5G 스몰셀

Summary

- 통신 장비 미비로 4G와의 속도 차이를 체감하기 힘들었던 5G

- 최근 스몰셀을 비롯한 인빌딩 서비스를 중심으로 투자가 확대되고 있음

- 4G 네트워크에 활용됐던 DAS와 스몰셀의 차이

- 참고할 만한 글로벌 스몰셀 벤더 정리

 

5G 통신의 확대에도 인빌딩* 서비스 투자가 제대로 이뤄지지 않아 소비자 입장에서는 속도 차이를 체감하기 힘든 상황이다. 5G는 건물 내부에서 유리 등 내장재를 관통하는 능력이 부족하다. 또한, 높은 대역의 주파수를 사용할수록 실외에서 실내로 전파를 투과할 경우 통신 손실이 더 커지는 특성도 있다. 5G 도입 4년이 지난 현재, 인빌딩 서비스를 중심으로 통신 장비 투자가 늘어나고 있다. 덩달아 통신 네트워크 속도 향상도 꾀할 전망이다.

 

* 인빌딩 서비스: 인빌딩 서비스는 무선 중계기로부터 수신된 신호를 동축 케이블이나 광 선로를 통해 건물 내 임의의 장소에 전송하는 기술로, 건물 내 음영 지역에 있는 무선 가입자를 수용할 수 있다.

© 시사위크

 

5G 확대로 주목 받는 스몰셀 기존 4G 네트워크는 (1) 1.8GHz/2.1GHz/2.6GHz의 저주파 대역에 배치되어 있다. 이 주파수 대역의 신호는 상대적으로 커버리지 범위와 건물 침투 능력이 좋다. (2) 덕분에 실내외 모두에 견고한 커버리지를 제공할 수 있어 추가 실내 커버리지 장비도 필요하지 않았다. (3) 또한, 2G/3G/4G 네트워크에서 실내 커버리지는 일반적으로 외부 기지국의 신호를 이용하는 분산 안테나(DAS)를 사용했기 때문에 스몰셀*이 필요 없었다.

 

* 스몰셀: 주파수 송수신과 데이터처리 등 무선 기지국 기본기능을 갖추고, 용량과 전파도달 거리를 줄이는 등 성능을 간소화한 무선 장비

© 전자신문

 

그러나 5G 네트워크는 6GHz 이하 대역 및 6GHz 이상 대역(24.25 ~29.5 및 37~43.5GHz)의 주파수를 조합해 사용한다. 현재 주로 깔려있는 6GHz 이하 대역에서는 기존 4G와 유사하거나 더 높은 전송량을 보인다.

5G 네트워크가 4G보다 높은 주파수 대역을 기반으로 구축되면서, 5G 신호의 건물 침투 능력이 크게 저하됐다. 건물, 쇼핑몰 등 실내에서 더욱 체감하기 어려웠던 배경이다. 데이터 트래픽의 70~80%가 실내 애플리케이션에서 발생하므로 실내 커버리지를 지원하기 위한 더 많은 실내 네트워크 장비가 필요하다. 전통적으로 기존 4G의 실내 커버리지에 사용됐던 DAS(Distributed Antenna Systems)는 아래와 같은 4가지 주요 단점이 있다.

1. 5G signal 반경이 4G보다 짧고, site 자원이 부족하고 비용이 많이 들기 때문에 더 많은 indoor sites가 필요함.
2. 전력 분할기(power splitters) 및 결합기(combiners)와 같은 일부 DAS 구성 요소는 현재 3.5 GHz 주파수 대역(즉, 5G에 사용되는 대역)을 지원하지 않음.
3. 5G indoor 시스템이 일반적으로 새로운 4세트의 RF 케이블을 설치해야 하는 4X4 MIMO(Multiple-Input, Multiple-Output)를 사용하므로 5G 용 DAS 설치는 어려울 수 있음. 또한, 설치 작업이 복잡하며 건물 소유자의 반발이 예상됨.

 

반면, 스몰셀은 DIS(Digitalization Indoor System)의 한 유형으로, 아래와 같은 장점이 있다.

1. 멀티 모드 및 멀티 주파수 대역을 지원함으로써 통신 품질이 향상됨.
2. 기존 4G의 DAS보다 60% 더 많은 통신 용량 제공.
3. DAS 대비 설치 시간을 30% 단축할 수 있음.

 

5G 서비스의 주요 효과는 데이터 전송 대기 시간이 4G에서의 46초가 아니라 1초 미만으로 줄어들게 하는 것이다. 스몰셀의 주요 목표는 에지 데이터 용량, 속도 및 전체 네트워크 효율을 높이는 것이므로 결론적으로,

1. 스몰셀은 실내 커버리지를 강화하고, 통신 사각지대를 메우며, 교통량이 많은 지역에서 데이터 용량을 증가시키기 위해 배치될 것이며,
2. 스몰셀의 수는 5G 매크로 베이스 기지국 수의 2.5배가 될 것이다.
3. 또한, 스몰셀의 평균 가격은 대당 1,800달러에서 시작하여 2025년까지 채널에 따라 1,000달러로 떨어질 것이다.

 

스몰셀 분류 및 매크로셀과의 비교 스몰셀은 크게 피코셀(Pico cell), 펨토셀(Femto cell), 릴레이(Relays)로 분류된다. 그중 피코셀이 용량 향상이 가능하고 매크로셀과 동일한 백홀을 갖고 있기 때문에 일반적으로 선택되고 있다. 스몰셀의 여러 유형과 매크로셀과의 차이는 다음과 같다.

