최 종 연 구 보 고 서 차세대 이동통신 기지국 시스템에서 능동안테나시장 확보를 위한 전략분석 수탁기관 : 미래전파공학연구소 한 국 전 자 통 신 연 구 원

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1 최 종 연 구 보 고 서 차세대 이동통신 기지국 시스템에서 능동안테나시장 확보를 위한 전략분석 수탁기관 : 미래전파공학연구소 한 국 전 자 통 신 연 구 원

2 최 종 연 구 보 고 서 차세대 이동통신 기지국 시스템에서 능동안테나시장 확보를 위한 전략분석 수탁기관 : 미래전파공학연구소 한 국 전 자 통 신 연 구 원

3 1. 본 연구사업은 지식경제부(교육과학기술부 등)의 출연금 등으로 수행하고 있는 한국전자통신연구원의 기술혁신연구개발사업(특정연구개발사업 등) 용 역연구과제 연구결과입니다. 2. 본 연구보고서의 내용을 발표할 때에는 반드시 한국전자통신연구원 기술혁 신연구개발사업(특정연구개발사업 등)의 용역연구과제로 수행한 연구결과 임을 밝혀야 합니다.

4 제 출 문 한국전자통신연구원장 귀하 본 보고서를 차세대 이동통신 기지국 시스템에서 능동안테나시장 확보를 위한 전략분석에 관한 연구의 최종연구보고서로 제출합니다 년 11 월 24 일 수 탁 기 관 : 미래전파공학연구소 수 탁 기 관 장 : 안 준 오 (인) 연 구 책 임 자 : 안 준 오 참 여 연 구 원 : 신 한 철 김 기 원 박 미 선 장 나 래 조 한 나 1

5 요 약 문 1. 제 목 차세대 이동통신 기지국 시스템에서 능동안테나시장 확보를 위한 전략분석 2. 연구의 목적 및 중요성 1) 연구의 목적 기지국 서비스 가능 영역 확장을 위한 스마트 안테나, 능동안테나, RRH(Remote Radio Head)의 발전동향을 조사하고 기술발전에 따른 전파 전파 특성 개선에 필요한 기초자료를 마련코자 한다. 또한 기지국 설치비용 및 운영비용 절감을 위하여 기지국 운영 형태와 다중 서비스의 효율적 제공을 위한 기존 기지국 시스템의 문제점을 탐색하여 새로운 기지국 시스템 도입방안에 대한 전략을 분석한다. 2) 연구의 중요성 현대생활에서 휴대전화, 스마트폰 등 이동통신은 삶의 일부분으로 자리 매김하고 있으며, 셀룰러, PCS, WiBro, WLAN, 차세대 이동통신, DMB, RFID, TRS, 텔레매틱스 등 고도화된 무선 멀티미디어 서비스의 확대에 따른 음성 위주의 통신환경에서 데이터 통신 수요가 급증하고 있다. 이와 같은 다양한 이동통신 서비스를 구현하기 위해서는 이동통신 기지국의 증설이 요구되고 있다. 이동통신 기지국 시스템은 크게 안테나와 기지국 장비로 구성되어 있 으며, 기지국 장비는 무선처리부(RF Part)와 기저대역 처리부로 구성된다. 이때 서비스 별로 사용하는 주파수에 따라 무선처리부(안테나, RF Front End)의 종류가 달라져 각 서비스 별로 별도의 기지국 증설이 필요하다. 2

6 그러나 한정된 장소에 여러 개의 안테나와 기지국을 설치하는 것은 자원 의 낭비와 이로 인한 탄소배출 등의 다양한 문제점이 야기되고 있다. 따 라서 에너지 절감과 환경보호를 위하여 효율적인 차세대 이동통신 기지 국 구성 방법에 대한 연구 검토가 필요하다. 따라서 본 과제에서는 효율적인 차세대 이동통신 기지국을 구성하기 위해 필요한 기초 자료를 조사 분석하였으며, 특히 기지국 서비스 가능 영역 확장을 위한 스마트 안테나, 능동안테나, RRH의 기술발전 동향을 분석하고, 기지국 설치비용 및 운영 비용 절감을 위한 기존 기지국 시스 템의 문제점을 도출하였으며, 이를 바탕으로 새로운 기지국 시스템 도입 을 위한 전략방안을 마련하고자 한다. 3. 연구의 내용 및 범위 연구기간 연구내용 연구범위 ~ (3개월) 1. 그린 Radio 기술 및 정책동향 (1) 이동통신망에서의 그린 IT정책 (2) 주요 선진국의 이동통신망 그린 정책 동향 (3) 국내 그린정책 및 사례 분석 국내외 전문기관의 선행 연구자료 분석 선진국의 기지국 그린 정책 추진동향 분석 FP7 ICT 프로그램, CPRI, OBSAI 자료 분석 ATIS TEER, Green Touch 자료 분석 노키아, 에릭슨, 보다폰, NTT 등 사례 분석 저탄소녹색성장기본법에 의거한 정부 및 기업의 그린 정책 동향 분석 SKT, KT, LGU+의 개발 사례 분석 3

7 2. 이동통신 기지국 시스템의 운용 현황 (1) 이동통신 기지국 시스템의 기술 동향 (2) 국내 이동통신분야 주파수 운용 현황 (3) 기지국 시스템의 시설 및 운영 비용 분석 (4) 기지국 시스템의 전파효율 분석 3. 차세대 이동통신 기지국 시스템의 효율성 (1) 전력 소모량 절감 효과 안테나 및 무선 처리부 기술개발 동향자료 조사 기존 시스템 및 차세대 시스템 차이점 비교 SKT, KT, LGU+의 CDMA, WCDMA, WiBro 주파수 분배현황 및 기지국 기술규격 현황 정리 기지국 구조 및 수량 파악(무선국 허가DB 분석) 기지국 설치 운영비용, 조사 (SKT 등 전문가 자문 요청) 기지국 종류별 구성방법 및 설치 운영 시 문제점 조사 (이통사 자문 요청) CDMA, WCDMA, WiBro의 HPA 소모 전력 및 전파효율 조사 안테나의 전파효율 (출력 전력, 소모전력) 비교 분석 2-(2), (4)를 바탕으로 4

8 (2) 이산화탄소 배출량 절감 효과 (3) 경제적 절감 효과 (4) 기지국 시스템 전문가 의견 분석 3-(1)과 에너지경제연구소 DB를 바탕으로 비교분석 2-(3)을 바탕으로 분석 산업체 전문가 의견반영 4. 연구 결과 본 연구 수행결과 기존 이동통신 기지국 시스템은 기지국 자체의 규모가 크 고, 이동통신 서비스별로 기지국을 설치 운용하고 있으며, 기지국 장비 중에서 RF 장비와 냉각장치에서 큰 전력을 소모하고 있음을 확인하였다. 특히, RF 장 비의 전력 소모량 중 약 70~88%를 HPA에서 소모하고 있으며, RF 장비와 안 테나 사이를 연결하는 약 80 ~ 100 m의 케이블로 인한 전력 손실이 8~10 db 정도 발생하며, 이로 인한 전력 소모량 및 탄소 배출량이 증가함을 알 수 있었 다. 따라서 이러한 전력 손실 및 탄소 배출량을 줄일 수 있는 차세대 이동통신 기지국 시스템으로 케이블 전력손실이 개선된 기지국의 구축이 필요할 것으로 보인다. 제안된 기지국은 CDMA, WCDMA, WiBro와 같은 각각의 서비스를 하 나의 기지국에 탑재할 수 있으므로, 제작 비용 및 설치 운용 비용을 크게 절감 시킬 수 있으며, 특히 기존 기지국에 비해 소형이기 때문에 설치 면적을 줄일 수 있는 장점이 있다. 또한 제안된 기지국은 무선처리부(RF 장비)를 안테나와 함께 옥외에 설치하는 구조로써 무선처리부와 안테나 사이를 연결하는 케이블 의 길이가 현저하게 줄어들기 때문에 이로 인한 케이블 전력 손실을 줄일 수 있으며, 줄어든 전력 손실은 HPA의 출력전력을 감소시킬 수 있는 근거가 될 수 있다. 전체 서비스(CDMA, WCDMA, WiBro)를 기준으로 케이블 전력손실을 10dB 개선된 기지국의 경우에 기존 기지국 시스템보다 연간 약 195,048 톤의 이산화탄소 배출량과 약 459,147 MWh의 전력 소모량을 절감할 수 있을 것으 로 예상된다. 또한 냉각 시스템 방식을 자연대류 냉각 방식으로 적용한다면 연 간 2,151 MWh 만큼 전력소모량을 절감할 수 있을 것으로 예상된다. 5

9 이와 같이 차세대 이동통신 기지국으로 제안된 기지국을 적용하기 위해서는 전력 소모량의 대부분을 차지하고 있는 HPA의 전력효율을 높이는 기술개발 연 구가 요구되며, 또한 스마트 안테나, 능동안테나와 같이 전력을 효율적으로 사 용하는 안테나를 개발하는 연구가 필요할 것으로 보인다. 5. 활용에 대한 건의 본 연구에서 제안한 기지국 구조는 RF 케이블로 인한 전력 손실을 줄일 수 있다. 또한, 기존의 기지국 시스템에 비해 소규모의 기지국이기 때문에 기지국 증설 시에 편리하다. 이와 같이 차세대 이동통신 기지국으로써 케이블 전력손실이 개선된 기지국 을 적용하기 위해서는 전력 소모량이 매우 높은 HPA의 전력 효율을 높이는 기 술 연구가 요구된다. 또한 스마트 안테나, 능동안테나와 같이 멀티 빔을 효율적 으로 사용하는 안테나를 기지국에 적용할 수 있는 연구가 선행된다면 전력 소 모를 더 줄이는 할 수 있는 차세대 이동통신 기지국을 구성할 수 있을 것으로 예상된다. 따라서 본 연구 결과는 케이블 전력손실이 개선된 구조를 가지는 차세대 이동통신 기지국 시스템 효율성에 관한 연구의 기초자료로 사용할 수 있을 것이다. 6. 기대 효과 본 연구 결과에 따르면, 기존의 이동통신 기지국 무선처리부는 옥내용 장비인 RF 장비와 옥외에 설치된 안테나 사이가 80~100m의 케이블로 연결되어 있고, 여기에서 약 8 ~ 10 db의 전력 손실이 발생한다. 따라서 향후에는 이와 같이 케이블 전력 손실을 줄이고, 전력소모가 가장 많은 HPA의 전파효율을 높이는 연구개발이 요구될 것으로 예상된다. 또한 스마트 안테나, 능동안테나와 같이 멀티 빔을 효율적으로 사용하는 안테나를 기지국에 적용할 수 있는 연구가 선행된다면 전력 소모를 줄일 수 있을 것이며, 시스템 운영비용 및 설치 비용도 줄일 수 있을 것으로 예상된다. 6

10 - 목 차 - 제 1 장 그린 Radio 기술 및 정책 동향 1 2 제 1 절 이동통신망에서의 그린 IT 정책 그린 IT 정책의 필요성 차세대 이동통신 기지국 시스템 도입의 당위성 1 3 제 2 절 주요 선진국의 이동통신망 그린정책 동향 유럽연합 영 국 미 국 일 본 Green Touch Consortium 북유럽 녹색 모바일 네트워크 및 기지국 추진 전망 2 7 제 3 절 국내 그린정책 및 사례분석 국내 정책 추진 동향 국내 사례 3 5 제 2 장 이동통신 기지국 시스템의 운용현황 4 0 제 1 절 이동통신 기지국 시스템의 기술동향 이동통신 기지국 시스템 개요 안테나 기술 동향 기지국 시스템 무선처리부 기술 동향 4 8 제 2 절 이동통신 서비스별 주파수 분배현황 및 기술기준 CDMA WCDMA WiBro 5 5 제 3 절 기지국 시스템의 시설 및 운영비용 분석 기지국 구조 및 무선국수 조사 5 6 7

11 2. 기지국 장비 비용 분석 6 7 제 4 절 기지국 시스템의 전파효율 분석 기존 기지국 시스템의 전파효율 분석 차세대 이동통신 기지국 시스템의 전파효율 분석 7 3 제 3 장 차세대 이동통신 기지국 시스템의 효율성 7 5 제 1 절 전력소모량 절감 효과 7 5 제 2 절 이산화탄소 배출량 절감 효과 8 0 제 3 절 경제적 절감 효과 8 4 제 4 절 기지국 시스템 전문가 의견 8 6 제 4 장 결 론 8 7 참 고 문 헌 8 9 8

12 - 그림 목차 - 그림 1. 보다폰사의 '프리쿨링(Free Cooling)' 17 그림 2. 포루투갈 기지국에서 사용 중인 풍력을 이용한 냉각 설비 18 그림 3. Sprint Femtocell Base Station 21 그림 4. Meraki Outdoor Wi-Fi 중계기와 Meraki Solar 액세서리 Kit 22 그림 5. 에릭슨의 타워튜브-1 26 그림 6. 에릭슨의 타워튜브-2 26 그림 7. Main Unit과 RRU 간의 거리를 줄여서 전력 손실을 줄이는 방안 30 그림 8. '뉴 IT 전략' 개념도 34 그림 9. 그린 오션 34 그림 10. SK텔레콤의 가로등형 중계기 35 그림 11. KT와 에릭슨의 그린 모바일 현장시험 협약 36 그림 12. LG유플러스의 멀티모드 기지국 37 그림 13. 웨이브일렉트로닉스의 Mobile WiMax용 RRH 38 그림 14. WCDMA/LTE 용 RRH 39 그림 15. 이동통신 시스템(IMT2000)의 구성 40 그림 16. 기존 이동통신 기지국과 차세대 이동통신 기지국의 구성 42 그림 17. 원격무선장비(RRH)를 이용한 통신구조 44 그림 18. SDR 기반 시스템 개념도 44 그림 19. 스마트 안테나 기지국 구조 45 그림 20. 안테나의 발달 과정 46 그림 21. Dual Band용 TMA 49 그림 22. TMB의 역할 50 그림 23. 이동통신 서비스별 주파수 스펙트럼 52 그림 24. CDMA 대역의 주파수 분배현황 53 그림 25. WCDMA 대역의 주파수 분배현황 54 그림 26. WiBro 대역의 주파수 분배현황 55 그림 27. 이동통신망 네트워크 구성도 56 9

