2013-03-08 모바일 네트워크 기술 동향 모바일 네트워크의 개념과 기본적인 배경 지식에 대해 소개하고, 최근 업계 동향을 살펴봄 목차 1. 모바일 네트워크 개요...2 2. 3G 네트워크 기술 소개...4 3. LTE-A 최신 동향...7 최완, wanne@etri.re.kr ETRI 차세대콘텐츠연구소 콘텐츠서비스연구실 ETRI 차세대콘텐츠연구소 콘텐츠서비스연구실 1
1. 모바일 네트워크 개요 1.1 모바일 네트워크 모바일 네트워크란 사용자가 아무런 제약을 받지 않고 스마트기기를 이용하여 다양한 형태의 정보에 자유롭게 접근 할 수 있도록 하며, 궁극적으로 음성과 데이터의 통합을 통해 원하는 상대방과 커뮤니케이션 할 수 있는 고객 지향적 종합 네트워크를 말한다. 스마트기기가 일상화 됨에 따라 서비스 수요는 멀티미디어 서비스를 필요로 하게 되었 다. 즉, 음성전화를 비롯해 게임, 스트리밍 등 가능한 멀티미디어 서비스가 하나의 단말 기를 통해 제공함과 동시에 망과 망 사이의 로밍은 물론 바다, 육지, 공중을 망라한 전세 계 어디서나 통화할 수 있는 국제 로밍이 서비스가 가능한 보다 고객 지향적인 종합 네 트워크를 모바일 네트워크라 한다. 1.2 모바일 네트워크 종류 CDMA (Code Division Multiple Access : 코드 분할 다중 접속) 데이터의 디지털화 후 가용한 전체 대역폭에 걸쳐 확산시키는 방식으로 여러 통화가 하나의 채널에 겹쳐지며, 각 통화는 차례를 위한 고유코드가 부여된다. 퀄컴사에서 북미의 휴대전화의 표준 방식으로 대역폭 1.25 MHz의 CDMA 방식 을 제안하였는데, 이것은 1993년 7월 미국 전자 공업 협회(TIA)의 자율 표준 IS-95로 제정되었다. CDMA2000 2.5G와 3G의 혼합형 기술로, 더 작은 수의 cell 사이트에서 더 많은 수의 무선 단말을 사용할 수 있다. GSM(Global System for Mobile Communications) 전세계에서 가장 널리 사용되었던 개인 휴대 통신 기술이며, 휴대전화의 교체 없이 로밍을 제공하여 많은 이동통신 제조업체들이 수출용으로 단말기를 개발 하였다. ETRI 차세대콘텐츠연구소 콘텐츠서비스연구실 2
WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access : 광대역 부호 분할 다중 접속) 3G 도입 시기에 서비스가 시작되었던 SHOW, T Live를 이용하는 초기 영상통화 제품들이 가장 많이 사용했던 기술 표준으로 기본적으로 CDMA 방식을 채택 하였다. UMTS(Universal Mobile Telecommunication System) WCDMA를 기술표준으로 하여 이론상 1920Kbps(240KB/s) 속도로 전송이 가능 HSPA(High Speed Packet Access)(HSDPA + HSUPA) WCDMA 표준을 따르고, 3.5세대 통신 규약으로 분류되며, 다운로드는 이론상 최대 14.4Mbps(1.8MB/s), 업로드는 5.8Mbps(0.725MB/s)의 속도로 전송 가능 HSPA+(Evolved HSPA) 3G 네트워크의 마지막 통신규약으로, 통신속도가 다양함. 현재 HSPA+를 지원하는 기기를 보면 14.4Mbps, 21Mbps의 속도까지 지원 WiBro(Wireless Broadband, Mobile WiMAX) 삼성전자와 ETRI가 개발한 무선 광대역 인터넷 기술로, 국내에서는 국제 표준 IEEE 802.16e에 대한 이름이고, 북미에서는 Mobile WiMAX라 불린다. 그림1 시간의 흐름에 따른 모바일 네트워크 변화 ETRI 차세대콘텐츠연구소 콘텐츠서비스연구실 3
