인지무선기술 동향분석

미국 FCC는 2004년 NPRM(Notice of Proposed Rulemaking)을 통해 비면허 방식으로 TVWS(TV White Space) 이용을 제안하고, 2006년 TVBD(TV Band Device), WSD(White Space Device)에 대한 사용을 제안하였다. 고정형 및 개인/휴대형 무선기기의 사용을 위한 기술 기준을 2008년에 정립하였고, 2010년 CR에 대한 본격적인 사업 가능성을 열었으며 2011년 데이터베이스 방식의 사업자로써 9개의 회사를 지정하였다.

또한, 2012년 7월 PCAST를 통해 정부가 소유하고 있는 주파수를 공유 방식으로 이용할 것을 권고하고 미국 연방이 소유하고 있지만 이용이 저조한 대역에서 1,000MHz를 새롭게 발굴하여 공유할 것을 권고하는 스펙트럼 슈퍼 하이웨이를 발표하였다[3]. 2012년 10월 FCC에서는 효율적 주파수 이용을 위한 인센티브 경매(incentive auction) 제도 도입을 결정하고, 2012년 12월 군/위성용 3.55∼3.65GHz 대역의 소형셀 및 스펙트럼 공유 주파수로의 전환을 고려한 NPRM을 발표하였다. 그리고 2013년 2월 5GHz U-NII(Unlicensed National Information Infrastructure) 대역을 추가로 지정하는 NPRM을 발표하였으며[7], 2013년 6월 오바마 대통령은 주파수 공유를 위한 구체적인 행동을 요구하였다.

영국 주파수 정책을 주관하는 OFCOM(Office of Communications)은 2004년 'Spectrum Framework Review'를 통해 기술 및 용도 제한에 무관한 주파수 공유 정책 확대 계획을 발표하였고, 2007년 TVWS의 비면허 사용을 제안하였다. 2012년 7월 TV 대역에서 동작하는 데이터베이스 기반의 WSD에 대한 기술 기준을 발표하였으며, 현재 OFCOM은 민간기업과 TVWS 활용 시범서비스를 추진 중에 있다.

유럽연합집행위원회 EC(European Commission) 산하 RSPG(Radio Spectrum Policy Group)는 2011년 2월 주파수 정책을 제안하고 공유 촉진 프로그램 및 기술기준을 마련했으며, 2013년 11월 LSA(Licensed Shared Access)에 대한 보고서를 발간하여 LSA 시행을 적극 장려할 것을 권고하였다. 이는 주파수를 허가 받은 사업자들에 한해 주파수를 공유하자는 개념으로 퀄컴, 노키아 지멘스 네트워크 등의 사업자와 미국 정부, 유럽 EC가 상용화를 추진하고 있으며, CEPT(Conference of European Postal and Telecommunications administrations)는 LSA 적용 가능 대역으로 LTE TDD 대역인 2.3GHz 대역을 고려 중에 있다. 2014년 9월 EC는 24개 회원국의 EFIS(ECO Frequency Information System) DB를 분석하여 '주파수이용현황 분석보고서'를 발표하였고, 6GHz 이하 대역에서 1,200MHz 폭의 무선 광대역 주파수 발굴 목표 외 추가 분배 필요성은 없으며, 재이용 및 공동사용을 위한 정책 확대 계획이 필요하다고 전망하였다. 또한 LSA 등 공동사용 기술의 적용, 지역적 공유, 기존 망의 효율적 이용, 주파수 재이용 증대 등에 더 많은 투자에 대한 의견을 제시하였으며, 2015년 12월까지 조사데이터 및 결과를 시스템화하는 작업을 진행 중이다[8].

일본총무성은 2010년 9월 TVWS 추진회를 설립하고 2012년 1월 TVWS 대역을 이용하는 시스템에 대한 공동사용 방침을 공표하였다. White space 특구를 지정하여 원세그(One-Seg) 중심의 방송형 시범서비스를 운영 중에 있다.

