무선 통신 산업 분석- 기술 편

  1. 결론
  2. 통신 서비스의 이해

1.1 무선 통신 기술의 기본 개념

1.2 망커버리지

1.3 캐파시티(시스템 데이터 처리 용량)

1.4 이동 통신의 역사

1.5 5G 무선 네트워크 사용 3 목적

1.6 주요 용어 설명

 

 

 

 

 

  1. 결론

통신업의 본질은 연결이다. 연결은 A와 B를 이어주는 중개 역할이다. 3G와 4G시대에는 카카오톡, 유튜브와 같은 모바일 앱 컨텐츠가 킬러 컨텐츠로서의 역할을 수행하며 사람과 컨텐츠 혹은 사람과 사람을 연결지었다. 통신업은 킬러 컨텐츠를 고객이 단말기를 통해 사용할 때 빠르고 끊어짐 없이 사용할 수 있는 환경을 만들어주는 업이다. 현재 네트워크는 연결 가능한 기기 대수에 제한이 있다. 하지만 5G 네트워크는 수십억 개의 센서와 기기를 연결할 수 있다. 5G 시대는 사용 단말기의 확장 시대다. 연결되는 기기들이 매우 많아지며 기기간 연결이 핵심이다. 스마트폰, 핫스팟, 올웨이즈온 올웨이즈커넥티드 PC뿐만 아니라, 몇 년 내에 산업자동화, 커넥티드 카, 고신뢰/저지연 서비스, 그리고 스마트 시티 전체를 연결할 수 있을 것이다. 이에 맞는 실질적인 킬러 컨텐츠들이 5G통신산업의 성장을 이끌 것이다. 또한, 사람 간에 기존 컨텐츠들이 더욱 다양하고 확장적인 방식으로 연결이 가능해진다. 향후 국가 기간 산업은 건설에서 통신으로 변화할 것이다.

 

 

  1. 무선 통신서비스의 이해

1.1 무선 통신 기술의 기본 개념

무선통신이란 전자기파를 이용한 통신 방법과 사람의 가청주파수를 넘는(들을 수 없는) 초음파 영역을 이용한 통신 방법으로, 일반 신호(사람 목소리 등)를 고주파와 합성하여 전파를 통해 전송하고 수신 측에서 이렇게 받은 고주파 신호를 처리하여 다시 원래의 신호로 바꾸는 방법을 말한다. 넓은 의미의 무선 통신은 적외선을 이용하는 텔레비전 리모콘과 같이 수 미터 이내에서 작동하는 것에서부터 위성 통신과 같이 수천 킬로미터 떨어진 곳에서 이루어지는 것까지 다양하다.

 

① 유선통신 : 통신을 하는 양측을 연결하기 위한 선(선로)를 가진 통신방식으로 선은 동축케이블이나 TP, 혹은 광케이블을 사용

② 무선통신 : 유선과는 틀리게 선이 없이 전파를 사용하여 통신하는 방식으로 고정통신과 이동통신으로 다시 분류된다.

이동통신 서비스는 기지국과 단말기 사이에서 오고 가는 특정 주파수 대역의 무선 신호를 통해 음성통화와 데이터 서비스를 제공하는 것이다. 전화기에 친구 번호를 입력하고 통화를 시도하면 중계기를 통해 나와 가장 가까운 기지국과 특정 주파수의 전파가 사용된다. 그리고 기지국 내부의 무선 네트워크 제어 장치와 통신을 시작하면 보이지 않는 전선이 생긴다. 이 통신 선로를 편의상 ‘채널’이라고 부른다. 물리적인 전선은 아니지만 논리적으로 하나의 전선이라고 할 수 있는 채널이 발신자와 수신자 간에 준비되면 그 길을 통해 서로 의사소통 할 수 있다. 사용자의 목소리는 전파를 통해 무선으로 가장 가까운 기지국으로 보내집니다. 이후는 유선으로 연결된다. 친구 근처의 기지국은 사용자의 목소리 정보를 전파에 실어서 친구의 휴대폰에 보낸다. 소비자 입장에서 무선 서비스를 사용한다고 느끼지만 실제로 무선의 역할이 작용하는 것은 매우 작으며 대부분은 유선망을 통해 수행된다.

