4세대 이동통신 무선 전송 기술 동향

기술자료/통신

by jeffreynam 2007. 3. 22. 20:29

1. 개요

최근 이동통신 서비스는 방송, 멀티미디어 영상, e-mail, 멀티미디어 메시지 등 다양한 서비스를 제공하면서 새로운 시장의 형성 가능성을 시험하고 있다. 지금까지 2세대 이동통신 서비스 단계를 지나 3세대의 동기식 1X EVDO방식에서 2Mbps까지 패킷데이터 서비스 중이며, 비동기식(WCDMA) 3세대 서비스가 예정보다 지연되어 제공되고 있다. IMT-2000으로 불리우는 3세대 시스템은 국제적인 로밍이 가능하고, 데이터 전송 속도를 고속 이동시 144kbps, 보행 시 384kbps, 정지 시 2Mbps까지 제공하며, 음성 서비스, 고속 데이터 서비스 및 동영상 서비스를 제공하는 미래 지향적 이동통신 시스템의 실현을 목적으로 하였다. 그러나, 정보화 시대의 사용자는 유선 광대역 네트워크와 동일한 품질의 무선 멀티미디어 서비스를 요구하며 저속에서 고속까지, 실시간에서 비실시간까지의 여러 품질의 다양한 서비스를 요구하고 있다. IMT-2000 시스템의 경우, 사용자의 변화하는 이동통신 서비스 요구에 대한 서비스 제공에 한계가 있는 것으로 판단되어 4세대 이동통신 개발의 필요성이 제기되고 있다.

그러면, 4세대 이동통신은 과연 3세대 이동통신과 무엇이 차별화되고, 새로운 세대라고 규정지을 수 있는 근거나 기준은 무엇일까? 우선, 4세대 이동통신은 현재 저속의 음성 및 패킷 데이터 통신 위주에서 고속 이동 중에 최대 100Mbps, 정지 및 저속 이동 중에 155Mbps~1Gbps까지의 데이터 전송 속도를 기반으로 하여 유무선 통합에 의한 진정한 멀티미디어 통신이 가능토록 하는 데 있다. 그러나 빠른 전송 속도만이 4세대 기술을 대표하는 것은 아니다. 4세대 이동통신이 지향하는 궁극적인 목표는 유비쿼터스 서비스 제공을 위한 플랫폼의 실현에 있다. 21세기는 급속히 진전하는 IT에 의해 디지털 정보의 유통이 사람들의 모든 사회 활동 및 생활과 연관되어지는 시대이다. 특히, 인터넷은 수도물처럼 거의 모든 국민이 필요로 할 때 자유롭게 이용할 수 있는 인프라가 되고 있으며, 이동통신의 이용 또한 국민들 사이에 깊이 침투하여 사람들의 생활에 있어서 “당연”하고 “없어서는 안될” 공기와 같은 생활의 기본 요소가 되어가고 있다. 이처럼 우리 사회는 정보통신이 공기나 물처럼 어디서든 이용이 가능하여 모든 사람들의 경제, 사회, 문화 등 모든 활동의 기반이 되는 유비쿼터스 사회로 진화하여 가고 있다. 4세대 이동통신이야말로 이러한 진화를 가속화시키고 실현시키는 기반이 될 것이다.

본 고에서는 주로 4세대 이동통신 무선 전송 부문의 요소 기술 동향, 국내외 개발 동향 및 표준화 동향 등을 간략히 살펴보고자 한다.

2. 무선 전송 요소 기술 동향

4세대 이동통신 시스템은 3세대 이동통신 시스템의 단점을 극복하고 차별성을 갖기 위해 다음과 같은 사항들이 고려되는 방향으로 개발되고 있다.

- 주파수 효율성(frequency efficiency)의 향상

- Cell coverage의 증대

- QoS와 서비스 등급의 차별화 등에 의한 가격대비 전송률 최적화

- 서비스의 효율적 지원을 위한 단말기 하드웨어의 재구성 기능

- All IP환경을 위한 패킷 전용 시스템 구현

- 3G 시스템, 근거리 무선통신 시스템 그리고 방송 시스템 등과 같은 기존 시스템과의 harmonization 또는 convergence

위와 같은 개발 방향 중에서 다음과 같은 사항이 무선 전송 분야의 핵심적 이슈로 정리될 수 있다.

