정보통신기사, 정보통신학과, 통신직 등 정보통신일반 요점 정리 105. 4G 이동통신

105. 4G 이동통신

 

 

이동통신 기술은 짧은 기간에 고도의 성장을 이루었다. 음성통신만 가능했던 아날
로그통신인 1세대부터, 음성통화와 간단한 텍스트 메시지를 주고받을 수 있는 2세대
디지털 이동통신, 문자, 음성, 동화상 등 멀티미디어 데이터 서비스를 할 수 있는 3
세대 이동통신을 거쳐 이제는 음성, 화상, 멀티미디어, 인터넷의 모든 서비스를 이동
전화 하나로 해결할 수 있는 4세대 이동통신기술이 등장하게 되었다. 4G 이동통신기
술의 대표적인 주자가 바로 WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access
와 LTE(Long Term Evolution)이다.
4세대 이동통신인 4G는 휴대용 단말기를 이용하여 전화를 비롯한 위성 네트워크
연결, 무선 랜 접속이 가능하며, 끊김 없는(seamless) 이동 서비스 제공을 목표로 하
고 있다. IMT-2000 보다 전송 속도가 수십 배 이상 되는 빠른 통신 속도를 바탕으
로 동영상 전송, 인터넷 방송 등의 다양한 멀티미디어 서비스를 지원하며, 수십∼수
백Mbps의 전송 속도로 대용량 데이터를 송수신한다. 4G 이동통신은 정지하고 있을
경우에는 초당 1GB, 이동할 경우에는 초당 100Mbps의 속도로 데이터를 전송한다.
4G 이동통신은 초고속 전송 속도를 기반으로 유비쿼터스, 컨버전스(Convergence),
브로드밴드(Broadband)라는 3가지 기술을 융합하여 유선과 무선, 정지 영역과 이동
영역이 결합되는 새로운 차원의 이동통신 서비스 인프라를 구축할 것이다. 이는 광
대역 이동통신 서비스(WMBS, Wireless Mobile Broadband Service) 인프라가 구현됨을 의미한다. 4G 이동통신은 지금까지 등장한 모든 이동통신 서비스는 물론 방송, 금
융, 전자상거래, 엔터테인먼트 서비스까지 포괄하며, 세계 모든 나라가 동일한 주파
수 대역을 사용하기 때문에 글로벌 네트워크 구현이 가능하다. 따라서 세계 각국은
4G 이동통신 기술 주도권 잡기에 총력을 기울이고 있다.
현재 국내 및 해외에 적용된 LTE, Wibro는 엄밀히 말해 4세대 이동통신 규격이라
할 수 없다. 진정한 4G 규격은 LTE-Advanced와 Wibro-Evolution인 WiMAX로 보는
것이 대체적인 견해다. 아울러 지난 2008년 미국식 CDMA2000의 발전된 형태인 4G
이동통신 규격을 개발하고 있던 퀄컴이 이를 포기하고 LTE 개발에 참여하면서, 4G 이
동통신 규격 경쟁은 LTE와 WiMAX의 2파전 형태로 진행 중이다.

 

가. ALL-IP 네트워크
화상회의, 인터넷 방송 등 IP에 기반을 둔 고속 멀티미디어 서비스의 수요가 늘면
서 대역폭이 폭발적으로 증가하고, 회선 교환망과 패킷 교환망의 통합과 음성과 데이
터 응용의 통합도 요구되었다. 이러한 요구를 충족시키기 위한 차세대 이동통신망을
All-IP라고 부른다. ALL-IP는 IMT-2000의 범주에 포함되지만 하부 인프라가 전혀
다른 차세대 이동통신 네트워크이다. ALL-IP가 실현되면 무선구간에서 인터넷 프레
임이 직접 전송되고, 기존 전화망에 적용되던 공통선 신호방식(CCS No.7)의 전용망
도 사라지게 될 것이다. 그리고 사용자 측면에서는 이동 단말기를 이용해 실시간 멀
티미디어 서비스를 인터넷에서 제공하는 동일한 서비스 품질로 제공받게 될 것이다.
ALL-IP는 하나의 단말기로 위성, 무선 랜, 인터넷 등을 모두 사
용하여 음성, 영상, 데이터를 동시에 해결할 수 있는 네트워크의 구축을 의미한다.
ALL-IP 네트워크는 4단계로 나누어 단계별로 발전되고 있다.

