나지현┃5G포럼 생태계위원회 스몰셀 WG장 ETRI 기지국SW연구실 실장
전형준┃5G포럼 생태계위원회 스몰셀WG 간사, 주식회사 유캐스트 연구소장
이종욱┃5G포럼 생태계위원회 스몰셀WG 위원, ㈜주니코리아 연구소장
박광호┃5G포럼 생태계위원회 스몰셀WG 위원, ㈜이노와이어리스 부문장
박성은┃5G포럼 생태계위원회 스몰셀WG 위원, 한국 퀄컴 부장
김사진┃5G포럼 생태계위원회 스몰셀WG 위원, IITP 수석연구원
송영근┃5G포럼 생태계위원회 스몰셀WG 위원, ETRI 책임연구원
이동통신 액세스 네트워크 장비는 대형 기지국과 소형 기지국으로 분리되어 시장을 형성하고 있으며 소형기지국의 경우, 3G네트워크까지는 펨토라는 이름으로 불리웠으나 4세대에 들어서 스몰셀(Small Cell, 소형셀 )기지국이라는 이름하에 셀의 크기에 따라 다양한 종류의 제품들과 다양한 생태계를 이루고 있다. 스몰셀 기지국은 소수의 대기업위주로 생산되는 매크로 기지국과는 달리 다수의 중소/중견기업도 시장 진출이 가능한 분야로 전세계 100여 개의 사업자들이 참여하는 스몰셀 포럼을 중심으로 다양한 비즈니스 생태계를 마련하고 있다.
[그림 1] 셀의 크기 및 용도에 따른 Small Cell 분류
스몰셀 기지국이란 통상 10m~ 수백m 정도의 소출력 커버리지를 갖는 기지국을 말하며 크기 및 용도에 따라 [그림1]과 같이 주거용(Residential) 펨토셀, 빌딩이나 기업용으로 사용되는 피코셀, 도심이나 시골지역에서 사용하는 메트로셀과 마이크로셀로 구분하여 정의하고 있다.
현재까지의 스몰셀 기지국의 매출액은 주거용 Femto 기지국에 관한 부분이 가장 많았으며, 앞으로의 시장 예측에서는 주거용 뿐만아니라 다양한 Enterprise급 사설 혹은 공중 액세스 망의 수요도 늘어날 것으로 예측되고 있다. 이러한 몰셀 기지국은 All-in-one 형태의 기지국 뿐 만 아니라 가상화된 제어국과 분산된 RU도 많은 매출이 일어날 것으로 예측되는 가운데, 그 비즈니스 모델도 다양하여 중소/중견기업이 진출할 수 있는 시장이 향후 5년 이내 5배 이상 커질 것으로 전망되고 있다.
본 이슈 리포트에서는 국내 중소기업들이 제조하고 있는 LTE기반 스몰셀 기지국의 기술, 표준화, 시장동향을 파악하고 제품개발 추진현황을 점검하여 5G 스몰셀 기술/제품에 대한 개선 방향을 제안하고자 한다.
스몰셀 기지국 기술 개요
▷ 스몰셀 기지국 관련 망 구조
LTE기반 스몰셀 기지국 망 구조는 [그림2]와 같이 구성될 수 있으며, 매크로 기지국과의 커버리지 포함관계에 따라 HetNet 망구조를 포함 하거나 독립망 구조를 가질 수 있다. 스몰셀 기지국은 도심 핫스팟의 대용량 서비스를 지원하기 위하여 매크로 기지국과 중첩된 지역에 설치되거나 음영지역에 별도로 설치된다. 이는 기지국 백본이 인터넷에 연결될 때 기지국과 EPC 사이의 보안을 보장하기 위하여 S-GW (Security Gateway)를 통해 HeNB GW(Home eNB Gateway)와 인터 페이스하는 특징을 갖는다. 스몰셀은 이를 운용 관리하는 HeMS Server, 자동으로 구성하는 SON (Self-Organizing Network) 서버와의 연동이 가능되어 별도 관리가 가능하다.
[그림2] LTE기반 스몰셀 망 구조도
3GPP Rel.12 이후 스몰셀 향상기술에서는 이중 연결성, 소출력의 비면허대역을 활용한 LTE-LAA 기술이 있다. 이중연결성을 위한 망 구조는 매크로 기지국과 스몰셀 기지국이 중첩된 Hetnet 구조를 가지며, LTE-LAA의 경우 면허대역과 비면허 대 역을 반송파집성(Carrier Aggregation) 기술을 근간으로 한다. 이중연결성 기술과 LTE-LAA기술은 아직 상용화 전으로 이중연결성 기술의 경우 5G에서 다중연결성 기술로 발전하고 있다.
