하는 무선 first-hop 네트워크이다. RNC(Radio Network Controller)는 여러 개의 기지국(Node B)들을 제어한다. 이때 각 셀의 무선 링크는 모바일 단말기와 Node B 사이에서 작동하며, 이는 2G와 동일한 방식이다. 이이때 RNC는 음성 회선망에는 MSC를 통해 연결되고, 패킷 기반 인터넷에는 SGSN을 통해 연결된다. 따라서 3G의 음성과 데이터 서비스는 서로 다른 코어 네트워크를 사용하지만, first/last hop 무선 접속 네트워크는 공유한다.
2G GSM이 FDMA/TDMA 방식을 사용했던 데 반해, 3G UMTS는 CDMA 방식, 특히 DS-WCDMA(Direct Sequence Wideband CDMA)를 사용한다. 이 DS-WCDMA 방식은 분할된 대역폭 내의 TDMA 슬롯 내에서 CDMA 방식을 사용하므로, 채널을 분할하는 3가지 방식으로 모두 결합한 구조이다.
7.4.3 On to 4G: LTE
4G는 2025년 기준 현재 가장 널리 사용되고 있는 셀룰러 시스템이다. 4G는 완전히 IP 기반의 코어 네트워크와, 향상된 억세스(access) 네트워크를 구현하였다는 점에서 3G보다 한 차원 진보하였다.
4G System Architecture: An All-IP Core Network
4G 네트워크는 3G 네트워크와는 달리, 음성과 데이터 트래픽을 위한 별도의 네트워크 구성 요소와 경로가 존재하지 않는다. Figure 3는 4G 아키텍쳐가 전면적으로 IP 기반으로 되어있는 것을 보여준다. 즉 음성과 데이터 모두가 IP 데이터그램 형태로 UE(User Equipment)에서 P-GW(Packet Gateway)까지 전송되고, 그 P-GW는 외부 네트워크와 연결된다. 또한 이를 구현하기 위해서 4G 네트워크는 figure 3와 같이 data plane과, control plane을 구분한다. 즉, 4G는 전화망에서 완전히 탈피하여, 범용 IP 서비스를 구현하였다. 이때 4G 네트워크의 주요 구성 요소는 다음과 같다:
- eNodeB: 2G의 기지국(BS), 3G의 Node B와 비슷한 역할을 수행한다.
- data plane에서 eNodeB는 LTE 무선 접속 네트워크를 통해 UE와 P-GW 사이의 데이터그램을 전달한다.
- control plane에서는 UE의 등록 및 모빌리티 신호 트래픽을 처리한다.
- P-GW(Packet Gateway): UE에 IP 주소를 할당하고, QoS 정책을 적용한다. 또한 데이터그램의 캡슐화 및 디캡슐화를 수행한다.
- S-GW(Serving Gateway): 데이터 평면에서 모든 UE 트래픽의 모빌리티 중심 지점이다.
- MME: UE의 연결 및 모빌리티 관리를 수행한다. 또한 HSS로부터 UE 가입자 정보를 수신한다.
- HSS: UE의 로밍 가능성, QoS 프로파일, 인증 정보를 포함한 정보를 저장한다.
5G and 6G System
5G의 목표는 초당 수 Gbps의 고속 데이터 전송 속도와, 높은 신뢰성, 대규모 연결, 다수의 사용자에게 더욱 안정적인 서비스를 제공하는 것이다. 이때 5G가 제공할 수 있는 서비스는 아래와 같이 3가지 이다:
- eMBB (Enhanced Mobile Broadband): 고속 스트리밍, AR/VR 등 고대역폭 애플리케이션
- mMTC (massive Machine-Type Communications): 수많은 IoT 장치 연결 (스마트 시티 등)
- URLLC (Ultra-Reliable Low Latency Communications): 자율주행, 원격수술처럼 실시간성 요구되는 서비스
6G의 정의는 아직 사용되지 않는 주파수 대역을 활용하고, AI 기반 지능형 엣지(Intelligent Edge) 및 인지형 무선(Intelligent Radio) 기술을 통해 초고속, 초저지연 통신을 제공하여 5G보다 훨씬 빠른 속도와 효율적인 네트워크 제어를 실현하는 것이다. 이를 위해 우주, 공중, 지상과 같이 다양한 공간에 인프라를 설치하고 분산형 AI, 실시간 엣지 인텔리전스, 양자통신, 테라헤르츠(THz) 대역, VLC등을 활용하는 등 다양한 노력이 이루어지고 있다.