[기고] 5G 이동통신 시스템의 개념 및 특징

Concept and Characteristics of 5G Mobile Communication Systems

January 05, 2015 | By 이호원 교수 (국립한경대학교 전기전자제어공학과)

현재 우리가 사용하고 있는 3GPP LTE, LTE-A 시스템을 보통 4세대 (4G) 이동통신 시스템이라고 이야기 한다. 그렇다면 과연 5세대 (5G) 이동통신시스템이란 무엇인가? 5G 이동통신에 대해 알아보기 위해서 우리는 먼저 모바일 서비스의 메가트렌드를 살펴볼 필요가 있다.

 

[M1. 트래픽 양 증가] 첫째, 최근 멀티미디어 및 소셜네트워크 서비스 등에 대한 수요가 폭발적으로 증가하고 있다. 이에 따라서 모바일 트래픽 양이 엄청난 속도로 늘어나고 있으며, Internet of Things (IoT, 사물인터넷)의 등장으로 Things (사물들)의 숫자도 계속적으로 증가하고 있기 때문에 이에 따라 트래픽 양은 더욱더 폭발적으로 증가할 것으로 예상된다. 다시 말해서, 모바일 브로드밴드 서비스의 지속적인 확장과 통신 기능이 부여된 사물들의 증대는 계속적인 트래픽 양의 증대를 야기하게 될 것이다. Cisco의 VNI Global Mobile Data Traffic Forecast에 따르면 모바일 데이터 트래픽 양은 2013년 1.5EB (Exa Bytes, 1EB = 1,000,000TB)에서 2018년 15.9EB까지 증가할 것이라고 한다 ^[1]. 즉, Cisco의 예측에 따르면 모바일 데이터 트래픽이 2018년에는 현재의 약 10배정도 까지 늘어난다고 볼 수 있다.

 

[M2. 디바이스 수 증가] 둘째, 앞에서 언급한 것과 같이 인터넷 (네트워크)에 연결된 모바일 디바이스들과 사물들의 숫자가 각각 2013년, 7 Billion 개와 12.5 Billion 개에서 2018년 10.2 Billion 개와 50 Billion개로 폭발적으로 증가할 것으로 예상되고 있다 ^[1]-[3]. 모바일 디바이스들의 보급이 증가하는 것과 함께, 새로운 미래 5G 모바일 서비스, IoT 서비스를 실현하기 위한 다양한 things (웨어러블 디바이스, 센서, 엑추에이터 등)의 보급이 폭발적으로 증가하고 있다. 이러한 서비스들이 점점 더 활성화 됨에 따라 모바일 디바이스와 다양한 connected things (커넥티드 사물)의 숫자는 계속적으로 증가할 것으로 예상된다. 또한, 이러한 환경변화는 사용자들에게 다양한 use cases를 제공하면서 시스템에 계속적으로 새로운 요구사항들을 제시하게 될 것이다.

 

[M3, 클라우드 의존성 증가] 셋째, 클라우드 컴퓨팅 시스템에 대한 사용자 수요의 증가에 따라 모바일 (퍼스널) 클라우드 컴퓨팅 시장을 겨냥한 다양한 솔루션들이 개발되면서 PC 시대에서 모바일 클라우드 컴퓨팅 시대로의 전이가 더욱 가속화될 것으로 예상되고 있다 ^[4]. 이것과 비슷한 맥락에서, Cisco에서는 2020년까지 모바일 클라우드 트래픽 비율이 현재의 35%보다 2배 정도의 수준인 70%정도까지 증가할 것으로 예상하고 있다 ^[5]. 따라서, 5G 모바일 서비스는 대부분 모바일 클라우드 컴퓨팅 시스템을 기반으로 사용자에게 필요한 서비스를 제공하는 모습으로 변화하게 될 것을 예상할 수 있다.

 

[M4. 다양한 모바일 융합서비스 등장] 넷째, 증강현실/가상현실, 초고정밀 위치기반 서비스, 홀로그램 서비스, 스마트 헬스케어 서비스 등 모바일 서비스를 기반으로 한 다양한 분야에서의 모바일 융합서비스들이 등장하고 있으며, 이에 대한 추가적인 수요 또한 급증하고 있다 ^[6]. 따라서, 다양한 서비스들에 대한 안정적이며 끊김없는 지원을 위해 5G 이동통신 시스템에서는 이러한 다양한 서비스들의 요구사항을 만족시킬 수 있는 시스템의 개발이 필요하다.

