5G 이동통신용 고정 무선링크 기술동향

고정 무선링크(FWS: Fixed Wireless Systems)란 고정된 지점에 위치한 두 개 혹은 여러 개의 무선국 간의 중계 링크를 의미하며, 종래에는 무선중계(Radio-Relay), 국간 중계, 혹은 M/W(MicroWave) 중계 등으로 불려져 왔다. 최근에는 점대점뿐만 아니라 점대다점 등의 통신을 모두 포함하는 포괄적인 용어이다[4].

고정 무선링크는 현재 유선망의 보조망으로써 코어망과 연계하여 재난 극복 통신망, 기업 및 학교 건물 간의 고속 통신망, 비디오 감시용 통신망 등 일반 통신망 분야에 응용될 뿐만 아니라 이동통신 연계망, 모바일 백홀망, 모바일 프론트홀망 등 다양한 분야에 응용되고 있으며, 향후 그 응용 영역이 확장될 것이 기대된다. (그림 1)은 고정 무선링크의 대표적인 응용분야를 도시한 것이다.

(그림 1)

고정 무선링크 응용 예

특히, 향후 이동통신시스템은 수많은 소형셀을 배치하는 방향으로 발전할 전망이며, 현재의 이동통신 환경에서, 이 소형셀과 코어망을 연결하는 백홀망 시장에서는 이미 무선 백홀망이 유선 백홀망을 2배 이상의 크기로 차이를 보이고 있으며, 2019년까지 세계시장은 30% 이상의 CAGR(Compound Annual Growth Rate)로 16억불 규모로 성장할 것으로 예측된다[(그림 2) 참조].

(그림 2)

소형셀 시장전망[3]

10GHz 이상의 주파수 대역에서 고정 무선링크에 이용 가능한 주파수 대역은 전통적으로 사용하던 주파수 대역인 10~40GHz 대역과 밀리미터파 대역인 60GHz (57~64GHz), 70/80GHz(71~76/81~86GHz) 대역 등이 있다. 마이크로파 대역은 수십 년 동안 고정 통신용으로 사용되어 왔던 대역들로써 현재 이용 가능한 주파수 대역폭을 합하면 10GHz 이상이며[(그림 3) 참조] 세계 무선 모바일 백홀시장의 90% 이상을 차지하고 있다[5].

(그림 3)

주요국 고정 무선링크 주파수 분배 현황(10~90GHz)

60, 70/80GHz 대역은 강우감쇠나 대기감쇠 등의 영향을 심하게 받는 대역으로 장거리 통신에 적합하지 못하다는 어려움이 있었으나, 최근에 넓은 주파수 자원과 소형셀 응용을 위한 전송거리의 감소로 그 이용가능성을 높이고 있다. 5G 이동통신 환경에서 사용자 수가 제한적인 소형셀 형태로 망이 발전하더라도, 개별 사용자에게 Gbps급의 데이터 전송을 위해서는 백홀망 또한 수 Gbps급 이상의 데이터 전송용량을 가져야 한다. 만약, 5G 소형셀의 무선 모바일 백홀망의 전송용량을 5Gbps급으로 가정하면, 40GHz 이하의 대역에서는 10bit/Hz의 스펙트럼 효율을 구현하여도 최소 500MHz 이상의 대역폭이 필요하기 때문에, 구현의 난이도가 증가하는 데 반해 기존 서비스와 같이 사용할 주파수 자원을 확보하기가 어려우나, 60, 70/80GHz 대역은 5GHz 이상의 풍부한 주파수 자원으로 서비스를 위한 대역폭 확보가 용이하다는 장점이 있다.

