방송통신기술 이슈&전망 2013년 제 27호 LTE-Advanced 의 핵심 Carrier Aggregation 기술 Korea Communications Agency 2013.12.27
방송통신기술 이슈&전망 2013년 제 27 호 개요 본고에서는 국내 LTE 및 LTE-Advanced (LTE-A) 이동통신 기술 동향과 구체 적인 기술내용을 확인함으로서 향후 이동통신 서비스의 발전방향을 조망해 보고자 한다. 구체적으로는 3.9세대(3.9G)로 일컫는 LTE에 적용된 기술과 4G 이동통신인 LTE-A에서 새로이 적용되는 기술에 대해 알아보고, 특히 LTE-A의 핵심 기술 중 하나인 Carrier Aggregation(CA, 반송파집성) 기술에 대해서는 더 자세히 살펴봄으 로서 4G 및 5G 이동통신 시장에 대해 간략히 전망해 보기로 한다. 1. 국내 LTE 및 LTE-A 이동통신 시장 동향 세대(3G), 4세대(4G) 로 불리는 현재의 이동통신 기술은 UN 산하 국제기구인 ITU-R(International Telecommunication Union, 국제전기통신연합 전파통신국) 에 서 정의하고 있으며 이동통신망의 전송 속도 기준에 따라 1G ~ 4G로 구분하고 있다. 3 표 이동통신 기술별 특성 1] 구 분 HSPA+ LTE LTE-A Max. Downlink Speed 28 Mbps1) 100 Mbps 1 Gbps Max. Uplink Speed 11 Mbps 50 Mbps 500 Mbps Latency Round trip time Max. 50 ms Max. 10 ms less than 5 ms 3GPP Release Release 7 Release 8 Release 10 Access Methodology CDMA OFDMA2)/SC-FDMA OFDMA/SC-FDMA ITU Requirement 3G (3.5G) 3G (3.9G) 4G 출처: www.radio-electronics.com 각 이동통신 기술별 특성을 정리하면 위 표1]과 같으며, ITU-R 에서 2008년 정 의한 4G 표준기술인 IMT-Advanced 와 LTE-Advanced 기술간 비교는 아래 표 2]와 같다. 초당 보낼 수 있는 최대 비트수 주파수대역을 여러개로 나누어 각 대역마다 적절한 Data bits 수 를 할당하는 접속 방식으로 반송파간 독립적인 주파수 직교성을 이용하여 신호간 간섭을 배제하는 방법 1) bps : 1 2) OFDMA (Orthogonal Freqency Division Multiple Access) : 2
LTE-A 핵심기술인 CA 기술동향 및 전망 표 2] IMT-Advanced 및 LTE-Advanced 비교 IMT-Advanced Requirement LTE-Advanced Specification 최대 데이터 전송속도 이동시 : 100Mbps 정지시 : 1Gbps Downlink : 1Gbps Uplink : 500 Mbps 최대 전송 효율 Downlink : 15 bps/hz Uplink : 6.75 bps/hz Downlink : 30 bps/hz Uplink : 15 bps/hz 채널 대역폭 40 MHz (Scalable) Max. 100 MHz 출처: ITU-R / 3GPP, 2013 기존 3G에서 진화된 기술인 LTE 및 LTE-A 서비스는 3G보다 전송 속도가 10배 이상 빠른 속도를 바탕으로 기존 이동통신 서비스로는 불가능하였던 다양한 Application을 가입자들이 활용할 수 있게 해주고 있고, 고화질 동영상, 3D 입체 영 상, 동영상 공유, 고해상 지도 서비스 등을 이동중에도 끊김 없이 (Mobility, Continuity) 빠르게 제공할 수 있게 되었다. LTE 및 LTE-A 서비스가 기존 3G와 차별화된 대표적인 서비스로는 VoLTE(Voice over LTE) 와 RCS(Rich Communication Suite)라 할 수 있다. VoLTE 는 기존의 음성을 데이터화하여 LTE망을 통해 제공하는 서비스로 3G 대비 우수한 통화 품질과 영상통화 전환, 통화 중 사진/영상 등 데이터 송수신이 가능한 서비스이며, RCS 는 IMS (IP Multimedia Subsystem) 시스템 기반에서 음성, 문자, 영상, 멀티미디어, HTTP 기반의 파일전송 등 다수의 이종 서비스를 동시 지원하는 복합적인 통신서비스로 Enhanced Call, Enhanced Phonebook, Enriched Phonebook 이 RCS의 주요 기능 이다. 