Technology Focus / 차세대무선통신기술 차세대무선통신기술은무선구간에서의주파수효율증가기술과통신기기를넘어생활기기로서의기능을제공하는이동단말기술을바탕으로이제까지와는차원이다른모바일서비스를이용자들에게제공하며, 화상회의, 모바일 HDTV, 모바일 IPTV 등 IMS(IP 멀티미디어서브시스템 ) 기반의커뮤니케이션형융복합서비스제공이가능할것으로예상된다. 본고에서는차세대무선통신기술을면허주파수대역에서의차세대이동통신기술과비면허주파수대역에서의차세대근거리무선전송기술을현시점에서진행되는표준화기술을중심으로소개하고자한다. 글 : 정현규부장 / 이동통신연구본부무선통신연구부한국전자통신연구원 / www.etri.re.kr 차세대이동통신기술 : LTE-Advanced 및 IEEE802.16m 1980년대초, AMPS(Advanced Mobile Phone Systems) 로불리는 1세대아날로그방식으로시작된이동통신서비스는디지털기반의 2세대단계를넘어현재는고속데이터통신까지가능한 3세대 (3G) 기술을바탕으로본격적인서비스를제공하고있다. 한편국제전기통신연합 (ITU) 은 2011년 2월최종 4G 이동통신기술표준안을확정할계획이며, 현재부각되고있는기술표준후보군으로는 LTE Advanced 및 WiBro Evolution(Mobile WiMAX Evolution) 등이있다. LTE와와이브로기술의진화는단순한이동통신기술표준차원의이슈가아니라, 유선인터넷이속도의진화와함께콘텐츠와서비스, 애플리케이션측면에서질적도약을한것처럼모바일상에서 FTTH 속도를구현하는 4G 기술은모바일콘텐츠, 애플리케이션, 서비스, 단말등모든연관영역에서질적변화를야기할것이며, 사업자에게는새로운사업의기회를제공하게될것으로보인다. 현재 4G 이동통신기술의글로벌표준을선점하기위해삼성전자및인텔이주도하는모바일와이맥스 (Mobile WiMAX: 이하와이브로 ) 진영과노키아및유럽의통신업체가주도하는롱텀에볼루션 (Long Term Evolution: 이하 LTE) 진영이경쟁하는양상을띠고있고, 국제전기통신연합 (ITU) 은지난 2005년 4G 이동통신기술을 'IMT-Advanced' 로명명하며, 4G 이동통신은고속이동시에 100Mbps 이상, 저속이동시나정지시에 1Gbps 이상의전송속도가보장되어야한다고규정하였다. LTE-Advanced는 3GPP 진영에서추진중인 LTE를진화시키는 4세대이동통신기술이며, 기존 LTE 기술과의호환성유지는물론 ITU-R의 IMT-Advanced 요구사항을만족시켜야한다. LTE는 20MHz 대역에서다운링크 100Mbps, 업링크 50Mbps의데이터전송속도를지원하는 IP 기반의셀룰러기술이고, LTE-Advanced는최대 100MHz 대역에서다운링크 1Gbps, 업링크 500Mbps의데이터전송속도를지원하는글로벌-컨버전스형의무선통신기술이다. 한편 IEEE 802.16m 표준은 050
IEEE 802.16e 규격을기반으로허가대역에서 ITU-R의 IMT- Advanced radio interface 표준으로인정받기위한셀룰러계층요구사항을만족시키는동시에기존의 IEEE 802.16e 표준을따르는 legacy Wireless MAN-OFDMA 장비도지원할수있도록표준화가진행되고있다. 표1은 IEEE 802.16m, LTE, LTE-Adv에대한기술적특징을비교한내용이다. 구분 3GPP LTE 3GPP LTE-Adv Duplex 방식 FDD,TDD FDD,TDD TDD/FDD 다중접속방식 (DL) OFDMA OFDMA OFDMA 다중접속방식 (UL) SC-FDMA N x SC-FDMA, Clustered DFT-S- OFDM,or OFDMA OFDMA 채널대역폭 1.4, 3, 5, 10, 15, 20 MHz 최대 100MHz 최대 80MHz 다중안테나 (DL) 최대 4 x 4 최대 8 x 8 최대 4 x 4 다중안테나 (UL) 최대 1 x 4 최대 4 x 8 최대 4 x 4 최대전송률 (DL) 300Mbps 1Gbps 1Gbps 최대전송률 (UL) 75Mbps 500Mbps 300Mbps 최대이동속도 350km/h 500km/h 350km/h 셀간간섭완화방식 리피터 / 릴레이리피터리피터, 릴레이리피터, 릴레이 표 1. 