전자통신동향분석제 24 권제 3 호 2009 년 6 월 국내외펨토셀동향및전파이용조건연구 A Study on the Radio Requirements and Trends for Femtocells 박진아 (J.A. Park) 박승근 (S.K. Park) 스펙트럼공학연구팀연구원스펙트럼공학연구팀책임연구원 목차 Ⅰ. 서론 Ⅱ. 펨토셀특징 Ⅲ. 국내외표준화동향 Ⅳ. 국내외산업체동향 V. 펨토셀기술이슈 Ⅵ. 펨토셀제도이슈 Ⅶ. 시사점 본논문에서는 FMC/FMS의네트워크진화에따른펨토셀의도입배경및특징, 국내외펨토셀표준화현황, 통신사업자 / 제조업체동향등을간단히기술한후, 국내 WiBro 펨토셀도입을위한논의단계에서검토해야할항목으로서실내동기, 출력, 이용자제한등을필수적인전파이용조건항목으로제시하고있다. 112 C 2009 한국전자통신연구원
박진아외 / 국내외펨토셀동향및전파이용조건연구 Ⅰ. 서론 최근국내통신서비스시장이포화국면에접어들고, 통신사업자의경쟁심화와수익성의저하, 소비자의다양한요구는통신시장에또다른소비자니즈를만족할서비스의창출을필요로하고있다. 이와같은요구에부흥하여 2008년 6월, 인터넷경제의미래 라는주제로 10년만에개최된 OECD 장관회의핵심의제중하나로 convergence 가논의되었고, 이러한상황에서정부가규제완화로드맵을통해유무선교차진입을허용하고, 신규통신사업자의출현을독려하면서사업자간경쟁은유선, 무선또는통신역무와관계없이더욱첨예화되어가고있다. 또다른변화중의하나는 실내에서는유선전화, 실외에서는이동전화 를사용하던소비자의통신기기이용패턴이이동전화가주는 이동성 의편리함을이유로점차적으로실내에서도이동전화의사용량이증가하고있다는것이다. 실제로 Yankee Group의조사에따르면, 장거리전화의 80% 이상을이동전화로대체하는것으로조사되었고, Northstream은현재서유럽의이동전화이용률은 57% 가집과직장등실내에서이용되고있다고조사했으며, VisionGain은 2011년까지 3G 이동전화의실내이용률은 75% 로예상된다고밝혔다 [1]. 또한, 데이터서비스의 90%, 음성서비스의 60% 가실내에서일어날것이라고전망되고있다 [2]. 이러한변화와더불어발달한유무선통신기술은유무선통합 (FMC) 및유무선대체 (FMS) 의출현과발전을촉진시켰다. 피라미드리서치에따르면, 2009년 FMC 서비스세계시장규모는 800억달러로전체통신시장의 6% 를차지할것으로전망했다 [3]. 유선사업자가무선사업자영역으로서비스를제공하는 FMC는단말기하나로실외에서는이동통신네트워크를통해, 실내에서는유선전화망인 IP 네트워크를통해통화할수있는유무선통합서비스이고, 무선사업자가유선사업자영역으로서비스를제공하는 FMS는이동통신망을사용하되집안등특정지역에서이동통신요금을유선전화보다저렴하게설정해유선서 비스를일부대체할수있는서비스를일컫는다 [4]. FMC의대표적인원폰 (Onephone) 서비스사례로는 KT의 Du:, 덴마크 Duet, 영국 BT Fusion, 일본 Passage Duple 등이있고, Wi-Fi 이동전화듀얼서비스로는 KT 네스팟스윙, 프랑스 Unik, 미국 T-Mobile Hotspot@Home 등이있다. 현재까지 FMS의홈존 (Homezone) 서비스사례에는 LGT의기분Zone, 독일 Genion, 미국 T-Mobile@Home, 덴마크 UnoFon 등이있다. FMC 서비스들은대부분 Wi-Fi로대표되는 UMA 를이용한별도의듀얼단말기를필요로하는반면, FMS 서비스는별도의단말기없이기존휴대폰단말을그대로이용할수있는장점이있다. 특히, LGT의기분Zone은 알라미 라는중계기개념의고정장치를통해단말기가접속하는경우, 유선전화의저렴한요금혜택을받도록한서비스이고, 펨토셀 (femtocell) 은무선랜과같이 xdsl 망또는 IP 망을통해서비스되는차이점이있다. 본논문에서는최근활발히논의되고있는펨토셀의개념, 시스템특징, 국내외표준화및사업자동향, 기술적인문제점들과정책적인이슈를다룬다. Ⅱ. 펨토셀특징 펨토셀은 100조분의 1을의미하는펨토 (femto, 10-15 ) 와이동통신에서커버리지를정의하는데이용되는 cell의합성어로서, 펨토만큼촘촘한커버리지를제공한다는의미를갖는다. 앞서언급한바와같이펨토셀은이동전화와인터넷을연결하여저렴한비용으로유무선통합서비스를제공하는 FMS의대표적인솔루션이며, 크기는무선랜 AP와유사하고가격은현재 200달러미만이나향후, 100달러미만까지예상하고있다. 펨토포럼 (femtoforum) 에서제공하는펨토셀의정의 [5] 는다음과같다. Femtocells are low-power wireless access points that operate in licensed spectrum to connect standard mobile devices to a mobile op- C 2009 한국전자통신연구원 113
전자통신동향분석제 24 권제 3 호 2009 년 6 월 erator s network using residential DSL or cable broadband connections. 정의에서알수있듯이펨토셀은가정이나사무실등실내에서사용되는초소형이동통신용기지국으로서, 실내커버리지확대와허가대역을이용하고기지국으로서자체용량을갖는데서오는통화품질향상등을가장큰장점으로꼽는다. 또한, 기존단말기를그대로사용하고, 저렴한요금제혜택을받을수있으며, 다양한유무선서비스를효율적으로제공할수있고, 기지국이기때문에가능한시스템관리뿐만아니라, 만약펨토서비스가상용화된다면펨토에붙은단말정보를수집할수있으므로기존에실내에서이용하는데어려움이있었던위치기반서비스 (LBS) 를구현할수있다. 이밖에도홈게이트웨이 (home gateway), 저장장치로서의역할및각종홈가전소출력장치간의홈네트워킹 (home networking) 을실현시킬핵심장비가될것으로전망되고있다. 현재까지펨토셀과유사하게실내에서무선으로이용할수있도록제공되던서비스에는대표적으로무선전화기 (codeless phone), 무선랜 (WLAN), 중계기 (repeater) 등이있다. ( 그림 1) 은펨토셀과의망구성차이점및특징을나타내고있다. 