■ MWC 기술 분석 2: LTE-Advanced – Carrier Aggregation

MWC 2013 기술 분석 (1편)에서 Service Aware RAN에 대해 알아보았었지요. 오늘은 LTE-Advanced 기술에 대해 알아보겠습니다. “LTE-Advanced 기술”이란 용어는 Air, 네트워크 구조, 서비스 등 여러 분야에서 바라볼 수 있어 광범위하죠. 우선 LTE-Advanced (이하 LTE-A) 시스템은 LTE 시스템에 비해 훨씬 높은 throughput (또는 용량)을 갖습니다. 높은 throughput을 얻는 방법은 여러 가지가 있는데 몇 가지 예를 들어보죠.

• 서로 다른 주파수 대역을 묶어서 동시에 사용, 즉 더 넓은 주파수 대역폭을 사용 (예, carrier aggregation (CA)) 
• 더 많은 안테나를 사용해서 주파수 효율을 높이고 통신 안정성을 높임 (예, 4x4 MIMO, 8x8 MIMO) 
• 이웃 기지국간 협력하여 간섭제어를 해서 셀 경계 throughput을 높임 (예, coordinated multi-point (CoMP))  
• 주파수 재사용률 (frequency reuse factor)을 높여서 같은 주파수를 지역적으로 더 자주 사용 (예: small cell) 

이 외에 Femto 또는 Pico와 같은 small cell을 사용하는 경우 Macro 기지국과 small cell이 협력하여 간섭제어를 하기 위한 enhanced inter-cell interference coordination (eICIC) 기술이 적용됩니다.

이번 MWC에서도 SKT가 LTE-A 기술로 스마트 폰을 이용하여 CA 기술을 시연하였고, Ericsson과 함께 CoMP, eICIC 등을 포함하는 Super Cell 기술을 시연하였습니다 (참고: MWC 2013 기술 동향). 이미 모든 이동통신 사업자가 LTE 전국망을 구성하고 있는 우리나라에서도 여러 LTE-A 기술이 선보이고 있는데요, 제일 먼저 상용 가능한 기술은 CA로 보이는군요.

이 글에서는 CA에 대해 살펴보겠습니다. 글쓰는 이나 대부분의 독자는 PHY/RF 전문가가 아니므로 (아닌가요?)  PHY 기술이슈가 아니라 CA와 관련된 부분들을 파악하고 개념 위주로 살펴봅니다. 

1. LTE/LTE-A 최대 전송률

먼저 이동통신 시스템별 최대 전송률이 어떻게 되는지 살펴볼까요? <표 1>은 3GPP 표준 및 국내 상용 시스템의 최대 전송률입니다 (이 글에서는 하향 (downlink)만 을 대상으로 함).

<표 1> 하향 최대 전송률 (Peak data rate in downlink)

3GPP 표준 규격에서는 release별로 대역폭 크기, 안테나 구성, modulation 방법에 따라 다양한 최대 전송률이 정의됩니다. LTE 표준에서는 대역폭은 1.4, 3, 5, 10, 15, 20MHz로 최대 20MHz까지 정의되어 있고 안테나 구성은 multiple-input multiple-output (MIMO) 2x2가 기본입니다. LTE-A 표준에서는 대역폭은 최대 100MHz까지 정의되어 있고 안테나 구성은 8x8까지 가능합니다.

그림 1은 상용 시스템의 최대 전송률을 비교한 것으로, LTE-A 시스템은 HSPA 대비 20배, HSPA+ 대비 7배, LTE 대비 2배의 최대 전송률을 지원합니다.

그림 1. 상용 시스템의 하향 최대 전송률 (Peak data rate in downlink)

현재 이동통신 3사의 LTE 상용 시스템은 10MHz 대역폭에 2x2 MIMO를 사용하여 최대 전송률이 75Mbps인데, LTE-A 상용 시스템은 20MHz 대역폭을 사용하여 150Mbps의 최대 전송률을 제공하게 됩니다. LTE-A 시스템이 20MHz 대역폭으로 동작하는 방법은 두 가지입니다.

• 첫째, 20MHz 크기의 대역폭을 사용 (광대역)
• 둘째, 10MHz 대역폭 두 개를 하나로 묶어서 동시에 사용 (carrier aggregation; CA)  

 현재 국내 상용 LTE 주파수는 대역폭이 모두 10MHz로 올해 하반기 상용화 예정인 LTE-A 시스템은 CA 기술을 적용하여 20MHz로 동작합니다. 역시 올해 하반기에 예정되어 있는 1.8GHz와 2.6GHz 대역의 4G 주파수 할당이 끝나면 향후에는 20MHz 광대역으로 동작할 수 있겠죠. 
 