 

(1) ALL-IP 네트워크 1단계
ALL-IP망의 1단계는  기지국 제어기(BSC)에서 이동통신 교환
기(MSC)를 거치지 않고 직접 인터넷으로 접속되는 구조이다. IP 코어 네트워크 접속
을 위해 SS7(Signaling System 7) 게이트와 IP 라우터를 통과한다. IP 코어 네트워크
에 WAP(Wireless Application Protocol) 게이트웨이와 WAP/Web을 연결하여 콘텐츠
서비스를 제공한다. 음성과 회선데이터가 서로 공존하는 가치사슬을 형성하고 있다.

 

(2) ALL-IP 네트워크 2단계
고속 인터페이스와 언제 어디에서나 데이터 서비스가 가능하도록 ALL-IP 네트워
크의 2단계는  네트워크가 구성되며, 데이터 전송 시 전송하고자
하는 데이터가 있을 때에만 접속되는 패킷 네트워크 구조를 가진다. 음성은 이동통
신 교환기를 통하여 지능망을 경유하여 각종 부가서비스를 제공받을 수 있으며, 이
동통신 교환기는 ATM 기능을 갖춘 교환기가 도입됨으로써 대용량의 트래픽을 수용
할 수 있다. 인터넷 IP 네트워크상에 유지보수(SNMP), 저장 게이트웨이, 보안서버
(RADIUS), DHCP 서버, DNS 서버, 응용 서버 등을 연결하여 인터넷 IP상에서 모든
처리가 이루어짐으로써 데이터 서비스가 가능하다. 기지국에서 인터넷으로 연결 시
PDSN/GPRS를 통하여 연결됨으로써 패킷 전송을 지원한다.

 

① DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol) 서버: 동적 인터넷 주소를 사용자
에게 할당하는 기능을 담당한다.
② DNS(Domain Name Server): DNS는 호스트나 도메인의 이름으로부터 IP 주소로
변환하는 기능을 담당하며 클라이언트/서버 구조로 동작한다.
③ RADIUS(Remote Authentication Dial-in User Services) 서버: 사용자가 인터넷
접속 시 사용자 ID, 패스워드, IP 주소 등의 정보를 서로 비교 또는 사용자에게
요청하여 사용자의 식별 및 인증을 담당한다.

 

(3) ALL-IP 네트워크 3단계
음성과 데이터, 가상 사설통신망(VPN, Virtual Private Network), 패킷 음성(Packet
Voice) 액세스 노드는 멀티미디어를 전용으로 처리하는 망으로 활용 가용성을 높이고
있다. ALL-IP 네트워크의 3단계는 [그림 7-33]과 같으며, IP 코어 네트워크에서는
회선/신호 게이트웨이와 이동성 유지보수, 차세대 서버, 콜 에이전트 등의 기능들을
연결하고 호 처리 기능을 지원한다. 콜 에이전트는 차세대 인간과 컴퓨터 간의 인터
페이스 기능 수행으로 인터넷에서 다양한 서비스를 효과적으로 이용하기 위한 기술
이다. 차세대 서버는 무선전화기 및 단말기들의 위치관리 및 정보제공 기능과 단말기
의 이동성을 위한 Mobile IP의 기능으로 LAN과의 연동을 통한 단말기의 이동성을 보
장하는 기능을 수행할 것이다.