무선전화기는 10 mw의출력으로, 46 MHz, 49 MHz, 900 MHz, 1.7 GHz 및 2.4 GHz 주파수대역을사용하여단말기와고정장치간을무선으로연결하여 PSTN 망에연결되는구조이며, 고정장치는총 40개채널중에가장낮은전계강도를나타내는채널을선택하여통신한다. 만약 40개채널이포화되는경우에는무선전화기채널간혼신이발생할수있다. 무선랜의출력은 MHz 당 10 mw를사용하고대표적으로 2.4 GHz( 비허가대역 ) 및 5 GHz 주파수대역을이용하여단말기 ( 노트북 ) 와무선랜 AP간을무선으로연결한다. 무선랜은 IP 망에접속하여주로인터넷서비스를제공하기위한목적으로이용된다. 무선랜은 11~13개채널을제공하며, 주변의무선랜이용에따라채널간혼신이발생할수있다. 중계기는주거지역, 아파트, 빌딩, 지하의음영지역을해소하기위한장치로서, 무선랜과같이 MHz 당 10 mw의출력을사용하고허가대역을이용하며단말기와중계기간, 중계기 ( 광중계기를제외 ) 와기지국간은무선으로연결된다. 중계기는기지국과용량을공유하고, 기지국과동일한주파수를사용함에따른혼신이발생할수있다. 펨토셀의출력은현재표준이나기술기준으로표준이정해져있지않은상태이며, 허가대역을이용하여단말기와펨토간은무선으로, 펨토와 2G/3G 이동통신망과는 backhaul로널리상용화되어있는광대역유선인터넷망 (xdsl) 및전용케이블망을통해접속하는구조이다. < 표 1> 은기지국과중계기및 AP의차이점을간략히정 무선전화기 Home 무선랜 (AP) 노트북 휴대폰 PC Home 소출력중계기 Home Femtocell Home PSTN (a) 무선전화기 xdsl ㆍ Cable Modem (b) 무선랜 (c) 중계기 (d) 펨토셀 이동통신사의 Core Network 2G/3G Access Network ㆍ SSID ㆍ MAC ㆍ ID/PWD IP 망 2G/3G Access Network Macrocell xdslㆍcable Modem 유선사업자 IP Network 이동통신사의 Core Network 2G/3G Access Network Macrocell ( 그림 1) 펨토셀과무선전화기, 무선랜및중계기의망구성비교 114 C 2009 한국전자통신연구원
박진아외 / 국내외펨토셀동향및전파이용조건연구 기지국 중계기 AP < 표 1> 기지국과중계기및 AP 시스템비교 자체적으로이동통신호 (call) 처리수행이가능한시스템 (STS, Node B, RAS) 높은출력 (43 dbm), Backhaul 로전용선사용 Femtocell Requires. Portable/~mW/~calls Plug and Play/Auto Configuration Handover/Backhaul(xDSL, cable ) 중계기는기지국의신호를받아단순증폭해주는 Direct 방식의중계시스템 (Repeater) 과 Non-Direct 방식의중계시스템 (Relay) 이있으며, Relay 는 Repeater 와달리변조및복조과정을통해신호의 SNR 지원 ( 일반적으로중계기는 Repeater 의미 ) 낮은출력 (20 dbm 미만 ) 802.11 기반의무선랜에서사용하는 AP 를일반적으로일컬으며, 기지국과유사하나인터넷접속이주목적. 낮은출력 (20 dbm 미만 ), Backhaul 로초고속인터넷모뎀사용 No. of Femtocells Shipped(Millions) 25 20 15 10 5 0 WCDMA/HSDPA CDMA GSM/WCDMA EGPRS WiMAX CDMA/WiMAX 2008 2009 2010 2011 2012( 연도 ) ( 그림 2) 펨토셀시장전망 물량의 80%, CDMA 계열 15%, WiMAX 계열이 5% 미만으로예측되고있다 [6]. 리한것이다. 무선전화기와무선랜, 중계기는현행특정소출력무선기기로분류되어방송통신위원회고시제2008-138호에의거비신고로운영되고있으며, 펨토셀에관심을보이는사업자는펨토셀이비신고로운영되어야활성화될수있다는입장이지만, 펨토셀의운영은펨토셀이기지국이라는점과출력및애플리케이션의미정, 사업자간간섭정도에따라추가적인논의후결정되어야할사항이다. 한편, 피코셀 (picocell) 과펨토셀은어떻게다를까? 단위로는펨토셀이더작은의미를갖지만, 이미피코셀이 WLAN 등을통해피코셀의영역을넘어섰듯이펨토셀역시펨토셀의영역을넘어서고있고, 피코셀과펨토셀의구현기술도 WLAN 및 WPAN 등을공유하고있다. 따라서피코셀과펨토셀의구분은응용서비스와망구조, 혹은기존의피코셀에서는 WLAN이 WPAN이자가망으로운영되는비신고 AP 개념이었다면, 펨토셀에서는공중망 ( 사업자망 ) 으로응용되는기지국이라는등의시각에서셀을구분해야할것이다. ( 그림 2) 는 ABI Research가조사한펨토셀시장예측결과로서, 펨토셀단가가 200 달러이하인경우에 2012년까지 3,600만개의펨토셀이설치되어약 1억 200만명의사용자가발생할것으로예측되며, WCDMA 계열펨토셀이전체 Ⅲ. 국내외표준화동향 1. 국외표준화동향 펨토셀의개념이출현한것은약 4, 5년전이고, 활발히논의가시작된것은표준화기구마다조금씩다르지만 2007 년하반기부터이다. 비동기계열의펨토셀은 3GPP, 동기계열은 3GPP2, WiMAX 계열은 WiMAX Forum을중심으로진행중이며, 또한 femtoforum과 IEEE 802.16m 등이펨토셀표준화를논의하고있다. femtoforum은초기펨토셀홍보및펨토셀간호환성, 그리고 WCDMA 계열을중점적으로다루었으나, 현재는다른펨토표준화단체와연계되어다양한계열의기술을표준화하고있다. 현재 51개 provider와 28개 operator 가참여하고있는가운데, 4개의작업반 (WG) 을두고연구를진행하고있다. WG1은마케팅과프로모션, WG2는무선및물리계층, WG3은망및호환성그리고 < 표 2> femtoforum 의펨토셀애플리케이션 펨토 Class Residential Office Enterprise Metro 설치위치 실내 실내 실내 실외 용량 (user) 4 8 8 8/16 Power <13 dbm <13 dbm <24 dbm <24 dbm Backhaul IP IP IP IP C 2009 한국전자통신연구원 115
