이동통신 시스템 발전과정 및 5G 시스템의 요구사항 분석
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이동통신 시스템 발전과정 및 5G 시스템의 요구사항 분석
  • 윤효진 기자
  • 승인 2015.03.10 09:28
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박세환 

한국과학기술정보연구원 
ReSEAT 프로그램 전문연구위원

개요

다양한 스마트 미디어기기의 증가와 더불어 모바일 접속을 요구하는 사물인터넷 기기 및 웨어러블 디바이스 등 다양한 종류의 단말들이 출시되고 있다.

이로 인한 데이터 트래픽의 폭증(2020년 35ZB 예상, 10년 내 M2M 단말 보급률 500배 증가 및 단말당 트래픽 20~120배 증가 등)은 초고속·대용량·고품질 미디어에 대한 새로운 수요니즈를 발생시키면서 보다 넓은 대역폭과 초고속 전송속도를 실현할 수 있는 5G 이동통신 네트워크 기술의 필요성을 낳았다. 

5G 시스템은 3G 및 4G 시스템의 핵심기능과 WLAN(Wireless Local Area Network) 등과 융합 네트워킹을 통해 NRAT(New Radio Access Technology) 기능을 갖는 모바일 인터넷을 구축하는 것을 목표로 하고 있다. 

▲ <출처: review.cetizen.com>

특히 유비쿼터스 센싱 기술력 기반의 네트워크(USN : Ubiquitous Sensor Networks)를 구축해 정보수집 매체(RFID(Radio Frequency IDentification), 센서 노드 등)에 대한 정보, 정보수집 매체에 의해 감지되고 저장·가공·통합된 사물 및 환경정보를 유비쿼터스 환경으로 구축하고자 한다.

5G 이동통신 시스템을 구축하기 위해서는 셀룰러 기술, 핸드오프 및 디지털 기술, GSM(Global System for Mobile Communications) 기술, WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access) 기술, 캐리어 묶음 기술, 스몰 셀 기술, 밀리미터파 기술, 다중안테나 기술, 엠엠웨이브(㎜Wave)를 이용한 빔 형성기술(적응형 빔 형성기술, 증추 네트워킹 기술 등), 개인 셀 기술 등 다양한 첨단 요소기술이 개발돼야 한다. 

▲ <출처 : skyoon.tistory.com>

아울러 5G 이동통신 시스템은 CPND(Content, Platform, Network, Device)를 기반으로 한 네트워크 측면, 유무선 융합 측면, 서비스 측면에서 다양한 기술적 특성이 요구된다. 

또한 5G 이동통신 시스템의 네트워킹 및 무선인터넷 관련 핵심기술로 접목될 수 있는 융합기술(HTML5 기술, 사물인터넷(IoT) 기술, 웨어러블 디바이스 및 NFC 기술 등)의 기술적 특성을 5G 시스템에 접목시킬 수 있는 방안을 개발해야 한다. 

이와 함께 클라우드 컴퓨팅·서버 가상화·SNS 기술과 함께 5G 이동통신 시스템의 중추적인 서비스 관련 핵심기술로 접목될 수 있는 융합기술(빅데이터 기술, 클라우드 컴퓨팅 기술 등)의 기술적 특성을  5G 시스템에 접목시킬 수 있는 방안을 개발해야 한다.

2014년 말 현재 5G 이동통신 시스템은 핵심기술에 대한 국제표준 규격도 제시되지 않은 상태다. 현재의 4G-LTE 시스템보다 1000배 이상 빠른 100Gbps급의 전송속도로 스마트 미디어기기를 통해 3D 홀로그램 영상을 전송할 수도 있는 모바일 네트워크를 지향하고 있다. 

아울러 다양한 융합기술과 접목해 주변 다바이스와 소통 가능한 기술로 정의하고 2020년 상용서비스를 목표로 하고 있다. 

이러한 융합 센서 네트워크를 구현할 수 있는 이동통신 환경 및 비즈니스 모델의 변화에 대해 국제표준 선점을 위한 다각적인 대응책이 절실한 시점이다. 

IEEE 802.11 연구그룹에서는 5G 이동통신 시스템의 핵심 기반기술인 WLAN 전송속도를 향상시키기 위한 표준화작업을 진행해오고 있다.

한국은 2015년 말까지 프리-5G(Pre-5G) 기술 시연, 2017년 말경 5G 이동통신 시범서비스 구현, 2018년까지 기술개발 완료, 2018년 평창동계올림픽에서 시범사업 전개, 2020년 12월 상용서비스를 목표로 기술개발 및 표준화에 주력하고 있다. 