이러한 차별화된 서비스로 인해 국내 이동통신 시장은 2011년말 3.9세대로 일컫는 LTE 이동통신 상용화 서비스가 시작된 지 2년 만인 2013년 8월 LTE 가입자 수는 2500만 명에 육박하고 있으며, LTE 서비스 가입자 비율은 45%를 넘어서고 있다. 1] 한편, 3.9G LTE가 기존 3G보다 진화된 빠른 기술임에도 불구하고 스마트폰, 태블 릿 등 모바일 단말의 폭발적인 급증에 따른 데이터 트래픽을 수용하기 어려워 이를 보완하기 위한 4G LTE-A 기술의 도입이 필요하게 되었으며 망사업자 간 치열한 시장 선점 경쟁속에 LTE-A 기술의 상용화 서비스가 2013년 6월말 시작되었다. 향후에는 현재보다 스마트폰, 태블릿, 스마트TV, M2M, D2D 등 모바일 기기의 전방위적인 확산이 예상되며 통신 분야 전문지 Cisco Visual Networking Index(2012) 에 따르면 2020년까지 데이터 트래픽이 2010년 대비 1000배 증가될 3) 3) 대표적으로 이동통신사간 연합하여 개발한 Joyn 서비스가 있음 3
방송통신기술 이슈&전망 2013년 제 27 호 것으로 예측되고 있어, 3세대 및 4세대를 넘어선 신기술을 적용한 4G) 및 5세대 이동통신의 필요성이 대두될 것으로 판단된다. B4G(Beyond 2. LTE 및 LTE-A 기술 변화 및 현황 는 기존 3G 이동통신의 Long Term Evolution (장기적인 진화) 라는 의미 로 정의된 명칭이다. LTE는 4G에 가까운 기술이라는 의미로 3.9G 이동통신 기술로 불리운다. LTE의 표준은 3GPP 단체에서 Release 8부터 규격화를 진행하였으며 Release 9에서는 Release 8 Feature의 개선 및 서비스 관련된 기술을 추가하였으나 ITU-R의 IMT-Advanced 기준을 만족시키지 못하였고, 이에 Release 10 에 아래 와 같은 주요 기술을 적용하면서 ITU-R 의 IMT-Advanced 기준을 만족하는 4G 통신기술로 인정받게 되었다. 현재는 LTA-A Release 11의 규격화가 진행되고 있 으며 LTE 및 LTE-A 기술의 3GPP Release별 주요 기능은 표3]과 같이 분류할 수 있다. 2] LTE 4) 표 3] LTE 및 LTE-A의 Release 별 주요 기능 Release Main Features Release 8 VoLTE, HeNB (Home enb) Release 9 PWS (Public Warning System), MBMS (Multimedia Broadcast Multicast Service) Release 10 CA (Carrier Aggregation), Relay, MTC (Machine Type Communication), 8*4 MIMO (Multiple Input Multiple Output), eicic (enhanced Inter Cell Interference Coordinatino) 에서는 LTE 및 LTE 네트워크의 기본 구조를 규격화하였으며, Release 9 에서는 네트워크 시스템의 개선, 진화된 LTE 서비스, 이기종 네트워크 (Heterogeneous network) 간 연동을 주로 규격화하였다. 본 2장에서는 Release 8 에서 정의된 VoLTE 및 HeNB 의 기술을 간략히 소개하도록 하며, Release 10 에 서 정의된 LTE-A의 기술은 3장 이후에서 기술하도록 한다. 3GPP Release 8 4) 3GPP (3GPP (3rd Generation Partnership Project) : IMT-2000의 표준화로 비동기 방식이 결정되도록 결성된 표준화 단 체. 이동통신 관련 단체들 간의 공동 연구 프로젝트를 통해 3세대 이동통신 시스템의 규격화를 진행하고, 특정 기술 및 기능 에 대해서는 Release 라는 단위 개념으로 규격화를 진행함 4
