하드 핸드오버 (r1)

핸드오버는 이동 통신 시스템에서 단말기가 서비스 영역을 이동하면서 하나의 기지국(셀)에서 다른 기지국으로 연결을 이전하는 과정을 말한다. 핸드오버는 핸드오프라고도 불리며, 통화 중인 사용자가 이동하더라도 서비스의 지속성을 보장하는 핵심 기능이다. 이 과정은 네트워크가 단말기의 위치 변화를 감지하고, 무선 자원을 효율적으로 관리하며, 최적의 연결 상태를 유지하도록 한다.

핸드오버가 필요한 주요 이유는 다음과 같다. 첫째, 단말기가 현재 서빙 셀의 가장자리로 이동하면 신호 강도가 약해져 통화 품질이 저하되거나 연결이 끊길 수 있다. 인접 셀의 신호가 더 강력한 경우, 그 셀로 연결을 전환하여 양질의 서비스를 유지한다. 둘째, 네트워크 부하 분산을 위해 필요하다. 특정 셀에 너무 많은 사용자가 집중되면 혼잡이 발생하여 전체 성능이 떨어진다. 핸드오버를 통해 일부 사용자를 덜 혼잡한 인접 셀로 옮겨 트래픽을 균형 있게 분배한다. 셋째, 단말기가 네트워크 커버리지 영역 내에서 자유롭게 이동할 수 있는 이동성을 보장한다.

핸드오버는 크게 네트워크 제어 핸드오버와 단말기 제어 핸드오버로 구분될 수 있으며, 실행 방식에 따라 하드 핸드오버와 소프트 핸드오버로 나뉜다. 모든 핸드오버 절차의 궁극적인 목표는 사용자가 인지하지 못할 정도로 원활하게 연결을 전환하여, 끊김 없는 통신 서비스를 제공하는 데 있다.

소프트 핸드오버는 이동 단말기가 새로운 기지국과의 연결을 먼저 확립한 후, 기존 기지국과의 연결을 끊는 방식이다. 이는 'Make-Before-Break' 방식으로, 통화나 데이터 세션이 단절되는 순간 없이 원활한 전환이 이루어진다. 반면, 하드 핸드오버는 'Break-Before-Make' 방식으로, 기존 연결을 먼저 끊고 난 뒤 새로운 연결을 설정한다. 이 근본적인 차이는 통화 품질, 네트워크 자원 사용, 구현 복잡도에 큰 영향을 미친다.

두 방식의 주요 차이점은 다음과 같이 표로 정리할 수 있다.

소프트 핸드오버는 핸드오버 구간에서 단말기가 두 개 이상의 기지국(또는 섹터)과 동시에 통신하여 무선 링크의 다이버시티 이득을 얻는다. 이로 인해 통화 품질이 향상되고 핸드오버 실패율이 낮아진다. 그러나 여러 기지국에 동시에 신호를 전송하고 처리해야 하므로 무선 자원과 네트워크 자원을 더 많이 소모한다. 하드 핸드오버는 구현이 비교적 단순하고 자원 사용이 효율적이지만, 연결 전환 시 발생하는 짧은 지연으로 인해 통화가 끊어질 수 있는 위험이 존재한다.

하드 핸드오버에서의 연결 재설립 과정은 기존 무선 채널 연결을 먼저 끊은 후 새로운 기지국과의 연결을 새로 설정하는 방식으로 진행된다. 이 과정은 일반적으로 '연결(Break) 후 재연결(Make)' 시퀀스로 특징지어진다.

구체적인 과정은 다음과 같다. 먼저, 이동 단말기(단말기)는 주변 기지국의 신호 강도를 지속적으로 측정한다. 현재 서비스 중인 기지국의 신호가 특정 임계값 아래로 떨어지고, 인접 기지국의 신호가 더 강해지면 핸드오버 필요 조건이 충족된다. 이후 네트워크 제어기(예: BSC)의 결정에 따라, 단말기는 현재 기지국과의 모든 무선 자원 연결을 명시적으로 해제한다. 이 시점에서 통신은 일시적으로 완전히 중단된다. 해제 직후, 단말기는 네트워크가 지시한 새로운 대상 기지국으로 즉시 재접속을 시도하며, 새로운 무선 채널 설정, 인증, 암호화 동기화 등의 절차를 새롭게 수행하여 통신 연결을 재설립한다.

이 과정에서 발생하는 주요 단계와 관련 신호는 다음 표와 같다.

