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5G와 4G의 주파수 스펙트럼 비교

휴대전화 시스템은 도입 후 수십 년간 지속적으로 발전했고, 단순 통화 및 메시지 전송에서 범용 무선 연결 기술의 활성화로 진화했다. 이런 진화는 셀룰러 무선 사용을 위해 주파수 스펙트럼을 계속해서 추가로 채택하는 것으로 이어졌고 이는 향후 5G 기술에서도 차이가 없다.

하지만 현재 소비자, 자동차, 산업 및 군사/항공우주 분야에서도 무선 기술의 보편적인 특징으로 인해 셀룰러 무선 기술의 잠재력을 대인 간 통신 플랫폼에서 매우 유연한 무선 네트워킹 에코시스템으로 변화하였다. 이것은 4G LTE와 향후 5G 기술 간의 기능과 주파수 변화를 고려할 때 명백한 사실이다. 이 기사에서는 4G LTE에서 5G 시스템으로의 성능, 주파수 및 요구 사항 변화에 대해 자세히 설명한다.

최근 스펙트럼 사용 및 셀룰러 네트워크 성능

이전 셀룰러 무선 세대는 MBB(Mobile Broadband)가 아닌 응용 방식을 제공했지만 2G, 3G 및 현재의 4G LTE 셀룰러 서비스의 대부분은 MBB(Mobile Broadband) 전용으로 설계되었다. 이전 셀룰러 세대의 표준과 기술은 대부분 도시와 교외 지역의 MBB(Mobile Broadband) 셀룰러 사용자를 지원했으며 지방에 사는 사용자에 대한 지원은 부족했다. 그러나 5G 기술의 목적은 단지 MBB(Mobile Broadband)를 제공하는 것을 넘어서서 eMBB(Enhanced Mobile Broadband), URLLC(Ultra-Reliable Low Latency Communications), MMC(Massive Machine-type ommunications) 및 FWA(Fixed Wireless Access) 등 훨씬 더 넓은 범위의 응용 방식을 활성화하는 주요 개선 사항을 제공한다.

eMBB(Enhanced Mobile Broadband)

5G eMBB가 4G MBB(Mobile Broadband)와 다른 점은 5G의 엄청나게 빠른 데이터 정격과 일반적인 도시 범위 목표이다. eMBB를 사용하는 IMT-2020의 목표는 최대 다운로드 속도 20 Gbps, 도시 환경에서 적어도 100 Mbps의 안정적인 사용자 데이터 정격 및 4 ms에 불과한 대기 시간을 가능하게 하는 표준을 제공하는 것이다. 현재 4G MBB(Mobile Broadband) 속도가 초당 수백 기가비트의 최대 속도에 도달할 수 있기는 하지만 대부분의 도시 사용자는 수십 밀리초의 대기 시간으로 10 Mbps 미만의 속도를 경험한다. 빠른 동영상 다운로드 외에도, 5G eMBB는 모든 도시 환경에서 증강 현실과 가상 현실 응용을 실시간으로 가능하게 하는 사용 사례를 만들 수 있다.

이러한 성능에는 셀룰러 네트워킹 스택 전체의 업그레이드도 필요하고 휴대전화 기술도 향상되어야 한다. 현재 주요 통신사들이 eMBB 성능을 활성화하기 위해 더 작은 셀을 개발하고 있기 때문에 대부분의 네트워크 아키텍처가 변하고 있다. 이 과정에서 특히 밀집하여 흩어져 있는 도시 환경에서는 기존의 동종 매크로 셀 아키텍처로는 불가능하다는 것이 증명되었다.

URLLC(Ultra-Reliable Low Latency Communications)

일부 지역에서는 엔터프라이즈급으로 간주될 수 있는 셀룰러 무선 성능을 경험하기도 하지만 현재 대부분의 셀룰러 시스템은 자율 주행 차량, 모바일 헬스케어, 공장 자동화 또는 비상 대응과 같은 중요한 분야에서 신뢰성이나 대기 시간 요구 사항을 제공할 수 없다. 5G URLLC의 목표는 생사가 걸릴 수 있는 분야에서도 충분히 사용할 수 있는 대기 시간 1ms 미만의 통신을 제공하는 매우 신뢰할 수 있고, 안전하고, 짧은 대기 시간의 통신을 제공하는 것이다.

셀룰러 네트워크의 신뢰성을 높이고 대기 시간을 줄이는 것은 휴대전화, 베이스 스테이션 및 네트워킹을 수행하는 방식의 변화와 관련이 있다. 이러한 개선 사항에는 새 파형과 대기 시간이 짧은 하드웨어가 포함되며 주파수 급속변환, 중복 및 별 하나 네트워크 이상의 대체 네트워크 아키텍처 유형을 활성화하는 무선 네트워킹 접근 방식도 포함될 수 있다.

