한국통신학회ㅣKICS Information & Communication Magazine - Open Lecture SeriesㅣISSN 1226-4725 정보와 통신 OPEN LECTURE SERIES 열린강좌 2015년 9월호 제32권 9호(별책 1호) 창간호 정보와 통신 별책 SEPTEMBER 2015 이동통신기술의 이해 주파수와 전파통신의 원리 이동통신 기술의 발전 LTE 이동통신의 원리 이동통신망에서의 인터넷 서비스 5G 이동통신의 출현 w w w. k i c s. o r. k r
CONTENTS 학회지위원회 정보와통신 OPEN LECTURE SERIES 열린강좌 별책 위원장 김영한 ( 숭실대학교 ) 부위원장 강신각 (ETRI) 강준혁 (KAIST) 부편집장 김성륜 ( 연세대학교 ) 이재훈 ( 동국대학교 ) 김평수 ( 한국산업기술대학교 ) 간 사 강남희 ( 덕성여자대학교 ) 위 원 강석중 ( 고려대학교 ) 강승택 ( 인천대학교 ) 강훈종 ( 전자부품연구원 ) 공승현 ( 한국과학기술원 ) 권용환 (ETRI) 김승환 (ETRI) 김영용 ( 연세대학교 ) 김용규 ( 한국철도기술연구원 ) 김진영 ( 광운대학교 ) 김형준 (ETRI) 문영준 ( 한국교통연구원 ) 박광로 (ETRI) 서호선 ( 퀄리아 ) 성단근 (KAIST) 성영철 ( 한국과학기술원 ) 송왕철 ( 제주대학교 ) 송홍엽 ( 연세대학교 ) 심규석 ( 서울대학교 ) 안규철 ( 안산대학교 ) 안동명 ( 위스텍 ) 안재영 (ETRI) 위규진 (TTA) 유명식 ( 숭실대학교 ) 이성로 ( 목포대학교 ) 임용곤 ( 한국해양과학기술원 ) 장준혁 ( 한양대학교 ) 조성래 ( 중앙대학교 ) 조용수 ( 중앙대학교 ) 최윤식 ( 연세대학교 ) 창간사... 노종선 ( 한국통신학회회장 )_02 머리말... 강충구 ( 고려대 )_03 주제 : 이동통신기술... 편집위원 : 강충구 ( 고려대 ) 전파의원리와이동통신응용... 장병준, 홍인기, 황선한 _04 이동통신의발전및핵심기술... 방승찬 _13 LTE 이동통신의이해... 최우진, 김현표 _27 이동통신망에서의인터넷서비스구조... 김영한 _36 5G 이동통신기술발전방향... 김문홍, 박종한, 나민수, 조성호 _46 용어및약어표..._57 정보와통신열린강좌 ( 비매품 ) 2015 년 5 월 28 일인쇄 2015 년 5 월 29 일발행 등록번호 : 라-6287 발행인 : 노종선편집인 : 김영한편집장 : 강신각, 강준혁인쇄인 : 박명율발행처 : 사단법인한국통신학회 (http://www.kics.or.kr) 137-858 서울시서초구서초동 1330-18 현대기림오피스텔 1504호전화 : 02)3453-5555 FAX: 02)539-5588 제작 : 금영인쇄 선진출판전화 : 02)2275-8561 E-mail: sjin82@chol.com 이책은한국과학기술단체총연합회의일부재정지원에의해발간되었습니다.
창간사 안녕하십니까한국통신학회는 1974년에설립된이래로우리나라의정보통신기술발전을주도하며산업계, 학계, 연구계, 정부관계전문가등이참여하는명실상부한국내최대의학술단체입니다. 그동안한국통신학회는전문학술지, 다양한학술대회, 기술워크샵및포럼등의활동으로국내외 ICT기술의발전을견인해왔습니다. ICT 기술분야는최근들어서기술간의융합과발전을통해 ICT분야를넘어산업전반에격변을만들어내고있습니다. 무선전화가인터넷과결합하여스마트폰을만들고, 더나아가초연결사회를위한사물인터넷 (Internet of Things: IoT) 을구현하며, 이를통해모든산업분야에걸쳐혁명적인변화를불러오는이른바스마트혁명 (Smart Revolution) 이일어나고있는것입니다. 이러한스마트혁명에의해초래되는연구및산업분야의급속한변화에부응하기위하여한국통신학회는지난 40년동안 ICT 발전의주역으로서많은기여를해온것을더욱발전시키기위하여오늘새롭게 정보와통신열린강좌 를창간하게되었습니다. 본정보와통신열린강좌는그동안최신기술이슈를전문적인내용으로심도있게다루었던 정보와통신 학회지와는달리 ICT 분야의신기술을일반인, 공학도, 특히학부생수준에서이해할수있고, 또한 ICT분야기술자들도종합적인시각을갖게할수있는이해하기쉬운강의내용들로구성하게됩니다. 이를통하여 ICT의지식을전문가영역뿐만아니라일반사회에도전파하는역할을담당하게될것으로생각합니다. 또한학회회원들에게만제공되던전문학회지와는달리비회원들에게도자유롭게공개하여명실상부한오픈저널로제공됩니다. 이러한열린강좌는 ICT분야학부생및나아가융합기술시대의타분야산업계분들에게보다쉽고체계적으로 ICT분야의기술을전파함으로써 ICT융합의스마트혁명시대에인재양성의역할을수행하게될것으로기대합니다. 이번첫열린강좌는 이동통신기술 을주제로하여그기본원리부터최근의 LTE 이동통신까지의기술적인진보를조명했습니다. 특히, 현재뿐만아니라미래의기술전망도같이포함하였습니다. 첫회이동통신기술부터앞으로사물인터넷, 빅데이터, 기가인터넷, 클라우드등등사회에서필요로하는신기술들의핵심을상세히다루어앞으로많은분들이유용하게활용하실수있도록발전시켜나아갈것입니다. 본열린강좌가 ICT 기술을처음공부하는데필요한기초적인자료로활용되고, 이를통해 ICT기술의발전과타분야와의융합에도움이되기를기대하겠습니다. 원고집필에최선을다해주신전문가들의노고에감사드리며본지가발간되기까지한국통신학회명예회장님들과학회관계자및든든한후원자이신학회회원님들에게다시한번감사드리며본시작이앞으로많은열매로수확되기를기원합니다. 약력 노종선한국통신학회회장 학력 : 서울대학교전자공학과공학사 /University of Southern California, Dept. of EE, 공학박사경력 : ITU 전권회의총괄자문위원 /( 미국 ) Hughes Networks Systems, SMTS/ 한국공학한림원정회원 /IEEE Fellow (Information Theory Society) 현재 : 서울대학교전기정보공학과교수 / 서울대학교뉴미디어통신공동연구소소장 / 방송통신발전기금운용심의회심의위원
머리말 누구나쉽게이해하는이동통신기술의원리와발전사, 그리고차세대이동통신서비스에대한열린강좌 스마트폰은어느듯단순한통화차원을넘어서어떤대상과도필요한정보를주고받을수있는플랫폼으로자리를잡게되었습니다. 여기서인간의기본적인소통욕구를충족할수있을뿐만아니라, 새로운경제질서와디지털문화가태동하게됩니다. 이러한다양한스마트폰기기가언제어디서나인터넷에접속되고, 대용량의동영상서비스를제공할수있게되기까지는지난 30여년에걸친이동통신기술의지속적인발전에의해서가능해졌습니다. 본열린강좌는 이동통신기술 을주제로하여그기본원리를이해하고, 기술의발전사와더불어미래를따라가보고자합니다. 이를위해서 1세대아날로그이동통신기술부터 2세대의디지털이동통신, 그리고최근 LTE 이동통신까지의기술적인진보를조명했습니다. 특히, 현재상용화된 LTE 시스템에서어떻게빠른데이터전송이가능한지를이해하고, 그구조에대해서살펴보고자합니다. 또한, 스마트폰에서다양한인터넷서비스를구현하기위한구조와원리를쉽게설명하며, 이를통해어떻게실시간방송컨텐츠가제공되는지를이해할수있을것입니다. 마지막으로본강좌는 2020년경에상용화가될것으로예상되는 5세대이동통신의개념을살펴보고, 이동통신의기술발전이실현하게될미래의모습을조명하고있습니다. 본열린강좌를통해누구나이동통신시스템과서비스의기본적인원리를쉽게이해하고, 그기술의발전방향을함께예측해볼수있는기회가될것입니다. 본강좌가이동통신기술을처음공부하는데필요한기초적인자료로활용되고, 이를통해디지털문명의기술적근간을이해하는데조금이나마도움이되기를기대하겠습니다. 일반독자들이전문지식이없이도이동통신기술을쉽게이해할수있도록원고집필에최선을다해주신전문가들의노고에감사드립니다. 그리고, 본지가발간되기까지는한국통신학회명예회장님들의제언과학회관계자들의헌신적인참여가없이는불가능했다는점을상기하면서, 열린강좌로서앞으로도디지털사회를살아가는모든분들에게든든한나침반역할을할수있기를기대하겠습니다. 약력강충구고려대학교교수 학력 : UC Irvine 전자및컴퓨터공학과박사 /UC San Diego 전자공학학사경력 : Rockwell International 연구원 /Aerospace Corporation 연구원 /UC San Diego Center for Wireless Communication 방문연구원한국통신학회이동통신연구회위원장현재 : 고려대학교전기전자공학부교수 / 한국통신학회학술서비스부회장 /5G Forum 무선기술분과장
이동통신기술 전파의원리와이동통신응용 어떻게무선으로통신이가능하며, 전파는이동통신에서어떻게이용되는가? 장병준, 홍인기 *, 황선한 ** 국민대학교전자공학과, 경희대학교전자전파공학과 *, 정보통신기술진흥센터 ** Ⅰ. 전파의원리 4 전파 (radio wave) 는요즘과같은전자시대에서없어서는안될기반재이며, 국가공공재인주파수 (frequency) 를구성하는원천이다 [1][2]. 전파의사전적의미는우리나라의전파법제 2조에잘명시되어있는데, 전파란인공적매개물이없이공간에전파하는 3,000GHz 보다낮은주파수의전자파 라고정의되어있다. 하지만사람들이일반적으로얘기하는넓은의미의전파는 무선통신에사용되는무선주파수를포함하여적외선, 가시광선, 자외선, X선, 우주선등을총칭하는것 이라고명명해도틀린말이아니다. 전파의존재를최초로예언한사람은영국의맥스웰 (James Clerk Maxwell) 이며, 그는전기가흐를때 < 그림 1> 과같이그주위에전계가발생하며전계의변화가주변에자기장을형성하고또이렇게형성된자계가주변의전계를변화시키면서전계와자계가순차적으로전달되어파도와같은파동이발생한다는 " 맥스웰방정식 (Maxwell Equation) 이론을발표하였고, 1871년에이파동이바로전파라고명명하였다. 무선통신에사용되는주파수를포함하여적외선, 가시광선, 자외선, X 선, 우주선등을총칭하여넓은의미의전파로정의할수있으며, 맥스웰방정식을이론의근거로삼고있다. 그림 1. 전계와자계의파동원리 파동 (wave) 의개념을좀더쉽게이해하려면 < 그림 2> 와같이물결이수면에퍼지는모습을상상하자. 연못에돌을던지면물결파가주위로퍼지는데, 이때물분자는같은장소에서진동하고있을뿐이지만그진동이파동이되어주위에전달된다. 따라서파동이란물분자의움직임, 즉에너지가전달되는것이지물분자자체가이동하는것이다. 이러한파동을주파수 (Frequency) 와연관시킬수있는데, 주파수는 1초동안진동하는파동수를의미하며, 독일의유명한과학자인헤르츠 (Heinrich Rudolf Hertz, 1857~1894) 의이름을기리기위해헤르츠 (Hertz) 라부르고약어로 Hz 라고쓴다. < 그림 2> 의예를보면, A지점에서 B지점까지파동이전달되는데 1 정보와통신열린강좌
주파수는 1 초동안진동하는파동수를의미하며, 독일의유명한과학자인헤르츠 (Heinrich Rudolf Hertz, 1857~1894) 의이름을기리기위해헤르츠 (Hz) 라표기한다. 그림 2. 파동의전달초가걸리고진동이 4개있으므로주파수는 4Hz가된다. 가정집에서사용하고있는전기는 1초에 60번진동하며 60Hz가되고 MBC FM 라디오방송의주파수는 1초에구천백구십만번진동하여 91.9MHz (=91,900,000Hz) 가된다. 이러한파동에는여러가지종류가있는데, 가장이해하기쉬운파동으로사람의소리를예로든다. 소리는음파 ( 音波 ) 라부르며, 음파역시파동이므로주파수가있다. 사람의성대는 100Hz 정도의낮은음에서부터 8000Hz 정도의높은주파수의소리를낼수있으며, 사람의귀는좀더정교하여 20Hz에서 20kHz까지의음파를구별할수있다. 소리의주파수높고낮음을쉽게구별하는방법으로는여성의목소리는주파수가높은고음이고, 남성의목소리는주파수가낮은저음이라는것을생각하면주파수의차이를쉽게구별할수있다. 전파와음파가다른점은소리의파동은공기중의진동에의해진행되므로그속도가 340 [m/sec] 정도로느린데반해, 전파는전기장과자기장의상호작용에의해빛의속도인 3 x 10 8 [m/sec] 로매우빠르다. 전파 ( 電波 ) 도파동이므로주파수로표시할수있으며, < 그림 3> 을보면 3kHz부터시작하는초장파 (VLF; Very Large Frequency) 에서 3000GHz까지의서브밀리미터파까지를전파의범위 5 그림 3. 다양한주파수를갖는전자기에너지파동들 SERIES 1
로통상얘기한다. 300MHz 이하파장이긴주파수들은주로라디오방송 (AM, FM) 과무전기등에사용되며, 300MHz부터 3GHz 사이의극초단파는주로이동통신용도로사용되고있다. 그리고 3GHz 이상의주파수들은각종레이더장비또는위성통신등에현재사용되고있다. < 그림 3> 에서파장 (wavelength) 이란용어가등장하는데, 파장이란 < 그림 4> 와같이한주기동안전파의길이를의미하며주파수가높아질수록파장은짧아짐을알수있다. 파장은무선통신에서안테나크기, 전파의반사또는회절특성등에직접연관되므로중요하고, 아래의식으로부터파장을계산할수있다. 이식에서속도는상수 ( 전파의경우, 3 x 10 8 m/sec) 이므로파장과주파수사이에는반비례관계가있음을알수있다. 예를들어 1GHz 주파수의신호의파장은인 30cm가된다. 마찬가지로 1MHz 신호의파장은 300m가되므로주파수가낮으면반비례하여파장은커진다. 6 그림 4. 주파수에따른파장비교 파장이란한주기동안전파의길이를의미하며주파수가높아질수록파장은짧아지고, 안테나크기및전파의반사또는회절특성등에직접연관되므로중요하다 Ⅱ. 전파의무선통신응용 전파는태초부터있었지만우리가전파를통신분야에활용하기시작한역사는약 100년정도밖에되지않는다. 100년전전파가어떻게사용되기시작하였는지알아보기위하여우리는 1912년으로돌아가보자. 그해는호화여객선타이타닉호가영국에서미국으로가던중빙산과충돌하여 2,228명의승객중 1,523명이사망한대참사가있었던시기이다. 타이타닉호사건은비극이지만전파의활용에서는일대의전환을이룬사건이다. 이때부터사람들은엄청난비극속에서도그나마 700여명을구조할수있었던무선전신의위력에주목하기시작했다. 이탈리아발명가마르코니 (Guglielmo Marconi, 1874~1937) 가 1897년영국런던에마르코니무선전신회사를설립한이후일부애호가들사이에서만알려졌던전파기술은타이타닉호사건으로인해급격히확산되기시작했다 [3]. 바로그해에미의회는전파의사용을원하는사람은허가를얻어야한다는 1912년전파법 (Radio Act of 1912) 를통과시켰고, 방송 (broadcasting) 이란단어가미해군에의해최초로 명 정보와통신열린강좌
전파를통신분야에활용하기시작한역사는약 100 년정도밖에되지않으며, 정보를원거리에있는상대방에게손실없이전송하기위해전파에정보를싣는행위를변조 (modulation) 라고한다. 그림 5. 마르코니의무선전신기령을무선으로한꺼번에여러군함에보낸다 라는의미로사용된것도그시점이다. 이후제1차세계대전 (1914-1918) 은전파사업이비약적으로발달된계기가되었다. 전쟁이라는특수한상황이었기에특허를고려하지않아도되었고이에새로운전파기술이신속히확산될수있었다. 이렇게발달된전파기술은라디오방송을거쳐텔레비전방송, 이동통신, 위성통신, 위성방송등통신과방송용도로활발하게사용되어왔다. 전파의통신응용을이해하기위해전파에정보를실어서전송하는무선통신기술의원리에대해간략히소개한다. 전파에정보를싣는행위를변조 (modulation) 라고하는데, 변조의목적은정보를원거리에있는상대방에게손실없이전송하기위함이다. 즉, 사람이아무런장비없이목소리만으로외칠경우그소리는몇백미터이상은전달되지못하는데, 변조를통해전파에목소리정보를실어보낼경우에는수백킬로미터이상의거리를전송할수있다. 무선통신초기의변조방식은크게진폭변조 (AM; Amplitude Modulation), 주파수변조 (FM; Frequency Modulation), 위상변조 (PM; Phase Modulation) 등으로구분되는데, 여기에서는진폭변조에대해서만간략히소개하겠다. 진폭변조는반송파의크기를정보신호의세기에비례해서변조시키는방식이다. < 그림 6> 에서파장이상대적으로긴신호인 Modulating Signal은사람의목소리를파형으로표시한정보이고, Carrier Signal은장거리전송을목적으로정보를싣는매개체전파인반송파 (Carrier) 를말한다. 따라서 Modulating Signal과 Carrier Signal이합쳐지는과정을변조라고부르는데, 진폭변조가완료된결과를 < 그림 6> 에서는 Modulated Signal이라기술하였다. 수신기에서는송신기의역으로진폭변조된반송파의에너지크기 ( 포락선 ) 를검출하여송신기에서보낸목소리정보를복원한다. 7 그림 6. 진폭변조의원리 SERIES 1
