5G 설계와 배포, 이제부터 시작이다
5G는 실로 많은 관심을 받고 있다. 어디에서 누구와 대화하든5G는 신기술에 관한 대화에서 가장 중요한 주제이다. 모바일 월드 콩그레스(MWC)는5G 시대가 이미 도래했다고 했지만 아직 완전히 5G시대가 시작된 것은 아니다. 다만 거의 근접해 있는 것만은 사실이다.
무선 통신 커뮤니티는 표준화 절차의 진행 상황과 규제 기관에서 전달한 기초 업데이트부터 새로 제안된 밀리미터웨이브(mmWave) 주파수용 채널에 대한 이해, 5G를 본격적으로 상용화하기 위해 개발 중인 기술 등으로 매우 바쁜 한 해를 보냈고, 5G에 대한 기대는 그 어느 때보다 높다. 이와 같은 지난해의 모든 5G 관련 성과가 뜻하는 바는 무엇일까? 그리고 5G의 시대는 언제 열리는 것일까?
5G 주파수: mmWave와 Sub-6GHz의 결합
5G와 관련하여 정의해야하는 개념은 매우 많지만, sub-6GHz 스펙트럼이 여전히 매우 중요하고 mmWave 주파수가 sub-6GHz 기술을 보완하는 데 활용될 것이라는 점은 확실하다.
그림 1은 eMBB(강화 무선 광대역) 어플리케이션을 위한 신뢰성 높은 고대역폭 통신부터 우리가 사물 인터넷(IoT) 어플리케이션에서 볼 수 있으리라 기대하는 저대역폭M2M(machine-to-machine) 유형의 통신까지 5G와 관련된 다양한 요구사항을 나타낸다. 단일 스펙트럼 대역으로 이러한 요구사항을 충족하기는 어렵지만 2개 대역을 결합하면 커버리지를 보완할 수 있다. Sub-6GHz 스펙트럼은 협대역 어플리케이션을 위한 보다 나은 전파 성능과 하위 호환성을 제공하며, mmWave 주파수에서의 연속 대역폭은 5G 시대에 사용될 주요 MBB 어플리케이션을 구현하는 데 적합하다.
▲ 그림 1. 성능이 개선된 모바일 광대역 및 M2M 통신을 포함한 여러 가지
5G 애플리케이션
타임라인
ITU (국제전기통신연합)는 그림 2와 같은 3단계 연구를 정의했다. sub-40GHz의 1단계와sub-100 GHz의 2단계. 1단계는 2018년 6월에 종료되고 이후 3GPP의LTE 버전15가 이어진다. 2단계는 2019년 12월에 종료되고 이후 LTE 버전16이 이어집니다. 그림 2는 2016년 가을을 기준으로 한 ITU 및 3GPP 타임라인을 나타낸다.
▲ 그림 2. ITU 및 3GPP의 5G 타임라인
그러나 ITU가 제안한 날짜와 사용될 주파수는 확실치 않다. 올해 3월에 열린 3GPP RAN 총 회의(#75)에서는 그림 3과 같이 5G NR (New Radio) 출시를 위한 단축 일정과 함께 WF (way forward)가 제시됐다.
▲ 그림 3. 앞당겨진 3GPP NR 릴리즈 일정(2017년 3월 기준)
NTT도코모는 WF (way forward)의 최근 RAN4 회의(#82)에서 어떤 주파수 대역폭을 사용할 것인지에 대한 권장안을 제시했다. 표 1은 각 주파수 범위와 그에 해당하는 통신사를 요약한 내용이다.
▲ 표 1. 회의#82에서 제안된 NR(New Radio) 스펙트럼 Way Forward, RAN4 총회 #75에 권장된다.
28GHz와 버라이즌
지난해 sub-40GHz에 관한 뉴스는 28GHz 관련 성과가 주를 이뤘으나, 고려되고 있는 주파수는 이뿐만이 아니다. FCC와 버라이즌은 28GHz로 연구를 계속해왔다. 2016년 7월 FCC는 유연한 사용과 미래의 규칙을 고려한 추가 mmWave 대역폭 할당을 목적으로 스펙트럼 프론티어 제안(Spectrum Frontiers Proposal)을 승인했다. 28GHz 대역폭은 현재 미국에서 원활하게 사용할 수 있는 2가지 대역폭 중 하나이다.
그림 4는 대역폭의 형태를 나타낸다. RAN4 회의의 WF를 기반으로 유럽 통신사 Orange, British Telecom, Telecom Italia를 포함한 글로벌 통신사들은 24–28GHz로 맞추는 경향을 보였다. 이는 28GHz가 유럽에서 사용 중인 주파수이고 대역폭 내에서 그보다 낮은 주파수가 잠재력이 높기 때문에 28GHz가 적합한 대역폭이 아니라는 기존의 결론을 고려하면 다소 놀랍게 보일 수 있다. 예상대로 그러한 유럽 통신사들은 32GHz 스펙트럼을 요구한다.
