핸드오버

셀룰러 전기 통신에서 핸드오버(handover) 또는 핸드오프(handoff)는 진행 중인 전화 통화나 데이터 세션을 코어망에 연결된 하나의 채널에서 다른 채널로 전환하는 과정을 말한다. 위성 통신에서는 서비스의 손실이나 중단 없이 위성 제어 책임이 하나의 지구국에서 다른 지구국으로 이전되는 과정을 의미한다.

 용어 
미국 영어에서는 핸드오프(handoff)라는 용어를 사용하며, 이는 3GPP2와 같은 일부 미국 기구와 CDMA2000과 같은 미국에서 시작된 기술 내에서 가장 흔히 사용된다. 영국 영어에서는 핸드오버(handover)라는 용어가 더 일반적이며, ITU-T, IETF, ETSI, 3GPP와 같은 국제 및 유럽 기구 내에서 사용되고, GSM 및 UMTS와 같은 유럽발 표준 내에서 규격화되어 있다. 학술 연구 간행물과 문헌에서는 핸드오버라는 용어가 더 흔한 반면, IEEE 및 ANSI 기구 내에서는 핸드오프가 약간 더 흔하게 사용된다.

 목적 
전기 통신에서 핸드오버가 수행되는 데에는 다음과 같은 여러 이유가 있을 수 있다.Guowang Miao, Jens Zander, Ki Won Sung, and Ben Slimane, Fundamentals of Mobile Data Networks, Cambridge University Press, , 2016.
 전화기가 한 셀의 서비스 범위를 벗어나 다른 셀의 범위로 진입할 때, 전화기가 첫 번째 셀의 범위를 벗어날 때 통화가 끊기는 것을 방지하기 위해 통화를 두 번째 셀로 전환한다.
 특정 셀의 신규 통화 수용 용량이 가득 찼을 때, 다른 셀과 겹치는 지역에 위치한 사용자의 기존 또는 신규 통화를 해당 셀로 전환함으로써, 첫 번째 셀에만 연결될 수 있는 다른 사용자들을 위한 용량을 확보한다.
 비-CDMA 네트워크에서 전화기가 사용하는 채널이 다른 셀에서 동일한 채널을 사용하는 다른 전화기에 의해 간섭을 받을 때, 간섭을 피하기 위해 통화를 동일 셀 내의 다른 채널이나 다른 셀의 채널로 전환한다.
 역시 비-CDMA 네트워크에서 사용자 행동이 변할 때, 예를 들어 커다란 엄브렐러 셀(umbrella-type cell)에 연결되어 빠르게 이동하던 사용자가 멈추면, 엄브렐러 셀의 용량을 다른 고속 이동 사용자들을 위해 비워두고 다른 셀이나 사용자에 대한 잠재적 간섭을 줄이기 위해 통화를 더 작은 매크로 셀이나 마이크로 셀로 전환할 수 있다. (사용자가 특정 임계값보다 빠르게 이동하는 것이 감지될 때 이동으로 인한 핸드오버 빈도를 최소화하기 위해 통화를 더 큰 엄브렐러 셀로 전환하는 역방향 과정도 작동한다.)
 CDMA 네트워크에서는 전화기가 현재 셀과 여전히 우수한 연결 상태를 유지하고 있더라도 "근원거리" 효과로 인해 인접한 작은 셀에 대한 간섭을 줄이기 위해 핸드오버(아래 참조)가 유도될 수 있다.

가장 기본적인 형태의 핸드오버는 진행 중인 휴대 전화 전화 통화가 현재의 기지국(소스라 함)에서 새로운 셀(타겟이라 함)로 재지정되는 경우이다.Guowang Miao, Jens Zander, Ki Won Sung, and Ben Slimane, Fundamentals of Mobile Data Networks, Cambridge University Press, , 2016. 지상 네트워크에서 소스 및 타겟 셀은 서로 다른 두 기지국에서 서비스되거나 동일한 기지국에서 서비스될 수 있다. (후자의 경우 두 셀은 보통 해당 기지국의 두 섹터라고 불린다.) 소스와 타겟이 서로 다른 셀인 핸드오버는 (비록 동일한 기지국에 있더라도) 셀 간(inter-cell) 핸드오버라고 한다. 셀 간 핸드오버의 목적은 가입자가 소스 셀의 범위를 벗어나 타겟 셀의 범위로 들어갈 때 통화를 유지하는 것이다.

