Win Tech - 나를 위한 초실감 서비스, 밀리미터파 5G 이동통신 기술
Win Tech는 공공연구기관의 연구성과 확산을 위해 국가과학기술연구회(NST)와 공동으로 우수 공공기술을 선별하여 게재하고 있습니다.
▲ 김태중 부장 한국전자통신연구원
초연결성(Hyper-connected)과 초지능화(Hyperintelligent)로 대표되는 4차 산업혁명의 조기 실현을 위해, 이동통신 산업도 사물인터넷, 클라우드 등 타 정보통신기술(ICT)과 협력하여 급진적 발전과 확산을 시도하고 있다.
이를 위해 ITU-R에서는 새로운 세대의 이동통신을 위해 2012년 6월 “5G 비전 연구”를 시작으로 “5G 기술성능 요구사항 및 평가방안”, “기술제안 접수 및 평가작업” 등을 통해 5G 이동통신을 결정하는 절차를 진행하고 있다.
더불어 이동통신 국제표준화기구인 3GPP에서는 2015년 9월부터 5G 표준규격 제정을 위한 절차를 시작하였으며, 현재 2020년을 목표로 5G NR(New RAT)을 위한 표준규격 작성에 박차를 가하고 있다.
ITU-R의 5G 비전에 따르면, 5G 핵심 서비스로 ‘모바일 광대역 서비스’, ‘초신뢰성 및 저지연 서비스’ 및 ‘대규모 사물인터넷 서비스’를 정의하고, 예상 시나리오를 그림 1과 같이 제시하였다.
특히 모바일 광대역 서비스는 고속·고품질의 멀티미디어 서비스를 언제, 어디서나 사용자가 경험할 수 있도록 하는 서비스로서, 온라인 게임, 스마트 워크 등과 결합된 가상현실(VR, Virtual Reality) 및 증강현실(AR, Augmented Reality), 고품질 4K/8K UHD 영상 등의 서비스를 포함한다.
모바일 광대역 서비스를 위해서는 전송효율 향상을 위한 셀 소형화 기반의 ‘고밀도 군집 네트워크’ 기술과 최대 전송률 향상을 위해 ‘광대역 주파수’를 새롭게 발굴하는 데 초점을 맞추고 있다.
그림 2와 같이 광대역 주파수는 6㎓ 대역을 초과하는 주파수 대역01에서 확보할 수 있지만, 해당 주파수 대역은 과도한 전파 감쇄 및 직진성으로 인해 음영지역 확대 및 비경제적 인프라 구축의 문제점을 해결하기 위해 빔 형성 등의 새로운 기술을 확보하여 하여야 한다.
이를 위해 ETRI는 밀리미터파를 활용한 모바일 광대역 서비스 제공 5G 이동통신 네트워크 개발을 추진하였다.
그림 3과 같이 5G 밀리미터파의 선두를 지향하는 First Mover의 전략으로 선도적 기술개발과 도전적 목표 달성을 추진하였다.
밀리미터파를 이용한 이동통신 전송 기술개발을 위해서는 우선 해당 채널의 정확한 특성을 평가하여야 한다.
이를 위해, 28㎓ 주파수 대역에서 채널 사운더02를 이용하여 옥내(인천공항 및 서울역사)와 옥외(대전 및 서울 강남지역)로 나뉘어 채널 측정 캠페인을 시도하여 경로 손실, 회절 특성, 빔 폭에 따른 다중 경로 및 도래각 등을 분석하였다(그림 4, 그림 5).
이러한 채널 측정 결과를 고려하여 우리가 개발한 5G 이동통신 시스템의 테스트베드는 그림 6과 같다.
우리는 기가급 모바일 서비스를 제공하기 위해 개발한 5G 밀리미터파 이동통신 시스템에는 최대 전송용량이 20Gb㎰이며, 단말의 용량을 최대 1.5Gb㎰로 구현하여 기술검증을 완료하였으며, 현재 적응형 빔 형성을 기반으로 하는 10Gb㎰ 단말 용량확보를 위한 기술개발을 진행하고 있다.
