차세대 무선 통신으로 세대 교체가 시작된 유무선 네트..

무선 LAN에서 와이파이라는 이름이 채 익숙해지기도 전에 와이맥스, 와이브로, 무선 메시 네트워크, UWB, 지그비, 그리고 HSDPA 등 보다 다양한 차세대 무선 기술이 우리 눈앞에 성큼 다가왔다. 이제 통합 네트워크의 컨버전스를 눈앞에 두고 있으며, 근거리 무선 통신 기술에서부터 초광대역 통신 기술까지 차세대로 업그레이드됐다.


이대영 기자

하루가 다르게 빠른 발전을 보이는 것이 IT라는 것은 다 알고 있다. 최근 IT 중 뉴스 지면을 채우고 있는 분야는 바로 무선 통신 관련 기술이다. 최근 상용화된 이동 통신망을 기반으로 한 HSDPA, 한국의 먹거리를 책임진다는 와이브로에서부터 홈 네트워크 차세대 무선기술로 각광받는 UWB(Ultra Wide Band)나 지그비라는 단어가 하루도 빠짐없이 쏟아져 나오고 있다.

현재까지 모습을 드러낸 차세대 무선 통신 기술들의 지향점은 모두 유비쿼터스를 모두 지향점으로 발전하고 있다. 이제 유비쿼터스는 IT 분야의 종사하는 사람이 아니더라도 더 이상 생소한 전문용어가 아니다. 선진 IT 국가나 업체들은 향후 IT 산업의 주도권을 좌우할 유비쿼터스 관련 연구에 총력을 기울이고 있으며, 4G 이동 통신을 비롯한 보다 더 새롭고 빠른 무선 네트워크 서비스들이 조만간 그 모습을 드러나게 될 것이다.

전송거리의 한계를 벗어나 갈림길에 서다
전통적으로 무선 기술은 전송거리 별로 기술 표준을 나누고 있다.

(그림 1)에서 보는 바와 같이 10m 이하의 전송거리는 PAN(Personal Area Network)으로 불리며, IEEE 802.15 표준안으로 블루투스가 대표적인 무선 통신 기술이다. 150m 이하의 전송거리는 LAN(Local Area Network)으로 불리며, IEEE 802.11(a, b, g) 표준안으로 와이파이가 대표적이다. 50km까지의 전송거리는 MAN(Metropolitan Area Network)으로 불리며, IEEE 802.16-2004 규격으로 와이맥스가, 50km 이상의 전국 단일망을 구성하는 무선 기술은 WAN(Wide Area Network)으로 불리며, IEEE 802.16e 표준안의 모바일 와이맥스나 이동통신 기술인 WCDMA, HSDPA 등이 이에 속한다.

차세대 무선 기술들이 이런 전송거리의 한계를 벗어나게 됨에 따라 각 표준간에도 상호 보완과 대립의 갈림길에 직면하게 됐다.

먼저 IEEE 802.11 계열은 일반적으로 무선 LAN이라는 이름으로 널리 활용되고 있으며, 현재 802.11b 단계를 거쳐 전송 속도에서 큰 향상을 보인 802.11g 기술이 확대 보급되고 있는 상황이다. 802.11b가 2.3GHz 주파수 대역에서 11Mbps의 데이터 전송속도를, 802 11a는 5GHz에서 54Mbps, 802 11g는 2.4GHz 주파수 대역에서 54Mbps로 데이터를 전송한다. 2002년, 2003년을 거치면서 국내 54Mbps 무선 LAN 시장의 주도권은 802 11g가 장악한 바 있다.

최근 차세대 무선 LAN 표준인 802.11n에 대한 논의가 활발히 진행되고 있다. 802.11n은 기존 무선 LAN 가운데 가장 빠른 속도를 지원하는 802.11g보다 10배 이상인 최고 600Mbps 전송 속도를 보여주며, 전송거리도 최장 120m로 8배나 넓어졌다.

