5G 통신 기술

요 약

본고에서는 먼저 서비스 측면에서 사용자 중심인 모바일인 터넷과 기기 간 통신인 사물인터넷 서비스, 단말 측면에서 안 경단말기, HMD(Head Mounted Display), 드론, 스마트센서, Connected Car가 어떻게 5G 통신의 견인차 역할을 하는 지 알 아보고, 5G서비스와 단말을 수용하는 코어와 무선액세스 네트워 크 구조 및 중요 기술에 대해 설명한다. 또한, 5G 주파수 소요량 분석 및 선정을 위한 ITU-R 동향에 대해서도 간략히 알아본다.

Ⅰ. 서 론

1980년대 초에 1세대 이동통신 AMPS(Advanced Mobile Phone System)가 생겨난 이래로 이동통신은 서비스와 이를 사 용자에게 실현시켜주는 단말기가 이끌어 왔다. 단말기는 그 시 대의 서비스를 최대로 보여주기 위해 만들어지기도 하였는데, 근래에 2007년도의 스마트폰 출현은 서비스의 형태를 사용자 친화적으로 변화시키기도 하였다. 이런 장점이 있는 스마트폰 의 출현은 모바일 트래픽을 폭발적으로 증가시켰고, 매년 2배 씩 증가한다는 예측이 있어[1], 마침내는 4G LTE/LTE-A도 감 당하지 못하여 그 보다 대용량의 기술이 필요하게 되었다. 이것 이 5G를 추진하게 된 첫 번째 요인이다.

<그림 1>은 스마트폰의 출현으로 모바일 트래픽의 첫 번째 빅 뱅이 일어났고, 향후에는 보다 스마트한 사용자 중심 단말기기 들(예, 폴더 태블릿, 안경폰)과 기기 간 통신(M2M: machine to machine) 단말기기들(예, 고도화된 센서, 진화된 자동차 블 랙박스)이 출현함으로서 모바일트래픽 빅뱅이 더욱 더 가속화 되는 것을 나타내고 있다[2]. 기기 간 통신은 이른바 사물인터 넷(IoT: Internet of Things)로 불릴 수 있는데, 점점 많은 것 이 자동화되고 원격화되면서 필연적으로 사물간 통신이 활성화 될 것으로 보여진다. 이것이 5G를 추진하는 두 번째 요인이라 고 볼 수 있다.

이렇듯 5G를 추진하는 요인은 크게는 두가지가 있는데, 하 나는 보다 스마트한 단말이 이끄는 사용자 중심의 서비스와, 다 른 하나는 기기 중심의 사물인터넷이다. 사용자 중심의 서비스 는 보통 모바일인터넷이라고 부를 수 있는데, 5G는 보다 개선 되고 대용량 전송이 가능한 모바일인터넷 서비스가 펼쳐진다 하겠다. 사실 사물인터넷의 정의는 다양하여 사람대사람, 사물 대사물, 사람대사물 등을 모두 일컫는 경우가 있는데, 여기서는 단말 서비스에서 사용자 인터페이스가 개입되지 않고, 기기가 스스로 작동하는 경우를 사물인터넷이라 하겠다.

이런 서비스와 단말기의 발전은 새로운 네트워크 기술을 요 구하게 되고, 전 세계의 이런 기운들이 모여 ITU-R에서는 5G 이동통신의 비전과 표준개발 일정을 정하게 된다. 보통 ITU-R 에서는 5G와 같은 용어는 사용하지 않는데, 예로 4G도 ITU-R 에서의 이름은 IMT-Advanced이다. 5G에 대해서는 여러 이름 이 거론되고 있는데, IMT-2020이 유력하다. IMT-2020에 대 한 비전은 2015년 6월까지 정하게 되어 있고, 비전을 실현시키 는 Key Capability(핵심성능)가 같이 정해진다. 현재까지 정해 진 5G 핵심성능과 4G의 것이 <그림 2>에 나타나 있다[3]. 여 기서 보면, 4G는 사용자 중심의 모바일인터넷을 위해 이동성 (mobility)과 사용자 최대전송속도(Peak Data Rate) 만을 제 시하고 있는데, IMT-2020에서는 이를 개선시키는 것과 그에 더하여 기기 간 사물인터넷을 위해 Connection Density 를 더 두고 있는 것을 볼 수 있다. 이렇듯 5G는 사용자 중심의 개선된 모바일인터넷과 기기 간 통신의 사물인터넷을 주요 요소로 보

5G 통신 기술

방승찬 한국전자통신연구원

그림 1. 스마트폰 출현과 모바일 트래픽 빅뱅

고 있다.

ITU-R에서는 5G 요구 조건으로 <그림 2>의 8개의 핵심성 능를 두고 있는데, 이들을 동시에 만족시키는 기술이 5G 기 술이 되는 것이다. 4G까지는 핵심성능을 만족하는 기술이 무 선 측면에서 보면 하나의 RAT(Radio Access Technology) 로 이루어졌다. 대표적인 예로, 1G는 AMPS, 2G는 GSM 혹 은 cdma0ne, 3G는 W-CDMA 혹은 cdma2000, 4G는 LTE/

LTE-A가 그들이다. 이렇게 가능한 것은 4G까지는 이동성과 최대전송속도가 핵심성능이고 이것을 만족하는 것은 하나의 RAT으로 가능했기 때문이다. <그림 2>에서 4G와 5G에 대해 생김새에 따라 일명 각각 Van Diagram과 Spider Diagram으 로 불리기도 한다.

하지만, 5G에서는 하나의 RAT으로 8개의 핵심성능을 만족 시키는 것은 불가능해 보인다. 이것은 사물인터넷 경우는 모바 일인터넷하고는 달리 한 기지국에서 간헐적으로 낮은 전송속도 를 요구하는 센서 단말기들이 가능하면 많이, 오래 연결될수록 좋기 때문에 여기에 맞는 RAT은 사용자중심의 모바일인터넷 하고는 달라져야 하기 때문이다. 이뿐만 아니라 사용자중심 모 바일인터넷도 5G에서 보면, 다양한 이동성(<500 Km/h), 수십 Gbps의 최대전송속도, 다양한 환경에서의 100 Mbps~1 Gbps 의 사용자 경험 전송속도(User Experience Data Rate) 등을 요구하므로 다양한 환경에 적합한 multi-RAT이 필연적이다.

이런 multi-RAT 들은 어떤 것은 4G를 진화시키면서 만들 어질 수 있고, 어떤 것은 새롭게 만들어 질 것이다. 특히 사물인 터넷을 위해 3GPP(3^rd Generation Partnership Project)에서 만들어지는 MTC(Machine Type Communications)는 진화되 어 향후에 5G의 한 요소가 되기 쉽다. 새로운 RAT으로는 사용 자중심의 모바일인터넷이 더욱 대용량의 전송속도가 필요하므 로 6 GHz 이상의 기술들이 후보로 거론되고 있는데[4], 이 기 술들은 NRAT(New Radio Access Technology)로 될 가능성 이 많다. 이런 multi-RAT 들의 출현은 필연적으로 다양한 셀 예로 매크로셀, 마이크로셀, 피코셀, 펨토셀, 스몰셀 등을 고려 하게 되고, 또한 이것들을 상위에서 관장하는 네트워크가 중요 한 기술로 떠오르게 된다. 따라서 5G에서는 전체 네트워크 기 술, 다양한 셀에 대한 무선액세스 구조 기술, 각 셀들을 구성하 는 무선기술이 전체적으로 중요한 기술이 된다.

