키사이트코리아(Keysight Technologies Korea)는 지난 4월 16일 ‘Unlocking Measurement Insight for Now and The Next’라는 주제로 신도림 디큐브시티 쉐라톤 호텔에서 ‘키사이트 무선 측정 포럼 2015’를 개최했다. 올해로 18회째를 맞는 측정 포럼엔 약 300명의 관계자들이 참석해 무선통신 최신 트렌드와 5G기술에 대한 업계의 뜨거운 관심을 반영했다. 이번 포럼은 키사이트에서 5G와 IoT 관련 마케팅을 담당하고 있는 서정익 이사의 기조연설로 막이 올라 무선통신과 컴포넌트 두 개의 세션으로 나뉘어 진행됐다. 서정익 이사의 ‘4G를 넘어 5G로의 초대’라는 주제로 시작된 강연 내용을 전한다.

정 리｜김 언 한 기자 <unhankim@elec4.co.kr>

등산을 시작할 땐 계획 없이 무작정 올라가는 것보다는 안내판을 보고 본인의 위치를 자주 확인해 보는 것이 중요하다. 그래야 목적지에 쉽고 정확하게 도달할 수 있다. 오늘 강연은 다가올 5G시대에 어떤 기술적인 이노베이션이 필요한지에 대한 맵(Map)과 같은 것이다.

5G의 ‘G’는 세대(Generation)를 의미한다. 이를 숫자 ‘5’와 붙여 해석하면 ‘5세대’로 이해될 수 있다. 강연자는 ‘G’가 술잔을 뜻하는 글라스(Glass)를 의미하는 게 아닐까 하고 종종 생각해본다. 한국인은 술을 자주 마시는데, 소주 다섯잔을 먹고 기분 좋을 만큼의 일상에 큰변화를 5G가 의미하는 게 아닐까! 그만큼 우리 삶에 커다란 기술적인 변화가 찾아오고 있다는 뜻이다.

인간의 삶에서 한 세대의 주기는 보통 25년이라고 한다. 무선통신 분야에서의 한세대는 10년이다. 10년마다 비약적인 발전이 이뤄져 우리 삶을 변화시키고 있다.

음성통화보다 데이터 통신이 중요한 시대

1세대 통신이 이날로그 통신이었다면 2세대는 디지털 무선통신의 시작이었다. 그 뒤 2.5세대, 3세대를 거쳐서 데이터 통신이 음성통화보다 중요한 역할을 하는 시대가 찾아오게 된다. 이런 흐름을 간직한 채 3.5세대, 4세대, 그리고 5세대로 나아가게 된다.

초기 2세대 무선통신이 디지털 음성통화의 질적인 향상과 커버리지에 초점을 맞췄다는 것을 제외하면 3·4·5세대 통신의 거의 모든 부분은 데이터 전송속도(Data Rates), 무선 시스템 전반의 효율성 증가에 비중을 두고 기술 개발에 주력해왔다. 이로써 셀룰러(Cellular) 제품뿐 아니라 무선 랜(WLAN)도 발전하게 된다.

IoT는 왜 출현하게 됐을까? 모바일 데이터에 대한 요구가 기하급수적으로 증가하고 있기 때문이다. 그리고 이 데이터들은 자동차 산업이나 의료 산업, 스마트 홈과 같은 기기들과 결합하게 된다. 앞으론 지금보다 훨씬 많은 숫자의 무선 디바이스들과 센서들이 무선통신에 접목될 것이다.

또한 앞으로의 애플리케이션은 우리 생활을 완전히 뒤바꿔 놓을 것이다. 최근 인기를 끈 드라마에서는 “1990년대는 아날로그와 디지털을 동시에 경험한 세대다”라는 대사가 나온다. 1990년대를 경험한 세대는 통신장애가 발생해 전화가 끊겨도 “그야 그럴 수 있지”라고 생각하며 관대하게 넘어간다. 그러나 현재 두 살 정도 되는 아이들의 미래를 생각해보자.