고정 무선링크용 주파수 대역별 사용 가능한 채널 대역폭은 10~40GHz 대역은 2.5/3.5MHz에서 최대 112MHz(18GHz는 최대 220MHz)로 대역폭이 증가하는 추세다. 60, 70/80GHz 대역은 고속 데이터 전송을 위해 채널 대역폭을 60GHz 대역은 수 GHz 이상 70/ 80GHz 대역은 250MHz에서 최대 5GHz으로 정의하여 10Gbps 이상의 고속 데이터 전송용 시스템의 구현을 용이하게 하였다. 마이크로파 대역은 링크거리가 최대 수십 km까지 가능하기 때문에 신호 간의 간섭문제가 심각하여 주파수 재사용률이 낮아 효율적인 주파수 자원 사용을 위해 주파수 대역을 상대적으로 협대역으로 관리할 필요성이 있으며, 밀리미터파 대역에서는 높은 전파전파 손실로 인해 수 km의 전송거리만이 가능(강우감쇠에 민감하여 실제 사용지역에 따라 차이가 있음)하기 때문에 보다 많은 링크를 동일 면적에 설치 가능하다는 장점이 된다.

신호 간의 간섭문제는 주파수 사용 허가와도 밀접한 관계가 있다. 같은 면적에서 주파수만 다르고 동일한 규격의 무선링크를 설치한다고 가정하면 보다 이해가 용이할 것이다. 전송거리가 상대적으로 긴 10~40GHz 대역은 신호 간섭문제가 심각해 질 수 있기 때문에 대부분의 나라에서 허가 대역으로 관리하고 있으며, 산소감쇠와 강우감쇠가 큰 57~64GHz 대역은 우리나라를 포함하여 미국, 캐나다, 유럽 등 많은 나라에서 비면허 대역(License Free)이고, 71~76/81~86GHz 대역은 Light-Licensing 이라는 상대적으로 저렴하고 사용이 용이한 허가를 허용하고 있다.

고정 무선링크 시스템 기술이 진화하면서 전송용량 증대나 환경변화에 강인한 시스템을 구현하기 위한 다양한 기술들이 무선링크 시스템에 적용되고 있다. 대표적인 적용 기술들은 다음과 같다.

- Multi-Level QAM

- ACM

- FEC(Forward Error Correction)

- Equalizer

- ATPC

- XPIC

- Radio-Link Aggregation

고정 무선링크 시스템에서는 동일한 주파수 자원을 이용하여 보다 많은 데이터를 전송하기 위해서 고차 모드의 변조방식이 점점 사용되는 추세이다. 기존의 QPSK 방식에서 최대 1024QAM을 지원하는 시스템이 시장에 출시되고 있다. 1024QAM과 같은 높은 변조방식을 사용하면 데이터 전송량을 증대시킬 수 있지만, 256QAM 에서 1024QAM으로 변조방식을 변화시켜도 실제적으로 데이터 증대는 25% 정도 밖에 되지 않는다. 또한, 1024QAM을 전송하기 위해서 요구되는 BER(Bit Error Rate)은 5dB 이상 높기 때문에 실제적으로 256 QAM 이상의 고차 모드를 실제적으로 사용하기에는 어려움이 많다. 일반적으로 고정 무선링크는 강우환경과 같이 기상 조건에 따른 채널 환경변화에 영향을 많이 받는다. 이런 채널 환경변화에도 시스템의 안정적인 전송성능을 보장하기 위해서 QPSK에서 16QAM이나 256 QAM 등과 같이 다양한 모드의 변환이 가능한 ACM (Adaptive Code and Modulation) 기능이나 BER 성능 열화 방지를 위한 FEC기능이 많이 사용되고 있다. 현재 가장 많이 사용되는 코드는 RS(Reed-Solomon) 코드이지만, TCM(Trellis Coded Modulation)이나 LDPC(Low Density Parity Check) 등과 같이 보다 성능이 우수한 코드가 점점 사용되는 추세이다.

또한, 선택적 페이딩 환경이나 시스템의 하드웨어의 채널 내 대역 평탄도 등에 의해서 발생하는 왜곡을 보상하기 위한 등화기(Equalizer) 기능도 사용된다. ATPC (Automatic Transmit Power Control)기능은 송신 전력 레벨을 조절하여 적절한 수신 신호 레벨이 되도록 하여 다른 고정 무선링크에 방해 전파를 주는 확률을 줄임으로써 주파수 사용 효율을 증대시킬 수 있다.