이동통신의세대가 1세대부터 4세대까지바뀌면서변조방식도보다많은정보를오류없이전송할수있도록지속적으로진화하였다. 요즘사용중인이동통신방식인 4세대이동통신은 OFDM (Orthogonal Frequency Division Modulation) 변조를사용하여전파를시간적및공간적으로최대한쪼개서전송효율을극대화하는기술이며, 다음에게재될 이동통신의역사 란주제에서자세히다룰예정이다. 마르코니의무선전신을시작으로전파는통신과방송등다양한분야에서사용되어왔다. < 그림 7> 에서 LF(Low Frequency) 부터시작하여넓은범위의주파수대역들에서 AM/FM 라디오방송, TV 방송, 이동통신, 위성방송등통신및방송분야에서이미산업의중추적인역할을하고있다. 또한, 최근에는방송 통신 국방등전통적인전파활용서비스이외에무선전력전송, 전파의료, 공공안전등전파를이용한새로운서비스가출현하고있는데정부 ( 미래창조과학부 ) 에서는이를 미래전파 로정의하고있다 [4]. 그중에서무선전력전송은휴대폰의무선충전을시발점으로이미우리생활에들어와있으며최근에는주방가전분야와전기자동차무선충전분야로연구개발방향을넓혀가고있다. 미래전파의향후연구개발분야들중에서소출력레이더기술을생활에활용하는센싱분야와무선전력전송및무선에너지하베스팅기술을연구하는에너지분야가연구자들의관심을받고있다. 마르코니의무선전신을시작으로전파는통신과방송등다양한분야에서사용되어왔으며, 최근에는방송 통신 국방등전통적인전파활용서비스이외에무선전력전송, 전파의료, 공공안전등전파를응용한새로운미래전파서비스가발굴되고있다. 8 그림 7. 전파의다양한응용예 Ⅲ. 이동통신의기본원리 전파의무선통신응용중가장대표적이고국민거의모두가사용하는서비스가이동통신이다. 유선전화와같이고정된지점사이의통신만을제공하는고정통신에비하여, 이동통신이란사람, 자동차, 열차, 선박, 항공기등움직이는이동체를대상으로하는통신을말한다. 일반가정에서사용하고있는전화와같은고정통신에서는전화가걸려오는바로그순간전화기근처에있지못하면통화를할수없는것은물론이며또한통화를위해서는전화기가위치한곳으로이동하여야만하기때문에사용자위주라기보다는전화기위주였다고할수있다. 이에반하여, 이동전화는사용자가어디에위치하여있더라도통화할수있도록하기위한통신방식으로, 결국이동통신에서제공하고자하는서비스는언제, 어디서나, 누구와도통신이가능하도록하겠다는것이다. 이렇게이동한지역에서도통신이가능하도록하기위해서는모든정보는전파를이용한무선을통해서전달되어져야만한다. 이동통신방식을이해하기위해서, 우선우리가흔히접하고있는 TV나라디오와같은방송을 정보와통신열린강좌
셀룰러통신은전파가도달하는일정거리의구역단위인셀들로전국을나누어서비스하는방식으로주파수를재사용할수있어주어진주파수대역으로많은사용자를수용할수있다. 먼저살펴보자. 방송의경우하나의방송국 ( 송신기 ) 에서전국어디로나동일한정보를전송하고각각의사용자는자신이위치한임의의지역에서신호를수신하기시작하는순간부터정보의전달이이루어진다고할수있다. 따라서방송형통신방식에서는전송하고자하는정보를전체서비스영역을대상으로전달하면되므로수신자의위치를알필요가없다. 초기이동전화시스템에서도이와같은방송형신호전달형식을사용하였는데, 예를들면서울과같은광범위한영역전체를대상으로신호를전송하였다. 신호전달방식도라디오신호를전송할때사용하는 FM(- Frequency Modulation, 주파수변조 ) 방식을사용하였으며, 또한각각의사용자는서로다른주파수를사용하여구분하였다. 마치 FM 방송이 89.1MHz나 91.9MHz와같이서로다른주파수를사용하여전송되고있는것과마찬가지로이동사용자들도각각서로다른주파수를이용하여신호를전송하도록하였으며, 이와같이각각의이동사용자를서로다른주파수로구분하는방식을주파수분할다중접속방식 (FDMA: Frequency Division Multiple Access) 이라한다. 그러나방송형태의전송방식에의한이동통신방식의문제점은수용할수있는사용자가극히한정적이라는점이고, 서비스반경이매우넓어서이동단말기가자신이속해있는무선기지국에서멀리떨어질수록혼신도심해지고통화도곤란하였으며멀리까지도신호를전송할수있도록상당히큰신호를전송하여야한다. 따라서배터리용량이매우커야하므로상당히무겁고또한전력소모도매우컸으며, 또한무엇보다자신이가입되어있지않은다른무선기지국에서는서비스를받을수없었다. 이러한단점들을개선하기위한것이셀룰라방식인데 < 그림 1> 과같이서비스영역을여러개로나누어서서비스를제공하는방식이다. 셀이란전파가도달하는일정거리를하나의구역으로설정한것으로, 특정이동전화기지국이양호하게이동전화의통화를처리할수있는구역을의미한다. 전체서비스영역을이러한여러개의셀로나누어서커버하는방식을셀룰러방식이라한다. 셀룰라방식의장점은사용했던주파수를다시사용할수있다는주파수재사용개념인데 < 그림 8> 에서 A기지국과 A, A 기지국에서는동일한주파수대역을사용한다. 즉전파의세기는거리가멀어질수록점점약해지므로, 일정거리이상떨어진두셀에서는서로간의간섭이적어, 동일한주파수채널을사용할수 9 그림 8. 셀룰러시스템 SERIES 1
10 있다. 만일주어진주파수대역이 21MHz이고, 하나의사용자가 30KHz를사용한다고하면전체 700(=21000/30) 개의통화채널이존재한다. 만약셀룰라방식을도입하지않는다면한번에수용할수있는최대사용자가 700명으로제한된다. < 그림 8> 에서와같은셀룰라시스템에서는 700개의채널을 7개의셀이나누어쓴다고가정하면, 하나의셀이 100개의채널을사용할수있고, 이들채널은일정거리이상이되는지역에서다시사용할수있어결국 700개전체채널을여러번반복하여사용할수있으므로실제로는수천수만개이상의채널이존재하는것과같은효과가나타난다. 이처럼주파수를재사용하기위해서는같은주파수대역을쓰는 A, A, A 셀간의거리가충분히떨어져있어야하고아울러각각의셀에서전송하는신호세기를적절히제한하여동일주파수를사용하는셀간의간섭을없애줄수있어야한다. 셀룰러방식의또한가지장점으로는셀의반경이줄어들어이동단말기와기지국과의거리가가까우므로적은전력으로신호를전송할수있어배터리수명을늘일수있다. 이와같은셀룰러방식을사용하게되면한번에사용할수있는사용자수 ( 시스템용량 ) 를상당히높여줄수있는데, 이를지원하기위해서필요한기술로는이동단말기가어디에있는지를알려주는위치등록기능과이동단말기가다른셀로이동했을때통화가끊기지않고연결되도록하는핸드오버기술등이필요하다. 이동단말기와통화를하려고하면이동단말기가위치한곳에신호를보내주어야하는데, 이를위하여위치등록기능을수행하여야만한다. 만약이러한위치등록기능이없다고하면이동단말기를호출하기위해서는전국의모든기지국이동시에해당이동단말기를호출하여야하지만그부담이너무크게된다. 따라서이동단말기는이동하면서자신이속한영역이어디인지를계속적으로보고하게되고, 이보고내용을기록하여남겨두고있어이동단말을호출하는경우에는이기록을보고해당영역의기지국들만이해당이동단말기를호출하게된다. 핸드오버혹은핸드오프라고하는기술은, 통화중인이동단말기가현재의셀에서이동하여다른셀로옮겨가게되더라도통화의끊김이없이다음셀로통화를연결해주기위한처리과정을핸드오버라한다. 현재의셀에수신되는신호의세기가작아지면이는결국이동단말기가현재의기지국으로부터멀어진다는것을의미하므로수신신호의세기가일정수준이하보다낮아지게되면주변기지국들에게이이동단말기를찾아보게하여그중가장큰신호를수신하고있는기지국에게통화를넘겨주게된다. 셋룰러시스템을지원하기위해서는단말기의위치등록기능과타셀로이동할때통화를이어주는핸드오버기능이필요하다. IV. 이동통신주파수할당 앞에서설명한바와같이전파는통신, 방송뿐아니라다양한분야에서폭넓게사용되고있고그응용분야가지속적으로크게증가하고있다. 따라서전파자원은적절하게분배되고관리되어야하는자산이라할수있다. 주파수할당이라는것은특정주파수영역을특정용도로지정하여배타적으로사용할수있게하는것인데, 예를들면라디오방송은 88~108MHz 대역, 지상파디지털TV 방송은 470~698MHz 대역을사용하고이동통신은 800MHz~2.6GHz 중일부대역을사용하도록할당되어있다. 이렇게주파수대역을적절히나누어할당하지않는다면신호들이서로섞여서정보전달이불가능하게된다. KBS와 MBC가서로같은주파수에신호를전송하게된다면두방송사의영상과음성이섞여서어떤신호인지구분이안되기때문에각각의서비스에대해서원하는신호를전달할수없게된다. 따라서국가에서는전파자원을라디오방송, TV 방송, 군통신, 이동통신등서비스별로따로할당하고또한동일서비스내에서도필요하다면 KBS, MBC, SBS, EBS등으로 SK Telecom, KT, LGU+ 등으로세분화하여할당하여사용하도록하고있다. 정보와통신열린강좌
주파수할당은초기에는사용주파수대역을지정하던심사할당에서이득에대한대가를납부하는대가할당방식으로, 그이후에경쟁적수요가있는주파수는경매방식에의한할당제도로발전하였다. 이동통신영역에있어서주파수할당을좀더자세히알아보면, 1983년한국이동통신 ( 현 SK Telecom) 에게처음아날로그이동통신주파수사용허가를내준이후점차그할당방식이산업발전과사회적요구에맞추어진보되어왔다. 이동통신사업이시작된이후 90년대까지는주로사용주파수대역을지정해서이동통신사업자를선정했다. SK Telecom과합쳐진신세기통신이나 PCS 사업자로 KTF(KT), LG텔레콤 (LGU+), 한솔PCS(KTF에통합 ) 를선정할때사용주파수대역을지정해서분배하였다. 2000년에전파법에주파수심사 대가할당개념이도입되면서 2000년이전에분배된주파수는심사할당으로간주하였고이후주파수는대가할당방식으로분배되었다. 심사할당은경제적가치가크지않아수요가작고주파수할당에따른대가를납부하지않아도되고, 대가할당은경쟁적수요가있고할당대가납부의무가있다. 지금에이르러서는주파수에대한수요가크지않다는것이이해가잘되지않지만이동통신사업이활성화되지않았을때, 또사업을한다고하더라도음성위주의통신이주를이룰당시에는주파수에대한수요가그리크지않은것이사실이다. 새로운이동통신사업자가서비스를시작하려고할때이동통신사업에특정주파수를사용하라고지정해주는방식이심사할당에해당한다고볼수있다. 그러다가이동통신가입자가폭증하고이동통신사업이활성화되면서주파수에대한경쟁적수요가발생하면서주파수를사용하면서얻을수있는이득 ( 예상매출액, 실제매출액 ) 에대한대가를납부하도록하고있다. 2000년 12월 IMT-2000 주파수할당부터는이미이동통신사업자는정해져있는상태에서추가적인주파수할당이대가할당방식으로주파수가분배되었다. 2011년에는대가방식규정내에경매방식에따른할당제도가추가되어경쟁적수요가있는주파수는경매제도를통하여할당주파수대역에대한가치가정해질수있도록변경되었다. < 그림 9> 에현재이동통신사업자에게할당되어있는주파수대역과해당대역에서사용되고있는기술들나타내었다. < 그림 9> 에서상향링크와하향링크는신호를전송하고받는것을동시에하기위해서서로다른주파수대역을사용하는주파수분할듀플렉스 (FDD: Frequency Division Duplex) 방식에서상향링크는단말에서기지국으로신호를전송하는것을의미하고하향링크는기지국에서단말로신호가전송되는것을의미한다. 단 WiBro 시스템은단말의신호송신과수신을주파수가아닌시간으로구분하는시분할듀플렉스 (TDD: Time Division Duplex) 방식이다. 11 그림 9. 이동통신주파수할당현황 SERIES 1
이렇게할당된주파수는할당받은사업자가배타적으로사용할수있었는데, 주파수에대한수요가늘어나고기술이발전함에따라주파수를공동으로사용할수있는방안이모색되고있고또한할당된주파수에대한특정기술이나시스템을적용해야하는방식에서특정용도, 기술을지정하지않고해당주파수를적절한용도나기술로사용할수있도록제한조건을완화하여자유도를증가시켜주파수의이용효율을높일수있는방향으로진화하고있다. 참고문헌 [1] 장병준, 전파CP에게듣는알기쉬운전파이야기 (I), 한국전파진흥협회전파진흥지, vol. 24 권 2호, pp. 11-21, Apr. 2014. [2] 장병준, 전파CP에게듣는알기쉬운전파이야기 (II), 한국전파진흥협회전파진흥지, vol. 24권 4호, pp. 25-35, Aug. 2014. [3] 강준만, 무엇이전파프런티어붐을일으켰나?(2014), July 1, 2014, http://navercast. naver.com. [4] 장병준, 2014년전파 위성연구개발현황및추진방향, 한국통신학회지 ( 정보와통신 ), vol. 31, no. 1, pp. 33-37, Jan. 2014. 12 정보와통신열린강좌
이동통신기술 이동통신의발전및핵심기술 1세대아날로그이동통신부터 2세대디지털이동통신, 3세대 W-CDMA 통신, 그리고 4세대 LTE 통신기술로의발전방승찬한국전자통신연구원통신인터넷연구소 Ⅰ. 서론 이중에무선접속네트워크기술은물리계층을일컫는무선전송기술의세대별혁신기술에의하여특징을가지고있다. 이동통신이 10년주기로변화하면서 1980년대 1세대아날로그이동통신을시작으로 1990년대 2세대, 2000년대 3세대, 그리고 2010년대 4세대를거쳐 2020년대 5세대로향하고있다. 이동통신기술은 < 그림 1> 에서와같이크게두가지로분류하는데, 하나는무선접속네트워크 (Radio Access Network) 기술이고, 다른하나는코어네트워크 (Core Network) 기술이다. 이두가지기술은세대별로서비스발전에발맞추어혁신과진화를거쳐발전하고있다. 이중에무선접속네트워크기술은물리계층을일컫는무선전송기술의세대별혁신기술에의하여특징을가지고있다. 4세대까지나온무선전송기술은크게는 1세대아날로그 FDMA (Frequency Division Multiple Access), 2세대 TDMA (Time Division Multiple Access), 2세대와 3세대에걸쳐있는 CDMA (Code Division Multiple Access), 4세대의 OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 기술을들수있다 [1]. 13 그림 1. 이동통신네트워크구조 < 그림 2> 는서비스, 무선전송기술, 코어네트워크의스위칭형태등에대해세대별대표기 술및서비스를나타내고있다. 여기서보면 1 세대아날로그 AMPS (Advanced Mobile Phone Service) 이후에여전히서킷음성서비스를요구하고있지만, AMPS 로는많은사람들을수용 SERIES 1
그림 2. 기술과서비스관점에서본세대별이동통신시스템 14 하기어려워서디지털기술이필요했다. 이요구사항을만족하기위해나타난것이 2세대 TDMA GSM (Global System for Mobile communications) 과 CDMA IS-95 시스템이다. GSM은유럽진영, IS-95는한국이도입하면서한국 / 미국진영에서각각발전하였다. 이렇다보니글로벌로밍 (Global Roaming) 서비스의필요성이대두되었고, 여기에더하여서킷영상서비스를고려하게되었다. 글로벌로밍서비스를고려하다보니시스템의무선전송기술을하나로가져가는것이필요해보여서, ITU-R에서는 3세대이동통신에대하여하나의이동통신시스템을만들자는기치를내세웠다. 처음에는 3세대에대해 FPLMTS (Future Public Land Mobile Telecommunications System) 로불렀는데 (1997년부터는 IMT-2000이됨 ), 이렇게부른사연도하나의이동통신시스템을만들고자한것이다 [2]. 이런철학이다보니까, TDMA가좋은지 CDMA 가좋은지기술비교를하게되었고, 유럽및일본진영에서셀배치의유연성등을가지고있는 CDMA 기술의우위를인정하여 3세대기술로받아들였고, 서킷영상서비스까지고려하다보니 W-CDMA (Wideband-CDMA) 가되었다고볼수있다. cdma2000은 3세대기술로미국 / 한국진영이중심이되어만들었지만, 현재는거의사라졌다고볼수있다. 한국은 W-CDMA 기술에도기여하여 2세대 CDMA기술을더욱꽃피우는데큰역할을하였다. 3세대에서 4세대로넘어가는데에이동통신시스템은좀더복잡한과정을거치게된다. 3세대까지는서킷스위칭위주의유선서비스를무선화하는데주력했는데, 유선에서인터넷이보편화되면서패킷스위칭서비스즉, 인터넷을무선에서도실현하는것이필요하게되었다. 그리하여 3세대 W-CDMA/cdma2000 이후에바로모바일인터넷서비스와무선패킷기술이또하나의견인차역할을하였다. 이리하여나온기술들이 EV-DO (Evolution-Data Only) 와 HSPA (High Speed Packet Access) 기술이다. 이기술들은 3세대기술의연장선상에서개발되었다. 이때만해도모바일인터넷이라는용어는널리사용되지않았다. 그당시는어떻게하면인터넷을무선에도입하느냐가관건이었다. 이것을좀더빨리실현시키고자한것이휴대인터넷 (Portable Internet) 이생겨난배경이라고볼수있다. WiBro (Wireless Broadband, Mobile WiMAX로도불림 ) 는휴대인터넷서비스를표방하면서만들어졌다. 휴대인터넷서비스를목표로하다보니, 좀더많은데이터전송속도가필요하게되었다. 따라서자연스럽게대역폭을 3세 3 세대에서 4 세대로넘어가는데에이동통신시스템은좀더복잡한과정을거치게된다. 3 세대까지는서킷스위칭위주의유선서비스를무선화하는데주력했는데, 유선에서인터넷이보편화되면서패킷스위칭서비스즉, 인터넷을무선에서도실현하는것이필요하게되었다. 정보와통신열린강좌
