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16-2 4G/5G 핵심기술

16장. 네트워크 응용 기술과 차세대 네트워크

목포해양대 해양컴퓨터공학과 1

4G/5G 네트워크 관련 기술 (1)

네트워크 기술의 구성요소

무선주파수 기술/ 액세스 네트워크 기술/ 코어 네트워크

기술/ 응용 기술

무선주파수(radio) 기술

사용 주파수의 효율적인 전송/수신과 관련된 기술

액세스 네트워크(access network) 기술

사용자들로 하여금 네트워크에 접속할 수 있도록 하는 기술

셀 방식을 중심으로 메쉬 네트워크나 애드혹(ad-hoc)

네트워크 등 기술 포함

코어 네트워크(core network) 기술

통합-IP 개념이 적용된 핵심 네트워크 기술



응용(application) 기술

이동통신 서비스를 이용할 수 있도록 해주는 모바일

플랫폼과 각종 응용프로그램과 관련된 기술

기존 3G 이동통신 기술적 한계를 극복하기 위한 주파수

효율성 향상, 가격대비 전송률 최적화, 기존 통신 및

방송시스템과의 융합 등을 고려한 것

4G/5G 네트워크 핵심기술

OFDM 기술 : 주파수 대역을 효율적으로 사용하기 위한 무선

다중접속 및 다중화 방식

고속 패킷 데이터 전송 방식 : MIMO 기술, 스마트 안테나

기술, UWB기술, SDR기술, SDN 기술, 자율 네트워킹 기술,

가상화 기술



MIMO

2008년 10월 ITU-R 서울 회의에서 시연된 ‘Wibro

Evolution’에 MIMO 적용

가상화 기술

차세대 5G 네트워크로의 진화를 선도하는 핵심기술

중 하나

2014년부터 시범 적용

소프트웨어 정의 네트워크(SDN)과 연계된 ‘네트워크

가상화 기술(NFV)’

소프트웨어 기반 기능을 분리

통신사업자들이 효율적으로 기반 자원 관리(비용 절감)


MIMO 기술 (1)

Multiple Input Multiple Output

이동통신 환경에서 다수의 안테나를 사용하여 데이터를

교환하는 다중 안테나 신호처리 기술

복수의 안테나를 이용하여 전송 측에서부터 분기 기법을

이용하는 방법

관련 기술로는 STTD(Space-Time Transmit Diversity), OTD(Orthogonal

Transmit Diversity), TSTD(Time Switched Transmit Diversity) 등이 있음

전송 측에 M개의 안테나를 배열하고 수신 측에도 N개의

안테나를 배열하여 다양한 방법으로 신호를 보내 N배의

전송률 증가 효과

OFDM 기술과 함께 사용될 경우 고속의 전송률과 전송데이터를

대용량화할 수 있는 멀티미디어 서비스에 이용 가능한 기술


MIMO 기술 (2)


OFDM 기술 (1)

무선링크를 통해 데이터를 고속으로 전송할

경우 다중경로 페이딩과 도플러 확산

등으로 오류율이 높아짐

(해결책) 대역확산(spread spectrum) 방식 사용

DS(Direct Sequence) 방식 : 하드웨어 복잡도가

증가/ 다수 사용자 간섭현상으로 인한 용량 한계

FH(Frequency Hopping) 방식 : 고속 데이터 전송

시에 동기 추출에 어려움 발생

이러한 문제점에 대한 해결책

직교주파수 분할 다중화(OFDM) 기술


OFDM 기술 (2)

OFDM의 기본 원리

대역확산 기술을 사용하여, 정확한 주파수에서 일정

간격 떨어져 있는 다수의 반송파에 데이터를 분산

주파수 간격을 최소화하기 위해 자신 외의 다른

주파수를 참조하는 것을 방지

반송파 간의 성분 분리를 위한 ‘직교성(orthogonal)’

부여

고속의 전송률을 갖는 데이터 열을 낮은 전송률을 갖는

많은 수의 데이터 열로 나누고, 이들을 다수의

부반송파를 사용하여 동시에 전송하는 기술


OFDM 기술 (3)

OFDM의 기본 원리 (계속)

데이터 열을 여러 개의 부채널로 동시에 전송하는 다중 반송파

전송 방식의 특별한 형태

고속의 원천 데이터 열을 다중의 채널로 동시에 전송한다는

측면에서 ‘다중화 기술’

다중의 반송파에 분할하여 전송한다는 관점에서 일종의 ‘변조

기술’이 됨

각 부반송파의 파형 시간축 상으로는 직교하나,

주파수축상에서는 overlap됨


OFDM 기술 (4)

OFDM의 장점

주파수 효율성 향상

부채널이 주파수상에서 중첩되므로 주파수 사용 대역의

효율성이 향상

다중경로 페이딩 현상에 유리

지연확산(delay spread)에 의한 심볼 간 간섭(ISI)이 줄어듬

도플러 천이 효과로 인해 이동 수신 시 주로 문제가

되는 도플러 효과에도 효율적임

FFT를 이용하여 고속의 신호처리가 가능하므로 고속

구현도 쉬워지며, 복잡한 등화기가 필요하지 않고,

임펄스 잡음에 강함


OFDM 기술 (5)

