실내환경에서의밀리미터파 5G 솔루션 임태호호서대학교조교수 급격히증가하고있는무선데이터의수요와함께 4k 비디오, 클라우드서비스, 가상 / 증강현실등의기술발전으로보다빠르고좋은연결성에대한요구가커지고있다. 2018년 Cisco의조사에따르면월별무선데이터트래픽은 2022년까지약 800억기가바이트로증가할것으로예상되는데, 이는 2017년과 2022년사이에연평균성장률이 46% 에이르는놀라운성장인것이다. 이러한폭발적인트래픽의증가에대처하기위해서는밀리미터파대역을이용한 5G 통신서비스가필수적이다. 또한, 통계치에따르면 4G 모바일서비스의 80% 가실내에서제공되고있다. 따라서대용량, 고품질의실내 5G 통신서비스가매우중요하다는것을알수있다. 본고에서는다양한문헌들을참고하여대용량서비스를위해필수적인밀리미터파대역을이용한 5G 통신기술에대해서살펴본다. 특히, 실내에서의밀리미터파 5G 통신기술및서비스에대해서심도있게다룬다. I. 서론 2019년은 5G의해라고말해도과언이아니다. 우리나라이동통신 3사는 2019년 4월 3일세계최초로 5G 통신상용서비스를시작하였고, 최근 5G 이동통신기술이적용된스마트폰도출시되고있다 [1]. 1) 미국의통신사버라이즌도 4월 4일 5G 상용서비스를시작하였으며, 일본은 2020년도쿄올림픽에서 5G의대대적인상용화를준비하고있으며, 중국도 2020년전국상용화를위해다양한정책을펼치고있다. 이렇게기업뿐만아니라국가들이정책적으로지원을하는이유는어마어마한시장가치때문일것이다. [ 그림 1] 과같이 5G 통신기술이가지는초고속, 초저지연, 초연결의특징으로인해초고화질영상, 실감형콘텐츠, 자율주행, 스마트팩토리, 디지털헬스케어, 스마트 * 본내용은임태호교수 ( 041-540-9642, taehoim@hoseo.edu) 에게문의하시기바랍니다. ** 본내용은필자의주관적인의견이며 IITP의공식적인입장이아님을밝힙니다. 1) 2019년 4월 3일오후 11시국내이동통신 3사는갤럭시S10 5G 스마트폰을세계최초로개통하였음 2 www.iitp.kr
기획시리즈 5G < 자료 > 삼정 KPMG 경제연구원, Samjong INSIGHT, Vol.63, 2019. [ 그림 1] 5G의 3대특징과기대효과홈과오피스, 스마트시티등다양한비즈니스기회가부상할것이고그시장가치는예상치보다높을지도모르겠다 [2]. [ 그림 2] 와같이폭발적인이동통신데이터트래픽증가를고려하여 5G는 6GHz 이하대역과 28GHz 또는 39GHz와같은밀리미터파대역을고려하고있다. 우리나라에서도이를고려하여 [ 표 1] 과같이통신사별로대역폭을할당하였으며, 이제막상용화에들어간 5G는 3GHz 대역에서 SKT와 KT는 100MHz 대역폭을, LGU+ 는 80MHz 대역폭만을이용하여서비스를시작한것이다 [3]. 그러므로 ITU( 국제전기통신연합 ) 에서제시한 5G 이동통신 (IMT-2020) 기술의핵심요구사항 < 자료 > Cisco VNI Mobile, 2019. [ 그림 2] 이동통신데이터트래픽증가추이및전망 정보통신기획평가원 3
[ 표 1] 국내이동통신사별 5G 주파수경매결과 ( 단위 : 억원 ) 구분 입찰자 SKT KT LGU+ 대역별총액 3.5GHz 대역 28GHz 대역 세부내역 3.60~3.70GHz 3.50~3.60GHz 3.42~3.50GHz 낙찰가 12,185 1 단계 : 9,680 2 단계 : 2,505 9,680 1 단계 : 9,680 2 단계 : - 8,095 1 단계 : 7,744 2 단계 : 351 세부내역 28.1~28.9GHz 26.5~27.3GHz 27.3~28.1GHz 낙찰가 2,073 1 단계 : 2,072 2 단계 : 1 2,078 1 단계 : 2,072 2 단계 : 6 2,072 1 단계 : 2,072 2 단계 : - 29,960 1 단계 : 27,104 2 단계 : 2,856 6,223 1 단계 : 6,216 2 단계 : 7 총계 14,258 11,758 10,167 36.183 < 자료 > 과학기술정보통신부보도자료, 2018. 6. 에는많이미치지못하는수준의서비스인것이다. 향후 28GHz 대역에서 800MHz 대역폭을사용하게되면진정한대용량의 5G 서비스가가능하게될것이다. 