4G LTE도 초기 상용화 시점(2010경) 최대 속도 75Mbps에 불과
[문화뉴스 MHN 윤자현 기자] 5G를 소개할 때에 놀라운 속도를 강조하는데 5G 이용자들은 크게 달라진 점을 느끼지 못하는 경우가 있다. 과연 5G는 4G에서 무엇이 달라졌고 앞으로는 어떻게 변화할 것인지 알아보도록 한다.
이동통신에서는 1G, 2G, 3G 등과 같이 몇 세대(Generation)라고 이름을 붙인다. 우리는 4G, 4세대라고 불리는 LTE 기술을 사용해서 스마트폰을 통화를 하거나 화상전화를 하거나 비디오를 볼 수 있게 되었다.
그러나 실제 각 세대를 구분 짓는 것은 눈에 보이는 새로운 서비스가 아니라 그런 서비스를 가능하게 한 기술적 혁신이다. 이동통신 기술이 다음 세대로 발전할 때마다 더 빠른 통신 속도와 새로운 서비스가 등장하였고 그 세대를 대표하는 서비스가 되어왔다. 이러한 새로운 이동통신 기술 혁신은 바로 각 세대의 표준에 의해 정의되어왔다. 각 세대의 표준은 국제전기통신연합(ITU)에서 비전 및 목표를 제시하고 국제 표준화 단체 (3GPP)에서 기술 표준을 개발한다.
5G 이동통신 기술은 크게 세 가지 기술진화 방향을 목표로 삼고 있다.
1) 초광대역 서비스(eMBB: enhanced Mobile Broadband)
2) 고신뢰/초저지연 통신(URLLC: Ultra Reliable & Low Latency Communications),
3) 대량연결(mMTC: Machine-Type Communications)
초광대역 서비스는 UHD(Ultra High Definition) 기반 AR/VR 및 홀로그램 등 대용량 전송이 필요한 서비스를 감당하기 위해 더 큰 주파수 대역폭을 사용하고 더 많은 안테나를 사용하여 사용자당 100Mbps에서 최대 20Gbps까지 훨씬 빠른 데이터 전송속도 제공을 목표로 한다. 15GB(Giga-Byte)사이즈의 고화질 영화 1편을 다운로드 할 때 500Mbps속도는 최신 4G는 240초가 소요되는 반면 20Gbps 속도의 5G에서는 6초가 소요된다. 특히 기지국 근처에 신호가 센 지역뿐만 아니라 신호가 약한 지역(Cell Edge)에서도 100Mbps 급의 속도를 제공하는 것을 목표로 하고 있다. 이렇게 되면 경기장처럼 사용자가 밀집된 장소에서도 끊김 없는 고화질 스트리밍 서비스가 가능할 것이다.
고신뢰/초저지연 통신은 로봇 원격 제어, 주변 교통 상황을 통신을 통해 공유하는 자율주행차량, 실시간 interactive 게임 등 실시간 반응 속도가 필요한 서비스를 대비하기 위한 것으로서, 기존 수십 밀리 세컨드(1ms/=1/1000초)걸리던 지연시간을 1ms수준으로 최소화하는 것을 목표로 하고 있다. 이를 위해 무선자원관리 분야나 네트워크 설계 등의 최적화를 진행하고 있다. 시속 100Km/h 자율 주행 차량이 긴급 제동 명령을 수신하는 데 걸리는 시간을 예로 들면 4G에서 50ms 지연 가정 시 1.4 m 진행 후 정지 신호를 수신하는 반면 5G에서 1ms 지연 가정 시 2.8cm 차량 진행 후 정지 진호를 수신하게 된다.
대량연결 mMTC은 수 많은 각종 가정용, 산업용 IoT 기기들이 상호 연결되어 동작할 미래 환경을 대비하기 위한 것으로1km2 면적 당 1백만개의 연결을 지원하는 것을 목표로 기술 개발 및 표준화가 진행 중이다.
5G 표준은 빠른 속도와 새로운 서비스가 가능하도록, 4G 보다 더 넓은 주파수 대역을 정의하고 있다. 3.5GHz 등 6GHz 이하 주파수(‘Below 6GHz’) 대역은물론 28GHz와 39GHz 등 밀리미터파(mmWave)로 불리는 초고주파 대역(‘Above 6GHz’)까지 함께 사용하는 것과 비면허대역과의 연동까지도 고려하고 있다.
