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초고속 데이터 서비스 기술(HSDPA) 기술 분야

1. 개요

비동기 IMT-2000 시스템은 GSM-MAP 기반의 핵심망을 가지고 있어서, 2세대의 주류를 이루었던 GSM 망을 대체할 3세대 기술의 핵심으로 고려되었다. 그러나, 3세대 이동통신 시장의 초기 진입 단계에서 동기 방식의 1x EV-DO에 비해 도입이 늦어지면서 여러 가지 어려움을 겪고 있다. 이러한 이유로 인해 전세계적으로 비동기 IMT-2000 라이센스를 갖고 있는 사업자들이 최근 3G 서비스 제공에 있어서 그 동안의 부진을 뒤로하기 위해, HSDPA(High Speed Downlink Packet Access) 기술의 신속한 도입을 위해 노력하고 있다.

HSDPA 기술은 기존의 비동기 IMT-2000 표준의 진화 단계에 위치하는 방식으로, 하향 링크에서 고속 데이터 전송을 위해 추가된 접속 기법이며, 3GPP(3rd Generation Partnership Project)의 Release 5 표준 규격의 주요 특징(Feature)이다. 특히, 획기적인 전송률 향상과 더불어 최근 각광받고 있는 IP 멀티미디어 서비스의 제공에 효율적인 시스템으로 인식되고 있다. 본 고에서는 HSDPA 기술의 주요 특징 및 개발 현황을 중심으로 HSDPA 기술 개발의 기술적, 경제적 중요성을 고찰해본다.

2. 이동통신 시장 환경 및 동향

고정 통신망에서 IP 기반의 트래픽 규모는 이미 회선 기반의 트래픽 규모를 추월하였으며, 이러한 추세는 이동통신망에서도 유사한 형태로 나타나고 있다. 현재의 성장 추세로 볼 때 패킷 교환 방식의 트래픽은 가까운 미래에 회선 교환 트래픽을 추월할 것으로 보인다.

또한, 전세계적으로 높아지는 이동통신 및 인터넷 사용 비율은 이동/무선 인터넷이라는 새로운 패러다임을 제공하는 기반이 되었다. 이동통신 가입자의 증가는 이동통신 단말기를 이용한 인터넷 접속의 수요를 낳고, 수년 내 이동 인터넷 사용자 수는 유선 인터넷 사용자 수를 추월하게 될 것이다. 이동 인터넷 사용자로 될 가능성이 높은 이동 전화 사용자들은 이동통신 네트워크를 통한 데이터 통신을 하고 있으며, 그 비율도 전세계적으로 고르게 증가할 것이다. (그림 1)은 이동통신 가입자 가운데 이동 전화를 통한 데이터 통신을 하는 가입자의 비율을 나타내고 있다. 데이터 통신을 이용하는 가입자는 조건이 갖추어진다면 이동 인터넷을 이용할 가능성이 높을 것이므로, 향후 이동 인터넷을 포함하는 무선 인터넷 가입자 수는 지속적으로 증가할 것으로 예측된다. 이와 같은 추세에 따라 더 높은 최대 전송속도와 전송 효율을 제공하는 패킷 기반의 전송 시스템에 대한 필요성이 제기되었다. 특히 하향 링크는 인터넷 서비스의 보편화로 더욱 고속화가 요구된다. 패킷 방식의 데이터 전송 방식은 기존의 3GPP Release 99에서도 일부 지원하고 있으나, 기존의 회선 교환 방식을 위해 설계된 무선 접속 방식에서는 멀티미디어를 기반으로 한 고속 패킷 서비스를 제공하는데 한계가 존재하였다.

이러한 문제의 해결 방법으로 등장한 개념이 패킷 전용 채널 또는 시스템의 사용이며, 동기식 IMT-2000의 1x EV-DO와 3GPP의 HSDPA가 그것이다. HSDPA는 기존의 전송 채널과 다른 개념을 적용한 HS-DSCH(High Speed Downlink Shared CHannel)라는 패킷 전용 채널을 도입하여 전송률을 획기적으로 높였으며, 기존의 Release 99에 비해 최대 5배의 전송률을 제공한다.