그러나밀리미터파를이용한이동통신기술은많은어려움이있다. 먼저높은경로손실발생에의해서 3GHz 대역과같은상대적으로낮은대역에비해기지국의반경이매우짧아지게된다. 기존 4G LTE에비해매우많은기지국이설치되어야함을의미한다 [4]. 그리고대부분시멘트및벽돌과같은대부분의건축자재에서매우높은신호감쇠가발생하며반사된다. 이와같은밀리미터파의특성때문에 4G LTE와같이전국어디에서나밀리미터파를이용한 5G 서비스를받는것은향후에도매우어려운도전일것이다. 이러한관점에서밀리미터파를이용한 5G를실내에서활용하는방안에대해서활발하게연구되고있다. 본고에서는먼저실내환경에서의밀리미터파의특성에대해서살펴본다. 그리고실내환경에서밀리미터파를이용한 5G 서비스를위해고려해야할사항들에대해서알아본다. 다음으로실내에서밀리미터파 5G 서비스를위해고려되고있는스몰셀과 DAS(Distributed Antenna System) 기술에대해비교하여설명하고결론을맺도록하겠다. II. 실내환경에서의밀리미터파특성 Cisco 사의통계에따르면 4G 모바일서비스의 80% 가실내에서이루어지고있다 [5]. 넷플릭스 와같은모바일스트림방송의확대, AR/VR 서비스등과같은대용량의다변화된 5G 모바일서비 4 www.iitp.kr
기획시리즈 5G 스를고려할때, 이수치는더높아질것으로예상된다 [6]. 따라서대형빌딩, 대형쇼핑몰등과같은실내환경에서의대용량 5G 서비스는이동통신사업자들의핵심경쟁력이될수있다. 그리고매우높은전파손실로실외에서셀커버리지가 1km 이내로한정된다면 5G 서비스를실내에적용하는것이더욱더현실적일것이다. 본절에서는먼저실내환경에서의 5G 서비스시나리오에대해살펴본후, 밀리미터파를이용할경우고려할사항을살펴보기위해실내밀리미터파특성에대해서자세히살펴보도록하겠다. 1. 실내환경에서의 5G 서비스와요구사항 [ 그림 3] 과같이 5G 스펙트럼은 2~6GHz 대역과 2GHz 이하대역및 6GHz 이상대역 ( 예 ; 24.25 ~29.5 및 37~43.5GHz) 의주파수를조합하여사용할수있다 [7]. 2GHz 이하대역에서는넓은커버리지가필요하면서적은양의데이터서비스가필요한사물인터넷서비스등에적절하다. 2~6GHz 대역에서는기존 4G와유사하거나더높은전송량을보이면서유사한커버리지가필요한서비스에유용하다. 특히, 4G와함께서비스되면서기존 4G 모바일서비스의속도를높이는데주로활용될수있다. 6GHz 이상의밀리미터파대역에서는통신커버리지는작지만매우높은전송량이필요한서비스가주로사용될것이다. [ 표 2] 는 VR 네트워크요구사항을정리한표이다. 높은전송속도가요구되는 VR/AR 서비스나 < 자료 > Huawei, 5G Spectrum, 2017. [ 그림 3] 5G 스펙트럼과서비스 정보통신기획평가원 5
홀로그램, 고용량영상스트리밍등은대부분실내에서이루어진다. 또한, 많은기기가연결되고 고화질비전시스템이동작하는스마트팩토리와많은사람들이모이게되는대규모쇼핑몰등은대부 분실내환경이다. 실제로 4G 서비스의트래픽중 80% 가실내에서이루어졌다. [ 표 2] VR 서비스네트워크요구사항 Downlink Uplink VR Cloud VR Service Pre-VR Advanced Ultimate Entrylevel Entrylevel Ultimate HD Video Resolution 4k/30 8k/30 12k/60 24k/120 1080p/60 to 90 6600x6600 /120 2k/30 Coding rate 16Mbps 64Mbps 279Mbps 3.29Gbps 70Mbps to 130Mbps Approx. 5Gbps 6.7Mbps Data rate 25Mbps 100Mbps 419Mbps 4.93Gbps 100Mbps to 150Mbps Approx. 6.5Gbps 10Mbps < 자료 > Indoor 5G Networks White Paper, HUAWEI, 2018. 