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4G 기술의 리더로 등장한 LTE

LTE는 다른 4G 기술처럼 아날로그 회로 전환 음성 네트워크에서 출발해 인터넷 프로토콜 (IP) 기반 데이터 패킷 네트워크로 변이하고 있다. 따라서 LTE 네트워크를 통한 음성 트래픽은 VoIP (Voice-over-IP)를 통해 처리될 것이다. 지난 수 년간 LTE 규격은 3세대 파트너십 프로그램(3GPP)의 원조를 받아 개발되어 왔으며, LTE 규격은 2008년 12월 완성되었다.

글_ Arnon Friedmann Ph.D. & Sandeep Kumar, 커뮤니케이션스 인프라 그룹, 텍사스 인스트루먼트

대부분의 주요 서비스 공급자가 들인 최근의 노력을 감안했을 때, LTE는 4G 전개의 리더로서 자리잡고 있다. LTE란 GSM (Global System for Mobile Communication)과 UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) 휴대전화 네트워크의 LTE (Long Term Evolution)를 말한다. 지난 몇 년 동안 LTE 규격은 3세대 파트너십 프로그램(www.3GPP.org)의 원조를 받아 개발되어 왔다. 2008년 12월 LTE 규격은 3GPP의 승인을 받아 최종 완성되었다.

LTE는 다른 4G 기술처럼 아날로그 회로 전환 음성 네트워크에서 출발해 인터넷 프로토콜 (IP) 기반 데이터 패킷 네트워크로 변이하고 있다. 따라서 LTE 네트워크를 통한 음성 트래픽은 VoIP (Voice-over-IP)를 통해 처리될 것이다. 이것은 음성을 패킷화된 데이터로 변환시킨다. 또한, LTE와 같은 4G 기술의 목표는 셀룰러 네트워크에서 100Mbps 이상 (일반적인 브로드밴드 연결보다 10 배 이상 빠름) 고속 데이터 전송률을 달성하여 소비자가 휴대전화를 인터넷 접속 방식 중 하나로 이용할 수 있도록 하는 것이다.

TI의 멀티코어 TMS320TCI6487 디지털 신호 처리(DSP) 기술을 통해 제조업체는 LTE 데모 플랫폼과 프로토타입을 개발할 수 있었을 뿐만 아니라 3G와 3.5G 장비에서 TCI6487도 배치할 수 있었고, 그로 인해 4G로의 마이그레이션이 크게 간소해지고 LTE 전개 속도가 빨라졌다. 3 개의 1.2GHz DSP 코어에 기반하고 있는 TI의 2 세대 TCI6487은 기능과 특성을 추가하여 LTE의 성능을 최대한 돋보이도록 장치 제조업체의 능력을 강화시키고 있다.

디지털 엔드-투-엔드

LTE는 미래의 무선 통신 시스템의 요건을 내다보고 개발된 것이다. LTE는 쌍방향 비디오, 실시간 게임 등 엄청난 전력 처리 능력과 네트워크 대역폭을 요구하는 애플리케이션 등 새로운 멀티미디어 애플리케이션과 서비스 개선 수용이 가능한 무선 네트워크의 용량 및 데이터 전송률을 증가시키기 위해 고안된 것이다.

최근에 3G와 3.5G 무선 기술, 이를테면 WCDMA는 동일 무선 네트워크에서의 음성 및 데이터 혼합 통신을 위해 개발된 것이다. 고속 패킷 접속 (high-speed packet access, HSPA) 기술의 형태로 WCDMA의 데이터 처리가 개선된 점과 최근에 등장한 HSPA+는, 3G 네트워크의 데이터 통신 전송률을 다운링크에서 초당 28.8Mbps 피크 속도로, 업링크에서 5.76Mbps 피크 속도로 증가시켰다. 아마도 이것은 HSPA 기지국 시스템의 수명을 다소 늘려줌으로써 3G HSPA와 4G LTE 네트워크가 제 기능을 하는 시대를 만들어낼 것이다. 이런 종류의 시나리오는, TI의 통신 인프라 DSP에 구현된 것과 같은 다수의 표준을 지원하는 프로그래머블 솔루션이 절대적으로 필요하다는 것을 보여주고 있다.