이와 더불어 3GPP Release 5에는 핵심망 측면에서 IMS(IP Multimedia Subsystem)라는 표준이 제정되었다. IMS는 IP 기반의 멀티미디어 서비스를 제공하기 위한 표준이며, IMS와 HSDPA의 결합은 IP 기반의 멀티미디어 패킷 서비스 지원의 효율성을 증대하는 핵심 기술이다.

국내 제 3세대 이동통신은 시장 진입기의 선점을 통해 cdma2000 계열 방식을 기반으로 하여 무선 인터넷과 멀티미디어 서비스가 제공되고 있으며 비동기식인 W-CDMA의 상용화가 전개되고 있다. 그러나 W-CDMA 서비스는 시장의 불확실성, 유효 수요 부족, 급격한 기술진화, 사업 의지 및 전략 미흡, 경쟁 서비스와 차별성 부족, 킬러 애플리케이션의 부재로 인하여 사업성이 불투명한 실정이다.

이는 사용자의 요구 사항에 부합하는 킬러 애플리케이션의 개발과 이를 실질적인 유효 수요로 연결될 수 있도록 고객의 적절한 요금 전략 및 적합한 단말기 제공이 주요 빌미가 된 것이 사실이다. 게다가 최근에 무선랜, DMB, 휴대 인터넷과 같은 경쟁 서비스 시스템의 출현으로 W-CDMA의 진화 시스템인 HSDPA의 조속한 시장 진입이 요구된다. 또한 이동통신 사업자를 중심으로 체계적인 비즈니스 전략과 수익 모델의 창출 및 실행 의지, 가치사슬 내 관련 기업들과의 협력과 제휴, 강력한 정책적 지원 등이 행해지는 것이다. 이런 3G 사업의 딜레마를 극복할 수 있는 진정한 3G 서비스의 실현 수단으로 HSDPA는 중요한 돌파구를 마련해 줄 것으로 기대된다.

3. HSDPA 핵심 기술

HSDPA는 3GPP에서 고속 패킷 전송을 위해 하향 링크에 추가된 패킷 전용 접속 방식이다. 최초의 HSDPA 표준은 WCDMA FDD(Frequency Division Duplexing) 표준에서 제정되었으며, 상하향 10MHz 전송 대역을 사용하는 FDD 모드에서 최대 10Mbps 전송률을 제공한다. 또한 FDD에 이어서 TDD(Time Division Duplexing) 방식에 대한 HSDPA 표준이 제정되었다. 3GPP TDD 모드는 5MHz 대역에서 3.84 Mcps의 칩속도를 갖는 HCR(High Chip Rate) TDD 모드와 1.6MHz 대역에서 1.28Mcps의 칩속도를 갖는 LCR(Low Chip Rate) TDD 모드의 두 가지 모드가 존재한다. TDD 방식은 상하향 링크에 대한 자원 할당을 비대칭적으로 할당할 수 있으므로, 하향 링크 채널을 최대로 할당할 경우 HSDPA의 도입으로 인한 전송 효율을 극대화 할 수 있으며, HCR TDD 모드의 경우 최대 10.2Mbps, LCR TDD 모드의 경우 최대 2.8Mcps의 전송률을 지원한다.

HSDPA의 물리 계층의 동작은 기존의 R99와 큰 차이를 보이지만, 물리 계층의 상위에서는 HSDPA의 도입에 따른 변화를 최소화하여 이전 시스템과의 호환성을 보장하고자 한다. 하지만, HSDPA에 채택된 적응변복조 기법이나 하이브리드 ARQ(Automatic Repeat reQuest)와 같은 링크 적응 기술들을 효율적으로 이용할 수 있으려면 이들을 관리하고 제어하는 부분이 되도록 무선접속 인터페이스와 가까운 곳에 위치하여야 한다. 더욱이 데이터의 스케줄링을 담당하는 부분이 기존처럼 제어국(RNC)에 위치하게 되는 경우에는 지연시간에 의해 채널 환경에 맞는 적절한 스케줄링이 이루어질 수 없게 된다. 이런 이유들로 HSDPA에서는 스케줄링 기능을 비롯한 대부분의 무선자원 제어기능이 제어국보다는 기지국(Node B)에 위치하도록 결정되었다. 따라서, HSDPA를 지원하기 위한 기존 프로토콜 구조 변화의 특징으로는 HSDPA를 지원하는 Node B에는 무선자원의 제어를 위해 MAC계층의 일부기능이 위치하게 되었다. 이 프로토콜 계층을 MAC-hs부 계층이라고 정의하며, MAC-hs부 계층은 프로토콜 구조상 MAC계층의 가장 하부에 위치하면서 채널 환경에 맞는 적절한 변조, 부호 방식을(MCS) 선택하거나, 데이터의 스케줄링 기능을 담당한다. MAC계층의 상위에 위치한 HSDPA를 위한 RLC계층은 기존 시스템과의 호환성을 위해 동작상의 변화가 거의 없지만 AM 또는 UM만이 사용되며 TM은 ciphering 문제로 사용되지 않는다.

