차세대 무선통신 표준화 기술 동향

차세대 무선통신 기술

차세대 무선통신 기술은 무선 구간에서의 주파수 효율 증가 기술과 통신기기를 넘어 생활기기로서의 기능을 제공하는 이동 단말 기술을 바탕으로 이제까지와는 차원이 다른 모바일 서비스를 이용자들에게 제공하며, 화상회의, 모바일 HDTV, 모바일 IPTV 등 IMS(IP 멀티미디어 서브시스템) 기반의 커뮤니케이션형 융복합서비스 제공이 가능할 것으로 예상된다. 본 고에서는 차세대 무선통신 기술을 면허 주파수 대역에서의 차세대 이동통신 기술과 비 면허 주파수 대역에서의 차세대 근거리 무선전송 기술을 현 시점에서 진행되는 표준화 기술을 중심으로 소개하고자 한다.

글 : 정현규 부장 / 이동통신연구본부 무선통신연구부
한국전자통신연구원 / www.etri.re.kr

차세대 이동통신 기술: LTE-Advanced 및 IEEE802.16m

1980년대 초, AMPS(Advanced Mobile Phone Systems)로 불리는 1세대 아날로그 방식으로 시작된 이동통신 서비스는 디지털 기반의 2세대 단계를 넘어 현재는 고속 데이터 통신까지 가능한 3세대(3G) 기술을 바탕으로 본격적인 서비스를 제공하고 있다. 한편 국제전기통신연합(ITU)은 2011년 2월 최종 4G 이동통신 기술 표준안을 확정할 계획이며, 현재 부각되고 있는 기술표준 후보군으로는 LTE Advanced 및 WiBro Evolution(Mobile WiMAX Evolution) 등이 있다. LTE와 와이브로 기술의 진화는 단순한 이동통신 기술 표준 차원의 이슈가 아니라, 유선 인터넷이 속도의 진화와 함께 콘텐츠와 서비스, 애플리케이션 측면에서 질적 도약을 한 것처럼 모바일 상에서 FTTH 속도를 구현하는 4G 기술은 모바일 콘텐츠, 애플리케이션, 서비스, 단말 등 모든 연관영역에서 질적 변화를 야기할 것이며, 사업자에게는 새로운 사업의 기회를 제공하게 될 것으로 보인다. 현재 4G 이동통신기술의 글로벌 표준을 선점하기 위해 삼성전자 및 인텔이 주도하는 모바일 와이맥스(Mobile WiMAX: 이하 와이브로) 진영과 노키아 및 유럽의 통신 업체가 주도하는 롱텀에볼루션(Long Term Evolution: 이하 LTE) 진영이 경쟁하는 양상을 띠고 있고, 국제전기통신연합(ITU)은 지난 2005년 4G 이동통신 기술을 ‘IMT-Advanced‘로 명명하며, 4G 이동통신은 고속 이동시에 100Mbps 이상, 저속 이동시나 정지 시에 1Gbps 이상의 전송속도가 보장되어야 한다고 규정하였다.
LTE-Advanced는 3GPP 진영에서 추진 중인 LTE를 진화시키는 4세대 이동통신 기술이며, 기존 LTE 기술과의 호환성 유지는 물론 ITU-R의 IMT-Advanced 요구사항을 만족시켜야 한다. LTE는 20MHz 대역에서 다운링크 100Mbps, 업링크 50Mbps의 데이터 전송속도를 지원하는 IP 기반의 셀룰러 기술이고, LTE-Advanced는 최대 100MHz 대역에서 다운링크 1Gbps, 업링크 500Mbps의 데이터 전송속도를 지원하는 글로벌-컨버전스형의 무선통신 기술이다. 한편 IEEE 802.16m 표준은 IEEE 802.16e 규격을 기반으로 허가 대역에서 ITU-R의 IMT-Advanced radio interface 표준으로 인정받기 위한 셀룰러 계층 요구 사항을 만족시키는 동시에 기존의 IEEE 802.16e 표준을 따르는 legacy Wireless MAN-OFDMA 장비도 지원할 수 있도록 표준화가 진행되고 있다. 표 1은 IEEE 802.16m, LTE, LTE-Adv에 대한 기술적 특징을 비교한 내용이다.
또한 현재 대두되고 있는 차세대 이동통신 기술 중의 하나는 통신사가 사용하는 주파수 대역에 핫스팟과 같은 셀 액세스 지점을 만들어 그것을 인터넷을 통해 전송해 옥내 커버리지를 개선하고 비용을 줄일 수 있는 펨토셀 기술이며, 현재 거의 모든 통신사들이 펨토셀 서비스를 지원하려는 계획을 세우고 있다. 펨토셀은 크게 두 가지의 서비스 시나리오를 가지고 있다. 첫째로 음영지역에 설치하여 셀룰러망의 커버리지를 확대하는 경우와, 두 번째로 기존 셀룰러 커버리지 내에 펨토셀을 설치하여 값비싼 마크로 기지국의 무선 자원 대신, 가능하면 펨토셀의 무선자원을 이용하여 서비스를 제공함으로써 더 나은 사용자 서비스를 합리적인 가격에 제공하는 경우이다. 또한 차세대 이동통신을 위한 표준기술로 주파수 광대역화 기술, 무선 전송속도 최대화 기술, 업링크 전송 방식 개선 기술, 액세스 네트워크 운용의 최적화를 위한 기지국 자동구성 기술, 셀 간 간섭제어 및 관리기술 등이 핵심 요소기술로 부각되고 있고, 이들 요소기술은 심리스 핸드오버 기술, 홈셀 기지국 기술, 고급화된 방송미디어 전송 기술 및 새로운 응용 기술과 상호 결합함으로써 향후에는 IP 기반의 서로 다른 액세스 네트워크 간 인터워킹, 유/무선 통신 간의 통합 그리고 통신/방송 미디어의 융합화가 본격 가시화될 것으로 예상된다.

