LTE(Long Term Evolution)가 상용화되면서 VoLTE(Voice over LTE)에 대한 관심이 증대되고 있다. VoLTE란 LTE 기반의 음성 통화 서비스를 일컫는 말로, 향후 mVoIP(모바일인터넷전화)나 다양한 애플리케이션 등으로 발전할 것으로 보인다. 현재 SKT는 세계 최초로 VoLTE 서비스를 올해 3분기에 시작한다고 밝혔으며, LGU+도 오는 10월 시행 예정에 있다. 따라서 VoLTE로 오기까지의 기술을 알아보고, 안정적인 LTE 망 구축에 따른 고려해야할 과제 등을 단말기 중심으로 알아보겠다.

CDMA, GSM, W-CDMA 등의 무선전화 송신기술은 데이터 서비스와는 별도로 서킷 스위치드 (Circuit Switched 이하 CS)라는 회선 방식으로 음성 지원을 했다. CS call 회선방식의 가장 큰 장점은 한 번의 call 커넥션으로 리소스가 유지되어 다른 리소스 관리가 필요하지 않다는 점이다. 하지만 실제 우리가 사용하는 음성 데이터는 용량이 크지 않아 CS call 방식을 사용하면 불필요한 리소스를 낳게 된다. 즉, 효율적이지 못한 대역폭을 사용한다는 것이다. 또한  리소스 할당 자체도 고정되어 음성 데이터를 효율적으로 사용할 수 없다.

LTE 망의 궁극적인 솔루션 ‘VoLTE’
LTE는 CS call 방식을 지원하지 않는다. 패킷 스위치드 데이터(Packet Switched Data), 즉 IP 네트워크 등을 이용하여 음성 서비스를 지원한다. 그러나 IP 네트워크를 이용한 음성 서비스는 LTE가 아니더라도 이미 실생활에서 지원하고 있다. 우리가 가정이나 사무실에서 사용하는 인터넷 전화가 바로 VoIP 기술을 이용한 IP 네트워크 서비스이다. 이렇듯 VoIP 기술과 LTE를 접목시켜 VoLTE가 탄생했다. VoLTE를 지원하기 위해 특별한 기술은 필요하지 않다. VoLTE 자체가 무선 자원이기 때문이다. 스카이프 같은 애플리케이션도 VoIP 콜이 지원된다. 하지만 LTE 망에서 스카이프를 이용한다 해도 단순히 패킷 데이터를 이용해 음성을 사용하는 것을 VoLTE라 하지 않는다. VoLTE의 가장 큰 관건은 패킷 데이터를 최적화시켜 음성 서비스를 할 수 있느냐는 것이다. 이 중에서도 리소스를 효율적으로 관리하는 것과 더욱 향상된 음질을 가지기 위한 QoS(Quality of Service)를 보장해야 한다는 점이 중요하다. 현재 우리나라 LTE 망은 안정적으로 깔려 있지 못하다. 우리가 사용하는 LTE 망은 음성 데이터 서비스가 아닌 데이터 서비스 위주로 이뤄지고 있는 실정이다. 따라서 기존 2, 3 G 망을 이용한 음성 서비스를 하고 있어, CSFB(Circuit Switched Fall Back), SVLTE(Simultaneous Voice and Data LTE), SRVCC(Single Radio Voice Call Continuity) 기술 등의 여러 가지 고민이 생긴다. 먼저 CSFB는 LTE 망에서 데이터 서비스를 하다 음성 통화가 걸려오면 2 G나 3 G 망으로 다시 이동하는 방식이다. SVLTE는 LTE처럼 데이터 서비스를 하면서 다른 라디오 안테나로 음성 서비스를 전송하는 방식이다. 이는 2 G나 3 G 망에서 동시에 이용된다. SRVCC는 기본적으로 VoLTE 콜을 유지하다 핸드오버나 긴급 상황을 위해 잠시 3 G CS call로 돌아가 음성 서비스를 하는 방식을 말한다. 이런 여러 가지 솔루션은 현재 LTE 망이 최적화되지 않는 상태서 개시된 솔루션이다. 많은 전문가와 업계 관계자들은 앞으로 LTE 망이 안정적으로 구축되면 궁극적인 솔루션이 VoLTE가 될 것이라 예상하고 있다.