싱가폴 SWSPG(Singapore White Spaces Pilot Group)는 2012년 9월 TVWS 활용을 위한 3개의 프로젝트를 진행하여 Wi-Fi 서비스가 어려운 골프장, 해안 선박, 스마트시티 또는 스마트그리드의 TVWS 활용 서비스를 제공하였다.

국내 정책동향을 살펴보면, 2012년 1월 방송통신위원회는 '모바일 광개토플랜'을 의결하여 2016년까지 230MHz를 개방하고, 공공 주파수 정비를 통하여 2020년까지 총 600MHz의 주파수 확보 계획을 발표하였다. 이를 기반으로 국가 차원에서 TVWS의 효율적 공유 활용을 위한 정책, 기술 기준을 마련하고, 2012년 9월 지역별 지상파 방송 전파가 수신되지 않는 채널을 이용해서 무선통신 등에 이용할 수 있도록 무선설비 규칙 개정안을 마련하였으며, 현재 frequency allocation table 및 기술 기준에 대한 추가 논의를 진행 중이다[9]. R&D 측면에서 2014년 1월 미래창조과학부는 '전파진흥기본계획-창의적 전파활용을 통한 창조경제의 기틀 마련'을 발표하고, 전파이용 핵심 기반 기술 확보를 위해 주파수 공동사용 기술에 대한 R&D 추진계획을 발표하였으며, 공유가능 주파수 대역 분석 및 CR을 포함한 다양한 공유 원천기술 확보 전략을 추진하고 있다.

CR 관련 표준화는 다양한 단체들에 의해 최근까지 수행되고 있으며 각 단체의 로드맵은 (그림 3)과 같다[10]. 본 절에서는 각 표준화 단체가 진행하고 있는 CR 규격에 대해서 살펴보고자 한다.

(그림 3)

Cognitive Standards 로드맵[10]

가. ITU

ITU-R(Radio sector)의 WP8A(Working Party 8A)는 CR의 특성, 성능, 응용에 관한 기술적 이슈에 대해 연구하였고, WP1B는 SDR(Software Defined Radio) 및 CRS(Cognitive Radio System)의 정의 및 각 서비스별 usage 시나리오를 개발하였으며, 주파수 계획 및 스펙트럼 공유 원칙과 규제 측면의 이슈에 대해 연구하였다. WP 5A에서는 이동서비스 환경에서 CR 시스템에 대한 정의, 스마트 무선, 재설정 가능 무선, 정책 적응적 무선 등 CR기술과의 관련성, CR 시스템의 기술적 특성, 요구사항, 성능, 보안, 인증 등 운용상 고려해야 하는 사항과 기존 시스템과의 공존을 위한 CR 특징 등에 대한 보고서를 제출하였다. 2012년 3월 WRC(World Radio communication Conference)-12 의제 1.19를 통해 SDR/CR 도입을 위한 관련 규정의 필요성, IMT (International Mobile Telecommunication) 외 육상 이동업무 시 CR기술의 이용 및 IMT 시스템의 CR기술 이용 등에 대해 논의하였으며, CRS/SDR 기술 도입에 따른 전파규칙 변경 필요성 및 WRC 결의 신설 여부에 대해 검토하였으며, CRS/SDR은 현행 전파규칙에 따라 이용이 가능하므로 관련된 별도 규정은 필요 없음에 합의하였다.

나. IEEE

주로 CR에 대한 기본적인 개념에 대해 다루고 있는 SCC(Standard Coordination Committee)41 내 IEEE P1900은 2005년 표준화를 시작하여 2015년 현재 P1900.1-P1900.7 표준을 완성 혹은 진행 중이다. 주로 SCC41은 dynamic spectrum access 네트워크 관련 표준을 개발하였으며, 주파수 효율 향상, 네트워크 관리 및 정보 공유를 포함하는 간섭 제어 및 정합기술에 대해 연구하였다.

