모바일 핫스팟을 위한 이동무선백홀 기술동향 분석

유럽은 오래된 매우 복잡한 철도망을 가지고 있으므로, 철도망을 관리하기 위한 이동무선백홀이 널리 사용되고 있다. 현재는 주로 GSM-R(Global System for Mobile Communications-Railway) 방식을 사용하고 있는데, 열차의 고속화에 따른 안전성을 보장하고, 철도망의 신뢰성을 제고하는 데 주 목적이 있다. GSM-R은 향후 LTE 기반 서비스로 대체될 것으로 예상된다[1]. GSM-R 및 LTE-R 시스템은 주 용도가 철도 제어용이다. LTE를 이용한 moving relay의 개념은 (그림 2)와 같다. 주요 기업들은 LTE 솔루션의 데모를 보였고, 완성된 솔루션 개발에 열을 올리고 있다.

(그림 2)

철도상에서 LTE를 이용한 moving relay[1]

“Alcatel-Lucent는 열차 내에서의 인터넷 서비스를 위한 LTE-R 기술을 2016년까지 개발할 예정이며, 이는 기존의 GSM-R 기반의 서비스를 개선하기 위한 것이다. 이를 위해서 LTE 전송기술의 개선, 망 연동 구조의 개선 등을 위한 연구를 시작하였다.

이 회사는 최근 열린 InnoTrans 2014에서 LTE를 기반으로 한 열차 Ground-to-Train 솔루션을 발표하였다. Alcatel-Lucent는 데모를 통해서 운행 중인 열차에서 찍은 영상을 실시간으로 보여줌으로써, LTE를 사용한 네트워크 기술의 가능성을 부각했다.

Nokia는 GSM-R을 이용한 솔루션의 시장 주도 업체이며, 최근 2014년에도 폴란드에 GSM-R 기반 철도 네트워크를 제공하였다. Nokia는 철도통신의 광대역화를 추진하고 있으며, GSM-R 수출 19개국의 철도시스템의 개혁을 추진 중이다. 현재 FDD-LTE 방식으로 시속 350km에서 최대 20Mbps의 성능을 보고하였다.

유럽에서는 인공위성을 이용한 열차와 지상과의 통신 시스템 개발도 진행 중이다. 위성통신을 이용한 고속그룹 이동통신은 Ku 대역 이상의 고주파 대역을 사용한다. 전송속도는 최대 6Mbps 이하이며 기차가 터널 속을 이동 시 위성에서 다른 통신으로 전환해주는 기술이 아직 개발되지 않은 상황이다.

대표적으로 Acorde사는 위성통신을 위한 고정 안테나 시스템, 이동가능하며 설치가 쉬운 휴대용 안테나 시스템 기술을 가지고 있다. 휴대용 시스템은 이동체가 정지 중일 때는 릴레이 기지국으로써 동작하고, 이동 중일 때는 더 복잡한 SOTM(Satcom On The Move) 시스템을 제공한다. SOTM을 위해서, 고속열차나 차량 및 선박에 인공위성과의 connectivity를 제공하기 위한 auto-pointing 안테나를 탑재한다[2].

가. WiBro 백홀 망을 이용한 서비스

한국의 통신사업자 KT와 SKT는 WiBro 백홀 망을 국내 주요 도시의 지하철에 설치하고 지하철 각 차량에 WiBro to WLAN 변환장치를 두어 차량 내에서는 WLAN 서비스를 제공하고 있다. WiBro는 국제 표준 IEEE 802.16을 만족하는 기술로써 IMT-Advanced 요구사항을 만족하도록 진화하였다. 하지만 현재 국내 지하철에서 상용화된 WiBro 백홀 망은 최대 20Mbps(평균 10Mbps 이하)의 전송속도를 제공하는 데 그치고 있는 실정이다. 결국 지하철 내 수백 명 이상의 사용자가 10Mbps의 용량을 나누어 사용해야 하므로 서비스 품질이 매우 저하되어 지하철 내 WLAN 서비스에 대한 불만이 매우 높다[3].

