다가올 미래는 무선 데이터 트래픽이 기하급수적으로 발생하고 스마트 기기가 폭발적으로 증대될 것이다. 이러한 변화를 현재의 이동통신 네트워크 기술로 감당하기엔 역부족이다. 이를 배경으로, 5G 상용화를 목표로 네트워크 기술 선점 경쟁이 점차 가열되고 있다. <편집자 주>
스마트폰의 보급으로 무선 데이터는 일상생활의 필수 요소가 되었다. 애플을 비롯한 여러 제조업체들이 뛰어난 기능을 갖춘 스마트 단말기를 출시하고 있지만, ‘모바일 인터넷’이 우리 생활에 얼마나 큰 영향을 미쳤는지를 제대로 이해하는 사람은 많지 않다. 대부분 모바일 단말기로 할 수 있는 새로운 작업들을 편리하게 활용하는 데 그칠 뿐이다. 무선 데이터와 모바일 인터넷이란 언제 어디서나 유튜브 동영상을 스트리밍 할 수 있도록 해주는 기술 정도로 여기는 사람이 많지만, 실제로 무선 인터넷이 우리 삶에 미치는 영향은 그보다 훨씬 광범위하다.


이동통신의 진화
1세대(1G)이동통신 네트워크는 AMPS(Advanced Mobile Phone System)로 대표되는 아날로그 기술을 기반으로 했다. 이것이 2세대(2G) 시스템에서는 GSM, CDMA와 같은 표준에 기반을 둔 디지털 기술이 도입됐다. 성능 측면에서 보면, 2G는 음성 서비스에 기본적인 문자전송(SMS)을 추가했으며 제한된 무선 데이터 기능을 갖춘 형태였다. 2G 휴대 단말기로는 자유롭게 웹서핑을 하기 어려웠다. 무선 데이터는 주로 문자, 이메일, 사진 전송 등에 사용됐다.
3G네트워크에서는 W-CDMA(Wideband Code Division Multiple Access) 방식을 채택했다. 그 결과 데이터 통신 속도가 더 높아져 동영상도 어느 정도 전송할 수 있게 됐다. 이후 3G는 HSPA(High-Speed Packet Access) 및 HSPA+(3.5G라고도 함)라는 확장 기술이 도입되어 사용자 환경이 향상됐다. 그러나 동영상의 스트리밍과 같은 대용량 데이터 애플리케이션의 속도는 대부분의 일반 사용자가 비교의 대상으로 삼는 WiFi나 무선 LAN에 비해 느릴 수밖에 없었다.
현재 네트워크 서비스 사업자는 LTE(Long Term Evolution) 기반의 4G 네트워크 서비스를 제공하고 있다.
LTE는 데이터 처리량이 3G보다 크게 향상됐다. 최대 통신 속도는 3G에 비해 최대 5?6배에 달한다(표 1). 또한 대부분의 통신사들은 사용 가능한 대역폭이 LTE의 2배가 될 것으로 기대되는 LTE Advanced(4.5G라고도 함)로의 전환도 추진하고 있다. LTE와 LTEAdvanced에 의해, 현재는 사용자 경험측면에서 WiFi에 가까운 수준의 통신기술이 무선 데이터 사용자에게 제공되는 상황이다.
오늘날 4G 네트워크는 최신 기술을 도입하여 더욱 빠른 데이터 접속을 제공하지만, LTE와 LTE-A 이후의 방향도 논의가 한창 진행 중이다. 무선 데이터 소비 속도는 증가하고 있지만, 업계는 그 수요를 충족하는데 어려움을 겪고 있다.
그러나 무선 데이터를 얘기하는데, 데이터 전송 속도 향상과 데이터 용량 증가는 전체적으로 보면 극히 일부 요소에 지나지 않는다. 이에 전 세계 모바일 인터넷 연구자들은 끊임없는 혁신을 거듭하며 데이터 전송 속도 및 데이터 용량보다 한 걸음 더 나아간 문제들을 고민하게 되었다. 5G라고 부르는 이러한 새로운 네트워크는 다시 한 번 우리의 삶을 송두리째 바꿔 놓을 수 있으며 엄청난 경제적 잠재력을 내포하고 있다.


5G란 무엇인가?
5G 네트워크는 보다 많은 사용자와 단말기를 수용하는 동시에, 언제 어떤 순간에도 더 많은 데이터를 각 사용자에게 제공해야 한다. 1990년대에 디지털 통신이 처음 등장했을 때부터 셀룰러 기술은 용량과 데이터 속도의 향상에 초점을 맞춘 발전의 길을 걸어왔다.