이렇게촉발된인터넷의무선화는 LTE (Long Term Evolution) 가만들어지는계기가되었고, LTE 는세력에힘입어본격적인모바일인터넷시대를여는기술이되었다. 이후에 LTE Advanced 와 WiBro-Evolution 기술은서비스로는여전히모바일인터넷을추구하고있고, 더빠른데이터전송을위해멀티밴드혹은밴드집성 (Band Aggregation) 기술을사용하고있다. 대대비하여늘리는기술을고려하게되었고, 이것이 OFDMA 기술을무선에도입하게된계기이다. CDMA기술은대역폭을늘리면핑거수가많아지면서수신기가복잡해진다. OFDMA는이런단점을극복할수있으므로휴대인터넷의기술이되었다. 이렇게촉발된인터넷의무선화는 LTE (Long Term Evolution) 가만들어지는계기가되었고, LTE는세력에힘입어본격적인모바일인터넷시대를여는기술이되었다. 이후에 LTE Advanced와 WiBro-Evolution 기술은서비스로는여전히모바일인터넷을추구하고있고, 더빠른데이터전송을위해멀티밴드혹은밴드집성 (Band Aggregation) 기술을사용하고있다. 서비스가서킷음성과서킷영상에서모바일인터넷으로되면서, 코어네트워크기술에도 2세대서킷스위칭에서 3세대에는서킷과패킷스위칭이같이있다가 4세대에서는인터넷서비스만을지원하는패킷스위칭기술만으로구성되었다. 이렇듯 4세대에와서는모바일인터넷서비스와이에적합하게무선에서는 OFDMA, 코어네트워크에서는패킷스위칭기술이주요특징이되었다. 한편, 이제까지는면허대역 (Licensed Spectrum) 기술을설명했고, 비면허대역 (Unlicensed Spectrum) 기술의대표격인 WLAN은일찌감치근거리인터넷를목표로발전되어왔다. 초기에는 802.11b에 CDMA 기술이사용되다가바로 OFDM 기술이도입되었다. WLAN은셀룰라이동통신기술과는달리유선네트워크의끝에 AP (Access Point) 를설치하여서비스할수있는기술이다. 즉, 모바일코어네트워크이없는상태에서무선인터넷을할수있도록되어있다. 이것은인터넷을서비스받는데유선네트워크와무선네트워크의구분을없애주는중간자역할을하고있고, 모바일인터넷서비스를저렴하게받을수있는보조제의역할도하고있다. 즉, 유선을무선화하는유무선통합의전령사역할을하고있는것이다. 향후, 5G 시대기술로는이런유무선통합개념과용량증대를위한 3D 빔형성기술이주도할것으로보인다. 미래의서비스로는모바일인터넷에서는 UHD (Ultra High Definition) 와홀로그램서비스가대세를이룰것으로보이고, 이에더하여사물인터넷서비스가추가될것으로전망된다. 이런관점에서볼때, 5G 시대의무선전송기술로는빔을공간분할하여용량을증대시키는 SDMA (Space Division Multiple Access) 가후보가될수있을것이다. 또한, 용량을증대시키기위해 6GHz 이상의대역을사용하는기술도거론되고있다 [3]. 본고에서는먼저 2장에서세대별이동통신기술에대한표준연혁을소개한다. 이어 3장에서는 1세대와 2세대에대해핵심기술을설명한다. 4장에서는우선 2세대와 3세대의관계를 CDMA 기술이어떻게 3세대의표준이되었는가에대해살펴보고, 이어서 3세대기술에대해설명한다. 5 장은 LTE/LTE-A에대한기술에대해설명하고 2020년대에펼쳐지는 5세대기술의방향에대해살펴본다. 끝으로 6장에서는결론을맺는다. 15 Ⅱ. 세대별무선전송기술차이및표준연혁 이제까지우리는각세대별이동통신시스템을견인하는기술과서비스에대해살펴보았다. 여기서는이들의개략적기술적특징과표준화가된기관및년도를살펴보고자한다. < 표 1> 은세대별무선전송기술의차이를나타낸다. 각세대별로여러가지시스템이있지만, 대표적인이동통신시스템을나타내었다. Peak data rate는단말이받을수있는최대전송속도를나타낸다. 1981년에미국의표준기구인 ANSI (American National Standards Institute) 에서규격으로채택된아날로그 AMPS에대해서사실최대전송속도를따지는것은무의미하다. 여기서는하나의음성채널이차지하는대역폭이의미가있다. 디지털시스템인 2세대부터이것은중요한척도가된다. 더불어서 spectral efficiency도의미가있다. 시스템의 capacity를가늠할수있기때 SERIES 1
표 1. 세대별무선전송기술차이 16 세대시스템 Multiple access Peak data rate* Spectral efficiency* (bps/hz) 1 세대 AMPS FDMA - - 2 세대 3 세대 3.5 세대 4 세대 IS-95 CDMA 9600 bps 0.24(=9600 bps * 32 channels / 1.25 MHz) GSM TDMA 0.104 Mbps 0.17 W-CDMA CDMA 0.384 Mbps 0.51 cdma2000 CDMA 0.153 Mbps 0.1720 EV-DO CDMA/TDMA 3.072 Mbps 1.3 HSPA W-CDMA based 14.4 Mbps 2.88 WiBro LTE LTE-A OFDMA DL: OFDMA UL: SC-FDMA DL: OFDMA UL: SC-FDMA DL: 128 Mbps UL: 56 Mbps DL: 100 Mbps UL: 50 Mbps DL: 1 Gbps UL: 500 Mbps 5 세대 - - 10 50Gbps 5 times IMT-Advanced 3.7 2.67 *Peak data rate 와 Spectral efficiency 는 3km/h 에서의값들을나타내고있음 3.7 Mobility 주로차량전화 (120km/h) 3 km/h 120 km/h 3 km/h 120 km/h 3 km/h 120 km/h 3 km/h 120 km/h 3 km/h 120 km/h 3 km/h 120 km/h 3 km/h 120 km/h 3 km/h 120 km/h 350 km/h 3 km/h 120 km/h 350 km/h 3 km/h 120 km/h 500 km/h 표준기관및년도 ANSI EIA/TIA/IS-3 1981년 ANSI TIA-EIA-95 1993년 ETSI 1991년 3GPP 1999년 3GPP2 2000년 3GPP2 2002년 3GPP 2006년 IEEE 802.16e 2004년 3GPP 2008 년 3GPP 2010 년 - 문이다. CDMA IS-95는대략 0.24 bps/hz 가나오는데, 이숫자를가지고대역폭을고려하면전체용량이 307 kbps (=0.24 bps/hz x 1.25 MHz) 이되는것을알수있다. peak data rate가단말최대전송속도로의미를가지는것은 3.5세대로분류되는 EV-DO/ HSDPA/WiBro 부터이다. 즉, 인터넷서비스가무선으로도입되면서, 데이터의다운로드속도가중요해지기시작한다. 예를들어얼마나빨리영화한편을다운로드받느냐가서비스를가늠하는중요한척도가되는것이다. 그리하여 < 표 1> 에서보면 peak data rate가 Mbps 단위가되는것을볼수있다. 이것은 3세대까지는음성서비스에대해서는음성서비스에해당하는데이터전송속도를가능하면많은사람들에게나누어주는것이중요했는데, 인터넷서비스가되면서는이에더하여어느순간은한사람에게모든자원을몰아줘서데이터전송속도를높이는것이중요해진것이다. 또한, spectral efficiency도 3세대 W-CDMA/cdma2000까지는 QPSK에머물렀는데, 3.5세대부터는 16QAM/64QAM 등이도입되면서올라가는것을볼수있다. 5세대는 2014년 10월에 ITU-R WP5D에서비전문서를통하여이들의목표치를정하고있다 [4]. 이동성 (Mobility) 를보면, peak data rate와 spectral efficiency의관계는보통 3 km/h ( 보행자 ) 일때를나타낸다. 이동속도가높아질수록이둘의값은떨어지게된다. 예를들어 4세대경우 120 km/h인경우최대데이터전송속도가 3 km/h인경우에비해대략 1/10로떨어진다. 이동속도가더높아져서고속열차속도인 350 km/h인경우는더욱더떨어진다고보면된다. 이동속도는초기에는보행자속도 (3 km/h) 와차량속도 (120 km/h) 를목표로하다가 4세대부터는고속열차속도 (350 km/h) 까지도고려사항에넣고있다. 고속열차도더욱빨라져서 5세대에 peak data rate 가단말최대전송속도로의미를가지는것은 3.5 세대로분류되는 EV-DO/HSDPA/ WiBro 부터이다. 즉, 인터넷서비스가무선으로도입되면서, 데이터의다운로드속도가중요해지기시작한다. 정보와통신열린강좌
는 500 km/h 이상을고려하고있다. 표준기구의변천을보면, 2세대까지는크게미국진영 (ANSI) 과유럽진영 (ETSI) 으로나뉜다. 3 세대 IMT-2000부터는조금양상이바뀐다. IMT-2000은전세계의단일무선전송기술을표방하였다. 이를위해 ITU-R에서는기존단체들의연합을종용하게되었다. 먼저 1998년 12월에각나라혹은연합국가의표준기구들이뜻을모아 3GPP(3 rd Generation Partnership Project) 를결성하였고, 이듬해 1월에 3GPP2가만들어졌다. 이렇게갈라진사연은 2세대의 GSM과 IS-95의기술중심으로각각만들어졌기때문이다. 즉, 하나의무선전송기술을표방하였지만, 여전히 2세대기술을기반으로움직일수밖에없는상황이연출된것이다. 하지만, 3GPP에서는 CDMA기술을과감히도입하여 W-CDMA를만들었다. 사실이사건은 4세대에가서 3GPP가무선전송기술을거의천하통일하는데발판이되었다고볼수있다. 왜냐하면, CDMA 기술의중심축이 3GPP2에서 3GPP로넘어가는계기가되었던것이다. 이후, 3GPP2는힘이약해졌고, 더군다나 WiBro가 OFDMA를도입하면서 IEEE 802.16e에서표준화를함으로서 3GPP2 세력은더욱작아졌다. 연이어, OFDMA를발빠르게 3GPP에서 4세대 LTE 기술로도입하면서그렇지못한 3GPP2는유명무실해졌다. 세력판도에서 WiBro 진영도더성장하지못하고있어, 4세대부터는사실상 3GPP의독무대가되고있다. 기본적으로 5세대에서도 3GPP 중심으로무선전송기술이만들어질것으로사료되나, 주변의변수에따라다른표준단체가생길수있다. Ⅲ. 1 세대와 2 세대이동통신 하지만, 3GPP 에서는 CDMA 기술을과감히도입하여 W-CDMA 를만들었다. 사실이사건은 4 세대에가서 3GPP 가무선전송기술을거의천하통일하는데발판이되었다고볼수있다. 왜냐하면, CDMA 기술의중심축이 3GPP2 에서 3GPP 로넘어가는계기가되었던것이다. 1. 1세대아날로그 FDMA와 2세대디지털 TDMA 및 CDMA 기술 1세대이동통신은아날로그방식의통신기술이며, 음성위주의서비스를제공하였다. 세계최초의 1세대아날로그이동통신방식인 AMPS (Advanced Mobile Phone Service) 방식은 1983 년미국시카고에서 Ameritech가세계최초로서비스를개통하였으며우리나라에서는 1984년도에도입되어이동통신서비스를시작하였다. < 그림 3> 에 1세대와 2세대이동통신시스템과그 17 그림 3. 1 세대와 2 세대이동통신 SERIES 1
18 들의최초상용화년도및해당나라가나와있다. 사실 AMPS 전에 0세대에해당하는차량용카폰시스템이있었다. 이것은고정국하나에여러차량용단말기가통신하는형태이고, 1946년미국에서서비스되었다. 이후에 1947년에지금의셀룰라방식이개발되었고, 이것은주파수를셀을건너서재사용한다는개념으로서, 주파수대역을나누어재사용하면셀을한없이펼칠수가있다는것이다. < 그림 3> 의왼쪽아래에서 A~G 셀주파수를재사용하는것이나와있다. 셀룰라라는이름은여기에서유래되었다. 이런개념은 1세대 AMPS에처음적용되었고지금도이동통신은이와유사한개념을사용하고있다. AMPS는셀내사용자를구분하기위해다중접속 (Multiple Access) 방식으로 FDMA (Frequency Division Multiple Access) 를사용하며, 이것은통신자원중에주파수를나누어사용자를구분하는방식이다. 한사용자의채널대역폭은 30 KHz를가진다. 다중접속방식은이동통신의핵심기술중하나이다. 서론에서도언급하였지만, 4세대까지의세대별이동통신구분은다중접속방식의변천으로구분되었다고볼수있다. AMPS 이후에유럽에서도아날로그방식이여러개출현하였는데, 이들시스템은각기다른변조방식과주파수대역, 채널대역폭을사용함으로써상호호환성이없었다. 이와같은이유때문에유럽에서는일찍부터 2세대이동통신방식인디지털이동통신시스템에대한표준화의필요성이제기되었다. 이것이 GSM을만들게된계기이고, 유럽의여러나라들이하나의시스템을만든저력이기반이되어 GSM 세력이주축이되어만든 3GPP가전세계이동통신의주축세력이되고있다고볼수있다. 1세대의혼선으로인한품질저하및낮은주파수재사용효율, 폭발적수요등은디지털방식기술개발을요구하였는데, 또다른 2세대이동통신은한국과미국이주축이되어개발한 CDMA 방식의 IS-95이다. < 그림 3> 에서보듯이 GSM은 TDMA, IS-95는 CDMA를핵심기술로하고있다. TDMA는시간구분으로, CDMA는코드구분으로사용자를구별한다. CDMA 방식은확산된주파수대역을사용자가공유하여사용할수있도록한방식으로직접확산 (Direct Sequence Spreading) 에사용되는부호 (code) 시퀀스로사용자를구분하는방식이다. 이때당시에주파수혹은시간을구분하여사용자를구별하는것은그리어려운개념은아니었는데, 주파수와시간을같이사용하면서코드로사용자를구별하는것은이동통신기술에하나의획을긋는기술이라고볼수있다. 이렇게된것은확산스펙트럼 (Spread Spectrum) 이일대일통신에사용되었는데, 여기에전력제어 (Power Control) 기술을접목하여여러사용자가적절히전력을나누어사용함으로써가능하게되었다. 이런전력제어덕분에 CDMA 방식은인접한셀에같은주파수를사용할수있고, 이를이용하여소프트핸드오버 (Soft Handover) 기술이더불어만들어지게되었다. 2. 디지털 CDMA IS-95 핵심기술전력제어기술은 CDMA IS-95에서가장중요한기술이다. 이것은확산스펙트럼방식을다중접속이가능하도록하여 CDMA가되도록한기술이다 [5]. < 그림 4> 는이에대한것이나와있다. 전력제어는크게기지국과단말기가 Feedback loop 를통하여수행하는 closed loop 전력제어와 shadowing 등급격한전력변화에바로대처하는 open loop 전력제어로나뉜다. 기본적으로전력제어는같은음성서비스에대해기지국에도달하는전력을같게만들어주는것이다. 이렇게함으로써, 같은주파수와시간을공유하는사용자들중어느누구도주파수와시간을독점하지못하도록하는것이다. < 그림 5> 에소프트핸드오버기술이나와있다 [6]. CDMA 기술은주파수를한셀내의사용자들이공유한다. 사용자들간에서로간섭을미치는것은전력제어로관리한다. 이것은인접셀내의사용자들도마찬가지여서인접셀간에주파수를재사용하여도가능하다. 이것이 FDMA와 이때당시에주파수혹은시간을구분하여사용자를구별하는것은그리어려운개념은아니었는데, 주파수와시간을같이사용하면서코드로사용자를구별하는것은이동통신기술에하나의획을긋는기술이라고볼수있다. 이렇게된것은확산스펙트럼 (Spread Spectrum) 이일대일통신에사용되었는데, 여기에전력제어 (Power Control) 기술을접목하여여러사용자가적절히전력을나누어사용함으로써가능하게되었다. 정보와통신열린강좌
보통음성은 10-20ms 이상의데이터를잃어버리면귀에거슬리는끊김현상이있는데, GSM 의하드핸드오버는이런현상이있었고, CDMA 소프트핸드오버기술은이런현상을없앴던것이다. 그림 4. CDMA 전력제어기술 TDMA하고는구별되는 CDMA의가장큰특징이다. 이런주파수의재사용은셀간의핸드오버지역에있는사용자들이같은주파수를사용하면서복수의기지국과통신하는것을가능하게한다. 이것이소프트핸드오버이다. 동시에통신하면서다른셀로넘어갈수있으므로끊김없는통신이가능하다. 보통음성은 10-20ms 이상의데이터를잃어버리면귀에거슬리는끊김현상이있는데, GSM의하드핸드오버는이런현상이있었고, CDMA 소프트핸드오버기술은이런현상을없앴던것이다. IS-95 규격기반의 CDMA 방식은각각의기지국이 (Global Positioning System) 과같은외부신호로각기지국의기준 timing을약 1 usec 이내로맞추어동작하는기지국동기식시스템이다. 기지국간동기가맞추어있으면, 기지국과단말기시스템동기비용을절감할수있다. 이장점은기지국을구분하는코드를기지국별로두지않게하는장점이있다. 하나의 m-시퀀스에서기준시간대비각기지국별로 64 칩길이단위로달리시작하여기지국을구분할수있는것이다. 이렇게함으로써단말기에서기지국을탐색하는시간과비용이적게드는것이다. 이런기술적인장점에도불구하고 3세대에가서는미국시스템인 GPS를사용하는정치적부담때문에 19 그림 5. CDMA IS-95 소프트핸드오버기술 SERIES 1
