밀리미터파 빔 스위칭, MHN, Zing 기술이 포함된 ‘미래 SNS’ 시연
ETRI는 ‘미래 SNS(소셜 네트워크 서비스)’서비스와 더불어 ‘밀리미터파 빔스위칭 기술’ 등 5G 핵심 요소 기술 개발에 성공했다.
5G는 기존 4G에 비해 전송속도가 훨씬 빠르고 전송지연이 낮으며, 엄청나게 많은 장치들을 연결할 수 있는 차세대 이동통신기술이다. 이에 따라 5G에서는 기존 서비스와 차별화된 새로운 응용 서비스가 나올 것으로 기대되고 있다.
디지털이동통신(CDMA), 3세대(G) WCDMA, 현재 우리가 사용하고 있는 4세대 이동통신기술인 LTE와 LTE-Advanced를 세계 최초로 개발함으로써 이동통신 강국의 역사를 새롭게 쓰고 있는 국내 연구진이 5세대 이동통신 핵심 원천 기술을 개발함에 따라, 이동통신의 역사를 또 한 번 바꿔 가고 있다.
ETRI(한국전자통신연구원)가 개발한 ‘미래 SNS’는 5G 기술을 적용해 보기 위한 일종의 프리(Pre) 5G 시범 서비스 모델이며 나를 중심으로 주변 사람, 사물, 공간을 동적으로 연결하는 확장된 개념의 SNS이다.
이것을 실현하기 위한 핵심 기술로, ETRI는 KTX와 같이 고속으로 이동하는 중에도 기가급 통신이 가능한 초고속 이동 무선 백홀 기술, 10cm 이내의 근접 거리에서 기가급 대용량 데이터를 순간적으로 무선 전송하는 근접 통신 징(Zing) 기술, 그리고 이동 중 사용자 간 즉각적인 콘텐츠 공유, 주변 사물과의 소통 및 기가급 동영상 중심의 동적 SNS를 가능케 하는 모바일 엣지 플랫폼을 개발했다.
또한, ETRI는 ‘5G 기술개발 시연회’를 통해 ‘ETRI와 함께 구축하는 5G 기술 생태계’라는 주제로 산업 활성화에 기여할 수 있는 5G 핵심 요소 기술들을 선보였다.
▲ 그림 1. 미래 SNS 서비스 구성도
ETRI 연구진은 밀리미터파를 상용화하는 데 걸림돌로 지적되어 온 잦은 음영지역 발생 문제를 극복하는 빔(Beam) 간 고속 스위칭 기술을 개발함으로써, 끊김 없는 기가급 서비스를 제공하기 위한 발판도 마련했다.
이동통신에서는 원칙적으로 통신 상대와의 사이에 시간 또는 주파수를 다르게 해서 데이터를 전송해야 한다[이것을 반이중(Half Duplex) 통신이라고 한다]. 그런데 ETRI는 단일 송수신 공유 안테나를 사용, 동일한 시간 및 주파수 자원으로 데이터를 송수신하는 전이중(In-band Full Duplex, IFD) 통신 기술도 개발했다.
또한, 일반 이동통신용으로 사용되는 안테나 및 RF 부품의 크기와 수를 1/4로 줄임으로써 전력소모와 비용을 크게 절감할 수 있어 하나가 4개처럼 동작하는 안테나 기술도 개발했다.
5G에서는 초고속 멀티미디어 서비스를 제공하기 위해 셀(기지국)을 고밀도화해야 하는데, ETRI는 국내 중소기업의 소형 셀 장비 분야 산업 생태계를 구축하는 데 구심점 역할을 할 수 있는 소형 셀 SW 기술을 국산화하고, 세계 최고 수준의 개발 환경도 소개했다. 이번에 개발한 기술은 미래창조과학부의 ‘초연결 스마트 모바일 서비스를 위한 5G 이동통신 핵심 기술 개발’과 ‘밀리미터파 5G 이동통신 시스템 개발’ 사업의 결과물이다.
이 사업에는 대학교, 기업을 포함해 총 22개 기관이 공동 연구기관으로 참여했다. ETRI는 5G 핵심 기술 개발과 관련해 국제특허 출원 383건, SCI급 논문 49편, 국제표준기고서 채택 57편 등의 성과를 올렸다.
