IEEE 802 근거리 무선통신 표준화 동향

박진아* 박승근**

본 고에서는IEEE 802 표준 중에서 향후 도래할 유비쿼터스 네트워크에서 근거리 접속점 역할을 하는 소출력 무선기기를 중심으로 IEEE 802.15, 802.18, 802.19, 802.22등의 내용을 간단히 살펴본다. 특히 802.15에서는 블루투스, UWB, 지그비의 표준화를 다루고 있으며, 802.18에서는 글로벌 소출력 무선 시장을 위하여 802표준과 각국의 기술 기준과 연계방안을 모색하고 있고, 802.19및 802.22에서는 전파혼신과 관련하여 주파수 공유조건 및 Cognitive Radio에 대한 기술적 논의를 하고 있다. ▨

I. 서 론

IEEE 802는 1980년 2월에 설립된 이래, 1999년부터 무선랜을 연구하던 IEEE 802.11 Wireless Local Area Network(WLAN) WG의 표준이 시장에서 성공함에 따라 뒤를 이어 Bluetooth와 Zigbee 등을 연구하는 IEEE 802.15 Wireless Personal Area Network(WPAN) WG이 활발하게 활동하면서, 근거리 무선기기에 대한 대표 표준화 기구로 앞장서고 있다. IEEE 802에서 가장 활동적인 연구를 나타내는 그룹에는 무선과 관련된 연구가 주를 이루는 가운데, 앞서 언급한 IEEE 802.11 WLAN, IEEE 802.15 WPAN 외에도 국내에서는 와이브로(WiBro)와 관련하여 관심을 받았던 IEEE 802.16 및 이동성을 지원하는 IEEE 802.20 등이 대표적으로 활동하였다. 본 고에서는 근거리 무선기기와 연관이 있는 IEEE 802.15, 802.18, 802.19 마지막으로 802.22에 대하여 소개한다.

블루투스로 대표되던 IEEE 802.15 WPAN은 블루투스 칩 단가의 하락에 실패하고 킬러 애플리케이션을 개발하지 못하여 어려움을 겪으면서 WPAN 활동이 주춤하였으나, 최근 몇 년사이 휴대전화기와의 융복합 단말기 구조를 취함으로서 다시 한번 도약하고 있다. 무선랜 및 블루투스의 발전과 더불어 IEEE 802.15.3a에서는 UWB가 IEEE 802.15.4및 4a에서는 Zigbee와 chirp 표준안이 개발되면서, IEEE 802는 근거리 무선통신망의 중심으로 주목 받고 있다.

또한, IEEE 802에는 표준화와 각국의 기술 기준을 효율적으로 접목시키기 위하여, IEEE 802.18이 가동되고 있으며, ITU-R의 전파규칙 및 미국의 FCC를 비롯한 일본의 ARIB 등 주요 국가의 유관기관이 업무에 동참하고 있다.

IEEE 802.19는 각 WG 간의 전파간섭을 최소화하기 위한 전파간섭 분석과 주파수 공유(Coexistence)를 위한 메커니즘 연구를 테마로 활동하고 있다. 이미 IEEE 802.15.2와 IEEE 802.16.2 표준안을 개발하였으며, IEEE 802.11b와 IEEE 802.15.1, 15.3, 4, 4a간에 비트 에러율(Bit Error Rate: BER) 및 패킷 에러율(Packer Error Rate: PER) 등을 시뮬레이션 결과로 제시하고 있다.

한편, IEEE 802.22 Wireless Regional Access Network(WRAN)은 TV 대역, 즉 54~862MHz에 해당하는 주파수에 대하여 사용하지 않는 대역을 Cognitive Radio(CR) 기술 기반으로 간섭을 최소화하면서 근거리로 사용할 수 있도록 무선기기 PHY 및 MAC 표준을 개발하기 위하여 미국을 중심으로 최근 결성되었다.

다음 각 장을 통하여 앞서 언급한 IEEE 802의 주요 WG에 대한 연구내용을 소개하였다.