스마트폰 터치에 익숙해져 두 번째 손가락 근육이 발달하게 될 미래 세대에겐 네트워크의 끊김·속도지연 현상은 참기 힘든 버그로 인식되지 않을까?

통합적인 가치 요구하는 ‘5G’

사물이 무선통신으로 완전히 연결되는 5G시대가 오고 있다. 5G 구현을 위해선 데이터 레이트가 지금보다 100배이상, 전송 용량(Capacity)은 1,000배이상 증가해야하며, 신뢰성(Reliability)도 100% 가깝게 유지돼야 한다. 현재보다 100배 높은 에너지 효율(Energy Efficiency)도 하나의 조건이다.

단말기 입장에서 봤을 땐 배터리 소모량도 고려돼야 할 것이다. 에너지 효율이 큰 화두가 된 셈이다. 5G 실현을 위한 요구사항은 이전 세대 통신 기술보다 통합적인 성격의 가치들을 요구하고 있다. 고성능을 위해선 ▶연결 밀도(Connection Density) ▶레이턴시(Latency) ▶비트 레이트(Bit rate) ▶용량 밀도(Capacity Density) ▶스펙트럼 효율성(Spectral Efficiency)이 요구된다.

또 다른 측면의 요구사항인 ▶단말기 비용(Terminal Cost) ▶서비스의 가용성(Availability of Service) ▶UE 배터리 수명(battery life) ▶에너지 효율성(Energy Efficiency) ▶이동성(Mobility) 등은 효율성(Efficiency)과 비용 측면에 관한 것이다. 그러나 고성능을 위한 요구사항과 효율성·비용을 위한 요구사항은 서로 상충되고 있다. 따라서 더 많은 상위 기술들이 요구되고 있는 상황이다.

강조되는 스펙트럼 효율성

2세대 무선통신에는 음성통화 연결에 대한 많은 고민이 있었고 데이터베이스에 대해선 크게 신경 쓰지 않았다. 그러나 2.5세대 무선통신에 진입한 후, 서비스 자체에 대한 신뢰성 측면을 줄이고 진행 데이터를 추구하게 됐다.

3G에선 비트 레이트와 얼마나 넓은 범위까지 서비스가 될 것인지에 대해 많은 논의가 있었다. 이땐 레이턴시와 같은 조건들을 심각하게 고려하지 않았다. 그러나 4G에 오면서 변화가 일어났다. 10 mS의 낮은 레이턴시가 요구됐으며, 데이터베이스가 높아졌다. 그리고 무엇보다도 스펙트럼 효율성이 다시 강조됐다.

5G 시대를 위해 필요한 것들에 대해선 한 마디로 설명하기 어렵다. 5G가 현실화되기 위해서는 데이터베이스가 높아야하며 낮은 레이턴시의 요구사항을 충족해야 한다. 다양한 환경에서의 통신도 보장돼야 한다. 그 무엇보다 중요한 것은 높은 스펙트럼 효율성이다.

IoT 시대가 다가오고 있기 때문이다. 사물 간 통신(machine to machine, M2M)의 경우, 서비스가 보장돼야 하며 배터리 수명이 길어야 한다. 비용도 저렴해야 한다. 재난 발생 시 공공 안전(Public Safety)도 중요하다. 천재지변시 안전 통신으로서 역할이 어려울 수 있기 때문이다.
그러나 이런 요구사항 모두를 충족시킬 수 없기에 업계 관계자들은 점점 많은 기술들이 어느 수준에서 서로 상충될 것으로 보고 있다.

무선통신 발전과정과 미래

무선통신 발전과정을 보자. 무선통신 연구 초기인 1960년대부터 2010년대를 살펴보면 효율성은 무선통신 성능 향상에 20배 정도 기여한 것으로 조사됐다.