 

* 셀=하나의 기지국에서 전파가 도달할 수 있는 범위

 

스몰셀 유형

 

1. 매크로셀은 기존 운영자가 설치한 BS(Base Station)로 구성되며, 일반적으로 수 킬로미터 거리에 따라 개방적인 공공 접속과 넓은 지역 통신 커버리지를 제공한다.
2. 마이크로셀은 주로 아웃도어, 도심지역에 적용되며, 노키아, 에릭슨, 삼성, 화웨이, ZTE와 같은 시스템 장비 vendor 업체들이 key vendor이다.
3. 피코셀은 주로 실내 커버리지, 즉 매크로 침투가 불충분한 환경(예: 사무실 건물, 공항, 경기장, 쇼핑몰)에서 적용된다.
   • Integrated 피코셀 (통합형): 간단한 시나리오에 사용되는 신호를 독립적으로 처리하기 위해 필요한 모든 구성 요소를 통합하는 형태 (예를 들어, Comba의 NanoCell)

Comba의 NanoCell

• • Distributed 피코셀 (분산형): 개별 BBU, 스위치 및 라디오 유닛으로 구성되며, 보다 복잡한 indoor 커버리지 환경에 사용됨 (예를 들어, Huawei의 LampSite, Comba의 iCell 및 ZTE의 Qcells)

4. 가정용 BS 또는 가정용 eNB라고도 하는 펨토셀은 저비용, 저전력, 사용자가 구축한 액세스 포인트에 구축되며, 제한적인 접근 방식으로 운영된다.
5. 릴레이는 통신 신호 강도를 높이고, 기존 네트워크(예: 셀 에지, 터널)의 열악한 커버리지 영역에서 통신 수신성을 개선하기 위해 배치된다. 비용을 거의 들이지 않을 수 있다.

스몰셀 포럼에서 글로벌 78개 이동통신사들은 스몰셀 구축을 통해 광대역 모바일 투자를 지속할 것이라고 밝힌 바 있다.

 

스몰셀과 매크로셀 비교

 

스몰셀 구축 시나리오 아래 표에서 볼 수 있듯 기존 LTE 대비 3.5GHz에서는 최대 5dB 정도의 통신 전송 손실을 가져오고, 28GHz의 경우 최대 16dB의 전송 손실을 보인다. 5G에서는 빔 포밍과 다중사용자 다중입출력(MU-MIMO) 기술을 사용하여 신호 손실을 보상할 수 있다.

 

분류	1.8GHz	3.5GHz	28GHz
Path loss(LOS)		+6.2dB	+25.4dB
Additional in-building transmission loss(LOS)	+11.6dB	+12.7dB	+17.8dB
NLoS	+21.7dB	+26.8dB	+37.9dB
전송 손실 비교		+1.1~5.1dB	+6.2~16.2dB

기존 LTE 주파수 대역 vs. 3.5GHz 대역과 28GHz 대역에서의 전송 손실 비교

 

인빌딩 통신 서비스를 제공하기 위한 설루션으로 활용됐던 DAS는 종단 안테나와 각 종단 안테나까지 연결되는 동축케이블로 구성된다. 종단 안테나는 넓은 대역을 커버할 수 있는 광대역 안테나이며, 동축케이블 및 신호 결합기를 통해 각 건물의 층 또는 방 사이를 커버할 수 있도록 패시브 네트워크를 형성한다.

DAS는 종단 안테나와 네트워크가 주파수 특성만 지원하면 장비를 결합하여 하나의 네트워크로 다양한 통합형 서비스가 가능했다. 따라서 건물 내에 추가 케이블 포설 작업 없이 간편하게 5G 신규 서비스를 제공할 수 있어 전체적인 설치 비용을 낮출 수 있었다.

하지만 수많은 대역을 결합해 서비스를 하는 경우, 주파수 밴드가 늘어날수록 각 대역에서 혼간섭 신호가 발생하여 통신 품질이 저하됐다. 또한 DAS는 건물 전체 및 부분을 커버하는 대형 패시브 네트워크를 사용하기 때문에, 밀리미터파 대역폭을 사용하는 5G 서비스에서는 신호 손실이 너무 컸다.

 

스몰셀 구축 시나리오 : (a) 소형 셀이 있는 3D 매크로 셀 사이트 (지붕 위에 배치) 및 3D 마이크로 셀 사이트 (지붕 아래에 위치); (b) 3D 매크로 셀에 대한 빔 포밍; 및 (c) 3D 마이크로 셀에서 빔 포밍

 

참고로 미국 기준 스몰셀 설치 비용은 다음과 같다.

• 장비: 일반적으로 site 당 $15K 미만
• Physical installation: 일반적으로 site 당 $5K 미만
• 백홀: 일반적으로 설치하는데 $5K~15K, 월 $300~$3000
• 커버리지: 빌딩당 0.1마일 혹은 방 한 개 이하
• 렌트: 월 $30~$3000 (가변적)

 

그리고 글로벌 스몰셀 벤더들은 아래 업체들이 있다.

• 노키아, 알카텔-루센트, 에릭슨, 스파이더클라우드, 삼성, NEC, 화웨이, CommSope
• ZTE, Airspan, Ip.access, Ubiquity, BLINQ, Comba, Fujitsu,
• 퀄컴: 스몰셀 칩셋:
• 브로드컴: mmWave 대역 RF 송수신기
• Maxim Integrated : 스몰셀용 송수신기
• 오이솔루션: 스몰셀 광 트랜시버
• RFHIC: 스몰셀 주파수 계측기