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미래와 연결하는 5G 무선 기술

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글/아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)

5G 무선 기술 시대가 시작됐다. 하지만 먼저 핵심 인프라의 전면적인 업그레이드가 선행되어야 한다.

지난 몇 년 동안 5G 네트워크 기술을 주제로 각종 광고와 전망들이 쏟아져 나왔다. 한결같이 모든 것을 바꾸어 놓을 엄청난 것이 오고 있다고 이야기한다.

만약 이것이 실현된다면, 드라마에서나 보던 것들을 실제로 현실에서 접하게 될 수 있다. 5G 시대에는 가상 의사와 재택 검사 시스템이 세계에서 가장 외진 곳까지 저렴하고 질 높은 의료를 제공하게 될 것이다. 정교한 홀로그램과 증강현실(AR) 체험이 예술과 엔터테인먼트의 새로운 길을 활짝 열어주고, 실시간 데이터 스트림이 제조에서부터 농업에 이르기까지 산업의 판도를 바꿔 놓을 것이다.

스탠포드대학 무선시스템연구소장 안드레아 골드스미스(Andrea Goldsmith) 공학 교수는 “차세대 무선 기술은 수십억 개의 기기들이 서로 연결되고 클라우드로 연결되면서 방대한 양의 데이터를 처리하고 이를 이용하는 이들을 위해 정보를 추출함에 따라 언제 어디서나 모든 것을 감지할 수 있는 잠재력을 갖추었다"면서 “그러나 뉴스에서 볼 수 있는 그러한 미래의 모습들은 무선 기술의 개발에 대한 투자에 달려 있다"고 말했다.

특히 그러한 투자에는 이전 무선 세대의 기반인 셀룰러 기지국과 같은 통신 인프라를 테스트하고 구축하는 방법에 대한 재정의가 포함된다. 이는 통신 인프라 구축에 대한 깊이 있는 전문성을 포함할 뿐 아니라 5G 무선 기술이 약속하는 유비쿼터스 커넥티비티를 제공하기 위한 복잡한 요구사항을 해결할 수 있는 솔루션 개발에 대한 창의성이 뒷받침되어야 하는 과정이다.

다른 세대 기술과의 격차

5G 통신이 더 빠른 속도와 더 넓은 대역폭을 사용하면서 더 작은 폼팩터를 요구함에 따라 인프라 비용이 더욱 높아지고 복잡해지므로 통신 업계는 창의적인 접근방법을 찾아야 한다.

5G 기지국에 사용되는 무선 채널을 생각해 보자. 네트워크의 수많은 새로운 기기들과 통신하기 위해 기지국은 4G보다 최대 16배 더 많은 채널을 가져야 한다. 그 결과, 기지국 장비에 사용되는 반도체 부품 수가 대폭 늘어남에 따라 기지국은 더 무거워지고 더 많은 비용이 들며 엄청난 전력 소모를 필요로 한다.

이러한 어려움에도 불구하고 5G 셀 사이트는 새로운 차세대 네트워크를 구축하는 데 결정적인 요소가 될 것이다. 미국 통신 서비스 회사 및 제조사들을 위한 단체인 5G아메리카스(5G Americas)의 크리스 피어슨(Chris Pearson) 회장은 "네트워크 밀도는 5G의 핵심 요소 중 하나”라며 "우리는 단지 수천 개 더 많은 정도가 아니라 수만 개의 셀 사이트를 필요로 한다"고 말했다.

"네트워크 밀도는 5G의 핵심 요소 중 하나이다. 우리는 단지 수천 개 더 많은 정도가 아니라 수만 개의 셀 사이트를 필요로 한다"

크리스 피어슨(Chris Pearson) 5G아메리카스 회장

새로운 물결

5G 시대가 도래하면 우리는 고속, 저지연, 방대한 커넥티비티 시대를 맞게 될 것이다. 5G는 모든 산업을 바꾸어놓을 기세이지만, 그 영향은 특히 도시 환경에서 두드러지게 나타나 내일의 스마트시티를 향한 길을 열 것이다.

5G는 기본적으로 4G에 비해 두 가지 커다란 향상을 통해 제공된다. 하나는 저주파 및 고주파에서의 매시브 MIMO이고, 다른 하나는 밀리미터파(mmWave)이다. 후자는 특히 밀집된 도시 환경에 적합하다.

