5세대 이동통신(5G) 표준화 활동이 전 세계적으로 가속화되고 있다. 5G는 사용자 당 10 Gbps(4G의 1000배 이상)의 최고 데이터 속도를 목표로 하고 있다. 이미 5G 통신기술의 주도권을 잡기 위한 세계 각국의 합종연횡이 심화되고 있다.

세계 이동통신 및 전자 업계는 다음의 대변혁이 5G로 인해 견인될 것으로 기대하고 있다. 2020년대의 정보사회에서는 이동통신의 트래픽량이 2010년에 비해 1000배 이상 증가할 것으로 예측되고 있다. 5G는 이와 같이 증가하는 트래픽에 대응하는 네트워크 시스템의 대용량화를 저비용·저전력으로 실현하는 것을 목표로 하고 있다.

또한 10 Gbps를 초과하는 초고속 통신과 더 낮은 지연, M2M 통신의 보급에 따른 단말기 간 연결에 대한 대응 등 다양한 성능을 고려한 연구개발이 진행되고 있다.

5G는 4G의 1000배 이상의 최고 데이터 속도를 목표로 한다. 예를 들어, 800 MB 용량의 영화를 내려 받을 경우에 3G는 7분 24초, LTE는 1분 25초, LTE-A는 43초가 걸린다. 이것이 5G통신환경에서는 단 1초면 충분하다. 5G는 빠른 속도만 자랑하는 것이 아니다.



IoT는 물론 초고화질(UHD), 홀로그램, 모바일 입체영상 등 다양한 서비스를 가능하게 하는 근간이 된다.

하지만 그러기 위해서는 몇 가지 문제를 해결해야 한다. 우선 폭증할 모바일 트래픽에 대한 해결책이 마련돼야 한다. 2017년까지 전 세계에 70억 개의 스마트폰이 보급되고, 5G가 상용화되는 2020년에는 통신기기가 250억 개까지 확대될 전망이다. 때문에 트래픽 대란을 해결할 수 있는 방법이 통신업계의 중대한 과제로 떠오르고 있다.

이 과제를 해결하기 위해 퀄컴은 더 많은 주파수 자원 확보, 전송 파워와 커버리지를 세분화한 ‘스몰 셀(small cells)’의 확대, 빠른 통신 시스템을 활용하는 기가나 서비스와의 높은 효율성등을 제시했다.

사실상 통신사들이 정부에 돈을 지불하고 구입하는 주파수 대역 자체가 남아있지 않다. 오늘날의 네트워크는 700 MHz에서 거의 3 GHz까지의 스펙트럼을 사용하며, 이 범위의 스펙트럼은 이미 다양한 공공 및 민간 기업에 할당돼 있다.


5G 통신 요구사항[1]

이동통신기술 표준의 요구사항 및 승인 등을 담당하고 있는 ITU-R WP 5D는 2020년경 상용화될 것으로 예상되는 5G 이동통신의 큰 그림을 제시하는 비전 권고를 2015년 6월 완료할 목표로 작업 중이다. 여기서 사용자 및 서비스동향, 핵심 성능 등을 논의하고 있다.

5G 이동통신의 사용례로 무제한의 멀티미디어 서비스를 위한 모바일 광대역 서비스, 신뢰성 높고 저 지연 통신 및 대규모 기계 형태의 통신 3가지를 제시하고 있으며, 5G 이통통신의 핵심 성능으로 8가지를 제시하고 있다(표 1 참조).

비전 권고 작업과 함께 기술동향보고서(Report ITU-R M.2320) 작업 및 2020년 주파수 소요량 예측보고서(Report ITU-R M.2290) 작업은 완료했다. 기술동향 보고서에서는 무선 인터페이스 기술, 새로운 서비스 기술, 사용자 경험 향상 기술, 에너지 효율 향상 기술, 단말 기술, 네트워크 기술, 사생활/보안 기술 및 전송속도 향상 기술 등으로 구분하여 이동통신 기술동향을 다루고 있다.