13 그림 28. 기지국 시스템의 Baseband와 무선처리부 블록도 57 그림 29. 실제 기지국 시스템 Block Overview 59 그림 30. 실제 기지국 시스템의 블록도 61 그림 31. 기지국 시스템 무선처리부의 블록도 62 그림 32. CDMA 무선처리부 파트별 전력소모량 70 그림 33. WCDMA 무선처리부 파트별 전력소모량 71 그림 34. WiBro 무선처리부 파트별 전력소모량 72 그림 35. 케이블 전력손실이 개선된 기지국 HPA의 출력전력과 기존 기지국 HPA의 출력전력 비교 73 그림 36.. DB상의 해당 무선국수를 적용한 기존 기지국 시스템과 케이블 전력손 실이 개선된 기지국의 연간 전력 소모량 비교 77 그림 37. DB 상의 해당 무선국수를 제외한 기존 기지국과 케이블 전력손실이 개 선된 기지국의 연간 전력소모량 비교 78 그림 38. DB 상의 전체 무선국수에 대한 기존 기지국과 케이블 전력손실이 개선 된 기지국의 연간 전력소모량 비교 79 그림 39. DB 상의 해당 무선국수를 적용한 기존 기지국 시스템과 케이블 전력손 실이 개선된 기지국의 연간 이산화탄소배출량 비교 81 그림 40. DB 상의 해당 무선국수를 제외한 기존 기지국과 케이블 전력손실이 개 선된 기지국의 연간 전력소모량 82 그림 41. DB 상의 전체 무선국수에 대한 기존 기지국과 케이블 전력손실이 개선 된 기지국의 연간 이산화탄소 배출량 비교 83 10

14 - 표 목차 - 표 1. 일본의 Green IT 관련 신규 프로젝트 23 표 2. 세계 통신사업자의 기지국 친환경 전력 공급 목표량 29 표 3. 통신사별 CDMA 대역의 기술기준 53 표 4. 통신사별 WCDMA 대역의 기술기준 54 표 5. 각 통신사별 WiBro 대역의 기술기준 55 표 6. 이동전화용 주파수대역에서의 무선국수 현황 63 표 7. 개인휴대전화(PCS)용 주파수 대역에서의 무선국수 현황 64 표 8. 이동통신(IMT-2000)용 주파수대역에서의 무선국수 현황 65 표 9. 휴대인터넷(WiBro)용 주파수 대역에서의 무선국수 현황 66 표 10. 기지국 및 중계기 설치비용 및 기간 67 표 11. 서비스 결합에 따른 중계기 제작비용 비교 (광중계기의 경우) 68 표 12. CDMA 기지국의 무선처리부 및 안테나부 소모 전력량, 출력전력 분석 69 표 13. WCDMA 기지국의 무선처리부 및 안테나부 소모 전력량, 출력전력 분석 70 표 14. WiBro 기지국의 무선처리부 및 안테나부 소모 전력량, 출력전력 분석 72 표 15. 무선국 DB상의 해당 무선국수 비율 75 표 16.. DB상의 해당 무선국수를 적용한 기존 기지국과 케이블 전력손실이 개 선된 기지국의 연간 전력소모량 76 표 17. DB 상의 해당 무선국수를 제외한 각 서비스별 기존 기지국과 케이블 전 력손실이 개선된 기지국의 연간 전력소모량 78 표 18. DB상의 해당 무선국수를 적용한 기존 기지국과 케이블 전력 손실이 개 선된 기지국의 연간 이산화탄소 배출량 80 표 19. DB 상의 해당 무선국수를 제외한 기존 기지국과 케이블 전력손실이 개 선된 기지국의 연간 전력소모량 비교 82 표 20. 무선국 서비스별 장비가격 비교 84 표 21. 개선된 기지국의 연간 전력 절감량 및 연간 이산화탄소 절감량 비교 87 11

15 제 1 장 그린 Radio 기술 및 정책 동향 제 1 절 이동통신망에서의 그린 IT 정책 1. 그린 IT 정책의 필요성 최근 온실가스로 인한 지구온난화 및 기후변화가 국제적인 이슈가 되고 있다. 화석자원에 기반을 둔 재생 불가능한 에너지 자원의 고갈과 지구기후변화 등 환경적 변화는 점점 심각해지고 있으며, 이러한 문제를 해결하기 위하여 지난 수십 년간 다자간 협력을 통해 적극적인 대처방안들이 모색되고 있다. 1997년 에 채택된 교토의정서는 기후변화에 대한 선진국의 역할과 환경을 위한 기업들 의 책임을 강조하였고, 이로 인해 많은 기업들은 경영전략과 기업운영에 환경적 지속가능성을 고려하게 되었다. 특히, 정부와 기업들이 그린정책 을 강조하게 된 가장 큰 계기는 2008년 세 계금융위기 이후 선진국들이 국제적인 위기를 기후변화 및 환경보호라는 녹색 뉴딜전략 을 발판으로 삼아 극복하고, 시장선점을 위한 다양한 노력을 기울이기 시작하면서부터이다. 이후 녹색뉴딜 개념은 UN, 미국, 영국, 일본 등 주요 선진 국에서 지속 가능한 발전방식을 통해 경기부양의 효과를 만든다는 의미로 확산 되었다. 우리나라도 2008년 광복절 경축사에서 저탄소 녹색성장(Low Carbon, Green Growth)을 새로운 국가비전으로 제시하였다. 이러한 영향으로 인해 정 부뿐만 아니라 각 기업에서도 그린 IT를 통한 환경적 지속가능성을 위한 노력 을 하고 있다. IT산업은 장비제조 및 서비스 제공 등을 통해서 이산화탄소를 배출시키고 있 다. IT분야의 이산화탄소 배출량은 전 세계 배출량의 2% 수준이나, IT 관련 탄 소배출량은 전체 에너지 관련 배출량보다 5.5배 이상 빠르게 성장하고 있다. 즉, 전체 배출량 대비 IT가 차지하는 비중은 작지만, 에너지 사용량은 빠르게 증가 하고 있음을 보여준다. 그린 IT의 활용으로 2020년에는 전 세계 이산화탄소 배 출량의 15%인 7.8Gt 의 이산화탄소 발생량을 감축시키는 것이 가능할 것으로 12

16 전망하고 있다. GDP의 16%인 IT 산업은 산업 자체의 경제성장과 고용효과가 크며, 타 산업 의 효율성 향상에 크게 기여하고 있으며, 그린 IT는 정부가 추진하는 저탄소 녹색성장 을 통하여 현행정부 임기 내에 에너지 자주율을 현재 5% 수준에서 18% 수준까지 끌어올리고, 2050년에는 50% 이상으로 높인다는 목표를 제시하 였다. 또한 신재생 에너지 비중을 획기적으로 확대하여 2030년 11% 이상, 2050년 20% 이상으로 확대하고, 녹색기술 연구개발투자를 현행 정부 임기 중 두 배 이상으로 확대하여 2020년에는 3천조 원으로 확대할 목표를 제시하였다. 최근 통신분야는 4세대 이동통신의 시작과 함께 스마트폰 사용자가 증가로 인한 통신용량 수요 증가로 인해 기지국 증설이 요구되며, 이러한 요구를 충족 시키면서 전력 효율성까지 고려한 기지국 시스템에 대한 기술 연구가 진행되고 있다. 특히, 무선설비 공동사용명령의 기준 및 절차 와 저탄소 녹색성장 기본 법 제 27조 를 근거로 그린 IT기술을 적용한 이동통신 기술 및 서비스 활용을 위한 연구개발이 이루어지고 있다. 이와 같이 이동통신 기술에 그린 IT기술을 적용하게 된다면, 관련 산업발전을 통한 경제발전에 도모하여 저탄소 사회 구현 을 할 수 있을 것이다. 2. 차세대 이동통신 기지국 시스템 도입의 당위성 우리나라뿐만 아니라 전세계적으로 스마트폰 열풍이 불면서 증가하는 스마트 폰 사용자로 인해 4세대 서비스의 무선데이터 사용량이 급증하고 있다. 무선데 이터 서비스 요구에 빠른 대응을 위해서는 통신사들의 기지국 설비 투자가 필 수적이다. 그러나 설비투자비가 만만치 않을뿐더러 기존 기지국의 커버리지보다 더 세밀하게 무선망을 확보해야 하므로 통신사들에게는 큰 부담으로 작용하고 있다. 또한, 이동통신에 대한 수요가 급증함에 따라 한정된 스펙트럼을 효과적 으로 이용하고자 하는 연구에 많은 관심이 집중되고 있다. 원래 셀룰러, PCS 등의 이동통신은 한정된 스펙트럼을 효과적으로 이용하고 자 하는 기본 개념에서 출발하였으므로 셀을 점점 더 분할하게 되면 스펙트럼 의 효율성은 증가하게 된다. 그러나 셀을 분할하는 방법은 그만큼의 기지국을 설치 및 증설해야 하므로 엄청난 추가적 비용을 부담하며, 잦은 핸드오프로 인 13

17 한 통신 두절과 신뢰성 하락, 그리고 많은 전력소모를 가진다는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하고자 최근에 기지국을 증설하지 않고 진보된 안테나 기 술을 적용하여 통신용량을 대폭 증가시키고 통신 품질을 개선할 수 있는 기술 과 중대형 기지국이 커버하는 영역을 마이크로 셀(micro cell)로 더 세분화해 소형 기지국을 설치하는 원격무선장비(Remote Radio Head)기술에 많은 연구가 이루어지고 있다. 이 기술은 음영지역을 최소화하고 전송속도를 높일 수 있어서 저렴하게 기지 국을 설치하는 효과도 발생해 결국 기지국 설치비용을 줄일 수 있으며, 능동 안 테나 기술을 이용하여 원하는 가입자의 방향으로 전파를 집중시키고 타가입자 의 간섭신호는 저하시켜 송수신함으로써 기존의 이동통신 시스템의 성능을 매 우 향상시킬 수 있다. 또한, 기지국 무선처리부와 안테나부 사이의 RF 케이블 이 불필요하기 때문에 이로 인한 전력 손실을 절감 할 수 있을 것이며, 줄어든 전력 소모량만큼의 이산화탄소 배출량도 절감할 수 있을 것이다. 14

18 제 2 절 주요 선진국의 이동통신망 그린정책 동향 1. 유럽연합 (EU) 유럽연합(EU)는 1990년대 후반에 들어서면서 미국과 일본에 비하여 경제적 격차가 점점 벌어지는 상황에서 이들 하이테크 기술 주도국을 따라 잡기 위하 여 리스본 전략을 채택하고 ICT를 수단으로 하여 고성장, 일자리 창출 및 사회 적 참여 확산을 추진하고 있다. EU는 정책부문과 이를 뒷받침하기 위한 연구개 발부문의 2개의 기둥을 축으로 하여 ICT를 기반으로 한 지식유럽사회의 건설 이라는 비전을 달성하고자 노력하고 있다. 정책부문은 리스본 전략에서 신 리스 본 전략, i2010 전략으로 진화되어 왔으며, 연구개발부문은 이에 대응하여 FP5 에서 FP6, FP7로 발전되어 왔다. FP7(Framework Program 7)은 성장을 위한 지식유럽의 건설(Building knowledge Europe)'이란 부제로 신 리스본전략의 목 적을 달성하는 데 초점을 맞추어 계획되어있다. 그 중에서 IT를 통한 에너지 효율화 과제를 포함시켜 구체화 시키고 있으며, ICT 부문에 총 예산의 18%에 해당하는 90억 유로를 할당하기로 결정하였다. EU의 주요 행동 영역으로 ICT for Sustainable Growth를 상정하고 있으며, 정보 사회 미디어 위원회에서 해당 이슈를 관장한다. 정보 사회 미디어 위원회 에서는 ICT의 환경에 끼치는 피해를 감소시키는 기능이 ICT의 경제적인 가치 보다 인지도가 현저히 낮다고 파악하고 있으며 ICT가 광범위하게 적용되는 경 우, 지속가능발전에 현저한 공헌을 할 수 있다는 시각을 취하고 있다. FP7의 ICT 연구 프로그램에서는 유럽 산업이 향후 10년 이내에 ICT의 글로 벌 선두 그룹에 속하기 위해서 3가지의 주요 기술적 도전과제를 내어 놓았다. 다음은 3가지의 주요 기술적 도전과제이다. 현재의 인터넷, 이동, 고정 및 방송 통신망을 서서히 대체 가능하고 신 뢰할 수 있는 편재형 네트워크 및 서비스 인프라 구축 각자의 환경 내에서 자가 개선 및 자가 적응 능력을 갖춘 사용이 간편 한 상황 인식형 ICT 시스템의 설계 차세대 기술로의 대체 경로를 고려하고 모든 주요 제품과 서비스에 있 15

19 어서 혁신의 토대를 구축하여 보다 작고 저렴하며 신뢰할 수 있으며, 적 은 전력을 소비하는 전자 소재 개발 하지만 최근 이동통신 기지국 분야에서는 신규 서비스 도입에 따른 전력소비 증가 문제로 인한 이산화탄소 배출량이 지속적으로 증가하여 자체의 이산화탄 소 배출 및 전력 소모량 절감의 필요성이 강하게 대두되고 있다. 이에 따라, FP7에서는 현재의 이동통신망을 대체 가능하고 신뢰할 수 있는 차세대 이동통신 시스템 인프라 구축 에 대한 연구개발을 추진하였다. 이 연구 개발을 통하여 주파수 스펙트럼을 더 효율적으로 사용 할 수 있을 것이며, 고효 율 저전력 기지국을 개발하여 탄소 배출량을 줄일 수 있을 것으로 예상된다. 2. 영국 1 정부 정책 동향 영국의 ICT 부문의 그린화 전략은 정부 부문에서 적극적으로 실천되고 있으 며, Greening Government ICT-Efficient, Sustainable, Responsible'이라는 전 략 하에 정부 ICT부문의 탄소배출량에 대해 2012년까지 탄소중립성을 실현하 기 위한 계획을 발표했다. 또한 2020년까지 제조 및 매각 처분을 포함한 IT 전 체 라이프사이클에 걸쳐서 정부 IT를 탄소중립으로 만들겠다는 장기적인 목표 를 설정하였다. 이 계획은 IT 탄소 배출량을 줄이기 위한 18개의 가이드라인 전략을 제시하고 있으며, 영국 내각부 중심으로 절차에 따라 정부 부처들이 18 개 가이드라인을 시행할 예정이다. 2 보다폰 (Vodafone) 보다폰사는 2006~2007년 연간 123만톤에 달했던 탄소 배출량을 2020년까 지 50%인 61만 5000톤으로 감소시키겠다는 계획을 발표하였다. 보다폰은 회 사 전체 이산화탄소 배출량의 80%를 차지하는 이동통신 네트워크 기지국 운영 에 소요되는 에너지의 효율화를 우선 추진하면서 프리 쿨링(Free Cooling) 을 16

