글 싣는 순서 1. IEEE 802 무선 기술의 흐름 2. 이동 통신 기술의 흐름 3. 3G 영상 통화 시대 4. 4G를 향하여
광대역 통합망인 BcN은 무선 가입자망, 유선 가입자망, 방송 가입자망으로 크게 나눕니다. 무선 가입자망은 WiBro, WCDMA, HSDSPA, CDMA, 4G 등이 있을 것입니다. 향후 BcN에서는 유무선 통합망, 유무선 통합 서비스, 유무선 통합 인증 등 다양하게 통합이 이루어 질 것입니다. 따라서, 네트워크 엔진이어가 유무선 통합을 이해하기 위해서는 무선에 대한 이해가 필수적일 것입니다.
그러나, 네트워크 엔진이어가 무선 통신 기술에 대해 접근하려고 할 때 처음 무선 통신 기술 용어에 한 번 좌절합니다 예를 들면, HSDPA, HSUPA, Long Term Evolution, Mobile WiMAX, WLAN, Blutooth 등의 용어가 너무 생소하기 때문일 것입니다. IEEE 802, 3GPP, 3GPP2, ITU, ETRI 등 다양한 표준 단체에서 비슷한 표준 만들기 때문인 것도 같습니다. 이 연재는 네트워크 엔진이어가 무선 기술에 대한 세부적인 이해 보다는 각각에 대해 구분하고 쉽게 무선 기술에 접근할 수 있도록 쓸 것입니다.
제목을 "4G 이야기" 로 잡은 것은 무선에 대해 이야기 하다보면 최종 Wireless MAN 또는 WAN 부분에서의 무선 가입자망의 진화가 4G로 이루어 지기 때문입니다.
유무선 통합이라는 관점에 있어서 망간 연동이라 함은 단순히 All IP 기반으로 망을 연동하는 것 뿐만 아니라 서비스 및 어플리케이션이 완벽하게 상호 연동 되어한다는 점이며, 어플리케이션 및 서비스 특성에 따른 각각의 요구 대역폭이 다를 것입니다. 유선 영역에서도 많은 대역폭을 요구하듯이 무선 영역 (AIr) 상에서도 대역폭이 충분하게 확보 되어야 합니다. 4G는 정지간 최대 1Gbps를 공유할 수 있는 엄청난 기술임에 틀림이 없으며, 이 기회의 땅에 들어가기 위한 격전은 날로 치열해지고 있습니다.
ITU에서는 4G에 대해 "IMS Advanced"라는 명칭으로 표준화를 진행하고 있고 있으며, 모든 단체에 관련된 기술 스펙을 추천받고 있습니다. IEEE 802도 4G 관련 기술 스펙을 ITU에 제안하여, 4G의 한 귀퉁이를 차지하기 위해 발을 담글 것입니다.
이야기를 풀어나가는 데 있어서 네트워크 엔진이어에게 친숙한 IEEE 802 부터 시작하겠습니다.
IEEE 802.x 의 무선 기술의 개요
IP 네트워크를 이해하고 있는 엔진이어들에게 IEEE 802는 매우 친숙한 표준위원회입니다. 이 위원회는 Wireless 기술에 대한 아래 그림에서 보듯이 왼쪽 파트에 정의하였습니다. 아래 그림을 이해하면 전체적인 무선 기술에 대해 절반은 이해한 것입니다.
IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers, 미국 전기전자학회)는 전세계 175개국의 전문가들을 회원으로 두고 있는 비영리단체이며 "아이 트리플 이"라고 부릅니다. IEEE 802 위원회는 컴퓨터 통신망의 접속 방법과 프로토콜에 대한 표준을 진행하는 것을 목적으로 하며, 대표적으로 LAN에 대한 표준화를 추진하였습니다. IEEE 802.3 Ethernet 하면 모르는 사람이 없을 것입니다. 이 위원회는 주로 OSI 7 Layer의 Layer 1 및 2 계층에 대한 기술을 연구하기 위한 표준을 제정하고 있습니다.
ETSI (European Telecommunications Standards Insitute, 유럽 전기 통신 표준 협회)는 통신과 방송 및 첨단 교통 의료 전자 등 정보 통신 기술분야의 유럽 전기 통신 제정 및 총괄 종정하는 유럽의 독립된 비영리 기관으로 55개국에 회원을 두고 있습니다. 미국의 IEEE와 대응된다고 보시면됩니다.여기에서는 IEEE를 중심으로 설명합니다.