그런데 모바일 인터넷이 실현된 지금, 새로운 비전이 제기되고 있다. 연구자들은 5G 네트워크 개발에 있어서 빠른 데이터 속도와 모바일 접근성뿐만 아니라 다양한 최첨단 장비와 단말기를 지원할 수 있는 완전히 새로운 네트워크를 구상하고 있다. 또한 5G를 실현하려면 서비스 지역의 커버리지 균일성, 네트워크의 에너지 효율성 향상 등 심각하지는 않지만 잘 알려져 있는 문제를 개선해야 한다.
1,000배의 데이터 속도 향상
5G가 목표로 하는 사용자 당 최대 데이터 속도는 20 Gbps이다. 예를 들어 한 사용자가 연결 상태가 좋은 초고속 네트워크를 사용하여 HD 동영상을 40분 만에 다운로드 할 수 있다고 가정했을 때, 5G가 도입되면 똑같은 동영상을 단 몇 초 안에 다운로드 할 수 있다.
데이터 접속의 고속화는 당연히 매력적이지만, 그 실현에는 몇 가지 과제를 해결해야 한다. 우선 서비스 사업자가 정부에 막대한 돈을 지불하고 취득하는 주파수 대역 자체가 더 이상 여유가 없다. 오늘날의 네트워크는 700 MHz에서 거의 3 GHz까지의 주파수 대역을 사용하며, 이 범위의 스펙트럼은 이미 다양한 공공 및 민간 기업에 할당돼 있다.
이 문제의 해결방법에는 두 가지가 있다. 즉 새로운 주파수 대역을 찾거나, 현재 할당된 주파수 대역 내에서 사용자에게 보낼 수 있는 비트 수를 늘리는 신기술을 개발하는 것이다.
수십 억 개의 연결 장치
업계 분석가들은 2020년까지 전 세계적으로 500억 개의 장치가 모바일 네트워크에 연결될 것이라 예측하고 있다.
그 중 사람이 직접 사용하는 단말기는 일부에 불과할 것으로 보고 있다. 대부분은 다른 장치나 서버 또는 클라우드로 정보를 보내는 임베디드 기기가 큰 비중을 차지할 것이란 전망이다.
인터넷에 연결된 장치가 폭발적으로 증가하는 현상을 ‘사물 인터넷(Internet of Things, IoT)이라 부르고 있다. 이러한 장치는 압력과 온도, 스트레스를 측정하는 센서를 탑재하고 있기도 하고, 경우에 따라서는 장치의 스위치를 전환하거나 실시간 조절을 하는 액추에이터를 포함하기도 한다.
그 중 한 예가 네트워크에 연결되어 원격으로 제어할 수 있는 신호등이다. 이런 신호등이 설치돼 있다면, 교통 혼잡이 발생할 때 즉시 파악하고 조치를 취할 수 있다. 자동차가 교통통제 센터에 직접 연결되어 있다면 아예 신호등 자체가 필요하지 않을 수도 있다.
빌딩, 교량, 도로를 지속적으로 모니터링 하여 구조의 건전성을 확인할 수 있고, 기업과 정부는 대기오염 모니터링 데이터를 활용해 배기가스를 규제하고 시정 조치를 취할 수 있다. 또한 환자의 생체신호 데이터를 기록하고 모니터링하면 환자가 앓고 있는 질환의 원인과 영향을 더 잘 이해할 수 있다. 이 처럼 사물인터넷의 활용 가능성은 무한하다.
이러한 가능성을 현실화하는 데 필요한 5G 시스템은 저 대역 및 고 대역을 모두 망라하는 이기종 장비로 구성되기 때문에 시스템 설계 상 까다로운 문제들이 수반된다. 5G에서 IoT의 잠재력을 견인하기 위해서는 반드시 네트워크 응답 시간(지연) 문제를 해결해야 한다. 시스템을 제어할 때 일정한 응답 시간을 보장하지 못하면 기술의 활용도가 크게 낮아진다. 현재 네트워크 지연 시간은 평균 수십 밀리초 정도로 추산되며 표준편차가 매우 크다고 말할 수 있다.
연구자들이 지연을 줄이고 결정성을 향상시킬 수 있다면, 센서나 액추에이터 등과 결합된 제어 애플리케이션을 원격 또는 클라우드를 통해 제어하거나 작동시킬 수 있다.
5G 실용화 동향
3 GHz 이하의 주파수 대역이 이미 할당되어 있는 상황에서 기존의 주파수 대역을 더 활용할 수 있는 파형(물리 계층)을 연구하고 있다. 즉 특정 주파수 대역에서 전송 가능한 비트 수를 늘리는 방법이다. 직교 주파수 분할 다중방식(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing, OFDM)을 기반으로 하는 현재의 표준에서는 효율적으로 데이터의 송신과 수신을 분리하기 위해 더 폭넓은 주파수가 필요하다.
