이종 네트워크
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1. 개요
이종 네트워크(HetNet)는 서로 다른 유형의 액세스 노드를 사용하는 무선 네트워크를 의미한다. 트래픽 증가에 대응하기 위해 매크로 셀, 스몰 셀, 와이파이 등을 조합하여 사용하며, 피코 셀, 펨토 셀과 같은 소형 기지국을 추가 설치하여 데이터 전송 속도를 높인다. HetNet은 매크로 셀, 스몰 셀, 와이파이 네트워크 요소 간의 복잡한 상호 작용을 통해 커버리지와 핸드오프 기능을 제공하며, 자기 최적화 네트워크(SON) 기능을 통해 네트워크 밀도를 증가시키고 자동화된 서비스 품질 관리를 가능하게 한다. HetNet은 기지국 간 간섭 문제를 해결하기 위해 ICIC, eICIC 기술을 사용하며, "이종 네트워크"라는 용어는 다양한 의미로 사용될 수 있어 맥락에 따른 정확한 이해가 필요하다.
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| 이종 네트워크 | |
|---|---|
| 네트워크 개요 | |
| 정의 | 이종 네트워크는 다양한 운영 체제 또는 프로토콜을 가진 컴퓨터를 연결하는 네트워크이다. |
| 특징 | |
| 상호 운용성 | 이종 네트워크는 다양한 시스템 간의 상호 운용성을 가능하게 한다. |
| 복잡성 | 이종 네트워크는 다양한 프로토콜과 기술을 통합해야 하므로 관리가 더 복잡할 수 있다. |
| 기술적 고려 사항 | |
| 프로토콜 변환 | 서로 다른 프로토콜 간의 통신을 위해 프로토콜 변환이 필요할 수 있다. |
| 보안 | 다양한 시스템에 대한 보안 정책을 통합하는 것이 중요하다. |
| 응용 | |
| 기업 네트워크 | 다양한 부서에서 서로 다른 시스템을 사용하는 기업 환경에서 흔히 볼 수 있다. |
| 홈 네트워크 | 다양한 장치 (예: PC, 스마트폰, 스마트 TV)가 연결된 홈 네트워크도 이종 네트워크의 예이다. |
| 관리 및 유지 보수 | |
| 중앙 집중식 관리 | 네트워크 관리를 단순화하기 위해 중앙 집중식 관리 도구를 사용할 수 있다. |
| 표준 준수 | 표준 프로토콜과 기술을 사용하면 호환성 문제를 줄일 수 있다. |
2. HetNet의 개념 및 등장 배경
HetNet은 서로 다른 특징을 가진 기지국들을 혼합하여 네트워크를 구성하는 방식이다. 기존 2G/3G 방식은 사용자가 몰리면 셀의 크기를 줄이는 방식으로 트래픽을 관리했지만, LTE 시대에는 데이터 트래픽 폭증으로 인해 셀 크기만으로는 감당하기 어려워졌다.
이러한 한계를 극복하기 위해 사람들이 몰리는 곳이나 매크로 셀의 전파가 약한 곳에 작은 기지국을 추가 설치하는 것이 HetNet이다. ARCchart의 연구에 따르면, HetNet은 모바일 인프라 시장을 주도하여 2017년까지 전 세계적으로 약 570억달러의 지출을 차지할 것으로 추정된다.[4]
2. 1. HetNet의 구조
HetNet은 여러 유형의 액세스 노드를 사용하는 무선 네트워크를 의미한다. 광역 통신망(WAN)은 매크로셀, 피코셀, 펨토셀을 조합하여 넓은 야외부터 사무실, 가정, 지하까지 다양한 무선 통신 범위를 제공한다.[3] 매크로 셀은 넓은 지역을 담당하지만, 피코 셀은 수십 명 정도를 포괄하는 공공지역에, 펨토 셀은 실내 공간에 설치되어 더 빠른 속도로 데이터를 전송할 수 있게 한다. 매크로 셀은 유지 비용이 비싸지만, 피코 셀과 펨토 셀은 설치가 쉽고 빠르다는 장점이 있다.모바일 전문가들은 HetNet을 매크로셀, 스몰 셀, 와이파이 네트워크 요소 간의 복잡한 상호 작용을 통해 모자이크 형태의 커버리지를 제공하고, 네트워크 요소 간 핸드오프 기능을 갖춘 네트워크로 정의한다.[3] 스몰 셀 포럼(Small Cell Forum)은 HetNet을 '다중-x 환경'으로 정의하며, 자동 재구성 기능과 유연성을 강조한다.[5]
이종 네트워크(HetNet)는 기존의 매크로 무선 접속망(RAN) 기능, RAN 전송 능력, 스몰 셀 및 와이파이 기능을 포함하는 아키텍처로 볼 수 있다. 이러한 기능은 가상화되어 데이터 센터 리소스와 관련된 운영 환경에서 제공된다.[6]