나. LTE 백홀 망을 이용한 서비스

고속철도 KTX에서도 무료로 WLAN 서비스를 받을 수 있다. KTX의 경우에는 서울 지하철과 달리 LTE 망을 사용하고 있다. 즉, LTE 망의 액세스 링크 중 일부를 KTX의 릴레이 장치가 접속한 후 내부 승객에는 WLAN으로 서비스를 제공한다. LTE 이동통신망의 무선주파수 자원을 열차 내 일반 사용자와 릴레이 장치가 나누어 써야 하므로 WLAN 서비스의 품질이 지하철과 마찬가지로 매우 열악한 실정이다.

중국은 LTE 기술을 고속열차 환경에 최적화시키는 작업을 통해 백홀을 제공하는 것이 특징이다. 중국 기업 화웨이는 2008년에 광저우, 쉔젠, 홍콩 등에 GSM-R 기술을 도입한 이래 2010년에는 상하이 고속열차에 LTE 기반의 백홀 솔루션을 제공하고 있다. 특히 고속열차의 재질이 전파가 잘 통과하지 못함으로 인하여 차량 내부에서 신호 품질이 나쁘기 때문에 선로를 위한 전용 셀 구성을 통해서 커버리지를 확보하고 신호 품질을 개선하는 방식을 선택하였다. 하지만 LTE 주파수 대역은 6GHz 이하의 많은 다른 방송 및 통신방식과 공유하고 있는 점과 규격상으로 20MHz x 5로 제한되는 점이 백홀 용량의 한계를 규정하고 있다. 그렇다고 하더라도 새로운 기술이 등장하기 전까지는 LTE-Advanced를 백홀 전용으로 최적화할 경우에는 기존의 백홀에 비해 나은 성능을 보일 것이 분명하다. 2014년 화웨이 자료에 따르면 최대 430km/h로 달리는 상하이 고속열차의 30km 구간에서 평균 25Mbps 데이터 속도를 제공한다[4].

가. LCX를 이용한 서비스

일본의 NTT는 고속열차와 지상의 무선 구간에서 LCX(Leakage Coaxial Cable)을 이용하고 차량 내부에서는 WLAN을 통해서 AP를 제공한다. NTT Series N700은 2009년부터 상용 서비스를 시작하여 현재 일본의 신칸센에 적용되었으며, 270km/h의 고속철도 이동속도에서 2Mbps 데이터 전송속도를 제공한다. LCX는 동축케이블의 외부 도체에 슬롯이 있어 안정된 특성을 가진 전파를 누설시키며, 전파 도달이 어려운 터널에도 서비스 제공이 용이한 장점이 있다. 전송범위가 17km 이상인 LCX 송수신기 62개가 있어야 일본 전역의 신칸센에서 무선통신이 가능하다고 하며, 다른 세그먼트 간에 끊김 없는 핸드오버 기술을 제공하고 있다. 가장 큰 단점은 백홀 전송속도가 WiBro, LTE 백홀과 비교하여 매우 낮다는 점이다[5].

나. 무선 광통신기술

무선 광통신을 신칸센 고속열차에서 고속 데이터 전송으로 이용하고자 하는 연구가 최근에 진행되었다. 일본의 게이오대학에서 제안하였으며, West Japan Rail way Company와 공동연구를 통해서 130km/h 속도의 열차에 설치된 통신 탑재기와 지상에 있는 기지국 간의 광통신을 통해서 566Mbps 속도의 전송 및 100m 간격으로 설치된 기지국 간의 핸드오버까지 시연하였다. 그러나 상용서비스까지 가기에는 안정성과 시장성 측면에서 넘어야 할 장애물이 많은 것으로 보고되었다[6].