20 최우선 과제로 진행하였다. 프리 쿨링 이란 에너지를 많이 소모하는 공조 시스 템 대신 야외 공기를 이용해 네트워크 장비의 동작 온도를 적정하게 유지하는 기술이다. 이는 2008년 이후 설치되는 기지국 장비에 기본적으로 적용하고 있 다. 그리고 기지국 장비의 적정 가동 온도를 높이는 기술개발에 박차를 가하고 있다. 기지국 장비가 정상 작동하는 적정 온도를 기존보다 4 높은 25 로 올 리기만 해도 에너지 사용량을 10% 절감할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 35 에서도 작동하는 신형 장비를 포르투갈 등 일부 지역에서 적용하기 시작했 다. 또한 보다폰은 태양전지, 연료전지, 소규모 풍력 발전 등 신재생 에너지로 기 지국을 운영하는 기술을 개발 중이다. 아직 경제성이 높지는 않지만 기지국에 대한 전력 공급이 불안정한 인도 등지에서 활용 가능성이 있을 것으로 보고 있 다. 특히 이들 지역 기지국 전력 공급용으로 쓰이는 디젤 가격이 상승하면서 신 재생 에너지 기지국에 대한 관심이 높아지고 있다. 그림 1. 보다폰사의 '프리쿨링(Free Cooling)' (출처: 보다폰 기술동향, 2008.) 17

21 지난 2009년 5월에는 중국 네트워크 장비 업체인 화웨이와 공동으로 태양전 지만으로 작동 가능한 기지국 장비를 개발하였다. 이는 전력 소모가 적고 구조 가 단순해 신재생 에너지만으로도 동작이 가능하다. Easy GSM BTS 란 이름의 이 장비는 남아프리카 지역에서 테스트 후 다른 지역에서의 정식판매를 위해 검토 중이며, 유관기관 등과 협력해 개발도상국을 겨냥한 태양전지 이용 휴대폰 을 개발하고 있다. 그림 2. 포루투갈 기지국에서 사용 중인 풍력을 이용한 냉각 설비 (출처: 보다폰 기술동향, 2008.) 3 BT (British Telecom) British Telecom은 2016년 까지 이산화탄소 배출량을 1996년 수준의 80% 까지 줄인다는 목표를 제시했고, 현재 BT그룹은 영국 전체 전력의 1%를 소모 하는 것으로 알려져 있다. BT는 2004년 21세기 네트워크 데이터센터 프로젝트(21st Century Network Data Center Project) 를 시작하며 친환경 데이터센터 구축에 박차를 가하고 있다. 기존의 강제 공조 시스템 대신 야외 대기를 이용한 공조 시스템을 구축하고 전원 변환 장치의 수를 줄이는 것을 데이터센터의 탄소 배출량을 줄 이기 위한 핵심 방향으로 설정하였다. BT는 서버가 설치된 공간과 복도의 벽을 18

22 최대한 줄이고 외부 공기를 들여오는 팬을 다수 설치하는 등의 노력을 하였고, 이를 통해 효율성을 16% 높인 것으로 평가되었다. 또한 데이터 센터에서 직류 전원으로 변환하기 전까지 교류 전원 구간을 최대한 확대하여 전력변환으로 인 한 손실을 12% 절감하였다. 그 결과, 21세기 네트워크 데이터센터 프로젝트 를 통해 740만 달러의 전기료를 절약하고 영국 내 탄소 배출량을 60% 절감한 것으로 평가 된다. 그리고 이 프로젝트를 성공적으로 마치면 약 1만1000개의 서버 랙을 운용하 는 BT 데이터 센터의 에너지 효율은 70% 상승할 것으로 기대된다. 4 Mobile VCE (Virtual Center of Excellence) 영국 통신기업과 대학이 공동 설립한 비영리 연구개발 단체인 Mobile VCE는 2008년부터 Core 5 프로그램으로 명명된 Green Radio 프로젝트를 시작하였고, 현 이동통신 시스템보다 100배의 전력 감소를 이룰 수 있는 최선의 무선전송/ 접속 기술 및 고품질을 유지하면서 저전력 소모의 네트워크 및 백홀을 위한 그 린 네트워크 아키텍처 기술을 정립하기 위한 연구를 진행하고 있다. 이는 전통 적으로 전력 절감 기술을 넘어 셀룰러 방식의 이동통신과 근거리 무선통신 시 스템(WLAN, WPAN), 펨토셀(이동통신 시스템 소형 기지국)등과의 결합 등 이 동통신 구성 요소 전반에 걸친 최적화 기술로 전력을 절감하는 방법을 모색하 는 연구 프로젝트이다. 3. 미국 1 정부 정책 동향 미국은 국가 차원의 활동보다는 민간 주도적 활동이 더 활발하며 최근까지 탄소배출과 관련하여 배출량 감축 반대, 상한거래제 반대, 탄소시장 글로벌화 반대 등을 기본 정책 기조로 유지해 오다가 오바마 정부 출범 이후 탄소 문제 에 미온적이었던 정책기조가 변화되고 있다. 미국 환경보호국(EPA)은 각종 전자제품의 에너지 절감을 유도하기 위한 에너 19

23 지 스타(Energy Star)프로그램을 1992년부터 운영 중이며, 에너지국(DOE)은 2003년부터 전력과 IT를 결합한 차세대 전력망 구축 사업인 인텔리그리드 (Intelligrid)' 프로젝트를 지원하고 있다. 미국 캘리포니아주는 자동검침시스템(Automatic Meter Reading) 을 통해 자 신이 쓰고 있는 에너지량을 실시간으로 확인하고 예상 소비액을 파악하고 있으 며, 이러한 IT활용 에너지 절약시스템의 도입으로 평균 10~13%까지 에너지 사용량이 감소되었다. 2 AT&T 미국 1위 통신방송사업자인 AT&T는 2008년부터 EPA와 온실가스를 감축하 기 위한 협력 활동을 진행 중이다. 텍사스 Austin 지역에 있는 모든 AT&T 시 설에 사용되는 전력의 10%를 충당하기 위한 풍력발전기를 설치하였고, 캘리포 니아 San Ramon 지역에 1MW 용량의 태양광 발전소를 설치하였다. 또한 에너지 소비 감소를 위한 냉난방, 조명, 환기 시스템을 개선하였다. 2008년 10월에는 미국 내 건물에 설치된 총 31만 대의 데스크톱 PC에 에너 지 소비 감소를 위한 SW 설치하였다. Night Watchman이라는 이 SW는 PC를 사용하지 않을 때 전력을 PC에 적게 공급되도록 하는 것이며 AT&T는 이를 통해 1억 3,500만 kwh의 전기를 절감할 수 있으며 이를 통해 12만 4,941톤의 이산화탄소 배출을 줄일 수 있을 것으로 기대된다. 2009년 1월에는 미국 에너지스타(Energy Star)인증을 받은 IP 셋톱박스를 출시했다. 에너지 스타(Energy Star)는 에너지 절약 소비자 제품의 사용을 장려 하는 미국 정부의 국제 프로그램으로 1992년 미국환경보호청(EPA)에 의해 도 입됐으며 2008년 5월에 새로 셋톱박스용 기준이 추가되었다. 해당 셋톱박스는 모토로라와 시스코시스템스가 제조한 것으로 AT&T의 U-Verse TV 서비스를 위해 제공되는 것이며, 기존 케이블 셋톱박스 보다 36% 이상의 에너지 소비 효 율을 달성하였다. 2008년 7월에는 데이터센터의 효율을 높이기 위한 Green Grid 컨소시엄에 참가 하였다. 그린 그리드 컨소시엄은 전 세계 데이터 센터의 전력소모를 낮추 는 방법을 찾기 위한 IT 회사와 전문가 모임으로써, AT&T는 데이터 센터 운영 20

24 및 구축, 설계와 관련한 최선의 방법론을 규명하고 제안을 통해 데이터 센터는 물론 기타 IT 관련 시설들의 에너지 소비를 절감시키는 방안을 제시하기로 하 였다. 3 Sprint 미국 3위 이동통신사업자인 Sprint는 2009년 4월 IT 혁신을 통해 2000만 달러의 운영비용절감과 함께 10,450톤의 이산화탄소 배출 감소 효과를 얻었다 고 발표하였다. 최근 활동에 따르면 127가지의 불필요한 애플리케이션을 줄이 고 2,239개의 서버를 재조정하는 활동 등이 여기에 포함되며, 이와 같은 활동 을 통해 새 데이터센터 건립비용을 줄였고, 2015년까지 총 15% 온실가스 배출 감축 목표를 세웠다. 그림 3. Sprint Femtocell Base Station (출처: Sprint 홈페이지) 2009년 4월에는 전체 네트워크에 설치된 기지국에 연료전지를 적용하는 프 로그램을 통해 730만 달러를 지원 받았고, 해당 자금은 스프린트의 기지국/중 계기에 연료전지를 사용하는 데 활용될 것이며, 2005년 이후부터 Sprint는 250 개 이상의 기지국/중계기에 연료전지를 설치하였다. 21

25 4 캘리포니아 통신 정보 기술 연구소 (CALIT2) University of California, San Diago(UCSD)에 있는 CALIT2 연구소에서는 2008년부터 이동통신 기지국용 고출력 전력 증폭기의 효율을 높이는 연구를 진행 중이다. 전력증폭기는 일반적으로 효율이 높지 않기 때문에 필요한 송신 전력의 10배 가량을 더 요구하는데 이는 결국, 기지국에서 별도의 냉방 장치를 필요로 하게 되어 추가 전력 낭비가 일어난다. 현재 사용되고 있는 상용 기지국 용 전력 증폭기의 효율은 10% 수준으로 파악되며, 2008년 말에 CALIT2는 58% 수준의 효율을 가지는 핵심기술을 개발하였다. 5 Meraki 실리콘밸리 벤처기업인 Meraki는 2008년 12월에 태양광 발전으로 전기를 공급받는 Wi-Fi 중계기를 99달러에 출시하였다. 이 중계기는 외부에 설치하여 Wi-Fi를 통해 인터넷에 접속할 수 있게 하는 장치로써 야외에서 전원케이블 없 이도 중계가 가능하며, 최대 3배의 에너지 효율을 제공한다. 그림 4. Meraki Outdoor Wi-Fi 중계기와 Meraki Solar 액세서리 Kit (출처: Meraki 홈페이지) 22

26 4. 일본 1 정부 정책 동향 일본은 정부와 민간이 공동으로 구체적인 에너지 및 환경 대책을 전개하고 있으며, 그린 IT와 관련해서도 표준마련, 국제 공조 확대 등 국제 활동을 활발 히 추진 중에 있다. 일본 경제 산업성은 IT 이니셔티브 회의 를 개최하여 IT 분야의 에너지 절 약 과 IT를 활용한 에너지 절약 을 목표로 제시하였으며, 일본전자정보기술산업 협회(JEITA) 와 공동으로 그린 IT 추진위원회 를 구성하여 그린 IT관련 분야 의 국제 표준 마련, 국제적 공조 확대 및 에너지 효율성을 달성한 성공사례를 발굴하여 공유하고 있다. 프로젝트 예산 (백만엔) 목표 연구주제 나노 비트 기술 909 초고밀집형 HDD 저장 기술의 개발로 storage 당 전력 소비수준 개선 - 나노 비트 마그네틱 저장기술 - 초고성능의 마그네틱 헤드 대형 OLED 기술 668 대형디스플레이 생산과정 에서 40인치 디스플레이 패널의 전력소비를 절감 - 저손상 다면적 Electrode기술 - 다면적 투명 실링 기술 - 다면적 유기필름 기술 네트워크 전력소비를 약 - 최적 에너지 소비를 위한 데이 그린 네트워크 시스템 기술 1,283 30% 절감하며, 데이터 센터의 전력소비도 30% 터 센터 기초 기술 - 혁신적 에너지 절감형 네트워 절감 크 및 라우터 기술 표 1. 일본의 Green IT 관련 신규 프로젝트 23

27 또한, 총무성은 IT와 지구온난화 라는 주제의 조사연구회를 구성하여 경제성 장과 환경이 공존하는 유비쿼터스 네트워크 사회 실현을 목표로 그린 IT 기술 및 정책 개발을 위한 기초 연구를 비롯하여 ICT를 통한 이산화탄소 절감 효과 를 추산하는 연구 등을 진행하고 있다. 2 NTT NTT는 2009년 3월 31일 물건의 정보를 수집 전달하는 통신 인프라 차세대 무선네트워크 의 실증 실험을 개시했다. 가스미터나 자전거에 무선 단말을 장착 하여 가스 검침 정보나 자전거의 위치 정보를 수집하는 것으로 가스 검침에 드 는 비용 삭감이나 도난 자전거의 추적 등의 활용이 전망된다. 2011년 3월 말까 지 실험을 실시해 실험에 협력하는 도쿄가스(Tokyo Cas)나 NTT 커뮤니케이션 등 서비스 사업회사의 의견을 받아들이면서 단말이나 시스템의 편리성을 향상 시킬 계획이며 실험 기간 중에 단말의 콤팩트화나 기능 추가 등을 실시하여 상 용화를 목표로 하고 있다. NTT는 이번 실증 실험용으로서 전지 수명 5년 이상 의 전력 절약으로 반경 3.5~5킬로미터를 담당하는 무선 단말을 개발한다. 사용 전력은 수십 미터까지의 근거리 통신을 실시하는 IC 태그와 유사한 정도이며 저전력 전용 기지국도 새로 개발하여 도쿄(Tokyo)도 스미다(Sumida)구 등 3개 소에 설치하게 된다. 이번 실험은 전파의 새로운 이용 방법을 개발하는 유비쿼 터스 특구 사업의 하나로서, 일본 총무성에서 전파의 특례 이용을 인정받았다. NTT의 계열사인 NTT 도코모(Docomo)는 이산화탄소 삭감을 위한 ICT 에 콜로지 센터 를 운용한다. 이는 2010년에 계획하는 차세대 고속 무선 통신 기 술 LTE'의 도입 등에 의해 설비로부터 배출되는 이산화탄소(이산화탄소)의 삭 감 대책을 마련하기 위함이다. 100Mbps의 고속 통신이 가능한 이 서비스는 통 신을 제어하는 서버의 배열량이 기존 서비스의 수배에 이르는 등 많은 에너지 를 사용하고 있어 그 대책이 과제가 되고 있기 때문이다. LTE는 휴대전화에서 광섬유와 동일한 수준의 고속 통신이 가능하게 되는 기술이나, 서버에서의 부하 가 크고 통신시 배열량이 기존 통신 서비스의 4배에 이를 것으로 예상된다. 이를 위해 현재 부분 공조 방식 이라는 공조 기술이나 서버 배열구에서 나온 열을 다시 활용하는 기술 등 각종 실험을 실시하고 있다. 이러한 실험 결과로 24