근거리 무선통신 기술 : WLAN 및 WPAN

2007년 3월부터 WFA(WiFi Alliance)에서 시작된 'Wi-Fi CERTIFIED™ 802.11n draft 2.0' 인증을 통해 현재까지 180가지가 넘는 제품이 출시되고 있는 가운데 이러한 시장의 상황을 반영하듯 여러 매체를 통해 IEEE 802.11n이 핫이슈로 등장하였다. 하지만 WFA의 분석에 따르면 초고화질의 영상을 위한 압축되지 않는 비디오, 예를 들어 1920×1080픽셀, 24bits/pixel, 초당 60프레임 정도의 1080p급 비디오를 전송하려면 Gbps 이상의 전송속도를 필요로 한다. 이를 위하여 최근에 Gbps 이상의 차세대 무선랜 서비스를 위한 새로운 국제규격을 정의하려는 움직임이 IEEE 802.11 내에서 활발해지고 있다. 또한 2001년도에 미국의 연방통신위원회(FCC)가 57GHz~64GHz 대역 상의 7GHz 대역폭을 비허가(unlicensed) 대역으로 할당한 이후부터, 본격적으로 60GHz 대역을 통신에 활용하고자 하는 노력이 경주되었다. 특히, 60GHz 대역이 미국을 비롯한 한국(57~64GHz), 캐나다(57~64GHz), 일본(59~66GHz), 그리고 유럽(57~66GHz)까지를 포함하여 전세계적으로 사용 가능해짐에 따라, 시스템 간의 간섭(inter-system interference)없이 최대 9GHz에 달하는 초광대역 채널들을 사용함으로 손쉽게 Multi-Giga bps 전송 속도를 제공할 수 있게 되었다. 한편, 반도체 표준 공정 기술인 CMOS의 미세 공정이 100nm 이하에서도 가능해 짐에 따라, 60GHz 대역 RF 회로를 값싸게 구현할 수 있게 된 점도 밀리미터파(57~66GHz) 대역의 통신 활용을 촉진하는 계기가 되었다.