Track-side 또는 train-to-ground 통신시스템으로 알려진 Fluidmesh사의 FULIDITY 시스템은 최대 320km/h 속도로 운행하는 기차에서 비디오, 보이스 및 데이터 전송을 100Mbps까지 지원한다. (그림 3)은 FLUIDITY 이동무선백홀 시스템을 나타낸 것이다. 기차 내의 승객들은 어디서나 WLAN으로 접속할 수 있다. FULIDITY가 지원하는 응용분야는 data, VoIP, WLAN, CCTV, multi frequency, multi vehicle, digital signal 등이다. 시스템의 특징을 요약하면 다음과 같다.

(그림 3)

FLUIDITY 이동무선백홀 시스템[7]

밀리미터 대역 Point to Point 고정형 백홀 솔루션 대표 기업인 BridgeWave Communications에서는 2014년 10월 기존의 Flex4G 80GHz 플랫폼에 새로운 Flex4G-250 및 Flex 4G-3000을 발표하였다[8]. 이 시스템은 기존의 시스템을 기반으로 더 향상된 Gigabit V-band (60GHz) 및 E-Band(80GHz) 밀리미터파 솔루션이다. 각 시스템 특징은 다음과 같다.

Broadcom사에서도 주로 Point to Point 고정형 밀리미터대역 무선백홀에서 적용 가능한 SoC칩을 연구 및 개발하고 있고 또한 제품을 생산하고 있다. 2014년 2월에 발표한 BCM85100 제품은 256QAM 및 2GHz 대역폭에 기반하여 10Gbps의 전송용량을 지원한다[9].

MHN(Mobile Hotspot Network) 이동무선백홀 기술은 밀리미터파(10GHz 이상)의 광대역 주파수 스펙트럼을 활용하여 고속 이동환경에서 Gbps급 데이터 서비스 제공을 가능하게 하는 기술로, 속도 300km/h 이상에서도 Gbps급의 이동무선백홀을 제공한다[10][11]. (그림 4)와 같이 MHN 시스템은 기본적으로 밀리미터파를 사용하는 차량 외부의 이동무선백홀 링크와 6GHz 이하 주파수를 사용하는 WLAN 혹은 펨토셀을 이용하는 차량 내부의 액세스 링크로 이루어진다.

(그림 4)

MHN 시스템 개요(열차 환경)

MHN 시스템은 밀리미터파 백홀 링크와 6GHz 이하의 주파수를 사용하는 액세스 링크로 구성되는 2계위 시스템이다. MHN 시스템은 차량에 탑재되는 밀리미터파 백홀 송수신 단말인 mTE(MHN Terminal Equi-pment), 기지국 RF/안테나를 포함하는 mRU(MHN Radio Unit), 기지국 모뎀을 포함하는 mDU(MHN Digital Unit), 그리고 mGW(MHN Gateway)로 이루어진다. 한 개의 mGW에는 여러 개의 mDU가 광케이블로 연결되며, 마찬가지로 각 mDU에는 여러 개의 mRU가 광케이블로 연결된다.

MHN 시스템의 최소 주파수 대역폭은 125MHz이며 OFDM 전송방식을 사용한다. (그림 5)와 같이 반송파 결합(carrier aggregation)에 의해 대역폭 확장이 가능하고, 500MHz 대역폭 사용 시 400km/h의 고속 이동환경에서도 최대 2Gbps 이상을 이동무선백홀 링크로 전송 가능하다.

(그림 5)

MHN 주파수 대역폭

MHN 시스템은 밀리미터파의 높은 경로 손실을 극복하기 위해 송수신 빔형성 기술을 사용하며, 인접한 두개의 mRU는 동일한 주파수를 사용하여 서로 다른 데이터를 그룹이동체에 제공함으로써 데이터 효율을 증대시킨다[12].

