16-2 4G/5G 핵심기술

16-2 4G/5G 핵심기술

16장. 네트워크 응용 기술과 차세대 네트워크

4G/5G 네트워크 관련 기술 (1)

 네트워크 기술의 구성요소

 무선주파수 기술/ 액세스 네트워크 기술/ 코어 네트워크 기술/ 응용 기술

 무선주파수(radio) 기술

 사용 주파수의 효율적인 전송/수신과 관련된 기술

 액세스 네트워크(access network) 기술

 사용자들로 하여금 네트워크에 접속할 수 있도록 하는 기술

 셀 방식을 중심으로 메쉬 네트워크나 애드혹(ad-hoc) 네트워크 등 기술 포함

 코어 네트워크(core network) 기술

 통합-IP 개념이 적용된 핵심 네트워크 기술

4G/5G 네트워크 관련 기술 (2)

 응용(application) 기술

 이동통신 서비스를 이용할 수 있도록 해주는 모바일 플랫폼과 각종 응용프로그램과 관련된 기술

 기존 3G 이동통신 기술적 한계를 극복하기 위한 주파수 효율성 향상, 가격대비 전송률 최적화, 기존 통신 및

방송시스템과의 융합 등을 고려한 것

 4G/5G 네트워크 핵심기술

 OFDM 기술 : 주파수 대역을 효율적으로 사용하기 위한 무선 다중접속 및 다중화 방식

 고속 패킷 데이터 전송 방식 : MIMO 기술, 스마트 안테나 기술, UWB기술, SDR기술, SDN 기술, 자율 네트워킹 기술, 가상화 기술

4G/5G 네트워크 관련 기술 (3)

 MIMO



2008년 10월 ITU-R 서울 회의에서 시연된 ‘Wibro Evolution’에 MIMO 적용

 가상화 기술



차세대 5G 네트워크로의 진화를 선도하는 핵심기술 중 하나



2014년부터 시범 적용



소프트웨어 정의 네트워크(SDN)과 연계된 ‘네트워크 가상화 기술(NFV)’

소프트웨어 기반 기능을 분리

통신사업자들이 효율적으로 기반 자원 관리(비용 절감)

MIMO 기술 (1)

 Multiple Input Multiple Output

 이동통신 환경에서 다수의 안테나를 사용하여 데이터를 교환하는 다중 안테나 신호처리 기술

 복수의 안테나를 이용하여 전송 측에서부터 분기 기법을 이용하는 방법

 관련 기술로는 STTD(Space-Time Transmit Diversity), OTD(Orthogonal Transmit Diversity), TSTD(Time Switched Transmit Diversity) 등이 있음

 전송 측에 M개의 안테나를 배열하고 수신 측에도 N개의 안테나를 배열하여 다양한 방법으로 신호를 보내 N배의 전송률 증가 효과

 OFDM 기술과 함께 사용될 경우 고속의 전송률과 전송데이터를 대용량화할 수 있는 멀티미디어 서비스에 이용 가능한 기술

MIMO 기술 (2)

OFDM 기술 (1)

 무선링크를 통해 데이터를 고속으로 전송할 경우  다중경로 페이딩과 도플러 확산

등으로 오류율이 높아짐

 (해결책) 대역확산(spread spectrum) 방식 사용

 DS(Direct Sequence) 방식 : 하드웨어 복잡도가

증가/ 다수 사용자 간섭현상으로 인한 용량 한계

 FH(Frequency Hopping) 방식 : 고속 데이터 전송 시에 동기 추출에 어려움 발생

 이러한 문제점에 대한 해결책

OFDM 기술 (2)

 OFDM의 기본 원리



대역확산 기술을 사용하여, 정확한 주파수에서 일정 간격 떨어져 있는 다수의 반송파에 데이터를 분산



주파수 간격을 최소화하기 위해 자신 외의 다른 주파수를 참조하는 것을 방지



반송파 간의 성분 분리를 위한 ‘직교성(orthogonal)’

부여



고속의 전송률을 갖는 데이터 열을 낮은 전송률을 갖는 많은 수의 데이터 열로 나누고, 이들을 다수의

부반송파를 사용하여 동시에 전송하는 기술

OFDM 기술 (3)

 OFDM의 기본 원리 (계속)

 데이터 열을 여러 개의 부채널로 동시에 전송하는 다중 반송파 전송 방식의 특별한 형태

 고속의 원천 데이터 열을 다중의 채널로 동시에 전송한다는 측면에서  ‘다중화 기술’

 다중의 반송파에 분할하여 전송한다는 관점에서  일종의 ‘변조 기술’이 됨

 각 부반송파의 파형  시간축 상으로는 직교하나, 주파수축상에서는 overlap됨

OFDM 기술 (4)