HSDPA의 핵심 기술인 AMC(Adaptive Modulation and Coding), H-ARQ(Hybrid Repeat reQuest) 그리고 Node B 스케줄링 기법이 다음 절에서 보다 상세히 설명된다.

가. AMC

무선 링크의 효율적인 사용을 위해서 링크 적응(Link Adaptation) 기법이 사용되고 있다. 기존의 대표적인 링크 적응 기법은 전력 제어(Power Control) 기법이다. 전력 제어 기법은 무선 링크에 따라 전력을 제어하여 전송 품질을 유지시키는 방법으로 음성과 같이 고정된 전송률 상황에서 링크의 품질을 보장하기 위한 시스템에 효율적인 방식이다.

반면, 멀티미디어 데이터는 서비스 종류에 따라 다양한 전송률, 다양한 전송 품질 등을 요구하므로 기존의 음성 위주의 서비스 제공과는 다른 개념의 링크 적응 기법이 요구된다. AMC 기법은 이러한 데이터 전송에 효율적인 링크 적응 기법으로, 전송 전력이 아니라 전송률을 채널 환경에 맞게 변화시키는 적응 방식이다. (그림 3)은 전력 제어와 AMC의 개념적 차이를 설명해 주고 있다.

전력 제어의 경우 고정된 target SIR(Signal-to-Interference Ratio)을 얻기 위해 전송 전력을 채널에 따라 변화 시킨다. 반면, AMC는 채널의 특성에 따라 적절한 전송률을 결정하여 전송하므로 기본적으로 전송 전력은 고정된다. 전송률은 MCS(Modulation and Coding Selection) 레벨에 의해 결정되는데, MCS는 미리 정의된 변조 및 채널 코딩 조합에 대한 레벨이다. HSDPA에서는 QPSK, 16QAM의 두 가지 변조 방식과 코드율 1/3인 터보코드를 효율적으로 펑쳐링하여 다양한 MCS 레벨을 지원한다.

MCS 레벨은 수신 SIR에 따라 결정되는데, SIR에 따라 가장 높은 효율을 보이는 레벨이 선택된다. (그림 4)는 AMC에서 MCS 레벨을 결정하는 과정을 개념적으로 보여주고 있다. SIR에 따라 가장 높은 throughput을 보이는 MCR 레벨을 결정하며, 결과적으로 그래프의 가장 바깥쪽에 위치한 throughput을 얻게 된다.

AMC의 지원을 위해서는 단말의 수신 SIR에 대한 정보를 기지국이 알고 있어야 하며, 단말의 수신 품질을 송신측에 전달하기 위해 CQI(Channel Quality Indicator) 라는 인덱스를 사용한다.

나. HARQ

HSDPA의 두 번째 핵심 기술은 물리 계층에서 ARQ를 사용하는 HARQ 기법이다. ARQ 기법은 수신 패킷에 오류가 발생하는 경우 재전송을 요청하여 이를 수정하는 기법으로 네트워크 프로토콜의 2계층인 데이터 링크 계층에서 널리 사용되는 기법이다. UTRAN 에서는 L2 RLC (Radio Link Control)에서 사용하고 있다. 반면, HARQ는 ARQ 기법을 물리 계층의 채널 코딩과 결합한 기술로 전송 채널의 동작 SIR을 낮출 수 있는 장점이 있다.

패킷 전송 시스템에서 전송 품질의 중요한 척도는 프레임 오류 확률(Frame Error Rate: FER)이다. 일반적인 패킷 전송 시 약 0.1%의 FER을 요구한다. FER 측면에서 프레임에 단 한 비트의 오류만 존재해도 오류로 처리되므로, FER을 낮추는데 매우 많은 전력이 요구된다. 만일 이 FER 요구 사항을 보다 높일 수 있다면 전송 전력 측면에서 큰 이득을 얻을 수 있을 것이다.