본 논문에서는 먼저 2장에서 5G의 대표 서비스를 알아보고, 3장에서는 코어 네트워크와 무선액세스 구조 기술에 대해, 4장 에서는 무선기술의 주요 요소들에 대해, 5장에서는 다양한 무 선기술이 대두되면서 여기에 관련된 주파수 동향에 대해 설명 하고, 끝으로 6장에서 결론을 맺는다.

Ⅱ. 서비스

서론에서 5G의 주된 추진 동기로 사용자 중심의 개선된 모바 일인터넷과 기기 간 통신인 사물인터넷을 거론하였다. 보통 모 바일인터넷은 대용량과 빠른 전송속도를 요구하고, 사물인터넷 은 많은 연결을 요구한다. 이 두 가지 서비스는 따로 존재하기 도 하고 같이 어우러지기도 하는데, 점점 발전할수록 사람이든 사물이든 모두 연결되어 빠른 전송속도를 요구하는 서비스로 가게 될 것이다. 즉 5G는 점점 초연결(Hyper-connectivity) 세상 혹은 사회로 가면서, 사용자와 사물은 4G에서는 평균적으 그림 2. 4G와 5G의 Key Capabilities

그림 3. 각 세대별 영화 다운로드 시간[2]

로 경험하기 힘든 Gigabit 경험을 하게 되는 것이다. 또한 5G 최대전송속도 측면에서는 <그림 2>에서 보면 수십Gbps가 될 가능성이 있는데, 예를 들어 4 GB(giga byte)의 영화를 다운로 드 받는 경우 걸리는 시간이 단 몇초가 된다. 이에 대한 각 세대 별 비교가 <그림 3>에 나타나 있다.

향후 모바일인터넷의 대표 서비스는 UHD(Ultra High Definition)과 홀로그램 서비스가 될 것이다. 이것들은 미디어 기술 측면에서 계속 발전하고 있는데, 이동통신과는 안경단말 기와 HMD(Head Mounted Display) 기술을 통한 고품질의 영 상 경험을 요구할 때와 드론을 통한 다양한 영상 전송 등과 어 우러지면서 파괴력이 있을 것이다. 안경단말기와 HMD 기술은 이런 영상기술뿐만이 아니라 통신에서도 상당한 기술을 필요로 한다. 대표적인 웨어러블 기기로서 인체에 해가 없어야 되기 때 문에 기지국 혹은 스마트폰과 통신할 때 에너지 측면에서도 매 우 세심한 기술을 요구한다. <그림 4>는 두바이 경찰이 교통위 반 차량 번호판을 구글글래스 영상을 중앙서버에 보내어 인식 한다는 2014년 5월 기사이다. 이렇게 안경단말기는 5G 시대 전 에도 우리에게 다가와 있고, 5G시대에서는 대용량 모바일인터 넷 인프라와 어울려 더욱 사용처가 증가할 것이다. HMD 기술 은 앞을 가리기 때문에 착용 시에 움직이는 것은 힘들 것이다.

하지만, 사용자가 가만히 있으면서 무선으로 대용량의 서비스 를 받는 환경은 점점 많아지므로(예, 집안, 건물안, 야외집회장, 차량내 등), HMD도 5G 모바일인터넷과 어울리면서 특히 가상 현실 측면에서 많은 서비스를 창출하리라 본다.

드론은 하늘의 산업 혁명이라 불릴 만큼 매우 주목 받는 기 술이다. <그림 5>는 DHL과 아마존의 배달 서비스를 하고 있는 드론을 나타내고 있다. 이 밖에도 농업, 재난 등에서 여러 드론 들이 사용되고 있다. 현재 이런 드론은 중앙에서 제어하여 통신

을 하고 있다. 드론을 좀 더 멀리 보내고자 한다면, 중앙제어로 는 한계가 있을 것이다. 향후에는 분산제어를 통해 드론을 멀리 보내는 기술도 나올 것이다. 예를 들어 셀룰러 네트워크와 접 목하여 드론을 마치 하나의 단말기, 릴레이, 혹은 움직이는 기 지국으로 통신하는 기술이 나오게 된다. 이런 경우 드론 비행로 통제, 멀리 갈 때의 밧데리 충전, 사고 사전방지 등의 관련 규제 및 기술이 접목될 것으로 보인다.

사용자 인터페이스가 직접적으로 개입하지 않는 대표적인 사 물인터넷은 센서이다. 센서 기술 자체는 5G 통신 기술이라고 볼 수 없지만, 5G 통신 기술이 사물인터넷의 개선된 인프라를 제공 하면서 센서 기술도 같이 발전할 것으로 보인다. <그림 6>은 스 마트 센서 분야를 나타낸다. 여기서 보면 에너지, 의료, 농업, 스 마트카 등에서 센서가 발전하는 것을 보여주고 있다. 특히 의료

그림 4. 두바이 경찰이 구글글래스를 사용

그림 5. DHL과 아마존의 드론(출처: 구글 이미지)

그림 6. 스마트 센서 분야[5]

측면에서 현재 스마트워치로 맥박수, 위험상황 등을 감지하여 중 앙에 보내주는 것이 나오고 있다. 스마트카에서는 네비게이션, 블랙박스, 충돌방지센서 등을 통해 위치 혹은 사고상황을 알려준 다거나 사고를 사전에 방지하는 기술이 접목되고 있다.

특히 스마트카는 사물인터넷뿐만 아니라 모바일인터넷에서 도 큰 몫을 할 것으로 보인다. 이것은 자동차가 점점 자동화되 고 무인화되면서 탑승자는 물론 운전자까지도 여유가 생기면서 모바일인터넷을 즐길 수 있기 때문이다. 또한, 차량에는 충분 한 밧데리가 있기 때문에 차량 상호간에 통신을 통하여 정보교 환도 하고, 경우에 따라서는 다른 차량을 이용하여 기지국과 통 신할 수도 있을 것이다. 이렇게 스마트카에는 센서, 차량간 통 신, 기지국과의 통신 등 사물인터넷과 모바일인터넷이 어우러 지는 기술이 있게 되는데, 이것이 이른바 Connected Car라 불 리는 서비스 및 기술이다. <그림 7>은 3GPP(3^rd Generation Partnership Project)에서 진행 중인 V2X(Vehicle to Everything)에 대한 개념도이다. 여기서 V2X는 V2V(Ve- hicle to Vehicle), V2I(Vehicle to Infra), V2P(Vehicle to Pedestrian)을 나타낸다.

Ⅲ. 코어 및 무선액세스 네트워크 구조

1. 코어 네트워크 구조

앞서 5G의 기가비트 경험의 서비스에는 사용자 중심의 모바 일인터넷과 기기 간 통신인 사물인터넷을 알아보았는데, 이런 서비스를 실현하기 위해서는 네트워크 기술이 수반되어야 한 다. 특히 초연결 세상의 기가비트 서비스는 필연적으로 에너 지소모가 많이 될 수가 있으므로 에너지를 효율적으로 사용하 는 네트워크가 중요하다. 또한, 사물인터넷이 발전하면서 스마 트그리드의 빠른 전력제어, 무인자동차의 빠른 응답속도 등과

같은 서비스를 위하여 네트워크에서 지연을 최소화하는 기술 이 중요하게 된다. 이렇게 볼 때, 정리하면 5G에서는 네가지 기 술 요소가 있다. 용량(Capacity), 연결(Connectivity), 에너지 (Energy), 지연(Latency)이 그것들이다. 5G의 코어 네트워크 과 무선액세스 구조도 위 네가지 기술 요소에 대해 효율적으로 개선하는 방향이 될 것이다.