LTE-A 핵심기술인 CA 기술동향 및 전망 (1) VoLTE 위 기술 중 통화 품질을 결정하는 중요한 기술인 VoLTE는 앞서 설명한대로 LTE 망의 QoS(Quality of Services)를 활용하여 기존의 음성을 데이터화하여 IP(Internet Protocol) 기반으로 전송하는 기술이기에 통화 품질이 우수하고 통화 연결 시간이 빠르며, 통화 중 영상통화 전환, 통화 중 영상 사진 등 새로운 융합서 비스와의 멀티태스킹을 제공할 수 있다. 현재는 CSFB(Circuit Serviced Fall-Back) 방식으로 음성 통화간에는 기존의 2G 및 3G 망으로 이동하는 방식 을 망사업자에서 여전히 많이 사용하고 있으나 점차 VoLTE 기능으로 지원하리라 예상되고 있다. 5) 그림1] 기존 음성통화와 VoLTE 통화의 차이점 출처: VoLTE 시대 눈앞..., 한국정보통신진흥협회 E-book, 2012 (2) HeNB 위 기술 중 HeNB(Home envolved NodeB)는 LTE Advanced 펨토셀 (femto-cell) 기지국을 의미하며 통신사업자가 이용할 수 있는 한정된 주파수 자 원을 효율적으로 활용하여 사무실이나 집안 등 좁은 지역에서의 서비스 범위를 확 대할 수 있는 기술이다. 기존의 Macro-cell 이 넓은 지역을 지원하는 반면, Femto-cell 개념의 HeNB 는 좁은 지역 (기업내 소규모 공간, 사무실 및 가정 등 일반적으로 수십 미터 정도의 반경) 을 지원하는 초소형 기지국으로 기업내 이동 통신 가업자, 소규모의 그룹원 또는 가정내 거주자 등 좁은 영역에서 활동하는 가 입자들을 위한 서비스이다. 5) CSFB (Circuit Switched Fall-Back) : LTE 단말이 LTE 망과 기존 3G 망을 동시에 이용할 수 없으며, 이에 LTE 서비스 중에 음성 통화 서비스가 필요한 경우에는 기존의 3G 나 2G 의 Circuit Switched Domain 으로 후퇴(Fall-back) 하여 음성 서비스를 지원하는 방식 5
방송통신기술 이슈&전망 2013년 제 27 호 그림2] LTE/SAE 에서의 HeNB Architecture 출처: www.hitachi.com 기술은 데이터 사용량이 늘어나면서 생기는 한정된 주파수 고갈의 문제를 cell을 지역마다 촘촘히 배치하여 서비스 범위를 높여 해결하는, 한정된 주파수를 최대한 효율적으로 사용할 수 있는 솔루션이라 할 수 있다. 다만, HeNB 가 최적 화되었을 때는 Cell 경계 지역에서 사업자의 서비스지역을 늘리고 기존 Macro-cell 의 데이터 트래픽을 줄여줄 수도 있지만, 최적화되지 않는 위치에 배 치되었을 경우 기존 Cell 간의 스펙트럼 간섭 문제를 유발할 수 있는 문제점이 있 어 여기에 대해서는 추가적인 연구가 진행 중이다. HeNB 3. Carrier Aggregation (CA) 기술 위에서 언급한 LTE-A Release 10 에서 빠른 전송속도를 지원하기 위해 적용된 주요 기술로는 위쪽 표3] 의 CA(Carrier Aggregation), Relay, 8*4 MIMO (Multiple Input Multiple Output), eicic (enhanced Inter Cell Interference 등이 있는데, 본 장에서는 위 주요 기술 중 현재 가장 주목받는 대표 적인 기술인 CA에 대해 다루고, CA 이외 LTE-A에 도입되는 주요 기술에 대해서 는 아래 4장에서 살펴보기로 한다. Coordination) 6