 

5G 이동통신 시스템은 기본적으로 위에서 언급한 네 가지 주요 메가트렌드들 (트래픽 증가, 디바이스수 증가, 클라우드 컴퓨팅 의존성 증가, 다양한 5G기반 융합서비스 등장)을 필수적으로 고려하여 설계되어야 한다. 이러한 사항들을 고려하여 최근 다양한 나라와 회사들에서 5G 이동통신 시스템을 위한 기본 성능지표들에 대해서 제안하였으며, ITU-R (International Telecommunication Union – Radiocommunication Sector) WP (Working Party) 5D에서는 이러한 제안들을 기반으로 현재까지 총 8개의 핵심 성능지표 후보를 도출하였다 ^[7][8]. <표 1>에서와 같이 ITU-R WP 5D에서 도출된 핵심 성능지표들은 다음과 같다; user experience data rate (체감 전송률), peak data rate (최대 전송률), mobility (이동 속도), latency (전송 지연), connection density (연결기기 밀도), energy efficiency (에너지 효율), spectrum efficiency (주파수 효율), traffic volume density (면적당 용량). 
 
<표 1> ITU-R WP 5D에서 도출한 8개의 핵심 성능지표 후보들

	핵심 성능지표 (시스템 요구사항)	내용
	User Experienced Data Rate (체감 전송률)	100Mbps – 1Gbps
	Peak Data Rate (최대 전송률)	10Gbps – 50Gbps
	Mobility (이동 속도)	Up to 500Km/h
	Latency (전송 지연)	~ 1ms (radio interface)
	Connection Density (연결기기 밀도)	106 – 107 per Km2
	Energy Efficiency (에너지 효율)	IMT-A 대비 50 – 100배 효율화
	Spectrum Efficiency (주파수 효율)	IMT-A 대비 5 – 15배 효율화
	Traffic Volume Density* (면적당 용량)	1TB - 10TB/s/Km2 *
	* 영문명/성능값: TBD

 

기존의 4G 이동통신 시스템과 달리 5G 이동통신 시스템은 여러가지 중요한 특징들을 가지고 있다. 본 고에서는 특히 가장 중요한 특징들 중의 하나인 latency와 user experienced data rate, 이 두 가지 특징들에 대해서 집중적으로 다루고자 한다. 

 

[R1. End-to-End Latency에 대한 고려] 

첫째로, 기존의 이동통신 시스템이 대부분 단말의 peak data rate 향상에만 초점을 맞추어 연구를 진행해 왔었던 것과는 달리, 5G 이동통신 시스템은 end-to-end latency (종단간 지연)를 고려한 이동통신 시스템 설계에 매우 큰 관심을 가지고 있다.

 

미래에는 증강현실, 가상현실, 실시간 온라인게임 등과 같은 다양한 실시간 (real-time) 인터랙티브 (interactive) 멀티미디어 서비스가 증가할 것이다. 이러한 서비스를 사용하는 사용자들이 자연스러운 인터랙션을 경험하기 위해서는 저지연 5G 무선통신 서비스의 제공이 꼭 필요하다 ^[9,10]. 일반적으로, 인간이 미디어를 통해 시청각 정보를 받아들일 때 느끼는 청각 정보는 약 100 ms 이내에 전달되어야 하며, 시각 정보는 약 10 ms의 허용 지연시간 이내에 전달되어야 한다 ^[11]. 만약 정보를 전달하는 데에 그 이상의 지연시간이 발생하게 된다면 사람들은 해당 서비스에 대해 부자연스러움 느끼게 된다. 더 나아가, 교통, 스포츠, 교육, 의료, 제조 등과 같은 다양한 무선통신 응용 영역에서 최대 수 ms 이내의 종단 간 지연 (end-to-end latency)을 요구하는 새로운 무선통신 서비스들이 창출될 것이다. 예를 들어, 차량 간 통신 (vehicular-to-vehicular (V2V) communications) 및 차와 인프라간의 통신 (vehicular-to-infrastructure (V2I) communications)은 교통안전 서비스 제공을 위하여 극단적으로 짧은 무선 통신 지연을 필요로 한다. 또한, 긴급한 상황에서 부상자가 이동 중인 경우에 로봇 등을 통한 원격 수술의 높은 신뢰성 및 안정성 보장을 위해서는 교통안전 서비스와 마찬가지로 매우 짧은 지연을 보장할 수 있는 무선통신 기술의 제공이 요구된다.
5G 이동통신의 핵심적인 기능으로 주목을 받고 있는 Tactile Internet은 촉감 정보가 전달될 만큼의 저지연 무선통신 서비스를 제공해 줄 수 있는 인터넷을 말하며, 사용자의 요청에 대해 극단적으로 짧은 반응 지연시간을 필요로 한다 ^[9,10,12]. [13,14]에 따르면, 인간의 오감 중 지연시간에 가장 민감한 촉감 정보를 무선통신 시스템을 통하여 제공한다고 가정할 때 사용자가 어색함을 느끼지 않도록 하기 위해서는 허용 지연시간을 1 ms 이내로 설정하는 것이 필요하다. 그렇지 못할 경우에는 사용자가 불편을 느끼게 되며 이것을 cyber sickness라 부른다. 이러한 cyber sickness 문제의 해결을 위해서는 사용자의 요청에 대하여 극단적으로 짧은 반응 지연시간을 가지는 무선통신 시스템 개발을 위한 사용자 중심의 서비스 시나리오 발굴 및 관련 기술의 개발이 필요하다. 또한, 인체에서 신경을 통해 전기신호가 전달되는데 걸리는 속도는 최대 120m/s 정도로 알려져 있다. 이는 손으로 느낀 감각정보가 10 ms 이내에 뇌까지 전달된다는 것을 의미한다. 따라서 무선통신 시스템에서 인체에서 신경을 통해 전기신호가 전달되는 것과 같은 만큼의 자연스러움을 반영하기 위해서는 수 ms 이내의 종단 간 지연시간의 보장이 필요하다. 