전자통신동향분석제 24 권제 3 호 2009 년 6 월 < 표 3> 표준화기구별동향 계열 3GPP WCDMA 계열 3GPP2 CDMA 계열 WiMAX Forum WiMAX 계열 802.16m 동향 Home Node-B 라는이름으로 2007 년 3 월, TSG RAN 에서표준화가시작, SA 도진행 LTE/UMTS 공통 / 개별항목정의, WCDMA HNB( 상대적관심적음 )/LTE HNB( 관심높음 ) 전반적으로는 Top level requires. 만정의한상태 (Technical issues 논의 ) TSG RAN(2~4) TSG SA(3, 5) LTE/SAE WG2: 측정 / 핸드오버 WG3: 구조 / 기능 / 이동성 WG4: RF/Interference WG3: 보안 WG5: 가입자관리, 응급전화지원 / 인증및위치관리 2007 년, 5 월회의에서스프린트, 퀄컴, LG 사등의찬성으로 WI 선정 cdma2000 air interface enhancements for Femto and Picocell support TSG-S(service and system aspects) WG1 진행 - S.P0126-0 v.1.0 publish (Network Architecture 완료 ) - 2008. 5., requirements 에대한표준화마무리 - 주요내용 : system/radio/mobility/security/ accounting/regulatory 2008 년 1 월, 하와이미팅에서 SPWG WI 2.0 으로처음제안 WiMAX SPWG 에서추진 Scope <SPWG> Other WIs TSG-C WI - 펨토 - 피코애플리케이션 - air interface enhance TSG-X WI - 펨토 / 마이크로 / 피코 / 매크로 HO TSG-A WI: Virtual A21 usage 인식문제핸드오버프로토콜이슈 - WiMAX 펨토셀을위한서비스사례정의 - 펨토셀지원을위한 PHY/MAC, 네트워킹, 단말및기지국등요구사항정의 - WiMAX 매크로네트워크와기존단말과의호환성확보를위한요구사항 - Beam forming, MIMO 등진보된무선접속기술을위한검토 - 네트워크탐색및선택지원 < 향후논의사항 >: HO/Idle mode 에서의동작 / 동기화및상호간섭 / 자동설정기능 NWG(Network WG, 2009. 4Q 표준예정 )/TWG(Technical WG, 2008. 11. 결성 ) 연계 주로 Femtocell 의기술적인문제다룸 - Mobility/Interference/Synchronization/SON - 기타 WG4는제도적인관점을다루고있다. < 표 2> 는 femtoforum에서논의하고있는펨토셀의애플리케이션을나타낸다. 초기주거형 (residential) 을고려했지만, 2008년하반기부터 office 및 enterprise 형애플리케이션등 pico node B 영역으로확대하고있다. 이밖에기술계열별표준화기구의동향을 < 표 3> 에나타내었다. 2. 국내동향국내에서는 ( 그림 3) 과같이크게한국정보통신기술협회 (TTA) 와방송통신위원회 (KCC) 를중심으로펨토셀에대한표준화연구가진행되고있다. TTA 에서는이동통신기술위원회 (TG) 7 산하 IMT Wi- Bro 프로젝트그룹 (PG) 702 산하서비스및네트워크작업반 (WG) 7022에서옥내용펨토표준에대한요구사항을정의하고있으며, 기술보고서 < 휴대인터넷서비스및네트워크요구사항 > 에펨토셀요구사항을추가하여개정하고, 현재핸드오버기능, idle 모드기능, self-optimization & auto-configuration 기능등에대한표준화를추진중이다. 또한, TTA 포럼사업의일환으로 2008년에활동하던펨토셀포럼이 FMC 포럼으로개명이되어 IEEE/WiMAX, ITU, MNI, 3GPP/3GPP2, 응용비즈니스등다섯개분과로구성되어표준화를진행중이다. TTA는 WiBro 펨토셀네트워크구성을세가지 ASN Pro- 116 C 2009 한국전자통신연구원
박진아외 / 국내외펨토셀동향및전파이용조건연구 file Type(Profile A: Centralized Model/Profile B: OneBox Model/Profile C: Distributed Model) 중에펨토셀단독형 (ASN Profile B) 또는펨토- ACR 연결형 (ASN Profile C) 동시수용이가능하도록표준화하고있다. 옥내용휴대인터넷서비스를위해펨토셀서비스 ( 가정용휴대인터넷, 반경 30 m) 와피코셀서비스 ( 기업용휴대인터넷, 반경 100 m) TTA 를구분하고, 펨토셀간핸드오버는지원하지않으며, 옥외용휴대인터넷기지국과의핸드오버및피코셀과피코셀간, 피코셀과옥외망과의핸드오버를지원하도록규격화하고있다. 또한, GPS 미수신에대처하기위한별도의수단을논의중이며, 이밖에도인증, 보안, 망관리에대한연구가논의중이다. Ⅳ. 국내외산업체동향 이동통신기술위원회 TG 7 TTA 포럼표준화사업중 1. 국외동향 IMT WiBro PG 702 서비스및네트워크 WG 7022 옥내용펨토표준요구사항정의하는순준 FMC Forum 2008 년 Femtocell Forum 활동 사무국 : OSIA 5 개분과추진 IEEE/WiMAX 분과 ITU 분과 MNI 분과 3GPP/3GPP2 응용비즈니스분과 ( 그림 3) 국내펨토셀표준화현황 국외든국내든무선랜 AP 및중계기제조업체는대부분펨토셀개발에관심을쏟고있으며, 국외의대표적인 end-to-end solutions 제조업체로는 Ericsson, 국내 SKT 및 KTF와기술협력을맺은바있는 Huawei, Alcatel-Lucent, Samsung, NEC 등이있고, chip vender로는 picochip 사와최근활발한 Percello, ARICNET가있다. 