이동하는 휴대폰을 기지국은 어떻게 따라갈까?

연결 상태와 대기 상태

데이터를 주고받는 중이면 연결 상태이고, 한동안 오갈 데이터가 없으면 대기 상태로 쉽니다. 대기 중에도 휴대전화는 주변 셀을 측정하고, 나를 찾는 호출 신호를 확인합니다.

대기 상태에서는 휴대전화가 네트워크가 알려 준 규칙에 따라 머물 셀을 스스로 고릅니다. 이것을 셀 재선택이라고 합니다. 연결 상태에서 셀을 바꿀 때는 네트워크가 결정하고 지시하며, 이것이 핸드오버입니다. [1][2]

이 글은 흔히 쓰는 연결 상태의 핸드오버 절차 하나를 따라갑니다. 핸드오버의 목표는 통화와 데이터가 계속 이어지게 하는 것입니다. 하지만 무선 연결은 옮기는 순간 아주 잠깐 끊길 수 있습니다. 통화는 이어져도 전파가 오가는 상대 셀은 바뀝니다. 이 차이를 기억하면 뒤의 내용이 쉬워집니다.

셀은 철탑이 아닙니다

교과서에서는 셀을 벌집 같은 육각형으로 그리곤 합니다. 설명하기 편한 그림이지만 실제 셀의 모양과는 다릅니다. 셀은 기지국 철탑과 같은 말도 아닙니다. 한 철탑에 방향이 다른 안테나 묶음을 달고, 방향마다 서로 다른 셀로 운영하기도 합니다. 영상의 세 방향 나눔은 설명을 위한 예시입니다.

셀의 신호가 닿는 범위는 건물과 언덕, 안테나의 방향과 높이에 따라 불규칙합니다. 이웃 셀과는 넓게 겹치고, 같은 자리에서도 시간에 따라 신호의 세기가 출렁입니다. 그래서 지도 위의 셀 경계선은 땅에 그어진 담장이 아니라, 대략 어디쯤에서 어느 셀이 더 좋아지는지를 보여 주는 개념적인 그림입니다. 어느 셀이 좋은지는 실제로 측정해 봐야 압니다.

겹치는 구간은 오히려 중요합니다. 원이는 그곳에서 두 셀의 신호를 함께 받으므로, 지금 셀이 아직 쓸 만할 때 다음 셀을 미리 측정하고 옮길 준비를 시작할 수 있습니다.

휴대전화는 측정하고 알립니다

각 셀은 기준 신호를 정해진 때에 내보냅니다. 휴대전화는 지금 셀과 이웃 셀의 기준 신호를 받아 세기와 품질을 측정합니다. 무엇을 언제 알릴지는 네트워크가 미리 정해 줍니다. 일정한 간격마다 보고하게 할 수도 있고, 어떤 조건이 맞을 때만 보고하게 할 수도 있습니다. 영상은 조건이 맞을 때 보고하는 예를 보여 줍니다. [2]

대표적인 조건은 이웃 셀이 지금 셀보다 정해진 여유값 이상 좋아지고, 그 상태가 정해진 시간 동안 이어지는 경우입니다. 영상의 숫자는 이해를 돕는 예시값입니다.

보고를 받은 네트워크가 옮길지, 어디로 옮길지 정합니다. 가장 센 셀로 무조건 가는 것은 아닙니다. 목표 셀이 얼마나 붐비는지, 자원이 남는지, 운영 정책은 어떤지도 함께 봅니다. 휴대전화는 측정하고 알리고, 네트워크는 정합니다.

바로 옮기지 않는 이유

이웃 셀이 조금이라도 세지면 바로 옮기면 될까요? 두 셀의 경계 근처에서는 신호가 계속 출렁여서 이쪽이 좋았다 저쪽이 좋았다 합니다. 그때마다 옮기면 짧은 시간에 두 셀을 왔다 갔다 하게 되는데, 이를 핑퐁이라고 부릅니다. 옮길 때마다 주고받는 제어 신호가 늘고, 짧은 끊김이 생길 위험도 그만큼 반복됩니다.

그래서 첫 번째 장치로 여유값을 둡니다. 이웃 셀이 지금 셀보다 일정한 크기 이상 좋아야 조건을 만족하며, 이런 문턱을 히스테리시스라고도 합니다. 두 번째 장치는 유지 시간입니다. 조건이 정해진 시간 동안 계속 맞아야 보고하고, 도중에 한 번이라도 깨지면 시간 측정은 처음부터 다시 시작합니다. [2]

하지만 너무 조심하면 늦습니다. 지금 셀의 신호가 무너진 뒤에야 옮기면 연결이 끊어질 수 있고, 너무 서두르면 핑퐁이 늘어납니다. 그래서 여유값과 유지 시간은 장소와 이동 속도에 맞춰 조정하며, 어디에나 맞는 하나의 값은 없습니다.

더 읽기 1 · 영상의 예시 모형으로 본 여유값과 유지 시간

영상은 두 셀의 신호 세기를 단위 없는 예시 점수로 그린 모형을 씁니다. 지금 셀은 점차 약해지고 이웃 셀은 점차 강해지되, 둘 다 규칙적으로 출렁이도록 만들었습니다. 옮기는 규칙은 이웃 셀이 지금 셀보다 여유값 이상 좋은 상태가 유지 시간 동안 계속될 때 옮기는 것이며, 옮긴 뒤에는 새 셀이 기준이 됩니다.