그림 6. 3 세대이동통신기술 유럽및일본진영에서 CDMA 기술로기지국간비동기시스템이제안되었다. Ⅳ. 3 세대이동통신방식 20 서론에서언급하였듯이 3세대이동통신은크게두가지이다. 하나는유럽과일본진영이주축인 3GPP의 W-CDMA와한국과미국진영이주축인 3GPP2의 cdma2000가그것이다. 3세대는명실공히 CDMA 기술로천하통일되었다. CDMA의장점이그렇게만든것이다. 이과정에서한국의역할은매우지대하였다. CDMA IS-95의기술이영향을주어서 TDMA세력이 CDMA 기술을채택하게만든것이다. W-CDMA 에서 2세대 IS-95 대비크게달라진것은보다넓은대역폭 (5MHz) 과기지국간비동기를채택한것이다. cdma2000은 2세대와같은대역폭인 1.25MHz 를사용하였다. 이렇다보니, IS-95의기본적인 CDMA 기술개념들이 W-CDMA에많이반영되었다. 이것이 < 그림 6> 에나와있다. 기지국간비동기는유선네트워크동기로 10ms 급으로기지국간동기를맞추고, 기지국에다단계코드체계를주어단말기에서다단계탐색으로시간과복잡도를줄이는방식이다. 이밖에도여러핵심기술이있는데, 여기서는하향링크와상향링크에서대표적인기술두가지를소개한다. W-CDMA와 cdma2000의하향링크의핵심기술로는각각 STTD (Space Time Transmission Diversity) 와 STS (Space Time Spreading) 를들수있다. 이둘은사실상유사기술로서하향링크의안테나다이버시티에대한기술이다. 이것에대해처음으로제안된구조가 < 그림 7> 에 3 세대는명실공히 CDMA 기술로천하통일되었다. CDMA 의장점이그렇게만든것이다. 이과정에서한국의역할은매우지대하였다. CDMA IS-95 의기술이영향을주어서 TDMA 세력이 CDMA 기술을채택하게만든것이다. 그림 7. Space Time Coding 구조 [7] 정보와통신열린강좌
상향링크가멀티코드채널이된것은 2 세대에는단일채널로음성서비스가가능하였는데, 영상및데이터서비스가요구되면서전송속도가증가하였기때문이다. 나와있다 [7]. 보통기지국에는 2개의안테나가상향링크 (uplink) 를위해이미존재하는데, 이것을이용하면하향링크 2개송신안테나, 단말기수신안테나 1개로송신 1개수신 2개의안테나와같은성능을제공한다. 이방식은하향링크에서복수개의안테나를사용한기술의시초라고볼수있다. 또다른핵심기술은상향링크의단말기변조방식인 OCQPSK (Orthogonal Complex QPSK) 이다 [8][9][10]. 이것은멀티코드채널시에채널화코드 (Channelization Code) 를특정하게규정하고확산코드에제한요소를둠으로써 PAPR (Peak to Average Power Ratio) 의 CCDF (Complementary Cumulative Distribution Function) 의 0.1% 에서약 1.5dB 작게만드는기술이다. < 그림 8> 에그구조가나와있다. 이렇게되면, 단말기의 RF power amplifier에서 1.5dB 만큼 backoff가적어져서, 그만큼낮은효율 RF Amplifier를사용해도되므로단말기밧데리가절약되는장점이있다. 상향링크가멀티코드채널이된것은 2세대에는단일채널로음성서비스가가능하였는데, 영상및데이터서비스가요구되면서전송속도가증가하였기때문이다. 단일채널에는 OQPSK (Offset QPSK) 로 PAPR을줄였지만, 멀티채널이되면서다른변조방식이필요하였다. OCQPSK는 TTA-TIA간기술합의및확산이완전 QPSK 확산이아니고일정칩구간이 (decimator factor 2인경우두칩 ) BPSK확산이어서 HPSK (Hybrid PSK) 로도불린다. 21 그림 8. W-CDMA, cdma2000 단말기변조방식구조 [9] Ⅴ. 3.5 세대 /4 세대무선전송기술및 5 세대방향 cdma2000 방식은이후에인터넷을무선에더욱효율적으로지원하기위해 EV-DO, EV-DV 방식으로진화하였으며 W-CDMA 방식도모바일인터넷을위해하향링크에패킷모드와 multi code 기술을채택한 HSPA 방식으로진화하였다. 이것이 < 그림 9> 에나타나있다. CDMA 방식은모바일인터넷을수용하기위해대역폭을크게하면칩구간이짧아져서핑거수가늘어나게되어단말기복조기가매우복잡해지는단점이있다. 이를극복하기위해한국에서는 OFDMA를채택한 WiBro 가개발되었다. 또한, OFDMA 의변복조의단순성은복잡한복조방식을갖는 MIMO 방식과 SERIES 1
22 그림 9. 3세대와 4세대이동통신 CDMA보다잘어울리게되어 WiBro에서이기술을채택하는계기가되었다. WiBro의 OFDMA 채택은 3GPP 진영에큰영향을미쳐서, OFDMA기반의 LTE를만드는계기가되었다. 즉. 3GPP 는모바일인터넷을위해 HSPA로진화하다가 LTE로선회하게된것이다. 이어서 4세대성능요구조건인최대전송속도 1Gbps를맞추기위해밴드집성 (Band Aggregation) 혹은캐리어집성 (CA: Carrier Aggregation) 기술을채택하여 LTE-A로발전하였다. 현재 LTE와 LTE-A는세력에힘입어 4세대의대표적인기술이되고있다. 이장에서는 HSPA, WiBro, LTE/LTE-A 기술에대해간략히소개한다. 1. HSPA 기술 2005~2006년표준화가완료된 HSPA기술은고속데이터전송용으로만들어진규격이다. HSPA 규격이완성된후 MIMO 기술을도입하여속도를더높인 HSPA+ 규격이작성되었다. < 그림 10> 는 W-CDMA부터 HSPA+ 까지의진화에따른데이터전송속도를나타낸다. W-CD- MA 규격에하향링크데이터전송속도를높이기위한 HSDPA 규격 (Rel.5) 이먼저작성되고그이후에상향링크데이터전송속도를높이기위한 HSUPA 규격 (Rel.6) 이작성되었다. HSDPA 와 HSUPA를합쳐서 HSPA라한다. WiBro 의 OFDMA 채택은 3GPP 진영에큰영향을미쳐서, OFDMA 기반의 LTE 를만드는계기가되었다. 즉. 3GPP 는모바일인터넷을위해 HSPA 로진화하다가 LTE 로선회하게된것이다. 그림 10. W-CDMA 계열의 3 세대이동통신진화 정보와통신열린강좌
LTE 규격은동일규격내에 FDD 및 TDD 방식이모두기술되어있다. 단말은 1.4/3/5/10/15/20 MHz 대역폭모두를지원해야한다. 데이터채널은기본적으로 Turbo coding 을사용한다. OFDMA 특성상랜덤엑세스송신시 WiBro 와비슷한사용자간상향링크동기과정이필요하다. HSPA는하향링크에 HS-DSH (High Speed Downlink Shared Channel) 을새로정의하였는데프레임길이가 2 msec이고 spreading factor가 16으로고정이다. 고속의하향링크패킷데이터를전송할목적으로만들어졌으며무선채널상황에따라 QPSK 뿐만아니라 16 QAM까지전송하여데이터전송속도를높일수있다. 하향링크에서멀티코드채널을모두사용할경우 14.4 Mbps까지전송가능하고 AMC (Adaptive Modulation & Coding) 방식및 HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request) 가도입되었다. 차츰복잡한 MIMO 기술이 CDMA 기술과접목되었고, 그규격을 HSPA+ 라고하였는데 Rel.7 및 Rel.8 두가지규격을작성하였다. Rel. 7에서는하향링크에 MIMO기능을추가하여데이터전송속도를두배 (28.8 Mbps) 로향상시켰고상향링크에서는 16QAM을도입하여마찬가지로 HSPA의두배 (11.52 Mbps) 까지향상시켰다. Rel.8 HSPA+ 규격에서는하향링크에 64QAM을도입하여데이터전송속도를 42.2 Mbps까지향상시켰다. 2. WiBro 기술삼성전자와한국전자통신연구원주도로기술개발이이루어진 WiBro는 IEEE의 802.16e에서표준화가진행되었다. WiBro 기술은셀룰라이동통신에 OFDMA를적용한첫번째기술로서기본대역폭은 8.75 MHz 이고부반송파간격이 9.765625 khz, FFT 크기는 1024, OFDM symbol 길이는 115.2 msec 그리고 CP (Cyclic Prefix) 는 12.8 msec 이다 [11]. 상향링크의 CQI (Channel Quality Indicator) 에기반한부채널 Fast AMC (Adaptive Modulation and Coding) 방식을도입했으며 channel coding 으로 Turbo coding 및 LDPC를사용한다. 64 QAM 변조까지지원하며 STC (Space Time Code)/MIMO 및 AAS (Adaptive Antenna System) 를선택적으로지원한다. 프레임길이는 5 msec 이며상하향링크구분을위해 TDD (Time Division Duplexing) 을사용한다. WiBro 방식은 OFDMA방식에기반하므로셀내위치가서로다른단말로부터의상향링크신호가 CP내에들어오도록제어해야하는데이때 Ranging 신호를사용한다. WiBro 기술은 IEEE 802.16m에서전송속도와이동성진화를위해웨이브2 (Wave2) 단계로표준화가진행되었다. WiBro 기술은한국에서는 2006년부터서비스가수행되었고미국, 일본, 러시아등에서도 WiMAX란이름으로서비스가진행되었다. 하지만이후에동일한 OFDMA 방식을사용하며 WiBro 보다뒤늦게 3GPP에서국제표준이완성된 LTE에시장주도권을넘겨주게되었다. 3. LTE 기술 2000년대초 3GPP 일각에서는 DS-CDMA 기반의무선전송기술은소프트핸드오버를고려하는음성위주의저속데이터전송방식으로는매우효율적인전송방식이지만다경로페이딩환경에서고속의데이터를전송하는데에는부적합하다라는의견이제시되어왔다. 결국 2002년부터 3년간 3GPP에서 OFDMA 기반의전송방식에대한연구가진행되고 OFDMA와 CDMA 방식의성능을비교하는보고서가작성되었다. 이후 2005년부터 OFDM 기반의 LTE 표준화가시작되어 2008년에 LTE를포함하는 Rel.8 규격이완성되었다 [12]. LTE 규격은동일규격내에 FDD 및 TDD 방식이모두기술되어있다. 단말은 1.4/3/5/10/15/20 MHz 대역폭모두를지원해야한다. 데이터채널은기본적으로 Turbo coding 을사용한다. OFDMA 특성상랜덤엑세스송신시 WiBro와비슷한사용자간상향링크동기과정이필요하다. CDMA 방식과는달리핸드오버시에는하드핸드오버를수행한다. 음성데이터에한해서는서킷방식을사용했던 3세대 W-CDMA/HSPA 방식과는달리 LTE에서는음성포함모든데이터는패킷형태로전송된다. Rel.8 규격이후 3GPP의 LTE 규격은 Rel.9으로발전하 23 SERIES 1
게되는데 Rel.9 LTE 규격은하향링크에서빔형성과 MIMO (Multiple Input Multiple Output) 를결합하는 Dual-Layer 빔형성기술과단말의위치추정을위한 OTDOA (Observed Time Difference of Arrival) 에기반한 Positioning 기술을포함한다. LTE 시스템의주요핵심기술은하향링크는 MIMO, Frequency Scheduling, DFT-S- OFDMA(Discrete Fourier Transform-Spread-OFDMA) 등이있다. Frequency scheduling 은 OFDMA의장점을활용한것으로서, 12개의부반송파단위로나누어사용자에게자원을할당하는방식이다. DFT-S-OFDMA( 혹은 SC-FDMA, SC: Single Carrier) 는상향링크 OFDMA 방식으로각반송파에실리는데이터를 DFT로전처리하여 OFDMA의각반송파로적용되기전에어느정도신호의크기를균일하게함으로써 PAPR을줄이는효과를얻는다. LTE MIMO 시스템은주파수효율증대를위해하향링크에서단말이무선채널정보를이용해추정한 CQI (Channel Quality Indicator), PMI (Precoding Matrix Indicator), RI (Rank Indicator) 등의피드백을이용하는프리코딩기반 Closed Loop MIMO 기술을도입하였다. 이것이 < 그림 11> 에나와있다. 하향링크에서전송할수있는최대병렬레이어 (Layer) 는 4이고 (N=4), 이경우 20 MHz 대역폭에서최대 300 Mbps까지전송할수있다. 하향링크에서는각레이어를한단말에모두지원할수도있고 (Single-User MIMO) 복수의단말에나누어지원할수도있다 (Multi-User MIMO). 레이어매핑후단말에서피이드백한 PMI에기반한프리코딩이수행된다. 이후에주파수영역 OFDM이적용된후각각안테나로전송된다. 한편상향링크에서는 Rel.8~Rel.9의 LTE 규격은 Multi-User MIMO만을지원한다 [13]. LTE MIMO 시스템은주파수효율증대를위해하향링크에서단말이무선채널정보를이용해추정한 CQI (Channel Quality Indicator), PMI (Precoding Matrix Indicator), RI (Rank Indicator) 등의피드백을이용하는프리코딩기반 Closed Loop MIMO 기술을도입하였다. 24 그림 11. LTE 시스템의하향링크 MIMO 전송개념도 4. LTE-A 기술보통 LTE 기술은 3GPP RAN 에서발표한 Rel-8/9 표준을얘기하며, LTE-A 기술은 Rel-10 과그이후의표준을말한다. 3GPP Rel-10/11에있는주요무선전송기술은캐리어집성 (CA: Carrier Aggregation) 기술, 셀간협력전송기술 (CoMP: Coordinated multi-point) 기술, 중계 (Relaying) 기술, MIMO 향상기술등이있다 [14]. MIMO 향상기술의경우, LTE-A는 LTE 보다하향링크의레이어개수와상향링크의레이어개수를늘리고, 이에필요한전처리행렬및채널정보측정방법과레퍼런스신호 (RS: Reference Signal) 을새로도입하였고상향링크에서는처음으로 2개또는 4개의송신안테나를이용한공간다중화방식이규격화되었다. 캐리어집성기술은 LTE 대비 LTE-A가갖는가장큰특징이다. LTE가지원하는시스템대역폭은최대 20MHz이며, CA을사용한 LTE-A는최대 100MHz의대역폭을지원한다. 이에따라, 단말은 LTE 캐리어를최대 5개까지사용할수있고별도의구조변경없이파라메터변경만으로해당전송대역들을그대로사용하도록규격화하여 LTE와호환성을유지한다. 만일단말이높은전송량을요구하는경우에는복수개의 LTE 캐리어를설정 (Configuration) 및활성화 (Activation) 하여 CA 방식을활용한다. 이렇게함으로써 LTE-A 단말은더욱높은전송량을얻을수있다. 정보와통신열린강좌
5. 5 세대이동통신방향 서론에서설명한바와같이, 5G 의서비스는크게모바일인터넷과사물인터넷이될것이다. 모바일인터넷은 4 세대에서도주요서비스가되고있는데, UHD 와홀로그램등데이터전송속도가매우높은서비스들이안경단말과같이보다발전된스마트기기와결합되면서대용량의모바일인터넷서비스를창출할것으로보인다. 또한, 여기에더하여센서로대표되는 MTC (machine type communications) 와기기간의직접통신 (D2D: device to device) 이활성화되면서사물인터넷이활발해질것이다. 서론에서설명한바와같이, 5G의서비스는크게모바일인터넷과사물인터넷이될것이다. 모바일인터넷은 4세대에서도주요서비스가되고있는데, UHD와홀로그램등데이터전송속도가매우높은서비스들이안경단말과같이보다발전된스마트기기와결합되면서대용량의모바일인터넷서비스를창출할것으로보인다. 또한, 여기에더하여센서로대표되는 MTC (machine type communications) 와기기간의직접통신 (D2D: device to device) 이활성화되면서사물인터넷이활발해질것이다 [15]. 이런서비스를지원하기위해먼저대용량기술이필요하고, 면허대역도보다많은주파수가필요하게되고, 또한비면허대역도같이활용하는기술이필요하다. 특히비면허대역은유선네트워크의끝에존재하는형태가강화되어무선네트워크와유선네트워크둘다모바일화가될것으로예상된다. 이것이유무선통합기술이더욱필요로하는계기가될것으로보인다. 대용량모바일인터넷기술을위해서는주어진스펙트럼에서용량을크게하기위해더욱더많은안테나를사용하는방향으로갈것이고, 이리하여 3D 빔형성기술이더욱발전할것으로보인다. 특히주파수대역을보다넓게하기위해 6GHz 이상으로가면, 많은수의안테나를사용하더라도전체안테나크기가합리적이므로 3D 빔형성기술은이대역에서더욱탄력을받을것으로예상된다. 또한자동차자율주행시사고예방이라던가빠른응답을요구하는인터넷서비스등을위해저지연고신뢰를이루는기술이필요하고, 오지의센서등사물인터넷을위해서는주어진밧데리로오래버틸수있는저전력단말기술이중요해질것이다. Ⅵ. 결론 25 본고에서는 10년주기로세대별로변화하는이동통신시스템을전체적으로소개하였다. 먼저이들에대한무선전송기술관점에서의표준연혁을살펴보았다. 4세대까지의이동통신시스템은크게는다중접속 (multiple access) 방식에의해대별된다고볼수있는데, 이것이어떻게시대의서비스요구에의해변화하는지살펴보았다. 1세대 AMPS의 FDMA를시작으로, 서킷음성의보다많은수용을위한 2세대 TDMA GSM와 CDMA IS-95 기술, 세계단일의무선전송을추구하면서비록시스템은두가지 (W-CDMA, cdma2000) 이지만 CDMA 기술이대세가되었고현재거의 3세대단일규격이된 W-CDMA, 그리고본격모바일인터넷시대를대비하여 WiBro 에서도입한 OFDMA, 그이후에 OFDMA를도입한 4세대의 LTE/LTE-A 등의주요무선전송기술들에대해알아보았다. 또한, 2020년부터펼쳐질것으로예상되는 5세대기술에대한방향성을제시하였다. 참고문헌 [1] 방승찬, 김일규, 고영조, 이동통신시스템의무선전송기술발전사, Telecommunications Review, 2014년 11월. [2] ITU-R, M.687, INTERNATIONAL MOBILE TELECOMMUNICAIONS-2000 (IMT- 2000), 1997. [3] ITU-R, Report ITU-R M.[IMT. ABOVE 6GHZ], The technical feasibility of IMT in- SERIES 1
