삼성전자의 조성연님이 보내주신 5G 기고글입니다. 바쁘신 와중에 유익한 기고글을 보내주신 조성연님에게 감사드립니다.

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이번 기고에서는 5G 기술에 대한 내용을 다루기 전에 통신 기술의 세대 변경에 대한 이해를 높이기 위하여 먼저 국제 표준에 대한 이야기와 함께 5G라는 기술 네이밍과 주파수에 대한 이야기를 1부로 설명하겠다. 

4G는 Long Term Evolution (LTE)라는 기술 네이밍을 하면서 5G는 왜 다른 기술 이름이 없는지 궁금한 적이 있을 것이다.

 

이를 이해하기 위해서는 국제 통신 표준을 둘러싼 전체 그림을 간략하게 알 필요가 있다. 우선, 엄격히 이야기하면 3세대 이동통신, 4세대 이동통신이라는 세대 구분 명칭은 사실 공식적인 이름은 아니다.

 

공식적인 명칭은 UN 산하 통신 협의체인 ITU에서 지정한 IMT-2000 (3세대 통신), IMT-Advanced (4세대 통신), IMT-2020 (5세대 통신)이다. 

 

이렇게 명칭을 지정하는  ITU는 통신 기술 스펙도 만들까?

 

ITU에서 차세대 이동 통신에 대한 명칭을 정하고 현재 사용되는 이동통신과 확연히 다른 새로운 차세대라고 불릴 수 있는 이동 통신의 기대 수준, 즉 요구 사항을 발행하고 ‘이런 이런 기술들’이 ITU에서 지정한 차세대 이동 통신 명칭의 요구 사항을 만족시키는 기술이라고 도장을 찍는 것은 맞다.

 

그러나 ‘이런 이런 기술들’에 대한 표준 기술 스펙을 ITU에서 작성하는 것은 아니다. 그것들은 전세계의 수백 개의 회사들이 등록하여 활동하는 기술 표준 단체를 통하여 이루어지는 참여 회사들의 기고와 경쟁을 통한 채택이란 과정으로 공동 작성된다.

 

즉 전세계의 수백개의 회사들이 각 표준단체에서 공동작업을 통하여 ITU의 요구사항을 만족시킬 수 있는 기술을 만들어 표준 기술 스펙을 작성하여 제출하면 ITU에서는 이를 검토하여 새로운 차세대 이동 통신 명칭을 사용할 수 있는 기술로 승인하는 것이다. 예를 들어 IMT-advanced (4세대 통신)으로 LTE와 WiMax가 제출되어 승인을 받았다.

 

그림1 차세대 이동 통신 국제 표준 과정과 국제 표준 과정

 

ITU가 차세대 통신 공식 명칭 사용 기술 스펙에 대한 도장을 찍어주는  곳이라면 기술 스펙은 만들고 ITU에 제출하는 곳은 어디일까? 

 

WiMax는 IEEE이라는 표준단체에서, LTE는 3GPP라는 표준단체에서 CDMA는 3GPP2라는 표준단체에서 만들었는데, 시장과 에코 구성 및 경쟁의 결과로 현재는 LTE가 실질적으로 전세계에서 단독 이동통신기술로 사용되면서 3GPP가 가장 영향력이 큰 기술표준 단체가 되었다.

 

당시 새로운 기술을 만든 3GPP 표준단체에서는 기술에 OFDM의 사용 등 혁신적인 변화가 있었고 장기적인 관점의 기술 변화라고 생각되어 Long Term Evolution, LTE라고 새 레디오 기술을 명명했었다.

 

그렇다면 3GPP라는 기술 표준 단체는 IMT-2020의 요구사항을 만족시키기 위한 새로운 표준기술을 만들면서는 네이밍 작업을 진행하지 않았나?

 

관련 작업을 진행하고 내외부 컨설팅을 거친 결과 ‘5G’라는 단어를 그대로 사용하는 것이 마케팅적으로 가장 좋은 것으로 합의되어 ‘5G’ 단어를 그대로 기술명으로 사용하고 있고, 새롭게 개발된 Radio 기술은 New Radio(NR)이라고 명명하고 있다.

5G 기술의 네이밍에 대한 이야기에 이어 통신 기술 상용화에 핵심인 주파수에 대하여 간략하게 설명한다.

 

이동 통신은 국가에서 정해진 특정 기간 동안 특정 주파수 사용 권한을 독점적으로 허가하여 주는 라이센스*를 기반으로 하는 산업이므로 어떤 주파수 대역을 사용할 것인가는 5G 논의의 시작일 수 밖에 없다.  

* 최근에는 라이센스 없이 사용 가능한 unlicensed 주파수 대역을 라이선스가 있어야만 사용 가능한 licensed 주파수 대역과 함께 묶어서 높은 전송률로 이동 통신 사업자들이 서비스를 제공할 수 있도록 하는 Licensed Assisted Access (LAA), LTE WiFi Link Aggregation (LWA)같은 표준 기술도 존재한다.