- 고속의 데이터 전송: 3G보다 10~100배(100Mbps~1Gbps) 전송 용량((그림 2) 참조)

- 새로운 주파수 밴드: 3~5GHz 대역에서 주파수 결정

- 대역폭(Bandwidth): 20~40MHz

- 셀 크기: 고주파수 대역에서도 셀 반경이 커질 수 있는 기술(계층적 셀 구조)

- 다양한 트래픽 패턴 수용: (그림 1)과 같은 4세대 비전을 달성하기 위해 다양한 전송 방식을 수용하고 수비트에서 수백 메가까지 전송이 가능한 새로운 전송 방식 및 구조

이러한 핵심적 이슈를 해결하기 위한 4세대 무선 전송 요소 기술들은 무선 다중 접속 및 다중화, 고속 패킷 무선 전송, 무선 링크 제어 등으로 구분될 수 있으며, 이외에 초고속 모뎀 구조 기술 등이 구현 분야의 핵심 기술로 생각될 수 있다. 다음은 각 요소 기술 분야의 주요 동향을 간략히 분석한 것이다.

가. 무선 다중 접속 및 다중화

이동통신 시스템에서의 자원은 주파수 채널, 즉 주파수 대역이며, 유한한 주파수 대역을 사용자간에 효율적으로 할당하여 사용하는 방법론이 다중 접속(Multiple Access)이고, 양방향 통신에서 UL(Up Link)과 DL(Down Link)의 연결을 구분하는 연결 방법론이 다중화(Duplexing)이다. 무선 다중 접속 및 다중화 방식은 한정된 주파수 자원을 효율적으로 사용하기 위한 무선 전송 기술의 가장 기본이 되는 플랫폼 기술이며, 할당된 주파수 대역, 사용자 수, 전송률, 이동성, 셀 구조, 무선 환경 등에 따라 결정된다.

현재 4세대 무선 전송 방식의 후보로는 OFDM, CDMA, OFDM-CDMA Hybrid 방식이 주로 거론되고 있다. 4세대 이동통신의 요구 사항 중 하나인 높은 전송률을 얻기 위해서는 다중 경로 감쇄 특징을 갖는 무선 채널 환경에서 강인한 특성을 지녀야 하며, 또한 서비스가 서킷 중심에서 패킷 중심으로 바뀌면서 버스트 데이터 전송 특성과 좋은 granularity 특성을 가져야 한다. OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)은 여러 개의 반송파를 사용하는 다수반송파 전송/변조(MultiCarrier Transmission/Modulation: MCM) 방식의 일종으로 입력 데이터를 사용 반송파의 수만큼 병렬화하고 데이터를 각 반송파에 실어 전송하는 방식이다. OFDM은 4세대 이동통신의 요구 특성을 만족시키는 유력한 무선 전송 기술의 후보로 대두되고 있으며, 사용자의 다중 접속 방식에 따라 OFDM-FDMA, OFDM-TDMA, OFDM-CDMA로 나눌 수 있다. 각 방식은 각자 장단점이 있으며, 또한 각자의 단점을 보완하기 위한 기법들이 존재한다.

이들 중OFDM-FDMA(OFDMA)는 4세대 매크로/마이크로 셀룰러 인프라에 적합한 방식으로 셀 내 간섭이 없고 주파수 재사용 효율이 높으며, 적응 변조 및 granularity가 뛰어나다. 또한, OFDM-FDMA의 단점을 보완하기 위해 분산 주파수 도약 기법, 다중 안테나 기법, 강력한 부호화 기법 등을 사용하여 다이버시티를 높이고 셀 간 간섭의 영향을 줄일 수 있다. OFDMA 방식은 각 사용자가 요구하는 전송률에 따라 부반송파의 개수를 다르게 할당함으로써 자원분배를 효율적으로 할 수 있으며, OFDM-TDMA와 같이 각 사용자마다 데이터를 수신하기 전에 프리앰블을 사용하여 초기화할 필요가 없기 때문에 전송 효율이 증가하게 된다. 특히, OFDMA 방식은 많은 수의 부반송파를 사용할 경우(즉, FFT 크기가 큰 경우)에 적합하기 때문에 시간지연확산(Time Delay Spread)이 비교적 큰 넓은 지역의 셀을 갖는 무선통신 시스템에 효율적으로 적용된다. 또한 frequency-hopping OFDMA 방식은 무선 채널에서 깊은 페이딩에 빠진 부반송파가 존재하는 경우나 다른 사용자에 의한 부반송파 간섭이 존재하는 경우에 이를 극복하여 주파수 다이버시티 효과를 높이고 간섭평균효과를 얻는데 사용된다. (그림 3)은 주파수 영역에서 할당 받은 격자가 시간 슬롯에 따라 frequency-hopping하는 OFDMA 방식을 나타낸다.

