Device-to-Device (D2D) 기술동향 2013 년 7 월 경북대학교통신프로토콜연구실 강형우 (hwkang0621@gmail.com) 요약 최근스마트폰및태블릿 PC의보급으로음성위주의이동통신서비스가무선멀티미디어콘텐츠중심으로변하고있다. 이에따른고용량멀티미디어콘텐츠를전송하기위해모바일데이터가급증하고있다. 이러한모바일데이터의폭증현상은앞으로더심화될것으로보이며, 이에따른기지국의부담및주파수고갈문제가대두되고있다. 이런문제점을해결하기위한노력으로단말간직접통신기술에대한관심이증가하고있고, 연구가활발히진행되고있다. 따라서본고에서는 4세대이동통신기술인 LTE-Advanced 망에서의 D2D 통신을비롯하여관련기술에대해서소개한다. 목 차 1. 서론... 2 2. LTE-D2D 경쟁대상기술... 4 2.1 WI-FI P2P... 4 2.2 BLUETOOTH... 5 3. LTE-D2D... 6 3.1.1 LTE-D2D에서의세션설정절차... 7 3.1.2 LTE D2D의연구이슈... 11 4. 결론... 11 참고문헌... 12 1
1. 서론 최근스마트폰의급격한보급과음성중심의이동통신서비스가무선멀티미디어콘텐츠를중심으로하는데이터위주의서비스로전환됨에따라모바일데이터가급증하는추세를나타낸다. 최근에는 ipad, 갤럭시탭등의태블릿 PC 보급이증가하면서무선트래픽의증가추세는더욱가파르게상승할것으로예측된다. 이러한폭발적으로증가하는데이터트래픽을이동통신망에서수용하기위해통신사업자들은새로운기술을연구하고있다. 특히단말간직접통신기술은기지국의과부하를줄여주고, 보다신속한통신이가능하므로더욱주목받고있다. 그림 1-1 은전세계스마트폰판매추이를보여준다. 그림에서보이듯전세계적으로스마트폰 보급율은 2013 년 5 억만대를넘어섰다. 앞으로도스마트폰의보급은지속적으로증가할것이고, 스마트폰및태블릿기기의보급으로기지국의무선트래픽부담은계속가중될것으로예상된다. 그림 1-1. 전세계스마트폰보급률판매추이그림 1-2는국내스마트폰의판매추이를나타낸다. 국내의경우는전세계스마트폰보급률보다보급속도가훨씬높다. 2007년애플사의아이폰발표이후스마트폰사용자는기하급수적으로증가되고있다. 이러한스마트폰의보급률증가는여러요인들에의해진행되어왔다. 먼저 Wi-Fi 장비의가격 하락및 Wi-Fi 칩이고성능컴퓨팅과모바일플랫폼에통합됨에따라, Wi-Fi 탑재모바일기기가 빠르게증가한것도하나의주요요인이라할수있다.[1] 2
그림 1-2. 국내스마트폰판매추이그림 1-3은 Cisco의모바일데이터트래픽전망을나타낸다. 스마트폰, 태플릿 PC는 2015년까지수량기준으로각각연평균 23.3%, 62.3% 씩초고속성장이이루어질것으로예상되고있다. 이러한이동통신기기의사용량의증대와일반휴대전화 (2G) 의 24배에해당하는스마트폰송수신데이터의용량증가는모바일데이터트래픽의폭증현상을유발시킬것으로예상된다. Cisco 의 2011년보고서에의하면 2015년글로벌모바일데이터트래픽은 2010년대비 26배증가한 6,254PB에이를것으로전망된다.[2] 그림 1-3. 모바일데이터트래픽증가전망 이처럼앞으로스마트폰보급은더욱증가할것이고이를이용한응용서비스들도더욱활성화 될것이기때문에데이터트래픽이지금보다훨씬더욱증가할것으로예상되고, 뿐만아니라스 3
