5G 테스트베드 동향분석

1. ITU-R 5G 동향

(그림 1)

IMT-2020 일정[2]

ITU-R Working Party 5D는 IMT 국제 표준화를 담당하는 ITU-R SG5의 작업반 중 하나로서 2015년 6월에 개최된 제22차 회의에서 2020년 및 그 이후 IMT 시스템비전을 일정대로 완료하였다. 10월 29일 ITU-R 총회(Radiocommunication Assembly: RA-15)에서는 5G 이동통신 개발을 위한 로드맵 추진과 이를 ‘International Mobile Telecommunications-2020(IMT -2020)’이라 명명하는 결의안에 지지를 표명했다[2]. (그림 1)과 같이 5G 기술은 2020년 표준 완료를 목표로 내년 2월부터 본격적인 표준화가 시작될 예정이며 2017년 10월부터 후보기술을 접수하고 2018년 10월에 평가를 시작할 계획이다.

광대역 이동통신을 제공하기 위해 이동성과 최대 전송률 두 가지 파라미터만을 제시했던 4G 비전과는 달리, 5G에서는 8개의 핵심 성능 파라미터를 선정하고 대푯값을 <표 1>과 같이 제시하고 있다.

<표 1>

IMT-2020 성능 목표

또한, ITU-R WP 5D에서는 광대역 무선통신보다 향상된 무선통신(Enhanced mobile broadband), 고신뢰성 저지연통신(Ultra-reliable and low latency communications), 사물통신(Massive machine type communications)을 IMT-2020을 위한 3대 사용자 시나리오로 제시하고 있다. 각 시나리오에서 8개 성능 파라미터의 중요성은 (그림 2)와 같이 다르게 적용된다. 즉, 5G 요소 기술은 8개 성능 파라미터의 목표치를 만족하기 위해 개별적으로 연구개발되어, 서비스 목적에 따라 어떤 기술을 어느 정도의 요구사항에 맞추어 5G시스템을 실현할지는 다양한 가능성을 전망할 수 있다.

(그림 2)

IMT-2020 사용자 시나리오별 기술 항목의 중요성[2]

2. 3GPP 5G 동향

이동통신 표준화 기구인 3rd Generation Partnership Project(3GPP)는 2015년 3월 Services and System Aspects(SA) 67차 총회에서 최초의 5G 연구과제인 SMARTER(Study on new service and MARkets Technol-ogy EnableR)를 승인하고 2016년 3월 SA 71차 총회에서 완료를 목표로 하고 있다. SAMRTER에 대한 표준화는 2개의 단계로 나뉘어서 진행되고 있으며 1단계에서는 주요 서비스를 도출하고 유사한 서비스 간의 그룹을 형성하는 것을 목표로 하고 있다. 2단계에서는 서비스 그룹들에 대해 요구사항을 수립하는 것을 목표로 하고 있다. 4개의 서비스 그룹은 현재 LTE-Advanced가 제공하고 있는 전송속도를 개선하는 향상된 무선통신, 매우 높은 신뢰성과 초 저지연성을 제공하는 크리티컬 통신, 웨어러블 기기 및 IoT 단말의 연결을 보장하기 위한 사물통신, 및 이동통신 사업자들이 효율적으로 망을 관리하기 위한 네트워크 운영으로 구성된다. 5G 서비스들의 기술적 요구사항이 다른 관계로 효율적인 망 운용을 위한 네트워크 슬라이싱 개념을 고려 중이다[3]. (그림 3)에서와 같이 현재 보고서에서 코어망에서의 네트워크 슬라이싱을 주요 목표로 하고 있지만, 무선망에서의 특정 기능 또는 무선자원의 분해(partitioning)를 배제하지 않고 있다.