LTE-A 핵심기술인 CA 기술동향 및 전망 반송파 집성) 기술 개요 IMT-Advanced 기술 요건인 데이터 전송 속도를 충족시키기 위한 방법 중의 하 나로 넓은 대역폭을 이용하여 송수신하는 방법이 있으며 이에 3GPP에서는 LTE-A 의 최대 대역폭을 100 MHz로 설정하였다. 하지만 한정된 무선주파수 자원에서 100 MHz 의 주파수 대역폭을 할당하기 어렵기 때문에 CA (반송파 집성) 기술이 도입 되었다. CA 기술은 서로 다른 주파수 대역을 동시에 묶어서 광대역의 효과를 창출 하는 통신 기술 이며 단일 광대역을 이용하는 기술보다 기술적으로 어렵고 제품비용 이 증가되는 단점이 있다. (1) CA(Carrier Aggregation, 그림3] LTE (MC) 단말과 LTE-A (CA) 단말의 송수신 구성 출처 : www.netmanias.com, 2013 그림3] 과 같이 Multi-Carrier(MC) 를 지원하는 LTE 단말과 CA를 지원하는 LTE-A 단말을 비교할 경우 LTE 단말은 Multi-Carrier를 지원할지라도 단일 주파 수 대역에서 최대 75 Mbps 까지 통신 가능하며, LTE-A 단말은 CA 기술을 이용하 여 두 개의 주파수 대역을 묶어 이용함으로써 최대 150 Mbps 까지 통신할 수 있음 을 알 수 있다. 4] 현재 3GPP TS36.101에는 총 38개의 주파수 대역과 다양한 CA Combination이 정의되어 있다.3] 망사업자별로 할당받아 사용하는 주파수 대역이 상이하여 모든 CA 조합을 소개할 수 없기에 CA Combination 의 기본적인 3가지 개 념 (그림5] 참조) 중심으로 설명하도록 하며 또, 수신단 입장에서 해당 전송 속도 를 지원할 수 있는지를 분류한 UE Category 정의도 추가로 소개하기로 한다. 6) (2) CA Combination 아래 그림4]과 같이 CA에서는 단말당 하나의 Primary Cell(RRC Connection 관 6) MC (Multi-Carrier) : 두 개의 주파수를 활용하는 서비스로 예로 주파수1의 대력에 Data 가 집중될 경우 주파수2의 대역으 로 분산시키는 기술 7
방송통신기술 이슈&전망 2013년 제 27 호 리, 관리, Mobility 관리, Security 관리 목적)과 최대 4개까지의 Secondary Cells(주파수 자원 추가 제공) 의 구성이 가능하며, 20 MHz 대역폭을 갖는 각각의 주파수 5개까지 동시에 묶을 경우 최대 100 MHz를 사용 가능한 구 조로, 3GPP 에서는 Release 별로 다양한 CA Combination(CC)을 정의하고 있다. Bearer 그림4] 최대의 CA 조합 (5개) 그림5], 그림6]와 같이 CA Combination 종류에는 Intra-band(동일 주파수대 역) CA 조합과 Inter-band(서로 다른 주파수대역) CA 조합으로 분류되며, Intra-band CA 조합은 Carrier 간 연속성에 따라 Contiguous CA와 Non-contiguous CA로 추가로 분류할 수 있다. 그림5] Contiguous and Non-contiguous CA 출처: Texas Instruments s articles, 2013 8
LTE-A 핵심기술인 CA 기술동향 및 전망 그림6] Contiguous and Non-contiguous CA 출처: www.electronicproducts.com 에서는 아래와 같이 Intra-band CA CA 별로 다양한 CA Combination 이 정의되어 사용되고 있다. 3] GPP TS36.101 Release 11 / Inter-band 출처 : 3GPP TS36.101, 2013 (3) UE Category 란 결국 단말에서 지원하는 최대 전송 속도를 표현하는 값으로, 150 Mbps 의 최대 통신 전송률을 얻기 위해서는 단말에서도 150 Mbps를 수신 가능하여야 하며 기지국에서 접속된 단말의 최대 전송률을 알아야 그에 해당되는 서비스를 제공할 수 있기에 단말의 Radio Access Capability(RAC)를 분류하여 정의하고 있다. 3GPP TS36.306 Release 11 에서는 UE Category 8 까지 정의 (Downlink parameter 별, UE Category 9