5G의 코어 네트워크 기능에 대해서는 크게는 4G의 연장선에 서 존재하는 것과 4G와는 별도로 새로 만들어지는 것이 있을 수 있다. 여하튼 5G 단말기는 4G와 호환성이 있어야 하므로, 5G 코 어 네트워크 기능이 새로 만들어진다 하더라도 4G 코어 네트워 크와 관계가 있어야 한다. <그림 8>은 NGMN 5G 백서에 나와 있는 5G와 4G 코어 네트워크 및 RAN(Radio Access Network:

무선액세스 네트워크)의 향후 발전 방향 후보들이다. 여기서 는 무선액세스에 대해서는 특히 5G NRAT(New Radio Access Technology)와 4G Evolution과의 관계를 나타내고 있다.

5G의 NRAT이 <그림 8>에서 Option 1처럼 4G 코어 네트워 크에 연결된다면, 5G 코어 네트워크는 존재하지 않아도 된다.

하지만, 5G의 무선액세스는 다양한 무선기술이 혼재된 Het- erogeneous Network이 예상되므로, 5G 코어 네트워크는 새 로운 5G 액세스와 기존의 다양한 액세스를 통합 수용하여 액세 스의 종류에 관계없이 끊김 없는 서비스를 사용자에게 제공할 필요가 있다. 특히 WiFi 등과 같은 Hot Spot뿐 아니라 유선 액 세스까지 통합하는 네트워크 구조를 통해 유-무선의 구분이 없 이 사용자들에게 최적 방법으로 서비스를 제공하는 것을 목표 로 할 가능성이 많다. 또한, 유선의 끝이 WLAN/WPAN/femto cell을 통해 무선화하기 때문에 모바일 기기 입장에서 보면 유 선과 무선 네트워크를 통합 이용하는 구조가 중요해 지는 것이 다. 이렇게 보면 5G에서는 다양한 유무선액세스를 통합하는 코 어 네트워크가 새로운 무선전송기술(NRAT)을 만드는 것 못지 않게 중요하다는 것을 알 수 있다. 이런 연유로 5G 코어 네트워 크는 <그림 8>에서 Option 3로 갈 가능성이 농후하다.

<그림 9>는 <그림 8> Option 3의 한 예를 나타내고 있다. 여 그림 7. Connected Car(V2X) 개념[6]

그림 8. 5G 코어네트워크 및 무선액세스 구조 발전방향 후보[7]

기서 보면, 5G 코어 네트워크는 유무선을 모두 관장하는 것을 볼 수 있고, WLAN이 코어네트워크에 연결되어 있는 것(Type 2)과 매크로셀에 연결되어 있는 것(Tyep 1)을 모두 볼 수 있고, 개인셀 (Personal Cell), 스몰셀(Small Cell), 사물인터넷의 대 명사인 센서 등이 매크로셀 하에 존재하여, 코어네트워크을 통 해 그들 간에 끊김 없는 서비스가 가능한 구조라는 것을 볼 수 있다. 또한 D2D(Device to Device)는 매크로셀이 관장하는 것 과 독립적인 것이 존재하는 것을 볼 수 있다.

앞서 5G 기술 요소로 용량, 연결, 지연, 그리고 에너지를 언 급한 바 있다. 최근 들어 언급되는 SDN(Software Defined Network)과 NFV(Network Function Virtualization)는 에너 지 절약을 추구하고, 분산구조는 용량증대, 연결증대, 지연단축 에 효율적 기술이라고 볼 수 있다. 에너지 절약은 사실상 모든 기술이 추구하는 것으로 해석할 수 있지만, 특히 SDN과 NFV 가 에너지 절약에 관련된다는 것은 현재의 코어 네트워크는 제 어와 데이터 플레인 기능이 결합된 장비로 이루어져 네트워 크 업그레이드 및 용량증설이 어려운 고비용 구조인데, SDN과 NFV는 제어와 데이터 플레인의 분리를 통한 가상화 기반 인프 라로 전환하는 기술이며 이를 통해 비용을 절약할 수 있기 때문 이다. 이런 기능의 SDN과 NFV는 기본적으로 네트워크의 지능 화(Intelligence)와 유연성(Flexibility)을 높이는 장점이 있다 [9][10]. SDN 기반의 가상화와 합쳐진 개방제어 기술은 데이타 센타 네트워크를 중심으로 보급되어 점차 확대 되고 있으며 모 바일 코어 네트워크로 확대될 것이 예상된다.

<그림 10>은 분산구조 중에 하나인 5G UFA(Ultra Flat Architecture)은 나타낸다. 기존의 3GPP 4G 모바일 코어 네 트워크의 경우 고정된 P-GW(Packet Data Network–Gate Way) 를 중심으로 한 계층적 중앙 집중형으로 구성되어 있어 트래픽 폭증에 따른 네트워크 확장성의 측면에서 취약하다. 이 런 점을 보완하기 위해 GW의 계층을 줄이고, GW를 무선액세 스 쪽에 전진 배치한다. 분산구조 기술은 단순히 기존의 네트워

크 장비 수 증가가 아닌 근본적인 구조 변환을 필요로 한다. 즉 전진 배치로 인해 GW 간의 이동이 빈번해 질 것이 예상되나 현 재 네트워크의 구조에서는 단말의 접속이 새로 이루어지기 전 에는 P-GW 및 단말 IP 주소의 변경이 불가능하여 P-GW 간 의 이동성 제공이 어렵다. 분산구조로 전환 시 예상되는 앵커링 GW 및 단말의 IP 주소 변경 시에도 서비스의 연속성을 보장하 기 위한 새로운 기술이 연구되고 있다[11].

2. 무선액세스 네트워크 구조

앞서 5G서비스는 크게 사용자중심 모바일인터넷과 기기 간 통신 사물인터넷으로 발전할 것으로 언급하였다. 무선액세스 네트워크도 이것에 맞추어 발전하게 되는데, 크게는 네트워크 경유 통신 기술과 그렇지 않은 직접통신(D2D)으로 나눌 수 있 다. 직접통신에서 데이터통신은 기기 간 직접적으로 이루어지 지만, 제어는 네트워크 제어와 그렇지 않은 경우가 존재할 수 있다. 기기 간 사물인터넷은 M2M(Machine to Machine)으로 불릴 수 있는데, M2M은 네트워크 경유와 직접 통신 모두 가능 하다. M2M 중에 센서는 초소형화, 저전력화, 대량 연결화 등을 추구하므로 다른 기기하고는 달리 특별 기술로 취급할 수 있다.

네트워크 경유 통신은 사람 중심이든 사물 간이든 보통 모바일 인터넷으로 불리는 경향이 있다.

그림 9. 5G 코어 네트워크 구조 예[8]

그림 10. 5G UFA(Ultra Flat Architecture)[8]

그림 11. 서비스와 무선액세스 기술과의 관계

이렇게 볼 때, 5G 이동통신의 무선액세스는 크게 네트워크 경 유 모바일인터넷, D2D, 센서(M2M-Specific) 기술들로 분류 할 수 있다. 서비스와 이들과의 관계가 <그림 11>에 나와있다.

사용자 중심 모바일인터넷 서비스가 센서와는 연결이 되어 있 지 않지만, 사람이 개입한 센서의 원격제어 등을 고려한다면, 이 둘 사이도 연결되어 있는 것과 같다. 여기서는 센서 자체에 직접적으로 사람이 개입하지 않으므로 연결시키지 않았다. 네 트워크 경유 모바일인터넷을 사용하는 사물인터넷은 센서뿐만 이 아니라 각종 기기도 포함된다. 향후 텔레프레젠스에서 개인 대신의 역할을 하는 기기 혹은 로봇이 나온다면, 이는 사람 같 은 사물로서 많은 데이터 량을 요구하게 될 것이다.