마트폰공급의증가에따라주파수수요도같이급증할것이다. 하지만그에따른공급은더딘 실정이기때문에결국에는주파수부족현상이문제점으로대두될것이라고예상된다. 이와같은문제점을해결하기위한노력으로서 3GPP LTE-advanced에서는기지국의전송용량을증대하기위한다중안테나기반의 MIMO 기술, 셀가장자리에서용량증대를위한효율적간섭제어기술 (ICIC), 협력송수신 (CoMP) 기술, 기지국트래픽부하분산을위한단말간직접통신 (device-to-device communication) 기술등이개발되고있다. 본문서에서는기지국트래픽부하분산을위한단말간직접통신기술에대하서기술한다. 2. LTE-D2D 경쟁대상기술 최근급격한스마트폰보급으로인한모바일데이터트래픽증가뿐만아니라새로운모바일시장인사람과사물간의통신이나사물들간의통신이활성화될경우, 기지국으로전송되는트래픽은감당하기어려울정도록증가할것으로예상된다. 따라서이러한문제점을해결하기위한기술로서, 본절에서는기지국으로전송되는트래픽을분산시키고인접단말간직접통신을가능하게하는단말간직접통신기술을소개하고자한다. LTE-Advanced에서단말간직접통신 (D2D) 이란동일 enb의커버리지에서인접한두단말간이직접적인링크연결을통해기지국의중계없이데이터를주고받는것을의미한다. 이러한단말간직접통신은하나의 enb 커버리지내에존재하는 underlay 형태의통신링크로서 enb와동일한주파수자원을이용하므로 enb 또는다른단말기에미치는간섭을최소화하면서단말기간통신용량을증대시키는것이중요하다. 본절에서는 LTE-Advanced 에서논의를시작하고있는 LTE D2D 기술을설명하기앞서, 경 쟁대상기술인비인가대역 (ISM band) 에서제공되는근거리무선통신기술인 Bluetooth[2] 와 Wi-Fi P2P[3][4] 기술을소개한다. 2.1 Wi-Fi P2P 최근 Wi-Fi Alliance(WFA) 는 Wi-Fi Direct라는모바일기기간직접연결을통하여데이터를전달하기위한새로운규격을발표하였고이에따라관련업계에서는 Wi-Fi Direct 규격을만족시키기위한활발한기술개발활동이진행중이다. 여기서 Wi-Fi Direct 는마케팅용어로서상표명에해당하고이에대한기술규격은 Wi-Fi P2P이다. 기존 Wi-Fi 망에서는 AP 를통하여접속한후인터넷망에서접속하는방법으로 Wi-Fi 탑재 기기를사용하는것이일반적인방법이였다. Wi-Fi P2P 에서는기존의 Wi-Fi 표준규격의대부분 의기능을유지하면서디바이스간직접통신을지원하기위한부분이추가되었다. 따라서 Wi-Fi 4
chip이탑재된기기에하드웨어및물리적특성을충분히활용하고, 주로소프트웨어기능업그레이드만으로디바이스간 P2P 통신을제공할수있는장점이있다. 또한다른근거리통신기술에비해넓은서비스영역을제공하여, 300Mbps의빠른전송속도를보장한다. 동작무선환경은 2.4Ghz 혹은 5.8GHz 대역의비인가 ISM band를사용한다. Wi-Fi P2P에서는 P2P 그룹내부에서기존의 infrastructure 망에서 AP의역할을담당하는장치인 P2P group owner(go) 가존재한다. P2P GO를중심으로다양한 P2P 클라이언트가존재할수있으나 1개의 P2P 그룹내에서는오직하나의 GO가존재하고나머지장치들은모두클라이언트장치가된다. P2P GO와 P2P 클라이언트의연결이이루어지는동작수행을위해 P2P 규격에서는 4개의기능을정의하고있다. P2P discovery는디바이스발견, 서비스발견, 그룹형성, P2P 초대와같은기술을다루고있고, P2P group operation은 P2P 그룹의형성과종료, P2P 그룹으로의연결, P2P 그룹내의통신, 지속적 P2P 그룹의동작등에대한내용을다루고있다. 또한 P2P power management는 P2P 디바이스전력관리방법과절전모드시점에신호처리방법을다루고있으며, 마지막으로 managed P2P device에서는한개의 P2P 디바이스에서 P2P 그룹을형성하고동시에 WLAN AP를통해 infrastructure 망에접속하는방법을다루고있다. 