세상은 갈수록 더 많은 것이 연결되고, 커넥티비티는 부가 가치를 창출한다. 2013년에는 세계 인구의 96%가 셀룰러 가입자였고, 선진국 인구의 74%가 모바일 광대역 가입자였다. 오는 2019년에는 무선 데이터 네트워크 트래픽이 지금보다 10배로 증가하고, 지구상의 거의 모든 사람들이 모바일 가입자가 될 것으로 전망된다.

게다가 머신-대-머신(M2M)통신도 대역폭을 차지하기 위해 경쟁하고 있다. 제트기 엔진이 한번 비행할 때마다 0.5TB 이상의 센서 데이터를 발생하며, 이 중의 상당 부분을 지상을 전송해야 한다는 사실을 알고 있는가? 또한 가스 터빈 엔진 날개에 장착된 센서 한 개는 하루에 수 GB의 데이터를 발생시킨다.

커넥티비티에 대한 이러한 폭발적인 수요의 증가는 다수의 요인에서 비롯된다. 새로운 애플리케이션과 데이터 집약적인 콘텐츠들이 빠르게 늘어나면서 새로운 무선 링크가 채워지고 있다. 스트리밍 미디어와 클라우드 기반 서비스는 무선 인프라 페이로드의 80%까지 차지할 것으로 예상된다. 앞으로 제공될 예정인 고해상도의 비디오 콘텐츠들은 대역폭에 대한 수요를 더욱 끌어올릴 것이다.

무선 커넥티비티는 빠르게 다양한 형태의 케이블 커넥티비티를 대체한다. 무선은 많은 국가에서 가장 주된 광대역 접속 방식으로 자리잡고 있다. 또한 많은 휴대기기들이 더 이상 USB나 디스플레이 인터페이스를 제공하지 않으며, 모든 통신을 무선 링크가 떠맡도록 하고 있다. 그리고 갈수록 더 많은 기기들이 사람의 개입을 필요로 하지 않고 상호 무선으로 통신하는 중이다. 산업 및 상업용 애플리케이션과 기타 무선 센서 네트워크에서 머신 타입 통신이 빠르게 늘어나는 것이다.

최종 디바이스 컴퓨팅 작업과 스토리지가 클라우드 리소스로 전환되면서, 클라우드 서비스가 증가한다. 자동차 공유나 드론 원격 센싱과 같은 새로운 모바일 전자 상거래 애플리케이션들이 등장하고 있다. 이로 인해 기기와 클라우드 서버 간에 무선 트래픽이 크게 증가할 것이다.

그러므로 5G 표준에서 파괴적인(disruptive) 기술이 필요한 두 가지 주요 요인이 있다. 첫째는, 100배 늘어난 네트워크 용량을 지원하기 위해서 기존의 무선 활용을 극대화하고 향상시키는 것이다. 둘째는, 레이턴시를 10배 향상시킴으로써 머신 통신, 차량 통신, 그 밖의 중요도 높은 저 레이턴시 애플리케이션을 포함한 새로운 서비스들을 지원하는 것이다. 이 글에서는 5G 표준에 대한 과제와 이점, 이러한 변화가 미치는 영향 그리고 미래의 무선 인프라를 지원하기 위한 TI의 탄탄한 제품 포트폴리오에 대해서 설명하고자 한다.

차세대 5G 무선 네트워크의 4가지 특징

①용량 및 스펙트럼 효율성 향상 : 전세계 무선 데이터의 수요는 2014년에서 2020년까지 30배 이상 증가할 것으로 전망된다. 이러한 가파른 증가세를 따라잡기 위해 5G 표준은 10배의 용량 및 3배의 스펙트럼 효율성 향상을 목표로 하고 있다. 스펙트럼은 매우 희소한 자원으로서, 최근 평균 가격은 1인 기준 MHz당 2달러이다($2/MHz/person). 5G 표준은 기존의 인가 및 비인가 대역뿐만 아니라 6GHz 이하의 셀룰러 대역에서 밀리미터파 주파수까지 이르는 새로운 스펙트럼을 사용할 것이다. 또한 스펙트럼 공유, 대량의 안테나, 소형셀 기술 및 다중대역 클러스터링 같은 많은 첨단 기법들을 사용해 새로운 서비스에 유용한 스펙트럼을 효율적으로 활용할 것이다.