5G 이동통신 시스템 구현은 한국이 세계 최고 수준의 기술력을 보유하고 있는 ICT 인프라와의 접목을 통해 5G 주변산업을 활성화시키는 데 커다란 파급효과를 기대하고 있다.

2020년 상용서비스 이후 5G 이동통신 기술이 완전한 성숙단계에 이르고 사용자층이 전세계적으로 확산될 시점으로 예상되는 2026년 5G 이동통신 기술 관련 전후방(CPND 관련) 글로벌 시장규모는 1조1588억달러, 국내 시장규모는 381억달러의 초대규모 시장이 형성될 것으로 예상하고 있다. 

또한 5G 이동통신 시스템의 네트워킹 및 무선인터넷 관련 핵심기술과 서비스 관련 핵심기술로 접목될 수 있는 융합기술군의 시장규모도 지속적으로 성장하고 있는 추세다. 

5G 이동통신 시스템의 핵심 서비스이면서 가장 많은 수요자 층이 포진돼 있는 국내 무선인터넷 산업은 전 기술 분야에서 2013년 109조7598억원 정도로 고른 성장을 이어가고 있다. 

국내 무선인터넷산업의 인적 환경에 대한 조사결과를 보면 전문 인력 부족이 37.6%로 가장 높게 나타났다. 이를 해결하기 위해서는 정부의 임금 보조 및 복리후생 지원, 전문 인력 교육프로그램 운영, 전문 인력 지원 확대, 병역특례요원 배정 확대, 사내 교육지원 확대, 구인구직 정보 제공 등 정부의 정책적 배려가 필요하다.

이 연구에서는 1990년대 1세대 아날로그 시스템에서부터 와이맥스(WiMAX) 방식의 4세대 이동통신까지 나아가 5세대 이동통신 시대를 준비하고 있는 이동통신 시스템 발전과정에 대해 설명한다. 

이를 토대로 FMC 기술·WLAN 연동기술·3GPP와 BBF 연동기술 등 유무선 융합 네트워킹을 위한 5G 시스템의 요구사항에 대한 분석결과를 제시한다. 이를 통해 ICT 분야의 3대 메가트렌드(빅데이터를 통한 가치창출, 클라우드 서비스 발전, SNS의 급성장)와 함께 5G 이동통신 시스템의 발전가능성을 진단한다.

이동통신 시스템 발전과정

이동통신 시스템은 1990년대를 경계로 해 빠른 속도로 발전해왔다. 1세대 아날로그 시스템에서 2세대에 디지털 방식으로 변화돼 데이터 중심의 3세대 이동통신(WCDMA) 시대를 지나 현재는 와이맥스·LTE 방식의 4세대 이동통신으로 발전했으며 5세대 이동통신 시대를 예고하고 있다. 1세대에서 5세대까지 이동통신 네트워크의 발전과정을 [그림1]에 나타낸다.

▲ [그림 1] 이동통신 네트워크 기술의 발전과정

각 세대별 스위칭 방식은 1세대는 아날로그 교환방식, 2세대는 CSTN (Circuit Switched Telephone Network : 회선교환 네트워크), 3세대는 CSTN과 PSTN(Packet Switched Telephone Network : 패킷교환 네트워크)이 공존하는 시기였으며 4세대는 올 IP 기반의 PSTN 방식을 기반으로 하고 있다. 

5세대는 IT, NT, BT 기술력이 융합된 다중 센서 네트워킹 방식으로 사용자 환경의 제약 없이 어느 곳에서나 Gbps급의 초고속 전송속도를 제공하는 것을 목표로 하고 있다. 

이동통신 세대별 주요 특징 = 1세대부터 4세대 이동통신 시스템으로 발전하기까지 이동통신 각 세대별 주요 특징을 요약하면 ▲1세대 이동통신 시스템 ▲2세대 이동통신 시스템 ▲3세대 이동통신 시스템 ▲4세대 이동통신 시스템으로 구분된다.

1세대 이동통신 시스템은 아날로그 기술력 기반의 무선통신으로 국내의 기술 기반이 전무한 상황에서 모든 이동통신 장비의 완전 도입으로 음성(voice) 중심으로 서비스가 제공됐다. 

국내에서는 1984년부터 서비스가 개시됐으며 음성 위주의 서비스로 데이터통신은 불가했다.

1980년대 초 아날로그 무선기술을 근간으로 한 음성통화 전용 기술인 AMPS(Advanced Mobile Phone System: 미국의 벨연구소가 1979년에 개발한 아날로그 셀룰러 시스템으로 1979년 일본의 NTT도코모가 최초로 상용화한 기술)를 시작으로 1세대 이동통신 기술이 등장하기 시작했으며 아날로그 이동통신 기술의 한계로 폭발적으로 증가하는 이동통신 수요를 수용하지 못해 디지털 방식으로 전환되면서 1세대 이동통신은 막을 내렸다.

