이동통신기술 5G 이동통신기술 발전방향 새롭게 펼쳐질 미래의 이동통신 세상, 무엇이 달라지는가? 김문홍, 박종한, 나민수, 조성호 SK Telecom 5G Tech Lab 요 약 본고에서는 다가올 미래 5G 이동 통신의 기술 동향, 핵심 기술 및 네트워크 구조변화에 대해서 알아본다. Ⅰ. 서 론 46 과거 2G부터 3G까지의 이동통신은 음성 위주의 서비스 및 데이터 서비스의 시작점을 제공하였 던 반면에, 4G 이동통신에서는 본격적인 데이터 중심의 이동통신 서비스로의 큰 변화를 이루었다. 최근 콘텐츠별 무선 트래픽을 보면 동영상을 포함한 멀티미디어, 인터넷 등 몇 년 전만 해도 유 선 통신에서만 제공 가능했던 서비스가 모바일 환경에서도 주된 콘텐츠로 자리잡게 되는 큰 변화 가 있었다. 이러한 서비스 이용 패턴의 변화는 무선 네트워크가 3G에서 4G로 진화함으로써 전 송 속도가 급속도로 향상되었고, 모바일 서비스 시장에서 차별적인 고객 경험을 제공하기 위한 많은 서비스들이 활발히 개발되었기 때문이다. 하지만, 이동 통신망의 진화는 여기에 그치지 않 고 2020년 상용화를 목표로 한 새로운5G 이동통신에 대한 논의가 국내외에 본격적으로 진행되 고 있다. 과거 2G부터 3G까지의 이동통신 은 음성 위주의 서비스 및 데이터 서비스의 시작점을 제공하였던 반 면에, 4G 이동통신에서는 본격적인 데이터 중심의 이동통신 서비스로 의 큰 변화를 이루었다. 그림 1. 2021년까지 예상되는 IoT Device의 수[1] 본 자료는 정보통신 분야의 전문 기술을 누구나 쉽게 이해할 수 있도록 풀어 쓴 지상 강의로서, 한국통신학회에서 발간하여 무료로 배포하는 자료입니다
그림 2. 5G 연구 단체 현황 앞으로 다가올 미래에는 고품질 멀 티미디어 서비스의 본격화, IoT 서 비스 확산 등의 변화로 인해 기하 급수적인 무선 데이터 트래픽 발생 및 스마트 기기가 폭발적으로 증대 할 것으로 예상된다 앞으로 다가올 미래에는 고품질 멀티미디어 서비스의 본격화, IoT 서비스 확산 등의 변화로 인해 기하급수적인 무선 데이터 트래픽 발생 및 스마트 기기가 폭발적으로 증대할 것으로 예상된다. 이러한 변화를 수용하기에 현재 이동통신 네트워크 기술로는 가용 주파수 확보, 안테나 기술의 제약, Small Cell 구성 등 다양한 한계가 있기에 새로운 기술이 요구되고 있으며, 이를 위해 기존 네트워크 혁신 및 진화를 위한 5G이동통신 기술에 대한 요구 사항이 전세계에서 본격적으로 논 의되고 있다. 이를 위해 5G Forum(한국), ITU-R, 3GPP(유럽), 5GPP(유럽), IMT-2020(중국), ARIB(일 본), 등 전세계적 관련 단체에서 5G 네트워크에 대한 Vision 및 요구사항이 논의되고 있으며, 대한민국 정부에서도 2014년 미래창조과학부 주관으로 미래 이동통신 산업발전전략(Creative 5G Mobile Strategy)'을 수립하여 5대 5G 핵심 서비스로 미래 SNS, 모바일 입체영상, 지능 서 47 그림 3. ITU-R에서 정의한 8개의 5G성능 KPI[11] SERIES 1
