LTE/LTE-Advanced and The Next 2012 년 1 월 12 일 ( 목 ) ETRI 창의연구본부차세대통신미래기술연구부방승찬
목차 1. 이동통신현황및전망 2. LTE와 LTE-Advanced 이동통신기술 3. The Next 4. 결론 2
1. 이동통신현황및전망 3
Mobile Data Traffic 현황및전망 (1/3) 2010 년에급격히증가한이유는스마트폰의도입 서유럽및아시아태평양지역이전체 ½ 이상차지 신흥시장이증가추세는높음. ( 중동및아프리카지역이가장높은증가추세, 63 배 ) 2010 년대비 2020 년은 1000 배이상예상 자료 : Cisco VNI Mobile, 2011 EB (Exabytes, 1018) CAGR(Compund Annual Growth Rate, 연간누적성장률 ) 4
Mobile Data Traffic 현황및전망 (2/3) 디바이스의다양화 노트북, tablets, 스마트폰등이트래픽주요발생 각디바이스평균트래픽증가 자료 : Cisco VNI Mobile, 2011 5
Mobile Data Traffic 현황및전망 (3/3) 2015 년에전체트래픽중에 66.4% 가비디오에의한트래픽 (4.2 EB/6.3 EB) 평균사용이늘어나는이유 이동망의용량증대 (2G 3G) 모바일단말의배터리수명증대 Broadcast/multicast unicast 전환 자료 : Cisco VNI Mobile, 2011 6
Mobile Traffic 빅뱅의원인 인터넷의유래는 1960~1970 년대미국국방부산하의고등연구국 (Advanced Research Projects Agency, ARPA) 의연구용네트워크가시초 가정용유선인터넷발달 모바일인터넷 3 세대이동통신부터모바일인터넷본격도입 초기에는요금과디스플레이의한계로활성화되지못함최초의스마트폰의출현 : 1996 년노키아 9000 아이폰 (2007 년 ) 출현으로모바일인터넷서비스본격활성화 저렴한요금으로모바일인터넷을즐기게해주는 WiFi 보다편리한사용자인터페이스 (UI: user interface): 디스플레이한계극복 사용자에게손쉽게응용프로그램에접근하게하는프로그램장터 (App. Store) 모바일인터넷을일상생활화 모바일트래픽빅뱅 7
Mobile Traffic 전망 모바일트래픽은더욱커질전망 단말기밧데리사용시간이점점길어짐휴대용단말기가점점다양화 - 폴더형스마트패드겸용폰 - 안경형단말기 - 자동차 Headup 디스플레이 스마트기기 지속발전 - 밧데리수명혁신 - 디스플레이혁명 8
대용량트래픽처리에대한기술적접근방법 Improvements in spectral efficiency is approaching theoretical limits Saturated spectral efficiency per link (within isolated one base station) Source: Qualcomm, 2010 Better Techniques Ex) MIMO, OFDM, etc Smart HetNets Smaller Cells More Spectrum Ex) Heterogeneous Network(Macro/Femtocell/Relay) WiFi Offloading, Cooperation between BSs etc Ex) Femtocell, Range Expansion(Relay) Ex) New Bands, wider BW, Aggregation(Re-farming), etc 9
2. LTE 와 LTE-Advanced 이동통신기술 10
LTE/LTE-Advanced 표준화 (1/3) Long Term Evolution (LTE) Significantly improved performance in a wide range of spectrum allocations Transmission bandwidth: 1 ~ 20 MHz Peak data rate: up to ~ 300 Mbps in 20 MHz bandwidth First step toward 4G (IMT-Advanced) 첫번째기술규격 : Release 8 (December 2008) 11
LTE/LTE-Advanced 표준화 (2/3) LTE-Advanced 3GPP RAT for IMT-Advanced (4G) Evolution of LTE Including new features such as carrier aggregation, relaying, coordinated multipoint transmission, uplink MIMO etc. 첫번째기술규격 : Release 10 (March 2011) 12