<그림 12>는 5G의 무선액세스로서 모바일인터넷, D2D, M2M-Specific(센서)의 구성요소를 나타낸다. 모바일인터넷을

보면 매크로셀과 스몰셀이 동시에 통신하는 Multi-node Con- nectivity, 인터넷에 연결되어 있는 Ultra-Dense Small Cell(코 어 네트워크에도 연결 가능), 코어 네트워크에 연결되어 고속 그룹 이동체(열차, 버스 등)과 통신하는 이동무선백홀 개념의 Mobile Hotspot Network, 버스가 매크로셀에 연결된 Moving Cell, 코어 네트워크에 연결된 스몰셀에서의 DAS(Distributed Antenna System), 그리고 개인 주변의 기기와 통신하는 개 인셀(Personal Cell) 등이 있다. D2D를 보면 매크로셀과 연결 되어 있는 In-coverage(네트워크 제어), 독립적인 Out-of- coverage(독립 제어), 그리고 차량간 통신(Vehicle-to-Vehicle Communications)을 볼 수 있다. M2M-Specific은 매크로셀에 연결되어 있는 모습과 센서 간에 통신하는 모습을 볼 수 있다.

이들에 대한 분류가 <표 1>에 나타나 있다.

표 1. 5G 무선액세스 기술 분류

센서를 무선액세스에 수용하는 형태는 표준화 단체마다 용어 가 다르다. 3GPP에서 현재 진행되는 것으로 면허대역을 이용 하는 LTE-MTC(Machine Type Communications)가 있는데, M2M 대신에 MTC라는 용어를 사용하고 있다. 또한 비면허대 역을 이용하는 IEEE 802.11ah 혹은 IEEE 802.15.4g 등이 있 다. 향후에는 이들의 발전 형태나 다른 형태의 기술이 나올 수 있을 것이다. 모바일인터넷도 면허대역과 비면허대역 기술이 있는데, 4G때까지는 주로 6 GHz 이하의 주파수를 사용하였 다. 대표적인 6 GHz이하의 면허대역 기술로는 세대별로 GSM/

CDMA(IS-95), cdma2000/W-CDMA, LTE/LTE-A등이 있 고, 비면허대역으로는 IEEE 802.11 계열의 WiFi가 있다. 향후 에는 대용량 전송을 위하여 면허든 비면허든 6 GHz이상을 사 용하는 기술이 나올 것이다. 현재 비면허로는 60 GHz를 사용 하는 IEEE802.11ad 기술이 상용화되고 있다. 5G 주파수에 대 해서는 5장에서 따로 다루기로 한다.

Ⅳ. 5G 무선액세스 기술

무선액세스 네트워크(RAN: Radio Access Network) 기술은 크게 구조(Architecture)와 전송(Transmission) 기술로 나눌 수 있다. <표 2>는 5G에서 거론되는 구조 및 전송 기술들과 모 바일인터넷, D2D, M2M-Specific과의 관계를 나타낸다. 여기 서 보면 많은 기술들이 네트워크 경유 모바일인터넷에 관련된 것을 볼 수 있다.

이 장에서는 <표 2>중에서 모바일인터넷에 관련된 mmWave 3D Beam Forming과 Moving Network 기술, D2D와 M2M –Specific에 관련된 D2D와 Massive Connectivity기술에 대 해 소개한다.

1. mmWave 3D Beam Forming기술

밀리미터파는 통상적으로 10 GHz 이상 ~ 300 GHz 이하 주 파수를 통칭하는데, 엄격하게는 파장이 1 cm ~ 1 mm 인 EHF (Extremely High Frequency) 대역 30 GHz ~ 300 GHz 주파수 그림 12. 5G 무선액세스 네트워크 구조

를 일컫는다. 밀리미터파는 전파의 특성상 직진성이 강하다. 반 대로 6 GHz 이하의 주파수는 직진성 대신에 반사와 회절 특성이 강하다. 밀리미터파의 짧은 파장으로 인해 비교적 작은 폼팩터를 유지하면서 높은 배열 안테나 이득을 획득하는 것이 가능하다.

따라서 이동통신 환경에서는 6 GHz 이하의 환경이 유리하다. 이 것이 이제까지 6 GHz 이하가 이동통신에 사용된 이유이다. 하지 만 점점 대용량과 높은 전송속도를 요구하는데, 전송 기술의 발 전은 그에 못 미치고 있다. 사실상 단일 안테나를 사용할 때의 모 듈레이션 기술은 거의 발전이 포화되어 샤논 한계에 다다르고 있 어서 전송기술은 다중안테나 기술을 도입하고 있다.

다중안테나 기술이 초기에는 전송속도를 높이기 위해 LTE 경우 2x2 MIMO(Multiple input Multiple Output)를 도입하 였고, 이 후에 4x4 MIMO까지 도입하고 있다. 이 경우 LTE는 최대 300 Mbps 정도 제공하는데, 이것도 매우 특수한 환경에 서나 가능하고, 더군다나 한 셀에서 이를 어떤 사용자에게 제공 할 경우 다른 사용자는 서비스를 못 받는다. 즉, 그 셀의 최대 전송속도가 곧 그 셀의 용량이 되는 것이다. LTE-A로 가도 최 대전송속도는 1 Gbps이고, 상황은 마찬가지이다. 이것은 5G 로 가서 UHD 혹은 홀로그램 서비스를 받을 경우, 해당 셀에서 겨우 한 명이 서비스를 받을 수 있는 상황이다. 사실 4G까지는

<그림 2>에서처럼 이동성과 최대전송속도 두 가지만을 핵심성 능으로 했기 때문에 보통 최대전송속도를 얘기하면, 마치 이 속 도를 여러 명이 동시에 받을 수 있는 것처럼 오해되기 쉽다. 이 런 오해를 불식시키고 실질적으로 대용량의 기술을 5G에서 만 들어야 한다는 요구를 반영한 것이 <그림 2>의 5G 핵심성능 중 에 사용자 경험 전송속도(User Experience Data rate)를 도입 한 배경이다.

이렇게 사용자 경험 속도를 복수로 제공할 뿐만 아니라 최대

전송속도도 수십 Gbps로 제공하기 위해서는 현재로서는 대역 폭을 늘리거나 안테나 수를 늘리는 방법이 있다. 안테나를 늘 리는 기술은 Massive MIMO 기술이 있다[12][13]. Massive MIMO 기술에서 2차원 안테나를 매우 많이 두어, 예로 8x8 안 테나 어레이로 FD-MIMO(Full Dimension - MIMO)를 실현 하는데, 기본적으로 빔형성(Beam Forming) 기술을 사용한다.

빔형성 기술에서는 보통 안테나 간 간격을 반파장을 두는데, 이 렇게 하는 것은 빔형성 기술이 전파의 페이즈(Phase)를 안테나 간에 조절하여 각 안테나에서 나온 신호를 수신 지점에서 보강 하거나 다른 지점에서는 감쇄하는 원리에 기반을 두고 있다. 물 리적으로 보면 안테나 사이의 간격을 더 작게 하면 마치 전체가 하나의 안테나로 작용하여 빔형성이 일어나지 않고, 간격을 더 크게 하면 원하는 지점에서 신호 보강을 할 수 있지만, 다른 지 점에서도 신호가 보강되는 현상 즉 사이드 로브가 커지는 현상 이 일어나게 된다. 따라서 안테나 간 간격이 반파장 정도가 적 당한데, 6 GHz 이하에서는 파장의 길이가 커져서 2차원 안테 나 어레이 전체 크기가 커지는 단점이 있다. 예로 3 GHz는 반 파장이 5 cm인데, 8x8 2차원 어레이라 하면 대략 40 cm x 40 cm가 된다. 안테나 주변 장치 등을 고려하면 이런 형태는 스몰 셀에서는 사용하는 것이 한계가 있고, 매크로셀 혹은 마이크로 셀에는 장착할 만하여 현재 이 용도로 연구 개발되고 있다.