2. 3G 네트워크 기술 소개 2.1 3G 네트워크 개요 3G 네트워크란 3GPP(3rd Generation Partnership Project)라는 표준화 기구에서 제정한 UMTS(Universal Mobile Telecommunication System) 표준안을 따르는 네트워크를 의미한 다. 여기서 G는 세대(generation)를 지칭하고, 숫자는 모바일 네트워크의 발전 단계를 나 타낸다. 모바일 네트워크는 1G 2G 2.5G 3G 4G 단계로 발전해 왔다. 그리고 현재 보급하고 있는 LTE는 3.9G에 해당한다(4G에 해당하는 LTE는 LTE-Advanced라고 하 며 현재 상용화를 앞두고 있다). 전반적인 모바일 네트워크 발전 과정은 음성 중심에서 데이터 중심으로, 저대역폭에서 고대역폭의 데이터 네트워크로 발전하고 있다고 할 수 있다. 한 세대에는 하나의 표준안만 있는 것은 아닌 2G에는 GSM(Global System for Mobile Communications), CDMA(코드분할 다중접속, Code Division Multiple Access), TDMA(시분 할 다중접속, Time Division Multiple Access) 방식 등이 있고, 3G에는 비동기식인 W- CDMA(광대역 부호분할 다중접속, Wideband Code Division Multiple Access), 동기식인 IMT-2000(International Mobile Telecommunication-2000)이, 4G에는 WiBro(Wireless Broadband), LTE-Advanced 방식이 있다. 2.2 3G 네트워크 시스템 구조 그림2. 대표적인 3G망인 UMTS/GSM 구조 ETRI 차세대콘텐츠연구소 콘텐츠서비스연구실 4
그림 2 에 표시된 주요 시스템에 대한 설명은 다음과 같다. GSM RAN(Radio Access Network), GSM Core : 2G 음성 통화를 처리하는 네트워크 UTRAN(UMTS Terrestrial Radio Access Network) : 단말기와 기지국이 무선 전파 신 호를 통해 교신하는 무선망 구간 GPRS(General Packet Radio Service) Core : 흔히 '코어 망'이라고 부른다. KT와 SKT 가 소유한 유선 네트워크 구간 node B : 흔히 말하는 '기지국 안테나'를 의미 Radio network controller(줄여서 'RNC'라고도 함) : 안테나를 원격 조정하는 서버, ' 기지국'의 두뇌에 해당 GGSN(Gateway GPRS Support Node) : 각 통신망 사업자의 사설 네트워크와 망을 중계하는 (IPv4) 공용 인터넷 관문 처리 장치 2.3 3G 네트워크 문제점 및 고려사항 단말기(스마트폰 또는 3G 피처폰)에 할당되는 IP 주소는 GGSN 내의 해당 통신사 네트 워크에서만 유효한 사설 IP다. 그리고 공유기 역할을 하는 GGSN에는 단말기에 부여된 사설 IP와 공용 네트워크에서 사용할 공인 IP를 매칭하는 주소 변환 테이블이 있고, 여기 서 사설 IP는 GGSN에서 공인 IP로 변환된다. GGSN을 단순화하여 3G 네트워크 사용자가 공유하는 PPP 서버+NAT 공유기라고 할 수 있다. 