일본의 Private 5G 구축 현황 - Sub 6 vs. 밀리미터파 - 밀리미터파가 살 길

Private 5G deployments in Japan - Sub 6 and mmWave

September 22, 2024 | By 손장우 (son@netmanias.com)

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손장우 (Harrison Jangwoo Son)

넷매니아즈 | (주)엔앰씨컨설팅그룹 대표이사

son@netmanias.com

일본의 Private 5G (일본용어로 로컬5G, 국내 용어로 이음5G/5G특화망) 전개 현황을 Sub 6와 밀리미터파의 주파수 측면에서 알아본다.

(일본의 경우 Sub 6 = 4.7GHz, 밀리미터파 = 28GHz )

1. 일본의 Private 5G 주파수 (로컬 5G 주파수)

2. 일본의 Private 5G망 실증 사업 (3년간 72건)

3. 일본의 로컬 5G 관련 업계 동향과 로컬 5G의 미래 (=5G SA NR-DC)

1. 일본의 Private 5G 주파수 (로컬 5G 주파수)

일본 총무성은 산업계 디지털 전환을 촉진시키기 위해 2019년 12월에 밀리미터파 28GHz (28.2~28.3GHz)를 산업용 5G 주파수를 개방했고, 일년후인 2020년 12월에 Sub 6 4.7GHz (4.6~4.9GHz)와 밀리미터파 28GHz (28.3~29.1GHz)를 추가로 개방했다.

기업은 총무성에 로컬 5G 주파수 면허를 신청하여 할당받을 수 있고 이통사 공중 5G망과 무관하게 사업장내 사설 5G망을 구축할 수 있게 되었다.

<일본의 사설 5G 주파수>

일본에서는 처음에 28GHz 밀리미터파가 먼저 개방되었기 때문에 기존 일본 BWA 주파수 (2.5GHz LTE 주파수)를 앵커(시그날링)로 하는 28GHz NSA망 구조가 시도되었으나 1년 후 28GHz보다 주파수 품질이 좋고 LTE 앵커가 필요없는 Sub 6 4.7GHz가 추가로 개방되면서 이후 현재까지 4.7GHz SA 구조 중심으로 로컬 5G 도입이 진행되고 있다.

아래 일본 5GMF 백서의 로컬 5G 기지국수 추이를 보면 Sub 6는 급속히 증가하고 있지만 밀리미터파 기지국수는 정체되어 있음을 볼 수 있다(아래 그림 (a)).

또한 일본 총무성 자료를 보면 로컬 5G 주파수 면허회사수가 2021년 5월에는 4.7GHz가 22개사이고 28GHz는 29개사였는 데, 2024년 2월엔 4 .7GHz는 149개사로 크게 늘었으나 28GHz는 여전히 29개사이다. 2020년-2021년 이후로는 28GHz 신청사가 거의 없는 것이다(아래 그림(b)).

(a) 로컬 5G 기지국 증가 추이

(b) 로컬 5G 주파수 면허 취득 회사 수

<로컬 5G 기지국수 추이와 주파수 면허 획득자 수의 추이>

2. 일본의 Private 5G망 실증 사업 (3년간 72건)

♦ 일본 총무성은 로컬 5G의 산업계 보급을 위해 로컬 5G의 유스케이스 발굴과 모범 사례 도출을 위해 2020년부터 2022년까지 3년간 총 72건의 로컬 5G 실증 사업(과제해결형 로컬 5G 실현을 향한 개발 실증 사업)을 수행했다.

28GHz 밀리미터파를 활용한 실증 사업은 2020년 실증 사업 19건 중 6건, 2021년은 26건중 3건, 2022년엔 27건중 1건에 머무르고 있다*.

* 한 사업에서 4.7GHz SA와 28GHz NSA 둘 다 구축한 사례들도 있으며 각각 따로 카운트함.

<일본 로컬 5G 실증사업 건수의 추이>

♦ 대부분의 실증 사업이 Sub 6에 집중되고 있으며 밀리미터 로컬 5G 도입이 정체 되어 있는 것과 관련해, NTT동일본은 28GHz를 사용한 실증사업들중 카메라 영상과 AI 분석과 같은 대용량 업링크 통신의 활용 사례가 있기는 하지만, Sub 6와 유사한 유스 케이스이며 꼭 밀리미터파이어야하는 유스 케이스가 적다는 점이 28GHz 보급에 있어 문제라고 지적하고 있다.

