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[IT강의실] 4세대 이동통신을 향하여 - LTE

권명관

[용어로 보는 IT 2015 개정판] 지난 2011년 전세계 무선 이동통신 시장의 관심은 새로운 이동통신 규격, LTE에 쏠려 있었다. 스마트폰과 태블릿PC 등 모바일 기기 보급 증가로 인해 폭발적으로 늘어난 데이터양을 기존 무선 이동통신 방식으로는 더 이상 감당할 수 없었기 때문이다. 당시에는 스마트폰 통화 끊김 현상이나 무선 인터넷 접속 불가 현상 등 데이터 폭증으로 인한 문제도 발생했다. 때문에 국내를 포함한 전세계 이동통신 업체들은 이를 개선하기 위해 데이터 전송속도를 향상한 LTE(Long Term Evolution) 통신 규격으로 전환하기 위해 안간힘을 썼다.

LTE 로고

이동통신 규격의 발전 과정

LTE 통신 규격을 이해하기 위해서는 무선 이동통신 규격의 발전 과정을 먼저 살펴 보는 것이 좋다. 무선 이동통신 규격은 큰 범주로 1세대(1G), 2세대(2G), 3세대(3G)로 나뉘어 있으며, 현재 4세대(4G) 이동통신 방식으로 발전했다. 그리고 2015년 현재, 이동통신 업계는 5G를 향해 나아가고 있으며, 약 10년 뒤인 2025년을 목표로 개발에 매진 중이다. 각 세대 구분의 가장 중요한 기준은 데이터 전송속도의 차이에 있다.

이동통신 방식의 발전 과정
이동통신 방식의 발전 과정

1G통신 규격
1G 이동통신 방식은 '아날로그 통신'이었다. 즉, 음성을 그대로 전송하는 방식이기 때문에 전송하는 데이터양이 컸을 뿐 더러 전송속도의 한계도 있었다. 게다가 사용자가 많이 몰릴 경우 주파수가 부족해 아예 통화가 되지 않는 경우도 발생하는 등 문제점이 많았다. 참고로 1G 이동통신은 국내에 1988년부터 1996년까지 적용되었다.

2G 통신 규격
2G 이동통신 방식은 기존 아날로그 방식인 1G 이동통신의 단점을 개선해 음성을 디지털 신호로 변환해 전송하는 '디지털 통신'이다. 통신 방식이 디지털로 전환됨에 따라 1G 이동통신 방식보다 적은 데이터양으로 훨씬 더 깨끗한 품질의 통화를 할 수 있었다. 데이터 전송속도는 14.4~64Kbps이고, 1996년 국내에 도입된 이래 현재까지 사용되고 있다(2015년 4월 기준, SK텔레콤만 서비스 중이다). 대체로 휴대폰 번호 앞자리가 010이 아닌, 01X(011,017 등)가 2G 이동통신 규격이라고 보면 된다. 물론 예외도 있다.

참고로 2G 이동통신 규격은 GSM(Global System for Mobile communications, 유럽 방식)과 CDMA(Code Division Multiple Access, 미국 방식)으로 나뉜다. 전세계적으로 GSM을 더 많이 사용했지만, 국내는 모두 CDMA방식을 채택했다.

3G 통신 규격
3G 이동통신 규격은 2002년 12월부터 상용화되어 아직까지 보편적으로 사용되고 있다. 처음에는 'IMT-2000(International Mobile Telecommunication 2000, 국제 모바일 텔레커뮤니케이션 2000)'이라고 명명되었던 프로젝트로 진행되어, 2000년부터 1,800~2,200MHz 주파수 대역을 전 세계 공통으로 적용하려 했으나 제대로 시행되지는 않았다. 통합 방식을 꿈꿨지만, 결론적으로 유럽식 GSM은 WCDMA로, 미국식 CDMA는 CDMA 2000으로 각각 나뉘어 발전됐기 때문이다. 3G 이동통신 규격의 전송속도는 144K~2.4Mbps로 실시간으로 동영상, 사진 등을 전송할 수 있을 만큼 전송속도가 향상되었다.