 

 

1.2 망커버리지

기지국과 기지국에서 송출되는 신호를 중계하는 중계기가 존재하여 이동통신 서비스를 이용할 수 있는 지역을 의미하는 단어가 바로 ‘커버리지’이다. 하나의 기지국에서 송출되는 신호는 도달 거리의 한계가 있다. 보통 기지국 하나당 신호 도달 거리는 수 km이며, 거리가 멀어질수록 신호가 약해져서 서비스를 원활히 이용하기 어렵다. 따라서 이통사들은 되도록 많은 지역에서 보다 많은 사람들이 이동통신 서비스를 이용할 수 있도록 기지국과 중계기를 많은 지역에 설치해야 한다. 그래야 안정된 통신 품질의 서비스를 제공하며 더 많은 가입자를 모을 수 있다. 망커버리지의 주요 포인트는 주파수다. 주파수가 낮은 대역일수록 신호가 더 멀리가고 건물에 의한 물리적 방해를 적게 받는다. 즉 더 적은 수의 기지국을 설치해도 된다는 뜻이다.

 

망커버리지를 세가지 측면으로 나눠볼 수 있다. 면적 커버리지, 인구 커버리지, 인빌딩 커버리지이다. 첫 번째로, 전체 면적에서 이동통신 서비스를 이용할 수 있는 면적이 어느 정도 되는가다. 예를 들어 국내에서 한 이통사의 면적 커버리지가 80%라고 하면 전국의 80% 지역에서 이동통신 서비스를 이용할 수 있다. 반면, 인구 커버리지는 전국민 중 이동통신 서비스를 이용할 수 있는 사람의 비중이다. 예를 들어 국내 한 이통사의 인구 커버리지가 80%라고 하면 전국민의 80%가 자신의 일상생활 반경 내에서 해당 이통사의 서비스를 이용할 수 있다는 것이다. 마지막으로 인빌딩 커버리지는 건물내의 커버리지이다. 고주파 대역을 사용하는 5G 특성상 △직진성이 강하고 △회절성이 약해 장애물을 우회하기 어렵고 커버리지도 짧다는 단점이 있다. 높은 주파수를 사용하게 되면 특정 거리를 도달하기까지 발생하는 신호 손실이 기존 이동통신 대비 크다는 의미다. 이에 문제가 되는 것은 건물 내부다. 건물 내부의 경우 벽으로 공간이 분리돼 있어 전파 손실률이 높아 통신 품질이 떨어진다는 문제가 있다. 5G 네트워크가 실외에 지속적으로 구축되어 5G 성능이 점차 안정화되고 있지만 건물 로 투과되는 신호만으로는 실내에서 안정화된 5G 서비스를 이용할 수 없는 상황이다. 그러므로 실내에서 발생하는 신호를 외부로 전달하고 실외의 신호를 내부로 전달해 주는 5G 인빌딩 서비스는 5G 서비스의 성공을 위해 필수적인 요소이다. 5G를 지원하는 Small cell을 이용하면 인빌딩 솔루션이 설치되기 어려운 지역에서도 안정적으로 실내 및 인빌딩 서비스를 제공할 수 있을 것이다.

