5G 이동통신 네트워킹 및 셀룰러 기술 개요

[성모세]

5G 이동통신 네트워킹 및 셀룰러 기술 개요

키워드 : 5G 이동통신 네트워크, 스마트 미디어, 올-IP 기반, 무선 셀룰러 구조, 이동국, 기지국, 이동통신교환국, 개방형 생태계, M2M 단말, 사용자 맞춤형 서비스, 5G NRAT, USN 정보자원, CPND(콘텐츠 및 서비스·플랫폼·네트워크·디바이스), 기가코리아 

박세환  한국과학기술정보연구원, ReSEAT 프로그램 전문연구위원

개요 

이동통신 네트워크는 약 30여 년 동안 지속적으로 발전해 왔다.(▲아날로그 기술력 기반의 음성(voice) 서비스 중심의 ‘1세대(1978년 상용화)’ ▲CDMA 및 GSM 방식의 ‘2세대(1992년 상용화)’ ▲WCDMA 및 EV-DO 기술을 이용해 영상통화·멀티미디어 전송·인터넷 사용이 가능한 ‘3세대(2000년 상용화)’ ▲3GPP의 릴리즈8 규격을 기반으로 정지시 1Gbps, 이동시 100Mbps 이상의 전송속도를 구현할 수 있는 올-IP 기반의 ‘4세대(2012년 상용화)’) 

▲ 이동통신 세대별 속도비교

특히 3G에서 4G 시스템으로 발전과정에서 가장 큰 변화는 스마트 미디어기기의 대중화와 무선인터넷 수요의 폭발적인 증가 등으로 인해 올-IP 기반의 패킷 네트워크로 통합된 점을 들 수 있다.  

기하급수적으로 증가하고 있는 데이터의 폭발적인 증가에 효과적으로 대응하기 위해 데이터 오프로딩 방식(Data off-loading system) 및 분산형 네트워크 제어방식(Distributed network control system) 등이 개발되면서 데이터 집중현상을 어느 정도 해소할 수 있었다.  

3~4G 시스템 시기에 가장 많은 확산지수를 보인 WLAN(Wireless Local Area Networks)과 같은 모바일 네트워킹 기술로는 대용량 멀티미디어 트래픽을 수용하기 위한 가용주파수 확보, 투자비 및 운용비 측면에서 효과적이지 못하다는 결론에 이르면서 4G에서 5G 시스템으로 획기적인 발전을 예고하고 있다.

이 연구에서는 이동통신 시스템 구성요소, 5G 이동통신 네트워킹 구조·무선 셀룰러 구조 등 5G 이동통신 기술 이슈에 대해 설명한다.

이동통신 시스템 구성요소 

이동통신 시스템은 크게 ▲이동국 ▲기지국 ▲이동통신교환국으로 구성된다. 

이동국(MS : Mobile Station)의 경우 서비스 영역 내에서 이동하는 무선 가입자의 단말기로써 기지국과 무선채널을 통해 통신한다. 이동국에는 정지 또는 저속인 경우 PS(Personal Station), 차량 또는 항공기 등의 고속인 경우 MS(Mobile Station), 인공위성을 이용한 서비스의 경우 MES(Mobile Earth Station) 등 3가지 유형이 있다.

기지국(BS : Base Station)의 경우 이동통신 시스템에서는 무선채널을 효율적으로 이용하기 위해 커버리지를 일정 규모의 셀로 분할해 각 셀에 기지국을 두고 이를 통해 이동국과 무선통신을 실행한다.  

즉, 기지국은 자신이 관할하는 셀 내에 있는 이동국에서 발신된 신호를 무선채널로 수신해 이동통신교환국으로 전송하고 역으로 이동통신 교환국으로부터 오는 신호를 무선채널을 통해 이동국에 송신하는 기능을 실행한다.

이동통신교환국(MSC : Mobile Switching Center)의 경우 공중전화통신망(PSTN : Public Switched Telephone Networks)과 이동통신망의 인터페이스 역할을 담당해 가입자에게 회선교환 서비스를 제공한다. 아울러 무선자원 관리기능, 이동국의 위치추적 기능, 통화중 이동국의 통화기능 등을 제공한다.

