주파수 효율성 제고를 위한 계층화된 주파수 공동사용 기술, 제도 및 서비스 활성화 방안 doc_id PCY_201904230524353361_2

TV방송 대역에서 Geolocation DB접속 기술에 기반해 미사용 지역에서 방송과 비면허 기기가 공동사용할 수 있도록 한 TVWS 서비스를 처음 시행한 미국은 이동통신 등 면허 서비스까지의 확장을 추진하고 있다. 2012년 과학기술 대통령 자문 위원회(PCAST)에서 주파수의 효율적 사용을 위해 지역적으로 사용이 저조한 공공용 주파수를 민간과 공동사용을 권고하고, FCC와 NTIA는 이를 구체화해 3,550~3,650MHz대역에서의 Citizen Broadband Service(CBRS) 제공을 위한 주파수 이용 규칙을 마련하고 있다. 동 대역의 주파수 이용자는 간섭 보호 권한에 따라 우선순위 계층(tier)이 구분된다. 간섭보호의 최우선 순위를 갖는 1계층은 기존 대역을 이용 중인 고정위성과 해상 레이다 등 공공부문 이용자로서, 이들은 스펙트럼 센싱, 배타적 구역(exclusion zone) 설정 등을 통해 다른 계층 이용자에 의한 간섭으로부터 우선적으로 보호받는다. PAL(Priority Access Layer)로 부르는 2계층은 다른 2계층 또는 3계층 사용자로 부터의 간섭에서 보호를 받을 수 있다. 현재 주요국은 사용자를 보호하면서 면허 또는 비면허의 형태로 주파수 공동사용 이용자를 수용하기 위해 계층화 면허 방식이 검토되고 있다. 이 방식에서는 주파수 이용 권한 또는 간섭으로 부터 보호받을 수 있는 권한에 우선순위를 계층으로 분류하는데, 보통 기존 이용자가 1계층으로서 가장 높은 우선권을 갖는다. 2 계층 이용자는 1 계층 이용자에게 간섭을 주지 않는 범위에서 이용권을 보장받을 수 있으며, 해당 면허는 경매 등을 통해 할당받을 수 있다. 3계층 이용자는 면허 없이 주파수 이용 상황에 따라 상위 계층 이용자에게 간섭을 주지 않는 조건에서 사용 가능하다. 따라서 3계층 이용자는 비면허 방식과 유사하게 서비스의 질을 보장받지 못한다. 1계층 이용자는 간섭보호가 가능하므로 지속적인 주파수 이용 및 투자가 가능한 환경을 조성할 수 있으며, 2 계층 이용자에 대해서도 이용 조건을 명확히 함으로써 미래 서비스 제공, 투자계획 수립 시 불확실성을 해소할 수 있는 장점이 있다. 반면 비면허와 유사한 지위를 갖는 3계층 이용자는 간섭으로부터 보호를 받지 못해, 서비스의 질을 보장받지 못하는 단점이 있다. 2, 3계층 이용자의 경우 기존 무선국 허가 절차를 통해 주파수를 지정 받는 것이 라니라 DB의 통제 하에 이용 주파수가 결정되고 지정받은 주파수도 시간과 장소에 따라 변경될 수 있다. 따라서 무선국 허가 측면에서 주파수 지정 주체가 기존 정부기관이 아닌 DB운영 주체가 되며, 무선국 허가 기간도 가용 주파수 채널 목록 변경 주기(미국의 경우 하루)에 따라 변경되어 일시적인 허가 형태를 띠게 된다. 따라서 이러한 무선국 허가가 가능하도록 간소화된 허가방식(light license 등)을 도입하는 방안을 검토할 수 있다. 만약 2계층 이용자의 면허를 CBRS, LSA와 같이 할당을 통해 부여한다면, 간섭보호가 필요한 기존 서비스의 운용지역 이외 지역을 대상으로 하는 지역적 할당이 필요할 수도 있다. 지역적으로 주파수를 할당할 경우 지역 간 통신 인프라의 불균형 문제가 제기될 수 있으나, 특정 지역에 제한적으로 소규모 네트워크로 제공하는 새로운 유형의 서비스가 도입될 수 있는 기회가 제공될 수 있다. 비면허 대역의 공동사용에서는 비면허 기기 상호간 LBT(Listen Before Talk) 기반 프로토콜을 적용해 간섭을 회피하고, 이를 통해 서비스 질은 보장된(guaranteed) 것이 아닌 최선(best effort) 서비스를 제공한다. 