또한 Femto AP에주력하고있는제조업체로는 Ubiquisys, SAGEM, ip.access, Airvana, THOMSON, AirWalk 등이있다. 국외사업자는대부분인빌딩커버지리확대용으로펨토셀에관심을갖고, 개발및상용화를위한 < 표 4> 국외사업자의펨토셀개발동향 사업자주요도입목적기술동향 O2 Vodafone T-Mobile NTT DoCoMo Softbank Sprint AT&T 실내커버리지확대 실내커버리지확대 실내커버리지확대데이터서비스활성화 Softbank 대응실내커버리지확대 데이터서비스활성화 (yahoo Japan 활용 ) 실내커버리지확대 ( 음성위주 ) 실내커버리지확대 2008 년 2 월기술이슈검토를위해 NEC, Ubiquisys 와영국에서 Trial 추진 2009 년 Femtocell 을활용한상용서비스제공예정임 2008 년 1 월기술검토를위해 ALU, Huawei 와 Trial( 스페인 ) 추진 Femtocell 장비가격의저가화 (100 달러이하 ) 요구 2008 년 3 월영국에서 Trial, Ubiquisys 에투자 Wi-Fi 를이용한고속데이터서비스지속제공예정 기존기지국과동일한장비로취급 2007 년 9 월기지국 Only 형시험장비설치를통해기술검토추진 / NEC Solution 을활용하여 2008 년 3 월 Trial 추진 2008 년 1 월 NEC, ALU, Huawei 장비를대상으로 BMT 추진 2008 년 5 월상용 Trial 을추진 /Wi-Fi 를이용한고속데이터서비스와병행추진 / picochip 사로부터 ~ 백식구매 -> Trial 2007 년 9월삼성 cdma 1x 기반 Ubicell 5만대도입 (3개도시 ) 2008 년미전역 49주 ( 알레스카제외 ) 상용화 2009 년상용서비스를목표로 WiMAX Femtocell 개발기업용 Femtocell 에집중, H/O 등일부기능고려안함 2009 년상반기대규모상용화계획 (without IPSec) Cisco, ip.access 사 10만여식구매 C 2009 한국전자통신연구원 117
전자통신동향분석제 24 권제 3 호 2009 년 6 월 trial을시행하고있다. < 표 4> 는국외대표적인사업자의펨토셀연구개발및상용화동향을세부적으로정리한것이다. 2. 국내동향국내에서도중계기, 무선랜 AP를개발해왔던제조업체들은대부분펨토셀에대한관심이높으며, 기술계열과관계없이현재펨토셀을개발완료하였거나추진중이다. 대표적으로삼성은 cdma 1x 기반의펨토셀, Ubicell 을개발하여미국스프린트사에판매하는성과를얻게되었으며, 현재 cdma 1x+EV-DO 펨토셀을개발중이다. 엑시엄와이어리스는 UMTS 기반의펨토셀, Cello 를개발했다. SK 텔레시스는 WiMAX 기반의펨토셀을개발하여 SKT와상용화를위한협력을계속하고있으며, 또다른 WiMAX 펨토셀제조업체로는주니와이어리스, 영우통신, 솔리테크등이있다. 국내사업자는대부분자체개발보다는국제공동연구나구매한칩셋을조립하여테스트하고기존매크로망과의연동등에대한연구에중점을두고있는형태를띄고있다. SKT와 KT는주로 WiBro femto, KTF는 WCDMA femto 에연구를집중하고있다. < 표 5> 는국내대표적인이동통신사업자의펨토셀개발동향을정리한것이다. Ⅴ. 펨토셀기술이슈 V장에서는펨토셀의편리성, 기술적특징, 가격경쟁력등의장점을바탕으로시장전망도밝고, 제조업자와사업자의관심이고조된가운데, 기술적인문제들로인해표준화와상용화가늦어지는문제를살펴본다. 1. Indoor Synchronization 펨토셀은가정이나사무실등실내환경에서이용되기때문에실내동기가대단히중요하다. CDMA 계열펨토셀은현재사업화하려는사업자가없고, WCDMA 경우에도이미많은중계기가배치된상황인데다, 비동기, FDD 시스템이기때문에실내동기문제에서상대적으로문제의심각성이덜하다. 따라서, 실내동기에대한문제는 WiBro 시스템에대해서만다룬다. WiBro 펨토셀은현재별도의기술기준이마련되어있지않았기때문에, WiBro 시스템기술기준인방송통신위원회고시제2009-13호무선설비규칙제92조 ( 휴대인터넷용무선설비 ) 를따라야한다. 주요공통조건으로는 9 MHz의점유주파수대폭, 사업자간보호대역은 4.5 MHz, OFDMA 를사용하는 TDD 시스템일것등이있다. 특히, 기지국송신동기오차 (GPS 시간의매초를기준으로하여 < 표 5> 국내사업자의펨토셀개발동향 사업자 SKT KT KTF LGT 동향 2007 년, Huawei 사와공동개발합의 /2009 년상용화예정 /CDMA Femtocell 계획없음 /WCDMA Femto 자체개발계획없음 ( 중계기대비경쟁력없음, 가격 1.3 배 / Huawei 사합동시험 / WiBro Femtocell, 2009 년 6 월개발완료예정 - 가정용 : 100 mw, 5 users( 비신고 ) - 기업용 : 3 W, Max. 100 users( 허가사항 ) In-building IBcell 은전용선활용한단순기능만구현 ( 전파연구소인증 ) 2006 년 10 월 picochip 사와전략적제휴체결 / 삼성과개발협의 / 국책연구과제추진 (~2009 년 ): 표준화및기술확보 /WiBro 형 Femtocell 개발추진, 시험운용중 - Home Femtocell: 5~10 users, Max. 100 mw(10 mw/mhz), 1FA/Omni Ant.( 비신고 ) - SOHO Picocell: 20~30 users, Max. 100 mw, 1FA/Omni Ant.( 비신고 ) - In-building Picocell(Enterprise): 50 users, 1~10 W, 1FA/Omni Ant.( 허가 ) KTF 연구소 +Huawei 사와연구개발과제수행 (2008. 11.~2009. 5.) 현재개발된펨토셀 Lab test/wcdma Femtocell 개발 ( 현재모델명없는상태 ) 삼성동, 일산, 고창, 고양 (Home: 20 mw/enterprise: 100 mw) 시험운행 WiBro/CDMA/WCDMA Femtocell 특별한개발계획없음 기분Zone 운영중, Femto에대해상대적으로관심이적은편 118 C 2009 한국전자통신연구원