나. 고속 패킷 전송 방식

(1) MIMO/STC(Space Time Code)

고속의 데이터 전송을 요하는 차세대 이동통신 시스템에서는 현저하게 높은 채널 용량을 필요로 한다. 이를 위해 기존의 단일 송수신 안테나 대신 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 시스템의 도입이 필수적이다. MIMO는 다중의 입출력을 가지고 있는 다중 안테나 시스템을 지칭한다. MIMO 시스템에서 각 전송 안테나마다 서로 다른 정보를 전송하여 정보의 양을 높일 수 있고, STC 를 사용하여 전송 정보에 다이버시티 효과를 주고 코딩 이득을 가질 수 있도록 하여 전송 정보의 신뢰도를 높일 수 있다

(그림 4)는 MIMO 시스템의 전체적인 구성을 보여주며, 여기서 송수신단은 각각 M, N 개의 안테나를 포함한다. M 개의 송신 안테나들로부터 각각 동일 시간에 동일 주파수를 사용하여 독립적인 심볼들을 전송하게 된다. 이렇게 송신된 신호들은 무선 채널상의 산란체들에 따라 공간적으로 다른 페이딩을 겪게 되며 서로 다른 공간 특성을 갖게 되어 신호를 구별할 수 있게 된다.

(2) High-order Modulation/AMC(Adaptive Modulation & Coding)

한정된 주파수 대역을 이용하여 고속의 정보를 전송하기 위해서는 주파수 대역 사용의 효율성을 높이는 것이 무엇보다도 필요하다. 이를 위하여 현재 사용되고 있는 PSK(Phase Shift Keying) 변조 방식보다 주파수 사용 효율이 높은 QAM(Quadrature Amplitude Modulation) 방식이 주로 도입되고 있다. 또한, 열악한 전송 환경에서도 고품질, 고신뢰성 통신을 지속적으로 전송하기 위해 채널 상황에 적절하게 전송 방식의 변화를 주는 적응형 변조 방식이 개발되고 있다. 현재까지 대부분의 시스템들은 시간 선택성을 고려하지 않고 최악의 채널 상태 환경을 가정하여 설계되어, 전체 채널 용량 측면에서 비효율적인 결과를 보였다. 하지만, 최근에는 다양한 채널 상태에 만족하고 페이딩 효과를 줄이기 위한 적응 변조 기술들이 개발되고 있다.

광대역 데이터 및 고속 패킷 전송을 지원하기 위한 강력한 오류 정정 부호화 기법은 차세대 이동통신 시스템에 있어서 핵심적인 요소이다. 1993년 터보 복호 방법이 처음으로 제안된 이래 Shannon 한계에 접근하는 오류 확률을 나타내는 고성능 오류 정정 부호에 대한 관심이 높아지고 있으며, IMT-2000시스템도 터보 부호를 채택하고 있다. 터보 부호의 핵심적인 기술은 반복 복호 기법(iterative decoding)으로, 이 기술은 고성능 복호 방법의 새로운 영역으로 발전했으며, 이 방법으로부터 그래프를 이용한 복호 방법이 주목을 받게 되었다. 하지만 4세대 이동통신 시스템에서 요구되고 있는 상당히 낮은 오류 확률에서 터보 부호는 성능의 한계를 나타내고 있어 그래프를 기반으로 한 새로운 종류의 부호 방법에 대한 관심이 높아지게 되었다. 이에 따라 새롭게 주목을 받게 된 오류 정정 부호가 저밀도 패리티 검사 부호(Low density parity check code: LDPC)이다. LDPC는 1962년 처음 제안되어 우수한 성능을 보여 주었으나 당시 기술로는 대단히 높은 구현의 복잡도로 인하여 오랫동안 잊혀져 왔다가 1995년에 다시 발견되었다. LDPC는 1의 개수가 0의 개수에 비해 희박한 행렬을 오류 검출 행렬로 갖는 블록 부호를 말한다.

