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LTE-A

개념
- 두개의 주파수를 가상으로 묶어 1개의 광대역 주파수처럼 사용할 수 있게 함으로써, 기존 LTE(3.9G)의 2배의 전송속도 제공 - LTE의 발전된 본격적 4세대 이동통신 기술로써, 정지 시 최대 전송속도 하향 1Gbps, 상향 500Mbps의 데이터 통신속도 제공(3GPPP)

I. LTE대비 2배, 3G 대비 10배의 4세대 이동통신, LTE-A의 개요

 가. LTE-A의 정의

  - 두개의 주파수를 가상으로 묶어 1개의 광대역 주파수처럼 사용할 수 있게 함으로써, 기존 LTE(3.9G)의 2배의 전송속도 제공

  - LTE의 발전된 본격적 4세대 이동통신 기술로써, 정지 시 최대 전송속도 하향 1Gbps, 상향 500Mbps의 데이터 통신속도 제공(3GPPP)

 

 나. 4세대 이동통신 LTE-A의 특징

  1) LTE-Advanced 및 주요 기술은 3GPP Release 10~12에 명시됨.
   - 3GPP : 3rd Generation Partnership Project

  2) 캐리어 애그리게이션(CA/Carrier Aggregation)를 통한 2개의 주파수 통합으로 기존 LTE 대비 2배의 전송속도 제공
   - 3G 대비 10배 향상.

  3) LTE대비, 주파수 효율이 평균 40~60% 향상

  4) 기존LTE와 호환되지 않음.
   - 기존 LTE 네트워크 업그레이드를 통한 망 제공 가능, 전용단말 필요.
   - 단, 엔디비아에서는 펌웨어 업데이트 만으로 LTE모뎀에서 LTE-A를 사용할 수 있게 했다고 함.

  5) 전송속도 증가에 따른 트래픽 증가 대안 필요

 

 다. LTE-A의 원리 (CA)

  1) 주파수 파형은 사인(sine) 곡선으로 되어 있고 'Hz'라는 단위로 표시합니다. 1Hz는 1초에 한 번 왕복하는 것을 의미하고, 100Hz는 1초에 100번 왕복한다는 뜻입니다.  

http://cfile7.uf.tistory.com/image/2429CB4E519442F5125B79

   <고정된 시간(1초)에 몇 번 왕복하느냐로 성능이 결정됩니다. 출처:wikipedia>

 

   이 주파수에는 데이터를 실어 나를 수 있습니다. 보통 1Hz로는 1bit를 보낼 수 있고 10Hz에는 10bit를 전송.

   국내에서 서비스하는 LTE는 10MHz에 75Mbit를 전송하며, 만약 10MHz가 아니라 20MHz를 사용한다면 150Mbit를 보낼 수 있다는 이론에서 고안

II. LTE-A의 주요 기술

 가. 멀티 캐리어 (Multi Carrier)

   1) 여러 개의 주파수 중 가장 양호한 신호를 보내주는 것 하나를 이용해서 통신하도록 해주는 기술

   2) LTE-A의 핵심 기술인 캐리어 에그리게이션(CA)을 위한 기반 기술

   3) 구성도 (SKT블로그)

http://cfile25.uf.tistory.com/image/0159F35050A1EB601392F7

 

   4) 국내 이동통신사들은 LTE를 위해 2개의 주파수를 사용

이통사

LG U+

SKT

KT

 확보 주파수

 800MHz 대

 2.1GHz 대 (MC)

 800MHz 대

 1.8GHz 대 (MC)

 900MHz 대 (MC)

 1.8GHz 대 

 

 

  •  LG U+와 SKT는 800MHz 대역을 주력으로 사용하고 각각 2.1GHz와 1.8GHz는 멀티 캐리어로 활용하고 있습니다. 반면 KT는 1.8GHz 대역을 주력으로 사용하고 900MHz 대역을 멀티 캐리어로 사용합니다.
  •  멀티 캐리어는 이용자의 위치에서 두 개의 주파수 중 품질이 좋은 것을 골라 사용하게 됩니다. 그러나 멀티 캐리어는 두 개의 주파수 중 하나를 선택하는 것이기에 품질에는 영향을 끼쳐도 이론상 속도인 75Mbps를 넘길 수는 없습니다.
  •   하지만 멀티 캐리어가 되지 않는다면 이어서 설명할 캐리어 애그리게이션 자체가 불가능하므로, LTE Advanced의 기본 기술이라 할 수 있습니다.

 

 나. 캐리어 애그리게이션(CA/Carrier Aggregation)

   1) 3GPP(3rd-Generation Partnership Project)  Relese10 에 포함되어 있는 LTE-A의 핵심기술

   2) '반송파 직접기술' 이라고 불리며, 다수의 요소 반송파(Component Carrier)를 하나로 묶어서 동시에 사용할 수 있게 해줌.