LTE/LTE-Advanced 표준화 (3/3) LTE/LTE-Advanced/IMT-Advanced performance targets LTE [1] LTE-Advanced [2] IMT-Advanced [3] Peak spectral efficiency (b/s/hz) DL cell spectral efficiency (b/s/hz) DL cell-edge user spectral efficiency (b/s/hz) Downlink 16.3 (4x4 MIMO) 30 (8x8 MIMO) 15 (4x4 MIMO) Uplink 4.32 15 (4x4 MIMO) 6.75 (2x4 MIMO) 2x2 MIMO 1.69 2.4 4x2 MIMO 1.87 2.6 2.6 4x4 MIMO 2.67 3.7 2x2 MIMO 0.05 0.07 4x2 MIMO 0.06 0.09 0.075 4x4 MIMO 0.08 0.12 [1] 3GPP TSG RAN Tdoc RP-070466 [2] 3GPP TR 36.913, Requirements for further advancements for E-UTRA (LTE- Advanced), 2011. [3] ITU-R, Report ITU-R M.2134 Requirements related to technical system performance for IMT-Advanced Radio interface(s), 2008. 13
LTE 이동통신시스템 (1/4) 14
LTE 이동통신시스템 (2/4) Improved spectral efficiency OFDM, MIMO, Frequency Domain Scheduling etc. Peak data rate: 100Mbps/50Mbps for DL/UL with 20MHz Spectral efficiency: 5bps/Hz for DL and 2.5bps/Hz for UL Cell edge performance: 0.05bps/Hz ALL IP Network Very low latency: Short HO latency and interruption time; Short TTI, RRC procedure Simple protocol architecture: Shared channel based Simple Architecture: enodeb as the only E-UTRAN node Compatibility and inter-working 15
LTE 이동통신시스템 (3/4) Scalable Bandwidth & New spectrum Wider Bandwidth: 1.25MHz(2G), 5MHz(3G) 20MHz Support of variable bandwidth: 1.4, 3, 5, 10, 15 and 20 MHz New bands & existing bands(2g, 3G): more spectrum & reuse Existing spectrum(2g & 3G) New and wider contiguous spectrum 1.4 MHz 3 MHz 5 MHz 10 MHz 15 MHz 20 MHz 16
Average Throughput (Mbps) LTE 이동통신시스템 (4/4) 기술방식별체감속도 30 27 25 24 20 15 15 10 8 5 4 0 Source: LG HSPA Rel6 WiBro Wave2 LTE Rel9 IEEE 802.16m LTE-advanced Rel10 17
LTE-Advanced 이동통신시스템 (1/6) - Enhanced MIMO - CoMP Macro/Micro/Pico /Femto/Relay 18
LTE-Advanced 이동통신시스템 (2/6) Carrier Aggregation across multiple carriers and bands Wider channel bandwidth(40mhz~100mhz) for 4G target peak data rate(1gbps): no contiguous spectrum Contiguous carrier aggregation Non-contiguous carrier aggregation Band A Band A Intra- or single band Non-contiguous carrier aggregation Band A Inter- or multi band Band B source: Ericsson 19
LTE-Advanced 이동통신시스템 (3/6) Enhanced Multiple Antenna Trasmission 8x8 DL MIMO, 4x4 UL MIMO LTE (16.3 bps/hz, 4x4 MIMO) 주파수효율 LTE-Adv (30 bps/hz, 8x8 MIMO) IMT-Adv(4G) (15 bps/hz, 4x4 MIMO) 4x4 MIMO for DL 1x2(Diversity) SISO for UL c 8x8 MIMO for DL 4x4 MIMO for UL c source: Agilent 20
LTE-Advanced 이동통신시스템 (4/6) CoMP Cooperative Multi-point Tx/RX 기지국 / 단말간협력을통해셀경계지역에서품질개선및고속전송지원 Joint Transmission c 21