연구개발책임자인 ETRI의 정현규 통신인터넷연구소장은 “앞으로도 5G 핵심 원천 기술 개발을 선도해 가는 한편, 중소기업 사업화 관련 기술 개발도 병행함으로써 5G 기술 생태계 조성에 노력하겠다”고 말했다.
에피소드 ①
오세대 씨는 잠실역 근처에서 친구와 만나기 위해 지하철을 이용하기로 한다. 지하철 역에 설치된 동영상 자판 키오스크에 보고 싶었던 최신 영화가 있는 것을 확인하고 스마트폰을 가져다 대니 수초 만에 자신의 스마트폰으로 HD 영화 한편이 다운로드된다. Zing이라는 근접통신 장치가 키오스크와 스마트폰에 내장돼 기가급 데이터를 송수신할 수 있었기 때문이다.
지하철 객차 안으로 들어서자 스마트폰이 와이파이에 접속, SPONGE라는 SNS 접속 로그인 화면이 자동으로 뜬다. 익명으로 로그인하자 대화자 리스트에 나열된 현재 지하철 탑승자들이 서로 대화하거나 정보를 교환하고 있다. 대화자 리스트에 있는 ‘카봇’이라는 가상 안내원은 지하철의 환경, 운행정보, 주변 관광 정보 등에 대해 안내해 준다.
또 객차의 온도나 습도, 빈 자리 정보, 지하철 역 주변 정보에 대해서도 질의 응답 형태로 답해 준다. 지하철이 석촌역에 가까워지자 SNS 내 정보 게시판에 역 주변 관광지, 맛집, 관공서 정보 등이 자세히 소개된다. 지하철 역을 지나칠 때마다 이와 같은 정보는 해당 역 주변의 정보로 즉각 전환된다. 이동 중에도 기가급 인터넷 서비스가 가능해 고화질 동영상 스트리밍이 자연스럽게 이루어진다. 이는 무선랜 AP가 기가급 MHN 이동 무선 백홀 기술을 통해 인터넷에 연결됐기 때문이다.
무선랜 AP에 근접한 모바일 에지 서버를 통해 다양한 비디오 스트리밍 채널이 객차 내에 방송되어 원하는 채널을 누구나 실시간으로 즐길 수 있다. 잠실역이 가까워지자 SNS에서 목적지 도착 사실을 알려 주고, 지하철에서 내림과 동시에 자동으로 SPONGE에서 등록 해제된다. 모든 통신 네트워크가 오세대 씨를 중심으로 존재하는 것 같다.
에피소드 ②
오세대 씨는 외근이 잦은 세일즈맨이다. 막히는 도로 때문에 직접 운전하는 대신 지하철을 자주 이용하는데, 이는 교통 체증 외에도 최근 서비스되기 시작한 5G 이동통신 기반 미래 SNS인 SPONGE 때문이다. 오세대 씨는 출근 길을 나서며 하루 스케줄을 체크한다. 오전 11시에 천안에서 고객을 만나는 것이 오늘 주요 업무이다. 오세대 씨는 지하철로 천안에 가기 위해 지하철 1호선 역사로 들어간다.
영화 마니아인 오세대 씨는 천안으로 이동할 때마다 지하철 영화 판매 키오스크에서 영화를 한 편씩 구매한다. 키오스크는 오세대 씨의 취향, 구매이력 등을 파악해 영화를 추천해 주며, 영화를 선택해 스마트 폰을 가져다 대면 기가급 근접통신을 통해 결재와 동시에 HD 급 영화가 수초 만에 다운된다.
지하철 객실에 탑승하자 스마트 폰에 SPONGE 앱 아이콘이 나타난다. 오세대 씨는 SPONGE 앱에 로그인해 가상의 안내원 ‘카봇’에게 빈 좌석을 물어 좌석에 앉는다. SPONGE 앱은 위치를 기반으로 한 동적 SNS 서비스로, 요즘 오세대 씨가 즐겨 사용하는 앱이다.
채팅을 통해 지하철 내 정보를 교환하거나 낯선 목적지에 대해 알아볼 수 있으며, 내가 이미 알고 있는 친구는 실명으로 뜨기 때문에 편리할 때가 있어 외근이 잦은 오세대 씨에게는 유용한 서비스이다. 마침 동료인 나미래 씨가 같은 지하철에 타고 있다는 것을 알고 그쪽으로 이동해 본사로 전달해야 하는 서류를 부탁한다. 본사에 들를 시간이 애매해서 퀵서비스를 보내야 하나 걱정하고 있던 터에 나미래씨를 만나 일을 수월하게 처리하게 되어 맛있는 저녁식사를 대접하기로 한다.