일반적으로 밀리미터파는 파장이 밀리미터로 측정되는 30 ~ 300GHz 사이의 무선 주파수 대역을 가리키지만, 5G에서 밀리미터파 대역은 5G 표준 기구(3GPP)에 의해 24 ~ 100GHz로 정의되며, 향후 더 높은 주파수가 검토될 예정이다.

출처: "The 5G Ecosystem: Risks & Opportunities for DoD," Defense Innovation Board, April 2019.

5G를 위한 밀리미터파 기술은 사용 가능한 스펙트럼이 더 많이 있는 고주파 대역을 대상으로 한다. 높은 밀리미터파 주파수에서는 파장이 더 짧아지므로 더 작은 안테나와 장비 사용이 가능해져 더 많은 밀리미터파 인프라를 소도시 지역에 더 쉽게 배치할 수 있다.
아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.) 자동차, 통신 및 항공우주 사업부의 그렉 헨더슨(Greg Henderson) 수석 부사장은 통신 회사들이 직면한 까다로운 과제들을 잘 이해하고 있다. 그는 "채널을 배로 늘릴 경우, 그것은 기본적으로 기지국 장비에 들어가는 부품수들을 배로 늘리는 것"이라며 "따라서 통신 사업자의 과제는 이처럼 늘어난 용량을 기존 4G 기지국에서와 거의 동일한 폼팩터, 동일한 비용과 전력 소모로 달성할 수 있어야 한다는 것이다. 이를 위해서는 무선 시스템에 대한 완전한 재정의가 필요하다. 디스크리트 부품과 필터로 구성되는 전통적인 무선 아키텍처로부터 자체적인 구조와 첨단 소프트웨어 알고리즘을 통해 방대한 복잡성을 제거하는 새로운 직접 변환 아키텍처로 이동해야 한다”고 말했다.

“통신 사업자의 과제는 이처럼 늘어난 용량을 기존 4G 기지국에서와 거의 동일한 폼팩터, 동일한 비용과 전력 소모로 달성할 수 있어야 한다는 것이다.”

그렉 헨더슨(Greg Henderson) 아나로그디바이스 자동차, 통신 및 항공우주 사업부 수석 부사장

무선 주파수와 마이크로파 통신과 같은 긴 기술 역사에서 아나로그디바이스는 이전 세대의 무선 기술이 개발될 때마다 핵심적인 역할을 해왔다. 1G에서부터 오늘날의 5G까지, ADI는 새로운 통신 네트워크의 구축뿐 아니라 새로운 수준의 성능을 검증하는 데 필요한 테스트 장비에 중요한 고속 데이터 변환과 통신을 가능하게 하는 핵심 하드웨어를 개발해 왔다.

아나로그디바이스 통신 사업부의 조 배리(Joe Barry) 부사장은 “우리는 단지 부품만을 개발하는 것이 아니라, 실제로 전체 시스템 기반 문제를 해결하기 위해 노력하고 있다"면서 “ADI는 탁월한 시스템 아키텍처 전문지식을 대단히 강력한 기술 포트폴리오와 결합함으로써 당면 과제들을 매우 극적인 방식으로 해결할 수 있다"고 말했다.
ADI는 축적된 경험을 5G 네트워크 기술의 고유한 요구에 적용함으로써 소프트웨어 정의 트랜시버 형식으로 완전히 새로운 통신 아키텍처를 내놓았다. 원래 4G를 위해 개발된 이 기술은 복잡하고 다루기 힘든 신호 체인을 단일 마이크로칩에 통합한다. 이렇게 함으로써 5G 셀 사이트를 구축하는 데 필요한 크기, 전력, 비용 과제들을 실제적인 장벽이 될 수 있는 수준에서 훨씬 더 관리 가능한 수준으로 만든다.

아나로그디바이스의 빈센트 로취(Vincent Roche) 대표이사 CEO는 "5G는 이들 통신탑에서 기본적으로 동일한 물리적 공간을 사용하지만 에너지 단위당 비트는 4G보다 10배 더 많다. 따라서 매우 정교한 무선 안테나 프로세싱 기술을 배치해야 한다"고 하면서 "5G의 다음 단계는 다양한 유형의 비즈니스에 서비스를 동적으로 제공할 수 있는 일종의 엣지 기반 클라우드 시스템을 도입하는 것이 될 것이다. 5G가 미션 크리티컬 공장 자동화에서 연결의 근간이 되기 때문에 새로운 비즈니스 모델은 인더스트리 4.0과 같은 분야에서 나타날 가능성이 높다"고 말했다.