소스와 타겟이 동일한 셀이며 핸드오버 중에 사용 채널만 변경되는 특수한 경우도 가능하다. 셀이 변경되지 않는 이러한 핸드오버를 셀 내(intra-cell) 핸드오버라고 한다. 셀 내 핸드오버의 목적은 간섭이나 페이딩이 발생하는 채널을 더 깨끗하거나 페이딩이 적은 새로운 채널로 바꾸는 것이다.

 유형 
위의 셀 간 및 셀 내 핸드오버 분류 외에도 핸드오버는 하드 핸드오버와 소프트 핸드오버로 나눌 수 있다.Guowang Miao, Jens Zander, Ki Won Sung, and Ben Slimane, Fundamentals of Mobile Data Networks, Cambridge University Press, , 2016.
 하드 핸드오버(Hard handover) 소스 셀의 채널을 해제한 '후에만' 타겟 셀의 채널을 점유하는 방식이다. 따라서 타겟에 연결되기 전이나 연결되는 '동시에' 소스와의 연결이 끊어지며, 이러한 이유로 'break-before-make'(끊고 연결하기)라고도 한다. 하드 핸드오버는 통화 중단을 최소화하기 위해 순간적으로 이루어지도록 설계된다. 네트워크 엔지니어들에게 하드 핸드오버는 통화 중 발생하는 하나의 이벤트로 인식된다. 이는 서비스를 제공하는 네트워크에서 가장 적은 처리를 요구한다. 단말기가 기지국 사이에 있을 때 어느 기지국으로든 전환될 수 있으므로, 기지국들이 단말기와의 링크를 앞뒤로 주고받는 현상이 발생할 수 있는데, 이를 '핑퐁'(ping-ponging) 현상이라고 한다.
 소프트 핸드오버(Soft handover) 소스 셀의 채널을 유지하면서 타겟 셀의 채널과 일정 시간 동안 병렬로 사용하는 방식이다. 이 경우 소스와의 연결이 끊어지기 전에 타겟과의 연결이 수립되므로 'make-before-break'(연결하고 끊기)라고 불린다. 두 연결이 병렬로 사용되는 간격은 짧을 수도 있고 상당할 수도 있다. 이러한 이유로 네트워크 엔지니어들은 소프트 핸드오버를 짧은 이벤트가 아닌 통화의 한 '상태'로 인식한다. 소프트 핸드오버는 두 개 이상의 셀에 대한 연결을 포함할 수 있으며, 한 전화기가 동시에 3개, 4개 또는 그 이상의 셀에 대한 연결을 유지할 수 있다. 통화가 소프트 핸드오버 상태일 때, 특정 순간에 사용 중인 모든 채널 중 가장 좋은 신호를 통화에 사용하거나, 모든 신호를 결합하여 더 선명한 신호 복사본을 생성할 수 있다. 후자가 더 유리하며, 이러한 결합이 다운링크(순방향 링크)와 업링크(역방향 링크) 모두에서 수행될 때 이 핸드오버를 소프터(softer) 핸드오버라고 한다. 소프터 핸드오버는 핸드오버에 관여하는 셀들이 단일 기지국 사이트에 속할 때 가능하다.

핸드오버는 사용되는 핸드오버 기술에 따라 분류될 수도 있다. 크게 세 가지 유형으로 나뉜다.
 네트워크 제어 핸드오버 (Network controlled handover)
 단말 보조 핸드오버 (Mobile phone assisted handover)
 단말 제어 핸드오버 (Mobile controlled handover)