오세대 씨는 키오스크에서 구매한 영화를 감상하며 천안에 무사히 도착한다. 천안에서 일을 마친 오세대 씨가 지하철로 서울로 복귀하면서 기가급 인터넷 서비스와 지하철 자체에서 방송되는 고화질 뉴스를 스마트폰으로 시청하던 중 작은 사고가 발생한다. 승객 부주의로 객실에 화재가 발생했는데, 객차 내 화재발생 감지 장치가 이를 감지해 화재가 난 객차, 현재 승객이 있는 위치, 승객이 대피해야 할 경로를 SPONGE 앱으로 알려 준다.
이어폰을 끼고 있어도 스마트 폰 앱으로 알려 주기 때문에 대부분의 승객들은 안전하게 대피하고, 화재는 신속하게 진압된다. 오세대 씨는 과거 지하철 사고를 생각하며 SPONGE 앱 덕분에 안전 사고도 많이 줄었다고 생각한다. 다음 지하철에 탑승하니 SPONGE 앱을 통해 앞 객차 사고소식을 들은 지하철 승객들이 채팅 창을 통해 안전을 묻는 대화가 시작된다. 뉴스보다 더 빠른 소식통이 아닐 수 없다.
오세대 씨는 나미래 씨가 있는 잠실역 근처로 이동하기 위해 지하철을 갈아탄다. 매 지하철역을 지날 때마다 SNS 내의 정보 게시판에는 역 주변 관광지, 맛집, 관공서 정보 등이 상세히 소개된다. SPONGE는 오세대씨가 관심 있어 하는 맛 집 관련 쿠폰을 바로 바로 팝업 시켜준다. 오세대 씨는 원하는 식당 정보를 저장하고, 쿠폰도 알뜰하게 챙겨 다운로드해 둔다. 잠실역에 가까워지자 목적지에 SPONGE가 도착했음을 알려주며 지하철에서 내림과 동시에 사라진다.
미래 SNS 기술
기존 5G 관련 기술 시연이 ‘고속 데이터 전송’에 주로 초점을 맞춘 반면, ETRI의 미래 SNS 서비스(MHN, Zing, MEP 기술 포함)는 이동 중 사용자들 간의 즉각적인 콘텐츠 공유 및 주변 사물과 소통이 가능한, 기가급 동영상 중심의 동적 SNS를 특징으로 한다.
기존 SNS가 사람 사이의 네트워킹을 강조한 반면, 미래 SNS는 나를 중심으로 주변 사람, 사물, 공간을 동적으로 연결하는 보다 확장된 개념이다. 따라서 사용자의 위치에 따라 다양한 주변 요소들이 동적으로 연결되어 생활이 보다 편리해질 것으로 예상된다. 그렇다면 과연 미래의 5G 세상은 어떤 모습일까? 2020년 지하철을 이용하는 오세대 씨의 일상을 미래 SNS를 통해 잠시 들여다 봤다.
이 미래 SNS 서비스는 ETRI 연구원 캠퍼스 내에 설치된 초고속 이동 무선 백홀 기술인 MHN(Mobile Hot-spot Network), 기가급 순간근접통신 기술인 Zing, 그리고 모바일 에지 서비스 플랫폼 기술인 MEP(Mobile Edge Service Platform) 기술을 서로 연계해 차량으로 이동하면서 시연에 성공했다.
▲ 사진 1. 근접통신 기술(Zing) 개발 모습
▲ 사진 2. 소형셀 기지국 SW 기술 시연 모습
MHN은 기존 와이브로(WiBro) 기반 이동 무선 백홀보다 100배 빠른 데이터 전송을 가능하게 하는 기술이다. 넓은 대역폭을 활용, 지하철 등에서 수백 명의 승객이 동시에 사용해도 개인당 수십 메가급으로 HD 수준의 동영상 스트리밍 서비스를 제공할 수 있다.
이동 무선 백홀을 통해 기가급 데이터를 지하철 차량에 전송 받아 와이파이 방식으로 서비스를 제공하면 일반 승객들은 달리는 지하철 내에서 스마트폰을 이용, 초고속 모바일 인터넷 서비스를 이용할 수 있다.