차세대 무선 LAN 기술: VHT(Very High Throughput)
근거리 무선 환경에서의 다양한 멀티미디어 서비스 요구가 날로 높아짐에 따라 최근에는 최대 600Mbps까지 지원하는 IEEE 802.11n 무선랜이 2008년을 기점으로 시장에 널리 퍼지고 있으며 그 수요가 더욱 늘어날 것으로 예상된다. IEEE 802.11n은 MIMO, LDPC, Aggregation 등의 핵심 기술을 활용하여 기존 IEEE 802.11a에 비해 PHY에서의 최대 성능을 54Mbps에서 600Mbps로 11배 가까이 대폭 끌어 올렸으며, 더불어 동작 범위를 대폭 늘렸고 신호의 품질 또한 향상시켰다. 때문에 최근 이슈가 되고 있는 풀HD급 동영상을 무선으로 재생할 수 있는 기술로 기대되고 있다. 이러한 비약적인 성능 발전에 대한 시장의 기대를 반영하여 WFA는 2007년 3월부터 IEEE 802.11n D2.0에 기반한 'Wi-Fi CERTIFIED™ 802.11n draft 2.0' 인증을 부여하기 시작했고 전세계적으로 많은 지자체와 학교에서 IEEE 802.11n을 이용한 망을 구축하고 있고 이를 반영하고 있다. 그러나 IEEE 802.11n의 성능에도 불구하고 WFA의 분석에 의하면 앞서 언급했듯이 압축되지 않는 비디오를 전송하려면 Gbps 이상의 전송 속도를 필요로 한다. 또한 보행시 1Gbps 무선 전송 기술을 2010년까지 제공해야 한다는 차세대 이동통신의 기술지표에 대해서는 기존의 IEEE 802.11n 성능이 이에 못 미치는 것이 사실이며, 이러한 상황을 반영하여 IEEE는 Gbps급 이상의 속도를 지원하는 차세대 무선랜의 새로운 기술인 VHT(Very High Throughput)에 대한 표준화를 최근에 시작하였다. 포스트 802.11n 시대를 대비하기 위한 VHT의 주요 사항으로는 802,11n 대비 2배 이상의 전송속도(매체접근제어의 서비스 기준)인 1Gbps 이상을 지원하여 압축되지 않은 HD 동영상의 전송을 가능하게 하며, 802.11n과 비교할 때 개선된 커버리지와 전력소모 기능을 갖고, 기존 무선랜 사양들에 대한 하위 호환성을 지원하도록 한다. 한편, VHT 논의에 있어서 주요한 특징으로는 기존에 802.11n이 사용하는 5GHz 대역의 주파수 자원의 포화 가능성으로 인해 기존에 PAN(personal area network) 서비스에 사용되었던 60GHz 대역이 VHT 서비스를 위한 또 하나의 가능한 주파수 자원으로 제시하였다. 따라서 VHT 규격에 대한 논의는 5GHz 대역을 사용하는 버전(VHTL6)과 60GHz 대역을 사용하는 버전(VHT60)으로 이원화되어 2008년부터는 논의가 독립적으로 진행되고 있다.
VHTL6(표준명: 802.11ac)은 5GHz 대역을 사용하는 VHT 서비스를 지칭하는 것으로, 모토로라, 노텔, 퀄컴 등이 논의를 주도하고 있는데, 1Gbps 이상의 전송속도를 지원하기 위해서 필요한 80MHz 이상의 주파수 대역을 제공하기 위하여 기존 무선랜 중 2.4GHz를 사용하는 802.11b, 802.11g와의 호환성을 포기하였다. 아울러 5GHz 대역에서 40MHz 또는 80MHz의 주파수 대역을 사용하여 1Gbps 이상의 전송속도를 제공하기 위하여 주파수 효율 및 변복조 기술의 향상에 논의의 초점을 모으고 있는 상황이다. VHT60(표준명: 802.11ad)은 60GHz 대역을 사용하는 VHT 서비스를 지칭하는 것으로 인텔, SiBEAM, 브로드컴 등이 이의 논의를 주도하고 있다. 여기에서는 60GHz 대역에서 2~5GHz의 주파수 대역에 걸쳐 사용하는 RF의 성능을 제고하는 기술이 핵심적인 부분을 차지하고 있다. 다만, VHT60에서는 기존의 PAN에서 이미 지원하고 있는 초근거리 개인통신과의 차별성을 부각하기 위하여 비교적 광역의 커버리지를 제공하기 위한 신호전송 기술에 주력하고 있으며, 기존 무선랜과의 호환성을 제공하기 위해서는 2.4/5/60GHz 대역을 넘나드는 멀티 라디오를 필요로 한다.
VHT를 위해 논의가 예상되는 대표적인 기술은 다음과 같다.

● Multi-user MIMO(VHTL6)
Multi-user MIMO는 5GHz 대역에서 1Gbps 이상의 서비스를 지원하기 위하여 필수적인 요소기술이며, 하나의 AP(Access Point)가 여러 개의 STA(Station)에 대하여 안테나 전송을 달리하는 방식으로서 논리니어 프리코딩 및 트래픽 채널 디자인 등이 핵심특허 이슈로 대두되어 있다.

● Multi-channel MAC(VHTL6)
Multi-channel MAC은 하나의 AP가 여러 개의 STA에 대하여 주파수 대역을 다변화하여 동시 전송함으로써 전체 서비스 전송속도를 제고하는 방안이다. 이에 대해서는 복수 개의 채널을 물리계층 및 매제접근제어 계층에서 접합하기 위한 다양한 결합 및 분해 방식이 핵심특허 이슈로 대두되어 있다.
● 대역폭 최적 확장기술(VHTL6)
주파수 대역폭을 확장시켜서 데이터 용량과 전송속도를 증가시키는 기술로써 40MHz 주파수 자원까지 사용했던 기존의 802.11n 무선랜에 비해 주파수 활용이 2배로 늘어나는 VHTL6에 있어서는 핵심적인 기술이다. Preamble 및 주파수 할당방법의 최적 재설계 기술이 요청되며, 또한 기존 무선랜을 지원하기 위한 legacy mode와의 주파수 편성 호환성을 갖기 위한 다양한 조건 등이 충족되어야 한다.

