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5G의 사양이 새로운 애플리케이션을 어떻게 가능하게 만드는가?

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글/무스타파 에르겐(Mustafa Ergen), Mouser Electronics

5G 이동 통신 표준은 아래와 같이 현재 4G 네트워크에서는 구현되지 않는 일부 성능 및 사용 사례를 수행하기 위해 수립되었다.
• 광대역 확장: OTA(무선 연결) 방식의 연결 장치에 대해 광섬유의 속도 및 대역폭 제공
• 낮은 지연속도 및 매우 높은 신뢰도: 실시간 OTA 과정 제어
• 훨씬 높은 장치 밀도: 스마트시티에서 실현될 것으로 예상되는 대량 사물인터넷(IoT) 가능
• 에너지 효율 향상: 소비전력이 낮은 연결 장치에 대한 수요 증가에 대응
• 고속 적응성: 고속 모바일 애플리케이션에 적용
• 주문형 네트워크 확장성: 산업계의 많은 사용 사례에 대한 요구사항 충족
3세대 파트너십 프로젝트(3GPP™) 릴리스(Release) 15에 제시된 규격에는 5G 에어 인터페이스를 다루는 5G 뉴라디오(5G NR) 및 네트워크 기능을 다루는 5G 코어의 세부사항이 포함되어 있다. 5G 성능에 대한 기대치를 충족하려면 5G NR과 5G 코어 모두 필요하다. 이번 칼럼에서는 성능, 무선 접속 기술, 네트워크 핵심 기능의 측면에서 5G와 4G가 어떻게 다른지 살펴보겠다. 또한 5G의 사양이 새로운 애플리케이션을 어떻게 가능하게 만드는지, 5G 표준이 부품 설계에 어떤 영향을 미치는지 살펴볼 것이다.

5G는 4G와 어떻게 다른가?

표 1은 4G와 5G 네트워크에서 규정하는 주요 성능의 차이를 보여준다.
5G의 성능 기대치를 충족하려면 추가 스펙트럼 및 상이한 파형뿐만 아니라 서비스 다중화 및 더욱 동적인 다중 접속 능력을 허용하는 유연한 프레임이 필요하다. 5G는 이러한 요구사항을 충족한다. 광범위한 주파수대에서 작동하는 확장형 파형에 대해 새로운 접근 방식을 취함으로써 세션 및 네트워크 관리에 대해 완전히 새로운 접근 방식을 제공하기 때문이다.

5G NR은 유연성을 증가시키고 오버헤드를 감소시킨다
5G NR은 광범위한 주파수대에서 확장되는 공통 파형 프레임을 적용한다. 일부 기법들은 5G의 스펙트럼 효율, 유연성 향상, 소비전력 감소에 기여한다. 5G NR과 4G LTE 간 주요 차이점은 다음과 같다.
• 가변 OFDM(직교 주파수 분할 다중화) 뉴머롤로지: OFDM은 디지털 통신 데이터를 엔코딩하는 데 널리 사용되는 파형이다. 파형 뉴머롤로지(numerology)는 부반송파의 숫자 및 부반송파 공간 등 파형이 운반하는 정보 자원의 구조와 타이밍을 정의한다. 4G LTE와 5G NR 모두 OFDM을 사용하지만 큰 차이가 있다. 4G LTE에서 뉴머롤로지는 언제나 고정된다. 그러나 5G NR에서 뉴머롤로지는 상이한 대역폭에서 최적화 목적으로 확장할 수 있다. 다시 말해 부반송파의 크기와 간격이 상이한 주파수대의 대역폭에 맞게 확장된다는 의미이다. 5G NR에서는 확장형 TTI 기능도 가능하다. 즉 짧은 시간 동안 데이터를 전송할 수 있도록 지연시간을 매우 낮게 설정하거나 대량의 데이터 패킷을 더욱 효율적으로 전송할 수 있도록 지연시간을 길게 설정할 수 있다. 가변형 OFDM 뉴머롤로지는 5G의 확장성 및 유연성에 있어서 핵심인 것이다.
• 독립적 서브프레임: 5G NR 규격에서 도입되는 이런 구조에서는 동일한 서브프레임에서 데이터를 포함하는 것뿐만 아니라 데이터 전달의 인정도 가능하다. 또한 상이한 종류의 서브프레임의 다중화가 가능하며, 비어 있는 서브프레임은 정의되지 않은 미래의 서비스를 수용할 수 있도록 지원한다. 독립적 서브프레임은 전송에 특정된 데이터 빔포밍을 포함할 수 있어서, 다중 입/출력(MIMO) 안테나 전송을 지원하며 신호 간섭이 감소한다.

