5G와 5G를 지탱할 수 있는 기술들

wonsik·2022년 5월 30일

4G 5G MEC MIMO Massive MIMO Network slicing SmallCell 네트워크

컴퓨터 네트워크

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들어가며..

현재 통신의 발전은 계속되고 있으며 5G의 상용화가 성공적으로 이루어지는 과정에 있다. 그동안 통신은 어떤식으로 발전해왔으며 5G가 생기게 된 이유와 상용화할 수 있도록 하는 기술들, 그리고 5G의 한계에 대해서 알아보고자 한다.

5G 이전 세대의 기술들

5G의 G는 generation으로 세대를 뜻한다. 즉 5번 째 통신 기술 세대라는 뜻이다. 그렇다면 5G전의 세대들은 어떤 특징을 가지고 있을까?

1G

1세대 모바일 네트워크는 1970년 후반 일본에서 등장했다. 1G는 AM/FM 라디오처럼 아날로그 데이터 전송을 사용했기 때문에 액세스하기 쉽지만 안정성과 안전성이 떨어졌다. 최대 속도는 2kbps를 약간 넘는 수준으로 텍스트 몇 줄밖에 처리할 수 없었다.

2G

2G는 1990년대 초반에 출시되어 디지털 음성 전송, SMS 및 MMS문자 등의 기능을 제공했다. 속도는 최대 200kbps로 1G에 비해 훨씬 빠르지만 오늘날과 비교하면 여전히 매우 느리다. 또한 보안은 조금 향상되었지만 네트워크 컵버리지가 넓지 않아 로밍 요금이 많이 나오고 통화 끊김 현상이 있다.

3G

2000년대 중반에 등장한 3G는 모바일 인터넷을 선사했으며 이에 따라 전 세계적으로 스마트폰 도입 속도가 빨라졌다. 데이터 전송 속도는 초당 약 40Mbps로 2G에 비해 200배가 넘는 수준이다.

4G(LTE)

2010에 출시된 4G는 현재 세계에서 가장 널리 사용되는 모바일 기술이다. 4G를 통해 스마트 기기가 우리의 일상이 되었다. 평균 다운로드 속도가 최대 100Mbps인 4G 네트워크에서는 고화질 비디오 파일을 다운로드하고 다양한 서비스를 스트리밍할 수 있다.

5G의 특징

5세대 통신 기술은 크게 세 가지 특성이 있다.
초고속, 초저지연, 대량연결로써 이전 세대인 4G보다 20배 빠른 다운로드 속도를 가지며 10배 지연속도 개선 및 10배 많은 기기 간 연결이 가능하다. 이를 통해 AI, 클라우드, 빅데이터, IoT 분야인 미래 먹거리 사업에 있어서 아주 중요한 역할을 수행할 것이다.

현재 우리나라에선 3.5GHz에 해당하는 Sub-6 GHz 대역을 세계 최초로 상용화하는 데에 성공했다. 하지만 우리가 말하는 진정한 초고속이라는 의미의 5G를 사용하기 위해선 28GHz에 해당하는 mmWave 대역을 사용해야 한다.

현재 대한민국을 대표하는 이동통신사 3사의 대역 현황이다.

대역과 대역폭에 대해서 자세히 이해하기 위해서는 전파에 대한 개념에 대해서 공부하는 것이 좋다. 간단히 설명하면 우리는 데이터를 전송하는 매체로써 전파를 사용한다. 이는 매질이 필요없고 빛의 속도로 데이터를 전송할 수 있기 때문이다.(물론 데이터 처리하는 과정에 있어서 실제로 빛의 속도로 전송은 불가하지만) 전파는 파동의 성질을 가지기 때문에 파장과 진동수를 가지게 된다.

파장이 크면 멀리까지 데이터를 전송할 수 있지만 진동수가 낮아지기 때문에 (파장과 진동수는 반비례 관계) 매우 낮은 양의 데이터만 전송이 가능하다. 기술이 발전하면서 우리는 음성뿐만 아니라 메시지 영상 등 용량이 큰 데이터를 처리해야 하기 때문에 주파수를 높이며 사용하게 된 것이다.

--> 이는 제가 잘못 알고 있던 지식이었습니다. 주파수가 클 수록 많은 파장이 지나가기 때문에 많은 데이터를 보낼 수 있다고 생각했으나 이는 상관이 없는 관계였습니다. 단지 우리가 실생활에서 사용하는 음성의 주파수는 20 Hz ~ 20 kHz 수준인데 이를 안테나가 수신받기 위해서는 수km가 되어야합니다. 따라서 안테나의 크기를 줄여 효율적으로 신호를 송/수신하기 위하여 음성을 고주파에 담아서 보내는 것이었습니다. 우리가 자주 사용하는 스마트폰에서 안테나가 보이지 않는 이유가 고주파를 사용하기 때문에 안테나의 크기가 줄어들어서 입니다.