대역폭을 늘려 속도를 늘리는 것은 6 GHz 이하에서는 한계 가 있다. 6 GHz 이하가 전파환경이 좋기 때문에 이동통신뿐만 아니라 방송, 군사 등 여러 용도로 사용되고 있어 이동통신용 으로 전환하여 주파수를 확보하기에는 무리가 많이 따른다. 한 편, 밀리미터파 대역은 상대적으로 사용할 수 있는 주파수가 많 이 있다. 이런 이유로 5G를 위해 밀리미터파를 사용하는 기술 을 발굴하는 것이다. 더욱이 밀리미터파는 파장이 짧기 때문에 Massive MIMO 기술을 적용하는 경우, 2차원 안테나 어레이 크기가 작아져서 스몰셀 용도로도 문제가 없다.

<그림 13>에서 볼 수 있듯이, 일반적인 빔형성 방법은 아날로 그, 디지털, 하이브리드 빔형성 세가지가 있다. 이것은 빔형성 을 위한 웨이팅 계수를 어디에서 곱해주는가에 따라 다르다. 아 날로그빔형성은 RF 와 안테나 사이에서, 디지털 빔형성은 DAC (Digital to Analog Converter) 전단에서, 그리고 하이브리드 빔형성은 일부는 아날로그 단, 일부는 디지털 단에서 웨이팅 계 수를 곱해주는 것이다. 각각은 장단점이 있는데, 전송 안테나 수 NT가 매우 큰 경우, RF chain 측면에서 보면 아날로그 빔형 성이 상대적으로 디지털 빔형성에 비해 가장 적게 됨을 볼 수 있다. 한편, 각 RF chain에서는 소자의 특성에 의해 온도 등 환 경변화에 따라 페이즈 특성이 변할 수 있는데, 디지털 빔형성은 웨이팅 계수를 디지털단에 곱하여 안테나까지 가는 RF chain 표 2. 5G RAN 기술 분류

에서 페이즈의 특성이 변경될 가능성이 많아진다. 따라서 디지 털 빔형성은 각 RF chain에 페이즈를 잘 맞춰주는 Calibration 기능이 아날로그 빔형성보다 더 필요한 단점이 있다. 하이브리 드 빔형성은 이런 장·단점을 적절히 가지고 있는 방법이라고 볼 수 있다.

빔형성 방법은 웨이팅 계수가 채널 환경에 따라 변경되느냐 고정되어 있느냐에 따라 적응형 빔형성(Adaptive Beamform- ing)과 고정형 빔형성(Fixed Beamforming)으로 나뉠 수 있다.

보통 고정형 빔형성은 아날로그 빔형성일 때 고려되므로, 전체 빔형성을 다음과 같이 구분할 수 있다.

• Fixed Beamforming

- Analog Fixed Beamforming

• Adaptive Beamforming

- Analog Adaptive Beamforming - Digital Adaptive Beamforming - Hybrid Adaptive Beamforming

또한, 적응형 빔형성시에 송신기에서의 웨이팅 계수는 수신기 로부터 받아서 구하는 것과 그렇지 않고 송신기 자체에서 구하 는 방법이 있다. 수신기로부터 받을 때, 보통 송신과 수신 사이의 채널정보를 추정하여 보내는데, 온전히 그 값을 보내는 방법과 codebook 기술을 적용하여 간단히 보내는 방법이 있을 수 있다.

밀리미터파를 사용하여 빔형성을 하는 경우, 보통 송신안테나 수 NT 를 매우 크게 하여(예, 64, 128, 256 등) 3D 빔형성을 하 고자 한다. 이런 경우에 RF chain의 복잡도로 인하여 아날로그 빔형성을 고려할 수 있고, 또한 한 셀 내에서 빔간의 빠른 스위 칭 처리가 가능하도록 하면 고정형 빔형성도 가능한 후보가 된 다. <그림 14>는 한 섹터에 16개의 안테나 모듈(한 모듈은 8x12 안테나 어레이)을 사용한 고정형 아날로그 3D 빔형성을 나타낸 다. 그 외에도 적응형 디지털 빔형성과 적응형 하이브리드 빔형 성 방법이 밀리미터파 3D 빔형성 기법으로 거론되고 있다.

2. Moving Network 기술

1990년대 중후반에 초기IMT-2000의 최대 전송속도 요구사 항을 ITU-R에서 논의한 적이 있었다. 한쪽은 256kbps를 주장 하였고, 다른 진영은 512kbps를 주장하였다. 256kbps을 주장 한 쪽은 이동 환경에서 그렇게 많은 전송속도를 요구할 것이 없 다는 주장이고, 다른 쪽은 향후를 위해 높게 책정되어야 한다 는 주장이다. 이 때 또 다른 진영에서 중재안으로 두 진영의 평 균값으로 384kbps를 제안하였고, 이것이 채택된 것을 기억한 다. 지금 이동통신에서 요구하는 전송속도를 생각하면 모두가 무색한 지경이다. 이런 최대전송속도는 더군다나 보행자 환경 에서의 이야기다. 이동속도가 높은 환경에서는 그 때 당시 그 다지 중요하지 않아서, IMT-2000에서 <그림 2>와 같은 Van Diagram(보행자 쪽이 고속이동 쪽보다 최대전송속도가 매우 높음. 대략 10배 차이)이 핵심성능으로 받아들여졌다. 고속이동 환경에서는 누가 많은 전송속도를 요구하겠느냐 라고 생각한 그림 13. Analog/Digital/Hybrid Beamformer 구조[8]

그림 14. 고정형 아날로그 3D 빔형성

것이다.

2007년에 스마트폰이 출현한 후에는 상황이 바뀌었다. 사용 자 인터페이스가 편리해짐에 따라, 두 손이 자유로운 환경, 심 지어는 한 손만 자유로워도 이동중인 교통수단 내에서 인터넷 을 즐기는 경우가 많이 생겼다. 각 도시의 지하철을 타게 되면, 대다수의 사람들이 스마트폰을 즐기는 장면을 쉽게 볼 수 있다.

<그림 15>는 모바일인터넷 이용장소에 대한 통계자료를 나타낸 다. 여기서 볼 수 있듯이 정지 혹은 보행 상황에서 물론 많이 사용 하지만, 이동중인 교통수단 (버스, 지하철, 열차 등) 내에서도 상 당히 많이 사용하는 것을 볼 수 있다. 사실 이런 경향이 5G에서 Moving Network를 하나의 중요한 기술로 고려하는 배경이다.

<그림 16>에서는 이동성과 최대전송속도에 대해 5G까지의 요구사항이 대략 나와 있다. 여기서 보면, 5G까지도 어쩔 수 없 이 Van Diagram 형태인 것을 볼 수 있다. 사실 이것은 하나의 RAT으로 무선액세스 네트워크를 제공한다고 하면, 그렇게 되 는 것이다. 즉, 고속이동환경에서는 무선채널 환경이 저속이동 때보다 나쁘기 때문에 제공 전송속도가 줄어들 수 밖에 없다.