28 얻어진 기술을 적용하게 되면, 이산화탄소 배출량이 연간 137만 톤에서 15%감 축된 117만 톤이 될 것으로 예상된다. 5. Green Touch Consortium 전세계가 보다 지속 가능한 통신미래를 향해 나아가고자 글로벌 컨소시엄 그 린터치(Green Touch)가 2010년 1월에 출범하였다. 알카텔-루슨트 산하 R&D 기관인 벨 연구소가 주축이 된 이 컨소시엄은 통신 네트워크의 에너지 효율성 을 현재보다 1000배 이상 향상시키는 기술 개발을 목표로 한다. 에너지 효율성 1000배 향상은 인터넷을 포함한 전세계 통신 네트워크 운용을 위해 현재 사용 되는 하루 전력 소비량으로 3년간의 운용이 가능해지는 수준을 의미한다. 정보 통신 네트워크의 이만한 에너지 절감목표를 달성하려면 현재 전력 수요에서 99.9%의 예비를 찾아야 하는데 대부분은 무선통신 분야에서 달성될 전망이다. 벨 연구소의 연구 결과, 이동통신 기지국을 비롯한 무선통신 인프라의 에너지 효율은 지금보다 1000만 배나 향상될 여지가 있음을 알 수 있다. 이러한 목표 가 성공하면 e메일 한 통 보내지 못하던 수십억 인구가 지금보다 훨씬 풍족하 면서도 지속 가능한 미래 통신인프라의 혜택을 누리게 된다. 하지만 전세계의 정보통신 네트워크를 처음부터 새롭게 설계하는 거대한 프 로젝트를 혼자서 수행하긴 불가능하기 때문에 다국적 연구개발을 위한 글로벌 컨소시엄으로 그린터치(Green Touch) 가 만들어졌다. 벨 연구소를 주축으로 AT&T, 차이나 모바일, 텔레포니카, MIT 연구소 등 대형 통신업체와 연구소 17곳이 창립멤버로 참여했다. 국내서는 삼성전자종합기술원이 유일하게 참여했 다. 6. 북유럽 1 에릭슨 (Ericsson) 에릭슨은 2009년 6월에 스톡홀름에서 개최된 에릭슨 비즈니스 이노베이션 포럼 에서 타워 튜브(Tower Tube) 를 처음 선보였다. 타워 튜브는 안테나와 25

29 RBS(Radio Base System) 일체형이면서, 전력공급 및 냉각장치까지도 포함하고 있는 캡슐형 기지국 사이트이다. 그림 5. 에릭슨의 타워튜브-1 (출처: Ericsson 홈페이지) 토마스 산델이라는 북유럽 유명 건축디자이너가 만들어서 기술혁신 디자인 관련 상을 받기도 한 타워 튜브는 하나의 원통형 콘크리트 구조물을 세우면 그 안에 기존 기지국 사이트의 모든 구성요소가 다 포함된다. 그림 6. 에릭슨의 타워튜브-2 (출처: Ericsson 홈페이지) 26

30 안테나와 RBS, 전력 및 냉각장치를 따로 구입해서 설치하는 번거로움이 없고 철탑 아래 땅을 파는 공사를 하지 않아도 된다. 그리고 조립도 매우 쉬워 도심 형 모델은 하루 안에 모든 설치 작업이 끝난다. 이러한 타워 튜브는 기지국 사 이트 하나를 구축하는 데서 배출되는 이산화탄소 양을 30%나 줄일 수 있으며, 일체형 구조이기 때문에 기존 기지국 사이트에서 RBS와 안테나 사이에 거리가 있어서 생기는 신호 손실이 생기지 않는다는 장점도 있다. 또한 도시조형을 고 려하여 다양한 디자인으로 제작 가능하며, 외부에 LCD를 장착해 광고판으로 활용 가능하다. 또한, 타워 튜브의 성능을 기존 기지국 용량의 4배로 높였지만, 냉각장치가 필요하지 않기 때문에 전력 사용을 20~65%로 줄일 수 있는 큰 장점이 있다. 2 노키아 (Nokia) 노키아는 GSM(Global System for Mobile Communications) 기지국에서의 에 너지 소비를 2010년까지 2007년 기준으로 800W에서 20% 감소시키는 것을 목표로 설정하고 준비하고 있고, 기지국의 에너지 소비를 500W의 최대 40%까 지 감소시킬 계획으로 다양한 정책들을 또한 마련하고 있다. 7. 녹색 모바일 네트워크 및 기지국 추진 전망 (Green Mobile Networks & Base Stations: Strategies, Scenarios & Forecasts, 2009) 최근 그린 IT가 이슈가 되면서 세계 각국에서도 이동통신 네트워크 및 기지 국에 대해 많은 분석 연구가 이루어지고 있다. 통신분야에서도 모바일 및 통신 기지국에 대한 연구를 전문으로 하는 Juniper Research에서 2009년에 발표한 녹색 모바일 네트워크 및 기지국의 추진 전망(Green Mobile Networks & Base Stations: Strategies, Scenarios & Forecasts ) 에 관한 보고 서에 따르면 다양한 방법으로 기지국의 전력 소모량을 예측, 기지국 전기 비용 및 이산화탄소 배출을 줄일 수 있다. 전력 소모량을 예측할 때는 아래와 같은 사항을 반드시 고려해야 한다. 27

31 - 재생 가능한 에너지를 이용한 새로운 기지국의 비율 - 총 기지국 전력 소모량 - 재생 가능한 에너지가 전송될 총 기지국의 전력 요구량 - 전력 소모량에서 파생되는 기지국 이산화탄소 배출량 이를 바탕으로 예측될 수 있는 시나리오는 다음과 같다. 증가 시나리오 통신관련 사업자들이 녹색정책에 관해 사회 적 책임을 갖지 않고 혁신적이지 않을 것이라는 추측하여 시나리오를 전개한다. 이 경우 개발도상국 시장에서 통신사업자는 디젤 연료에 의 존한 기지국 운영을 지속할 것이다. 진보 시나리오 녹색정책 중에서 통신 사업자의 선택을 강조 한 케이스로 기지국 전력사용을 녹색 에너지로 선택하고, 네트워크 내 의 훌륭한 효율성을 가진 부품으로 교체하는 등의 긍정적인 접근으로 추측하여 시나리오를 전개한다. 예를 들어, RRH와 같은 기지국 구조를 적용한 기지국에 재생 가능한 에너지를 공급하여 운영할 것이다. 변환 시나리오 녹색정책을 전체적으로 다 채택하여 매우 강 력하게 기지국 전력을 감소 시킬 수 있는 방법을 채택할 것으로 추측 하여 시나리오로 전개한다. 새로운 기지국에는 디젤 연료를 사용하지 않고, 기존의 기지국은 통신사업자가 재생 가능한 에너지로 대체하는 방법으로 운영할 것이다. 기지국의 이산화탄소 배출에 대한 증가 시나리오에서는 여전히 상당 수의 통 신 사업자들이 디젤을 이용할 것으로 예측하며, 이는 꾸준히 매년 배출량을 증 가시키는 주 요인이 되고 있다. 진보 시나리오에서는 2012년까지 이산화탄소 배출량의 증가수준을 낮추기 위한 충분한 조치를 취할 것으로 예측하며, 변환 시나리오에서는 통신사업자가 혁신적으로 녹색 정책을 실행하여 2010년부터 이산화탄소 배출량을 극적으로 감소시키도록 예측하였다. 이동통신 가입자당 이산화탄소 배출량을 각 시나리오 별로 비교할 경우, 증가 28

32 시나리오는 디젤 연료에 매우 의존적이기 때문에 단기간 내에 평균 방출량이 증가할 것으로 예측되지만, 진보 시나리오와 변환 시나리오는 이동통신 가입자 당 기지국의 이산화탄소 배출량이 매년 약 2.8kg씩 감축할 것으로 예측된다. Company 2008 Green Electricity(%) Target Orange Spain 0% - Motorola (Group) 9.0% 2009년 15%, 2010년까지 20%, 2020년까지 30% Nokia Siemens Networks (Group) 18.0% 2010년까지 50% Orange UK 18.5% 친환경전력공급을 약 80% 수 준까지 이용하기로 협약함 Nokia (Group) 27.2% 2010년까지 50% KPN Netherlands 39.0% - 표 2. 세계 통신사업자의 기지국 친환경 전력 공급 목표량 (출처: Juniper Research, Green Mobile Networks & Base Stations: Strategies, Scenarios & Forecasts ) 전 세계 휴대전화 사용인구가 2002년 중반에 10억 명에서 최근 2009년에는 40억 명으로 증가하였으며, 향후에는 아프리카, 인도 등 대륙에서도 더 큰 시장 이 형성될 것으로 예상된다. 이와 같은 수요의 상승으로 인해 현재의 기지국으 로는 사용자의 통신 사용량을 수용하기에 힘들 것으로 예상되며, 3G 네트워크 사용량 증가로 인한 통신망의 포화상태까지 방지할 수 있는 하나의 unit에 여러 서비스가 가능한 기지국 도입을 추진 중이다. 기지국은 2008년을 기준으로 전 세계 약 260만개가 운영 중이며, 34 TWh의 전력 소비량과 22 Mt의 이산화탄 29

33 소를 배출하고 있는 것으로 추정되며, 향후에는 이산화탄소 배출량이 더 증가할 것으로 전망된다. 그 해결방안으로 아래의 표와 같이 세계 각국의 통신사업자들 은 이산화탄소 배출량을 줄이기 위한 방법으로 기지국에 대한 친환경 전력 공 급 목표량을 설정하고, 실행에 옮기고 있다. 또한, 기지국 구조에서 전력 손실이 생기는 파트에 대한 개발의 필요성을 강 조하였다. 기지국 구조상에서 생기는 전력손실을 줄이기 위한 대책으로 - 낮은 전력 소모량을 소규모 기지국을 증설방안 (예: 펨토셀 구성) - 전력 증폭기의 효율성을 높이는 방안 - 전력 소모량이 큰 냉각장치를 줄이는 방안 - 전달 케이블이 필요 없는 구조인 RRH(Remote Radio Heads) 사용방안 - 전송 케이블 효율성 개선방안 - 효율적인 대기시간 관리방안 등이 있다. 그림 7. Main Unit과 RRU 간의 거리를 줄여서 전력 손실을 줄이는 방안 (출처: Juniper Research, Green Mobile Networks & Base Stations: Strategies, Scenarios & Forecasts ) 30

34 2009년 3월에 Nokia Siemens Networks에서 기지국 전력 소모 및 손실에 대한 분석 결과, RF 전달과정 중 전력 전달케이블에서만 약 50%의 전력소모가 발생하는 것으로 나타났다. 특히, 최근 3G 기반의 통신망 사용이 증가하고 있 으며, 이로 인한 통신망 증대 및 효율적인 대기시간의 원격 감시를 위해서 RRH 구조의 배치방안이 필요하다. RRH 구조의 특성상 RF 전달과정에서 생기 는 전력 전달케이블 손실을 줄일 수 있으며, 이로 인해 전력 소모량과 이산화탄 소 배출량을 줄일 수 있다. 31

35 제 3 절 국내 그린정책 및 사례분석 1. 국내 정책추진동향 1 방송통신위원회 정부와 방송통신위원회는 녹색 방송통신 추진 종합계획안을 2009년 4월에 마련하고 실행에 돌입하였다. 방송통신위원회는 6대 분야, 19개 중점 추진과제 를 선정하였고, 6대 분야 중 녹색 방송통신 기술개발 분야를 포함하였다. 이산화탄소 저배출 기술 개발 분야에서는 우선적으로 저탄소 배출에 기여할 수 있는 방송통신 기술 개발 추진한다. 유무선 중계국 설비, BcN 구축시 교환 설비, 데이터센터, 가입자 망 등에 에너지 절감 기술 개발을 추진할 예정이다. 녹색 방송통신 기후측정 지표 개발 및 표준화를 추진하기로 하였다. 방송통신 분야 기술표준 개발시 이산화탄소 저배출 및 저전력 사용 여부를 평가하는 체크리스트 또는 가이드라인 개발과 함께 방송통신 활용에 따른 에너 지 소비량 절감 측정지표 개발 및 표준화를 진행한다. 또한 전파연구소에 방송 통신기기, 설비, 프로젝트 별로 적용하는 라이프사이클평가방식 평가 및 검증업 무를 전담하기 위한 녹색 방송통신 진흥센터 설립 추진도 포함된다. 통신 기기의 소비 에너지 관련 기술기준 마련 및 표준화, 통신 기기의 에너지 효율성 제고를 위한 보증 제도를 도입하여 추진하기로 하였다. 그리고 통신분야의 저탄소 품질보증제도(가칭)를 도입하여 통신 기기의 에너 지 효율성 제고를 추진키로 했으며, 녹색 방송통신 기술 개발 표준화 국제행사 개최도 진행하기로 하였다. 2 저탄소 녹색성장 기본법, 전파법 정부가 2008년 8월 15일 공표한 저탄소 녹색성장 계획은 향후 기후변화와 관련한 국제적 추이와 환경규제 움직임과 경제성장이라는 요구를 동시에 반영 한 것이라고 할 수 있다. 2010년 1월 13일에 입법화 된 저탄소 녹색성장 기본 법 의 제 23조에서는 정보통신시설에 대한 친환경 구조로의 전환 시책을 명시 32

36 하였고, 제 27조 1항에서는 새로운 정보통신 기술의 개발과 이에 대한 녹색기 술 개발 촉진을 위한 시책 수립과 시행에 대해 명시하면서 녹색기술 개발에 대 한 필요성을 강조하였다. 또한, 최근 전파법 제 48조의 2에서 환경 친화적 무선설비 설치 에 대해 강 조하면서 이동통신 기지국에도 친환경 기술개발의 도입이 필요함을 알 수 있다. 이와 같이 정책사항은 경제적인 성장뿐만 아니라 사회 공헌 및 환경보호 등 의 사회적 책임을 강조하고 있다. 특히 에너지 효율화를 통한 에너지 절감과 이 산화탄소 배출 감소에 있어서 IT의 역할이 부각되어서, 통신설비의 그린 IT 기 술개발은 선택이 아닌 필수 사항이 되었다. 3 행정안전부 행정안전부는 녹색정보화를 통한 에너지 절감과 친환경 활동을 통해 2012년 까지 이산화탄소(이산화탄소) 배출량을 10% 이상 감축하는 녹색정보화 추진계 획 을 지난 1월 발표하였다. 녹색정보화 추진계획 에는 정보자원 그린화, 녹색 정부구현, 녹색사회 전환 촉진 등 4대 전략, 12대 중점과제와 31개 세부 추진 과제를 다루고 있으며, 2012년까지 7,000만 톤 이상의 탄소감축 효과 및 탄소 배출권 거래 시 약 2조 5,000억 원의 비용절감 효과가 있을 것으로 예측하였다. 4 지식경제부 지식경제부는 뉴 IT 전략 의 12개 세부과제 중 하나로 그린 IT'를 선정하여 IT 제품의 에너지 효율 제고 및 IT 산업의 친환경화, 에너지 효율 제고 중장기 대책을 수립하였으며, 2009년 1월에는 지식 혁신주도형 녹색성장 산업전략 (2008년 12월) 및 뉴 IT 전략(2008년 7월) 의 실행계획으로 IT 분야의 녹색 성장 전략인 그린 IT'전략을 발표하여 IT와 사회 각 분야의 에너지 고효율, 친 환경화를 추진하고 있다. 33

