주간기술동향 2018. 5. 2. 5G 이동통신기술동향 * 박성준 강릉원주대학교교수 셀기반의이동통신시스템은기술의진보를거듭하여현재 5G 이동통신의출현을목전에두고있다. 5G 시스템에서는더욱강력해진기술표준을근간으로초광대역이동형데이터서비스, 초신뢰저지연통신서비스, 대규모사물통신서비스등을제공할예정이다. 본고에서는이동통신시스템의진화및 5G 개요에관해간단히설명한후최근큰이슈가되고있는 3GPP NR 표준화진행현황및기술특징에관해고찰한다. 또한, 5G 시스템서비스동향으로평창동계올림픽에서개시된 5G 시범서비스와정부및기업협력하에진행되고있는 5G 6대융합서비스동향에관해서도다룬다. I. 서론 글로벌네트워크장비업체인시스코사에따르면, 스마트폰사용자의데이터사용량이급격히증가하여 2016년말한달동안의총데이터트래픽은 7.2EB(Exabytes) 에도달하였으며이수치는지속적으로증가하여 2021년에는 49EB에달할것으로전망되고있다. 또한, 각스마트폰에서생성하는트래픽역시 2016년월평균 1.6GB에서 2021년 6.8GB로 4배이상증가할것으로예측되고있다 [1]. 예견되는데이터급증에대비하고신규응용서비스를창출하기위해 ITU-R(International Telecommunication Union-Radio Communication Sector) 에서는 5세대이동통신 (5G) 의개념을정립하고요구사항을정의하였다. 이에보조를맞추어 3GPP(Third Generation Partnership Project) 단체는기존 LTE(Long Term Evolution) 규격에서크게진화한 5G 용도의 NR(New Radio) 규격을개발하고있으며, 초기버전인 3GPP Release 15 표준이 2018년중완료되면시스템장비및 * 본내용은박성준교수 ( 033-640-2386, psj@gwnu.ac.kr) 에게문의하시기바랍니다. ** 본내용은필자의주관적인의견이며 IITP 의공식적인입장이아님을밝힙니다. *** 이논문은정부 ( 미래창조과학부 ) 의재원으로한국연구재단의지원을받아수행된연구임 (2017R1A2A2A05001457) 2 www.iitp.kr
기획시리즈 5G 단말개발을거친후본격적인 5G 시대가열리게될것으로전망된다. 최근 5G 이동통신이큰관심을받고있는이유는 5G가이전의이동통신과는달리 4차산업혁명의핵심인프라가되어다양한신규융복합서비스를창출할수있기때문이다. 즉, 초고속, 초저지연, 초연결특성을갖는 5G는단순모바일의영역을넘어 IoT, AI, VR 및 AR, 스마트카, 지능형로봇등과긴밀하게연동되어인류의생활을획기적으로변모시킬혁신플랫폼이될것이며여기에우리가 5G에주목해야하는이유가존재하는것이다. 본고의 2장에서는이동통신기술의진화과정에관해간단히요약한후 5G 이동통신시스템의목표성능과서비스시나리오에관해설명하고, 3장에서는 5G 이동통신표준화동향에관해상술한다. 즉, 최근본격적인논의가진행중인 3GPP NR Release 15 표준의주요이슈및진행상황에대해설명하고 LTE와는구분되는 NR 만의무선기술특징에대해논한다. 4장에서는 5G 이동통신서비스동향에관해기술하며, 2018년 2월개최된평창동계올림픽을목표로한 5G 시범서비스를소개하고기가코리아사업단과 5G 포럼중심으로진행되고있는 5G 6대융합서비스에관해서도설명한다. 끝으로 5장에서는결론및시사점을제시한다. II. 5G 이동통신개요 1. 이동통신기술의진화 셀기반의이동통신시스템기술은 1978년미국에서개발된 1세대이동통신 (1G), 즉, AMPS (Advanced Mobile Phone Service) 시스템에서시작되었다. 