(4) ALL-IP 네트워크 4단계
IP 코어 네트워크를 중심으로 한 ALL-IP 네트워크의 전체 구성은 [그림 7-34]와 같
으며, 진정한 IP 네트워크로서 ALL-IP의 실현과정을 보여주고 있다. IP 코어 네트워
크는 무선 환경 하에서 음성, 데이터, 동영상을 처리할 수 있도록 하며, IP 코어 네트
워크는 멀티미디어 수용으로 각 노드와 노드간의 전송속도는 수십~100Gbps로 매우
강력한 망으로 구성될 것이다. 2G망과 3G망을 하나의 TCP/IP 프로토콜로 처리함으
로써 VoIP의 구현과 함께 고속의 영상을 전송하는 네트워크로 발전될 것이다. [그림
7-35]는 ALL-IP 네트워크에서 제공하는 다양한 서비스를 표현한 것이다.

 

ALL-IP 네트워크가 제공하는 서비스

나. UWB(Ultra-Wideband)
(1) 개념
차세대 무선통신기술 가운데 하나로 UWB가 주목을 받고 있다. UWB는 초고속 무
선통신과 저출력, 그리고 효율적 주파수 활용 등의 장점을 바탕으로 앞으로 유비쿼터
스 시대를 구축하는 데 있어 큰 축으로 자리매김할 것으로 보인다. 그동안 휴대전화를
통한 무선통신, WiMAX, WiBro 기반 서비스 구현이라는 모델로 초고속 무선통신이
접근되었다면, UWB는 생활 속에서의 근거리 초고속 무선통신의 활용가능성을 제시
하고 있어 산업계에서 특히 주목을 받고 있는 분야이기도 하다. FCC는 UWB를 ‘중심
주파수의 20%이상의 점유대역폭을 가지거나 500MHz 이상의 점유대역폭을 차지하는
무선전송기술’로 정의한 바 있으며, 이에 따르면 대역폭만 500MHz 이상 확보한 기존
캐리어 변조 기술도 UWB 기술로 구분이 가능해진다. 일반적으로는 3.1∼10.6GHz
대역에서 100Mbps이상 속도로, 기존의 스펙트럼에 비해 매우 넓은 대역에 걸쳐 낮은
전력으로 초고속 통신을 실현하는 근거리 무선통신기술로 규정된다.

(2) 특징
UWB의 가장 큰 특징은 초광대역을 활용하면서 동시에 출력이 상대적으로 낮다는
점이다. UWB 시스템의 경우, 기존 협대역 시스템이나 광대역 CDMA 시스템에 비해
매우 넓은 주파수 대역에 걸쳐 상대적으로 낮은 스펙트럼 전력 밀도를 바탕으로 한다.
다른 통신시스템에 간섭을 방지하기 위해 신호에너지를 수 GHz 대역폭에 걸쳐 스펙 트럼으로 분산, 송신함으로써 다른 협대역 신호에 간섭을 주지 않고 주파수에 크게 구
애받지 않으며 통신을 할 수 있도록 하는 것이다. 이러한 속성은 주파수를 공유, 사용
할 수 있으면서 동시에 매우 적은 전력만을 필요로 하는 장점으로 이어진다. [표 7-8]
은 UWB와 무선 랜(WLAN, Wireless LAN) 표준인 IEEE 802.11g, IEEE 802.11n, 블
루투스(Bluetooth), 지그비(ZigBee)와의 비교를 나타낸 것이다. UWB는 특히 기존의
WLAN이나 Bluetooth 등에 비해 높은 전송 속도와 낮은 전력 소모 등에서 월등히 앞
서기 때문에 고성능 휴대용 기기 간의 접속기술 방식으로 각광받을 수 있으며, 낮은
전력소모는 휴대용 기기의 배터리 문제를 해소하는 데에도 적지 않은 도움이 될 것으
로 전망된다. 특히 수백 Mbps에 이르는 높은 전송속도는 고화질 영상 데이터를 포함
한 거의 모든 현존하는 데이터를 무리 없이 송수신하기에 지장이 없어 가장 큰 장점으
로 부각될 수 있다. UWB는 다른 어떤 형태보다도 무선 개인통신망(WPAN, Wireless
Personal Area Network)으로서의 가치 평가가 가능하며, 혁명적인 차세대 무선통신기
술로 등장할 것으로 예상할 수 있다

