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두 개의 주파수를 사용하는 이중연결성 기술

<5G 스몰셀 이중연결성 개념도>
(왼쪽) 5G NSA망 구조(5G 기지국을 데이터 용량 증대를 위한 목적으로만 활용)
(오른쪽) 5G SA NR-DC 구조(5G 코어를 사용하여 두 대의 5G 기지국을 동시에 연결하여 데이터 서비스 제공)

‘5G 스몰셀(Small Cell) 기지국^* SW’는 Sub-6㎓(중대역)와 밀리미터파(mmWave, 고대역) 주파수를 동시에 사용하는 이중연결성 기술이다. 두 개의 기지국에서 동시에 사용자에게 서비스를 제공하기 때문에 전송속도가 빠르고, 기지국 부하 분산을 돕는다.

기존에 사용했던 밀리미터파(mmWave) 스몰셀 기지국은 고속 데이터 전송이 가능했으나, NSA^**모드만 가능했다. 그래서 5G 단독망으로 구축되는 5G 특화망에서는 활용할 수 없다는 단점이 있었다. 하지만 이번에 개발한 이중연결성 기술을 통해 5G 특화망에서도 사용할 수 있게 되었다. 해당 기술은 데이터 전송속도를 높임과 동시에 밀리미터파 주파수 사용 효용성을 입증했다는 것에 큰 의미가 있다.
* 스몰셀(Small Cell) 기지국: 일반 기지국 대비 작은 지역에 서비스를 제공하는 소형 기지국
** NSA(Non StandAlone): LTE와 5G망을 함께 사용하는 구조로 5G 망관점에서 혼자 동작하지 않는다는 의미로 Non StandAlone이라는 용어를 사용한다. 단말은 LTE를 통하여 접속하고(기지국, 코어 모두 LTE 기술 사용), 5G로는 데이터 전송만 하는 방식이다.

스피드, 효율성 둘 다 잡은 5G 스몰셀

< 5G 스몰셀 업로드 속도>

ETRI는 이중연결성 기술 외에도 ▲업링크^* 성능향상 ▲자동화된 기지국 운용 제어 기술 ▲에너지 절감 기술을 개발했다.

연구진은 시간분할이중화기술^**과 업링크 반송파 주파수 집성(CA)기술^***을 통해 최대 800Mbps 수준의 업링크 속도 달성에 성공했다. 이 결과는 다운링크 3Gbps와 함께 5G 스몰셀 기지국 기준, 세계 최고 수준의 성능이다. 차후 고속·대용량 데이터 통신이 요구되는 산업 및 기술 분야의 핵심 기술이 될 것으로 기대된다. 특히 스마트 공장, 스마트 시티, 스마트 빌딩 등 업링크 데이터가 증가할 것으로 예상되는 곳에서 5G 특화망 솔루션에 핵심이 될 것으로 보인다.

더불어 ETRI는 전원을 꽂으면 다수의 스몰셀 기지국이 자동으로 연동하여 동작하는 플러그 앤 플레이(Plug & Play) 기술을 개발했다. 트래픽 및 사용자 위치 예측이 가능해 자동으로 기지국 장비 전원을 제어할 수 있다. 기술의 자동화로 간편하게 기지국을 운용하고, 불필요한 전기 에너지의 사용을 줄일 수 있는 일석이조의 기술이다.
* 업링크: 단말기로부터 신호를 올려보내는 통로
** 시간분할이중화기술(TDD: Time Division Duplex): 동일한 주파수 대역에서 시간 단위로 다운링크와 업링크를 나누어서 사용하는 기술. 5G NR 규격에서는 다양한 비율을 정의하고 있으며, 본 연구에서는 업링크 비율을 늘려서 업로드 속도를 높였다.
*** 반송파 주파수 집성(Carrier Aggregation): 주파수 유연성 개선 및 데이터 속도 증가를 위하여 주파수 채널을 묶어주는 기술. 본 연구에서는 100㎒ 단위의 주파수 4개를 묶어서 400㎒의 전송속도를 낼 수 있도록 결합했다.

축적된 연구 경험, 빛을 발하다

이번 ‘5G 스몰셀(Small Cell) 기지국 SW’의 주요 목표 중 하나는 ‘저렴한 기술료를 통한 업체의 비용 절감’이었다. 이를 위해 ETRI는 국내·외 시판 중인 상용단말과의 상호호환성 검증을 마쳤다. 따라서 해당 기술은 상용화가 가능하며, 저렴한 비용으로 새로운 비즈니스 모델을 창출할 수 있다.

연구진은 5G 기지국과 관련된 다년간의 축적된 연구 경험이 있었기에 본 성과를 낼 수 있었다. 본 연구는 저사양의 하드웨어로 매크로 기지국^*과 유사한 성능의 스몰셀 기지국을 구현했다. 물론 LTE 기지국의 제어가 없이 5G 무선 접속 기술만으로도 밀리미터파 대역의 고속 전송 서비스가 가능하다. 향후 고화질 서비스, 모바일 방송 송출, 고화질 CCTV 서비스, 스마트 공장 등 다양한 분야에 널리 활용될 것으로 기대된다.

과기정통부 홍진배 네트워크정책실장은 “5G 스몰셀이 5G 특화망에서 다양한 융합 서비스가 활성화되는 데에 많은 도움이 될 것으로 기대된다. 중소 네트워크기업과 연구기관이 협력해 개발한 기술이 세계적인 수준으로 인정받고 있는 것이 뜻깊다. 향후 기술이전, 시제품 제작, 판로 개척 등 스몰셀 산업 활성화를 위해 지원해 나가겠다”고 밝혔다.

ETRI 김일규 이동통신연구본부장도 “5G 기술만으로 밀리미터파를 활용할 수 있을 뿐 아니라 단말 최대 전송 속도를 3Gbps까지 달성했다. 적은 비용으로도 높은 성능을 낼 수 있는 소프트웨어 개발에 성공했고 밀리미터파 스몰셀의 활용도가 크게 높아지게 되었다”고 말했다.
* 매크로 기지국: 스몰셀에 비하여 커버리지가 넓고 동시 접속 가입자 수가 많은 대용량 기지국