[넷매니아즈 MWCS 2015 탐방기] China Mobile이 제시한 4G Evolution (4G LTE-A, 4.5G) 기술
지난 7월, 중국 상하이에서 MWC Shanghai 2015 (MWCS 2015)가 개최되었다. 넷매니아즈는 GSMA 미디어 파트너 자격으로 MWCS 2015에 참가하여 주요 사업자/벤더들의 LTE 진화와 5G 전략을 분석하였다. 이번 행사는 중국에서 열리는 만큼, 중국 사업자와 벤더의 4G/5G 전략은 어떠한가를 살펴보았다.
중국은 우리나라보다 2년 반 정도 늦은 2013년 12월에 China Mobile이 4G (TD-LTE) 서비스를 개시했고, 이후 현재까지 4G 가입자가 빠르게 증가하고 있다(중국의 2/3/4G 가입자수 추이, China Mobile사의 2/3/4G 가입자 추이).
중국내 이통사의 절대 지존은 13억 6천만명의 인구 중 8억 2천만명(2015년 6월 기준)의 모바일 가입자를 가진 중국 제1 이동통신 사업자, China Mobile이다.
본 글에서는 MWCS 2015에서 China Mobile이 제시한 이동통신 진화 전략과 핵심 기술들을 정리해보도록 한다.
참고로, China Mobile의 4G 시스템은, FDD(주파수 분할) 방식으로 동작하는 한국과는 달리, TDD(시분할) 방식으로 동작하는 TD-LTE 시스템이다. China Mobile이 가지고 있는 TD-LTE 상용 주파수는 아래와 같이 3개 대역 총 130 MHz이다(사업자가 주파수를 막대한 비용을 들어 정부로부터 구매하는 우리나라와 달리 중국은 정부에서 사업자에게 무료로 그냥 준다).
Band 39 (1.9 GHz): 20MHz
Band 40 (2.3 GHz): 50 MHz for indoor only
Band 41 (2.6 GHz): 60 MHz
MWCS 2015에서 China Mobile은 현재 TD-LTE 에서 최대 110 Mbps(@20MHz)인 사용자 속도를 LTE-Advanced 기술을 통해 1 Gbps를 제공하고, 4.5G 기술을 통해 5Gbps을 제공하며, 궁극적으로 5G 기술을 통해 10 Gbps를 제공하는 진화 계획을 보여주었다.
LTE 진화를 견인하는 기술로 carrier aggregation (CA)를 꼽고 있으며 LTE, LTE-Advanced 및 5G 단계별 주요 기술을 다음과 같다.
LTE [현재: 110Mbps]: TM8, 64QAM, UL CoMP
LTE-Advanced [목표: 1Gbps]: CA, High-order MIMO, DL CoMP, HetNet, Relay
4.5G [목표: 5Gbps]: 16x20MHz CA, 256QAM, 3D-MIMO
5G [목표: 10Gbps): Massive MIMO, 256QAM, Full duplex, Ultra-dense network ...
그림 1. MWCS 2015에서 China Mobile가 시연/전시한 LTE 진화단계별 기술 항목들
LTE 진화 기술들에 대한 시연이나 전시가 있었는데, LTE-Advanced의 target peak data rate인 1 Gbps는 CA와 high-order MIMO (TM 9)을 적용하여 시연하였다. 4.5G의 5 Gbps는 16개 carrier를 경합하는 enhanced CA외에 high-order modulation (256QAM), 3D-MIMO, advanced intreference cancelation, dynamic TDD를 적용하여 5 Gbps가 될 수있음을 보여주었다. 5G 기술로는 massive MIMO 기반의 invisible base station, mini-CRAN과 같은 새로운 구조의 prototype을 전시 하였다. 본 글에서는 이중에서 이번 행사에서 China Mobile이 열심히 설명한 LTE-A와 4.5G 기술에 관해 살펴본다.
LTE-Advanced (Carrier Aggregation)
CA는 다른 대역 또는 같은 대역에 있는 carrier들을 결합하여 사용자의 무선 전송 대역폭(Hz)을 넓힘으로써 속도(bps)를 배가시키는 기술로 우리나라에서는 이미 일반화되어 있다. 중국은 아직 CA 기술이 상용화되어 있지 않는 데, 이번 행사에서 China Mobile은 향후 제공할 CA 기술로 TDD CA (TDD inter-band dual CA)와 TDD+FDD CA를 시연하였다.
1. TDD CA: 이 기술은 Nokia와 협력하여 시연했는 데, 다른 band에 있는 두 개의 20 MHz TDD carrier를 CA하여 최대 220 Mbps 속도를 제공할 수 있음을 보여준 시연이다.
. TDD 20 MHz @2.6 GHz
. TDD 20 MHz @3.5 GHz
2. TDD+FDD CA (2-Carrier Aggregation): Huawei와 협력하여 시연을 하였고, 상용 단말을 이용하여 20 MHz TDD carrier와 20 MHz FDD carrier를 CA한 것으로 최대 260 Mbps를 낸다 (TDD 110 Mbps + FDD 150 Mbps). China Mobile이 TD-LTE 뿐 아니라 FDD LTE 역시 준비하고 있음을 볼 수 있다.
