TDD/FDD LTE 네트워크 컨버전스 동향

현재까지 LTE(Long Term Evolution)는 주로 FDD (Frequency-Division Duplex) 시스템 위주로 네트워크가 구축되고 상용화가 추진되어왔다. GSA(Global Mobile Suppliers Association)에 따르면, 2014년 12월 기준으로 전 세계 LTE 상용서비스 제공 사업자수는 총 360개에 이르고 있는데 이 중에서 TDD(Time-Division Duplex) 서비스 제공 사업자 수는 48개이고 TDD & FDD 서비스 제공 사업자 수는 17개이며 312개가 FDD 서비스 제공 사업자이다[1].

TDD & FDD 서비스 제공 사업자 중에서도 TDD망과 FDD망을 별도로 구축·운용하고 있는 사업자를 제외시킨, TDD/FDD 융합망 사업자는 17개 미만으로 아직까지는 미미하지만, 향후에는 크게 증가할 것으로 전망된다. 예를 들어 GTI(Global TD-LTE Initiative)가 2014년 8월에 조사한 결과에 따르면, 조사 대상 25개 사업자 중 12개 사업자가 TDD 주파수와 FDD 주파수를 보유하고 있으며 이들의 대다수가 3년 이내에 네트워크를 컨버전스 시킬 의향이 있는 것으로 나타났다[2].

초기에 FDD시스템으로 LTE 서비스 제공을 시작한 사업자가 이후에 TDD 시스템을 구축하고 TDD/FDD 융합망으로 마이그레이션하려는 주된 이유는 저렴하고 풍부한 unpaired 주파수를 확보하여 매크로/핫스팟지역에서 추가적인 커패시티를 효율적으로 제공하기 위해서이다. 부연하자면 TDD 시스템은 주파수를 paired로 확보할 필요가 없고 보호대역도 필요 없기 때문에 FDD에 비해 광대역 주파수 확보가 유리하다[3]. 게다가 파일 다운로드, 비디오 및 인터넷 브라우징과 같은 비대칭적인 모바일 데이터 트래픽 처리를 위해 상·하향 링크의 비율을 유연하게 구성할 수 있어서 주파수 이용 효율성이 개선된다.

이와 반대로 TDD 시스템으로 서비스 제공을 시작한 사업자가 이후에 FDD 시스템을 구축하고 TDD/FDD 융합망으로 마이그레이션하려는 이유는 서비스 기능의 추가로 비즈니스 기회를 확대하고 이미 보다 넓은 디바이스 생태계를 갖추고 있는 FDD 사업자들과의 효과적인 경쟁을 위해서이다[2].

TDD/FDD 융합망 증가의 또 다른 배경으로는 LTE-TDD와 LTE-FDD의 기술적 유사성 때문이다. 문헌에 따라서는 약간 상이하지만 LTE-TDD와 LTE-FDD는 70% 내지는 90% 정도 기술적으로 유사하다고 보고되고 있는데, 이러한 유사성으로 인해 공통된 기지국 하드웨어 플랫폼 구현이 용이하며 단말의 듀얼모드화 비용 증분도 작게 발생한다. 이와 같은 사실을 종합해볼 때, TDD/FDD 융합망의 미래 전망은 상당히 밝다고 보여진다.

현재까지 국내 이동통신 3사는 FDD 시스템에 기반하고 있지만, 모바일 트래픽 급증이 향후에도 지속될 경우 TDD/FDD 융합망으로의 마이그레이션에 대한 동기는 더욱 커지게 될 것으로 예상된다. 이와 같은 배경 하에 본고는 전 세계 모바일 사업자들의 TDD/FDD LTE 네트워크 컨버전스 동향을 고찰하고 국내 사업자들에게 필요한 시사점을 도출하고자 하였다.