MMC(Massive Machine Type Communications)

현재는 대부분의 셀룰러 무선 사용자가 휴대전화를 사용하는 개인이지만, 미래에는 센서 정보를 상호 교환하고 보고하며 현대화된 지역, 공장, 산업 시설 및 운송 네트워크 전반에서 데이터를 제어하는 역할을 하는 사물 인터넷(IoT) 장치가 셀룰러 네트워크를 지배하게 될 것이다. 미래의 셀룰러 통신은 대부분 그리고 대다수가 기계 사이에서 이루어질 것이고, 이는 인간 사용자와는 아주 다른 요구 사항이 있을 것이다.

분산된 IoT와 기계 장치는 매우 다양한 통신 요건이 필요할 것이다. 따라서 널리 적용되도록 만든 단일 무선 통신 프로토콜은 생존이 불가능하게 된다. 이런 이유로 새 5G 표준에는 적응형 통신 프로토콜 방식이 포함될 것이다. 예를 들어, 낮은 전력과 낮은 데이터 정격 요구 사항을 가진 배터리로 작동하는 센서와 같은 시스템이 데이터 정격이 높고 대기 시간이 짧은 자율 로봇과 동일한 네트워크 기술을 사용할 수 있다. 이전 셀룰러 세대는 특정 분야에 특정 주파수 대역을 사용함으로써 스펙트럼 정체 리드가 각 주파수 대역을 더 가치 있게 만들기 때문에 미래의 셀룰러 세대를 위한 솔루션이 될 수는 없을 것이다.

FWA(Fixed Wireless Access)

드물게 사용되기는 하지만 3G 및 4G 셀룰러 네트워크도 핫스팟과 셀룰러 모뎀이 있는 다양한 가짜 FWA(Fixed Wireless Access) 시스템을 지원했다. 하지만 5G 네트워크의 향상된 데이터 정격과 짧은 대기 시간은 FWA 제공이라는 매력적인 비즈니스 사용 사례를 통해 다른 라스트 마일(Last Mile) 인터넷 서비스와 경쟁할 수 있게 해줍니다. 많은 전문가들은 넓은 광역폭과 고급 안테나 기술이 적용된 5G 네트워크가 광섬유와 같은 성능을 제공하고 접근 가능한 인터넷과 연결성을 통해 선진국과 개발도상국 시장을 활성화할 수 있을 것으로 예측한다. 

mMIMO(massive Multi-Input Multi-Output) 및 빔 형성 가능 안테나 이외에도 FWA 서비스에는 현재 셀룰러 네트워크를 구동하는 하위 6 GHz 스펙트럼에서 사용 가능한 광역폭 이상이 필요하다. 1 GHz를 초과하는 대규모 광역폭을 사용하려면 광섬유와 같은 서비스를 제공해야 한다. 따라서 5G 셀룰러 네트워크에는 새로운 응용 분야를 활성화하고 이전 세대에 비해 데이터 정격을 크게 증가시킬 수 있도록 밀리미터파 주파수 대역이 포함된다.

5G 주파수와 4G 주파수 비교

이전 GSM 셀룰러 네트워크는 850 MHz와 1900 MHz에서 작동했다. 2G 및 3G 네트워크는 변조 방식을 변경했지만 대부분 재편된 주파수 대역과 동일한 스펙트럼 부분을 사용했다. 3G가 진화하면서 추가 주파수 대역과 약 2100 MHz의 스펙트럼도 포함되었다. 4G LTE 기술은 추가 주파수 대역을 가져왔는데, 대략 600 MHz, 700 MHz, 1.7/2.1 GHz, 2.3 GHz 및 2.5 GHz이다. 모든 이전 셀룰러 네트워크 주파수는 인가를 기반으로 한다(표 1).

5G 주파수 대역 계획은 훨씬 더 복잡한다. 하위 6 GHz 5G의 주파수 스펙트럼은 450 MHz~6 GHz에 걸쳐 있고 밀리미터파 5G 주파수 범위는 24.250 GHz~52.600 GHz이며 무인가 스펙트럼도 포함하기 때문이다. 또한 5925~7150 MHz 및 64 GHz~86 GHz 범위의 5G 스펙트럼도 있을 수 있다. 따라서 5G에는 모든 이전 셀룰러 스펙트럼과 하위 6 GHz 범위의 대규모 스펙트럼이 포함되며 하위 6 GHz 초과는 대부분 현재 셀룰러 스펙트럼이다(표 2와 표 3). 5G NR(New Radio) 비자립형 표준의 초기 3GPP 출시에는 FR1을 지정한 여러 하위 6 GHz 주파수 대역이 포함되었다(표 2). IMT-2020 이후 두 번째 3GPP 5G 출시에는 밀리미터파 스펙트럼의 FR2 주파수 대역이 포함된다(표 3).