(그림 3)

다양한 Use Case를 제공하기 위한 Network Slices[3]

3GPP에서의 5G 기술 논의는 지난 9월에서 개최된5G Radio Access Network(RAN) 워크숍을 계기로 본격적으로 시작되었다. 워크숍은 새로운 세대의 무선기술을 정의하고, RAN 작업그룹에서 개발할 무선기술에 대한 비전 및 작업 우선순위를 공유하는 것을 목표로 진행되었으며, (그림 4)와 같은 일정으로 5G 기술 표준화를 완료하기로 합의하였다[4]. 2016년 3월부터 2017년 6월까지의 Release-14에서는 5G 기술 연구작업을, 2017년 6월부터 2018년 9월까지의 Release-15에서는 5G 1단계 규격 작업을, 2018년 9월부터 2019년 12월까지의 Release-16에서는 5G 2단계 규격 작업을 완료할 예정이다. 단계별 규격화 범위 및 우선순위는 회사마다 의견이 달라 추후 논의가 계속될 것이다.

(그림 4)

3GPP 5G 일정[4]

3GPP에서의 5G 무선접속 기술은 LTE evolution과 new RAT을 모두 포함하며, 6GHz 이하와 6GHz 이상 스펙트럼 모두에 대해 LTE에 후방 호환성(backward compatible)을 고려하지 않는 new RAT도입에 의견을 같이했다[5]. LTE evolution과 new RAT은 밀접하게 연계되어 발전할 전망이다. 5G 무선접속 기술 또한 IMT-2020의 3대 사용자 시나리오에 맞추어 개발될 전망이다. (그림 5)에서는 5G 무선접속기술과 사용자 시나리오의 관련 예를 보여주고 있다[4].

(그림 5)

3GPP 5G 일정[6]

3. 5G 요소 기술

가. 대용량 다중 안테나(Massive MIMO)

(그림 6)

Massive MIMO와 3D-Beamforming[7]

5G에서는 파장이 밀리미터인 수십 GHz 대역의 스펙트럼 사용이 예상되며, 이는 대용량 다중 안테나를 구성할 수 있는 물리적 특성을 만족한다. 짧은 파장으로 경로 손실 극복, 직진성, 짧은 안테나 간 거리가 가능하며 이는 수백 개의 안테나를 사용하는 2차원 안테나 배열을 가능하게 한다. 또한, (그림 6)과 같은 3차원 빔포빙을 이용해 spatial degree를 극대화할 수 있는 기술에 대한 연구가 진행 중이다.

나. 고집적 네트워크(Ultra-Dense Network)

Heterogeneous Network(HetNet)에서 고집적 망 구성 시 면적당 용량(area traffic capacity)을 개선하기 위한 기술로 사용자 단말기 중심의 가상 셀 구성 기술, 다중 송수신 포인트를 이용한 다중 계층 데이터 송수신 기술, 클라우드 무선접속망의 가상화 및 운용지출(operational expenditure)을 절감하기 위한 자가 설정/ 자가 최적화(self-configuration/optimization) 기술에 대한 연구가 필요하다.

다. 동일대역 전이중 다중화(In-band Full Duplex)

(그림 7)

동일대역 전이중 다중화 시나리오[7]

상향과 하향에 걸쳐 동일한 주파수 대역으로 동시에 데이터를 송수신하는 동일대역 전이중 양방향 다중화는 주파수 사용에 큰 이득을 가져온다. 자기 간섭 제거, 근접 디바이스로부터의 동일 채널 간섭 제어 및 IFD와 반이중 다중화 방식과의 유동적 스위칭 기술이 연구 중이며, (그림 7)과 같은 3-node 다중화 및 cognitive IFD 등 향상된 기술 연구도 요구된다.

라. 초저지연통신(Ultra Low-Latency Communication)

무선구간에서 1ms 지연을 달성하기 위해서는 짧은 전송 시간 간격(Transmission Time Interval: TTI)이 요구되며 이는 새로운 프레임 구조로 실현되어야 한다. 또한, 다양한 서비스를 수용하기 위해서는 (그림 8)과 같은 scalable TTI 및 데이터 전송의 피드백을 최소화하기 위한 self-contained 시분할 다중화 방식에 대한 연구가 진행 중이다.