 

1.3 캐파시티(시스템 데이터 처리 용량)

Capacity는 시스템 데이터 처리 용량이다. Capacity 무선 채널이 주어진 시간에 처리할 수 있는 데이터 트래픽의 양을 의미한다. 케파가 크다는 말은 그 채널을 통해 더 많은 데이터를 처리할 수 있어 접속 속도가 더 빠르다는 뜻이다. 시스템 데이터 처리 용량을 이해하기 위해서  데이터 전송률주파수 스펙트럼을 알아야 한다. 기지국과 스마트폰 사이에 이동하는 전파 신호는 음성이나 문자, 영상과 같은 디지털 정보를 나른다. 데이터 전송률은 바로 이 디지털 정보들을 통신사가 전송하는 속도를 의미한다. 주파수 스펙트럼은 우리가 송수신 하는 전파 신호를 자동차라고 비유하면 스펙트럼은 그 전파 신호가 이동하는 도로이다. 스펙트럼이 넓을수록 캐파시티가 더 커지고, 따라서 데이터 전송률도 더 빨라진다. 그런데 스펙트럼은 유한하다. 라디오, 비행기, 정부까지 많은 그룹이 무선 데이터를 사용한다. 모바일 기술이 사용할 수 있는 스펙트럼의 비율은 아주 작다.

 

1.4 이동통신의 역사

통신기술은 세대별로 아날로그(1G), 디지털(2G), 데이터통신(3G)에 이어 광대역 모바일 네트워크(4G)로 진화했다. 현재는 5세대 통신(5G)은 초저지연, 초연결을 특징으로 현재 상용화가 진행 중이다.

 

1세대 이동통신(1G: 아날로그): 1세대 통신은 아날로그 통신으로 음성신호를 디지털 변환 없이 아날로그로 전송한다. 음성 용량이 크고 전송속도의 한계가 있어 이용자가 많아질 경우 주파수 부족 문제가 발생할 수 있는데 이는 이미 7, 80년대에 예견된 일이었다. 그렇지만 첫 세대 무선통신 기술 1G는 커패시티(시스템 데이터 처리 용량)가 부족하다는 것이 큰 문제였다. 이동 전화는 통화가 끊기기 일쑤였고, 혼선이나 잡음은 당연했다. 획기적인 기술이었지만

1G의 핵심은 ‘이동성의 시작’이다. 1G는 모바일을 발명하고 커버리지의 기틀을 마련했으며, 제한적이지만 이동 중에도 전화를 걸고 받을 수 있음을 증명했다. 

 

2세대 이동통신(2G: CDMA(Code division multiple access)): 2세대 통신기술은 디지털 통신으로 음성신호를 0과 1인 디지털 신호로 압축하여 보내기 때문에 용량이 작고 주파수를 효율적으로 쓸 수 있게 해주며 전송속도가 Kbps 단위까지 빨라졌기 때문에 문자와 텍스트 수준의 인터넷이 가능하게 되었다. 이동전화가 가능하려면 기지국이 필요하고 이 기지국이 네트워크로 연결되어야 한다. 2G는 사람들에게 무선통신/이동통신을 보급시켰다. 2G의 핵심은 ‘디지털화’였다. 2G는 음성 캐파시티를 늘려 수십억 명의 고객이 모바일 통화를 즐길 수 있게 함으로써 모바일을 대중화했다. 

 

3세대 이동통신(3G: WCDMA(Wideband Code division multiple access)(HSDPA)): 2007년 한국에서 WCDMA망이 상용화 되었다. 3G는 모바일 통신에 실제로 인터넷을 도입한 획기적인 기술이다. 집과 회사에서 컴퓨터와 광대역 인터넷망을 이용하던 사람들은 전화기에도 그런 기술이 적용되기를 바랐다. 모바일 광대역 통신의 시대가 열렸다. 3G를 상징하는 말은 ‘스마트폰’이다. 휴대전화와 컴퓨터가 결합됐다. 사람들은 휴대전화로 동영상과 MP3 같은 대용량 미디어 파일 등을 주고받았으며, 웹을 검색하고 SNS에 연결되었다. 휴대전화로 게임을 하고, GPS 기반의 지도 서비스를 사용할 수 있었다. 3G에서는 일정 시간에 받을 수 있는 정보의 양이 크게 증가했다. 3G의 핵심은 ‘모바일 광대역’이다. 3G는 네트워크 캐파시티가 커지고 데이터 전송에 보다 효율적인 모바일 광대역을 도입함으로써 모바일 기기를 모바일 컴퓨터에 더 가깝게 만들었다.