2. LTE/LTE-A 주파수 

CA에 대해 알아보기 전에 현재 국내 LTE 주파수가 어떻게 할당되어 있는지도 알아볼까요? (참고: 전세계 상용 LTE 주파수 현황) <표 2>는 현재 이동통신 3사의 LTE 주파수 현황입니다.

<표 2> 이동통신 3사의 상용 LTE 주파수 현황: LTE 주파수 (Band), 대역폭

모든 LTE 주파수는 10MHz 대역폭으로, SKT, LG U+, KT 3사 모두 주 주파수를 사용하여 전국망 서비스를 하고 있고, SKT와 LG U+는 사용자 트래픽이 많은 지역에서 보조 주파수를 이용하여 multi-carrier (MC) 서비스를 제공하고 있습니다 (KT 900MHz 보조 주파수는 전파간섭 문제로 상용화가 연기된 상태). MC 기지국은 각 carrier별로 10MHz씩 20MHz를 사용하지만 단말은 한번에 하나의 carrier로만 통신하므로 최대 전송률은 75Mbps로 동작합니다.

그림 2는 <표 2>에 나타난 LTE 주파수와 올 하반기 할당 예정인 LTE 주파수 대역(녹색)을 같이 보여줍니다. 오늘 미래창조과학부가 LTE 주파수 할당안을 공개했군요. 다들 1.8GHz를 어느 이동통신 사업자가 확보할지 궁금하시죠?

  그림 2. 이동통신 3사의 상용 LTE 주파수 할당 현황 (2013년 할당 예정 포함)

현 LTE 주파수 대역에서는 20MHz 대역폭의 광대역이 없고 다른 주파수 대역을 묶어 CA 기술을 적용하여야 20MHz 대역폭이 얻어집니다. 추가 할당 예정인 1.8GHz와 2.6GHz 주파수를 고려하면 향후에는 같은 대역에서 20MHz 광대역을 사용하는 것 (예, 1.8GHz 대역 20MHz, 2.6GHz 대역 20MHz)과 CA 기술을 적용하는 것 모두 가능해집니다.

3. Carrier Aggregation (CA) 

10MHz 주파수 대역폭이 20MHz가 되면 최대 전송률이 2배가 되고, 현재 LTE 상용 주파수에서는 두 주파수를 CA로 묶어 사용해야만 LTE-A 속도(150Mbps)가 된다는 걸 알았으니 이제 CA에 대해 살펴봅시다.
CA는 서로 다른 주파수 대역을 동시에 이용하여 광대역을 만들어 통신하는 것으로, 단일 광대역을 이용하는 것보다 기술적으로도 어렵고 비용도 많이 듭니다. 하지만 LTE 가입자 및 트래픽 증가폭이 크므로 LTE-A에서는 CA를 사용할 수 밖에 없지요 (참고: 이동통신 3사 LTE 가입자수 증가 현황, LTE 트래픽 증가 현황). 

그림 3은 두 주파수 대역 (예, 850MHz, 1.8GHz)을 사용하는 CA 기지국에서 LTE 단말 (CA 지원 안함)과 LTE-A 단말 (CA 지원함)이 통신하는 경우를 나타냅니다. LTE 단말기는 MC로 850MHz 또는 1.8GHz로 최대 75Mbps까지 통신할 수 있고, LTE-A 단말기는 CA를 이용하여 850MHz와 1.8GHz로 동시에 통신하여 최대 150Mbps까지 통신할 수 있습니다. 대역별 커버리지가 다르므로, LTE-A 단말은 위치나 전파 수신 상태에 따라 LTE 단말기처럼 하나의 주파수로만 통신할 수도 있습니다.

 그림 3. Carrier Aggregation (CA) 시스템 예

■ CA 조합 종류

사업자마다 사용하는 주파수 대역이 다양하므로 여러 형태의 CA조합이 있을 수 있습니다. LTE에서는 1.4, 3, 5, 10, 15, 20 MHz의 단일 carrier가 정의되어 있고, LTE-A에서는 LTE에서 정의된 carrier를 component carrier (CC)로 정의하고 CC들을 묶어서 동시에 사용하는 CA 기술을 정의하였습니다. CC는 5개 묶음까지 가능하므로 LTE-A에서 최대 대역폭은 20MHz x 5 = 100MHz까지 가능합니다.