♦ 또한 일본 5GMF의 최근 백서에 따르면 28GHz를 지원하는 로컬 5G 단말이 Sub 6를 지원하는 단말의 절반도 안되는 문제점을 28GHz 로컬 5G망 확산을 저해하는 요소로 지적하고 있다

<로컬 5G 지원 산업용 단말의 상황 (2024년 3월 조사)>

이 백서에서는 밀리미터파 보급이 정체되고 있는 이유를 다음과 같이 정리하고 있다.

좁은 커버리지: 직진성이 강하고 차폐물의 영향을 받아 커버리지가 매우 좁다(차폐물이 없어도 100~200m가 현실적인 거리이다). 실내의 경우 기지국 하나로 복수 층을 커버하기 어렵고 한 층이라도 기지국 근방의 방을 제외하고는 복수 방 커버가 어렵다.

복잡하고 고비용: Sub 6 SA와 달리 28GHz NSA는 앵커밴드로 4G가 필요하다. 따라서, Sub 6 SA보다 시스템 구성이 복잡하고 로컬 5G 설비외에도 4G 설비 비용도 추가된다. 앵커밴드로 사용하는 4G 주파수가 자영 BWA 주파수인 데 지역 BWA 주파수와 동일한 대역이어서 전파간섭 문제로, 특히 도시에서 옥외 이용이 어렵다.

대응 단말이 적고, 고비용임: 밀리미터를 지원하는 로컬 5G 단말(산업용 라우터 등)이 적고 고가이다. 따라서 Wi-Fi로 변환해주는 중계기로의 활용이 대부분이어서 결과적으로 로컬 5G의 필요성이 퇴색되는 경우도 있다.

Sub 6 장비에 개발 집중: Sub6가 2020년 12월 개방된 이후에는 벤더들이 커버리지가 넓고 구성이 심플하며 개발도 상대적으로 용이한 Sub 6 제품에 집중하고 있다.

로컬 5G 유스케이스 개발에 집중: 밀리미터파의 초광대역을 살리는 유스 케이스보다 Sub 6 사양 범위내에서 유스 케이스 설계가 이루어 지고 있다.

반면에 Sub 6 SA 망은 위 각 항목에서 밀리미터파 망의 단점의 반대이다. 현재 일본 로컬 5G망은 Sub 6 SA가 메인이다.

<현재 일본 로컬 5G망은 Sub 6 SA가 메인>

3. 일본의 로컬 5G관련 업계동향과 로컬 5G의 미래(=5G SA NR-DC)

현재까지 NTT동일본, NTT com, NSSOL 등의 기업 대상 로컬 5G망 구축 및 운영 서비스를 제공하는 사업자들은 주로 4.7GHz 5G SA 구조로 로컬 5G망을 구축하고 있으며, 28GHz NSA나 28GHz SA, NR-DC(New Radio-Dual Connectivity) SA 구조로 망을 구축하는 서비스는 거의 보이지 않는다.

예로, NTT동일본의 경우 2022년 기가라쿠 5G(4.7GHz SA 서비스임)라는 로컬 5G망 구축 서비스를 출시해서 2023년 2월 현재 50건 이상의 구축 실적이 있는 데, 이중에서 28GHz를 사용한 5G NSA망 구축은 6건이며 6건 모두 테스트 랩 환경 정비 수준이며, 그 중 3건도 총무성 실증사업이다. 28GHz NSA보다 더 진보한 망구조인 28GHz SA, NR-DC SA 서비스도 없다.

일본 업계에서는 현재 Sub 6 SA망 구조인 로컬 5G의 다음 버전으로 밀리미터파와 Sub 6의 병행을 제시하고 있다. 일본은 공중 5G망에서 이미 Sub 6와 밀리미터파를 조합한 NR-DC 서비스를 스마트폰 대상으로 상용화했으며, NTT 도코모의 경우 2022년 8월에 전철역, 이벤트장 등 사람이 많이 모이는 지역에서 NR-DC 서비스 개시했다(도코모의 공중 5G망 주파수 Sub 6 (3.7GHz대/4.5GHz대) 주파수와 28GHz대 밀리미터파 주파수를 사용: 최대 속도 망 업링크 1.1Gbps, 다운링크 4.9Gbps).