▲ [그림 2] 5G 이동통신 토폴로지

1990년대 초 1세대 이동통신 기술인 AMPS의 단점을 보완한 CDMA, GSM 등의 기술들이 대거 등장하면서 2세대 이동통신 네트워크 기술이 본격적으로 발전했다.

1996년부터 본격적인 서비스가 개시된 2세대 이동통신 기술은 디지털 이동통신 네트워크 기술을 활용함으로써 통화품질을 획기적으로 개선하고 통화권연역을 대폭 확장했다. 아울러 SMS 및 MMS 등 패킷 데이터 서비스 등 신규 무선 서비스의 출현을 촉발시켰다.

또한 음성 통화 이외에 문자메시지 중심의 저속 데이터 통신이 한계상황이 되면서 CDMA 방식과 GSM 방식의 2G 서비스가 본격화됐고 이동통신 기술이 아날로그에서 디지털 방식으로 전환되고 정부 주도로 동기식 CDMA 방식을 개발해 GSM으로 대표되는 회선교환 네트워킹(CSTN : Circuit-Switched Telephone Networking) 방식으로 상용화까지 전개됐다.

이와 함께 아날로그 이동통신 시스템의 용량을 획기적으로 증대하고 음성신호의 서비스 품질을 향상시켰으며 단문 문자메시지(SMS : Short Message Services) 서비스가 제공됐다.

더불어 1세대 대비 단말기의 크기가 1/8 수준으로 작아지고 요금이 저렴해지면서 소비자들의 욕구를 어느 정도 충족시 킬 수 있게 됐으며 정부 주도의 혁신적인 기술개발과 새로운 시장창출이 맞아 떨어지면서 2세대 이동통신은 무선통신 산업의 새로운 전기를 마련했다고 볼 수 있다.

2000년대 들어 음성통화와 텍스트 중심의 단순한 커뮤니케이션 기능을 넘어 영상통화, 멀티미디어 데이터 전송, 인터넷 사용 등 보다 진일보한 데이터 서비스에 대한 수요니즈가 증가하기 시작하면서 3세대 이동통신 기술로 발전했다.

WCDMA와 EV-DO(Evolution-Data Optimized 또는 Evolution-Data Only: 미국의 퀄컴이 개발한 CDMA 기반의 무선 데이터 통신 기술이다. 각 사용자의 데이터 전송률과 전체 시스템의 전송률을 모두 극대화하기 위해 TDMA와 CDMA 다중화 기술을 이용한다.

CDMA2000 계열 규격의 일부분으로 3GPP2(3rd Generation Partnership Project 2)에서 표준화했고 특히 이전에 CDMA 네트워크를 구축한 세계 여러 곳의 이동전화 서비스 사업자에 의해 채택됐으며 글로벌스타 위성 전화 네트워크에서도 사용된다)로 대표되는 3세대 이동통신 기술은 2세대의 14.4~64kbps 전송속도에 비해 144kbps~2Mbps로 비약적인 고속화를 구현했다.

또한 이동통신 사업자들의 주도로 UMTS(Universal Mobile Telecommunication System) 기반 GPRS를 통한 패킷교환 네트워킹(packet-switched networking) 방식을 도입해 데이터 전송과 영상전화 서비스를 위한 고속 무선전송속도를 지원하는 데 초점을 맞췄다.

뿐만 아니라 ITU-R에서 IMT-2000을 정의하면서 글로벌 표준화를 위한 노력이 결집됐고 3G 비동기식 이동통신기술 표준화기구인 3GPP(3rd Generation Partnership Project)의 UMTS(W-CDMA, TD-SCDMA 등), 3GPP2의 CDMA2000, IEEE 802.16 규격 기반의 IP-OFDMA(WiBro) 규격 등이 표준화됐다.

3세대 이동통신은 2006년 3월부터 본격적인 서비스를 시작했으며 음성 및 데이터뿐만 아니라 영상 등 멀티미디어 서비스를 제공하기 시작했다.

또 2G 시스템에서는 통신방식이 다양하고 주파수 대역이 서로 달라 로밍 서비스가 제한적이었으나 3G 시스템은 보다 확대된 글로벌 로밍 서비스를 제공하기 시작했다.

3세대 이후 지속적이고 획기적인 발전을 거듭해 2010년대에 전송속도 향상을 주요 프레임워크로 삼고 있는 4세대 이동통신 시대에 본격 진입했다. 3세대에서 4세대로의 발전은 LTE(Long Term Evolution) 등 과도기적 이동통신 네트워크 기술들이 출현했다.