다. 무선 링크 제어

(1) HARQ(Hybrid Automatic Repeat reQuest)

오류 제어 알고리즘은 크게 재전송(ARQ)과 오류 정정(Forward Error Correction) 두 방식으로 분류될 수 있다. 재전송은 OSI 모델의 데이터 링크 프로토콜(Data Link Protocol)에서, 오류 정정은 물리 계층(Physical Layer)에서 이루어진다. H-ARQ란 재전송과 오류 정정을 결합하여 오류를 제어하는 기술이다. 최근, 무선 인터넷 패킷처럼 버스트하게 발생하는 성질을 지닌 패킷 데이터 서비스를 준비하는 시스템에서 처리율을 향상시키기 위해, H-ARQ기술을 도입하고 있다.

(2) 패킷 스케줄러

4세대 이동통신 시스템은 3세대에서 제공하는 무선 인터넷 서비스뿐만 아니라 Voice-over- IP, video streaming 같이 QoS를 필요로 하는 패킷 서비스를 기반으로 하는 시스템이 될 것이다. 그러므로 서비스 특성에 따라 안정적인 성능으로 패킷을 처리하고 패킷 데이터 채널의 이용률을 최대화하여 패킷 전송을 효율적으로 처리하는 패킷 스케줄러의 개발이 필수적이다. 패킷 스케줄러는 물리 계층과 직접적으로 연결되어 패킷 제어에 소요되는 지연을 최소화하고, H-ARQ, AMC, 처리율 제어 등과 밀접한 관계를 가지고 패킷 데이터 채널을 제어하여 패킷 전송을 효율적으로 처리하여야 한다.

(3) Handover 및 Power Control

핸드오버는 이동 사용자의 서비스가 끊김 없이 유지되도록 하고, 다른 무선 경로간의 데이터를 컴바인하여 다이버시티 효과를 얻을 수 있었으며, 간섭량을 줄이는 장점이 있다. 그러나, 핸드오버를 위하여 별도의 무선 자원을 할당해야 함과 동시에 잦은 핸드오버가 발생되는 경우에는 시스템 부하를 증가시키는 단점이 있어 왔다. 이러한 단점들을 극복하고 이동 환경에서 지속적인 패킷 서비스를 제공하기 위해 3GPP에서는 FCS(Fast Cell Selection)이 개발되었다. FCS 알고리즘은 패킷 서비스를 위하여 active set에 있는 셀 중에서 무선 환경뿐만 아니라 전력과 코드 스페이스 면에서 최선의 셀을 선정하여 서비스를 제공하는 방식이다.

패킷 데이터 전송을 위한 시스템에서는 핸드오버와 마찬가지로 전력 제어 역시 기존의 방법을 적용하기는 어렵다. 현재까지의 전력 제어 알고리즘은 전용 파일럿 채널(dedicated pilot channel) 또는 심볼을 이용하여 채널을 추정하고 이를 이용하여 전력 제어 명령어 생성 및 전송하여 송신전력을 조절하는 방법으로 1,600Hz 또는 800Hz의 빠른 전력 제어가 이루어졌다. 그러나, 패킷 전송 시스템에서는 패킷 데이터 채널이 지속적이지 않을 뿐만 아니라, 고정된 하나의 QoS를 적용하지 않고 다양한 QoS를 지원할 수 있어야 함에 따라, 송신 전력을 조정하여 무선 채널 구간의 장애를 극복하고 균일한 수신 레벨을 맞추기보다는 무선 채널 환경에 따른 최대 처리율을 달성하는 것이 최선으로 간주되고 있다.