박진아외 / 국내외펨토셀동향및전파이용조건연구 < 표 6> 실내동기를맞추기위한대안 대안내용통신링크비용 IEEE 1588 CDMA 망동기방식 Assist GPS (A-GPS) WiBro 신호동기 Packet Network 동기분배방식 ITU SG5 G.8261, Timing over Packet, v.2 로마무리중 Up/Down Link 의양방향대칭성이확보되는 Ethernet 망에서 TDD 시간동기정확도확보가능 ( 전용선사용하는경우가능성 ) CDMA 1x DL 의 Pilot, Synch. 채널사용 Synch. 채널내의절대시간정보확보 실내형 GPS 소프트웨어적으로수신감도를높이고, 동기맞추는시간을줄인 GPS WiBro 매크로망의 preamble 신호로동기확보 Macro 망커버리지내에서펨토셀사용하는경우적용가능 Network RF Satellite RF 저 중 중 중 ±20 μs 이내일것 ) 는실내에서이용되는펨토셀의경우기술적으로중요한기술기준항목이된다. 매크로셀환경에서는실외 GPS를사용하지만, 펨토셀은실내애플리케이션이기때문에실외 GPS 신호수신불가로인해동기오차기준을만족하지못하거나, 또는수신하더라도정확성이저하되어전파혼신의문제가발생할수있다. 이러한문제를해결하기위해 < 표 6> 과같은대안들이논의되고있다. IEEE 1588 은 Ethernet 망기반동기기법으로서, 실외 GPS를통해 IEEE 1588 master clock을동기시키고, 멀티캐스팅프로토콜을통해동기및지연보상시간등의정보를 200개의 slave에게전달해주는방식이다. IEEE 1588 은현재네트워크에서도널리쓰이는동기방식으로 up/down link 의대칭성이확보된다는가정하에합의된프로토콜로서, 전용선을사용하는경우사용이가능하나, 펨토셀이주로사용할 xdsl 망은 ( 그림 4) 와같이 up/down link의대칭성확보를보장할수없으므로, WiBro TDD 시간동기오차규격을준수하지못할가능성이있다 [7]. CDMA 망동기방식은 CDMA 1x DL pilot/synch. 채널을사용하여 synch. 채널내의절대시간정보를확보하고자하는방식으로, synch 채널복조까지가능한수신기 (chip) 를별도로구현해야하는비용의문제와 CDMA 1x 기지국에서펨토셀까지의 air delay 보상문제, 특히광중계기를거쳐서오는경우는 delay가클수있으며, 향후 CDMA 망철거시또다른대안을모색해야하는한 Delay (ms) 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 Downlink Delay Uplink Delay 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Time (s) ( 그림 4) VDSL 망에서측정한 Delay 측정결과 계가있다. A-GPS는실내형 GPS로휴대폰이나내비게이션에도응용될수있다. A-GPS는인터넷서버에접속하여위성의위치정보를받아저장하고있다가 GPS를켜면이정보들을이용하여위성을더빨리찾을수있도록하는방식이며, 정밀도보다는실용적인측면으로많이고려되고있다. 그러나실내에서도어느정도 ( 약 5 m) 까지만 GPS 신호를획득하게되므로, 용례에제한적이라는문제가있다. WiBro 신호동기를이용하는방법은 WiBro 매크로망의 preamble 신호로동기를확보하는방식으로 RF 중계기가동기를획득하는모듈과동일한방식이다. 이방식은매크로망커버리지내에서펨토셀이설치된경우에는적용이가능하지만, 펨토셀은실제 WiBro 매크로망이없는곳의커버리지확장용으로설치되는용도이므로, 매크로망이없는곳에펨토셀이설치될확률이높고, 이와같은경우활용이불가능하다는문제가있다. C 2009 한국전자통신연구원 119
전자통신동향분석제 24 권제 3 호 2009 년 6 월 2. Auto Configuration 일반적으로매크로기지국은각이동통신사업자소속의기술자가주변전파환경을종합적으로판단하여 RF 출력, 기지국 IP 주소, MAC 주소, FA 설정등각종파라미터를설정한다. 펨토셀역시기지국으로서여러가지파라미터의설정이요구되나, 실내에설치되고또한무선랜 AP와같이수없이많은빌딩및주택마다일일이기사가방문하여설치할수없는펨토셀의특징상펨토셀에요구되는기술로 auto configuration 기능이있다. Auto configuration 기능은먼저 plug & play 기능을이용하여펨토셀을망에연결하면설치 (installation) 및등록 (registration) 과정을거쳐각종필요한정보를다운받게된다. 또한주변매크로및펨토셀을검색하여이웃매크로셀및 AP에대한정보 ( 수신신호, 기지국 ID, FA의프리앰블인덱스, CINR 등 ) 를리스트업및등록하고이정보들은차후최적의망구성및핸드오버등에이용된다. 이렇게수집된정보로부터펨토셀은주변에서수신신호가가장작은 FA 를선택하고수신신호및신호대잡음비 (CINR) 에기반하여초기출력을설정하고, 이용하지않는프리앰블인덱스를설정한다. Auto configuration 기능은기술적으로는동기, SON 및핸드오버이슈, 제도적으로는접속규정 ( 개방형 / 폐쇄형 ), 인증, 위치확인등의문제와연결되어아직표준이완성되지않은단계이다. 특히, 핸드오버와관련하여표준화기구마다입장이다르지만, 주로펨토셀과매크로셀간핸드오버만을 mandatory 로규정하고, 수백, 수천개의펨토셀에서빈번하게발생하게될핸드오버는고가의 ACR 장비투자문제, 한정된프리앰블의부족, 추가적인스캐닝등의이유로 optional 로추진하고있다. 또한, 셀경계에서발생하는 near-far 문제도핸드오버측면에서어떻게다룰지많은논의가요구된다. 3. Carrier Deployment 펨토셀은이동통신사업자의허가대역을사용하 므로, 매크로셀과펨토셀에 FA를어떻게배치할것인가에대한논의도활발히이루어지고있다. 