OFDM의 장점 (계속)

부반송파 간에 직교성이 유지되므로 이동통신 셀

간의 간섭이 없고, 자원할당이 비교적 수월

협대역 간섭이 일부 부반송파에만 영향을 주므로

협대역 간섭에 강함

OFDM의 단점

위상잡음 및 전송 및 수신단 간의 반송파 주파수

옵셋에 민감

수신되는 부반송파 간의 직교성이 상실되면

신호 대 잡음비(SNR) 감소


SDR 기술 (1)

SDR(Software Defined Radio)

무선 이동통신 시스템에서 3G, 4G 이동통신을

통합하고 나아가 xDSL, CDMA, UMTS, 무선 LAN,

블루투스, 위성통신 등 다양한 통신 수단을

하나의 단말기에서 구현할 수 있도록 하는

기술

안테나 이후의 RF 영역을 포함한 대부분의

기능들이 프로그래밍이 가능한 고속

처리소자에 의해 구현된 소프트웨어 모듈에

의해 수행됨 목포해양대 해양컴퓨터공학과 12

SDR 기술 (2)

하드웨어 교체 없이 필요한 소프트웨어의

재구성만으로 다중 무선 접속규격 또는 서비스

기능이 가능해짐

고정된 RF 하드웨어를 최소화하고, 디지털

변환기(ADC) 위치를 가능한 한 RF 영역으로 옮겨서

DSP 또는 유동적 하드웨어를 이용하여 신호를

처리함

서비스에 따라 시스템의 전환이 유동적으로

이루어지며, PC와 같은 개방형 모듈 구조를

사용함으로써 ‘Plug & Play’ 기능과 필요한

소프트웨어의 다운로드가 가능하도록 함


SDR 기술 (3)

기존 방식과 비교

BBA : 기저대역 어셈블리 ADC : 아날로그-디지털 변환기 MSM : 이동 스테이션 모뎀


SDN 기술 (1)

SDN(Software Defined Networking)

모바일 멀티미디어 데이터의 폭증과 데이터 트래픽의 dynamic

특성 변화에 효율적으로 대처하기 위해서

네트워크 장치나 대역폭과 같은 기반 자원의 최적 활용이 가능한

사용자 응용 지향 스마트 기반 구조가 요구되고 있음

SDN은 AT&T 사의 지오플렉스(GeoPlex) 프로젝트로부터 등장

SDN은 이러한 사용자 응용 지향 스마트 기반 구조에 대한

요구에 부합하는 차세대 네트워크 기술

다양한 응용들의 높은 대역폭, 동적 특성에 적합하고, 관리 및

비용의 효율성과 적응성이 뛰어난 새로운 구조

구조적 유연성과 개방성을 제공하기 위해서 중앙 집중형

제어계층과 개방형 API 구조


SDN 기술 (2)

SDN의 구조


UWB(초광대역) 기술 (1)

GHz대의 주파수를 사용하면서도 초당 수천∼수백만 회의

저출력 펄스로 구성되고, 대용량의 데이터를 0.5m/W 정도의

저전력으로 70m의 거리까지 전송 가능

1950년대에 미국 국방부가 군사적 목적으로 개발

미연방통신위원회(FCC)가 상업적 이용을 금지했으나, 2002년 2월

14일 상업적 용도 사용 승인

지하나 건물 벽 등의 장애를 받지 않아서 초고속 인터넷 접속은

물론, 레이더 기능 등을 갖는 차세대 무선통신 기술

IEEE 802.11과 블루투스 등에 비해 속도와 전력소모 등에서

유리

속도의 경우 10∼20배 앞서고, 필요한 전력량은 휴대전화나 무선

LAN에 비해 1/100 수준



사무실이나 가정에서 10m 내외의 거리에 위치한 개인용

컴퓨터와 주변기기 및 가전제품 등을 초고속 무선

인터페이스로 연결하는 무선 근거리 개인통신 네트워크에

적합한 기술

휴먼 인터페이스를 비롯하여 홈 네트워크, 무선LAN 등의

구축에 유용

광범위한 활용도

자동차용 ITS(Intelligent Transport System) 통신

산업 분야에서의 물류, 공장기계 컨트롤

자동차 충돌 방지, 산업용 거리측정기

초정밀 3차원 레이더

보안감시

재난구조 및 의료기기 등



UWB 기술의 특성



UWB 기술의 특성

수 나노 또는 피코 초의 매우 좁은 펄스를

사용하여 광범위한 주파수 대역에 걸쳐 매우 낮은

스펙트럼 전력 밀도가 존재

높은 보안성, 고속데이터 전송특성, 정확한 거리 및 위치

측정이 가능한 높은 해상도 제공이 가능

다중경로에 따른 영향을 적게 받고, 반송파를

사용하지 않으며 기저대역에서 통신이 이루어지기

때문에 전송기 및 수신기의 구조가 간단해짐

낮은 비용으로 제작 가능


자율 네트워킹 기술 (1)