II. IEEE 802.15

초기 WPAN에 대한 연구는 1997년 IEEE 산하 PASC(Portable Applications Standards Committee) 내 Ad-hoc 그룹의 활동으로 시작되었으며, 1999년 3월 독립적인 WG으로 창설되었다. 블루투스로 대표되던 IEEE 802.15 WPAN은 이제 무선랜의 발전과 더불어 UWB 및 Zigbee 등의 급격한 연구 및 개발경쟁에 따라 근거리 무선통신망으로서의 관심이 증대되고 있다. WPAN은 POS(Personal Operating Space), 즉 약 10m 반경을 서비스 영역으로 정의하고 있다. IEEE 802.15 WG은 (그림 1)과 같이 초기 5개(TG1, TG2, TG3, TG3a, TG4)에서 최대 8개의 TG가 활동하였으나, 현재 활발한 활동을 보이는 TG는 TG3c, TG4a, TG4b, TG5, SCwng 등이다.

IEEE 802.15는 1998년 결성된 SIG(Special Interest Group)를 통해 표준화된 블루투스 표준을 IEEE 기술 표준에 맞도록 변환하는 작업을 수행하는데 초점을 맞추었으며, 1999년 11월 IEEE 802.15.1 표준이 완료되었다. IEEE 802.15.2는 무선 네트워크 시스템 간의 공존 메커니즘에 대한 연구를 수행하는 TG이다. 특히, 15.2에서는 2.4GHz ISM 주파수 대역에서의 비신고 무선기기, 즉 블루투스와 무선 랜 등의 전파간섭 분석 및 회피 기술을 연구하여, IEEE 802.15.2-2003 표준을 2003년 완료하였다.

IEEE 802.15.3은 2003년 3월 결성되었으며, 고속 데이터 전송을 지원하기 위해 MAC과 PHY를 개발한다. 15.3에서는 50m 이내에서 2.4GHz ISM 대역을 이용하여 20Mbps(최대 55Mbps) 이상의 전송속도를 지원하기 위해서 TDMA를 채택하였으며 11, 22, 33, 44, 55Mbps/ QoS를 제공한다. 15.3은 2003년 6월 초안을 발표하였으며, 2003년 8월 IEEE 802.15.3-2003 표준 승인이 완료되었다.

IEEE 802.15.3a는 WPAN의 초고속 전송을 위한 ‘Alternative PHY,’ 즉, 새로운 PHY를 개발하기 위한 TG로서 802 무선 PHY들과의 공존은 물론 100Mbps 이상의 데이터를 전송하기 위한 기술로 사실상 UWB에 초점을 맞추어 연구가 이루어졌다. UWB는 초단시간 펄스를 사용함으로서 약 500MHz 이상의 광대역을 점유하면서도 단독적으로 데이터를 전송할 수 있는 기술이다. 1998년 9월, 타임 도메인사(Time Domain)는 미국 FCC에 청원서를 통해 그 동안 군 통신으로만 이용되었던 UWB의 도입을 요청하였고, FCC는 2000년 5월 NPRM(Notice of Proposed Rule Making)을 통해 2002년 2월 UWB 관련 첫 Report & Order를 공표하였다. 대상 주파수 대역은 3.1~10.6GHz 이다.

이와 동시에 IEEE 802.15.3a는 본격적인 표준화 작업을 위해 10m 이내에서 110~480Mbps 이상의 전송속도를 제공하는 Alternative PHY에 대한 제안서를 2003년 5월까지 접수하였다. 총 23건의 제안서가 접수되었고 크게 MB-OFDM(Multi-Band OFDM)과 DS-UWB(Direct-Sequence UWB)로 나뉘었다. MB-OFDM 제안서는 OFDM 방식을 기본 변복조 방식으로 채택을 하여 7.5GHz의 UWB 대역폭을 528MHz씩 총 13개의 부밴드로 나누어 복수 개의 밴드들 간을 주파수 도약방식으로 이동하면서 신호를 송수신할 수 있도록 하였다. 반면에 Xtreme-Spectrum사와 모토롤라가 주도적으로 이끌어 가는 DS-UWB 제안서는 7.5GHz UWB 대역폭을 5GHz 대역의 무선랜을 보호하기 위해 UNII 밴드를 중심으로 두 개의 서브밴드로 나누어 사용하도록 제안하였다.