MHN 서비스 시나리오는 첫 번째가 지하철 환경이고 두 번째는 열차(고속열차 포함), 세 번째는 버스(고속도로 환경), 마지막으로는 모든 자동차(전국의 모든 도로)에 밀리미터파의 이동무선백홀을 제공하는 것이다. (그림 6)은 고속도로 환경에서 MHN 서비스 시나리오를 예시한 것이다. 열차(지하철 포함) 환경에서는 하나의 mRU에 동시 접속하는 mTE 개수는 최대 2개(상/하행선)이지만, 고속도로 혹은 일반도로 환경에서는 하나의 mRU에 수십 개 이상의 mTE가 접속될 수 있다.

(그림 6)

MHN 고속도로 서비스 환경

MHN 이동무선백홀 무선 전송기술 중 주요 기술은 고속(최대 500km/h)환경에서 끊김 없는 Fast 핸드오버를 제공하기 위한 하향링크 동기신호 구조, Fast 인접 셀 탐색 알고리즘, 그리고 차량의 일정한 이동방향을 고려한 효율적인 핸드오버 알고리즘 및 고속 이동에 따른 도플러 쉬프트를 극복하기 위한 효율적인 상향링크 파일롯 구조 설계 및 이를 이용한 기지국 수신단의 주파수 옵셋 보상기술 등이 있다.

한편, MHN 주파수는 12.75~13.25GHz, 13.4~14GHz, 18.1~18.6GHz, 18.975~19.185GHz, 71~76GHz, 81~86 GHz 등으로써, ITU-R에서 이동통신 업무로 분배되어 있거나 용도가 미지정되어 국내 자체적으로 적용 가능한 주파수 등이 후보 주파수가 될 수 있다. 한편, 2014년 1월에 미래창조과학부에서는 전파진흥 기본계획에 초고주파 이용 활성화를 위한 'Free Band' 확대 정책(안)에 17.1~17.2GHz 및 31.5~33.5GHz를 FACS(Flexible Access Common Spectrum) 주파수로 사용하는 것을 포함하였는데 FACS 주파수도 MHN 후보 주파수가 될 수 있다.

전 세계적으로 이동무선백홀은 기존의 셀룰러 방식인 WiBro, WCDMA, GSM, LTE 등을 사용하고 있어서 이동무선백홀 링크의 전송용량이 국내환경과 비슷한 실정이다. 밀리미터파 기반의 MHN 방식을 사용할 경우 기존 대비 100배 이상의 전송용량을 확보할 수 있다.

MHN의 enhancement 기술인 MHN-E는 속도 500km/h 이상까지 최대 20Gbps급의 이동무선백홀 기술을 제공하는 기술이다. MHN-E에서는 (그림 7)처럼 mRU 및 mTE에서 circular 스위칭 빔과 같은 advanced 빔형성 기술 및 Advanced MIMO 기술 등을 고려한다[11].

(그림 7)

MHN-E의 circular 스위칭 빔 안테나

현재 국내외에서는 모바일 핫스팟을 위한 이동무선백홀 기술과 유사한 고정 셀 혹은 이동 셀을 위한 이동무선백홀 기술의 표준화가 진행되고 있다. 무선백홀 기술은 5G 이동통신기술과 더불어 시장규모 및 산업적 파급효과가 크기 때문에 원천기술의 확보 및 표준기술의 선점, 조기 개발 그리고 이에 따른 서비스 및 시장에서의 주도권 확보가 치열하게 전개되고 있다.

ETRI에서는 모바일 핫스팟을 위한 이동무선백홀 기술의 성공적인 표준화를 위해 단기적 목표와 장기적 목표로 구분하여 진행 중에 있다. 단기적으로는 한국정보통신기술협회(TTA)에 이동무선백홀 기술의 국내 표준을 제안하고, 장기적으로는 국제 표준화 기구인 3GPP와 IEEE 802에서 국제 기술 표준화를 추진하는 것이다.

