LTE-U 주파수 공동사용기술 동향

5G 이동통신과 IoT로 인하여, 무선 데이터 트래픽이(1년에 2배씩 증가하여 10년 후, 1천 배로) 급증할 것으로 예측되고 있다[1][2]. 이에 대응하기 위해, 우리나라의 경우 2020년 모바일 경쟁력 1위 보유국을 목표로, 기가코리아 프로젝트 및 미래 이동통신 산업전략을 수행 중이다. 1천배 용량의 5G 네트워크 인프라를 세계 최초로 구축하여 국민 1인당 1Gbps급 서비스를 제공하자는 것인데, 4대 기술목표(각각 천 배의 빠른 전송속도, 많은 디바이스 수, 서비스지연 단축, 및 에너지효율 개선)달성을 통해서 가능하다[3]. 유럽 및 미국의 경우도 용량 10배, 스펙트럼 10배, 기지국수 10배를 통해 1천 배의 용량 달성을 목표로 기술 개발이 진행 중이다[1][2].

이 같은 1천 배의 용량 증대를 위해서는 어느 한 가지 기술만으로는 어렵다. 무선 네트워크의 성능 및 주파수 효율 향상, 주파수 공동사용 기술(spectrum sharing) 개발, 신규 주파수 할당(예, 광개토플랜 2.0) 등의 기술이 복합적으로 적용되어야 달성 가능하다.

최근 LTE를 비면허 대역에 사용하려는 LTE-U(Long Term Evolution-Unlicensed)라는 새로운 패러다임의 주파수 공동사용 기술을 이동통신에 적용하려는 시도가 진행되고 있다. LTE는 면허 대역에서 사용하도록 최적화된 기술이므로 비면허 대역에서의 사용에는 제약이 따른다. 그러나 최근 LTE-A의 주요 기술 중의 하나인 주파수집성(CA: Carrier Aggregation) 기술이 도입되면서, 유사한 원리로 LTE-A를 비면허 대역에 사용하는 방법의 가능성이 열렸다. LTE-U는 수직적 주파수 공동사용(vertical spectrum sharing)에서 수평적 주파수 공동사용(horizontal spectrum sharing)으로의 근본적인 관점의 변화로 생성된 기술이다. 즉 기존의 ‘Wi-Fi 사용대역’이라는 입장을 ‘비면허 대역(unlicensed spec-trum)에 규제를 준용하는 Wi-Fi를 사용하고 있다’는 생각으로 접근하여, LTE를 동등한 입장에서 비면허 대역에 사용하려는 제안이 이루어지게 되었다.

LTE-U는 2013년 12월 3GPP RAN(Radio Access Network) 제62차 회의에서 퀄컴, 에릭슨, 허웨이 등을 중심으로 제안된 비면허 대역에 LTE를 사용하는 새로운 기술(RP-131635)이다. LTE-U는 기본적으로는 주파수 집성 기술에 기반을 두어, LTE 대역을 1차 캐리어(primary carrier)로 사용한다는 전제하에, 비면허 대역을 2차 캐리어(secondary carrier)로 엮어서 고속으로 데이터를 전송하자는 개념에서 유래되었다. 이로 인하여 2014년 9월 3GPP 65차 회의에서 공식 명칭이 LAA(Licensed Assisted Access)로 결정되었고, ‘Study on Licensed-Assisted Access Using LTE’ 라는 SI(Study Item)로 선정되어, Rel-13(2016년 3월 완료예정)에서 완성을 목표로 표준화가 진행 중이다[4].

LTE-U 사용을 위해 가장 중요한 전제조건은 기존에 사용되고 있던 Wi-Fi(incumbent user)에 영향을 주지 않으면서 공존하는 메커니즘을 추가하는 것이다. 이를 위해서 상위레벨의 공존 요구사항(하나의 솔루션으로 모든 국가의 규제만족, 현존하는 서비스와의 호환성 등)을 만족하는 접속과 공존 방법에 대한 연구가 진행 중이다. 또한 LTE-U 사용으로 인한 신규 규제 즉 공정한 주파수 공동사용(fair spectrum sharing)방법을 검토하고 제정하는 것도 필요하다.