징(Zing) 기술은 10cm 이내의 근접 거리에 있는 두 기기 사이에 기가급(3.5Gbps) 속도로 데이터를 순간 전송할 수 있는 초고속 근접통신 기술로, 기존의 NFC(Near Field Communication) 기술보다 8000배 이상 빠른 전송 속도와 4000배 이상의 높은 에너지 효율을 제공한다.
특히, 무선저장장치 등의 대용량 데이터를 다루는 장치에 적용되어 영화와 같은 대용량 미디어를 손쉽고 빠르게 무선전송할 수 있으며, 장치 간 무선 전원공급이 가능하므로 배터리가 필요 없는 제품을 구현할 수 있다.
MEP(Mobile Edge Platform)는 승객이 탑승한 차량 내에 응용 서버가 설치되어 차량과 함께 움직이면서 서비스를 제공하므로 고속 이동 중에도 외부의 인터넷 연결과 상관없이 스마트폰으로 고화질 동영상 서비스나 로컬 서비스를 제공할 수 있다.
MEP는 나와 함께 움직이며(Mobile) 내 스마트폰 근처(Edge)에서 주변의 콘텐츠를 보여 주거나 관심 있는 서비스를 제공하는 서버(Platform)라고 할 수 있다.
밀리미터파 기반의 단말 실시간 이동성 기술
‘이동 중 끊김 없는 기가급 빔 스위칭’, 밀리미터파 5G 이동통신 시스템은 광대역이 지원되는 고주파(이하 밀리미터파)를 활용, 단말에 기가급 데이터 서비스를 제공하는 5G 이동통신 시스템이다.
ETRI는 지난 7월, 저지연 빔스위칭 기술을 개발했고 이번에는 기지국과 단말간 접속 절차까지 지원하는 5G 이동통신 시스템 시제품을 개발했다. 밀리미터파는 고속 데이터 전송에는 유리하지만, 상대적으로 큰 신호 감쇄로 인해 기지국의 커버리지가 작아진다는 단점이 있다.
이번에 개발된 5G 이동통신 시스템은, 고속 데이터 전송에는 유리하지만 과도한 신호 감쇄로 인해 기지국의 커버리지가 작아지는 밀리미터파의 단점을 극복하기 위해, 특정 방향으로 전파를 송신하는 3D 빔 형성 기술을 기반으로 한 다중 펜슬빔(Pencil Beam)을 다중 단말에 사용했다.
이로 인해 발생되는 빈번한 빔간 이동에 의한 통화품질 저하를 막기 위해, 끊김 없는 고속 빔스위칭 기술을 채택, 개발에 반영함으로써 5G 이동통신 시스템의 실상용화로 가는 기술적 장애를 넘어섰다.
ETRI는 올해 4월까지 복수 단말을 이용한 핸드오버 기술 개발 및 실외 시연을 성공함으로써, 언제 어디서나 기가급 모바일 서비스를 제공 받을 수 있는 5G 이동통신 시스템 개발에 박차를 가할 예정이다.
전이중 통신 기술
‘주파수는 그대로, 속도는 2배로’라는 기치로 전이중(In-band Full Duplex, IFD) 통신 기술을 개발했다. 동일 주파수 대역에서 무선신호를 동시에 송수신해 주파수 이용 효율을 최대 2배로 향상시키는 5G 핵심 기술이다.
▲ 그림 2. IFD 송수신기 플랫폼
전이중통신을 실현하기 위해서는 자기간섭(Self-Interference, SI) 신호, 즉 송신신호가 자기수신기로 다시 유입되어 정상 수신신호의 큰 간섭으로 작용하는데 이를 효과적으로 제거하는 기술이 필수적이다.
ETRI는 이동통신 환경에 빠르게 적응하면서 안정적으로 자기간섭을 제거할 수 있는 자기간섭제거(SIC) 핵심 기술을 개발, 이를 탑재한 전이중통신 송수신기 플랫폼을 구축해 자기간섭제거 기술의 성능을 검증했다.
