HSDPA(High Speed Downlink Packet Access)

1. 서언

현재 이동통신 기술은 1세대 아날로그 방식과 2세대 디지털 방식을 거쳐 3세대(3G) 이동통신이 보급되고 있다. 국제 표준으로 인정된 3G 이동통신 방식에는 여러 가지가 있 으나 현재는 우리나라에서 세계 최초로 상용화에 성공한 동기식 IMT-2000 시스템(cdma2000)과 일본에서 역시 세계 최초로 상용화한 비동기식 IMT-2000 시스템(WCDMA or UMTS)이 양대 중심 축을 이루며 발전해 가고 있다.

WCDMA와 cdma2000 관련 기술은 각각 3GPP(3-rd Generation Partnership Project)와 3GPP2에서 표준화를 주도하고 있는데, 이들 양대 기구는 WCDMA와 cdma2000 표준을 제정한 이후 급증하는 무선이동 환경에서의 고속 패킷데이터 서비스 요구에 부응하기 위해 보다 더 높은 데이터율의 패킷 데이터 전송을 가능하게 하는 표준 개발을 시작하였다. 그리고 그러한 표준 개발의 결과로 3GPP에서는 HSDPA(High Speed Downlink Packet Access)를, 3GPP2에서는 1xEV-DV(1x Evolution Data and Voice)를 완료하였다. 본 고에서는 그 중 3GPP 시스템의 주요 진화 기술의 하나인 HSDPA에 대해 간략히 살펴본다.

2. HSDPA 표준 개발 과정

2003년 말 현재 세계 3G 망 운용 및 가입자 현황을 보면, 세계 40개국에서 85개의 상용 cdma2000망이 운용되고 있으나 WCDMA의 경우 상용망 운용이 일본과 영국에 국한되는 등 cdma2000에 비해 상대적으로 보급이 저조한 실정이다.

하지만 WCDMA는 2003년 말에 우리나라에서 서비스가 개시되었고, 2004년 1월에는 홍콩에서 서비스가 개시되었으며, 2004년 6월에는 프랑스에서 서비스가 개시될 예정으로 있는 등 서서히 확산될 것으로 기대되고 있다.

WCDMA는 전술한 바와 같이 3GPP에서 기술 표준을 개발하고 있는데, 3GPP에서는 표준의 진화에 Release라는 개념을 도입하고 있다. 즉, 각각의 Release는 진화된 WCDMA의 각 단계를 의미하는 것으로, 특정 Release가 완료되면 시스템에 큰 변화를 가져올 수 있는 Feature들은 더 이상 추가되지 않고 있다.

WCDMA의 첫 Release는 1999년 표준화 작업을 시작하여 2000년 3월에 완료를 목표로 했기 때문에, 개발 시기를 기준으로 Release 99(R99)로 명명되었다. R99의 완성 이후 다양한 Feature들이 추가된 표준은 2001년 3월에 끝날 것으로 예상되어 Release 2000(R00)이라는 명칭이 부여되었다. 하지만, R99의 표준 보완이 지연되면서 R00의 완성 시기가 자연스럽게 연기되었다. 이후 표준에 연도별 이름을 추가하는 것이 적절치 않음이 지적되어, 2000년 8월 TSG SA 회의에서 R00를 Release 4(R4)로 변경하였고, 이후의 표준을 R5, R6 등으로 명명하는 방법을 채택하였다. R5 표준은 2002년 6월에 발표되었고, 현재는 R6 표준화가 진행 중이다. HSDPA는 R5의 일부로 포함되어 제정된 표준이다.

3. HSDPA 기술 개요

HSDPA는 기존의 WCDMA Release 99 및 Release 4와 동일한 주파수 대역에서 사용 가능한 고속의 하향 패킷 데이터 서비스를 위한 시스템이다.

HSDPA에서는 전송 효율의 증대를 위해 AMC(Adaptive Modulation and Coding)와 H-ARQ(Hybrid Automatic Repeat reQuest) 기법을 적용하고 있으며, 스케줄러 기능을 Node B에 추가하여 빠른 채널 적응을 수행하도록 하였다.

AMC 기술은 채널 환경의 변화에 따라 미리 정의된 MCS(Modulation and Coding Selection) 레벨 중 가장 적합한 전송 방식을 결정하는 링크 적응 기법이다. HSDPA에서는 효율적인 AMC 동작을 위해 QPSK와 16QAM 변조 방식이 사용되고 코드율 1/3인 터보 코드를 효율적으로 펑쳐링하여 다양한 MCS 레벨을 얻을 수 있도록 하였다. 또한 채널의 품질을 송신측에 전달하기 위해 CQI(Channel Quality Indicator)를 상향으로 보내게 된다.

H-ARQ는 MAC 계층의 오류 제어 기법인 ARQ와 물리계층의 오류 제어 기법인 채널 코딩을 결합한 기술로 재전송 회수를 감소하여 시스템 용량을 증대 시키는 기술이다.