LTE-U를 비면허 대역에 사용할 경우 LTE-U의 기술 및 이슈에 대한 다음의 사항이 관건이다. 사용 주파수 대역, 서비스 시나리오, 공존 관련된 검토사항 즉 기존 이용자인 Wi-Fi 및 레이다에 영향을 미치지 않는 기술, Wi-Fi와 통신 에티켓을 지키며 공존할 수 있는 메커니즘, 사업자가 이미 활용하고 있는 Wi-Fi 데이터 오프 로드에 대비된 성능향상, 한 사업자가 독점하고 있지 않은 환경인 Wi-Fi hotspot에서의 문제, 소형셀에서 LTE-U 사용 시의 문제 등이다. 또한, 이해당사자인 Wi-Fi 진영/LTE 사업자/국가별 규제정책/이용자 관점의 입장차이(비용지불문제 등), 3GPP 표준화, 규제문제, 상용화를 위한 이동단말과 네트워크에서의 구현이슈, 특허 등이 이슈이다.

따라서 본고에서는 LTE-U 기술에 대한 전반적인 현황과 전망, 검토사항, 그리고 대응방안을 살펴본다.

LTE-U는 원리상 임의의 비면허 대역에 사용할 수 있지만, 현재는 대부분의 국가에서 비면허 대역으로 할당되어 있고, 상대적으로 포화도가 낮으며 더 넓은 대역폭(500MHz 대역까지)을 활용할 여지가 있는 5GHz 대역을 대상으로 우선 활용이 검토되고 있다[5].

LTE-U는 태생이 기존 면허 대역 LTE 사용을 전제로 비면허 대역을 묶어서 확장하는 기술이다. 즉 시스템 획득 및 이동성 관리와 같은 시그널링이나 제어채널 정보를 전송하기 위해서는 면허 대역 LTE를 이용한다. 이런 이유로 LTE-U를 LAA라 부른다. LTE-U는 면허 대역을 사용하는 1차 캐리어와 비면허 대역을 사용하는 2차 캐리어로 이루어진 캐리어 집성(CA)기술의 발전 형태로 생각할 수 있다.

LTE-U는 FDD(Frequency Division Duplexing)와 TDD(Time Division Duplexing) 방식에 따라 (그림 1)과 같이 동작된다. 하향 링크(Downlink)만 주파수 집성을 하는 SDL(Supplemental Downlink)모드와 하향 링크뿐만 아니라 상향 링크(Uplink)도 모두 주파수 집성을 하는 CA모드 두 가지가 고려되고 있다. (그림 1)과 같이 SDL과 CA 두 방식 모두 FDD와 TDD에서 동작할 수 있다.

LTE-U가 어떻게 Wi-Fi와 공존하여 동작하는지 이해하기 위해서는 먼저 5GHz 비면허 주파수 대역의 사용현황과 규제동향 그리고 이 같은 전제하에 비면허 대역에 사용되어지기 위해서 통신 에티켓을 어떻게 설계해야 하며, 이에 따른 구현을 위해 LTE 표준의 어느 부분이 수정되어야 하는지를 파악하는 것이 중요하다[6][7].

(그림 1)

LTE-U 동작시나리오(SDL모드 및 CA모드)

(그림 2)는 국가별 5GHz 비면허 주파수 대역 사용현황 및 규제동향을 나타낸다. 전반적으로 약 500MHz 대역폭 활용이 가능하며, 우리나라의 경우 5.65~5.725 GHz의 75MHz 대역폭이 TV방송을 위한 이동중계에 사용되고 있는 것을 제외하고는 타 국가들과 대체로 유사하다. 미국과 유럽의 경우는 기상레이더로 사용하고 있는 5.37~5.47GHz 대역과 DSRC(Dedicated Short Range Communication)용도로 사용하고 있는 5.85~ 5.925GHz 대역을 추가로 확대하여 5GHz 대역 전체를 Wi-Fi 서비스로 분배하기 위한 기술기준 변경을 검토 중이다. 기상레이더 사용 대역의 양쪽 인접 대역에는 레이더 신호가 감지될 경우, 간섭레벨이 낮은 채널을 선택하도록 하는 DFS(Dynamic Frequency Selection)이라는 규제를 두고 있다. 미국의 경우 5.15~5.25GHz와 5.725~5.85GHz 대역의 출력을 1W까지 허용하여, 실내 소형 셀 및 옥외용으로도 LTE-U를 사용할 수 있다. 중국의 경우는 5.725~5.85GHz 대역이 사업자 간에 공유할 수 있는 준면허(Lightly Licensed) 대역으로 정해져 있다. 살펴본 바와 같은 각 국가나 지역별로 상이한 특정기준만 만족하면 5GHz 대역은 누구나 사용할 수 있는 비면허 대역이다. 이처럼 다양한 기술을 사용하는 기기가 같은 대역 내에 공존하기 위해서 국가별로 최대 송신전력 및 스펙트럼 마스크 규정을 두고 있다. 한국, 일본은 최대 전도성 전력, 안테나 이득 및 스프리어스 방사 규정을 미국, 유럽, 중국은 최대 송신전력 및 방사마스크 규정을 두고 있다[8][9].