 OFDM의 장점



주파수 효율성 향상

부채널이 주파수상에서 중첩되므로 주파수 사용 대역의 효율성이 향상



다중경로 페이딩 현상에 유리

지연확산(delay spread)에 의한 심볼 간 간섭(ISI)이 줄어듬



도플러 천이 효과로 인해 이동 수신 시 주로 문제가 되는 도플러 효과에도 효율적임



FFT를 이용하여 고속의 신호처리가 가능하므로 고속

구현도 쉬워지며, 복잡한 등화기가 필요하지 않고,

임펄스 잡음에 강함

OFDM 기술 (5)

 OFDM의 장점 (계속)

 부반송파 간에 직교성이 유지되므로 이동통신 셀 간의 간섭이 없고, 자원할당이 비교적 수월

 협대역 간섭이 일부 부반송파에만 영향을 주므로 협대역 간섭에 강함

 OFDM의 단점

 위상잡음 및 전송 및 수신단 간의 반송파 주파수 옵셋에 민감

 수신되는 부반송파 간의 직교성이 상실되면 

신호 대 잡음비(SNR) 감소

SDR 기술 (1)

 SDR(Software Defined Radio)

 무선 이동통신 시스템에서 3G, 4G 이동통신을 통합하고 나아가 xDSL, CDMA, UMTS, 무선 LAN, 블루투스, 위성통신 등 다양한 통신 수단을

하나의 단말기에서 구현할 수 있도록 하는 기술

 안테나 이후의 RF 영역을 포함한 대부분의 기능들이 프로그래밍이 가능한 고속

처리소자에 의해 구현된 소프트웨어 모듈에

의해 수행됨

SDR 기술 (2)

 하드웨어 교체 없이 필요한 소프트웨어의

재구성만으로 다중 무선 접속규격 또는 서비스 기능이 가능해짐

 고정된 RF 하드웨어를 최소화하고, 디지털

변환기(ADC) 위치를 가능한 한 RF 영역으로 옮겨서 DSP 또는 유동적 하드웨어를 이용하여 신호를

처리함

 서비스에 따라 시스템의 전환이 유동적으로

이루어지며, PC와 같은 개방형 모듈 구조를

사용함으로써 ‘Plug & Play’ 기능과 필요한

SDR 기술 (3)

 기존 방식과 비교

BBA : 기저대역 어셈블리 ADC : 아날로그-디지털 변환기 MSM : 이동 스테이션 모뎀

SDN 기술 (1)

 SDN(Software Defined Networking)

 모바일 멀티미디어 데이터의 폭증과 데이터 트래픽의 dynamic 특성 변화에 효율적으로 대처하기 위해서

 네트워크 장치나 대역폭과 같은 기반 자원의 최적 활용이 가능한 사용자 응용 지향 스마트 기반 구조가 요구되고 있음

 SDN은 AT&T 사의 지오플렉스(GeoPlex) 프로젝트로부터 등장

 SDN은 이러한 사용자 응용 지향 스마트 기반 구조에 대한 요구에 부합하는 차세대 네트워크 기술

 다양한 응용들의 높은 대역폭, 동적 특성에 적합하고, 관리 및 비용의 효율성과 적응성이 뛰어난 새로운 구조

 구조적 유연성과 개방성을 제공하기 위해서 중앙 집중형 제어계층과 개방형 API 구조

SDN 기술 (2)

 SDN의 구조

UWB(초광대역) 기술 (1)

 GHz대의 주파수를 사용하면서도 초당 수천∼수백만 회의 저출력 펄스로 구성되고, 대용량의 데이터를 0.5m/W 정도의 저전력으로 70m의 거리까지 전송 가능

 1950년대에 미국 국방부가 군사적 목적으로 개발

 미연방통신위원회(FCC)가 상업적 이용을 금지했으나, 2002년 2월 14일 상업적 용도 사용 승인

 지하나 건물 벽 등의 장애를 받지 않아서 초고속 인터넷 접속은 물론, 레이더 기능 등을 갖는 차세대 무선통신 기술

 IEEE 802.11과 블루투스 등에 비해 속도와 전력소모 등에서 유리

 속도의 경우 10∼20배 앞서고, 필요한 전력량은 휴대전화나 무선 LAN에 비해 1/100 수준

UWB(초광대역) 기술 (2)

 사무실이나 가정에서 10m 내외의 거리에 위치한 개인용 컴퓨터와 주변기기 및 가전제품 등을 초고속 무선

인터페이스로 연결하는 무선 근거리 개인통신 네트워크에 적합한 기술

 휴먼 인터페이스를 비롯하여 홈 네트워크, 무선LAN 등의 구축에 유용

 광범위한 활용도

 자동차용 ITS(Intelligent Transport System) 통신

 산업 분야에서의 물류, 공장기계 컨트롤

 자동차 충돌 방지, 산업용 거리측정기

 초정밀 3차원 레이더

 보안감시

 재난구조 및 의료기기 등

UWB(초광대역) 기술 (3)

 UWB 기술의 특성

UWB(초광대역) 기술 (4)

