모바일 릴레이, 차체에 의한 경로 손실 극복
릴레이에만 핸드오버 실행하여 효율성 높아
5G V2X에 데이터 공유, 원격 주행 기능 추가


국내에서 5G 상용 서비스가 시작된 지 1년이 지났다. 한국전자통신연구원(ETRI)의 노고산, 정희상 연구원은 5월 20일, 정보통신기획평가원(IITP)의 주간기술동향 ICT 기획시리즈에 ‘5G 릴레이 기술 동향’이란 제목의 글을 통해 이제 5G 서비스를 제공하는 걸 넘어 다양한 환경에서 다양한 사용례의 요구사항을 만족해야 한다고 말했다.

릴레이(Relay)는 이동통신 범위를 확장하고, 백홀 등의 인프라 구축 없이 저비용으로 통신망을 구축하는 것을 가능하게 하는 기술이다.

이미 3GPP는 LTE 상용화 시점에 릴레이 구축을 위한 아키텍처, 프로토콜, 시그널링 등에 대한 표준화를 진행했다. 5G에서도 릴레이를 이용한 액세스 링크(릴레이와 단말 사이의 링크)와 백홀 링크(기지국과 릴레이 사이의 링크)의 통합 운영을 위한 IAB(Integration of Access and Backhaul)에 대한 규격화가 이루어지고 있다

◇ 릴레이의 형태와 구별

릴레이의 형태는 증폭 후 전달(Amplify-and-Forward; AF) 방식과 복호 후 전달(Decode-and-Forward; DF) 방식으로 나뉜다.

증폭 후 전달 방식의 릴레이는 반복기(repeater)라고 하며 기능적으로는 수신한 신호를 증폭하여 다시 송신하는 역할을 한다. 릴레이에서 변복조 과정이 생략되므로 규격과 상관없이 동작할 수 있으며 구현이 간단하다는 장점이 있다. 그러나 릴레이에서의 증폭 과정에서 신호 성분뿐 아니라 노이즈도 같이 증폭되므로 최종 수신단에서 신호 대 잡음 비(Signal-to-Noise Ratio; SNR)가 낮아지는 단점이 있다.

복호 후 전달 방식의 릴레이는 릴레이가 수신 신호를 복조 및 복호한 후 다시 부호화 및 변조 과정을 거쳐서 송신하게 된다. 그러므로 릴레이에서는 노이즈를 억제할 수 있게 되며 최종 수신단에서의 SNR 손실이 발생하지 않는다. 그러나 릴레이에서의 복호 과정에 오류가 발생하게 되면 해당 오류가 그대로 최종 수신단에 전달되게 되는 오류 전파(error propagation) 효과가 발생한다. 또한, 릴레이에서의 변복조 동작에 의한 시간 지연도 발생하게 된다.

기지국과 릴레이 간 백홀 링크와 릴레이와 단말 간 액세스 링크에 동일한 주파수를 사용하는 경우 내대역(Inband) 릴레이, 서로 다른 주파수를 사용하는 경우 외대역(Outband) 릴레이로 구분할 수 있다. 내대역 릴레이는 효율적인 주파수 사용이 가능하지만, 간섭에 의한 링크 품질 저하가 발생할 수 있다. 반대로 외대역 릴레이는 간섭의 영향을 받지 않지만, 주파수 사용 효율이 떨어질 수 있다.

릴레이는 또한, 이동성 여부에 따라 고정형 릴레이와 이동형, 즉 모바일 릴레이로 나눌 수 있다. 고정형 릴레이는 특정 위치에 고정으로 설치되어 기지국과 단말 사이를 중계해주는 역할을 하며 기지국에 가까운 운영 방식이 적용된다. 모바일 릴레이는 릴레이가 차량 탑재 등의 방식으로 이동 중에 기지국과 단말 사이를 중계한다. 단말에 가까운 운영 방식이 적용되며 세부적으로는 이동성 지원을 고려한 링크 설계 및 핸드오버 지원 등이 필요하다.

두 연구원은 위의 릴레이 특성을 고려하여 원고를 통해 릴레이 기술 동향, 특히 모바일 릴레이 기술 개발 동향에 대해 짚고 넘어갔다.

