4G무선망기술분석 보고서

[이동통신] 4G 핵심 무선망 기술 분석 보고서

4G란 용어는 1~3세대의 명칭으로부터 이어져 오는 일반적인 명칭이나 2001년 발행된 ITU-R의 PDNR(Preliminary Definition New Recommendation)에서는 전체 시스템을 총괄하는 개념으로 Systems beyond IMT-2000이라는 용어를 제정하여 사용하고 있으며, 현재 B3G라는 용어로 널리 사용되고 있다. 특히 이 용어는 이해관계에 따라서 다양하게 사용되고 있는데, 새로운 무선 접속 기수를 강조하는 아시아를 중심으로 4G라는 용어가 널리 사용되며, 기존 시스템의 발전 및 통합을 강조하는 유럽의 국가들을 중심으로 B3G란 용어가 더 널리 사용되고 있다. ITU-R WP8F에서 제시한 4G의 비전과 목표를 바탕으로 4G 시스템은 크게 Ubiquitous & Seamless connection, High data rate, Openness, Network convergence의 특징을 갖는다. 무선망과 핵심망 모두 위의 특징을 갖추어야 4G 시스템의 완전한 구성을 이룰 수 있으며 무선망은 특히 high data rate에 초점을 맞추어 전파를 이용한 무선 접속 구간에서의 대용량 데이터 전송이 가능하도록 하는 기술 개발을 요한다. 4G 시스템의 무선망 기술은 크게 다중 접속 기술, 안테나 기술, 코딩 및 변조 기술, 무선 자원 관리 기술, link adaptation으로 분류할 수 있다. 다중 접속 (Multiple access) 기술 다중 접속은 시간, 주파수, 부호 등의 한정된 무선 자원을 여러 사용자나 시스템이 공유/분할하여 사용하는 것을 뜻한다. 다중 접속 기술이 고려해야 할 사항으로 Duplexing 방법, MAC 계층과 물리 계층이 있다. Duplexing 방식으로는 TDD(Time Division Duplex)와 FDD(Frequency Division Duplex) 방식이 있는데, 기존의 이동통신 시스템에서는 상하향 링크에서 동일한 음성 통화 서비스를 제공하기 위해서 대칭적인 FDD 방식을 사용해 왔지만 4G 시스템에서는 상하향의 비대칭적 데이터 전송을 위하여 유연한 구조의 TDD 방식을 선호하고 있다. 3G 시스템에서는 CDMA(Code Division Multiple Access), TDMA(Time Division Multiple Access) 방식이 다중 접속 기술로 사용되었으나 4G 시스템의 고속 데이터 전송을 위한 광대역 시스템을 위해서는 주파수를 분할하여 사용하는 OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access), MC-CDMA, OFCDM 등의 방식이 연구되고 있으며 많은 시스템이 실험적으로 구현되고 있다. 안테나 기술 4G 시스템에서는 높은 주파수 효율성을 위하여 다중 안테나 기술이 필수적으로 사용될 전망이다. 3G 시스템에서 사용되던 전송 다이버시티와 빔포밍 기술은 4G에서도 발전된 형태로 구현될 것이고 시스템의 대용량화를 위해 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 기술이 도입된다. 다중 안테나를 사용하면 어레이 이득, 간섭 제거 이득, 다이버시티 이득, 다중화 이득을 얻을 수 있으며 이는 모두 고속 데이터 전송을 위한 장점이 된다. 다중 안테나 기술은 안테나간의 상관성에 따라 다음 그림과 같이 분류할 수 있다. (그림 1) 다중 안테나 기술의 분류 코딩 및 변조 기술 일반적으로 많은 디지털 무선 전송 시스템에서 PSK(Phase Shift Keying)와 같은 일정한 진폭을 갖는 변조 방식은 전력 효율이 높고 비선형 증폭기를 사용할 수 있어서 많이 이용되어 왔다. 반면 PSK보다 주파수 효율이 높은 QAM(Quadrature Amplitude Modulation) 변조 방식은 선형 증폭기가 필요하며 위상과 진폭에 왜곡을 가져오는 다중 경로 페이딩 채널에서 신호 처리가 복잡해지는 단점을 갖기 때문에 3G 셀룰러 시스템까지는 사용이 기피되었다. 그러나 회로 성능의 발전에 따른 저렴화와 RF transceiver의 소형화, 고속 데이터 전송의 요구로 인해 주파수 효율이 높은 QAM 방식이 근거리 무선망이나 4G 이동통신 시스템의 하나의 변조 방식으로 사용될 전망이다. 