 비교 
하드 핸드오버의 장점은 어느 시점에서도 하나의 통화가 하나의 채널만을 사용한다는 점이다. 하드 핸드오버 이벤트는 실제로 매우 짧으며 대개 사용자가 인지하지 못한다. 오래된 아날로그 전송 시스템에서는 클릭음이나 아주 짧은 비프음으로 들릴 수 있었으나, 디지털 시스템에서는 알아차리기 어렵다. 하드 핸드오버의 또 다른 장점은 전화기의 하드웨어가 두 개 이상의 채널을 병렬로 수신할 능력을 갖출 필요가 없어 가격이 저렴하고 단순해진다는 것이다. 단점은 핸드오버가 실패할 경우 통화가 일시적으로 중단되거나 비정상적으로 종료될 수 있다는 점이다. 하드 핸드오버를 사용하는 기술들은 대개 타겟 셀에 연결할 수 없을 경우 소스 셀로의 연결을 재수립할 수 있는 절차를 가지고 있다. 그러나 이 연결 재수립이 항상 가능한 것은 아니며(이 경우 통화가 종료됨), 가능하더라도 절차 중에 일시적인 통화 중단이 발생할 수 있다.

소프트 핸드오버의 장점 중 하나는 타겟 셀과의 안정적인 연결이 수립된 후에만 소스 셀과의 연결을 끊기 때문에 핸드오버 실패로 인해 통화가 비정상적으로 종료될 가능성이 낮다는 것이다. 그러나 훨씬 더 큰 장점은 여러 셀의 채널이 동시에 유지된다는 사실 그 자체에서 오며, 모든 채널이 동시에 간섭을 받거나 페이딩이 발생해야만 통화가 실패하게 된다. 서로 다른 채널에서의 페이딩과 간섭은 서로 연관성이 없으므로 모든 채널에서 동시에 발생할 확률은 매우 낮다. 따라서 통화가 소프트 핸드오버 상태일 때 연결의 신뢰성이 높아진다. 셀룰러 네트워크에서 대부분의 핸드오버는 채널 간섭이나 페이딩으로 인해 통화가 불안정해지기 쉬운 커버리지 취약 지역에서 발생하므로, 소프트 핸드오버는 단일 채널의 간섭이나 페이딩을 치명적이지 않게 만듦으로써 이러한 지역에서의 통화 신뢰성을 크게 향상시킨다. 이 장점은 여러 채널을 병렬로 처리할 수 있어야 하는 전화기의 더 복잡한 하드웨어 비용을 대가로 한다. 소프트 핸드오버의 또 다른 비용은 단 한 건의 통화를 지원하기 위해 네트워크에서 여러 채널을 사용한다는 점이다. 이는 남은 유휴 채널의 수를 줄여 네트워크 용량을 감소시킨다. 네트워크 엔지니어들은 소프트 핸드오버의 지속 시간과 발생 영역의 크기를 조정함으로써 추가적인 통화 신뢰성의 이점과 용량 감소의 비용 사이에서 균형을 맞출 수 있다.

 가능성 
이론적으로 소프트 핸드오버는 아날로그나 디지털에 관계없이 모든 기술에서 가능하지만, 아날로그 기술에서 이를 구현하는 비용은 엄두를 내지 못할 정도로 높았으며, 과거 상업적으로 성공했던 기술들(예: AMPS, TACS, NMT 등) 중 이 기능을 갖춘 것은 없었다. 디지털 기술 중에서 FDMA 기반 기술 역시 (다수의 병렬 무선 주파수 모듈이 필요하기 때문에) 전화기 비용이 높아지며, TDMA나 TDMA/FDMA 결합 방식은 원칙적으로 소프트 핸드오버를 그리 비싸지 않게 구현할 수 있게 해준다. 그러나 2세대 이동 통신(2G) 기술(예: GSM, D-AMPS/IS-136 등) 중 이 기능을 갖춘 것은 없다. 반면 모든 CDMA 기반 기술(2G 및 3G)은 소프트 핸드오버 기능을 갖추고 있다. 한편으로 이는 CDMA를 위한 소프트 핸드오버 지원 하드웨어를 그리 비싸지 않게 설계할 수 있다는 가능성 덕분이며, 다른 한편으로는 소프트 핸드오버 없이는 소위 근원거리 문제로 인해 발생하는 상당한 간섭을 CDMA 네트워크가 겪을 수 있기 때문에 필연적인 선택이기도 했다.

FDMA 또는 TDMA/FDMA 결합 방식에 기반한 모든 현재의 상용 기술(예: GSM, AMPS, IS-136/DAMPS 등)에서 하드 핸드오버 중 채널을 변경하는 것은 사용되는 송수신 주파수 쌍을 변경함으로써 실현된다.