국가별 송신 전력은 17~30dBm 정도이므로 LTE-U는 매크로셀이 아닌 소형셀 환경이 공존에 적합하다고 보고 있다.

(그림 2)

국가별 5GHz 비면허 주파수 대역 사용현황 및 규제동향

대부분 국가에서는 이 같은 송신전력 규제 사항 외에는 별도의 규제가 없다. 그러나 유럽 및 일본 등에서는 송신전력과 관련된 규제 외에 LBT(Listen-Before-Talk)라는 규제를 두고 있다. 즉 신호를 송신(talk)하기 전에 채널의 점유 상태(사용 여부)를 주기적으로 점검(Listen)하도록 하고 있다. 일본의 경우 LBT 기술기준으로 데이터 전송 전 채널센싱과 최대 채널점유시간 4ms가 규정되어 있다. 유럽에서는 무선기기의 동작 상태에 따라 FBE(Frame Based Equipment)와 LBE(Load Based Equipment)기반의 두 가지 LBT기준이 명시되어 있다. 두 방식 모두 최소 20µs의 CCA(Clear Channel Assessment)로 채널점유상태(송신 EIRP 23dBm 기준)를 확인한 후, FBE방식은 채널이 점유되어 있으면, 고정프레임 기간(Fixed Frame Period)동안 데이터를 전송할 수 없다. 고정프레임 기간은 채널점유시간(최대 10ms이하)과 비점유기간(Idle Period, 채널점유시간의 5% 이상)으로 구성되며 CCA는 비점유기간의 끝부분에 포함되어 있다. 반면에 LBE방식은 전송이 필요한 시점에 언제든지 CCA를 수행할 수 있다. 채널이 점유되지 않은 경우 즉시 전송(최대 13ms)이 가능하지만, 점유된 경우 CCA보다 긴 시간 동안 채널점유상태를 확인하는 ECCA(Extended CCA)를 수행하도록 되어 있다. 두 방식을 LTE-U에 활용하기 위해서는, 전체 망의 성능 최대화 목적으로는 FBE가 LTE만의 성능을 최대화하려면 LBE가 적합한 것으로 판단되어, 원하는 성능 최적화에 따라 선택적으로 고려할 필요가 있다[10]. 또한, 채널점유상태 확인 대신, 채널활용도를 감지하여 DC(Duty Cycle)기반으로 상대적으로 긴 시간 동안(20~100ms) 활용도에 비례하여 전송하는 CSAT(Carrier Sensing Adap-tive Transmission)기반의 방식도 제안되고 있다. 판단 기준은 평균 전송속도 및 지연(delay)관점에서의 성능이다[10][11].

지금까지 언급한 LTE-U를 정리하면 다음과 같다. Wi-Fi는 TDD를 사용한다. 즉 DL(Downlink)와 UL (Uplink)의 송수신에 서로 다른 시간 할당이 필요하다. 그러나 LTE의 경우에는 TDD, FDD 두 방식이 존재한다. 따라서 LTE-U는 Wi-Fi의 TDD특성과 앞서 언급된 5GHz 대역 기술기준을 수용해야 한다.