고차원 변조 방식은 k 비트의 디지털 정보를 한번에 M=2k개의 파형으로 변환하여 주파수 효율면에서 많은 이득을 제공하지만 간섭, 다중경로 페이딩, 열잡음에 민감한 단점을 가진다. M-ary QAM은 적당한 추가적인 전력 하에서 PSK 방식보다 더 좋은 주파수 효율을 가지나 16QAM 이상의 고차원 변조 방식은 다음과 같은 이유로 무선 전송 시스템에서 사용이 되지 않았다. 다중 경로 페이딩을 통해 수신된 신호는 그 대역 내에서 흩어지게 되어 다이버시티, 적응형 등화기를 사용하더라도 제대로 동작하지 않는다. 간섭에 매우 취약하여 이중 극성을 사용하는 것이 어렵다. 수신단에서 40dB 이상의 반송파 복구와 위상 오류를 처리하기가 어렵다. 그러나 Pico cell과 Micro cell 시나리오를 중요하게 고려하는 4G 시스템에서는 고차원 QAM의 문제인 확산과 송신 전력 문제 보다는 주파수 효율이 더 중요한 파라미터기 때문에 고차의 QAM 방식이 사용될 것이며 이를 위해 다음과 같은 문제가 해결되어야 한다. Carrier recovery phase detector, AGC(Automatic Gain Control와 symbol decision회로의 향상 FEC(Forward Error Correction)를 통한 인접 심볼 간의 오류를 줄이는 방법 4G 시스템에서 고려하고 있는 채널 코딩은 터보 코드와 LDPC, Trellis coded modulation, Space-time coding등이 있다. 터보 코드는 3G 시스템에 이미 상용화되어 고속 전송을 위한 도구로 사용되고 있다. 반면 최근에는 터보 코드와 성능, 복잡도, 적용성 관점에서 기존의 다른 기술에 비해 많은 장점을 가진 LDPC(Low density parity check)가 유력한 기술로 대두되고 있다. LDPC code는 Tanner graph 위에서 decoding 되며 병렬 처리가 가능하므로 병렬 하드웨어 구현에 매우 적합하다. 최근에는 Non-binary irregular LDPC 부호를 적용하여 터보 부호의 성능을 능가할 뿐 아니라 이론적 한계치에 거의 도달하는 수준에 이르렀다. 무선 자원 관리 기술 무선 시스템에서 QoS를 지원하기 위해서는 QoS의 정의를 통해 다양한 데이터들을 QoS Class로 분류하는 작업이 필요하며, 네트워크 측면에서는 QoS를 보장하기 위한 자원 관리가 효과적으로 이루어져야 한다. Radio Resource Management (RRM)의 목적은 시스템 측면에서 주파수 효율과 시스템 용량을 증가시키고, 사용자 측면에서 원하는 서비스를 최적의 상태로 받도록 하는 것이다. 한정된 자원을 효율적으로 운영하면서 사용자 QoS의 보장을 위해서 RRM은 트래픽의 종류나 사용자 프로필 및 현재의 트래픽/움직임 등의 환경에 효과적으로 적응해야 한다. 최근 QoS에 대한 정의가 세분화되고 IEEE802.11e와 같은 WLAN 등에서 QoS를 지원하기 위한 여러 연구가 진행되면서 보다 많은 관심과 연구가 이루어지고 있다. RRM은 크게 무선 채널 할당, 무선 접속 제어, 전력 제어, 핸드오프 자원 관리, 다중 접속 방식의 5가지로 분류할 수 있다. Link adaptation Link adaptation은 채널 상태의 변화에 적합하게 전송 파라미터를 변화시키는 기술로 전송률과 주파수 효율을 증가시키는 것을 목적으로 한다. 전송 파라미터는 MCS level( Modulation & Coding Selection Level), 전송 전력, Spreading Factor 등이 있다. 무한히 좋은 PER(Packet Error Rate)을 위해 시스템을 설계하는 것 보다는 정해진 PER을 만족하도록 시스템을 설계한 후 이후에 발생된 패킷 에러를 정정하기 위한 장치를 두는 것이 효율적이며, 대표적인 기술로는 AMC(Adaptive Modulation and Coding), H-ARQ (Hybrid Automatic ReQuest), Power Control 기법 등이 있다. 최진성 ( LG전자 이동통신 기술연구소 소장, jinsungc@lge.com)