● 아날로그 빔포밍(VHT60)
VHT60에서는 수 GHz 급의 주파수 자원을 사용하는 RF설계가 필수적이다. 기존에 흔히 알려진 대로 60Hz 대역의 전자파 신호는 도달거리가 그리 멀지 못하다는 단점이 있는 바, 이들 다수 개의 안테나를 아날로그 상에서 서로 협력작용을 하도록 결합시키는 아날로그 빔포밍 기술을 이용하여 이의 커버리지 및 레인지를 확장하는 것이 매우 중요하다. 최근의 발표들을 따르면 최대 64개의 안테나를 아날로그 빔포밍하는 정도의 고집적 회로 안테나의 설계가 요구된다고 한다.
● Fast session transfer 기술(VHT60)
VHT60이 기존 무선랜과의 호환성을 위하여 필수적인 Multi-band 내지 Multi-radio의 지원을 위하여, 2.4/5/60GHz 전체를 제공하는 라디오의 설계 및 초고속 스위칭 컨트롤을 위한 계획이 고안되어야 한다.

차세대 무선 PAN 기술: 802.15.3c
밀리미터파(57~66GHz) 대역에 대한 표준화 활동은 유럽의 ETSI/BRAN(무선 LAN 응용), 북미의 IEEE 802(무선 PAN/ LAN 응용으로 사실상 국제 표준(de-facto international standard)), ISO 21216(ITS 통신 응용), 그리고 최근에 60GHz 대역 WPAN 응용과 관련한 WiHD 컨소시엄과 ECMA 인터내셔널 등에서 활발히 진행 중이거나, 표준이 출간되었다. 60GHz 대역 무선 WPAN은 HD급 무압축 비디오의 고속 실시간 스트리밍, 고속 무선 Ad-hoc 통신, 고속 파일전송, 무선 USB 등을 주요 서비스 응용으로 고려하고 있으며, 이에 대한 표준기술 주도권을 쟁탈하기 위하여 인텔, 필립스, 모토로라, IBM, SiBeam, NICT, 소니, 삼성 등 40여 개 세계적인 대기업들이 국제 표준화 관련 기구에서 협력 및 경쟁을 벌이고 있는 상황이다.
IEEE 802.15.3c(Task Group 3c)는 IEEE 802.15.3a의 표준화 기고서로 제안된 일본 OKI 사의 밀리미터파 기반의 광대역 무선 접속 시스템 제안서를 기반으로 표준화를 시작하였다. 2005년 3월, 60GHz 대역의 밀리미터파를 이용한 무선 기술 개발 TG(Task Group)로 승격되어 활발한 표준화 활동을 하였으며, 2009년 9월 표준 완료를 목표로 막바지 작업을 진행하고 있다. IEEE 802.15.3c는 기존의 IEEE 802.15.3 WPAN(Wireless Personal Area Network) 표준인 802.15.3-2003[2] 및 802.15.3b-2005[3]와의 호환성을 유지하면서, 밀리미터파 기반의 새로운 PHY(Physical Layer) 및 대응되는 MAC(Medium Access Control Layer) 지원 기능들의 표준이다. 2009년 4월 기준으로 최신 표준 초안인 IEEE P802.15.3c/D07 문서에 따르면, 57.0GHz에서 66.0GHz까지의 밀리미터파 주파수 대역에서 정의되는 mmWave PHY는 총 세 가지로, 첫 번째는 CoMPA(Consortium of Millimeter-wave Practical Applications)를 주축으로 여러 파트너들이 참여하고 있는 그룹에서 제안한 단일 반송파(Single Carrier) 방식이고, 두 번째는 Tensorcom 등의 업체에서 제안한 HSI(High Speed Interface)-OFDM 방식이며, 마지막으로 세 번째는 SiBeam이 주축이 된 WiHD 그룹에서 제안한 AV(Audio and Visual)-OFDM 방식이다. 표 2에는 IEEE 802.15.3c에서 정의하는 세 가지 PHY 방식의 특징들이 비교/정리되어 있다.
위에서 언급한 대로, 60GHz 주파수 대역에 대한 집중된 관심으로 인해 많은 표준화 기구에서 각기 다른 시스템 표준들을 제정하고 있었고, 특히 IEEE 802 내에서도 802.11 VHT SG(Study Group)에서 60GHz 주파수 대역의 표준을 개발하려는 움직임이 시도되자, IEEE 802.15.3c에서는 다른 시스템 또는 PHY 간의 공존성(Coexistence)을 보장하는 기능 개발을 추가하게 되고, 한편으로 IEEE 802.11TGad에게 IEEE 802.15.3c와의 공존성 기능 개발을 요구하게 되었다. 이 외에도, 무압축 비디오의 효율적 전송을 위한 프레임 군집화(aggregation) 기능 및 부등 오류 부호(unequal error protection: UEP) 기능, 그리고 지향성 안테나 통신을 지원하는 기능 등을 규정하고 있다. 또한 근거리 무선 WPAN 기술 운용을 위한 IEEE 802,15.3의 피코넷 운용 방법을 간략히 기술하면 다음과 같다. IEEE 802.15.3 WPAN은 복수 개의 장치(DEV)와 DEV 간의 통신 중재를 위한 하나의 피코넷 조정자(PicoNet Coordinator: PNC)로 구성되는 피코넷(piconet) 형태로 운용된다. PNC는 피코넷에 참여중인 DEV들 중에서 선발되고, 이렇게 선발된 PNC는 비컨(Beacon)을 이용하여 피코넷에 기본적인 타이밍을 제공하고, QoS(Quality of Service) 요구사항, 전력 절약 모드, 피코넷에 대한 접근제어 등을 관리한다. IEEE 802.15.3 WPAN 규격은 피코넷의 커버리지를 확장하거나 다른 디바이스의 네트워크 자원을 활용하기 위해, 자식 피코넷과 이웃 피코넷 형성을 허용하여 부모 피코넷과 함께 계층화된 피코넷을 형성시킬 수 있다. 또한 802.15.3c를 위한 대표적인 기술을 보면 다음과 같다.