전자파의 특성인 편파(Polarization)를 이용하면 동일 주파수를 사용하여 수직편파와 수평편파에 각각의 데이터를 전달할 수 있기 때문에 이론적으로는 2배의 전송용량을 증대시킬 수 있다. 그러나 실제 두 편파 사이의 분리도가 유한하기 때문에 전송 시 상호 간에 간섭신호로 동작한다. 이런 상호 간섭을 제가하기 위해 고정 무선링크 시스템에서는 XPIC(Cross Polarization Interference Cancellation) 알고리즘을 사용한다. XPIC 알고리즘은 수신된 경로에서 두 편파의 성분을 추출한 후 원하는 신호와 간섭신호가 섞여 있는 신호에서 간섭신호를 제거하는 방식으로 원하는 신호의 SNR을 향상시킬 수 있다. 전송용량 증대를 위한 채널결합 또는 밴드결합 기술 또한 고정 무선링크 시스템에서 적용 가능하다. 두 개 이상의 연속되거나 분리된 채널뿐만 아니라 별도의 주파수 대역을 결합하여 하나의 채널같이 통신하는 방법을 통해 전송용량을 증대시키는 CA(Carrier Aggregation) 개념이 고정 무선링크에도 적용되리라 기대된다.

고정 무선링크 시스템을 활용하여 네트워크 망을 형성하는 방식에 있어서 (그림 4)와 같이 기존의 Tree구조나 Chain/Star 구조에서 Ring구조로 변화하고 있다. 과거에 SONET/SDH 프로토콜에서의 Ring구조가 가지고 있던 보호 대역 등과 같은 주파수 사용에서의 비효율성 문제보다는 Ring구조가 같는 두 개의 경로를 구성함으로써 얻을 수 있는 장점들이 보다 중요해지기 때문이다.

(그림 4)

고정 무선링크 네트워킹 진화 방향[6]

도시 중심가와 같은 데이터 전송량이 집중되는 Hot-Spot에서 데이터 전송량 문제를 해결하기 위해 셀의 반경이 점점 줄어드는 추세이다. (그림 5)는 이동통신이 진화에 따른 셀 반경을 도시한 것이다. 셀 반경의 감소로 증가하는 소형셀과 백본망을 연결하기 위한 백홀이나 프론트홀을 무선으로 구성할 때, 일반적으로 NLOS (Non-Line Of Sight)의 도심 환경에서는 6GHz 이하의 대역을 사용하여야 한다는 생각이 지배적이었다. 그러나, 2013년 3월 Ericsson이 발표한 ‘Dispelling the NLOS Myths’ 라는 부제가 붙은 논문[8]에서 20GHz 이상의 주파수 대역은 NLOS 환경에서 사용하기 어렵다는 기존의 믿음이 잘못되었음을 주장하였다. Ericsson은 5.8GHz와 28GHz 대역에서의 다양한 전파전파 시나리오(투과, 회절, 굴절 등)에 따른 전송성능을 비교함으로써[(그림 6) 참조] 20GHz 이상의 고주파 대역의 NLOS 환경에서도 활용 가능함을 보여주었다.

(그림 5)

이동통신 진화에 따른 셀 반경 변화[7]

(그림 6)

Ericsson의 무선 백홀 시나리오[8]

New York 대학은 70GHz 대역을 이용한 무선 백홀링크의 가능성을 확인하기 위한 NLOS와 반사파가 심한 도심환경에서 30~200m 거리 정도의 짧은 거리에서의 17m 높이의 송신기와 7m 높이의 수신기를 형성하여 LOS 및 NLOS 환경에 대한 전파전파 특성 시험 결과를 발표하였다. 측정 결과 LOS 환경에서 1.95, NLOS 환경에서 3.46의 손실 계수가 측정되어 NLOS 의 도심지역에서 70GHz 대역 또한 근거리 백홀망에 활용이 가능함을 확인하였다[9].