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이동통신기술 LTE 이동통신의이해 LTE 네트워크는왜빠른가? 최우진, 김현표 KT 융합기술원 I. 무선전송의기본개념 이동통신기술은세대를거듭하면서점점더빠른무선속도를제공할수있도록진화해왔다. LTE를포함한 2G, 3G 이동통신은기본적으로이진수로이루어진디지털정보를무선신호에실어서공기중으로전송하고수신기가무선신호에포함된디지털정보를추출하는방식으로통신서비스를제공한다. < 그림 1> 은송신기가전송하고자하는이진수디지털정보를정현파 (sine wave) 의위상변화를통해변조하는 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying) 신호이다. 송신기가 00 이라는 2 bit 디지털정보를전송하기위해서는주어진시간 (symbol time) 동안위상이 45 인정현파를전송하고, 이어서 10 이라는 2 bit의정보를전송하기위해서는그다음 symbol time 동안위상이 135 인정현파를전송한다. 수신기는수신된신호의위상이얼마인지에따라송신기가보낸정보가 00 인지또는 10 인지등을판단함으로써무선통신이이루어지는데이과정을복조 (demodulation) 라고한다. < 그림 1> 은변조된정현파신호를시간축을기준으로나타낸것이며, < 그림 2(a)> 는동일한신호를신호의최대크기 ( 원점까지의거리 ) 와위상으로나타낸것이다. 변조된하나의신호 (symbol) 를사용하여 4 bit의디지털정보를전송하는변조방식을 16 QAM(Quadrature Amplitude Modulation) 이라하며, 하나의 symbol을사용하여 6 bit의디지털정보를전송하는변조방식을 64 QAM(Quadrature Amplitude Modulation) 이라고한다. 송신기와수신기의거리가가깝고송수신기사이에전파를방해하는장애물이없는좋은무선환경에서는하나의 symbol에여러 bit의디지털정보를실어서전송하는 high order modulation을사용하여빠른전송속도를제공하고무선환경이좋지않은상황에서는 low order modulation을사용하여낮은전송속도를제공하는기술을 adaptive modulation이라한다. 하나의 symbol에몇 bit의디지털정보를실어서전송할지는기지국과단말의상대적인위치등무선환경의변화에따라가변적으로운영할수있다. 그런데변조된하나의 symbol을전송하는 27 그림 1. Quadrature Phase Shift Keying(QPSK) SERIES 1
(a) QPSK (b) 16 QAM (c) 64 QAM 그림 2. Signal Constellation 28 데사용하는시간 (symbol time) 은무선통신시스템의최대전송속도를결정하는중요한요소이다. Symbol time이작은전송방식은일정시간동안많은 symbol을전송할수있기때문에고속의전송속도를제공할수있다. 그러나 symbol time이과도하게작으면무선구간에서일어나는여러가지물리적인현상들로인해서수신기가수신신호로부터디지털정보를추출하는과정에서오류가많이발생하게된다. 이와반대로 symbol time이길면오류발생률은작으나일정시간동안전송할수있는 symbol의수가작기때문에전송속도가느려지게된다. 따라서적정한 symbol time의선택은무선통신시스템의설계에서매우중요한이슈중에하나이다. < 그림 3> 은무선구간에서일어나는여러가지물리적인현상중에하나인 전파다중경로에의한무선신호의간섭 (Multi-path fading) 을나타낸것이다. Multi-path fading은송신기를출발한무선신호가두개이상의전파경로를거쳐수신기에도착하는과정에서발생한다. 서로다른경로를통해수신기에도착하는신호들은도착시간이다르기때문에신호의위상또한다르다. < 그림 3(a)> 는신호의위상차가 180 인경우두신호가서로를상쇄하여수신기에는아무런신호도감지되지않거나또는아주미약한신호를감지하는경우를나타낸것이다. < 그림 3(b)> 는신호의위상차가 360 인경우두신호가합쳐져수신기가강한신호를감지하는경우를나타낸다. 사용자가무선통신을하면서위치를이동하게되면계속해서새로운다중경로들이만들어 서비스초기에상하향각각 10MHz 주파수를사용하던 LTE 는 2013 년 8 월정부의 LTE 주파수경매를통해광대역 ( 상하향각각 20MHz) 주파수를사용할수있게된다. (a) Destructive multi-path signals (b) Constructive multi-path signals 그림 3. 전파다중경로에의한신호의간섭 (Multi-path fading) 정보와통신열린강좌
전파다중경로인해무선구간에서발생하는간섭의종류에는 Multipath Fading, Frequency Selective Fading, Inter-symbol Interference 등이있다. 지고이전의다중경로들은없어지게되는데, 이로인해수신신호가약해졌다가강해지고또다시약해지는현상이무작위로발생하게된다. 또한무선통신에사용하는주파수가달라지면무선신호의파장이달라지고다중경로신호들의위상차이또한달라지게된다. 이로인해어떤주파수에서는수신신호가강하고어떤주파수에서는다중경로신호들이서로를상쇄하여수신신호가약해지는현상이발생하는데이를무선기술용어로 Frequency Selective Fading 이라고한다. 무선구간에서일어날수있는또다른현상중에하나인 Inter Symbol Interference(ISI) 는다중경로신호들이수신기에도착하는시간이다르기때문에발생한다는점에서는 Multi-path fading과그원인은동일하나, 수신기가현재수신하고있는신호가앞서다른 symbol time 동안전송된신호의간섭을받는현상을말한다. < 그림 4> 에서보는바와같이송신기를출발한신호가여러경로를통해수신기에도착하는경우, 경로1을통해서수신기에도착한세번째 symbol은경로2를통해서도착한첫번째 symbol과두번째 symbol의영향을받아신호의모양이변형된다. 송신기를출발한신호가여러경로를통해서수신기에도착할때어느정도의시차를두고도착하는지를무선기술용어로 delay spread라한다. 다중경로가얼마나많이존재하는지는송신기와수신기의주변에건물과같은전파반사하여다중경로를만들어내는물체들이얼마나많이존재하느냐에따라결정된다. 일반적으로 symbol time이 delay spread 보다상대적으로크면 ( 다른말로전송속도가느리면 ) 다중경로에의한신호왜곡은작아지고, 반대로 symbol time 이 delay spread 보다상대적으로작으면 ( 다른말로전송속도가빠르면 ) 다중경로에의한신호왜곡은커지게된다. II. 4 세대이동통신기술의선택 29 OFDM 이 CDMA 와 WCDMA 등기존이동통신기술과다른가장큰차이점은무선데이터를전 송하기위해여러개의부반송파 (subcarrier) 를사용한다는점이다. 하나의반송파 (carrier) 를사용 하는통신시스템의경우, 보다넓은주파수대역을사용하여고속의무선전송을하기위해서는초 그림 4. Inter Symbol Interference SERIES 1
당전송하는 symbol의수즉 symbol rate을높여야하는데이는 symbol time을작게만들어야함을의미한다. 그러나앞서보았듯이 symbol time이작아지면다중경로에의한신호왜곡이증가하는문제가발생하게된다. 기존이동통신시스템에서는다중경로에인한신호왜곡을해결하기위해서수신기에 Equalizer라고부르는기술을사용하였다. Equalizer는다중경로신호들의 delay 를모델링하여수신기에도착한파형이왜곡된신호를왜곡이전의상태로되돌리는기술이다. Equalizer 기술은그동안꾸준히발전해왔는데 5 MHz 대역폭을사용하는 3G WCDMA 시스템의경우구현가능한수준의복잡도를가진 Equalizer로만족할만한성능을제공할수있었다 [1]. 그러나 4G 이동통신에들어오면서고속의무선전송을위해 3G에서사용하던 5 MHz 주파수대역폭보다훨씬더넓은광대역주파수를사용해야할필요성이대두되었고, 기존무선전송기술의경우주파수대역폭의증가에따른 symbol rate의증가로인해심각한다중경로문제에부딪치게된다. 이와같은다중경로문제를우회하기위한시도로써 CDMA 기반으로 symbol time이긴여러개의부반송파를사용하는 Multi-carrier CDMA 기술에대한연구도진행되었으나, 다음장에서자세히살펴볼 OFDM의경우주어진주파수대역폭내에서부반송파를가장조밀하게배치할수있는장점으로인해가장효율적인무선기술로인정되었고이에따라 OFDM은 LTE의무선전송기술로채택된다. < 표 1> 에서보는바와같이 LTE는최대 20MHz의주파수대역폭을지원하며, 기존 WCDMA가사용하는주파수대역폭의 4배에달하는광대역주파수를사용하게된다. 30 Ⅲ. OFDM 의개념 OFDM은 FDM(Frequency Division Multiplexing) 의일종으로여러사용자가주파수자원을나누어서사용하는통신방식이다. 각사용자가사용하는무선채널은서로에게간섭을주지않도록설계되었으며, 사용자들은주어진시간동안자신에게할당된무선자원만을사용하기때문에서로에게간섭을주지않는다. < 그림 5> 는 FDM과 OFDM의무선채널을주파수축을기준으로나타낸것이다. FDM의경우각채널은서로중첩되지않도록충분한이격거리 (guard band) 를두고배치되어있으며, 따라서각채널은서로에게간섭을주지않는다. 이에반해 OFDM은무선채널들이상당부분서로중첩되도록조밀하게배치되어있는데, 이와같은중첩된배치에도불구하고하나 4 세대이동통신은고속의무선전송을요구했고, 기존상용기술들은고속전송시심각한다중경로문제에부딪치게된다. 이에따라다중경로에강한 OFDM 이 LTE 전송기술로선택된다. 그림 5. FDM vs. OFDM 무선채널 정보와통신열린강좌
그림 6. 부반송파 4 개를사용하는간단한 OFDM 송신기 KT WARP 는무선기지국을 RU(radio unit) 와 DU(digital unit) 으로분리하는네트워크가상화를통해 small cell 을구현함으로써폭발적으로늘어가는무선트래픽을수용할수있는네트워크구조를가지고있다. 의채널이최대값을갖는특정주파수에서다른채널들의간섭이 0이되는특성을가지고있다. 이런특성으로인해 OFDM의무선채널들은중첩되어배치되어있으면서도서로에게간섭을주지않고디지털정보를전송할수있다. 이와같이 OFDM의각채널들이서로에게간섭을주지않고통신을할수있는특징을직교성 (Orthogonality) 이라고하며, 직교성을보장하기위해서는인접한무선채널간의주파수이격 ( ) 과 symbol time이아래조건을만족해야한다. < 수식 1> symbol time = OFDM은긴 symbol time을사용하여다중경로에의한신호왜곡문제를해결함과동시에광대역주파수를많은수의무선채널로분리하여사용자트래픽을병렬로전송할수있다. < 그림 6> 은 QPSK 변조방식과부반송파 4개를사용하는간단한 OFDM 송신기이다. < 그림 6> 에서이진수디지털정보 00 은 45 위상을갖는신호로변조되고이에따라주파수가 15kHz인부반송파는 45 의위상을갖게된다. 또한 10, 01, 11 은 135, 315, 225 의위상을갖도록변조되고이에따라주파수가 30kHz, 45kHz, 60kHz인부반송파들은각각해당위상을갖게된다. 위상이변조된 4개부반송파는고주파변조후에안테나를통해서전송된다. LTE 표준에서는 15 khz 1 간격으로부반송파를배치하였으며, symbol time은 < 수식 1> 에따라 66.7μs (=1/15 khz) 가된다. 일반적인이동통신환경에서 delay spread는수 μs 이며, LTE 는 delay spread 보다훨씬큰 symbol time을사용함으로써앞장에서살펴본다중경로에의한간섭문제를해결하였다. 또한주파수내에촘촘하게배치된수많은부반송파들을사용하여트래픽을전송함으로써전송속도를높일수있다. LTE 표준에서정의하고있는주파수대역폭과그에따른부반송파의수는아래 < 표 1> 과같다. 31 표 1. LTE 주파수대역폭에따른부반송파의수 대역폭 (MHz) 1.4 3 5 10 15 20 부반송파수 72 180 300 600 900 1200 1 LTE 방송서비스는 7.5kHz 간격의부반송파를사용한다. SERIES 1
그림 7. OFDM 송신기와수신기구조 32 < 그림 6> 에서점선으로표시된부분은 Inverse Fast Fourier Transform(IFFT) 이라는연산방법을사용하여디지털회로로구현할수있다. 20 MHz 주파수를사용하는경우 1200개의부반송파를처리하기위해서는 2048-point IFFT 연산이필요하다. < 그림 7> 은 IFFT를사용하는 OFDM 송신기와 FFT(Fast Fourier Transform) 를사용하는 OFDM 수신기를나타낸것이다. 수신기는송신기의각단계에서수행한신호처리과정을역순으로복원함으로써무선신호에포함되어있는디지털정보를추출한다. Ⅳ. LTE/LTE Advanced 최대전송속도 이동통신기지국은여러사용자들을동시에서비스해야하기때문에각사용자에게필요한만큼의무선자원만을할당하여사용자트래픽을전송한다. 예를들면 < 그림 6> 에서디지털정보 00 은 A라는사용자에게전송해야할 2 bit 정보이고, 10 01 11 은 B라는사용자에게전송해야할 6 bit 정보라고가정할경우, 송신기가사용자 A를위해서주파수가 15kHz인부반송파하나를할당하고, 사용자 B를위해서는주파수가 30kHz, 45kHz, 60kHz 인부반송파셋을할당하려고한다면기지국은각사용자의단말에게어떤부반송파를사용하여무선통신을진행할지를미리알려주어야한다. 각사용자의수신기는수신된신호를처리하는과정에서사전에기지국이정해준특정부반송파들로부터디지털정보를추출하여사용자에게전달한다. LTE 표준에서는무선자원관리의복잡도를고려하여 RBP(Resource Block Pair) 라는부반송파보다큰단위로무선자원을할당하는데, 하나의단말에게할당할수있는가장작은무선자원의단위또한 RBP이다. < 그림 8> 은 LTE에서사용하는프레임구조와무선자원의단위를나타낸것이다. RE(Resource Element) 는하나의 symbol time 동안전송하는부반송파 1개를의미한다. RBP는주파수축으로 12 개의부반송파로구성되며시간축으로는 14개의 symbol로구성된다. 따라서 168(=12 14) 개의 RE 가모여하나의 RBP를구성한다. < 그림 8> 에서 RBP 영역중사선으로표시된영역은 LTE 물리계층이제어메시지를전송하는무선자원이며, 흰색영역은사용자트래픽을전송하는무선자원이다. 현재출시된 LTE 단말들은앞서살펴본 adaptive modulation 기술이적용되어있으며, 무선환경이좋은경우최대 64 QAM의변조방식을지원한다. 따라서하나의 RE를통해전송할수있는 최근상용화된 LTE-Advanced Carrier Aggregation 기술은여러개의주파수를묶어최대 40MHz(=20+10+10) 주파수대역폭을사용할수있으며, 최대전송속도 300Mbps 를제공한다. 정보와통신열린강좌
