1장. 전화망의 이해
1. 전화망의 이해
1876년 벨이 전기를 이용한 음성 통신을 처음 발명한 후 전화기와 전화망은 끊임없이 진화해왔습니다. PSTN (Public Switched Telephone Network)은 대형 회로 스위치형 네트워크로 가정과 기업의 전화기를 연결하는 거대한 전화 네트워크입니다. 우리나라에서 일반 가입자 선로를 유지하는 전화 통신 사업자는 KT와 SKBB이며, 한 때는 2,000만 명의 가입자가 사용했던 거대한 네트워크입니다. 지금은 인터넷 전화에 밀려서 가입자가 급감하였지만, 전화 시스템과 망을 이해하기 위해서는 전화망을 이해해야 합니다.
사람의 음성을 어떻게 멀리까지 전달할 수 있는 지를 알기 위해 우선은 전화선을 따라서 전화국까지 따라가 봅시다. 집에서 전화기를 사용하려면 통신 사업자에게 서비스 개통을 신청하고, 가까운 전자 상가에서 전화기를 구매합니다. RJ-11 커넥터로 연결된 전화선을 전화기에 연결하면, 전화기에서 "웅"하는 소리를 들을 수 있습니다. 그 소리는 전화기가 정상적으로 동작한다는 의미입니다. 그리고, 전화기에 전원을 연결하지 않아도 통화가 가능한 이유는 전화국에 비치된 전화 교환기가 전화선으로 전원을 공급하기 때문입니다.
집에서 전화 케이블을 따라 가보면 일정한 지역이나 구역별로 IDF (Intermediate Distribution Frame) 단자함을 만납니다. 단자함에서 다시 전화국의 지하실에 있는 MDF (Main Distribution Frame, 주 배선관)까지 이어집니다. 일반 빌딩은 각 층의 전화선들이 모인 층간 IDF 단자함에 모여서 지하에 있는 큰 단자함으로 연결됩니다. 큰 빌딩들은 지하실에 구내 통신실을 두고 MDF (Main Distribution Frame, 주 배선관)에 모든 전화선을 연결해 놓습니다. MDF에 모인 선들은 전화국의 전화 교환 시스템과 연결되어 전화기에서 전화서비스가 가능하게 됩니다.
<그림 1-1> 전화기와 전화 교환기의 연결도과거에는 전화선이 연결된 물리적 위치인 층이나 집의 주소와 일대일로 매칭 되는 선번장을 관리하는 것이 중요했습니다. 만일 선번장을 잃어버리면 수많은 선들이 어디로 연결되어 있는 지를 전혀 알지 못하게 됩니다. 그래서, MDF만을 관리하는 사람들이 전화 서비스에 대한 요청이 있을 때마다 수작업으로 전화기와 전화 교환 시스템을 연결하였습니다. 인터넷 전화가 일반화되기 전에 MDF 단자함과 전화 교환기를 연결하는 수작업을 전문용어로 "짬빠를 쏜다"라고 하였습니다.
전화국이나 빌딩의 구내 통신실에 있는 전화 교환 시스템은 여러 종류가 있습니다. 일반 가정에서는 바로 전화국으로 연결되고, 전화국에서 가입자를 수용하는 전화 교환 시스템을 지역 교환기, 가입자 선 교환기 또는 CO (Central Office)라고 합니다. 작은 빌딩은 키폰 시스템 (Key Phone System)을 설치하고, 큰 빌딩은 사설 교환기 (PBX, Private Branch Exchange)를 설치합니다. 전화 교환 시스템의 크기에 따라 부르는 이름이 다를 뿐 실제 하는 역할은 동일합니다. 얼마나 많은 가입자를 수용할 수 있는지에 데스크톱 컴퓨터만 한 것에서부터 큰 캐비닛이나 서랍장 만한 것까지 있습니다. 일반적으로 엔지니어들은 PBX를 연결하는 경우가 많으므로 전화 교환기를 PBX로 통칭합니다.
PBX는 크게 네 가지 부분으로 나눌 수 있습니다.
내선 카드 (Line Card)
내선 카드는 가입자 회선을 수용하는 역할을 하므로 전화기 또는 팩스에서 출발한 전화선이 직접 연결되는 카드입니다. 또한, 가입자의 전화번호를 가지고 있으므로 전화선을 잘못 연결하면 전화 번호가 바뀝니다. 가입자가 많을수록 더 많은 내선 카드를 실장해야 하므로 전화 교환기가 커집니다. 또한, 전화기에 전원을 공급합니다.
국선 카드 (Trunk Card)
국선 카드 또는 트렁크 카드는 PBX와 PBX를 연결하거나 PBX와 전화국과의 연결합니다. 회사에서 '9'번을 누르고 시내전화번호를 다이얼링 할 때, 바로 '9'번이 트렁크 카드에 있는 각 포트를 선택하게 합니다.