두 가지 방법이 있는데 LTE-U에 TDD를 사용하는 방법과 LTE FDD SDL를 통해 DL 경로를 제공하는 방법이 있다. 파악해야 할 또 하나는 CA의 1차 캐리어와 2차 캐리어의 개념인데, LTE-U에서 시그널링 정보와 데이터 트래픽을 전송하는 1차 캐리어는 항상 면허 대역, 2차 캐리어는 비면허 대역을 사용한다. 이해해야 할 마지막 개념은 Wi-Fi는 경쟁기반(contention-based)의 시스템이기 때문에 데이터 송신 전에 채널이 가용한지 여부를 탐지해야 한다. 즉 LBT 동작을 위해 CSMA (Carrier Sense Multiple Access) 프로토콜을 사용한다. 유사한 방법으로 LTE-U도 LBT를 지원해야 한다. 이때 알고리즘은 공존 요구사항(예, 참고 RWS-140004)을 만족하도록 설계되어야 한다. 공존 요구사항으로는 LTE-U와 Wi-Fi 간에는 공정성(fairness), 그리고 비면허 대역 LTE-U 간에는 효율성(efficiency)이 요구된다. 비면허 대역에서 Wi-Fi와 LTE-U가 앞서 언급된 LBT 기반의 FBE, LBE, CSAT 알고리즘을 기반으로 공존하며, 공정하게 송수신할 수 있도록 구현되어야 한다. 이상을 요약하면 <표 1>과 같다.

<표 1>

LTE-U 요약

LTE와 Wi-Fi의 공존을 위해서는 LTE의 무선접속 규격의 일부 수정이 필요하다. 이 경우 3GPP에서 LTE-U 표준이 확정되기 전에는 어느 부분이 수정되어야 하는지 정확하게 판단하기가 어렵다.

LTE-U를 구현관점에서 살펴보면, 현재 LBT 규제가 없는 국가에서는 1단계로 기존 3GPP의 LTE(Rel-10, 11, 12)의 규격의 물리 계층 및 MAC 계층을 변경하지 않고도 일단 구현 가능하며, 완성된 규격을 반영하여 상용화 구현을 완성하는 2단계로 방법을 택할 수 있다. LBT 규제가 있는 지역에서는, PHY 및 MAC 계층을 변경해야만 LTE-U 구현이 가능하다. <표 3>은 LBT 규제를 반영한 LTE-U 구현을 위해서 LTE PHY 및 MAC 계층의 어느 부분이 변경되어야 하는지를 나타낸다[8].

<표 3>

LTE-U 구현을 위한 LTE PHY 및 MAC 수정 부분 검토

LTE-U PHY 트래픽 채널이 Wi-Fi 성능을 열화 시키지 않기 위해서 재설계될 필요가 있고, LTE-U MAC 또한 Wi-Fi와의 공존을 위한 협상에서 시스템 오버헤드가 증가되지 않도록 시그널링도 재설계 되어야 한다. 이때 전반적으로 고려할 성능요인은 공정한 전송시간 할당(air time fairness)과 데이터 처리(throughput) 효율 및 지연이다. 또한, 솔루션 제공회사의 CA 기능이 구현된 SoC(예, 퀄컴의 FSM99xx) 및 RF 트랜시버의 구현 로드맵도 살펴보아야 할 이슈이다.

현재 LTE 표준 기반으로는 상기의 요구사항을 만족할 수가 없다. 2차 캐리어의 활성/비활성화는 관찰된 간섭기반으로 MAC 제어부분 수정으로 가능하나 응답시간은 LBT규정보다 긴 100ms 정도이고 또한 LTE에서 전송하는 신호가 최소 채널 대역폭 요구사항을 만족하지 못한다.

따라서 LTE 표준에서 listening 주기와 데이터 트래픽의 확산(spreading)을 채널 대역폭의 최소 80% 이상이 되도록 수정되어야 한다. 상대적으로 LTE 성능이 약간 저하될 수 있으나 광대역 주파수 사용의 이점에 비하면 수긍할만한 사안이라는 판단이 되고, 또한 어떤 대역에서는 송신전력에 대한 요구사항과 스펙트럼 방사규정이 약간 다름으로 인한 수정이 필요하다. LTE 표준에 포함되어 있지 않으나 LTE-U의 경우에는 간섭을 최소로 하기 위한 비콘 신호 사용 검토도 거론되고 있고 그 밖의 표준에 명시되지 않은 성능에 관련된 구현이슈도 고려해야 한다.

LTE-U 기지국의 형상은 Wi-Fi와 통합된 소형셀, 통합 기지국, RRH(Remote Radio Head)등으로 생각할 수 있으며 기존 기지국을 업그레이드만으로 구현 가능하다.

