Win Tech - 고속 대중교통 이용자를 위한 실감 인터넷 통신 기술
Win Tech는 공공연구기관의 연구성과 확산을 위해 국가과학기술연구회(NST)와 공동으로 우수 공공기술을 선별하여 게재하고 있습니다.
▲ 정현규 연구위원
한국전자통신연구원 초연결통신연구소
대중교통 수단이 대형화 및 고속화되면서 이용자들에게 편리한 무선통신을 제공하는 일에 기존 통신 환경과 다른 차별적인 기술이 요구되고 있다.
그 이유는 기존 셀룰라 이동통신 기술이 인구 밀집 지역에서의 보행자 또는 저속 이용자에 최적화되도록 설계되어있어, 고속 이동체에 대해서는 무선 전송 데이터 속도(bps: bit per sec) 측면에서 일정 용량의 한계를 지니고 있기 때문이다.
현존하는 최첨단 4세대 셀룰라 이동통신 기술인 LTE(Long Term Evolution) 기술은 계속 진화하고 있지만, 현재의 상용수준은 350㎞/h의 속도를 지원하고 하나의 기지국 당 300Mbps에서 최대 1Gbps의 이용자 트래픽을 소화할 수 있다.
하지만 KTX와 같이 고속 그룹 이동체를 서비스하는 경우, 주파수 효율(bps/Hz)이 낮아져서 최대 용량을 만족시킬 수 없으며 고속 이동체에서 사용되는 이용자 데이터의 속도는 떨어질 수밖에 없는 구조이다.
그러나 고속도로, 지하철 및 광역 철도 등 점차 증가하고 있는 고속 이동체에서의 실감 통신 수요는 나날이 증가 추세에 있다.
더욱이 5세대 이동통신의 여러 특징 중 광대역 특성은 AR(Augmented Reality), VR(Virtual Reality) 및 홀로그램 서비스 등 실감 미디어(immersive media) 응용을 이동통신 환경에서 가능하게 만든다.
본 기술은 고속 이동체인 대중교통 매체에서 실감통신을 가능하게 만드는 기술이다.
이 글에서는 그림 1의 개념도에 나와 있는 세 가지 주요 기술인 MHN, 소형셀 및 ZING을 소개하려고 한다.
MHN(Mobile Hotspot Network)은 밀리미터(mmWave) 대역 주파수인 초고주파 대역을 활용하여, 최대 500㎞/h의 고속 이동 환경에서 최대 10Gbps의 대용량 무선 트래픽을 전달하는 5세대 기술이다.
그림 2와 같이 달리는 열차에 설치된 mTE(MHN Terminal Equipment)는 열차의 송수신 장치로 선로에 일정 간격으로 설치된 mRU(MHN Radio Unit)와 초고주파를 이용한 대용량 무선 백홀 기능을 수행한다.
외부 인터넷은 mDU(MHN Digita Unit)가 분산된 mRU의 트래픽을 게이트웨이를 통하여 연결되는데, 초고주파를 이용한 이동 무선백홀 기능이 본 기술의 핵심이다.
이것은 광대역 Bandwidth 수용을 위해 정부가 지정한 용도미지정대역(FACS. Flexible Access Common Spectrum)인 25GHz의 mmWave 대역을 사용하는데, 직진성과 근거리 커버리지를 갖는 초고주파를 핸드오버를 포함한 고속 이동 환경에 적용하는 5세대 신기술이다.
이것은 밀리미터파를 기반으로 최대 용량 10Gbps를 제공하는 세계 최초의 이동무선백홀 기술이며, 2017년 2월 서울 지하철 8호선의 운행 중인 차량에서 기가급 전송속도 기술 시연에 성공하였다.
이로써 서울 지하철 터널 내부의 복잡한 구조물 환경에서 이론적으로 최대 500㎞/h의 고속 환경에서도 끊김 없는 기가급 데이터를 제공할 수 있는 무선 전송 핵심 원천 기술을 확보하게 되었다.
현재 지하철 이동백홀로 사용 중인 와이브로(Wi-bro) 기술 대비 최대 1,000배 용량을 제공하여, 2017년 국가연구개발 우수성과 100선 및 ‘국가핵심기술’로 지정되었다.
본 기술은 국내 중소기업에 기술이전 되어 상용제품 개발이 완료되었고, 서울시 공공와이파이 사업에서 MHN 기술의 제안사가 우선협상대상자로 선정되었다(’17.9.).
2018년 서울시 지하철에서 세계 최초로 시범서비스를 시행한 후에, 관련 중소·중견 기업들이 서울시 사업을 참조모델로 하여 국내 지하철·고속철뿐만 아니라 세계 시장으로 진출이 가능할 것이다.
특히 비면허 주파수 대역을 활용하여 신시장을 개척함으로써 기존 셀룰라 사업자 위주의 이동통신 생태계를 MHN 기술을 기반으로 파생된 신 비즈니스(광고, 플랫폼, 빅데이터, 부가 서비스 등)를 중심으로 중소기업이 참여하는 새로운 생태계로 확장할 수 있다.
MHN을 이용하여 구축된 이동 백홀은 달리는 열차(또는 버스) 내에서 소형셀 또는 WiFi를 통하여 접속된다.
소형셀은 다양한 산업공간에서 광대역 서비스를 제공할 수 있는 초연결 핵심기술로서, 초연결 시대에 고밀도 네트워크 구축을 통한 광대역 대용량 통신서비스를 지원한다.
소형셀은 통상 수 ㎞의 광대역 커버리지를 지원하는 매크로 셀과는 달리 10~수백 m 정도의 소출력 커버리지를 제공하며, 제한된 커버리지 내 고밀집 이용자 환경을 대상으로 서비스를 제공한다.