5G 이동통신 기술 이슈 
  

▲ [그림 1] 5G 이동통신 시스템의 네트워킹 구조

5G 이동통신 네트워킹 구조 = 5G 이동통신 기술은 ICT 산업 및 타 산업 전반을 혁신하는 핵심 인프라로서 유럽, 중국, 미국 등에서 관련 기술개발에 적극 나서고 있는 상황이며 점차 치열한 기술 경쟁단계에 접어들 것으로 예상된다. 

5G 이동통신 시스템의 개념과 목표를 간단히 요약하면 5G 이동통신 시스템은 4G·LTE(Long Term Evolution)보다 주파수 용량을 1000배 이상 확장해 1000배 빠른 차세대 초고속 무선통신 기술로서 2020년 상용화를 목표로 하고 있다.

또한 사람·사물·정보가 언제 어디서나 연결될 수 있도록 사용자당 1Gbps급 전송속도, 기지국당 100Mbps에서 100Gbps로 상향된 초고속 전송속도, 1초에서 1ms로 향상된 빠른 접속속도, 최대 500km/h의 이동성 보장, 사용자당 1000분의 1의 에너지효율성 향상, 사용자와 인터액션을 통한 감성 만족, 수많은 주변 다바이스와 소통 가능한 기술로 정의할 수 있다. 

이와 함께 이동통신사업자 중심의 폐쇄적인 생태계에서 개방형 생태계로 전환됨과 더불어 ▲70억명 인구 증가 및 새로운 고품질 매체에 대한 요구 급증 ▲스마트 디바이스의 폭발적인 증가(2010년 90억개에서 2020년 7조개 예상) ▲스마트 단말 및 M2M(Machine To Machine) 단말의 보급 확대에 따른 데이터 트래픽의 폭발적인 증가(2011년 2ZB(제타바이트 : 1021)에서 2020년 35ZB 예상, 전세계 스마트단말 보급률 10년 내 3.5배 증가, 단말당 트래픽 약 20~120배 증가, 전세계 M2M 단말 보급율 10년 내 500배 증가) 등으로 인해 모바일 빅뱅을 예고하고 있다. 

이러한 새로운 이동통신 환경 및 비즈니스 모델의 변화에 대한 선제대응이 필요하다. 차세대 무선통신 네트워크의 핵심으로 부각되고 있는 5G 이동통신 시스템은 기존의 유비쿼터스 네트워크 고유기능에 IT(Information Technology), NT(Nano Technology), BT(Bio Technology) 기술력이 융합된 다중 센서 기술들을 기반으로 노드들이 에너지를 하베스팅 하거나 지능적으로 정보를 수집해 각 노드간 다양한 통신방식과 이기종 네트워크간 연동기술을 이용해서 실시간으로 다양한 응용서비스를 가능케 하는 융합 센서 네트워킹 기술로 정의할 수 있다. 

▲ [표 1] 5G NRAT의 구성요소와 5G 이동통신 서비스 구조 <자료 : 김일규, 밀리미터파 기반 5G 이동통신 기술 동향, 한국전자통신연구원, 2014. 1·김동기, 5G 이동통신 기술의 전망 및 전략” IEEK 매거진, 전자공학회지 2013. 4/재구성>

아울러 5G 이동통신 네트워크는 기존 3G 및 4G 시스템의 핵심기능과 WLAN(Wireless Local Area Networks) 및 WWCA(Wired-Wireless Convergence Access)와 융합 네트워킹을 통해 NRAT(New Radio Access Technology) 기능을 갖는 모바일 인터넷을 구축하는 것을 목표로 하고 있다. 이러한 5G 이동통신 시스템의 네트워킹 구조를 [그림1]에 나타낸다. 

5G 시스템은 이동통신사업자의 네트워크 투자에 대한 부담을 완화할 수 있는 경제성이 고려돼야 하며 사용자 관점에서는 사용자 맞춤형 서비스가 고려돼야 한다.  

