소프트 핸드오버

소프트 핸드오버는 이동 통신 시스템에서 단말기가 서비스 지역을 이동할 때, 새로운 기지국과의 연결이 확립된 후에 기존 기지국과의 연결을 끊는 방식의 핸드오버이다. 이는 연결을 먼저 끊고 새로 연결하는 하드 핸드오버와 대비되는 핵심적인 핸드오버 방식이다. 주로 CDMA 기반의 2G 및 3G 네트워크에서 채택되었으며, 통화 중단 없이 원활한 구간 이동을 가능하게 하는 핵심 기술로 평가받는다.

이 기술의 기본 원리는 단말기가 일정 시간 동안 두 개 이상의 기지국(또는 섹터)과 동시에 통신하는 것이다. 단말기가 핸드오버가 필요한 경계 지역에 진입하면, 주변 기지국들에 대한 신호 품질을 측정하고 네트워크에 보고한다. 네트워크는 이 정보를 바탕으로 적절한 기지국을 추가로 연결하여 '활성 세트'를 구성한다. 단말기는 이 활성 세트에 포함된 모든 기지국과 동시에 신호를 주고받으며, 네트워크 측에서 이 신호들을 결합하거나 선택하여 통화 품질을 최적화한다.

소프트 핸드오버는 통화 끊김 현상을 최소화하고 페이딩 등 무선 환경 변화에 강인한 연결을 제공한다는 점에서 큰 장점을 가진다. 그러나 단말기와 네트워크 모두에 복잡한 처리 부담을 주며, 동시에 여러 자원을 점유함으로써 시스템 전체 용량에 영향을 미칠 수 있다는 과제도 존재한다. 이후 등장한 LTE와 5G NR 기술은 주로 하드 핸드오버 방식을 기반으로 하여, 소프트 핸드오버의 장점을 다른 형태로 구현하고 있다.

소프트 핸드오버의 핵심 개념은 이동 단말기가 기지국 간 전환 과정에서 통신 연결이 단절되지 않고 유지된다는 점이다. 이는 하드 핸드오버와 구분되는 가장 중요한 특징이다. 핸드오버가 발생하는 동안 단말기는 적어도 하나의 기지국과 항상 연결을 유지하며, 이를 통해 통화 중 끊김 없이 원활한 서비스를 제공한다.

구체적인 원리는 '이중 연결 구간'의 생성에 있다. 단말기가 한 기지국의 커버리지 경계에 접근하면, 인접한 새로운 기지국과도 동시에 연결을 설정한다. 이 시점부터 단말기는 두 개 이상의 기지국과 동시에 통신하는 상태가 된다. 이 구간 동안 단말기는 여러 경로를 통해 동일한 신호를 수신하거나 전송할 수 있으며, 네트워크는 이 신호들을 결합하거나 비교하여 최적의 통신 품질을 유지한다.

이러한 동시 연결은 통신의 신뢰성을 크게 높인다. 신호의 페이딩이나 간섭으로 인해 한 경로의 품질이 저하되더라도 다른 경로를 통해 데이터나 음성 신호를 안정적으로 주고받을 수 있다. 결과적으로 핸드오버 과정에서의 통화 끊김 확률이 현저히 낮아지고, 전체적인 서비스 품질이 향상된다.

소프트 핸드오버는 주로 CDMA 기반의 이동 통신 기술에서 그 원리가 구현되었다. CDMA의 특성상 모든 셀이 동일한 주파수를 사용하기 때문에, 단말기가 주파수 재동조 없이 여러 기지국과 동시에 통신하는 것이 가능해진다. 이 원리는 이후 발전된 기술에서도 연결의 무결성을 보장하는 중요한 개념으로 계승되었다.