인간의 개입을 최소화하면서 환경의 변화에

따라 네트워크 스스로 자율적인 관리 및

제어가 가능하도록 하는 기술

1997년 군사목적으로 출발하였으며, 2001년

IBM이 자율컴퓨팅이라는 개념을 제안

4가지 자율 기능 정의

자기구성(self-configuration)

“어떻게 실행하는가”와 같은 것을 자율 컴퓨팅

시스템에서 스스로 결정하도록 하는 개념



4가지 자율 기능 정의 (계속)

자기최적화(self-optimization)

서비스의 성능이나 품질개선을 위해서, 어떠한

상황이 발생하기 전에 미리 시스템 자원의 사용을

최적화하도록 하는 기능

자기복구(self-heeling)

시스템은 문제를 스스로 진단하여 문제해결을

시도해야 한다는 개념

무엇보다 자가 진단과 문제해결 능력과 관련된

자기복구 기능은 매우 중요함



4가지 자율 기능 정의 (계속)

자기보호(self-protection)

자율 시스템은 악의적인 공격으로부터 자신을 보호할 수 있어야

함 보안, 개인정보 보호, 데이터 보호를 위해 자율적으로

자신을 조율(tuning)한다는 개념

MAPE-K(Monitor, Analyze, Plan, Execute and Knowledge)

자율 루프 모델

IBM에서 제안한 자율 네트워킹의 실현을 위한 대표적인

참조 모델

인지 네트워크(cognitive network)

자기구성과 자기최적화 기능, 프로토콜 계층 간 정보 교환

설계를 강조하는 자율네트워킹의 한 형태


가상화 기술 (1)

가상화 기술이란?

‘물리적인 컴퓨터 자원의 특징을 다른 시스템, 응용프로그램,

최종 사용자들이 자원과 상호작용하는 방식으로부터

감추는 기술’

가상화는 크게 ‘플랫폼 가상화’와 ‘자원 가상화’로 구분

플랫폼 가상화 주어진 하드웨어 플랫폼의 제어

프로그램 곧 호스트 소프트웨어를 통해 실행되는 형태

호스트 소프트웨어 호스트(host) 아래의 게스트(guest)

소프트웨어에 맞추어 가상 머신(VM)이라는 가상 컴퓨터

환경을 만들어냄

게스트 소프트웨어 독립된 하드웨어 플랫폼에 설치된

것처럼 실행됨


가상화 기술 (2)

자원 가상화

저장 볼륨, 이름 공간, 네트워크 자원과 같은 특정한 시스템

자원 가상화로 확장

가상화 기술의 응용 예

서버 통합,

재해 복구,

휴대 작업 공간,

하드웨어 가상화 기술

가상 데스크톱 가상화(VDI)

컴퓨팅 자원을 한곳에 모아두고 언제 어디서든지 인터넷을

통하여 개인의 PC 환경을 사용할 수 있는 서비스를

제공하기 위하여 사용함


소형셀 기술 (1)

Small Cell

10m에서 1~2km에 이르는 유효 범위

인가 혹은 비인가 주파수 대역에서 동작

안테나당 10W급 이하의 저전력을 갖는 무선 액세스 노드

‘소형셀’이란 이름

수십 km의 범위를 갖는 모바일 매크로 셀과 비교하여

붙여졌음

사용하는 이유

건물 내부는 물론 건물 밖에서도 무선 서비스를 제공하고,

서비스 유효 범위를 확장하거나 네트워크 용량을

증가시키기 위함



소형셀의 유형

소형셀 네트워크는 분산 무선기술에 의해 구현

피코셀(picocell)

반경 200m 내외의 유효 범위

펨토셀(femtocell)

수십 미터 내외의 유효 범위

빔 형성 기술을 통해 소형셀의 유효 범위를 향상시키거나 집중할

수 있음

2013년 2월을 기준으로 9백 6십만 주거용 펨토셀이 설치 총

기지국의 56%

ABI 리서치 전망

2015년까지 모바일 데이터 트래픽의 48% 정도가 매크로

네트워크로부터 소형셀로 분산되어 처리될 것으로 추정



소형셀 구조



소형셀 구조 (계속)

종단에 시스코 3G 소형셀들과 소형셀

백홀(backhaul)이 위치

종단의 소형셀은 자체적으로 소형셀 기지국 기능을 탑재

LTE 네트워크 소형셀 기지국과 연계

백홀 : 보통 무선 접속 네트워크(Radio Access Network)와

코어 네트워크(Core Network)사이 의 범위를 지칭

시스코 본체

소형셀 게이트웨이

3G/4G Core망 연계

무선제어장치 등


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