4차 산업혁명의 네트워크 핵심 기술 5G

4차산업의 핵심 기술이라 불리우는 5G의 G는 Generation의 약자이다. 즉 5G는 5세대 이동통신을 의미한다.

 

우리가 일상속에서 자연스럽게 사용하고 있는 휴대폰의 역사가 알게 모르게 5번의 세대 교체가 이루어진 것이다.

그렇다면, 이동통신의 역사는 각 세대별로 어떻게 변화되었고, 5G는 왜 4차 산업의 핵심 기술이라 불리우는 것일까?

 

1세대 이동통신: 최초의 무선 통화

1983년 모토로라 다이나텍 8000x라는 휴대전화가 출시되며, 최초의 무선 통화 서비스가 시작되었다. 국내는 1988년 서울 올림픽과 함께 일명 벽돌폰(벽돌처럼 투박하다는 의미) 또는 냉장고폰 (크기도 크고 무거운 폰)이라는 별명을 가진 SH-100을 시작으로 애니콜 브랜드라는 히트상품에 이르기까지 발전하였다. 1세대의 기능은 음성통화만 있었기 때문에 집에 있는 유선전화를 무선으로 이동하며 사용할 수 있다는 점이 가장 큰 특징이다.

 

1세대 이동통신은 FDMA (Frequency Division Multiple Access)라 불리우는 방식으로 주파수를 여러개의 통화채널로 구분하는 방식이다.

쉽게 말하면 음성통화를 위해 1 ~ 100번의 주파수가 사용된다면 통화를 원하는 사람은 개인별로 하나의 주파수를 할당받아 통화가 종료될 때까지 사용한다. 즉, 100개의 주파수밖에 없다면 동시 통화할 수 있는 사용자는 최대 100명이었다. 또한, 하나의 주파수는 사용이 끝나면 다른 사용자에게 재할당 해줘야 하기 때문에 이로 인한 통화 간섭 현상 (둘이 통화하는데, 엉뚱한 사람의 목소리가 들리는 현상) 및 통화 품질 불량 등의 많은 문제가 발생하였다.

 

2세대 이동통신: 아날로그에서 디지털로 전환

1세대의 주파수 사용의 한계는 점점 늘어가는 사용자를 대응하기 어려웠고, 해결방안으로 제시된 것이 2세대 디지털 셀룰러 방식 이동통신이다. 이것은 기존 아날로그 방식에서 디지털 방식으로의 전환을 말한다.

디지털 이동통신은 2가지 방식이 사용되었는데, 유럽에서 주로 사용하는 TDMA (Time Division Multiple Access) 방식과 국내에서 채택한 CDMA (Code Division Multiple Access) 방식이다.

 

TDMA와 CDMA는 모두 하나의 주파수를 여러명이 동시에 공유하고 사용할 수 있도록 하는 기술로 사용자 수를 몇 배로 늘릴 수 있었고, 세부적인 기술적인 구현 방식에 차이점이 있다.

 

TDMA는 하나의 주파수를 시간을 쪼개서 사용하는 방식이다.. 예를 들면 A, B, C 3명의 사용자가 동시에 사용한다면 A가 1분, B가 1분, C가 1분씩 돌아가며 사용하는 것이다. 물론 실제 통화에서는 매우 작은 시간으로 쪼개서 사용자가 끊김이 있다는 것을 못 느끼게 구현한다.

 

반면, CDMA는 하나의 주파수를 동일 시간에 여러명이 사용하지만, 각각의 사용자별 고유코드가 부여되어 자신이 해석할 수 있는 코드만 처리하는 방식이다. 예를 들면 카폐 안에 수십 개국의 사람들이 이야기를 하고 있지만, 나는 한국어로 내 지인과 이야기하는 것이다.

 

이러한 디지털 전환 기술은 통화품질의 개선과 더불어 이 때부터 문자 메시지와 같은 데이터 전송이 가능해졌다. 

주파수 대역은 800 MHz를 사용하였고, 채널당 데이터 전송 속도는 9.6 Kpbs / 64 Kbps 였다. 지금과 비교하면 매우 느린 속도이지만, 당시에는 매우 신기한 기술이었다.

 

3세대 이동통신: 스마트폰 혁명

2000년대 초반 3세대 이동통신의 전환이 시작되었고, 이 때부터는 Generation이란 의미의 G가 붙어 3G로 분류되기 시작한다. 2세대의 2가지 기술인 TDMA와 CDMA 중 기술적으로는 CDMA가 더 뛰어났기에 3G에서는 CDMA 방식을 확장한 WCDMA (Wide CDMA)를 채택하였다. WCDMA는 CDMA의 채널 대역폭을 더욱 광대역화 한 것으로 이 말은 채널 대역폭이 확대되면서 전송속도도 빨라지게 되었다는 의미와 동일하다.