비스, 초고속 서비스, UHD/홀로그램을 선정한 바 있다. 현재 국내 5G 포럼 및 글로벌 사업자/제조사들이 논의하고 있는 5G의 주요 요구 사항은 1 4G 대비 1,000배 용량 증대, 2 언제 어디서나 개인당 Gbps급의 체감 속도 제공, 3 사물인터 넷(IoT: Internet of Things) 시대 대규모 디바이스의 수용이다. 이 밖에도 초연결 통신, 초실시 간 처리, 가상화 네트워크 인프라, All-IT 진화 및 에너지 절감도 예상된다. 관련하여 ITU-R 에서는 언급된 다양한 요구사항의 성능을 수치화하기 위한 8가지 (체감전송률, 최대전송률, 이동 성, 전송지연, 최대연결수, 에너지효율, 주파수효율, 면적당용량)을 정의하였다 [11]. Ⅱ. 본 론 48 1. 5G 이동통신에 의한 서비스의 변화 이러한 5G 이동통신으로의 진화로 인해 다가올 미래에는 1 초고용량 실감형 데이터 서비스, 2 초실시간 처리 서비스, 3 증강 현실 서비스, 4 초연결(Hyper-Connectivity) 통신 서비스가 가능할 것으로 예상된다. 구체적으로 5G 이동통신으로 서비스가 가능하게 될 것으로 예상되는 분야는 아래와 같다. 첫째, 5G 이동통신으로 대폭 증대된 전송속도로 인해 HD 해상도의 4배에 해당하는 4K-UHD (약40Mbps), 16배에 해당하는 8K-UHD (약160Mbps) 등의 초고용량 영상 콘텐츠가 보편화될 것으로 예상되며 장기적으로는 3D 영상 또는 홀로그램 서비스로 확대될 전망이다. 둘째, 5G에서는 네트워크의 지연 시간이 수 ms로 줄어들게 되면서 사용자가 생각하는 순간 반응하는 양방향 초실시간 서비스가 실현될 것으로 예상된다. 예를 들어, 의사가 직접 찾아가기 힘든 지역에서 환자 발생시 로봇을 통해 치료하는 원격 의료 서비스, 공장에서의 초정밀 자동화 시스템 및 센서, 동력전달장치, 조향장치, 브레이크장치 간의 연동이 필요한 자동 주행 차량 등 기기간 통신 서비스 활용도 가능할 것으로 예상된다. 셋째, 대폭 증대된 전송속도와 및 초실간 처리가 모두 가능하여 원격에 위치한 실제환경을 사 용자의 위치로 가져오는 Teleportation이 가능해짐으로써, 현실에 가까운 실감환경을 제공하는 AR(Augmented Reality), VR(Virtual Reality) 서비스가 가능하게 된다. 넷째, 5G 초연결 기술을 기반으로 IoT, Connected Car, 각종 센서 및 다양한 IoT Device 에 대한 실시간 통신 및 제어 서비스가 가능하게 될 것으로 예상된다. 5G 이동통신으로의 진화로 인해 다가올 미래에는 1 초고용량 실감 형 데이터 서비스, 2 초실시간 처 리 서비스, 3 증강 현실 서비스, 4 초연결(Hyper-Connectivity) 통신 서비스가 가능할 것으로 예상된다. 2. 5G 네트워크 주요 기술 5G에서는 기존 4G 기술의 한계를 넘을 수 있는 다양한 새로운 기술들이 논의되고 있다. 5G에 서 논의되고 있는 주요기술은 크게 아래 5가지로 정리할 수 있다. 1 초고주파 광대역폭을 활용한 초고속 데이터 전송기술: 기존 이동통신은 3GHz 이하의 낮은 주파수 대역에서 수십 MHz 대역폭을 이용하여 신호를 전송해야만 제한이 있었다. 하지만, 5G에 서는 센티미터파(3GHz~30GHz), 밀리미터파 (30GHz~300GHz)의 높은 주파수 대역에서 수백 MHz 이상의 광대역폭을 이용하여 고속의 데이터 전송을 가능하게 된다. 이렇게 초고주파 영역 에서 광대역폭으로 신호를 전송시 기존보다 더 빠른 속도의 신호 전송이 가능한 반면, 전파의 경 로 손실이 기존 대비 더 많이 발생하게 되는 이슈가 발생된다. 2 대용량 다중 안테나 기술 (Massive MIMO): 다수의 단말에게 별도의 용량을 갖는 신호를 안테나에서 방사되는 빔 Stream으로 분리 및 전송하여, LTE의 MIMO 기술 대비 용량 증대 및