이처럼 성능이 향상된 배경은 여러 개의 안테나로 신호를 동시에 주고받는 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 기술 때문이다. 기존 802.11a, b, g의 무선 LAN은 통신 과정에서 속도가 저하돼 실제 사용자의 체감속도는 유선 인터넷보다 많이 느렸다. 하지만 최고치에 매우 근접한 속도를 낸다는 것이 이론 상의 802.11n이다. 이에 따라 802.11n에서는 다중 HDTV, 디지털 비디오 스트리밍 등 높은 대역폭의 동영상도 문제없이 처리할 수 있다. IEEE의 802.11n 표준은 2007년 4월 정도에나 최종 확정될 것으로 예상된다.

초안 단계인 802.11n 제품 출시, 부작용 우려
그러나 최근 유선 인터넷과 전송 속도와 비슷한 속도를 낸다는 차세대 무선 LAN인 802.11n에 대해 우려의 목소리가 나오고 있다. 내년에서야 표준안이 최종 확정되는데도 불구하고, 관련 업체들이 경쟁적으로 제품을 출시했기 때문이다. 이로 인해 잔뜩 기대감에 부풀렀던 사용자들은 802.11n 제품에 대해 기기 호환성과 전송 속도에서 실망감을 드러내고 있다. 더욱이 기존 무선 LAN의 전송 속도마저 떨어뜨리는 등의 간섭 현상마저 심각해 사용자뿐만 아니라 주변 사용자까지 피해를 입는 것이다.

아직 최종 표준이 정해지지 않은 초안 단계의 기술로 만든 라우터 제품이 완벽하리라고 기대하는 것 자체가 잘못된 설정일지도 모른다. 현재 출시된 802.11n제품의 주요 문제점은 다른 업체끼리 호환성이 떨어진다는 것과 802.11n과 기존 802.11g 제품을 연동할 때 전송 속도가 크게 떨어지는 문제가 발생한다는 점이다. 일부 전문가들은 구형 무선 라우터와 간섭을 피하기 위해 반경 120m를 커버하는 802.11n의 출력을 줄여야 하는 상황이라고 지적한다. 현재 시중에서 판매되는 802.11n 제품을 사용하고 있으며, 인근의 무선 LAN 속도까지 저하될 것이라는 우려다.

와이파이 얼라이언스(Wi-Fi Alliance)도 IEEE의 최종 표준이 나오기 전에는 소비자 보호를 위해 802.11n 제품에 대한 어떤 공식 인증도 하지 않겠다고 발표했다. 이 때문에 지난 5월 IEEE가 802.11n 전문가 회의에서 초안보다 진전된 1.0 버전을 표결에 붙였지만 심사위원들의 반대로 최종표준 후보안으로 상정하는데 실패한 바 있다.

관련 전문가는 IEEE가 현재 802.11n의 기술 결함에 대해 무려 1만 2000건에 달하는 커멘트를 받았기 때문에 최종표준까지 대폭적인 수정이 불가피하며, 아직 완성되지 않은 802.11n 제품 구매는 무리가 따른다고 충고한다.

802.16 계열, 유무선을 넘나드는 위치찾기
802.16 계열은 802.11 계열에 비해 보다 넓은 전송거리를 바탕으로 하는 MAN(Metropolitan Area Network) 기술이며, 기존 유선 광대역 네트워크의 보완제 개념으로 크게 주목받으며 성장했다. 게다가 점차 이동성에 대한 기술적 한계를 극복하고 이동통신 네트워크까지 지원한다는 계획이다.

현재 와이맥스 포럼을 중심으로 표준화 논의가 진행 중이며, 전세계적으로 서비스 테스트와 시범 서비스가 시행되고 가운데, 국내에서 KT는 지난 6월 말, 와이브로라고 불리는 모바일 와이맥스의 상용 서비스를 시작했다.

