정보통신기사, 정보통신학과, 통신직 등 정보통신일반 요점 정리 126. 차세대 이동통신 규격 및 기술 2
126. 차세대 이동통신 규격 및 기술 2
| •펨토 셀(Femto Cell) : 가정이나 사무실 등 실내에서 사용되는 초소형 이동통신용 기지국으로, 이동 전화와 인터넷을 연결하여 저렴한 비용으로 유무선 융합 서비스를 제공한다. 펨토 셀은 100조분의 1을 의미하는 펨토(Femto)와 이동전화 통화 가능지역 단위를 말하는 셀(Cell)의 합성어로, 펨토만큼 촘촘한 커버리지를 제공한다는 의미이다. |
가. 차세대 이동통신 규격의 요구 사항
4G 이동통신 실현을 위한 LTE-Advanced의 요구사항은 ① 시스템 설치비용과 운용
비용을 감소시킬 것, ② 셀 가장자리 경계지역에서의 성능이 향상될 것, ③ 셋째 기
존의 LTE 시스템과의 호환성을 갖출 것, ④ 다양한 대역폭의 사용으로 유연성을 확립
시킬 것, ⑤ 시스템 최적화 기술을 향상시킬 것, ⑥ 유럽의 주요 이동통신 사업자 단
체인 NGMN(Next Generation Mobile Networks)의 요구사항을 수렴할 것, ⑦ 상향링
크에서도 MIMO(Multiple-Input and Multiple-Output) 기술이 적용되고, 다운링크의
경우 4×4 이상의 안테나 구성이 지원될 것 등이다.
나. 차세대 이동통신의 핵심 기술
LTE-Advanced의 기술적 목표는 기존의 LTE 기술 대비 전송속도의 향상과 셀 커버
리지 용량의 향상, 셀 경계지역에서의 전송 품질 향상, 간섭제어 기술 향상 등 기존
LTE 기술 대비 전반적인 전송속도 향상 및 서비스 품질 성능을 향상시키는 것이다.
LTE에서는 최대 채널 대역폭이 20MHz까지 지원 하였으나, LTE-Advanced에서는 더
욱 늘어난 100MHz까지이다. 채널 대역폭이 증가한다는 것은 최대 전송 속도가 늘어
난다는 것인데, 20MHz에서 100MHz까지 채널 대역폭이 증가되면 전송속도는 최대
10배 이상 향상될 것으로 기대된다. LTE에서는 접속방식으로 SC-FDMA를 사용했는
데, LTE-Advanced에서는 이를 더욱 보완한 NxDFT-S-OFDMA, C-DFT-S-OFDMA
방식을 사용하여 주파수 효율성을 높일 수 있도록 한다. 또한 LTE-Advanced에서는
전송속도를 높이기 위해 안테나의 개수를 상향링크는 4×4 MIMO에서 8×8 MIMO 로, 하향링크는 단일 송신 안테나에서 4×4 MIMO로 증가시켰다. 주요 후보 기술의
자세한 내용은 다음과 같다.
(1) 다중 홉 릴레이(Multi-hop Relay)
다중 홉 릴레이는 IEEE 802.16j에서 이미 표준화 된 기술로 기
지국의 영역 밖의 지역에도 중계국(Relay Station)을 통한 신호 전달이 가능해지는 한
편, 기지국 영역 내에 존재하는 단말에 대해서도 고품질의 경로를 설정할 수 있도록
함으로써 추가 증설 없이 동일한 무선 자원으로 시스템 용량의 증대를 꾀할 수 있다.
즉, 음영지역(Dead Spot)이나 셀 경계에 설치하여 보다 효과적으로 셀 커버리지를 확
장할 수 있으며, 전송 효율도 높일 수 있는 기술을 말한다.