. FDD 20 MHz@1.8 GHz (Band 3)
. TDD 20 MHz@2.6 GHz (Band 38)
3. TDD+FDD CA (5-Carrier Aggregation) + TM9: 5-carrier를 결합하여 100 MHz 대역폭 (FDD 40 MHz, TDD 60 MHz)을 이용하고, 3GPP Rel.10 전송모드인 TM9을 적용하여 4개 stream을 전송함으로써 1 Gbps급의 속도를 얻는 기술이다. 시연에 사용한 5-carrier는 아래와 같다.
. FDD 20 MHz@900 MHz (Band 8)
. FDD 20 MHz@1.8 GHz (Band 3)
. TDD: 3 x 20 MHz@2.6 GHz (Band 41)
4.5G (TDD Evolution, TDD+)
이번 행사에서 China Mobile은 Huawei와 협력하여 TDD+ (TDD evolution) 기술을 전시하였다. TDD+은 5G급 성능을 얻기 위한 중간 단계로 China Mobile이 준비하는 4.5G 정도라고 보면 된다. 아래 화면 이미지는 China Mobile의 4.5G 컨셉을 보여주는 화면인 데, 좀 조잡하지만 China Mobile의 4.5G 컨셉의 키워드들이 모두 들어 있다. TDD+은 5 Gbps+ 속도, 5x 주파수 효율, 50% network cost 등을 목표로 한다. 하나씩 살펴보자.
1. Peak data rate을 5 Gbps 이상 높이기 위한 기술들
TD-LTE 셀은 최고 속도 100+ Mbps 를 제공한다. TDD+에서 5 Gbps를 얻기 위해서는 셀 용량이 (또는 최고 속도가) 50배 이상 향상되어야 한다. 후보 기술로 CA enhancement, 256QAM, TDD-FDD joint operation 기술을 소개하였다.
❶ CA enhancement: 16개까지의 TDD carriers를 CA한다. 100+ Mbps 속도를 16배속하여 1.6 Gbps를 얻을 수 있다.
❷ 256QAM: 256QAM은 기존의 TD-LTE (64QAM)보다 higher-order modulation을 적용하여 전송율을 향상시키는 기술이다. 이번 행사에서 China Mobile은 화웨이의 인빌딩 스몰셀 (C-RAN기반) 솔루션인 LampSite에 DL 256 QAM을 적용하여, 64QAM을 적용했을 때 대비 33% 향상된 147 Mbps를 보여주었다. Dual CA와 256QAM을 같이 적용한 경우 295.3 Mbps를 보여주었다.
❸ TDD-FDD joint operation: TDD와 FDD 주파수를 같이 사용하여 속도를 증가시키는 기술이다. TDD-FDD CA는 대역폭을 넓혀 속도를 높이고 TDD-FDD Dual Connectivity는 HetNet 환경에서 안정적인 고속통신을 가능하게 한다.
2. 주파수 효율을 5배 이상 높이기 위한 기술들
TD-LTE 대비 주파수 효율을 5배 이상 향상시키기 위한 TDD+ 기술로 3D-MIMO, advanced interference cancelation, dynamic TDD를 소개하였다.
❶ 3D-MIMO
3D-MIMO는 active antenna system (AAS)을 기반으로 하였다. AAS는 안테나 element 수를 늘려 (예, 128x128) 주파수 효율을 향상시키는데, RF transceiver들과 antenna element들을 결합하여 2차원 antenna array를 구성하고, 각 array별로 빔 패턴을 제어한다.
3D-MIMO는 빔패턴을 수평 (azimuth) 뿐 아니라 수직 (elevation)으로 제어할 수 있다. 더 좁은 빔을 생성할 수 있고 수직 빔포밍이 가능하여 공간을 더 정교하게 나누어 통신할 수 있다. 여러 빔으로 여러 사용자를 동시에 서비스 할 수 있고, 수직 빔들로 셀을 더 나눌 수 있어 coverage, capacity, 간섭 성능을 향상시킨다. 3D-MIMO 적용으로 셀 평균 전송률은 130%, 셀 경계 전송률은 243% 증가되었다.
사진. 3D-MIMO
❷ Advanced interference cancelation
단말이 수신하는 신호에는 원하는 신호와 간섭 신호가 섞여 들어온다. 기지국 간 협력을 통해 기지국이 단말에게 간섭 신호 정보를 제공하고 단말은 advanced receiver를 이용하여 원하는 수신 신호를 검출하기 전에 수신 신호에서 간섭 신호를 제거해버린다. Advanced interference cancelation 적용으로 셀 평균 전송률은 20%, 셀 경계 전송률은 50% 증가되었다.
❸ Dynamic TDD
UL/DL 트래픽 로드에 따라 TDD radio 프레임 안의 UL/DL 전송 비율을 동적으로 제어하여 셀 평균 전송률과 셀 경계 전송률을 40% 정도 향상시킨다.