·무선인터페이스기술 : Advanced waveforms, modulation and coding, FTN(Faster Than Nyquist), FBMC(Filter Bank Multicarrier), advanced coding schemes with non-binary symbols, Joint designs of waveform/modulation and channel coding, Advanced antenna technologies(3D-beamforming, active antenna system, massive MIMO(Multiple Input Multiple Output), Network MIMO), small cell에서 간섭처리, Flexible spectrum usage, full-duplex radio, Flexible backhaul, Dynamic Radio Access
· 새로운 서비스 관련 기술: D2D(Device to Device), M2M, 재난용 Group 통신
· 사용자 경험 향상 기술: Relay based multi-hop network 구조, DU-RU 구조, small-cell, eMBMS(enhanced Multicast Broadcast Service), Positioning, reliability and latency 향상 기술, WLAN interworking, context-aware 기술
· 에너지 효율 향상 기술: 전송전력 및 회로전력 감소 기술, multi RAT(Radio Access Technology) 간 traffic balancing, traffic 변화 특성 이용 기술, DTX(Discontinuous Transmission)
· 단말 기술: wearable smart 단말
· 네트워크 기술: multi-RAT/multi-layer network, advanced SON 기술, soft and green network, 대용량 트래픽 수용, SDN(Software Defined Network) 및 NFV(Network Function Virtualization), 셀 간 협력 기술, cloud RAN 기술, 트래픽 부하 동적 대응
· 사생활/보안 기술
· 전송속도 향상 기술: 높은 주파수 대역 활용 기술, 캐리어 집성 기술, MIMO 기술 등 물리계층 기술, 네트워크 고밀도화 기술

2020년 주파수 소요량은 최소 1,340~1,960 MHz 정도로 예측했으며, 2020년 이후 수요량에 대한 예측 작업중에 있다.

ITU-R에서는 4G 이동통신 표준화 경험을 바탕으로, 5G 이동통신 표준화 작업을 그림 3과 같은 일정으로 진행할 예정이다.



곧 현실이 될 5G[2]

3 GHz 이하의 주파수 대역이 이미 할당돼 있는 상황에서, 연구원들은 기존의 스펙트럼을 통해 전달하는 비트 수를 증가시켜 스펙트럼을 더욱 효율적으로 활용하기 위해 파형을 연구하고 있다. OFDM(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing)을 기반으로 하는 현재의 표준에서는 효율적으로 데이터의 송신과 수신을 분리하기 위해 더욱 폭넓은 주파수가 필요하다.

새로운 5G파형은 기존의 네트워크 인프라를 가지고 더 많은 사용자와 장비를 지원하며 1Hz 당 전송 비트 수를 늘려 스펙트럼의 효율성을 향상시키고자 한다. TU 드레스덴은 GFDM(Generalized Frequency-Division Multiplexing)이라는 새로운 파형의 프로토타입과 전체 링크를 제작한 결과, 4G에 비해 30%의 데이터 속도 향상 효과를 거둘 수 있었다.

또 하나의 방법은 밀집화(densification)로 서비스 지역에 배포하는 마이크로셀, 스몰셀, 피코셀과 같은 액세스 포인트의 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 Cloud RAN이나 C-RAN과 같은 새로운 네트워크 토폴로지가 등장하여 통신사들이 클라우드에서 장비의 위치를 쉽게 파악할 수 있기 때문에 네트워크의 전력 소비뿐만 아니라 각 지역에 배포된 장비의 냉난방 비용도 크게 절감할 수 있다. 분산된 네트워크를 제어하는데 가장 중요한 문제는 지연시간이다. 유럽연합이 자금을 지원하는 CROWD(Connectivity management for eneRgy Optimized Wireless Dense) 네트워크 프로젝트의 연구원들은 이러한 새 아키텍처의 프로토타입을 성공적으로 선보였다. 이는 밀집된 네트워크 내에서 분산제어가 가능하다는 점을 보여준다.

Massive MIMO(Multiple Input, Multiple Output)와 같은 새로운 기지국 기술은 더욱 넓은 대역폭과 에너지 효율성을 약속한다. Massive MIMO 기지국은 수백 개의 안테나 요소를 통합하여 사용자에게 에너지를 집중시키고, 데이터속도와 셀 엣지에서 통신 링크의 품질을 향상시킨다. 스웨덴의 룬드대학은 최근에 실시한 실험을 통해 massive MIMO가 데이터 속도를 100배 또는 그 이상으로 향상시킬 수 있음을 보여주었다.



