HSDPA 내막을 들여다 보면 -1-

HSDPA 내막을 들여다 보면 -1-

이번 이야기도 어찌어찌 긴~ 이야기가 될 것 같습니다. 많은 전문가들이 10년에 걸쳐 개발한 복잡한 기술을 쉽게 이해하려면 아주 약간의  인내가 요구되어야 하겠죠 ^^. 하지만 어렵지 않은 내용이니 가벼운 마음으로 읽어보시기 바랍니다~~

HSDPA 탄생의 배경
 꿈의 이동통신 기술이라며 장미 빛 전망으로 출발한 유럽형 IMT2000 기술인 WCDMA 는 초기 약속만큼 데이터 속도가 나오지 않았기에  출발부터 삐그덕 거리기 시작 하였다. 2003년 일본의 도코모사에 의하여 최초 상용화가 이루어지긴 하였지만 미국식 IMT2000 기술인  cdma2000, EVDO 등에 비하여 형편없는 안정성과 속도로 맥을 추지 못하고 지지부진 3 년을 끌어오게 되었다. 이러한 저속 데이터의  문제점을 해결하기 위한 많은 노력의 결과로서 HSDPA 라는 업그레이드 기술이 탄생하게 되었다.
 HSDPA 가 적용되기 전까지의 기존 WCDMA 기지국을 R99(릴리즈 99) 모델이라고 한다. 이 R99 모델은 데이터 속도가 다운로드,  업로드 최고 384kbps 정도 밖에 되지 않기에 전 세계적으로 죽을 쓰고 있는 상황이었습니다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 R99  기지국을 업그레이드 시켜-경우에 따라서는 약간의 하드웨어 변경이 요구되기도 한다-다운로드 데이터 속도를 획기적으로 증가시킨 기술이 바로  HSDPA 기술이여, 이 HSDPA 기술에 의하여 죽을 쓰고 있던 유럽형 IMT2000 기술이 2006년 하반기부터 급격하게 서비스가 활성화  되고 확대되게 되었다.
 이번 장에서는 이러한 HSDPA 기술의 정체에 대하여 자세히 알아 보겠다.
 HSDPA 고속 전송의 비밀은 두 가지로 요약될 수 있다. 첫 번째는 통화자의 전파상태에 따른 적응적 속도제어 기술이며 두 번째는 다중코드의  사용 기술이다.

전파상태에 따른 적응적 속도제어에 의한 고속화
 기지국에서 무선데이터를 전송하기 위한 조건은 전송속도와 잡음에 대한 내성의 두 가지 요소로 간략하게 요약될 수 있으며 이 두 조건은 항상  상반되는 특성을 갖고 있다. 즉 전송속도를 올리면 잡음에 대한 내성이 감소하여 에러의 발생이 증가하게 되고, 반대로 잡음에 대한 내성을  증가시키면 전송속도는 자연스럽게 감소하게 되는 것 이다. 따라서 이 두 가지 조건을 어떻게 조화 시킬 것 인가가 이동통신 무선기술에서 매우  중요한 이슈가 되게 된다.
 기지국 밑의 수많은 통화자의 단말기는 여기저기를 마구 돌아다니고 주머니나 서랍등과 같은 무척 다양하고 빠르게 변화하는 전파환경에 노출되어  있다. 즉 순간적으로 전파상태가 좋을 수도 나쁠 수도 있다. 그렇다면 기지국은 단말기들에게 속도와 내성의 이슈를 어떻게 조화시켜야 할까?  
 기지국은 순간순간적으로 변화하는 단말기의 전파상태를 실시간적으로 파악할 수 없기에 무조건 단말기들의 전파상태는 안 좋을 것이라고 평균 하향화  시켜 결론을 내릴 수 밖에 없으며, 나쁜 전파상태를 극복하기 위하여 모든 단말기들에 대한 데이터 속도를 줄이고 잡음내성을 증가시켜 평균  하향화된 속도로서 데이터를 전송하여야 만 한다. 이것이 cdma2000 과 R99 WCDMA 기지국 데이터 전송의 기본 원리이고 데이터  속도가 시원치 않았던 주요한 원인이기도 한다.
 그러면 이러한 문제를 해결하려면 어떻게 하여야 할까?
 기지국 밑의 데이터 통화중인 모든 단말기들이 자신의 전파상태를 실시간으로 기지국에 보고하고 이를 보고 받은 기지국은 전파상태가 좋은 단말기에게는  잡음내성 보다는 속도를 강조시켜 전송하고, 반대로 전파상태가 안 좋은 단말기에는 속도보다는 잡음내성을 증가시켜 전송 하게 하는 방법이 있다.  
 즉 전파상태가 안 좋을 때에는 기존 방식이나 별반 차이가 없지만 전파상태가 좋을 때에는 획기적으로 속도가 증가하게 되어 평균적으로 몇 배의  전송 속도 증가가 이루어지게 된다. 이와 같이 전파상태에 따른 적응적 속도제어 기술을 AMC 라고 하며 HSDPA 에서 고속 데이터 전송이  가능하게 하여준 1등 공신이라 할 수 있다.
 AMC 기술이 동작하기 위하여 무선데이터를 접속한 모든 HSDPA 단말기는 1초에 500번의 빈도로 자신의 전파상태를 기지국에 알려주어야  한다.
 그림 1은 AMC 기술이 적용되지 않은 cdma2000, WCDMA 기지국의 예를 설명하고 있고며, 그림 2 는 AMC 가 적용된 HSDPA  기지국을 설명하고 있다.
 결론적으로 cdma2000 이나 R99 WCDMA 기지국은 통화자의 전파상태와 무관하게 잡음 내성만을 강조하여 그림 3과 같이 평균 하향화된  전송속도의 특징을 갖지만 WCDMA 기지국을 upgrade 시킨 HSDPA 기지국에서는 1초에 500번의 빈도로 통화자의 전파상태에 따라  속도와 내성의 비율을 제어 함으로서 다운로드 데이터 속도를 획기적으로 증가시킬 수 있게 되었다.