3. Network cost를 50% 줄이기 위한 기술들
Network cost를 50% 이하로 줄이기 위한 기술로 MDT, SON 및 Small Cell 기술을 소개하였다.
❶ Minimization of Drive Test (MDT)
차량을 이용한 drive test 대신, 가입자 단말이 측정하여 보고하는 수신 신호 정보를 수집하여 무선망/서비스의 품질을 관리하는 기술이다. Drive test 비용의 80%를 줄일 수 있다.
❷ Self-Organized Network (SON)
LTE는 고속화로 인해 3G보다 더 작은 셀 커버리지를 갖고, TD-LTE는 LTE FDD에 비해 더 좁은 커버리지를 갖는다. 또한 small cell은 빠르게 확산될 전망이다. 기존의 cell planning, installation, management 방법으로는 network cost가 증가할 것이다.
4G 가입자 증가 추세에 맞춰, 저비용으로 LTE 망을 빠르게 구축하기 위해서는 새로운 셀 구축, 셀 최적화, 장애 검출/복구 방식이 필요하다. SON은 셀간 협력을 통해 망이 스스로 셀 구축/구성, 셀 최적화, 장애 검출/복구를 지원하여 망 운영 비용을 감소킨다.
❸ Small Cell 관리 비용 절감
HetNet 환경에서 small cell은 사용자 밀집 지역, 음영 지역, 댁내 등 어디에고 설치될 수 있다. 트래픽 로드 상태는 시간대와 event에 따라 변할 수 있으므로, macro cell과의 간섭 영향을 줄이기 위해서는 small cell들의 동기를 맞추고 트래픽이 없으며 small cell을 비활성화시킬 수 있어야 한다. Macro cell의 common reference signal (CRS)을 기반으로 small cell들 간 및 macro 셀과 small 셀들 간에 동기를 맞추고, small cell을 동적으로 on/off 함으로써 small cell들을 저비용으로 효율적으로 관리하는 기술을 소개하였다.
4. Vertical Industries로의 확산
LTE는 단순히 가입자 단말 간 통신 뿐 아니라 단말이 아닌 사물 간 통신에도 사용될 수 있다. 통신사업자의 서비스가 통신 외에 다른 산업으로 확산될 수 있다. 대표적인 산업으로 Vehicle to Vehicle, enhanced Machine Type Communication (eMTC), enhanced Multimedia Broadcast Multicast Service (eMBMS) 등을 소개하였다.
China Mobile은 한국보다 2년 반 정도 늦게 4G 상용 서비스를 개시하여, 2015년 6월 기준으로 4G 가입자율이 23.%이다. 한국 이동통신 3사의 평균 LTE 가입자율 75%에 비하면 적은 비율이지만, 가입자 수는 1.9억명으로 한국 LTE 가입자의 4배에 이른다.
China Mobile의 4G 가입자가 빠르게 증가하고 있어 LTE 망 구축은 더욱 가속화 될 것이고, 오늘 소개한 LTE evolution 기술들이 곧 도입되기 시작할 것으로 예상된다. 한국의 경험으로 보아 확실하게 속도가 배가하는 CA 기술이 가장 먼저 도입될 것으로 보인다.
올 상반기 China Mobile은 꾸준히 CA 시험망을 구축하여 최적화 중이며, 6월에는 TDD 3-carrier aggregation 으로 300 Mbps급 속도를 시험하였다. 곧 상용화된 China Mobile의 TD-LTE evolution 기술을 소개할 수 있기를 기대한다.
China Mobile은
중국 이동통신 사업자로는 China Mobile, China Unicom, China Telecom이 있다. 2015년 6월을 기준으로, 중국 모바일 가입자는 12.9억명으로, 사업자별로는 Chian Mobile이 63% (8.2억명), China Unicom이 22.3% (2.9억명), China Telecom이 14.7% (1.9억명)이고, network별로는 2G 47.9% (6.2억명), 3G 34.7% (4.5억명), 4G 17.4% (2.3억명)이다.
[One Shot Gallery] 중국의 2/3/4G 가입자수 추이
China Mobile은 중국 제1 이동통신 사업자로 2013년 12월 18일 중국에서 처음으로 TDD 방식의 4G (TD-LTE)를 상용화하였다. 이후 2G와 3G 가입자는 감소하고 있고 4G 가입자는 빠르게 증가하고 있다. TD-LTE 상용화 후 1년 반이 지난 2015년 6월 기준으로 China Mobile의 4G 가입자는 China Mobile 전체 가입자의 23.2%로 1.9억명에 이른다.
[One-Shot Gallery] China Mobile사의 2/3/4G 가입자 추이
China Mobile은 2G GSM, 3G TD-SCDAM, 4G TD-LTE 서비스를 제공하고 있다. GSM 시스템은 FDD로 TD-SCDMA와 TD-LTE 시스템은 FDD로 동작한다. China Mobile의 상용 주파수는 다음과 같다.
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