5G 이동셀 기술 및 표준화 동향

가. 이동셀 정의

ETRI에서 개발 중인 5G 이동셀은 다음과 같이 정의할 수 있다.

나. 이동셀 특징

5G 이동셀은 (그림 1)에서와 같이 자유로운 이동 중에도 네트워크와 통신 제공을 위해 상위로는 무선 백홀(backhaul) 링크를 통해 네트워크와 연결되고, 하위로는 액세스(access) 링크를 통해 단말들의 접속을 제공하며, 독자적인 셀(cell) 구성이 가능한 Moving Base Station/Mobile Relay 구조를 기반으로 한다.

그러나, 아래의 같은 특징적인 요소를 통해 기존 Moving Base Station/Mobile Relay와 차별화된다.

(그림 1)

이동셀의 기본 개념

다. 이동셀 링크 형상

이상에서 기술한 바와 같이, 이동셀은 상위로는 네트워크와의 연결을 위한 무선 백홀 링크, 하위로는 접속 단말을 위한 액세스 링크, 주변 이동셀과의 직접 통신을 위한 사이드홀 링크 등 다중 무선 링크를 제공한다.

이들 3가지 종류의 무선 링크의 주파수 형상에 따라 크게 (그림 2)와 같이 3가지의 option을 고려할 수 있다.

(그림 2)

이동셀 무선 링크 형상

네트워크의 운영 관점에서 보면, 최소한의 주파수 자원을 사용하여 이동셀을 운영하는 (Option 1)이 가장 경제적인 시나리오로 고려될 수 있지만, 모든 무선 링크 간의 간섭이 극대화되어 성능 저하의 문제점을 가진다. 현재 3GPP에서는 추가 광대역 주파수 자원 확보를 위해 hotspot 소형셀을 위한 3.5~5GHz대의 주파수 자원 확보를 고려하고 있으므로, (Option 2)와 (Option 3)은 이러한 주파수 대역을 이동셀의 백홀/사이드홀 또는 액세스 링크를 위해 할당하는 시나리오이며, (Option 1)에 비해 용량 증대 및 링크 간의 간섭이 경감되는 효과를 가진다. 이 중 (Option 2)의 경우 매크로 기지국의 액세스 링크와 이동셀의 액세스 링크 간에 상호 간섭으로 인해 매크로 기지국 주변의 이동셀의 성능이 저하되고 매크로와 이동셀 간을 이동하는 단말의 mobility failure rate이 증가하는 문제점이 있어 3GPP의 Small Cell Enhancement Deployment Scenario와 유사한 (Option 3)을 기본 형상으로 고려한다.

라. 이동셀 Deployment Scenario

실내외 공간에 설치 및 탈/부착이 가능하고, 휴대 및 차량 등에 탑재를 통해 이동이 자유로운 이동셀은 비즈니스 모델 및 활용 용도에 따라 <표 1>에서와 같이 다양한 형태의 Deployment Scenario를 고려할 수 있다.

<표 1>

이동셀 Deployment Scenario

실내외 공간에 탈/부착을 통한 반-고정식의 용도를 고려하면 유선/무선 백홀을 통해 네트워크와 연결되고 댁내 외 사용자에게 통신 및 서비스를 제공하는 가정용 기지국으로 활용될 수 있다. 또한, 휴대가 가능한 초소형 개인용 기지국의 형태로 제품화 되어 egg 및 mobile router를 대체할 수도 있으며, 개인 자동차 또는 버스 및 기차 등 공공 차량 등에 탑재되거나, 선박 또는 심지어 드론과 같은 비행체에 탑재되어 통신 및 서비스를 제공하는 이동형 기지국으로 사용될 수 있다. 뿐만 아니라, 전시 및 공공안전과 같은 특수 상황에서 인프라와 독립적으로 주변 사용자들간의 통신을 제공하고 국소 지역에서의 특수 서비스 제공이 가능한 이동 기지국으로 활용될 수 있다.

이와 같이 다양한 Scenario 중에서, 최근 들어 이동통신과 자동차 기술이 접목된 LTE(Long Term Evolution)-Connected Car 등을 위한 표준화 및 기술개발 요구가 증가하고 있고, 이러한 모델이 포화상태인 이동통신시장의 돌파구를 여는 비즈니스 모델로 고려됨에 따라 차량형 이동셀을 우선적으로 고려하여 기술개발을 진행하고 있다.

