5G기술이란 무엇일까? 통신 기술의 발달과 6G 기술

 

필자가 어릴적 처음 사용한 휴대전화는 롤리팝2의 제품 모델이었다. 그때까지만 해도 2G 혹은 3G의 개념만이 존재했던 시대였다. 이후 옵티머스 뷰2라는 모델로 바꾸었고, 갤럭시 J의 보급형 모델 기종을 사용했는데 이러한 변화의 시기에 3G의 개념을 넘어 4G와 5G의 개념이 도입되었다. 기술이 발달함에 따라 그저 속도가 빨라져서 숫자가 올라가는가 싶었는데 그렇지 않은 듯 하다. 5G 기술의 정확한 의미는 무엇일까?

 

5G기술

5G 기술

5G란 5th generation mobile communication의 약자로서 5세대 이동통신을 뜻한다. 흔히 5G는 4세대(4G) 이동통신을 대표하는 LTE(롱텀에볼루션)보다 데이터 전송 속도가 1000배까지 빠른 기술을 말한다. UN 산하 ITU는 초당 20기가비트(Gbps)의 데이터 전송 속도를 5G의 충족 요건으로 정의하고 있다. 800메가바이트(MB) 용량인 두 시간짜리 영화 1편을 LTE 속도로 내려받으면 40초 정도 소요되지만, 5G 환경에서는 1초면 충분하다.

 

초연결, 초저지연, 초고속의 5G가 가지는 가장 큰 특징 중 하나는 그동안 이동통신에 적합하지 않다고 여겨져 온 24GHz 이상의 고주파수 대역인 밀리터리파(mmWave) 대역까지도 지원한다는 점이다. 다만 우리나라는 세계 최초 5G 상용화라는 타이틀을 손에 거머쥐었음에도 Sub-6GHz(3.5GHz 280MHz) 대역만으로 서비스가 진행중이라고 한다.

 

	4G	5G
대역	850MHz, 900MHz, 1.8GHz, 2.1GHz, 2.6GHz	3.5GHz, 28GHz
폭	20MHz 이하	6GHz 이하 대역 - 100MHz 이하 6GHz 초과 대역 - 400MHz 이하
회절률	높음. 장애물 회피 용이(커버리지 넓음)	낮음. 장애물 회피 어려움(커버리지 좁음)
직진성	낮음(정보량 및 속도 낮음)	높음 (정보량 및 속도 높음)
이용방식	FDD*(주파수 분할 방식)	TDD**(시분할 방식)
(참고)	* 업로드, 다운로드 주파수를 분할하여 사용하기 때문에 안정적 데이터 이용이 가능. 다만 업로드 주파수의 이용도가 낮아 낭비되는 부분이 생김.	** 업로드, 다운로드 시 같은 대역을 시간대를 번갈아 가며 사용. 주파수의 효율적 활용이 가능하며, 최대 속도를 끌어올릴 수 있음.

 

▲ 4G vs 5G 주파수 특성 비교

 

5G와 기존 4G의 가장 큰 기술적 차이는 주파수이다. 5G는 고대역 주파수(밀리터리파-mmWave)를 사용하는데 고대역 주파수는 직진성이 높아 단시간에 직진하나 도달범위가 짧다. 반대로, 회질성이 높은 저대역 주파수는 도달시간이 더 걸리나 장애물 회피가 용이하기 때문에 넓은 커버리지의 특성을 지닌다.

4G 기술(출처 - 한국방송통신전파진흥원)

5G기술(출처 - 한국방송통신전파진흥원)

 

밀리미터파, Milimeter Wave

 

밀리미터파란 주파수의 파장이 30~300GHz(기가헤르츠, 메가헤르츠의 1000배)에 해당하는 주파수를 말한다. 눈에 보이지는 않지만 파장 크기가 대략 1~10mm 정도여서 흔히 밀리미터파라고 부르는 것이다. 3G나 4G 이동통신이 대략 1~2GHZ 정도를 사용하는 것에 비하면 수십~수백 배 가량 차이가 난다.