미국 AT&T에서네트워크를구축하고모토로라단말을활용하여최초서비스개시된 AMPS 시스템은아날로그통신방식인주파수변조 (FM) 와주파수분할다중접속 (FDMA) 기법을사용하여이동중에음성통화가가능하도록하였으며국내에는 1984년한국이동통신 ( 현, SKT) 에의해도입되었다. 1세대이동통신과구분되는 2세대이동통신 (2G) 의대표적특징은디지털통신기술의사용이며 1990년대 GSM, TDMA, CDMA 등의기술들이서로경합하였다. 2G에서는음성과더불어영문 140자또는한글 70자이내짧은길이의메시지를전송할수있었으며, 국내에서는 1996 년세계최초로 CDMA 기반의전국망을구축하고서비스를실시하였다. 이동통신산업의급격한성장과잠재적가치를인지한 ITU-R은세계어디에서도단일단말을이용하여통신및인터넷접속이가능하도록하는 3세대이동통신 (3G), IMT-2000 시스템의 정보통신기술진흥센터 3
주간기술동향 2018. 5. 2. 개념을정립하였다. 유럽중심의 3GPP와미국중심의 3GPP2 단체는각각비동기방식의 WCDMA 기술과동기방식의 CDMA2000 기술의표준화를주도하였으며, 3GPP WCDMA 기술은초기규격인 Release 99 작성및배포이후지속적으로진화하고있는반면, 3GPP2의 CDMA2000 기술은 2008년주력업체인퀄컴사의포기로인해관련기술진화가중단되었다. 2002년배포되고 2006년국내에서세계최초로상용화한 3GPP Release 5는 HSDPA(High Speed Downlink Packet Access) 기술이탑재되어하향링크로최대 14.4Mbps 전송속도제공이가능하였으며이동단말기를통한인터넷접속서비스의실질적시발점이되었다. LTE로더욱잘알려진 3GPP Release 8 표준기술은이동통신시스템성능및효율성의대폭개선을목표로비교적장기적으로연구하고개발되어 2008년 12월확정된규격으로, 이전 3G 규격과는달리 OFDMA 기술을근간으로하며기존기지국 NB(Node B) 에 RNC(Radio Network Controller) 의기능을병합한 enb(evolved Node B) 개념을정립하는등네트워크구조또한상당부분변경되었다. 한편, ITU-R에따르면 4세대이동통신 (4G), IMT-Advanced 시스템요구사항의하나인이동중최대전송속도는 100Mbps로정의되어있으며, LTE 시스템은하향링크 10MHz 대역폭을활용하여최대 75Mbps의전송속도를지원하므로 4G 요구사항에미치지못하며 4G에근접했다는측면에서 3.9G라고불리기도하였다. [ 표 1] 세대별이동통신시스템기술비교 구분 1 세대 2 세대 3 세대 (HSDPA) 3 세대 (LTE) 4 세대 (LTE-A) 4 세대 (LTE-A Pro) 다중접속방식 FDMA GSM, TDMA, CDMA WCDMA OFDMA OFDMA OFDMA 데이터전송속도 ( 하향 ) Voice Only 384kbps 14.4Mbps 75Mbps 150Mbps 500Mbps 주요서비스음성음성, 문자 음성, 문자, 인터넷 음성, 문자, 고속인터넷 음성, 문자, 초고속인터넷 음성, 문자, 초고속인터넷 상용화시기 ( 국내 ) 1984 1996 2006 2011 2013 2016 < 자료 > 강릉원주대학교자체작성 2011년 3월배포된 3GPP Release 10, LTE-A의대표적기술적속성은서로인접하거나인접하지않은최대 20MHz의대역폭을갖는복수개의통신자원을최대 5개까지병합하여전송속도를개선하는 CA(Carrier Aggregation) 기술과하나의단말을복수개의기지국이협력통신하여셀경계에있는단말의전송품질을개선하는 CoMP(Coordinated Multi-Point) 기술이다. 2013 년 SKT는세계최초로 LTE-A 시스템을상용화하였으며 2밴드 CA를통해 150Mbps의전송속도 4 www.iitp.kr