이후 2010년 ITU(International Telecommunications Union)에서는 정지시 1Gbps, 이동시 100Mbps 이상의 전송속도를 구현할 수 있는 4세대 이동통신 네트워크 기술표준 요구사항을 제시했다.

이에 따라 LTE-A(LTE-Advanced:  LTE 기술과 비교해 대역폭의 변화는 없으나 최대 전송속도를 300Mbps에서 1Gbps로 획기적으로 개선한 기술) 등 기술표준을 충족시키는 4세대 이동통신 네트워크 기술들이 상용화됐다.

4G-LTE 이동통신 시스템은 SAE(System Architecture Evolution) 기반의 올 IP(Internet Protocol) 네트워크를 지향하고 있다. 아울러 수백Mbps급의 고속전송을 통해 광대역 이동 액세스를 실현하고자 했다.

단말기 제조업체들의 주도로 무선인터넷 시장의 가능성을 예측해 만들어진 시장이라고 볼 수 있다. 삼성전자와 인텔은 엠와이맥스(m-WiMAX) 규격으로 기술개발을 주도했으며 국내에서 세계 최초로 상용화에 성공했다.

2011년 7월부터 국내에는 고속 이동중에도 음성통화나 데이터 전송이 가능한 4G-LTE 서비스가 개시됐다.

스마트 미디어기기가 대중화되면서 그에 비례해 데이터 전송량의 증가도 폭발적으로 늘어나 기존 무선 이동통신 방식으로 증가하는 데이터 량을 감당할 수 없어 자연스럽게 4세대 이동통신으로 전환됐다.

한편 LTE는 2008년 12월 3G 비동기식 이동통신기술 표준화기구인 3GPP에서 확정한 무선 고속 데이터패킷 접속규격인 릴리즈(Release)8을 기반으로 하고 있고 핵심기술인 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 기술과 MIMO(Multiple- Input Multiple-Output) 서비스를 이용해 HSDPA보다 12배 이상 고속전송을 지원한다.

또한 기존 5㎒의 한정 대역폭을 1.25~20㎒까지 확장 가능하며 최대 100Mbps급의 다운링크 및 50Mbps의 업링크 데이터 전송속도를 지원한다.

이와 함께 3G 이동통신의 데이터 다운로드 속도를 대폭 개선해 600Mbps급의 무선전송을 지원하며 4G-LTE 서비스는 다중경로로 인한 열화에 대해 효율적으로 대응할 수 있어 주파수 선택적 페이딩(fading)에 강한 특징이 있다. 

더불어 협대역 간섭이나 에러에 강해 방송용에 적합하다. LTE의 응용 서비스로는 클라우드 컴퓨팅, N스크린 및 LTE-A 서비스 등을 들 수 있다.

▲ [그림 3] 4G-LTE 이동통신 시스템의 올-IP 네트워크 구조 <자료 : 정희영·고석주(2013. 9)>

이동 단말뿐만 아니라 eNB, MME(Mobility Management Entity), S-GW(Serving Gateway), P-GW(PDN Gateway) 등 모든 네트워크 요소들이 IP 기술을 기반으로 무선통신이 실행됨을 의미한다.

올 IP 기반의 4G-LTE 이동통신 시스템의 네트워크 구조를 [그림3]에 나타낸다.
1세대에서부터 5G 시스템까지 이동통신 세대별 주요 특징을 [표1]에 나타낸다.

▲ [표 1] 1G~5G까지 이동통신 세대별 주요 특징 <자료 : 오충근·김윤종(2013. 11). 이동통신 시스템 자료 종합/재구성>

이동통신 네트워크의 획기적인 발전 = 3G에서 4G 시스템으로 발전과정에서 가장 큰 변화는 3세대까지 유지됐던 회선 기반 네트워크가 사라지고 IP 기반의 패킷 네트워크로 통합된 것이다. 

4G 시스템으로 발전 동인중 중요한 한 가지는 스마트폰 및 태블릿PC 등 스마트 미디어기기의 대중화와 더불어 무선인터넷 수요의 폭발적인 증가를 들 수 있다.

올 IP 방식의 4G 네트워크 관점에서 주요 해결과제는 스마트 미디어기기 이용자들의 무선인터넷 접속으로 인한 데이터 트래픽의 폭발적인 증가문제다. 

모바일 네트워크를 통한 데이터 트래픽은 기하급수적으로 증가하고 있으나 4G 이동통신 시스템은 이에 대한 수용능력에 한계가 있다.