P1900.1은 'Standard definitions and concept of dynamic spectrum access' 표준을 개발하였으며, CRS라는 새로운 무선 시스템의 개념, 용어의 통일, 시스템 요구조건, 주파수 관리 등의 내용을 포함하였다.

P1900.4는 'Architectural building blocks enabling network-device distributed decision making for optimized Radio resource usage in heterogenous wireless access networks'의 baseline 표준문서를 개발하였으며, CRS의 지능형 관리 시스템 구조 개발을 위한 프레임워크를 제공하였다. P1900.4.1과 P1900.4a 두 개의 표준 작업을 통해 P1900.4.1는 'Interface protocols enabling distributed decision making for optimized radio resource usage in heterogeneous wireless networks' 표준문서를 완료하였고, CRS 시스템 interface와 서비스 접근 방법에 대해 정의하였고, P1900.4a는 'Architecture and interface for dynamic spectrum access networks in white space frequency bands' 표준문서를 통해 white space 주파수 밴드에서 이동통신 서비스 구현 내용을 포함하였다.

P1900.6에서 개발한 'Spectrum sensing interfaces and data structures for dynamic spectrum aces and other advanced radio communication systems' 문서는 2008년 시작하여 2011년 승인되었고, amendment 문서인 P1900.6a는 2014년 6월 승인되었다. 주로 주파수 센싱 시스템과 데이터베이스가 존재하는 경우를 고려한 절차, 프로토콜, 데이터 압축 인터페이스 등을 다루었다.

P1900.7은 'Radio interface for white space dynamic spectrum access radio systems supporting fixed and mobile operation' 표준에 대해 2011년 6월부터 2015년 12월까지 진행 중이며, WS 통신시스템을 위한 MAC 및 PHY 인터페이스 개발을 목표로 하고 있다.

IEEE 802.19.1은 TVWS 대역의 주파수 공유 기기 간 간섭을 최소화하고 주파수 이용 효율을 극대화하기 위한 상호공존 방법을 다루었으며, 2014년 5월 IEEE-SA standards board 승인을 받은 상태이다.

IEEE 802.11af wireless LAN 표준은 TV 유휴대역을 활용하는 무선랜에 대해 다루었으며, 2014년 2월 최종 승인된 상태이다. IEEE 802.22 WRAN(Wireless Regional Area Network) 표준은 TVWS 대역을 이용한 지역 무선통신 네트워크 표준으로 도심에서 떨어진 외곽지역에서도 광대역 서비스를 제공할 목적으로 TV 주파수 대역 중에서 지역에 따라 사용하고 있지 않는 대역에 대해 CR기술 적용 및 공유 실현을 목표로 하였다. 2004년 표준화를 시작하여 2009년 BS(Base Station) 주변 이동 CPE(Customer Premises Equipment) 지원을 포함하는 amendment 문서를 완료하고, 2011년 06월 IEEE-SA standards board에서 승인된 후, 2012년 7월 american national standards institute에서 승인되었다.

다. ECMA

ECMA-392 시스템은 2009년 3월 TVWS 대역에 대한 표준화를 시작하였고, 2009년 12월 ECMA-392를 발표하였다. CogNeA(ETRI, HP, 필립스, 삼성전기 등)가 개발한 기고서를 바탕으로 진행하였으며, 2012년 6월 MIMO, multi-channel 동작을 포함하는 ECMA-392 2nd edition을 발표하였다.

라. AWG

APT(Asia Pacific Telecommunity)는 아태전기통신협의체로 산하 무선그룹 AWG(APT Wireless Group)-13 회의에서 'CRS 배치 시나리오 및 관련 기술' 보고서 개발 작업을 승인하였으며, AWG-16에서 중국은 CRS기술 도입 시 기존 네트워크 고려사항과 기존 협력 센싱 외 단독 센싱 및 데이터베이스 접속 방식을 제안하였고, 2014년 9월에 열린 AWG-17차 회의에서 2015년 상반기까지 보고서 작성을 완료하는 것으로 계획을 수정하였으며, CRS 연구 관련 추가 기고 및 신규 아이템 제안을 추가적으로 추진 중에 있다[11].