LTE-Advanced 이동통신시스템 (5/6) Heterogeneous Networks 링크주파수효율 거의최적성능도달 (LTE) 주파수효율은고도화된네트워크토폴로지에서획득 bps/hz bps/hz/unit area ( 단위면적당주파수효율 ) Easy site acquisition, flexible deployment model for CAPEX/OPEX CoMP, Femtocell, Relay, Advanced Interference Management Core Network Internet Femto Macro Relay Micro/Pico ex) HetNets including Macro, Micro/Pico, Femto, Relay 22
LTE-Advanced 이동통신시스템 (6/6) Femtocell 실내위치소형기지국 실외대형기지국설치 / 운영비용절감 실내음영지역해소 / 커버리지증대 Smart Relay Coverage Extension 및기지국일부기능수용 DAS(Distributed Antenna System) 여러기지국대신한기지국이여러지역을관장 CAPEX, 효율적인간섭제어가능, 음영지역해소등. 용량증대효과 (smaller cell) 기지국대신안테나만배치 (RF part) 23
Data Offloading 이동통신망에집중되어있는데이터트래픽을펨토셀 /WiFi/ 유선망으로우회시켜 이동통신 TCO 중 OPEX 의 operation 경비절감 이동통신망의과중한트래픽부하를분산 Conventional Mobile Networks Data offloaded Mobile Networks 24
3. The Next 25
4G 이후의서비스발전전망 스마트폰도입및모바일데이터서비스시작 이동통신망에심각한부하초래 IMT-Advanced(4G: LTE-Advanced, IEEE) 기술및망고도화기술로해결하려고노력그러나, 모바일서비스다양화 / 고품질요구도래하면 4G 및현재개발되는기술로부족 새로운형태의기술필요 서비스발전 Video 검색 : 수많은 Video transaction을수용하는모바일네트워크디지털교육 : 책가방을없애는모바일네트워크개인방송 : 방송을수용하는모바일네트워크 26
3GPP 이동통신표준발전방향전망 Rel-10/11 LTE-Adv (Commercial) evolutio n feb4g (2020) Rel-8 LTE (Commercial) Mobile Internet/ All-IP LTE 자체개발및보강 (Rel.8~Rel.10) Basic mode only LTE 기반무선결합성능안정화및개선 (Rel.11~Rel.12) LTE 기반유무선결합유무선통합시스템 (BBAI) (Rel.11~Rel.12), 2013~ Beyond LTE-A B4G 본격화 (Rel.13 ~), 2014 ~ D2D, M-Relay, etc 두축 revoution IPv6-IoT 5G 광역셀룰라 (New RAT?) (2020) FI- IoT Hybrid 공존 (2020) (feb4g + 5G) feb4g : further enhanced B4G RAT : Radio Access Technology FI : Future Internet BBAI : BroadBand Forum Accesses Interworking 2010/2011 2014 2020 2030 27
차세대이동통신 5G 주요구성요소제안 MHN 지역 : 광역 hot spot 이동속도 : 고속그룹이동체중심 광역셀룰라지역 : 광역이동속도 : pedestrian, 라우터 / 중계기 / 무선백홀없는차량 Smart Network Architecture based on new spectrum D2D 지역 : Local 이동속도 : 저속 근거리무선지역 : local hot spot 이동속도 : 고정및저속 셀룰라 : 보행자에게는수백 Mbps, 소형차 (15~120km/h) 에게는수십 Mbps 제공 근거리무선 : unlicensed 대역사용으로고속전송데이터를저렴하게이용가능 MHN(Mobile Hot spot Network) 도입 : 고속그룹이동체에게수십 Gbps 이상 그룹이동체 ( 열차, 버스, 자동차, 연안선박 ) 내에서는 WLAN 혹은 Femto cell(gbps/user 가능 ) Licensed 혹은 unlicensed 대역모두고려 D2D 활성화 : 기기간직접통신으로 distributed unbiquitous 통신실현 28
차세대이동통신 5G 중추자율네트워크 5G 실현을위한중추 자율네트워크 / 서비스개념 모바일인프라를기반으로하는중추네트워크 / 서비스 중추신경계 무선망 Hierarchy 를갖는셀룰러인프라기반의중추네트워크 전역적으로개인중심의서비스를제공하는중추지식서비스 개별디바이스그룹에의한자율네트워크 / 서비스 자율신경계 단말 / 사물간자율적운영을제공하는자율네트워크 특정공간이나환경을중심으로 Local 서비스를제공하는자율지식서비스 중추지식서비스 중추네트워크 자율네트워크 자율지식서비스 29
차세대이동통신 D2D 기술 (1/5) 근접기반모바일서비스활성화추세 특정지역에긴밀히관련된모바일서비스욕구 ( 지역상점광고, 지역선거광고, 근접소셜네트워크 (shopkick, facebook places, Google Latitude 등 ), 근접모바일게임네트워크등 다양한소규모및개인광고필요 (proximal marketing) 모바일서비스즉시성필요 D2D 통신의활성화필요 Data offloading 필요 ( 인프라망의용량부족 ) 근접통신시단말전력 saving 및용량증대효과인프라망의 personal identification(privacy 부족 ) 문제 예 ) 아이폰위치추적집단소송건 30