(그림 8)

Scalable TTI[7]

마. 비직교 비동기 웨이브폼(Non-Orthogonal, Asynchronous Waveforms)

직교성과 동기성을 기반으로 하는 현재의 무선접속 기술은 많은 수의 Machine Type Communication(MTC) 단말로 인한 산발적인 트래픽 및 다수 단말의 동시 접속 그리고 초저지연 서비스로 인한 실시간 접속을 수용하기에는 한계점이 많다. 따라서 5G에서는 새로운 비직교 비동기 웨이브폼에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 비직교 다중 접속은 시간, 주파수, 공간 자원 상에 두 대 이상의 단말이 동일한 스케줄링 시간에 데이터를 전송하는 방식으로 정보의 중첩 코딩, 전송 전력 제어 및 간섭제어 기술이 요구된다. 또한, 기존의 직교성을 위해 사용하였던 Cyclic Prefix(CP)를 사용하지 않고 주파수 효율을 높이기 위한 디지털 필터를 사용한 멀티캐리어 통신 기술 등이 연구 중이다.

바. 코어망 기술

코어망에서는 네트워크의 개방화 및 지능화를 촉진하기 위한 네트워크 가상화 기술이 요구된다. Software Defined Network(SDN)과 Network Function Virtualiza-tion(NFV)의 도입이 예상된다. SDN을 이용한 제어부와 데이터의 분산 및 NFV를 통해 일반 하드웨어로부터 네트워크 기능을 정의하는 소프트웨어를 분리하며, 가상화된 네트워크 기능의 설치 및 관리를 위한 자동화된 조직으로 코어망을 구성하기 위한 연구가 계속될 것이다. 또한, 저지연 서비스를 위한 모바일 엣지 클라우드 기술 및 다양한 복수개의 무선접속망 간 협력 통신 기술이 요구된다.

1. 5GIC

영국의 Surrey 대학 내 5G Innovation Centre(5GIC)는 2018년까지 (그림 9)와 같은 5G 기술을 위한 테스트베드를 구축할 예정이다[8]. 현재 5GIC 테스트베드는 LTE 연결을 제공하며 이미 운용 중이다[9].

(그림 9)

5GIC 테스트베드 구성[8]

· Outdoor trial site - 3 macro cell base-station antenna + 8T8R RRH(Remote Radio Head)와 AAS (Active Antenna System)로 구성 - 41 small cell(outdoor) cloud BBU (BaseBand Unit) baseline과 programma-ble baseband로 구성

· 6 small cell(indoor)

· 250 sensor/actuator

· 20 test terminal

· All fibre backhaul 100G

· 400G router, gateway

이러한 기본 구성 망에서 5G 기술을 향해 다음과 같이 업그레이드를 진행할 예정이다. 또한, 5GIC는 terminals + 5G networks + clouds를 통합하는 글로벌 플랫폼을 위한 5G open-source OS 개발도 병행한다.

· 5G UDN overlay

· 5G base-station: massive MIMO(128×128)

· Cloud blade server: C-RAN hyper-tranceiver

· 20 5G test terminal

· Area spectral efficiency: >> 10Gbps/km2 @20MHz

· TDD 2.6, 3.8 GHz, mmWave

· End-user performance: 1Gbps@mobile

2. 5GTN

핀란드의 VTT 국가기술연구센터, Oulu 대학과 Nokia가 주축으로 이끄는 5G Test Network(5GTN)은 센서 네트워크, LTE, Wi-Fi, Wideband Code Division Multiple Ac-cess(WCDMA)를 포함하는 기존 망에서 시작하여 5G망으로 진행할 예정으로 관련 컨소시엄은 망 사업자, 디바이스 제조업자, 서비스 제공자 및 연구인력 등 현재 15 멤버로 구성되어 있다[10]. 5GTN은 public 망과 private 망으로 구분되어있으며 public 망은 올해 6월 개방되었다. Public 망은 공개 테스트 환경으로, private 망은 VTT내에 위치하여 제한적으로 산업 파트너들에게만 공개될 예정이다. 5GTN의 전체 구성은 (그림 10)과 같다[11].

(그림 10)

5GTN 테스트베드 구성[11]

5GTN은 air interface, network management 및 testing technology로 연구분야를 정하고, 2015~2016년의 1단계, 2017~2020년의 2단계로 진행하여 full-scale 5G 망을 새로운 응용과 서비스 테스트를 위한 living lab으로 제공할 예정이다. 5GTN는 small cell, IoT 및 high frequency에 초점을 두고 시작할 예정이다. 각 연구분야별 단기 목표는 다음과 같다.