크게매크로셀과펨토셀이다른 FA를사용하는경우, 즉펨토셀에전용 FA를설정해주는경우와매크로셀과펨토셀이같은 FA를사용하는경우로나누어생각할수있다. 기본적으로는전용주파수를사용하는경우가공용주파수를사용하는경우에비해상대적으로혼신가능성이적고, 전용주파수를사용하는경우라하더라도매크로의용량부족에따라 FA를확장해야하는상황이발생하면, 공용주파수로의전환이요구된다. 혼신에더민감할수밖에없는공용주파수의경우, 매크로셀과펨토셀및각셀에붙어있는단말의거리등에따라혼신의정도가심각할수있다. 예를들어매크로신호가높게잡히는지역 ( 매크로셀과펨토셀이가까울때 ) 에서단말기는수신신호가큰매크로에접속하게되므로, 펨토셀을사용할수없는경우도발생하게된다. ( 그림 5) 는 FA 배치시나리오를나타낸다 [8]. FA 3 Femto FA 2 Macro FA 1 Macro (a) 전용주파수 FA 3 Macro+Femto FA 2 Macro FA 1 Macro (b) 공용주파수 ( 그림 5) FA 배치시나리오 4. Coverage 셀커버리지는송신기의출력과밀접한연관관계가있다. 특히현재펨토셀의출력이표준이나기술기준으로정해져있지않으므로동일사업자및타사업자와의매크로셀간, 펨토셀간혼신을분석하여요구되는서비스를제공함과동시에혼신을최소화할수있는출력을결정하고, 그출력에따라허가및비허가로의운영도결정되기때문에커버리지는 120 C 2009 한국전자통신연구원
박진아외 / 국내외펨토셀동향및전파이용조건연구 Coverage(%) < 표 7> 실내ㆍ외커버리지비교 Large cell scenario Small cell scenario Sparse deployment Dense deployment Sparse deployment Dense deployment Public Private Public Private Public Private Public Private Indoor 99.7992 99.7992 98.3728 93.787 97.9310 93.7931 89.8050 70.0355 0 dbm Outdoor 75.4035 75.2498 72.9183 68.5603 71.3465 69.1297 67.8608 55.4464 FS Indoor 100 100 98.8116 94.0828 99.0038 94.3295 91.3121 70.3901 transmit 10 dbm power Outdoor 75.3267 73.1745 71.4397 57.4319 71.0181 64.1215 64.9468 33.4971 20 dbm Indoor 100 100 99.0385 94.1568 99.387 94.4061 91.1348 69.9468 Outdoor 74.6349 68.6395 67.2374 37.7432 69.4581 51.6420 65.7658 13.5954 Coverage (%) Indoor 70.48 70.86 80.15 79.34 without Femto-AP Outdoor 76.10 74.32 72.33 73.55 중요한이슈사항이될수있다. 출력과커버리지문제와관련하여, < 표 7> 와같은시뮬레이션결과는많은시사점을가지고있다 [9]. < 표 7> 은매크로셀과펨토셀이공용주파수를사용할경우로서, large cell 은매크로기지국출력 46 dbm와커버리지 1500 m를표시한것이고, small cell 은매크로기지국출력 36 dbm와커버리지는 500 m를표현한것이며, sparse 는섹터당 10명의가입자, dense 는섹터당 100명의가입자가있는상황이다. 또한, 앞서언급한 open access는 public 으로, close access는 private 에각각해당한다. < 표 7> 의커버리지시뮬레이션결과에의하면, 1) 펨토셀출력이증가할수록실내커버리지는증가하고실외커버리지는감소하며, 2) private 운영보다는 public 운영이커버리지확대효과가크고, 3) small cell 시나리오에서 private 펨토셀출력이 100 mw이면, 심각한커버리지축소가발생한다등을관찰할수가있다. 따라서매크로망구축상황과펨토셀출력에 따라실외커버리지축소가심각하게발생할수있으므로, 펨토셀의설치권한은일반이용자에서주는것보다는통신사업자에게한정하여부여하는것이타당할것으로판단된다. 5. Interference 일반적으로무선랜은 ISM 대역을사용하기때문에기본적으로혼신을용인해야하지만, 펨토셀은허가받은사업자대역을이용하기때문에, 혼신으로인한펨토셀의 QoS 저하는매우민감한문제일수있다. 펨토셀과관련된혼신시나리오는동일사업자, 동일사업자및타사업자간의매크로셀간혼신, 펨토셀간혼신등으로다양하지만, 펨토셀의비신고운영과관련하여중요한것은타사업자펨토간의간섭문제이다. 현재, femtoforum에서공식적으로발표한 UMTS 펨토셀의동일사업자간혼신이외에타사업자간펨토셀간혼신분석이이루어지 SKT KT FA 1 2304.5 MHz FA 2 2313.5 MHz FA 3 2322.5 MHz FA 1 2336 MHz FA 2 2345 MHz FA 3 2354 MHz 4.5MHz 2300 MHz 2327 MHz ( 그림 6) 휴대인터넷주파수분배현황 2331.5 MHz 2358.5 MHz C 2009 한국전자통신연구원 121