이후 3G 이동통신은 각자의 방식대로 지속적인 발전을 거듭했다. 미국식 CDMA 2000은 CDMA 2000 EV-DO, 리비전(Rev.) A/B 등으로, 유럽식 WCDMA는 HSPA(HSDPA/HSUPA), HSPA+ 등으로 발전하며 데이터 전송속도가 향상되었다. 전세계적으로 보면 WCDMA 방식이 70%이상 차지하고 있으며, 현재 국내에는 SK텔레콤과 KT가 HSPA, HSPA+ 방식으로, LG U+는 CDMA 2000 EV-DO 리비전 A 방식으로 서비스하고 있다.

4G 통신 규격
지난 2008년 ITU(International Telecommunication Union, 국제 전기통신 연합)에서 4세대 이동통신 규격을 정의하면서, 저속 이동 시 1Gbps, 고속 이동 시 100Mbps의 속도로 데이터를 전송할 수 있어야 한다고 규정했다. 이에 따르면 초기 국내 및 해외에 적용된 LTE, 와이브로는 엄밀히 말해 4세대 이동통신 규격이라 할 수 없다. 또한, 당시 ITU는 4세대 이동통신 규격의 선정 후보로 LTE를 개선한 LTE-Advanced(이하 LTE-A)와 와이브로를 개선한 와이브로-에볼루션(Wibro-Evolution, 와이맥스2)을 언급한 바 있다.

따라서, LTE와 와이브로는 'pre-4G' 혹은 '3.9세대'로, 진정한 4G 규격은 각각 발전한 LTE-Advanced와 와이브로-에볼루션(와이맥스2)으로 보는 것이 대체적인 견해였다. 그런데, 2010년 12월 ITU에서 LTE와 와이브로, 다른 진화한 3G 망(예: HSPA+) 등도 4G라고 부를 수 있다고 공표하면서 다소 명확한 세대 구분은 할 수 없었다. 따라서, 전세계 이동통신사는 LTE를 포함한 3.9세대 규격의 이동통신을 '4G' 라고 불렀다. 다만, LTE와 와이브로는 기존 3G 규격에 비해 기술적으로 상당히 발전한 규격인 점은 분명하다.

LTE 시험 기지국 개통 및 서비스 시연
LTE 상용화 시험 기지국 개통 장면<출처: LG U+> LTE 서비스 시연 장면<출처: SK텔레콤>

WCDMA의 후계자 LTE

LTE는 3G 이동통신 규격 중 유럽식 WCDMA에서 발전한 이동통신 규격이다. LTE의 전송속도는 이론적으로 다운로드 최대 75Mbps, 업로드 최대 37.5Mbps이다. 기존 WCDMA HSPA의 전송속도는 다운로드 최대 14.4Mbps, 업로드 최대 5.8Mbps였다. 즉, 이론적으로 LTE는 WCDMA HSPA 대비 다운로드는 최대 5배, 업로드는 최대 7배 정도가 빠르다.

또한, LTE는 전세계적으로 70% 이상 사용하고 있는 WCDMA의 후속 기술이기 때문에 기존 3G 통신망과 연동이 쉽다는 장점이 있다. 즉, 망 투자 비용을 줄일 수 있고, 서비스 지역을 넓히기에도 용이했다. 빨라진 전송속도 덕에 고화질 동영상 등을 실시간으로 감상할 수도 있고, 클라우드 서비스를 본격적으로 실행할 수 있는 등 모바일 시대의 변화를 꾀했다. 실제로 지난 2011년 4월, SK텔레콤은 LTE 통신망을 통해 800MB 용량의 영화 파일을 불과 85초 만에 내려 받는 모습을 시연하기도 했다. 현재에 이르러 LTE는 LTE-A, 광대역 LTE, 광대역 LTE-A, 3밴드 LTE-A 등으로 발전했다.