 

UWB, WLAN, Bluetooth, ZigBee의 비교

구분	802.11g	802.11n	Bluetooth	ZigBee	UWB
주파수대역	2.4GHz	5GHz	2.4GHz	868MHz 915MHz 2.4GHz	3.1∼10.6GHz
전송속도	54Mbps	500Mbps	1Mbps	20Kbps 40Kbps 250Kbps	500Mbps
범위	1Km	1Km	10m	30m	2∼10m
접속방식	OFDM DSSS	MIMO OFDM	Frequency Hopping	CSMA-CA	MB-OFDM DS-CDMA
응용분야	Hotspot	Hotspot	근거리 유선 대체	저 전력 기기 제어	근거리 고속통신

(3) 서비스 분야
UWB는 초창기부터 군사용 목적으로 활용되어 왔으나, 2002년 2월에 FCC가 상업
적 용도의 활용을 승인하여 다양한 활용 분야가 나타날 수 있는 기반이 마련되었다.
레이더 분야의 응용 사례로는 항공기 충돌 예방장치, 차량 충돌 방지 장치, 폭발물 매
설 탐지, 지하탐사 레이더, 벽 침투 레이더, 고정밀 위치 추적, 접근에 따른 보안 시스템, 분실 방지 시스템 등이 있으며, 최근에는 주로 사무실 및 개인 공간의 전자 기
기 관련 통신 서비스 계열로 활용 분야가 집중 개발되고 있는 분위기이다. 또한 홈 게
이트웨이, TV 영상전송, 다채널 오디오 등의 홈 네트워크 무선기기 시스템에서 기존
의 유선 네트워크를 대체할 수 있는 가능성이 예상된다. 컴퓨터 컴포넌트 관련으로
는 디지털 카메라, 프린터, PMP, 저장 매체 등과의 USB 및 IEEE1394 등 기존의 유
선 연결을 대체하는 데 활용될 수 있을 것으로 기대되고 있으며, 휴대폰, PDA 등 다
양한 기기 간 통신이 고속으로 손쉽게 이루어져 활용성이 증가하는 한편, 더욱 큰 부
가가치를 형성할 수 있는 가능성이 제기되고 있다. 

다. 지그비(ZigBee)
지그비는 IEEE 802.15 규격에 기반을 두고 있는 기술로 868MHz, 902∼908MHz 및
2.4GHz에서 작동하는 무선 개인 영역 통신망(WPAN) 규격이다. 여기서 무선 개인 영
역 통신망이란 주변장치 접속이 무선으로 이루어지는 개인 영역 통신망을 말한다. 지
그비를 사용하면 무선 개인 영역 통신망 내에서 통상 50m 이내의 거리에 떨어져 있는
주변 장치들 간에 최고 250Kbps의 속도로 데이터를 주고받을 수 있다.
지그비는 가정과 기업 그리고 제어기기와 센서가 주로 사용되는 산업자동화 분야
에 이상적이다. 이러한 주변 장치들은 낮은 전력에서도 작동하므로 배터리를 보다 오
랫동안 쓸 수 있게 해준다는 것을 의미한다. 지그비의 활용 예로는 HVAC, 조명시 스템, 침입탐지, 화재 감지, 그리고 비정상 사태의 감지 및 통보 등의 분야가 있다.