차세대이동통신 D2D 기술 (2/5) D2D 기술의현황 unlicensed band: 상용화단계 블루투스 (Ver4.0 low energy), WiFi-P2P licensed band: 연구개발단계 3GPP/IEEE 802.16(WiMax/Wibro): 셀룰라기반 D2D, infraless D2D Qualcomm AllJoin/FlashLinq 기술 (3GPP 표준화시작 ) WiFi-P2P 사용예개념도 근접모바일서비스예 (Source: Qualcomm) 31
디바이스통신기술동향 D2D 기술 (3/5) Infraless Device Communications Unlicensed Band: 상용화단계 Bluetooth (Ver4.0, low energy) Wi-Fi P2P Infra Device Communications Licensed Band: 연구개발단계 M2M - 3GPP(MTC) 표준진행중 - Smart Metering Cellular Controlled D2D - 3GPP 에서노키아제안 Cellular Assisted D2D - 3GPP 에서퀄컴 (FlashlinQ) 제안 Wi-Fi P2P Bluetooth Cellular Assisted D2D (FlashLinQ) Cellular Controlled D2D MTC (M2M) MTC: Machine Type Communications 32
차세대이동통신 D2D 기술 (4/5) 인터넷기반서비스제공 D2D 기반모바일서비스 다양한환경에서 D2D 기반모바일서비스 WiFi (AP 기반 ) 현재 Bluetooth WiFi Direct (D2D) 2011 이후 Advanced D2D 2014 이후 33
차세대이동통신 D2D 기술 (5/5) 시선통신 & 스마트커넥션기술 Target Device Selection! 모바일사용자가가시거리내의통신대상 ( 사람, 장치, 사물 ) 과의근접모바일서비스를효율적이고편리하게제공받기위한기술 대상을식별자없이보고선택하여통신하는기술및편리한기기간즉시연결을제공하는기술 사용자관여최소화하면서기기간신속한연결제공하는기술 34
차세대이동통신 MHN(Mobile Hotspot Network) IMT-Advanced 요구사항 Test Environment Downlink Uplink 600Mbps Full HD 20Mbps 3 차원영상 40Mpbs UHD 300Mbps Cell edge user spectral efficiency Base coverage urban 0.06 b/s/hz 0.03 b/s/hz High speed 0.04 b/s/hz 0.015 b/s/hz Peak spectral Efficiency 15 bits/s/hz 6.75 bits/s/hz Mobility Indoor Microcellular Base coverage urban 1.0 bits/s/hz (10 Km/h) 0.75 bits/s/hz (30 Km/h) 0.55 bits/s/hz (120 Km/h) 100Mbps High speed 0.25 bits/s/hz (350 Km/h) 5Mbps LTE-Advanced 서비스 / 대역폭 120Km/h 이동시 300Km/h 이동시 35
차세대이동통신 MHN(Mobile Hotspot Network) 고속환경에서고속데이터전송제공 ( 셀룰라기술보완 ) 새로운무선자원 3GHz~300GHz 대 (SHF:3-30GHz, EHF: 30-300GHZ) 혹은무선광을이용한새로운이동무선백홀 차량내에서는 WiFi 혹은 femto cell 로통신 차량내에서댁내환경과같은통신서비스제공가능 36
차세대이동통신 MHN(Mobile Hotspot Network) 고속이동시에도정지및저속이동환경과같은고속데이터서비스를제공하기위해 셀룰라이동통신시스템을보강하는모바일핫스팟이동통신기술 2 계위토폴로지무선링크 SHF/EHF 의 ( 예, 70-80GHz) 초광대역주파수활용 고속이동 / 용량증대무선전송기술 이동체내 4G 스마트기기에지속적인서비스를제공하는소형셀기술 SHF: Super High Frequency (3~30GHz), EHF: Extremely High Frequency (30~300GHz) 37
4. 결론 이동통신및주변기술의진화로모바일서비스활성화 2G 의성공으로모바일음성서비스활성화 3G 시스템의무선패킷화및스마트폰도입 무선데이터서비스활성화 현무선통신시스템에문제발생 ( 이동통신망용량부족, 트래픽증가로인한부하심각 ) LTE/LTE-Advanced 도입및기술특징 향후새로운모바일서비스도래대비필요 현재보다더많은무선트래픽을발생시킬모바일서비스고도화혹은고품질화시이동통신기술은지금과는다르게발전해야함. 현이동통신기술을뛰어넘는다른접근방법필요 차세대이동통신구성요소제안 4 대구성요소제안 : 셀룰러, MHN, 근거리무선, D2D 38