 

<그림 1>은 data rate (bandwidth)와 round trip time의 HTTP의 page load time (PLT)에 끼치는 영향을 살펴본 것이다 ^[15]. 이 그림에서와 같이 HTTP PLT를 줄이는 데에 있어서 data rate의 증가는 일정량 이상 증가가 되면 효과가 크게 없다는 것을 볼 수 있다. 즉, round trip time (RTT)를 고려한 시스템 설계 및 개발을 하지 않고 data rate 증가만을 목적으로 시스템을 개발할 경우 PLT의 감소를 더 이상 얻을 수 없다는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 5G 이동통신 시스템에서는 이러한 다양한 이슈들을 해결하기 위하여 물리계층, medium access control (MAC) 계층, 네트워크 계층, 전송 (transport) 계층 등을 비롯한 다양한 관점에서 저지연 무선통신 기술 및 서비스와 관련된 다양한 연구 개발이 필요하다. 

 

<그림 1> data rate (bandwidth), round trip time 변화에 따른 PLT의 변화 by Vodafone ^[15] 

 

[R2. User Experienced Data Rate에 대한 고려] 

또한, 5G 이동통신 시스템은 end-to-end latency 감소라는 큰 목표와 함께 user experience data rate (체감 전송률) 향상을 중요한 목표 중 하나로 고려하고 있다. 먼저 peak data rate와 experienced user data가 어떤 차이를 가지고 있는지 살펴보는 것이 중요하다. ITU-R WP 5D의 5D/TEMP/390-E를 보면 peak data rate와 user experienced data rate가 다음과 같이 정의되어 있다 ^[8]. 

• Peak data rate: peak data rate refers to the maximum achievable data rate per user. Future IMT systems should provide very high peak data rate capability that leads to high network capacity enabling new differentiated services and enriching the end user experience.
• User experienced data rate: user experienced data rate is defined as the minimum data rate per user that should be achievable anytime anywhere. Future IMT systems should have the capability to provide anytime, anywhere [gigabit] data rate experience to mobile users. Also, Future IMT systems should provide an [“edgeless”] experience to the mobile users unlike the existing systems where the user experience is limited by the cell edge performance.

 

여기서 Future IMT systems은 5G 이동통신 시스템을 의미한다. 이 정의에서 보는 것과 같이 user experienced data rate의 보장을 위하여 5G 이동통신시스템은 어느 시간에, 어디에서든지 [gigabit] data rate를 사용자들에게 제공해 줄 수 있어야 한다. 기존의 4G까지의 이동통신 시스템이 cell edge 사용자들 성능 저하라는 큰 문제에 대한 근본적인 해결책을 제시하고 있지 못했었기 때문에, 5G 이동통신 시스템은 cell edge 성능 향상을 고려한 user experienced data rate를 중요 목표과제로 두고 해결하고자 노력하고 있다. Samsung Electronics 등 여러 회사들에서도 4G 이동통신 시스템과의 비교를 통하여 5G 이동통신 시스템은 사용자의 위치 (inner/outer/edge)에 상관없이 어디에서든지 1 Gbps를 사용할 수 있어야 한다는 것을 핵심 시스템 요구사항으로 제시하고 있다 ^[16]. 4G 이동통신 시스템 대비 user experienced data rate의 개선을 위하여 interference alignment/neutralization를 비롯한 다양한 interference management 기술, small cell network/heterogeneous network 기술, advanced MIMO/beamforming 기술 등의 많은 5G 후보기술들이 매우 활발히 연구되고 있다. 