이동통신방식별비교 Semi-static 셀간간섭조정 ( 부분주파수재사용 ) Coordinated multipoint 전송 ( 셀간간섭조정및다중셀 MIMO) 또한현재대두되고있는차세대이동통신기술중의하나는통신사가사용하는주파수대역에핫스팟과같은셀액세스지점을만들어그것을인터넷을통해전송해옥내커버리지를개선하고비용을줄일수있는펨토셀기술이며, 현재거의모든통신사들이펨토셀서비스를지원하려는계획을세우고있다. 펨토셀은크게두가지의서비스시나리오를가지고있다. 첫째로음영지역에설치하여셀룰러망의커버리지를확대하는경우와, 두번째로기존셀룰러커버리지내에펨토셀을설치하여값비싼마크로기지국의무선자원대신, 가능하면펨토셀의무선자원을이용하여서비스를제공함으로써더나은사용자서비스를합리적인가격에제공하는경우이다. 또한차세대이동통신을위한표준기술로주파수광대역화기술, 무선전송속도최대화기술, 업링크전송방식개선기술, 액세스네트워크운용의최적화를위한기지국자동구성기술, 셀간간섭제어및관리기술등이핵심요소기술로부각되고있고, 이들요소기술은심리스핸드오버기술, 홈셀기지국기술, 고급화된방송미디어 전송기술및새로운응용기술과상호결합함으로써향후에는 IP 기반의서로다른액세스네트워크간인터워킹, 유 / 무선통신간의통합그리고통신 / 방송미디어의융합화가본격가시화될것으로예상된다. 근거리무선통신기술 : WLAN 및 WPAN 802.16m (Mobile WiMAX Advanced) 2007년 3월부터 WFA(WiFi Alliance) 에서시작된 Wi-Fi CERTIFIED 802.11n draft 2.0 인증을통해현재까지 180가지가넘는제품이출시되고있는 Soft/Adaptive FFR Enhanced 가운데이러한시장의상 FFR Tx/Rx Beamforming 황을반영하듯여러매체를통해 IEEE 802.11n이핫이슈로등장하였다. 하지만 WFA의분석에따르면초고화질의영상을위한압축되지않는비디오, 예를들어 1920 1080픽셀, 24bits/pixel, 초당 60 프레임정도의 1080p급비디오를전송하려면 Gbps 이상의전송속도를필요로한다. 이를위하여최근에 Gbps 이상의차세대무선랜서비스를위한새로운국제규격을정의하려는움직임이 IEEE 802.11 내에서활발해지고있다. 또한 2001년도에미국의연방통신위원회 (FCC) 가 57GHz~64GHz 대역상의 7GHz 대역폭을비허가 (unlicensed) 대역으로할당한이후부터, 본격적으로 60GHz 대역을통신에활용하고자하는노력이경주되었다. 특히, 60GHz 대역이미국을비롯한한국 (57~64GHz), 캐나다 (57~64GHz), 일본 (59~66GHz), 그리고유럽 (57~66GHz) 까지를포함하여전세계적으로사용가능해짐에따라, 시스템간의간섭 (inter-system interference) 없이최대 9GHz에달하는초광대역채널들을사용함으로손쉽게 Multi-Giga bps 전송속도를제공할수있게되었다. 한편, 반도체표준공정기술인 CMOS의미세공정이 100nm 이하에서도가능해짐에따라, 051
