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미래의 초고속 모바일 네트워크 “5G”


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글/인피니언 인사이트


모바일 네트워크의 다음 개발 단계는 5G이다. 이 신기술은 상당히 큰 데이터 용량과 매우 빠른 응답 시간을 제공한다. 이것은 완전히 연결된 사회를 위한 새로운 애플리케이션을 가능하게 한다.
초고속 5G 모바일 무선 표준은 연결된 기가비트 사회로 가기 위한 토대이다. 특히 지속적으로 데이터 교환이 필요한 애플리케이션들이 활성화될 것이다. 예를 들어 스마트 시티의 경우, 5G로 운전자에게 도로 혼잡이나 사고 지점뿐만 아니라 무료 주차 공간에 대한 정보를 제공할 수 있다. 차량은 서로 통신할 수 있고 인프라와도 통신할 수 있다. 고도로 자동화된 주행을 위해서는 빠르고 신뢰할 수 있는 데이터 통신이 가능해야 한다. 자동차의 새로운 기능에 대한 소프트웨어 업데이트도 모바일 라디오 인터페이스를 통해 몇초 안에 수행할 수 있다.
인더스트리 4.0은 5G의 또 다른 중요한 애플리케이션이다. 가치 사슬 및 공급 사슬을 네트워크로 연결하고 광범위한 생산 시스템의 센서 모니터링 및 로봇과의 상호작용을 위해서, 인더스트리 4.0은 효과적인 통신을 필요로 한다.
초고속 모바일 통신은 더 개인적이고 유연하며 자유로운 미디어 사용을 가능하게 할 것이다. 콘서트나 축구 경기를 예로 들 수 있는데, 행사장에서 수천 명의 사람들이 동시에 모바일 인터넷에 접속할 수 있다. 관객들은 실시간으로 이벤트에 참여하면서 스마트폰의 4K/8K 수퍼 HD로 다양한 각도에서 공연이나 경기를 즐길 수 있다. 5G는 LTE보다 100배 더 큰 데이터 용량과 1000배 이상 더 빠른 데이터 전송 속도를 제공한다. 거의 알아차릴 수 없을 정도의 지연시간으로 번개처럼 빠른 응답이 가능하고 더 적은 전력을 소모한다. 이처럼 놀라운 향상은 4가지 혁신 기술의 결과이다.

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5G란?

5G는 ‘5세대’를 의미하는 차세대 모바일 통신 표준으로, 현행 LTE 표준(4G)을 대체할 것이다. 그 이전의 표준은 UMTS(3G)와 GSM(2G)였다. 5G는 초당 최대 10기가바이트의 높은 대역폭과 극히 낮은 응답 시간을 달성하여 훨씬 빠른 전송 속도를 제공한다. 또한 이전 표준 대비 1비트를 전송하는데 천분의 일의 전력만을 소모하여 데이터 전송에 훨씬 더 적은 전력을 필요로 한다.

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5G가 제공하는 이점은?

5G 표준은 데이터 속도가 초당 최대 10기가비트로서, LTE에 비해서 100배 더 빠르게 전송할 수 있다. 따라서 4K 형식으로 된 비디오라 하더라도 순식간에 로드할 수 있고, DVD 컨텐츠는 5초 안에 다운로드할 수 있다. 이제 화상 통화에서 흔히 일어나던 로드 지연은 과거의 유물이 될 것이다. 또한 원격진료 애플리케이션이 가능해져 의사가 인터넷을 통해서 수술할 수도 있을 것이다. 새로운 5G 네트워크는 훨씬 더 높은 대역폭을 제공하여 다수의 사용자들이 동시에 더욱 빠른 고품질의 통신 서비스를 이용할 수 있도록 더욱 안정적이고 신뢰할 수 있는 환경을 제공한다.

5G는 어떻게 동작하는가?

(1) 밀리미터파

스마트폰과 전자 디바이스는 현재까지는 3KHz~ 3GHz의 매우 좁은 주파수 대역을 사용해 왔다. 하지만 갈수록 더 많은 모바일 커넥티드 디바이스 및 장치가 이 대역을 공유함으로써, 데이터 전송 속도가 점점 느려지고 연결 실패 가능성이 높아지고 있다. 해결 방법은 지금까지는 모바일 디바이스의 데이터 전송에 사용되지 않던 6GHz 이하의 주파수대나 30GHz~300GHz 사이의 밀리미터파 주파수를 사용하는 것이다. 이들 주파수대에서 IoT 를 위한 충분한 대역폭을 사용할 수 있지만, 밀리미터파는 한 가지 단점이 있다. 석재 건물 벽체를 통과하지 못하며, 나무나 강우에 의해 흡수될 수 있다.