· Air interface LTE/LTE-A 타입의 시그널을 시작으로 새로운 5G 구조를 수용하기 위한 LTE feature 제공(예, LTE-M)

· Network Management - SDN과 NFV 개념의 실효성 검증 - Multi-RAT 및 wide-area networking 시험 - Cognitive network management

· Test Technology - Quality of Service(QoS)/Quality of Experience(QoE) 중심의 performance testing - Interoperability testing - 망 구성 요소의 health-testing

3. 5G VIA

Huawei는 2018년까지 5G 연구에 600M 달러 투자를 계획하고, 그 일환으로 Munich 5G Vertical Industry Accelera-tor(VIA) 테스트베드를 구축하기로 하였다[12]. 5G VIA 테스트베드는 5G 연구자들에게 real-world에서 다양한 시나리오를 기반으로 5G 연구 결과들을 시험할 수 있는 환경을 제공할 예정이다. 5G VIA 테스트베드는 Bavarian 주 정부, Munich 시, TUM과 M-NET의 지원으로 (그림 11)과 같이 구성된다[13].

(그림 11)

5G VIA 테스트베드 구성[13]

5G VIA의 macro 사이트의 기본 구성은 다음과 같다.

· 최대 3섹터 high gain multi band 안테나로 구성(M-MIMO for < 6GHz)

· Baseband unit과 remote radio unit으로 구성

· High performance server(예, Mobile Edge Cloud: MEC, localized mobility management)

· Openflow capable switch

· Control center와 10Gbps Ethernet connection

· Macro망과 다수의 small cell 연결

또한, 5G VIA에서는 다음과 같은 기능 및 use case를 포함한다. 다양한 시험 시나리오들은 dense urban형태의 1 macro site와 3~5 small cell로 구성된 downtown site, 160km/h 이상의 car2car 통신을 위한 highway site 및 outdoor/indoor coverage를 모두 포함하는 shopping mall 형태의 European Research Center(ERC) site에서 시험 될 예정이다.

· Power of New Waveforms(NWF) - Flexible spectrum usage and sharing - Multiuser and diverse services - Robust synchronization

· Massive Machine Communication - Short latency transmission - Efficient signaling/high reliable data plane

· Agile RAN - Self-backhauling - Dynamic group communication - 차량 및 nomadic 노드들에 의한 on demand cell densification

· Novel RAN architecture - Wireless SDN/NFV - Service aware logical topology/protocol deployment

· Large Outdoor Trials - Flexible Air interface - New waveform 기반의 V2X application - High capacity switchable optical front-haul

4. 5G Berlin

Fraunhofer의 Heinrich Hertz Institute와 FOKUS가 주도하는 5G Berlin은 5G를 선도하기 위한 연합 연구 단체로 5G Berlin에서는 Open5GAccess, Open5G Core, OpenSDNcore 및 Open5Gmtc로 나누어 테스트베드를 구성할 예정이다[14].

가. Open5GAccess Testbed

기존 Berlin LTE-A 테스트베드를 5G 시험 요구사항으로 migration하여 5G 무선접속 기술을 시험하기 위한 테스트베드로 (그림 12)와 같이 구성된다[15].

(그림 12)

Open5GAccess 테스트베드 구성[15]

Open5GAccess에서 시험할 주요 기술은 다음과 같다.

- New waveforms, frames, Random Access

- Carrier aggregation and multi-band techniques –Authorised Shared Access(ASA)/ Licensed Shared Access(LSA)

- Spectrum beyond 6GHz Millimeter Wave

- Multi-MIMO towards Massive MIMO

- Cooperative systems – CoMP/Network MIMO

- Beamforming

- Distributed antenna systems(DAS) and RRHs

- Fiber and wireless backhauling techniques

- Virtualization/C-/U-plane splitting

나. Open5GCore Testbed

3GPP Release-11 기반의 OpenEPC 테스트베드를5G 연구 내용으로 진화할 예정이며 테스트베드 개념도는 (그림 13)과 같다[15]. 코어망의 주요 5G 기술 내용은 다음과 같다.