   3) 2개 이상(최대5개)의 주파수를 묶어 하나처럼 사용할 수 있게 해주는 기술.
    - 데이터 전송속도는 주파수 대역폭이 늘어나는 만큼 증가.

   4) 구성도

http://postfiles12.naver.net/20130628_299/netmaniascom_1372388868591yC3yY_GIF/fig3.gif?type=w2

http://cfile7.uf.tistory.com/image/214FAA36519450F4064865

    - 현재 국내에서 사용하는 LTE 주파수의 대역폭은 10MHz이고, 10MHz의 대역폭으로는 최대 75Mbps로 데이터 전송이 가능.

    - LTE Advanced에서는 두 개의 주파수에서 각각 10MHz의 대역폭을 하나로 묶어 20MHz 대역폭으로 만든 뒤 여기에 150Mbps의 전송속도 제공.

 

   5) 국내 CA 테스트 화면(SKT)

 

 

   [참고] CA가 수용할 수 있는 주파수는 5개! 그런데 왜 2개만 사용?

  •  캐리어 애그리케이션은 최대 5개의 주파수를 사용하여 대역폭은 100MHz까지 올릴 수 있으므로 '75Mbit * 10(10MHz / 100MHz) = 750Mbit'라는 공식이 성립됨.
  •  하지만, 주파수는 공공재이고 국가별로 사용할 수 있는 대역도 한정되어 있기 때문에 모든 주파수를 이동통신에 할당할 수 없고, 구매와 관리 비용도 천문학적이므로 5개의 주파수를 한 이동통신사에서 사용한다는 것은 꿈 같은 일이라 사실상 5개를 통합한다는 것은 불가능.

 

 다. Advanced MIMO

  1) MIMO(Multiple-Input, Multiple-Output) (4x4 MIMO)
   - 무선 통신의 용량을 높이기 위한 스마트 안테나 기술,
   - MIMO는 2개 이상의 안테나가 동시에 동작하여 고속의 데이터 교환이 가능.
   - MIMO를 통해, LTE는 Downlink에서 최대 4개의 송신공간 층과 최대 4개의 UE(User Equipment)1)를 지원, Uplink에서는 UE 당 최대 1대(Enb 다이버시티 수신기사용) 지원

 

   2) Advanced MIMO (8x8 MIMO)
    - MIMO는 LTE의 주요 기술이며, LTE-A에서는 기존 MIMO 기술을 더욱 향상시킨 Advanced MIMO 기술을 개발
    - 더 많은 안테나를 사용하여 주파수 효율 및 통신 안정성 향상
    - Advanced MIMO를 통해, LTE-A는 Downlink에서 최대 8개의 송신공간 층과 최대 8개의 UE 지원, Uplink에서는 UE는 최대 4대의 송신기 지원이 가능

 

  3) MIMO와 Advanced MIMO 비교

구분

LTE(Release8)

LTE-Advanced(Release10)

Downlink

4x4 MIMO

8x8 MIMO

Uplink

1x2 MIMO

4x4 MIMO

구성도

 

 라. CoMP(Coordinated Multi-Point)

  1) 이웃 기지국간 협력하여 간섭제어를 해서 셀 경계 throughput을 높임

 

  2) 셀(Cell) 간 간섭을 최소화하면서 전송 용량을 증대시키는 기술
   - 여러 셀들이 서로 협력하여 간섭을 최소화하면서 주변 셀들을 스케줄링을 하거나 빔 형성을 통해 단말에게 가해지는 간섭을 최소화 하여 성능을 향상시킴
   - CoMP를 통해 셀 중심뿐만 아니라 셀 가장자리(Cell-Edge)에 있는 단말들에게도 높은 데이터 속도 지원 가능
    ※ 셀 가장자리는 주변 셀들의 간섭에 큰 영향을 받기 때문에 셀 간 협력이 없이는 일정 한계 이상의 성능을 보장받기 어려움

 

  3) CoMP는 동일 시스템은 물론 Picocell, Femtocell 등과 같은 스몰셀(Small Cell)을 위한 협력전송 기술에 대한 연구도 진행 중임

 

 마. 스몰 셀 (Small Cell)

  1.  셀(cell)이란 하나의 기지국에서 커버 가능한 구역을 일컳음.
  2.    - 휴대폰을 초기에 셀룰러 폰(Cellular Phone) 또는 셀 폰(Cell Phone)이라 부른 이유..
  3.  주파수 재사용률 (frequency reuse factor)을 높여서 같은 주파수를 지역적으로 더 자주 사용할 수 있게 하는 기술
  4.  LTE-A에서 속도가 향상됨에 따라 데이터 전송량이 많이지고, 이에 따른 트래픽 수용을 위함.
  5.  스몰 셀은 부하가 많이 걸리는 지역에만 설치하면 되므로 구축 비용이 적게 들고 매크로 셀과 연동을 할 수 있어 셀과 셀 사이를 이동할 때 생기는 핸드오프(hand-off) 현상이 없어 스마트폰의 배터리 소모를 줄이고 끊김 현상도 없음
  6.  스몰셀 간의 간섭을 막기 위한 대책으로 eICIC 도입
  7.  기지국 종류.