스위칭 (Switching) 및 제어부 (Contol)
PBX의 핵심 기능으로 전화기와 전화기를 연결합니다. 보통 내선번호는 보통 3자리 또는 4자리를 사용하므로 4자리만 누르면 스위칭 기능을 통해 전화가 연결됩니다. PBX를 벗어나 외부와 통신할 때는 사용자가 '9'번을 누르면 자동으로 트렁크 카드의 특정 포트로 호를 보냅니다. 그리고 지능적인 기능과 관리 기능이 포함되어 있습니다.
물리적으로 선로에 따라 가정에서 전화국까지 그리고 기업에서 전화국까지 따라가 보았습니다. 이제는
당신이 수화기를 들고 통화를 시도하는 과정을 생각해 봅시다. 전화기에서 전화번호를 누르면 전화 교환기가 전화번호를 인식하는 방식에 따라 DTMF (Dual Tone multifrequency)와 Pulse 방식으로 나뉩니다. DTMF 방식의 전화기는 두 개의 주파수를 이용하여 전화번호를 PBX로 전송하기 때문에 펄스 (Pulse) 보다 정확하게 전달되어 지금은 가장 널리 사용됩니다. PBX는 수신된 전화번호를 바탕으로 상대방과 연결합니다.
그리고, 당신이 전화기에서 지역번호를 포함한 전화번호를 누르는 경우를 가정해 봅시다. 지역 교환기가 착신 전화번호를 기준으로 타 지역 전화국으로 연결해야 합니다. 가입자 전화선을 수용하지 않고 교환기와 교환기를 중계하는 기능을 가진 교환기를 Tandem Switch 또 중계 교환기라고 합니다. 전문적인 용어로 교환기의 역할과 계위에 따라 가입자 수용 교환기를 Class 5 교환기, 중계 교환기를 Class 4 교환기라고 합니다. 이름에서 보듯이 상위 Class 도 존재합니다. 예를 들면 Class 3 교환기는 Class 4 교환기들을 중계해주는 시외 중계 교환기 같은 것이 있지만, 한국은 따로 구분하지 않고 Class 5와 Class 4로 교환기를 구분합니다.
상위 클래스의 전화 교환기는 전화국과 전화 통신 사업자가 가지고 있습니다. 각 지역 전화국은 가입자와의 거리가 너무 멀지 않도록 지역의 중심에 자리 잡고 있습니다. 도시의 한쪽에 치우쳐 있다면 전화선의 물리적 거리가 멀어지게 되므로 초기 투자비용이 많이 발생합니다.
2. 트렁크 (Trunk) 이해
빌딩이나 기업 내의 전화 서비스를 위해서는 PBX가 건물의 구내 통신실이나 기업의 통신실에 위치합니다. 전화기에서 시작한 전화선은 IDF와 MDF를 지나 PBX의 내선 카드와 연결됩니다. PBX는 외부와의 통신을 위해 트렁크 카드로 전화국과 연결됩니다. 기업의 PBX와 전화국의 교환기만 서로 연결하면 비용효과적일 뿐만 아니라 기업 내의 다양한 전화 부가서비스를 직접 구현할 수 있습니다. 수천수만 개의 전화선을 전화국까지 연결할 필요가 없으며, 전화기의 부가 기능 구현을 위해 전화국에 매번 부탁할 필요도 없습니다.
PBX와 PBX 간 또는 PBX와 전화국 간의 연결을 트렁크 연동이라 하고, 가장 많이 사용하는 공통선을 E1 트렁크라고 합니다. 우리나라는 E1 트렁크가 표준으로 자리 잡고 있기 때문에, 엔지니어들은 E1 트렁크에 알아야 합니다. 엔지니어들은 항상 IP Telephony 구축 시에 음성 게이트웨이 (Voice Gateway)와 PBX를 연동합니다.
<그림 1-2> E1의 채널 구조E1은 32개의 채널로 이루어져 있으며 세부 채널 정보는 다음과 같습니다.
Time slot 0 : Framing 정보
프레임의 시작 및 동기 신호를 교환합니다.
Time slot 16 : Signaling 정보
전화번호나 상태 정보를 교환하기 위한 시그널링 정보를 교환합니다.
Time slot 1-15, 17-31 : Media (음성) 교환
전화번호나 상태 정보를 교환하기 위한 시그널링 정보를 교환합니다.
E1의 한 채널은 음성을 전달하기 위해 64 Kbps의 PCM 변조를 사용하므로 한 채널의 대역폭은 64 kbps입니다. E1은 총 32개 채널이므로 2.048 Mbps이지만, 프레이밍 한 채널과 시그널링 한 채널을 제외하면 실제 개설할 수 있는 통화로는 30개입니다. 우리나라에서는 E1 트렁크에 대해서만 이해하면 되지만, 해외 구간 연동이 있을 경우를 대비하여 북미방식의 T1도 알아야 합니다. PBX의 E1 카드도 시그널링 방식에 따라 ISDN E1 PRI 이외에도 E1 R2 도 있지만 거의 사용하지 않습니다.