(그림 13)

Open5GCore 테스트베드 구성[15]

- 5G Radio Enhancements - Functionality Co-Location - Runtime Flexibility and Robustness - Data Path Flexibility - Benchmarking - Fundamental Core Network Functionality - Advanced Access Network Selection

다. OpenSDNCore Testbed

(그림 14)

OpenSDNCore 테스트베드 구성[15]

기본적인 NFV/SDN 기술을 넘어 carrier-grade cloud를 구성하는 것이 목표이며 테스트베드 개념도는 (그림 14)와 같다[15]. NFV 환경에서 관리와 오케스트레이션에 대한 기능 구조를 정의하는 ETSI Management and Orchestration(MANO)을 기반으로 다음과 같은 기능에 중점을 둘 예정이다.

- Policy based network functions placement - Controlling multiple OpenStack instances - Enabling public cloud deployments - Managing

라. Open5Gmtc Testbed

(그림 15)

Open5Gmtc 테스트베드 구성[15]

많은 수의 디바이스의 효율적인 테스트를 위한 Open5Gmtc 테스트베드 개념도는 (그림 15)와 같다[15]. Open Mobile Alliance(OMA)의 Lightweight M2M 기반의 디바이스 관리, 가상화된 망구조에서의 연결성 관리, 1000배 디바이스의 비용 효율적 지원 기술 등이 시험될 예정이다.

5. 5GEX

Ericsson 주축의 5G Exchange(5GEX) 프로젝트는 다수의 사업자와 기술들을 통합하여 유럽의 5G 기반의 서비스 시장을 선도하겠다는 목표로 Deutsche Telecom, Orange, Telecom Italia, HP, Huawei 및 그리스, 독일, 헝가리, 영국의 대학들이 참여하고 있다. 5GEX에서는 테스트베드들을 통합하여 end-to-end multi-domain 오케스트레이션의 실효성을 검증하고, carrier-grade의 품질 평가 및 기술적 선택을 입증함으로써 추후 5G Infrastructure Public Private Partnership(5G-PPP) 테스트베드들의 interconnect 방법에 방향성을 제시할 예정이다. 5GEX는 2015년 10월 시작으로[16] 2018년 3월에 (그림 16)과 같은 개념의 테스트베드를 완성할 예정이다[17].

(그림 16)

5GEX 테스트베드 구성[17]

5GEX는 multi-level, multi-domain, multi-tech-nology 환경에서 모든 네트워크 자원의 slicing, trading, control이 가능한 망 구조를 제공하고자 한다. 5GEX에서 고려 중인 use case는 다음과 같다.

· Connectivity - Network creation across multiple optical domains - Multi-technology connectivity service provisioning - Packet services multi-domain

· Network as a Service(NaaS) - Multi-domain mobile backhauling - Multi-domain network sharing - Network slicing

· Network+Storage+Compute as a Service - Deployment content delivery service across several domains - Multi-operator Infrastructure as a Service (IaaS)

6. KT 5G R&D

KT는 올해 7월 삼성전자, Ericsson, Nokia, Alcatel-Lucent, Huawei, ZTE와 협력을 선언하고 5G 테스트 인프라를 위한 5G R&D 센터를 열었다[18]. KT는 밀리미터 웨이브, MIMO, UDN, 차세대 네트워크 구조, mobile edge computing 등 5G 핵심 기술 연구개발 및 기술 공유를 수행할 예정이다. 또한, 강남 일대로 5G 테스트 클러스터를 확대하여 모바일 트래픽이 집중되는 도심에서 5G 기술 검증을 진행할 예정이다. KT는 2018년 평창동계올림픽에서 세계 최초로 5G 시범서비스를 성공적으로 제공하고 향후 5G 기술을 선도할 방침이다.

7. SKT 5G Global Innovation Center

SKT는 올해 10월 5G 글로벌 혁신센터를 공개하고 센터 내 5G 테스트베드에는 Ericsson의 5G 네트워크 슬라이싱 기술, Nokia의 19.1Gbps 최고 속도 구현, 삼성전자의 초고주파 RF 검증 및 안테나, Intel의 차세대 무선랜 연동기술과 다중 안테나 기술, Rohde & Schwarz의 전파특성 분석 기술 등의 시연을 보였다. 추후 중소, 벤처기업들이 개발에 참여할 기회와 공간을 제공할 예정이다[19].