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스몰셀이란 무엇인가요?

기지국은 전파가 도달하는 거리(커버리지) 안에서만 데이터를 중계합니다. 이 커버리지가 넓으면 매크로셀, 좁으면 스몰셀이라고 합니다. 커버리지는 기본적으로 하드웨어의 성능으로 결정되는데요. 매크로셀은 하드웨어 성능이 좋아 커버리지가 반경 1 km 이상입니다. 그래서 기지국 하나에 몇천만 원 이상일 정도로 비싸죠. 매크로셀은 설치에도 품과 비용이 많이 듭니다. 광케이블도 새로 깔아야 하고, 장비도 추가로 설치해야 합니다.
스몰셀은 매크로셀에 비해 하드웨어 성능이 떨어집니다. 그래서 커버리지 반경이 수십~수백 m 정도에 그칩니다. 건물 한 층에 스몰셀을 설치하면, 해당 층을 다 커버하지 못 하는 경우도 있을 정도죠. 대신 가격이 저렴합니다. 게다가 스몰셀은 인터넷 선이 깔린 곳이라면 어디든지 설치할 수 있기 때문에 간편합니다.

2021년에는 5G 스몰셀 SW를, 최근에는 5G 스몰셀 상용 SW를 발표했습니다. 스몰셀에 적용되는 SW를 거듭해서 개발하는 이유는 무엇인가요?

스몰셀은 가격이 싼 만큼 저렴한 하드웨어를 사용합니다. 그래서 매크로셀 만큼 많은 사람을 감당할 수 없죠. 매크로셀이 동시 접속자 몇백 명을 수용할 수 있다면, 스몰셀은 수십 명 정도만 가능합니다. 그러나 스몰셀 하드웨어 성능이 아무리 좋지 않아도, 스몰셀을 사용 중인 사람들에게는 매크로셀과 같은 품질의 서비스를 제공해야 하겠죠.
스마트폰 사용자가 건물 밖에서 매크로셀을 통해 1 Gbps 속도로 인터넷 콘텐츠를 즐기고 있다고 가정해 보겠습니다. 사용자가 실내에 들어오면, 매크로셀이 아닌 스몰셀의 서비스를 받게 되는데요. 이때 갑자기 인터넷 속도가 반절이 되면 사용자는 불편할 겁니다.
그래서 사용자가 어디에서나 같은 품질의 통신 서비스를 누릴 수 있도록, 소프트웨어의 성능을 올리는 연구가 필요합니다. 프로그램을 통해 스몰셀이 매크로셀만큼 성능을 낼 수 있도록 만드는 것이죠. 물론 하드웨어적인 성능을 올리면 좋겠지만 그러면 기기값이 비싸집니다. 그래서 주어진 환경 내에서 스몰셀의 성능을 최대한으로 개선하고자 프로그램을 계속 고도화합니다.

2021년에 발표된 SW와 이번 SW의 차이는 무엇인가요?

기술의 완성도가 높아졌습니다. 이번엔 SW에는 주파수 집성 기술(CA)이 추가되었습니다. 서로 다른 주파수를 묶어서 데이터 전송 속도를 높이는 기술입니다. 데이터 전송 속도는 ‘한 번에 얼마만큼의 데이터가 이동하는지’를 뜻하는데요. 데이터가 오고 가는 5G 주파수를 도로, 데이터는 그 위를 달리는 차라고 표현해 보겠습니다. CA는 도로의 차선을 늘리는 기술입니다. CA 기술을 적용해 기존 SW에서는 하나였던 차선이, 이번 SW에서는 4개가 되었어요. 데이터 속도가 기존 500 mbps에서 지금은 4배가 되어 2.2 Gbps입니다.
두 번째로는 단말기에서 기지국으로 데이터를 더 빨리 보낼 수 있습니다. 기지국에서 단말기로 데이터를 보내는 것을 다운링크, 그 반대를 업링크라고 합니다. 참고로 서로 다른 전송 기술이고요. 이전 기술의 업링크 속도는 70 mbps였으나, 지금은 230 mbps로 약 3배 이상 향상되었습니다. 여기에는 MIMO(Multiple-input and multiple-output) 기술을 적용했습니다. 1차선 도로에 자동차 두 대가 동시에 달리도록 하는 기술입니다. 실제로는 이 자동차가 전파이므로, 두 전파가 근접하지만 서로 간섭하지 않게 보낼 수 있었죠.
세 번째로는 셀에서 다른 셀로 넘어갈 때 전화가 끊기지 않는 핸드오버 기술을 적용했습니다. 사용자가 이동하면서 다른 셀 구간으로 넘어갈 때 통신이 끊기지 않게 하는 기술입니다. 이 기술이 없으면 특히 음성통화의 경우에는 바로 ‘통화 종료’가 되어버리거든요.

5G 사용자가 이동하면서 전화를 할 경우, 통화가 끊기는 경우가 있다는 건 처음 들어봅니다. 현재 설치된 5G 스몰셀에는 핸드오버 기능이 탑재됐나요?

아닙니다. 현재 국내에는 다른 이유로 아직 5G 스몰셀이 설치되지 않았습니다. 또한, 5G셀에 핸드오버가 반드시 필요한 기능도 아닙니다. 5G가 비단독형으로 시행되고 있기 때문인데요. 비단독형 기술은 단말기가 기지국을 동시에 두 개 사용하는 기술입니다. 현재는 4G가 메인(마스터)이고, 5G가 보조(세컨더리)를 맡고 있는 형태죠. 이 경우에는 5G 통신이 끊겨도 사용자는 모릅니다. 4G가 대신 통신해 주기 때문입니다. 반대로 단독형 기지국에는 잠시 통신이 끊겼을 때, 그 통신을 대신해 줄 보조 기지국이 없습니다. 그래서 단독형 기지국만으로 통신할 때도 끊임이 없도록 핸드오버 기술을 개발한 것입니다.

