[칼럼] 5G 연구 동향: 이미 시작된 5G(5세대) 경쟁

 

황성호, 시스코 모바일 솔루션 스페셜리스트

 

5G(5세대) 이동통신 서비스?

 

4G 서비스도 다 경험하지 못했는데 벌써 5G라니? 너무 앞선 얘기라구요? 그러나 5세대 이동통신 표준화는 이미 장비 제조사들이 새로운 기술과 개념을 제시하면서 작업이 본격화되고 있습니다. 이번 칼럼에서는 5G 표준화에서 실현하고자 하는 품질 목표와 이를 위해 어떤 기술들이 연구되고 있는지 알아 보고, 다가올 5G세상을 그려보도록 하겠습니다.

 

5G 연구기관 및 표준화 일정
무선통신 표준화 기구인 3GPP는 오는 9월 개최 예정인 기술 워크숍 논의 결과를 바탕으로 12월 5G에 사용할 주요 기술규격 연구 아이템(Study Item)을 승인하기로 일정을 정했습니다. 승인된 아이템은  2016년 4월부터 시작할 예정인 Release 14에서 연구를 시작하고 실질적인 규격화 작업은 Release 15에서 진행될 예정입니다.

 

각 장비제조업체들은 자사의 기술이 5G의 주요기술로 채택될 수 있도록 서로 경쟁하고 있으며, 유럽의 METIS, 5G- PPP가 대표적입니다. 또한 미국에서도 미래 인터넷 아키텍처에 관련한 연구가 한창 진행중입니다.

 

[그림 1] 5G 기술 연구기관과 국제 표준화 기구의 5G 관련 일정 (KRNet 2014, mmWave Mobile Communication as 5G Enabling Technologies 참조)

 

5G 기술 품질 목표
시장에서는 여전히 5G의 개념에 대한 정의가 모호한 상태입니다. 그러나 이 중에서도 몇몇 공통적인 목표치가 있는데 네트워크 용량은 4G의 1,000배, 셀당 최대 다운로드 속도 50~100Gbps, 480Km/h~600Km/h이동간에도 위치와 조건에 상관없이 최소 1Gbps의 서비스를 지원하려는 추세입니다.

 

 

[그림 2] 5G 서비스 품질 목표(출처: METIS, Towards the METS 5G Concepts)

 

5G 주요 기술

 

1. 대용량 다중안테나(Massive MIMO)와 3차원 빔포밍(3D-beamforming)
5G에서는 수십 기가 헤르츠 대역의 캐리어 주파수를 사용할 것으로 예상되는데요. 이 주파수 영역에서는 파장이 밀리미터(mmWave) 정도로써, 5G에서 요구하는 대용량 다중안테나를 구성할 수 있는 물리적 특성을 만족합니다.

 

짧은 파장에 따른 높은 경로 손실을 극복하고, 직진성과 짧은 안테나간 거리로 인해 기지국에서는 수십 수백의 안테나를 동시에 사용하는2차원의 대용량 안테나 배열이 가능하고, 단말에서도 4개이상의 안테나 구현이 가능할 것으로 예측됩니다. 

 

또한 3차원으로 채널을 해석하고 특정 방향으로 강한 전파를 송신하는 빔을 만들어, 전파 방향을 제어하는 방식으로 높은 경로 손실을 해소할 수 있는 3차원 빔포밍기술도 연구가 함께 진행 중입니다.

 

[그림 3] 대용량 다중안테나(Massive MIMO)를 이용한 3D 빔포밍

 

2. 새로운 무선접속기술 도입
무선접속 기술에서는 다중반송파 기술을 기본으로 하고 있으며 평균 스펙트럼 효율을 높이기 위해 새로운 물리계층의 통신규약에 대한 연구가 진행중입니다.

*물리계층: 전파를 통해 정보를 전달하기 위한 채널 코딩(부호화), 복호화,  심벌 매핑등의 정보 전달 규칙

 

NOMA(Non-Orthogonal Multiple Access)
4세대까지의 무선접속 기술은 사용자가 무선자원(CDMA: 코드/전력, OFDMA: 주파수/전력/시간)을 독점하는 형태였습니다. 그러나 새롭게 떠오르는 무섭접속 기술인 NOMA는 동일 주파수를 동시에 2명 이상의 사용자가 동일한 스케줄링 시간에 사용할 수 있도록하여 무선효율을 높이는 방식입니다. 정보의 중첩코딩(superposition coding) 및 간섭제어기술(SIC:  Successive Interference Cancellation) 기술의 도입으로 NOMA를 구현할 수 있습니다.