이것을 그대로 받아들여 이동중인 교통수단에 적용하면, 교통 수단 내에서는 정지 혹은 보행 환경보다는 안 좋은 서비스를 제 공받는다는 것이다. 이것은 현재 점점 차량 내에서 인터넷 서비 스가 많아지는 추세를 감안하면 문제가 있는 상황이다. 이런 문 제를 풀기 위한 것이 Moving Network 기술 개념이 생겨난 배 경이다. Moving Network는 기본적으로 차량까지의 통신과 차 량내의 통신으로 구분할 수 있다. 차량 내에서 바로 외부로부터 오는 무선신호와 통신하는 것은 앞서 얘기한 하나의 RAT으로 통신하는 상황이므로, 이를 보완하기 위해 2계위를 두는 것이 필요하다.

외부로부터 차량까지의 통신은 크게 두 가지 방법이 있다. 하 나는 현재 통신 방법을 조금이라도 개선하여 전송속도를 높이 는 방법과 다른 하나는 아예 다른 주파수를 사용하여 다른 RAT 을 만드는 방법이다. 일반 단말기보다 차상의 단말기가 크기에 구애 받지 않기 때문에 수신 다중안테나 개념을 십분 이용할 수 있는 장점이 있어, 현재의 통신 방법을 개선하는 방향은 어느 정도 의미가 있다. 하지만, 수신 안테나 기술을 향상시키는 것

만으로는 한계가 있어 기지국의 송신안테나에 Massive MIMO 기술을 도입하여 추진하여야 효과가 있다. 다른 방법으로는 밀 리미터파를 사용하여 이동무선백홀 용량을 대폭 늘리는 것이다 [4][8][14].

한국전자통신연구원에서 제안하는 MHN(Mobile Hotspot Network) 기술은 밀리미터파(10 GHz 이상)의 광대역 주파수 스펙트럼을 사용하여 고속 이동환경에서 Gbps 급 데이터 서비 스 제공을 가능하게 하는 기술로서 300 km/hr 이상의 고속환 경에서도 Gbps 급의 이동무선백홀을 제공한다[10]. <그림 17>

에서 보면, MHN 시스템은 기본적으로 밀리미터파를 사용하는 차량외부 이동무선백홀링크와 6 GHz 이하의 주파수를 사용하 는 WiFi(60GHz의 WiGig도 포함) 혹은 Femto를 이용하는 차 량내부 액세스링크로 이루어진다. 여기서 중요한 기술은 밀리 미터파를 이용한 빔형성 기술과 고속 이동 시에 차량 내에 많은 사용자가 한꺼번에 핸드오버를 하게 되므로 끊김 없는 고속그 룹 핸드오버 기술이다.

MHN은 제공하는 전송속도 측면에서 보면 5G 보다는 4.5G (혹은 pre-5G) 형태이다. 또한, 서비스 환경에서도 고속열차 혹은 지하철 등 제한적 환경을 우선적으로 목표한다. 이런 환 경은 셀 형태가 리니어 셀 형태이고, 한 셀 내에 차량이 한 두 개 존재하기 때문에 제한된 기술로 가능하다. 하지만 버스나 자 동차까지 확대되면, 한 셀내에 여러 차량이 동시에 존재하기 때 문에 일반 섹터 셀 형태의 기술이 도입되어야 한다. 이런 점에 그림 15. 무선인터넷실태조사, 한국인터넷 진흥원(2012)

그림 16. ITU-R Van Diagram과 Moving Network의 위치

그림 17. MHN 시스템 개요: 고속열차 혹은 지하철 환경

서 보면 MHN은 밀리미터파 5G 기술로 가는 징검다리 기술이 된다. 이렇게 말할 수 있는 이유는 현재 밀리미터파를 사용하여 용량을 늘리는 기술이 5G의 한 축을 이루고 있고[4][14], 밀리 미터파가 단말기에 직접 액세스 되기까지는 기술 발전 상 시간 이 걸리므로, 먼저 이동무선백홀에 적용하여 용량을 높여주기 때문이다.

향후 밀리미터파를 사용하는 MHN개념은 더욱 발전하여 리 니어 셀에서도 전송속도를 더 높이고, 섹터 셀 형태가 요구되 는 버스와 자동차로 확대 될 것이다. 이런 경우 본격적인 5G 요 구사항을 만족하면서 이동무선백홀이 전체 시스템 용량을 높이 는 스마트 백홀이 개념이 된다. 이런 구조가 <그림 18>에 나타 나 있다. 여기서는 MHN 개념에 더하여 차량이 MRN(Moving Relay Node) 역할을 하는 것을 볼 수 있다. 이것은 차량 밖의 사용자 단말기(UE: User Equipment)도 MRN을 통하여 기지 국과 연결되는 구조를 말한다. 이런 개념은 과거에 단말 Adhoc Network 개념에서도 나왔는데, 남의 단말을 통하여 통신한다 는 것이 보안이나 전력사용 측면에서 받아들여지기가 힘들어서 활성화 되지 못한 바 있다. 하지만, 차량의 MRN은 이 두 문제 가 크게 문제가 되지 않기 때문에 향후에 활성화될 가능성이 높 다. 스마트 백홀 기술은 MRN을 통하여 중앙 기지국에서 안 보 이는 차량과 멀티홉으로 통신도 가능하고(Multi-hop Mobile Wireless Backhaul), 차량 간에 통신도 가능하게 하여(Dy-

namic Adhoc Networking among MRN), 향후 Connected Car의 중요한 기술로 발전할 수 있다.

스마트 백홀 개념은 앞서 언급했듯이 현재의 6 GHz 이하의 기술을 발전시켜 실현하는 것도 가능하다. 여기서는 전파의 특 성 상 차량 간 뿐만 아니라 개인 사용자 단말 간에도 MRN 개념 을 도입할 수 있다. 이것이 <그림 19>에 나와있다. 여기서는 차 량 혹은 개인 단말기 하에 여러 기기들이 연결될 수 있기 때문 에 무빙셀 용어를 사용하였다. 개인 단말기 경우에는 개인셀이 라는 용어를 사용할 수도 있겠다. 개인 간에도 보안 및 밧데리 문제가 5G 시대에는 좀 더 해결될 것으로 본다. 향후에는 이런 무빙셀 개념이 본격적으로 도입되면, 차량 혹은 개인 단말기에 모바일 서버를 두어 연결되어 있는 다른 기기들이 서비스를 요 구할 때 모바일 서버에서 바로 데이터를 제공함으로써 전체 시 스템 용량을 증가시키는 효과를 볼 수 있고, 시스템 지연시간을 평균적으로 낮출 수도 있다.

3. D2D 통신 기술

D2D 통신이 각광 받는 이유는 기기 간 직접 통신이므로 어느 경우에는 네트워크의 도움 없이도 통신이 가능하기 때문이다.

이제까지 D2D 통신은 Bluetooth나 모바일RFID 등을 통해 우 리에게 이미 알려져 있다. 하지만 이들의 사용처가 한정되어 있 어, 스마트폰이 발전하고 여러 기기들이 출현함에 따라 보다 발 전된 통신 방법이 요구되고 있다. 또한, 경우에 따라서는 네트 워크 제어를 받는 D2D 통신을 함으로써 보다 안전하고 상업성 이 있는 통신 방법이 요구된다. 이런 점에서 D2D 통신 발전 방 향은 크게 두 가지로 나뉜다. 하나는 네트워크 제어를 받는 것 과 다른 하나는 네트워크와는 독립적으로 제어를 기기 간 실현 하는 방법이다. 이것이 <그림 20>에 나와있다.