이를 위해 ▲2020년 이후의 예상 모바일 트래픽에 대응할 수 있도록 시스템 용량을 확대해 스펙트럼 효율을 극대화하는 기술(스펙트럼 효율을 극대화하기 위해서는 매시브(Massive) MIMO 기술을 적용해 HSD(U)PA 네트워크 대비 최소 10배의 성능향상 기술(현재 HSPA 주파수효율은 0.5~1bps/㎐/셀l을 지원하고 있으나 향후에는 5~10bps/㎐/셀 수준 달성), 5G 이동통신용 주파수 확보방안(700㎒, 2.6㎓, 3㎓ 초과 대역 등), 커리어 어그리게이션(Carrier aggregation), 코그니티브 라디오(Cognitive radio) 등 광대역 주파수 처리기술 등이 개발돼야 한다) ▲주파수를 추가로 확보해 사용 가능한 대역폭을 확장하는 기술 및 스몰 셀(small cell)을 추가해 밀집지역에서 단위면적당 용량을 확대하는 기술(스몰셀 중심의 헷넷(Hetnet) 등을 구축하기 위해서는 SON, 무선백홀(Wireless backhaul) 및 간섭관리(Interference management) 기술 등이 상용화 수준으로 개발돼야 한다) ▲4G 네트워크 대비 경제성과 에너지 효율성을 향상시켜 네트워크 사업자의 설비투자(CAPEX)와 운영비용(OPEX)을 경감시킬 수 있는 네트워크 구축 기술(메크로 셀(Macro cell)용 기지국 등에서 소모하는 대 출력을 스몰 셀용의 소 출력으로 운영하는 등 에너지소비를 4G 네트워크보다 획기적으로 줄일 수 있어야 한다) ▲와이파이 및 와이맥스(WiMax) 등 무선 네트워크에서 D2D(Device-to-Device) 오프 로딩(off loading) 기술을 활용해 이동통신 네트워크와의 인터워킹 방안 및 로컬 네트워크에서 단말간 네크워킹 기술 ▲M2M과 같은 센서 네트워크와 통합시 예상되는 가입자 수의 증대로 인한 네트워크 부하경감 방안 및 획기적인 응답시간 단축(약 10ms 수준의 4G-LTE 시스템의 응답시간을 5G 시스템에서는 1㎳ 수준으로 개선할 수 있는 네트워크 구축 기술이 요구된다)을 통한 실시간 서비스 확대 등의 기술 개발이 선행돼야 한다.

5G 이동통신 시스템은 이상과 같은 기술개발을 통해 스몰 셀 중심의 WLAN으로 구축된 무선(모바일) 인터넷 서비스 네트워크의 면허대역과 비 면허대역을 모두 사용하는 M2M·D2D 복합 네트워크로 구축될 것으로 예상된다. 

즉, WLAN 및 WWCA와의 융합 네트워킹을 통해 NRAT(New Radio Access Technology) 기능을 구현하는 모바일 인터넷이 될 것이다. 이러한 5G 이동통신 서비스 구조와 5G NRAT의 구성요소를 [표1]에 나타낸다.

특히 5G 이동통신 시스템의 핵심인 유비쿼터스 센싱 기술력 기반의 네트워크(USN : Ubiquitous Sensor Networks)를 구축하기 위해서는 유비쿼터스 환경을 구성하는 정보수집 매체(RFID(Radio Frequency IDentification), 센서노드 등)에 대한 정보(설치위치, 데이터 종류 등), 정보수집 매체에 의해 감지되고 저장·가공·통합된 사물 및 환경정보가 필수적이다.  

▲ [그림 2] USN의 구조 <자료 : 김영만, USN기술개념 및 분류, 용어, 한국사물인터넷협회, 2006. 7>

USN의 구조를 [그림2]에 나타낸다. USN의 기본구조는 USN 응용서비스 계층, USN 미들웨어 계층, BcN 백본 및 엑세스 네트워크 계층, USN 정보자원 계층으로 구성된다.

무선 셀룰러 구조 = 5G 이동통신 셀룰러 구조의 핵심 아이디어는 실내와 실외를 구분해 서비스를 제공함으로써 건물의 내부에서 발생하는 신호의 손실(loss)을 어느 정도 예방할 수 있는 것이다. 이를 가능하게 하는 기술은 분산 안테나 시스템(distributed antenna system: DAS)과 대용량(massive) MIMO(Multiple- Input Multiple-Output)(무선 기지국 및 단말기 등의 전송효율을 증가시키기 위한 기술로서 스마트 안테나기술, 안테나 어레이기술 및 빔 폼잉(Beam Forming) 기술 등이 있다. 

다수의 입/출력 안테나와 송수신 간 공간 다이버시티를 이용해 전송대역폭을 확대할 수 있는 기술이다) 기술이다. 

분산 안테나배열(array)은 수십~수백개의 안테나 소자(element)를 지형적으로 공간에 분산시켜 설치하는 것이다. 