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(2) 스몰셀 네트워크
밀리미터파 주파수로 데이터 전송 데드 스팟(dead spot)을 피하기 위해서 가입자와 가까운 곳에 다수의 소형 전송 기지국을 설치해야 한다. 스몰셀 네트워크를 형성함으로써 기존 셀룰러 네트워크를 확장할 수 있다. 이러한 방식으로 네트워크를 확장하면 사용자에게 더 근접할 수 있으며 전송 전력은 낮출 수 있다. 기지국 간격이 짧으므로 셀룰러 디바이스나 IoT 디바이스가 그 다음 기지국으로 잘 연결될 수 있다. 인피니언은 최대한의 주파수를 지원하는 소자 들을 제공한다. 인피니언의 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuits)는 최대 90GHz 주파수로 데이터를 전송할 수 있다. 현재 마켓에서는 최대 40GHz 주파수대에 집중하고 있다.

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(3) 대용량 MIMO
전송 시스템에 사용되는 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 기술은 다수의 송신 및 수신 안테나를 사용해서 데이터 스트림을 전송하는 것을 말한다. 그럼으로써 수신 신호를 향상시키고, 거리를 늘리고, 전반적인 데이터 처리량을 높일 수 있다. LTE가 최대 8개의 안테나를 결합하는 것에 비해서, 밀리미터파는 송수신 기지국에 수백개의 안테나를 사용하기 때문에 5G는 훨씬 더 많은 전력을 필요로 한다. 대용량 MIMO라고 알려진 최적화된 다중 안테나 기술은 셀룰러 네트워크 용량을 수 배로 늘릴 수 있다. 하지만 대용량 MIMO는 밀리미터파의 장점을 활용하기 위해서 추가적인 기술을 필요로 한다: 빔포밍(beamforming)을 사용해서 신호들에 집중하고 안정적으로 전송할 수 있다.

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(4) 빔포밍
기존 안테나를 사용하면 신호는 모든 방향으로 균일하게 방사된다. 그리하여 신호가 다른 트랜스미터의 신호와 겹치게 되면 신호 전송이 심하게 손상될 수 있다. 대용량 MIMO 다중 안테나 기술에 빔포밍을 결합하면 이 문제를 해결할 수 있다. 여러 개의 안테나를 사용하여 동일 신호를 시간차를 두고 전송함으로써, 트랜스미터가 클라이언트를 향해서 신호를 집중시키고 그에 맞게 전송 전력을 조정할 수 있으며 시그널 빔, 빔포밍(beamforming)을 형성한다. 빔포밍 트랜스미터는 각기 신호들을 각기 다른 방향의 각기 다른 수신자에게 전송할 수 있다. 이를 통해 커버리지를 늘리고, 더욱 안정적인 연결과 더 높은 전송 속도를 달성하고, 원치 않는 무선 간섭을 줄일 수 있다.

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(5) 반도체 솔루션을 사용한 데이터 보안
연결성이 높아짐에 따라서 데이터 보안의 필요성 또한 커지고 있다. 스마트 홈, 커넥티드 카, 인더스트리 4.0 모두 무단 엑세스에 대한 보호와 안전한 데이터 및 프로세스를 필요로 한다. 인피니언의 혁신적인 반도체 기반 보안 솔루션은 미래의 5G 셀룰러 통신망을 갈수록 높아지는 보안 위협으로부터 보호할 수 있다.
5G를 위한 혁신적인 빔포밍 아키텍처
5G는 차세대 모바일 통신망이다. 그렇다면 5G는 실제로 어떻게 작동할까요? MWC 2018에서 전시한 이 데모는 인피니언 칩을 적용한 트랜스미터가 신호를 정확히 원하는 방향으로 전송하는 것을 보여줬다.

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5G의 상용화 시기는 언제일까요?

새로운 모바일 인프라 구축을 위해서는 기술적 및 재정적으로 많은 과제들을 해결해야 한다. 초기 애플리케이션들이 이미 등장했으나 아직은 여전히 시험 단계이다. 예를 들어, 한국은 2018년 동계 올림픽에서 최초의 5G 밀리미터파 애플리케이션을 선보였다. 2017년 베를린에서는 유럽 지역 최초로 4개 무선 기지국 가동을 시작하고 5G를 통해서 실제 환경으로 전송을 하고 있다. 미국에서는 Verizon이 2018년에 28GHz 밀리미터파를 사용한 파일럿 프로젝트를 계획하고 있다고 발표했다. AT&T는 2019년에 미국의 여러 도시에서 39GHz 대역으로 5G 전송을 테스트할 계획이라고 한다. 따라서 5G가 본격적으로 출범하려면 아직 몇 년 더 걸릴 것으로 보인다. EU 각료 이사회의 장기 계획에 따르면, 2025년 즈음이면 유럽의 주요 도시들에 5G 네트워크가 구축될 것으로 보인다.