기하급수적으로 증가하고 있는 데이터의 폭발적인 증가에 효과적으로 대응하기 위해서는 ▲데이터 오프로딩 방식 ▲분산형 네트워크 제어방식 등의 특성이 있는 데이터 오프로딩 방식과 네트워크의 분산구조화 같은 방안이 대안이 될 수 있을 것이다.

데이터 오프로딩 방식(Data off-loading system)은 데이터 트래픽의 일부를 WLAN 등으로 우회시켜 코어(core) 네트워크로 진입하는 데이터 트래픽의 양을 줄이는 방법으로 3GPP에서 표준화한 SIPTO(Selected IP Traffic Offload)와 LIPA(Local IP Access) 방식이 대표적인 기술이다.

또 분산형 네트워크 제어방식(Distributed network control system)은 네트워크 구조를 중앙집중형 제어방식에서 분산형 제어방식으로 변화시켜 데이터 전송량을 종단(edge) 쪽으로 분산시킴으로써 현재 중앙집중형 앵커(anchor)로 사용되고 있는 P-GW로의 데이터 집중현상을 막고자 하는 기술이다.

3GPP(3rd Generation Partnership Project)로 대표되는 LTE(Long Term Evolution) 이동통신 혹은 IEEE 802.11ac 등의 WLAN과 같은 단일 무선통신 기술로는 급격히 증가되고 있는 데이터 트래픽을 수용하기 어려워 새로운 무선전송 기술이 필요하다. 

아울러 대용량 멀티미디어 트래픽을 수용하기 위한 가용주파수 확보, 투자비 및 운용비 측면에서 효과적이지 못하다.

따라서 기하급수적으로 증가하고 있는 대용량 트래픽을 효과적으로 수용하기 위해서는 다양한 무선전송 기술과 유무선 융합 네트워크 기술을 이용해 다양한 주파수 대역을 확보할 필요가 있다. 

동시에 무선 환경, 데이터 트래픽 특성 및 이동환경에 따라 적절한 무선전송 기술을 적용해 효과적으로 초고속 대용량 데이터 서비스를 제공할 수 있는 기술이 필요하다.

아울러 이동통신 네트워크 발전 측면에서 보면 각 세대별로 기술 및 시장 개발의 주체가 조금씩 달라졌으며 이 과정에서 서비스 공급망과 시장경쟁 환경이 복잡하게 변화하고 있음을 알 수 있다. 이러한 변화의 핵심은 사용자 중심의 서비스 진화와 개방형 생태계로의 변화다. 

또한 새로운 세대로의 전환을 위해서는 전송속도 면에서 기술적인 혁신이 요구되며 이를 수용할 수 있는 새로운 서비스 요구가 제시돼야 한다.

이러한 발전의 축은 사용자 주도적인 시장에서 출발하며 이 새로운 도전에 대응하기 위해서는 새로운 국가 R&D 정책 및 시장전략이 필요함을 시사하고 있다. 

사용자 중심의 서비스 진화와 개방형 생태계를 수용하는 인프라의 발전을 추구하는 5G 이동통신 시스템은 정부, 사업자 또는 제조업체가 주도하는 것이 아닌 사용자를 중심으로 사용자 주도의 시장이 전개될 것이다.

따라서 기술개발과 국가의 정책 및 국제협력이 다음과 같은 변화에 조화롭게 대응할 수 있어야 한다.

우선 사용자 중심의 서비스와 개방형 생태계로의 발전측면에서 볼 때 5G 이동통신 시스템은 사용자가 필요한 네트워크의 용량(N), 사용자를 이해하는 서비스(C&P : Contents & Platform), 사용자를 대신하는 단말기(D)를 제공할 수 있어야 한다.

또한 언제 어디서나 사용자가 필요로 하는 용량과 품질을 제공할 수 있어야 하며 이를 구현하기 위해서는 단말 및 개인 중심의 네트워킹 기능이 필수적이다.

다시 말해 사용자가 용량이 제공되는 네트워크를 찾아서 선택 접속하는 것이 아닌 사용자가 필요할 때 언제 어디서나 원하는 품질의 커버러지를 제공할 수 있는 네트워킹 기능이 요구된다.

이와 함께 단말간에 직접 통신이 가능한 자율적인 네트워크 구축을 통해 필요한 정보를 효율적으로 공유할 수 있어야 하며 사용자는 자신의 필요에 의해 원하는 서비스와 콘텐츠를 찾아서 이용하는 것이 아닌 사용자의 상황을 인지해 필요한 서비스를 제공할 수 있어야 한다.