D2D통신은 Bluetooth나 WiFi Direct와 같이 비면허대역이 주로 이었는데, 최근 면허대역 D2D 통신으로는 3GPP Rel. 12 에서 ProSe (Proximity Services)에 초점을 맞추어 개발되고 있 다[15]. 이는 LTE Direct라고도 불리는데, 우선적으로 인프라가 없을 때도 통신할 수 있는 재난상황에 맞추어 개발되고 있다. 우 리나라는 재난 통신 인프라를 LTE 계열로 하기로 했기 때문에, LTE Direct 연구개발에 많은 관심을 두고 참여하고 있다.

D2D 통신에서 중요한 기술은 동기(Synchronization), 디바 이스 탐색(Device Discovery), 무선자원 할당(Radio Resource Allocation) 기술이다. 동기 기술에 대해, 네트워크 제어인 경 우는 단말기들이 네트워크 동기를 받아서 전체 단말기 간 동기 를 맞추면 되겠지만, 네트워크 독립인 경우는 단말기 상호 간에 동기를 맞추어야 한다. 이런 분산 동기 기술에 대해 반딧불이들 이 처음에는 비동기였다가 차츰 서로 동기를 맞추어 반딧불을 그림 18. 스마트백홀을 이용한 무선액세스 구조

그림 19. 6GHz 이하의 무빙셀 개념도

반짝이는 원리 등이 응용되고 있다[16]. 무선 자원 할당에 대해 서는 면허대역인 경우에 더욱 세심한 기술이 요구되는데, 이는 기지국이 사용하는 자원을 D2D 통신에 같이 사용할 때 간섭관 리가 요구되기 때문이다.

이제까지의 D2D 통신인 Bluetooth, WiFi Direct, LTE Di- rect 등이 5G 통신에 속하느냐 아니냐는 조금 난해한 문제이 다. 5G를 규정하는 <그림 2>의 Spider Diagram을 보면 D2D 를 위해 특별히 지정하는 핵심성능이 보이지 않는다. 하지만 사 용자 경험 전송속도라든가 지연시간 등은 D2D 통신에도 적용 될 수 있다고 보면, 5G를 위해 새로운 D2D 통신이 존재해야 한

다. 이런 점을 감안하고, 기존의 D2D 통신 방법들을 전송속도 와 도달거리 측면에서 분류한 것이 <그림 21>에 나와 있다. 또 한, 이들에 대한 여러 기술 제원들이 <표 3>에 나타나 있다.

D2D 무선통신 기술은 사용자의 환경에 가장 적합한 무선 전 송 기술이 적용되어야 하며, 커버리지에 따른 D2D 기술 분류를 다음과 같이 나눌 수 있다.

(1) 광역 (Wide Area) D2D 통신 - 커버리지: < 1 km

- 주파수 대역: 면허/비면허 대역 (< 11 GHz) - Device Scalability 지원

- LTE Direct , IEEE 802.15.8 PAC (Peer Aware Communications) (2) 협역 (Local Area) D2D 통신

- 커버리지: < 100 m

- 주파수 대역: 면허/비면허 대역

(mm Wave, NCT(New Carrier Type, Sub-6 GHz) (3) 초 근접거리 (Near Field) D2D 통신

- 커버리지: < 10 cm

- 주파수 대역: 비면허 대역 (60 GHz) - Zing, TransferJet

광역 D2D 통신 기술은 LTE Direct와 수천개의 디바이스간 통신을 지원하는 PAC(Peer Aware Comunications) 직접통신 기술에 기반하여 발전할 것으로 전망하며, 협역 D2D 통신 기술 은 Sub-6GHz 대역 이외에 밀리미터파 대역의 새로운 광대역 무선전송 기술을 채용할 것으로 예상하고 있다. 또한 초 근접 거리 D2D 통신 기술은 현재 한국전자통신연구원에서 정부 사 업으로 연구하고 있는 차세대 NFC(Near Field Communica- tions) 기술인 Zing 기술에 기반하여 발전할 것으로 예상한다.

Zing 기술은 10 cm 이내의 근접거리에서 60 GHz 비면허 대역 을 이용하여 수 Gbps 이상의 전송 속도를 저전력으로 제공하는 것을 목표로 한다[17]. 이에 대한 서비스 개념이 <그림 22>에 나타나 있다. 서비스의 한 예로 무선 메모리를 들 수 있다. 현재 USB 메모리는 유선으로 연결하여야 하는 불편한 점이 있는데, Zing 기술을 사용하면 근접거리에서 무선으로 밧데리 없이 데 이터를 주고 받을 수 있다.

4. Massive Connectivity 기술

앞서 기기 간 통신의 사물인터넷의 대명사를 센서라고 한 바 있다. 사물인터넷의 예측에 의하면 2020년에는 약 500억개 의 디바이스가 인터넷에 연결되어 있을 것으로 예측하고 있다.

2020년부터 본격적으로 서비스되는 5G 시대에는 여하튼 더 그림 20. 인프라 제어 및 분산제어 D2D[8]

그림 21. D2D 통신 분류 표 3. D2D 통신에 대한 기술 비교

욱 더 많은 숫자의 사물들이 인터넷에 연결될 것이다. 이런 연 결은 기본적으로 센서에 의하여 연결되고, 이 센서들이 생성하 는 데이터들은 간헐적이고 짧은 특징이 있다. 이런 데이터들을 전송하기 위해 이제까지 비면허대역에서 Zigbee, SUN(Smart Utility Network), LECIM(Low Energy Critical Infrastruc- ture Monitoring) 등 여러 종류 통신 방식이 진행되어 왔다. 최 근 들어 안전성과 상업성 측면에서 면허대역을 사용한 LTE- MTC가 진행되고 있다. 이들에 대해 전송속도 및 도달거리 측 면에서 분류한 것이 <그림 23>에 나와있고, 기술적 비교가

<표 4>에 나와 있다.

5G를 위한 M2M-Specific 기술은 비면허대역 방식들이 진 화 발전하여 되는 것과 면허대역에서 LTE-MTC가 진화 발전 한 것으로 될 가능성이 많다. 이런 이유는 M2M-Specific 기술

이 요구하는 방향이 데이터 전송속도나 용량을 높이기 보다는 지연단축, 밧데리 수명연장, 연결 수 확장 등이고 이것들은 이 미 LTE-MTC에도 계속 반영되고 있기 때문이다. LTE-MTC 의 중요 기술로는 한 기지국에 많은 센서들이 연결될 때 효율 적으로 랜덤 액세스를 하는 기술, 밧데리 수명을 늘리는 Sleep Mode 기술, 스마트 그리드 전력 공급 제어와 무인 자동차 센서 의 반응 속도를 빠르게 하기 위한 지연단축 기술 등이 있다.

Ⅴ. 5G 주파수

5G 주파수를 고려할 때, 우선은 서비스로부터 요구되는 스펙 트럼의 양이다. 이것에 대한 추정은 ITU-R에서 2020년에 최 소 1,340 MHz, 최대 1,960 MHz 대역폭이 필요하다고 예측하 였다[18][19][20]. 또한, 2020년 이 후의 주파수 소요량에 대 해서도 ITU-R에서 분석을 시작하였는데, 서비스 및 기술 발전 추세로 보아 향후 매우 많은 양의 스펙트럼 소요가 제기될 것으 로 예측된다.