● 공존성 보장 기술
서로 다른 독립된 세 개의 PHY 규격과 IEEE 802.15.3에 기반한 MAC PHY를 지원하는 장치들 간의 공존성(coexistence)을 보장하는 기술로서 공통 모드 시그널링(Common Mode Signaling: CMS)과 SYNC 프레임을 사용한다.

● 무압축 비디오 데이터의 UEP 기술
UEP는 중요도가 서로 다른 데이터를 '부호화된 변조 방식(Modulation and Coding Scheme: MCS)' 그리고/또는 재전송 기법을 사용하여 차등적으로 취급함으로써, 중요한 데이터의 부호화 이득을 제고하고, 중요도가 떨어지는 데이터에 대해서는 부호화 이득을 상대적으로 희생하여 전체적인 성능을 개선하는 방식이다.

● 지향성 안테나 통신을 위한 슈퍼프레임 구조
저전력 통신을 지향하는 IEEE 802.15.3c 시스템 환경에서는 무선 채널에 강인하면서도 최대 10m의 도달 거리를 확보하기 위해 지향성 안테나를 사용하는 것이 바람직하며, IEEE 802.15.3c에서는 지향성 안테나 통신을 위한 슈퍼프레임 구조를 제시하고 있다.

구 분 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

채널 대역폭 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

셀간 간섭완화방식 Semi-static 셀간 간섭 조정(부분주파수 재사용) Coordinated multipoint 전송(셀간 간섭 조정 및 다중 셀 MIMO)  Soft/Adaptive FFR Enhanced FFR Tx/Rx Beamforming

리피터/릴레이 리피터 리피터, 릴레이 리피터, 릴레이

표 1. 이동통신 방식별 비교

  단일 반송파 방식 HSI-OFDM 방식 AV-OFDM 방식

주요 참여 업체 CoMPA Tensorcom SiBeam
변조 방식 π/2 BPSK/QPSK/8PSK/16QAM QPSK/16QAM/64QAM BPSK/QPSK/16QAM
채널 코딩 RS, LDPC LDPC CCRS concatenation
PHY 전송률 25.3Mbps~5.18Gbps 31.5Mbps~5.67Gbps 2.5Mbps~3.8Gbps
특징  데이터 전송률 및 변조 방식에 따라 Class 1, 2, 3로 분류
헤더와 페이로드 모두 LDPC로 보호 응용 및 전송률에 따라 HRP, LRP로 분류
표 2. IEEE 802.15.3c에서 정의하는 세 가지 PHY 특징 비교

그림 1. IEEE 802.15.3c 채널 할당 및 최대 데이터 전송율

그림 2. 부모 피코넷과 의존 피코넷의 구성 및 타이밍 관계도

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