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SK 텔레콤 LTE 진화방향: (1) 4.5G 진화 로드 맵 - 5-CA 상용화와 4x4 MIMO 도입
SK Telecom's LTE Evolution: (1) 4.5G evolution roadmap - 5-CA and 4x4 MIMO launched soon
May 14, 2017 | By 도미선 @ Netmanias
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삼성 갤럭시 S8 출시와 더불어 이동통신사의 신기술 마케팅이 한바탕 휩쓸고 있다. 속도 경쟁만 강조한다는 비판을 의식한 듯 고객만족과 품질향상을 앞세우고 있다.

 

지난 달 (4월 12일) KT는 C-DRX (Connected mode Discontinuous Reception) 기술을 4월 1일부터 전국 LTE 망에 적용하였고, 테스트 결과 스마트폰 배터리 소모가 평균 40% 감소하였다고 발표하였다.

 

4월 20일에는 SK 텔레콤이 기자 간담회를 열고, 5-CA (carrier aggregation) 상용화 계획 (5월 말)과 4.5G 진화 로드맵을 공개하면서, 이와 함께 인공지능 (AI)을 기반으로 한 네트워크 품질 관리를 강조하였다.

 

왜 품질 관리를 얘기하나?

 

• 트래픽 증가

LTE 킬러 어플리케이션은 비디오로, LTE 트래픽은, 2016년 12월 기준, 전체 이동통신 트래픽의 94%를 차지한다 (출처: 미래부 통계). 12월, LTE 가입자당 트래픽은 5.9 GB, LTE 전체 트래픽량은 250 PB (Petabyte)로 전년 대비 각각 34%, 46%가 증가하였다. 2016년 우리나라 연간 LTE 트래픽량은 2.5 EB (Exabyte)로. LTE 점유율이 50%에 육박하는 SK 텔레콤은 1.1 EB을 차지하며 Exa 트래픽 시대로 접어들었다. 시스코 VNI (Visual Networking Index)에 따르면 2016년 이후 5년 간 (2016년 - 2021년) 모바일 데이터 트래픽은 5배 성장할 것으로 예상된다. 2021년에는 월 가입자당 트래픽이 30 GB (Gigabyte)에 이르고 월 전체 트래픽이 1.25 EB에 이를 전망이다.

 

• 이동통신망 품질

이동통신에서 최대 속도*는 한 사용자가 무선환경이 가장 좋은 위치에서 셀 자원을 모두 사용하였을 때 얻어진다 (* 셀 입장에서는 셀 용량이다). 20 MHz 대역폭, 2x2 MIMO, 64 QAM 일 때 150 Mbps이다. 실제로는 사용자 위치에 따라 무선환경이 다르므로 평균 속도는, 예를 들면, 절반 정도가 된다 (사업자의 망 품질 관리 수준에 따라 영향받는다). 셀 용량을 동시 접속 사용자들이 나누어 사용하므로 여러 사용자가 있으면 더 낮아진다.

 

예를 들어 평균 셀 용량 80 Mbps인 셀에서, 20명 사용자가 4 Mbps 동영상 스트리밍을 이용하는 경우 별 문제없이 이용할 수 있지만, 사용자가 30명, 40명으로 증가하면 화질은 점점 낮아지게 된다. 사용자가 증가할수록, 트래픽량이 증가할수록 서비스 품질이 저하되므로, 서비스 품질을 유지하려면 무선망 용량도 증가되어야 한다. Exa 트래픽 시대에 접어들면서, 최대 속도보다는 무선망 용량 증가와 무선망 품질 관리의 중요성이 더 부각되는 이유이다.       

 

무선망 용량 증가 방법은 다양하다. 더 많은 주파수 확보, 더 효율적인 변조방식 사용, 더 많은 안테나 사용, 스몰 셀 도입 등.

 

4월 SK 텔레콤 기자 간담회에서는 아래 3가지 주제에 대한 발표 또는 질의/응답이 있었다.  