HSPA+의 속도가 더욱 빨라졌음에도, LTE의 데이터 목표 전송률은 다운링크에서 100Mbps, 업링크에서 50Mbps의 피크 속도에 달할 만큼 훨씬 더 높다. LTE 장치의 현장 실험이 세계 곳곳에서 이미 진행 중이다. 몇몇 의욕적인 캐리어는 LTE의 배치를 2010년으로 내다보고 있지만, 그 전개의 대부분은 2012/2013년쯤이 될 가능성이 높다.

그림 1. TI의 멀티코어 TMS320TCI6487
3개의 1.2GHz DSP 코어에 기반하고 있는 TI의 2세대 TCI6487은 기능과 특성을 추가하여 LTE의 성능을 최대한 돋보이도록 장치 제조업체의 능력을 강화시키고 있다.

더욱 빠르게, 평평하게, 저렴하게

수많은 현대 포스트-인터넷 네트워크에서처럼, LTE 네트워크의 아키텍처는 위계적이고, 수직적인 전통적 구조에서 수평적이고 평등한 피어(peers) 구성으로 변화하게 될 것이다. 이러한 LTE의 “플래트닝”은 네트워크 전체에 퍼져 있는 무선 네트워크 컨트롤러(radio network controller, RNC)의 지능과 기능을 여러 노드에 분배함으로써 이루어진다. 기지국, 미디어 게이트웨이, 스위칭 스테이션 및 기타 노드 등은 과거에는 이러한 기능을 탑재하고 있지 못했다. 궁극적으로 이것은 위계적 네트워크 구조에 내재하는 오버헤드의 상당부분을 낮추어줄 것이다.

LTE의 또다른 중요한 변화는, 모듈레이션 기법으로 CDMA (code division multiple access) 대신에 OFDMA (orthogonal frequency division multiple access)를 사용한다는 것이다. 구체적으로 말하자면, 업링크는 OFDMA를 사용하고, 다운링크는 SC-FDMA (single-carrier frequency division multiple access)를 사용하게 될 것이다. 두 가지 주파수 분할 기법 모두 FFT(Fast Fourier Transforms)를 채택하여 할당 대역폭을 보다 작은 단위로 분할하고 있으며 이 단위는 사용자간에 공유할 수 있다. SC-FDMA의 최고치 대 평균 전력비가 OFDMA보다 낮기 때문에 SC-FDMA는 핸드셋의 전력소비를 줄여준다.

계산 관점에서 보았을 때, 주파수 분할 기법은 코드 분할 시스템보다 더 쉽게 대역폭에 따라 비율이 정해진다. 그 결과 CDMA 시스템의 대역폭이 높을수록 OFDMA 시스템보다 더 많은 계산 능력이 필요해진다. 또한 서로 다른 크기의 FFT 사용으로 인해 1.25MHz, 1.6MHz, 2.5MHz, 5MHz, 10MHz, 15MHz, 20MHz 등 다수의 할당 대역폭에서 구현이 가능해진다. 이와 더불어, 쌍으로 이루어진 스펙트럼 할당이나 쌍으로 이루어지지 않은 스펙트럼 할당을 사용할 수 있는 능력을 통해 오퍼레이터는 LTE 시스템의 롤아웃에서 보다 유연성있게 될 수 있다. LTE는 오퍼레이터가 이용할 수 있는 스펙트럼에 따라 서로 다른 크기의 대역으로 채택될 수 있기 때문이다.

새로운 모듈레이션의 또다른 이점은, 멀티 안테나 신호 처리(일반적으로 MIMO(multiple input/multiple output) 또는 beamforming이라고 한다)를 통한 높은 스펙트럼 효율 가능성에 있다. 이것은 (잡음 보다 균일하게 퍼지는 경우) CDMA 시스템보다는 OFDMA 시스템에서 구현하기가 더 쉽다. 다른 피지컬 레이어 변화와 더불어, 스펙트럼 효율의 상당한 증가는 CDMA에서 OFDMA로의 전환을 통해 달성되어야 한다.

LTE의 평평하게 분산된 네트워크 아키텍처와 LTE 모듈레이션 체계에 내재된 오버헤드 비용 감소 및 스펙트럼 효율 증가는 모두 LTE 네트워크에서의 데이터 전송 비용을 줄여준다. 현재 3G와 3.5G 네트워크에서의 폭발적인 데이터 통신의 증가는 가까운 미래에도 지속 될 것으로 예상된다. 결과적으로 LTE를 통한 데이터 통신의 비트 당 비용 감소는, 시장점유율을 높이고 플랫 레이트에 대한 소비자의 기대에 부응하려는 오퍼레이터에게 매우 필수적인 요소가 될 것이다.