▷ 스몰셀 기지국 구성기술
스몰셀 기지국 생태계를 구성하는 입장에서 스몰셀 기지국 기술은 주요 기술과 주변 기술로 분류될 수 있다. 스몰셀 기지국 주요 기술은 스몰셀 기지국을 구성하는 요소기술들 각각이 생태계를 만들 수 있는 기술단위로, [그림3]과 같이 스몰셀 기지국 HW 기술, RF 기술, L1 모뎀 기술, L2/L3 프로토콜 SW 기술, 기지국 운용 및 관리 기술 및 스몰셀의 자동 구성을 위한 SON(Self Organizing Network) 기술 등이 있다. 스몰셀 기지국 주변 기술은 스몰셀 기지국과 코어망을 연결하는 백홀 기술, 스몰셀 기지국 시험을 위한 EPC 애뮬레이터 기술, 여러대의 단말기능을 모사하는 다중 단말 애뮬레이터 및 단말들의 상태 모니터링을 위한 진단장치 기술로 구성된다.
[그림3] LTE 스몰셀 기지국 구성요소 및 관련 장비
LTE 스몰셀 기지국 기술은 3GPP규격 기반으로 동작한다는 점에서 기능면에서는 매크로 기지국 기술과 유사하나, 다양한 백홀의 제공, 자유로운 설치를 위한 자동구성기술 등이 제공되어야 하는 특징을 갖는다. 또한, 가격 경쟁력 향상을 위하여 저사양의 HW로 높은 데이터 전송율 제공, 메크로와의 간섭제거기술 제공, 저비용 제품생산을 위한 모뎀, 상용 모뎀 칩셋 공급사를 고려한 프로토콜 스택 최적화기술이 고려되어야 한다. LTE 스몰셀 시장이 처음 형성되었을 때, 많은 회사들이 모뎀칩셋을 제공하였으나 현재는 몇개의 회사만이 칩셋을 제공하고 있어서, 5G 스몰셀을 위한 주요기술을 제공하는 회사들의 생태계는 LTE와는 다르게 변화할 것으로 예측된다.
5G 스몰셀의 경우 3GPP Rel.15 5G-NR 기반의 NSA(Non-Standalone)모드가 먼저 지원될 것이며, 이를 위한 주요 기술은 5G-NR 기반의 모뎀, LTE와의 연동이 가능한 이중연결성지원, 프로토콜 스택간의 Functional Split지원, 5G QoS 플로우 처리를 위한 SDAP (Service Data Adaptation Protocl), RAN가상화 기능을 포함 하는 L2/L3 프로토콜 스택 등이 지원되어야 한다. 또한 NR에서 밀리미터파 통신을 도입함에 따라 빔 측정 및 제어와 관련된 무선자원제어 기능이 추가되어야 한다.
스몰셀 관련 표준 동향
스몰셀 관련 표준은 LTE와 5G에 대한 이동통신 액세스, 네트워크 규격을 정의하고 있는 3GPP, 스몰셀 생태계를 고려한 디펙토 표준을 정의하고 있는 Small Cell Forum, 그리고 다양한 비즈니스 모델을 고려하여 공유주파수 영역과 비면허주파수를 활용한 소형셀 기지국 영역의 CBRS Alliance, MULTEFIRE Alliance 등이 있다.
▷ 3GPP 에서의 스몰셀 표준 동향
3GPP에서는 Rel.8부터 가정용 기지국을 위한 Home eNB를 규격에 포함하였으며, 이후 매크로기지국 커버리지내 스몰셀을 트래픽 분산용으로 활용하기 위하여 Rel.12부터 본격적으로 SCE(Small Cell Enhancement)라는 용어를 사용하였다. Rel.12 정의된 스몰셀 관련 주요기능은 이중연결성, 스몰셀 디스커버리 등이 있으며, Rel.13에서는 비면허대역을 세컨더리 캐리어로 활용하면서, LBT(Listen Before Talk) 기능을 포함한 LTE-LAA (Licensed Assisted Access) 기술이 정의되어 Rel.14에서 확장되고 있다.
최근에는 5G NR(New Radio)기술에 스몰셀의 영역으로 생각되는 밀리미터파(mmWave)를 고려한 기술 규격이 정의되고 있으며, NSA(Non Standalone) 모드로 동작할 수 있는 스몰셀 형태의 기지국이 먼저 상용화될 것으로 예측된다.