스타캣 케이블은 각각 2023년 3월에 로컬 5G NR-DC 랩을 오픈하여 Sub 6(로컬 5G: 4.6~4.9GHz)와 밀리미터파(로컬 5G: 28.2~29.1GHz)의 NR-DC 실증 환경을 무료로 제공하기 시작했다. NR-DC는 4.7GHz와 28GHz 동시 사용으로 통신 안정성을 높이고 로컬 5G가 초대용량 업링크/다운링크를 제공하게 해준다. 또한 5G NR만을 사용하는 SA 구성이기 때문에 초저지연, 다중연결, 네트워크 슬라이싱 등의 SA 기능을 최대한 사용할 수 있다. 8K 카메라 고화질 영상 전송과 같은 고속 대용량 응용의 실증 시험에 활용될 것으로 기대하고 있다.

<스타캣의 NAGOYA LOCAL5G LAB 구성도: NR-DC 5G망장비 삼성/5G단말 교세라>

NTT Com은 2023년 4월 로컬 5G NR-DC 랩을 구축하고 평균 업링크 337.3Mbps, 다운링크 평균 3.1Gbps의 통신 속도를 확인했다 . NTT Com은 예상되는 유스 케이스로 원격 협력 수술에서 초고해상도 MRI/CT 데이터의 전달(다운링크), 집도의와 간호사 등 복수의 시점의 영상을 동시에 원격 전문의에게 전달(업링크)하는 예를 들고 있다. 또한 고화질의 복수 동시 전달이나 복수 기기에 대한 원격 제어 등 고속의 송수신 용량을 필요로 하는 사례(업링크)에서 이용될 것이라고 전하고 있다.

NEC는 2023년 총무성의 5G 비지니스 워킹그룹 발표에서 현재 로컬 5G 구축의 주종을 이루는 Sub 6망의 이슈와 이를 해결할 수 있는 방안으로 Sub 6와 밀리미터파의 병행을 제시했다. NEC는 이 병행이 필요한 예시로 아래와 같은 두 가지 상황을 들고 있다. 사업장내 대용량 업링크를 필요로 하는 응용에서 Sub 6망으로는 한계가 있고 밀리미터파를 추가로 도입해야 한다고 전하고 있다.

<NEC의 Sub6와 밀리미터파의 병행 예시>

2024년 3월 발간된 5GMF 포럼의 백서에 따르면, 당분간은 Sub 6 중심으로 로컬 5G 도입의 진행이 예상되지만 사업장내 로컬 5G 단말 수가 많아지고 응용이 대용량화(특히, 업링크)되면 로컬 5G망의 업링크가 통신 병목이 되는 시점에 대용량 업링크를 제공할 수 있는 28GHz 기지국을 기존 Sub 6망에 추가로 도입하는 식(NR-DC)으로 밀리미터파가 활용되기 재개될 것으로 보고 있다.

<일본 업계가 바라보는 로컬 5G의 망 구조 진화>

앞에서 기술한 3년간의 총무성 실증 사업도 대부분 고화질 카메라로 촬영한 현장 상황이 로컬 5G망을 통해 AI나 관제실로 전송되는 응용이 대부분이다. 즉, Sub 6 로컬 5G망은 다운링크 용량이 업링크보다 큰 데, 실제로 발생하는 트래픽은 공중망과 달리 업링크 트래픽이 대부분이다.

예를 들어, 4K 카메라로 실시간 모니터링하는 경우 카메라 1대가 20~25Mbps정도 데이터를 발생시키고 10대를 운영하면 Sub 6 100MHz 대역폭(64QAM, 2x2 MIMO, 동기운용)에서는 업링크 용량을 모두 사용해버려 그 외의 5G 기기 이용이 어려워진다.

반면에, 밀리미터파 400MHz대역폭(64QAM, 2x2 MIMO, 동기운용)이면 업링크로 800Mbps 정도의 통신 용량을 확보할 수 있기 때문에 4K 카메라를 추가하거나 다른 5G 기기도 다수 혼재하여 이용할 여유가 있다. 결국 로컬 5G망에 밀리미터파 도입의 동인은 대용량 업링크 니즈라는 것이다.