3. 국내외 동향

가. 국외 동향

유럽은 EC(European Commission) 산하의 IST(Information Society Technologies) 기구의 WSI(Wireless Strategic Initiative) 프로젝트의 한 포럼인 WWRF(Wireless World Research Forum)를 통하여 4세대 이동통신의 비전 정립과 요소 기술의 연구 작업을 진행하고 있다. 일본은 ARIB 주도하에 2001년 6월 mITF(Mobile IT Forum)를 결성하여 범국가적으로 4세대 이동통신 연구를 진행하고 있으며, 중국은 1992년에 결성된 863 Communications High Tech R&D Program의 Future Technologies for Universal Radio Environment(FuTURE) Project에서 4세대 이동통신 개발을 중장기적으로 추진하고 있다.

또한 많은 기업들이 4세대 이동통신 시스템은 아니지만 무선 데이터 서비스를 제공하는 시스템을 개발하고 있다. 이중에는 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)과 CDMA(Code Division Multiple Access)를 기반으로 한 시스템이 많은 부분을 차지하고 있다. 이들의 현재 목적 대상과 시장은 MMDS(Microwave Multipoint Distribution System), WLL (Wireless Local Loop), Cellular, WLAN, Fixed Wireless, DVB(Digital Video Broadcasting) 등으로 다양하나, 결국 4세대로 발전하는 것을 궁극적인 목표로 하고 있다.

나. 국내 동향

국내에서는 정통부가 중장기 발전계획을 수립하고 2007년까지 1단계로 4세대 이동통신의 핵심 기술 확보에 적극 나서고 있다. 이 계획의 일환으로 ETRI 이동통신연구단을 중심으로 지난 2002년 1월부터 4세대 이동통신 기술 개발 사업이 시작되었다. 4세대 이동통신 기술 개발 사업은 2005년까지는 외국의 유사 시스템들과의 경쟁력에서 우의를 점할 수 있는 핵심 요소 기술들을 조기에 확보하고, 2007년까지는 시험 시스템 개발을 완료하여 국제 표준화는 물론 향후의 4세대 이동통신 시장을 주도할 목적으로 추진되고 있다. ETRI에서 구현하는 시스템은 최대 100Mbps의 전송률을 가지는 4세대 이동통신 시스템이다. 이 시스템에서는 IMT-2000에서 제공하는 동일 서비스에 비해 높은 전송률을 사용하여 보다 양질의 서비스를 제공할 수 있다. 사용자는 휴대용 단말기에서 바로 인터넷에 접속하여 종래에는 유/무선 LAN에서만 제공되었던 20Mbps 이상의 고속 데이터 서비스 등 다양한 서비스를 제공받을 수 있다. 전송률이 2Mbps인 디지털 오디오 방송 및 전송률 23Mbps인 디지털 비디오 방송도 이러한 시스템과 결합하여 서비스될 것으로 예측된다.

한편, NGMC(Next Generation Mobile Communication) 포럼은 기존의 ‘4세대 이동통신 비전 연구위원회’를 확대 개편하여 2003년 11월에 설립되었다. 이 포럼은 국내의 주요 통신사업자, 국내외 제조업체, MIC, 연구기관, 그리고 대학의 전문가들을 회원으로 하여, 관련 기술 동향 분석과 비전 확립, WWRF, mITF, FuTURE 등 외국 포럼과의 표준화 및 국제 협력, R&D 전략 조정, 스펙트럼 할당계획 수립 등을 목적으로 하고 있다.

다. 표준 동향

4세대 이동통신 시스템에 대한 표준화 작업은 ITU-R의 일정에 따르면 2007년 이후에야 구체화되기 시작할 것으로 예상된다. 따라서, 4세대 시스템의 표준화 과정은 시스템 개발 및 상용화를 먼저 수행하고 이를 바탕으로 표준화에 주도권을 잡는 ‘de Facto Standard’의 방식이 유력하다. 예를 들어, 현재 3GPP나 3GPP2와 같은 국지적인 표준화기구가 4세대의 경우에도 생성되어, 표준화 자체는 국지적인 표준화 기구에 의하여 수행되고, ITU-R은 이들 국지적 표준화 기구의 안을 승인하는 형태로 전세계 표준화 과정이 진행될 것으로 예측되고 있다.

