5G 릴리스 16이 위치 정확도를 혁신하는 방식

3GPP 릴리스 16, 새로운 신호 특성과 비셀룰러 기술 통합으로 저렴하고 신뢰도 높은 고정밀 위치 서비스 실현

스마트폰에서 GPS 좌표를 찍으면 통계적 추정치를 얻게 됩니다. 그 값은 확률을 나타내는데, 흔히 50% 확률로 보고된 위치 반경 1미터 내에 기기가 있다는 뜻입니다. 이 수치를 얼마나 신뢰할지는 기초 데이터가 어떻게 생성되고 검증되었느냐에 달려 있습니다.

전 지구 위성 항법 시스템(GNSS)

GNSS는 오랫동안 정밀 위치 측정의 금 표준이었지만, 안전이 중요한 고정밀 애플리케이션 수요가 늘면서 위성 신호가 불안정할 때를 대비한 견고한 신뢰도 지표와 폴백 옵션이 요구되고 있습니다.

셀룰러 모뎀은 이미 셀 신호 삼각측량으로 대략적 위치를 제공합니다. u-blox 같은 선도 제조사들은 GNSS와 셀룰러 데이터를 결합한 하이브리드 모듈을 제공해 커버리지와 신뢰성을 확장해 왔습니다.

5G 포지셔닝은 5G 생태계에서 종종 간과되던 측면인데, 이제 업계 주도 기구인 3GPP가 표준화하고 있습니다. 이 기구는 7개 기술 단체와 수백 개 기업 회원을 아우르며, 다양한 버티컬(수직 산업)의 요구에 맞춰 5G 포지셔닝을 이끌고 있습니다.

과거를 돌아보며

위치 측위는 셀룰러 네트워크 태동기부터 통화를 올바른 기지국으로 라우팅하는 데 쓰여 왔습니다. 1999년 긴급 서비스 관련 규제 요구와 2002년 EU 규제가 셀룰러 위치 서비스의 진화를 가속화했고, 3GPP가 이를 지속적으로 다듬어 왔습니다.

오늘날 4G LTE 인프라는 셀-ID, 향상된 셀-ID, TDOA 등 다양한 위치 측정 방식을 제공하며, 각각 정확도와 커버리지가 다릅니다. 표 1(그림 1 참조)이 이 기법들을 요약합니다.

표 1. 주요 4G LTE 위치 서비스

새로운 유스케이스와 요구사항

규제 의무를 넘어, 하드웨어 제조사, 우주 기관, 통신사들이 서브미터 정밀도를 요구하며 차세대 서비스를 추진 중입니다. 자율주행차, UAV, 스마트시티, 웨어러블, AR 등이 그 응용 분야입니다.

5G는 절대/상대 위치 측위를 모두 제공하며, 각기 정량화된 신뢰도를 동반합니다. 수평/수직 정확도, 상대 정확도, 최초 위치 획득 시간, 속도 정밀도, 전력 소모, 지연시간, 보안 등 핵심 성과 지표(KPI)는 릴리스 16에서 여전히 다듬어지고 있습니다.

그림 1은 세 버티컬(UAV 임무, IIoT 추적, 자율주행 내비게이션)의 엄격한 정확도 목표를 보여주며, 3GPP TR 22.872 등 관련 연구를 기반으로 합니다.

그림 1. 세 가지 선정된 버티컬에서 떠오르는 5G 포지셔닝 유스케이스 요구사항.

차세대 GNSS 수신기가 포지셔닝을 바꾸는 방식

최신 GNSS 수신기는 GPS, GLONASS, 갈릴레오, 베이더우 등 다중 성좌를 활용하며, 많은 경우 지역 보강 시스템도 이용합니다. 다중 성좌, 다중 대역 수신기(예: u-blox F9)는 도심 협곡에서도 더 많은 위성을 포착해 정확도와 최초 위치 획득 시간을 모두 개선합니다.

듀얼밴드 수신기는 주파수 다양성을 이용해 전리층 지연을 완화하며, 개활지에서 평균 오차를 약 2.5m에서 1m 미만으로 줄입니다. 차분 및 RTK 같은 상용 보정 서비스는 정확도를 센티미터 수준으로 더 끌어올립니다.

신규 브로드캐스트 기반 보정 방식은 인터넷이나 위성을 통해 광역 고정밀 데이터를 제공함으로써 비용을 낮추면서 정확도를 유지하려 합니다.

GNSS는 여전히 실내와 터널에서 어려움을 겪으며, 콜드 스타트 지연이 수 초 발생합니다. 보강 GNSS(A-GNSS)와 관성 항법 시스템(INS)이 특히 자동차 분야에서 이런 공백을 메웁니다.