이 모형에서 여유값과 유지 시간을 모두 0으로 두면 두 곡선이 만날 때마다 옮겨 세 번 전환합니다. 여유값만 3으로 두면 전환은 한 번으로 줄어듭니다. 여유값 3에 유지 시간 2를 함께 두면, 조건이 깨져 시간이 처음부터 다시 시작하는 일이 두 번 나타난 뒤에야 조건이 채워집니다. 반대로 여유값 6과 유지 시간 6처럼 너무 크게 잡으면 지금 셀이 이미 영상의 유지 기준선 아래로 내려간 뒤에야 옮기게 됩니다.

이 숫자들은 이해를 위한 가상의 모형에서 나온 것이며, 실제 망의 설정값이나 표준이 정한 값이 아닙니다. 실제 보고 조건에는 이웃 셀과 지금 셀 각각에 붙는 보정값 등 더 많은 항목이 있습니다. [2]

미리 준비하고 길을 바꿉니다

옮기기로 정하면 지금 셀은 먼저 목표 셀에 준비를 요청합니다. 목표 셀은 원이를 받을 수 있는지 확인하고, 자원과 필요한 정보를 마련합니다. 이때 휴대전화는 아직 지금 셀과 통신하고 있습니다.

준비가 끝나면 지금 셀이 휴대전화에 옮기라는 명령을 보내며, 목표 셀에 접속할 설정도 함께 담겨 있습니다. 휴대전화는 지금 셀과의 무선 연결을 놓고 목표 셀에 시간을 맞춰 접속합니다. 접속에 성공하면 휴대전화가 목표 셀에 완료를 알립니다. 그러면 원이에게 오는 데이터가 새 기지국으로 가도록 코어망 쪽의 경로가 바뀌고, 마지막으로 원래 기지국은 쓰던 자원을 정리합니다. [2][3]

옮기는 사이 원래 기지국에 도착한 데이터는 버리지 않고 새 기지국으로 넘겨 보낼 수 있어 손실을 줄일 수 있습니다. 영상의 화살표는 데이터가 가는 길이 바뀐다는 뜻이지, 연결이 물건처럼 옮겨 가는 것이 아닙니다. 세부 순서와 주체는 망 구조에 따라 다를 수 있습니다. [3]

더 읽기 2 · 끊김이 없다고 보장하지 못하는 이유

연결 상태에서 기본이 되는 핸드오버는 새 셀에 붙기 전에 지금 셀과의 무선 연결을 먼저 놓는 방식입니다. 그래서 무선 구간에서 데이터가 잠깐 멈출 수 있습니다. 영상의 두 줄 그림은 통화는 이어지고 무선 연결만 A에서 B로 바뀌는 모습을 보여 주며, 틈의 길이는 과장한 예시입니다. 영상은 틈의 길이를 숫자로 말하지 않습니다.

영상 통화 앱은 미리 받아 둔 데이터를 조금씩 재생하며 이 틈을 가리기도 합니다. 그러나 목표 셀이 건물에 가려지거나 이동이 너무 빠르면 접속이 실패할 수 있습니다. 실패하면 휴대전화는 접속할 셀을 다시 찾아 연결을 되살리려 하고, 그동안 통화가 멈추거나 심하면 끊어질 수 있습니다. 네트워크는 실패와 핑퐁의 통계를 보며 설정을 다듬습니다.

한 가지 더 구분합니다. 한 셀 안에서 원이 쪽으로 빔을 맞추는 일과, 셀과 셀 사이에서 연결을 넘기는 핸드오버는 서로 다른 일입니다. 이 글은 연결 상태의 기본 핸드오버만 다루며, 더 새로운 이동성 기법이나 다른 방식과의 연동은 다루지 않습니다. [2][3][4]

정리하면

원이의 영상 통화는 셀을 몇 번 바꾸면서도 이어집니다. 휴대전화는 측정하고 알리고, 네트워크는 준비하고 결정하며, 데이터의 길이 새 셀로 바뀝니다. 끊김이 전혀 없다고 보장하지는 못하지만, 여유값과 유지 시간, 미리 하는 준비와 데이터 전달이 그 틈과 손실을 줄이려는 장치입니다.

그런데 무선 구간에는 늘 잡음과 간섭이 끼어듭니다. 그러면 받은 영과 일 가운데 일부가 뒤집혀 도착할 수 있습니다. 받는 쪽은 어디가 틀렸는지 어떻게 알아챌까요? 그리고 틀린 것을 고칠 수 있을까요? 다음 시간에는 잘못 받은 영과 일을 고치는 방법을 보겠습니다.

참고 자료와 설명의 범위

이 글과 영상은 이동하는 휴대전화가 셀을 바꾸는 과정을 처음 접하는 사람을 위한 단순화한 설명입니다. 셀의 모양과 개수, 신호 세기 곡선, 여유값과 유지 시간, 틈과 버퍼의 길이는 이해를 위한 예시이며 특정 통신사나 장치, 규격 설정값을 나타내지 않습니다. 아래 자료는 용어와 절차를 확인하는 심화 읽기용이며, 이번 게시에서 전체 문서의 조항까지 독립적으로 검토했다는 뜻은 아닙니다.

대기 상태와 비활성 상태의 절차, 셀 재선택과 호출 확인. ETSI · 3GPP TS 38.304.

무선 자원 제어: 측정 설정, 주기·이벤트 보고, 핸드오버 재설정, 연결 재수립. ETSI · 3GPP TS 38.331 문서 목록.

NR 전체 구조 설명: 셀 간 핸드오버, 데이터 전달, 경로 전환. ETSI · 3GPP TS 38.300 문서 목록.

기본 핸드오버의 무선 구간 끊김과 최근 이동성 개선 방향. Ericsson · 5G Advanced handover.

이어서 읽기

• 7편 · 빔포밍과 공간 다중화, 마이모
• 6편 · 변조 방식과 부호율, 링크 적응