  • 5-CA 상용화와 4.5G evolution 로드맵
  • C-DRX 전국망 적용
  • 네트워크 품질 - AI 기반 

                              

Exa 트래픽 시대를 맞은 SK 텔레콤이 무선망 용량 증가와 품질 관리를 어떻게 준비하고 있나 살펴볼 수 있는 시간이었다. 관련 내용/이슈들을 간단히 살펴본다.  

 

1. 4.5G 진화 로드 맵 - 5-CA 상용화와 4x4 MIMO 도입 

 

3GPP LTE 진화

 

5-CA를 시작으로 SK 텔레콤 4.5G 진화 로드맵이 본격적으로 추진된다. SK 텔레콤 4.5G 진화 로드맵에 앞서, 3GPP의 LTE 진화 단계를 살펴보자.

 

3GPP는 규격 버전을 Release 단위로 관리한다. LTE 계열 규격은 Release 8부터 Release 14까지로 LTE, LTE-Advanced (LTE-A), LTE-Advanced Pro (LTE-A Pro)로 분류되고, 5G 규격은 Release 15부터 시작된다.

- Release 8 - 9: LTE

- Release 10 - 12: LTE-A

- Release 13 - 14: LTE-A Pro

 

LTE-A Pro는 LTE 계열 규격 중 가장 진화된 규격으로 4.5G라고도 불리운다. 500 Mbps 이상 1 Gbps급 속도를 지원하며 유선망처럼 기가급 속도가 가능한 gigabit LTE이다. 5G 도입 이후에도 4.5G와 같은 LTE evolution 기술 역시 계속 사용된다. 

 

3GPP LTE 계열 규격의 진화 단계와 features

 

규격은 지원가능한 기능과 feature를 정의한 것이고, 실제 LTE 진화는 사업자 별로 가입자 트래픽 량, 주파수 크기, 단말 카테고리, 단말의 프로세싱 파워 등을 고려하여 전개된다. 예를 들면,

 

<LTE 진화 예: SK 텔레콤>

 

SK텔레콤의 4.5G 진화 로드맵

 

이제 4.5G에 초점을 맞춰 SK 텔레콤의 4.5G 진화 로드맵을 다운링크 (DL)를 중심으로 살펴보자.

 

SK텔레콤 4.5G 진화 로드맵 (출처: SK 텔레콤)

 

 

4.5G 핵심 기술

SK텔레콤 4.5G 진화 로드맵 상의 핵심 기술은 주파수 결합 (Carrier Aggregation, CA), 256 QAM, 4x4 MIMO로, 4.5G 진화는 이 기술들의 조합으로 이뤄진다.

  • 주파수 결합 (Carrier Aggregation, CA) - 주파수를 결합하여 전체 주파수 대역폭을 넓힘으로써 데이터 속도를 높이는 기술. 대역폭 n배 증가 시 데이터 속도 n배 증가
  • 256 QAM - 64 QAM 대비 데이터 전송 효율 33% 향상
  • 4x4 MIMO - 송수신 안테나 수를 늘림으로써 데이터 속도를 높이는 기술. 2x2에서 안테나 수를 2배 증가하여 데이터 속도 2배 증가

 

 

단말 카테고리

또한 단말이 기가급 속도를 지원할 수 있어야 한다. Release 12에서 1 Gbps급 UE 카테고리가 정의되었고 (Cat. 16), Release 13에서는 1.2 Gbps (Cat. 18)와 1.6 Gbps (Cat. 19) UE 카테고리가 정의되었다.

 

<UE category>

 

■ 256 QAM 도입

 

1) 2016년 6월: 최대 500 Mbps (3-CA & 256 QAM)

SK 텔레콤은 작년 6월, 3밴드 LTE-A 서비스에 256 QAM을 적용하여 최대 500 Mbps 속도를 제공하며 4.5G를 도입하였다.