2.2 Bluetooth Bluetooth는작고, 저렴한가격 (5달러), 적은전력소모 (100mW) 로휴대폰, 노트북, PDA 등과같은휴대용장치, 가정용전자제품, PC 주변장치들을근거리 (10~100m) 에서무선으로연결하기위한하나의무선인터페이스규격사양이다. 무선환경으로는비인가주파수대역인 ISM band 의 2.45GHz band를이용하고최대 721kbps 데이터전송속도와 3개의음성채널을지원한다. 또한블루투스는전력소모량이 30 micro Amps인 대기모드 에서부터 3~30mAmps 범위의전송량이많은장치에이르기까지다양한제품을대상으로하고있다. 도달거리측면에서는 in room( 사무실 / 회의실 / 가정 ) 과 personal( 사용자의주변 ) 공간내에서지원하도록개발되었다. 블루투스는소모전력이작고주파수대역을나누어사용하기때문에전송할데이터를여러주파수에걸쳐분할해전송할수있다. 그러나, Wi-Fi P2P의 300Mbps에비해상대적느린전송속도 ( 최대 24Mbps) 를제공하며, 음성의실효속도는 64kbps이고데이터전송시최고 723kbps의느린전송속도를지원하므로고화질의멀티미디어콘텐츠전송에는부적절하다. 또한최대전송범위는 100m 정도이지만일반적으로 10m 정도의제한된유효전송범위를가진다. 최근스마트폰및태블릿 PC, 노트북그리고핸드프리디바이스, 네트워크액세스포인트등과같이블루투스모듈이기본적으로탑재된디바이스들이급속히보급되는추세로서파일전송이나데이터동기화등의용도록사용되고있으나제한된전송속도와좁은전송범위의극명한단점으로인하여일반사용자들에게는많이사용되지않고있고, 최근많이사용되는대용량멀티미디어콘텐츠전송에는적절치못하다. 5
3. LTE-D2D LTE D2D[4-9] 는별도의네트워크장비를이용하지않고일정한반경내에있는단말간직접통신이가능한근거리통신기술로서, LTE-Advanced의경우 LTE 전용주파수대역 (licensed band) 을사용하지만, 단말간직접통신이므로 enb와의통신혹은피코셀 / 펨토셀등의초소형기지국의중계가없이단말간상호접속을지원한다. 서로인접한단말간의직접통신을위한 D2D 링크가설정된후에는송수신데이터를기지국을거치지않고 D2D 링크를통해주고받게된다. 그림 3-1은 D2D 통신의예를나타낸다. 그림 3-1. D2D 통신의예 D2D 통신에서 enb는기지국과단말기간의통신서비스제공의주역할외에 D2D 링크의자원, 단말기의상태및전송상태등을관리한다. enb는단말과제어신호를지속적으로주고받음으로써 D2D 통신에대한상태를분석할수있고, 분석한상태정보를바탕으로 D2D 통신상태를제어한다. D2D의장점으로는 LTE 전용주파수사용으로인한사용자의인증및보안성제공, 단말기인접성 (proximity) 기반의공간적주파수자원의재사용, 기지국과송수신대신단말간직접통신을통한단말기의사용전력감소, 기지국부하의분산을통한망의수용능력증대, 데이터전송속도증가, 셀영역의증대등이있다. 6