마. ETSI

ETSI에서는 SDN(Software-Defined Network)/CR을 포함하는 '재설정 가능 무선'이라는 주제로 광범위하게 표준화를 추진하고 있으며, ETSI의 TC(Technical Committee)에서 시스템 요구사항, use case, feasibility 등의 표준 문서가 작성되었고, CRS의 구성요소뿐만 아니라 CRS 개념 보고서 및 CRS의 규제 측면을 고려하는 보고서를 작성하였다.

ETSI TR-102-682는 'Functional architecture for the management and control of reconfigurable radio systems' 문서를 2009년 7월에 발행하였으며, 재구성 가능한 무선시스템의 기능적 구조에 대한 연구결과를 제시하였다. 특히 사용자의 현 상황에서 사용 가능한 주파수와 무선 자원의 효율적 활용을 위한 관리와 운용 메커니즘 정리에 초점을 맞추고 있으며, 동작 및 상호운용 동작에 대한 주요 기능 entity에 대해 정의하였다.

ETSI TR-102-683은 2009년 'Cognitive pilot channel' 문서를 완료하였으며, 재설정 가능 시스템을 위한 CPC의 개념 정의 및 heterogeneous 무선환경에서 E2E(end-to-end) 연결성 제공을 목적으로 하였다.

ETSI TR-102-802는 'Cognitive radio system concept' 문서를 2010년 2월 발행하였으며, CRS 시스템에 대해 기존 인프라가 있는 경우와 없는 경우를 고려한 기술적 개념을 정립하였다.

ETSI TR-102-803은 'Potential regulatory aspects of cognitive radio and software defined radio systems' 문서를 2010년 3월 발행하였으며, 규제 및 권한 관련 이슈들에 대해 내용을 담았다.

ETSI TR-102-907은 'Use cases of operation in white space frequency bands' 문서를 2011년 10월 발행하였으며, access 범위에 따른 시나리오를 고려하고 adhoc network, 백홀 링크, MBMS(Multimedia Broad cast Multicast Service) 등에 대해 use case 및 시나리오 정의, information flow, 시스템 요구사항을 제시하였다.

ETSI TR-102-684는 'Feasibility study on control channels for cognitive radio systems' 문서를 2012년 4월 발행하였으며, 서로 다른 CR 네트워크 간 coexistence 및 coordination 방법, 제어채널을 위한 구현 옵션 등에 대해 작성하였다[12].

최근 CR 관련 연구현황은 프로시딩 논문 keyword-analysis tool(v1.0)을 자체 개발하여 2004년에서 2013년까지 22,102편의 논문 키워드를 분석하고, 각광받는 연구분야 및 현황에 대해 Globecom(9,286편), ICC(9,555편), Infocom(3,261편)을 분석 대상으로 하였으며, 분석 결과 2000년 중반 이후 가장 급격히 논문 수가 증가하는 연구분야로 CR기술분야를 선정하였다[15].

이런 분석결과를 바탕으로 미국 연구개발 동향을 살펴보면, DARPA의 경우 2000년 초부터 2003년, 3004년, 2008년 XG Program(Cognitive Radio and Dynamic Spectrum regulation), 2010년 CLASSIC Pro-gram(CR Low-energy signal Analysis Sensor ICs), 2012년 Radio Map, 2013년 SSPARC(Shared Spectrum Access for Radar and Communications) 등 다양한 연구과제를 지속적으로 추진하고 있으며, NSF의 경우도 GENI Project(2006.)에서 CR기술에 대해 주목하였고, 2014년 EARS(Enhancing Access to the Radio Spectrum) 프로젝트를 통해 3년간 총 3600만 달러 규모의 창의적 아이디어 도출을 위한 48개 과제를 지원하고 있다.