- 3-CA - 전송대역폭: 50MHz (10 MHz@B5 + 20 MHz@B1 + 20 MHz@B3), 최대 속도: 375 Mbps

- 256 QAM - 3-CA 전 대역 (33% ↑)

   ⇒ 500 Mbps

 

 5-CA 도입

 

2) 2017년 5월: 최대 700 Mbps (5-CA & 256 QAM)

올 5월 말 상용화 예정인 4.5G는 5-CA와 256 QAM을 적용하여 최대 700 Mbps를 제공한다. 4x4 MIMO는 적용되지 않는다.

- 5-CA - 전송대역폭: 70 MHz (10 MHz@B5 + 10 MHz@B1 + 20 MHz@B3 + 20 MHz@B7 + 10 MHz@B7), 최대 속도: 525 Mbps

- 256 QAM - 5-CA 전 대역 (33% ↑)

⇒ 700 Mbps

 

5-CA speed test

 

하향 5-CA가 필요한 이유는 SK 텔레콤이 5개 대역의 LTE 주파수를 갖고 있기 때문이고, 5-CA가 가능한 것은  4월 출시된 갤럭시 S8의 모뎀 (삼성 엑시노스 LTE 모뎀 355)이 5-CA를 지원하기 때문이다.

 

• SK 텔레콤 LTE 주파수 현황

 

SK 텔레콤은 LTE Band 1 (B1, 2.1 GHz), Band 3 (B3, 1.8 GHz), Band 5 (B5, 850 MHz), Band 7 (B7, 2.6 GHz)에서 5개 대역 총 70 MHz의 전송대역폭을 확보하고 있다. 작년 5월 주파수 경매를 통해 2.6 GHz에서 두 개 대역 (각각 20 MHz와 10 MHz 폭)을 확보하였고 연말에 2.1 GHz 20 MHz 중 10 MHz를 반환한 결과이다. 보유한 LTE 주파수를 모두 결합하려면 5-CA가 필요하다.

 

이동통신 3사의 LTE 주파수 현황 (2017년 5월)

 

KT는 Band 1/3/8에서 4개 대역 총 50 MHz 대역폭을, LG U+는 Band 1/5/7에서 3개 대역 총 50 MHz 대역폭을 확보하고 있다. 보유한 LTE 주파수를 모두 결합하려면, KT는 4-CA가 LG U+는 3-CA가 필요하다. 

 

CA로 인한 속도 향상은 총 주파수 대역폭 크기에 영향받는다. 5-CA는 5개 대역을 결합하기 위해 필요한 것으로, 4-CA를 사용하더라도 총 주파수 대역폭이 더 크면 더 높은 최대 속도를 지원할 수 있다.

 

• LTE 모뎀: 삼성 엑시노스 vs. 퀄컴 스냅드래곤

 

삼성 갤럭시 S8 스마트폰에는 모바일 AP로 삼성 엑시노스 9 (엑시노스 8895)와 퀄컴의 스냅드래곤 835가 탑재되어 있다. 엑시노스 8895과 스냅드래곤 835에는 각각 LTE 모뎀 새넌 355와 X16이 통합되어 있다. 한국에서 출시되는 S8에는 주로 삼성 엑시노스가 탑재된다.

 

두 모뎀 모두 다운링크에서 UE 카테고리 16 (Cat.16)을 지원하여 단말 속도는 최대 1 Gbps까지 가능하다. 다운링크 CA로 삼성 355는 5-CA를 퀄컴 X16은 4-CA를 지원한다. 업링크에서는 두 모뎀 모두 Cat.13를 지원하여 최대 150 Mbps가 가능하고 CA로 2-CA를 지원한다. SK 텔레콤은 업링크 CA 로드맵을 갖고 있으나, 업링크 트래픽은 전체 트래픽의 10% 정도여서 적극적인 도입 필요성을 느끼지 못하고 있었다.