무선 영역은 크게 Wireless PAN (Personal Area Network) ,Wirless MAN (Metro Area Network,), Wireless WAN (Wideband Area Network) 으로 구분할 수 있습니다.
WirelessPAN (개인 무선 통신)
무선을 이용하는 개인 영역의 네트워크로써, 개인용 컴퓨터, 개인 휴대 단말기, 저장 장치, 무선 전화기 등 다양한 종류의 단말들이 무선으로 통신할 수 있도록 정의되었습니다. IEEE 802.15 는 Wireless PAN 영역에 대한 표준화를 진행합니다.
802.15.1 - bluetooth를 기반
802.15.2 - WPAN과 WLAN의 공존을 위해 만든 표준 - 2.4GHz ISM Band를 두 표준이 사용므로 간섭 발생에 대한 문제 해결이 목표
802.15.3 (UWB)
- 비교적 20Mbps 이상의 고속 전송을 위한 표준 - 멀티미디어 서비스를 위한 QoS 보장 - 저전력등에 대한 표준 진행 - UWB (Ultra WIde Band)가 대표적
802.15.4 (ZigBee) - 비교적 250Kbps 이하의 저속 전송을 위한 표준 - 저전력을 중시하여 밧데리 하나로 몇년간 서비스할 수 있도록 하는 것이 목적
802.15 Wireless PAN에는 UWB, ZigBee, Bluetooth 기술들이 포함됩니다. 서로 상이한 기술들이나 표준화를 진행하면서 IEEE 802.15의 소규격으로 채택되어 표준화가 진행되고 있어, 각각에 대해서는 짚고는 가겠습니다.
Bluttooth (블루투스) - 10m 이내의 단말끼리 상호 무선 네트워크로 연결하여 양방향 통신을 지원하는 기술 - 강력하고 단순하며 저전력 및 저비용이 최대 강점 - WLAN과 마찬가지로 2.4GHz 대역을 사용하여 주파수 간섭이 발생 - 버전별 특징은 다음과 같습니다.
UWB (Ultra Wide Band)
- WPAN 구축시 가장 효과적인 데이터 전송이 가능 - 3.1GHz ~ 10.6GHz 사이의 Ultra wideband의 주파수를 사용 - 10m 이내에서 110Mbps, 4M 거리에서 200Mbps까지의 데이터를 전송 - 간섭을 일으킬 확률이 낮아 PCS 및 WLAN과 하나의 기기에 통합성이 뛰어남 - 저전력 및 저비용 - 제조사별 상호 호환성이 떨어짐
ZigBee - 250Kbps의 전송 속도 및 최대 6만 5천개의 노드까지 연결 - AA 배터리로 2년 이상 가는 저전력 저비용 - 손쉬운 설치 및 유지 보수가 용이 - 센서 네트워크, 모니터링 시스템 등에 적합
간단하게 WPAN 영역에 대해 살펴보았습니다. 이런 기술들에 대한 표준이 제정되는 곳이며, 가장 Wireless에서 가장 좁은 지역인 10M이내에서의 데이터 서비스를 목적으로 합니다. 홈네트워킹에서의 Wireless Link를 고려할 때 상시 이 Wireless PAN기술도 함께 이야기됩니다.
Wireless LAN (근거리 무선 통신)
IEEE 802.11로 표준화되었으며, 이 표준은 CSMA/CA 기술을 근간으로 합니다. 이더넷의 경우 CSMA/CD 충돌 검출로 데이타를 전송하지만, 802.11은 충돌 회피로 데이타를 전송합니다. 즉, Air 상에 데이터 전송이 없으면 전송을 하고 전송이 있으면 없을 때 까지 기다리는 것입니다. WLAN에서는 DCF(Distribution Coordination Function) 라고 하며 CSMA/CA와 거의 유사합니다. 또하나는 우선 순위 기반 접근 모드인 PCF(Point Coordination Function)로 데이터에 우선 순위를 두어 Ait 상에 데이타를 전송하는 방법입니다. 그러나, 데이타 특성을 AP에서는 이해하지 못하므로 효율적이지 못합니다.
Wireless LAN은 장점은 다음과 같습니다.
설치, 유지보수, 재배치 간편 : 간단한 장비 Setting만으로 기존 네트워크에 Migration 용이
긴급, 임시 Network 구축 필요 시 효율적으로 설치 : Network 설치의 시간적, 공간적 효율성 제공
유선 연결이 어려운 곳의 Cabling 문제 해결 : 도로에 인접 건물간, 내부 이동이 잦은 부서 등
단말의 이동성 보장, Network의 확장성 용이 : Cabling 문제 없이 단말 이동 및 배치가 자유로움
재해 시 Network 단절문제 해결 : 무선 LAN을 이용한 긴급 네트워크 구축 가능
802.11a/b/g 표준은 아래 표를 보시면 쉽게 차이를 확인할 수 있습니다.