이전 셀룰러 세대 및 3GPP 출시처럼 다양한 지역과 국가에서도 고유한 5G 사용 스펙트럼을 채택할 것이다. 예를 들어 US FCC는 무인가 사용 목적으로 5.925 GHz~6.425 GHz 및 6.425 GHz~7.125 GHz 개방을 고려하고 있으며 3.7 GHz~4.2 GHz 스펙트럼에 MBB(Mobile Broadband) 기능을 추가하는 것을 논의하고 있다. 현재 FCC는 27.5 GHz~28.35 GHz, 24.25 GHz~24.45 GHz, 24.75 GHz 및 25.25 GHz의 밀리미터파 5G 사용 범위에서 작동하는 스펙트럼이다. 

FCC는 5G에 3.7 GHz~4.2 GHz 중간 대역 주파수를 개방하는 것을 고려 중일 수 있고 5G 접속을 위해 4.9 GHz 공공 안전 대역 개방도 고려하고 있을 수 있다. 게다가 FCC는 2.75 GHz, 26 GHz 및 42 GHz 대역에서 5G를 위한 추가 대역을 지정할 수도 있다. 2018년 12월 FCC는 37.6 GHz~38.6 GHz, 38.6 GHz~40 GHz 및 47.2 GHz~48.2 GHz 범위에서 우대 조치를 발표했다. 대부분의 다른 개발도상국에서 5G 사용 사례에 대한 비슷한 스펙트럼 할당 문제를 겪고 있다.

5G를 사용할 수 있도록 스펙트럼을 추가한 주요 이유 중 하나는 처리량과 광역폭과 관련된 물리적 제한 사항 때문이다. 5G FR1이 표준인 채널당 5 MHz~20 MHz 광역폭을 고려한 4G 대역 계획은 채널당 5 MHz~100 MHz의 광역폭을 허용한다. 광역폭은 최대 처리량과 정비례하기 때문에 광역폭의 5배 증가는 처리량의 5배 증가와 거의 관련이 있다. 또한 3GPP 출시는 15는 새 파형을 정립하고 π/2 BPSK를 변조 방식으로 추가했다. 추가 파형은 FR1의 경우 DFT-S-OFDM(Discrete Fourier Transform-Spread Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 그리고 FR2의 경우 CP-OFDM(Cyclic Prefix OFDM)이다.

RF 하드웨어, 기술 및 통신 인프라를 사용할 수 있고 이전 5G 주파수의 요구 사항과 성능 사양 일부를 충족할 수 있지만 5G 기대치의 대부분은 이미 현재 접근 가능한 기술을 넘어선다. 이러한 문제에는 주파수 운영이 필요한 비용 효율적인 하드웨어, 휴대용/모바일 통합 및 밀도가 높고 고도로 분산된 네트워킹 인프라가 포함된다. 4G LTE 서비스는 아직 미국 전역과 그 밖의 국가에서 사용되고 있기 때문에 FR1 5G 기능을 넘어서는 5G 서비스가 자립하기까지 몇 년간 지속될 것이다.

결론

각 차세대 셀룰러 기술에는 주파수 대역과 운영 모드 변경 사항이 포함된다. 이 점은 5G 기술 개발에도 차이가 없다. 차이점은 추가되는 새 주파수 스펙트럼의 양과 전자기 스펙트럼 체계에서 이러한 주파수가 존재하는 위치이다. 또한 넓은 광역폭에 대한 갈망도 가장 중요한 정책 결정 요소이며 장치 제조업체는 여러 다양한 셀룰러 대역을 수집하고 단일 채널 광역폭을 증가시키는 기술이 적용된 복잡한 하위 6GHz 셀룰러 주파수 대역에서 최대한 성능을 이끌어내기 위해 노력한다. 수많은 응용 분야에 맞는 다양한 5G 운영 모드를 조사하기 위해 사물 인터넷(IoT), M2M(Machine to Machine) 통신과 같은 새로운 응용 분야도 장려되는 산업이다. 5G는 여러 가지 방식으로 범용 무선 연결의 문제에 대한 모듈식 솔루션이 되도록 설계되고 있다.

<표 1>

<표 2>

<표 3>

<표 4>

참고문헌

http://www.3gpp.org/specifications/specifications

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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