 

4세대 이동통신(4G)은 2G와 3G 계열의 뒤를 잇는 무선 이동 통신 표준의 네번째 세대를 의미한다. 4G LTE는 3G 모바일 광대역을 기반으로 구축되어 더 빠르고 거의 즉각적인 인터넷 연결 성능을 제공한다. 4G LTE의 시대에서는 속도가 곧 혁신이다. 4G LTE를 통해 사용자는 버퍼링이 거의 없이 HD 비디오를 스트리밍하고, 초고속으로 앱과 멀티미디어를 다운로드 한 다. 그 어느 때보다도 빠르게 웹을 탐색하고, 실시간 고화질 화상 채팅을 즐길 수 있게 되었다. 4G LTE가 도입한 첫 번째 혁신 기술은 더 많은 사용자가 동시에 네트워크에 접속해서 더 빠르게 연결할 수 있도록 훨씬 더 넓은 채널을 지원하는 것이었다. 한 번에 더 많은 사람에게 더 많은 패키지를 제공할 수 있도록 도로와 트럭을 확장하는 것과 같았다. 두 번째, 4G LTE는 여러 개의 안테나를 지원하여 모바일 기기에서 데이터를 송수신 하는 것을 개선하였다. 세 번째, 4G LTE는 사용 가능한 모든 스펙트럼을 통합하여 더 많은 정보를 더 빠르게 제공할 수 있도록 지원한다. 이는 이층 배송트럭을 한 대가 아니라 여러 대를 한꺼번에 아파트 건물로 보내는 것과 같다.  4G LTE는 최대 75Mbps의 데이터 전송 속도를 제공한다.

 

5세대 이동 통신(5G=fifth-generation)은 2018년 부터 채용되는 무선 네트워크 기술이다. 26, 28, 38, 60 GHz 등에서 작동하는 밀리미터파 주파수를 이용하는 통신이다. 5G 네트워크는 광대역을 구현하기 위해서 주로 밀리미터 파를 사용한다. 밀리미터 파의 직진성으로 인해 장애가있을 때 충돌 및 분산이 발생할 수 있다. 그러나 1G 이상의 광대역 서비스를 제공하려면 밀리미터 파를 사용해야하므로. 밀리미터 파가 중간에 손상되지 않도록 하기 위한 방법이 필요하다. 즉 5G 네트워크에 대한 연결이 끊어지지 않도록 근거리로 셀을 구성한 소규모 네트워크를 구축 할 수 있다. 다시 말해, 셀 크기를 더 작게 만들기 위해, 셀은 약 250-300m의 거리에서 작은 규모로 구성한다. 이 지역에는 여러 개의 수많은 [MIMO] 안테나가 있으며, 이것을 5G 고정 무선 서비스(5G fixed wireless service.)로도 부른다. 주파수는 고주파 대역일수록 데이터 전송 속도가 빠르지만 도달거리는 짧아진다. 결국 고주파 대역을 이용하는 5G 서비스의 경우 저주파 대역을 이용하는 LTE 서비스보다 더 많은 기지국을 설치할 수밖에 없다. 5G 주파수의 특성에 기인한다. 5G는 고주파 대역을 사용해 직진성이 강한 반면 회절성이 약하다. 전파 도달거리가 짧고 장애물 우회가 어렵다. 업계는 5G 인빌딩 중계기가 LTE보다 5배 더 필요할 것으로 내다봤다. 5G는 높은 주파수 대역을 쓰고 대역폭이 넓어야 하기 때문에 기지국을 촘촘하게 설치해야 한다. 기지국·중계기와 이를 연결하는 데 필요한 관로와 광케이블 등 보다 많은 통신 자재가 필요하다.