방송통신기술 이슈&전망 2013년 제 27 호 별로 구분지어짐) 되어 있으며, 단말 Category 별 Downlink 및 Uplink 의 최대 통신 전송률은 그림7] 과 같다. Uplink parameter 별, Layer 2 buffer size 그림7] UE Category 별 최대 전송률 출처: Agilent Technologies, Further Along the Road to 4G, 2012 예로, UE Category 3 단말에서는 최대 100 Mbps 의 하향 통신 전송 속도까지만 가능한데 반해 UE Cateogy 4 단말에서는 최대 150 Mbps 까지의 하향 전송 속도 까지 지원할 수 있다. 현재까지는 대부분 LTA 단말이 UE Category 3을 지원하였 다면, 앞으로는 UE Category 4 단말이 주류가 될 것으로 예상되고 있다. 4] 4. CA기술 외 LTE-A 의 주요 세부 기술 의 주요 기술 중 CA 기술에 대해서는 3장에서 다루었으며 본 장에서는 CA 이외 LTE-A의 주요 기술인 Relay 기술, Enhanced MIMO기술, eicic 기술에 대해 알아보기로 한다. LTE-A Release 10 표 4] LTE-A 의 주요 목표 사양 Aims of main specifications Peak data rates Downlink : 1 Gbps Uplink : 500 Mbps Spectrum efficiency LTE 의 3배 효율 Peak spectrum efficiency Downlink : 30 bps/hz Uplink : 15 bps/hz Cell edge user throughput LTE 의 2배 성능 Average user throughput LTE 의 3배 성능 Mobility LTE 와 동일 성능 Compatibility LTE 및 기존 3GPP 시스템과의 호환성 유지 출처: www.radio-electronics.com 10
LTE-A 핵심기술인 CA 기술동향 및 전망 (1) Relay 기술은 송수신자 사이에 하나 이상의 Relay node를 두고 Relay가 통신을 돕는 협력 통신 기술이다. 이 기술을 이용하여 신호 감쇄에 따른 신호 도달 거리를 늘려 Cell 범위를 확장시켜 추가적인 Diversity 이득을 얻을 수 있어 채널 용량을 증가시킬 수 있고 Cell 경계 지역에서의 전송률을 향상시킬수 있다는 장점으로 인해 LTE-A 의 주요한 분야로서 연구되어왔다. Relay 기술은 아래 그림8]과 같은 Cell 경계지역에서 Cell 범위를 확장시켜주는 효과의 Type I, Cell 내부에 위치한 단말간 통신을 지원하는 Type II 크게 두 가지 유형의 Relay 기법이 정의되어 있다. Relay 그림8] Type I 과 Type II 릴레이 기법 출처: www.chintan-patel.com, Relay Technologies for WiMAX and LTE-Advanced Mobile System, Chintan Patel s Articles (2) Enhanced MIMO (Multiple Input Multiple Output) 기술은 송수신기 사이에 존재하는 Multiple signal path를 이용하여 수신단 에서는 신호간 간섭을 제거하고, 송신단에서는 한정된 주파수 자원에서 통신 용량을 증대시키는 다중 입출력 안테나 기술(사용된 안테나 수에 비례하여 통신 용량 증가 됨)을 말하며 3G 통신에서부터 논의되어 온 주요한 통신 기술이다. 이 기술은 LTE 통신에서는 4개의 Downlink 까지 지원 가능한 반면 LTE-A 통신에서는 Downlink 로는 최대 8개의 송신층과 최대 8대의 단말을 지원하며 Uplink 로는 최대 4대의 단 말이 지원된다. 또, LTE-A 에서는 동적 스위칭 방식, 이중 Codebook 및 전용 Pilot을 도입하여 그 기능을 더욱 향상시키고 있다. MIMO 11
