▶ 셀룰라 란?
이동통신 기술이라는 것이 가입자가 자유롭게 이동하면서 통신을 할 수 있도록 하는 것이라면, 이러한 욕구를 달성시키기 위한 전송수단으로는 통신을 하고자 하는 두 지점을 물리적으로 연결할 필요가 없는 전자파를 사용해야 할 것이다. 여기서 전자파란 넓은 의미의 전자파를 말하는 것으로 낮게는 수 KHz 정도의 낮은 주파수에서 부터 높게는 적외선 레이저나 가시광선 레이저를 포함한 매우 높은 주파수의 전자파를 망라한 것이다.
전자파의 중요한 특징으로는 공기나 진공인 공간을 다른 매질이 없어도 전파할 수 있다는 것이다. 이러한 특징 때문에 정해지지 않은 곳으로 원하는 정보를 전송하기 위해서 사용 할 수 있다. 라디오나 텔레비전 같은 이미 우리 일상 생활에 깊숙히 파고 들어와 있는 방송 형태의 통신부터 디지틀 휴대전화와 같은 최첨단 양방향 통신기기등이 모두 전자파를 사용하고 있다.
방송과 같은 단방향 통신은 보내고자 하는 정보를 일방적으로 전자파를 통해서 보내고자 하는 전 지역에 방송하고 수신하고자 하는 가입자는 수신 가능 지역 내에서는 아무 곳에서나 단말기(라디오나 텔레비전)를 설치하면 보내는 정보를 수신할 수 있다. 이러한 단방향 통신은 가입자수 라는 개념을 전혀 고려할 필요가 없다.
그러나 휴대전화와 같은 양방향 통신은 이보다도 훨씬 복잡할 뿐더러 어떤 한 지역에서 통신을 할 수 있는 가입자 수가 여러가지 요인에 의해서 제약을 받는다.
대개 양방향 통신에서 가장 중요한 것은 통신의 상호 독립성이다. 즉 통신하고 있는 당사자 외에 다른 사람이 동일한 통신 내용을 수신할 수 없어야 한다. 이러한 요구 조건을 만족시키기 위해서 모든 양방향 통신 시스팀에서는 통화 채널이라는 개념을 이용하여 각각의 가입자가 서로 다른 통화 채널을 이용하여 통신을 할 수 있도록 한다. 즉, 모든 통신 시스팀은 각각의 방법으로 통신채널을 확보하여, 각각의 가입자에게 통신채널을 할당하게 된다.
이동통신에서는 전송수단으로 전자파를 이용하기 때문에 전자파의 특성에 의해서 채널수가 제한된다. 채널수와 관련된 전자파의 특징을 살펴보면 첫째로, 전자파는 공기중에 전파되면서 크기가 작아져서 어느 이상 거리가 멀어지면 신호의 크기가 너무 작아져서 수신이 불가능해진다. 둘째로 동일한 주파수를 동일한 장소에서 서로 다른 사용자가 동시에 사용할 수 없다. 즉, 동일한 주파수를 사용한다는 것은 서로 같은 채널을 사용하는 것과 같다. 물론 이러한 개념은 CDMA 방식에서는 조금 다르게 적용되지만, 서로 강한 간섭을 준다는 것은 마찬가지 이다.
따라서 정해진 주파수 대역폭으로 가급적 많은 채널을 확보하기 위해 여러가지 기술이 적용되고 있다. 이러한 채널을 확보하기 위한 방법으로, 주어진 주파수 대역폭을 통신에 꼭 필요한 대역으로 잘게 나누어서, 각각의 가입자가 각각 쪼개진 작은 대역폭만 사용하는 주파수 분할 방식, 적당히 쪼개진 주파수 채널을 각 가입자가 일정시간만 사용하게 하는, 즉 기존 전화망에서 PCM과 같은 방법으로 시간을 나누어서 사용하는 시분할 방식이 지금까지 많이 사용되어 왔으며, 최근에는 동일한 주파수 대역을 사용하지만 전송하고자 하는 정보에 암호를 곱해주어 이 암호를 가지고 채널을 구분하는 부호분할 방식이 개발되어 있다. 이 모든 방법을 같은 주파수 대역폭으로 가능하면 더 많은 정보를 전송하기 위해 개발된 기술로, 즉, 주파수 이용효율을 높이기 위한 기술로, 크게 변복조 기술과 다중접속 기술로 나눌 수 있으며, 위에서 언급한 방법은 주로 다중접속 기술에 의해서 분류한 것이다.
그러나 이동통신 환경에서 매우 많은 가입자가 언제 어디서나 통화를 할 수 있도록 하기 위해서는, 이렇게 주어진 주파수 대역의 사용 효율을 높이는 방법만으로는 필요한 가입자를 수용하는데 한계가 있다. 첫째로 전자파가 도달되는 거리에 한계가 있기 때문이고, 둘째로는 많은 가입자를 수용하기 위한 채널수가 충분하지 않기 때문이다. 특히 이동통신 환경은 다른 무선통신 환경과는 달리, 가입자가 계속 이동하기 때문에 원천적으로 전자파 전파 환경이 통신 시스팀에서 제어가 불가능하여, 고 효율의 변복조 방법을 사용하는데 한계가 있다.