이런 이유로 공인 IP(GGSN IP) 하나에 수많은 단말기의 사설 IP가 1:N으로 매핑된다. 이런 환경에서 생기는 여러 문제점 중의 하나는 바로 단말기가 서버에 접속하기 전에 는 서버가 단말기로 접근할 수 없다는 점이다. 단말기에서 비록 서버 소켓을 열고 접속 이 들어오기를 기다리더라도 외부에서는 단말기의 리스닝 포트(listening port)에 SYN 패 킷을 보낼 수 없다. 대신 단말기가 먼저 외부 소켓에 접속한 다음에야 외부에서 단말기 로 원하는 데이터를 보낼 수 있다. 이런 이유로 푸시 시스템의 경우 단말기에서 서버에 대한 TCP 세션을 만들어 두고, 이 세션을 사용하여 푸시 데이터가 전송되도록 하고 있다. 그런데 이 방식에는 단말기와 서버 간의 세션이 끊기면 서버에서 단말기로 메시지를 보 ETRI 차세대콘텐츠연구소 콘텐츠서비스연구실 5
낼 방법이 없다는 문제가 있다. 그렇기 때문에 단말기에서는 어떻게 해서든 서버와의 연 결을 유지해야 한다. 유선 네트워크와 달리 모바일 네트워크상에서는 단말기에서 소켓 API를 호출하는 방법 으로 정상적인 연결 여부를 확인할 수 없다. 정상적인 연결 상태라는 결과가 나와도 실 제로 통신이 불가능한 상태에 있을 수 있기 때문이다. 3G 네트워크에서는 단말기 이동으 로 인해 네트워크 연결 정보가 변경되더라도, 단말기에 부여된 IP 주소나 열려 있는 TCP/UDP 소켓을 초기화하지 않고 계속 유지하려 한다. 덕분에 애플리케이션 개발자는 IP 이동성을 전혀 고려하지 않고 유선 네트워크와 동일한 방식으로 애플리케이션을 개발 할 수 있다. 하지만 단말기의 이동이나 무선 전파 자원 사정에 따라 PPP/GTP-U(GPRS Core Network-U) 터널이나 AAL 가상 서킷의 상태가 시시각각 변경되고, 이로 인해 발생 한 문제가 PPP 레이어까지 전달되지 않는 경우가 많다. 네트워크 연결은 운영체제가 관 장하고 있기 때문에 연결을 맺은 후에 PPP에서 오류를 전달하지 않는다면 운영체제와 애플리케이션은 정상적인 소켓 연결 상태라고 판단할 수 밖에 없다. 이런 상태에서는 당연히 데이터를 전송할 수 없게 되니 단말기 운영체제는 ACK를 받 지 못하고 TCP/IP 규약에 따라 지속적으로 재전송을 시도한다. 이렇게 재전송을 시도하 는 중에 하위 계층 터널이 복구되면 그제야 패킷이 애플리케이션 서버까지 전달되는 것 이다. 심한 경우, 단말기 애플리케이션에서 전송한 패킷이 30초가 지나서야 서버에 도달 하기도 한다. 일정 시간 이상 PPP 터널을 복구하지 못하여 PPP 연결이 초기화되거나, 재 전송에 실패하여 TCP 연결을 초기화할 시점이 되면 단말기 운영체제에서 애플리케이션 으로 소켓 오류를 전달한다. 단말기 화면에서 볼 수 있는 안테나 아이콘은 기지국과의 무선 채널 연결 상태를 나타 낸다. 기지국과의 무선 채널 연결 상태와 모바일 네트워크 스택 이상 발생 유무는 별개 의 문제이기 때문에, 사용자는 '안테나 신호 강도는 충분한데 왜 연결이 안 되는 거야?' 라고 생각할 수 있다. 따라서 3G 네트워크에서 애플리케이션을 설계할 때 소켓 API를 통 한 확인이나 native API를 이용한 신호 강도 확인 결과와는 무관하게 언제든지 수십 초 이상 서버 불통이 발생할 수 있다는 점을 고려해야 한다. ETRI 차세대콘텐츠연구소 콘텐츠서비스연구실 6