라. 와이파이(Wi-Fi, Wireless Fidelity)
1997년 IEEE 802.11 무선 랜 규격이 등장하면서 무선기술의 발달이 본격화되기
시작했다. 세계적으로는 IEEE 802.11 계열의 기술이 와이파이로 통용된다. 와이파
이는 Wireless Fidelity의 약어로 무선접속장치(AP)가 설치된 곳을 중심으로 일정 거
리 이내에서 PDA, 스마트 폰, 태블릿 PC, 노트북 등의 무선기기를 통해 초고속 인
터넷을 이용하는 것을 말한다. 무선주파수를 이용하므로 전화선이나 전용선이 필요
없으나 PDA나 노트북 컴퓨터에는 무선 랜 카드가 장착돼 있어야 한다. 전송 속도가
4~11Mbps로 대용량의 멀티미디어 정보도 주고받을 수 있으며 장시간 사용해도 사
용료가 저렴하고 이동성과 보안성까지 갖추고 있다. 전 세계적인 주요 도시들은 지
역 전체에 와이파이 존을 구축하고 있으며, 이제는 스마트폰에 와이파이 기술을 채
택하였고 인터넷전화(VoIP , Voice Over IP)와 이동통신이 결합되면 엄청난 파급효
과가 예상된다.

마. 와이브로(Wibro, Wireless Broadband Internet)
와이브로는 언제, 어디서나, 이동 중에도 초고속 인터넷을 무선으로 자유롭게 이
용할 수 있는 서비스라는 의미를 지니고 있다. 무선 광대역 인터넷, 무선 초고속 인
터넷, 휴대 인터넷 등으로도 불리며, 휴대전화와 같이 언제 어디서나 이동하면서 인
터넷을 이용할 수 있는 서비스이다. 휴대전화와 무선 랜의 중간 영역에 위치하는 와
이브로는 한국에서 국제 표준화를 주도하고 있는 3.5세대 이동통신 서비스이다. 매
우 전파가 좋은 조건에서 최대 전송속도는 하향링크 19.2Mbps, 상향링크 4.95Mbps
를 나타낸다. 한편 와이브로는 향후 시장수요나 기술여건 등에 따라 발전경로가 변
화할 것으로 예상된다.

바. 와이맥스(WiMAX, Worldwide Interoperability for Microwave Access)
IEEE 802.16 규격의 별칭으로 Wi-Fi(802.11a/b/g)의 공간적인 한계를 극복하기 위
해 개발된 기술이다. 와이맥스는 안테나 하나로 도시 전역을 커버하는 광대역 초고
속 인터넷으로 최대 48km에서 7Mbps 데이터 전송이 가능하다. 와이맥스의 종류에
는 이동형(IEEE 802.16e), 고정형(IEEE 802.16d)이 있다. 와이파이는 최대 전송 속
도가 40Mbps까지 가능하지만 기지국 당 커버리지가 30∼200m 정도로 매우 협소하다
는 단점이 있다. 따라서 넓은 지역에서도 무선 브로드밴드 네트워크를 구축하기 위해 좀 더 넓은 영역을 가진 새로운 무선통신 기술이 필요하게 되었다. IEEE 802.16 그룹
은 2000년에 활동하기 시작해 2002년 4월 10∼66GHz대역에서 운용되는 802.16 버전
의 표준을 최초로 발표했고 이후 802.16 버전을 보완한 802.16a 규격도 선보였다. 고
정형 와이맥스라고 불리는 802.16d는 장애물이 없는 지역에서는 최대 45km까지, 장
애물이 많은 도심지역에서도 1~2km까지 영역을 확대할 수 있다. 고정형 와이맥스의
주파수 대역은 2~11GHz를 활용할 수 있으며, 섹터 당 20MHz의 채널을 바탕으로 전
송속도는 최대 75Mbps까지 구현할 수 있다.