IMS 사용량, 2~3년 내 폭발적 증가


VoLTE의 빠질 수 없는 부문이 IMS(IP Multimedia Subsystem) 플랫폼이다. 패킷 데이터 서비스는 LTE 망을 거쳐 IP 네트워크로 전송되어 모든 패킷 서비스를 지원한다. 하지만 3GPP에서는 특정 음성 서비스나 비디오 스트리밍 서비스 등을 최적화하거나 자원을 효율적으로 관리하기 위해 IMS라는 플랫폼을 정의했다. 현재 음성 서비스나 비디오 스트리밍 서비스는 반드시 IMS를 통해서 전송되도록 규정되어 있다. 일부 사업자들은 이미 IMS를 통해 LTE 망에서 SMS(Short Message Service)나 MMS(Microsoft Media Server) 서비스를 하고 있다. 향후  안정적으로 LTE 망이 구축됐을 때 비디오 스트리밍 서비스와 음성 서비스를 IMS를 통한 PS(Packet Switching) 서비스로 구축할 것으로 예상된다. 업계 관계자들은 IMS 사용량이 2~3년 내에 두 세배 이상 증가할 것으로 전망했다. IMS 기반의 서비스들은 SIP(Session Initiation Protocol) 프로토콜을 사용한다. 기존 CS call은 사용자와 사용자 간의 peer to peer 방식이었다면, VoLTE는 IMS를 사용하는 모든 유저가 하나의 서버에 등록한 후, 등록한 사용자끼리 통신을 하는 방식이다. 쉽게 설명하면 메신저를 예로 들 수 있다. 메신저는 사용자가 서비스에 등록하지 않으면 이용할 수 없다. 반드시 등록 절차를 거쳐야 한다. 이런 등록 절차를 통해 음성 서비스를 사용한다고 가정하면, 또 다른 애플리케이션을 실행해야 한다고 생각하지만 실제 그렇지는 않다. 대부분의 사업자가 처음 단말기 전원을 켰을 때, 가장 먼저 LTE 네트워크가 연결되어 IMS 등록을 강제적으로 실행하도록 규정하고 있기 때문이다. 이런 방식으로 단말기 역시 동작한다. 사용자가 단말기를 켰을 때, TCP IP 윗단의 IMS 네트워크까지 SIP 프로토콜이 등록된 상태인 것이다. 사용자가 상대방과 통화하고자 할 때 원하는 번호를 눌러 콜을 하면 중간의 SIP 프로토콜들이 상대방 사용자에게 요청하게 된다. 이런 과정을 통해 벨이 울리면 실제 음성 데이터를 주고받게 된다. 또한 콜을 끊는 버튼을 누르면 프로토콜 상에서 ‘Bye’라는 메시지가 나오면서 콜이 자동으로 종료되도록 구현되어 있다.

중요 이슈들
VoLTE는 ▲IMS 네트워크를 이용한다는 부문 ▲여러 가지 QoS 서비스들이 구현되어야 한다는 부문 ▲자신이 받고자하는 서비스를 보장하거나, 보장하지 않는 Bit-Rate을 지원한다는 부문 ▲패킷 딜레이는 어느 정도까지 보장할 것인가에 대한 부문 ▲병렬 속도가 어느 정도까지 허용할 것인가에 대한 부문 등이 상당히 중요한 이슈다. 예를 들면 파일을 대용량으로 내려 받을 때 실시간으로 받지 않더라도 패킷 병렬 속도가 좋아야 한다. 하지만 음성 서비스는 사람마다 말하는 정도가 달라 에러율이 높아져도, 패킷 딜레이가 없다면 실시간으로 전송되어 충분히 통화할 수 있다. 따라서 다양한 서비스마다 각각 다른 인덱스로 정의된다. 이를 QCI(QoS Class Identifier) 인덱스 값이라 부른다. 각각의 인덱스 값에는 파라미터들의 목적이나 위치가 규정되어 있다. TFT(Traffic Flow Template)도 QoS와 관련되어 있다. 우리가 흔히 PC를 유선망에 연결하면 IP 주소가 하나 밖에 없다. 좀 더 유연한 사용자라면 무선 랜으로 인터넷 통신을 사용하거나, 유선 랜으로 로컬 네트워크에 연결해 자신이 원하고자 하는 테스트를 할 것이다. 즉, 하나의 PC에 각각 다른 네트워크를 구성해, 여러 개의 IP 주소를 갖게 된다. 단말기도 같은 개념이다. 여러 개의 PDN(Public data network, 공중 데이터 망)으로 연결해 다수의 IP를 받고, 각각의 IP마다 내가 원하는 서비스를 받는다. 현재 버라이즌은 두 개의 PDN을 받고 있다. 하나의 PDN은 IMS에 등록해 SMS나 향후 VoLTE 서비스를 받는 IP로 이용한다. 다른 PDN IP는 우리가 흔히 사용하는 인터넷 망을 통해 접속할 수 있도록 규정하고 있다.
우리가 가장 많이 사용하는 IP v4의 IP 주소는 향후 숫자가 고갈될 염려가 있다. IP v6라는 또 다른 업그레이드 된 IP 주소가 생긴다. 이럴 경우, 단말기/기지국에서 IP v4와 v6의 지원과 테스트가 이뤄질 것이다. 앞서 언급했던 바와 같이 여러 가지 QoS와 관련된 파라미터들이 각각 정의되어 서비스마다 얼마만큼 QoS를 갖는지에 대한 지원이 돼야 한다. 유튜브나 VoLTE 서비스라든가 각각의 다른 TFT를 가지고 서비스를 받을 것으로 예상된다. 이런 것이 지원되지 않는다면 VoLTE나 LTE 망에서 서비스들이 원활하게 이뤄지지 않는다.