전자통신동향분석제 24 권제 3 호 2009 년 6 월 지않은상태이다. 특히, 현행 WiBro 기술기준의스펙트럼마스크는매크로기지국과단말기간의최소이격거리 70 m라는가정에서도출되었기때문에펨토기지국과단말기의공간거리는 3 m 이내일수있는펨토셀전파이용환경에서는맞지않을수있다. 따라서, 본논문에서는 ( 그림 6) 과같은 WiBro 주파수상황에서 SKT FA3번과 KT FA1번이같은건물, 같은층에서서비스되는경우에대한혼신분석을수행하였다. DL보다 UL 혼신이더민감하다는게일반적인견해인데, 현재국내 WiBro 기술기준에의하면, ( 그림 7) 과같이기지국의불요발사기준치가기지국의출력에상관없이동일한절대치로되어있고, 단말기는출력에따라불요발사기준치를상대적으로적용하고있다. 그러므로단말기의출력에따라타대역에누설되는단말기의불요발사전력크기가펨토의불요발사전력보다작을수있다. ( 그림 7) 의스펙트럼마스크에서펨토출력은 20 dbm(100 mw) 로가정한것이고, 음영부분은타사업자의수신대역으로누설되는불요발사영역을표시하고있다. 본논문에서는현행 WiBro 기술기준조건을만 족한다는가정하에서 SEAMCAT-3 소프트웨어를이용한혼신시뮬레이션을수행하였다. 우선적으로간섭기준은 16QAM 변조를기준으로 10% PER을만족하는 CNR 13 db과수신감도는 -81 dbm로정하였다 [10]. 펨토셀의 RF Power이 20 dbm, 수신감도는 -81 dbm, CNR 이 13 db인경우, SEAMCAT- 3 tool의 Extended Hata Model_Short Range Device 에의해계산된펨토셀의커버리지는 75 m 로나타났다. ( 그림 8) 은 DL 혼신을분석하기위한시뮬레이션구성도로통신사업자 A의펨토셀이이웃한통신사업자 B의단말에미치는영향을분석한것으로, SEAMCAT-3 시뮬레이션결과에의하면, 바로인접한경우에는약 20% 의혼신영향이발생한것으로도출되었다. 그러나전체평균적으로보면, 타사업자들이바로인접한채널을이용하는경우발생할확률은 1/9이되므로, 최종적인평균간섭확률은 3% 가된다 (( 그림 9) 참조 ). 다음으로 UL 혼신분석을위한시뮬레이션구성도는 ( 그림 10) 과같이통신사업자 B의단말 (10 mw) 이통신사업자 A의펨토셀에영향을미치는경우이다. 바로인접주파수를이용한경우에 SEAMCAT-3 10 0-10 dbm /100 khz -20 Femto Mask(20 dbm) -30 UE Mask(20 dbm) -40 UE Mask(13 dbm) UE Mask(10 dbm) -50 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Frequency (MHz) ( 그림 7) WiBro 기지국및단말기불요발사기술기준 122 C 2009 한국전자통신연구원
박진아외 / 국내외펨토셀동향및전파이용조건연구 Interferer(Femto A) Victim(UE) Femto B 통신사업자 A 통신사업자 B ( 그림 8) DL 시뮬레이션구성도 ( 그림 9) DL SEAMCAT 시뮬레이션결과 에의한시뮬레이션결과는 ( 그림 11) 과같이약 3% 의혼신이발생하는것으로서, 경우의확률 1/9을고려하면, 공중선전력 10 mw 이하의단말기에의한타사업자의영향은거의없을것으로판단된다. 펨토셀의출력은 WiBro 사업자들이참여한연구그룹에서펨토셀전파혼신의시나리오를합의한후, SEAMCAT 등의전파혼신소프트웨어를이용한결과를바탕으로하여합의형태로결정되어야할것으 C 2009 한국전자통신연구원 123
전자통신동향분석제 24 권제 3 호 2009 년 6 월 Victim(Femto A) Interferer(UE) Femto B 통신사업자 A 통신사업자 B ( 그림 10) DL 시뮬레이션구성도 ( 그림 11) DL SEAMCAT 시뮬레이션결과 로보인다. 이상과같은혼신문제에서무엇보다중요한것은펨토셀의동기문제이다. ( 그림 12) 와같이사업자간비동기상태 ( 통신사업자 A: UL/ 통신사업자 B: DL) 는훨씬심각한혼신을발생한다. 예를 들어통신사업자 B의펨토셀이채널대역폭 9 MHz 당 -19.5 dbm을발사하고, 통신사업자 A 펨토셀과 1 m 떨어져있다고가정하면, 1 m의자유공간손실은 40 db이므로, 통신사업자 A 펨토셀에통신사업 124 C 2009 한국전자통신연구원
박진아외 / 국내외펨토셀동향및전파이용조건연구 Interferer(UE) Victim(Femto A) Interferer(Femto B) -59.5 dbm/9 MHz -29 dbm/mhz = -19.5 dbm/9 MHz 통신사업자 A 통신사업자 B ( 그림 12) 펨토셀사업자간비동기에의한혼신 자 B 펨토셀의간섭전력이 9 MHz 당 -59.5 dbm 유입되는셈이다. 이는 16QAM을이용하는펨토셀의수신감도가 -81 dbm이라는것을가정하면, 간섭전력 (-59.5 dbm) 이훨씬커서호가끊기는상황이발생됨을의미하는것이다. 따라서펨토기지국의비동기에대한전파이용조건은매우중요하다. Ⅵ. 펨토셀제도이슈 앞서살펴본펨토셀의기술적인문제이외에도 ( 그림 13) 과같이고려해야할제도적이슈가있다 [8]. 펨토셀이소출력기지국이라는점때문에제도적, 운영적측면에서다양한입장차이가있다. 무선랜과유사하기때문에비신고로운영하고, 소비자가직접구매할수있게할것인가아니면, 통신사업자가가입자에한하여장비를대여할것인가하는문제는장비의소유권및운영과향후혼신발생시, 책임여부와맞물린매우중요한사안이다. 또한, 백홀 (backhaul) 사용에있어서도전용선을충분히확보하지못한통신사업자가유선사업자와의망접속비용과유지보수등에관한문제, 펨토셀을 open access로할것인가 close access로운영할것인가? 무선랜과같이장치이동에대한제한을둘것인가? 이동시마다위치를등록하게할것인가? 비신고로운영할것인가? 등다양하게고려해야할문제들이있다. 이와관련하여일본에서아직펨토셀이정규서비스로상용화된사례는없으나, 펨토셀상용화를활성화하는측면에서법제도를정비하였다 [11]. 국내전파법규는일본과유사하고거의최초로펨토셀관련법안을정비한것이므로, 향후우리전파법규개정에있어시사하는바가클것으로판단된다. 우선일본은전파법허가절차를개정하여펨토셀기지국을일반기지국과마찬가지로별도의허가가필요하더라도다음과같이간단한허가절차에따라신청할수있도록하였다. - 동일기관관할구역내에일괄신청할수있도록편리성제공 - 간단한설치장소만등록하고허가신청 ( 위경도등생략 ) 또한, 펨토셀은무선설비기술기준으로, 1) 공중선전력 20 mw 이하 2) 고장탐지기능준수 3) 무선설비기술기준에적합할것등의조건을명시했다. C 2009 한국전자통신연구원 125