기획시리즈 5G 를구현하여본격적인 4G 이동통신시대가열리게되었다. LTE-A Pro라고불리고 2015년 10월확정된 3GPP Release 13은 256-QAM, 빔포밍, D2D(Device to Device), LAA(License Assisted Access) 등의기술을포함하였고후속 3GPP Release 14는 Mission Critical Data over LTE 및 Mission Critical Video over LTE 기술등을포함하는등 LTE 기술진화의종착점이자 5G NR 규격으로의유연한진화를가능하게하는교두보가되었다. 2. 5G 목표성능및서비스시나리오 2015년 ITU-R 산하이동통신작업반 (WP5D) 에서는 5세대이동통신 (5G) 의공식명칭을 IMT- 2020으로결정하고 5G의목표성능및서비스시나리오를제시하였다 [2]. [ 그림 1] 은 5G 시스템의기술적요구사항을나타내는그림으로항목별 5G 의목표치를쉽게파악할수있다. 즉, 5G 시스템은 20Gbps의최대전송속도를보장해야하고, 사용자평면지연은 1ms 미만이어야하며, 단위 km 2 당 10 6 개의무선연결을지원해야하는등정량적인측면에서 4G 요구사 항대비상당부분진보된기술수준의요구함을확인할수있다. ITU-R에서는상기요구사항을토대 < 자료 > c ITU-R [ 그림 1] 5G 기술적요구사항 로 5G 시스템을대표하는세가지서비스시나리오를제시하였는데 embb(enhanced Mobile Broadband), URLLC(Ultra-Reliable Low Latency Communications), mmtc(massive Machine Type Communications) 가그것이다. 초광대역이동형데이터서비스인 embb는 UHD급영상스트리밍, VR, AR, 홀로그램등의신규응용서비스를제공할것으로예상되고, 초신뢰저지연통신서비스인 URLLC는자율주행차, 드론및로봇제어, 실시간헬스케어등의분야에서새로운서비스를발굴할것이며, 대규모사물통신서비스인 mmtc는수많은 IoT 디바이스의효율적운용을위한통신플랫폼을제공할것으로전망된다. 정보통신기술진흥센터 5
주간기술동향 2018. 5. 2. < 자료 > c ITU-R [ 그림 2] 5G 서비스시나리오 III. 5G 이동통신표준화동향 1. 3GPP NR ITU-R에서제시한 IMT-2020의목표성능을만족하는시스템규격을제정하기위해 3GPP에서는 2016년 3월 Study Item을구성하여 5G 용도의 NR에관한본격적인논의를시작하였고이작업은 2017년 3월에마무리되었다. 이를바탕으로 5G 시스템을위한본격적인규격작업이시작되었으며 3GPP NR 규격은시급성에따라두단계, 즉, Phase-1 NR과 Phase-2 NR로나누어진행하는것으로결정되었다. 이중 3GPP Release 15로명명된 Phase-1 NR 규격은 2018년 6월까지완료될것으로예상되며, 3GPP Release 16인 Phase-2 NR 규격은 2019년 12월완성될것으로계획되어있다 [3]. 3GPP NR 표준의범위는전반적으로촉박한일정을감안하여 Phase-1 NR에서 embb와낮은수준의 URLLC 기능을, Phase-2 NR에서 mmtc 기능까지커버하는것으로결정되었다. 한편, Phase-1 NR의특이한사항한가지는그내부에서다시 NSA(Non-Standalone와 SA (Standalone) 로분리되어표준화가진행된다는점이다 [4]. 즉, [ 그림 4] 와같이 3GPP Release 15의조속하고유연한확산을위해 LTE와 NR을하나의네트워크처럼서로공유하여운영하는 6 www.iitp.kr