이때 지식 클라우드 서비스를 통해 사용자가 필요로 하는 정보를 분석해 상황에 맞게 전달해 줄 수 있는 기능이 요구된다.

뿐만 아니라 의료, 법률, 교육 등 전문적인 지식정보가 지식 서버를 통해 체계화되고 이 지식정보를 사용자가 원할 때 언제 어디서나 제공받을 수 있는 지식통신 서비스가 요구된다.

더불어 단말의 관점에서는 현재 스마트폰이 구현하고 있는 기능 중심의 디바이스에서 탈피해 사용자의 상황과 감성을 인지, 필요한 기능을 알아서 구동해주는 즉, 나를 대신 하는 단말 기능이 요구된다.

게다가 5G 단말은 홀로그램 및 고선명 디스플레이 기반의 고품질 콘텐츠 제공, 실감 미디어 플레이어로서 사용자의 물리적인 변화를 통한 서비스 제공, 사용자와 공감하고 사용자를 대신하는 혁신적인 단말 제공 등이 요구된다.

▲ [표 2] CPND 관점에서 4G와 5G 시스템 개념 비교 <자료 : 김동구 외(2013. 12)/재구성>

4G 시스템과 5G 시스템의 개념을 CPND(Content, Platform, Network, Device) 관점에서 비교한 결과를 [표2]에 나타낸다.

5G 시스템의 요구사항 분석

FMC(Fixed Mobile Convergence) 기술 = 유·무선 융합 네트워킹을 위한 5G 시스템에서 요구되는 서비스는 데이터의 특성을 정확히 파악해 전송함으로써 전송 지연시간과 네트워크의 부하를 줄일 수 있는 지능화된 네트워킹 기술이 요구된다. 

아울러 5G 시스템에서 요구되는 유·무선 융합기술은 가상기지국 기술을 포함한 이동 네트워크에 광 전송기술의 융합도 포함될 수 있을 것이다.

이를 위해 이동전화, 데이터, IMS·SIP(IP Multimedia Subsystem·Session Initiation Protocol) 응용서비스를 IP 네트워크를 통해 서비스할 수 있는 UMA(Unlicensed Mobile Access) 방식이 필요하다. 

5G 이동통신 코어 네트워크 구축을 위한 유무선 융합기술의 기술적 요구사항에 대해 간단히 요약하면 독립적으로 액세스 네트워크를 구성하고 이를 서비스 수준에서 통합해 사용자 액세스 기술에 관계없이 동일한 품질의 서비스를 제공할 수 있어야 한다.

아울러 다양한 스마트 미디어기기에 WLAN 인터페이스를 추가해 실내에서는 WLAN을 통한 통신서비스를 제공하고 실외에서는 이동통신 네트워크를 통한 서비스를 제공할 수 있는 FMC 서비스 기술이 요구된다.

또한 WLAN과 이동통신 네트워크 간 핸드오버 기능을 지원함으로써 이기종 네트워크간 무선 액세스의 변경 시에도 끊김 없는 통화가 가능한 FMC 서비스 기술이 요구된다.

WLAN 연동기술 = 3GPP를 중심으로 릴리즈6(WLAN과 비3GPP 네트워크와의 연동을 위한 표준)과 릴리즈8)4G-LTE 시스템과 WLAN을 포함한 비3GPP와의 핸드오버를 위한  표준)을 상호 융합할 수 있는 표준화작업을 주도해왔다.

비3GPP 네트워크와의 핸드오버 기능을 실행하기 위한 구조를 [그림4]에 나타낸다. 

▲ [그림 4] 비3GPP 네트워크와의 핸드오버를 위한 구조 <자료 : 문정모 외(2013. 12>.

MME(Mobility Management Entity)는 UE의 이동성을 관리하기 위한 노드로서 사용자인증 기능을 실행해 검증정보를 전송하며 유휴모드에서 UE에 대한 위치관리와 보안요소들을 관리한다.

릴지즈 6·8 표준을 상호 융합하기 위한 표준화작업 내용을 간단히 요약하면 먼저 다른 무선 네트워크와 연동시 접속되는 네트워크의 신뢰성에 기반해 연동구조를 설계한다. 

3GPP는 신뢰성이 없는 것으로 분류된 WLAN과의 접속을 위해 PDG(Packet Data Gateway)혹은 ePDG(evolved PDG)를 둬 신뢰성을 보장하도록 하고 있다.

또한 WLAN-3GPP IP 접근방식에서 신뢰성 있는 접근을 위해 UE (User Equipment)와 3GPP 네트워크 사이에 보안경로를 설정한다. 이후 접속시 할당된 IP주소를 이용해 IPSec 터널을 PDG와 설정하며 맨 마지막에 3GPP 네트워크 내 서비스 이용시 사용될 IP주소가 할당된다.

