애질런트



Mobile WiMAX와 LTE의 동향과 기술 비교

글: 신승철 차장/애플리케이션 엔지니어
애질런트(Agilent Technologies)
www.agilent.com

4G 기술 표준의 큰 흐름은 370개 이상의 주요 모바일 기술 회사들의 단체인 3GPP가 제안하는 LTE-Advanced 시스템과 Mobile WiMAX 진영의 WiMAX 802.16m(Release 2.0)을 기반으로 하는 IEEE 802.16 IMT-Advanced로 가고 있다. 이러한 두 가지 기술은 데이터 전송속도를 높이고 주파수를 효율적으로 사용하기 위한 OFDMA와 다중안테나 기술인 MIMO 그리고 All-IP기반 네트워크와 같은 주요 기술에 초점을 맞추고 있는 공통점을 가지고 있다.

인터넷의 발전과 더불어 이동통신 기술의 발전으로 인하여 이동 중에도 빠른 속도로 데이터를 주고받을 수 있게 되어 짐에 따라 예전에 이동통신 서비스는 단순히 서로 음성을 전송하던 서비스에서 고속의 양방향 데이터 전송을 활용한 서비스로 다양해지고 있다. 결국 이러한 통신 기술의 발전을 통하여 이동 중에 데이터 전송속도는 점점 증가하고 있으며, 이로 인한 빠른 데이터 전송속도의 실현은 더욱더 다양한 서비스의 실현 가능성이라는 의미로 재해석 될 수 있다.
현재 서비스 하고 있는 3G(3세대) 방식과 비교해서 50배 이상의 빠른 전송속도를 가진 4G(4세대) 이동통신 기술 도입은 이제까지와는 차원이 다른 모바일 서비스를 이용자들에게 제공할 수 있을 것이며, 양방향 모바일 서비스인 화상회의, 게임, HDTV, IPTV등 멀티미디어 시스템 기반의 복합 서비스 제공이 가능할 것이다. ITU는 4G 무선 광대역 표준을 IMT-Advanced라고 말하고 있으며, 이는 이동 중에 100Mbps, 고정 시에 1Gbps의 데이터 전송 속도 제공을 요구하고 있다. 이러한 4G 기술 표준의 큰 흐름은 370개 이상의 주요 모바일 기술 회사들의 단체인 3GPP(3rd Generation Partnership Project)가 제안하는 LTE-Advanced 시스템과 Mobile WiMAX 진영의 WiMAX 802.16m(Release 2.0)을 기반으로 하는 IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineering) 802.16 IMT-Advanced로 가고 있다. 이러한 두 가지 기술은 데이터 전송속도를 높이고 주파수를 효율적으로 사용하기 위한 OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)와 다중안테나 기술인 MIMO(Multiple Input multiple output) 그리고 All-IP기반 네트워크와 같은 주요 기술에 초점을 맞추고 있는 공통점을 가지고 있다. 우리나라에서 가장 먼저 상용화에 성공한 와이브로(Wibro)는 IEEE 802.16e Mobile WiMAX의 Profile 중에 하나인 Profile 1A로 정의되어 있다.
원래 IEEE 802.16 표준은 무선 시스템을 이용하여 fiber, cable, xDSL link와 같은 유선망과 비교하여 더 적은 비용으로 광범위 지역의 네트워크를 서비스하기 위해서 정의 되었었다. 여기에 802.16e-2005에서 Mobility(이동성)의 개념이 추가되면서 WiMAX 기술에 모바일 서비스가 가능하게 발전하였으며 Mobile WiMAX라는 명칭을 사용하게 되었다. 2004년 12월에 있었던 RAN(Radio Access Network) Evolution Workshop으로부터 시작된 LTE는 3GPP Release 8에 포함된 기술로서 세계에서 가장 많이 사용하고 있는 통신 방식인 GSM과 WCDMA의 기술 표준 단체인 3GPP에서 제안하는 방식이기 때문에 이미 사용하고 있는 3GPP 계열의 2G, 3G 서비스들과 호환성이 뛰어나다는 장점이 있다.