그러나 면허대역의 공동사용에서는 기존 이용자에게 간섭 없이 서비스의 질 보장이 필요하므로 공동사용 하고자 하는 단말이 Geolocation DB접속을 통해 해당지역에서 간섭을 일으키지 않고 사용 가능한 주파수 또는 전송 가능 최대전력 등의 기술적 파라미터를 알 수 있게 함으로써 기존 무선국에 대해 간섭을 주지 않고 주파수 이용이 가능하도록 한다. 이 방식은 이미 TVWS 서비스에 적용되어 지상파 TV 방송 대역에서 비면허 기기가 TV 방송에 간섭을 주지 않도록 하는데 활용되었으며, 최근 추진되고 있는 유럽의 LSA나 미국 CBRS 대역에서의 SAS도 구체적인 구현방식에는 다소 차이가 있더라도 기본적으로는 동일한 방식이라 할 수 있다. Geolocation DB의 구성요소와 동작방식을 LSA 경우를 예로 들어 설명하면 다음과 같다. LSA에서 Geolocation DB 기능 구현을 위한 구성요소로는 LSA 저장소(LSA repository)와 LSA 제어장치(LSA Controller)가 있다. 먼저 LSA 저장소는 간섭으로부터 보호를 받아야 할 기존 주파수 이용자에 대한 정보를 저장하고 주기적으로 업데이트하는 역할을 한다. LSA 제어장치는 LSA 저장소로부터 제공받은 주파수 이용정보에 주파수 공동사용 규칙을 적용해 가용 주파수 또는 최대 전송 전력 등을 분석하고, 분석 결과를 해당 대역을 이용하고자 하는 사용자에게 전달하는 역할을 한다. LSA 저장소와 제어장치는 LSA 대역 또는 기존 이용자 특성 등에 따라 국가별로 복수개가 존재할 수 있으며, 각 구성요소의 운영은 규제기관, 해당 대역의 기존 이용자 또는 공동사용 이용자가 담당하거나 신뢰할 수 있는 제3자에 위임 운영하는 것도 가능하다. ETSI(유럽전기통신표준기구)는 ECC의 연구를 바탕으로 주파수 공동사용을 실현할 수 있는 LSA 시스템 구조에 관한 기술 보고서를 개발했다. 또한 2.3㎓ 대역에서 LSA 기반에 기반한 모바일 브로드밴드 시스템 요구사항을 구현할 수 있는 상세 기술규격을 개발했고, 특히 LSA 구성요소와 동작 절차, 인터페이스를 정의했다. 3GPP는 기존 3GPP 기술 규격에 ETSI의 연구 결과를 반영할 수 있도록 연구를 진행 중이고, WG SA5는 기술 보고서를 개발한 바 있다. ITU-R SG1은 최근 주파수 공동사용 관련 보고서 2종을 개발했다. 먼저 ITU-R 보고서 SM.2404는 주파수 공동사용을 실현하는 방안으로서 LSA를 중점적으로 다루고 있고, ITU-R 보고서 SM.2405는 주파수 공동사용을 적용 할 경우 기존 이용자에 대한 간섭을 최소화하기 위해 고려해야 할 사항을 다루고 있다. 한편 아시아태평양 지역기구인 APT도 LSA를 소개하는 보고서를 개발했다. 주파수 공동사용 시 기존 주파수 이용자에 대한 간섭을 방지할 수 있는 기술적 방안으로서 앞서 언급된 Geolocation DB 접속방식과 스펙트럼 센싱 외에 자동 간섭보고 시스템을 적용하거나, 주파수 공동사용 무선국의 주파수 이용범위를 확장시키는 방안을 고려해 볼 수 있다. 먼저 자동 간섭보고 시스템은 무선국 운용도중 실제 간섭이 발생하는 경우 자동으로 DB운용자 등에게 알려주는 시스템으로서 미국 CBRS대역 서비스에서 기지국에 적용하는 방안이 검토 중이다. 주파수 공동사용에서 간섭 보호를 위한 기술적 파라미터(가용 주파수, 전송 전력레벨 등)를 설정할 때 일반적으로 간섭 가능성 최소화를 위해 보수적으로 설정해 호보기준이 필요 이상으로 과도해질 수 있는데 이 경우 주파수 사용 기회가 축소될 수 있는 문제가 있다. 