추가된 기술을 제외하고, SW에 적용된 다른 기술도 설명해 주세요.

우선 5G NR 무선 자원 스케줄링 기술이 있습니다. 이는 사양이 낮은 스몰셀 하드웨어가 매크로셀 만큼의 기능을 할 수 있도록 소프트웨어를 최적화하는 기술입니다. 참고로 NR은 5G의 기술적 표준(규격)을 말하는데요. 5G는 국제표준화기구인 ITU에서 정한 ‘최대 전송 용량 20 Gbps, 지연시간 1 ms 이하’ 등의 요구사항을 지킨 전송 기술입니다. 그중에서도 우리나라에서 사용하고 있는 5G는 3GPP라는 표준화 단체에서 만든 NR 규격을 따르고 있습니다.
그 다음으로는 ‘초고속 데이터 전송을 위한 데이터 플랜 최적화 기술’이 있습니다. 이는 ‘자원을 어떻게 분배할지’를 결정하는 기술인데요. 한 기지국에 여러 단말기가 데이터를 많이 달라고 요청한다고 예를 들겠습니다. 이때 데이터라는 자동차를 수용할 수 있는 도로가 한정적입니다. 따라서 어떤 한 명이 데이터를 많이 요구한다고 기지국이 그 사람에게 차선을 다 몰아주면 안 되겠죠. 이 기술은 통화하는 사람에게 먼저 차를 보내주는 등 우선순위를 처리해 줍니다.
또한 빔관리 알고리즘도 적용되었습니다. 현재 5G는 두 종류가 있어요. 3.5 GHz 저주파 대역과 28 GHz 고주파 대역입니다. 28 GHz 대역용 기지국은 기본적으로 안테나가 64개입니다. 이 다중안테나를 이용해서 5도 ~ 10도 정도의 좁은 영역에 전파를 쏠 수 있는데요. 이를 빔 포밍 기술이라고 합니다. 여러 개의 전파를 좁은 영역에 한 번에 쏘아 전파를 멀리 보냅니다. 빔 관리 알고리즘은 이 빔 포밍 기술을 언제, 어떻게, 어디로 쏠 것인지를 결정하는 기술입니다.
마지막으로 5G NR 호제어 기술도 포함됩니다. 앞서 말한 핸드오버 기술을 포함해, 사용자가 언제 어디에서든 네트워크를 사용할 수 있도록 하려면 기지국이 그 위치를 알아야겠죠? 이 기술은 그 위치 정보를 관리하는 기술입니다.

이번 SW를 기반으로 진행하고 있는 연구가 있나요?

5G 기술만을 이용하는 이중연결성 기술을 연구하고 있습니다. 현재는 4G를 마스터로, 5G를 세컨더리로 한 비단독모드 5G 서비스를 시행하고 있습니다. 그러나 언젠가 4G는 없어지겠죠. 그렇게 되면 4G가 사용하던 주파수 대역을 5G가 쓸 수 있게 되고, 아까 말씀드린 두 종류의 5G를 이중으로 운영할 수 있습니다.
3.5 Ghz 5G를 마스터로, 28 Ghz 5G를 세컨더리로 삼는 겁니다. 이를 이용해 통신 속도를 높일 수 있는데요. 동영상을 시청한다고 했을 때, 두 기지국에서 데이터를 한 번에 보내주어 통신 속도를 높이는 원리입니다. 우리 연구실은 통신 성능을 개선하고자 앞서 말씀드린 두 종류의 5G를 이중연결성으로 구현할 예정입니다.
기지국 소프트웨어에 AI를 접목하는 기술 연구도 진행 중입니다. 4G에서 5G로 넘어올 때 많은 것이 바뀌었습니다. 기존 4G에서는 전송 속도만 높이는 기술만 있으면 됐는데, 5G로 넘어오면서 저지연 서비스, IoT 서비스 등을 커버할 수 있는 다양한 기술이 요구되었죠. 그러다 보니 기술 규격이 매우 복잡해졌습니다. 전문가들조차 이 규격에 따라 프로그램을 발전시키는 것에 어려움을 느낄 정도이죠.
그래서 프로그램에 인공지능을 적용해 보려 합니다. 인공지능을 이용하면 트래픽이 줄었을 때 기지국이 자동으로 전원을 끄는 등의 관리가 가능해집니다. 또 기지국이 시간별·상황별 트래픽 변화를 패턴화해서, 트래픽 사용량 변화를 예측할 수도 있습니다. 프로그램이 자동으로 자원 분배를 컨트롤하여 더욱 효율적인 통신 서비스를 제공할 수 있겠죠.

최종 연구 개발의 목표는 무엇인지요.

우리 기술을 중소기업에 이전해서 사업화하는 것입니다. 사실 기지국과 같은 이동통신 장비를 판매하는 회사들이 별로 없습니다. 세계적인 대기업들이 시장 대부분을 점유하고 있죠. 그런데 그들이 아직 스몰셀 시장에 진입하지 않았어요. 중소기업이 해당 시장을 선점할 수 있는 상태입니다. 우리 연구실은 중소기업이 스몰셀 시장을 점유할 수 있도록, 세상에 바로 내놓을 수 있는 기술을 개발해 왔습니다. 앞으로도 중소기업이 ETRI의 기술을 이전 받아 경쟁력을 갖출 수 있도록 연구 개발을 이어 나가겠습니다.