사. 휴대 인터넷
휴대인터넷은 달리는 차 안에서도 인터넷 접속이 가능하도록 개발된 무선통신 기
술을 말한다. 휴대 인터넷 서비스는 기존 이동통신 서비스와 마찬가지로 기지국 간의
핸드오버를 지원하여 이동 중에도 끊기지 않으며, 단말기 측면에서도 노트북에서 휴
대형 컴퓨팅 단말에 이르기까지 유선 초고속인터넷 환경과 동일한 접속 환경을 제공
한다. 전송 속도는 1~3Mbps로 10~50Mbps 정도인 무선 LAN에 미치지 못하지만 무
선인터넷을 위한 서비스 반경이 무선 LAN에 비해 10배가량 넓고, 시속 60km로 이동
하는 차량 안에서도 유선인터넷과 비슷한 인터넷 접속 상태를 유지할 수 있어서 PDA
와 같은 다양한 단말기기를 이용하여 자유롭게 인터넷을 이용할 수 있다.

아. LTE(Long Term Evolution)

LTE는 3세대 이동통신 표준화 단체인 3GPP가 2008년 12
월에 확정한 표준규격 ‘릴리스(Release)8’을 기반으로 하고 있
다. 이에 따라 채널 대역폭은 1.25~20MHz이며, 20MHz 대
역폭을 기준으로 하향 링크의 최대 전송 속도는 100Mbps,
상향 링크의 최대 전송 속도는 50Mbps를 지원한다. 무선
다중접속 및 다중화 방식은 OFDM(직교 주파수 분할), 고
속 패킷데이터 전송 방식은 MIMO(다중 입출력)를 기반으로 한다.
LTE 기술은 3세대 이동통신인 WCDMA에서 진화한 것이기 때문에 기존의 네트워
크와 연동할 수 있어 기지국 설치 등의 투자비와 운용비를 크게 줄일 수 있는 장점이
있다. 2009년 12월 LG전자가 세계 최초로 단말기용 LTE 칩을 공개하였고, 같은 달
14일 북유럽 최대의 통신사 텔리아소네라(TeliaSonera)가 삼성전자에서 제작한 LTE 단
말기를 통하여 세계최초로 상용 서비스를 시작하였다. 하지만 이 두 가지 기술이 4G
이동통신이라고 하기에는 아직 부족한 점이 있다. 왜냐하면, 4G 이동통신은 표준인
IMT-Advanced에서는 이동 시 100Mbps와 고정 시 1Gbps의 속도를 요구하지만 아직
까지 LTE는 이 기준을 만족시키지 못한다. ITU의 표준을 만족시키기 위해 개발된 것
이 바로 WiMAX 2와 LTE-Advanced 이다. 2010년 6월 WiMAX 2, LTE-Advanced 모
두 4G 이동통신 국제표준 평가를 통과하였고 2012년 2월에 최종적으로 국제표준으
로 승인될 예정이다. [표 7-9]는 LTE와 LTE-Advanced의 기술 규격을, [표 7-10]은
WiMAX와 WiMAX 2의 기술 규격을 각각 비교한 것이다.

 

<LTE와 LTE-Advanced 기술 규격 비교>

구분	LTE	LTE-Advanced
접속방식	Downlink : OFDMA Uplink : SC-FDMA	Downlink : OFDMA Uplink : SC-FDMA
이동성	350km/h	350km/h
채널 대역폭	1.4, 3, 5, 10, 15, 20MHz	1.4, 3, 5, 10, 15, 20MH의 조합
전송속도	Downlink : 300Mbps Uplink : 75Mbps	Downlink : 1Gbps Uplink : 100Mbps
VoIP 용량	섹터 당 80명	섹터 당 80명 이상

 

<WiMAX(802.16e)와 WiMAX 2(802.16m) 기술 규격 비교>

구분	WiMAX	WiMAX 2
접속방식	MIMO-SOFDMA	MIMO-SOFDMA
이동성	60∼120km/h	350km/h
채널 대역폭	3.5, 5, 7, 8.75, 10MHz	5, 10, 20, 40MHz
전송속도	Downlink : 128Mbps Uplink : 56Mbps	Downlink : 1Gbps Uplink : 100Mbps
VoIP 용량	섹터 당 20명	섹터 당 20명 이상