 

Filter Bank Multicarrier (이하 FBMC)
기존의CP-OFDM(cyclic prefix based Orthogonal frequency-division multiplexing)은 무선환경의 다중 경로에 의해 발생하는 신호의 지연, 이에 따른 신호의 간섭을 회피하기 위해 CP(Cyclic Prefix)를 추가하였습니다.

*CP(Cyclic Prefix): 전달하고자 하는 정보의 마지막 구간 신호를 복사하여 정보의 앞에 삽입하여 부반송파(Subcarrier)간 직교성을 유지하기 위해 사용함

 

CP를 신호에 추가함으로써, 주파수 효율 손실과 좁은 주파수 대역에서의 높은 간섭 영향을 갖는 CP-OFDM과 비교하여, FBMC는 송신단에서 신호가 경험하게될 채널의 효과를 예측한 디지털 필터에 통과시킨 후 전송함으로써 CP의 추가없이 주파수효율을 높이는 멀티캐리어 통신 기술입니다.

 

전이중 양뱡향 시분할 다중화(In-band Full-Duplex TDD)
FDD(주파수 분할 다중화)의 경우는 상향링크와 하향링크의 주파수를 달리하여 신호의 충돌을 회피할 수 있으나, 주파수 자원의 낭비가 큽니다. 대안으로 TDD(시분할 다중화)가 제안되었으나 역시 상향과 하향의 시간을 서로 분할하여 사용하기 때문에 주파수의 손실이 있습니다.

 

5G에서는 상향과 하향에 걸쳐 동일한 주파수 대역으로 동시에 데이터를 송수신하는 전이중 양방향 다중화를 사용할 것으로 전망됩니다.

 

NFV and SDN
유선코어에서는 NFV와SDN이 폭넓게 도입될 것으로 보입니다. 따라서 5G서비스에 대한 이동성 관리, 인증, 과금 등의 신호 제어 영역은 NFV를 통해 클라우드에서 집중화된 형태로 지원하고, 고용량의  사용자 데이터는  SDN을 통해 분산형태로 서비스하는 형태의 제어부/데이터 분리 코어네트워크가 도입될 것으로 생각됩니다.

 


[그림 4] 제어부와사용자영역 분리 형태의 코어네트워크(KRNET 2014, 5G System Requirements & Technical Issues 참조)

 

차세대 인터넷
인터넷 구조에서도 현재의 IP주소 체계에 의한 트래픽과 대용량화될 컨텐츠를 처리할 인터넷의 변화가 필요할 것으로 논의가 되고 있습니다. 수십억개의 단말기에 의해 발생되는 IoT(Internet of Things)와 같은 서비스 대상의 위치(Where)중심의 대량 트랜잭션을 처리하기 위해서는 IP 주소 체계가 효과적인 IPv6가 그 몫을 담당할 것으로 생각됩니다.  그러나 서비스의 내용(what)이 중요시되는  대용량의  컨텐츠 서비스에 대해서는 컨텐츠 중심 네트워킹(CCN: Content Centric Networking) 이 새로운 분야로 연구되고있습니다.

 

IoT와 더 빠른 광대역 모바일 서비스를 위한 무선 신기술 개발을 위해, 장비 제조사들의 경쟁은 표준화에서부터 이미 시작되었습니다. 이렇게 5G 를 위한 기술이 진일보 되는 시점에서 시스코는 5G의 이기종 무선접속망 환경에서 유비쿼터스 인터넷 접속을 위한 연결서비스 수단으로 Wi-Fi와 4G 펨토, SON기술력을 강화해 나갈 것입니다. 4G 패킷코어, 가상화(NVF), SDN, 클라우드를 선도하는 기술력으로 5G의 플랫  코어 구조를 지원할 것이며 마지막으로 차세대 인터넷으로 연구되는 컨텐츠 중심 네트워킹(CCN)을 통해 더욱 효율적인 인터넷망을 구성할 수 있도록 지원할 것입니다.

 

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