국내외 LTE의 전개 상황

LTE는 지난 2009년 12월 14일, 스웨덴 스톡홀름과 노르웨이 오슬로에서 텔리아소네라(TeliaSonera)사가 최초로 상용화하였다. 이후 미국의 버라이즌과 AT&T, 유럽의 보다폰, 일본의 NTT도코모 등 전세계에서 여러 이동통신사가 LTE 이동통신 규격으로 전환했다. 2015년 1월 기준, GSA(Global Mobile Suppliers Association)가 발표한 '전세계 LTE 현황 보고서'에 따르면, 124개국의 360개 이동통신사가 LTE를 서비스하고 있다.

2015년 1월 기준 전세계 LTE 서비스 현황
2015년 1월 기준 전세계 LTE 서비스 현황 <출처: GSA>

국내 통신사도 LTE 도입을 서둘렀다. SK텔레콤, KT, LG U+는 2011년 하반기를 기점으로 LTE 상용화 서비스를 시작하겠다고 밝혔으며, SK텔레콤과 LG U+는 2011년 5월부터 시험 기지국 운영을 실시하고 7월 1일부터 LTE 상용화를 시작했다. KT는 다소 늦은 2012년 1월 3일 LTE 상용화를 시작했다. 이후 국내 이동통신 3사는 약간의 차이가 있긴 했지만, 2013년 하반기 LTE-A와 광대역LTE를 2014년 하반기 광대역 LTE-A 상용화 서비스를 시작했다. 2015년 현재에 이르러 이동통신 3사는 3밴드 LTE-A 서비스를 제공 중이다.

노트북용 LTE USB 모뎀
노트북용 LTE USB 모뎀

LTE 통신 서비스를 가장 먼저 적용한 제품은 컴퓨터용 LTE 모뎀이다. LG전자는 각 통신사의 LTE 통신 서비스 시작에 발맞춰, 컴퓨터의 USB 포트에 꽂아 LTE 통신 서비스에 연결하는 4G LTE 모뎀을 국내 처음으로 출시, LG U+와 SK텔레콤에 공급했다. 이 LTE 모뎀은 기존 와이브로 모뎀과 유사한 형태로, 최대 다운로드 100Mbps, 최대 업로드 50Mbps 전송속도를 지원했다. 공간 제약적인 와이파이(무선 랜) 등에 의존하던 기존의 노트북 인터넷 환경을 변화시킬 '모바일 인터넷 시대'의 시작을 알린 셈이다.

LTE보다 2배 빠른, LTE-A와 광대역 LTE
LTE-A는 차세대 LTE 기술을 뜻하며, 사실 LTE-A의 기술 근간은 LTE에 대부분 다 포함되어 있다. LTE라는 이동통신 기술을 구현하기 위한 기술이 10개가 있다면, LTE-A는 그 10개의 기술에 2~3개의 기술을 더한 셈이다. 업계 전문가는 LTE는 기술적인 완성도로 봤을 때 100점 만점에 95점을 줄 수 있을 정도로 잘 만든 기술이라고 말한다. LTE-A는 나머지 5점을 더 올리기 위한 보완 기술이라고 생각하자.

국내 이동통신 3사가 서비스하는 LTE-A의 핵심은 10MHz 대역폭을 20MHz로 늘리는데 있다. LTE의 최대 다운로드 속도 75Mbps는 주파수 대역폭 10MHz를 기준으로 했을 때다. 즉, 주파수 대역폭을 2배로 늘리면, 전송속도도 2배로 늘어난다. 10+10은 20이고, 75+75는 150인 셈이다. 그래서 이론적으로 국내 이동통신 3사가 제공하는 LTE-A의 최대 다운로드 전송속도는 150Mbps다.

SK텔레콤과 LG유플러스의 LTE-A 서비스
SK텔레콤과 LG유플러스의 LTE-A 서비스 <출처: 각 이동통신사>

LTE-A는 주파수 대역폭을 2배로 늘리기 위해 CA(Carrier Aggregation) 기술을 사용한다(이것이 광대역LTE와 가장 다른 점이다). CA는 LTE-A의 주요 기술 중 하나로 '반송파 집적 기술'이라고도 불리는데, 서로 다른 대역폭의 주파수 2개를 하나로 묶어서 마치 하나의 주파수처럼 사용하는 기술이다. 예를 들면, 1.8GHz 주파수의 10MHz 대역폭과 800MHz 주파수의 10MHz 대역폭을 이용해 총 20MHz 대역폭으로 LTE를 서비스해 전송속도를 150Mbps로 향상한 것이다.