37 그림 8. '뉴 IT 전략' 개념도 2008년에 발표한 신성장동력의 경우, 3대 정책목표에 저탄소 녹색성장 기반 조성 을 포함하여 환경 에너지 문제 해결을 성장의 기회로 활용하는 녹색성장을 강조하였으며, 국토해양부, 환경부, 농림수산식품부, 산림청 등 관계부처가 공동 으로 참여하여 수립한 그린 에너지 산업 발전전략에서는 그린 에너지 분야에 대한 선택과 집중으로 선진국과의 기술격차를 조기에 해소하고 R&D부터 수출 산업화까지 전주기적 지원체계 구축을 통해 글로벌 그린 에너지 강국을 실현한 다는 계획을 발표하였다. 그림 9. 그린 오션 또한, 150여명의 산학연 전문가가 참여한 그린 오션 기획단 을 구성하여 환 경문제 대두에 따른 국민 삶의 질 저하, 지구온난화, 석유자원 고갈 및 유가 불 34

38 안정을 3대 위협요인으로 선정하고 9대 해결분야에 따른 100대 과제를 발표하 였다. 2. 국내 사례 1 SK텔레콤 SK텔레콤은 최근 가로등 형 중계기와 저전력 증폭기, 고효율 태양광 중계기, 친환경 올인원 안테나 등 총 4종의 차세대 친환경 네트워크 기술 개발을 완료, 시설 구축에 들어갔다. 지난 3월에 경기도 가평군 가평읍에 세계 최초로 가로등 형 중계기를 설치, 기존 중계기의 미관상 단점을 해소하고 야간 조명도 가능토록 개선을 이뤘다. 추후 공원과 아파트 단지, 도로변 등에 가로등 형 중계기를 점진적으로 확대 설 치해 통화품질 향상은 물론 도시 미관 개선에도 기여할 것이다. 그림 10. SK텔레콤의 가로등형 중계기 또한 세계 최초로 저전력 증폭기 (GaN 앰프)를 유무선 통신부품 개발업체인 RFHIC와 공동 개발하여 상용화해 중계기의 소모 전력을 46% 절감했으며, 현 재 설치된 중계기 10%에만 적용해도 연간 4천 5백 톤에 이르는 이산화탄소 배 35

39 출 저감 효과를 거둘 수 있다. 그 외 태양광 중계기는 에너지 효율을 50% 향상 시켜 1개 중계소당 연간 167 kg의 탄소배출 저감 효과를 실현했으며, 친환경 올인원 안테나 또한 안테나 수를 줄이면서도 전파방사를 효율적으로 제어해 미 관 개선 및 소모전력 절감 효과가 기대된다. SK텔레콤은 이들 차세대 네트워크 기술을 이르면 2010 하반기부터 본격적으 로 적용하는 한편 태양광과 풍력을 이용한 신재생 에너지 기지국 및 중계기를 전력 공급이 어려운 국립공원 내 등산로와 도서지역 등으로 확대 설치해나갈 계획이다. 현재 전국 25개소에 신재생 에너지 기지국 및 중계기를 시범 설치되 어 있다. 2 KT KT는 기존 LG-노텔(알카텔-루슨트)이 구축한 WCDMA 기지국 장비를 에릭 슨의 클라우드 커뮤니케이션 센터(CCC)기반 장비로 교체를 추진하고 있다. 이 프로젝트를 시작으로 삼성전자가 구축한 나머지 장비는 물론이고 4세대 등 향 후 도입할 모든 이동통신 시스템을 CCC 기반으로 구축할 계획이다. 수도권 지 역의 WCDMA장비를 CCC 장비로 교체하는 작업에 돌입했으며, 이미 CCC 장 비를 함께 개발했던 에릭슨과 장비구입 협상 중에 있다. 그림 11. KT와 에릭슨의 그린 모바일 현장시험 협약 36

40 현재 KT가 추진 중인 친환경 기지국 CCC는 기지국의 RF부분과 디지털부분 을 지중화 시키는 미래 가상기술이다. 즉 기지국에 모든 장비를 갖추는 방식이 아니라 KT 국사에 RF 장비를 제외한 모든 장비를 설치, 이를 네트워크로 연결 하고 기지국은 송수신과 관련한 최소 설비만 갖추는 개념이다. 기지국 구축에 따른 비용을 아낄 수 있으며 전력소비도 크게 절감할 수 있어 친환경 기지국으로 평가 받는 CCC는 클라우드 컴퓨팅 개념을 접목한 방식으로 에너지 절약은 물론 무선망 용량 증대도 가능할 전망이다. 지난해 7월 이명박 대통령이 스웨덴을 방문했을 당시 KT와 에릭슨이 CCC협력에 대한 양해각서 (MOU)를 교환했으며, 지난해 10월 현장시험에 관한 협약도 체결했다. 이 사업은 전체 운용비용 30% 절감은 물론 이산화탄소 배출도 30% 이상 줄 일 수 있는 획기적인 기술이며, 향후 KT에서 도입하는 모든 장비에 CCC 개념 을 반영해 갈 것으로 예상된다. 3 LG유플러스 탈( 脫 )통신을 통해 새로운 서비스에서 고객 가치를 적극 창출하겠다. 라는 중장기 전략을 내세운 LG유플러스는 최근 기존의 이동통신 장비와 차세대 이 동통신인 4세대 장비를 한 대의 기지국에 모두 수용하면서 전력 사용량을 절반 으로 줄인 친환경 멀티모드 기지국을 지난해 10월부터 전국적으로 구축하고 있 다. 그림 12. LG유플러스의 멀티모드 기지국 멀티모드 기지국의 경우 기존의 기지국과 관할지역은 동일하면서도 소모 전 37

41 력은 55% 가량 줄어든 대당 3.22 kw에 불과하다. 이는 컴퓨터(PC)에서 주변장 치 확장보드를 끼워 넣을 수 있는 슬롯 구조로, 기지국 주변 장비 설치를 최소 화하고 소모 전력은 물론 설치공간까지 줄였다. 또한 이산화탄소 배출량에서도 멀티모드 기지국은 1개당 연간 약 15톤을 절 감할 수 있다. LG유플러스가 계획대로 올해까지 2,000여 개의 멀티모드 기지국 설치를 완료하면, 연간 2만 톤 이상의 이산화탄소 배출량 감소 효과가 예상된 다. 4 웨이브 일렉트로닉스 기존의 기지국은 일종의 쉘터 내부에 일련의 장비를 설치하는 방식을 취해왔 지만 이는 비용이 높아 점차 시대에 맞지 않는 방식으로 간주되고 있으며, 이에 대한 해결책으로 떠오르는 것이 RRH이다. RRH는 중대형 기지국이 커버하는 영 역을 마이크로 셀로 더 세분화해 소형 기지국을 설치하는 개념이다. 이는 저비 용 고효율 통신장비로 예측되고 있다. 현재 국내 RRH 기술은 주로 3G 시스템을 대상으로 발전하고 있으며, 국내 주요 RRH 제작업체는 삼성전자, LG-노텔, 웨이브 일렉트로닉스가 있다. 그림 13. 웨이브일렉트로닉스의 Mobile WiMax용 RRH 38

42 그림 14. WCDMA/LTE 용 RRH 특히, 웨이브 일렉트로닉스의 RRH는 고효율 선형화 기술 및 DPD(Digital Pre-Distortion) 적용 전력증폭기를 적용했으며, 장비의 소형화 및 경량화를 위 해 히트싱크 일체형의 플러그인 타입의 전력증폭기를 채택하였다. 이는 비용절 감과 효율적인 운영방식으로 수익과 장비확보의 측면에서 모두 높은 성장을 기 대할 수 있을 것이다. 39

43 제 2 장 이동통신 기지국 시스템의 운용현황 제 1 절 이동통신 기지국 시스템의 기술동향 1. 이동통신 기지국 시스템 개요 1 이동통신 기지국 시스템의 기술동향 이동통신시스템은 크게 이동국(MS: Mobile Station), 기지국(BS: Base Station), 이동통신교환국(MSC: Mobile Switching Center)으로 구성된다. PSTN 그림 15. 이동통신 시스템(IMT2000)의 구성 (출처: 미래전파공학연구소) 이동국은 서비스영역 내에서 이동하는 무선가입자의 단말기를 말하며, 기지국 과 무선채널을 통하여 통신하게 된다. 기지국은 무선채널을 효율적인 이용을 위 40

44 하여 커다란 지역을 셀이라는 작은 지역으로 분할하여 각 셀에 기지국을 두고 이를 통하여 이동국과 무선통신을 수행한다. 그리고 그림 15와 같이, 이동통신 교환국은 공중전화통신망(PSTN)과 이동통신망의 인터페이스 역할을 담당하여 가입자들에게 회선교환서비스를 제공할 뿐만 아니라 무선자원(Radio Resource) 의 관리기능, 이동국의 위치를 추적하여 항상 서비스 가능하도록 하는 기능, 통 화 중 이동국이 이동하더라도 통화를 지속시켜주는 기능 등을 제공한다. 이러한 기지국 시스템은 서비스 별로 사용하는 주파수에 따라 안테나 및 RF 단의 종류가 틀려서 각 서비스 별로 별도의 기지국이 필요하다. 그러나 한정된 장소에 여러 개의 안테나와 기지국 등의 설치로 인해 자원의 낭비와 이로 인한 탄소배출 등의 다양한 문제점이 야기되고 있다. 따라서 이를 감안한 효율적인 이동통신 기지국 기술개발에 대한 검토가 필요할 것이다. 그림 16은 기존의 이동통신 기지국과 차세대 이동통신 기지국의 구성을 보여 준다. 위의 그림은 기존의 이동통신 기지국이며, 무선처리부가 안테나와 분리되 어 설치되어서 일반 케이블로 연결되어있음을 알 수 있다. 하지만 아래 그림과 같이, 차세대 이동통신 기지국의 하나인 RRH 시스템은 안테나와 무선처리부가 함께 상부에 설치되어 있으며, 각각의 RRH는 광케이블로 연결하여 전송손실을 줄이고자 하였다. 이러한 RRH 시스템은 스마트폰 대중화로 대변되는 고용량 무선데이터 수요급증에 수용하기 힘든 기존의 이동통신 기지국에 비해 차세대 이동통신 기지국은 이러한 단점을 개선하면서, 환경과 미관까지 고려한 친환경 기지국으로 진화하고 있다. 또한 그린 IT에 따른 기지국의 저전력 소비요구 등 이 이슈로 부각되며 차세대 이동통신 기지국에 대한 관심이 커지고 있는 가운 데, 4G의 핵심기술인 OFDM(직교 주파수 다중분할), MIMO(다중 입출력)의 효 율적인 구현이 가능하게 해주는 다양한 안테나, RF 기술이 개발 되면서 이를 적용한 초소형 기지국 개발이 급부상하고 있다. 41

45 그림 16. 기존 이동통신 기지국과 차세대 이동통신 기지국의 구성 (출처: 에이스테크놀로지) 42

46 2. 안테나 기술 동향 기존의 기지국에는 Omni 안테나, Sector 안테나, A/D공유기지국 안테나 등이 사용되었다. 그러나 채널간섭 및 상호변조로 인한 문제점이 발생하여 이후에는 안테나 방사체 자체에 연결된 바랙터 다이오드, MEMS 스위치 등 많은 스위칭 제어 소자들을 제어하여 다중 모드로 동작하는 안테나 기술을 적용하였다. 이러한 재구성 안테나에는 복수개의 스위칭 소자들이 안테나 방사체 자체에 실장되어 있어서 스위칭 소자의 저항성 손실이 크며, 복잡한 전기적인 외부 제 어회로로 인한 안테나 특성열화로 안테나 효율이 매우 낮다는 단점이 있으며, 안테나의 입력 임피던스를 상황에 따라 다시 정합시켜야 한다는 불편이 따르며, 복잡한 구조로 광대역 특성을 얻기 어렵다. 여러 개의 스위칭 제어 소자들로 인 해 안테나의 최대 입력 전력을 제한하며, 안테나의 동작 신뢰성을 저하시키며, 급전회로 설계 시에도 어려운 단점이 있다. 하지만 차세대 이동통신의 발달로 주파수대역을 고정하지 않고 실시간으로 사용하지 않는 상용 이동통신 주파수대역을 찾아 재사용하는 주파수 스펙트럼 효율을 개선하는 안테나 기술들이 늘어나고 있다. 1 RRH (Remote Radio Head : 원격무선장비) RRH는 통신제어 부문인 베이스밴드와 전파를 직접 전달하는 라디오 유닛 (RU)으로 구성되는 기지국 설비에서 RU의 일부를 원격으로 분리해 기존 중계 기 역할을 할 수 있도록 한 장치이다. 그림 18과 같이, RRH를 이용하면 하나의 베이스밴드에 여러 원격무선장비를 둘 수 있어 중계기의 역할을 기지국이 대체할 수 있다. 이는 RRH를 적용한 스 마트한 기지국이 소프트웨어 컨트롤에 의한 적절한 프로세싱과 광학 인터페이 스를 통해 기지국 소형화, 전력손실 최소화, 공사비 축소 등을 통해 기지국의 효율성 향상과 함께 운영비용과 장비 구매비용을 줄일 수 있게 된다. 그리고 RRH를 적용한 기지국은 기지국 내 RF 시스템을 sub-system화하여 기지국 안테나 바로 밑에 설치, 베이스밴드(BBC)와 광(Optic)으로 연결하여 자 연냉각이 가능한 방식으로 광 인프라 구축이 필수적이다. 43

47 그림 17. 원격무선장비(RRH)를 이용한 통신구조 (출처: 에이스테크놀로지) 2 SDR (Software Defined Radio: 소프트웨어 기반 이동통신 기술) 그림 18. SDR 기반 시스템 개념도 (출처: HY-SDR 연구센터) 44

48 SDR은 일반적으로 통신시스템을 구성하는 기지국과 단말기에서 하드웨어를 통해 RF를 지원하던 것과 달리, 이를 소프트웨어 형태로 바꿔주는 기술이다. 즉, 첨단 디지털 신호처리 기술과 고성능 디지털 신호처리 소자를 이용하여 하 드웨어 수정 없이 모듈화된 소프트웨어의 변경만으로 단일의 송수신 시스템을 통해 다수의 무선 통신 규격을 통합 수용하기 위한 무선접속기반 기술이다. 이러한 SDR 시스템의 가장 큰 장점은 단말기 및 기지국 시스템의 업그레이 드와 새로운 서비스의 추가가 용이하며, 특별한 하드웨어 수정 없이 다중모드 전환 문제의 해결이 가능하다는 장점이 있다. 또한, 장래 무선통신 규격 선정에 따른 단말기와 기지국의 특별한 하드웨어 업그레이드가 불필요하게 된다. 3 스마트 안테나(Smart Antenna) 기술 유 무선 규격을 적절하게 수용할 수 있는 다중모드 SDR 시스템 기술을 기반 으로 한 스마트 안테나를 적용한 스마트 안테나 기지국 구조는 그림 19에서 보 여준다. 그림 19. 스마트 안테나 기지국 구조 (출처: 신성문, 방승찬, 주간기술동향 통권 1093호, 스마트 안테나 기술 개발 동향,2003.) 45