그림 8. LTE 프레임구조및무선자원단위 Carrier Aggregation 은 MAC 계층과물리계층 (PHY) 에서주파수를최대 5 개까지병합하는기술이다. 현재표준화가진행중인 3GPP Rel-13 에서는최대 32 개의주파수를병합하는기술이논의되고있다. 디지털정보의양은최대 6 bit 이며, 하나의 RBP 통해전송할수있는정보는최대 1,008 bit (= 6 bit 168 REs/RBP) 이다. LTE 기지국이하향링크 2 전송을위해 10MHz 주파수대역폭을사용하는경우, 인접주파수와의간섭을피하기위해가장자리 10% 의보호대역 (Guard Band) 은사용하지않고비워두며, 실제통신에사용하는대역폭은 9 MHz 이다. 9 MHz 대역폭안에는부반송파가 600(=9 MHz / 15 khz) 개존재하며, 600개의부반송파는총 50(=600/12) 개의 RBP를구성한다. 50개의 RBP는 1 ms subframe 동안 50,400 bit(=1,008 bit/rbp 50 RBP) 를전송할수있으며, 이는 50 Mbps의전송속도를제공할수있음을의미한다. 현재출시된 LTE 단말들은대부분두개의안테나를장착하고있으며, 2 2 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 기술을사용하여전송속도를 50 Mbps의두배인 100 Mbps까지제공할수있다. 그러나이수치는무선구간에서전송하는제어메시지등의오버헤드를고려하지않은것이며, 실제로 10MHz 주파수를사용하는 LTE 기지국이제공할수있는최대전송속도는 75 Mbps 정도이다 [2]. 최근 LTE Advanced의도입에따라주파수집성기술 (CA: Carrier Aggregation) 을사용하여 3개의주파수를묶어최대 40MHz(=20+10+10) 의주파수를마치하나처럼사용할수있는데, 이경우 LTE 기지국은최대 300Mbps(= 75Mbps/10MHz 40MHz) 의전송속도를제공할수있다. 향후 3GPP Release 12에서표준화된 256 QAM을지원하는단말이출시되면기존 64 QAM의 6 bit/symbol 전송에서 256 QAM의 8 bit/symbol 전송으로무선전송효율이 8/6배개선되어최대 400 Mbps(=300Mbps 8/6) 의전송속도를제공할것으로예상된다. 주어진주파수자원을사용하여얼마나많은정보를전송할수있느냐를숫자로나타낸것을주파수효율성 (Spectral Efficiency[bps/Hz]) 이라한다. 3GPP Technical Report 36.913[3] 에명시된 LTE Advanced 시스템의주파수효율성최대값은하향링크의경우 30 bps/hz이며, 이는단말과기지국이각각 8개의안테나를사용하는 8 8 MIMO 기술을적용한경우를가정한것이다. MIMO 기술은안테나의수에비려하여무선전송속도를증가시킬수있는기술로, 8 8 MIMO는단말과가지국이각각하나의안테나만을사용하는 SISO(Single Input Single Output) 대비 8배, 그리고단말과기기국이각각 2개의안테나를사용하는 2 2 MIMO 대비 4 배의전송속도를제공할수있다. 현재는 8개의안테나를장착한단말이존재하지않기때문에이론적인수치에불과하나 20 MHz 주파수 5개를묶어총 100 MHz 주파수를사용할경우최대 3 Gbps(=30 bps/hz 100 MHz) 의전송속도를제공할수있음을의미한다. 33 2 하향링크는기지국이단말로데이터를전송하는방향을의미하며, 상향링크는단말이기지국으로데이터를전송하는방향을의미한다. SERIES 1
그림 9. 3G vs. 4G 네트워크구조비교 Ⅴ. LTE 네트워크구조 34 LTE는네트워크구조측면에서도기존이동통신시스템과는차별되는특징을가지고있다. < 그림 9> 는 3G 네트워크구조와 4G 네트워크구조를비교한것이다. 3G WCDMA는음성통화서비스와무선데이터서비스를제공하기위해각각회선기반의코어망 (CS CN: Circuit Switched Core Network) 과패킷기반의코어망 (PS CN: Packet Switched Core Network) 을필요로하였다. 무선기지국과코어망을연결하는기지국제어장치 (RNC: Radio Network Controller) 는사용자가이용하는서비스에따라 ( 음성또는데이터 ) 사용자트래픽을 CS CN 또는 PS CN 쪽으로분기하는역할을제공한다. LTE에서는 IP 기반의서비스플랫폼 (IMS: IP Multimedia Subsystem) 을통해 VoIP(Voice over IP) 서비스를제공하기로함에따라회선기반의코어망이필요없게되었으며, 3G에서기지국제어장치 (RNC) 와기지국 (NodeB) 으로분리되어있던기능들이 LTE에서는기지국 (enodeb) 으로통합되어네트워크구조가단순화되었다. 또한 LTE에서는코어망의트래픽처리기능과신호처리기능을분리하였다. 사용자트래픽의 LTE 에서는음성서비스를 IP 기반으로제공함에따라 3G 에비해네트워크구조가훨씬단순화되었으며, 신호와트래픽을처리하는코어망기능을분리하여비용효율적인네트워크구축이가능해졌다. 그림 10. LTE 네트워크구조 정보와통신열린강좌
처리는 P GW(Packet Data Gateway) 및 S GW(Serving Gateway) 가계층적인구조를통해서담당하고, 신호처리는 MME(Mobility Management Entity) 라는장치가담당하도록하였다. 향후 IoT(Internet of Things) 서비스가활성화되면기지국에동시에접속하는단말의수가많아지고신호처리용량이상대적으로많이필요할것으로예상되는데, 이경우 LTE 코어망 (EPC: Evolved Packet Core) 을구성하는장비들중 MME 만을증설하여추가로필요한신호처리용량을확보할수있다. 이와같은트래픽처리와신호처리의분리구조는기존의네트워크구조에비해비용효율적으로네트워크를구축하고용량을증설할수있는장점을가지고있다. < 그림 10> 은온라인및오프라인과금시스템, 가입자정보서버, QoS 정책서버, 사용자단말 ID 서버등을포함하는 LTE 코어망의주요시스템들과인터페이스를나타낸것이다 [4]. Ⅵ. 결론 KT 는우리나라동쪽끝독도를비롯하여서쪽끝에위치한격렬비열도, 그리고최남단마라도에이르기까지국토전역에걸쳐 LTE 서비스를제공하고있으며, 세계적으로도그전례를찾기힘든무선커버리지를제공하고있다. 이동통신기술은세대를거치면서점점더빠른전송속도를제공해왔으며, 무선구간의전송속도를결정하는주요요인으로는무선통신에사용하는주파수의대역폭, 고차변조 (high order modulation), 다중안테나기술 (MIMO: Multiple Input Multiple Output) 등이있다. 고속의무선전송속도를제공하기위해 4세대이동통신은기존세대가사용한것보다훨씬더넓은주파수대역폭을필요로했고, 광대역주파수환경에서전파의다중경로문제를구조적으로해결할수있는 OFDM 을전송기술로선택하였다. 본고에서는 OFDM의동작원리와여러사용자를서비스하기위한무선자원의할당방법그리고 LTE 및 LTE Advanced 시스템의최대전송속도와 LTE 코어네트워크구조에대해서살펴보았다. 감사의글 본고는 2015년도정부 ( 미래창조과학부 ) 의재원으로정보통신기술진흥센터의지원을받아수행됨 (R0127-15-1003, 비면허대역이종 RAT (LTE & Wi-Fi) 공존을위한통신표준개발 ) 35 참고문헌 [1] G. Bottomley, T. Ottosson, Y.-P. Eric Wang, A generalized RAKE receiver for interference suppression, IEEE J. on Sel. Areas in Comm. vol. 18, issue 8, pp. 1536 1545, Aug. 2000. [2] Sonia Rathi et al, Throughput for TDD and FDD 4G LTE Systems, Int. J. of Innovative Technology and Exploring Engineering (IJITEE), vol. 3, issue 12, pp. 73 77, May 2014. [3] 3GPP Technical Report 36.913, Requirements for further advancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA), from http://www.3gpp.org. [4] 3GPP Technical Specification 23.002, Network Architecture, from http://www.3gpp. org. SERIES 1
이동통신기술 이동통신망에서의인터넷서비스구조 이동환경중에도스마트폰에서어떻게인터넷서비스가제공되는가? 김영한 숭실대학교정보통신공학과 Ⅰ. 서론 36 오늘날우리는언제어디서나손쉽게인터넷에접속할수있는환경속에있으며, 인터넷이없이는회사의작업뿐만아니라친구들과의소통이불가능할정도로인터넷과밀접한생활을하고있다. 특히무선인터넷의발달과스마트폰의등장및보급은다양한인터넷기반의서비스를창출하였다. 오늘날우리가이용하는모바일서비스중대표적인것이카카오톡과같은메신저서비스이다. 기존에는 SMS라고하는문자메세지를통해다른사람들과메시지를주고받았으나, 문자수의제한과건당요금발생. 단체문자의한계등이있었다. 그러나스마트폰내메신저어플리케이션을통해지인을자동으로검색해서찾아주고문자수와건당요금에상관없이자유롭게서로메시지를전달하며, 단체대화방을통해실시간으로다수의사람들과대화할수있는메신저서비스는단순문자정보교환을넘어새로운소통방식으로자리잡았다. 유무선인터넷속도의증가로인해음성, 영상등의멀티미디어컨텐츠들을위한서비스도많이생겨났다. 유투브, 넷플릭스와같은동영상컨텐츠제공서비스는기존의텔레비전을통해서만소비하던동영상컨텐츠를인터넷이가능한단말기를통해어느곳에서나시청할수있도록하였을뿐만아니라사용자가직접영상컨텐츠를만들어이를공유할수있도록하였다. 최근에는이러한멀티미디어서비스가전체인터넷사용량의대다수를차지하고있으며, 지속적으로증가할것으로예상된다. 이러한휴대용단말기의발전과다양한인터넷서비스의발전은네트워크의발전과깊은관련이있다. 아무리단말기제조기술이발달한다고하더라도인터넷접속을위한네트워크기술이발전하지않았다면지금과같이빠른속도와대용량컨텐츠의전송은불가능하였을것이다. 특히, IP기반의통신을지원하는 4G 이동통신망의등장으로스마트폰기반의다양한서비스들이가능하게되었다. 본글에서는이러한서비스들을가능하게하는 4G 이동통신망네트워킹기술과함께모바일서비스들이어떻게네트워크내에서동작하는지에대해설명하고자한다. 휴대용단말기의발전과다양한인터넷서비스의발전은네트워크의발전과깊은관련이있다. 아무리단말기제조기술이발달한다고하더라도인터넷접속을위한네트워크기술이발전하지않았다면지금과같이빠른속도와대용량컨텐츠의전송은불가능하였을것이다. Ⅱ. 인터넷망의구조및동작원리 오늘날우리가사용하는인터넷통신은 IP 주소기반의통신방식을사용한다. 컴퓨터, 노트북, 스마트폰등이유무선방식으로인터넷에접속될때할당받는주소로써사용자가현재사용하는단말의위치를나타낸다. 모든인터넷에접속하는단말은 IP주소를할당받기때문에, 인터넷상에서통신하는두지점사이에는수신자와목적지의 IP 주소정보가담긴 IP 패킷이라고하는데이터조각들을통해원하는컨텐츠를주고받는다. < 그림 1> 은 IP 주소기반의웹서버 정보와통신열린강좌
접속동작을간단한그림으로나타낸것이다. 사용자가자신의웹브라우저에서 http://www. google.com 이라는문자열을입력하여웹서버에접속하고자할때, 먼저사용자의단말은사전에설정된 DNS (Domain Name Server) 라고하는서버에해당문자열주소가어떠한실제주소를가지고있는지를물어본다. DNS 서버는사용자가가고자하는서버의문자열주소에대한실제 IP 주소를단말에게보내주고, 단말은해당주소로접속요청패킷을보내게된다. 인터넷상에는라우터 (Router) 라고하는수많은 IP 패킷전달장비들이존재하는데, 라우터들은 Subnet이라고하는 IP 주소의범위를통해네트워크지역을구분한다. 라우터내저장되어있는 Subnet 정보를통해, 특정주소를목적지로하여특정 IP 주소로보내는데이터의단위인 IP 패킷이왔을때라우터는주소테이블을찾아적절한곳으로 IP 패킷을보낸다. 따라서, 그림에서와같이사용자가보낸웹서버요청패킷이라우터 A에도착하면, 라우터 A는라우팅테이블을통해해당주소를관리하는라우터 B로보내어웹서버로패킷이전달될수있는것이다. IP 주소는국가와지역별로일정범위의대역을할당하고, 주소범위정보를공유하기때문에특정웹서버또는상대방의 IP 주소만알고있으면이를통해정확한목적지로데이터를송 수신할수있다. 37 그림 1. IP 주소기반의웹서버접속동작 Ⅲ. 모바일인터넷서비스구조 오늘날우리가사용하는인터넷통신은 IP 주소기반의통신방식을사용하여라우터를통해이를전달하는구조를갖고있지만, 이동통신망은단말기및가입자관리를위한복잡한구조로되어있어더많은과정을거쳐인터넷에접속할수있다. 앞에서설명했듯이현재유무선인터넷은 IP 주소의사용과함께라우터가이를전달하는구조를갖고있지만, SKT, KT와같은이동통신망은단말기및가입자관리를위한복잡한구조로되어있어더많은과정을거쳐인터넷에접속할수있다. 기존의이동통신망은음성신호를보내는것이주목적이었기때문에, IP 기반의통신방식을사용하지않고유선전화망에서사용하던 Circuit-Switch 기반의통신방식을사용하였다. 4G 이동통신기술로넘어오면서 IP 기반의통신방식으로만네트워크를구성하였는데, 지금부터 4G 네트워크의구조및각기능들을설명하고자한다. 1. 4G 이동통신망의구조 < 그림 2> 는 4G 이동통신망 [1] 의구조를나타낸그림이다. 이동통신망은크게단말이접속하는무선접속구간과, 단말이보낸패킷을인터넷으로전달하는코어네트워크의두부분으로구성된다. 또한이동통신망에서는두종류의링크가존재하는데하나는단말의데이터를전달하기 SERIES 1
38 그림 2. 이동통신망의구조위한데이터링크이며, 다른하나는단말의상태를지속적으로확인하고관리하기위한제어링크이다. 단말이이동통신망에접속하면두종류의패킷을코어네트워크로보내게되는데하나는일반적으로우리가인터넷을사용하여컨텐츠를주고받는데이터패킷이고다른하나는코어네트워크에단말의위치정보, 단말의현재상태등을지속적으로업데이트하기위한제어패킷이다. 제어패킷은이동통신망내단말이지속적으로연결될수있도록전화나인터넷을사용하지않을때에도통신링크를끊지않고연결해주는역할을한다. 전화나메신저어플리케이션의푸쉬알림이가능한것도제어패킷의지속적인교환을통해가능한것이다. 데이터링크에서는단말의패킷을효과적으로전달하고단말별로가입상품또는이동통신사의정책에따른차별적인통신성능을지원하기위해데이터터널을생성하는것이특징이다. 그림에서설명하는기능외에도많은기능들이있지만, 그림내있는기능들이주로이동통신망에서단말의통신을위해사용되는기능이다. 무선접속네트워크에서 LTE 기지국역할을하는 enodeb는단말기의데이터를받아코어네트워크로전달해주는역할을하며, 단말의신호세기를지속적으로감지하여신호가약해지면단말에게다른인근기지국에접속하도록요청하는단말이동성지원역할도담당한다. 코어네트워크에는여러개의기능들이존재하는데, 코어네트워크내의기능도크게단말의데이터를전달하기위한기능들과단말의상태를판단하고제어하기위한기능으로나눌수있다. 기지국과연결되어있는두개의기능중 MME (Mobility Management Entity) 라고하는기능은단말과제어메시지를주고받는기능으로써, 단말사용자에대한인증을통해이동통신망에가입된사용자의단말인지를확인하고보안을위한절차를수행한다. MME의주된기능은그이름에서도알수있듯이단말의이동시에도이동통신망으로의연결이끊어지지않게하는이동성지원역할이며, 이동성지원역할을수행하기위해서단말과의제어메시지교환을통해단말이인근의적합한기지국을찾아접속할수있도록돕는역할을수행한다. S GW (Serving Gateway) 는기지국으로부터오는단말의데이터패킷을처리하는기능으로단말의데이터패킷을 P GW로전달하는역할을담당한다. P GW는단말의데이터패킷이인터넷으로나가는지점으로, 여러개의 S GW와연결되어있다. P GW는단말의 IP 주소를할당하는기능을가지고있어, 외부와통신시단말의 IP 주소정보를통해단말의현재위치로패킷을전달할수있도록한다. PCRF는코어네트워크내 P GW와연결되어있는기능으로사용자의요금상품에따라차별적인서비스를제공하도록하는기능이다. 예를들어, 데이터사용이제한적인요금상품을사용하는가입자의경우일정데이터가소비되면통신이되지않도록하거나, 통신속도 이동통신망은크게단말이접속하는무선접속구간과, 단말이보낸패킷을인터넷으로전달하는코어네트워크의두부분으로구성된다. 코어네트워크내의기능도크게단말의데이터를전달하기위한기능들과단말의상태를판단하고제어하기위한기능으로나눌수있다. 정보와통신열린강좌
를낮추는규칙을설정하여 P GW를통해적용할수있다. 이외에이동통신사업자내가입자들의정보를가지고있는 HSS, 데이터사용량측정을통해과금정보를적용하도록하는 OFCS 등이추가적으로이동통신망에서동작하고있다. < 표 1> 은각각의기능을다시정리한것이다 [1]. 표 1. 이동통신망내주요기능설명 기능명 enodeb Serving Gateway (S GW) PDN Gateway (P GW) Mobility Management Entity (MME) Home Subscriber Server (HSS) Policy and Charging Rule Function (PCRF) Offline Charging System (OFCS) 주요기능 사용자에게무선접속인터페이스를제공무선자원의할당및관리접속단말의신호세기탐지및이동성지원 단말이 enodeb 사이를이동시데이터손실방지를위한이동성지원수행단말의데이터전달을위한터널링기능수행 단말의외부통신을위한 IP 주소할당이용하는서비스및사용자정보에따른트래픽정책적용사용량에따른과금적용이동통신사가설치한 Wi-Fi 를통한접속처리 단말및가입자에대한인증과보안절차수행이동성지원을위한단말위치및상태관리 가입자정보를저장하고있는데이터베이스로, MME 에게인증과보안관련정보를제공 사용자가입요금제및이용서비스에따라서비스품질정책과과금정책을생성하여 P GW 로전달 단말의데이터사용량을수집하여이를과금정보에반영하는기능으로써, P GW 와연동 39 2. 이동통신망에서의데이터통신절차 우리가단말의전원을켜고 LTE 망을통해인터넷을사용하고자할때이동통신망에서의데이터통신절차는사용자인증, 보안설정, 위치업데이트및데이터경로설정의단계를통해진행된다. 우리가단말의전원을켜고 LTE 망을통해인터넷을사용하고자할때이동통신망에서의데이터통신절차는 < 그림 3> 과같이사용자인증, 보안설정, 위치업데이트및데이터경로설정의단계를통해진행된다. 본장에서는그림을바탕으로각과정에서어떠한동작들이진행되어단말이인터넷에접속할수있는지에대해간략하게설명하고자한다 [2]. 단말인증및보안설정단계첫번째사용자인증단계에서는단말기가기지국을통해 MME로 USIM에저장된가입자정 그림 3. 이동통신망에서의통신절차 SERIES 1