5G 이동셀의 요소 기술은 크게 기반 기술, 인접 통신 기술, 고밀도화 기술로 분류된다. 기반 기술은 이동셀의 구조 및 기본 기능 제공을 위해 필요한 요소 기술이며, 인접 통신기술은 주변 이동셀과의 통신을 위한 기술이고, 고밀도화 기술은 이동셀이 고밀도 환경에서 운영될 때 필요한 요소 기술을 의미한다.

가. 이동셀 구조 및 기반 기술

1) Enhanced 무선 중계 기술

이동 중에도 독자적인 셀을 구성하여 단말의 접속을 수용하고, 무선 백홀을 통해 네트워크와의 연결을 유지하며, 네트워크와 접속 단말 간의 통신을 위한 L3(Layer-3) 중계 기능을 제공한다((그림 3) 참조).

(그림 3)

이동셀 무선 중계 기술

2) 다중 무선 링크 전송 기술

무선 백홀 링크의 용량 및 통신 신뢰도가 접속 단말 전체의 통신 및 서비스 품질에 영향을 미칠 수 있으므로, 고용량 및 robust 백홀 링크를 위한 무선전송 기능을 제공하며, 고속의 근접 액세스 링크를 통한 대용량 데이터 전송 기능을 제공한다((그림 4) 참조).

(그림 4)

이동셀 다중 무선 링크 전송 기술

3) Cell Mobility 및 Group Handover 기술

이동셀이 서로 다른 매크로 기지국 영역을 이동하는 경우 이동성을 보장할 수 있고, 각 이동셀에 접속된 접속 단말들의 이동성 및 Handover를 통한 서비스 연속성 또한 보장하는 기능을 제공한다(((그림 5)참조).

(그림 5)

이동셀 이동성 및 Group Handover 기술

4) Mobile Edge Cloud 기술

이동셀에 자체 응용/Cloud 서버를 탑재하여 네트워크로부터의 컨텐츠 캐슁 및 사용자에 의해 생성된 컨텐츠 및 데이터 저장, 관리, 공유 기능을 제공한다((그림 6)참조).

(그림 6)

Mobile Edge Cloud 기술

5) Multi-RAT Radio Level Integration 기술

다양한 단말의 접속을 위해 Cellular 및 Non-cellular 액 세스를 제공하며, 셀룰러 하위계층을 통한 결합과 통합 자원 관리 기능을 제공한다((그림 7)참조).

(그림 7)

Multi-RAT 액세스 통합 기술

나. 이동셀 인접 통신기술

1) Cell-to-Cell Direct 통신기술

주변 이동셀과 사이드홀을 통한 직접 통신 기능을 제공하며, 이 기능을 이용하여 이동셀 간의 콘텐츠 및 데이터 공유 및 접속 단말 간의 Indirect D2D 기능을 지원 한다((그림 8)참조).

(그림 8)

Cell-to-Cell Direct 통신 기술

2) 다중홉 통신 및 토폴로지 제어 기술

하나 이상의 주변 이동셀을 경유하는 다중홉 통신 기능을 제공하며, 경로 설정 및 관리 등을 위한 토폴로지 제어 기능을 제공한다((그림 9)참조).

(그림 9)

다중홉 통신 및 토폴로지 제어 기술

다. 이동셀 고밀도화 기술

1) 이동셀 간섭 제어 기술

이동셀들의 액세스 링크 간 간섭 제어, Cell-to-Cell 통신을 하는 근접 이동셀 그룹 간의 사이드홀 간섭제어, Cell-to-Cell 통신을 하는 주변 이동셀 그룹과 매크로 기지국과 통신하는 이동셀 사이의 백홀과 사이드홀 간섭제어 등의 기능을 제공한다((그림 10)참조).

(그림 10)

이동셀 간섭제어 기술

2) Auto-(re)configuration 기술

SON(Self-Organizing Network) 기술을 기반으로 이동셀 운영을 위한 초기 설정 및 자동 설정 변경, 고밀도 환경에서의 Cell ID 충돌 등에 따른 재설정, 이동셀 on-off 및 클러스터링 등을 위한 설정 변경 등의 기능을 제공한다((그림 11) 참조).

5G 이동셀의 요소 기술과 관련되어 현재 표준화가 진행 중이거나, 표준화가 완료된 주요 아이템들은 <표 2>와 같다.

