이동통신에 적용되는 음성통신 방식 소개

이동통신은 말 그대로 이동하면서 통신을 하고 싶은 Needs로부터 발전했으며 가장 기본이 되는 음성 통화의 연속성을 제공하는 것이 기본 전제가 되고 있습니다. 이동통신에 적용되는 세대별 음성통신 방식에 대하여 살펴보겠습니다. 

이동통신과 음성통신방식 소개

 

1. 개요

이동통신의 발전은 1~2세대에서는 음성 위주의 서비스를 주된 목적으로 했으며3세대부터는 음성과 데이터를 제공하기 위한 다양한 기법이 도입됐습니다. 4세대부터는 네트워크의 단순화를 이루기 위해 Data Only 망으로 진화됐지만 음성 서비스를 포기할 수 없어 IMS(Internet Multimedia Service)의 Architecture를 도입해 음성통신을 제공하고 있습니다. 다음장부터는 각 세대별로 제공하는 음성서비스 방식을 알아보겠습니다.(편이상 3GPP 기반의 통신 위주로 설명하겠습니다.)

세대별 주요 특징, 출처: https://www.yna..co.kr/view/GYH20110125000400044

 

2. 2세대(GSM)

 
1, 2세대에서는 통화로(Bearer)를 음성통화 목적으로만 사용하는 Circuit Service를사용합니다. Circuit Service의 특징은 1) 연결 경로가 결정돼 전송 하므로 안정적인서비스 제공이 가능하고 2) 고정된 품질의 연결이 가능하지만 3) 회선을 점유하는방식을 사용하기 때문에 전반적인 네트워크의 효율성은 저하될 수 있습니다. 초기2세대 서비스는 음성 전용으로 구성됐으나 기술이 발전하면서 음성과 동시에 데이터도 함께 제공할 수 있었습니다. 하지만 네트워크와 단말의 한계로 상대적으로 저속의 서비스만 가능했습니다. 2세대 이동통신도 우리나라와 같이 CDMA 등의 기술이 있으나 GSM(Global Service for Mobile) 진영의 점유율이 높아 3세대 통신 방식 결정에 영향을 미치게 됩니다. 

 

3. 3세대(UMTS: Universal Mobile Telecommunication Service)

3세대부터 음성과 더불어 데이터를 함께 제공하기 위해 시스템이 구성됩니다. 이를 위해 음성은 Circuit Service(CS) 방식으로 제공하고 데이터는 Packet Service(PS) 방식으로 제공됩니다.(2세대 통신도 기술이 발전함에 따라 2.5세대인 GPRS 등에서는 PS 서비스를 동시에 제공하기도 합니다.)  Circuit/Packet 방식을 같이 사용하기 때문에 Circuit 서비스를 제공하는 네트워크 파트와 Packet 서비스를 제공하는 네트워크 파트가 나뉘어 망 구성이 어려워지고 CS와 PS의 도메인을 별도로 관리해야 하는 단점이 있었으나 2세대와 달리 빠른 데이터 전송이 가능해졌으며 이를 통해 영상통화 등 멀티미디어 서비스가 가능해졌습니다.

출처:3GPP 23.002, Basic Configuration of a PLMN supporting CS and PS Services (using GPRS) and interfaces

 
 

4. 4세대(E-UTRAN, Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network)

3세대까지  동기식(CDMA), 비동기식(WCDMA) 진영으로 각각 발전하던 이동통신 규격이 비동기식인 WCDMA 기반인 LTE로 진화됐습니다.(용어에 혼란이 있을 수 있는데 규격상의 명칭은UMTS, E-UTRAN으로 칭하고 일종의 브랜드네임 차원에서 WCDMA, LTE로 불립니다. 앞으로는 WCDMA, LTE로만 칭하겠습니다.)  LTE의 가장 큰 특징은 Access 측면에서 주파수 대역폭의 확장(~20MHz), OFDM, MIMO의 반영이 있고 Core 측면으로는 PS only를 지향하기 때문에 망구성이 단순해지고 단말의 상태관리도 보다 효율적으로 변경된 것입니다. LTE에서는 Packet Service만 지원하다 보니 음성에 대한 니즈를 반영하기 위한 대안이 필요하게 됐습니다. 이를 위해 규격에서는 CS 서비스를 제공하는 UMTS 네트워크를 활용하는 방안과 인터넷을 통한 멀티미디어 서비스 제공 방식인 IMS(Internet Multimedia Subsystem)을 제안하고 있습니다.