올해 IEEE 802.16의 주요 개선 사항은 고정된 OFDM 기술에 측정 능력과 멀티 엑세스 능력을 더한 것이라고 집약해 말할 수 있다. 와이맥스는 채널을 측정 가능하게 만들 것이며, 라인을 확장해 초고속 무선 네트워크가 보다 광범위한 지역까지 닿을 수 있도록 만드는 데 초점을 두고 있다. 고정 무선 접속은 OFDM이라고 하고, 측정 가능한 기술이 더해진 무선 접속은 SOFDMA라고 한다.

·802.16
2000년에 활동하기 시작한 IEEE 802.16 그룹은 2002년 4월에 10GHz∼66GHz 대역에서 운용되는 802.16 버전의 표준을 최초로 발표하게 됐다. 이 기술 표준은 가시성(Line of Sight) 확보를 전제로 하고 있으며, 고속 전송속도에 주안점을 두고 있는 기술이다.

·802.16a
802.16 버전을 보완해 2GHz∼11GHz의 낮은 주파수 대역에서의 운용을 목적으로 개발된 것이 802.16a이며, 주파수 특성상 가시성 요건 문제가 어느 정도 해결됐고, 비면허 주파수 대역을 활용할 수 있게 돼 상당한 주목을 받았다.

·802.16-2004(고정형 와이맥스)
802.16-2004 버전은 고정형(Fixed) 와이맥스라고도 불리며, 와이맥스 포럼에서 와이맥스의 기반 기술로 선정한 바 있는 기술표준이다. 주로 고정기기 간의 무선 통신에 대해 다루고 있으며, 가시선이 확보되는 경우는 45km까지 전송거리가 확대될 수 있으나, 가시권이 확보되지 못하는 도시 지역 환경에서는 1∼2km까지로 설정돼 있다. 주파수 대역은 2GHz∼11GHz 대역을 활용할 수 있고, 섹터 당 20MHz의 채널을 바탕으로 전송속도는 최대 75Mbps까지 구현할 수 있는 것으로 알려져 있다.

현재 가장 활발한 활동이 이뤄지고 있는 와이맥스 802.16-2004 버전은 점차 시장을 형성하기 위한 준비가 한창이다. 2004년 7월에 장비 상호간에 호환을 염두에 둔 표준안 승인이 이뤄진 후, 2005년 상반기에 일부 802.16-2004 표준안을 기반으로 한 인증 칩셋의 양산 체제가 어느 정도 갖춰졌다. 이에 따라 점차 전단계 와이맥스 인증 장비가 시장에 선보이기 시작했다.

·802.16e(모바일 와이맥스)
모바일 와이맥스로 불려지는 802.16e는 802.16-2004 버전이 갖고 있던 이동성의 한계를 극복해 노트북PC, PDA, 이동전화 등 이동형 기기를 통해 접속할 수 있도록 개발되는 표준안이다. 그간 셀 간 이동과 관련한 핸드오프 문제가 가장 큰 이슈로 대두됐는데, 이를 극복하고 2GHz∼6GHz 대역을 바탕으로 개발이 진행중이다.

국내에서 추진하는 와이브로는 현재 802.16-2004 버전의 제반 요소 가운데 공중 인터페이스에서 완벽하게 호환이 가능한 공통분모가 큰 기술이다. 따라서 802.16e 계열과 접목해 이동형 와이맥스의 개발과 표준화 선도에 나설 수 있을 것으로 분석된다.

2005년 12월, IEEE로부터 표준 승인이 완료된 바 있는 이 표준안은 세계적으로는 구체적인 승인 제품의 출시는 2006년 말 정도에나 가능할 것으로 예상된다. 이 후 망 구축이 본격화돼 상용 서비스를 개시하기까지는 2007년 하반기가 넘어야 할 것으로 전문가들은 예상한다. 또한 아직까지 802.16-2004 고정형 와이맥스와 연동 가능한 승인 제품 역시 없는 상황이다.