이 프레임워크에서 자기 최적화 네트워크(SON) 기능은 스몰 셀을 통한 네트워크 밀도 증가를 가능하게 한다. 자동 구성('플러그 앤 플레이')은 배포 시간과 비용을 줄이고, 자기 최적화는 네트워크가 최대 효율을 위해 자체적으로 조정되도록 한다. 트래픽 수요, 사용자 이동 등은 시간에 따라 변화하며, 네트워크는 이러한 변화에 맞춰 적응해야 한다. 따라서 향상된 SON 기능은 진화하는 사용자 요구, 비즈니스 목표 등을 고려해야 한다. HetNet 운영 및 관리에 관련된 기능은 단일 도메인이나 기술에만 적용되었던 이전의 SON 기능을 활용하여 전체 HetNet에 걸쳐 자동화된 서비스 품질 관리를 제공하도록 확장한다.[7]
3. HetNet의 구성 요소
이종 무선 네트워크(HWN)는 서로 다른 무선 접속 기술(RAT)을 사용하는 장치로 구성된 무선 네트워크이다.[8] HWN은 기존의 동종 무선 네트워크에 비해 신뢰성, 주파수 효율, 커버리지 등에서 이점을 가진다. 특정 RAT에 문제가 생겨도 다른 RAT로 대체하여 연결을 유지할 수 있으며, RAT 간 부하 분산을 통해 사용자가 적은 RAT를 활용하고, 단일 네트워크로는 채우기 어려운 커버리지 사각지대를 다른 RAT로 보완할 수 있다.
HWN에서 해결해야 할 과제로는 HWN의 이론적 용량 결정,[9] 기술 간 상호 운용성,[10] 핸드오버,[11] 이동성,[12] 서비스 품질/체험 품질, RAT 간 간섭,[13] 집선[14] 등이 있다.
3. 1. 스몰 셀 (Small Cell)
LTE 시대가 열리면서 트래픽이 급증하여 기존 셀 크기만으로는 데이터 처리가 어려워졌다. 이러한 한계를 극복하기 위해 매크로 셀의 전파가 약한 곳이나 사람들이 몰리는 곳에 소형 기지국을 추가 설치하는데, 이것이 바로 스몰 셀이다. 스몰 셀에는 피코 셀, 펨토 셀 등이 있다. 매크로 셀은 관리 및 유지 비용이 비싸지만, 스몰 셀은 작고 설치가 쉬우며 속도가 빠르다는 장점이 있다.[3]스몰 셀은 네트워크 밀도 증가에 필수적이다. 스몰 셀의 자동 구성(플러그 앤 플레이) 기능은 배포 시간과 비용을 줄여준다. 또한, 자기 최적화 기능은 조건 변화에 따라 네트워크가 자체적으로 최대 효율을 내도록 조정하게 한다.[6]
3. 1. 1. 피코 셀 (Pico Cell)
LTE 시대가 열리면서 트래픽이 급증하여, 기존 셀 크기만으로는 데이터 처리가 어려워졌다. 이러한 한계를 극복하기 위해 사람이 몰리는 곳에 소형 기지국을 추가 설치하는데, 특히 공공장소와 같이 인구 밀집 지역에는 수십 명 정도를 수용할 수 있는 피코 셀이 설치된다. 피코 셀은 매크로 셀에 비해 관리 및 유지 비용이 저렴하고, 설치가 쉬우며, 빠른 데이터 전송 속도를 제공한다는 장점이 있다.[6]3. 1. 2. 펨토 셀 (Femto Cell)
펨토 셀은 가정이나 사무실 등 실내 공간에 설치되는 초소형 기지국으로, 개인 사용자에게 고속 데이터 서비스를 제공한다. 폐쇄 가입자 그룹(CSG, Closed Subscription Group) 모드를 통해 허용된 사용자만 접속할 수 있도록 설정할 수 있다.[3] 예를 들어, 사용자가 자신의 거주 지역 통신 속도가 느려 사비로 펨토 셀을 설치했더라도, 다른 사용자가 해당 펨토 셀을 이용할 수 있다. 이러한 상황을 방지하기 위해 CSG를 통해 허가된 사용자에게만 펨토 셀 접속을 허용한다. CSG 멤버가 아니지만 펨토 셀 범위 안에 있는 사용자는 멀리 있는 매크로 셀을 사용하게 되는데, 이때 펨토 셀의 신호가 간섭을 일으킬 수 있다. 이를 해결하기 위해 하이브리드 모드를 통해 제한적으로 CSG 멤버가 아닌 사용자도 접속을 허용하여 간섭을 방지한다.[3]4. HetNet의 기술적 특징
HetNet은 여러 유형의 액세스 노드를 사용하는 무선 네트워크이다. 광역 통신망(WAN)은 매크로셀, 피코셀, 펨토셀을 함께 사용하여 넓은 범위의 무선 통신을 제공한다.[3] 모바일 전문가들은 HetNet을 매크로셀, 스몰 셀, 와이파이 네트워크 요소 간의 복잡한 상호 작용을 통해 네트워크 커버리지를 제공하고, 핸드오버 기능을 갖춘 네트워크로 정의한다.[3] ARCchart의 연구에 따르면 HetNet은 모바일 인프라 시장을 주도하여 2017년까지 전 세계적으로 약 570억달러의 지출을 차지할 것으로 추정된다.[4] HetNet은 스몰 셀 및 와이파이 기능을 포함하는 아키텍처로 볼 수 있으며, 이는 데이터 센터 리소스와 관련된 운영 환경에서 제공된다.[6]