HSDPA에서는 동작 영역을 FER 10%로 설정하고, 이 때 발생하는 패킷 오류를 HARQ를 이용하여 수정하는 방법을 사용하여 전송 전력을 크게 낮출 수 있었다. HARQ 에서는 기존의 ARQ와 같이 재전송만을 적용하는 것이 아니라 Chase Combining 또는 Incremental Redundancy (IR)와 같은 방식을 적용하여 기존의 수신 데이터와 재전송된 수신 데이터를 효율적으로 조합하여 디코딩 성능을 높이게 된다.

이와 같은 HARQ 적용에 의해 발생하는 전력 마진에 의해서 16QAM과 같은 높은 전송 효율을 갖는 변조 기법의 사용이 가능해진 것이다. 결론적으로 HARQ 기법은 HSDPA 의 핵심 기술이라고 할 수 있다.

최근에는 HSDPA의 조기 상용화 일정을 위해 복잡한 16 QAM 기술을 제외한 QPSK only HSDPA가 추가적으로 등장하였다.

다. Node B 스케줄링

무선 자원의 효율적인 사용을 위해 UMTS 시스템은 RRC(Radio Resource Control) 프로토콜을 사용한다. RRC는 사용자 및 데이터에 대한 효율적인 자원 분배를 수행하기 위해 사용되며, 무선 접속망의 RNC(Radio Network Controller)에 위치한다. RNC는 여러 개의 Node-B를 제어하며, 여러 Node-B로부터 수신된 정보를 이용하여 자원 할당 및 조정 기능을 수행한다.

그러나 RRC가 RNC에 위치하는 것은 네트워크상의 지연을 발생시키며, 빠르게 변화하는 채널 환경에 적응하는데 어려움이 있다. 또한, 패킷 전송은 매우 Bursty한 특성을 가지므로 이러한 패킷 전송에 적응하기 위해서도 빠른 적응 방식이 요구된다.

이러한 문제의 해결을 위해 HSDPA에서는 기존에 RRC에 존재하던 스케줄링 기능을 Node-B의 MAC로 이전하였다. 또한, 전송의 단위를 기존의 10ms에서 2ms로 줄여 패킷 전송 특성에 효과적으로 적응하도록 하였다.

이외에도 공유 채널의 사용 및 TDMA(Time Division Multiple Access) 방식의 적용으로 인해 더욱 효율적인 전송이 가능하다. 반면, HSDPA는 저속 이동 지원을 목표로 하므로 소프트 핸드오프를 지원하지 않는다.

4. HSDPA 기술 개발 현황

현재 HSDPA 서비스 도입에 가장 적극적인 곳은 최초의 W-CDMA 상용화를 시작한 일본의 NTT DoCoMo이다. 2005년 서비스 도입을 목표로, DoCoMo는 2004년 3월 YRP(Yokosuka Research PARK) R&D 센터에서 시험기기를 사용한 시연을 실시하기도 하였다. NTT DoCoMo가 HSDPA의 도입을 서두르고 있는 이유는 몇 가지 측면에서 찾아볼 수 있다.

현재 일본에서는 이동통신 사업자들간의 3G 서비스 경쟁이 본격화되고 있는 가운데, KDDI가 2003년 11월에 데이터 통신속도가 강화된 cdma2000 1x EVDO 서비스를 도입하면서 정액제도 함께 도입하였다. 이를 기반으로 현재 일본의 이동통신 순증 가입자 측면에서는 KDDI가 NTT DoCoMo를 뒤로 하고 선두를 달리고 있는 실정이다. NTT DoCoMo로서는 정액제로 선행한 KDDI에 대항할 수 있는 기술의 조기 투입이 절실한 실정이다. 물론 HSDPA의 비트당 장비 비용이 저렴하다는 점도 작용하고 있는 것으로 보이며, 기본적으로는 약 5년 정도 후에 전체 통신 트래픽에서 데이터 통신이 차지하는 비중이 70~80%가 될 것이라는 전망이 바탕에 자리잡고 있을 것이다.