구현관점에서는 표준화가 완성되기 전까지 1단계로 수정 가능한 부분을 포함 pre-standard 형태로 구현하고, 2단계로 표준을 반영한 수정 및 최적 파라미터가 확정되기 전까지는 가변으로 구현하는 전략이 바람직하다. NTT Docomo는 장비파트너사인 허웨이와 2014년 2월에 LTE-U 기술의 유효성 확인 차원에서 Wi-Fi와 각각 20MHz 대역의 전송을 통해 비교하는 공동실험을 수행하여 802.11n대비 1.6배의 성능향상을 확인하고 차후에 동시 사용할 경우의 실험을 수행할 예정이다. 퀄컴도 2개의 사업자가 각각 같은 서비스지역에서 캐리어 Wi-Fi를 운영하고 있을 때를 기준으로, 한 사업자가 LTE-U로 전환하는 공존 실험을 통하여, LTE-U의 성능 이득이 2배 이상 되고, 기존 Wi-Fi의 성능은 그대로 유지됨을 보였다[15].

LTE-U 망구축 시나리오는 (그림 4)와 같은 4가지의 경우를 고려하고 있다[4]. 매크로 기지국의 존재 여부, 실내/옥외 소형셀 여부, 면허/비면허 대역 기지국과 비면허 대역 기지국이 같은 장소인지의 여부를 모두 포함하며, 시나리오 1은 면허 대역 매크로 기지국과 비면허 대역 소형셀 간의 CA이다. 시나리오 2는 면허 대역 소형셀과 비면허 대역 소형셀의 CA를, 시나리오 3은 면허 대역 매크로 커버리지 내에서, 매크로 기지국과 동일 주파수의 소형셀과 비면허 대역 소형셀 간의 CA를, 시나리오 4는 매크로 커버리지 내에서, 기지국과 다른 면허 대역 주파수의 소형셀과 비면허 대역 소형셀 간의 CA이다. 시나리오 4의 경우, 만약 매크로 기지국과 소형셀이 이상적인 백홀(Ideal backhaul)로 연결된 상태이면 매크로 기지국과 면허 대역의 소형셀, 비면허 대역의 소형셀을 모두 집성하는 CA도 가능하다.

(그림 4)

LTE-U망 구축 시나리오[4]

주파수 사용기술의 확보는 국가의 미래 경쟁력을 발전시키고 글로벌 리더쉽을 선점하는 요인이다. 주파수 공동사용기술이라는 새로운 패러다임에 기반한 LTE-U 기술을 살펴보았다. CA에 기반하여 1차 캐리어는 면허 대역 LTE를 사용하고, 2차 캐리어는 비면허 대역을 사용하는 방식이다. LTE-U를 사용하기 위해서는 기존 1차 이용자인 Wi-Fi 및 레이더 등에 영향을 미치지 않는 공정한 공동사용(fair sharing)을 위한 새로운 공존 솔루션 개발이 필요하다. 우선적으로는 LTE-U 기지국이 주기적으로 비면허 대역의 채널을 점검하여, 비어있는 채널을 선택하여 사용하고, 비어있는 채널이 없는 경우에는 공정한 공동사용을 해야 하는데, 시간 영역에서 채널의 점유 상태를 센싱하여, 트래픽비율 기반으로 Wi-Fi와 채널을 나누어 가변으로 전송하는 CSAT 방법 또는 채널점유상태기반의 FBE 및 LBE기반 LBT 방법 등이 연구되고 있음을 살펴보았다. 그밖에 모든 이해당사자의 관점에서 LTE-U를 균형된 시각에서 살펴보았다.

간섭 매니지먼트 기술, LBT 기반의 LTE-U와의 공존특성 분석, 비면허 대역에서 여러 LTE-U를 동시 사용할 때의 문제점 분석, 통합된 매니지먼트 기술, 5G 및 다른 주파수 대역에 LTE-U 사용 검토 등은 여전히 해결되어야 할 과제이다.

표준화가 진행 중이지만, 퀄컴 등은 선행적으로 특허확보, 기술구현을 통하여 필드테스트 결과를 발표하고 있다. 서둘러 대비해야 할 사안은 기술기준 검토, 특허확보, 표준안 반영, 선행기술 확보 등이다. 다른 한편으로는 Wi-Fi가 LTE와 연동되어 데이터 오프로드, 기가비트 Wi-Fi 등 담당하는 역할이 커지는 만큼 LTE-U와 Wi-Fi는 이동통신의 off-loading 기술진화라는 측면에서 살펴볼 필요가 있음을 지적해둔다.