 

 

<LTE 모뎀 비교: 삼성 Shannon 355 vs. 퀄컴 X16>

 

참고: 삼성 엑시노스 8895와 퀄컴 스냅드래곤 835스펙 비교

 

• 5-CA 커버리지 

5-CA는 올해 말까지 전체 인구 대비 51%를 커버할 수 있도록 커버리지를 지속 확대해 나갈 계획이다.

  • 2017년 5월: 서울·광역시 등 전국 23개시 주요 지역
  • 2017년 상반기: 85개시 주요 지역
  • 2017년 말; 85개시 주요 지역 + 일부 군 지역

 

5-CA 커버리지 (출처: SK 텔레콤)

 

■ 4x4 MIMO의 도입

 

동시 접속자와 트래픽량이 많은 지역은 무선 용량 확대가 우선적으로 요구되는 지역이다. 주파수 자원을 모두 활용해도 부족한 경우에는 안테나 수를 늘려 데이터 전송량을 증가시킨다. 

 

5월에는 5-CA 상용화에 이어, 4x4 MIMO 기반 4.5G 서비스도 상용화될 예정이다. 4x4 MIMO는 기지국에 Tx 안테나 4개와 단말에 Rx 안테나 4개가 요구되고, 기존 2x2 MIMO 대비 2배 속도 (또는 용량)를 제공한다.

 

 

기지국 안테나를 추가로 구축해야 하므로 핫스팟을 중심으로 4Tx 기지국을 구축하고, 트래픽량 추이에 따라 점차 4x4 MIMO 적용 대역과 커버리지를 확장할 계획이다. 단말 역시 갤럭시 S8처럼 4개 안테나를 갖고 있어야 4x4 MIMO 통신이 가능하다.  

 

SK 텔레콤은 5월에 1개 대역 (20 MHz@2.6 GHz)에 4x4 MIMO를 적용하는 것을 시작으로, 하반기에는 1.8 GHz를 추가하여 2개 대역에 4x4 MIMO를 적용하고, 2018년 이후에 3개 대역으로 확대한다.  

 

5월에는 4-CA와 1개 대역 4x4 MIMO (2.6 GHz)를 이용하여 800 Mbp급 4.5G 서비스를, 하반기에는 3-CA와 2개 대역 4x4 MIMO (2.6 GHz와 1.8 GHz)를 이용하여 900 Mbps급 4.5G 서비스가 제공된다. 이어서 2018년 상반기에는 4-CA로 확장하여 1 Gbps를, 이 후 5-CA 와 3개 대역 4x4 MIMO를 이용하여 1.2 Gbps가 제공될 계획이다.

 

SK 텔레콤 4x4 MIMO evolution

 

<4x4 MIMO 커버리지 확장 계획*>

* 트래픽 추이에 따라 변동 가능

 

3) 2017년 5월: 최대 800 Mbps (4-CA, 256 QAM, 1-4x4 MIMO)

- 4-CA - 전송대역폭: 60 MHz (10 MHz@B5 + 10 MHz@B1 + 20 MHz@B3 + 20 MHz@B7), 최대 속도: 450 Mbps

- 256 QAM - 4-CA  전 대역 (33% ↑)

- 4x4 MIMO 적용 대역 - 1개 대역: 20 MHz@B7 (2x)

 

4) 2017년 하반기: 최대 900 Mbps (3-CA, 256 QAM, 2-4x4 MIMO)

- 3-CA - 전송대역폭: 50 MHz (10 MHz@B1 + 20 MHz@B3 + 20 MHz@B7), 최대 속도: 375 Mbps

- 256 QAM - 3-CA 전 대역 (33% ↑)

- 4x4 MIMO 적용 대역 - 2개 대역: 20 MHz@B7, 20 MHz@B3 (각 대역 2x)

 

5) 2018년 상반기: 최대 1 Gbps (4-CA, 256 QAM, 2-4x4 MIMO)