한편 802.16e 버전은 이동성이 강화됨에 따라 포괄할 수 있는 전송거리 역시 확대돼 802.16-2004 버전보다 더 넓은 WAN 개념으로 인식되고 있으며, 장기적으로 802.16 계열의 기술은 향후 802.20 계열의 기술과 경쟁, 융합할 것으로 예상돼, 하나의 칩으로 와이맥스나 와이파이, 블루투스 등 모바일 무선 기술을 융합시키는 방향으로 기술이 진화할 것으로 전망되고 있다.

·802.20
802.20 계열은 802.16-2004의 와이맥스 이외에 무선 광대역 서비스 제공을 위한 접속 기술 개발을 목적으로 한다. 이동 통신 계열의 기술을 바탕으로 이동성이 강화된 802.20 계열의 움직임도 있으며, 지속적인 기술 개발과 서비스 준비가 진행중이다.

802.16 계열의 기술이 기존 기술을 계승, 지속적으로 개선해 가는 과정을 밟고 있다고 한다면, 802.20 기술은 기존 기술과의 큰 연계성을 가지지 않고, 오히려 이동통신 계열의 기술을 바탕으로 광대역 무선 인터넷에 접근하고 있다는 차이점을 보이고 있다.

주파수 공유 측면에서 유리한 UWB
전송거리로 나뉘는 일반 무선 기술과는 달리 UWB 무선 통신은 기존 CDMA 기술, 즉 와이드밴드와 구분하기 위해 중심 주파수의 25% 이상의 점유 대역폭을 차지하는 시스템 혹은 1.5GHz 이상의 점유 대역폭을 차지하는 무선 전송 기술 시스템을 UWB(Ultra Wide Band)라 정의했다.

주파수 스펙트럼 상에서 UWB의 경우 매우 넓은 주파수 대역에 걸쳐 전력 스펙트럼 밀도가 존재하므로, 상대적으로 전력 스펙트럼 밀도가 낮고, 기존 무선 통신 시스템에 간섭을 주지 않아 주파수 공유 측면에서 매우 유리함을 알 수 있다.

유비쿼터스 시대를 맞이하기 위해서는 빠른 속도로 데이터를 전송할 수 있는 새로운 서비스에 따른 주파수 자원의 확보가 관건인 상황에서 정부나 관련 업체들은 이 기술이 반갑지 않을 수 없다.

UWB의 특성은 다음과 같다.

·송수신기의 소형화, 저전력화, 저가격화
기존의 무선 통신 방식은 대부분 1918년에 하워드 암스트롱에 의해 개발된 수퍼 헤테로다인(Super-heterodyne) 방식을 이용하고 있다. 반면에 UWB은 기저대역에서의 직접 변환에 의한 호모다인(Homodyne) 방식을 사용하므로 협대역 통신 방식과 달리, 송/수신기에서의 주파수 천이 과정(carrier-free)이 필요치 않으므로 기존 구조에 비해 구성이 상대적으로 간단해, 여러 장치가 필요하지 않다. UWB의 간단한 구조는 재료비와 조립 비용을 감소시킬 수 있을 뿐 아니라 저비용의 DSP(Digital signal Processing)사용을 용이하게 할 수 있다.

·높은 주파수 전송량
UWB는 기존 무선 기술보다 더 낮은 비용과 전력 소비로 훨씬 넓은 주파수 대역을 이용해, 높은 주파수 전송량(spatial capacity)를 제공할 수 있다. 블루투스 그룹이나 IEEE 802 그룹에서 표준을 향상시키고 있지만, 제한 주파수 폭 때문에 이런 시스템들은 주파수 전송량 향상에 한계를 가질 수밖에 없으며, 이에 비해 매우 넓은 주파수 대역폭을 이용하는 UWB는 높은 주파수 전송량을 제공할 수 있는 잠재성을 가지고 있다.