또한, 2000년대 중반부터 BAN 등 무선 센서 네트워크를 기반으로 한 RF energy harvesting 연구를 추진 중이며, 점차 셀룰러 영역으로 확장하고 있는 추세이다. 관련 연구로는 안테나에서의 전력 전달 효율 증진 연구(Stanford, 2009.), 방송주파수 신호 및 이동통신 신호의 에너지화 기술 연구(Intel, 2009.) 등이 있다.

유럽은 FP6(Sixth Framework Programme)의 E2R (End-to-end Reconfigurability)에서 FP7의 E3(End-to-End Efficiency)로 계승하고, 2008년 기존 이동통신과 병합 및 SDR 중심에서 CR기술로 이동하였으며, WINNER+(Wireless World New Radio Initiative+), SOCRATES(Self-Optimization and Self-Configuration in Wireless Networks) 등을 진행하였다.

FP7의 SENDORA(SEnsor Network for Dynamic and cOgnitive Radio Access) 프로젝트에서는 유휴 주파수를 활용하여 주파수 자원을 극대화하기 위한 인지무선기술을 센서 네트워크에 적용하기 위한 연구를 진행하였다(2008.~2009.).

일본 MIC는 2005년부터 CR 프로젝트를 사용자 무선장치와 무선 네트워크를 포함한 기지국의 두 분야로 구분하여 추진하고 있으며, RF, DSP, SW플랫폼, 멀티밴드 안테나 등 다양한 분야에서 R&D를 수행하였으며, 2012년 동경대학교는 UHF대 전파를 이용한 energy harvesting 연구를 진행하였다.

국내는 2013년 8월 다섯 개 컨소시엄을 TVWS 시범서비스 사업자로 선정하고 2013년 12월 장비개발을 완료하였으며, 2014년 12월까지 시범서비스를 제공하였다.

본 절에서는 CR 기능 지원을 위한 구현 측면의 도전 요소와 하드웨어 관점의 도전 요소를 살펴본다.

가. 구현 도전 요소

1) 스펙트럼 관리기술

사용자 QoS 요구사항을 만족하는 최적의 스펙트럼을 탐색/결정/공유하는 기술로 고려사항은 다음과 같다.

즉, 광대역의 주파수에서 주 사용자의 약한 신호를 빠르고 정확하게 탐지하는 센싱기술의 기술적 도약이 필요하지만, noise uncertainty로 인해 센싱 성능 자체에 근본적인 제약이 있으므로 hidden primary user 문제를 해결하기 위한 공간적 분산 관찰 및 협력 센싱 기술이 요구되고 있다. 또한, 최근 미국과 유럽의 SAS(Spectrum Access System), LSA repository와 같이 주파수 공동사용을 위한 DB 시스템이 주목받고 있으며, CRS 요구사항에 맞는 스펙트럼 결정 알고리즘의 선택 역시 중요한 이슈이다. 또 다른 이슈로 주파수 자원의 효율적 활용과 주파수 접근 지연을 최소화시키는 문제를 해결하는 동시에 프로토콜의 설계가 주요 도전 요소이며, 중앙집중식 및 분산 방식의 협력을 통해 효율을 최적화하는 기술개발이 필요하다. 중앙집중식의 경우, 중앙 서버와 사용자 간에 많은 양의 정보교환에 따른 신호 오버헤드 증가 문제의 해결이 필요하며, 분산 방식의 경우, 시스템 간 부가적인 제어 증가로 생기는 오버헤드를 줄이기 위한 노력이 필요하다. 마지막으로 HetNet(Heterogeneous Network) 환경에서의 간섭 모니터링 기술 및 간섭 분석 등 무선 성능의 최적화를 위한 간섭 대응기술에 대한 연구가 필요하다.