40 보를보내사용자인증을받는다 (1~3). MME는가입자정보들이저장되어있는 HSS에서해당가입자의정보를가져와서저장되어있는정보가일치하는지를확인 (3~6) 하고, 무선링크에대한보안을위한추가인증절차를수행 (7~9) 한다. 이동통신망에서는사전에인증된 USIM을가진단말기가접속되어야해당단말기를위해인터넷접속을열어줄수있는것이다. 단말의위치업데이트및가입유형정보교환단계가입자인증과보안설정을마치고나면 MME는 HSS에게현재사용자의위치를알려주어업데이트할수있도록하고 (1), HSS는 MME에게사용자가어느서비스에가입했는지, 그에따라얼마나빠른속도로인터넷접속을지원해줄수있는지에대한정보를전달하여준다 (2). 이때 MME가받은정보는데이터경로를설정할때에사용된다. 단말의데이터경로설정단계단말기가인터넷에접속하기위해서는 enodeb와 S GW, P GW 사이에데이터전송을위한경로를설정해주는작업이필요하다. 수많은사용자들의통신을관리해야하는이동통신망은네트워크를효율적으로사용하기위해단말이외부와통신하지않을때에는데이터경로를설정하지않고, 단말이통신을하고자하는경우에만코어네트워크에서단말의통신을위한경로를설정한다. 코어네트워크내기능들사이에는특별한 ID 값을통한터널링기법을사용하여데이터를전달한다. 따라서가입자인증및식별과정이후에 MME는 S GW를선택하여해당단말에대한경로설정을요청하게되고 (1~2), S GW는 P GW를찾아단말의경로설정을위한요청을보낸다. 단말의경로요청메시지가 P GW에도착하면, P GW는단말에외부로통신할 IP를할당 (3) 하고, PCRF에요청하여받은사용자의가입상품에따른서비스품질정책을적용한다 (4~6). 단말에게할당한 IP 주소와함께데이터전달을위한터널의성능을위한정책설정들은 P GW에서부터 S GW, MME를거쳐 enodeb에전달되는데이때각데이터링크사이에는단말의통신을위한터널이생성된다 (6~9). 위의과정을전부거쳐서최종적으로단말에게네트워크사용이준비되었다는메시지를받은후에야 (10), 비로소단말은이동통신망을통해외부로데이터를보낼수있는상태가되는것이다. 3. 이동통신망에서의이동성지원절차 이동통신에서지원해야하는또하나중요한기능은이동하는단말에대한지원이다. 사용자가 빠른속도로먼거리를이동한다고하더라도이동통신망에서의전화또는서비스가끊어지지않도 이동통신에서지원해야하는또하나중요한기능은이동하는단말에대한지원이다. 사용자가빠른속도로먼거리를이동한다고하더라도이동통신망에서의전화또는서비스가끊어지지않도록해야하기때문에, 이동통신망에서의이동성지원은사용자의이동으로인한기지국으로의수신신호세기를측정하여미리이동할것에대비하는방식으로수행된다. 그림 4. 단말의이동성지원을위한절차 정보와통신열린강좌
록해야하기때문에, 이동통신망에서의이동성지원은사용자의이동으로인한기지국으로의수신신호세기를측정하여미리이동할것에대비하는방식으로수행된다. 이를위해 3GPP에서는이동성관리에대한표준이정의되었다 [3]. < 그림 4> 는이동성지원을위한방법중하나를나타낸것으로, 단말의신호세기를감지 (1) 한 enodeb는 MME를통해이동성지원요청을보내이동성지원절차를수행한다 (2). 단말의이동중에데이터가유실되는것을방지하기위해서, 기존에접속하고있던 enodeb와 S GW 및새로접속하는 enodeb간의데이터전달을위한추가적인터널을생성 (3~4) 하고, 이동중에유실될수있는데이터를저장하였다가이동후에전송하는방식을통해서음성이나기타데이터패킷들이끊김없이단말기에전달될수있도록한다. 추가적인터널이생성이된후에야단말에게이동요청을보내단말이새로운 enodeb로접속할수있으며 (5~7), 단말이이동후 S GW와새로운터널이생성된후에이동성지원절차는완료된다. 4. 이동통신망과미들박스 이동통신망의코어네트워크에서인터넷으로데이터패킷이교환될때, 이동통신망에서는추가적인기능들을제공하고자 P GW와인터넷사이에다양한기능들을수행하는미들박스 (middlebox) 라고불리는장비들을설치한다. 미들박스는이동통신망내에서제공하는서비스외에보안을위한방화벽 (firewall) 이나네트워크내패킷전달속도증가 (WAN Optimizer) 및네트워크혼잡방지 (Load Balancing) 를위한다양한기능들로구성되어있다. 이동통신망에서동영상등의컨텐츠를빠르게제공하기위해미디어서버나프록시서버를설치하여운영하기도한다. 이러한미들박스들은이동통신코어네트워크와인터넷사이에위치하여코어네트워크로들어오고나가는모든트래픽들이거쳐가도록하였으며, 사용자에트래픽의종류에따라필요한기능들을지원함으로써빠르고안전한통신을지원한다. 지금까지의이동통신망내절차들을인터넷포털에접속하는동작을예로들어설명해보자. 41 이동통신망의코어네트워크에서인터넷으로데이터패킷이교환될때, 이동통신망에서는추가적인기능들을제공하고자 P GW 와인터넷사이에다양한기능들을수행하는미들박스 (middlebox) 라고불리는장비들을설치한다. 그림 5. 이동통신망과미들박스의연결구조 단말의전원을켜고기지국을찾아단말이접속하면, USIM 정보를통한사용자인증과보안설정및사용자의위치업데이트과정들이수행된다. 이후단말이웹브라우징어플리케이션으로네이버포털웹서버에접속하고자할때, 웹서버로패킷을보내기전에코어네트워크에단말을위한경로설정을통해사용자를위한터널이생성되고 IP 주소를할당받는다. 이후에단말이부여받은 IP 주소를통해웹서버의주소로패킷을전송하면, 기지국인 enodeb와 S GW, P GW를거쳐코어망외부로나가게되고코어망외부의방화벽, 로드밸런싱과같은많은미들박스를거쳐서야단말의요청패킷이웹서버에도착할수있는것이다. 이와같이이동통신망은매우복잡한과정을거쳐단말의패킷을인터넷으로전달하고있으며, 이과정에서매우많은제어메시지들이이동통신망내기능들사이에서교환된다. SERIES 1
42 그림 6. OTT 메시징서비스의동작및이동통신망에서의문제점 5. OTT (Over-The-Top) 서비스의소개앞에서설명한이동통신망내에서의단말통신방식은서비스개발자의입장에서고려사항이아니며, 그렇기때문에서비스제공자들은기존의인터넷에서의동작방식과동일한방식으로가정하고서비스를개발하고이를사용자들에게제공한다. 특히, 인터넷을통해멀티미디어컨텐츠를제공하는 OTT(Over-the-top) 서비스가증가하면서사용자입장에서는다양한서비스를제공받을수있는기회가제공되었으나이동통신망사업자입장에서는다양한문제점들이나타나망중립성과같은이슈들이고려되고있는상황이다. 본장에서는이러한 OTT 서비스가이동통신망내에서어떤방식으로동작하고, 어떠한문제점들이발생할수있는지를살펴보도록한다. 통신사에서는대용량의멀티미디어전송또는데이터가작지만자주발생하는문자메시지서비스의제공을위한방안들을가지고있었다. 이동통신망내에서의문자메시지인 SMS의경우, 앞에서언급한데이터경로설정등을거치지않고제어메시지를통해서전달이되기때문에길이의제한은있으나데이터전송을위한별도의설정이필요없도록하였으며, 멀티미디어컨텐츠서비스와같은경우도 P GW에서인터넷으로가지않고 CDN이라고하는컨텐츠전달네트워크를통해별도로서비스를관리하고자하였다. OTT 서비스들은이동통신망의네트워크구조와상관없이별도의자체서버를통해단말과통신한다. 카카오톡과같은메신저서비스의경우, 모든가입자들의정보는자체서버를통해서관리된다. 이러한메신저서비스를통해사용자 A가 B에게메시지를보내는경우를가정하자. 사용자 A가 B에게메시지를전송하면해당메시지는카카오톡서버를통해 B가가입되어있는통신사의 P GW로전달된다. 해당메시지가도착하면, P GW는단말의위치를확인하고, 단말이접속하고있는기지국인 enodeb로데이터를전송하기위해서앞에서언급했던단말의경로설정방식을거쳐 S GW와 enodeb를거쳐단말에게전송된다. 전송되는메시지는단방향으로전달되는짧은형태의데이터이기때문에, 메시지가전송되고나면이를전송하기위해설정했던정보들과데이터터널은회수된다. 즉, 하나의단문메시지를보내기위해서많은절차들을거치게되는것에반해지속적인연결이이루어지지않아연결이금방해지되지때문에다량의메시지가교환되면서이동통신망네트워크에는실제보내는데이터보다이를전달하기위한제어메시지들로인해혼잡이발생하는것이다. 또다른문제점은사용자추적에있다. 메신저서비스를제공하는서버는단말에게즉각적으로메시지를전달하기위해지속적으로단말에게통신상태가살아있는지를확인하는 keep-alive 메시지를전송하는데, 이러한메시지들또한이동통신망내에서는데이터메시지로취급되기때문에앞에서언급한데이터경로설정과정들을거치게된다. 다시말하면실제메시지를보내지않더라도주기적으로단말을위한데이터경로설정절차가반복되고있는것이다. 인터넷을통해멀티미디어컨텐츠를제공하는 OTT(Over-the-top) 서비스가증가하면서사용자입장에서는다양한서비스를제공받을수있는기회가제공되었으나이동통신망사업자입장에서는다양한문제점들이나타나망중립성과같은이슈들이고려되고있는상황이다. 정보와통신열린강좌
그림 7. OTT 멀티미디어스트리밍서비스의동작과이동통신망에서의문제점 외부의스트리밍서버를통해동영상스트리밍을제공하는유투브, 넥플릭스와같은 OTT 서비스의경우, 제공되는동영상스트리밍트래픽은단말별로설정되는데이터경로를통해서각각사용자에게전달된다. 이동통신망내에서제공하는동영상스트리밍서비스는 CDN 네트워크를통해망내에서같은컨텐츠에대해서는그룹전송방식을통해전송할수있는반면에, 외부서버를통해각사용자별로전송되는 OTT 동영상서비스의경우, 같은컨텐츠라도망내에서이를인식하지못하고개별적으로트래픽을처리하기때문에 CDN 방식에비해네트워크내전달되는트래픽이급증하는문제가발생한다. 또한비즈니스관점에서, 데이터트래픽은증가하지만기존의이동통신사에서제공하는서비스가아니기때문에매출과무관한트래픽이대량으로발생함에따른경제적손실의문제점도있다. 위에서언급한 OTT 서비스로인한이동통신망의혼잡으로인해최근에는 OTT 서비스사업자들의서버를이동통신망내에두어트래픽혼잡을줄이고자하는노력을하고있으나, 여전히증가하는트래픽에대한네트워크증설과이로인한이동통신사의네트워크유지보수비용의증가는망중립성과관련하여논쟁이되고있는부분이다. 43 이동통신망은기존의음성중심의네트워크에서부터유무선기술의발달로인한 IP 기반의 4 세대모델까지진화하였으며, 최근에는이를넘어선 5 세대네트워킹기술인 5G 기술에대한연구가활발하게진행되고있다. Ⅳ. 차세대이동통신망의발전방향 이동통신망은기존의음성중심의네트워크에서부터유무선기술의발달로인한 IP 기반의 4세대모델까지진화하였으며, 최근에는이를넘어선 5세대네트워킹기술인 5G 기술에대한연구가활발하게진행되고있다. 5G 이동통신망에기술에대해서는다양한곳에서정의되고있으나, 그림 8. 5G 네트워킹기술개발의주요목표 [4] SERIES 1
44 그림 9. 가상화기술인 NFV 기반의이동통신망구조그목표는동일하거나유사한수치로정의되고있다 [4]. 이동통신망의발전은크게무선접속기술과코어망기술의진화로나타나는데, 우선 5G의무선접속기술은현재 Mbps 단위의전송속도에서초고주파대역을통한 Gbps 단위의전송속도로진화하는것을목표로하고있다. 이는 800MB의동영상을내려받는다고가정했을때, 4G에서는 43초가소요되는데비해 5G에서는 1 초면다운로드가완료되는것이다. 이동성지원의경우도더빠르게이동하는접속단말에대한이동성지원을제공함으로써, 신뢰성을높일것으로예상된다. 이러한무선전송기술의진화는더선명한화질의영상컨텐츠를전송할수있는환경이될것이며, 이를통해의료, 차량, 재난등의분야에서더효과적인서비스를제공할수있을것으로기대하고있다. 코어네트워크의진화는더혁신적인방법으로이루어질것이다. 4G에서는 All-IP기반의코어네트워크로의발전이었다면, 5G에서는가상화플랫폼과클라우드컴퓨팅, 소프트웨어기반의신기술이접목된더유연하고다양한서비스를제공할수있는구조로변화될것이다. 특히, NFV (Network Function Virtualization) 이라고하는가상화기술은기존의코어네트워크의기능뿐아니라 P GW와인터넷사이의다양한미들박스기능들까지가상화플랫폼위에구현하여사용자또는서비스의종류에따라논리적으로여러형태의데이터전달구조를적용할수있어, 기존의이동통신망및미들박스들의비효율적인데이터전달방식을개선할수있을것으로보인다. 이러한연구는이미관련표준화단체인 ETSI[5] 와 IRTF[6] 등에서표준화논의가활발하게진행되고있으며, 유럽등지에서여러프로젝트를통해기술연구및기업들의상용화제품개발이이루어지고있다. 5G 기술은기존의스마트폰뿐만아니라다양한형태의단말을수용할수있는구조로연구되고있다. IoT (Internet of Things) 라고불리는사물인터넷은모든사물이인터넷에연결되는서비스로써센서, 차량, 가전등의다양한사물이인터넷에연결되서서로정보를주고받을수있고, 이를통해사물을제어할수있는다양한서비스를창출할수있다. IoT를위한네트워크를 5G에서수용하게되면, 이동통신망을통한사용자의모바일단말과사물과의더효율적인통신을가능하게할수있을뿐만아니라, 이동통신망의인프라를활용하여 IoT의범위를확장할수있을것으로기대된다. 코어네트워크의진화는더혁신적인방법으로이루어질것이다. 4G 에서는 All-IP 기반의코어네트워크로의발전이었다면, 5G 에서는가상화플랫폼과클라우드컴퓨팅, 소프트웨어기반의신기술이접목된더유연하고다양한서비스를제공할수있는구조로변화될것이다. 정보와통신열린강좌
Ⅴ. 결론 본고에서는 LTE 기반의 4세대이동통신망의구조및동작원리, 이동성지원을위한절차들을소개하였다. 또한, 이동통신망과연동되는미들박스및 OTT 서비스의서비스동작절차를통해진화하는모바일서비스들이이동통신망에미치는영향과함께차세대이동통신망기술의발전방향을설명하였다. 앞으로모바일트래픽및 OTT와같은서비스가지속적으로증가함에따라, 이동통신망사업자들은기존의네트워크기술을혁신적으로변화시키는동시에, 다양한서비스들에대한요구사항들에대해유연하게대처할수있는새로운네트워킹기술들을적용하여효율적인관리및이를기반으로하는새로운서비스들을창출할수있을것이다. 참고문헌 [1] M. Olsson, S. Rommer, C. Mulligan, S. Sultana, and L. Frid, SAE and the Evolved Packet Core: Driving the mobile broadband revolution, Academic Press, 2009. [2] 넷매니아즈기술문서, EMM Procedure:1.Initial Attach for Unknown UE, Retrieved Sep., 15, 2011, from http://www.netmanias.com. [3] 3GPP TS. 36.413, Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); S1 Application Protocol (S1AP), Retrieved Sep., 17, 2014, from http://www.3gpp. org. [4] 5G Infrastructure Public Private Partnership, 5G Vision, Retrieved Jun., 1, 2015 from http://www.5g-ppp.eu. [5] ETSI White paper, Network Function Virtualisation, Retrieved 2012, from http:// www.etsi.org. [6] IRTF Network Function Virtualization Research Group (nfvrg) from http://www. ietf.org. 45 SERIES 1
이동통신기술 5G 이동통신기술발전방향 새롭게펼쳐질미래의이동통신세상, 무엇이달라지는가? 김문홍, 박종한, 나민수, 조성호 SK Telecom 5G Tech Lab 요약 본고에서는다가올미래 5G 이동통신의기술동향, 핵심기술및네트워크구조변화에대해서 알아본다. Ⅰ. 서론 46 과거 2G부터 3G까지의이동통신은음성위주의서비스및데이터서비스의시작점을제공하였던반면에, 4G 이동통신에서는본격적인데이터중심의이동통신서비스로의큰변화를이루었다. 최근콘텐츠별무선트래픽을보면동영상을포함한멀티미디어, 인터넷등몇년전만해도유선통신에서만제공가능했던서비스가모바일환경에서도주된콘텐츠로자리잡게되는큰변화가있었다. 이러한서비스이용패턴의변화는무선네트워크가 3G에서 4G로진화함으로써전송속도가급속도로향상되었고, 모바일서비스시장에서차별적인고객경험을제공하기위한많은서비스들이활발히개발되었기때문이다. 하지만, 이동통신망의진화는여기에그치지않고 2020년상용화를목표로한새로운5G 이동통신에대한논의가국내외에본격적으로진행되고있다. 과거 2G 부터 3G 까지의이동통신은음성위주의서비스및데이터서비스의시작점을제공하였던반면에, 4G 이동통신에서는본격적인데이터중심의이동통신서비스로의큰변화를이루었다. 그림 1. 2021 년까지예상되는 IoT Device 의수 [1] 정보와통신열린강좌