일반적으로 LOS 환경에서는 MIMO 기술의 적용이 어렵다고 알려져 왔으나 2011년 MWC(Mobile World Congress)에서 Ericsson이 LOS 환경에서 MIMO를 적용한 고정 점대점 통신시스템을 발표하여 고주파수 대역에서 주파수 효율 향상의 한 방법으로 LOS-MIMO 기술이 유용함을 증명하였다. Ericsson은 10GHz 대역의 28MHz의 채널 대역폭을 이용하여 2×2 LOS-MIMO 기술, 편파 multiplexing, 512QAM 변조방식을 사용하여 1Gpbs급 전송속도를 달성하여 32.1bps/Hz의 주파수 효율을 달성한 결과를 발표하였다[10].

(그림 7) 은 2×2 LOS-MIMO 기술의 기본 원리를 설명한 것이다. 두 개의 송신 안테나와 두 개의 수신 안테나 간의 경로 차이를 1/4 파장(전기적으로 90도 위상차이)으로 배치한 후 수신되는 두 개의 신호들을 각각의 경로에서 간단한 신호처리(위상천이기+전력결합기)를 통해 원하는 신호는 동위상으로, 원치 않는 신호는 역위상으로 되게 하여 결합함으로써 각각의 경로에서 원하는 신호가 3dB의 수신 다이버시티 이득을 가지게 된다. 이때, 위경로 간의 위상이 90도가 되는 안테나 간 최적거리(L1, L2) 는 다음 식에 의해 정의된다.

(그림 7)

2×2 LOS-MIMO 동작 원리

여기에서 R은 송수신 안테나 간 거리(링크거리), C는 광속, f는 캐리어 주파수이다. 캐리어 주파수에 따른 안테나 간 최적거리와 링크거리의 관계는 (그림 8)과 같다. 1km의 링크거리를 가정할 때, 7GHz에서는 두 개의 수신 안테나 간 거리가 5m 정도로 안테나를 설치하기에는 안테나 간의 거리가 멀어서 실제적인 활용이 어렵지만, 38GHz에서는 안테나 간 거리가 동일 링크거리에서 2m 정도로 고정 무선링크 시스템의 설치가 가능한 수준이다. 만약 사용주파수 대역을 높이거나 보다 가까운 링크거리를 고려하면 최적거리는 더 줄어들어 일체형의 시스템 구성도 가능할 것이다.

(그림 8)

링크거리에 따른 안테나 간 최적거리[11]

현재는 Ericsson, MIMOtech, Ceragon 등 여러 고정 무선링크 관련 제조업체에서는 (그림 9)와 같이 기존의 편파 변조와 2×2 MIMO 기술을 결합하여 전송용량을 기존 대비 최대 4배 향상시킬 수 있는 4×4 MIMO 시스템을 선보이고 있다.

(그림 9)

Ceragon의 4x4 LOS-MIMO 개념도

<출처>: http://www.telequismo.com/wp-content/uploads/ 2013/07/ceragon_mimo_4x4.jpg

전자파의 각운동량은 1909년 Poynting에 의해 예측되었던 것으로 각운동량은 회전각운동량(SAM: Spin Angular Momentum)과 궤도각운동량(OAM)으로 정의된다. 기존까지는 회전각운동량만을 실제 통신시스템에서 사용하였는데, 이것이 일반적으로 잘 알려진 원형 편파이다. 궤도각운동량은 전기장 필드와 자기장 필터에 수직인 Poynting 벡터(에너지 진행방향)가 공간적으로 회전하는 특징이 있으며[(그림 10) 참조], 회전의 속도로 모드를 구분할 수 있고 이 모드들은 서로 독립적인 특성이 있다.