<그림 1-3> E1과 T1의 비교3. 왜 한 채널은 64 Kbps인가?
엔지니어는 음성을 전달하기 위해 최소 대역폭이 64 Kbps의 대역폭이 필요한 이유를 간단하게 알아야 합니다. 사람의 음성을 비용 효율적으로 멀리 깨끗하게 보내기 위해서 아날로그인 사람의 음성을 디지털 신호로 변환합니다.
<그림 1-4> 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환아날로그인 음성을 디지털 싢변화하는 과정은 표본화, 양자화, 부호화의 방식을 거칩니다.
표본화 (Sampling)
표본화는 원 신호를 시간축 상에서 일정한 주기로 표본 값을 추출하는 것입니다. 표본화는 샤논의 표본화 정리에 따르면, 사람의 음성의 최대 주파수는 3.4Khz 이므로 표본화 주파수는 최대 주파수의 두 배인 6.8 Khz입니다. 그러나 표본화 잡음인 엘리어싱을 해결하기 위해 표본화 주파수를 8 Khz를 사용합니다. 여기서 나이키스트 간격은 1초를 표본화 주파수로 나누면 되므로 125 us(마이크로초) 이므로 8000분의 1초 당 하나의 샘플을 만듭니다. 여기서 샤논의 표본화 정리가 중요한 이유는 나이키스트 간격으로 샘플링하면 원래의 음성으로 다시 복원이 가능하기 때문입니다.
양자화 (Quantization)
표본화가 시간축 상에서 표본 값을 추출한 것이라면, 양자화는 진폭 값을 근사화하는 과정입니다. 진폭이 크면 높은 값을 낮으면 작은 값을 부여합니다.
부호화 (Coding)
양자화된 신호를 전송에 적합하도록 부호화합니다. PCM (Pulse Code Modulation) 펄스 부호 변조는 양자화된 신호를 8비트를 이용하여 나타냅니다.
따라서, 1초간의 음성을 전달하기 위해 PCM은 8000 개의 샘플링 데이터를 전달해야 하고, 하나의 데이터는 8비트로 나타내므로 64 Kbps의 대역폭이 필요합니다.
4. E.164 주소체계
PBX는 전화번호를 인식하여 목적지를 연결하는 역할을 전화망의 핵심 장비입니다. 우리가 전 세계 어디라도 전화를 걸 수 있는 것은 단지 물리적인 연결 구조 외에 논리적인 주소체계인 전화번호 체계가 있기 때문입니다.
모든 전화국이 체계적으로 연결되기 위한 주소체계는 1996년 12월 31일을 기준으로 ITU-T E.164를 사용하도록 규정되었습니다. 이 번호 규정은 국제 통신에 사용하는 번호의 최대 자릿수를 12자리로 규정한 E.163 권고안에 추가적인 주소 공간을 확보하기 위하여 국제 통신에 사용되는 번호를 최대 16자리로 확장하였습니다.
<그림 1-5> E.164 주소체계E.164 전화번호 체계를 이용하는 우리나라의 전화번호는 다음과 같은 체계로 구성됩니다.
CC (Country Code) : 국가 코드 (두 자리)
AN ( Area Number) : 지역번호 (두 자리 또는 세 자리)
LN (Local Number) : 국번호 (세 자리 또는 네 자리)
SN (Subscriber Number) : 가입자 번호 (네 자리)
전화를 걸 때 사무실에서는 4자리의 SN 넘버로만 통화하고, 같은 지역에서는 LN+SN으로 통화합니다. 시외로 전화를 걸 때는 AN+LN+SN 번호를 사용하고, 국제전화의 경우에는 CC 번호를 이용합니다. 전화를 걸 때마다 모든 전화번호를 누르지 않는 이유는 전화망이 계층 (Hierarchy) 구조로 되어 있기 때문입니다.
5. VoIP의 출현
인터넷이 발달하면서 1990년대 후반에 먼 곳에 음성을 전달하는 방식에 변화가 일어났습니다. 전화망이 아닌 인터넷이나 데이터망을 이용하여 음성을 전달하려는 연구가 활발히 진행되었습니다. 품질도 좋고 안정적인 전화망을 두고서 왜 사람들은 국제 전화와 같은 장거리 통신을 인터넷이나 데이터망을 이용하려고 하였을까요?
'엔지니어를 위한 인터넷 전화와 SIP의 이해'를 책으로 만들다
https://brunch.co.kr/@linecard/188