자동 간섭보고 시스템은 실제 시스템 운용 결과에 따라 간섭 여부를 실시간 확인할 수 있기 때문에 모델 기반으로 분석해 설정한 기술적 파라미터로 운용한 결과를 확인할 수 있고, 이를 통해 간섭보호 관련 파라미터를 완화된 수치로 재설정하게 되면 주파수 이용 기회가 확대될 수 있는 여지가 생기게 된다. 주파수 경매는 공동사용 이용자 간에도 적용될 수 있다. 미국 CBRS 대역 사례와 같이 2 계층 이용자는 경매를 통해 주파수 이용 면허를 부여받아 기존 사용자에게 간섭을 주지 않는 범위에서 면허에서 정하는 지역에 대해 주파수 이용을 보장받을 수 있다. 최근에는 Geolocation DB에서 가용 주파수를 배정할 때 다수의 주파수 공동사용 요청자를 대상으로 실시간 경매를 통해 주파수 배정할 수 있도록 하는 기술도 연구되고 있다. 기존 할당 주파수 대역 중 공동사용 대상(지역 또는 주파수 등)과 공동사용자를 경매를 통해 결정하는 양면(two-sided) 경매도 가능하다. 양면경매에서는 기존 주파수 면허권자로부터 공동사용을 원하는 주파수 이용권한(주파수 대역, 지역 등)을 역경매(reverse auction)를 통해 결정하고, 여기서 결정된 주파수 이용권한(주파수 대역, 지역 등)에 대해 순경매(forward auction)를 통해 공동사용하고자 하는 신규 이용자에게 주파수 공급하는 절차로 이루어진다. 주파수 공동사용에 적용된 것은 아니지만 양면경매의 사례로서 미국에서 지상파 TV방송용 주파수 대역 회수 및 이동통신용 공급 시 시행된 보상경매를 들 수 있다. 경매를 통해 주파수 공동사용을 활성화 할 수 있는 방법으로는 주파수 공동사용자를 위한 별도의 면허를 만들어 경매를 시행하거나, 주파수 경매 시 해당 주파수를 타 사용자와의 공동사용 의무를 조건으로 부여할 수도 있다. 주파수 공동사용 조건으로 경매를 시행할 경우 낙찰금액 인하 등 입찰자가 기대할 수 있는 보상의 수준이 면허권자에게 부과하는 공동사용 의무 수준과 균형을 이루거나 또는 그 이상이 되도록 해야 경매가 성립될 수 있을 것이다. 주파수 공동사용 의무를 조건으로 부여한 경매 사례로는 미국 700㎒대역 D 블록 경매를 들 수 있다. 이 경매에서 FCC는 D블록 인접 대역의 공공안전용 주파수 이용자가 비상시에 D블록 주파수를 우선 이용할 수 있도록 하고, D블록 주파수 낙찰자는 전국 면허를 부여받도록 하였으나 경매결과 유찰된 바 있다. 경매 유찰의 원인은 전국 면허 부여에 따라 입찰자가 예상할 수 있는 이익이 공동사용의무 이행에 따른 비용보다 작다고 판단한 것이라고 예상할 수 있다. 아울러 공동사용을 조건으로 부과한 경매는 경매의 복잡도를 증가시킬 수 있는데, 이는 경매 활성화의 장애요소가 될 수도 있다. 주파수 공동사용의 도입은 단순히 주파수 자원의 공급량을 늘리는 것 이외에 새로운 형태의 무선 서비스 도입을 촉진시킬 수 있다는 의미가 있다. 즉 공동사용 주파수는 기존의 주파수 할당과 같이 전국단위 서비스가 아닌 지역 단위의 소규모 서비스에 적합하고, 지역 할당이 가능한 면허체계가 도입될 경우, 해당 지역에서 배타적인 주파수 이용이 가능해 일정수준의 서비스의 질 보장도 가능할 수 있어 이에 적합한 새로운 서비스 도입을 기대할 수 있다. 이러한 서비스의 예로서 건설현장, 사업장 등 한정된 지역 또는 공간 범위 내에서 자가 목적의 무선망을 통한 산업용 IoT 서비스 서비스를 고려할 수 있다. 아울러 새로운 주파수 이용방식의 조기 활성화를 위해 주파수 공급뿐만 아니라 다양한 서비스 모델 개발, 기술․서비스 검증 테스트 베드, 산업체 및 신규 주파수 이용자 등의 원활한 주파수 공동사용을 지원하는 지원센터 운영 등이 필요하며, 이를 통해 혁신적 무선 서비스 창출의 기반으로서의 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.