  cdma2000, WCDMA 기지국의 무선데이터 전송

 
  HSDPA, EVDO 기지국의 무선데이터 전송

  통화자 전파환경에 적응적 속도제어 기술(AMC)에 의한 전송속도 향상

 다중코드에 의한 고속화
 HSDPA 고속전송의 두 번째 기술은 다중코드 사용에 있다. 대부분 사람들이 CDMA 기술이 뭔지는 잘 몰라도 신호에 코드를 섞어 어떻게  한다는 정도로 이해하고 있으리라 생각한다. 즉 데이터를 한 개의 고속 코드와 혼합하여 전송하는 기술방식 이다. HSDPA 도 WCDMA  기술에 추가되는 upgrade version 이기에 이러한 기본 원리는 동일한다. 다만 HSDPA 에서는 한 개의 코드가 아니라 동시에  여러 개의 코드를 사용할 수 있도록 하였다. 따라서 코드를 한 개씩 사용하는 cdma2000 이나 WCDMA 방식에 비하여 사용하는 코드  수에 비례하는 만큼 속도가 증가할 수 있게 된 것이다.
 WCDMA 기지국에서 데이터 전송용으로 가용한 코드 수는 16개 이며 제어용 1개를 제외한 최대 15개까지를 동시에 한 명의 통화자에게  몰아 줄 수 있게 되어 전송속도가 최대 15배까지 증가할 수 있게 되는 것 이다. 물론 15개를 혼자 사용하면 다른 사람들은 통화가 불가능하게  되어 매우 비현실적 수치가 되며 여러 개의 코드를 동시에 소화하여야 하는 단말기의 능력도 매우 높아야 하기에 단말기 가격 증가의 주요한  원인으로 등장하게 된다. HSDPA 에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 단말기 등급(category)을 표 1과 같이 정의하고 있다.  예를 들어 등급 5 의 단말기는 동시에 코드를 5개 까지만 소화가 가능한 단말기이기에 전파상태가 아무리 좋다 하더라도 3.6 Mbps 이상은  불가능한 단말기이며, 등급 9 의 단말기는 동시에 코드를 15개 소화할 수가 있기에 전파상태가 매우 좋을 경우에는 최대 10.2 Mbps까지의  속도가 가능한 단말기임을 의미한다. 물론 등급 10 의 단말기는 최고속도 14.4 Mbps까지 가능하지만 이는 어디까지나 이론적 최고치이기에  현실적으로는 중요한 의미를 갖지는 않으며 상용 단말기에서는 매우 비현실적인 수치가 된다.
 또한 등급 5 단말기의 최고속도가 3.6Mbps 라 하는 것은 단말기의 매우 낮은 확률로 전파상태가 매우 좋을 때를 기준으로 하기에 아주  안 좋을 때를 기준으로 하면 이 보다 약 1/10 정도까지 떨어지게 될 수 있으므로, 무작위적으로 떠돌아다니는 단말기가 체감적으로 느낄  수 있는 평균적인 속도는 약 0.8 ~ 2 Mbps 정도를 나타내게 된다. 물론 이것은 기지국 송신 안테나에서의 속도이고 실제 고객이 체험할  수 있는 서비스 속도는 이보다 약 20% 정도 더 떨어지게 된다.
 등급 1 의 단말기는 최고속도 1.2 Mbps 까지만 소화가 가능한 단말기로서 5개의 코드를 혼자서는 다 소화하지 못하고 3 명의 통화자가  시간 분활 하여 공유하는 단말기이다.
 현재 시중에는 등급 4 의 단말기가 출시되어 있고 올해 상반기 내에 등급 6 의 단말기 출시가 예정되어 있으며 내년 상반기 까지는 등급  8 의 단말기 출시가 예상이 되고 있다.

  HSDPA 단말기의 등급(Category) 에 따른 최고속도 분류

HSDPA 는 WCDMA 기지국의 업로드 데이터 속도는 개선 시키지 못하고 다운로드의 속도만을 개선시켜 주는 기술로, 업로드 속도개선을  위한 추가적인 업그레이드 기술이 요구된다는 점을 인지해야 한다.

출처:세티즌