3.1.1 LTE-D2D 에서의세션설정절차 단말간직접통신연결모델은다음의시나리오를전제로한다. 두개의디바이스단말 1과단말 2가있을때, 단말 1은단말 2에게데이터를전송하기위해단말 2로연결을요청한다. 이때, 단말 1은기지국 1에속해있고, 단말 2는기지국 2에속해있다. 또한단말간직접통신은사용자에게투명한특성을가지고있어서사용자간통신이단말간직접통신인지셀룰러통신인지알지못한다. 기지국에서는자신과이웃한기지국에대한정보를그림 3-2의기지국목록을통해알수있다. 기지국목록에는자신과이웃한기지국들에대한 enb ID, 주변기지국과의거리, 주변기지국과의가도등에대한정보들이포함되어있다. 또한기지국은자신이현재할당한단말들의 ID, 통신유형 (D2D 통신, 셀룰러통신 ), 할당한주파수대역에대한정보가담긴그림 3-3과같은주파수할당목록을가지고있어야한다. 주파수할당목록을통해서기지국은자신의셀범위내에있는단말들의정보를알수있고, 이를통해서 D2D 통신을위한주파수를할당할수있다. 그림 3-2. 기지국목록 그림 3-3. 주파수할당목록그림 3-4는처음단말 1에서단말 2로데이터를전송할때서로가동일한셀혹은인접한셀에위치해있는지위치를확인하는절차를나타낸것이다. 단말 1이단말 2에게데이터를전송하기위해기지국 1로데이터를전송하면기지국 1에서는 EPC(Evolved Packet Core) 망으로데이터를전송한다. 이때기지국 1은수신측기지국인기지국 2에서두단말들이동일한셀또는서로인접한셀에위치하는지를판단하는것을돕기위해자신의기지국 ID를신호에포함시킨다. 이후 EPC에서는단말 2가위치한기지국 2로데이터를보내게되고, 기지국 2에서는요청신호에포함된기지국 ID( 기지국 1의 ID) 와자신이가지고있는인접기지국목록의기지국 ID 값들을비교하여단말 1과단말 2가동일한셀에또는서로인접한셀에위치하는지를판단한다. 7
두단말이서로인접한셀에위치한것이확인된경우에는기지국 2 에서단말간직접통신요 청신호를기지국 1 로보내어두단말이단말간직접통신이가능한환경에있다는것을알려준다. 그림 3-4. 단말위치확인절차기지국에서단말 1과단말 2가동일한셀혹은서로인접한셀에있다고판단되면그림 3-5의 D2D 통신의사결정절차를거치게된다. 의사결정절차에서는기지국두디바이스 UE1, UE2 에게의사결정에필요한정보들을요청하게된다. 그림 3-5. D2D 통신의사결정절차기지국 2에서기지국 1에게단말간직접통신요청신호를통해단말 1과단말 2가단말간직접통신이가능한상태라는것을알리면, 요청신호를받은기지국 1은단말간직접통신응답신호를기지국 2에게보낸다. 단말간직접통신에대한요청과응답이이루어지면두기지국에서 8
는자신의셀에속해있는단말들에게단말간직접통신의사결정에필요한정보를요청한다. 각단말들은요청받은신호에대한응답으로자신의정보를자신이속한기지국으로전달한다. 기지국에서단말 1, 단말 2로부터정보를받게되면단말간직접통신의사결정메커니즘을수행하기위해기지국 2에서는자신이받은단말 2의정보를기지국 1로전송한다. 기지국 1은받은정보들을가지고 D2D 통신을이용하는것이좋은지, 일반이동통신을이용하는것이좋은지를정해진판단기준에따라서최종적으로결정한다. 판단기준은성능평가를통해거리, 위치, 신호세기등에대한정보들의임계값들을의미한다. 기지국 1 에서단말간직접통신결정메커니즘을통해 D2D 통신의성능이일반이동통신보다 좋다고결정하면그림 3-6 과같이단말간직접통신연결요청신호를기지국 2 에게전송한다. 그림 3-6. 주파수할당절차이때, 단말간직접통신연결요청신호에는단말간직접통신에할당할주파수를결정하기위하여기지국 1의주파수할당목록정보가포함된다. 기지국 2에서는단말간직접통신연결요청신호를받게되면사전에정의된사진의주파수할당목록과기지국 1의주파수할당목록을비교하여어떤주파수를할당할지결정한다. 할당할주파수가결정되면기지국 2 는기지국 1 에게결정된주파수정보와함께단말간직접통 신연결요청신호를보낸다. 응답을받게되면단말간직접통신이가능한상태가된다. 기지국들은각각자신의셀에속한단말들에게단말간직접통신설정요청신호를보내어단말들에게단말간직접통신으로연결할것을알린다. 그렇게되면단말들로부터단말간직접통신설정응답신호를받게되고, 최종적으로단말간직접통신설정이완료되고, 최종적으로단말간직접통신링크가생성된다. 9