그림 2. UMTS 와 LTE 아키텍처
LTE의 플래트닝은 네트워크 전체에 퍼져 있는 무선 네트워크 컨트롤러(radio network controller, RNC)의 지능과 기능을 여러 노드에 분배함으로써 이루어진다. 기지국, 미디어 게이트웨이, 스위칭 스테이션 및 기타 노드 등은 과거에는 이러한 기능을 탑재하고 있지 못했다.

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LTE로의 이동

확실히 3G 및 3.5G에서 4G로의 마이그레이팅과, HSPDA같은 무선 기술에서 LTE 같은 다른 종류로의 마이그레이팅에는 예상치 못했던 난관이 따를 수 있다. TI의 LTE 솔루션은 제조업체가 문제를 파악하고 LTE 시장의 공급자로서의 선도적 위치를 점유하는데 필요로 하는 툴을 제공해주고 있다. 다음은 신기술로의 마이그레이션에 내재된 위험을 TI의 솔루션이 어떻게 회피할 수 있는지 몇 가지 사례를 나열한 것이다.

• 멀티 기술 플랫폼
TI의 3개의 코어 TCI6487 DSP는 LTE에 적합하기도 하지만, HSPA와 WiMAX 시스템에서도 효과적으로 배치된다. 그 결과 TCI6487은 3개 기술 모두를 지원하는 멀티 기술 플랫폼으로서의 역할이 가능하다. 장치 제조업체는 TCI6487기반 HSPA 채널 카드를 배치할 수도 있고, 소프트웨어 변경을 통해 LTE 채널 카드로도 배치할 수 있다. 또한, c64x+ DSP 코어는 TCI6482 같은 DSP의 이전 세대와도 호환이 가능하다. 이러한 호환성을 통해 3G 및 3.5G WCDMA 프로토콜에 공통하는 대다수의 기능을 TCI6487 기능을 갖춘 LTE 시스템으로 원활하게 마이그레이트가 가능하다. 그리고 코드 컴포저 스튜디오 같이 TI의 DSP에 사용되는 소프트웨어 개발 툴도 TCI6487에서 이용할 수 있다. 이것은 개발자에게 효율적이고 익숙한 소프트웨어 개발 툴 세트가 될 것이다.

• 프로세싱 강화 애플리케이션을 위한 헤드룸
세 개의 1.2GHz DSP 코어가 구현된 더 빠른 버전의 새로운 TCI6487이 최근에 도입되면서 개발자에게 추가적인 프로세싱 헤드룸이 생겼고 이를 통해 더 많은 LTE 특성과 기능을 구현할 수 있게 되었다. LTE 네트워크에서 예상되는 프로세싱 강화 애플리케이션의 유형을 고려했을 때, 새 TCI6487의 높아진 프로세싱 속도는 의심할 나위없이 훌륭히 사용될 것이다.

• 강력한 소프트웨어 지원
LTE 개발과 배치 프로그램 성공에 결정적인 요소는, 시스템의 소프트웨어 환경에 있다. TI DSP의 간단한 프로그래밍 능력과 완전한 기능을 하는 소프트웨어 플랫폼을 결합하면 개발시간이 크게 단축된다. TCI6487을 위한 LTE 릴리즈 3 소프트웨어 라이브러리는 바로 구현할 수 있도록 만반의 준비가 되어 있고 모든 테스트를 마친 LTE 소프트웨어 모듈로서, 여기에는 모듈레이션 맵핑, 스크램블링, 채널 균등화, RACH 프로세싱 등 LTE PHY 기능이 모두 포함되어 있다. 튼튼한 소프트웨어 툴과 강력한 프로그래밍 플랫폼의 제공으로 유연한 구현이 가능하다. 이것은 LTE 현장 실험과 배치에 중요한 요소이다.