하드 핸드오버는 기존의 연결을 먼저 끊은 후 새로운 연결을 설정하는 방식이다. 이는 GSM과 같은 초기 셀룰러 네트워크에서 주로 사용되었다. 사용자 장비는 한 순간에 하나의 기지국과만 통신하며, 기존 링크가 해제되면 잠시 통신이 끊긴 후 새로운 기지국으로 전환된다. 이로 인해 통화 끊김 현상이 발생할 가능성이 있으며, 핸드오버 실패 시 통신이 완전히 중단될 수 있다.

반면, 소프트 핸드오버는 새로운 연결을 먼저 확립한 후 기존 연결을 해제하는 방식이다. 사용자 장비는 핸드오버 구간 동안 두 개 이상의 기지국과 동시에 통신하여 무중단 서비스를 보장한다. 이 방식은 주로 CDMA 기술을 기반으로 하는 네트워크에서 구현되었으며, 핸드오버 실패 리스크를 줄이고 통화 품질을 유지하는 데 유리하다.

두 방식의 주요 차이점을 표로 정리하면 다음과 같다.

결론적으로, 하드 핸드오버는 구현이 비교적 단순하고 자원 사용이 효율적이지만 서비스 중단 가능성이 있는 반면, 소프트 핸드오버는 더 높은 연결 안정성과 품질을 제공하는 대신 네트워크 자원과 제어 복잡성을 더 많이 요구한다. 현대의 LTE와 5G NR 네트워크에서는 소프트 핸드오버의 개념이 발전하여 보다 유연한 방식의 핸드오버 절차로 진화하였다.

소프트 핸드오버는 특정 무선 접속 기술의 핵심 기능으로 발전했으며, 주로 CDMA 기반의 이동 통신 시스템에서 구현되었다. 이 기술은 CDMA의 확산 대역 특성, 즉 모든 셀이 동일한 주파수를 사용한다는 점 덕분에 가능해졌다. 단말기는 동일 주파수의 여러 기지국 신호를 동시에 수신하고 처리할 수 있으며, 이는 소프트 핸드오버의 기본 전제 조건이다. 대표적인 적용 사례로는 cdmaOne(IS-95)과 CDMA2000 표준, 그리고 와이브로(WiBro)가 있다.

WCDMA를 기반으로 하는 UMTS(3G) 시스템 또한 소프트 핸드오버를 핵심 기능으로 채택했다. UMTS에서는 주파수 내 핸드오버의 주요 형태로 활성화되었다. 이 시스템에서 단말기는 인접 기지국들의 신호 품질을 지속적으로 측정하고, RNC가 이러한 보고를 바탕으로 추가적인 무선 링크를 추가하거나 제거하는 결정을 내린다.

LTE(4G)로 진화하면서 네트워크 아키텍처가 CDMA에서 OFDMA 기반으로 전환되고, 제어 기능이 RNC에서 eNodeB로 분산되면서, 전통적인 의미의 소프트 핸드오버는 더 이상 사용되지 않는다. 대신 LTE는 무선 링크 실패를 최소화하기 위한 빠른 기지국 간 전환 메커니즘으로 하드 핸드오버를 사용한다. 5G NR 또한 유사한 접근 방식을 따르며, 초고신뢰 저지연 통신을 위해 보다 빠르고 효율적인 핸드오버 절차에 중점을 둔다. 따라서 소프트 핸드오버는 특정 무선 기술(CDMA/WCDMA)과 그 표준에 국한된 역사적이면서도 중요한 핸드오버 기법이다.

소프트 핸드오버 절차는 일반적으로 측정 및 보고, 결정 및 실행, 완료 및 정리라는 세 가지 주요 단계로 구성된다. 이 과정은 이중 연결 구간을 통해 서비스의 연속성을 보장한다.

첫 번째 단계는 측정 및 보고이다. 이동 단말기는 주변 기지국들의 신호 강도와 품질을 지속적으로 측정한다. 측정된 정보는 주로 핸드오버를 관리하는 현재 서비스 기지국으로 보고된다. 보고 기준은 사전에 설정된 임계값이나 네트워크 정책에 따라 결정된다.