세계 최대의 단말기 제조업체인 노키아도 HSDPA에 많은 관심을 나타내고 있는데, 노키아는 2003년 3월, 미국에서 개최된 CTIA Wireless 2003 에서 HSDPA 기술을 적용한 W-CDMA 솔루션의 데모를 선보이기도 했다. 당시 노키아는 2005년 이후 HSDPA가 개시될 것으로 예측한 바 있다.

퀄컴은 HSDPA의 7.2Mbps 전송을 지원하는 MSM6280(TM) 칩셋 솔루션 출시를 예정에 두고 있고, MSM6280의 샘플 제품은 2005년 하반기에 출시될 것으로 예상된다. 퀄컴은 세계 주요 단말기 제조 회사와의 전략적 제휴를 통해 데이터 전송속도를 높인 HSDPA 기술을 지원하고 GSM 및 GPRS 시스템과 호환되는 차세대 WCDMA 칩세트(MSM6275)를 출시할 것으로 보인다.

한편, 우리나라의 LG 전자와 삼성전자를 포함하여 주요 통신 장비 벤더들과 반도체 업체들이 HSDPA 칩이나 장비 개발에 참여하고 있다. 예로, LG 전자의 경우는 Release 99 기반의 기지국 모뎀 ASIC 개발 성공에 이어, 14Mbps가 지원되는 HSDPA 기지국 모뎀 ASIC 개발을 완료한바 있다((그림 5) 참조). 광대역 유선 서비스 인프라 환경을 경험한 사용자들에게 무선 환경에서도 다양한 고속의 데이터 서비스를 제공함으로써 서비스 차별성을 기하고자 노력하고 있다. 또한, Agilent나 Anritsu 같은 계측기업체들도 HSDPA 기술 관련 연구/개발을 위한 계측기기를 출시하고 있는 중이다.

5. 결론

본 고에서는 3GPP Release 5의 핵심 기술인 HSDPA의 기술 개요 및 개발 현황에 대해 살펴보았다. HSDPA는 고속 패킷 서비스를 지원하면서도 Release 99에 역호환성을 제공하므로 음성 및 다양한 데이터 서비스가 혼재하는 무선 데이터 서비스 환경에 매우 효율적이다. 최근 다양한 무선 데이터 전송 솔루션이 등장하고 있으나, HSDPA를 적용한 3G 서비스는 여전히 가장 경쟁력 있는 솔루션으로 평가받고 있다.

최근에는 3GPP에서 HSDPA의 상대 개념인 HSUPA(High Speed Uplink Packet Access)의 표준화가 진행되고 있다. 또한, MIMO 등의 링크 성능 향상 기술에 대한 표준도 진행되고 있다. 이와 같이 3GPP 시스템은 Release 99의 초기 도입 부진에도 불구하고 Release 4, Release 5 등의 진화된 표준 규격의 개발을 통해 보다 효율적인 모습으로 진화하고 있으며, 장기적인 비전을 통해 Beyond 3G로의 진화를 모색하고 있다. 이러한 진화의 핵심에 존재하는 기술이 바로 HSDPA이며, HSDPA 기술의 조기 획득 및 상용화는 차세대 이동통신 시스템 개발의 당면 과제라고 볼 수 있다.

또한 최근에 한국에서 이슈가 되는 휴대 인터넷 와이브로(WiBro)는 유선 사업자를 중심으로 핫이슈가 되고 있다. 관점에 따라 와이브로와 WCDMA의 HSDPA는 보완재냐 대체재냐 하는 것에 많은 이견을 가지고 있으나 사용자가 원하는 무선 데이터 시장에서 어느 시스템이 보다 선점하느냐에 많은 영향을 받으리라 생각된다. 그러나 3G를 발전시켜 와이브로에 유사한 서비스를 다른 사용자 환경에서 제공할 수 있고, 이럴 경우 3G와 와이브로는 상호 경쟁을 통해 동반 발전을 불러와 국내 유무선 통신사업의 획기적인 발전을 기대해 볼 수도 있을 것이다.

<참 고 문 헌>

[1] SKTelecom Telecommunication Review, 제13권 6호, Dec. 2003.

[2] 한국통신학회지, “이동통신특집”, Vol.21, No.7, July 2004.

	신기술이 곧 컨셉입니다