CA 조합의 종류는 아래와 같이 동일 band 안에서의 CA 조합 (Intra-band CA)과 다른 band 간 CA 조합 (Inter-band CA) 으로 분류되며, 그림 4는 그림 2의 LTE 주파수 할당 현황을 기반으로 CA 조합의 예를 보여줍니다 (아래 CA 조합에서 든 예와 그림 4는 주파수 할당 방안과는 아무 상관없으며, 순전히 CA 조합의 예를 설명하기 위함입니다). CA operating band 및 CA 조합 종류는 3GPP TS36.101에 정의되어 있습니다 (5.5 Operating bands, Table 5.5A-1, 5.5A-2, 5.5A-3 참조).

  그림 4. CA 조합 종류의 예  

그림 4는 이미 할당 되었거나 2013년에 할당예정인 LTE 주파수 만을 대상으로 한 것으로, 사업자가 운영하고 있는 주파수 활용 계획에 따라 (예를 들어 2G/3G 주파수 (일부)를 LTE로 변환) 향후 다른 CA 조합이 나타날 수 있습니다.  

■ CA Deployment 시나리오

CA 망을 구성할 때 carrier별로 coverage가 다를 수 있고, 사업자 정책에 따라 여러 형태의 deployment 시나리오가 존재합니다. 그림 5는 CA deployment 시나리오 중 일부입니다 (850MHz (F1)과 1.8GHz (F2)를 결합한 예). F2는 모두 throughput 향상에 기여하는데, (b)의 경우 F2 안테나가 F1 셀의 경계를 향하도록 하여 F1 셀의 edge throughput을 향상시키고, (c)의 경우 F2 셀은 F1 셀의 hot-spot 영역에 remote radio head (RRH) 셀을 구성하여 hot-spot 영역의 throughput을 향상시킵니다. 

 그림 5. CA Deployment Scenario

CA 시스템에서 단말은 2개의 주파수를 동시에 사용하므로 2개의 셀과 통신하게 됩니다. 하나는 primary cell (PCell)이고 다른 하나는 secondary cell (SCell)이지요. 단말은 먼저 PCell을 통하여 RRC 연결이 설정하여 통신을 하고, 추가로 무선 자원이 더 필요하면 RRC Connection Reconfiguration 과정을 통해 SCell과도 RRC 연결을 설정하여 PCell과 SCell 두 셀을 통해 두 셀을 통해 동시에 수신할 수 있습니다. 데이터 수신은 두 셀을 통해 하더라도 단말이 보내는 데이터는 PCell로만 전송되고, 시스템 정보 (system information) 획득 및 핸드오버 제어도 PCell을 통해 수행됩니다. 

■ UE Category

CA 기술을 사용하여 150Mbps의 최대 전송률을 제공하기 위해서는 기지국이 150Mbps로 전송할 수 있어야 할뿐만 아니라 단말도 150Mbps로 수신할 수 있어야 합니다. UE의 radio access capability는 3GPP TS 36.306(4.1 UE Category)에 UE category로 정의되어 있는데요, LTE (Rel. 8)에서는 1 ~ 5까지를, LTE-A (Rel. 10)에서는 새로이 3개 category가 추가되어 1 ~ 8까지를 정의하고 있습니다. <표 3>은 TS 36.306의 UE category 정의를 기반으로 category별 DL/UL 최대 전송률을 나타냅니다.

<표 3> UE Category 및 최대 전송률

 (source) Agilent Technologies, “Further Along the Road to 4G: An update on LTE and LTE-Advanced”, Page 22. 

<표 3>에서 보듯 LTE-A 망에서 150Mbps를 얻기 위해서는 최대 전송률 (DL)이 150Mbps인 Category 4 이상의 단말이 있어야 합니다. 이동통신 사업자들은 LTE-A 망 구축에 이미 착수한 상태로 Category 4 단말만 출시되면 LTE-A는 상용화될 예정입니다.

몇일 전 삼성전자가 CA를 지원하는 스마트폰 (퀄컴 스냅드래곤 800 칩셋을 탑재한 갤럭시S4)을 출시한다고 공식적으로 밝혔지요. 빠르면 6월말 SKT를 시작으로 LTE-A가 상용화됩니다.  LTE 상용 서비스는 2009년 12월 스웨덴에서 처음 시작됬는데요, LTE-A 상용 서비스는 우리나라가 최초가 되는군요..  

다음 글에서는 Small Cell 기술을 살펴보겠습니다.