그림 2. 5G 연구단체현황 앞으로다가올미래에는고품질멀티미디어서비스의본격화, IoT 서비스확산등의변화로인해기하급수적인무선데이터트래픽발생및스마트기기가폭발적으로증대할것으로예상된다 앞으로다가올미래에는고품질멀티미디어서비스의본격화, IoT 서비스확산등의변화로인해기하급수적인무선데이터트래픽발생및스마트기기가폭발적으로증대할것으로예상된다. 이러한변화를수용하기에현재이동통신네트워크기술로는가용주파수확보, 안테나기술의제약, Small Cell 구성등다양한한계가있기에새로운기술이요구되고있으며, 이를위해기존네트워크혁신및진화를위한 5G이동통신기술에대한요구사항이전세계에서본격적으로논의되고있다. 이를위해 5G Forum( 한국 ), ITU-R, 3GPP( 유럽 ), 5GPP( 유럽 ), IMT-2020( 중국 ), ARIB( 일본 ), 등전세계적관련단체에서 5G 네트워크에대한 Vision 및요구사항이논의되고있으며, 대한민국정부에서도 2014년미래창조과학부주관으로 미래이동통신산업발전전략 (Creative 5G Mobile Strategy)' 을수립하여 5대 5G 핵심서비스로미래 SNS, 모바일입체영상, 지능서 47 그림 3. ITU-R 에서정의한 8 개의 5G 성능 KPI[11] SERIES 1
비스, 초고속서비스, UHD/ 홀로그램을선정한바있다. 현재국내 5G 포럼및글로벌사업자 / 제조사들이논의하고있는 5G의주요요구사항은 1 4G 대비 1,000배용량증대, 2 언제어디서나개인당 Gbps급의체감속도제공, 3 사물인터넷 (IoT: Internet of Things) 시대대규모디바이스의수용이다. 이밖에도초연결통신, 초실시간처리, 가상화네트워크인프라, All-IT 진화및에너지절감도예상된다. 관련하여 ITU-R 에서는언급된다양한요구사항의성능을수치화하기위한 8가지 ( 체감전송률, 최대전송률, 이동성, 전송지연, 최대연결수, 에너지효율, 주파수효율, 면적당용량 ) 을정의하였다 [11]. Ⅱ. 본론 48 1. 5G 이동통신에의한서비스의변화이러한 5G 이동통신으로의진화로인해다가올미래에는 1 초고용량실감형데이터서비스, 2 초실시간처리서비스, 3 증강현실서비스, 4 초연결 (Hyper-Connectivity) 통신서비스가가능할것으로예상된다. 구체적으로 5G 이동통신으로서비스가가능하게될것으로예상되는분야는아래와같다. 첫째, 5G 이동통신으로대폭증대된전송속도로인해 HD 해상도의 4배에해당하는 4K-UHD ( 약40Mbps), 16배에해당하는 8K-UHD ( 약160Mbps) 등의초고용량영상콘텐츠가보편화될것으로예상되며장기적으로는 3D 영상또는홀로그램서비스로확대될전망이다. 둘째, 5G에서는네트워크의지연시간이수 ms로줄어들게되면서사용자가생각하는순간반응하는양방향초실시간서비스가실현될것으로예상된다. 예를들어, 의사가직접찾아가기힘든지역에서환자발생시로봇을통해치료하는원격의료서비스, 공장에서의초정밀자동화시스템및센서, 동력전달장치, 조향장치, 브레이크장치간의연동이필요한자동주행차량등기기간통신서비스활용도가능할것으로예상된다. 셋째, 대폭증대된전송속도와및초실간처리가모두가능하여원격에위치한실제환경을사용자의위치로가져오는 Teleportation이가능해짐으로써, 현실에가까운실감환경을제공하는 AR(Augmented Reality), VR(Virtual Reality) 서비스가가능하게된다. 넷째, 5G 초연결기술을기반으로 IoT, Connected Car, 각종센서및다양한 IoT Device 에대한실시간통신및제어서비스가가능하게될것으로예상된다. 5G 이동통신으로의진화로인해다가올미래에는 1 초고용량실감형데이터서비스, 2 초실시간처리서비스, 3 증강현실서비스, 4 초연결 (Hyper-Connectivity) 통신서비스가가능할것으로예상된다. 2. 5G 네트워크주요기술 5G에서는기존 4G 기술의한계를넘을수있는다양한새로운기술들이논의되고있다. 5G에서논의되고있는주요기술은크게아래 5가지로정리할수있다. 1 초고주파광대역폭을활용한초고속데이터전송기술 : 기존이동통신은 3GHz 이하의낮은주파수대역에서수십 MHz 대역폭을이용하여신호를전송해야만제한이있었다. 하지만, 5G에서는센티미터파 (3GHz~30GHz), 밀리미터파 (30GHz~300GHz) 의높은주파수대역에서수백 MHz 이상의광대역폭을이용하여고속의데이터전송을가능하게된다. 이렇게초고주파영역에서광대역폭으로신호를전송시기존보다더빠른속도의신호전송이가능한반면, 전파의경로손실이기존대비더많이발생하게되는이슈가발생된다. 2 대용량다중안테나기술 (Massive MIMO): 다수의단말에게별도의용량을갖는신호를안테나에서방사되는빔 Stream으로분리및전송하여, LTE의 MIMO 기술대비용량증대및 정보와통신열린강좌
그림 4. 5G 이동통신에 의한 서비스의 변화[2] SKT는 Mobile World Congress 15 에서 mmwave 기반 5G 초고속, 초 지연 전송 기술을 통해 Robot 실시 간 연동 Demo를 진행하여 전세계 적인 주목을 받았다. 49 그림 5. 5G네트워크 주요 기술[2] 간섭 개선이 가능하게 된다. Massive MIMO 기술로 기지국에 고유 용량을 갖는 신호를 여러 안테나의 빔 Stream으로 방 사하더라도 실제로 수신 받는 단말은 단말 크기의 제약으로 내부에 다수 안테나 구현의 어려움이 있기에 소수의 Stream만 수신이 가능하다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 기지국에서 단말로 방사하는 안테나 빔 Stream을 개별적으로 분리해서 최적의 수신이 가능하도록 빔 패턴을 조정하고 각 빔간 간섭이 발생하지 않도록 신호를 조정하는 Beamforming 기술이 추가 적용된다. ③ Small Cell구성을 통한 네트워크 용량 증대 기술: 기존 Macro커버리지 영역 내에 Traffic이 대량으로 발생하는 소규모 hot-spot이나 빌딩 내에Pico 및 Femto 와 같은 소형 기지국을 다수 설치하여 HetNet (Heterogeneous Network) 기반 네트워크 용량을 증대하는 기술이다. 기존 4G에서도 HetNet이 구성되었으나, 초고주파 대역을 활용할 5G에서는 Small Cell 구성을 위한 SERIES 1
그림 6. 대용량다중안테나기술 [2] 50 그림 7. Small Cell 용량증대기술 [2] HetNet이더확대될것으로예상된다. 이렇게다수의 Small Cell을동일서비스영역에설치할경우 cell 간간섭이더심화될것으로예상되며향후 5G에서는이러한 Small Cell 망내에서의간섭을개선하는것이매우중요할것으로예상된다. 4 혁신적인이동통신신호처리기술 : 기존 3G에서는음성신호의품질을보장하기위해디지털신호를코드기반대역확산 CDMA 방식을사용하였고, 4G에서는높은전송속도확보를위해상대적으로신호대노이즈성능이우수한직교주파수다중화방식 (OFDMA) 방식을사용해왔으나, 5G에서는더진보한직교주파수다중화방식과전력및코드다중화방식을추가하는다양한방식의신규이동통신신호처리기술 (New Radio Access Technology) 이논의되고있다. 5 5G 네트워크운용기술 (5G Operation & Management): 5G 네트워크운용기술은이동통신망을구성하는장비 ( 기지국, RRU 등 ) 의운용에필요한주요기능을자동화하여네트워크스스로최적의초기설정및운용, 자율적인유지 / 보수등을수행하도록만들어진차세대네트워크운용기술이다. 기존 4G Network 에서는 LTE기반자동운용기술 SON (Self Organizing Network) 이도입되었고자동구성 (Self Configuration), 자동최적화 (Self-Optimization), 자 정보와통신열린강좌
그림 8. 혁신적인무선신호처리방식 [2] 51 그림 9. LTE 이동통신망구성동복구 (Self-Healing) 을지원하고있다. SON 기술을통해이전세대네트워크대비운용효율성은크게향상되었으나장비에서실시간통계제공및처리가어렵고, 장비단위통계는가능하나가입자, 서비스단위통계수집이어렵다. 최근 SK Telecom 등주요사업자및장비업체를중심으로 LTE/LTE-A 네트워크에서 Big Data Analytics 등 IT 기술을활용하여네트워크에서발생하는실시간로그나이벤트정보를가입자, 서비스단위로분석하여운용기술을고도화하려는움직임이활발히진행되고있다. 향후 5G 네트워크에서는가입자, 서비스단위실시간통계제공이가능하도록설계되어운용기술이더욱진화할것으로기대되고있다. 이를통해전체네트워크품질향상및네트워크운용비용절감이가능할것으로예상되고있다. 3. 5G 네트워크구조의혁신만약도로를사용하는자동차의양이폭증하고제한속도또한매우높아진다면, 지금우리가사용하고있는교통인프라는더이상변화된환경에적합하지않을것이다. 이와마찬가지로, 네트워크내트래픽의양과전송속도가지금보다수백배또는수천배로늘어난다면, 현재의네트워크인프라역시변화된환경에더이상적합하지않을것이며, 변화에최적화되어혁신적으로진화해야할것이다. 5G시대에는사용자, 트래픽및전송속도가폭증하는등많은변화가예상된다. 이러한환경변 SERIES 1
그림 10. 네트워크운용기술진화방향 52 그림 11. 현재이동통신망구조및개선점 화에최적화되기위하여, 현재 4G네트워크가혁신적으로진화되어야할영역은크게아래세가지영역으로정리할수있다. 1 Flat네트워크구조 : 교통인프라를설계할때, 인프라의구조적인이유로생기는병목구간을최소화해야한다. 마찬가지로, 현재계층적인 (Hierarchical) 구조를가진 4G네트워크는트래픽이상위한구간으로모여서병목현상이생길수밖에없는구조로되어있기때문에, 폭증하는데이터를효율적으로분산되어트래픽을전달할수있는 Flat한네트워크구조로진화해야한다 [6][8][9]. 이러한 Flat네트워크는결과적으로데이터가네트워크에머무는시간을줄여주기때문에짧은응답을요구하는서비스 ( 예. Tactile Internet 서비스등 ) 에더적합하다. 2 S/W의가상화 (Virtualization) 및모듈화 (Modularization): 교통인프라에설치되어각종서비스및전반적인인프라운영에사용되는톨게이트, 카메라, 교통정보수집장치들과같은장비들은도로와일체화되어설치되고운영된다. 만약환경이변하여장비가교체, 업그레이드, 또는다른곳으로옮겨져야한다면, 적지않은교환, 업그레이드, 철거, 또는재설치비용이발생하게된다. 5G환경에서는새로운네트워크기능및서비스들의등장및통신패러다임의변화등다양한환경변화가발생될것이라예상된다. 이에따라, 기존 H/W에서 S/W기능만을분리하여신속, 유연및비용효율적인네트워크기능의설치, 업데이트, 철거, 재설치를가능하게해주 5G 네트워트에서는 1 Flat 네트워크구조, 2 S/W 의가상화 (Virtualization) 및모듈화 (Modularization), 3 개방형 (Open) 네트워크로의진화로의혁신이기대되고있다. 정보와통신열린강좌
그림 12. 5G 네트워크구조진화방향 는네트워크기능 (Network Function) 의가상화 [7][10] 가진행될것이며, 가상화된 S/W 내세부기능들을모듈화 (Modularization) 하여, 하나의 S/W내에서조차필요한세부기능만을선택하여사용할수있게될것이다. 네트워크기능의가상화및모듈화는전반적인 S/W 및세부기능들을동적인수요에따라시간, 장소, 그리고상황에맞게비용효율적이고유연하게사용하는것을가능하게할것이다. 3 개방형 (Open) 네트워크로의진화 : 교통인프라의장비및서비스는대체적으로교통인프라관리자에의해제안, 설치및운영된다. 유사하게, 네트워크기능및서비스들또한네트워크운영자에의해제안, 설치및운영되어왔다. 이러한운영방식은보다보수적이고보안이강화된운영이라는장점이있는반면, 다양한 Industry의필요성에의해빠르게생겨나는혁신적인 (Innovative) 서비스들을네트워크에도입하고지원하는부분에있어서는걸림돌이되었다. 하지만, 가상화를통한네트워크분리및보안기능들이강화되면서, 제3자 ( 예. Over-the-top) 서비스제공자에대해네트워크를점진적으로개방함으로인해, 새롭고혁신적인서비스의도입을촉진하고동시에서비스의품질을향상시킬수있게된다. 53 Ⅲ. 결론 5G 기술을통한미래혁신적인서비스를제공하여고객에게새로운가치를제공하는것이가능할것으로예상된다. 본고에서는 5G 기술동향및 5G로인한미래서비스의변화를살펴보고이를위한 5G 핵심기술과향후네트워크진화방향을살펴보았다. 5G 서비스가도래할가까운미래에는이전과다른초고속, 대용량, 초연결, 초실시간의서비스가제공가능하여모든디바이스가 5G네트워크를통해연결되어고객에게이전과는다른새로운가치를제공할수있을것으로생각된다. 이를기반으로다양한서비스의발굴과창의적 Ideation을통해새로운세대로전환할수있는계기가마련될것으로기대된다. SERIES 1
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저자약력 장병준 1990년연세대학교공학사 1992년연세대학교공학석사 1997년연세대학교공학박사 1995년 ~1999년 LG전자 1999년 ~ 2003년한국전자통신연구원 (ETRI) 2003년 ~ 2005년정보통신연구진흥원 (IITA) 2005년 ~ 현재국민대학교전자공학과교수관심분야 : RF회로설계, RFID/WPT 시스템설계, 주파수간섭모델링및스펙트럼공학, 무선센서설계 홍인기 1989년연세대학교공학사 1991년연세대학교공학석사 1995년연세대학교공학박사 1995년 ~ 1999년 SK Telecom 중앙연구원선임연구원 1999년 ~ 현재경희대학교전자전파공학과교수관심분야 : 이동통신, 주파수엔지니어링 방승찬 1984년서울대학교전자공학과학사 1986년서울대학교전자공학과석사 1994년서울대학교전자공학과박사 1985년 ~ 1987년금성사중앙연구소주임연구원 1987년 ~ 1992년디지콤정보통신연구소선임연구원 1994년 ~ 현재한국전자통신연구원책임연구원관심분야 : 이동통신무선전송기술 최우진 1990년 BSEE, Fairleigh Dickinson Univ. 1992년 MSEE, Columbia Univ. 2003년 Ph.D. in EE, New Jersey Institute of Technology 1997년 ~ 1999년 Research Engineer, LGIC 2003년 ~ 현재 KT 융합기술원무선표준기술팀장관심분야 : 이동통신무선기술개발및표준화 55 황선한 1995년광운대학교공학사 1997년고려대학교공학석사 2004년고려대학교공학박사 ( 수료 ) 1997년 ~ 2002년 SK Telecom Network 연구원선임연구원 2002년 ~2012년필아이티 기술이사 2012년 ~ 현재정보통신기술진흥센터 (IITP) 수석연구원관심분야 : 이동통신시스템, 간섭분석, Resource Management 등 김현표 1987년서울대학교전기공학과학사 1989년서울대학교전기공학과석사 1996년 Texas A&M 대학교전기공학과박사 1990년 ~1992년 IBM 1996년 ~2001년 LG전자책임연구원 2001년 ~2004년 IMRI 연구소장 2004년 ~ 현재 KT 융합기술원상무관심분야 : 이동통신시스템 SERIES 1
저자약력 김영한 1984년서울대학교전자공학학사 1986년한국과학기술원전기전자공학석사 1990년한국과학기술원전기전자공학박사 1994년 ~ 현재숭실대학교교수 2009년 ~ 현재한국통신학회상임이사관심분야 : 소프트웨어정의네트워크 (SDN), 이동성관리, 센서네트워크 나민수 2007년고려대학교공학사 2009년서울대학교공학석사 2009년 ~ 2014년 SK텔레콤 Network기술원 Access Network Lab 2014년 ~ 현재 SK텔레콤종합기술원 5G Tech. Lab 관심분야 : LTE/LTE-A, Small Cell, SDN/NFV, 5G 56 김문홍 1996년서강대학교공학사 1998년서강대학교공학석사 1998년한국이동통신 IMT-2000 개발연구원 2000년 SK텔레콤 NW기술원 Access망개발팀 2004년한양대학교경영대학원 MBA 과정 2006년 NW기술원성장기술팀 2010년 NW전략본부 Access망Eng팀 2013년성장기술원성장R&D전략팀 2014년미래기술원 5G Tech Lab 조성호 1997년경북대학교공학사 1997년 SKTelecom Network부문입사 2000년 ~ 2014년 SK텔레콤 Network기술원 Access Network Lab 2014년 ~ 현재고려대학교경영전문대학원 MBA 재학중 2015년 ~ 현재 SK텔레콤종합기술원 5G TechLab장관심분야 : 5G, mmwave, Massive MIMO, Beamforming, SDN, NFV 박종한 2000년 University of California, San Diego 공학사 2006년 University of California, Irvine 공학석사 2011년 University of California, Los Angeles 공학박사 2011년 ~ 2014년 AT&T 연구소 Senior Member of Technical Staff 2014년 ~ 현재 SK텔레콤 5G Tech Lab 연구원관심분야 : 5G [R]evolution, NFV/ SDN, Orchestration 정보와통신열린강좌