802.11a - 1999년 9월 인준 - OFDM 기술을 이용한 최대 54 Mbps 전송 속도 - 혼잡한 2.4GHz 대역 주파수에 비해 간섭에 대한 영향이 적은5GHz 대역을 사용 - 108Mbps의 통신 속도를 실현하는 터보 기술이 적용된 제품이 출시됨 - 802.11b에 비해 통달 거리가 짧은 점이 단점 - 일부 국가에서만 사용 가능하며, 국내 전파법의 점유 주파수 대역의 규정을 위배한다고 볼수 있기에 시장에서 활성화 되지 못하고 있음
802.11b - 2.4Ghz에서 최대 11Mbps 지원 - 가장 범용적을 사용
802.11g - 802.11a의 장점 이용하고, 단점을 보완 – 2.4Ghz에서 최대 54Mbps 지원 – 802.11a와 같은 전송 속도 – 802.11b와 호환성 유지 – 802.11a와 같은 변조 방식(OFDM)
IEEE 802.11 관련 세부 표준 중 주요한 것은 아래와 같습니다. 아래 802.11e는 WLAN상에 다양한 트래픽 (음성 및 영상)을 전송할 경우 QoS를 위해 필요한 기법 가운데 하나 입니다.
802.11e - MAC 계층에서의 QoS 지원, 요즘 VoWLAN과 같은 기술들이 발전하면서 이 표준이 중요해졌습니다. VoWLAN에 대해서는 Wireless IPT의 이해라는 블로그를 참조하시기 바랍니다. 이계층에서 DCF (CSMA/CA와 같은 기법)의 문제점을 보완하고 QoS 적용이 가능하도록 Enhanced-DCF로 확장함
802.11f : AP간 로밍과 핸드오프를 지원
802.11i : 인증 및 보안 지원
802.11n : 차세대 WLAN 지원, 5GHz에서 OFDM과 MIMO 방식으로 최대 200Mbps의 데이터 전송
Wireless MAN (도시지역 무선 통신)
Wireless MAN (Metro Access Network)은 우리 나라가 만든 WiBro (휴대 인터넷)가 이 표준에 관련된 기술로 802.16e의 표준으로 채택되었습니다. 802.16 WMAN은 도시지역에서의 10GHz ~ 66 GHz까지의 주파수 대역을 대상으로 규격을 합니다. 세부 규격은 다음과 같습니다.
802.16a : 2-11GHz 대역의 고정형 무선 통신을 정의
802.16c : 10-66GHz 대역의 고정형 무선 통신을 정의
802.16d : 802.16 규격의 오류나 모순 등을 정의
802.11e : 802.11a의 규격에 2-6GHz 대역의 이동형 무선 통신을 추가 정의, 반경 15Km 이내, 120~150Km/h속도로 이동 시 1Mbps정도의 데이터 서비스를 제공하며, Mobile WiMAX 라고도 합니다.
Wireless MAN에 관련딘 기술을 몇가지 짚어 보겠습니다.
WiBro (휴대 인터넷) 무선으로 초고속 인터넷과 같은 서비스를 받을 수 있도록 하자는 것에서 착안하여 개발되었습니다. WiBro는 Wireless(무선) + Broadband Internet의 줄인 말로 국제적으로는 Mobile WiMAX로 통용되고 있으며, 이동 중에도 광대역 인터넷 접속(기지국 기준 상향 5.2Mbps, 하향 25Mbps)이 가능한 무선통신서비스로서 우리가 핵심 원천기술을 보유하고 있으며, 세계 최초로 상용 서비스 중입니다.
세부적인 사항은 아래 그림 및 설명을 참조하시기 바랍니다.
- 양방향 전송 (Duplexing) TDD(Time Division Duplex)를 사용합니다. 즉, 시간을 쪼개서 상향 트래픽 및 하향 트래픽을 전송해야 합니다.