무선 통신 기술은 다양해지고 많은 기술들이 동시에 서비스되고 있기 때문에 한정된 주파수 자원을 이용하여 많은 데이터를 전송할 수 있으면서 많은 이용자가 동시에 접속 가능한 방향으로 발전하고 있다. Mobile WiMAX에는 Up/Down link 모두 OFDMA를 사용한다. 기존에 사용자를 주파수로 구분했던 FDMA(Frequ ency-division multiple access)는 각 신호의 점유 주파수 대역폭이 중첩되지 않도록 어느 정도 보호 주파수구간이 필요했기 때문에 동시 접속 가능한 사용자의 수와 주파수 효율 면에서 낭비되는 대역폭이 많았는데 OFDMA는 인접하는 신호간에 상관관계가 없게 만들어서 신호끼리 서로 겹치게 되더라도 수신 측에서 신호를 찾기가 쉽고 타 신호를 구분하기 쉽게 만들어서 동일 주파수 대역에 더 많은 가입자와 데이터를 처리할 수 있게 만든 방식이다.
또한 모바일 환경에서 발생하는 페이딩 성분이나 다중 경로 지연에 강한 장점을 가지고 있다. 하지만 OFDMA는 송수신기의 위상과 주파수 왜곡에 취약한 단점을 가지고 있고 평균 파워와 피크 파워의 비율이 높아서 때에 따라서 순간적으로 큰 전력소모와 송수신 파워 앰프의 큰 선형구간을 요구하기 때문에 배터리를 통해서 유한한 전력을 공급받아야 하는 단말기 입장에서는 큰 부담이 아닐 수 없다. 이 때문에 LTE Uplink에서는 OFDMA를 변형한 SC-FDMA(Single-carrier Frequency-division multiple access)를 사용하고 있다. 우리나라에서 사용하는 와이브로(Mobile WiMAX profile 1A)의 점유 주파수 대역폭은 8.75Mhz로 고정되어 있으며, 채널 대역폭 내에 1,024개의 부반송파(Sub-carrier)에 전송하는 데이터가 포함된 대역이 서로 겹치게 배치되어 있다. Downlink와 Uplink를 시간을 이용하여 구분하는 TDD(Time-division duplex) 방식을 사용하고 나중에 WiMAX Release 2에서는 기존의 TDD와 주파수를 이용하여 구분하는 FDD(Frequency-division duplex) 와 동시에 사용하는 Hybrid-FDD 방식을 사용할 예정이다. 반면에 LTE는 사용하는 점유 대역폭이 WiMAX와 같이 고정적이지 않고 접속자의 수와 전송하는 데이터의 양과 같은 여러 가지 상황에 따라서 더욱더 효율적으로 주파수 자원을 활용하고자 대역폭이 1.4MHz에서 20MHz까지 유동적으로 변하는 특징을 가지고 있으며, Downlink와 Uplink를 구분하는 Duplex 방식은 WCDMA에서 사용하고 있는 FDD 방식을 사용하는 LTE-FDD 방식과 중국에서 사용하는 TD-SCDMA가 적용한 TDD 방식을 따르는 LTE-TDD 방식 두 가지로 나뉘어 지고 있다.
샤논의 법칙(Shannon-Hartley′s law)에서는 통신에서 사용하는 채널의 최대 전송량에 대한 정의를 하고 있다. 이 법칙에서 보면 데이터 전송 속도를 높이려면 전송하는 대역폭의 넓이와 전송 파워의 세기 그리고 전송 채널의 수에 비례하여 전송 속도가 높아진다고 말하고 있다. 여기서 전송 채널의 수는 쉽게 말해서 송신 안테나와 수신 안테나간의 전송 경로 수라고 말할 수 있다

C=B·Mlog(1 S/N)
(C = capacity(용량), B = bandwidth, M=전송 채널 수, S/N = signal to noise ratio)
결국 WiMAX와 LTE에서 전송속도를 높이기 위해서 사용하는 기술 중에 사용하는 주파수 전송 대역폭은 실제 사용하는 물리적인 대역폭보다 더 넓게 사용하기 위해서 OFDMA를 사용하고 있으며 전송 채널의 수를 다중으로 이용함으로써 전송 속도를 높이기 위해서 여러 개의 안테나를 이용하여 동시에 송수신을 할 수 있는 MIMO 안테나 기술을 사용하고 있다. 이러한 MIMO 기술은 이미 WLAN IEEE 802.11n 기술에 적용되어서 활용되고 있으며  WiMAX에서는 wave2 에서부터 Downlink에서 MIMO 기술을 적용하였고 LTE에서도 역시 MIMO 기술을 적용하고 있다. 현재 LTE에서는 수신 단으로부터 채널환경에 대한 적절한 피드백에 의하여 송신 단이 무선 채널을 더 정확하게 알 수 있게 하는 폐루프 안테나 다중화 기술(Close loop MIMO)를 적용하고 있으며, WiMAX에서는 수신 단에서 송신 단으로 전달되는 피드백 정보가 없이 동작하는 개루프 안테나 다중화 기술(Open loop MIMO)를 사용하고 있으나 Mobile WiMAX Release 1.5부터 폐루프 안테나 다중화 기술을 적용하고 있다.