TDD/FDD LTE 네트워크 컨버전스는 통상적으로 3단계로 발전하게 된다[<표 1> 참조]. 1단계는 TDD망과 FDD망이 서로 다른 커버리지를 가지고 있으며 외양상으로는 별개의 형태이지만, 끊김 없는 서비스의 연결을 위해 이동성 관리(mobility management)에 초점을 맞춘 부분적인 융합망 단계이다. 이 단계에서는 단말기가 보다 우선권이 높은 네트워크 또는 보다 우수한 커버리지 영역으로 이동할 때 서비스가 연결되도록 셀 재선택(Cell re-selection), 리다이렉션(Redirection), PS 핸드오버(PS hand-over)와 같은 기술이 요구된다.

<표 1>

TDD/FDD LTE 네트워크 컨버전스 발전 단계 및 관련 기술

2단계는 동일한 커버리지 영역에 있을 때, 커패시티를 높이기 위하여 TDD 레이어와 FDD 레이어 간의 무선 자원 관리의 효율성 추구에 초점을 맞춘 융합망 단계이다. 효율적인 무선자원관리를 위해서는 TDD 시스템과 FDD 시스템 간의 로드 밸런싱, 단말 타입에 따라 서로 다르게 우선권을 부여하는 서비스 기반 무선자원관리, 서비스에 대한 동적 주파수 분배와 같은 기술이 요구된다.

3단계는 데이터 전송속도의 강화를 위하여 TDD 시스템과 FDD 시스템을 합동으로 운용하는 단계이다. 이를 가능하게 하는 2가지 솔루션은 주파수 집성(CA: Carrier Aggregation)과 이중 접속(Dual Connectivity)을 들 수 있다. TDD와 FDD 간 CA는 3GPP Rel. 12에서 처음 도입되었는데, 일부 물리계층을 제외하면 FDD +FDD CA 또는 TDD+TDD CA와 대체로 유사하다¹⁾. TDD와 FDD 간 이중 접속도 3GPP Rel. 12에서 처음 도입되었는데, 단말의 속도 증대, 시그널링 오버헤드 감소, 이동성 강화, 유연한 로드밸런싱 및 트래픽 오프 로딩에 효과적이다.

한편, 서로 다른 주파수 대역을 사용하여 TDD/FDD 융합망을 구축하는 시나리오는 크게 코로케이트 TDD /FDD와 TDD/FDD HetNet으로 양분된다[(그림 1) 참조]. 전자는 TDD 기지국과 FDD 기지국이 동일한 건물, 동일한 백홀 및 코어망을 공유하는 경제적인 방안이다. 셀 사이즈는 다르지만, 동일한 지역을 커버할 수 있다. 후자는 TDD를 이용하여 FDD 셀 내에서 트래픽이 높은 일부 지역 특히 핫스팟 트래픽을 커버하는 방안을 의미한다.

네트워크 컨버전스를 위해서는 융합 기지국과 융합 단말이 필요하다. LTE-TDD와 LTE-FDD는 기술적인 공통성이 높기 때문에 이동망 사업자는 공통 플랫폼을 통해 제조된 제품을 구매하고 설치·유지함으로써 설비투자비용(CAPEX: Capital Expenditure) 및 영업비용(OPEX: Operating Expense) 절감이 가능하다.

(그림 1)

TDD/FDD LTE 융합망 구축 시나리오

현재 주류 LTE 장비업체들은 공통 플랫폼을 가진 TDD/FDD LTE 듀얼모드 기지국을 제공하고 있다. 기지국 장비는 대부분 BBU(Base Band Unit) 파트는 융합되어 있고 RRU(Remote Radio Unit) 파트는 TDD와 FDD가 분리되어 있다²⁾[2]. 대다수 단말 제조사들은 공통된 플랫폼을 통해 TDD/FDD 듀얼모드 단말기를 개발하였으며 삼성전자의 갤럭시S4 미니 및 갤럭시S4를 시작으로 다수 제품들이 보급되고 있다³⁾. GSA에 따르면, 2015년 2월 현재 TDD/FDD 듀얼모드의(스마트폰 포함) 디바이스 개수는 밴드 7/40 조합의 단말이 241개, 밴드 3/38조합의 디바이스가 253개에 이르고 있다[5].