1) WCDMA를 사용하는 방식: CS Fallback

LTE에서 WCDMA를 이용해 음성통화를 제공하는 방식을 CS(Circuit Service) Fallback 이라고 합니다. 이는 사업자가 Circuit 서비스를 제공하고 있다는 전제하에 LTE에서 음성서비스를 하고자 할 때 Circuit망(WCDMA 등)으로 천이해 음성통화를 하고 통화가 끝나면 LTE로 복귀하는 동작을 수행합니다. 이 방법은 기존에 구성된 네트워크를 재활용할 수 있다는 장점을 가지지만 망의 구조가 복잡해지고 LTE와 WCDMA 간의 천이를 위한 호처리가 복잡해 진다는 단점이 있습니다.
 
2) IMS를 사용하는 방식: VoLTE

IMS는 인터넷을 통해 멀티미디어 서비스를 제공하기 위한 표준적인 망구조를 의미합니다. 흔히 인터넷폰이라고 하는 VoIP 제공을 위해서도 사용되고 있었습니다. 이를 LTE에 반영하면서 VoLTE(Voice over LTE)라는 이름으로 불리게 됩니다. 이 방식은 All IP 네트워크인 LTE에 적합한 방식으로SIP(Session Initiation Protocol)을 이용해 음성/영상의 호처리를 진행합니다. LTE망은 IMS망을 통한 음성통화의 품질을 향상시키기 위해 QoS를 제공하는 방식으로 융합되어 운용합니다. 이러한 운용 방식은 한편으로는 LTE망과 IMS망을 이중으로 운용해야 하는 복잡함도 있으나 IP라는 단일 프로토콜을 이용하는 장점과 CS망이 없는 사업자도 음성 서비스를 제공할 수 있다는 점에서 현재 널리 사용되고 있습니다.
 
 

5. 5세대(NR: New Radio)

5세대 이동통신도 LTE를 기반으로 한 진화가 이루어 졌습니다. Access 측면에서는 주파수 대역폭의 확장(Sub6 기준 100MHz), 확장된 MIMO 등이 반영되고 Core 측면에서는 SBA(Service Based Architecture)라고 하는 가상화 기반의 Function 단위로 망구성이 단순화 될 수 있습니다. 5G 내에서도 SA(Stand Alone), NSA(Non Stand Alone) 방식을 적용할 수 있는데 SA는 5G만으로도 서비스를 제공할 수 있고, NSA는 Control은 LTE/데이터는 LTE+5G로 운용될 수 있는 특징이 있습니다. 이 중 NSA 방식은 LTE에 접속된 상태에서 데이터 Bearer로 5G를 사용하는 방식이라 LTE와 동일한 VoLTE로 서비스를 제공합니다.(5G도 LTE와 같이 PS only/All IP 네트워크 입니다.) 그렇다면 SA에서는 어떻게 음성 서비스를 제공할 수 있을까요? SA도 LTE와 유사하게 두 가지 방식으로 제공될 수 있습니다. 

 
1) LTE/IMS를 사용하는 방식: EPS(Evolved Packet Service) Fallback

5G에 접속된 단말이 LTE로 천이해 VoLTE로 음성서비스를 사용하는 방법입니다. 5G에서 바로 서비스를 하면 안되냐는 의문이 들 수 있는데 이는 EPS Fallback이 VoNR로 진화하기 위한 과정이기 때문입니다. EPS Fallback은 CS Fallback과 유사하게 기존 망을 이용해 서비스를 제공할 수 있는 장점이 있으나 호처리와 단말의 상태/위치 관리가 복잡해 진다는 단점이 있습니다.

 
2) VoNR(Voice over NR)

5G 망만으로 데이터와 음성을 모두 제공할 수 있는 방식으로 VoLTE와 같이 5G망과 IMS망을 결합해 운용하게 됩니다. LTE보다 넓은 대역폭을 제공하기 때문에 고품질의 서비스를 제공할 수 있다는 장점이 있습니다.
 
지금까지 이동통신에서 사용되는 음성통화 방식을 알아봤습니다. 세대가 발전하면서 네트워크에서 제공가능한 서비스 능력이 높아지고 이에 따라 고품질의 음성이나 영상 통화를 제공할 수 있게 됐고 품질에 대한 만족도도 높아지고 있고 XR 등 가상현실과 접목된 음성/영상통화가 나올 날도 멀지 않은 것 같습니다. 이를 위해 네트워크의 전송 성능 향상과 기존의 평면적인 이동 뿐만 아니라 UAM 등 3차원 이동을 고려한 안테나, 자원할당 등의 기술에 깊은 관심이 필요합니다.
 
 정보통신기술사 박종일