그림 4. 5G 이동통신에 의한 서비스의 변화[2] SKT는 Mobile World Congress 15 에서 mmwave 기반 5G 초고속, 초 지연 전송 기술을 통해 Robot 실시 간 연동 Demo를 진행하여 전세계 적인 주목을 받았다. 49 그림 5. 5G네트워크 주요 기술[2] 간섭 개선이 가능하게 된다. Massive MIMO 기술로 기지국에 고유 용량을 갖는 신호를 여러 안테나의 빔 Stream으로 방 사하더라도 실제로 수신 받는 단말은 단말 크기의 제약으로 내부에 다수 안테나 구현의 어려움이 있기에 소수의 Stream만 수신이 가능하다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 기지국에서 단말로 방사하는 안테나 빔 Stream을 개별적으로 분리해서 최적의 수신이 가능하도록 빔 패턴을 조정하고 각 빔간 간섭이 발생하지 않도록 신호를 조정하는 Beamforming 기술이 추가 적용된다. ③ Small Cell구성을 통한 네트워크 용량 증대 기술: 기존 Macro커버리지 영역 내에 Traffic이 대량으로 발생하는 소규모 hot-spot이나 빌딩 내에Pico 및 Femto 와 같은 소형 기지국을 다수 설치하여 HetNet (Heterogeneous Network) 기반 네트워크 용량을 증대하는 기술이다. 기존 4G에서도 HetNet이 구성되었으나, 초고주파 대역을 활용할 5G에서는 Small Cell 구성을 위한 SERIES 1
그림 6. 대용량 다중 안테나 기술[2] 50 그림 7. Small Cell 용량 증대기술[2] HetNet이 더 확대될 것으로 예상된다. 이렇게 다수의 Small Cell을 동일 서비스 영역에 설치할 경우 cell 간 간섭이 더 심화될 것으로 예상되며 향후 5G에서는 이러한 Small Cell 망 내에서의 간섭을 개선하는 것이 매우 중요할 것 으로 예상된다. 4 혁신적인 이동통신 신호처리 기술: 기존 3G에서는 음성신호의 품질을 보장하기 위해 디지 털 신호를 코드기반 대역확산 CDMA 방식을 사용하였고, 4G에서는 높은 전송속도 확보를 위해 상대적으로 신호대 노이즈 성능이 우수한 직교 주파수 다중화 방식(OFDMA) 방식을 사용해왔으 나, 5G에서는 더 진보한 직교 주파수 다중화 방식과 전력 및 코드 다중화 방식을 추가하는 다양 한 방식의 신규 이동통신 신호 처리 기술(New Radio Access Technology)이 논의되고 있다. 5 5G 네트워크 운용 기술(5G Operation & Management): 5G 네트워크 운용 기술은 이동통 신망을 구성하는 장비(기지국, RRU 등)의 운용에 필요한 주요 기능을 자동화하여 네트워크 스 스로 최적의 초기 설정 및 운용, 자율적인 유지/보수 등을 수행하도록 만들어 진 차세대 네트워 크 운용 기술이다. 기존 4G Network 에서는 LTE기반 자동 운용 기술 SON (Self Organizing Network)이 도입되었고 자동 구성(Self Configuration), 자동 최적화(Self-Optimization), 자