2014년 8월 기준으로 GTI가 TDD/FDD 융합망 사업자로 분류한 사업자는 <표 2>와 같이 8개사이다. 본고에서는 이들 8개 사업자 중에서 미국 Sprint사, 호주 Optus사, 홍콩 CMHK(China Mobile Hong Kong)사, 스웨덴의 Hi3G사의 TDD/FDD LTE 네트워크 컨버전스 동향에 대하여 살펴본다.

<표 2>

TDD/FDD LTE 융합망 사업자 현황

1. 미국 Sprint사

미국은 전 세계에서 LTE 가입자 수가 가장 많은 국가로서 2014년 6월 기준으로 LTE가 전체 모바일에서 차지하는 가입자 비중은 33% 수준을 보이고 있다. 최근에는 사업자 간 경쟁이 LTE에서 LTE-Advanced로 전환되고 있다. Sprint사는 미국의 3위 이동통신 사업자로서 2014년 6월 기준으로 54.3백만명의 모바일 가입자를 보유하고 있다(점유율은 약 15.2% 수준)[6].

Sprint사는 버라이즌, AT&T 등 다른 경쟁사들보다 상대적으로 늦은 2012년 7월에 이르러서야 1900MHz (밴드 25) 주파수를 사용하여 LTE-FDD를 런칭하였고 2013년 7월부터는 자회사인 Clearwire사의 2.5GHz(밴드 41) 주파수를 사용하여 LTE-TDD를 런칭하였다. 기존 iDEN망의 셧다운으로 비게 된 800MHz(밴드 26) 주파수를 LTE-Advanced에 활용하기 위한 네트워크 구축작업은 2013년도부터 시작되었으며 현재는 3개 주파수 대역(밴드 25, 밴드 26, 밴드 41)을 사용하여 최고 속도가 50~60Mbps급인 ‘Sprint Spark’서비스를 제한된 일부 지역에서 제공하고 있다⁴⁾. 2015년 2월 현재 Sprint사의 1900MHz LTE-FDD 커버리지는 270백만명 수준이며 Sprint Spark 서비스의 인구 커버리지는 125백만명 수준이다[7].

Sprint사는 ‘network vision’이라고 불리는 자사 네트워크의 현대화 프로그램을 수립할 당시(2010년 12월 계획 발표)에 자회사인 Clearwire가 보유한 막대한 2.5GHz 주파수를 활용할 수 있도록 LTE-TDD와 LTE-FDD 요소가 모두 고려되도록 하였다[(그림 2, 3) 참조][8][9]. 따라서 현대화가 거의 완료된 현행 네트워크는 융합망 형태이다(즉, 기지국 자체가 멀티모드 멀티밴드 기지국임). 게다가, 멀티모드 멀티밴드 서비스(즉, Sprint Spark)가 주파수 집성(CA) 방식에 의해 제공되고 있으므로 Sprint사의 네트워크 컨버전스는 앞서의 <표 1>에서 1, 2단계를 지나서 3단계 수준에 도달한 것으로 판단된다. 왜냐하면, Sprint Spark서비스는 800 MHz, 1900MHz, 2.5GHz 대역 주파수 간에 액티브한 핸드오버, 세션 연결을 지원할 뿐만 아니라 실시간 로드 밸런싱, 주파수 집성 기능을 지원하여 커패시티와 속도를 증가시킨 것이기 때문이다.