<표 2>

이동셀 요소 기술 관련 3GPP 표준 아이템

3GPP의 TSG-SA WG1은 표준의 가장 초기 단계인 Stage 1 서비스 요구사항 및 Use Case 등을 정의하는 그룹으로 최상위 레벨의 표준화를 담당한다. 따라서, 다른 WG들은 현재 Rel. 12 및 13을 위한 표준화 작업을 진행하고 있으나, TSG-SA WG1은 이미 Rel. 14를 위한 표준작업을 시작하고 있다. 이 WG은 2015년 2월 69차 회의에서 Rel. 14를 위한 신규 Study Item에 관한 논의를 진행하고 제안된 Item 중 일부를 승인할 예정이다.

TSG-RAN Plenary 회의에서도 무선전송 및 접속에 관련된 신규 표준 Item들이 제안되고 승인되는 작업이 수행되었으며, 지난 2014년 12월 Plenary 회의에서도 Rel. 13을 위한 일부 표준 Item들이 승인되어 2015년부터 TSG-RAN WG들에서 표준화가 진행될 예정이다.

현재까지 TSG-SA1 WG 및 TSG-RAN Plenary에서 논의되고 표준화가 시작될 것으로 예상되는 5G 이동셀 관련 표준 Item은 다음과 같다.

가. V2X

V2X(Vehicle-to-Anything)는 5G 이동셀이 1차 목표로 하고 있는 차량셀과 가장 유사한 형태이며, (그림 12)에서와 같이 Vehicle-to-Vehicle/Infra/Road-Side-Unit/Pedestrian/Home /Grid 등 Vehicle을 중심으로 주변 매체들과의 통신을 포함하는 서비스이고, LTE-Connected Car 등 최근 고조되고 있는 자동차와 통신을 결합한 스마트카 등을 위한 Market의 기술개발 요구를 반영한 융합기술이다.

(그림 12)

V2X 개념도[4]

V2X는 2014년 11월에 개최된 TSG-SA1 WG 68차 회의와 12월에 열린 TSG-RAN Plenary 66차 회의에서 논의된 가장 커다란 신규 표준 이슈 중 하나였으며, 기존 차량 Safety를 주 목적으로 하는 DSRC(Dedicated Short-Range Communications) 방식의 문제점 및 한계를 극복하기 위해 LTE 기술 적용을 기본 목표로 한다. TSG-SA1 WG에서는 LG 전자와 Qualcomm 등이 Rel. 14를 위한 표준 Study 필요성을 제기한 상태이며[4][5], TSG-RAN Plenary에서도 Huawei, Ericsson 등이 Rel. 13을 위한 'Enhanced LTE D2D Proximity Services' 표준 범위에 V2V를 포함하는 제안을 하기도 하였다[6][7].

여러 논의 끝에, 현재로써는 2015년 2월 TSG-SA1 WG 69차 회의에서 Rel. 14를 위한 Study Item으로 선정되어 요구사항 및 Use Case 정의가 시작되고, 이후 TSG-RAN에서도 표준 Study가 진행될 것으로 예상된다.

나. Mobile CDN

Mobile CDN(Content Delivery Networks)은 기존 네트워크의 응용 서버를 통해 제공되던 콘텐츠 서비스를 (그림 13)과 같이 PDN GW 또는 기지국과 같은 이동통신 네트워크 장비를 통해 제공함으로써 지연 감소 및 QoE 향상, 네트워크 부하 절감 등의 효과를 갖는 서비스이다. 네트워크 사업자는 사용자 단말기의 성능뿐 아니라 통신 요금제에 따라 제공되는 콘텐츠의 품질을 달리함으로 부가 수익을 창출할 수 있는 모델도 고려할 수 있다.

Mobile CDN은 5G 이동셀이 자체 응용/Cloud 서버를 통해 제공하는 Mobile Edge Cloud 서비스와 유사한 속성을 가지고 있으며, China Mobile에 의해 TSG-SA1 WG 68차 회의에서 표준 Study 필요성이 제기되었고, Rel. 14 신규 Item으로 선정이 유력시되고 있다[8].

(그림 13)

V2X 개념도[8]

다. LTE-WLAN Radio Level Integration

기존에는 LTE 네트워크와 WLAN의 연동이 이동통신 코어 네트워크를 중심으로 이루어진 것과는 달리, LTE-WLAN Radio Level Integration은 LTE와 WLAN을 동시에 제공하는 Collocated 기지국 또는 Non-collocated라 하더라도 그에 준하는 구조를 가진 기지국을 중심으로 LTE와 WLAN 프로토콜을 PDCP나 RLC 계층에서 밀결합하는 기술이다((그림 14) 참조). 이와 같은 밀결합으로 기지국이 무선 상황이나 부하에 따라 LTE와 WLAN 간 유동적인 자원 할당 및 통합 제어가 가능하므로 궁극적으로 성능 향상 및 부하 균형효과를 갖는 기술이다.