두 번째 단계는 결정 및 실행이다. 서비스 기지국이나 상위 망 관리 장치는 단말기의 보고를 바탕으로 핸드오버 필요성을 판단한다. 적절한 대상 기지국을 선정한 후, 단말기와 대상 기지국 모두에게 새로운 무선 연결을 설정하도록 명령한다. 이 시점부터 단말기는 최소 두 개의 기지국과 동시에 연결된 상태, 즉 소프트 핸드오버 활성 세트를 유지한다.

마지막 단계는 완료 및 정리이다. 단말기가 새로운 기지국으로부터 안정적인 서비스를 받게 되면, 네트워크는 더 이상 필요하지 않은 예전 기지국과의 연결을 해제하도록 지시한다. 이로써 이중 연결 구간이 종료되고, 사용된 무선 자원이 시스템에 반환된다. 전체 절차는 사용자가 인지하지 못할 만큼 빠르게 이루어져 통화 중단 없이 기지국 간 이동이 완료된다.

소프트 핸드오버의 가장 큰 장점은 통화 중단 없이 원활한 이동이 가능하다는 점이다. 사용자는 핸드오버 과정을 전혀 인지하지 못한 채 서비스 지역을 이동할 수 있으며, 이는 음성 통화나 실시간 데이터 세션의 품질을 유지하는 데 결정적이다. 특히 CDMA와 같은 기술에서 이 특징은 핵심적인 강점으로 작용했다.

네트워크 측면에서 볼 때, 이중 연결 구간을 통한 다이버시티 이득은 통신 품질과 안정성을 크게 향상시킨다. 단일 기지국에 연결된 상태에서 발생할 수 있는 신호 감쇠나 간섭을, 동시에 두 개 이상의 기지국과 연결함으로써 상쇄할 수 있다. 이는 통화 품질을 개선하고, 핸드오버 실패 확률을 줄이며, 결과적으로 네트워크의 전반적인 용량과 효율성을 높이는 효과를 낳는다.

다음 표는 소프트 핸드오버의 주요 이점을 정리한 것이다.

또한, 핸드오버 결정이 더 유연하고 정확하게 이루질 수 있다는 점도 장점이다. 기지국 제어 방식에서 네트워크는 두 개 이상의 기지국으로부터 지속적인 측정 보고를 받아 최적의 시점에 핸드오버를 수행할 수 있다. 이는 급격한 신호 강하로 인한 불필요한 핸드오버나 핸드오버 실수를 줄여 네트워크 부하를 경감시킨다.

소프트 핸드오버는 무선 통신에서 음성 끊김을 최소화하고 연결 안정성을 높이는 중요한 기술이지만, 몇 가지 명확한 단점과 해결해야 할 과제를 안고 있다.

가장 큰 단점은 네트워크 자원의 비효율적인 사용이다. 핸드오버 구간 동안 단말기는 동시에 두 개 이상의 기지국과 연결을 유지하며, 이는 무선 자원(예: 주파수 채널, W-CDMA의 경우 확산 코드)을 추가로 점유함을 의미한다. 이는 네트워크 용량을 감소시키고, 특히 사용자 밀도가 높은 도심 지역에서 전체 시스템의 수용 인원을 제한하는 요인이 된다. 또한, 단말기와 여러 기지국 간의 신호를 처리하고 결합하는 데 필요한 복잡한 제어 신호 교환은 네트워크 측의 처리 부하와 신호 오버헤드를 증가시킨다.

기술적 복잡성과 비용 증가도 주요 과제이다. 소프트 핸드오버를 지원하려면 단말기가 여러 신호를 동시에 수신 및 처리할 수 있는 능력(예: 레이크 수신기)을 갖춰야 하며, 네트워크 측에도 신호를 결합하고 분배하는 별도의 하드웨어(예: 선택기 결합기)가 필요하다. 이는 단말기와 네트워크 인프라의 설계를 복잡하게 만들고 제조 비용을 상승시킨다. 또한, 핸드오버 구간이 길어질수록 단말기의 배터리 소모가 더 빠르게 진행될 수 있다는 점도 실용적인 문제로 지적된다.