이 뿐만 아니라 높은 대역을 사용하면 넓은 대역폭을 사용할 수 있다. 이 이유로는 간단히 예를 들자면 100MHz에서 10MHz의 대역폭을 확보하는 것과 1000MHz에서 10MHz의 대역폭을 확보하는 것에 있어서 후자가 비율로 보았을 때 훨씬 유리하다. 대역폭이 커지게 되면 즉 사용할 수 있는 주파수가 많아지게 되는 것이다. 따라서 많은 데이터가 많은 주파수를 사용하여 전송되기 때문에 높은 대역을 사용하는 것이 통신에 있어서 매우 큰 이점이 되는 것을 알 수 있다.

이제 어느정도 큰 대역과 대역폭이 중요함을 알게 되었다. 그렇다면 진작 대역을 올려서 사용하면 되지 않느냐는 말을 할 수 있다. 이는 파동의 성질에 의해 많은 기술적 한계가 발생하게 된다.

간단히 이야기 하자면 두 가지의 어려움이 있는데 짧은 파장과 낮은 회절성이다. 따라서 5G 라우터가 멀리 떨어져 있으면 통신이 잘 안되며 건물이 밀집된 곳이나 악천후의 기상상황에서 통신이 어려워 진다. 하지만 고주파를 사용하고자 하는 인간의 야망은 이를 기술적으로 해결했다. 이에는 많은 기술들이 사용되겠지만 간단히 몇 가지만 소개하고자 한다.

SmallCell

이는 5G의 짧은 커버리지 영역을 해결하고자 설치하는 소형 기지국이다.

MIMO, Massive MIMO

MIMO란 Multi Input Multi Output의 약자로 말그대로 다중입출력을 뜻한다. 네트워크 통신에서는 여러개의 안테나를 통하여 송수신을 하는 것으로 이해하면 된다. 안테나를 여러 개 쓰는 이유는 전송속도 증가와 에러 발생 감소에 있다. 최근 기술의 발전으로 인하여 RF를 저렴하게 만들 수 있게 되어 가능해지게 되었다.

MIMO의 기술에는 Spatial Multiplexing(공간 다중화), Spatial Diversity(공간 다양화), Beamforming(빔포밍)이 있다. 공간 다중화는 다수의 송신 안테나를 통해 여러개의 정보를 전송하여 속도를 향상시키는 기술이고 공간 다양화는 다수의 송신 안테나로 똑같은 정보를 여러번 전송해서 오류를 제어하는 것이다. 빔포밍은 원하는 방향으로 전파를 쏴서 간섭을 줄이는 것이다.

그렇다면 Massive MIMO는 무엇일까?
이는 기지국에 수십 ~ 수백 개의 안테나를 장착해서 속도를 엄청나게 끌어올리는 기술이다. 기지국에 장착된 다수의 안테나들이 동시에 전파를 송수신하는 빔(Beam)을 형성해 전파 도달 범위 내 이용자에게 데이터를 전달하는 방식이다.

Beamforming

빔포밍이란 모바일 기기와 네트워크 기지국 양쪽에서 안테나 여러 개로 공급되는 신호의 진폭과 위상을 변화시켜 특정 방향으로 무선 신호를 집중시키는 기술이다. 즉 기존에 사방으로 퍼지는 전파를 고주파의 직진성을 이용하여 사용자의 기기로 전파를 집중시켜 효율을 높히는 것이다. 쉽게 이야기하면 연극에서 배우에게 스포트라이트를 비추듯이 사용자의 기기에 주파수를 집중적으로 쏘는 것이다. 이렇게 되면 사용자가 길을 걸어가는 중이나 건물 내 이동을 하더라도 하나하나의 단말기를 목표로 하는 주파수를 수신할 수 있다. 이는 앞서 말한 Massive MIMO를 사용하며 기존의 1차원, 2차원 형태였던 빔포밍의 형태에서 3D 빔포밍의 형태를 갖추게 되었다.

5G를 이용하는 기술

지금까지 5G가 지탱할 수 있도록 도움을 주는 기술에 대하여 알아보았다. 5G는 AR/VR, IoT, 자율주행 등 다양한 분야에서 사용되는 것은 얼핏 들었을 것이다. 그렇다면 5G의 어떤 기술들을 이용하여 이를 가능하게 하는지 간단히 살펴보도록 하자.

MEC(Mobile Edge Computing)

MEC은 대용량 실시간 서비스를 위한 기술이다. 자율주행에서 가장 중요한 것은 초저지연이다. mmsec로 통신을 해야 순간순간 상황에 따른 판단을 할 수 있기 때문이다. 이처럼 IoT시대에서 실시간 통신이 이루어지기 위해서 대용량 정보가 지연 없이 실시간으로 제공되어야 한다.