49 일반적으로 이동통신 시스템의 기지국 안테나는 그림 20의 첫 번째 그림과 같은 전방향 안테나(Omni-directional Antenna)가 사용되어 방향에 상관없이 일정한 이득을 주도록 제작한다. 이럴 경우 안테나에 송수신되는 모든 신호들은 기지국의 송수신 안테나와의 거리에 따라 Power의 정도를 달리하여 송수신되 며 송수신 희망 신호에 간섭의 영향을 미친다. 따라서 이 기지국 안테나는 선택 적으로 신호에 이득을 주어 송수신할 수 없다. 이러한 간섭의 영향을 줄이기 위 해 셀을 여러 섹터로 나누어 여러 개의 안테나를 사용하는 방법이 있는데, 가령 셀을 3개의 섹터로 나누어 3개의 안테나를 사용하여 각 안테나가 120도를 담 당하도록 한다면 간섭의 영향을 1/3로 줄일 수 있다. 그림 20. 안테나의 발달 과정 (출처: 신성문, 방승찬, 주간기술동향 통권 1093호, 스마트 안테나 기술 개발 동향,2003.) 간섭의 영향을 줄일 수 있는 또 다른 방법으로는 안테나가 하드웨어적으로 고정되어 정해진 특정 각으로부터 도달하는 신호에 대해 큰 이득을 주고 다른 방향에서 송수신되는 간섭 신호에 매우 작은 이득을 주도록 제작하는 것도 있 다. 그러나 이 방법은 송수신체가 고정되어 있는 경우에 한하여야 한다. 좀 더 고급적인 방법으로는 희망 신호를 송출하는 송신체가 이동하거나 그 46

50 신호의 도달 각이 상황에 따라 가변적일 때는 여러 안테나 소자로 구성된 어레 이(Array)를 사용하는 것이다. 안테나 어레이는 원거리 신호원들의 위치를 파악 하거나 그들로부터 나오는 신호들을 선택적으로 송수신하는데 이용되고 주변으 로부터 들어오는 방해 전파를 제거하는데 이용된다. 스마트 안테나 시스템이란 배열된 안테나의 위상을 제어하여 특정 신호(원하 는 방향의 신호)를 선택적으로 송수신하고 간섭 신호의 영향을 최소화시킴으로 써 가입자 상호간의 간섭을 대폭 감쇠시킨 것이다. 즉 셀 내의 각 단말기에 독 립된 빔을 송수신간에 제공하고 원하는 단말기 방향으로 이들을 극대화되도록 빔을 형성시킴으로 여타의 단말기 방향에 전파량을 극소화할 수 있다. 그러므로 수신 신호의 잡음을 대폭 감쇠시킨다. 스마트 안테나 시스템은 통화 채널 간 방해 전파(Interfering Noise)를 최소 화하여 통화 품질을 향상시키고 가입자 수를 증가시킬 수 있는 시스템이며 원 하는 방향으로 전파가 집중되어 각 단말기는 저전력으로 통화가 가능하므로 배 터리 수명을 획기적으로 연장할 수 있는 기술이다. 결국 스마트 안테나 시스템 이란 각 단말기 방향으로 독립된 빔 패턴을 제공하여 통신 용량을 증대시키고 통신 품질을 대폭 개선할 수 있는 지능형 기지국을 실현하는 기술이다. 즉, 안 테나 빔 형성 기술을 이용해 특정 사용자(원하는 방향)의 신호를 선택적으로 송 수신하고, 간섭 신호의 영향은 최소화함으로써 데이터 전송용량과 품질을 크게 높여주는 기술이다. 이는 간접신호를 제거해 전송용량을 증대시키고 다중경로 반사파(fading)의 영향을 적게 받아 우수한 품질을 유지할 수 있는 반면, 하드 웨어의 복잡도가 증가하고 비용이 높아진다는 것이 단점을 가진다. 4 주파수 및 편파 재구성 최근의 다양한 무선 이동통신 서비스들은 정보의 고속화 및 다기능 복합화 서비스를 점진적으로 요구하고 있는 추세이므로 이러한 요구 사항들을 만족하 기 위한 기술개발이 필요한 실정이며, 차세대 복합 다기능 단말기 및 복합 기지 국 시스템 구현에 필요한 기술 중 하나가 바로 재구성 안테나 기술이다. 하지만 종래의 재구성 안테나 기술은 복수개의 스위칭 소자로 인해 효율성이 떨어지며, 급전회로의 설계가 어려운 단점이 있었으나, 최근 발표된 고유하면서 안테나 방 47

51 사체를 독립적으로 선택할 수 있는 주파수 재구성 안테나 소자 구조 및 광대역 편파 재구성 안테나 소자 구조를 개발하였다. 이는 스위칭 제어 소자들이 방사 체에 직접 실장되는 것이 아니라 외부 스위치 회로에 별도로 실장되기 때문에 다중 대역 안테나 소자로도 활용이 가능하다. 특히, 주파수 재구성 안테나 소자 기술은 차세대 이동통신 기지국 및 중계기 배열 안테나의 배열 소자로 활용할 수 있으며, 광대역 편파 재구성 안테나 소자 기술은 인접 다중 안테나들 간의 실 시간적 직교 편파를 사용함으로써 일정한 안테나 간격 하에 고 격리 특성을 얻을 수 있으므로 차세대 MIMO 기지국 및 중계기 배열 안테나의 배열소자로 폭넓게 활용할 수 있을 것이다. 3. 기지국 시스템 무선처리부 기술동향 최근 4세대 이동통신 서비스의 등장과 대용량 무선 통신 수요의 증대로 기지 국 시스템 무선처리부에 관한 새로운 기술개발의 필요성이 증가하고 있다. 이에 따라, 각 업계에서는 고선형성과 높은 전력효율을 가지는 전력 증폭기에 대한 기술개발과 기지국 시스템 수신기의 감도를 증대시킬 수 있는 저잡음 증폭기에 관한 기술개발이 이루어지고 있다. 1 TMA (Tower Mounted Amplifier) 기존의 기지국 시스템에서 저잡음 증폭기 앞 단 안테나 케이블의 손실은 잡 음지수의 증가를 초래하여 수신 셀 반경 및 통화용량을 감소시킨다. 이러한 점 을 방지하기 위하여 기지국의 Duplexer와 초단 저잡음 증폭기를 하나의 모듈 로 하여 안테나 철탑에 설치하는데 이를 TMA(Tower Mounted Amplifier)라 한다. TMA는 이동통신 기지국 시스템에서 기지국으로부터 전송되는 송신선로 를 필터링 하는 송신 필터와 기지국 안테나로부터 수신되는 수신 신호를 필터 링하는 수신 필터와 앞의 수신 필터에 의해 필터링 된 수신 신호를 증폭하는 저잡음 증폭기, 증폭된 수신신호를 중간 주파수 대역의 신호로 변환하는 다운컨 버터로 구성된다. 48

52 그림 21. Dual Band용 TMA (출처: LGP Telecom TMA) TMA는 유지보수의 어려움 때문에 매우 높은 신뢰성을 요구하며 낙뢰 등의 피해에 대비하기 위한 EMC 함체 구조 및 어레스터를 포함하고 있다. TMA를 사용할 경우, Uplink의 민감도를 개선시키고, 전력소모량을 줄이므로 이산화탄 소 절감효과를 가져오며 이동통신 기지국의 수신부를 소형화할 수 있는 장점이 있다. 2 TMB (Tower Mounted Booster) 수신시의 TMA와 비슷한 개념으로 전력증폭기를 결합한 모듈을 TMB라 한다. TMB는 안테나의 EIRP를 증가시켜 서비스 반경을 증가시키며 TMA의 업링크 시 기능과 보완하여 업링크와 다운링크 서비스 반경의 균형을 유지한다. 3 친환경 전력증폭기 (GaN Amplifier) - SK텔레콤, RFHIC 1장 3절에서 언급한 바와 같이, 지난 5월에 SK텔레콤은 유 무선 통신부품 개 발업체인 RFHIC와 공동으로 질화갈륨을 이용한 친환경 전력증폭기를 개발하였 다. 이 친환경 전력증폭기는 현재 국내 중계기에 설치된 LDMOS (Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor) 증폭기에 비해 36% (131W 84W)의 에너지 절감 효과를 보여준다. 49

53 그림 22. TMB의 역할 (출처: LGP Telecom TMB) 4 LTE 기지국을 위한 저잡음 증폭기 아바고테크놀로지스 2010년 8월에 아바고테크놀로지스코리아는 기지국 RF Front-end 디자인용 초저잡음 증폭기를 개발, 판매를 시작하였다. 이는 기존의 자사 제품의 주파수 50

54 대역인 450 MHz ~ 2,300 MHz에 2,300 MHz ~ 4,000 MHz 주파수를 추가함으로 CDMA, WCDMA, WiBro 서비스의 주파수를 필요에 맞게 선택할 수 있다. 특히 이 저잡음 증폭기의 잡음지수는 주파수 2,500 MHz에서 평균 0.56 db, 최대 0.75 db 로써 동종 부품 중 최상의 성능을 나타내고 있으며, 35.9 dbm이라는 높은 OIP3 성능으로 고선형성을 가지며, 56 ma의 낮은 전류 소모량을 보여준다. 이와 같이 기지국 시스템의 무선처리부의 기술은 차세대 이동통신 시스템의 적용에 발맞추어 저전력, 고선형성을 가지며 광대역 특성을 가질 수 있는 기술 개발에 노력을 기울이고 있음을 알 수 있다. 51

55 제 2 절 이동통신 서비스별 주파수 분배현황 및 기술기준 본 절에서는 기존 이동통신 기지국 시스템의 운용현황을 알아보고자 서비스 별 주파수 분배 현황과 기술 기준을 분석한다. 현재 이동통신 기지국 시스템은 이동통신 서비스별로 각각 기지국을 설치하고, 둘 또는 세 개의 서비스를 합쳐 서 설치한다. 하지만 이는 전력 효율, 운영 및 설치 비용 면에서 많은 손실을 가져오기 때문에 차세대 이동통신 기지국의 도입이 필요한 것이다. 최근 사용하 고 있는 이동통신 서비스로 CDMA, WCDMA, WiBro 가 있으며, 이동통신 주파 수 분배 현황은 다음 그림 23과 같다. 그림 23. 이동통신 서비스별 주파수 스펙트럼 (출처: 미래전파공학연구소) 현재 WCDMA의 하향 링크 대역 1,920 ~ 1,940 MHz와 상향 링크 대역 2,110 ~ 2,130 MHz 는 미할당 상태이며, WiBro의 2,363 ~ 2,390 MHz 대역 또한 미할당 상태이다. 각 서비스별 주파수 분배현황을 살펴보면 다음 그림 24~26과 같으 며, 각 통신사별 무선국 기술기준은 표 3~5와 같다. 52

56 1. CDMA 이동전화용 주파수 대역(824 ~ 849 MHz, 869 ~ 894 MHz)은 현재 SK텔레콤에서 사용 중이며, 개인휴대전화(PCS)용 주파수 대역(1,750 ~ 1,780 MHz, 1,840 ~ 1,870 MHz)은 현재 KT와 LG유플러스에서 사용 중이다. 그림 24는 CDMA 대역 의 주파수 분배현황을, 표 3은 통신사별 CDMA 대역의 기술기준을 나타내고 있다. 그림 24. CDMA 대역의 주파수 분배현황 (출처: 미래전파공학연구소) 사용자 전파형식 무선국종별 공중선 전력 FA CH SK텔레콤 1M32G7W KT 1M32G7D 1M32D7W 20W 이하 LG유플러스 1M32D7D 7 14 표 3. 통신사별 CDMA 대역의 기술기준 (출처: 미래전파공학연구소) 53

57 2. WCDMA 이동통신(IMT-2000)용 주파수 대역(1,940~1,980 MHz, 2,130~2,170 MHz)은 현 재 SK텔레콤과 KT에서 WCDMA 방식을 서비스 중이며, 앞서 언급한 바와 같 이 1,920 ~ 1,940 MHz와 2,110 ~ 2,130 MHz는 미할당 상태이다. 그림 25는 WCDMA 대역의 주파수 분배현황을, 표 4는 통신사별 WCDMA 대역의 기술기 준을 나타내고 있다. 그림 25. WCDMA 대역의 주파수 분배현황 (출처: 미래전파공학연구소) 사용자 점유대역폭 무선국종별 공중선 전력 FA CH 미할당 - - SK텔레콤 5 MHz 이하 40W 이하 1 2 KT 1 2 표 4. 통신사별 WCDMA 대역의 기술기준 (출처: 미래전파공학연구소) 54

58 3. WiBro 휴대인터넷(WiBro)용 주파수 대역(2,300~2,390 MHz)은 현재 SK 텔레콤과 KT 에서 사용 중이며, 2,363~2,390 MHz는 현재 미할당 상태이다. 그림 24 는 WiBro 대역의 주파수 분배현황을, 표 5 는 통신사별 CDMA 대역의 기술기준을 나타내고 있다. 그림 26. WiBro 대역의 주파수 분배현황 (출처: 미래전파공학연구소) 사용자 전파형식 무선국종별 공중선 전력 FA CH SK텔레콤 1 3 KT 9M00G(D)7W 40W 이하 1 3 미할당 - - 표 5. 각 통신사별 WiBro 대역의 기술기준 55 (출처: 미래전파공학연구소)

59 제 3 절 기지국 시스템의 시설 및 운영비용 분석 본 절에서는 기존 이동통신 기지국 시스템의 시설현황과 운영비용을 분석 하고, 기존 이동통신 기지국 시스템의 문제점을 도출하고자 한다. 1. 기지국 구조 및 무선국수 조사 1 기지국 시스템의 정의 및 구성방법 전파법 제19조제6항 및 전파법시행령 제10조(무선국의 분류)에의 기지국에 대한 정의는 "육상 이동국과의 통신 또는 이동중계국의 중계에 의한 통신을 하 기 위하여 육상에 개설하고 이동하지 아니하는 무선국 이라고 정의하고 있으나 이동통신사업자는 기지국을 BTS (Base station Transceiver Subsystem), 광중 계기 등 통화권 확대의 목적에 따라 셀을 설계하고 개설된 업무에 따라 여러 종류의 기지국으로 각 사에서는 정의하고 있다. 그림 27. 이동통신망 네트워크 구성도 (출처: 김충남 차세대 이동통신실무기술 2001) 56