 

<그림 2> Example of uniform experience regardless of user-location by Samsung Electronics

 

본 고에서는 먼저 모바일 서비스의 다양한 메가트렌드들 (트래픽 양 증가, 디바이스 수 증가, 클라우드 의존성 증가, 다양한 모바일 융합서비스 등장)에 대하여 살펴보았다. 또한, 이러한 메가트렌드들로부터 ITU-R WP 5D에서 도출된 8가지 핵심 시스템 요구사항들 (user experienced data rate (체감 전송률), peak data rate( 최대 전송률), mobility(이동 속도), latency (전송 지연), connection density (연결기기 밀도), energy efficiency (에너지 효율), spectrum efficiency (주파수 효율), traffic volume density (면적당 용량))을 알아보았다. 5G에는 기존의 4G까지의 이동통신 시스템들과는 다르게 새롭게 추가된 요구사항들이 많이 존재한다. 본 고에서는 특히 이 중에서도 가장 핵심 요구사항으로 고려되는 latency와 user experienced data rate의 의미와 그 역할에 대하여 구체적으로 알아보았다.

 

이 밖에도 디바이스/access point (AP)/기지국의 증가 및 이들의 밀집도와 관련이 있는 connection density, 다양한 서비스들의 등장으로 인한 디바이스에 새롭게 추가되는 기능들 및 프로토콜/알고리즘의 복잡화/효율화 등과의 깊은 관계가 있는 energy efficiency 등도 5G 이동통신 시스템에서 고려해야 하는 매우 중요한 문제들 중의 하나이다. 이러한 다양한 요구사항들을 반영하여 개발되는 5G 이동통신 시스템은 기존의 4G 이동통신 시스템과는 또다른 사용자 경험들을 사용자들에게 제공해줄 것으로 예상된다.

 

참고문헌

[1] VNI Global Mobile Data Traffic Forecast 2013-2018, Cisco, 2014
[2] Internet of Things, Cisco, 2013
[3] J. Gubbi et al., Internet of Things (IoT): A vision, architectural elements, and future directions, Elsevier Future Generation Computer Systems, pp.1645-1660, Feb. 2013
[4] Forbes, 6 Big Internet Trends to Watch for in 2012, Dec, 2011
[5] The Mobile Economy, GSMA, 2014
[6] ICT R&D 중장기 전략 (2013-2017), 미래창조과학부, 2013

[7] 제20차 ITU-R WP 5D 회의, TTA, 2014
[8] IMT Vision – Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond, ITU, Feb. 2014
[9] G. Fettweis and S. Alamouti, “5G: Personal Mobile Internet beyond What Cellular Did to Telephony,” IEEE Communications Magazine, vol. 52, no. 2, pp. 140-145, Feb. 2014.
[10] G. Fettweis, “The Tactile Internet – Applications and Challenges,” IEEE Vehicular Technology Magazine, vol. 9, no. 1, pp. 64-70, Mar. 2014.
[11] M. T. G. Pain and A. Hibbs, “Sprint Starts and the Minimum Auditory Reaction Time,” J. Sports Sciences, vol. 25, no. 1, pp. 79–86, Jan. 2007.
[12] 한국방송통신전파진흥원, “5세대 이동통신의 새로운 이슈, Tactile Internet의 소개,” 방송통신기술 이슈&전망, Korea Communications Agency, no. 49, Feb. 2014.

[13] E. Steinbach et al., “Haptic Communications,” Proc. IEEE, vol. 100, no. 4, pp. 937–56, Apr. 2012.
[14] T. DeFanti and R. Stevens, “Teleimmersion,” Ch. 6, The Grid: Blueprint for a New Computing Infrastructure, Elsevier Series in Grid Computing, pp 131–55.
[15] Walter Haeffner, “Networks at the Speed of Light,” Symposium Das Taktile Internet, Oct. 2013.
[16] Wonil Roh, “5G Mobile Communications for 2020 and Beyond - Vision and Key Enabling Technologies,” EUCNC, Jun. 2014.

 

 

 

기고자 소개

이호원 교수 (hwlee@hknu.ac.kr, http://wsl.hknu.ac.kr)

• 국립한경대학교 전기전자제어공학과 조교수 / KAIST IT융합연구소 겸직교수
• IEEE GLOBECOM/VTC/WCNC/PIMRC Technical Program Committee (TPC) Member
• 5G 포럼 서비스분과위원회 위원
• 연구분야: 5G Wireless Communications, Ultra-Dense Distributed Network, Internet of Things

 

출처 : http://www.netmanias.com/ko/post/blog/7049/5g/concept-and-characteristics-of-5g-mobile-communication-systems

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