▷ Small Cell Forum
Small Cell Forum은 다양한 소형셀 생태계 장려를 위하여 2007년에 결성된 비영리단체로 전세계 다양한 통신 사업자와 기지국장비 업체를 비롯하여 소형셀 기술 업체와 테스트 및 인증 기관들을 회원사로 보유하고 있다. Small Cell Forum은 사업자 위주의 디펙토 기술표준을 정의하고 있으며 3GPP, ETSI등 다양한 표준단체와도 파트너 협약을 맺고있다. Small Cell 기지국의 대부분은 Small Cell Forum에서 정의하는 모뎀과 L2/L3 프로토콜사이의 규격인 FAPI(Femto Application Part Interface)를 활용하고 있으며, 사업자요구에 의한 SON API, RAN 가상화를 위한 nFAPI 규격등도 정의하고 있다.
최근 Small Cell Forum에서는 향후 10년 후를 고려한 10가지 트랜드로 가상화, Open, Multi Operator Neutral Host, mmWave와 6GHz이하의 주파수 공존, Zero touch SON기술 등으로 기술하고 있다.
스몰셀 기지국 시장 동향
▷ 국내외 스몰셀 기지국 시장 현황
세계 소형셀 매출액은 ’16년 40억 달러 규모로 이동통신 네트워크 장비 시장의 10.2%를 차지한 가운데, 연평균 17.3% 성장하여 ’21년 88.7억 달러 규모로 전체 장비 매출의 21.5%를 기록할 것으로 전망된다.
소형 기지국의 제품유형별로는 펨토셀 매출이 ’16년 32억 달러에서 연평균 18.5% 성장하여 ’21 년 74.8억 달러 규모로 가장 큰 비중을 차지할 것으로 전망된다. 소형셀을 구축하는 장소별로는 주거 및 사무실에 구축되는 소형셀 매출이 가장 큰 비중을 차지한 가운데(’16년:64% → ’21년:49%), 도심 및 기업용으로 구축되는 소형셀의 성장이 두드러질 전망이다. 제품 유형별로는 펨토셀 매출이 ’16년 32억 달러에서 연평균 18.5% 성장하여 ’21 년 74.8억 달러 규모로 가장 큰 비중을 차지할 것으로 전망된다. 기술방식별로는 3G방식의 소형셀 매출이 가장 큰 비중을 차지한 가운데 (’16년:45% → ’21년:42%), 4G/ LTE 방식의 소형셀 시장도 꾸준히 성장할 것으로 전망된다.
▷ 국내 스몰셀 장비현황
4세대 이동통신 시스템인 LTE를 기반으로한 국내 Small Cell 장비 제조업체는 ㈜콘텔라, 주니 코리아, 이노와이어리스, 유캐스트, 삼지전자 등이 있으며 우리나라의 사업자인 SKT, KT, LGU+의 납품을 기반으로 세계 시장에 진출하고 있다.
국내에서 생산되는 Small Cell 장비는 설치 장소 및 구축 목적에 따라 Residential, Enterprise, Outdoor 그리고 군용 및 재난용 특수 목적 기지국 장비등 4가지 형태로 구분될 수 있다. [그림 4]는 국내에서 생산하고 있는 스몰셀 기지국 장비들을 보여준다. Residential의 경우 가정이나 SOHO (Small Office Home Office) 환경에 구축되어 저출력으로 8명 정도의 사용자를 지원하는 가장 적은 단위의 기지국이다. Enterprise 장비는 기업의 실내/외 환경에 구축되어 16명에서 64명의 동시가입자 지원이 가능하며, Outdoor 장비의 경우 도심 핫스팟 지역이나 교외에 구축되며 32명에 128명의 사용자까지 지원될 수 있다. 또한 기타 장비인 군용, 특수 재난망 장비의 경우 국민 안전처 혹은 국의 요구사항에 따라 특수 목적용으로 사용될 수 있다.
[그림 4] 국내 스몰셀 기지국 장비
스몰셀 장비 생태계 현황 및 5G로의 발전방향
▷ 스몰셀 장비 생태계 현황
국내 이동통신 네트워크 장비 생태계는 [그림 5]와 같이 매크로 기지국 장비와 소형셀 기지국 장비로 나누어져 있으며 매크로 기지국 장비의 경우는 국내 업체로는 유일하게 삼성전자가 제조를 하고 있으며, 소형셀 기지국 장비의 경우는 콘텔라, 이노와이어리스, 주니코리아, 유캐스트, 삼지전자 등 중소기업이 진출하고 있다. 매크로 기지국 장비를 제조하는 업체들의 경우 RF, Modem, 프로토콜 스택 및 HW를 자체적으로 제작하고 있으며, 소형셀 기지국 장비의 경우는 매크로 기지국과는 달리, RF, 모뎀, 프로토콜 각각이 하나의 제품으로서 개발되어 제작된다.