Technology Focus / 차세대무선통신기술 60GHz 대역 RF 회로를값싸게구현할수있게된점도밀리미터파 (57~66GHz) 대역의통신활용을촉진하는계기가되었다. 차세대무선 LAN 기술 : VHT(Very High Throughput) 근거리무선환경에서의다양한멀티미디어서비스요구가날로높아짐에따라최근에는최대 600Mbps까지지원하는 IEEE 802.11n 무선랜이 2008년을기점으로시장에널리퍼지고있으며그수요가더욱늘어날것으로예상된다. IEEE 802.11n은 MIMO, LDPC, Aggregation 등의핵심기술을활용하여기존 IEEE 802.11a에비해 PHY에서의최대성능을 54Mbps에서 600Mbps로 11 배가까이대폭끌어올렸으며, 더불어동작범위를대폭늘렸고신호의품질또한향상시켰다. 때문에최근이슈가되고있는풀HD급동영상을무선으로재생할수있는기술로기대되고있다. 이러한비약적인성능발전에대한시장의기대를반영하여 WFA는 2007년 3월부터 IEEE 802.11n D2.0에기반한 Wi-Fi CERTIFIED 802.11n draft 2.0 인증을부여하기시작했고전세계적으로많은지자체와학교에서 IEEE 802.11n을이용한망을구축하고있고이를반영하고있다. 그러나 IEEE 802.11n의성능에도불구하고 WFA의분석에의하면앞서언급했듯이압축되지않는비디오를전송하려면 Gbps 이상의전송속도를필요로한다. 또한보행시 1Gbps 무선전송기술을 2010년까지제공해야한다는차세대이동통신의기술지표에대해서는기존의 IEEE 802.11n 성능이이에못미치는것이사실이며, 이러한상황을반영하여 IEEE 는 Gbps급이상의속도를지원하는차세대무선랜의새로운기술인 VHT(Very High Throughput) 에대한표준화를최근에시작하였다. 포스트 802.11n 시대를대비하기위한 VHT의주요사항으로는 802,11n 대비 2배이상의전송속도 ( 매체접근제어의서비스기준 ) 인 1Gbps 이상을지원하여압축되지않은 HD 동영상의전송을가능하게하며, 802.11n과비교할때개선된커버리지와전력소모기능을갖고, 기존무선랜사양들에대한하위호환성을지원하도록한다. 한편, VHT 논의에있어서주요한특징으로는기존에 802.11n이사용하는 5GHz 대역의주파수자원의포화가능성으로인해기존에 PAN(personal area network) 서비스에사용되었던 60GHz 대역이 VHT 서비스를위한또하나의가능한주파수자원으로제시하였다. 따라 서 VHT 규격에대한논의는 5GHz 대역을사용하는버전 (VHTL6) 과 60GHz 대역을사용하는버전 (VHT60) 으로이원화되어 2008년부터는논의가독립적으로진행되고있다. VHTL6( 표준명 : 802.11ac) 은 5GHz 대역을사용하는 VHT 서비스를지칭하는것으로, 모토로라, 노텔, 퀄컴등이논의를주도하고있는데, 1Gbps 이상의전송속도를지원하기위해서필요한 80MHz 이상의주파수대역을제공하기위하여기존무선랜중 2.4GHz를사용하는 802.11b, 802.11g와의호환성을포기하였다. 아울러 5GHz 대역에서 40MHz 또는 80MHz의주파수대역을사용하여 1Gbps 이상의전송속도를제공하기위하여주파수효율및변복조기술의향상에논의의초점을모으고있는상황이다. VHT60( 표준명 : 802.11ad) 은 60GHz 대역을사용하는 VHT 서비스를지칭하는것으로인텔, SiBEAM, 브로드컴등이이의논의를주도하고있다. 여기에서는 60GHz 대역에서 2~5GHz의주파수대역에걸쳐사용하는 RF의성능을제고하는기술이핵심적인부분을차지하고있다. 다만, VHT60에서는기존의 PAN에서이미지원하고있는초근거리개인통신과의차별성을부각하기위하여비교적광역의커버리지를제공하기위한신호전송기술에주력하고있으며, 기존무선랜과의호환성을제공하기위해서는 2.4/5/60GHz 대역을넘나드는멀티라디오를필요로한다. VHT를위해논의가예상되는대표적인기술은다음과같다. Multi-user MIMO(VHTL6) Multi-user MIMO는 5GHz 대역에서 1Gbps 이상의서비스를지원하기위하여필수적인요소기술이며, 하나의 AP(Access 052