이 테스트베드에는 밀리미터파를 활용한 전송 기술로, 좁은 커버리지를 극복하기 위해 복수의 빔이 구축된 환경에서 채널 변화 및 단말 이동에 대응하기 위한 고속빔 스위칭 기술과 무선 링크 복원 기술, 고신뢰 적응형 핸드오버 기술 등이 구현되어 검증되었다.
고속빔 스위칭 기술은 복수의 빔을 제공하는 이동통신 시스템에서 기지국과 단말이 매 순간 최적 빔을 선택하고 빠르게 스위칭함으로써 무선 링크 실패 발생률을 최소화하고 1Gb㎰의 사용자 체감 전송률을 보장한다.
단말 피드백 기반으로 상하향 빔을 실시간으로 선택함으로써 단말이 고속 이동 상황에서도 최적의 빔으로부터 서비스를 받도록 하며, 활성/인접 (Active/Neighbor) 빔을 관리하는 빔 스위칭 기술을 통해 매 순간 활성 빔의 무선 링크 실패 상황에서도 인접빔에서 서비스 받도록 함으로써 무선 링크 실패 발생률을 최소화한다.
무선 링크 복원 기술은 단말이 기지국 빔에 접속하여 통신하고 있는 상태에서 현재 활성 빔의 연결에 문제가 발생했을 때, 무선 링크 상태를 진단하고 서비스의 끊김을 최소화하기 위해 무선 링크를 복구하는 기술이다.
채널 특성상 무선 링크가 기존 셀룰러 시스템에 비해 상대적으로 취약하므로 무선 링크 실패가 발생할 수 있는 시나리오를 분석하고, 각 시나리오 별로 특화된 절차를 수행하게 된다.
기본적으로 활성 빔을 기준으로 무선 링크 실패 발생시 접속할 확률이 높은 인접빔과 기지국에 단말의 컨텍스트를 공유함으로써 무선 링크 실패에 의한 복구시 복구 시간을 최소화하도록 한다.
고신뢰 적응형 핸드오버 기술은 빔 간 끊김 없는(Seamless) 핸드오버를 지원하기 위해 이동성에 강건하고 핸드오버로 인해 발생하는 핸드오버 단절 시간(Handover Interruption Time)을 최소화하며, 사용자 체감 전송률과 저지연의 핵심 제공 능력 측면에서 핸드오버 핑퐁 발생 확률을 기존 핸드오버보다 낮게 유지하면서도 핸드오버 실패 확률을 최소화할 수 있다.
5G 밀리미터파 이동통신 테스트 베드는 그림 7에 설명된 바와 같이, 기존의 셀룰러 주파수를 대체할 수 있는 새로운 밀리미터파 주파수 대역을 발굴하여 이동통신에 활용할 수 있는 핵심기술을 개발하고, 이를 가상현실 및 증강현실, 4K/8K UHD, 홀로그램 등과 같은 모바일 광대역 서비스를 조속히 활성화할 수 있는 인프라를 제공할 수 있다.
특히 초고속, 초고용량, 초저지연 5G 이동통신 인프라 제공을 통해 새로운 생태계 구축 및 콘텐츠-플랫폼-디바이스-네트워크(CPDN) 분야의 동반 성장을 창출할 수 있을 것으로 예상된다.
특히, 이 글에서 기술한 나를 위한 초실감서비스-밀리미터파 5G 이동통신 기술은 2016년 출연(연) 10대 우수성과로 선정되어 기술개발의 혁신성과 기대효과를 인정받은 바 있다.
01 해당 주파수 신호의 파장을 고려하여 센티미터파 혹은 밀리미터파로 부르지만, 이 글에서는 밀리미터파로 칭함
02 28㎓ 주파수 대역에서 최대 500㎒의 대역폭(시간 분해능 2ns)을 가진 채널 측정용 신호를 송·수신하여 실제 필드에서의 최대 170㏈까지의 경로 손실 및 다중 경로 성분들의 분포 등 시공간 무선채널 특성을 측정·분석할 수 있는 광대역 무선채널 측정용 시스템