 

전파란 주파수가 낮을수록 회절성이 높아 장애물을 만나도 휘어져 들어가고, 얇은 벽 정도는 쉽게 뚫고 나간다. 이동통신용 전파는 주파수가 낮을수록 유리한데 주파수가 낮으면 기지국을 적게 세워도 되고, 지하도나 엘리베이터, 지하 주차장 등에서 끊어지는 일도 월등히 줄어든다.

 

그러나 휴대전화용으로 쓸 수 있는 주파수 대역은 한정돼 있는데다, 넓은 대역폭을 확보하기 어려워 통신 속도를 높이는 데 한계가 있기 때문에 사람들은 밀리미터파에 눈독을 들인다. 우리나라는 5G 글로벌 대역으로 27~29.5GHz, 31.8~33.4GHz, 37~42.5GHz, 45.5~50.2GHz, 50.4~52.6GHz, 64~74GHz 6개 대역을 제한하고 있다. 이동통신 주파수는 국제적으로 협의를 거쳐 그 범위를 지정해야 한다.

 

이러한 문제를 해결하기 위해 4G보다 많은 기지국을 세워야 하며, 빔포밍용 배열 안테나를 사용하여 전송 범위를 확장한다.

 

beamforming

빔포밍(Beamforming)은 안테나에서 신호를 사방으로 유포하는 것이 아니라 특정한 수신 기기에 집중시키는 기술이다. 빔포밍은 신호를 특정 방향으로 집중시킴으로써 송출 전력을 증폭하지 않으면서 수신기에 전달되는 신호 품질을 향상시킬 수 있다. 실질적으로 더 빠른 정보 전송과 더 적은 오류를 의미하는 것이다. 또한 불필요한 방향으로 신호를 유포하지 않기 때문에 다른 신호를 포착하려고 시도하는 사람들이 경험하는 간섭을 줄일 수 있다. 제한점도 따르는데, 빔포밍 계산에 의해 필요로 되는 시간 및 전력 자원이 혜택을 상쇄하는 경우가 많다고 한다. 그러나 기술력의 성능과 효율이 개선되면서 크게 문제가 되지는 않는다고 한다.

5G Massive Mimo

빔포밍을 가능하게 하려면 다중 MIMO 기술이 필요하다. 다중안테나(Massive Mimo)란 수많은 안테나 배열을 활용하여 같은 무선자원을 여러명이 동시에 사용하는 기술로 현대에는 4G 기술에서 업그레이드하여 5G 기술에 도입하였다고 한다. LTE에서부터 MIMO 기술은 사용되어왔지만 적은 수의 안테나를 사용할 수밖에 없어 빔이 예리하지 못해 사용자 구분에 한계가 있었다. 그러나 이번 5G에서는 기존 1차원으로 수평만 배치되었던 LTE와 다르게 쉽개 이상의 안테나를 2차원적으로 배치해 수직, 수평 방향 모두 사용자를 구분할 수 있고 다중사용자를 동시 지원할 수 있다고 한다.

4G Macro & 5G Macro

반드시 이 다중 MIMO(Massive Mimo)가 있어야 빔포밍 기술을 실현할 수 있다. 다중 MIMO는 다수의 사용자(Multi user)에게 무선공간 자원을 분배해 여러 단말이 동시에 접속해도 속도 저하를 막아준다. 이 MIMO를 통해 많아진 송수신 안테나로 빔을 자유롭게 생성해 단말간 간섭이 감소하고, 전송 속도가 향상되며, 무선 용량도 증가한다.

 

이 빔포밍과 다중 MIMO 기술을 바탕으로 다양한 5G 단말기 회사와 통신사들이 힘을 합쳐 5G 고주파 대역 실증을 진행하고 있다. 이 기술은 서로 다른 기지국 제조사별로 빔포밍 기술이 다르게 구현돼 동일 제조사의 장비간에만 제한적으로 적용되는 한계가 있었는데, 이러한 문제를 극복하고 통신 속도를 더 빠르게 하기 위한 실증 작업도 지속되고 있다고 한다.

 

KT의 경우 지난해말 5G 28GHz 대역 빔포밍 연동 절차를 O-RAN의 개방형 기지국 규격을 기반으로 표준화해 서로 다른 기지국 제조사에서 만든 디지털 장비와 무선 장비간에서도 빔포밍이 가능하도록 했다. 미국의 스타트업 모반디와 함께 빔포밍 안테나 기술을 무선 장비에 탑재해 실외뿐 아니라 실내에서도 빔포밍 서비스가 가능해졌다.