Point) 가여러개의 STA(Station) 에대하여안테나전송을달리하는방식으로서논리니어프리코딩및트래픽채널디자인등이핵심특허이슈로대두되어있다. Multi-channel MAC(VHTL6) Multi-channel MAC은하나의 AP가여러개의 STA에대하여주파수대역을다변화하여동시전송함으로써전체서비스전송속도를제고하는방안이다. 이에대해서는복수개의채널을물리계층및매제접근제어계층에서접합하기위한다양한결합및분해방식이핵심특허이슈로대두되어있다. 아날로그빔포밍 (VHT60) VHT60에서는수 GHz 급의주파수자원을사용하는 RF설계가필수적이다. 기존에흔히알려진대로 60Hz 대역의전자파신호는도달거리가그리멀지못하다는단점이있는바, 이들다수개의안테나를아날로그상에서서로협력작용을하도록결합시키는아날로그빔포밍기술을이용하여이의커버리지및레인지를확장하는것이매우중요하다. 최근의발표들을따르면최대 64 개의안테나를아날로그빔포밍하는정도의고집적회로안테나의설계가요구된다고한다. 대역폭최적확장기술 (VHTL6) 주파수대역폭을확장시켜서데이터용량과전송속도를증가시키는기술로써 40MHz 주파수자원까지사용했던기존의 802.11n 무선랜에비해주파수활용이 2배로늘어나는 VHTL6 에있어서는핵심적인기술이다. Preamble 및주파수할당방법의최적재설계기술이요청되며, 또한기존무선랜을지원하기위한 legacy mode와의주파수편성호환성을갖기위한다양한조건등이충족되어야한다. Fast session transfer 기술 (VHT60) VHT60이기존무선랜과의호환성을위하여필수적인 Multi-band 내지 Multi-radio의지원을위하여, 2.4/5/60GHz 전체를제공하는라디오의설계및초고속스위칭컨트롤을위한계획이고안되어야한다. 차세대무선 PAN 기술 : 802.15.3c 밀리미터파 (57~66GHz) 대역에대한표준화활동은유럽의 ETSI/BRAN( 무선 LAN 응용 ), 북미의 IEEE 802( 무선 PAN/ LAN 응용으로사실상국제표준 (de-facto international standard)), ISO 21216(ITS 통신응용 ), 그리고최근에 60GHz 대역 WPAN 응용과관련한 WiHD 컨소시엄과 ECMA 인터내셔널등에서활발히진행중이거나, 표준이출간되었다. 60GHz 053
Technology Focus / 차세대무선통신기술 대역무선 WPAN은 HD 급무압축비디오의고속실시간스트리밍, 고속무선 Ad-hoc 통신, 고속파일전송, 무선 USB 등을주요서비스응용으로고려하고있으며, 이에대한표준기술주도권을쟁탈하기위하여인텔, 필립스, 모토로라, IBM, SiBeam, NICT, 소니, 삼성등 40 여개세계적인대기업들이국제표준화관련기구에서협력및경쟁을벌이고있는상황이다. IEEE 802.15.3c(Task Group 3c) 는 IEEE 802.15.3a의표준화기고서로제안된일본 OKI 사의밀리미터파기반의광대역무선접속시스템제안서를기반으로표준화를시작하였다. 2005년 3월, 60GHz 대역의밀리미터파를이용한무선기술개발 TG(Task Group) 로승격되어활발한표준화활동을하였으며, 2009년 9월표준완료를목표로막바지작업을진행하고있다. IEEE 802.15.3c는기존의 IEEE 802.15.3 WPAN(Wireless Personal Area Network) 표준인 802.15.3-2003[2] 및 802.15.3b-2005[3] 와의호환성을유지하면서, 밀리미터파기반의새로운 PHY(Physical Layer) 및대응되는 MAC(Medium Access Control Layer) 지원기능들의표준이다. 2009년 4월기준으로최신표준초안인 IEEE P802.15.3c/D07 문서에따르면, 57.0GHz에서 66.0GHz까지의밀리미터파주파수대역에서정의되는mmWave PHY는총세가지로, 첫번째는CoMPA(Consortium of Millimeter-wave Practical Applications) 를주축으로여러파트너들이참여하고있는그룹에서제안한단일반송파 (Single Carrier) 방식이고, 두번째는 Tensorcom 등의업체에서제안한 HSI(High Speed Interface)-OFDM 방식이며, 마지막으로세번째는 SiBeam이주축이된 WiHD 그룹에서제안한 AV(Audio and Visual)-OFDM 방식이다. 