단말간직접통신연결이설정되면두단말간데이터전송을기지국을거치지않고전적으로단말간직접통신링크를통해서만이루어진다. 하지만기지국에서는단말간직접통신관리를위해단말의이동, 채널상태, 통신상태등의정보를알아야한다. 뿐만아니라과금을측정하기위해보낸데이터양에대한정보도알아야한다. 이러한정보들을알기위하여 D2D 통신에서는그림 3-7과같이기지국과단말이주기적으로제어신호를주고받는과정을가진다. 그림 3-7. 연결설정후유지관리절차 단말 1과단말 2 사이의단말간직접통신이연결되면그림 2-7의제어신호를통한상태확인절차를주기적으로반복하게된다. 이절차에서기지국은단말간직접통신의상태확인을위해단말 1, 단말 2에게주기적으로제어신호를보내게되고, 제어신호를받은단말 1, 단말 2는자신의상태및 D2D 통신상태를기지국으로보내게된다. 이후기지국에서는디바이스들로부터받은제어신호를통해단말간직접통신의상태를파악하고, 의사결정과정을수행하여단말간직접통신이셀룰러통신보다좋은지를지속적으로검사하게된다. 그리고단말간직접통신의성능이더좋다고결정되면기지국 2에서주파수할당절차를거쳐서단말간직접통신에사용될주파수를결정하여다음제어신호를보낼때결정된정보를알려준다. 10
3.1.2 LTE D2D 의연구이슈 단말간직접통신의주요연구이슈는크게단말기의연구이슈, 기지국측면의연구이슈그리 고서비스측면의연구이슈로나눌수있다. 단말기측면의연구이슈로는단말기간통신을위한타단말기의인접성판단을위한스펙트럼센싱기법, 기지국의상하향자원할당정보활용을통한기지국이사용하지않는유휴자원판단및이용기법, 단말간직접통신을위해단말기가갖추어야하는최소한의기지국기능 ( 스케쥴링, 임의접근, 자원할당, 단말기와의링크연결방법등 ) 과이에대한 MAC protocol의연구, 기존의 enb와의링크연결이외의타단말과의추가적인링크연결에따른단말기의배터리소모최소화를위한저전력통신기술, enb가사용하지않는무선자원혹은 TV 대역 (white band) 을사용하기위한인지무선기반의자원이용기법, 주파수재사용이나간섭들로인해예상되는 BLER 증가에따른 hybrid ARQ 적용방안등이있다. 기지국측면의주요연구이슈로는기지국중심의이동통신서비스와 D2D 링크사이의사용 주파수선택에따른간섭완화방안, 단말기간인접성기반단말기 pairing 및 grouping 방법, 보안성이있는단말기간통신을위한보안및인증제공기법등이있다. 서비스측면에서는단말기간직접통신이제공되는서비스시나리오의발굴및이를수용하기위한사용자의서비스필요성분석이선행되어야한다. 이를바탕으로단말간직접통신에대한서비스, 시스템및기술적요구서항을도출한후이를적용할대상시스템의기술적, 시스템적특징의정립과서비스제공방안을마련해야한다. 4. 결론 지금까지본고에서는 LTE-Advanced망에서의 D2D 통신및 LTE-D2D기술과경쟁기술인 Wi- Fi Direct 및 Bluetooth에대해서살펴보았다. 이러한단말간직접통신방식을사용하면기지국을거치지않고인접한단말기간의데이터및콘텐츠의공유, 분배가가능해지므로기존이동통신서비스의주요한문제점이였던네트워크의트래픽부하및주파수부족문제를해결할수있을것으로보인다. 특히, 폭증하는모바일데이터를수용하면서 D2D 기술을사용하여새로운서비스및비즈니스모델이다양하게개발될것으로예상된다. 하지만 D2D 기술을활용하기위해서는앞으로 D2D 통신에서의셀또는시스템간간섭문제 나보안등의다양한이슈에대한연구가더욱이루어져야할것으로생각된다. 11
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