 

LG 유플러스의 경우 빔포밍 기술을 이용해 기지국 안테나 신호의 지향성을 원격으로 조절해 기존 수동 조절 방식보다 더 빠르게 통신 품질을 최적화하는 기술을 개발했다. SK 텔레콤도 '액티브 안테나 기술을 적용해 소형 실내 기지국에 안테나를 2배 이상 탑재하며 실내 5G 속도를 2배 향상하는 인빌딩 솔루션을 내놓았다.

 

 

코앞으로 다가온 6G 기술

2020년도에 5G 기술이 상용화된 것을 생각하면 6G 기술이 도입되기에는 이른감이 있다고 보일 수 있지만 6G 기술 또한 머지 않았다. 통신의 새로운 세대는 10년 주기로, 10년 전부터 준비되어 왔다고 한다.

5G 기술과 6G 기술

6G, 즉 6세대 이동통신은 인공위성을 이용하기 때문에 지상 환경에 영향을 받지 않으며, 전 세계 어느곳에서나 제약 없이 통신 서비스를 제공할 수 있다는 장점이 있다. 전파의 범위가 넓어지는 것은 물론이고 수중이나 공중에서도 통신이 가능하다.

 

6G 시대에서는 초고주파인 테라헤르츠(THz) 대역을 활용하여 데이터 전송 속도가 최대 1테라비트(Tbps)급에 이를 것이라고 전망한다. 이는 5G보다 최대 50배, 4G 보다는 최대 1000배 빠른 속도이다. 에너지 효율도 5G보다 100배에서 1000배 가량 높고, 5G보다 기지국 하나에 접속시킬 수 있는 기기의 개수도 더 많다고 한다. 6G는 완전 자율주행차, 에어택시, 자율비행 드론, 초실감 메타버스, 인공 위성 기반 우주인터넷, 실시간 원격수술, 디지털트위 기반 도시 관리 등 다양한 서비스를 뒷받침할 것으로 전망된다.

5G 가상화 RAN의 구성요소

6G의 주요 기술 중 하나인 무선 접속망인 오픈랜(O-RAN)이다. 기지국은 전파를 송수신하는 하드웨어로 구현하고, 네트워크 장비 운용에 필요한 다양한 소프트웨어를 탑재할 수 있는 기술이다. 오픈랜이 실용화되면 통신사들은 서로 다른 제조사의 기지국 장비를 상호연동하여 망을 구축할 수 있게 된다.

저궤도 위성

상공 2000km를 도는 저궤도 위성 또한 6G 선점에 있어 반드시 확보해야 하는 기술 중 하나라고 한다. 6G의 실현을 위해서는 메가흐르츠(MGz)에서 수십 기가헤르츠(GHz)에 이르는 초광대역 폭의 연속적인 주파수가 필요한데, 저궤도 위성이 이러한 역할을 한다. 지상과 가까운 궤도에서 움직이는 만큼 통신 지연율이 0.025초로 낮고, 서비스 제공에 있엇 시간적 공간적 제약이 없다.

 

6G는 처음으로 인공지능(AI)이 사용되는 통신망이라는 점에서 5G와 큰 차이점을 보인다. 사람은 물론 기계도 주요 통신 사용자가 될 수 있기에, 6G 시대는 곧 사물인터넷(IoT*)에서 만물지능인터넷(IoE*)시대로의 전환을 의미한다고 한다. 5G보다 6G의 에너지 효율이 높은 것도 인공지능의 결합으로 기기의 전력 소모와 데이터 지연을 줄인 덕분이라고 한다.

 

6G 시대의 세상은 홀로그램을 통한 비대면회의는 물론, 사물 사람 공간 등을 가상 공간에 그대로 복제하는 디지털 복제와 같은 일들이 개개인의 손 안에서 이루어질 수 있다고 한다. 가상현실(VR)과 증강현실(AR), 혼합현실(MR)을 모두 아우르는 확장현실(XR)을 통해 상상 속에서나 이뤄졌던 일들을 실현할 수 있게 될 것이다.