WLAN 연동을 위한 핵심 네트워크 요소에 대해 요약하면 WLAN-3GPP IP 접근방식의 경우 WAG(WLAN Access Gateway)는 PDG를 이용해 전송패킷의 라우팅(routing) 기능, 유효 패킷의 필터링, 과금정보 수집기능 등을 실행한다.

또한 SAE(System Architecture Evolution)에서는 3GPP망과 비3GPP망과의 효과적인 핸드오버 기능을 제공하고 있다.

이를 위해 앵커 기능을 담당하는 SAE 노드를 두고 이를 통해 신뢰성이 있는 비3GPP-IP 접속 네트워크 혹은 ePDG(evolved PDG)와 연결된 신뢰성이 없는 비3GPP-IP 접속 네트워크들과의 핸드오버 기능을 제공한다.

이와 함께 EPS(Evolved Packet System)에서는 IETF의 이동성 방법을 이용해 비3GPP 네트워크와의 이동성 기능을 제공한다. 아울러 EPS는 네트워크 기반의 PMIP(Proxy Mobile IP)와 호스트 기반의 MIP(Mobile IP) 혹은 DSMIPv6(Dual Stack Mobile IPv6)를 이용해 이동성기능을 지원한다.

3GPP와 BBF 연동 기술 = 3GPP와 브로드밴드 포럼(BBF : Broad Band Forum: 광대역 유선 솔루션 제공을 목적으로 하는 국제적인  조직으로서 제조사, 서비스 제공자, 사용자의 요구를 만족할 수 있는 융합 패킷 네트워크 관련 기술개발을 주도하고 있다.

또한 광대역 패킷 네트워킹에 대한 상호 운용성, 구조 및 관리기술에 대한 표준화도 진행하고 있다)은 2010년 유무선 융합 서비스를 위한 기술적 요구사항, 네트워크 구조, 보안 및 운영보전에 대한 정의를 위해 표준작업을 수행했다.

이 결과 시스템 구조는 BBF 액세스와의 연동을 위한 구조로 기본 연결, 이동성, 인증, 권한 검증, 서비스 품질, IP 플로 이동성, 데이터 오프로딩(off-loading)과 융합에 대한 부분을 정의했다.

유·무선 융합구조는 BBF 액세스 네트워크를 통해 WLAN-AP 혹은 H(e)NB(Home (evolved) Node B)를 연결할 수 있는 구조를 제안하며 무선 데이터 트래픽은 EPC(Evolved Packet Core)를 통하거나 데이트 오프로딩시에는 BBF 액세스를 통GO 외부 네트워크와 연동된다.

▲ [그림 5] 비 신뢰 BBF를 위한 EPC 연동 구조 <자료 : 문정모 외(2013. 12)>

신뢰가 확보되지 않은 BBF를 위한 EPC 연동 구조를 [그림5]에 나타낸다.(3GPP-EPC와 BBF와의 네트워크 참조모델로서 데이터 트래픽은 EPC 네트워크를 경유하는 구조로 설계돼 있다)

결언

5G 이동통신 시스템 개발과 관련된 기술로는 전후방 요소기술(셀룰러 기술·핸드오프 및 디지털 기술·GSM 기술·CDMA 기술·캐리어 묶음 기술 등), 5G 이동통신 시스템 개발에 필수적인 후보기술(스몰셀 기술·밀리미터파 기술·다중안테나 기술·엠엠웨이브를 이용한 빔 형성기술 등), 5G 이동통신 시스템과 접목될 수 있는 여러 융합기술(M2M 및 실물지능통신 기술·사물인터넷 기술·웨어러블 디바이스 기술·NFC 기술·빅데이터 기술·클라우드 컴퓨팅 기술·서버 가상화 기술·SNS 기술·IPv6 기술·HTML5 기술 등) 등 매우 다양한 첨단 기술군이 포지셔닝돼 있다. 

특히 5G 이동통신 시스템과 접목될 수 있는 다양한 융합기술 중에는 4G-LTE A 기술이 태동하던 2013년 ICT 분야 10대 메가트렌드(빅데이터를 통한 가치창출, 클라우드 서비스 발전, 통합형 IT 비즈니스, 지능화된 보안 위협, 공격적 특허전략, 상황 인지형 기기와 서비스, 차량의 스마트 기기화, 그린 IT의 진보, 개방형 생태계를 통한 기업의 급성장, SNS의 급성장 등 10대 트렌드를 의미한다)로 주목받았던 3개 기술(빅데이터를 통한 가치창출, 클라우드 서비스 발전, SNS의 급성장)이 포진돼 있다. 