그림3. HTTP Get 시퀀스 3. LTE-A 최신 동향 3.1 LTE란? 3GPP 롱 텀 에볼루션(LTE : 3GPP Long Term Evolution)은 HSDPA 보다 한층 진화된 휴 대전화 고속 무선 데이터 패킷통신규격이다. HSDPA의 진화된 규격인 HSPA+와 함께 3.9 세대 무선통신규격으로 불린다. 3세대 비동기식 이동통신기술 표준화 기구 3GPP(3rd Generation Partnership Project)가 2008년 12월 확정한 무선 고속 데이터 패킷 접속규격인 Release 8을 기반으로 하고 있 으며, HSDPA보다 12배 이상 빠른 속도로 통신할 수 있다. 다운로드 속도는 최대 173Mbps이다.(2x2 MIMO 기준) LTE는 휴대전화 네트워크의 용량과 속도를 증가시키기 위해 고안된 4세대 무선 기술 (4G)을 향한 한 단계이다. 현재 이동통신의 세대가 전체적으로 3G(3세대)라고 알려진 곳 에서, LTE는 4G로 마케팅된다. 표준화 기구가 설정한 규격과 비교하여 LTE는 IMT 어드밴 스 4G 요구사항을 완벽하게 만족시키지 못하기 때문에 3.9G이다. 미국의 버라이즌 와이 ETRI 차세대콘텐츠연구소 콘텐츠서비스연구실 7
어리스와 AT&T 모빌리티 그리고 몇몇 세계적 통신사는 2009년 시작되는 네트워크의 LTE 변경 계획을 발표했다. 특히 대한민국의 경우 2012년 3월부로 세계최초 완전한 전국망 LTE로 LG유플러스 만 이 전국 모든지역을 커버리지로 서비스중이며, 2012년 7월부로는 대한민국의 SK텔레콤이 완전한 전국망으로 LTE서비스중이다. KT의 경우 84개 도시의 커버리지로 서비스중이며 전국 모든 지역의 커버리지를 구축중이다. 그림3. LTE 사용 수 및 증가 추이 3.2 LTE-A란? ETRI 차세대콘텐츠연구소 콘텐츠서비스연구실 8
LTE-A는 기본적으로 LTE의 다음 단계이다. 특히 LTE-A의 기준은 ITU에서 4G로 인정받 을 수 있는 LTE라고 볼 수 있다. 이를 위하여 LTE-A는 기존 무선표준에 포함되지 않는 많은 고급 기술 및 기능이 포함되어 있다. LTE-A의 주요 목표는 현재 LTE 사용자 장비를 해당 가입자와 이전 버전과의 호환성을 유지하면서 약 2배 빠른 150Mbps의 데이터 전송 속도를 보이는 LTE-A 기능을 제공하는 것이다. 3.3 LTE-A 최신 동향 SK-Telecom 과 에릭슨 제휴 SK 텔레콤이 올 하반기 상용화 예정인 LTE 어드밴스드(LTE-A) 서비스를 위한 공동 협력 성공적인 LTE-A 서비스를 위한 공동 협력을 MWC2013 에서 체결 올 하반기 국내 상용화 예정인 LTE-A 서비스의 차별화를 위하여 기술 공동 개발과 전세계적으로 확장 추세에 있는 스몰 셀(소형 기지국) 관련 기술 협력 강화 SK-Telecom 은 빠르면 올해 하반기에 수퍼 셀 1.0 을 LTE-A 네트워크에 적용할 계획 브로드컴 스페인 바르셀로나에서 개최된 MWC2013에서 자사의 새로운 4G LTE-A (LTE- Advanced) 모뎀인 BCM21892의 CA (Carrier Aggregation, 주파수 결합) 기능 전시 CA 기능은 20 MHz 대역에서 최대 150 Mbp 까지의 피크 데이터 속도(peak-date rates)를 제공하여 통신 사업자들이 다른 스펙트럼 밴드에 결합할 수 있도록 한다. CA 기술 데모에서 2개의 서로 다른 채널을 한 채널로 결합하여 본래 최대 속도인 75Mbps 를 150Mbps 까지 2배로 증가시키는 기능을 선보 ETRI 차세대콘텐츠연구소 콘텐츠서비스연구실 9