(2) SON(Self Organizing Network)
Self-organization은 물리학, 화학, 사회학, 생물학 등의 많은 분야에서 연구되고
발전되어온 개념으로 전체를 이루는 각각의 요소들의 간단한 작동으로 전체 시스템
의 목적을 이룰 수 있어 이동통신 분야에서도 폭넓게 활용되고 있다. 통신 시스템이
진화하면서 차세대 통신 시스템은 여러 네트워크들의 융합 형태로 나타나고, 시스템
이 점점 복잡해지고 상호연동 되면서 하나의 중앙 집중 제어방식이 아닌 개별 노드들
이 분산적으로 동작하는 시스템으로 발전하고 있다. 또한 개인영역네트워크(PAN, Personal Area Network)에서도 사람들이 소지하는 핸드폰, 랩톱, PDA 등의 디바이스
들을 효과적으로 연동시키기 위해 디바이스들이 스스로 연결되고 스스로 구성되는 네
트워크가 필요할 것이다. 이는 전체를 이루는 각각의 요소들의 간단한 작동으로 전체
시스템의 목적을 이루고자 하는 Self-organization이 지향하는 바와 일치한다. SON은
Self-organization의 개념을 이용하여 네트워크를 보다 안정적이고 효율적이면서 유연
하게 구성하는 것을 목적으로 한다. 특히 이동통신 시스템 분야에서 펨토 셀 및 차세
대 4G 도입이 가시화됨에 따라 SON에 대한 관심이 높아지고 있다.
[그림 8-7]은 SON에 대한 개념을 표현한 것으로 펨토 셀(Femto-Cell) 노드들이 서
비스 제공자에 의해 지정된 최적의 위치에 설치되는 것이 아니라 사용자가 셀 노드를
직접 설치하므로 미리 셀 계획을 수행할 수 없다. 따라서 셀 노드 스스로가 환경을 감
지하고 정보를 수집하여 최적화를 수행해야 한다. 이때 SON은 셀 노드를 옥내 및 옥
외에 설치할 때 노드가 스스로 망에 접속하고, 주변 무선 환경에 따라 적절히 셀 최
적화 및 운용을 수행할 수 있도록 기능적으로 도와주는 네트워크 역할을 수행한다.
(3) MIMO(Multiple-Input and Multiple-Output, 다중입출력)
MIMO(미모)는 신호 감쇄, 간섭 증가 및 스펙트럼 제약과 같은 무선통신의 문제점
들을 해결해주는 매력적이고 새로운 접근 방법이며, 데이터 처리 속도와 신뢰성을 동
시에 향상시켜 주면서도 무선 주파수를 추가로 소모하지 않는다. MIMO는 송신측과
수신측의 안테나를 여러 개 사용하는 다중 스마트 안테나 기술이다. 불과 얼마 전까
지만 해도 안테나는 1개의 입력(Input) 안테나와 1개의 출력(Output) 안테나를 사용하
는 SISO(Single Input and Single Output) 방식이 주류였다. 여러 개의 안테나를 동시
에 사용하면, 전력 소모가 많고 비효율적인 시스템이 될 것으로 생각했기 때문이다.
하지만 오히려 안테나 여러 개를 사용하는 것이 전력도 덜 소모하고, 고용량의 데이
터를 전송할 수 있다는 사실이 밝혀졌다. MIMO 기술은 데이터 전송속도가 안테나
수에 비례하여 빨라진다는 것에 기반하고 있다. 안테나가 많으면 많을수록 안정적 통
신이 가능해진다. 무선 환경에서는 신호의 세기가 시간에 따라 점점 약해지는 페이
딩(Fading) 현상이 발생하는데, 안정적인 통신을 위해서는 이 현상을 줄여야 한다.
MIMO는 안테나를 여러 개 사용하기 때문에 어느 하나에서 페이딩 현상이 발생해
도, 또 다른 안테나가 정보를 송수신하여 데이터 전송의 신뢰성을 높일 수 있다. [그
림 8-8]은 MIMO 관련 안테나 기술인 MISO, SIMO, SISO의 개념을 표현한 것이다.
MIMO 기술의 출현에 가장 열광하는 분야는 무선 LAN 기업들이다. 기존 무선 랜
은 전송 거리가 최대 20∼30m에 불과했다. 하지만 MIMO 기술 덕분에 통신 가능 거
리가 최대 10배 이상 길어진다. 전송 속도도 50Mbps에서 최고 100Mbps까지 2배가량 높일 수 있다. 위성방송 안테나에 적용하면 위성 중계방송 등을 생생한 화질로 볼 수
있다. MIMO는 [그림 8-9]와 같이 TV, 게임기, PDA, VoIP, 컴퓨터 등을 비롯한 다
양한 가정용 기기와 휴대인터넷은 물론 4G 이동통신의 핵심 기술로 등장하고 있다.