그림 1 WiMAX의 물리적 구조
그림 2 LTE의 물리적 구조
구체적인 기술적인 비교를 위해서 WiMAX와 LTE의 물리적인 구조를 비교해 보았다. 우선 기본적으로 각각의 방식이 가지고 있는 물리적 최소 단위부터 비교해보면 (그림 1)과 같이 WiMAX는 가입자에게 Time과 frequency 도메인에서 할당할 수 있는 가장 작의 단위를 Slot이라고 정의하고 있다. 이러한 구조는 Downlink, Uplink에 따라서 다르며 subcarrier에 subchannel을 할당하는 방식인 permutation algorism에 따라 PUSC, AMC, FUSC 등으로 나뉘어 진다. 반면 LTE의 경우는 FDD방식을 지원하는 LTE Type 1의 경우 10ms의 frame 길이를 가지고 있으며 이는 20개의 슬롯들로 나뉘어져 있는데, 각각의 슬롯은 normal cyclic prefix를 사용하는 경우 7개의 심볼로 채워져 있고 extended cyclic prefix를 사용하는 경우 6개의 심볼로 이루어져 있다. 최소한의 리소스 단위인 1 subframe은 2 slot으로 구성되어 있다. 
WiMAX에서 슬롯의 개념은 zone과 burst라는 구조로 확장되어 가는데, zone은 물리적 OFDM carrier들이 특정한 시간 동안 레디오 채널과 서비스 요구에 따라서 할당되는 방법에 따라 나뉘어진 개념이다. 여기서 zone 안에 할당되는 burst는 각각의 가입자에 해당되는 단위로써 단말기의 데이터 서비스 사항에 따라서 서로 다른 모듈레이션 방식을 사용할 수 있다.
LTE 리소스 블록의 경우 기본적 scheduling 단위이며 가장 작은 allocation 단위인 2개의 리소스 블록는 1ms(2 slot)의 길이와 180 kHz(12 subcarrier)의 주파수 대역을 차지한다.
Pilot 또는 Reference signal은 무선 통신을 운용 중에 송수신기간에 전송하는 데이터의 레퍼런스 정보를 제공하고 시그널을 전송하기 위한 중요한 역할을 한다. 그래서 수신기가 Pilot을 수신하면 전송하는 시그널과 채널에 대한 정보를 얻을 수 있다. WiMAX의 Pilot은 Downlink PUSC zone의 경우 매 symbol마다 할당되고 Uplink PUSC의 경우에는 두 심볼마다 하나씩 할당이 된다. (그림 3)과 같이 Pilot subcarrier는 data subcarrier와 서로 겹치지 않으며, MIMO를 사용할 경우 Pilot은 수신 측에서 채널의 전달함수(h11~h22)을 디코딩하기 위한 레퍼런스 정보로 활용되기 때문에 각 안테나에서 전송되는 Pilot은 서로 겹치지 않게 전송된다.
반면 LTE의 경우 Reference signal(RS)을 통해서 WiMAX에서 Pilot의 역할을 수행하며, (그림 4)와 같이 symbol #0, #04에 할당되고 레퍼런스 시그널을 전송하는 subcarrier는 WiMAX와 다르게 데이터와 겹치게 전송된다.