 구현 
셀룰러 네트워크에서 핸드오버를 실제로 구현하기 위해, 각 셀에는 해당 소스 셀에서 통화를 넘겨줄 수 있는 잠재적 타겟 셀 목록이 할당된다. 이러한 잠재적 타겟 셀들을 인접 셀(neighbor)이라 하며, 그 목록을 인접 셀 목록(neighbor list)이라고 한다. 특정 셀에 대해 이러한 목록을 만드는 것은 사소한 일이 아니며 전문적인 컴퓨터 도구가 사용된다. 이 도구들은 다양한 알고리즘을 구현하며 현장 측정 데이터나 셀이 덮는 지역의 전파 전파(propagation)에 대한 컴퓨터 예측값을 입력 데이터로 사용할 수 있다.

통화 중에 핸드오버가 필요한 시점을 결정하기 위해 소스 셀 채널 신호의 하나 이상의 파라미터를 모니터링하고 평가한다. 다운링크(순방향 링크) 및 업링크(역방향 링크) 방향을 모니터링할 수 있다. 핸드오버는 전화기나 소스 셀의 기지국(BTS)에 의해 요청될 수 있으며, 일부 시스템에서는 인접 셀의 BTS에 의해 요청될 수도 있다. 전화기와 인접 셀의 BTS들은 서로의 신호를 모니터링하고 인접 셀들 중에서 가장 좋은 타겟 후보를 선택한다. 주로 CDMA에 기반한 일부 시스템에서는 인접 셀 목록에 없는 셀 중에서 타겟 후보를 선택할 수도 있다. 이는 앞서 언급한 근원거리 효과로 인한 간섭 가능성을 줄이기 위한 노력의 일환이다.

아날로그 시스템에서 하드 핸드오버 요청의 기준으로 사용되는 파라미터는 보통 수신 신호 강도와 수신 신호 대 잡음비이다 (후자는 아날로그 시스템에서 송신기 측의 음성 주파수 대역 바로 바깥에 추가적인 톤을 삽입하고 수신기 측에서 이 톤의 형태를 평가함으로써 추정할 수 있다). 비-CDMA 2G 디지털 시스템에서 하드 핸드오버 요청 기준은 수신 신호 강도, 비트 오류율(BER), 블록 오류율(BLER), 수신 음성 품질(Rxqual), 전화기와 BTS 사이의 거리(무선 신호의 전달 지연으로 추정) 등에 근거할 수 있다. 2G 및 3G CDMA 시스템에서 핸드오버 요청을 위한 가장 일반적인 기준은 파일럿 채널(CPICH)에서 측정된 Ec/Io 비율 및 RSCP이다.

CDMA 시스템에서 소프트 또는 소프터 핸드오버 상태의 전화기가 여러 셀에 동시에 연결되어 있을 때, 레이크 수신기를 사용하여 병렬로 수신된 신호들을 처리한다. 각 신호는 레이크 핑거(rake finger)라고 불리는 모듈에 의해 처리된다. 휴대 전화의 일반적인 레이크 수신기 설계에는 소프트 핸드오버 상태에서 여러 셀의 신호를 처리하기 위한 3개 이상의 레이크 핑거와 다른 셀의 신호를 탐색하기 위한 추가적인 핑거 하나가 포함된다. 소프트 핸드오버 중에 신호가 사용되는 셀들의 집합을 액티브 세트(active set)라고 한다. 탐색 핑거가 새로운 셀로부터 충분히 강한 신호(높은 Ec/Io 또는 RSCP 측면에서)를 찾으면 해당 셀이 액티브 세트에 추가된다. 인접 셀 목록(CDMA에서는 네이버 세트라고 함)에 있는 셀들은 나머지 셀들보다 더 자주 확인되므로 인접 셀과의 핸드오버 가능성이 더 높지만, (GSM, IS-136/DAMPS, AMPS, NMT 등과 달리) 인접 셀 목록 이외의 셀과의 핸드오버도 허용된다.