밀리미터파 주파수 대역에서는 28GHz, 38 GHz, 71 GHz~76 GHz 범위에서 새로운 스펙트럼의 활용 가능성을 검토하고 있다. 이러한 주파수 대역은 “단순” 라이선스만 체결돼 있으며 풍부한 고대역폭 스펙트럼을 제공한다. 과거에는 전자기파의 전파적 특성과 새로운 대역에서 네트워크를 개발하고 구현하는 비용 때문에 이러한 주파수에서의 통신이 거의 불가능한 것으로 알려져 있었다. 그러나 NYU 무선 연구센터가 채널-사운딩 측정을 실시해 제시한 채널 프로필에서는 mmWave 통신이 실현 가능할 수도 있다는 결과가 나왔다.

또한 노키아 네트웍스는 mmWave 통신 링크의 프로토타입을 제작했고, 현재의 4G보다 100배 빠른 데이터 속도와 일관된 지연시간을 확보하기 위해 노력하고 있다.
정부, 5G 추진을 위해 민·관 협력 강화

지난 1월 27일 미래창조과학부(이하 미래부)는 5G 이동통신 분야 민·관의 긴밀한 협력을 통한 글로벌 시장을 선도하기 위해, 윤종록 차관 주재로 ‘2015년 제1차 5G 전략추진위원회’를 개최했다.

「미래 이동통신 산업발전전략(2014년 1월)」에 따라 구성된 민·관 고위급 협의체(2014년 5월)인 5G 전략추진위원회에는 미래부 2차관, 국내 이통사, 제조사, 중소기업, 5G포럼 대표 등 산·학·연·관의 전문가 18명이 참석했다. 이번 1차 회의에서 미래부는 2020년 5G 상용화를 목표로 5G 분야 원천기술 개발을 위해 ’15년도 방송통신산업기술개발사업, 기가코리아사업에 682억 원을 투자할 예정이며, 글로벌 표준화를 위한 중국·EU 등과 국제 공동연구개발을 추진하는 한편, 민간기업의 의견을 수렴해 ITU 차원에서 2015년 6월경 마련될 5G비전 수립에도 적극 대응할 계획임을 밝혔다. 또한, 평창동계올림픽에서의 5G시연 준비를 위한 민·관 실무 태스크포스 팀을 구성·운영하기로 했다.



최근 미래부와 산업통상자원부가 공개한 ‘미래성장동력-산업엔진 종합실천계획(안)’을 보면(표 2 참조), 5G 이동통신 분야에 총 771억 원이 투입된다. 추진 전략으로는 Pre-5G 핵심기술 시연을 통해 5G 핵심 시범 서비스를 실현하고 세계 최초의 5G 상용 서비스를 제공하기로 했다. 특히 5G 핵심기술 및 기술선도형 기술 확보를 위한 전략적 R&D 추진으로 5G 부품 및 ICT 부품경쟁력을 확보하고, Pre-5G 핵심 서비스 시연과 함께 평창동계올림픽 시범서비스 및 필드 테스트베드 추진 등을 통해 5G 상용 서비스 기반을 구축할 계획이다. 이와 함께 ITU-R 중심의 5G 주파수 적기 확보와 5G 전략추진위원회등을 통해 중소·중견기업의 5G R&D및 사업화 지원을 확대할 계획이다.
한·중·일 ICT협력 통해 5G 선도

지난 달 2일, KT는 아시아 최대 규모 통신사업자 간 전략적 협의체인 SCFA(Strategic Cooperation Framework Agreement) 미팅에서 중국 차이나모바일, 일본 NTT도코모와 함께 5G 기술협력을 위한 공동 선언을 발표했다.

