Win Tech - 5G 무선 전송 기술 동향
Win Tech는 정부출연연구소 등 공공연구기관으로부터 듣는 최신 기술동향입니다.
▲ 권태훈 선임연구원 한국과학기술정보연구원 중소기업지원센터
마르코니가 전자기파를 이용하여 최초로 무선통신에 성공한 이후 무선통신 분야는 괄목할 만한 발전을 거듭해 왔다.
1980년 초반 1G 기술을 시작으로 무선통신 기술은 세대를 거듭할수록 데이터 전송률, 이동성 지원, 커버리지 및 자원 효율성에서 높은 성장을 거듭하면서 현재 서비스 중인 4G 기술을 거쳐 이미 5G 기술에 대한 관심과 연구가 활발히 진행되고 있다(그림 1 참조).
이런 높은 성장의 바탕에는 각 세대별로 비전 및 기술적 목표 제시와 이를 달성하기 위한 새로운 기술의 개발 및 적용에 대한 노력이 존재해 왔다.
주요 5G 관련 연구 프로그램 및 국제 표준화 기구들과 에릭슨, 퀄컴, NTT-DoCoMo, 화웨이, 삼성, LG 등 주요 이동통신 사업자와 제조자들을 중심으로 비전과 목표를 제시하고 이를 달성하기 위한 주요 기술들에 대하여 논의되고 있다.
아직 통일된 명확한 5G의 비전과 기술적 목표는 존재하지 않으나, 대체적으로 현재 존재하는 기술(4G)에 비해 다음과 같은 목표가 예상되고 있다.
1) 1000배 이상 높은 단위면적당 데이터 전송 지원
2) 10~100배 이상 높은 유저 데이터 전송률
3) 10~100배 이상 많은 연결 디바이스 개수의 수용
4) 저전력 디바이스 지원을 위한 10배 이상 긴 배터리 수명 지원
5) 5배 이상 줄어든 단대간 지연(End-to-end Latency)
5G에서 요구되는 이상의 목표들을 지원하기 위한 기술 주요 후보들은 크게 네트워크 기술, 무선 전송 기술, 신규 서비스 최적화 기술 등으로 분류할 수 있다(그림 2 참조).
이 글에서는 이중 주로 5G의 무선 전송 기술 후보들에 대해서 알아보고자 한다.
(1) 밀리미터파(mmWave) 기술
밀리미터파는 통상적으로 10GHz이상 300GHz이하 주파수를 통칭하는데, 정확하게는 파장이 1㎜~10㎜인 EHF(Extremely High Frequency) 대역 30GHz~300GHz 주파수를 일컫는다.
전자파는 특성상 주파수가 높아질수록 직진성이 강해지고 낮아질수록 반사와 회절성이 강해진다.
하지만, 이동통신에 사용하기 좋은 전파 특성으로 인해 6GHz이하 주파수 대역은 기존 상업용 혹은 군사용 통신을 위해 이미 확보되어 있는 만큼, 상대적으로 높은 용량과 전송 속도를 지원해야 하는 5G를 위한 6GHz이하 주파수에서의 대역폭 확보에는 어려움이 많다.
이에 반해 밀리미터파 대역은 상대적으로 사용할 수 있는 대역폭이 풍부하기 때문에 5G 통신을 위한 주파수 후보로 관심이 높아지고 있다.
더구나, 밀리미터파는 전송 효율을 향상시키기 위해 적용이 예상되는 대규모 다중 안테나(massive MIMO) 기술과 결합시 상호보완적인 효과가 예상된다.
이 기술에 사용되는 빔형성 기법(Beamforming)은 전파의 위상(Phase)을 안테나 간에 조절하여 각 안테나에서 나온 신호를 수신 지점에서 보강하거나 감쇄하는 방식으로 동작하기 때문에 안테나 간의 반 파장의 거리를 확보해야 한다.
따라서, 파장이 짧을수록 전체 안테나 배열의 크기를 줄일 수 있어서 유리하다.
반면, 밀리미터파의 경우 경로감쇄(Pathloss)율이 크며 쉽게 음영 지역이 발생하는 문제가 있어 대규모 다중 안테나 기법들을 사용시 보완이 가능하다.
(2) 대규모 다중안테나 시스템(massive MIMO) 기술
대규모 다중안테나 기술은 송수신 기지국에 수십 혹은 수백 개의 안테나를 장착하여 빔형성(Beamforming) 기술을 적용하는 기술이다.
즉, 수백 개의 안테나 요소를 갖추고 프리코딩(Precoding)기술을 사용하여 목표 단말기 사용자에게 무선 에너지를 집중함으로써, 에너지 효율을 향상시키고, 다른 단말 사용자들에 대한 간섭도 줄일 수 있다.
따라서, 대규모 다중 안테나 기술 적용시 빔형성 이득(Beamforming Gain)에 의해 에너지 효율을 높이거나 서비스 영역을 확장할 수 있고, 공간 다중화를 이용하여 여러 사용자와 동시에 통신함으로써 사용자가 많은 혼잡 지역에서도 안정적으로 통신이 가능하다.