MEC는 모바일 환경에서 트래픽 양의 폭발적인 증가가 일어날 경우, 모바일 코어망의 트래픽 부담을 줄이고, 응답시간을 줄이기 위해, 사용자와 가까운 위치에서 서비스를 제공함으로써 전반적인 정보 전달 속도를 높이는 엣지 컴퓨팅기술을 이용하게 된다는 개념이다.

MEC는 무선 기지국에 대용량 서버를 전진 배치하는 것으로 데이터의 전송구간이 짧아지는 만큼 지연시간이 줄어든다는 원리에서 출발했다.

즉 MEC는 엣지에서 센서 데이터를 수집하고 처리하고 분석한다. 이를 네트워크 엣지에 보내고 이를 인터넷에 통신한다.

Network slicing

5G가 본격적으로 상용화되면 다양한 분야에서 통신이 가능해진다. 하지만 각 분야에 따라서 통신하는 용도가 달라지게 된다. 일례로 자율주행차는 도로 위 실시간 위험에 반응해야 해 초저지연 성능을 우선시 한다. 이와 달리 상수도 회사는 속도보다 곳곳에서 확보한 각 데이터를 동시에 전송할 수 있는 초연결이 중요하다. 네트워크 슬라이싱을 활용하면 각 서비스에 맞는 네트워크 특성을 최적화해 제공할 수 있다.

네트워크 슬라이싱은 슬라이스 말뜻 그대로 네트워크를 여러 개로 나누는 기술이다. 이 기술은 물리적인 하나의 네트워크를 가상의 환경에서 분할해 다수의 네트워크처럼 쓸 수 있게 한다.

현재 국내 통신 3사는 3.5GHz 주파수 대역을 사용해 5G 서비스를 제공하고 있으며 약 100MHz 대역폭을 사용해 서비스를 제공하고 있다. 이 대역폭 상에서 별도 주파수 대역 할당은 어려움이 있는 상황이다.

28GHz 고주파수 대역에서는 통신사들이 각각 800MHz 대역폭을 확보하고 있기 때문에, 완전한 네트워크 슬라이싱은 지금과 같이 4G LTE망과 연결한 5G망이 아닌 순수 5G망(5G SA, stand-alone) 구조에서 28GHz 대역이 상용화되는 단계에서 가능할 것으로 보인다.

800MHz 대역폭을 확보하면 100MHz 대역폭 단위로 8개의 네트워크로 분리할 수 있다. 이에 따라 주파수 대역의 효율성이 제고되지만, 전체적인 네트워크 성능이 감소할 우려가 있으며 관리 기능의 복잡성이 높아져 고도의 기술이 필요해진다.

네트워크 슬라이싱을 구현하는 핵심 기술로는 네트워크기능가상화(Network Function Virtualization・NFV)와 소프트웨어정의네트워크(Software Defined Network・SDN)이 꼽힌다.

NFV는 각각의 물리 네트워크장비를 소프트웨어(SW) 형태로 가상화해 준다. 하드디스크 파티션을 나눠주는 것과 같은 역할이다. 이를 통해 네트워크를 하나의 장비로 관리할 수 있도록 해준다.

SDN은 네트워크장비의 기능 중 컨트롤플레인(Control Plane)이 SW 기반 오픈네트워크 기술로 중앙의 컨트롤러에 집중하고, HW는 데이터 플레인 기능만 수행하도록 한다. 이로써 서비스별 가상 네트워크를 쉽게 정의할 수 있다.

마치며..

미국 버라이즌 회사에서는 28GHz 대역인 mmWave를 상용화하여 미국의 가장 큰 행사 중 하나인 NFL결승인 슈퍼볼에서 성공적으로 5G 기술을 사용했다.

관람객들은 경기장 내에서 스마트폰의 카메라와 증강현실(AR) 기술로 화장실이 어디인지, 매점이 어디이며 음식 주문에 얼마나 걸리는지, 주차장은 어디이며 어떻게 가야 하는지 등을 손쉽게 확인할 수 있었다.

아직 한국에서의 5G는 완벽하게 상용화되지 않았지만 이는 시간문제라고 생각한다. 5G 기술은 매우 다양하게 갖추어져 있으며 자세히 알아볼 수록 난해한 수식들이 많이 나와 어렵게 느껴진다. 하지만 새로운 시대를 맞이할 때 미리 준비하는 사람들이 빠르게 기술을 적용하고 성공하기 때문에 새로운 기술들에 대해서 더욱 주의깊게 살펴보고 공부해야 겠다고 다짐했다.

출처)

wonsik

새로운 기술을 배우는 것을 좋아하는 엔지니어입니다!

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