 

주파수 대역은 2 GHz 대역으로 확장되었고, 이로 인해 속도는 2 Mbps로 향상되었다. (차후에는 14.4 Mbps까지 확장됨)

속도가 빨라지면서 동영상이나 인터넷 같은 휴대폰 부가기능이 메인으로 치고 올라갈 수 있는 가능성을 열어줬다.

 

모바일 시장을 뒤흔들었다고 해도 과언이 아닌 시대로, 지금은 익숙한 USIM 칩을 통해 기기 교체가 자유로워졌고, 고음질의 음성/영상 통화를 비롯하여 트위터, 페이스북과 같은 SNS 및 카카오톡과 같은 MIM (Mobile Instance Messaging), 애니팡과 같은 스마트폰 게임이 등장하였다.

 

이 시기부터 현재의 스마트폰이라는 용어가 등장하며, 애플의 아이폰이 새로운 혁명을 시작하였고, 기존 통신사 주도의 서비스를 탈피하여 인터넷이라는 오픈 환경으로의 전환을 만들어낸 시기이다.

 

 

4세대 이동통신: 실시간 동영상 스트리밍 유튜브, 넷플릭스

스마트폰의 보급은 주파수 자원을 매우 빠르게 소진하였기에 5년이라는 짧은 전성기 끝에 2011년 4세대 이동통신의 전환이 이루어졌다.

LTE (Long Term Evolution)로 대표되는 4세대 이동통신은 네트워크의 용량과 속도를 높이기 위해 고안된 기술이다. 4G의 기준은 정지 상태에서 1Gbps, 60km 이상의 고속 이동 중에는 100 Mbps의 전송속도를 만족해야 한다. 초기 LTE는 다운로드 75Mbps, 업로드 37.5Mbps로 3G보다는 속도가 많이 개선됐지만, 4G의 기준을 충족하지는 못했기 때문에, 사실상 3.9G 정도로 불리워야 했다. 하지만, 통신사들의 마케팅 수단으로 4G로 포장되었고, 이것이 대중적으로 인식이 되면서, ITU 표준화 기관에서도 LTE를 4G로 인정하게 된다.

 

그래도, 기술의 발전은 계속 진화하면서, LTE-A의 등장으로 제대로 된 4G의 시대가 시작된다. A는 advanced의 약자로 다운로드 속도가 최대 150 Mbps로 향상되었다. (실제 상용 속도는 60~70 Mbps 정도)

이를 가능하게 한 LTE-A의 핵심기술은 Carrier Aggregation (CA) 으로 2개 이상의 주파수를 묶어 마치 하나인 것처럼 사용할 수 있게 하는 기술 덕분이다. 즉 기존 75Mbps 속도의 주파수 2개를 합쳐서 150 Mbps의 속도를 만든 것이다. 이 후 광대역 LTE, 3 band LTE-A로 점차 기술 확장이 이루어지며, 주파수의 효율적인 사용과 안정성을 향상시킨다.

 

이렇게 3G 대비 10배 이상 향상된 4G는 무선랜/블루투스 연계 기술도 보유하며, 영화 한편을 60초에 다운로드 할 수 있는 정도의 속도를 구축한다. 이처럼 빨라진 속도로 인해 동영상 스트리밍 서비스 이용이 점진적으로 증가하였고, 유튜브, 넷플릭스와 같은 서비스가 등장하기에 이르렀다. 이와 함께 고화질 대용량 콘텐츠를 즐기기 위해 대화면 스마트폰 및 패드 제품들도 인기가 높아졌다.

 

4G는 스마트폰으로 이뤄지는 연결, 소비, 생산을 일으키는 중요한 경제요소로 자리를 잡아가며, 관련 산업이 급속도로 성장하였다.

 

 

5세대 이동통신: 4차 산업혁명의 핵심, 새로운 미래

2019년 4월, 한국은 5G 이동통신 상용화를 시작했다. 하지만, 현재의 5G는 2배 빠른 LTE 정도라고 봐야 한다.

아직은 5G의 목표를 달성하기 위해서는 네트워크 구축이 필요하며, 2020년 초 전세계에 불어닥친 COVID-19로 이러한 네트워크 구축은 한동안 지연되고 있다.

 

그렇다면, 진정한 5G는 무엇인가?

그것은 다음의 3가지 특징을 갖추는 것이고, 현재의 5G는 이 목표를 달성하기 위한 네트워크 구축 단계를 진행하고 있다.

 

첫 번째 특징: 초고속, 초대용량

24 GHz의 초고대역 주파수를 사용함으로, 4G에 비해 20배이상 빠른 20 Gbps의 속도를 만족해야 한다. 이것은 2GB 동영상을 단 1초만에 다운로드 가능한 속도이다.

 

이것은 앞으로 우리 삶을 어떻게 변화시킬 수 있을까?