(그림 2)

Sprint사의 Network Vision

(그림 3)

미국 사업자별 주파수 보유량 비교

2. 호주 Optus사

호주는 최근 LTE가 급성장하고 있는데, 2014년 6월 기준으로 LTE가 전체 모바일에서 차지하는 가입자 비중은 약 28.7%로 추정되고 있다[10]. 특히 1, 2위 사업자 간의 LTE 네트워크 구축 선도 경쟁이 매우 치열하게 전개되고 있다. 호주 제2위의 모바일 사업자인 Optus사는 SingTel의 자회사로 2014년 6월 현재 약 940만명의 모바일 가입자를 보유하고 있다(점유율은 약 31% 수준). Optus사의 LTE 네트워크 구축 및 서비스 제공 과정을 정리하면 다음과 같다.

Optus사는 2012년 4월에 1800MHz(밴드 3)를 사용하여 LTE-FDD를 런칭하였으며 이후 2013년 5월에는 2.3GHz(밴드 40)를 사용하여 LTE-TDD를 런칭하였다. TDD 서비스가 맨 처음 개시된 수도 캔버라 지역은 FDD 주파수가 없었기 때문에 TDD 단독망 형태이지만, 그 외 다수 대도시들에서는 TDD가 FDD를 보완하는 역할을 수행한다. 이로써 Optus는 호주 내에서 듀얼모드 듀얼밴드 LTE 융합망을 구축한 첫 번째 사업자가 되었고 이를 통해 멜버른, 시드니, 브리즈번 등에서 보다 고속의, 향상된 커버리지의, 신뢰성 있는 서비스를 제공하게 되었다[2].

한편, 삼성전자의 전략 단말인 갤럭시S4와 갤럭시S4 미니는 2013년 8월, Optus의 듀얼모드 듀얼밴드 LTE 융합망을 대상으로 글로벌 테스팅이 이루어진 바 있다. Optus의 융합망은 ‘4G Plus’로 불리우고 있는데, 현재는 2013년도 경매에서 획득한 700MHz(밴드 28), 2.5GHz(밴드 7) 주파수까지 LTE 서비스에 이용하게 됨으로써 4개 대역 주파수를 이용하는 듀얼모드 멀티밴드 융합망으로 확대·발전하고 있다[<표 3> 참조][1][11].

<표 3>

Optus사의 LTE 주파수 보유 및 이용 현황

Optus의 ‘4G Plus’ 융합망은 커버리지를 확대하기 위한 성격이 강한데, 현재 2,763개의 4G 기지국을 갖추고 있으며 약 80%의 인구 커버리지 수준을 보이고 있다[12]. 또한, Optus는 전 세계 최초로 TDD 주파수(밴드 40의 20MHz+20MHz)를 집성하여 LTE-Advanced 상용서비스를 개시한 바 있다(2013년 12월). 현재는 밴드 3과 밴드 28을 주파수 집성하는 것과 밴드 7과 밴드 28을 주파수 집성하는 것을 테스트 중이다[1]. 이와 같은 사실들을 종합해보면 Optus사의 네트워크 컨버전스는 앞서의 <표 1>에서 1단계 또는 2단계 수준인 것으로 판단된다.

3. 홍콩 CMHK사

홍콩은 이동전화 보급률이 전 세계에서 가장 높은 곳으로 4개 사업자가 치열한 3G/4G 서비스 경쟁을 벌이고 있다⁵⁾. CMHK사는 차이나 모바일의 자회사로 홍콩 내에서 3위의 가입자 점유율을 보이고 있다(2014년 3월 기준 20.5%).

CMHK사는 2012년 12월에 1800MHz(밴드 3), 2.6GHz(밴드 7), 그리고 2.3GHz(밴드 40) 주파수를 이용하여 TDD/FDD 융합망에 의한 LTE 서비스를 런칭하였다⁶⁾. 융합망은 밴드 3을 통해서는 풀 커버리지를 제공하고 고대역의 밴드 7 및 밴드 40을 통해서는 핫스팟지역에 대한 커패시티를 제공하는 방식을 취하였다. 저렴한 망구축을 위하여 TDD와 FDD 시스템 간에는 BBU, 사이트, 캐비넷, 전원, 백홀이 공동으로 사용되었다. 기지국의 RRU는 (그림 4)에 도시된 바와 같이 TDD 시스템과 FDD 시스템 간에 분리되어 있으며 안테나는 결합기(combiner)를 통해 서로 공유하는 방식을 취하고 있다[2][13].