기획시리즈 5G < 자료 > c 3GPP [ 그림 3] 3GPP NR 표준화일정 NSA를먼저규격화한후이어 LTE와 NR의독립적인네트워크를구현하는개념이도입되었다. 3GPP Release 15 규격내 NSA 일부부분은이미지난 2017년 12월에완성되었으며이르면 2018년 3분기부터 NSA 표준기반 5G 망구축이가능해질전망이다. 또한, SA를포함한완전한 3GPP Release 15 시스템은규격확정후관련장비출시및망구축을거쳐 2019년 4분기쯤상용화될것으로전망되고있다. 복합무선접속기술 ( 이중연결, non-standalone(nsa) 단말무선접속기술 (Standalone) < 자료 > c 전자신문, 2017. 12. 17. [ 그림 4] 3GPP Release 15 의 NSA 와 SA 정보통신기술진흥센터 7
주간기술동향 2018. 5. 2. 2. 3GPP NR 기술특징 5G 이동통신을위한 3GPP NR 규격이비교적단기간에걸쳐개발되고있기때문에많은부분에있어 3GPP LTE의기술을그대로준용하거나또는일부변형하여적용하고있다. 그럼에도불구하고 LTE와구분되는 NR의대표적인핵심기술들을열거할수있으며 OFDM numerology, self-contained 슬롯구조, LDPC와 polar code, 대용량 MIMO, mmwave 빔포밍등이그것이다 [5]. 즉, LTE에서부채널간격 (subcarrier spacing: SCS) 은 15kHz로고정값을갖는데비해 NR에서는 2μ 15kHz의가변적 SCS를운용할수있으며이로인해더짧은길이의 OFDM 심볼구성이가능해져다양한서비스를지원할수있게되었다. 또한, NR 규격에서는저지연, 고신뢰성및상위호환성지원을위한 TDD 기반유연한슬롯기반프레임구성을지원하며, 오랫동안데이터채널과제어채널의오류정정부호였던터보부호와길쌈부호에서탈피하여 LDPC 부호와 polar code를새롭게도입하였다. 아울러 28GHz 등의초고주파수를반송파로사용함에따라단위안테나모듈의크기가대폭감소하였고, 이를통해높은집적도의 MIMO를구성하고전송효율을개선하는것이가능하게되었다. < 자료 > c Qualcomm [ 그림 5] 3GPP Release 15 무선기술특징 IV. 5G 이동통신서비스동향 1. 5G 이동통신시범서비스 2018 년 2 월개최되는평창동계올림픽에서의시연을목표로공식올림픽파트너사인 KT 는 세계최초 5G 시범서비스를준비해왔다. 2015 년 5G 비전선포이후 KT 5G-SIG(Special Interest 8 www.iitp.kr
기획시리즈 5G Group) 를구성하여 28GHz mmwave 대역을사용하는전송기술표준을 2016년 6월에완성하였고, 2016년 5월 KT 5G-DF(Development Forum) 를결성하여기지국, 단말개발및호환성테스트를수행하였다. 2016년 10월 KT와삼성은 5G first call에성공하였으며, 2017년 5G 네트워크구축및실증작업을계속하였다 [6]. 평창동계올림픽에서공개된대표적 5G 시범서비스는싱크뷰 (Sync View), 인터랙티브타임슬라이스 (Interactive Time Slice), 360 VR 라이브, 옴니포인트뷰 (Omni Point View) 등으로 5G의초고속데이터전송기술을활용하여사용자에게실감형, 몰입형신규서비스를제공한다 [7],[8]. 싱크뷰는봅슬레이에부착된초소형모듈을활용하여초고화질영상을실시간전송함으로써사용자에게선수시점의몰입형체험을제공하는서비스이고, 인터랙티브타임슬라이스는다수개의카메라를활용하여선수의경기를다각도에서동시촬영하고이를활용하여더욱다양하고실감적인영상을제공하는서비스이다. [ 그림 6] 에나타낸 360 VR 라이브는촬영한 360 영상을 HMD(Head Mounted Display) 를착용하고시청함으로써실감나는경기감상이가능하도록하는서비스이고, 옴니포인트뷰는크로스컨트리등장거리경기선수의경기복에부착된센서들과코스곳곳의카메라를활용하여선수의위치, 기록및영상을실시간으로제공하는기술이다. < 자료 > c KT blog [ 그림 6] 360 VR Live 2. 