4. 1. 무선 접속 기술 (RAT, Radio Access Technology)
이종 무선 네트워크(HWN)는 이종 네트워크의 특별한 경우이다. 이종 네트워크가 운영 체제, 하드웨어, 프로토콜 등과 관련하여 서로 다른 기능을 가진 컴퓨터 또는 장치 네트워크로 구성될 수 있는 반면, HWN은 서로 다른 기본 무선 접속 기술 (RAT)을 사용하는 장치로 구성된 무선 네트워크이다.[8]이종 무선 네트워크에서는 다음과 같은 몇 가지 문제들을 해결해야 한다.
- HWN의 이론적 용량 결정 [9]
- 기술의 상호 운용성 [10]
- 핸드오버[11]
- 이동성 [12]
- 서비스 품질 / 체험 품질
- RAT 간 간섭 [13]
- 집선 [14]
HWN은 기존의 동종 무선 네트워크에 비해 몇 가지 이점이 있는데, 여기에는 신뢰성 향상, 주파수 효율 개선, 커버리지 증가 등이 포함된다. HWN 내에서 특정 RAT가 실패하더라도 다른 RAT로 대체하여 연결을 유지할 수 있기 때문에 신뢰성이 향상된다. RAT 간에 부하 분산을 사용하여 사용자가 적은 RAT를 활용할 수 있으며, 단일 네트워크로는 채울 수 없는 커버리지의 사각지대를 다른 RAT가 채울 수 있으므로 주파수 효율과 커버리지가 향상될 수 있다.
4. 2. 자기 최적화 네트워크 (SON, Self-Optimizing Network)
이러한 프레임워크에서, 자기 최적화 네트워크(SON) 기능은 스몰 셀을 통한 네트워크 밀도 증가를 가능하게 하는 데 필수적이다. 자기 구성 또는 '플러그 앤 플레이'는 배포 시간과 비용을 줄이는 반면, 자기 최적화는 조건이 변경됨에 따라 네트워크가 최대 효율을 위해 자체적으로 조정되도록 보장한다. 트래픽 수요, 사용자 이동 및 서비스 혼합은 모두 시간이 지남에 따라 진화할 것이며, 네트워크는 이러한 변화에 발맞춰 적응해야 한다. 따라서 이러한 향상된 SON 기능은 진화하는 사용자 요구, 비즈니스 목표 및 가입자 행동을 고려해야 한다.[7]5. HetNet의 문제점 및 해결 방안
HetNet은 셀을 많이 만들게 되며 기지국이 많을수록 간섭 현상이 문제가 된다.[1]
5. 1. ICIC (Inter-Cell Interference Coordination)
사실 eICIC 이전에 '''ICIC''' 기술이 먼저 나왔다. ICIC는 데이터 신호의 간섭을 없애는 기술이다. 서브프레임은 하나의 1ms 시간 구간 안에서 제어 채널 전송 구간과 데이터 채널 전송 구간으로 나뉜다. ICIC에서 간섭을 피하려고 서로 다른 주파수가 할당되는 부분은 바로 데이터 채널(PDSCH)이고 단말기들에게 할당한 자원에 대한 정보는 제어 채널(PDCCH)로 전달되는데, 제어 채널은 서로 다른 주파수 영역을 사용하지 않고 주변에 있는 셀 단말기들과 똑같은 주파수 자원을 사용할 수 있게 되는 부분이 문제점이다.''homogeneous network''에서는 어차피 주변의 셀끼리 기지국 안테나의 송신 출력이 비슷비슷해서 제어 채널에 의한 간섭이 적어 무시할 수 있었다. 그러나 HetNet에서는 매크로 셀과 스몰 셀의 송신 출력 차이가 매우 커서 스몰 셀 제어 채널이 매크로 셀로부터 간섭을 심하게 받아 ICIC 기술이 도로아미타불이 된다.[1]
5. 2. eICIC (enhanced Inter-Cell Interference Coordination)
eICIC는 차세대 주파수 간섭 제어 기술이다. ICIC가 서로 다른 주파수 영역을 이용하여 셀 간의 간섭을 피한 것이라면, eICIC는 서로 다른 시간 영역을 이용한다.LTE는 10ms 길이의 프레임 단위로 신호를 전송하는데, 한 프레임에는 10개의 서브프레임이 있다. 스몰 셀은 매크로 셀이 데이터를 전송하지 않는 서브프레임으로 셀 경계 지역에 있는 단말기들과 통신함으로써 매크로 셀의 간섭을 피한다. ABS(Almost Blank Subframe)는 매크로 셀의 서브프레임 중 일부 데이터를 비워 전송 신호의 세기를 약하게 한 프레임이다. 즉, 데이터를 전송하지 않고 최소한의 제어 정보만을 전송하여 제어 신호로 인한 간섭을 완화시킨다.