LTE-A 로고
LTE-A 로고

광대역 LTE도 LTE-A와 마찬가지로 LTE보다 전송속도가 2배 빠르다. 이유는 간단하다. LTE-A처럼 주파수 대역폭을 20MHz 즉, 2배로 늘렸기 때문이다. 다만, 대역폭을 늘리는 방식이 LTE-A와 다르다. 서로 다른 주파수 2개를 묶는 것이 아니라, 기존 주파수의 인접대역을 더해 20MHz를 확보한 것이기 때문이다. 참고로, 광대역 LTE는 LTE-A와 비교해 이동통신의 서비스 안정성이 높다고 평가된다. 같은 주파수 대역이기 때문에 대역폭을 조금 더 늘리면 그만이다. 그만큼 사용자는 서비스를 이용하기 편하고, 이동통신사도 서비스를 제공하기 편하다.

참고로, 광대역 LTE와 달리, LTE-A는 각각 다른 주파수 2개를 묶어서 서비스하기 때문에 단말기와 기지국 모두 주파수 2개를 지원해야 한다. 속된 말로, 이동통신사는 기지국 설치에, 사용자는 기존 LTE 지원 단말기를 LTE-A 단말기로 교체해야만 한다.

LTE보다 3배 빠른, 광대역 LTE-A
LTE-A와 광대역 LTE 다음 즉, 가장 많이 언급되는 용어가 '광대역 LTE-A'다. 이론적으로 광대역 LTE-A의 최대 다운로드 전송속도는 225Mbps다. 가용할 수 있는 주파수 대역폭을 30MHz로 넓혔기 때문이다. 이해를 돕기 위해 KT를 예로 들어보자. 지난 2014년 1월 15일, KT는 최고 전송속도 225Mbps로 '광대역 LTE-A'를 강남 일부 지역부터 상용화 시범서비스를 시작한다고 밝혔다. KT의 LTE 주력망은 1.8GHz로, 인접 대역을 할당받아 총 대역폭은 20MHz. 즉, 광대역 LTE 서비스를 시작했다. 여기에 보조망으로 사용 중이던 900MHz 주파수 10MHz 대역폭을 CA 기술로 더해 총 대역폭 30MHz를 확보한 것. 이는 곧 전송속도도 225Mbps로 빨라진다는 뜻이다. 20+10은 30이고, 150+75는 225다.

KT가 국내 처음으로 서비스를 시작한 광대역 LTE-A
KT가 국내 처음으로 서비스를 시작한 광대역 LTE-A <출처: KT>

LTE보다 4배 빠른, 3밴드 LTE-A
지난 2014년 1월 20일, SK텔레콤과 LG U+가 각각 '세계 최초'라며 기존 LTE보다 4배 전송속도가 빠른 3밴드(band) LTE-A 기술 개발에 성공했다고 밝혔다. 3밴드 LTE-A는 주파수 3개를 묶어 주파수 1개처럼 사용하는 기술이다. 기존 광대역 LTE 20MHz 대역폭에 다른 주파수의 10MHz 대역폭 2개를 더해, 총 40MHz 대역폭으로 서비스한다는 뜻. 20+10+10은 40이며, 150+75+75는 300이다. 기술 방식은 같으며, 사용하는 주파수 대역폭이 조금씩 다를 뿐이다. 2015년 현재, 국내 이동통신 3사 모두 3밴드 LTE-A 서비스를 지원하고 있다.

글 / IT동아 권명관(tornadosn@itdonga.com)

※ 본 기사는 네이버캐스트(http://navercast.naver.com/)의 '용어로 보는 IT' 코너에도 함께 연재됩니다.

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