하지만, 빔형성 기술을 적용하려면 채널정보가 필수적이기 때문에 안테나 수의 증가에 따라 채널정보를 취득하기 위한 파일럿 오버헤드가 증가한다.
이로인해, 현재 대규모 다중안테나 시스템은 시분할 이중(TDD: Time Division Duplex) 시스템에 적용하는 것을 전제로 개발되고 있다.
이 시스템의 경우 채널 상호성으로 인해서 업링크 파일럿에서 수집한 채널 상태 정보를 다운링크 프리코더에서도 사용할 수 있기 때문이다.
이 외에도 다중 안테나 기술 구현을 위해서는 하드웨어에 대한 복잡도 증가를 극복하기 위한 연구가 필요하다.
(3) 전이중(Full Duplex) 기술
현재 대부분 무선통신시스템에서 사용 중인 반이중(Half Duplex) 방식은 송신 신호와 수신 신호를 주파수 영역 혹은 시간 영역에서 구분하여 사용한다.
이는 송신과 수신을 위한 각각의 무선 자원이 별도로 필요하기 때문에 무선 자원측면에서 손해를 보게 된다.
전 이중(Full Duplex) 방식은 이와는 다르게 송신 무선자원과 수신 무선자원을 공유하여 무선 자원의 사용 효율을 높이기 위한 방식이다.
전이중 송수신기를 기지국에 적용할 경우, 반이중 방식에서는 나타나지 않는 송신 신호의 반향신호(Echo Signal)가 수신시 간섭으로 작용한다는 문제점이 존재한다(그림 3 참조).
상대적으로 경로감쇄(Pathloss)를 거의 겪지 않은 송신신호의 반향신호는 경로감쇄를 겪은 수신신호의 세기보다 크기 때문에 반향신호의 세기를 잡음 전력 수준으로 낮출 필요가 있다.
이를 위해서는 송수신 안테나 격리기술을 통해 반향신호의 세기를 낮추고, 간섭으로 작용하는 송신신호를 수신 신호에서 제거하는 반향신호제거 기술 등이 요구된다.
(4) 비직교 다중접속방식(NOMA: Non-orthogonal Multiple Access) 기술
직교 다중접속방식(OMA: Orthogonal Multiple Access)은 각 접속 단말간의 데이터를 서로 직교하는 무선자원에 나눠서 전송하여 각 접속 단말간의 간섭을 방지할 수 있는 장점이 있다.
예를 들어, 직교주파수분할 다중접속방식(OFDMA: Orthogonal Frequency Division Multiple Access)은 각 접속 단말간의 데이터를 서로 직교하는 주파수로 나눠서 전송하는 방식으로 4G 무선통신의 다중접속방식으로 주로 사용되고 있다.
하지만, 같은 자원으로 4G보다 높은 셀용량을 만족시키기 위해서는 무선 자원의 좀 더 효율적인 이용이 필요하다.
이를 위해서 5G에서는 비직교 다중접속방식에 대한 연구가 진행되고 있다.
기존의 직교 다중접속과 다르게 단말기간의 자원을 중첩(Superposition)하여 사용하는 것을 허용한다.
순차적 간섭제거 방식은 신호의 세기가 작은 접속 단말의 신호를 잡음으로 간주하여 상대적으로 신호의 세기가 큰 접속 단말의 신호를 먼저 복호하고, 복호된 신호를 전체 수신신호에서 제거하여 신호의 세기가 작은 접속 단말의 신호를 마지막으로 복호하는 방식이다(그림 4 참조).
(5) 소형셀(Small Cell)/이중 접속(Dual Connectivity) 기술
셀용량 증대와 폭발적으로 증가하는 트래픽을 지원하기 위해 5G 무선통신시스템에서는 소형셀 기술에 대한 요구가 증가하고 있다.
피코셀, 펨토셀, 무선중계기 등의 비교적 소형 기지국은 매크로 기지국에 비해 제품 크기가 작고 저전력으로 운영되는 등 유지비가 저렴한 장점을 가지고 있다.
또한, 매크로 기지국으로부터의 먼 거리나 실내와 같이 경로감쇄가 큰 지역에 소형 기지국을 설치할 경우 근접 지역의 단말의 경로감쇄로 인한 신호 약화를 극복하고 셀 용량 증대를 꾀할 수 있다.
즉, 증가하는 데이터 서비스에 대한 요구를 종래 매크로셀로만으로 충족시키시기보다는, 실내외의 소형셀로 서비스하도록 구성하면 저비용으로 용량 증대가 가능하다.
또한, 단말이 소형셀과 매크로셀에 동시 접속해서 각각의 장점을 누리는 이중 접속 기술(Dual Connectivity)은 소형셀을 이용하는 핵심 기술의 하나로서 제안되고 있다.
즉, 소형셀 기지국에서는 높은 데이터 전송률을 제공하고 매크로셀 기지국은 커버리지 보장과 이동성 관리를 주로 수행하는 방식으로 단위면적당 용량을 효과적으로 증가시킬 수 있다.