- 4-CA - 전송대역폭: 60 MHz (10 MHz@B5 + 10 MHz@B1 + 20 MHz@B3 + 20 MHz@B7), 최대 속도: 450 Mbps

- 256 QAM - 4-CA  전 대역 (33% ↑)

- 4x4 MIMO 적용 대역 - 2개 대역: 20 MHz@B7, 20 MHz@B3 (각 대역 2x)

 

6) 2018년 상반기 이후: 최대 1.2 Gbps (5-CA, 256 QAM, 2-4x4 MIMO)

- 5-CA - 전송대역폭: 70 MHz (10 MHz@B5 + 10 MHz@B1 + 20 MHz@B3 + 20 MHz@B7 + 10 MHz@B7), 최대 속도: 525 Mbps

- 256 QAM - 5-CA  전 대역 (33% ↑)

- 4x4 MIMO 적용 대역 - 3개 대역 (각 대역 2x)

 

5개 LTE 밴드를 CA하고 모든 밴드에 256 QAM과 4x4 MIMO를 적용하면 1.4 Gbps급 최대 속도가 가능하지만, 처리가능한 데이터 스트림 수 등 상용 단말의 프로세싱 파워 수준에 따라 4.5G 통신속도는 단계적으로 진화한다. 올해 출시된 갤럭시 S8은 최대 10개 데이터 스트림을 지원하여 900 Mbps급까지 가능하다. 2018년과 이후 예정된 1 Gbps 이상 급 4.5G는 새로운 단말 (갤럭시 S9?) 출시 후 가능할 전망이다.

 


 

SK 텔레콤 LTE 진화방향 

 

(1) 4.5G 진화 로드맵 

(2) C-DRX 적용 

(3) AI 기반 네트워크 품질 관리

(4) Q&A

LTE-PRooooOooO 2017-05-16 10:07:39

진짜 엄청난 도움이 됐습니다. C-DRX도 기대합니다!!!

HDY 2017-05-18 18:12:30

잘보았습니다.

혹시 KT기준에서 바라보면 내용이 상이할까요?

suhansoon 2017-06-04 10:05:52

정말 잘 정리가 되었네요. 감사합니다. ^^ 그런데 실제로 단말기에서 4x4 MIMO 성능이 잘 나오는가요? 

chofox78 2017-06-08 14:35:24

감사합니다 잘 보았습니다
​아래 3번 4x4 MIMO 대해 문의 드립니다.


3) 2017년 5월: 최대 800 Mbps (4-CA, 256 QAM, 1-4x4 MIMO)
 - (10M BW = 75Mbps) X 6 = 450Mbps
 - 450Mbps X 256QAM = 약 600Mpbs

 - 4x4 MIMO 적용 대역 - 1개 대역: 20 MHz@B7 (2x)

 

Band 7 BW 20M 4x4 MIMO ​적용할 경우 아래와 같이 적용되는게 맞는건지요? 아래와 같이 적용될 경우 최대 속도에서 차이가 있을 것 같아 문의 드립니다.

 

150 (20M BW) X 0.33% (256QAM) X 2 (4x4 MIMO ​적용) =  400Mbps ?

SKT 2017-06-14 14:20:22

800Mbps(4 Band CA) = 100Mbps(B1 10MHz, 256QAM, 2X2 MIMO) + 200Mbps(B3 20MHz, 256QAM, 2X2 MIMO) + 100Mbps(B5 10MHz, 256QAM, 2X2 MIMO) + 400Mbps(B7 20MHz, 256QAM, 4X4 MIMO)

chofox78 2017-06-20 15:00:08

감사합니다 이해 되었습니다.

여러 문제가 있을 수 있겠지만 향 후 8X8 MIMO 적용도 가능하리라 생각됩니다.

madeweb 2017-11-10 23:09:06

질문 있습니다. 현재 SKT로 출시된 S8은 4x4 MIMO ​가 적용되어 있는건가요?

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