방송통신기술 이슈&전망 2013년 제 27 호 그림9] MIMO 방식의 Signal processing (3) eicic (enhanced Inter Cell Interference Coordinatino) 넓은 지역을 지원하는 Macro-cell 과 좁은 지역을 지원하는 femto-cell 이 혼재 된 상태에서, 이기종 네트워크(Heterogeneous network) 의 지리적 조건에서 Cell간 주파수 간섭 현상을 조절하기 위한 기술이다. 특히 eicic 기술은 데이터 트래픽이 집중되는 지역에 소형 기지국의 설치가 늘어나면서 이로 인한 기지국간 간섭 현상 이 심해짐에 따라 문제점 해결의 필요성이 대두되고 있다. Cell 간 서로 다른 주파 수를 할당하는 그림10]과 같은 해결법도 있지만 주파수 자원은 한정되어 있기에 좋은 방법이 아니며, Release 10 에서는 eicic 기능을 위해 Cross-carrier 스케쥴 링 방식의 eicic 방식과 Time domain 스케쥴링 방식의 eicic 방식을 도입하였다. (eicic 의 종류: 시간 영역 / 주파수 영역 / 전력 제어 eicic 등) 그림10] Frequency allocation for eicic 출처: www.zte.com.cn, 2012 12
LTE-A 핵심기술인 CA 기술동향 및 전망 5. B4G 및 5G 이동통신의 전망 앞서 설명한 듯이 스마트폰, 태블릿, 스마트TV, M2M, D2D 등 모바일 기기의 확 산으로 통신 분야 전문지 Cisco Visual Networking Index 에 따르면 2020년까지 데이터 트래픽이 2010년 대비 1,000배 증가될 것으로 예측되고 있어, 신기술로 무 장한 B4G(Beyond 4G) 및 5세대 이동통신을 고려한 네트워크의 목표, 기술적 요구 사항, 네트워크 구조 등에 대한 연구가 진행중이다. 현재까지의 통신 발전도상 예측하건데 빅데이터를 수용할 수 있는 통신 속도(어 떤 조건에도 기가급 무선이 가능)와 다양한 인터넷 환경과 이종망간 네트워크 기술 을 수용하는 구조로 발전되리라 예상되며, 다양한 부품과 다양한 M2M/D2D 제품이 Ubiquitous 환경에 접목될 것으로 전망된다. 이를 위해 기술적으로는 다양한 Multiple Access Algorithm, Diversity 기술, Multi-Beam 기술, Small cell(femto-cell, pico-cell) 및 Node 기술, Micro cell, HetNet 기술, 진보된 MIMO 기술, Interference cancelation 기술, Multiple signal path를 활용한 기술, 지금보다 더 넓은 주파수 대역을 확보할 수 있는 혁신적인 기 술들이 선보이고 논의될 것으로 예상된다. 이에 글로벌 ICT 기술을 선도하고 주도 권을 확보하기 위한 정부의 투자와 기업의 전략 마련을 기대해본다. 13
방송통신기술 이슈&전망 2013년 제 27 호 참고문헌] 국내 통신 3사의 접속 기술별 모바일 가입자 증감추이, 1] www.netmanias.com, 년 2013 월 2] 장재득 외, LTE & LTE-Advanced 기술 현황, 정보통신산업진흥원, 2013년 8월. 10. 3] 3GPP Technical Specification 36.101, Evolved Universal Terrestirial Radio Access 년 4월 (E-UTRA); User Equipment (UE) radion transmission and reception, 2013 4] www.netmanias.com, NWC 2013 년 6월. 2013 14 기술 분석2 : LTE-Advanced Carrier Aggregation,
방송통신기술시장 정책콘텐츠 발행호 2013 년제 27 호 발간물명 LTE-A 핵심기술인 CA 기술동향및전망