또한, 실내외 핫스팟 비즈니스 모델에 맞는 용량의 소형 기지국으로 가격은 저렴하지만 매크로 기지국과 동등한 성능을 제공한다.
다가오는 5G 시대에는 소형셀이 보편화되어 매크로 기지국과 이중 연결의 네트워크 기능을 제공할 것으로 보인다.
단위 면적당 용량 증대와 음영지역이나 도심 핫스팟에서 사용자의 QoS(Quality of Service)를 높일 수 있는 방법으로 소형셀 기술이 부각되고 있다.
ETRI 소형셀 기술은 고정 소형셀 및 이동 소형셀에 모두 적용 가능한 기술로서, 세계 최고 성능의 소형셀 SW를 최신 국제규격(LTE-A Pro)에 맞춰 개발하고, 상용단말과의 연동을 통해 기술의 완성도 검증하여 국산화에 성공하였다(그림 3).
5G의 기반기술인 이중연결성, 셀 경계 단말의 체감전송률 확보를 위한 간섭제어, 소형셀 자동 최적구성 기능이 포함된 소형셀 SW는 모두 외국산에 의존하고 있는 국내시장에서 중소기업에 기술 이전되어 해외 시장(브라질, 인도네시아, 남아프리카, 베트남 등)에 상용화 추진 중이며, 국방 전문 대기업에도 기술 이전되어 활용될 예정이다.
고속 이동체 내에서 소형셀은 고정 기지국 형태로 LTE 최대용량을 제공하여 실감 인터넷 이용자의 편의를 확보할 수 있게 한다.
ZING 기술은 대중교통 내에서 다양한 스마트 디바이스의 광대역 대용량 서비스를 효과적으로 제공하는 차세대 NFC(Near Field Communication, 일명 Zing)기술로서 열차 내 디바이스 사이 근접거리에서 초고속 순간전송 기능을 수행한다.
이것은 60㎓를 활용한 비 접촉식 무전원 송수신 기술로서, 그림 4와 같이 비면허대역(60㎓)을 이용하여 근접거리(10㎝)에서 디바이스 간에 최대 3.5Gbps 속도로 대용량 콘텐츠를 손쉽고 빠르게 송수신할 수 있는 초고속 근접통신 및 칩셋 기술이다.
1기가 바이트의 영화 한 편이 3초 이내에 전송 완료되며, 기존 NFC 기술 대비 4천 배 이상의 에너지효율과 8천 배 이상의 전송속도를 실증하여 세계 최고 전송속도와 에너지 효율성을 제공한다.
이동 고속 열차에서 MHN을 통한 대용량 콘텐츠가 키오스크에 저장되면 순간 전송으로 대용량 미디어 다운로드가 가능하며, 고성능 초소형 의료 카메라를 이용한 의료기기에도 활용할 수 있다.
Phone2Phone의 순간 전송 등 Zing 기술로 인한 편리성 제고로 빠르고 손쉬운 콘텐츠 소비가 가능해져, 다양한 분야에서의 대용량 콘텐츠 소비시장 성장이 기대된다.
셀룰러 이동통신 시스템의 서비스 품질이 가장 취약한 곳으로 알려진 사용자 밀집 그룹이동체(지하철·고속철·버스 등) 내에서 댁내 유선 서비스와 동급인 초고속 데이터 서비스 제공은 시대적인 요구사항이다.
이를 위하여 고속 그룹 이동체 통신기술(MHN), 소형셀(Small Cell) 및 근접통신 기술(ZING)은 고속 이동환경에서 서비스를 제공하고 시장을 선점하기 위해 주도해야 할 5G 기술이다.
현재 지하철 등 대중교통에서 느린 데이터 전송속도를 갖는 저품질의 와이파이 서비스가 제공되고 있고, 소형셀 SW는 모두 외국산에 의존하고 있어서 최신 규격 지원 및 신기능 추가에 어려움이 있다.
또한, 기존 근접통신 기술은 낮은 에너지 효율과 전송속도로 인하여 고품질 미디어 서비스 적용에 원활하지 않으므로, 융합 신산업 창출을 위한 선도형(First Mover) 핵심 기술 및 시장 친화적인 기술의 동시 개발이 필요한 상태이다.
아울러 첨단분야의 기술이전과 상용화 지원을 통한 관련 중소기업의 경쟁력 강화가 필요하다.
MHN 기술을 통해 기가급 초고속 와이파이 서비스가 가능해짐에 따라 대중교통 이용 시 기가급 초고속 와이파이 서비스를 제공하여 이용자들의 통신비 절감이 가능하고, VR/AR 기반의 실감 인터넷 광고 등 신규 서비스 창출이 예측된다.
소형셀 SW의 기술 자립이 이루어진다면, 다양한 소형셀 기지국(펨토, 인빌딩, 특수목적용 등) 생산시 가격 및 기술경쟁력이 향상되고 기술료 및 라이선스 비용도 절감될 것이다. ETRI 기술경제부 추산에 따르면 향후 5년간 670억 원의 로열티가 감소할 것으로 예상한다.
또한, Zing 탑재 단말의 수요 증가로 모바일 산업뿐만 아니라 정보가전 산업 및 스마트자동차 산업 등에서 빠르고 손쉬운 콘텐츠 소비가 가능해지므로, 다양한 분야에서의 대용량 콘텐츠 소비시장 성장이 기대된다.
Win Tech는 공공연구기관의 연구성과 확산을 위해 국가과학기술연구회(NST)가 선정한 “2017 출연(연) 우수연구성과 10선” 기술을 선별하여 게재하고 있습니다.