이러한실내에서의 5G 서비스를위한요구사항을정리하면 [ 표 3] 과같다. 5G 실내서비스를 위해서는수 Gbps 가기본적으로제공되면서셀경계에서 100Mbps 다운링크속도, 1ms 대기 시간, 2.5Mbps/m 2 트래픽밀도및 99.999% 신뢰도를지원할것이요구된다. [ 표 3] 실내 5G 서비스를위한요구사항 Requirements Cell edge rate Traffic density Downlink: >=100Mbps Uplink: >=10Mbps 2.5Mbps/m 2 (densely-populated indoor scenarios) 0.5Mbps/m 2 (general indoor scenarios) Connection density 1 connection/m 2 (1million connections/km 2 ) Latency Positioning accuracy 1ms 1m to 3m Reliability 99.999% < 자료 > Indoor 5G Networks White Paper, HUAWEI, 2018. 6 www.iitp.kr
기획시리즈 5G 2. 실내환경에서의밀리미터파특성 앞에서도언급했듯이 5G에서대용량서비스를위해서는밀리미터파대역을사용하는것이필수적이다. 28GHz 대역에서는약 1.3GHz 대역폭, 39GHz 대역에서는약 1.4GHz 대역폭을사용할수있다. 그러나밀리미터파대역의전파는물체의반사및회절특성이낮은대역과다르며경로손실및흡수손실또한매우높다. 실외에서실내로전달되는신호의세기가매우약해진다. 먼저 28GHz 대역에서의경로손실에대해서살펴보도록하겠다. [ 그림 4] 는 LoS(Line of Sight) 환경에서동일한전력으로무지향성안테나를이용하여전송한경우의자유경로손실을표시한그래프이다. 그래프에서 10미터에서 2GHz 대역에서는약 58dB의경로손실이발생했으나, 28GHz 대역에서는약 81dB의경로손실이발생한것을확인할수있다. 10미터의짧은거리에서도약 20dB 이상많은손실이발생하는것을알수있다. < 자료 > 호서대학교자체작성 [ 그림 4] 1~3GHz 대역과 27~30GHz 대역에서의자유경로손실 [ 그림 5] 는다양한매질에따른신호감쇠의정도를표시한그래프이다 [8]. 소프트한매질의경우 15dB 이내의신호손실이발생한반면벽돌, 시멘트벽, 코팅된유리등과같은매질에서는 20~50dB의매우큰손실이발생하는것을확인할수있다. 이를통해실외에서송신된신호를실내에서사용하는것이거의불가능하다는것을알수있다. 그러므로 5G 밀리미터파대역서비스를위해서는실내를위한솔루션이필요하다. 정보통신기획평가원 7
< 자료 > Nokia, Towards Making 5G a Reality, 2016. [ 그림 5] 다양한물체재질에따른밀리미터파신호의감쇠량 III. 실내환경에서밀리미터파를이용한 5G 솔루션 현재 4G에서는실내서비스를위해서 DAS(distributed antenna systems) 네트워크가대학, 스타디움, 호텔, 쇼핑몰, 공항, 지하철등대규모공간에활용되고있다 [9]. 특히, 대형빌딩에서 DAS 네트워크가가장활발히활용되고있다. 이와함께 5G에서는스몰셀기술이실내서비스를위해서활발하게논의되고있다. 본절에서는실내밀리미터파서비스를위해활용가능한 DAS와스몰셀기술에대해서살펴본다. 1. DAS 기술 [ 그림 6] 과같이기존 4G에서는대부분 Passive DAS를주로사용해왔다. Passive DAS는설치비용이비교적적게들기때문이다. 기존 Passive DAS 네트워크를 5G로전환하려면새로운 MIMO 안테나패널이필요하므로여러개의동축케이블을기지국에설치해야하는문제점이있다. 또한, 밀리미터파대역소자들의신호감쇠효과가크기때문에기존동축케이블을이용한 DAS를 8 www.iitp.kr
기획시리즈 5G < 자료 > Alcatel-Lucent, Indoor Solution, 2013. [ 그림 6] DAS 네트워크구조밀리미터대역에서사용하기에는적합하지않다. 그러므로밀리미터대역에 DAS를사용하기위해서는광 DAS를이용할수있다. 밀리미터파를이용한 5G DAS를위해서다양한연구가진행되고있으며, 특히주목할만한연구가국내 ETRI에서진행되고있다 [10]. 