그림 8. 혁신적인 무선 신호처리 방식[2] 51 그림 9. LTE 이동통신망 구성 동 복구(Self-Healing)을 지원하고 있다. SON 기술을 통해 이전 세대 네트워크 대비 운용효율성은 크게 향상되었으나 장비에서 실시간 통계 제공 및 처리가 어렵고, 장비 단위 통계는 가능하나 가입자, 서비스 단위 통계 수집이 어렵 다. 최근 SK Telecom 등 주요 사업자 및 장비업체를 중심으로 LTE/LTE-A 네트워크에서 Big Data Analytics 등 IT 기술을 활용하여 네트워크에서 발생하는 실시간 로그나 이벤트 정보를 가 입자, 서비스 단위로 분석하여 운용 기술을 고도화하려는 움직임이 활발히 진행되고 있다. 향후 5G 네트워크에서는 가입자, 서비스 단위 실시간 통계제공이 가능하도록 설계되어 운용 기술이 더욱 진화할 것으로 기대되고 있다. 이를 통해 전체 네트워크 품질 향상 및 네트워크 운용비용 절감이 가능할 것으로 예상되고 있다. 3. 5G 네트워크 구조의 혁신 만약 도로를 사용하는 자동차의 양이 폭증하고 제한속도 또한 매우 높아진다면, 지금 우리가 사용하고 있는 교통 인프라는 더 이상 변화된 환경에 적합하지 않을 것이다. 이와 마찬가지로, 네트워크 내 트래픽의 양과 전송속도가 지금보다 수 백배 또는 수 천배로 늘어난다면, 현재의 네 트워크 인프라 역시 변화된 환경에 더 이상 적합하지 않을 것이며, 변화에 최적화되어 혁신적으 로 진화해야 할 것이다. 5G시대에는 사용자, 트래픽 및 전송속도가 폭증하는 등 많은 변화가 예상된다. 이러한 환경변 SERIES 1
그림 10. 네트워크 운용기술 진화 방향 52 그림 11. 현재 이동통신망 구조 및 개선점 화에 최적화 되기 위하여, 현재 4G네트워크가 혁신적으로 진화되어야 할 영역은 크게 아래 세가 지 영역으로 정리할 수 있다. 1 Flat네트워크 구조: 교통 인프라를 설계할 때, 인프라의 구조적인 이유로 생기는 병목구간 을 최소화 해야 한다. 마찬가지로, 현재 계층적인 (Hierarchical) 구조를 가진 4G네트워크는 트 래픽이 상위 한 구간으로 모여서 병목현상이 생길 수 밖에 없는 구조로 되어있기 때문에, 폭증하 는 데이터를 효율적으로 분산되어 트래픽을 전달할 수 있는 Flat한 네트워크 구조로 진화해야 한 다[6][8][9]. 이러한 Flat네트워크는 결과적으로 데이터가 네트워크에 머무는 시간을 줄여주기 때문에 짧은 응답을 요구하는 서비스 (예. Tactile Internet 서비스 등)에 더 적합하다. 2 S/W의 가상화 (Virtualization) 및 모듈화 (Modularization): 교통 인프라에 설치되어 각종 서비스 및 전반적인 인프라 운영에 사용되는 톨게이트, 카메라, 교통정보 수집장치들과 같은 장 비들은 도로와 일체화 되어 설치되고 운영된다. 만약 환경이 변하여 장비가 교체, 업그레이드, 또는 다른 곳으로 옮겨져야 한다면, 적지 않은 교환, 업그레이드, 철거, 또는 재설치 비용이 발 생하게 된다. 5G환경에서는 새로운 네트워크 기능 및 서비스들의 등장 및 통신 패러다임의 변화 등 다양한 환경변화가 발생될 것이라 예상된다. 이에 따라, 기존 H/W에서 S/W기능만을 분리하 여 신속, 유연 및 비용효율적인 네트워크 기능의 설치, 업데이트, 철거, 재설치를 가능하게 해주 5G 네트워트에서는 1 Flat네트워 크 구조, 2 S/W의 가상화 (Virtualization) 및 모듈화 (Modularization), 3 개방형 (Open) 네트워크로의 진 화로의 혁신이 기대되고 있다.