이러한 일련의 과정은 매우 짧은 시간 내에 이루어지도록 설계되었지만, 연결이 완전히 끊어지는 순간이 존재하기 때문에 통화 중 끊김 현상이 발생할 가능성을 내포한다. 재설립 과정의 성공률과 속도는 네트워크 설계 및 단말기 성능에 직접적인 영향을 받는다.

하드 핸드오버의 제어 신호 흐름은 기지국(Source eNB/NodeB/BTS)과 이동국(UE/MS), 그리고 대상 기지국(Target eNB/NodeB/BTS) 사이의 협조된 절차를 통해 이루어진다. 일반적인 흐름은 측정, 결정, 실행, 완료의 단계로 구분된다.

먼저, 이동국은 주변 기지국의 신호 강도(RSSI)와 품질(신호 대 잡음비)을 지속적으로 측정하여 서빙 기지국에 보고한다. 서빙 기지국은 이 측정 보고를 바탕으로 핸드오버 필요성을 판단한다. 결정이 내려지면, 서빙 기지국은 핸드오버 요청 메시지를 대상 기지국으로 전송하여 자원(예: 주파수, 시분할 슬롯) 사전 할당을 협상한다. 대상 기지국이 준비를 완료하면 확인 메시지가 서빙 기지국으로 회신된다.

이후 실행 단계에서 서빙 기지국은 이동국에게 핸드오버 명령을 하달한다. 이 명령에는 대상 기지국의 새로운 주파수, 타이밍, 임시 식별자 등의 정보가 포함된다. 이동국은 즉시 기존 링크를 끊고 새로운 무선 채널로 전환하여 대상 기지국과의 동기화 및 접속 절차를 시작한다. 성공적으로 접속이 완료되면 대상 기지국은 핸드오버 완료 메시지를 핵심망(Core Network)에 전송하여 경로를 갱신하고, 기존 서빙 기지국의 자원은 해제된다.

이러한 신호 흐름은 네트워크 제어 방식으로, 핸드오버의 시작과 종료를 기지국과 핵심망이 주도한다는 특징을 가진다. 신호 교환 과정에서 발생하는 지연은 통화 단절 시간에 직접적인 영향을 미친다.

하드 핸드오버의 가장 큰 장점은 네트워크 자원을 효율적으로 사용한다는 점이다. 기지국과 단말기 간에 하나의 무선 채널만을 점유하기 때문에, 소프트 핸드오버처럼 동시에 여러 기지국과 연결을 유지하며 추가적인 채널을 소모하지 않는다. 이는 주파수 대역과 네트워크 용량을 절약하는 데 유리하다.

구현의 단순성과 낮은 비용도 주요 장점으로 꼽힌다. 네트워크 측면에서 하드 핸드오버는 제어가 비교적 간단하며, 복잡한 동기화나 다중 연결 관리를 필요로 하지 않는다. 이는 기지국과 스위칭 센터의 처리 부담을 줄이고, 시스템 설계 및 유지보수 비용을 절감하는 효과를 가져온다.

또한, 하드 핸드오버는 인터-시스템 핸드오버나 서로 다른 통신 기술 간의 핸드오버를 수행하는 데 적합한 방식이다. 예를 들어, GSM 네트워크에서 UMTS 네트워크로 이동할 때처럼, 두 시스템이 완전히 다른 무선 접속 기술을 사용하는 경우 필수적으로 적용된다.

하드 핸드오버의 가장 큰 단점은 통화나 데이터 세션의 일시적 통화 단절 가능성이다. 기존 기지국과의 연결을 먼저 끊고 새로운 기지국과의 연결을 재설립하는 과정에서 짧은 순간의 연결 공백이 발생한다. 이 지연 시간은 일반적으로 수백 밀리초에 이르며, 사용자에게 불쾌한 경험을 줄 수 있다.

또한, 핸드오버 과정에서 제어 신호의 교환 실패나 새로운 셀의 자원 부족으로 인해 핸드오버 자체가 실패할 위험이 상대적으로 높다. 이 경우 통화가 완전히 끊어지는 드롭 콜이 발생할 수 있다. 이는 네트워크 신뢰성과 사용자 체감 품질에 부정적 영향을 미친다.

아래 표는 하드 핸드오버의 주요 단점을 요약한 것이다.

이러한 단점들로 인해, 음성 통화 중심의 2G GSM 시스템 이후 등장한 3G CDMA나 LTE 같은 데이터 중심 네트워크에서는 연결을 유지한 상태로 전환하는 소프트 핸드오버 또는 세미-소프트 핸드오버 방식이 더 선호된다.