(그림 4)

CMHK사의 융합 안테나 솔루션

CMHK사의 융합망은 중국 본토와 연결되어 있는 지역적 특수성을 고려하여 구축이 추진된 것으로 판단되는데, 네트워크 컨버전스 단계는 앞서 <표 1>의 2단계인 것으로 추정된다. 왜냐하면, 망구축 시에 주로 TDD/FDD 간의 끊김 없는 이동성 테스트에 초점을 두었고 로드 밸런싱도 지원되기 때문이다[13][14]. 한편, CMHK는 2014년 5월부터 홍콩 사업자 중에서 처음으로 중국 본토와의 로밍 서비스를 제공하고 있다[15].

4. 스웨덴 Hi3G사

스웨덴은 노르웨이에 이어 세계에서 2번째로 LTE서비스를 조기에 런칭하였으나, 시장 상황은 부진을 거듭하다가 2013년 후반기에 이르러서야 활성화되기 시작하였다. 2013년 말 기준으로 스웨덴의 전체 LTE 가입자 수는 154.6만명 수준으로 모바일 가입자의 10.9%를 차지하고 있다[16]. Hi3G사는 이러한 스웨덴의 4위 이동통신 사업자로서 2013년 말 기준으로 11.4%의 모바일 가입자 점유율을 기록하고 있다. Hi3G사의 네트워크 구축 및 서비스 제공에 대하여 정리하면 다음과 같다.

Hi3G사는 2011년 말에 TDD/FDD LTE 융합 네트워크를 구축하여 2012년 4월에 서비스를 런칭하였다(전 세계에서 TDD/FDD 융합망을 구축한 최초의 사업자임). 네트워크는 2.6GHz(밴드 7 및 밴드 38)을 듀얼모드로 이용하는 720개 사이트와 800MHz(밴드 20) 및 2.6GHz(밴드 41)을 듀얼모드 로 이용하는 200개의 사이트로 구성되었다[2]. 2×10MHz 폭의 밴드 7 주파수를 사용하는 LTE-FDD는 도심지역의 연속적인 커버리지 제공에 이용되고 50MHz 폭의 밴드 38을 사용하는 LTE-TDD는 핫스팟지역의 커패시티 개선에 이용되며 2×10MHz 폭의 밴드 20 주파수를 사용하는 LTE-FDD는 주로 농어촌 지역 커버리지 확보에 활용되도록 구성하였다.

도심지역에서 FDD 시스템과 TDD 시스템은 고속의 데이터 서비스를 제공하기 위해 융합망으로 구축되었는데, 두 시스템은 2단계로 발전하면서 상호작용하도록 설계되었다. 1단계는 커버리지 기반의 상호작용으로 동글 또는 CPE는 TDD망 등록에 우선권을 두고 모바일폰은 FDD망 등록에 우선권을 두도록 하였으며 양 시스템 간에는 양방향 재선택(Reselection), 양방향 리다이렉션(redirection)이 지원되도록 하였다. 2단계는 멀티모드 네트워크 간에 양방향 PS 핸드오버와 로드밸런싱이 지원되도록 하였다. 양 시스템은 (그림 5) 와 같이 동일 사이트에 위치한다. 즉, SDR(Software Defined Radio) 플랫폼을 가진 BBU, 타워, 전원 등이 TDD 시스템과 FDD 시스템 간에 공유된다[2].