◇ 이동수단 무선 서비스 제공에 적합한 모바일 릴레이

모바일 릴레이는 기차나 버스 등의 이동수단에 장착되어 실내의 승객들에게 무선 서비스를 제공하는 용도로 사용될 수 있다. 모바일 릴레이는 지상의 기지국과 무선 백홀로 연결된다. 두 연구원은 이러한 구조로 무선 서비스를 하는 것이 모바일 릴레이를 거치지 않고 기지국으로부터 차내 승객들에게 직접 액세스를 제공하는 것에 비해 가지는 장점을 두 가지 언급했다.

먼저 차체에 의한 경로 손실 극복이 가능하다는 것이다. 직접 액세스 방식의 경우 강철 재질로 이루어진 차체에 의해 20~35dB 정도의 신호 감쇄가 이루어지는데, 모바일 릴레이 방식의 경우 차상 단말을 이용하여 이러한 신호 감쇄를 회피할 수 있다.

다음은 핸드오버 효율의 향상이다. 직접 액세스 방식의 경우 셀 경계 지역에서 많은 수의 단말이 동시에 핸드오버를 실행하기 때문에 발생하는 비효율이 존재하는 반면, 모바일 릴레이 방식은 릴레이만 핸드오버를 실행하면 되기 때문에 효율적인 핸드오버가 가능하다는 것이다.

◇ V2X에서의 모바일 릴레이

3GPP는 5G NR 초기 시나리오 정의 단계에서부터 다양한 사용례와 구축 시나리오를 정의했다. 주요 사용례는 차량 통신에 적용되는 V2X(Vehicle-to-Everything)다.

5G V2X에서의 사용례는 차량 운행 안전을 위한 군집 주행(Vehicle platooning), 센서 데이터 공유, 원격 주행(Remote driving), 자율주행을 위한 정보 공유 등이 있다.

V2X에서의 모바일 릴레이의 사용례는 차량을 통한 테더링(Tethering via vehicle)으로, 차량이 기지국과 백홀 링크를 통해 연결되어 있으며 차량 내부 또는 차량 근처의 단말에 무선 서비스를 연결한다. 이를 통해 단말의 통신 거리 감소로 인한 단말 전력 사용 효율 향상 등을 달성할 수 있다는 것이다.

두 연구원은 모바일 릴레이 기술을 교통수단에 적용했을 경우 효용이 극대화된다고 밝혔다. 그러면서 하나의 모바일 릴레이가 다수의 사용자를 지원하기 때문에 대용량 무선 백홀 링크가 지원돼야 하므로 광대역 주파수 확보가 가능한 밀리미터파(mmWave) 대역을 사용하는 것이 적합하다고 조언했다.

ETRI는 지난해, 밀리미터파 기반 모바일 백홀 지원을 위해 MHN(Mobile Hotspot Network) 시스템을 개발하고 시험했다. 그 결과 서울 지하철 8호선 터널 환경에서 500MHz 대역폭에서 1.25Gbps의 데이터 전송률을 달성했다. 또한, 강릉 시내버스 도심 환경에서 1GHz의 대역폭을 사용하여 최대 5Gbps, 평균 2~4Gbps의 데이터 전송률을 달성했다.

두 연구원은 이러한 결과를 통해 모바일 릴레이가 5G에서 커버리지 향상, 자원 사용 효율성 증대, 전력 감소 등에 많은 도움이 될 것으로 기대된다고 말했다.

테슬라코리아는 지난 4월, 과학기술정보통신부에 기간통신사업을 영위하기 위해 기간통신사업을 신고했다. 국내에 판매하는 전기차에 LTE 모뎀을 내장하여 실시간 교통정보, 음악·비디오 스트리밍 서비스 등의 커넥티비티 서비스를 제공하기 위해서다.

현대·기아, 쌍용, 르노삼성, BMW, 메르세데스벤츠, 아우디폭스바겐, 포르쉐 등 다른 자동차 회사들은 진입 규제 완화 법률 이전에 별정통신사업 등록을 통해 서비스를 제공 중이다.

또한, 정부는 지난 1월, 3년간 5780억 원을 투입하여 올해 전국 초중고교와 교통시설 등 1만7000곳, 2021년부터 2022년까지 3만6000곳 등 총 5만3000곳에 공공 와이파이를 확대 구축한다는 방침을 밝혔다.

차량 업체의 커넥티비티 서비스 제공 증가와 공공 와이파이 등에 대한 요구 증가, 그리고 향후 도입될 자율주행 서비스 등은 V2X 기술의 발전을 전제로 하며 모바일 릴레이 기술은 그 답이 될 수 있을 것이다.