 UWB 기술의 특성

 수 나노 또는 피코 초의 매우 좁은 펄스를

사용하여 광범위한 주파수 대역에 걸쳐 매우 낮은 스펙트럼 전력 밀도가 존재

높은 보안성, 고속데이터 전송특성, 정확한 거리 및 위치 측정이 가능한 높은 해상도 제공이 가능

 다중경로에 따른 영향을 적게 받고, 반송파를

사용하지 않으며 기저대역에서 통신이 이루어지기 때문에 전송기 및 수신기의 구조가 간단해짐

낮은 비용으로 제작 가능

자율 네트워킹 기술 (1)

 인간의 개입을 최소화하면서 환경의 변화에 따라 네트워크 스스로 자율적인 관리 및

제어가 가능하도록 하는 기술

 1997년 군사목적으로 출발하였으며, 2001년 IBM이 자율컴퓨팅이라는 개념을 제안

 4가지 자율 기능 정의

 자기구성(self-configuration)

“어떻게 실행하는가”와 같은 것을 자율 컴퓨팅

자율 네트워킹 기술 (2)

 4가지 자율 기능 정의 (계속)

 자기최적화(self-optimization)



서비스의 성능이나 품질개선을 위해서, 어떠한 상황이 발생하기 전에 미리 시스템 자원의 사용을 최적화하도록 하는 기능

 자기복구(self-heeling)



시스템은 문제를 스스로 진단하여 문제해결을 시도해야 한다는 개념



무엇보다 자가 진단과 문제해결 능력과 관련된

자기복구 기능은 매우 중요함

자율 네트워킹 기술 (3)

 4가지 자율 기능 정의 (계속)

 자기보호(self-protection)

자율 시스템은 악의적인 공격으로부터 자신을 보호할 수 있어야 함  보안, 개인정보 보호, 데이터 보호를 위해 자율적으로

자신을 조율(tuning)한다는 개념

 MAPE-K(Monitor, Analyze, Plan, Execute and Knowledge) 자율 루프 모델

 IBM에서 제안한 자율 네트워킹의 실현을 위한 대표적인 참조 모델

 인지 네트워크(cognitive network)

 자기구성과 자기최적화 기능, 프로토콜 계층 간 정보 교환

가상화 기술 (1)

 가상화 기술이란?

 ‘물리적인 컴퓨터 자원의 특징을 다른 시스템, 응용프로그램, 최종 사용자들이 자원과 상호작용하는 방식으로부터

감추는 기술’

 가상화는 크게 ‘플랫폼 가상화’와 ‘자원 가상화’로 구분

 플랫폼 가상화  주어진 하드웨어 플랫폼의 제어

프로그램 곧 호스트 소프트웨어를 통해 실행되는 형태

 호스트 소프트웨어  호스트(host) 아래의 게스트(guest) 소프트웨어에 맞추어 가상 머신(VM)이라는 가상 컴퓨터 환경을 만들어냄

 게스트 소프트웨어  독립된 하드웨어 플랫폼에 설치된 것처럼 실행됨

가상화 기술 (2)

 자원 가상화

 저장 볼륨, 이름 공간, 네트워크 자원과 같은 특정한 시스템 자원 가상화로 확장

 가상화 기술의 응용 예

 서버 통합,

 재해 복구,

 휴대 작업 공간,

 하드웨어 가상화 기술

 가상 데스크톱 가상화(VDI)

 컴퓨팅 자원을 한곳에 모아두고 언제 어디서든지 인터넷을 통하여 개인의 PC 환경을 사용할 수 있는 서비스를

소형셀 기술 (1)

 Small Cell

 10m에서 1~2km에 이르는 유효 범위

 인가 혹은 비인가 주파수 대역에서 동작

 안테나당 10W급 이하의 저전력을 갖는 무선 액세스 노드

 ‘소형셀’이란 이름

 수십 km의 범위를 갖는 모바일 매크로 셀과 비교하여 붙여졌음

 사용하는 이유

 건물 내부는 물론 건물 밖에서도 무선 서비스를 제공하고, 서비스 유효 범위를 확장하거나 네트워크 용량을

증가시키기 위함

소형셀 기술 (2)

 소형셀의 유형

 소형셀 네트워크는 분산 무선기술에 의해 구현

 피코셀(picocell)

반경 200m 내외의 유효 범위

 펨토셀(femtocell)

수십 미터 내외의 유효 범위

빔 형성 기술을 통해 소형셀의 유효 범위를 향상시키거나 집중할 수 있음

2013년 2월을 기준으로 9백 6십만 주거용 펨토셀이 설치  총 기지국의 56%

 ABI 리서치 전망

 2015년까지 모바일 데이터 트래픽의 48% 정도가 매크로

소형셀 기술 (3)

 소형셀 구조

소형셀 기술 (4)

 소형셀 구조 (계속)

 종단에 시스코 3G 소형셀들과 소형셀 백홀(backhaul)이 위치

종단의 소형셀은 자체적으로 소형셀 기지국 기능을 탑재

LTE 네트워크 소형셀 기지국과 연계

백홀 : 보통 무선 접속 네트워크(Radio Access Network)와 코어 네트워크(Core Network)사이 의 범위를 지칭

 시스코 본체

소형셀 게이트웨이

3G/4G Core망 연계