2) Cross-Layers 설계기술

MAC layer, network layer 등 여러 계층에 걸쳐있는 CR 기능(네트워크 프로토콜 스택, CR 자원 관리, 협력, 라우팅 등)에 대한 상위 레이어 접근 방식의 디자인이 요구되며 프로토콜 간 상호작용에 대한 성능 분석 관련 연구가 미흡한 상태이다. 또한, 다중 주파수 밴드를 이용하는 다양한 기술에 대한 interoperability, coexistence, cooperation, collaboration cross layer, interlayer interface network signaling 등에 대한 연구가 요구된다.

3) Security

CR기술은 ad-hoc 네트워크 기술을 기본으로 하여 무선통신에서 발생하는 보안요소들을 대부분 포함하고 있으며 공격 가능한 시나리오는 다음과 같다.

따라서, 이를 해결하기 위한 보안 메커니즘 개발이 요구되며, 특히 분산형 시스템의 경우 각 개별 사용자의 행동을 모니터링하고, 이상 사용자를 탐지/격리하기 위한 기술연구가 필요하다.

나. 하드웨어 측면 도전 요소

기존 OFDM 모뎀보다 훨씬 구현하기 어려운 문제로 큰 PAPR(Peak-to-Average Power Ratio)에 대한 제어가 필요하다. CR 신호는 분리된 주파수에서 다양한 캐리어의 조합으로 만들어지므로 순간적으로 높은 변동성(fluctuation) 문제가 존재한다. 따라서 amplifier나 converter 같은 아날로그 비선형 소자에 의한 성능 저하가 발생하고 평균 출력 요구사항을 고려하여 PA(Power Amp)를 oversize로 구현해야 하기 때문에 PA의 효율성 문제 및 high PAPR의 높은 전력 소비 문제가 생긴다. 또한, OFDM 변조와 Multi-RAT의 동시 사용으로 인해 nonlinearity에 의한 IMD(Intermodulation distortion)를 야기시키고 기존 신호를 교란시키는 문제를 발생시킨다. 그리고 광대역 주파수를 센싱 및 최적 알고리즘 운용하기 위해서는 고속 basedband 처리가 가능한 하드웨어 개발이 요구된다. CR 수신기는 작은 신호를 받는 동안 큰 interference를 다루기 위해 광대역 dynamic range를 가져야 하며 높은 receiver selectivity 성능을 요구한다.

CR기술은 (그림 5)와 같이 다양한 서비스 분야에 적용되고 있으며 기술의 중요성은 앞으로도 점차 확대될 것으로 예상된다. 따라서 CR기술 관련 대표 응용 서비스에 대해 살펴본다.

(그림 5)

CR기술 연관 분야[16]

가. Public Safety

자연재해 혹은 테러 공격에 의해 기존 통신인프라가 파괴되는 경우, 탐색 및 구조를 돕는 데 CR기술을 적용한 긴급 네트워크 제공이 가능하다. 주파수 활용 가능성을 인지하고 효율적으로 통신이 가능하도록 스스로 재설정하여 동작하며, 정보전달 지연의 최소화 및 신뢰성 있는 광대역 통신 네트워크 제공이 가능하다. 또한 다른 다양한 통신시스템과의 상호운용성을 지원함으로써 다중 서비스가 가능하다.

나. 상용 무선서비스

상용서비스를 위해 사용되지 않는 채널을 부가 주파수 밴드로 활용함으로써 급격히 증가하는 데이터서비스를 위한 융통성을 제공한다. 적응적 dynamic channel switching을 통해서 주파수 충돌을 피하고, 비싼 인프라에 대한 재설치가 필요 없는 장점을 가지며, 현재 정부가 이동통신사업자에게 주파수를 할당하는 1차 주파수 시장만이 존재하지만, 미래에는 주파수 사용의 효율성을 높이기 위한 2차 주파수 거래 시장이 활성화될 것으로 예상된다.

다. CR을 이용한 에너지 관련 분야

CR을 활용한 energy harvesting 기술의 경우는 유비쿼터스 네트워크용 자립형 전원, 모바일 기기 보조전원 등으로 활용 가능할 것으로 예측된다.