중국 외에도 유럽, 미국에서도 5G 기반조성을 준비하면서 광케이블망 투자를 위해 핵심소재인 광섬유 확보에 나서고 있다. 이와 관련, 5G망이 무선이라고 하지만, 백본망과 백홀, 프론트홀에서 무선중계기까지 광케이블로 연결된다. 5G 시대에는 더욱 많은 양의 데이터를 더욱 빠른 속도로 주고 받는 환경을 조성하는 것이 주요 목적인 만큼, 우리의 생활 패러다임을 바꿀만한 새로운 디바이스와 콘텐츠(ex. 자율주행차, VR/AR 등)가 필요하다.

 

1.5 5G 무선 네트워크 사용 3 목적

1.5.1 eMBB (Enhanced Mobile Broadband): 화상회의, 원격진료, VR 스트리밍 등과 같은 데이터 전송량이 많은 어플리케이션을 위한 광대역폭 통신을 목적으로 함.

브로드밴드 속도가 지속적으로 향상되며 그와 함께 발전한 인터넷 대표 서비스들과 대체적으로 그 괘를 같이 한다고 볼 수 있다. 대표적으로 고화질 비디오 서비스가 여기에 해당한다. UHD급 동영상 스트리밍 서비스, 더 나아가 360도 비디오 서비스가 무선 네트워크 기반으로도 커버될 수 있음을 의미한다. 또한, 최근 소셜 서비스에서 매우 인기가 있는 라이브 동영상 스트리밍 역시 UHD급 전송이 가능해 질 수 있다. 그 밖에, 고화질 그래픽으로 업그레이드된 게이밍 서비스, 차세대 VR/AR 경험, 보다 향상된 고화질 스크린 미러링(mirroring) 등이 보편화된 서비스가 될 것으로 예상된다.

 

1.5.2 mMTC (Massive Machine Type Communications): 스마트시티, 스마트빌딩, 센서 네트워크, 각종 태그 트래킹 등과 같이 매우 많은 기기 간 원활한 통신을 목적으로 함.

eMBB와는 다른 시각에서의 유즈케이스를 타겟으로 하고 있다. 표준에서 언급하고 있는 전송 속도는 1kbps에서 100kbps로 eMBB에서 제공하는 초고속 서비스와는 거리가 멀다. 전송지연에 대한 요구사항도 수초에서 몇 시간까지 그다지 큰 제약을 두고 있지 않다. 대신 1평방 킬로미터 내에서 동시에 100만대 기기까지 연결될 수 있어야 하며, 배터리도 최고 15년까지 사용할 수 있을 정도의 초저전력 소모 등 매우 도전적인 요구사항을 제시하고 있다. 이런 요구사항으로부터 수많은 센서들이 연결된 네트워크를 쉽게 떠올릴 수 있다. 센서들의 특성상 일일이 전력망을 통해 전원을 공급받을 수 없고, 또한 한번 설치되면 수시로 배터리를 충전하거나 교체하기 어려운 상황을 고려한 요구사항이라 판단된다. 스마트빌딩, 스마트 미터링, 스마트농업, 물류트래킹 등이 주요 서비스 분야이며, 무수히 많은 센서와 작동장치(actuator)들로 구성된 네트워크 안에서 동작을 한다.

 

  1. uRLLC (Ultra-Reliable and Low-Latency Communication): 자율주행 자동차, 원격수술, 공장 자동화 등, 전송지연을 최소로 함과 동시에 신뢰도가 높은 통신을 목적으로 함.

uRLLC는 기기간(machine-to-machine) 통신 요구사항을 제시한다는 점에서 mMTC와 공통점을 가지고 있지만, 데이터 전송, 그리고 이를 기반으로 한 기기의 작동이 매우 정확하며 한정된 시간 내에 안정적으로 이루어져야 하는 즉 미션-크리티컬(mission-critical) 상황에 대한 요구사항들을 정의하고 있다. 데이터 전송속도는 대략 50kbps에서 10Mbps 정도의 비교적 낮은 수준이지만, 사용자단(end-to-end)에서의 지연속도는 약 0.5ms로 매우 높은 수준을 요구한다. 또한 신뢰도와 가용성 측면에서도 99.999%의 매우 높은 수준을 달성할 수 있어야 하며, 이런 수준을 유지하면서도 이동성을 보장해야 한다.