• 빠른 시장출시 속도
TI 기술의 유연성과 확장성 및 실행 소프트웨어와 펌웨어의 이식성 덕분에, 많은 장치 공급업체는 현재의 플랫폼에서 LTE 제품으로 신속하게 마이그레이트 할 수 있게 되었다. 사실, TI는 한 기술 노드에서 다음 기술 노드로 코드 이동 가능성의 가치를 끊임없이 제조업체에게 제시한 바 있다. 무선 인프라 장치가 LTE로 이동하면서 이와 똑같은 일이 다시 벌어질 수 있다.

또한 TI 기술은 서비스 공급자가 LTE 시스템을 도입 단계에서 조기에 배치한 후 업그레이드와 개선은 나중에 효과적으로 이루어질 수 있도록 해준다. 예를 들어, LTE 네트워크의 초기 배치가 이루어진 후에, 현장 실험에서 포함되지 않았던 특성과 기능이 소비자 수요를 통해 드러날 수도 있다. TI의 기술을 통해, 초기 실험에서 배치된 장치를 쉽게 다시 프로그램하거나 표준이 수정 또는 추가되도록 업데이트를 하거나 후속 개선이 이루어질 수 있다.

• 세계 정상의 VoIP QoS (quality-of-service)
음성은 LTE 네트워크에서 패킷화된 또다른 애플리케이션이기 때문에, 캐리어는 LTE 시스템의 VoIP성능 품질에 매우 강한 확신을 가질 수 있어야 한다. 캐리어급의 품질이나 더 우수한 음성 품질이 아니라면, 가입자는 금방 그 서비스에 흥미를 잃게 될 것이며 가입자 이동률이 증가할 것이다. TI의 VoIP 성능은 업계에서도 능가할 자가 없다.

VoIP 전화부터 인프라 전반에 이르기까지, 가장 강력한 저전력 DSP 등을 포함하는 TI의 진화된 하드웨어 기반 프로세싱 기술과 업계를 선도하는 VoIP용 텔로지 소프트웨어(Telogy Software™)는 이미 가장 광범위한 최고 품질의 VoIP 애플리케이션을 지원하고 있다. 또한 TI의 PIQUA™ 품질 관리 기술은 실시간으로 관련 운영 데이터를 수집하여 오퍼레이터에게 고품질의 VoIP 서비스를 확보하는데 필요한 정보를 제공할 수 있다.

그림 3. TI의 PIQUA™
TI의 PIQUA™ 품질 관리 기술은 실시간으로 관련 운영 데이터를 수집하여 오퍼레이터에게 고품질의 VoIP 서비스를 확보하는데 필요한 정보를 제공할 수 있다.

새로운 서비스, 새로운 수익

LTE의 높은 데이터 전송률과 그 외 진화된 성능은 까다롭고 흥미로운 애플리케이션에 대한 가능성을 열어 주어 서비스 공급자에게 새로운 수익 흐름을 창출해 줄 것이다. 쌍방향 비디오 애플리케이션 같은 경우가 LTE에 적합한 경우이다. 데이터의 기가바이트 당 비용이 저렴해지고 성능은 높아지면서, 랩톱과 PC에서 검색이나 음악 다운로드처럼 당연한 것처럼 여겨지던 단순한 애플리케이션도 LTE 도래와 함께 모바일 디바이스에서 지원될 것으로 보인다.

DVB-H와 Media-FLO처럼 일방통행식의 무선 브로드캐스트와 멀티캐스트 서비스 같은 제한적인 서비스와는 달리, LTE의 높은 처리 속도는 같은 네트워크 상에서 비디오 서비스와 사용자의 쌍방향성을 둘 다 지원하게 될 것이다. 이를 통해 단일 방향성을 갖던 브로드캐스트 비디오 서비스가 아닌, 보다 참여적인 비디오 컨텐츠의 가능성이 열리게 될 것이다. 화상 회의와 고품질 멀티플레이어 게임 플랫폼도 LTE의 혜택을 보게 될 것이다.

이제 LTE 표준이 완료되면, 장치 제조업체와 서비스 공급자는 이 다면적 기술이 가지는 장점과 기회를 명확하게 파악할 수 있을 것이다. TI의 혁신적인 기술의 지원을 받는다면, LTE로의 전환을 빠르고 효과적으로 이루어낼 수 있다. 가입자는 결국, 높은 대역폭과 LTE의 진화된 성능을 활용하는 매력적인 애플리케이션에 끌리게 될 것이다.

아이씨엔 매거진 2009년 10월호

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