매크로 셀 기지국은 어느 서브프레임에서 데이터를 전송하고 안 할지를 ABS 패턴 정보로 구성하여 Load Information 메시지를 구성하고, X2 인터페이스를 통해 스몰 셀 기지국으로 전달한다. 이 메시지를 받은 스몰 셀 기지국은 매크로 셀이 어느 서브프레임에서 정보 및 데이터를 전송하는지 알 수 있으며, 셀 경계에 있는 단말기들에게는 ABS 서브프레임에서만 전송한다. 예를 들어 매크로 셀이 0011000110이라는 메시지를 구성하여 스몰 셀에게 전송하였다면, 여기서 0은 데이터 전송을 하는 것이고 1은 데이터 전송을 안 하는 것이다. 매크로 셀과 스몰 셀 경계의 단말기는 서로 다른 서브프레임에서 통신하게 된다.
6. 시맨틱(Semantics)
"이종 네트워크"라는 용어는 무선 통신에서 다양한 의미를 가질 수 있다. 예를 들어, 다양한 다중 커버리지 프로토콜(일명 ''HetNet'') 간의 원활하고 유비쿼터스한 상호 운용성 패러다임을 지칭할 수 있다. 또는 사용자나 무선 노드의 불균일한 공간 분포(일명 ''공간적 비균질성'')를 지칭할 수도 있다. 따라서 "이종 네트워크"라는 용어를 맥락 없이 사용하면 과학 문헌과 동료 검토 과정에서 혼란을 야기할 수 있는데, 특히 ''HetNet'' 패러다임이 종종 ''기하학적'' 관점에서 연구된다는 사실 때문에 혼란이 더욱 심화될 수 있다.[7]
참조
[1]
서적
2009 6th IEEE Consumer Communications and Networking Conference
[2]
서적
2011 IEEE Consumer Communications and Networking Conference (CCNC)
[3]
웹사이트
HetNet Forecast
http://mobile-expert[...]
Mobile Experts
2011-06-24
[4]
웹사이트
HetNet Market Summary & Forecasts: Macro Cells, Small Cells & Wi-Fi Offload
http://www.arcchart.[...]
ARCchart
2012-11-17
[5]
서적
HetNet and SON overview
http://scf.io/doc/10[...]
Small Cell Forum
[6]
서적
Integrated HetNet architecture framework
http://scf.io/doc/17[...]
Small Cell Forum
[7]
서적
Role of SON in the HetNet deployment process
http://scf.io/doc/17[...]
Small Cell Forum
[8]
웹사이트
A Hybrid Approach for Radio Access Technology Selection in Heterogeneous Wireless Networks
https://ieeexplore.i[...]
2013-04
[9]
서적
2010 Proceedings IEEE INFOCOM
[10]
서적
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[11]
간행물
An intelligent handover decision mechanism for heterogeneous wireless networks
https://ieeexplore.i[...]
2010-08
[12]
뉴스
Energy-efficient traffic bypassing in LTE HetNets with mobile relays
https://ieeexplore.i[...]
IEEE WiMob
2015-10
[13]
서적
2012 IEEE International Conference on Communications (ICC)
[14]
간행물
Multi-RAT Aggregation Through Spectrum Reallocation for Future Wireless Networks
https://discovery.uc[...]
[15]
학위논문
On the Fundamentals of Stochastic Spatial Modeling and Analysis of Wireless Networks and its Impact to Channel Losses
http://spectrum.libr[...]
Concordia University
2012-09-22
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