이 기술은 국내에서는 시연된 바 없는 아날로그 회로 영역의 적응 필터(Adaptive Filter) 기반 자기간섭제거 기술을 적용했다. 이로써 통신환경 변화에 빠르게 적응하면서 안정적인 자기간섭제거 이득을 얻을 수 있으며, 광대역 이동통신환경에 전이중통신 기술을 적용할 수 있는 계기를 마련했다는 데 큰 의미가 있다.
또한, 이번에 개발된 적응 필터는 구현 비용 절감과 소형화 측면에 장점이 있는 독자적 필터 구조로 설계됐다. 전이중통신 기술은 향후 5G 이동통신, 차세대 무선랜, 소형셀 기지국 무선 백홀, 무선 중계기 등의 다양한 무선 통신에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
단일 RF 체인을 이용한 Compact MIMO 기술
‘하나가 4개처럼 동작하는 안테나’인 단일 안테나를 이용한 다중안테나(Multiple Input Multiple Output, MIMO) 송수신 기술도 개발됐다. 하나의 안테나를 이용, 여러 개의 안테나 효과를 얻음으로써 안테나 간 간격이 필요 없어 안테나가 차지하는 부피를 줄일 수 있다. 다중 안테나 시스템에서 생기는 안테나 간 간섭을 없앨 수 있는 기술이다.
▲ 그림 3. 단일 RF 체인 안테나와 일반 안테나 비교
다중안테나(MIMO) 기술은 안테나 수를 늘려 전송용량 향상 이득을 얻을 수 있지만, 채널에 따른 각 데이터를 분리하는 계산이 복잡해지고, 안테나 등 데이터를 송수신하는 부품이 늘어난다.
그만큼 전력 소비가 늘어나며 배터리 사용 시간이 중요한 모바일 기기에선 큰 제약이 아닐 수 없다. 이번에 ETRI가 시연한 단일 RF 체인을 이용한 Compact MIMO 기술은 하나의 안테나를 이용, 여러 개의 안테나 효과를 얻을 수 있었다.
단말기에 MIMO 효과를 줄 수 있어 데이터 수신율을 2배 이상 높일 수 있으며, 안테나와 관련된 RF부품이 줄어 하드웨어 단가도 낮출 수 있고 RF 부품 간 간섭도 줄일 수 있다.
소형셀 기지국 SW 기술
이 기술은 소형셀 기지국이 적은 비용으로 작은 영역 내에 매크로 기지국과 동일한 무선 전송 속도를 제공함으로써 사용자당 무선 인터넷 속도를 높일 수 있는 기술이다. ETRI는 통신 사각지대를 줄이면서, 핫스팟에서 사용자당 무선전송 속도를 높일 수 있는 무선랜 AP 크기의 소형셀 기지국 SW 핵심 기술을 개발했다.
사업자들은 안정성, 매크로 기지국과의 간섭 등과 같은 소형셀 문제로 비싼 매크로 기지국의 커버리지를 좁혀 전송 용량을 제공해 오고 있다. 하지만, 이런 기술적인 문제를 해결하기 위해 매크로와 유사한 버전 제공, 간섭제어 기술이 포함된 스몰셀(Small Cell) 기술을 국산화했다.
그동안 차세대 통신시장의 먹거리로 주목 받아온 ‘소형셀’ 관련 기술은 글로벌 통신 기업이 시장을 선점해 왔으며, 국내 중소기업에서 상용화했지만 주요 기술은 모두 외산에 의존하고 있었다.
이 기술이 개발됨에 따라 ‘소형셀’ 기술을 외국회사에 비해 한발 앞서 개발하는 계기가 될 것으로 보인다. 특히 소형셀 기지국 SW 개발의 핵심 기술은 QoS를 보장하는 MAC 스케줄러(Scheduler) 기술, 매크로와의 간섭 완화에 의해 소형셀의 용량을 더욱 많이 사용할 수 있게 하는 간섭제어 기술, HW의 종속성을 최소화한 SW 프레임워크 기술로 꼽았다.
소형셀을 개발할 수 있는 환경을 자체 개발해 중소기업에 이전할 경우, 각종 알고리즘을 미리 검증한 후 HW에 탑재할 수 있다. ‘소형셀’ 기술은 앞으로의 5G 시대에 꼭 필요한 기반 기술로서 단위면적당 용량 증대, 사용자 체감 전송속도 및 에너지 절감 기술 등에 핵심 원천 기술로 활용될 전망이다.
정리 : 김희성 기자 (npnted@hellot.net)