일상 생활에서의 5G 활용 사례

(1) 스마트 시티에서 퇴근 후 모습


영업 부서와의 미팅은 밤 늦게까지 계속되었다. 이사벨 그레이거는 도시를 지나 집으로 운전하면서 생각한다. “이 시간에는 교통 정체가 없어서 정말 좋네” 평소 같으면 도시 북쪽 교외에 있는 자신의 집까지 퇴근하는데 2시간 이상이 걸린다.
그런데 늦게 퇴근할 때 단점은 주차할 곳을 찾기가 쉽지 않다는 것이다. 하지만 이사벨은 자신이 거주하는 지역에서 파일럿 프로젝트를 시험 중이기 때문에 걱정하지 않는다. 가로등에 탑재되어 있는 레이더 센서와 RFID 칩은 주변에 빈 주차공간이 있는지 감지하여 이 정보를 모바일 네트워크를 통해 중앙 서버로 전달한다.
이사벨의 자동차에는 연동되는 앱이 설치되어 있어 내비게이션 시스템으로 어느 가로등 아래 빈 주차 공간이 있는지 알려준다. 이사벨은 집에서 150미터 정도 떨어진 곳에 주차를 하며 “시간과 연료를 절약할 수 있고, 주차 공간을 찾아 골목길을 세 번씩이나 돌며 이웃사람들에게 불편을 끼치지 않아도 되니 편리하군!”이라고 생각한다.

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(2) 밤 사이 업그레이드된 자동차
존 스펜서는 주차 공간을 찾아서 헤메고 있다. 그는 몇 달 전 리스로 차를 구입하였으며 여전히 첨단 기능들이 신기하다. 이 차는 교통 정체 시에 완전 자율로 운전한다. 딜러가 자동차의 모든 기능에 대해 설명하자 그는 자동차가 아니라 ‘바퀴달린 컴퓨터’라고 생각한다.
엔진을 끄자 디스플레이에 메시지가 나타난다. 자동차 회사에서 더 안전하고 편리한 운전을 위한 새로운 기능의 소프트웨어 업데이트를 제공한다는 내용이다. 이제 정비소로 갈 필요가 없다. 휴대폰과 마찬가지로 자동차의 모바일 인터페이스를 통해서 업데이트를 다운로드 하면 된다. 보안 칩을 사용해서 허가된 서비스 공급자만이 자동차에 액세스할 수 있다.
초고속 5G 네트워에서는 새로운 소프트웨어 버전을 로드하고 설치하는 데 20분 이상 걸리지 않는다. 존은 다음 날 아침까지 운전을 하지 않으므로 업데이트를 실행한다. 차에서 내려 문을 잠그는 동안 업데이트가 로드된다. 업데이트된 사용자 가이드가 수초 안에 그의 스마트폰으로 자동 전송되어 바로 새로운 기능들을 확인할 수 있다. 다음 날 아침 존은 자동차의 향상된 기능을 이용할 수 있다.

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(3) 경기의 한 순간도 놓치지 않기
중앙 공격수에게 공이 정확히 패스되었다. 선수는 공을 받아 바로 슈팅을 한다. 골인! 7만 명에 이르는 관중들이 일제히 환호를 한다. 그레고리 웨스트와 그의 아들은 축구장에 와있다. 평소처럼 줄리안은 손에 스마트폰을 쥐고 있다. 그는 수시로 디스플레이를 확인한다. TV 방송국에서 이 경기를 인터넷으로 생중계하고 있기 때문이다.
줄리안은 경기장에서 직접 선수들을 보면서 동시에 휴대폰으로 다양한 각도에서 경기를 보여주는 영상을 볼 수 있다. 무엇보다 좋은 점은 빠른 속도의 5G 네트워크 덕분에 영상 지연이 없다는 점이다. 심지어는 무선 이어폰으로 방송국의 경기 해설을 동시에 청취할 수도 있다.
그레고리는 경기장의 현장 분위기에 빠져드는 것을 좋아한다. 주변에 있는 많은 관중들이 스마트폰으로도 경기를 보고 있다. 이제 이것은 대규모 행사장에서 하나의 트렌드가 되었다. 그는 “수천 명의 사람들이 아무런 장애 없이 동시에 모바일 인터넷에 접속할 수 있다니 정말 놀랍군!”이라고 생각한다.

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leekh@semiconnet.co.kr
(끝)
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