 

1.4 주요 용어 해설

주파수 대역(스펙트럼)

모바일 생태계 내에서 더 많은 기기를 연결할 수 있도록 무선 주파수 공간을 확장했습니다. 대역을 확장한 것인데요, 5G 기기는 유비쿼터스 커버리지를 제공하는 6GHz 이하 주파수(sub-6 GHz), 네트워크 속도 및 용량을 증가시키는 24GHz 이상 주파수(밀리미터파) 대역 모두를 사용할 예정입니다.

 

빔포밍(Beamforming)

투광기처럼 넓은 지역으로 신호를 브로드캐스팅 하는 것이 아니라, 스포트라이트처럼 특정 방향으로 무선 신호를 집중시키는 고급 안테나 기술입니다.

 

빔트래킹 (Beam Tracking)

데이터 전달 시스템이 기기로 향하는 가장 효율적인 전파 도달 경로를 파악하고, 기지국의 커버리지를 확대하여, 건물이나 나무 등의 장애물이 있어도 다운로드나 업로드가 방해받지 않습니다.

 

대용량 MIMO

데이터 사용량이 증가하면 네트워크 정체 현상이 발생하지만, 대용량 MIMO(다중입력 다중출력) 기술을 사용하면 한 기지국에서 수십 개의 안테나를 사용할 수 있습니다. 즉, 더 빠른 데이터 전송속도, 커버리지 용량 증대 덕분에 더 균일하고 만족스러운 사용자 경험을 제공할 수 있게 됩니다. 무선 접속 장치에 여러 기기가 동시에 접속해도 속도 저하 없이 데이터를 주고 받을 수 있는 기술입니다.

 

캐리어 어그리게이션(Carrier Aggregation)

이 기술은 여러개의 주파수 반송파를 묶어서 대역폭을 더 넓게 확장함으로써, 최고 데이터 속도를 높일 수 있습니다.

 

QAM(직교 진폭 변조)

QAM(Quadrature Amplitude Modulation)은 현재도 4G LTE에서도 사용되고 있으며, 5G에서도 사용됩니다. 이 기술은 두 개의 데이터 스트림 진폭을 변경해 단일 채널을 만들고, 대역폭을 두 배로 늘려 더 많은 데이터 스트림을 전달할 수 있는 공간을 확보합니다. 무선통신에서는 사용할 수 있는 스펙트럼이 늘어날수록 네트워크의 용량은 늘어납니다. 즉, 빠른 데이터 전송 속도와 향상된 사용자 경험을 제공할 수 있게 되어, 증강현실(AR)형 쇼핑이나 인기 스포츠의 독점 스트리밍도 가능해질 수 있습니다. 5G 기술의 글로벌 표준인 5G NR은 현재 대부분의 무선통신에서 사용되는 3GHz 이하 대역 뿐만 아니라 3GHz~6GHz의 중간대역(Sub-6) 그리고 이동통신에 적합하지 않다고 간주된 24GHz (밀리미터파)이상의 고주파수 대역도 지원합니다.

 

커패시티 (Capacity)

주어진 시간에 무선 채널이 처리할 수 있는 데이터 트래픽의 용량입니다.

 

면허주파수대역 (Licensed Spectrum)

사용허가를 받은 사업자만 사용할 수 있는 대역으로 3G, 4G LTE와 같은 이동통신용 주파수대역은 이통사들이 경매를 통해 주파수 대역을 할당받아 사용합니다.

 

비면허주파수대역 (Unlicensed Spectrum)

어떤 목적으로 쓰겠다는 사용허가를 받을 필요가 없이 자유롭게 활용이 가능한 주파수대역으로 와이파이, 블루투스, RFID가 이 비면허주파수대역을 사용합니다.

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