4G-LTE(A) MIMO 시스템은 2~4개의 안테나를 사용하고 있는 반면 5G 시스템에서는 대용량 MIMO 시스템 구축을 통해 안테나 배열수를 크게 함으로써 얻는 용량의 이득을 활용하는 기술이다.  

이러한 방식은 초기 인프라 투자비용이 들어가지만 장기적으로는 셀 평균 수율, 스펙트럼 효율, 에너지 효율 및 데이터 전송률을 향상시킬 수 있는 인프라가 될 수 있다. 

건물 외부에 설치된 대단위 안테나 배열과 연결된 실내의 무선 액세스 포인트들과의 통신을 위한 셀룰러 구조에서 실내의 사용자들은 와이파이, NFC, 펨토셀, UWB, 엠엠웨이브 통신(3~300㎓), 가시광통신(VLC: Visible Light Communication) 등 고속 데이터 전송이 가능한 단거리(short-range) 통신기술들을 적절히 사용할 수 있을 것이다. 

특히 밀리미터파 통신과 가시광통신 기술은 주파수대역 특성상 실내에서의 주파수 부족문제를 피해 고속 데이터 전송용으로 사용할 수 있는 특징이 있다.

5G 시스템을 위한 무선 셀룰러 구조는 매크로 셀, 마이크로 셀, 스몰 셀 및 릴레이 등 다양한 형태의 셀로 구성된 매우 복잡한 구조로 설계돼 있다.

특히 고속 기차나 이동체에 위치한 사용자들에게 고속의 이동성을 보장하기 위해서는 이동릴레이와 펨토셀을 결합한 이동 펨토셀(mobile femtocell) 개념(이동체의 내부에 설치돼 이동체 내부에 위치한 사용자들과 통신하고 이동체 외부에는 대단위 안테나 배열을 설치해 실외의 BS들과 통신하는 방식이다)을 적용한다. 

▲ [그림 3] 5G 시스템을 위한 무선 셀룰러 구조

이로써 시그날링 오버헤드(signalling overhead)를 감소시키면서 고속의 데이터서비스를 제공할 수 있다. 5G 이동통신 시스템을 위한 무선 셀룰러 구조의 개념도를 [그림3]에 나타낸다. 

맺음말 

국내 유·무선 네트워크 인프라를 기가급(Giga: 10-9) 이상으로 향상시키고 CPND(콘텐츠 및 서비스·플랫폼·네트워크·디바이스) 기술을 획기적으로 향상시키는 동시에 서비스 실증을 통해 이를 검증하여 5G 이동통신 시대에 대응해 나가고 있다. 

이를 위해 기가코리아(Giga KOREA) 구축사업(기가코리아 구축사업은 2013~2020년까지 8년 동안 5501억원(국고 4125억원, 민간 1376억원)의 예산을 투자해 2020년 글로벌 ICT 최강국 도약을 위해 추진되는 민관 합동의 대형 국책 연구개발 사업으로 스마트 ICT 환경을 활용한 스마트 시대를 선도하는 것을 주요 목표로 하고 있다)이 2013년부터 시작돼 5G 이동통신 상용서비스 목표시점인 2020년까지 추진되고 있다. 

한국은 2015년 말까지 프리(Pre)-5G 기술 시연, 2017년 말경 5G 이동통신 시범서비스 구현, 2018년까지 기술개발 완료, 2018년 평창동계올림픽에서 시범사업 전개, 2020년 12월 상용서비스를 목표로 기술개발 및 표준화에 주력하고 있다. 

5G 이동통신 시스템 구현은 한국이 세계 최고 수준의 기술력을 보유하고 있는 ICT 인프라와의 접목을 통해 5G 주변산업을 활성화시키는 데 커다란 파급효과를 기대하고 있다. 

5G 이동통신 시스템의 핵심 서비스이면서 가장 많은 수요자 층이 포진돼 있는 국내 무선인터넷 산업은 전 기술 분야에서 2013년 109조7598억원 정도로 고른 성장을 이어가고 있다.  

국내 무선인터넷산업의 인적 환경에 대한 조사결과를 보면 전문 인력 부족이 37.6%로 가장 높게 나타났다. 이를 해결하기 위해서는 정부의 임금 보조 및 복리후생 지원, 전문 인력 교육프로그램 운영, 전문 인력 지원 확대, 병역특례요원 배정 확대, 사내 교육지원 확대, 구인구직 정보 제공 등 정부의 정책적 배려가 필요하다.