(그림 5)

TDD/FDD LTE 코사이트의 네트워크 아키텍쳐

Hi3G사는 이와 같은 네트워크 구축을 위해 장비사업자로 중국 ZTE를 선정하였는데, 이는 ZTE가 제공하는 SDR 기반의 지지국이 에너지 절약형으로 사업자의 총비용을 감소시켜주기 때문이었다[17]. Hi3G사의 융합망은 (그림 6)에 나타난 바와 같이 경쟁사 대비 부족한 paired 주파수를, 풍부하게 확보한 TDD 주파수로 만회하고 넓고 인구 밀도가 낮은 스웨덴의 지형적 특성을 감안하여 구축이 추진된 것으로 판단되는데, 네트워크 컨버전스 단계는 앞서 <표 1>의 2단계인 것으로 추정된다.

(그림 6)

스웨덴 사업자들의 paired 주파수 보유량 비교

LTE-TDD 시장의 성장이 본격화하면서 LTE-FDD 중심으로만 발전해왔던 4G 모바일 시장에서 향후 몇 년 이내에 TDD/FDD LTE 네트워크 컨버전스가 확대될 것으로 예상되고 있다. 특히 LTE 시장이 다른 외국에 비해 조기에 성장한 우리나라는 모바일 트래픽 급증이 향후에도 지속될 경우 이를 커버하기 위한 방안의 하나로 TDD/FDD LTE 네트워크 컨버전스를 적극적으로 검토할 필요가 있다.

이에 본 논문에서는 TDD/FDD LTE 네트워크 컨버전스의 기술적 측면과 주요 사업자들의 동향에 대하여 고찰하였다. 컨버전스 발전 단계는 통상적으로 3단계로 구분할 수 있는데, 본고에서 고찰한 바에 따르면 로드 밸런싱 등의 기술이 지원되는 2단계에 머무르고 있는 사업자가 많은 것으로 분석되었고 3단계에 도달한 사업자도 일부 있는 것으로 추정되었다. 다만, 사업자들이 네트워크 컨버전스를 추진한 배경이 국내 상황과는 달라서 우리나라 사업자들이 벤치마킹에 충분히 활용할 수 있는 사례는 아직 부재한 것으로 추론되었다.

미국 Sprint사의 경우 경쟁사 대비 부족한 저대역 FDD 주파수를 막대하게 보유하고 있는 TDD 주파수를 활용하여 경쟁력 열세를 만회하려 하였으며 호주 Optus사는 광대한 국토를 효과적으로 커버하기 위한 측면과 도심지역의 트래픽을 효과적으로 수용하기 위한 측면에서 듀얼모드 멀티밴드 융합망을 추진한 것으로 판단된다. 홍콩 차이나 모바일은 LTE-TDD를 중심으로 서비스를 상용화한 중국과 연결되어 있는 지리적 특수성과 모기업의 테스트베드 역할 측면에서 컨버전스를 추진하였고 스웨덴의 Hi3G는 경쟁사 대비 부족한 FDD 주파수를 풍부한 TDD 주파수로 만회하기 위하여 컨버전스를 추진한 것으로 보여진다.

본 사례 연구의 한계점에도 불구하고, 전 세계적으로 밴드 40 및 밴드 38의 TDD 주파수 산업 생태계가 이미 활성화되어 있고 미래에는 더욱 성장할 것으로 전망되는데, 본 사례 연구에서 드러난 TDD/FDD 컨버전스의 가장 중요한 동기가 사업자들의 주파수 보유 여건에 있었음이 이를 뒷받침한다. 그러므로 국내에서도 이 주파수 대역들을 효율적으로 활용할 수 있도록 관련 법 제도에 대한 재검토 및 적극적인 정책방안 마련이 필요할 것으로 사료된다.

주파수 이용 효율성을 개선하기 위해서는 사용 기술에 대한 장벽을 제거하고 유럽, 미국에서처럼 간섭문제가 발생하지 않는다는 전제하에서 사업자의 자유로운 이용이 가능하도록 기술중립성을 도입하는 것이 필요할 것으로 판단된다. 기술 중립성 도입은 해외에 비해 상대적으로 높은 수준을 보이고 있는 국내 주파수 할당대가의 인하에도 긍정적인 영향을 줄 것으로 사료된다.