(그림 10)

OAM 개념도

<출처>: http://images.astronet.ru/pubd/2003/11/19/ 0001195175/photontwist_ug.jpg

(그림 11)은 ETRI가 연구 중인 18GHz 대역의 카세그레인 타입 세 개의 단위 모드(-1, 0, +1) OAM 안테나의 전계 강도 분포도를 나타낸 것이다. 모드 ‘0’ 일반적인 평면파이지만, 모드 ‘-1’과 ‘+1’은 파가 진행할 때 시계방향 또는 시계반대방향으로 회전하면서 파가 진행하는 것을 알 수 있다. OAM은 각각의 모드가 독립적이기 때문에 동일 주파수로 동일 전송경로에 여러 개의 모드를 동시에 전송함으로써 데이터 전송량을 획기적으로 증대시킬 수 있는 기술로 새로이 주목받고 있으며, 2014년 ITU-R에서는 OAM 기술을 홈페이지에 소개하며 OAM 관련 전파특성 연구 및 통신시스템의 적용에 대한 가능성을 언급하였다[12].

(그림 11)

OAM 모드에 따른 전계강도 분포 예

2012년 Southern California 대학 연구팀은 광학으로 4개의 OAM 모드와 SAM 편파를 동시에 사용하여 16QAM 변조방식으로 최대 2.56Tbps 통신을 무선으로 시연한 결과를 발표함으로써 OAM이 무선통신에 적용 가능함을 증명하였다[(그림 12) 참조]. 또한 2014년 28GHz 주파수 대역을 이용하여 2.5m의 무선구간에서 4개의 모드와 편파를 활용하여 16QAM으로 최대 32Gbps의 전송실험을 하여 밀리미터파 대역에서의 OAM 적용에 대한 가능성을 선보였다[13].

(그림 12)

OAM 다중모드 전송실험 개념도[14]

2012년 이탈리아 Padova 대학 연구팀과 스웨덴 우주물리연구소의 연구팀은 기존 광학에서만 사용하던 궤도각운동량(OAM)이 마이크로파 대역에서도 이용 가능함을 검증한 논문을 발표하였다[15]. 연구팀은 2.4GHz의 마이크로파 대역에서 422m의 거리로 무선전송 실험한 결과를 발표하였으며, 추가적으로 2013년 17GHz 대역에서 (그림 13)과 같이 3개의 모드(-1, 0, +1 모드)를 이용하여 100m의 링크거리에서 각각의 모드가 동작함을 발표하였다.

(그림 13)

17GHz OAM 다중모드 전송실험[16]

10GHz이상 대역의 고정 무선링크 시스템에서는 대부분 고정 점대점(P2P: Point-to-Point)방식이 일반적으로 사용되어 왔다. 10GHz 이하의 낮은 주파수 대역에서는 수 km 이상의 링크거리에서도 넓은 면적을 포함할 수 있는 조향 빔폭이 넓은 안테나를 사용하여 데이터를 전송하기에 충분한 시스템 링크 버짓이 가능했지만 10GHz 이상에서는 긴 링크거리에서 P2MP 방식으로 사용하기에는 어려움이 있기 때문이다. 그러나 최근 소형셀이 증가하면서 P2MP 방식이 다시 관심을 받고 있다. (그림 14)는 P2MP와 P2P로 하나의 매크로 기지국에서 여러 개의 소형셀로 백홀링크를 구성하는 시나리오를 나타낸 것이다. P2MP 방식으로 무선 백홀링크를 구성하면 매크로 기지국에 링크를 위한 하나의 안테나로 구성이 가능하고 하나의 소형셀에 데이터 요구량이 많아질 때보다 효과적으로 데이터를 분배할 수 있으며[(그림 15) 참조], 설치시간이나 설치비용 등에서도 장점이 있다.

(그림 14)

P2MP와 P2P 운용 시나리오[17]

(그림 15)

P2MP와 P2P 데이터 전송 효율 비교[18]

CBNL(Cambrage Network)는 10.5, 26/28GHz를 이용하여 단위 소형셀당 최대 600Mbps급, 허브 매크로셀에 최대 4.8Gbps급 전송이 가능한 P2MP용 시스템을 선보였다. 향후 5G 이동통신 환경에서 무수히 많은 소형셀과 매크로셀 또는 코어망과의 연결을 위한 하나의 방법으로 발전할 수 있을 것으로 기대된다.