HSDPA는 하향 고속 패킷 데이터 전송을 가능하게 하기 위해 기존의 WCDMA 시스템에 영향을 주지 않는 범위에서 다음과 같은 하향 및 상향 링크가 추가되었다

- HS-DSCH(High Speed Downlink Shared Channel): 고속 패킷 데이터 전송을 위한 하향 링크 전송 채널. HS-DSCH는 한 개 이상의HS-PDSCH를 통해 데이터 전송 가능

- HS-PDSCH(High Speed Physical Downlink Shared Channel): HS-DSCH 데이터를 전송하기 위해 사용되는 하향 물리채널. 각 기지국은 최대 15개의 HS-PDSCH 운용 가능

- HS-SCCH(High Speed Shared Control Channel): HS-DSCH로 전송되는 패킷 데이터를 단말기가 수신하는데 필요한 제어정보와 기타 용도의 제어정보를 기지국이 전송하는데 사용하는 하향채널

- HS-DPCCH(High Speed Dedicated Physical Control Channel): 각 단말이 하향 파일럿 채널 상황이 가장 양호한 기지국을 선택하여 해당 채널 상황에 적합한 변조 및 부호화 정보를 피드백하는데 사용하는 상향채널. 또한 기지국으로부터 패킷 데이터를 수신한 단말은 ACK/NACK 정보를 HS-DPCCH를 통해 전송함

이들 채널 각각의 특징은 <표 1>과 같다. 최근에는 HSDPA의 조기 상용화 일정을 위해 복잡한 16QAM 기술을 제외한 QPSK only HSDPA가 추가적으로 등장하였다.

HSDPA와 기존 WCDMA와의 커다란 차이점은 WCDMA는 전파상태에 관계없이 통신속도가 일정한데 반해 HSDPA는 전파상태에 따라 속도에 변화가 많다는 점이다. 즉, 옥내에 HSDPA용 IMCS(In-building Mobile Communication System) 기지국을 설치하는 경우에 기지국 바로 밑과 같이 전파상태가 우수한 곳인 경우 통신속도가 14Mbps, 기지국 주변의 전파상태가 비교적 양호한 장소에서는 7~8Mbps, 그리고 셀 주변지역과 같이 잡음이 많은 장소에서는 2Mbps 정도로 떨어진다. 이처럼 통신속도가 크게 변화하는 주된 이유는 전파상태에 따라 2ms마다 변조방식이나 부호화율을 제어하기 때문이다. 한편, 최대속도는 14Mbps이지만 동일 셀 내에 복수의 사용자가 있는 경우 속도를 공유하기 때문에 1인당 평균속도는 2~4Mbps 정도가 될 것으로 예상되고 있다.

HSDPA는 이처럼 전파 상태나 사용자의 혼잡 상태에 따라 통신속도가 크게 변화하는, 피크 속도 중시의 통신 방식이라고 하는 특징을 가지고 있다. 이 같은 특징으로 인해 HSDPA는 best effort라고 하는 형태로 정액제를 도입하기 쉬운 통신 방식으로 평가되고 있다.

4. 서비스/장비 개발 동향

전술하였듯이 HSDPA는 기존 WCDMA 표준과 동일한 주파수 대역폭을 이용해 제공한다는 특징을 가지고 있다. 따라서 WCDMA 사업권을 획득한 사업자들의 대다수가 HSDPA에 관심을 갖고 있는 것으로 알려지고 있다.

그 중에서도 현재 HSDPA 서비스 도입에 가장 적극적인 곳은 일본의 NTT DoCoMo이다. 2005년 동 서비스 도입을 목표로 하고 있는 NTT DoCoMo는 2004년 3월, 자사 R&D 센터인 YRP (Yokosuka Research Park)에서 시험기기를 사용한 실연을 실시하기도 하였다.

NTT DoCoMo가 HSDPA의 도입을 서두르고 있는 이유는 몇 가지 측면에서 찾아볼 수 있다. 현재 일본에서는 이동통신 사업자들간의 3G 서비스 경쟁이 본격화 되고 있는 가운데, KDDI가 2003년 11월에 데이터 통신속도가 강화된 cdma2000 1x EV-DO 서비스를 도입하면서 정액제도 함께 도입하였다. 이를 기반으로 현재 일본의 이동통신 순증 가입자 측면에서는 KDDI가 NTT DoCoMo를 뒤로 하고 선두를 달리고 있는 실정이다. NTT DoCoMo로서는 정액제로 선행한 KDDI에 대항할 수 있는 기술의 조기 투입이 절실한 실정이다. 물론 HSDPA의 비트당 장비 비용이 저렴하다는 점도 작용하고 있는 것으로 보이며, 기본적으로는 약 5년 정도 뒤에는 전체 통신 트래픽에서 데이터 통신이 차지하는 비중이 70~80%가 될 것이라는 전망이 바탕에 자리잡고 있을 것이다.

세계최대의 단말기 제조업체인 Nokia도 HSDPA에 많은 관심을 나타내고 있는데, 노키아는  2003년 3월, 미국 루이지애나주 뉴올리언즈에서 개최된 ‘CTIA Wireless 2003’에서 HSDPA 기술을 적용한 W-WCDMA 솔루션의 데모를 선보이기도 했다. 당시 Nokia는 2005년 이후 HSDPA가 개시될 것으로 예측한 바 있다.

한편, 우리나라의 삼성전자나 LG전자를 포함하여 주요 통신 장비 벤더들과 반도체 업체들이 HSDPA 칩이나 장비 개발에 참여하고 있다. 또한, Agilent나 Anritsu 같은 계측기 업체들도 HSDPA기술 관련 연구/개발을 위한 계측기기를 출시하고 있다. <표 3>에는 HSDPA 관련 칩 및 장비 개발 동향을 정리하였다.