표 2에는 IEEE 802.15.3c에서정의하는세가지 PHY 방식의특징들이비교 / 정리되어있다. 단일반송파방식 HSI-OFDM 방식 AV-OFDM 방식 위에서언급한대로, 60GHz 주파수대역에대한집중된관 주요참여업체 CoMPA Tensorcom SiBeam 심으로인해많은표 변조방식 π/2 BPSK/QPSK/8PSK/16QAM QPSK/16QAM/64QAM BPSK/QPSK/16QAM 채널코딩 RS, LDPC LDPC CCRS concatenation 준화기구에서각기 PHY 전송률 25.3Mbps~5.18Gbps 31.5Mbps~5.67Gbps 2.5Mbps~3.8Gbps 다른시스템표준들을 특징 데이터전송률및변조방식에따라헤더와페이로드모두응용및전송률에따라 HRP, Class 1, 2, 3로분류 LDPC로보호 LRP로분류 제정하고있었고, 특 표 2. IEEE 802.15.3c에서정의하는세가지 PHY 특징비교 히 IEEE 802 내에서도 802.11 VHT SG(Study Group) 에서 60GHz 주파수대역의표준 을개발하려는움직 임이시도되자, IEEE 802.15.3c에서는다 른시스템또는 PHY 간 의공존성 (Coexistence) 을보장하는기능개 발을추가하게되고, 한편으로 IEEE 802.11TGad에게 그림 1. IEEE 802.15.3c 채널할당및최대데이터전송율 IEEE 802.15.3c와의 054
공존성기능개발을요구하게되었다. 이외에도, 무압축비디오의효율적전송을위한프레임군집화 (aggregation) 기능및부등오류부호 (unequal error protection: UEP) 기능, 그리고지향성안테나통신을지원하는기능등을규정하고있다. 또한근거리무선 WPAN 기술운용을위한 IEEE 802,15.3의피코넷운용방법을간략히기술하면다음과같다. IEEE 802.15.3 WPAN은복수개의장치 (DEV) 와 DEV 간의통신중재를위한하나의피코넷조정자 (PicoNet Coordinator: PNC) 로구성되는피코넷 (piconet) 형태로운용된다. PNC는피코넷에참여중인 DEV들중에서선발되고, 이렇게선발된 PNC는비컨 (Beacon) 을이용하여피코넷에기본적인타이밍을제공하고, QoS(Quality of Service) 요구사항, 전력절약모드, 피코넷에대한접근제어등을관리한다. IEEE 802.15.3 WPAN 규격은피코넷의커버리지를확장하거나다른디바이스의네트워크자원을활용하기위해, 자식피코넷과이웃피코넷형성을허용하여부모피코넷과함께계층화된피코넷을형성시킬수있다. 또한 802.15.3c를위한대표적인기술을보면다음과같다. 이터를 부호화된변조방식 (Modulation and Coding Scheme: MCS) 그리고 / 또는재전송기법을사용하여차등적으로취급함으로써, 중요한데이터의부호화이득을제고하고, 중요도가떨어지는데이터에대해서는부호화이득을상대적으로희생하여전체적인성능을개선하는방식이다. 지향성안테나통신을위한슈퍼프레임구조저전력통신을지향하는 IEEE 802.15.3c 시스템환경에서는무선채널에강인하면서도최대 10m의도달거리를확보하기위해지향성안테나를사용하는것이바람직하며, IEEE 802.15.3c에서는지향성안테나통신을위한슈퍼프레임구조를제시하고있다. 공존성보장기술서로다른독립된세개의 PHY 규격과 IEEE 802.15.3에기반한 MAC PHY를지원하는장치들간의공존성 (coexistence) 을보장하는기술로서공통모드시그널링 (Common Mode Signaling: CMS) 과 SYNC 프레임을사용한다. 무압축비디오데이터의 UEP 기술 UEP는중요도가서로다른데 그림 2. 부모피코넷과의존피코넷의구성및타이밍관계도 055