GSM 시스템은 하드 핸드오버를 핵심 핸드오버 방식으로 채택한 대표적인 이동 통신 표준이다. GSM 네트워크에서 단말기는 한 번에 하나의 기지국(BTS)과만 무선 채널을 유지하며, 셀 간 이동 시에는 기존 연결을 먼저 끊고 새로운 연결을 수립하는 하드 핸드오버 절차를 필수적으로 수행한다.

이 과정은 네트워크 제어 방식으로 이루어진다. 단말기는 주변 기지국의 신호 강도를 지속적으로 측정하여 MSC(교환기)에 보고한다. MSC는 이 보고를 바탕으로 핸드오버 필요성을 판단하고, 대상 기지국에 자원을 할당한 후 단말기에 핸드오버 명령을 전송한다. 단말기는 이 명령을 받으면 즉시 기존 채널을 해제하고 지정된 새로운 채널로 전환하여 동기화 및 접속 절차를 완료한다.

GSM의 하드 핸드오버는 일반적으로 매우 짧은 통화 중단 시간(약 200ms 미만)을 목표로 설계되었다. 이를 위해 네트워크 측의 효율적인 제어와 빠른 자원 할당이 중요하게 작동한다. 표준화된 신호 프로토콜과 엄격한 타이밍 요구사항이 이 과정의 신뢰성을 보장하는 핵심 요소이다.

CDMA는 코드 분할 다중 접속 방식을 사용하는 이동 통신 기술로, 초기 구현에서는 주로 하드 핸드오버 방식을 채택했다. 특히 IS-95 표준을 기반으로 한 2세대 CDMA 네트워크에서 이 방식이 일반적이었다. 이는 당시 기술적 제약과 설계 선택에 기인한다.

초기 CDMA 시스템에서 하드 핸드오버는 이동 단말기가 현재 연결된 기지국과의 무선 링크를 먼저 끊은 후, 목표 기지국과의 새로운 링크를 확립하는 방식으로 진행되었다. 핵심 절차는 다음과 같다.

1. 이동 단말기가 핸드오버 필요성을 인지하고 측정 보고를 전송한다.

2. 기지국 또는 MSC(교환기)가 핸드오버를 결정하고 명령을 내린다.

3. 단말기는 현재 주파수 채널과 확산 코드를 사용한 기존 연결을 해제한다.

4. 단말기는 새 기지국이 할당한 다른 주파수 채널 또는 확산 코드로 빠르게 동기를 맞추고 새로운 접속 절차를 수행한다.

이 방식은 몇 가지 특징적인 도전 과제를 안고 있었다. 가장 큰 문제는 짧지만 불가피한 통화 단절 시간이 발생한다는 점이다. 또한, 새 채널로의 동기 재확립이 실패할 경우 통화가 완전히 끊길 위험이 상대적으로 높았다. 반면, 구현이 상대적으로 단순하고 네트워크 자원 관리 측면에서 효율적이라는 장점도 있었다.

이러한 초기 CDMA의 하드 핸드오버 방식은 이후 CDMA2000과 같은 3세대 진화 표준에서 보다 진보된 소프트 핸드오버 및 세미-소프트 핸드오버 기술로 대체되는 발전의 기초를 제공했다.

하드 핸드오버 과정에서 가장 두드러지는 문제는 통화 단절 가능성이 존재한다는 점이다. 이는 기존 기지국과의 연결이 완전히 끊어진 후에 새로운 기지국과의 연결이 설정되는 '연결 후 단절' 방식이기 때문에 발생한다.

전환 과정에서 발생할 수 있는 통화 단절의 주요 원인은 다음과 같다.

이러한 단절 가능성을 최소화하기 위해 네트워크는 핸드오버를 결정하기 전에 주변 기지국의 신호 강도와 품질을 지속적으로 측정하고, 여유 자원을 확인하는 등 사전 검증 절차를 거친다. 또한 핸드오버 실패 시 재시도 메커니즘을 갖추고 있다. 그러나 무선 채널의 변동성과 예측 불가능한 환경 요인으로 인해 통화 단절 위험은 완전히 제거되지 않으며, 이는 하드 핸드오버의 본질적인 한계로 남아 있다.

핸드오버 지연은 단말기가 한 기지국과의 연결을 끊고 새로운 기지국과의 연결을 완전히 확립할 때까지 걸리는 총 시간을 의미한다. 하드 핸드오버에서는 통화 경로가 순간적으로 완전히 전환되기 때문에, 이 전환 과정에서 발생하는 지연이 통화 품질에 직접적인 영향을 미친다. 지연은 주로 측정 보고, 핸드오버 명령 전송, 새로운 채널 획득 및 동기화, 그리고 연결 재설립에 필요한 일련의 제어 신호 교환 과정에서 발생한다.