(1) ITU-R

IMT-2000표준화를 담당하던 ITU-R SG8 산하의 한시 그룹인 TG8/1은 1999년 11월 헬싱키에서 IMT.RSPC 권고안을 최종 완성함으로써 그 역할을 종료하였으며, ITU-R WP8F는 IMT-2000 권고의 개정, 추가 주파수 이용, IMT-2000 진화 시스템, Beyond IMT-2000 시스템의 작업 등을 수행하기 위하여 2000년 3월 새롭게 결성되었다. 현재 IMT-2000 진화 시스템 및 Beyond IMT-2000의 비전 및 요구사항은 WG Vision에서 수행되며, 이 비전을 바탕으로 Beyond IMT-2000의 서비스, 주파수, 무선접속 기술 등에 대한 연구도 진행되고 있다. Beyond IMT-2000 시스템은 IMT-2000, IMT-2000 진화 시스템, 4세대 시스템, 근거리 무선통신, 디지털 방송 시스템을 포함하는 종합적인 시스템이다. Beyond IMT-2000 무선접속의 최대 데이터 전송 속도는 고속에서 100Mbps이며, 저속에서 활용되는 유목/근거리 무선통신의 최대 데이터 전송 속도는 1Gbps로 정의된다.

(2) IEEE

IEEE 802.16 은 1999년 6월에 표준화 활동을 시작하였으며 무선 MAN(Metropolitan Area Network)관련 표준을 진행중이다. 10~66GHz 주파수 대역을 사용하는 802.16표준이 2001년 12월에 완성되었으며 11GHz이하의 주파수 대역을 사용하는 802.16d-2004 표준이 2004년 6월에 완성되었다. 최근에 802.16d에 중저속의 이동성을 도입하고 70Mbps 전송 속도가 가능한 초고속 패킷 데이터 서비스용 802.16e 표준 제정이 거의 마무리 단계에 있으며, 국내에서는 이 표준을 기반으로 하는 휴대인터넷(WiBro) 서비스가 2.3GHz 대역에서 2006년 전반기에 제공될 예정이다. 또한 고속 이동성 및 로밍 기능을 가지고 사용자당 1Mbps 이상의 전송 속도를 가능하게 하려는 802.20 표준 연구도 진행되고 있다. 802.20의 2004년 7월 회의에서는 차세대 이동통신 시스템에 대한 요구사항 정의가 완료되었다.

(3) 3GPP 및 3GPP2

GSM을 기반으로 하는 비동기식 IMT-2000 시스템(WCDMA)의 규격을 작성하는 3GPP(3rd Generation Partnership Project)와 IS-95를 기반으로 하는 동기식 IMT-2000 시스템(CDMA 2000)의 규격을 작성하는 3GPP2는 현재 IMT-2000의 enhanced 버전의 표준 작업에 주력하고 있으며, 아직 4세대 이동통신 시스템의 표준에 대한 작업은 구체적으로 진행하지 않고 있다. 그러나, OFDM과 MIMO 기술의 채용 등 새로운 규격에 대비한 선행 연구 등은 소규모로 진행하고 있으며, 현재 표준을 진행 중인 여러 요소 기술들, 즉 AMC, HARQ, Fast Handoff, 멀티미디어 방송 서비스 및 무선LAN과의 연동 등의 기술들은 4세대에서도 그대로 적용될 수 있는 수준으로 개발되고 있다.

4. 결론

4세대 이동통신은 글로벌한 대응이 필요한 분야이다. 장기적인 관점에서의 비전과 개념을 설정하고 핵심이 되는 요소 기술을 선도적으로 확보해 나가면서, 세계와의 경쟁과 협조를 통한 기술 개발의 추진이 필요하다. 또한, 산업의 경쟁력을 확보하기 위해서는 IPR(지적소유권)의 조기 발굴이 필요하다. 4세대 이동통신은 IPR의 집적 시스템이며, 표준화의 주도권을 확보하기 위해 이러한 IPR의 조기 확보 전략이 매우 요구되고 있다. 한편, 4세대 이동통신은 새로운 서비스와 비즈니스의 견인차가 될 것이다. 4세대 이동통신은 향후 기술 진전에 따라 전자화폐, 모바일EC, intelligent 가전, 음악, 영상 콘텐츠의 배포, 로봇 제어 등 새로운 서비스, 비즈니스를 창출하여 편리하고 윤택한 라이프 스타일을 실현할 것이다.