국내 ETRI에서진행되고있는연구는 5G 이동통신을위한아날로그 IFoF(Intermediate Frequency over Fiber) 기반 Indoor DAS 기술개발 과제로써모바일데이터신호를아날로그로변환하지않고중간주파수기반의아날로그파형으로전송하여디지털샘플링에의한용량증가없이실내환경에서 5G 서비스를 < 자료 > Joonyoung Kim, Minkyu Sung, Eon-Sang Kim, Seung-Hyun Cho, and Jong Hyun Lee, 4 4 MIMO architecture supporting IFoF-based analog indoor distributed antenna system for 5G mobile communications, Optics Express, vol. 26, issue 22, pp. 28216-28227, 2018. [ 그림 7] 4 4 MIMO 를고려한 IFoF 기반실내 DAS 구조도 정보통신기획평가원 9
경제적으로제공할수있는기술이다. IFoF 기술은기저대역모바일데이터신호를중간주파수에매핑및다중화하여전송함으로써부가적인디지털 / 아날로그변환및디지털프레이밍처리과정없이경제적으로전송할수있으므로실내 DAS에적용하면신호왜곡을최소화하면서경제적으로설치하는데효과적이다. 2. 스몰셀기술 [ 그림 8] 은스몰셀네트워크구조를보여준다. 스몰셀이란 10미터 ~ 수백미터의소출력커버리지를가지는저전력무선접속기지국을의미한다. DAS와마찬가지로스몰셀은광섬유전송네트워크와여러무선액세스포인트로구성된다. 그러나 DAS와달리기지국 RF 신호를광섬유로브리징하는광섬유트랜스폰더 (BIU) 는필요없게된다. 스몰셀은 BTS 장치에직접연결되거나일반적인게이트웨이또는 EPC에연결될때공통공용무선인터페이스 (CPRI) 를사용한다. 게이트웨이또는 EPC 를사용하여코어에연결하면이더넷을사용한다. CPRI를사용하여연결된스몰셀은 RF 트랜시버및안테나가존재하게된다. 이와같은스몰셀기지국을실내에설치하게되면실내음영지역을해소하면서최대전송용량증대와단위면적당전송용량증대및서비스체감데이터전송률제공등이가능해진다. 최대전송용량증대는송수신안테나수의증가, 코딩기술등을높임으로써, 단위면적당전송용량증대는스몰셀기지국의셀크기를줄여주파수재사용률을높임으로써, 그리고서비스체감데이터전송률제공은정확한위치측위와빔포밍을통해최적의전송을함으로써가능해진다. 5G 스몰셀기지국을위한모뎀개발은퀄컴과인텔이진행중에있다. 삼성전자는퀄컴이제공하는밀리미터파대역과 6GHz 이하대역을동시에지원하는 FSM100xx 모뎀을이용하여 5G 스몰셀 < 자료 > Alcatel-Lucent, Indoor Solution, 2013. [ 그림 8] 스몰셀네트워크구조도 10 www.iitp.kr
기획시리즈 5G 솔루션을 2020 년에생산할것이라고발표하였다. 2020 년이면밀리미터파대역을제공하는 5G 스몰셀서비스를체험해볼수도있을것이다 [11]. 3. Hybrid DAS Hybrid DAS는수동및능동시스템의특성을결합한실내솔루션이다. 기존 4G에서활용된 Hybrid DAS는신호분배를위해일부광섬유를사용하지만대부분의신호분배에는수동동축케이블을사용한다. RRU는안테나와분리되어있어시스템이광섬유케이블과동축케이블을사용하여건물전체에신호를분배할수있다. Hybrid 시스템은중형공간또는비정상적인신호문제에대한좋은솔루션이다. 밀리미터파대역을활용한 5G에서는안테나별로 1Gbps 이상의전송이가능하므로동축케이블을사용하는것은부적합하다. 그러므로동축케이블이아닌광섬유를이용해야할것이다. [ 표 4] 는 4G/LTE 시스템을이용하여다양한실내환경에따라서스몰셀과다양한 DAS 타입에따른비교를한표이다. 레스토랑이나공장과같은단일층에는스몰셀이적합하며높은빌딩이나대규모쇼핑몰과같은경우에는 DAS 시스템이비용적으로효과적임을알수있다. 