(그림 14)

LTE-WLAN Radio Level Integration 개념도[9]

LTE-WLAN Radio Level Integration은 Multi-RAT 액세스를 제공하는 5G 이동셀의 필수 요소 기술이며, TSG-RAN Plenary 회의에서 Intel과 Qualcomm에 의해 제안되었고 향후 Rel. 13 또는 14을 위한 표준 Study Item으로 선정되어 표준화가 시작될 것으로 예상된다[9].

이상과 같은 표준 진행상황을 바탕으로 5G 이동셀의 요소 기술과 관련되어 향후 표준화가 진행될 것으로 예상되는 주요 아이템들은 <표 3>과 같다.

<표 3>

이동셀 요소기술 관련 예상 3GPP 표준 아이템

METIS 2020은 유럽의 대표적인 5G를 위한 프로젝트 컨소시엄으로 2012년 11월 5G 기술 표준화 주도를 목표로 산업계, 학계, 연구기관이 참여하여 결성되었으며, 5G 이동통신 네트워크 관련 서비스 콘셉트와 솔루션 제안, 표준화 기술개발 및 해당 기술의 글로벌 컨센서스(consensus) 형성 등을 활동 목표로 한다.

METIS 2020에서는 5G 셀룰러 무선 통신 시스템을 특징지을 수 있는 다음과 같은 5가지 미래 시나리오를 제시하고 있다[10].

이 중 'Best experience follows you'는 (그림 15 a)와 같이 차나 기차로 이동 중인 사용자에게도 고품질 서비스 제공하는 시나리오로 5G 이동셀의 개인/공공 차량을 통한 이동형 시나리오에 해당한다.

또한 METIS 2020은 기술 연구를 위한 다음과 같은 5가지의 Horizontal Topic을 제시하고 있다[11].

이 중 'Moving Networks'는 Dynamic Radio Access Network에 이동성을 접목한 것으로, (그림 15 b)에서와 같이 이동 네트워크 노드와 인프라 간 고신뢰 고성능 통신(MN-M), 저속 네트워크 노드 기반의 유동적인 네트워크 Deployment(MN-N), 차량 간 V2X 통신(MN-V) 등과 같은 요소들로 구성되며, 이는 이동형 기지국인 5G 이동셀의 개념을 포함한다.

(그림 15)

METIS 2020 Scenarios and Horizontal Topics[11]

국내에서도 산업계, 학계, 연구기관 등으로 구성된 '5G 포럼'이 결성되어 운영 중이며, 포럼을 중심으로 (그림 16)과 같이 "나를 따라다니는 네트워크", "나를 이해하는 서비스", "나를 대신 하는 단말"의 비전을 실현하는 5G 시스템을 위한 표준 도출 및 기술개발을 목표로 하고 있다[12].

5G 포럼의 시스템 비전 중 "나를 따라다니는 네트워크"는 사용자가 따라다녀야 하는 기존의 인프라 중심 네트워크 개념에서 탈피하여, 사용자를 중심으로 구성되는 네트워크의 실현이 목표이며 5G 이동셀의 개념을 포함한다.

(그림 16)

5G 이동통신의 이해[12]

최근 들어 국내외 많은 업체들은 각자 가지고 있는 5G 시스템의 비전, 구조, 핵심 기술, 서비스 등을 White Paper나 각종 워크샵 및 세미나를 통해 발표하고 있으며, 일부는 5G 이동셀의 개념을 포함하고 있다.

대표적으로 SK Telecom이 2014년도 10월 5G White Paper를 통해 발표한 5G Hyper-Connected Infrastructure에 개인 휴대 또는 차량을 통해 이동이 가능한 Moving & Personal Cell이 포함되어 있으며[13], KRNET 2014에서 LG 전자는 Wireless Backhaul 기반의 Moving Radio Network을 5G를 위한 핵심 후보 기술로 소개하기도 하였다[14]. 또한 NTT DoCoMo는 2014년 IEICE Technical Paper를 통해 5G Future Radio Access Network을 위한 Moving Cell 실현 방안 연구를 발표하기도 하였다[15].