향후 5G 및 6G와 같은 초고속, 저지연 네트워크 환경에서는 소프트 핸드오버의 전통적인 구현 방식이 새로운 도전에 직면한다. 매우 높은 대역폭과 엄격한 지연 시간 요구사항을 가진 서비스에서는 다중 경로 신호의 동기화와 결합 처리에 따른 지연이 허용 범위를 초과할 수 있다. 따라서, 보다 지능적이고 효율적인 핸드오버 알고리즘 개발, NFV 및 SDN 기술을 활용한 제어 구조의 혁신, 그리고 초연결 환경에서의 최적의 자원 관리 전략 수립이 지속적인 연구 과제로 남아 있다.

5G 네트워크의 본격적 상용화와 6G 연구가 시작되면서, 소프트 핸드오버의 개념과 구현 방식은 새로운 통신 환경에 맞게 진화하고 있다. 향후 발전 방향은 주로 초연결 환경에서의 효율성 극대화, 에너지 소비 최적화, 그리고 보다 다양한 서비스 요구사항에 대한 지원에 초점을 맞추고 있다.

한 가지 중요한 트렌드는 네트워크 기능의 가상화와 소프트웨어 정의 네트워킹 기술과의 결합이다. 이를 통해 핸드오버 정책의 결정과 실행이 중앙집중식 컨트롤러에서 소프트웨어적으로 유연하게 관리될 수 있다[3]. 이는 네트워크 상태, 트래픽 부하, 서비스 유형에 따라 실시간으로 최적의 핸드오버 파라미터를 동적으로 조정하는 지능형 핸드오버로 이어진다. 또한, 인공지능과 머신러닝을 활용하여 사용자의 이동 패턴을 예측하고, 핸드오버 발생 가능성을 사전에 판단하여 네트워크 자원을 선제적으로 준비하는 예측형 핸드오버 기술이 주목받고 있다.

다른 발전 축은 초고신뢰 저지연 통신과 대규모 사물인터넷 같은 새로운 서비스 요구에 대응하는 것이다. 자율주행차나 원격 수술과 같은 응용 분야에서는 단순한 연결 유지보다는 지연 시간과 연결 신뢰성이 훨씬 더 중요해진다. 따라서, 다중 연결을 활용하는 소프트 핸드오버의 원리는 유지하되, 보다 빠른 제어 주기와 예측 기반의 선제적 자원 할당으로 서비스 중단을 사실상 제로에 가깝게 만드는 기술이 연구되고 있다. 동시에, 수많은 저전력 IoT 기기를 효율적으로 지원하기 위해 불필요한 핸드오버 시도를 줄이고 신호 측정 부담을 최소화하는 경량화된 프로토콜도 필요하다.

전반적으로, 소프트 핸드오버의 기본 철학인 '연결 유지'와 '원활한 전환'은 유지되지만, 그 구현 방식은 더욱 지능화, 자동화, 서비스 맞춤형으로 발전할 전망이다. 이는 궁극적으로 사용자에게는 끊김 없는 경험을, 네트워크 운영자에게는 높은 자원 활용률과 운영 효율성을 제공하는 방향으로 나아간다.

• Wikipedia - 소프트 핸드오버

• Wikipedia - Handover

• ETRI - 이동통신 핸드오버 기술 동향

• 한국전자통신연구원 - 이동통신 시스템의 핸드오버 기법

• ScienceON - CDMA 이동통신 시스템에서의 소프트 핸드오버 성능 분석

• IEEE Xplore - A soft handover algorithm for CDMA cellular systems

• 통신표준시험인증원 - 이동통신 핸드오버