그림 12. 5G 네트워크 구조 진화 방향 는 네트워크 기능(Network Function)의 가상화 [7][10]가 진행 될 것이며, 가상화 된 S/W 내 세 부기능들을 모듈화 (Modularization)하여, 하나의 S/W내에서조차 필요한 세부기능만을 선택하 여 사용할 수 있게 될 것이다. 네트워크 기능의 가상화 및 모듈화는 전반적인 S/W 및 세부기능 들을 동적인 수요에 따라 시간, 장소, 그리고 상황에 맞게 비용 효율적이고 유연하게 사용하는 것을 가능하게 할 것이다. 3 개방형 (Open) 네트워크로의 진화: 교통 인프라의 장비 및 서비스는 대체적으로 교통 인프 라 관리자에 의해 제안, 설치 및 운영된다. 유사하게, 네트워크 기능 및 서비스들 또한 네트워크 운영자에 의해 제안, 설치 및 운영되어 왔다. 이러한 운영방식은 보다 보수적이고 보안이 강화 된 운영이라는 장점이 있는 반면, 다양한 Industry의 필요성에 의해 빠르게 생겨나는 혁신적인 (Innovative) 서비스들을 네트워크에 도입하고 지원하는 부분에 있어서는 걸림돌이 되었다. 하 지만, 가상화를 통한 네트워크 분리 및 보안기능들이 강화되면서, 제3자 (예. Over-the-top) 서 비스 제공자에 대해 네트워크를 점진적으로 개방함으로 인해, 새롭고 혁신적인 서비스의 도입을 촉진하고 동시에 서비스의 품질을 향상 시킬 수 있게 된다. 53 Ⅲ. 결 론 5G 기술을 통한 미래 혁신적인 서 비스를 제공하여 고객에게 새로운 가치를 제공하는 것이 가능할 것으 로 예상된다. 본고에서는 5G 기술 동향 및 5G로 인한 미래 서비스의 변화를 살펴보고 이를 위한 5G 핵심 기 술과 향후 네트워크 진화방향을 살펴 보았다. 5G 서비스가 도래할 가까운 미래에는 이전과 다 른 초고속, 대용량, 초연결, 초실시간의 서비스가 제공 가능 하여 모든 디바이스가 5G네트워크 를 통해 연결되어 고객에게 이전과는 다른 새로운 가치를 제공할 수 있을 것으로 생각된다. 이를 기반으로 다양한 서비스의 발굴과 창의적 Ideation을 통해 새로운 세대로 전환할 수 있는 계기가 마련될 것으로 기대된다. SERIES 1
참 고 문 헌 54 [1] McKinsey, The Internet of Things: Sizing up the opportunity, 2014. [2] SK Telecom, 5G White Paper, 2014. [3] NGMN, 5G White Paper, Feb, 2015. [4] Telecommunication Review, 빅데이터 분석 기반의 SON을 이용한 네트워크 운용 고도화, 2014. [5] 5G Forum, 5G White Paper : 5G Vision, Requirements, and Enabling Technologies, 2015. [6] M. R. Sama, K. Guillouard, L. Suciu, G. Simon, X. Lagrange, J-M Bonnin, New Control Plane in 3GPP LTE/EPC Architecture for On-Demand Connectivity Service, CloudNet, p205-p209, 2013. [7] European Telecommunications Standards Institute, Network Functions Virtualization, Retrieved July 31, 2015, from http://www.etsi.org/technologies-clusters/ technologies/nfv. [8] Uwe Doetsch et. al., Mobile and Wireless Communications Enablers for the Twenty-Twenty Information Society (METIS) Final Report on Architecture, Retrieved Jan. 31, 2015, from https://www.metis2020.com/wp-content/uploads/deliverables/ METIS_D6.4_v2.pdf. [9] Open5GCore, Open5GCore The Next Mobile Core Network Testbed Platform, Retrieved July 31, 2015, from http://www.open5gcore.net/index.html. [10] OPNFV, Open Platform for Network Functions Virtualization (OPNFV), Retrieved July 31, 2015, from https://www.opnfv.org/. [11] International Telecommunications Union, Working Party 5D (WP 5D) IMT Systems, Retrieved July 31, 2015, from http://www.itu.int/en/itu-r/study-groups/ rsg5/rwp5d/pages/default.aspx.