2003년 5월에 처음 접수된 표준화 제안서는 표준화 제안서 간의 Merge와 Elimination Voting과정으로 인해 두 개의 MB-OFDM 제안서와 DS-UWB 제안서가 남았으며 양쪽 진영 모두 팽팽한 접전으로 IEEE 표준화 문서로 채택되기 위한 75%의 지지를 얻지 못해 단일 표준안을 이끌어 내는데 실패했다. 이에 DS-UWB진영은 두 개의 제안서를 IEEE 802.15;.3a의 복수 듀얼표준으로 인정을 하여 시장에 사용 결정을 맞기자고 제안을 하였으나 MB-OFDM 진영의 반대에 부딪혀 결국 2006년 1월 양 진영 모두 더 이상의 IEEE 802.15.3a의 활동은 의미가 없다는 결론을 내리고 IEEE 802.15.3a의 PAR를 끝내고 더 이상 고속 UWB PHY의 표준화는 IEEE에서 진행하지 않기로 하였다.

따라서 현재는 양쪽 제안서 모두 IEEE 인증 마크를 받을 수가 없으며 MB-OFDM은 WiMedia Alliance에 합병이 되어 무선 USB 개발을 진행하고 있고 DS-UWB 진영은 UWB Forum이라는 단체를 결성하여 주로 중국의 TV업체와 셋탑박스 업체들과 함께 HD급 동영상의 스트리밍 개발에 몰두하고 있다.

IEEE 802.15c는 IEEE 802.15.3a의 표준화 기고서로 제안된 일본 오키사의 밀리미터파 기반의 광대역 무선접속 시스템 제안서를 기반으로 표준화를 진행하고 있으며, IEEE 802.15.3a의 권고안에 따라 새로운 스터디 그룹을 결성하기로 하고, 2005년 3월 60GHz 대역의 밀리미터파를 이용한 무선 기술 개발 테스크그룹으로 승격되어 본격적인 활동을 하고 있다. 주로 일본 총무성의 밀리미터파 연구 과제를 받아 진행해 온 일본 업체들 위주로 표준화 회의가 진행되고 있지만 RF칩 실현 가능성 및 송신신호의 과도한 경로 손실의 예상 등으로 활발한 업계의 참여는 거의 전무한 실정이었다.

이에 일본 오키사의 밀리미터파를 이용한 HD급 고속 스트리밍의 데모 시현 및 인텔과 모토로라 등 대기업의 참여 선언으로 인해 조금씩 활기를 띄고 있다(기존 IEEE 802.15.3 표준의 PHY 기반에 57~64GHz 비허가 대역에서 밀리미터파를 이용한 표준을 개발할 목적으로 2005년 3월 결성되었다. HDTV와 홈시어터 등 고속의 스트리밍 다운로드와 같은 고속 인터넷 접속을 위해 2Gbps 이상의 고속 전송을 목적으로 하며, 관련된 미국 FCC의 조항은 FCC 47 CFR 15.255에서 정의하고 있다).

IEEE 802.15.4는 저속의 WPAN 기술인 Zigbee를 표준화하는 TG로서 2000년 12월에 결성되었다. HomeRF의 후속 기술로 거론되고 있는 Zigbee는 최대 250kbps의 낮은 데이터 전송률을 기반으로 개발된 기술로 홈네트워크에 적절한 무선통신 기술로 인정받고 있으며, 2003년 5월 IEEE 802.15.4-2003 표준이 최종 승인되었다. 참고로, 2006년 6월 12~16일까지 미국 산호세에