·채널 용량과 거리와의 상관 관계로 인한 거리 제한조건
UWB은 기본적으로 기존 협대역 시스템들과 주파수를 공유해야 하기 때문에 상호 간섭을 고려해 사용 주파수 대역과 송신 출력이 제한될 수밖에 없다. 또한 프로세싱을 높이기 위해서는 의무 사이클과 한 비트(bit)를 전송하기 위한 반복 주기를 길게 해야 하므로, 전송 거리가 멀어질수록 전송 가능한 데이터 율은 감소하게 된다.

·멀티패스에 강함
UWB는 매우 짧은 펄스(수십 피코∼수 나노)를 이용해 통신하기 때문에 직접파와 반사파의 경로 도달거리가 조금만 차이가 나도 두 신호는 서로 구분될 수 있다. 이론적으로 500ps의 폭을 갖는 펄스를 이용하는 UWB 시스템의 경우, 경로 차 15Cm 이상이면 두 펄스 신호는 서로 구분될 수 있고, 상호 간섭을 야기하지 않게 된다.

·기존 협대역과 주파수 공유
저 전력의 송신전력을 넓은 대역에 걸쳐서 송신하기 때문에 협대역 관점에서 UWB 전력 스펙트럼을 보면, 기저 대역 잡음과 같이 보일 수 있고, 이런 이유 때문에 기존 협대역에 심각한 장애를 야기하지 않고 동일 대역을 공유할 수 있게 된다. 물론 기존 협대역으로부터 UWB 신호가 간섭을 받을 수도 있기 때문에 UWB를 기존의 무선 기술과 주파수 공유를 하기 위해서는 주의 깊은 망 설계가 필요할 것이다.

·정밀한 위치 인식과 추적 가능
UWB은 매우 짧은 펄스를 이용한 레이더에서 진화해 통신에 적용된 방식으로 짧은 펄스에 의한 분해능을 이용하여 cm 레벨의 정밀도를 구현할 수 있다.

·우수한 장애물 투과 특성
저주파수에서 매우 큰 대역폭을 갖고 있기 때문에 투과 특성이 우수해 빌딩 내부, 도심지, 삼림 지역에서도 운용이 가능하다.

4G로 가는 이동통신 기술, MIMO-OFDM
3.5G 이동통신 기술인 HSDPA가 드디어 상용 서비스로 선보였다. 모바일 브로드밴드는 3.5G 이동 통신의 특징이다. 이동형 고속 데이터 서비스가 가능하기 위해서는 기술적으로 MIMO 시스템이 필수적이다. OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)은 주파수, 시간을 분할해 할당하는 방식으로 광대역 전송 시스템에 유리한 이유로 3.5∼4G 기술의 핵심으로 부상하고 있다.

·MIMO
MIMO는 다중의 입출력을 갖고 있는 안테나 시스템을 뜻하는데, 안테나마다 서로 다른 정보를 전송할 수 있어 정보의 양과 신뢰를 높일 수 있는 것이 특징이다. 현재 이동 통신에서는 단일 송수신 안테나를 쓰기 때문에 빠르고 폭넓은 데이터 처리에 한계가 있다. 기존의 이동 통신은 음성 서비스 위주였으며, 채널의 열악성을 극복하기 위해 주로 채널 코딩을 이용했다. 그러나 언제, 어디서나 누구와도 통화가 가능한 고품질의 멀티미디어 서비스가 요구됨에 따라 기존의 음성 중심에서 데이터 위주로 그 중심이 이동하게 되고, 이를 실현하기 위해서 많은 양의 데이터를, 더욱 빨리, 그리고 오류가 적게 보내는 기술이 요구됐다.