더 높은 밀도의 기지국

밀리미터파 5G는 더 높은 밀도를 구현하는 데 중점을 두며, 현재 무선 통신에 사용되는 기지국 아키텍처에 대한 재정의를 필요로 한다. 2015년 이후 미국의 기업들은 3만 개의 5G 셀 사이트를 구축했으며, 앞으로 그 수는 더 늘어날 전망이다.

출처: “Fifth-Generation (5G) Telecommunications Technologies: Issues for Congress,” Congressional Research Service, January 2018.; “Accelerating Wireless Broadband Deployment by Removing Barriers to?Infrastructure Investment,” Federal Communications Commission, September 2018

다음 이닝

일단 기반이 갖춰지면, 5G는 거의 모든 것을 대폭 바꿔 놓을 잠재력을 갖고 있다. 카네기멜론대학의 연구에 따르면 5G 네트워크에 의해 제공 가능한 교통 관리 솔루션은 차량 대기 시간을 40% 줄이고 탄소 배출을 21% 저감할 수 있을 것으로 예측됐다. 산업 부문에서 5G 무선 기술은 대규모 IoT를 위한 길을 열어줌으로써 제조회사들은 초저지연 무선 커넥티비티를 이용해 더 스마트하고 더 빠르게, 더 효율적으로 생산할 수 있다. 일부 연구에 의하면 2022년에는 15억 개에 달하는 IoT 기기가 차량 관제에서부터 농업에 이르는 모든 분야에 활용될 것으로 예상된다. 이 외에, 2025년에는 이 수치가 640억 개에 달할 것이라는 전망도 제기된다.

“5G로 가는 여정을 야구 경기에 비유하면, 지금은 아마도 2회쯤이겠지만 내년이나 내후년에는 더 많은 국가에서 5G 네트워크가 구축됨에 따라 4회나 5회로 빠르게 진입하게 될 것이다. 2020년 전 세계 5G 가입자 수는 3,700만 명 정도이지만, 이는 빙산의 일각일 뿐이다. 이 수치는 매우 빠른 가속으로 증가할 것이다."  

크리스 피어슨(Chris Pearson) 5G아메리카스 회장  

셀룰러 타워를 서로 연결하고 글로벌 통신 네트워크에 연결하는 네트워크는 5G 무선 기술의 약속을 완전히 실현할 수 있도록 업그레이드되어야 한다. 이들 시스템은 점점 더 장거리에 걸쳐 더 높은 데이터 속도를 수용하므로 레이저, 변조기, 검출기의 복잡한 시퀀스를 관리하는 데 정밀한 제어가 필요하다. 여기에 ADI의 고도로 통합된 정밀 전자 및 전력 솔루션은 광 네트워크가 이전 세대보다 더 적은 전력으로 초당 수백 기가비트의 속도에 도달하도록 하는 데 중심 역할을 한다. ADI의 첨단 클럭 제품은 5G 네트워크의 초정밀 타이밍 요구사항을 만족하는 데 필요한 향상된 동기화를 제공한다.

5G 시대의 도시

5G와 밀리미터파는 미래의 스마트시티를 현실로 만드는 데 핵심적인 역할을 한다. 이들 기술은 에너지 사용과 연비 등을 줄여 1,600억 달러에 달하는 절감 효과를 거둘 수 있다.

출처: "Smart Traffic Signals," Carnegie Mellon University

업계가 5G 루비콘 강을 건너갈 때(또는 피어슨 회장의 비유를 사용해 표현하면 9회에 도달할 때), ADI는 이미 다음 세대의 통신을 주시한다. 헨더슨 부사장은 “5G는 시작일 뿐이다. 우리는 그 너머에 있는 초당 수십 기가비트, 초저지연의 6G 또는 7G 통신의 세계를 바라보고 있다"면서 "이러한 시스템에 대한 요구 사항들은 이제서야 막 명확해지기 시작했다. 하지만 분명한 것은 잠재력을 완전히 펼치려면 다시 전면적인 아키텍처 재편이 필요할 것이라는 점"이라고 말했다.

leekh@seminet.co.kr
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