이와 같이 서비스 지역의 제한과 가입자 수용용량의 한계를 극복하기 위해서 제안된 개념이 '셀룰라' 라는 것이다. '셀룰라'란 서비스 지역을 여러 개의 작은 구역, 즉, '셀'로 나누어서, 서로 충분히 멀리 떨어진 두 셀에서 동일한 주파수 대역을 사용하므로서 공간적으로 주파수를 재사용할 수 있도록 하므로서 공간적으로 분포하는 채널수를 증가시켜 충분한 가입자 수용용량을 확보할 수 있도록 하는 이동통신 방식을 말한다.
주어진 구역을 '셀'로 나누면, 어떻게 수용 가능한 가입자수가 증가할 수 있는지를 살펴보자.
이해를 돕기 위하여 간단한 주파수 분할 방식(FDMA)을 가정하여, 설명하도록 한다. 주어진 총 주파수 대역폭이 15MHz이고, 각 통화채널에 할당해야하는 대역폭이 30KHz이라면, 총 주파수 대역에서 얻을 수 있는 통화채널수는 15000/30 = 500 개가 된다. 이 500개의 채널을 이용하여 서울지역과 인천지역에 이동통신 서비스를 한다고 생각해 보자. <그림 1-1>와 같이 서울 지역을 서비스 하기 위해서 남산에 기지국 하나, 인천지역을 서비스 하기 위해서 부평 근처에 기지국을 하나 세우고, 두 지역에 이동통신 서비스를 제공한다고 하자. 만일 사용 가능한 총 500개의 채널을 모두 남산에서도 사용하고, 인천지역인 부평에서도 사용한다고 하면, 중간지역인 부천에서는 같은 채널의 신호가 인천쪽에서도 오고, 서울쪽에서도 도달하기 때문에 혼선이 발생하여 통화를 할 수 없을 것이다.
이런 혼선이 발생하는 문제점을 극복하려면 인천쪽인 부평 기지국에 채널 반(250채널)을 할당하고, 서울쪽인 남산 기지국에 나머지 반을 할당하여, 서울과 인천 지역에서 각각 서로 다른 채널을 사용하면, 부천에서 발생하는 혼선이 사라지게 된다. 즉, 서울/인천지역에서 총 500개의 채널을 사용할 수 있는 것이다. 그러나 만일 <그림 1-2>와 같이 서울지역을 7개의 작은 구역인 '셀'로 나누고, 인천지역도 7개의 셀로 나눈 다음, 주어진 총 통화채널을 7개로 나누어서, 각각의 셀에 500/7 ≒ 71개의 채널을 할당하고, 인천지역도 같은 방법으로 셀을 나누어서 각 셀에 71개의 통화채널을 할당하면 <그림 1-2>와 같이 같은 채널을 사용하는 구역이 각 셀의 반경에 비해서, 서로 멀리 떨어져 있으므로(A와 A' 사이), 서로의 간섭이 무시할 수 있을 정도로 작게 만들어 혼신의 염려가 없도록 한다. 즉, <그림 1-2>의 경우 서울, 인천지역에서 사용하는 총 채널 수는 1000개가 되어 <그림 1-1>의 경우와 비교해 보면, 사용할 수 있는 채널이 두 배로 증가했음을 알 수 있다. 이렇게 서비스 구역을 잘게 나누면 수용용량이 증가함을 알 수 있다.
여기서 만일 셀반경을 반으로 줄이면, 셀수는 4배로 증가하게 되고, 셀에 주파수를 할당하는 방법을 그대로 적용하면, 각 셀당 71개의 통화채널을 그대로 각 셀에 할당할 수 있으므로, 전체 서비스 지역의 통화채널수도 역시 4배로 증가하게 된다. 이와 같이 셀반경을 조절하여 통화채널 용량을 조절할 수 있으므로, 수요에 따라 셀반경을 설정하여, 가입자가 많아도 이를 수용할 수 있게 된다. 물론 무조건 셀 반경을 줄일 수 있는 것은 아니다. 시스템의 특성, 전파 환경등에 의해서 줄일 수 있는 한계가 있다. 이에 대해서는 다음에 살펴보게 된다. 이러한 셀룰라 개념을 도입한 이동전화 서비스가 지금의 한국이동통신과 신세기에서 서비스하는 셀룰라 전화이고, 셀반경을 줄일 수 있는 기술을 적용하여, 수용용량을 더욱 증가시킨 서비스 개념인 PCS도 이 셀룰라 전화의 일종이라고 생각하면 된다.
셀룰라에서 서비스 지역을 작은 셀로 나누고 셀 경계를 정하기 위해서 셀모양을 정의해야 한다. 실제 서비스 지역이 완전한 평면이라면 셀모양은 원형에 가깝다. 그러나 쉽게 생각 할 수 있는 원형의 셀은 평면적으로 배치할 수 없으므로 사용하기가 곤란하므로, 평면적으로 배치할 있는 다각형 형태를 사용하여야 한다. 평면으로 배치할 수 있는 다각형으로는 <그림 1-3>에서 보여주는 바와 같이, 삼각형과 사각형 그리고 육각형이 있다. 셀모양으로 삼각형과 사각형 그리고 육각형 형태의 셀을 배교해 보면 육각형 형태의 셀이 중첩되는 영역이 가장 적으므로, 가장 경제적인 셀배치를 할 수 있다.