5G가 셀룰러 기반 포지셔닝에 가져올 새로운 개선점

3GPP 릴리스 15에서 정의된 5G 뉴 라디오는 이미 전 세계에 NSA(비단독)와 SA(단독) 구성으로 배포되고 있습니다. 첫 상용 5G 배포가 2019년 시작됐지만, 고정밀 포지셔닝 표준은 2019년 말 예정인 릴리스 16에 도입되며 2020년 배포될 전망입니다.

통신사들은 5G를 세 핵심 시나리오에서 수익 동력으로 봅니다: eMBB(향상된 모바일 브로드밴드), uRLLC(초고신뢰 저지연 통신), mMTC(대규모 머신타입 통신). 각 시나리오는 더 엄격한 정확도, 더 낮은 지연시간, 더 높은 신뢰성을 요구합니다.

• eMBB: 더 높은 주파수와 더 넓은 대역폭으로 더 빠른 데이터 제공
• uRLLC: 자율주행차와 V2X 애플리케이션에 필수
• mMTC: 성장하는 IoT 생태계 지원

셀룰러 포지셔닝은 업링크/다운링크 신호, 향상된 셀-ID, TDOA, 잠재적으로 사이드링크 기기 간 기법을 활용합니다. 5G의 더 넓은 대역폭, 특히 24GHz 이상 mmWave 대역은 시간 분해능을 높이고 다중경로 간섭을 완화합니다.

더 높은 주파수 배포는 더 조밀한 기지국 네트워크와 빔포밍을 갖춘 첨단 안테나 어레이로 이어져 지연, 입사각, 출사각 측정을 개선합니다. 경우에 따라 단일 기지국만으로도 정확한 위치 측정이 가능해집니다.

유비쿼터스 고정밀 포지셔닝에는 하이브리드 접근이 필수

단일 기술로는 모든 환경에서 요구되는 엄격한 정확도를 보장할 수 없습니다. GNSS는 실외에서 뛰어나지만 실내에서는 약하고, 5G는 실내외 모두에서 강합니다. GNSS, 셀룰러, Wi-Fi, 블루투스, 지상 비컨, 관성 데이터를 융합한 하이브리드 솔루션이 고신뢰도 포지셔닝에 필요한 중복성과 무결성을 제공합니다.

3GPP 연구 범위에는 GNSS, 지상 신호, 단거리 무선이 명시돼 있으며, 2020년 1분기 릴리스 16 사양 완성을 목표로 합니다.

3GPP가 직면한 과제

5G의 다양한 신호 환경에서 셀룰러 기반 포지셔닝을 구현하려면 복잡한 통합과 신속한 인프라 배포가 필요합니다. 업계는 GNSS, 셀룰러, 위성, 단거리 영역 전반에서 협력해 각 부분의 합을 뛰어넘는 솔루션을 만들어야 합니다.

u-blox의 GNSS, 단거리 무선, 셀룰러 기술 전문성은 5G 하이브리드 포지셔닝 가속에 독보적 위치를 부여하며, 혁신을 촉진하고 새로운 애플리케이션을 여는 열쇠가 됩니다.

이 글은 u-blox 제품 센터 포지셔닝 수석 수석 엔지니어 David Bartlett와 공동 집필했습니다.

참고문헌

• 1) FCC 911 및 E911 서비스
• 2) EU 법률 요약: 저렴한 통신 서비스 – 사용자 권리
• 3) "셀룰러 네트워크에서 포지셔닝 기법의 진화, 2G부터 4G까지," Rafael Saraiva Campos, Hindawi, 2017
• 4) UE는 User Equipment의 약자
• 5, 6) 3GPP TR 22.872 V16.1.0 (2018-09), 기술 보고서, 3세대 파트너십 프로젝트; 기술 사양 그룹 서비스 및 시스템 측면; 포지셔닝 유스케이스 연구; 1단계, (릴리스 16)
• 7) 협력 ITS를 위한 고정밀 포지셔닝(HIGHTS), 프로젝트 산출물 D2.1: 유스케이스 및 애플리케이션 요구사항 (2015년 5월 1일)
• 8) 도로 사용자 니즈 및 요구사항 보고서, 유럽 GNSS 사용자 자문 플랫폼 결과, 유럽 GNSS 기구(GSA) (2018년 10월 18일)
• 9) 5G 1단계 시스템 아키텍처 마일스톤 달성, 3GPP, (2017년 12월 21일)
• 10) 2019년 발표된 모든 5G 폰과 향후 출시 예정 폰
• 11) AT&T, 99개 신규 5G 에볼루션 시장 발표
• 12) 통신사 수장들, '한국 5G 데이' 약속
• 13) 5G 무선 시스템과 IoT를 위한 새로운 위치 측정 방법 백서, COST Action CA15104, IRACON; Pedersen, Troels; Fleury, Bernard Henri

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