이동 통신에 사용될 주파수는 논의하는데 있어 과거 2G 시절 국가별로 다른 주파수와 기술을 사용하던 상황으로 인하여 상이한 주파수와 기술을 지원하는 제품들 각각에 대하여 규모의 경제를 만들어서 합리적인 가격으로 양질의 장비와 단말을 공급받는 시장의 에코를 구성하는 것과 국제 로밍을 지원하는 것 등에서 여러 가지 어려움을 겪은 이후 세계는 이동통신기술과 주파수 영역을 지정하는 것을 전세계적으로 함께 논의하는 것에 대한 관심이 높았다.

 

그러나, 국가별로 군사용의 사용 대역, DTV 사용 대역 등 주파수 할당 및 사용 현황이 상이한 상황에서 전세계적으로 차세대 이동 통신에 사용된 주파수를 일률적으로 맞춘다는 것은 상당해 난해한 일이다.

 

어려운 일이나 필요한 일이기에 전세계에서 모여서 논의하고 권고안을 만드는데 이 일 역시 ITU 산하 Wireless Radio communication Conference(WRC)에서 이루어진다

WRC에서 5G 주파수에 대한 논의를 시작할 때 10배 이상의 전송률 향상을 위하여 넓은 주파수 대역이 필요함이 인식되었었다.

 

문제는 이동통신에 최적이라고 여겨지던 주파수들이 이미 2G, 3G, 4G 이동 통신용으로 할당되어 사용 중이였고, 사용되지 않는 영역은 높은 전송률을 만족시킬 정도로 넓은 대역의 여유분이 아니라는 것이였다.

 

이러한 주파수 현황을 고려하여 5G 주파수에 대한 논의는 20~40GHz 대역의 초고주파에서 시작되었다.

 

현재 LTE 기술을 사용하는 주파수 대역이 2.6GHz이하라는 점을 고려하면 10~20배 이상이 고주파 영역이다.

 

고주파는 저주파에 비하여 당연히 많은 정보를 실을 수 있을 뿐만 아니라, 고주파 영역을 이용하는 것은 기 할당되지 않은 영역을 이용하는 것이므로 LTE에서 20MHz로 한계가 있던 Bandwidth도 100MHz이상 확장하여 통으로 넓게 주파수 영역으로 나누어 하나의 단말이 사용할 수 있게 할 수 있으므로 당연히 높은 전송률을 달성할 수 있게 해준다.

 

그러나 고주파는 벽과 같은 장애물을 투과하는 특성이 약하고 비가 오거나 안개가 많이 끼면 공기 중 수분에 영향을 받아 전파 도달 거리가 짧아진다. 따라서 이러한 고주파를 이동 통신에 이용하게 되면 이동 통신 단말과 기지국 사이의 거리를 가깝게 만들 수 밖에 없고 고주파를 사용하는 5G 기지국이 커버하는 셀의 크기는 LTE 기지국이 커버하는 셀의 크기보다 작을 수 밖에 없다. 이것이 스몰 셀이라는 용어의 등장 배경이다. 

5G 주파수 논의는 20~40GHz 대역의 초고주파로부터 시작되었으나, 결국 현재 상용 중인 주파수 대역에서 향후 5G 서비스를 할 것을 고려하여 결국 현재의 권고안에는 6GHz 이하 대역인 3~4GHz대역과 600~700Mhz대역 등도 포함**되어 있다.  

** ITU를 전세계에서 모여서 논의를 진행하나 개별 국가의 의견이 반영되다 보면 권고안 내의 주파수 분포는 다양해질 수 밖에 없다. 현재 대세는 6GHz 이하- 600~700MHz, 3.4~3.7GHz와 6GHz 이상 24~28GHz, 37~40GHz 대역이다.  특히 6GHz 이하 대역은 LTE로 사용 가능 영역인데 LTE로 사용하는 것보다 더 효율적으로 새로 디자인된 New Radio, NR 로 사용하는 것이 전송률과 레이턴시, 운영 Flexibility 측면에서 더 이득이라고 볼 수 있다.   

1부에서는 5G 기술적인 내용을 다루기 전에 통신 기술의 세대 변경에 대한 이해를 돕기 위한 배경 정보로 표준 단체와 5G 네이밍 그리고 주파수에 대하여 간략하게 설명하였다.

 

다음 시간에는 New Radio 셀을 추가적인 보조 셀로 사용하는 Non Stand Alone이라는 5G 구조를 지원하는 표준 기술에 대하여 설명한다. 

 

 

 

기고자 소개

 

조성연 (Songyean.cho@gmail.com)

직장: Samsung Electronics 

직함: Principle Engineer 

관심분야: 이동통신 시스템