이처럼실내환경에서커버리지와비용적인측면에서효율적인 5G 밀리미터파서비스를위해서는설치하고자하는실내환경을잘고려해야할것이다. [ 표 4] 다양한실내환경에따른스몰셀과 DAS 의비교 구분 Small To Medium Floor Building (Restaurant, Shop) Large Single Floor Building (Factory) 2~5 Floor Building 5~10 Floor Building 10~20 Floor Building Over 20-Floor Building Airport, Shopping Malls Indoor small cell 1 1 to 2 2 to 4 per floor depending on storey size, morphology and capacity Node B wiith DAS Not cost effective Not cost effective 1 Sector 1~2 Sector 2~4 Sector >4 Sector >4 Sector RRH with DAS Not cost effective Not cost effective 1 RRU 1~2 RRU(*) 2~4 RRU(*) >4 RRU(*) >4 RRU(*) FR repeater with DAS if low traffic Insufficient capacity if low traffic DAS type Small to mdeium area or 1~5 floors: Passive DAS Large area and more than 5 floors: Active DAS < 자료 > Alcatel-Lucent, Indoor Solution, 2013. 정보통신기획평가원 11
IV. 결론 밀리미터파대역에서의이동통신서비스는매우도전적인일이다. 그러나 5G에서요구되는대용량의서비스를위해서는꼭필요하며, 이동통신데이터트래픽의 80% 이상을차지하는실내에서는필수적인기술이다. 밀리미터파대역 5G 서비스가실내에서이루어진다면 4k/8k 고화질동영상스트리밍, 홀로그램데이터송수신, VR/AR 스트림서비스등을끊김없이자유롭게사용할수있을것이다. 이러한시대를열기위해서는실내 DAS와스몰셀기술이밀리미터파대역에맞게서비스되어야할것이다. 밀리미터파대역 5G를위한실내 DAS 서비스를위해서는광프론트앤드기술의개발과함께관련아날로그소자의성능향상이시급한상황이다. 스몰셀의경우에는 3.5GHz 대역의경우상용화가되었으나밀리미터파대역용모뎀및안테나등에대한개발은업계에서활발하게이루어지고있으므로실내밀리미터파대역채널특성을잘파악하여설치방안에대한연구가함께이루어질필요가있다. DAS와스몰셀기술이밀리미터파대역용으로하루빨리개발되어실내환경및요구사항과비용에따라적합하게설치되고, 이를통해실내에서끊김없는대용량서비스를체험하는미래를기대해본다. [ 참고문헌 ] [1] 매일경제, 세계최초 5G 한국 3일밤전격상용화, 2019. 4. 4. [2] 삼정KPMG 경제연구원, 5G가촉발할산업생태계변화, 2019. 2. [3] ZDNet Korea, 이통 3사 5G 주파수경매결과만족, 2018. 6. 18. [4] Qualcomm, Mobilizing 5G NR Millimeter Wave:Network Coverage Simulation Studies for Global Cities, 2017. 8. [5] Cisco, Cisco VNI Forecast and Trends, 2017-2022, 2018. [6] HUAWEI, 5G-Oriented Indoor Digitalization Solution White Paper, 2017. 11. [7] HUAWEI, 5G Spectrum Public Policy Position, 2017. [8] Nokia, Towards Making 5G a Reality, 2016. 11. [9] Alcatel-Lucent, Small Cells and Distributed Antenna Systems, 2013. [10] Joonyoung Kim, Minkyu Sung, Eon-Sang Kim, Seung-Hyun Cho, and Jong Hyun Lee, 4 4 MIMO architecture supporting IFoF-based analog indoor distributed antenna system for 5G mobile communications, Optics Express, Vol.26, issue 22, 2018, pp.28216-28227. [11] LightReading, Qualcomm & Samsung to Work on 5G Small Cells, 2018. 10. 23. 12 www.iitp.kr