60 각 통신사업자의 사내에서 정의되는 기지국을 종류별로 정의해보면, BTS라 부르는 모( 母 )기지국에 대한 정의로는 기지국장치는 이동통신 교환기에서 기지 국 제어장치까지 E1/T1급 회선으로 구성되며, 기지국 제어장치에서 기지국 사 이는 중계회선(E1/T1급 회선)으로 연결하여 이동가입자에게 무선통신 서비스를 제공하는 무선국이다. 그림 28. 기지국 시스템의 Baseband와 무선처리부 블록도 (출처: 김충남 차세대 이동통신실무기술 2001) 기지국은 이동통신 교환기에서 이동가입자를 호출하기 위해 교환기에서 가입 자 호출신호를 가입자정보처리장치에 등록되어있는 정보에 해당 기지국 제어장 치와 기지국으로 전달하여 호출하게 된다. 기지국에서는 기지국 제어장치로부터 전달된 Digital 신호를 RF로 변환하여 가입자를 호출하는 역할을 수행한다. 기 지국 장치는 그림 29와 같이 기저대역 처리부와 무선처리부로 구성되어 있으며, 기지국 장치의 출력 등의 성능을 시험하기 위한 시험장치가 있어 교환국에서 원격으로 측정이 가능하다. 기지국과 기지국간의 동기를 일치시키고 핸드오프 등을 수행하기 위해서 GPS 위성신호를 직접 위성으로부터 수신하기 위한 GPS 안테나가 있다. 또한 기지국은 통화권 확대를 위하여 1~4국 정도의 광중계기지 국과 광중계 이동중계국을 종속으로 가지며, 이때 종속되는 광중계기지국과 광 중계 이동중계국은 기지국에서 받은 주파수 범위 내에서 운용이 가능하다. 기지 57

61 국 건설은 광중계기지국 건설에 비해 많은 건설비용이 들어가기 때문에 각 이 동통신사업자간 기지국의 철탑 등을 공동 사용할 수 있도록 기지국 공용화를 전파법 제48조제2항 및 전파법시행령 제42조제3항에 의거 법으로 정하여 건설 토록 하고 있다. CDMA 에서의 기지국 시스템은 BTS와 Switching System으로 나누어지며, 각각의 시스템마다 세부 기능을 구현하기 위해 적정한 블록으로 구성되고 BTS 는 CDMA 디지털 이동통신 기술을 사용한 개인 통신 시스템에서 이동국과 기 지국 제어기 사이에 위치하여 개인단말기에 대한 호를 제어하고 유지보수 기능 등을 수행한다. 즉 이동국이 기지국을 최초로 인식할 수 있도록 유도하고, 필요 한 데이터를 내려주며, 호 요구에 대해 트래픽 채널을 할당하고, 호 Path를 열 어준다. 기지국은 설치 환경에 따라 일반 실내형과 외장형으로 크게 구분하며, 통화권 확대 단위 지역 가입자의 불균형한 증가 및 보다 세분화된 설치환경에 따른 통 화량 및 경제성 수용을 위해 광중계기지국과 소형 광중계기지국 등으로 세분화 된다. 광중계기지국과 기지국과의 관계는 초기 이동통신은 기지국만 가지고 통 화권을 구성하였다. 그러나 기지국의 그러나 기지국의 출력은 한정이 되어 있고 약간의 음영지역 통화권에 기지국을 건설할 경우 비용적인 측면에서 매우 어려 울 뿐만 아니라 서비스권역내의 공간 변화가 계속 이루어지면서 통화권 구성이 매우 어렵다. 이러한 음영지역의 해소를 위하여 저렴한 비용으로 구성이 가능한 중계시스템을 이용하고 있다. 58

62 2 기지국 시스템의 무선처리부 및 안테나부 구조 기존 이동통신 기지국 시스템의 실제 구조를 알아보고자 SK 남산빌딩의 기 지국을 방문 조사하였다. 조사 대상은 SK텔레콤 남산 빌딩의 옥내용 WCDMA 기지국이다. 그림 29. 실제 기지국 시스템 Block Overview (출처: 미래전파공학연구소) 그림 29는 실제 기지국 장비의 블록도와 실제 장비 사진으로 구성되어 있으 며, 실제 기지국 장비의 제원 및 특성은 다음과 같다. - 구분: 옥내형 기지국 - 중량: 460 kg - 운용온도, 습도: 0 ~ 50, 20 ~80% 59

63 - 전원규격: 21Vdc (Backup) - 구성: α, β, γ, 3개 섹터에 대하여 각각 2FA(총 6FA)를 운용 중이며, 옥내에 3개의 랙장비로 구성되어 있으며 1개의 랙에서 2FA를 운용 중. - 안테나 이득: 기존은 17 db 점차 소형안테나로 대체되는 추세, 약 13 ~ 15 db(70cm급) - 기지국 장비구분: 도시용은 20 W급 (Coverage = 100 ~ 150 m) 교외용은 60 W급 (Coverage = 500 ~ 1,000 m) - 기지국 상시 운용출력: 39dBm 최대 43 dbm까지 상향 조정 가능함. 도시 및 교외 대부분 39dBm으로 운용. 교외의 경우, 커버리지 가 넓어도 전파방해를 일으키는 건물 및 시설이 없기 때문에 신호왜곡이 적어 통신품질(C/N)에는 문제가 없음 - RF 케이블 손실: 8 ~ 10 ~ 100 m - 기지국 방사출력: 약 17 dbw (소형 안테나 사용시, 14 ~ 15 dbw) - 기지국 서비스별 전력 소모량 - WCDMA 기지국 장비 가격: 약 1억 5천 만원. 전력소모량 (kwh) CDMA-1x WCDMA WiBro Cooling System Total 대부분의 기지국이 운용되는 현황과 유사하나, 일부 기지국 설비에 따른 차이도 있을 수 있음. 60

64 그림 30. 실제 기지국 시스템의 블록도 (출처: 미래전파공학연구소) 그림 30은 실제 기지국 시스템의 블록도이다. 특히, 채널 카드에서 처리된 디지털 신호는 트랜시버 카드로 전송되어 D/A 컨버터를 지나 RF 신호로 변 환되어 전력 증폭기를 통해 송신신호로 전송되며, 수신된 신호는 저잡음 증폭 기를 통해 원하는 RF신호를 뽑아낸 뒤 A/D 컨버터를 지나 디지털 신호로 변 환된 후 채널카드를 통해 신호처리를 하게 된다. 이 중 무선처리부와 안테나 부의 블록도는 그림 31에 자세히 나타나 있다. 좌측의 Duplexer는 순방향과 역방향 신호를 분리하기 위한 것이며, 이를 통과한 순방향 신호는 Drive Amp.에서 증폭된다. 이 후 Dieletric BPF에서는 회로 내의 기생신호를 제거 하고 순방향과 역방향 분리도를 증가시켜 순방향 잡음 신호가 역방향에 영항 을 주지 않도록 한다. BPF를 통과한 신호는 안테나 수만큼 할당된 경로로 전 력분배기를 통해 분배된다. 전력분배과정에서 발생된 손실을 보전하고 안테나 입력단에서 케이블로 인한 손실을 고려하여 전력 증폭기의 전력 크기를 정한 다음, 안테나 급전회로로 전송시킨다. 61

65 그림 31. 기지국 시스템 무선처리부의 블록도 (출처: 미래전파공학연구소) 62

66 3 무선국수 ( 기준) 2장 2절에서 분석한 주파수 분배 현황 및 기술기준을 바탕으로 무선국 허가 현황을 분석하여 무선국수를 조사하였다. 특히 무선국 중 기지국수 현황은 연간 기지국 전력 소모량 조사 및 연간 이산화탄소 배출량 조사를 위한 기초자료가 될 것이다. 무선국수 현황은 2009년 12월 기준이다. o 이동전화용 주파수 대역 (824 ~ 849 MHz, 869 ~ 894 MHz) 전파지정기준에 따르면 이동전화용 주파수 대역( ~ MHz, ~ MHz)은 SK 텔레콤에서 서비스를 제공하고 있으며, 이동전화용 주파수 대역의 기지국수는 2009 년 12 월 기준으로 41,011 국이며, 이동중계국수는 5,590 국이다. 용도 무선국수(개) 기지국 41,011 국 이동중계국 5,590 국 Total 46,601 국 표 6. 이동전화용 주파수대역에서의 무선국수 현황 (출처: 미래전파공학연구소) 이동전화용 주파수 대역에서의 무선국수 조사 결과에서 기지국수가 이동중계국수보다 현저히 많은 이유는 이동전화용 이동통신 서비스 초창기에 SK 텔레콤이 서비스 확장을 위해 이동중계국보다 기지국 설치에 중점을 두었기 때문이다. 63

67 o 개인휴대전화(PCS)용 주파수 대역 (1,750~1,780 MHz, 1,840~1,870 MHz) 개인휴대전화(PCS)용 주파수 대역을 KT 는 1, ~ 1, MHz/ 1, ~ 1, MHz대역에서, LG 유플러스는 1, ~ 1, MHz/ 1, ~ 1, MHz대역에서 서비스를 제공하고 있다. 개인휴대전화(PCS)용 주파수 대역의 기지국수는 2009 년 12 월 기준으로 68,512 국이며, 이동중계국수는 20,374 국이다. 용도 무선국수 기지국 68,512 국 이동중계국 20,374 국 Total 88,886 국 표 7. 개인휴대전화(PCS)용 주파수 대역에서의 무선국수 현황 (출처: 미래전파공학연구소) 개인휴대전화(PCS)용 주파수 대역에서의 무선국수 조사 결과, 개인휴대전화(PCS)용 서비스 초창기에는 서비스 확장을 위해 이동중계국보다 기지국 설치에 중점을 두었으나, 이 후에는 음영지역 해소를 위한 이동중계국 설치를 늘였음을 알 수 있다. 64

68 o 이동통신(IMT-2000)용 주파수 대역 (1,940~1,980 MHz, 2,130~2,170 MHz) 이동통신(IMT-2000)용 주파수 대역은 SK 텔레콤이 1,940 ~ 1,960 MHz/ 2,130 ~ 2,150 MHz대역에서, KT 는 1,960 ~ 1,980 MHz/ 2,150 ~ 2,170 MHz대역에서 서비스를 제공하고 있다. 이동통신(IMT-2000)용 주파수 대역의 기지국수는 2009 년 12 월 기준으로 88,734 국이며, 이동중계국수는 26,916 국이다. 용도 기지국 이동중계국 Total 무선국수 88,734 국 26,916 국 115,650 국 표 8. 이동통신(IMT-2000)용 주파수대역에서의 무선국수 현황 (출처: 미래전파공학연구소) 이동통신(IMT-2000)용 주파수 대역에서의 무선국수 조사 결과, 이동통신(IMT-2000)용 개인휴대전화(PCS) 무선국수 조사 결과와 마찬가지로 서비스 초창기에는 서비스 확장을 위해 이동중계국보다 기지국 설치에 중점을 두었으나, 이 후에는 음영지역 해소를 위한 이동중계국 설치를 늘였음을 알 수 있다. 65

69 o 휴대인터넷(WiBro)용 주파수 대역 (2,300~2,358.5 MHz) 휴대인터넷(WiBro)용 주파수 대역은 SK 텔레콤이 2,300 ~ 2,327 MHz 대역에서, KT 는 2,331.5 ~ 2,358.5 MHz대역에서 서비스를 제공하고 있다. 용도 Total 무선국수 16,813 국 표 9. 휴대인터넷(WiBro)용 주파수 대역에서의 무선국수 현황 (출처: 미래전파공학연구소) 휴대인터넷(WiBro)용 주파수 대역에서는 휴대인터넷(WiBro)용 기지국을 설치하였으며, 16,813 국이 설치되어있다. 66

70 2. 기지국 장비 비용 분석 1 기지국 및 중계기 설치비용, 기간 기존 이동통신 기지국 시스템의 설치비용을 분석하고, 차세대 이동통신 기지 국 시스템 예상비용을 도출하여 각 기지국 시스템의 비용을 비교하고자 한다. 기지국의 설치 시 소요비용과 건설기간은 이동통신 서비스 제공을 위해 사업 자가 가장 많은 부분을 투자해야 하는 사업이다. 새로운 기지국 또는 중계기를 설치하는 경우 소요비용 및 기간은 아래의 표 10과 같다. 시설물 (평균커버리지) 철탑기지국 소형기지국 광중계기 (약 1,000m) (약 500m) (약 100m) 소요내역 장비비용 (만원) 건물비용 (만원) 인 허가 소요 시간 (개월) 총 시설비용 (만원) 54,000 20,400 3,000 7,500 4,600 1,000 3~6 3~6 1 61,000 25,000 4,000 표 10. 기지국 및 중계기 설치비용 및 기간 (출처: 반경식, 이동통신 기반시설의 공동사용에 관한 연구: 기지국 공용화를 중심으로 ) 현재는 철탑기지국보다 소형기지국 위주로 설치하는 추세이며, 최근에는 증가 하는 데이터 통신량을 수용하기 위해 중계기와 유사한 구조인 RRH의 개발 및 설치가 이루어지고 있다. RRH의 경우, 중계기보다 장비비용이 약간 높게 책정 될 것으로 예상되지만, 중계기와 큰 차이는 나지 않을 것으로 예상된다. 67

71 서비스 결합에 따른 광중계기 제작비용은 표 11에 나타나있다. 각 서비스를 하나의 중계기로 합쳐서 제작할 경우, Duo형은 단독형의 약 15%, Triple형은 7%의 비용감축 효과를 보여준다. 각 서비스를 하나의 장비에 탑재할 경우, 설 치비용 및 운영비용 절감과 설치 면적 감소 등의 다양한 장점을 가지고 있기 때문에 최근에는 Duo형이나 Triple형을 설치하는 추세이다. 서비스 결합별 중계기 종류 제작비용 (만원) 단독형 (CDMA or WCDMA) 1,000 Duo (CDMA+WCDMA) 1,700 Triple (CDMA+WCDMA+WiBro MIMO) 2,800 표 11. 서비스 결합에 따른 중계기 제작비용 비교 (광중계기의 경우) (출처: CS, 미래전파공학연구소) 68

72 제 4 절 기지국 시스템의 전파효율 분석 1. 기존 기지국 시스템의 전파효율 분석 1 서비스별 무선처리부 및 안테나부 전력효율 분석 다음은 SK텔레콤에서 각 서비스별로 많이 사용되는 기지국 장비의 무선처리 부와 안테나부의 소모전력 및 출력전력을 분석한 자료이다. o CDMA 표 12를 살펴보면, CDMA 서비스를 하는 DDR-Duo 20/20의 경우 출력전력 은 20W이며, 총 소모 전력량은 180Wh이다. CDMA 서비스를 하는 DDR-Duo 40/60의 경우 출력전력은 40W이며, 총 소모 전력량은 298Wh이다. 모델명 Part 소모전력(Wh) 출력전력 Ant. 20W HPA W DDR-Duo 20/20 LNA mw Module mw Total W Ant. 40W HPA W DDR-Duo 40/60 LNA mw Module mw Total W 표 12. CDMA 기지국의 무선처리부 및 안테나부 소모 전력량, 출력전력 분석 (출처: SK 텔레콤) 69