[그림 5] 국내 이동통신 장비 생태계
[그림 6] LTE기반 소형셀 기지국 밸류체인
국내외 소형셀 시장의 벨류 체인은 [그림6]과 같이 기술개발, 제품개발과 생산과정을 포함하는 제조를 거쳐 시장에 진출하게 된다. 기술개발과 관련되어서 소형셀의 구성요소인 Soc를 포함하는 L1솔루션, L2/L3 솔루션 그리고 IPR들을 주로 외산에 의존하고 있으며, 소형셀 제조와 관련 하여 상용 HW개발, 제품생산은 국내 중소기업이 담당하고 있으며 이렇게 개발된 소형셀 기지국은 국내 이동통신 사업자, 군용/특수망 등의 버티칼 사업자, 그리고 해외 사업자들에게 수출하는 밸류 체인을 형성하고 있다.
[표 1] 에서는 현재 LTE Small Cell 제조에 필요한 기술 공급업체 현황을 보여준다.
[표 1]에서 보는 바와 같이 국내의 중소기업은 소형셀 장비를 제조하여 국내 통신사 및 해외에 수출하고 있으나, 기술 개발에 필요한 요소기술을 외산에 의존하고 있어서 적절한 시기에 기술을 제공하기 어렵고, 비싼 라이센스/로열티 비용 지불, IPR 확보 어려움으로 기업자체의 이윤창출을 발생하기 어려운 실정이다. 이를 해결하기 위한 방법으로는 사안이 시급한 기술부터 국산 기술 확보를 할 수 있도록 국가 출연 연구소와 연계하여 정부의 장기적이고 지속적인 투자지원이 필요하다. 제품 상품화 단계에서의 문제점은 사업자 망과 유사한 상용시험환경 구축 어려움, 인력 부족 및 사업자별 추가 기능 요구에 대한 신제품 개발 대응 어려움 등이 있다. 이를 개선하기 위한 방안으로는 상품화 시 요구되는 새로운 기능의 경우 국가 R&D와의 연계를 통한 연구개발과 상용화가 연계 될 수 있는 환경이 중요하며 5G 포럼에서의 위원회 활동을 통한 인적네트워크 구축도 중요하다. 더 나아가 제품 생산시 공동으로 필요한 부품의 공동구매, 생산 파트너와의 연계를 통한 가격경쟁력 강화 역시 중요하다.
[표 1] 소형셀 장비에 필요한 기술 공급업체 현황
▷ 5G 스몰셀 장비 기술개발 발전방향
기존 LTE 스몰셀 기지국 제품 개발시 기지국 SW 프로토콜 스택 및 무선자원관리/운용보전/자동구성기술 등은 많은 부분을 외산업체에 의존하였으며, 일부 업체를 중심으로 국가 R&D 기술개발 결과물이 기술이전되어 활용되고 있는 실정이다. 뿐만 아니라 기존 시장 논리로 인해 SoC 업체, 사업자 그리고 국가 R&D 기관간의 협력관계도 유기적으로 구축되지 못하였다. 이로 인해, 기지국 제품 개발 시 국가 R&D 기관이 개발한 국산 SW가 제한적으로 사용되었고, 전체적인 외산 의존도가 근본적으로 개선되지 못하였다. 하지만, 5G 스몰셀 시장에서는 지속적인 국가 R&D 투자 및 기술이전 결과물에 대한 지원이 확보될 경우 기존 LTE 시장에서 지적되어왔던 외산 SW 구매로 인해 발생하는 라이센스/로열티 문제가 점진적으로 개선될 것으로 예상한다.
5G 스몰셀 기술 개발시, 국가 R&D의 지속적인 투자로 스몰셀 SW 완성도가 향상되고, mmWave 사용 등으로 향후 5G 스몰셀 시장이 확대될 경우 사업자의 적극적 투자가 점차 예상된다. 기존 LTE 스몰셀 외산 업체와 협업시 발생한 라이센스/로열티 등과 같은 비용이슈와 기술 요구사항 반영과 관련된 문제는 스몰셀 SW 국산화 확대시 기술이전에 따른 비용절감 등으로 점차 해소될 것으로 예측된다. 이를 위해 국가 R&D 연구기관은 기존 SoC 업체 및 사업자와의 유기적인 관계 구축을 통해 SoC 업계의 기술개발로드맵과 사업자의 요구사항이 반영된 스몰셀 SW 개발에 집중하여야 한다. 결국 기존 외산 스몰셀 SW를 점차적로 국산화함으로써 중소기업 중심의 스몰셀 생태 계를 구축하기 위해, 사업자, SoC업체, 정부로 구성된 유기적인 선순환 체계가 수립되도록 업계 간의 협업과 이에 대한 지속적인 정부지원이 필요하다.
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