따라서 2014년 상반기 TTA에서 MHN 이동무선백홀 국내 표준화 과제를 제안하여 채택되었고, 현재 국내표준 규격을 작성 중에 있으며, 2015년 상반기 중으로 표준 초안을 제출할 예정이다.

아울러, 최근 국제적으로 무선백홀 기술의 표준화 활동도 활발히 진행되고 있는 추세이다. 국제 표준화 기구인 3GPP에서는 work item으로 고속이동체를 위한mobile relay의 무선백홀 기술을 제안[13]하여 2014년 6월까지 표준화를 활발히 진행하였고, IEEE 802 국제 표준화 기구에서는 802.15/16 WG(Working Group)에서 무선백홀 관련 표준화 활동을 활발히 진행 중에 있다. 802.16 WG에서는 fixed/nomadic 스몰 셀을 위한 Wibro 기술 기반 무선백홀 기술의 표준화를 프로젝트[14]를 진행 중이다. 본 프로젝트는 기존의 Wibro 규격에 256QAM, 512QAM, 1024QAM의 고차변조 방식과 4x4 MIMO 기술을 하향링크와 상향링크에 모두 도입하여 스펙트럼 효율을 높여 무선백홀의 데이터 전송률을 향상시키는 데 목적이 있다. 그 외, 802.15 WG은 2014년 11월 plenary 회의에서 ETRI가 제안한 기고서[15]에 기반하여 고속철을 위해 밀리미터파를 이용하여 고속의 데이터 전송률을 지원하는 이동무선백홀 기술의 표준화를 위해 high rate rail communications의 IG(Interest Group)를 결성하기로 결정하였고[16], 2015년 1월 interim 회의를 시작으로 본격적인 표준화 활동을 진행할 계획이다.

최근에 ITU-R에서는 5G 이동통신을 위한 요구조건을 제시하는 작업을 수행 중이다[17]. 2014년 현재 draft 버전이 나온 상태이다. 참고문헌 [17]에 따르면 5G 이동통신을 위한 요구조건 중에 peak data rate와 이동속도가 언급되어 있는데 peak data rate는 10Gbps ~50Gbps를 제시하고 있고, 사용자의 평균 체감속도는 100Mbps~1Gbps로 규정하고 이동속도는 최대 500km/h까지 지원하게 되어 있다. 또한 고속 이동환경에서 통신접속이 끊어지지 않는 정도의 서비스 요구사항만 정의한 4세대 이동통신과는 달리 참고문헌 [17]에서는 500km/h의 고속환경에서도 좋은 품질(high quality)를 제공해야 한다고 기술하고 있다.

고속 이동환경(최고 500km/h)에서 peak rate 10Gbps 이상(혹은 100명의 탑승객에 100Mbps 이상의 평균 전송속도 제공)을 제공하려면 전송 대역폭이 적어도 GHz급 이상이 되어야 하는데 6GHz 이하의 셀룰러 주파수로는 매우 부족하고 결국 밀리미터파의 광대역 스펙트럼을 사용하는 것이 필요할 것이다.

최근 밀리미터파의 광대역 스펙트럼을 이동통신에 적용하려는 연구가 국내외적으로 시작되고 있다[11]. 밀리미터파가 5G 이동통신에 사용될 경우 무선 전송규격 측면에서 eNB와 고속 그룹이동체와의 무선 링크를 하나의 access 링크로 취급하여 새로운 UE(User Equi-pment) Category(High Speed Vehicle UE)를 위한 전용 TM(Transmission Mode)이 도입될 것으로 예상되는 바, MHN 이동무선백홀 핵심 무선 전송기술은 향후 밀리미터파 기반 5G 이동통신 무선 전송기술의 한 축으로 발전할 것으로 전망된다. (그림 8)에 Future IMT requ-irement[17]에 대한 MHN 무선 전송기술의 최종 타깃을 표시하였다.

(그림 8)

Future IMT[17] requirement에 대한 MHN 무선 전송기술의 최종 타깃