73 이와 같이 CDMA 기지국의 소모전력이 실제 출력 전력보다 현저히 높은 이 유는 그림 32와 같이 기지국 무선 처리부 및 안테나부 총 소모 전력량의 약 70 ~ 76 %를 HPA에서 소모하고 있기 때문임을 알 수 있다. 그림 32. CDMA 무선처리부 파트별 전력소모량 (출처: SK 텔레콤, 미래전파공학연구소) o WCDMA 모델명 Part 소모전력(Wh) 출력전력 Ant. 30W HPA W DDR-W60 LNA mw Module mw Total W Ant. 60W HPA W DDR-W60 LNA mw Module mw Total W 표 13. WCDMA 기지국의 무선처리부 및 안테나부 소모 전력량, 출력전력 분석 70 (출처: SK 텔레콤)

74 표 13을 살펴보면, WCDMA 서비스를 하는 DDR-W60의 경우 출력전력은 30W이며, 총 소모 전력량은 259.6Wh이며, 같은 DDR-W60이지만 안테나 단의 출력전력을 60W으로 높여서 사용할 경우, 총 소모 전력량은 362Wh이다. WCDMA 기지국에서 각 파트별 전력 소모량을 그림 33에서 살펴보면, HPA가 총 전력 소모량의 73 ~ 81 %를 차지하고 있음을 알 수 있다. 그림 33. WCDMA 무선처리부 파트별 전력소모량 (출처: SK 텔레콤, 미래전파공학연구소) o WiBro 모델명 Part 소모전력(Wh) 출력전력 Ant. 10W HPA W SF-IMN LNA mw Module mw Total W (40dBm) 71

75 모델명 Part 소모전력(Wh) 출력전력 Ant. HPA W 45W (MIMO) SF-IM LNA mw Module mw Total W 표 14. WiBro 기지국의 무선처리부 및 안테나부 소모 전력량, 출력전력 분석 (출처: SK 텔레콤) 표 14를 살펴보면, WiBro 서비스를 하는 SF-IMN 의 경우 출력 전력은 10W 이며, 총 소모 전력량은 328Wh이며, SF-IM은 출력 전력이 30W이며, 총 소모 전력량은 490Wh이다. WiBro 기지국의 경우, 안테나 단의 출력전력은 낮아도 실제 사용하는 안테나의 종류가 MIMO 안테나이기 때문에 HPA의 소모 전력이 타 서비스 기지국에 비해 높음을 알 수 있다. 특히 그림 34를 살펴보면, HPA가 총 전력 소모량의 82 ~ 88 %를 차지하고 있음을 알 수 있다. 그림 34. WiBro 무선처리부 파트별 전력소모량 (출처: SK 텔레콤, 미래전파공학연구소) 72

76 2. 차세대 이동통신 기지국 시스템의 전파효율 분석 지금까지 전력 소모량 분석 결과, 기지국 부품 중에서 가장 많은 전력을 소모 하는 부품이 HPA임을 알 수 있다. 또한 무선처리부와 안테나부 사이를 연결하 는 케이블에서 전력 손실은 케이블 길이에 따라서 약 5 ~ 10 db 발생한다. 이 렇게 발생하는 전력 손실을 줄이는 방안으로 최근에는 무선처리부를 안테나와 합쳐서 함께 옥외에 설치하는 연구가 이루어지고 있으며, 실제로 제작되어 상용 화를 준비 중에 있다. 이러한 구조는 안테나와 무선처리부가 함께 장착되므로 케이블로 인한 전력 손실이 줄어들며, 이렇게 줄어든 전력 손실만큼 HPA는 보 상받을 수 있으므로, 기존의 기지국보다 낮은 HPA 출력전력을 사용할 수 있다. 그림 35. 케이블 전력손실이 개선된 기지국 HPA의 출력전력과 기존 기지국 HPA의 출력전력 비교 (출처: 미래전파공학연구소) 73

77 그림 35는 케이블 전력 손실이 개선된 경우의 HPA 출력전력을 비교하였다. 이 때의 HPA는 기존 기지국의 HPA와 등가적인 효율을 가진다는 전제하에 산 출하였다. 실제 기지국 방문조사 결과, RF 케이블의 전력손실이 케이블 길이에 따라서 약 5 ~ 10 db 발생하므로, 케이블 전력손실이 각각 5, 8, 10dB 개선되 었을 경우의 HPA 출력전력을 산출하였다. CDMA 20W 기지국의 HPA 출력전 력은 30W이지만, 케이블 전력손실이 5, 8, 10dB 개선된 경우의 HPA 출력전력 은 각각 4.3W, 3.3W, 3.0W 이다. 케이블 전력손실이 개선된 결과, 약 14 ~ 10%의 출력 전력만으로도 동일한 커버리지를 가지는 기지국 운용이 가능할 것 으로 예상된다. 74

78 제 3 장 차세대 이동통신 기지국 시스템의 효율성 제 1 절 전력 소모량 절감 효과 2장의 결과와 같이 기존 이동통신 기지국은 케이블 전력손실이 높아서 HPA 가 많은 전력을 소모하고 있음을 알 수 있다. 따라서 본 절에서는 전력 소모를 줄이는 방안으로 케이블 전력손실이 개선된 기지국을 제안하고, 기존의 기지국 과 개선된 기지국의 전력 소모량을 산출하여 비교하고자 한다. 개선된 기지국은 기존의 기지국과 등가적인 효율의 HPA를 사용했을 경우를 전제로 산출하였다. 먼저, 앞서 조사하였던 CDMA 서비스 20W 및 40W급 기지국과 WCDMA 서 비스 30W 및 60W급 기지국, WiBro 서비스 10W 및 30W급 기지국의 연간 전 력 소모량을 계산하기 위해 무선국 허가 DB 상에서 해당 출력을 가지는 무선 국수를 분석하였다. 기지국 종류 DB 상 해당 무선국수의 비율 CDMA 20W 32.7% CDMA 40W 1.7% WCDMA 30W 5.0% WCDMA 60W 1.0% WiBro 10W 31.1% WiBro 30W 15.6% 표 15. 무선국 DB상의 해당 무선국수 비율 (출처: 미래전파공학연구소) 표 15의 결과는 2장 4절의 서비스별 무선처리부 및 안테나 전력효율을 분석 75

79 한 기지국을 기준으로 무선국 DB상에서 해당 무선국 수를 분석하였고, 서비스 별 전체 무선국 대비 해당 무선국수의 비율을 도출하였으며, 아래의 수식에 대 입하여 표 16, 그림 36과 같이 연간 전력 소모량을 산출하였다. 연간 전력 소모량(kWh) = 기지국 개당 전력 소모량(kWh) X 24시간 X 1년 X 기지국 수 DB 상의 해당 무선국수를 적용한 연간 전력 소모량 [MWh] 케이블 전력손실이 개선된 기지국 기존의 기지국 (단, 등가적인 효율의 HPA 를 사용한 경우) 5dB 8dB 10dB CDMA 20W 56,421 8,060 6,269 5,642 CDMA 40W 4, WCDMA 30W 10,072 1,439 1,119 1,007 WCDMA 60W 2, WiBro 10W 15,039 2,148 1,671 1,504 WiBro 30W 11,255 1,608 1,251 1,125 표 16.. DB상의 해당 무선국수를 적용한 기존 기지국과 케이블 전력손실이 개선 된 기지국의 연간 전력소모량 (출처: 미래전파공학연구소) 표 16과 그림 36의 결과에서 CDMA 20W급의 경우, 무선국 허가 DB 상에 해당되는 기존의 기지국은 연간 56,421 MWh의 전력을 소모하지만, 케이블 전 력 손실이 5, 8, 10 db 개선된 기지국은 연간 8,060 MWh, 6,269 MWh, 5,642 MWh의 전력을 소모하고 있다. 이와 같이 케이블 전력 손실이 개선된 기지국을 적용하면 14 ~ 10 %의 전력 소모만으로도 기지국 운영이 가능할 것으로 예상된다. 또한 기존 기지국의 76

80 HPA 효율이 약 15 ~ 20 % 정도의 수준이었으나, 최근 개발 및 상용화 중인 RRH 기지국의 HPA 효율은 약 26 % (LG유플러스 RRH 장비 Sample)이므로, 앞서 산출하였던 전력소모량보다 절감할 수 있을 것이다. 그림 36.. DB상의 해당 무선국수를 적용한 기존 기지국 시스템과 케이블 전력손 실이 개선된 기지국의 연간 전력 소모량 비교 (출처: 미래전파공학연구소) 다음은 무선국 허가 DB 상에 해당되는 기지국수의 비율이 낮으므로, 이를 제 외한 기지국의 연간 전력소모량을 추정하고자 한다. 각 서비스별 기지국의 평균 전력소모량을 도출하고, DB 상의 해당 무선국수를 제외한 무선국수를 대입하여 연간 전력소모량을 산출하였다. 표 17과 그림 37의 결과를 보면, 무선국 허가 DB 상의 해당 무선국보다 많 은 무선국수이므로 앞선 표 16과 그림 36의 결과보다 전력소모량이 많음을 확 인할 수 있다. DB상의 해당 무선국수를 제외한 기존 CDMA 기지국의 추정되는 연간 전력소모량은 약 150,493 MWh이지만, 케이블 전력손실이 5, 8, 10dB 개 선된 기지국은 연간 21,499 MWh, 16,721 MWh, 15,049 MWh의 전력을 소모할 것으로 추정되며, 케이블 전력손실이 개선된 기지국을 적용하면 기존 기지국의 14 ~ 10% 전력소모량으로 기지국 운영이 가능할 것으로 예상된다. 77

81 DB 상의 해당 무선국수를 제외한 기지국의 연간 전력 소모량 [MWh] 기존의 기지국 케이블 전력손실이 개선된 기지국 (단, 등가적인 효율의 HPA 를 사용한 경우) 5dB 8dB 10dB CDMA 150,493 21,499 16,721 15,049 WCDMA 227,055 32,436 25,228 22,705 WiBro 32,091 4,584 3,566 3,209 표 17. DB 상의 해당 무선국수를 제외한 각 서비스별 기존 기지국과 케이블 전 력손실이 개선된 기지국의 연간 전력소모량 (출처: 미래전파공학연구소) 그림 37. DB 상의 해당 무선국수를 제외한 기존 기지국과 케이블 전력손실이 개 선된 기지국의 연간 전력소모량 비교 (출처: 미래전파공학연구소) 다음은 앞서 도출한 결과를 바탕으로 DB 상의 전체 무선국수에 대한 기존 78

82 기지국과 케이블 전력손실이 개선된 기지국의 연간 전력소모량을 비교한 결과 는 그림 38과 같다. 기존 기지국이 연간 약 51만 MWh의 전력을 소모하지만, 케이블 전력손실이 10 db 개선된 기지국의 경우, 기존 기지국 연간 전력소모량 의 10 % 만으로도 기지국 운영이 가능하며, 연간 약 45만 MWh 이상의 전력소 모량을 줄일 수 있다. 그림 38. DB 상의 전체 무선국수에 대한 기존 기지국과 케이블 전력손실이 개선 된 기지국의 연간 전력소모량 비교 (출처: 미래전파공학연구소) 79

83 제 2 절 이산화탄소 배출량 절감 효과 본 절에서는 4장 1절의 결과를 바탕으로 기존의 기지국과 케이블 전력손실 이 개선된 기지국의 연간 이산화탄소 배출량을 산출하여 비교하고, 이산화탄 소 배출량 절감 수준을 분석하고자 한다. 개선된 기지국은 기존의 기지국과 등가적인 효율의 HPA를 사용했을 경우를 전제로 하였다. 연간 이산화탄소 배출량을 도출하기 위해서 4장 1절의 연간 전력소모량 외 전력 석유환산계수 및 전력 탄소배출계수는 IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change) 의 가이드라인과 에너지경제연구원( 통계를 근거로 적용하였 으며, 연간 이산화탄소 배출량은 다음과 같은 수식으로 산출할 수 있다. 전력 석유 환산량 TOE = 연간전력소모량(MWh) X 0.215(전력 석유환산계수) 전력 탄소배출계수 TC = 전력 TOE X 전력 탄소배출계수( TC/TOE) = 전력 이산화탄소 배출량 tco2 = 연간전력소모량(MWh) X (0.424 TCO2/MWh) 기존의 기지국 DB 상의 해당 무선국수를 적용한 연간 이산화탄소 배출량 [tco2] 케이블 전력손실이 개선된 기지국 (단, 등가적인 효율의 HPA 를 사용한 경우) 5dB 8dB 10dB CDMA 20W 23,968 3,424 2,663 2,397 CDMA 40W 2, WCDMA 30W 4, WCDMA 60W 1, WiBro 10W 6, WiBro 30W 4, 표 18. DB상의 해당 무선국수를 적용한 기존 기지국과 케이블 전력 손실이 개선 된 기지국의 연간 이산화탄소 배출량 (출처: 미래전파공학연구소) 80

84 그림 39. DB 상의 해당 무선국수를 적용한 기존 기지국 시스템과 케이블 전력손 실이 개선된 기지국의 연간 이산화탄소배출량 비교 (출처: 미래전파공학연구소) DB 상의 해당 무선국수를 적용한 기지국의 연간 이산화탄소 배출량을 도출 한 결과는 표 18, 그림 39와 같다. CDMA 20W급의 경우, 무선국 허가 DB 상 에 해당되는 기존의 기지국은 연간 23,968 톤의 이산화탄소를 배출하지만, 케 이블 전력 손실이 5, 8, 10 db 개선된 기지국은 연간 3,424 톤, 2,663 톤, 2,397톤의 이산화탄소를 배출하는 것을 알 수 있다. 이 결과 케이블 전력손실 이 개선된 기지국을 적용할 경우, 기존 기지국의 연간 이산화탄소 배출량을 약 86 ~ 90% 감축할 수 있을 것으로 예상된다. 다음은 무선국 허가 DB 상에서 해당되는 기지국수의 비율이 낮기 때문에 이 를 제외한 기지국의 연간 이산화탄소 배출량을 추정하여 도출하고자 한다. 4장 1절의 DB 상의 해당 무선국수를 제외한 연간 전력소모량 결과를 바탕으로 도 출하였고, 그 결과는 그림 40, 표 19와 같다. 무선국 허가 DB 에서 해당 무선 국수를 제외한 기존 CDMA 기지국의 추정되는 연간 이산화탄소 배출량은 약 63,930 톤이지만, 케이블 전력손실이 5, 8, 10dB 개선된 기지국은 연간 9,133 81