- 다중 접속 (Multiple Access) 무선 주파수는 기본적으로 공유 매체입니다. 사용자가 많을수록 사용자당 데이터 전송 속도는 감소할 수 밖에 없습니다. WiBro는 OFDMA를 이용한 다중 접속을 합니다. 흔히, 무선 주파수는 하나의 중심 주파수 (반송파)에 데이터를 최대한 많이 실어서 전송하는 데, OFDM (직교 주파수 분할 다중화)은 다수의 반송파 (서브채널)에 저속의 데이타를 실어서 전송하는 것입니다. 따라서, 간섭에 영향이 적고, 주파수 효율이 높다는 장점이 있습니다. OFDMA (직교 주파수 분할 다중 접속)으로 다수의 사용자가 각각의 서브채널을 할당 받는 방식입니다. 데이터 사용량이 많은 사용자는 많은 서브채널을 할당 받고, 사용량이 적은 사용자는 적은 수 의 서브채널을 할당 받아 기지국에서의 전체 주파수 사용량은 증가 시키는 방식으로 대부분의 고속 데이타 전송 무선 기술에 채용됩니다.
- 채널 대역폭 (10MHz) 서브 채널은 10MHz 단위로 쪼개집니다. 다수의 서브채널을 나눌 수 있습니다.
- 주파수 재사용 계수 하나의 기지국에서 할당된 주파수 대역을 이용하여 서비스 하면 인접 기지국에서는 간섭의 영향이 없이 할당된 주파수 대역을 사용하 수 있어야 합니다. 따라서, 주파수 효율이 매우 높습니다. OFDMA가 이를 지원합니다.
- 이동성 (60Km) 도심을 이동하는 이동체가 60Km/h 이하의 속도로 움직이면서도 최소한 512Kbps 다운 속도를 보장받아야 합니다. 현재 테스트 결과 120Km/h 이하에서도 만족할 만 결과가 나왔습니다.
- 주파수 효율 주파수를 이용하여 데이타 전송 시에 고 효율의 Modulation(변조) 방식으로 데이타를 전송할 경우 더 많은 데이타를 전송할 수 있습니다. 예를 들면 주파수 하나당 4bit를 전송하는 것과 2bit를 전송하는 것에 대한 차이 입니다.
- Hand Off 기지국과 기지국 간 또는 ACR (L3 라우터)와 ACR(L3 라우터)간에 이동체가 핸드오프를 일으킬 경우 150ms내에 이루어지도록 되어 있습니다. 이는 실제 어플리케이션에 따라 치명적일 수 있지만, 전체적으로 표준이 느슨하게 되어 있다고 보시면됩니다. 예를 들면, 음성의 경우 단방향 150ms의 지연은 치명적인 서비스 품질 저하를 일으킵니다. 그러나 이러한 것도 Fast Hand off (Mobile IPv6) 또는 Low Latency Handoff (Mobile IPv6)와 같은 L3 Handoff 기법이 있어서 어느 정도 보상할 수 있습니다.
- 가입자 전송 속도 휴대인터넷 기지국 당 25Mbps를 현재 서비스 하고 있으며, 향후 기지국 당 50Mbps 까지의 전송속도를 확대할 계획입니다. 따라서, 사용자 당 최대 3Mbps의 다운 속도를 보장하도록 되어있습니다.
위의 PHY 및 MAC 계층에 대한 필수 요구 사항입니다. 이를 만족하도록 WiBro가 설계되었으며, 이는 WLAN 보다는 넓은 지역을 서비스 하며, 이동 통신망보다는 높은 데이터 속도를 제공해주도록 하기 위한 것이 목표입니다.
802.16m 4G라는 기회의 땅에 IEEE 802에서도 802.20 및 802.16 두 표준도 함께 경쟁하면서 진입하고 있습니다. Mobile WiMAX 진영은 802.16m 창설을 제안했으며, 제안에는 4G 규격인 ITU-R의 "IMT-Advanced"도입을 목표로 하여, 이동 단말은 저속 이동간에 최대 1Gbps 및 고속 이동 간에 최대 100Mbps의 전송 속도 구현을 목표로 하는 규격이 포함되었습니다. 주요 특징으로는 Mobile WiMAX와의 호환성 확보를 주장한다는 점입니다. 802.20은 기존 망과의 호환성이 확보되지않더라도 4G 규격을 이룬다는 전제와는 배치되는 것입니다.Mobile WiMAX 802.16에서 사용된 OFDMA 및 기지국 공용 등을 목표로 합니다.