SCFA는 2011년 동북아 3개국 대표 통신사 간 사업 협력을 위해 구성됐으며, 지난 4년간 SCFA 회원사인 KT, 중국 차이나모바일, 일본 NTT도코모 3개 통신사는 네트워크기술, 로밍, 앱·콘텐츠, IoT, 마케팅 등에서 활발한 협업을 진행해왔다. 일례로 KT는 SCFA 협업을 통해 국내 통신사 중 유일하게 한중일 ‘LTE데이터로밍’, ‘WiFi 자동로밍’ 서비스를 제공하고 있다.

이번 5G 기술 협력을 위한 SCFA 미팅은 KT의 제안으로 성사되어 ‘MWC2015’에서 진행됐으며, KT 네트워크부문장 오성목 부사장, 차이나모바일 기술부문장 왕샤오윈 총경리, NTT도코모 CTO/R&D혁신본부장 오노에 전무 등 3사 최고기술임원(CTO)이 참석해 KT 황창규 회장, 차이나모바일 시궈화 회장, NTT도코모 카토 사장이 직접 서명한 공동선언문을 교환하며 협력을 다졌다.

한중일 3사가 발표한 5G 협력 공동선언문의 주요 내용은 ▲아시아 시장에 특화된 5G 비전, 로드맵 등 정보 공유 ▲5G 주요 기술 및 시스템 공동 검증 ▲글로벌 5G 표준 선도를 위한 글로벌 기구와 협력 활동 ▲5G 신규 서비스 및 시장 발굴을 위한 지속적인 협업 진행 등이다.

특히, KT는 이날 미팅에서 동북아 중심의 5G 글로벌 주도권 확보를 위해 SCFA내 5G-TFT(Task Force Team) 구성을 제안했으며, 차이나모바일과 NTT도코모측은 SCFA의 기술 워킹그룹 내에 TFT를 구성하자는 데 뜻을 같이 했다.

KT 황창규 회장은 “전 세계적으로 5G는 거스를 수 없는 큰 물결”이라며 “차이나모바일, NTT도코모와의 협력 활동을 더욱 활성화해 향후 차세대 기술뿐만 아니라 이를 기반으로 다양한 융합서비스를 통해 고객이 상상하는 이상의 가치를 제공하겠다”고 밝혔다.

또한, 차이나모바일 시궈화 회장은 “지속 가능한 5G 생태계 구축을 위해 통신사가 중추적인 역할을 해야 하며, 5G 기술 연구와 표준화, 상용화를 위해 3사의 협력이 필수적”이라고 밝혔으며, NTT도코모 카토 사장은 “3사가 글로벌 5G 기술 선도라는 공동 목표를 두고, 힘과 지혜를 결집하는 것은 도코모 미래 발전에도 유익한 일이 될 것이라고 확신한다”고 말했다.

이날 KT 네트워크부문장 오성목 부사장을 비롯한 3사 CTO들은 통신사 및 제조사로 구성된 글로벌 이동통신협의체인 ‘NGMN(Next Generation Mobile Networks) 이사회’ 회의에 참석해 글로벌 통신 사업자 및 주요 제조사와의 5G 국제 표준 분야 협력 방안 등에 대해 의견을 나누며 한·중·일 5G 기술 리더십 확보 방안을 모색하는 자리를 가졌다.
인간과 사물을 위한 통신

5G 네트워크는 보다 많은 사용자와 단말기를 수용하는 동시에 각 사용자에게 더 많은 데이터를 제공해야 한다.

1990년대에 디지털 통신이 처음 등장했을 때부터 셀룰러 기술은 꾸준히 용량을 늘리고 데이터 속도를 향상시키며 오늘에 이르고 있다. 이제 모바일 인터넷은 현실이 되었으며 새로운 비전이 제시되고 있다. 연구원들은 5G 네트워크 개발에 있어 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 잘 알려져 있는 문제들을 개선해야 한다.

10년 단위로 세대교체를 거듭해온 이동통신 기술은 이제 5G 통신 시대를 눈앞에 두고 있다. 5G 통신은 4G 이동통신에서 추구했던 서비스와 성능 목표를 넘어서 유무선의 장점을 수용해 기존 서비스의 향상, 새로운 서비스 실현과 특수 환경에서의 서비스 제공 등 사회 전반에 걸쳐 많은 영향을 미치게 될 것으로 예상된다.