5G 파형에서는 기존의 네트워크 인프라를 사용하면서 더 많은 사용자와 장비를 지원하며 1 Hz당 전송 비트 수를 늘려 스펙트럼의 효율성을 향상시키고자 한다. 드레스덴 공과대학은 GFDM(Generalized Frequency Division Multiplexing)이라는 새로운 파형의 프로토타입과 전체 링크를 제작한 결과, 4G에 비해 30%의 데이터 속도 향상 효과를 달성할 수 있었다.
또 하나의 방법은 네트워크의 밀집화다. 즉 서비스 지역에 배포하는 액세스포인트(마이크로셀, 스몰셀, 피코셀 등)의 개수를 늘리는 것이다. 밀집화는 특정 서비스 지역에 액세스 포인트 수를 증가시키면 스펙트럼 그 자체보다는 지역에 따라 스펙트럼이 나뉘게 된다는 이론에 바탕을 두고 있다. 밀집화와 더불어 C-RAN(CloudRAN)이라고 하는 새로운 네트워크 토폴로지를 도입하면 통신사들이 클라우드에서 장비의 위치를 쉽게 파악할 수 있기 때문에 네트워크의 전력소비뿐만 아니라, 각 지역에 배포된 기지국의 냉난방 비용도 크게 절감할 수 있다.
분산된 네트워크를 제어하는 데 가장 중요한 과제는 지연시간이다. 유럽연합이 자금을 지원하는 CROWD(Connectivity management for eneRgy Optimized Wireless Dense) 네트워크 프로젝트에서는 이러한 새로운 아키텍처의 프로토타입을 성공적으로 선보였다. 이것은 밀집된 네트워크 내에서 분산 제어가 가능하다는 것을 보여준다.
MIMO(Multiple Input, Multiple Output)와 같은 새로운 기지국 기술은 더 넓은 대역폭과 높은 에너지 효율을 약속한다. Massive MIMO 기지국은 수백 개의 안테나 요소를 통합하여 사용자에게 에너지를 집중시킨다. 이렇게하면 데이터 속도를 향상시키고, 특히 셀 에지에서 통신 링크의 품질을 향상시킬 수 있다. 스웨덴의 룬드 대학은 최근에 실시한 실험에서 Massive MIMO가 데이터 전송 속도를 100배 이상 향상시킬 수 있음을 보여줬다.
밀리미터파(mmWave) 주파수 대역에서는 28 GHz, 38 GHz, 71?76 GHz의 범위에서 새로운 스펙트럼의 활용 가능성을 검토하고 있다. 이러한 주파수 대역은 ‘단순’ 라이선스만 체결되어 있으며 풍부한 고대역폭 스펙트럼을 제공한다. 과거에는 이러한 주파수에서의 통신이 전자기파의 전파 특성과 이 주파수 대역에서 네트워크 개발 및 구현 비용으로 인해 불가능한 것으로 알려져 있었다.
그러나 NYU WIRELESS(뉴욕대학 과학기술 전문학교의 차세대 무선 연구 센터)가 채널-사운딩 측정(무선 전송로의 특성 측정)을 실시한 결과, 밀리미터파 통신이 실현 가능하다는 것을 발견했다. 또한 노키아 네트웍스(Nokia Networks)는 밀리미터파 통신 링크의 프로토타입을 제작했는데, 현재의 4G보다 100배 빠른 데이터 속도와 일관된 지연 시간을 확보하기 위해 노력하고 있다.
비전을 현시로
5G는 머지않아 실현될 기술이며, 그로 인해 우리의 일상은 물론 시장에 엄청난 변화를 가져올 것이다. 그러나 연구자들이 5G 개념을 바탕으로 하여 신속하게 프로토타입을 설계, 제작하고 시장 출시 및 실제 배포까지의 시간을 단축하기 위해서는 올바른 툴과 기술이 필요하다. 새로운 5G 파형, 네트워크 밀집화, Massive MIMO, 밀리미터파 통신은 시간차를 두고 점진적으로 배포될 수 있으므로, 이러한 기술들은 상호배타적이라기보다는 상호 보완적인 관계로 봐야 한다. 5G 기술은 계속 발전하고 있으며, 모든 사람과 사물을 위한 사물인터넷은 하루하루 현실에 가까워지고 있다.
※ 이 글은 한국내쇼날인스트루먼트(주)가 발행하는 뉴스레터 NI News Academic Edition 2015년 7월호 내용 중 일부를 발췌하여 재작성한 글이다.