 실패 원인 
핸드오프가 성공하지 못하는 경우가 발생한다. 이 문제에 대해 많은 연구가 이루어졌다. 문제의 원인은 1980년대 후반에 발견되었다. 인접한 셀에서는 주파수를 재사용할 수 없기 때문에 사용자가 한 셀에서 다른 셀로 이동할 때 통화를 위해 새로운 주파수가 할당되어야 한다. 사용 가능한 모든 채널이 사용 중인 셀로 사용자가 이동하면 해당 사용자의 통화는 종료되어야 한다. 또한 인접한 셀들이 서로를 압도하여 수신기 감도 저하를 초래하는 신호 간섭 문제도 존재한다.

 수직적 핸드오버 

한 접속 기술에서 다른 기술로 통화 연결이 이전되는 기술 간(inter-technology) 핸드오버도 존재한다. 예를 들어 GSM에서 UMTS로, 또는 CDMA IS-95에서 CDMA2000으로 통화가 전환되는 경우이다.

3GPP UMA/GAN 표준은 GSM/UMTS와 와이파이 간의 핸드오프를 가능하게 한다.

 핸드오프 우선순위 지정 
시스템마다 핸드오프 요청을 처리하고 관리하는 방식이 다르다. 일부 시스템은 핸드오프를 신규 발신 통화와 동일한 방식으로 처리한다. 이러한 시스템에서 핸드오프가 서비스되지 않을 확률은 신규 발신 통화의 차단 확률과 동일하다. 그러나 대화 도중에 통화가 갑자기 끊기는 것은 신규 통화가 차단되는 것보다 더 불쾌한 일이다. 따라서 진행 중인 통화의 갑작스러운 종료를 피하기 위해 핸드오프 요청에 신규 통화보다 우선순위를 부여해야 하는데, 이를 핸드오프 우선순위 지정이라고 한다.

여기에는 두 가지 기술이 있다.
 보호 채널 개념 (Guard Channel Concept) 이 기술에서는 셀의 전체 가용한 채널 중 일부를 해당 셀로 핸드오프될 수 있는 진행 중인 통화의 핸드오프 요청 전용으로 예약해 둔다.
 큐잉 (Queuing) 수신 신호 레벨이 핸드오프 임계값 아래로 떨어지는 시점과 신호 레벨 부족으로 통화가 종료되는 시점 사이에 유한한 시간 간격이 있기 때문에 핸드오프의 큐잉(대기열 처리)이 가능하다. 지연 시간의 크기는 특정 서비스 지역의 트래픽 패턴에 의해 결정된다.

 시스템 간 및 시스템 내 핸드오프 
 시스템 간 핸드오프 (Inter System Handoff)
 진행 중인 통화 중에 단말기가 서로 다른 MTSO(이동 전화 교환국)에 의해 제어되는 한 셀룰러 시스템에서 다른 시스템으로 이동할 때, 통화 단절을 피하기 위해 사용되는 핸드오버 절차를 시스템 간 핸드오프라고 한다.
 MTSO가 이 핸드오프 시스템에 관여한다. 주어진 셀에서 모바일 신호가 약해지고 MTSO가 자신의 시스템 내에서 통화를 넘겨줄 다른 셀을 찾을 수 없을 때 시스템 간 핸드오프를 사용한다.
 시스템 간 핸드오프를 구현하기 전에 MTSO 호환성을 확인해야 하며, 시스템 간 핸드오프 시 지역 통화가 장거리 통화가 될 수도 있다.

 시스템 내 핸드오프 (Intra System Handoff)
 진행 중인 통화 중에 단말기가 동일한 MTSO에 의해 제어되는 인접한 셀룰러 시스템으로 이동할 때, 통화 단절을 피하기 위해 사용되는 핸드오버 절차를 시스템 내 핸드오프라고 한다.
 MTSO가 이 핸드오프 시스템에 관여한다. 주어진 셀에서 모바일 신호가 약해지고 MTSO가 자신의 시스템 내에서 통화를 넘겨줄 수 있는 다른 셀을 찾으면 시스템 내 핸드오프를 사용한다.
 시스템 내 핸드오프에서는 핸드오프 후에도 동일한 MTSO가 통화를 처리하므로 지역 통화는 항상 지역 통화로 유지된다.

 같이 보기 
 셀 (이동 통신)
 로밍
 이동성 관리

 각주 

 외부 링크 
 : Cellular Mobile Communication System — Amos Edward Joel (Bell Labs), filed December 21, 1970, issued May 16, 1972

분류:모바일 기술