데이터 용량이 큰 3D 콘텐츠의 실시간 전송이 가능해진다. 예를 들면 다양한 각도로 촬영한 스포츠 경기 영상을 실시간으로 전달이 가능하여, 사용자는 자신이 원하는 위치 (야구의 경우 내야석, 외야석, 본부석 등)에서 현장감 있는 경기 관람이 가능하다.

백화점에 가지 않아도 집에서 다양한 옷을 실시간으로 자신의 몸에 장착하고 3D로 이리저리 돌려보며 착용한 모습을 확인할 수 있다.

 

또한, 가상현실 (VR), 증강현실 (AR) 및 이를 혼합한 MR에도 적용이 가능하다. 스마트폰과 무선 통신이 가능한 초소형 안경 (Head Mount Display)만 착용하면, 집에서 손홍민과 축구 경기도 함께 뛸 수 있고, 친구와 골프 라운딩을 즐길 수 있게 된다. 또한, 세계 여행도 가능하여 집에서 에베레스트 산을 오를 수도 있다. 그리고, 멀리 떨어진 연인과 홀로그램으로 같은 장소에서 대화하듯 영상통화도 가능해진다.

 

두 번째 특징: 초저지연

기존 LTE 대비 지연속도는 1/10로 단축되어, 신호, 발신, 응답 시간이 1~10ms로 단축된다.

 

이러한 특징이 가장 필요하고 잘 반영될 수 있는 분야가 자율주행 자동차이다. 현재의 자율주행이 차량 내외부에 설치된 카메라와 센서를 통해 주변 움직임을 인지하고 이에 대응하는 것에 초점이 맞춰져 있다. 그러나, 이것은 단지 시작에 불과하다.

향후의 자율주행은 주변 차량과의 커뮤니케이션까지 더해져 앞으로 벌어질 일에 대한 정보를 예측하여 대응할 수 있게 된다.

목적지까지의 주행경로의 교통상황을 실시간으로 수집하여 더 빠르고 안전한 경로로 안내하는 것은 물론이고, 주위 차량이 고속도로를 빠져나가기 위해 차선을 변경한다는 정보 송수신, 갑작스러운 장애물의 출현으로 급정거 시에 뒤차에게 바로 정보를 전달하는 등의 주변 차량과의 상호 커뮤니케이션 속도는 매우 빨라야 한다.

 

갑작스러운 상황에 대한 인간의 반응속도가 200ms 내외라고 한다. 1~10ms의 초저지연 특성을 지닌 5G 기술은 향후 자동차 사고율 또한 획기적으로 줄어들게 만들 것이다.  

 

세 번째 특징: 초연결

기존 4G가 인간 중심의 네트워크였다면, 5G부터는 본격적인 사람과 사물의 초연결이 시작된다.

5G는 1㎢의 반경 내에 100만 개 이상의 기기에 대한 IoT (Internet of Things: 사물인터넷) 서비스를 제공하도록 권고한다. 이는 기존 LTE 대비 10배 이상 높은 수준이다.

 

이것은 주변의 모든 사물이 인간을 조력하기 위해 유기적으로 동작하게 될 것이다.

퇴근하고 집앞에 서면 나를 인지하여 자동으로 문이 열리고, 내 감정 상태를 파악하여 조명의 색, 밝기를 조절하고, 음악을 통해 최적의 감정 상태를 유지시킨다. 나의 컨디션과 냉장고의 재료를 분석하여 추천 요리의 레시피를 제공하고, 부족한 재료는 알아서 주문한다.

이를 위해서는 5G와 더불어 AI 기반의 클라우드 서비스가 병행되어야 한다.

 

 

4차 산업으로 대중들에 인지되고 있는, VR, AR, MR, AI, 자율주행, 클라우드, 반도체 등과 더불어 5G는 네트워크 통신의 핵심 기반 기술로 자리잡을 것이다.

 

가트너는 5G 기지국과 코어장비를 포함한 네트워크 장비시장을 2020년 40억달러에서 2023년 148억달러로 전체 네트워크 장비 시장의 37.5%로 성장할 것으로 전망했다.

 

글로벌 5G 스마트폰의 경우 2019년 1억 6739만대에서 2023년 9억 9969만대로 연평균 179.5% 성장을 예상했으며, 5G B2B 핵심기술인 Edge computing의 경우 2025년 32억 4120만달러로 예측했다.

 

5G 연관 산업은 연평균 40~100% 규모로 성장할 것으로, COVID-19로 비대면 경제 중요성이 강조되면서, 이전에 예상했던 수요보다 한층 더 빠르게 다가올 것으로 전망되고 있다.