LTE 프로토콜은...
또 다른 과제는 LTE 자체 프로토콜에서 생각해야할 부문이다. SPS(Semi-Persistent Scheduling)와 TTI Bundling은 상위 애플레이케이션 레이어보다 LTE 망이나 실제 RF 쪽에 관련있는 기능이다. SPS는 리소스를 일정하게 할당하고 스스로 확장하는 중간에 이뤄지지만, CS 음성 서비스는 리소스를 한번 할당하면 계속 사용할 수밖에 없다. 이는 자원의 비효율을 낳는다. 기본적으로 LTE에서 사용하고 있는 데이터 서비스는 다이나믹 스케줄링 기법으로 리소소를 효율적으로 사용하기 위해 만들어 졌다. 음성 서비스를 다이나믹 스케줄링 기법으로 사용하려면 컨트롤 데이터를 보내야 하기에 과부하 문제가 심각하다. 하나의 컨트롤 데이터에 많은 유저 데이터들이 나가게 되면 효율적일 수 있지만, 음성 데이터의 경우 실제 데이터양이 많지 않아 매번 컨트롤 데이터를 붙이면 상당한 과부하가 발생한다. 이런 문제를 해결하기 위해 중간에 묶음 단위로 스케줄링한다. 리소스를 매번 다이나믹하게 하는 것이 아닌 묶음 단위로 스케줄링 해 그 부문에서 음성을 보낼 수 있다. 음성 같은 경우는 내가 파일을 내려 받는 것처럼 항상 데이터를 주고받지 않는다. 사용자가 말하는 중간에도 쉬는 타이밍이 있어 데이터 자체가 연속적으로 발생하는 경향이 있다. SPS를 이용하면 컨트롤 데이터 과부하를 상당히 줄일 수 있다. TTI bundling 기법의 패킷 데이터 서비스는 기본적으로 사용자가 보낸 데이터에 대한 피드백을 받게 된다. 사용자가 제대로 된 데이터를 받았는지, 받지 못했는지 아니면 ACK(ACKnowledge, 긍정응답)을 받았는지, NACK(Nega-
tive Achnowledge, 부정응답)을 받았는지 알 수 있다. 사용자가 ACK을 받았을 때는 다음 데이터를 보내면 되지만, NACK을 받았을 때는 받은 데이터를 재가공해 코딩 스킴을 변조해 재전송하게 된다. 음성 서비스는 어떤 음영지역의 셀 엣지 같은 부문에 가게 되면 사용자가 전송한 음성 데이터가 계속 NACK에 올라와 재전송해야 하는 경우가 발생한다. 이런 경우 음성 통화가 정상적으로 이뤄지지 못한다. 따라서 처음부터 묶음 단위로 redundancy 버전이나 어떤 코딩 스킴들을 묶음 단위로 한 번에 보내면 된다. ACK이나 NACK에 대한 처리도 음성 데이터를 받은 후에 한 번만 받는다면, 음영 지역에서 ACK과 NACK을 받는 횟수가 줄어 신뢰성 있는 데이터를 보낼 수 있다. 하지만 망 사용이 좋은 기지국 근처라면 위와 같은 결과를 보장할 수 없다. 작은 데이터를 빨리 보내고 ACK을 받아서 다음 데이터를 보내야 하는 상황이기에 망 환경이 좋은 환경에서 TTI bundling 기술은 좋은 방법이 아니다. 이 기술은 셀 엣지 개선을 위해 사용한다고 보면 된다.