5G 이동통신융합서비스 타산업과협력하여 5G 를확산하고생태계경쟁력을제고한다는목표하에과학기술정보통 신부와기가코리아사업단은 5G 포럼의기술자문을받아선정한 5G 6 대융합서비스시나리 정보통신기술진흥센터 9
주간기술동향 2018. 5. 2. < 자료 > c 전자신문, 2017. 11. 23. [ 그림 7] 5G 6대융합서비스오를최근공개하였다 [9],[10]. 상기 6대서비스는자율주행, 지능형로봇, AI 비서, 재난 / 재해, AR/VR, 스마트시티로국내이통 3사는각융합서비스를위한구현시나리오를도출하고그결과를 2017년 11월 글로벌 5G 이벤트 행사에서발표한바있다. SKT는자율주행과지능형로봇을, KT는인공지능과재난 / 재해서비스를, LGU+ 는 AR/VR과스마트시티를각각담당하였으며각융합서비스를위한상세요구사항은 [ 그림 7] 에요약되어있다. 정부는 5G 확산이산업계에미칠거대한영향을감안하여 6대융합서비스외스마트공장, 바이오등추가융합서비스를종합적으로검토하고있으며 2018년 1분기최종계획을발표할예정이다 [11]. V. 결론및시사점 3GPP NR NSA 표준개발이마무리되고네트워크장비및단말사업자와통신사업자의다양한실증테스트가시작되는등 5G 시스템상용화가목전에다다르고있다. 아울러 5G 이동통신은단순한통신서비스의개념을뛰어넘어 IoT, AI, VR 및 AR, 스마트카, 지능형로봇등과긴밀하게연동되어인류의생활을획기적으로변모시키는 4차산업혁명시대의핵심플랫폼이될것으로전망된다. 2018년 2월개최된평창동계올림픽에서실시된 5G 시범서비스는 ICT 10 www.iitp.kr
기획시리즈 5G 기술경쟁력에있어세계속의한국을알릴기회가되었으며 2019년으로예상되고있는세계최초 5G 서비스상용화를통해관련산업의기술적토대는더욱공고해질것이다. 향후선택과집중을통해지속적으로 5G 및 B5G 연구개발을수행하고국제이동통신표준기술장악력을확보하여 ICT 강국의위상이더욱공고해지기를기대한다. [ 참고문헌 ] [1] Cisco, Cisco visual networking index: global mobile data traffic forecast update, 2016-2021(white paper), 2017. 3. 28. [2] ITU-R WP5D, https://www.itu.int/en/itu-r/study-groups/rsg5/rwp5d/pages/default.aspx [3] 3GPP, 5G-NR workplan for embb, 2017. 3. 9. [4] 3GPP, 5G architecture options, 2016. 6. 15. [5] Qualcomm, Five wireless inventions that define 5G NR, 2017. 12. 19. [6] KT blog, KT, 평창 5G 성공으로대한민국 ICT 재도약선언, 2016. 12. 15. [7] KT blog, 평창에서미리만나본 KT의 5G 세상, 2017. 3. 15. [8] 서울경제, KT 5G 리더십으로 ICT 주도권잡는다, 2018. 2. 8. [9] 기가코리아사업단 [10] 전자신문, 5G 퍼뜨릴 6대융합서비스시나리오공개, 2017. 11. 23. [11] 디지털타임스, 5G 대표융합서비스확대팔걷은정부, 2017. 12. 27. 정보통신기술진흥센터 11