이런 요구에 맞추어 각 국은 6 GHz 이하와 6 GHz 이상에 대해 ITU-R에 추가 주파수를 제기하고 있는데, 6 GHz 이상 에 대해서는 우리나라가 주도적으로 제기하고 있다. 6 GHz 이하의 추가 주파수는 면허와 비면허 대역을 포함하여 대략 470~694/698 MHz, 1300~1527 MHz, 1695~1710 MHz, 2025~2110 MHz/2200~2290 MHz, 2700~2900 MHz, 3300~3400 MHz, 3400~3600 MHz, 3600~4200 MHz, 4400~4900 MHz, 4800~5000 MHz, 5350~5470 MHz(무선 랜), 5725~5850 MHz(무선랜), 5925~6425 MHz이다. 이들은 일부 위성, 방송, 고정업무 등으로 이미 사용하는 주파수도 있 어서 향후 공유 가능성을 타진하여 이동통신용으로 확정될 것 이다. 이런 확정은 보통 WRC(World Radio Conference)에서 하는데, 6 GHz 이하의 추가 주파수에 대해서는 WRC-15에서 그림 22. Zing 서비스

그림 23. M2M-Specific 통신 분류

표 4. M2M-Specific 통신 기술 비교

확정될 예정이다.

우리나라가 제기하는 6 GHz 이상의 주파수는 각 국의 상황 을 고려하여 전 세계적으로 가장 공통적인 주파수를 제시하고 있다. 이들은 연접하는 대역이 최소한 500 MHz를 넘어가는 대역으로서 13.4~14 GHz, 18.1~18.6 GHz, 27~29.5 GHz, 38~39.5 GHz 를 2013년 2월 ITU-R WP5D 회의에서 제안한 바 있다. 이에 대한 제안이 초기에는 각 국에서 시기상조로 거 부 반응을 보였는데, 현재는 많은 해외 기관에서 5G의 기술로 밀리미터파를 한 축으로 고려하고 있어, 이 제안이 점점 힘을 얻고 있다. 6 GHz 이상의 밀리미터파를 5G 주파수로 검토하는 것은 WRC-19(2019년 2월)에서 논의할 예정이다.

우리나라는 2018년 2월에 평창 동계 올림픽에서 5G를 보여 줄 예정이다. 6 GHz 이하 혹은 6 GHz 이상에서 5G 기술이 모 두 존재할 수 있지만, 특히 6 GHz 이상의 밀리미터파 5G 시스 템은 우리나라가 선도적으로 제안하여 개발하고 있기 때문에 평창에서 보여주는 것은 매우 의미가 있다. ITU-R의 밀리미터 파 확정 전에 보여주는 것이므로 주변의 우군이 필요하다. 주변 도움을 잘 이끌어내면, 오히려 선도적 역할을 할 수 있으므로 좋은 기회가 된다.

Ⅵ. 결 론

본고에서는 5G 통신에 대해 먼저 서비스 측면에서 사용자 중 심 개선된 모바일인터넷과 기기 간 통신인 사물인터넷 서비스 가 견인차 역할을 한다는 것을 ITU-R의 Spider diagram을 빗 대어 피력하였다. 이런 서비스는 앞으로 안경단말기, HMD, 드 론, Connected Car, 스마트센서 등과 같은 기기들을 통해 더욱 발전할 것으로 본다. 서비스와 진화된 기기들을 수용하기 위한 코어와 무선액세스 네트워크 구조를 설명하였다. 코어 네트워 크는 대용량 및 저지연을 실현시키는 분산구조, 네트워크의 지 능화와 유연성을 증대시키는 SDN/NFV구조, 유선까지도 포함 하는 유무선 통합 구조가 중요하다.

무선액세스 네트워크 구조는 크게 네트워크 경유 모바일 인터넷, D2D, M2M-Specific(센서)로 나누었다. 모바일인터 넷 기술에 대해서는 대표적으로 밀리미터파 3D 빔형성 기술과 Moving Network의 MHN/이동셀 기술에 대한 동향을 설명하 였고, D2D와 M2M-Specific에 대해서는 전반적 기술 동향을 설명하였다. 더하여, MHN은 밀리미터파를 이동무선백홀에 사 용하는 기술로서 , 4.5G 혹은 pre-5G 시스템이 되고, 밀리미 터파를 사용하는 본격 5G로 가기 위한 징검다리 역할을 할 수 있다고 본다. 끝으로 5G 주파수 선정을 위한 ITU-R 동향을 설

명하였다. 이런 기술 동향에 따라 준비를 차근히 해나가면, 우 리나라가 5G 시스템을 평창 동계 올림픽에서 선도적으로 보여 줄 수 있을 것으로 기대한다.

참 고 문 헌

[1] Cisco, “Cisco Visual Networking Index: Global Mobile Data Traffic Forecast Update, 2012-2017,” Cisco white paper, Feb. 2013

[2] 5G 포럼, “5G NEW WAVE: TOWARDS FUTURE SOCIETIES IN THE 2020S,” 5G 포럼 서비스분과위원회 서비스 백서, 2015년 3월

[3] ITU-R WP5D, “IMT Vision –Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond,” 2015년 2월

[4] ITU-R WP5D, “The technical feasibility of IMT in the bands above 6 GHz,” 2015년 2월

[5] 고정길, 홍상기, 이병복, 김내수, “스마트 디바이스와 사물 인터넷 (IoT) 융합 기술 동향,”전자통신동향분석, 2013년 [6] 3GPP, “3rd Generation Partnership Project; Technical

Specification Group Services and System Aspects;

Study on LTE Support for V2X Services,” TR 22.7de, 2015년 2월

[7] NGMN, “NGMN 5G White Paper,” Feb. 2015

[8] 5G 포럼, “5G Vision, Requirements, and Enabling Technologies,” 5G 포럼 기술분과위원회 기술백서 , 2015 년 3월

[9] “Centralized vs. Distributed EPC and the Role of SDN and Cloud,”ABI research, 2012.12

[10] 방승찬, 홍승은, 송종태, 김일규, 박애순, 이문식, 장성철

“5G 이동통신 기술 방향,” 한국통신학회지, 2013. 11, pp.

25-36

[11] IETF“Distributed Mobility Anchoring”, IETF internet draft, 2012.6, (http://tools.ietf.org/html/draft- seite-dmm-dma-00)

[12] T. L. Marzetta, “Noncooperative cellular wireless with unlimited numbers of base station antennas”, IEEE Transactions on Wireless Communications, 2010.

[13] Young-Han Nam et al., “Full-dimension MIMO (FD-MIMO) for next generation cellular technology,”

IEEE Communications Magazine, June 2013.

[14] 정희상 외, “모바일 핫스팟을 위한 이동무선백홀 기술 동향 분석,” 전자통신동향분석 30권 2호, 2015년

[15] 3GPP, “3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group SA; Study on Architecture Enhancements to Support Proximity Services (ProSe) (Release 12),” TR 23.703 V0.4.1, June 2013.

[16] Alexander Tyrrell and Gunther Auer1, “Biologically inspired intercellular slot synchronization,” EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking Volume 2009

[17] 이문식, 신경철, 방승찬, “초근접 직접통신 기술의 동 향과 초고속 NFC 기술,” 한국통신학회지 제30권 12호 2013.11., pp51-56

[18] 김경미, “5G 주파수 논의 동향,” TTA Journal Vol. 152, 2014

[19] 홍인기, “5G 주파수 수요량 및 계획,” Telecommunications Review 24권 2호, 2014

[20] 5G 포럼, “5G Spectrum Issues in Korea,” 5G 포럼 주 파수분과위원회 주파수 백서, 2014년 3월

약 력

1984 서울대학교 전자공학과 학사 1986 서울대학교 전자공학과 석사 1994 서울대학교 전자공학과 박사 1985~1987 금성사 중앙연구소 주임연구원 1987~1992 디지콤정보통신연구소 선임연구원 1994~현재 한국전자통신연구원 책임연구원 관심분야: 이동통신 무선전송기술

방승찬