(6) 향상된 기기 간 직접 통신(Enhanced Device to Device Communication(eD2D)) 기술
기기 간 직접 통신은 근접한 위치에 존재하는 단말들 간에 인프라 네트워크를 통하지 않고 직접 통신을 하거나, 혹은 커버리지 밖에 있는 단말이 중계기능이 있는 단말을 통해서 통신을 하는 기술이다.
이는 단말 간에 직접 통신을 하기 때문에 인프라 네트워크의 트래픽 부담을 줄여주고 단말과 인프라 네트워크 간의 통신 환경으로 인한 불필요한 제약을 받지 않는 장점을 가지고 있다.
이런 장점으로 인해 예전부터 Bluetooth 및 WiFi P2P 등 주로 비면허대역(Unlicensed Band)에서의 기기 간 직접 통신 기술들은 꾸준히 개발되어 왔다.
하지만, 기존의 비면허대역에서의 기기 간 직접 통신 기술들은 데이터의 전송 거리 및 전송률에 그 한계가 있거나, 사용자가 근접 서비스를 구동시키기 위해 수동적으로 기기를 조작해야 하는 불편함이 있다.
5G에서는 이런 문제점들을 해결하고 증가하는 데이터 전송 요구량에 효과적으로 대응하기 위해 향상된 기기 간 직접 통신 기술에 주목하고 있다.
향상된 기기 간 직접 통신 기술은 기존 기기 간 직접 통신 기술에 비해 넓은 전송 범위, 높은 전송률, 그리고 서비스의 품질(QoS : Quality of Service)을 보장하고, 사용자의 별도 개입없는 자동적 동작을 목표로 하고 있다.
이 외에도 다음과 같은 기술들이 5G의 무선전송기술 후보로 제안되고 있다.
New Waveform 기술: 기존 통신 시스템(4G)에서 사용중인 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 에서는 대역 외 스펙트럼 재성장(Spectrum Regrowth)로 인한 사이드 로브가 높아져 스펙트럼 효율이 떨어진다는 문제가 발생한다.
즉, 인접한 채널에 있는 두 명의 사용자가 서로를 간섭하기 때문에 효율적인 스펙트럼 사용이 어렵다.
이러한 OFDM의 단점을 해결하고 스펙트럼 효율을 높이기 위해 GFDM(Generalized Frequency Division Multiplexing), FBMC(Filter Bank Multi-carrier)등의 New Waveform 기술이 연구되고 있다.
LAA/eCA 기술: LAA(Licensed Assisted Access)은 면허대역(Licensed Spectrum)과 비면허대역(Unlicensed Spectrum)의 장점을 동시에 이용하고자 하는 기술이다.
예를 들어 안정적이고 이동성 지원이 가능하지만 상대적으로 비용이 비싸서 대역폭 제한적인 면허대역은 제어신호나 이동성 지원 등을 위해서 이용하고 대역폭 이용이 자유로운 비면허대역은 데이터 전송률 향상에 이용하는 기술이다.
주파수 묶음기술(CA: Carrier Aggregation)은 파편화된 주파수 대역폭을 융합해서 하나의 주파수 대역폭처럼 활용할 수 있는 기술이다.
무선통신에서는 주파수의 대역폭을 넓게 사용할수록 데이터 전송용량을 증가시킬 수 있지만 이미 여러 용도로 분리되어 독립적으로 사용되는 파편화된 주파수 대역폭들로 인해 대역폭 사용에 제한이 많이 따른다.
이에 주파수 묶음기술은 이제한을 극복시켜줄 수 있는 기술로 각광받고 있다.
무선 백홀 (Wireless Backhaul): 무선 백홀 기술은 기존의 유선으로 연결된 기지국간 네트워크를 무선으로 지원하는 기술이다.
이 기술은 셀용량 및 커버리지 증대를 위해 소형셀 기술이 도입될 경우 증가하는 기지국을 효율적으로 연결시킬 수 있는 기술로 각광받고 있다.
또한, 무선 백홀 기술이 자동 구성 네트워크(SON: Self Organized Network) 기술과 결합될 경우 트래픽 상황 등에 따라 소형 기지국을 유동적으로 설치가 가능하도록 해 효율적인 셀운영이 가능할 것으로 예상된다.
이상과 같이 현재 5G의 무선 전송 기술 후보들을 간략히 살펴봤다. 현재도 계속 논의 중에 있지만, 대체적으로 다음과 같이 분류가 가능하다.
먼저, 밀리미터파 기술, New Waveform 기술, LAA/eCA 기술과 같은 전송대역폭 확장을 위한 기술, 대규모 다중안테나 시스템 기술, 전이중 기술, 비직교 다중접속방식 기술과 같은 전송 효율 증대를 위한 기술, 마지막으로, 소형셀/이중 접속 기술, 향상된 기기 간 직접 통신 기술, 무선 백홀 기술과 같은 셀 용량/커버리지 강화 기술이다.
무선 전송 기술 외에도 5G에서는 네트워크 기술, 신규 서비스 최적 실현 기술 등 다양한 차세대 서비스를 지원하기 위한 기술들이 논의 중에 있다.
이런 기술들을 바탕으로 향후 5G는 ICT 산업 전반을 혁신하는 핵심 인프라로서 진화할 것으로 기대되고 있다.