지연의 주요 구성 요소는 다음과 같다.

이러한 지연은 통화 중 일시적인 무음 구간이나 매우 짧은 통화 단절로 인지될 수 있다. 지연 시간은 네트워크 부하, 무선 환경 조건, 단말기와 기지국의 처리 성능 등 다양한 요소에 의해 결정된다. 일반적으로 GSM 시스템에서의 하드 핸드오버 지연은 수백 밀리초(ms) 수준으로, 사용자가 미세한 끊김으로 느낄 수 있다[1]. 지연이 과도하게 길어지면 실제 통화 단절로 이어질 가능성이 높아진다.

GSM과 같은 초기 2세대 이동 통신 시스템에서 널리 사용되던 하드 핸드오버는 통화 단절과 품질 저하라는 본질적인 한계를 가지고 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 등장한 CDMA 기술은 소프트 핸드오버 방식을 도입하여 혁신을 가져왔다. 소프트 핸드오버에서는 단말기가 기지국 간 이동 시, 일시적으로 두 개 이상의 기지국(셀)과 동시에 연결을 유지한다. 이 '먼저 연결하고 나중에 끊는다'는 원칙은 핸드오버 구간에서도 끊김 없는 통화를 가능하게 하였다.

보다 진화된 형태인 세미-소프트 핸드오버는 소프트 핸드오버의 자원 사용 효율성을 개선한 방식이다. 소프트 핸드오버가 여러 기지국과 완전한 무선 채널 연결을 동시에 유지하는 반면, 세미-소프트 방식에서는 단말기가 타겟 기지국과의 연결을 먼저 설정하지만, 데이터 전송은 여전히 소스 기지국을 통해 이루어진다. 제어 신호의 연결만 먼저 확립한 후, 실제 데이터 경로를 순간적으로 전환하는 방식으로, 통화 단절 없이 자원 사용을 최소화하는 장점을 제공한다.

이러한 전환은 기술 진화의 흐름을 보여준다. 주요 적용 사례를 비교하면 다음과 같다.

결국, 3G 이동 통신으로의 진입과 함께 CDMA 기반 기술이 확산되면서, 네트워크 품질과 사용자 경험 향상을 위해 하드 핸드오버에서 소프트 및 세미-소프트 핸드오버로의 전환이 본격적으로 이루어졌다. 이는 핸드오버 과정에서의 서비스 연속성을 보장하는 데 있어 중요한 기술적 패러다임의 변화였다.

5G 네트워크는 초고속, 초저지연, 초연결을 목표로 하며, 이는 핸드오버 절차에 새로운 요구사항을 부과한다. 특히 URLLC와 같은 서비스는 통화 단절 없이 극히 짧은 지연 시간 내에 핸드오버가 완료되어야 한다. 또한 네트워크 슬라이싱에 따라 각 서비스 슬라이스는 서로 다른 핸드오버 정책과 성능 목표를 가질 수 있다. 예를 들어, 대용량 이동 통신 서비스와 자율 주행 차량용 저지연 서비스는 핸드오버 시 허용되는 지연과 신뢰성 수준이 다르게 관리된다.

차세대 네트워크에서는 전통적인 하드 핸드오버의 개념이 진화하고 있다. 5G NR은 듀얼 커넥티비티와 같은 기술을 통해 사용자 장비가 두 개의 기지국(예: LTE 앵커와 NR 보조)에 동시에 연결된 상태를 유지할 수 있게 한다. 이는 핸드오버 과정에서 데이터 흐름의 연속성을 크게 향상시킨다. 또한, 인공지능과 머신러닝을 활용한 예측형 핸드오버가 활발히 연구되고 있다. 사용자의 이동 경로, 트래픽 패턴, 네트워크 부하 상태를 실시간으로 분석하여 핸드오버의 필요성과 최적의 목표 셀을 사전에 예측하고 준비함으로써, 핸드오버 실패율과 지연 시간을 최소화하려는 시도이다.

결론적으로, 5G와 그 이후의 네트워크에서는 순수한 의미의 전통적 하드 핸드오버보다는, 데이터 경로의 빠른 전환과 다양한 서비스 품질 보장을 위한 보다 유연하고 지능화된 핸드오버 메커니즘이 중심이 된다. 핸드오버 절차는 네트워크 성능과 사용자 경험을 보장하는 핵심 요소로 남아있지만, 그 구현 방식은 네트워크 구조와 서비스의 진화에 맞춰 지속적으로 발전하고 있다.