▲ 그림 4. FCC가 할당한 mmWave 대역
버라이즌은 지난해 XO Communications로부터 28GHz 대역폭 라이센스를 취득했고 해당 주파수를 초기 배포에 사용하고 싶다는 의견을 밝혀왔다. 버라이즌은 테스트 실행을 위한 완전히 표준화된 기술 버전이 없음에도, 자사가 배포 중인 하드웨어가 향후 소프트웨어 업데이트를 통해 어떤 사양이 출시되더라도 해당 사양을 소화할 수 있을 것이라는 판단을 하고 있다. 미국의 타 통신사들은28 GHz 대역폭을 사용하는 데 동의했으며 AT&T와 T-Mobile은 28GHz 기반 기술에 대해 더 많은 연구를 수행하고 추가 현장 테스트를 위해 장비 공급업체와 협력할 것임을 밝혔다.
또한 버라이즌은 2015년 Cisco, Ericsson, Intel, LG, Nokia, Qualcomm, Samsung과 5G 기술 포럼(5GTF)을 설립했다. 이 그룹의 주요 목표는 FWA (Fixed Wireless Access)로도 알려진 mmWave 스펙트럼을 사용해 FTTH(Fiber to The Home)의 무선 대체 기술을 개발하는 것이었다. 5GTF는 주로 LTE 표준에서 기인하며, 3GPP에서 5G에 대해 연구 및 제안하는 여러 개념이 추가되고 있다.
5GTF는 5의 배수로 부반송파 간격을 확장하며(75kHz 부반송파 대 15kHz로 컴포넌트 캐리어당 100MHz의 대역폭을 도출) LTE와 타이밍 일관성을 유지하기 위해 반비례로 부반송파 간격을 줄인다. 5GTF는 또한 제어 신호를 추가하고 디지털 빔포밍과 프리코딩을 포함하도록 물리적 계층을 확장했다.
내쇼날인스트루먼트(이하 NI)는 샌프란시스코에서 개최된 IEEE 무선통신네트워킹 컨퍼런스(IEEE Wireless Communications and Networking Conference,WCNC)에서 5GTF의 리얼타임 작동 프로토타입을 선보였다. 이는 동일 사양의 최초 프로토타입은 아니었으나 여러 가지 이유로 주목을 받았으며, 관련 기술을 최초로 대중에 선보인 사례였다.
버라이즌은 mmWave 기술의 사전 표준화를 추진할 전망이다. V5G가 과연3GPP 5G 표준을 준수할지의 여부에 대한 의문이 제기되고 있으며, 따라서 표준이 정의되기 전에mmWave 기술을 배포하는 데 따른 리스크가 있다. 버라이즌의 도박이 성공한다면 5G를 향한 경주에서 크게 앞서나가게 될 것이다. 하지만 실패한다면 대량의 구형 하드웨어만이 남을 것이다.
NR(New Radio)
NR은 ITU가 5G의 세 가지 주요 성능 지표인 Embb(강화 무선 광대역), URLLC(초신뢰성 머신타입통신), MMTC(대규모 머신 타입 통신)를 포함한 모든 애플리케이션과 모든 주파수 대역을 커버하기 위해 제시했다. 이는 NB-IoT(협대역 사물 인터넷)의 경우 물리적 계층이 훨씬 더 많은 데이터를 처리하면서 수백 배 많은 디바이스의 네트워크 연결을 허용할 정도로 유연해야 한다는 의미이다. PHY는 또한 자율 주행 차량에 사용 가능하도록 지연 시간이 짧고 신뢰도가 충분히 높아야 한다. 이는 결코 쉬운 일이 아니며 NR에 제시되는 표준은 V5G보다 훨씬 더 복잡하다. 빔 관리 추가와 같은 특정한 측면은 서로 비슷하지만 NR은 빠르고 느린 빔 관리를 모두 통합할 수 있다. NR은 또한 LTE를 최대한 활용하나, 상이한 샘플 및 서브캐리어 속도를 사용한다.
NR에 대한 이야기와 초기 계획보다 조속히 표준을 확립하라는 요구가 늘고 있음에도 불구하고 사양의 성능에 관해 발표된 데이터는 그리 많지 않다. 28GHz에서 제한적으로 행한 시도에서는 NE 사양의 실현 가능성을 보여주기보다는 채널 사운딩에 초점을 맞춘 경우가 많았다. NI는 멀티유저 MIMO 연결을 실행할 수 있는 New Radio 프로토타이핑 시스템을 개발했다. 이 시스템은 NI mmWave 트랜시버 시스템(MTS)과 LabVIEW로 작성된 유연한 물리적 계층 IP를 사용한다.
2018년, 5G를 향한 경쟁의 최종 결과
2018년 초까지는 “5G란 무엇인가?”라는 질문의 답을 찾을 수 있을까? 2017년 3월3GPP RAN 총회의(#75)에서 제시된 일정을 기준으로 하면, NR의 물리적 계층과 MAC 계층은 2017년 말까지 확정될 것으로 보인다. 주파수 선택 기한은 촉박하지 않으나, 통신사들은 2017년 현장 테스트에서 28GHz 하드웨어를 배포하기 위한 기술을 추진하고 있다.
한국은 2018년 2분기에 5G 기술 프리뷰를 진행할 예정이다. 전체 표준화 작업이 완료되지는 않았으나 5G의 정체에 관한 명확한 그림이 나오기 시작할 것이다. 5G에 대한 정의는 마무리되어 가고 있을지 모르지만 5G 기술의 설계 및 배포 과정은 아직 걸음마 단계이다.
사라 요스트(Sarah Yost)
NI mmWave 제품 매니저