그러나 이동통신 환경은 다중경로, 음영효과, 전파감쇠, 간섭 등의 영향으로 인해 신호를 크게 왜곡시킨다. 특히 다중경로에 의한 페이딩 현상은 각각의 경로를 거쳐 수신되는 서로 다른 크기와 위상을 갖는 신호의 합에 의한 신호의 심각한 왜곡을 초래한다. 이런 페이딩 현상은 고속 디지털 통신이 해결해야 할 문제 중의 하나로, 이를 해결하기 위해 등장한 방법 중 하나가 MIMO 시스템이다.

MIMO은 기존 SISO(Single Input Single Output)을 발달시킨 형태로, 송신 측과 수신 측의 안테나를 여러 개 사용한다. 이를 통해 대역폭은 더 이상 늘리지 않고 기존 SISO보다 더욱 많은 데이터를 보내는 장점이 있다.

·OFDM
OFDM 방식은 현재 고속 데이터 전송에 가장 적합한 변조 방식이다. OFDM은 다수 반송파 전송(multicarrier transmission)의 특수한 형태로 볼 수 있으며, 하나의 데이터열이 보다 낮은 데이터 전송률을 갖는 부반송파를 통해 전송된다.

OFDM은 변조 기술과 다중화 기술의 두 가지 형태로 볼 수 있다. 무선 통신의 채널 환경은 건물과 같은 장애물로 인해 다중경로를 갖는다. 다중경로가 있는 무선채널에서는 다중경로에 의한 지연확산이 생기고 다음 심벌이 전송되는 시간보다 지연확산 시간이 클 경우 심벌 간 간섭이 발생하게 된다.

이 경우 주파수 영역에서 보면, 선택적으로 페이딩(Frequency Selective Fading)이 발생하는데 하나의 반송 주파수(single-carrier)를 사용하는 경우, 심벌 간 간섭성분을 제거하기 위해 등화기를 사용한다. 하지만 데이터의 속도가 점점 증가하면서 등화기의 복잡도도 함께 증가한다.

OFDM 시스템에서는 고속의 데이터를 다수의 부반송파를 이용해 병렬로 전송함으로써 부반송파에서의 저속 전송효과를 얻을 수 있다. 현재 OFDM은 사용자의 요구에 맞춰 주파수와 시간을 제공할 수 있다는 이점 때문에 이미 유럽의 디지털 방송(DAB, DVB)에 채택됐으며, 5GHz 무선 LAN 대역에서도 정식 규격으로 채택됐다. 기존 CDMA는 이동환경에서 최대 144kbps 전송 속도에 불과해 대용량 데이터 처리가 힘들기 때문이다.

·MIMO-OFDM
현재의 무선통신 시스템은 제한된 주파수에 고품질, 대용량의 멀티미디어 데이터 전송을 목표로 한다. 이를 위해서 제한된 주파수를 사용해 많은 용량의 데이터를 보내는 방법이 대두되고 있는데, 바로 이 방법이 MIMO 시스템이다. 이 시스템은 주파수를 더 늘리지 않고도 보다 많은 양의 데이터를 보낼 수 있는 장점이 있다. 하지만 MIMO 시스템은 고속 전송 시 발생하는 심벌간의 간섭, 주파수 선택적 페이딩에 약하다는 단점이 있다.

이런 단점을 극복하기 위해 OFDM 방법을 함께 사용한다. OFDM은 데이터를 병렬 처리함으로써 고속의 데이터 스트림을 저속으로 분할해, 반송파를 사용해 동시 전송한다.

저속의 병렬 반송파를 상용함으로써 심벌구간이 증가하게 되므로 심볼 간의 간섭이 줄어들게 되고, 또한 보호 구간(Guard Interval)의 사용으로 간섭이 거의 완벽히 제거된다. 또한 OFDM은 여러 개의 반송파를 이용함으로써 주파수 선택적 페이딩에 강한 장점이 있다. 결국 이 두 시스템을 결함함으로써 MIMO 시스템의 장점은 그대로 이용하고, 단점은 OFDM을 이용해 상쇄시킬 수 있다.

<출처: 온더넷>