WiMAX와 LTE를 비교하기 위한 또 하나의 중요한 컨셉은 전송 중에 채널의 상태를 추측하는 방법에 대한 점이다. 채널은 Multipath와 fading 등에 의한 감쇄로 인하여 계속 변하고 있기 때문에 채널 추측이 필요하게 되는데 WiMAX의 경우는 closed loop MIMO beamforming에서 UL sounding channel을 이용하여 CSI(channel state information)을 추측해 낸다.
LTE의 경우에는 레디오 채널의 특성에 따라 전송품질을 최적화하기 위해서 closed loop MIMO에서 PMI(Precoding Matrix Indicator), RI(Rank Indication), CQI(Channel Quality Indicator), HARQ(Hybrid Automatic Repeat Request indicator)의 feedback을 다음 전송할 데이터에 반영하여 전송하는 precoding을 사용한다.
최근에는 이동통신 서비스를 지원하는 무선망을 이용해 멀티미디어 방송서비스를 지원하는 3GPP MBMS(Multimedia Broadcast/Multicast Service)와 Mobile WiMAX(와이브로) MCBCS(Multi-cast/Broad-cast Service)가 제시되고 있다. Mobile WiMAX MCBCS 기술은 MBS zone과 MBS MAP을 이용해서 서비스하며 WiMAX forum 네트워크 그룹에서 WiMAX Release 1.5 버전에 대한 규정이 마련되고 상용서비스에 대한 논의로 이어질 전망이다.
LTE는 모바일 단말기를 이용하여 디지털 TV 같은 방송 콘텐트를 Point to Multi-point connection을 통하여 서비스 할 수 있는 MBMS를 지원한다. 3GPP에서는 이러한 MBMS를 Release 6에서 처음 정의하였으며, LTE에서는 단일 주파수 네트워크(single-frequency network)을 사용하여 주어진 기간 동안 여러 개의 cell로부터 전송될 수 있는 시간 동기화된 waveform를 사용하여 single-frequency network에 multicast/broad cast 서비스를 할 수 있는 좀 더 진화된 서비스인 eMBMS(evolved MBMS)를 지원하고 있다. 이는 여러 개의 cell로부터 전송되는 OTA(Over the air)상의 조합에서 발생하는 서로 다른 경로상의 전송 지연차를 극복하기 위해서 CP(Cyclic Prefix)를 이용하여 전송한다. 이러한 기술은 LTE를 고효율의 MBMS 전송이 가능하게 만들어 주고 있으며, eMBMS는 3GPP Release 9에서 정의될 예정이다. 이러한 WiMAX와 LTE가 IP기반의 서비스이기 때문에 고정 IPTV 시장이 성숙되면 장기적으로 모바일 IPTV 시장으로 이어질 전망이다.
현재 우리가 자주 접하는 LTE와 Mobile WiMAX 802.16e(와이브로)는 정확하게 말하면 ITU에서 제안하는 4G로 가기 위한 중간 단계로 볼 수 있기 때문에 3.9G로 불리기도 한다. 4G로 가는 방향이 LTE인가 WiMAX인가 하는 예상은 누구도 함부로 이야기 할 수 있는 상황은 아니지만, 기존에 GSM이나 WCDMA와 같은 3GPP망이 설치되어 있는 곳에서는 현재의 3G와 앞으로의 4G간의 공백을 메우기 위한 중간 단계의 서비스인 HSPA, E-EDGE등의 service가 이어지고 난 후 연속된 개념의 LTE service가 지속 된다면 좀더 유리한 입장을 차지하고 있는 것은 사실이다. 하지만 이제 막 IP network을 설치하기 위해서 새로운 유선망을 설치해야 할 필요가 있는 곳에서는 비교적 저렴한 비용으로 네트워크 설치가 가능한 WLAN의 성격과 유사하면서 이동 중에 핸드오버(Handover)가 가능한 WiMAX가 장점을 가지고 있다. 결국 두 가지 기술은 LTE에서 먼저 정의한 broadcasting multimedia 서비스를 위한 채널 할당 등을 통하여 멀티미디어 서비스 및 양방향 방송을 이동 중에 이용할 수 있는 모바일 멀티미디어 환경의 실현을 이루는데 큰 도움을 주고, 현재보다 빠른 전송속도를 이용한 다양한 콘텐트와 서비스로 인하여 방송과 통신의 큰 변화를 가져올 것이라 생각한다.
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