전자통신동향분석제 24 권제 3 호 2009 년 6 월 1. 판매 2. 설치 3. 백홀 4. 운용 5. 사용자제한 6. 이동 7. WiBro 요금제 A. 대리점 B. Retail Shop C. 미판매 A. 방문기사 B. 사용자 A. 별도임대 B. 가입자망공유 A. 운용자 B. 사용자 C. Auto A. Open Access B. 사용자가직접제한 A. 장치이동제한 X B. 장치이동제한 O A. Femto 전용요금제 B. Macro 와동일요금 팸토셀도입을위한이슈 ㆍ Femtocell 활성화제약ㆍ미인증하드웨어유통가능ㆍ Femtocell 장치의소유권문제 ㆍ비용발생ㆍ무분별한설치로셀간간섭발생ㆍ무선국허가 / 검사 ( 기지국 : 준공검사대상 ) ㆍ비용발생ㆍ ISP 와망접속비용산정ㆍ법적공유가능여부 ㆍ원격에서 Air 상황파악불가ㆍ부적절한관리경우발생가능ㆍ Auto 로관리가능한파라미터제약 ( 기술적이슈 ) ㆍ타사용자접속으로인한성능저하ㆍ망을 close 로운영시해당 Femtocell 에접속이불가능한사용자에게는간섭으로작용 ㆍ Wi-Fi AP 와같이무분별이동사용으로인한관리불가ㆍ사용자이동시변경등록필요 ㆍ댁내 Femto Zone 이불가능한경우부당요금에대한항의ㆍ Femtocell 활성화미흡 ( 그림 13) 펨토셀의단계별제도이슈 이동전화사업자이외의자에의한운용기준으로는펨토셀기지국면허를받은 이동전화사업자외제 3자가기지국에대해이설, 복구등을위한간편한조작등을이행할수있다, 사업자는타무선국의혼신방지를위하여적절한감독을실시해야한다, 그리고 이동통신사업자는제3자가운용하는펨토셀기지국에대해총무성에신고해야한다, 펨토셀기지국에대해부적절한운용이행해질경우운용의책임은운용자에게있으며운용중지명령도운용자가시행한다 등비교적세부적으로운영방침을정해놓고있다. 또한, 전기통신사업법개정을통해서비스제공주체와책임에대하여펨토셀기지국을통한이동전화가입자의서비스는이동전화사업자가책임질필요가있다고명시하고있다. 이밖에도전기통신설비에대한기술기준적합유지의무 ( 펨토셀기지국취급 / 고객구내배선등취급 / 광대역회선취급 ) 에대한법개정을마련하였다. 사업자간협의사항으로는회선이용조건 ( 브로드밴드가입자본인여부를확인하는절차및방법에대하여적절한 조치 ), 장애발생시등의책임분담 ( 이동통신사업자가전반적인고객대응을할수있도록체계를구축 ), 펨토셀이용자에게의사전설명 ( 기지국을이용함에있어취급주의, 기술적설명을하고이용자의동의를얻도록하고, 펨토셀을이전할경우, 이동통신사업자에게승인을얻고주소및시기에대해사전통보 ) 등이있다. Ⅶ. 시사점 본논문에서는이동통신의하부망구조로논의되고있는펨토셀의도입배경, 표준화및사업화현황등을간단히살펴보고, WiBro 펨토셀의국내도입에필요한전파이용조건마련에있어서필수적으로요구되는항목을알아보았다. 매크로셀구축과펨토출력에따라실외커버리지가영향을많이받으므로, 펨토셀의설치주체는해당통신사업자로한정하여야한다. 또한, 실내동기의오차는펨토셀의혼신에직접적으로영향을주므로, 펨토셀의기술적 126 C 2009 한국전자통신연구원
박진아외 / 국내외펨토셀동향및전파이용조건연구 조건으로실내동기의오차범위를반드시포함시켜야할것으로판단된다. 펨토셀의출력으로는현행중계기에적용되고있는 10 mw/mhz를고려한 100 mw 출력허용치를고려해도실내동기오차가크지않다면, 타사업자간에는큰문제가없을것으로보인다. 약어정리 ACR Access Control Router ASN Access Service Network DL Down Link FMC Fixed Mobile Convergence FMS Fixed Mobile Substitution LBS Location-Based Service MNI Mobile Network Interworking SPWG Service Provider WG SON Self Organizing Network UL Up Link UMA Unlicensed Mobile Access WG Working Group WI Working Item 참고문헌 [1] Simon Saunders, The Role of Cooperation in Establishing a Femto Efficient Economy, femtoforum. [2] Gordon Mansfield, Femto Cells in the Us Market Business Drivers and Femto Cells in Us Market Business Drivers and Consumer Propositions FemtoCells Europe 2008, 2008. [3] 박상현, 김재경, 유무선융합시대의다크호스, 펨토셀 시장잠재력과정책이슈, NIA, 2007. 10. [4] 노미진, 김주성, 유무선통합시대의펨토셀동향및비즈니스모델, 전자통신동향분석제23권제2호, 2008년 4월., pp.91-97. [5] http://www.femtoforum.org/ [6] ABI Research, Femtocell Market Challenges and Opportunities:: Cellular-Based Fixed Mobile Convergence for Consumers, SMEs, and Enterprises, 2007. [7] 이종식, WiBro Femtocell 기술개발동향, ICT Forum Korea 2009, 2009. 5. [8] 송승호, 펨토셀기술이슈, SKT 발표자료, Oct. 2008. [9] Yeh Shu-ping, S. Talwar, Lee Seong-choon, and Kim Heechang, WiMAX Femtocells; A Perspective on Network Architecture, Capacity, and Coverage, Communications Magazine, IEEE, Vol.46, Issue 10, Oct. 2008., pp.58 65. [10] Agilent Application Notes, Mobile WiMAX TM PHY Layer(RF) Operation and Measurement. [11] 윤민호, 일본펨토셀관계법령현황, KTF 발표자료, 2009. 5. C 2009 한국전자통신연구원 127