스펙트럼은 25배 정도 전반적인 성능을 향상시켰으며, 새로 망을 깔거나 셀을 늘리는 것은 성능을 2,000배 향상시켰다. 이를 곱하면 1,000,000라는 숫자가 나온다. 1백만 배의 용량이 증가한 것이다. 2010년부터는 2020년까지, 즉 4G부터 미래 5G를 살펴보면 효율성은 약 3배, 스펙트럼은 2배 정도 증가하게 된다.

6 GHz 이하의 새로운 스펙트럼을 찾는 것이 가능하든 불가능하든 간에 비용이 비싸다는 것은 다 아는 사실이다. 이로 인해 스몰 셀과 같은 셀이 100배 이상 증가할 것이다. 2010년부터 2020년까지는 용량이 600배 증가할 전망이다.

2015년부터 2025년까지를 보면 스펙트럼은 20배 증가할 것으로 보인다. 5G에서 이런 스펙트럼이 증가할 수 있는 부분은 바로 밀리미터 웨이브(mmW)다.

4G까지는 각각의 망이 해당 지역을 책임졌다. 5G로 넘어가게 되면 밀리미터 웨이브를 사용함으로써 지향성 측면에 향상이 이뤄진다. 4G의 경우 분산되어 있고 방향성 없이 가면서 가로망과 근접망이 인터페이스가 됐다.

그러나 밀리미터 웨이브는 이를 방향성 있게 조절할 수 있게 된다. 이로써 얻을 수 있는 이점이 있는데, 그 중 하나는 멀티플 라디오(Multiple Radio)를 하나의 장소에 집어넣을 수 있게 되는 것이다. 아울러, 여기에 밀리미터 웨이브 기반의 메시브 마이모(Massive MIMO) 기술 등을 추가적용하게 되면, 2010년 ~ 2020년과 2015년 ~ 2025년의 스펙트럼과 효율성 셀의 수에는 큰 차이가 없지만 효율성을 증가시키게 되어, 스펙트럼을 20배 정도 늘리게 되면 600배에서 4000배, 즉 6배가 넘는 성능 향상이 있을 전망이다. 이게 바로 5G가 밀리미터 웨이브에 집중하는 이유다.

그렇지만 밀리미터 웨이브 기술 적용이 쉽게 가능할까? 현실적인 주파수에 대해 이야기해보자. 이미 LTE는 42개의 주파수 대역이 있었다. 지금은 캐리어 어그리게이션(Carrier Aggregation, CA)이 굉장히 발전하고 있지만, 최근 논의되고 있는 190개의 CA 조합들을 어떻게 단말기 등에 모두 구현해야하는 지 과제가 남아있다.

주파수 할당 논의 시급

많은 사람들은 4G의 연구가 2000년부터 시작된 것으로 알고 있다. 하지만 이는 사실이 아니다. 실제 연구는 1985년 부터 진행됐으며, 2000년부터 본격화된 연구를 거쳐 10여 년간 지속됐다. 그리고 2012년부터 상용화가 시작된 것이다.
5G는 2012년부터 연구가 진행됐다.

관계자들은 10년 후인 2020년 이후에 본격적 서비스가 가능할 것으로 보고있다. 그러나 앞서 해결해야 할 과제가 있다. 그 중 가장 중요한 것 하나가 바로 주파수 할당이다. 많은 통신 관계자들은 세계전파통신회의 WRC-19에서 주파수 할당 등 미래 발전적인 논의가 진행되길 바라고 있다.
지금까지 논의한 바와 같이, 앞으로 우리 인류의 생활을 완전히 바꿔 줄 5G의 세대는 반드시 실현 될 것이다.

하지만 5G 시대가 현실화되기 위해서는 4G와는 비교될 수 없는 기술적인 정교함이 요구된다. 키사이트는 이 과정에서 발생하는 광범위하고 쉽지 않은 5G 디자인 및 측정 과제를 해결함으로써, 무선 통신 산업계 전반에 걸친 연구개발을 지원할 것이다. 기분 좋은 5G의 시대를 앞당기기 위하여.