이는 5G 이동통신 시스템으로의 발전을 통해 ICT 분야의 3대 메가트렌드를 견인할 수 있다는 것을 입증하고 있다. 2014년 말 현재 전세계적인 이동통신 서비스 확산추세는 4G-LTE 시스템이 아직 초기 확산단계에 있으며 일부 국가에서 4G-LTE(A) 서비스가 운용중이다. 이처럼 아직 4G 이동통신 기술이 대중화되지 않은 시점이다. 

그럼에도 불구하고 전세계 주요 국가 및 관련 기업들은 4G 서비스가 개시된 2010년경부터 사실상 5G 시스템에 대한 기초연구를 시작해 2014년 말 현재 특허 및 표준화 선점을 위해 치열한 기술경쟁을 가속화하고 있다.

한국의 5G 이동통신 후보기술 및 융합기술 등의 글로벌 특허경쟁력은 2013년 기준 2위(1위는 미국, 3위는 스웨덴), 기술수준은 1위인 미국 대비 90.4%를 기록하고 있다.

국내 5G 이동통신 시스템 관련 국제표준화의 경우 양적인 성장은 이룩했으나 질적인 성장은 아직 미진한 편이다. ITU-T의 기고서 제출순위는 2위(1위는 중국), 국제의장단 의석은 3위(1위는 미국, 2위는 중국), 표준특허 보유수는 6위(1위는 미국, 2위는 일본, 3위는 핀란드, 4위는 프랑스, 5위는 독일)를 기록하고 있다.

ITU 같은 공식 표준화단체는 정부주도하에 활발히 대응하고 있으나 최근 들어서는 사실표준화 단체의 중요성이 부각되고 있어 관련 기업이나 표준화단체의 보다 적극적인 대응이 필요하다. 

아울러 공식 표준화와 사실 표준화간의 연계를 통해 시너지 효과를 얻기 위해서는 정부차원에서 두 표준화단체의 컨트롤 타워 역할이 필요하다. 현재 상황은 ICT 기반의 융합 서비스와 시장이 새롭게 창출되고 생태계가 빠르게 재편되고 있다. 

이처럼 급속한 다변화 상황에서 지속적인 성장을 견인하기 위해서는 세계 최고 수준의 단말 분야와 함께 모바일 서비스 플랫폼 기반 기술 등(C-P-N-D) 분야에서도 균형적으로 발전할 수 있는 기반을 마련할 필요가 있다.

키워드 : 세대별 이동통신 시스템, 유무선 융합 네트워킹, 5G 이동통신 시스템, 빅데이터, 클라우드 서비스, SNS, 5G 요소기술, 5G 후보기술, 5G 융합기술, 5G 국제표준 및 사실표준

참고문헌

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- 오충근·김윤종, ‘창조경제 실현 위한 국제 표준 획득 전략 모색-이동통신 사례를 중심으로’, KISTEP 이슈 페이퍼 2013-11, 한국과학기술기획평가원, 2013. 11.

- blog.daum.net/kcc1335/4787

- ‘국내외 4세대 이동통신 산업 현황 및 전망’, 산업교육연구소, 2012. 2.

- Moray Rumney BSc, C. Eng, MIET, ‘3GPP LTE: Introducing Single-Carrier FDMA’, Agilent Measurement Journal, Agilent Technologies, 2008. 1. 1.

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- ‘Internet trends’, Morgan Stanley report, 2010. 4.

- ‘국내외 LTE 서비스 전개 현황 및 특성’, 정보통신산업진흥원, 2012. 5.

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- R. Kuntz, et al., ‘A Summary of Distributed Mobility Management’, IETF draft-kuntz-dmm-summary-01.txt, 2011. 8.

- 문정모 외, ‘5G망을 위한 유무선 융합 네트워크 기술’, 전자통신동향분석, 제28권, 제6호, 한국전자통신연구원, 2013. 12.

- 김동구 외, ‘5G 이동통신 비젼 및 추진전략’, 정보와 통신, 2013. 12.

- 유재황 외, ‘유무선 융합망의 현황 및 전망’, Telecommunication Review, 제18권 제4호, 2008. 8.

- 3GPP TS 23.234 v. 8.0.0, ‘3GPP system to Wireless Local Area Network(WLAN) interworking; System description’

- 3GPP TS 23.402 v. 12.2.0, ‘Architecture enhancements for non-3GPP accesses’

- 3GPP TR 23.839v. 12.0.0, ‘Study on support of Broadband Forum(BBF) access Inter-working’



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