[그림 8-10]은 MIMO의 작동 원리를 표현한 것이다. MIMO 시스템은 하나의 데이
터 스트림을 여러 개의 스트림들로 나누는데, 그 각각의 스트림은 변조된 뒤 서로 다
른 무선 안테나를 통해 동시에 같은 주파수 채널로 송신된다. 다중경로 무선채널을
통해 수신된 신호는 MIMO 수신기에서 분리된다. [그림 8-11]은 LTE의 하향링크에
적용된 4×4 MIMO의 모습을 표현한 것이다.
LTE-Advanced에서는 하향링크의 데이터 전송률 증대를 위해 최대 8×8 MIMO를
지원하도록 하며, 상향링크는 최소 두 개의 전송 안테나를 갖는 MIMO를 도입할 예
정이다.
(4) OFDMA/SC-FDMA
직교주파수 분할 다중 접속(OFDMA, Orthogonal Frequency Division Multiple
Access)는 [그림 8-12]와 같이 주파수 대역을 수백 개로 쪼개어 주파수간 간섭을 최소
화해 대용량 데이터를 동시에 고속으로 보내는 기술이다.
직교 주파수분할 다중화(OFDM)에서는 사용 가능한 대역폭이 고속 푸리에 변환
(FFT, Fast Fourier Transform)을 이용하여 수학적으로 직교인 많은 수의 더 작은 대
역폭들로 나누어진다. 대역의 복구는 역 고속 푸리에 변환(Inverse FFT)에 의해 수
행된다. OFDM 기법의 유리한 특징은 서로 다른 대역폭에 적응시키기가 쉽다는 것이다. 예를 들어, [그림 8-13]과 [그림 8-14]는 WiMAX 2.0에서 사용하고 있는
SOFDMA(Scalable OFDMA) 방식의 부반송파의 채널 간격을 표현한 것으로 10MHz
대역폭 할당이 1,024개의 작은 대역으로 나누어질 수 있고 5MHz 대역폭은 512개의
작은 대역들로 나누어 많은 사용자에게 채널을 할당할 수 있다.
오늘날의 무선 시스템이 갖는 한 가지 어려움은 다중경로 효과이다. 다중경로 효과
는 송신기와 수신기 간 반사로 인한 것이다. 다중경로로 인해 수신기에 서로 다른 시 간에 송신 신호가 도달하게 되면 지연 왜곡이 발생하게 된다. OFDMA는 OFDM 기술
을 고정 액세스 무선 시스템에서 진정한 이동성을 가지도록 개발되었다. 바탕에 깔린
기술은 동일하지만 시스템 운용에 있어서 더 많은 융통성이 정의되어있다. OFDMA
에서는 부 반송파(Sub-carrier)들이 더 큰 유닛인 서브채널들로 그룹화 되어 있으며,
이 서브채널들은 다시 무선 사용자들에게 할당될 수 있도록 그룹화 된다. 이는 기지
국이 현재 시스템의 필요 요건에 따라 대역폭 사용을 동적으로 조정할 수 있게 해준
다. 또한 각 사용자가 전체 대역폭의 일부만을 소비하기 때문에 각 사용자의 파워도
현재 시스템의 필요 요건에 따라 조정될 수 있다.
OFDMA는 차세대 이동통신을 위한 새로운 다중접속 방식으로 널리 고려되고 있
으나 평균전력소모비율(PAPR, Peak-to-Average Power Ratio)이 높다는 단점을 가지
고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 LTE와 LTE-Advanced 규격에서는 상향링
크 접속에 SC(Single Carrier)-FDMA 방식이 채택되었다. 그러나 SC-FDMA는 고차
변조 방식에서 성능이 떨어지고 다중안테나 시스템에 불리하며, 자원할당의 유연성
이 부족하고 자유로운 파일럿 패턴을 가지기 어렵다는 단점을 가지고 있다. 항상 최
적의 성능을 얻기 위해서는 각 단말의 환경에 따라서 SC-FDMA나 OFDMA를 적절히
선택하여 사용할 수 있는 방법이 필요하다. 따라서 LTE와 LTE-Advanced에서는 [그
림 8-15]와 같이 하향링크를 위해 OFDMA를 사용하고 상향링크를 위해 SC-FDMA
방식을 사용한다.