Wireless WAN (원거리 무선 통신) 원거리 무선 통신 및 이동간에 데이터 서비스가 가능하도록 규정하며 IEEE 802.20 MBMA (Mobile Broadband Wireless Access)로 표준을 연구합니다. 최초에는 IEEE 802.16 산하 그룹으로 출발하였으나, 인터넷 접속 시 유비쿼터스 및 이동성을 보장할 수 있다는 것과 802.16과 달리 이동형 서비스라는 것을 인정하여 2002년 12월 부터 802.20 그룹으로 연구를 시작했습니다. 그러나, 802.16e를 보면 이동성을 고려한 설계입니다만, 802.16의 성격 자체가 고정형 무선 통신에서 출발했습니다. 따라서, 802.16은 고정형 무선 통신과 호환성에 집중한 시스템이지만, 802.20은 이동성 및 유비쿼터스 실현에 집중한 시스템이으로 차별화가 인식될 수 있습니다.
802.16e에 표준에 참여했던 많은 기업들이 802.20으로 이동하여 표준화를 진행하고 있기에 기존 망과 호환성을 고려하는 방향과 새롭게 설계하는 두가지 방안이 모두 고려되고 있습니다. 802.20은 군소 업체들의 난립으로 표준화가 802.16에 비해 늦고 지지부지한 면이 있었지만, 퀄컴이 2006년 플라리온을 인수한 후 802.20 표준화에 적극적입니다.
802.20 MBMA의 주요 특징은 다음과 같습니다.
3.5GHz 대역이하의 라이센스 대역 활용
250Km/h의 이동성 상황에서도 다운링크 1Mbps 업링크 200Kbps 이상의 데이터 서비스
유비쿼터스 MAN 환경에 적절한 셀 크기
어떤 이들은 실제 도심지역에 100Km 이상으로 달릴 수 있는 이동체는 거의 없고, 실제 표준화도 802.16e는 완료되었지만, 802.20은 아직도 표준화가 언제 진행될지도 모르기에 802.16e가 더욱 효과적이라고 보는 견해도 있으나, Wireless 영역에서 서로 다른 시장을 두고 개발되고 있으므로 달리 볼 수도 있겠습니다. 그러나, Wireless MAN 및 WAN 영역의 802.16 및 802.20은 4G로 가는 길에 이동 통신망과 만날 수 밖에 없으며, 802.20은 이동성과 유비쿼터스 실현을 목표로 하고 있기에 4G의 가장 강력한 주자 가운데 하나라고 할 수 있습니다
802.21 (MIH) 망간 연동 마지막으로 남은 것은 802.21 망간 연동 표준입니다. 서로 다른 주파수 대역을 사용하는 무선 통신간 끊김없는 연결성을 지원하는 하기위해 루슨트 테크놀로지와 인텔이 공동으로 제안하여 IEEE 802.21 표준으로 네트워크 연동 전략이 수립하기로 하였습니다. IEEE 802.21 은 MIH(Media Independent Handover)로 불리며, 무선 네트워크 간 간섭을 최소화하고, 무선랜, 와이맥스, 이동 통신을 넘나들며 사용할 수 있는 유무선 네트워크간의 핸드오버와 상호 호환성을 위한 기술 개발 및 표준화 작업을 수행합니다.
위의 그림에서 보시면 전체적인 연동 관계를 이해할 수 있을 것입니다. 현재 WLAN, WiBro, 이동 통신 간에 연동이 고려되고 있습니다. 물론 어플리케이션 레벨에 완벽한 연동은 시간이 걸리겠지만, 다양한 사용자의 요구를 충족하기 위해 진화할 것입니다. 망간 연동은 BcN 디렉토리에 "이기종 망간 연동 방안" 블로그를 참조하시기 바랍니다. 기술적인 내용 보다는 전체적인 관점에서 망간 연동 시 필요한 단계별 절차에 대해서 고려했습니다.
결언 ITU 는 전 세계에서 사용되는 2.1GHz 대역의 공통 주파수 대역을 IMT-2000 대역으로 선정하였으며, 기술 표준도 3GPP와 3GPP2를 통하여 글로벌 표준을 제정하였습니다. 향후 도래하는 4G인 IMT-Advanced 에 대해 표준화를 주도할 것입니다. 따라서, IEEE 802 또한 관련 표준을 ITU에 제안하여 IMT-Advanced에 반영되도록 802.20 과 802.16m 을 통해 진행할 것입니다. WiBro 기술은 3G 이동 통신 국제 표준으로 이미 채택되었기에 조금 더 유리한 위치에 있다고 할 수 있습니다.
글을 통해 아시겠지만, 4G (IMT-Advanced)라는 새로운 시장에 모든 무선 관련 표준단체들이 뛰어들고 있습니다. 이 글은 TTA의 자료에서 일부 발췌하였습니다. 다음 연재에서는 이동 통신 기술에 대해 간략하게 짚어보겠습니다. 4G 및 IMT-Advanced도 살펴보도록 하겠습니다.