②계속적인 진화, 유연성, 이종 혼합 : 차세대 5G 표준은 진화하는 에코시스템과 새로운 애플리케이션들을 충족하기 위해 유연성이 높아야 한다. 휴대용 기기, 새로운 자동차 통신, 산업용 인터넷 같은 분야의 새로운 모바일 애플리케이션과 서비스로 인해 레이턴시와 대역폭에 대한 요구는 계속해서 변화하고 있다. 그런 면에서 5G는 기존의 셀룰러 표준보다 유리할 것이다. 또한 와이파이 같은 인가 및 비인가 스펙트럼 대역의 기존 무선 링크뿐만 아니라, 극히 밀집된 지역에서 mmWave 스펙트럼의 새로운 무선 기술들을 통합하고 최적화해야 할 것이다.

③서비스 품질 : 미래의 무선 시스템은 전화 미수신, 불량한 커버리지, 느린 다운로드와 같은 오래된 문제들을 해결해야 할 것이다. 서비스 품질에 대한 척도는 서로 다른 애플리케이션마다 다르다. 높은 신뢰로 동작하는 차량 및 머신 통신은 낮은 레이턴시를, 스트리밍 비디오는 높은 데이터 대역폭을 요구하며, 무선 서비스들이 사용자들에게 폭넓게 받아들여지기 위해서는 커버리지가 중요한 문제이다.

④에너지 효율 : 소비자와 서비스 사업자들을 위해서는 휴대용 기기의 배터리 시간을 길게 하고 ‘친환경’ 액세스 포인트의 에너지 효율을 높여야 한다. 많은 M2M 네트워크는 다수의 노드 수에서 듀티 사이클이 비교적 낮은 반면, 비디오 스트리밍은 더 적은 노드 수로 높은 피크 데이터 속도를 요구한다. 그러므로 적응형 무선 자원 할당을 사용해서 구성을 최적화하고 에너지 효율을 높일 수 있다.

5G를 가능하게 하는 혁신

5G 아키텍처는 앞으로도 여러 해에 걸쳐 네트워크, 무선 액세스, 물리적인 차원에서 계속 진화할 것이다. 5G가 약속하는 향상된 서비스들을 제공하기 위해서는 모든 차원에서 혁신을 필요로 한다. TI는 향상된 5G 무선을 구현할 수 있도록 다양한 혁신적인 제품에 걸쳐 대대적인 연구 개발을 하고 있다. 다음은 그 예시이다.

·고속 데이터 변환 : 5G의 광대역폭 다중 무선 기능을 위해 최대의 유연성과 다중 대역 및 표준을 지원하고 견고한 프론트 엔드를 제공하는 다양한 광대역 초고속 ADC 및 DAC를 필요로 한다.

·대량 MIMO를 사용한 향상된 RF 도메인 프로세싱 : 5G에 필요로 하는 전력 증폭기, 안테나, 필터, 매칭 회로 수는 최대 64개까지 증가할 수 있다. 그러므로 무선 부분의 전반적인 전력 효율성과 성능을 위해서는, 이들 소자의 효율을 향상시키고 통합 수준을 높여야 한다.

·클록과 타이밍 : 고속 데이터 변환, 높은 성능, 넓은 다중대역 무선을 위해서는 초저지터 타이밍과 주파수 레퍼런스를 필요로 한다. 5G 무선의 스펙트럼 민첩성 기능은 빠르게 동기화하는 레퍼런스를 더욱 필요로 한다.

·밀리미터파 기술 : 5G 시스템을 위해서는 27GHz 이상의 높은 주파수로 다량의 안테나를 사용한 매우 통합적인 MIMO(multi-input multi-output) 무선이 필요하다.

·전력 관리 : 차세대 무선의 지능형 전력 관리는 원격 감시 및 통신을 사용해 분산 전력 관리는 물론, 다양한 부하 및 트래픽에 따라 전력 공급을 최적화하는 적응형 재구성을 제공한다.

어디서나 매끄럽게 사용할 수 있는 커넥티비티는 지속적인 성장의 원동력이 될 것이며, 이전에 가능하지 않던 것들을 가능케 할 것이다. 또한 우리 삶을 변화시키고 세상을 변화시키며, 머신 통신은 다양한 분야에서 생산성과 효율을 향상시킬 것이다. 이러한 비전을 실현하기 위해서는 파괴적인 혁신들이 필요하다. TI가 바로 이러한 혁신을 이룰 수 있도록 돕고 있다. 

아마드 바하이(Ahmad Bahai)

CTO, 텍사스 인스트루먼트