향후 5G 시대에 28GHz와 같은 초고주파 주파수 대역은 대부분의 나라에서 사용 빈도가 낮은 대역으로 새롭게 경작할 텅 빈 영토와 같다. 국가별 주파수 정책에 따라 다르겠으나, 향후 수백 MHz ~ 약1GHz 정도의 초광대역폭이 할당될 수 있을 것이다. 이는 오밀조밀 복잡한 기존 저주파 대역과 달리, 향후 대용량 데이터를 가능하게 하고, 새로운 5G 서비스가 출현할 수 있는 환경을 조성하는 것과 같다.
초고주파는 이전에 국제적으로 사용 빈도가 크지 않았었기 때문에 각 국가별로 광대역 확보가 상대적으로 용이하지만 물리적 특성상 낮은 주파수에 비해서 멀리까지 전파되지 못하고 장애물 등을 통과하는 투과력이 상대적으로 약한 특성이 있다.
이러한 초고주파의 물리적 특성을 극복하기 위해 수십 개 이상의 많은 안테나를 활용하는 빔포밍 (beamforming) 기술을 5G 표준 기술로 도입하였다. 빔포밍기술은 많은 수의 안테나에 실리는 신호를 각각 정밀하게 제어하여 특정 방향으로 에너지를 집중시키거나, 또는 반대로 특정 방향으로 에너지가 나가지 않도록 조절이 가능한 기술로서 전파의 에너지를 집중시켜 거리를 늘리고 빔(Beam) 간에는 간섭을 최소화 시킬 수가 있다. 안테나를 많이 사용할수록 빔의 모양이 예리(sharp)해져서 에너지를 더 집중 시킬 수 있으나 단말이 빠르게 이동하는 경우 이렇게 예리한 빔을 계속 정확하게 추적(tracking)해야 하는 것이 기술적 관건이 된다.
또한 수 많은 안테나 배열 (Massive Antenna Array)을 활용하여 같은 무선 자원을 여러 명이 동시에 사용하는 Massive MIMO (Multi-Input Multi-Output)도 5G 표준에 도입되었다.
4G에서도 MIMO 기술이 사용되었으나 적은 수의 안테나를 사용하여 빔이 예리하지 못해 사용자 구분에 한계가 있었고 1차원 (1D) 안테나 배열을 사용하였기 때문에 자유도(degree of freedom)가 낮아 수평방향(horizontal) 사용자만 구분하는데 그쳤다. 그러나 5G에서는 수십 개 이상의 안테나를 2차원(2D)으로 배치해 수직-수평(horizontal & vertical) 방향 모두 사용자를 구분 할 수 있어 더 많은 다중 사용자를 동시에 지원할 수 있는 규격을 제공한다.
이동통신 국제 표준은 단기간에 1회성으로 정해지는 것이 아니며 장기간에 걸쳐 수 차례 업그레이드 된다. 심지어 다음 세대가 나오더라도 수년 정도는 이전세대 기술이 계속 보완하여 발표(Release)한다.
4G LTE도 초기 상용화 시점(2010경) 당시에는 최대 속도 75Mbps에 불과하여 4G의 최종 목표인 1Gbps 대비 1/10도 되지 않는 수준이었고 최근에야 1Gbps를 지원하는 단말 칩이 출시되어 2018년에 1Gbps 상용이 가능했다. 즉 각 세대별 최고 속도를 달성하기 위해서 수 년 이상의 시간이 필요했으며 5G도 이와 유사하게 상용화 초기에는 목표 속도인 20Gbps보다 낮은 속도의 서비스를 시작한 것이다.
한편, 5일 과학기술정보통신부(장관, 최기영)은 '2020년도 상반기 5G 통신 서비스 품질평가 결과'를 발표했다. 첫 품질평가 결과 이동통신 3사 5G 평균 속도가 700Mbps(초당 메가비트)에 미치지 않았다.
(출처= 삼성전자, 5G 국제 표준의 이해)
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4G LTE도 초기 상용화 시점(2010경) 최대 속도 75Mbps에 불과