구분

종류

내용

기존의 기지국

매크로 셀 (Macro Cell)

- 30~100Km,

- 광범위/ 기지국간의 공백 있음

스몰셀

(소형 기지국)

펨토셀 (Femto Cell),

- 10m이내, 20명 수용 (특정건물)

피코셀 (Pico Cell)

- 100~200m, 200명 수용 (일정 범위)

http://cfile6.uf.tistory.com/image/26179B445194844D2D8023

   <매크로 셀과 스몰셀 범위. 이미지 출처 : 퀄컴>

    위의 이미지는 매크로 셀, 피코셀, 펨토셀의 범위를 보여주는 것입니다. 가장 넓은 원이 매크로 셀로 한 지역을 다 덮고 있으며 2~3개의 건물을 커버하는 원이 피코셀, 가장 짙은 색으로 표현된 작은 원이 펨토셀입니다.

 

 바. eICIC (enhanced Inter-Cell Interference Coordination)

  1) 차세대 주파수 간섭 제어 기술

  2) 커버리지가 큰 대형(매크로) 기지국과 커버리지가 작은 소형 기지국이 혼재된 상황에서 양측의 간섭 현상을 조정해주는 솔루션

  3) 스몰셀간의 주파수 간섭을 해결하기 위한 주파수 간섭 제어 기술

  4) 트래픽 집중 지역에 대한 문제 해결을 위한 소형 기지국추가로 기지국간 간섭 현상 심화 해결 필요에 따라 등장 (간섭현상 방지)

 

 

 사. 다이나믹 셀렉션

  1) 커버리지 지역을 벗어나도 CA를 지속적으로 유지시키기 위해 실시되는 기지국간의 스케줄링 기술

 

III. 국내 LTE Advanced 현황

 가. LTE-Advanced 및 주요 기술은 3GPP Release 10~12에 명시됨.
  - 3GPP : 3rd Generation Partnership Project

 

 나. 국내에서는 SKT에서 2013년 6월 26일 세계 최초로 LTE-A 사용화
  - 150Mbps 제공(기존LTE 75Mbps)

 

 다. LGT와 KT는 2013년 7월 이후 서비스 예정
  - 단 KT의 경우, LTE-A가 아닌, 광대역 LTE서비스 예정(주파수 할당 시)

 

 [참고1] LTE-A와 광대역LTE비교

사용자 삽입 이미지

   이미 1.8GHz를 할당 받은 KT가 추가로 1.8GHz를 할당 받아 2개의 동일한 주파수 대역을 갖게 되면, LTE-A의 핵심 기술인, CA(주파수 병합)를 사용하지 않아도 2배의 LTE를 제공가능

 

 [참고2] 이동통신 기술 변화

0세대

MTS · MTA · MTB · MTC · IMTS · MTD · AMTS · OLT · Autoradiopuhelin

1세대

NMT · AMPS · Hicap · Mobitex · DataTAC · TACS · ETACS

2세대

GSM/3GPP 계열

GSM · CSD

3GPP2 계열

cdmaOne (IS-95)

그 외

D-AMPS (IS-54IS-136) · CDPD · iDEN · PDC · PHS

2세대 진화형
(2.5G, 2.75G)

GSM/3GPP 계열

HSCSD · GPRS · EDGE/EGPRS

3GPP2 계열

CDMA2000 1xRTT (IS-2000) · PCS

그 외

WiDEN

3세대

3GPP 계열

UMTS (UTRAN) · WCDMA-FDD · WCDMA-TDD · UTRA-TDD LCR (TD-SCDMA)

3GPP2 계열

CDMA2000 1xEV-DO (IS-856)

3G 진화형
(3.5G, 3.9G)

3GPP 계열

HSDPA · HSUPA · HSPA+ · LTE (E-UTRA)

3GPP2 계열

EV-DO 리비전 A · EV-DO 리비전 B · EV-DO 리비전 C(UMB)

그 외

모바일 와이맥스 · 와이브로 (IEEE 802.16e-2005) · Flash-OFDM · IEEE 802.20

4세대
(IMT-Advanced)

3GPP 계열

LTE 어드밴스트

와이맥스 계열

와이브로 에볼루션 (IEEE 802.16m)

5세대

3GPP 계열

미확인

3GPP2 계열

미확인

 

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