[표 1] 4G와 5G 사양 비교

• 장치 중심의 이동성: LTE 네트워크에서는 기지국이 전송한 기준 신호를 수신한 장치가 연결할 곳을 결정하기 위해 데이터를 측정한다. 기지국은 신호를 수신하는 장치의 유무에 관계 없이 신호를 지속적으로 송신한다. 이는 수신 장치 입장에서는 간접적으로 처리해야 하는 것을 의미하며, 송신 장치 입장에서는 과도한 전력 소비를 의미한다. 반면 5G 네트워크에서 수신 장치는 네트워크 연결이 필요할 때 기준 신호를 송신하며, 이 기준 신호는 적절한 송신 장비를 이용해서 핸드오프 활동을 자극한다. 이러한 방식 덕분에 전력 소모량 및 기준 신호 전송 횟수가 감소한다.
• 새로운 셀 구조 및 안테나 설계: 더욱 많은 수의 연결된 장치, 간섭 받지 않는 통신, 고주파수대를 이용한 작동 범위 단축을 지원하기 위해 5G는 4G LTE 네트워크에서 발견되는 셀 구조보다 더욱 높은 밀도를 요구할 것이다. 일반적인 배치 형태로는 (1) 저주파수대에서 작동하면서 광범위한 야외 지역을 담당하는 매크로 셀 (2) 중간 주파수대에서 작동하며 실내외를 담당하는 스몰 셀 (3) 밀리미터파에서 작동하며 주로 실내를 담당하는 마이크로 셀(방 크기) 등 3가지 셀을 혼합할 수 있다. 대규모 MIMO(mMIMO) 안테나 어레이를 이용하는 빔포밍 기술은 간섭 없이 신호를 전달하며, MIMO를 변형해서 사용하는 4G LTE 제품들보다 송신 효율이 훨씬 높을 것이다. 5G 안테나 설계 또한 안테나에서 더욱 많은 신호 처리를 생산해서 셀 간 모바일 장치의 핸드오프를 관리할 것이다.

4G 진화된 패킷 핵심망을 가상화하는 5G 코어
5G 성능에 관한 규격, 특히 이 규격은 사용 사례 유연성, 확장성, 신뢰성과 관련되어 있기 때문에, 규격을 충족하기 위해 5G 코어 네트워크는 처음부터 4G EPC(진화된 패킷 핵심망)를 대체하는 방식으로 재설계되어 왔다. 4G EPC가 물리적인 네트워크 요소에 의존하는 반면, 5G 코어 네트워크는 네트워크 엣지에 대해 서비스로서 네트워크(network functions as services) 기능을 전달하기 위해 다중접속 엣지 컴퓨팅을 사용하는 클라우드 네이티브 가상화 아키텍처이다. 5G 코어 아키텍처의 주요 특징과 능력은 다음과 같다.
• 분리된 제어 플레인 및 사용자 플레인 기능: 기존 EPC 서비스 및 패킷 게이트웨이가 수행하는 기능들을 분리 및 재분배하면서 패킷 처리 기능을 네트워크의 엣지로 재배분할 수 있다. 그 결과 트랙픽 관리 및 확장성이 향상된다.
• 세션 관리 기능의 재설계: 이동성 관리와 세션 관리는 현재 상이한 네트워크 요소들에 의해 수행되며, 새로운 아이덴티티 및 인증 기능이 추가되었다. 덕분에 세션 관리가 향상되어 다양한 작동 방식에서 방해 받지 않고 서비스를 제공할 수 있다. 가령, 사용자 장비가 스몰 셀 네트워크를 통과하거나 고속으로 이동하는 경우이다. 이렇게 세션 관리가 향상된 결과, 밀도가 높은 IoT 어레이 및 다양한 데이터 포맷을 갖춘 사용자 장비가 포함된 복잡한 환경에서 신뢰할 수 있는 서비스 흐름을 만들 수 있다.
• 네트워크 슬라이싱: 이 기술을 사용하면 5G 네트워크에서 특정 사용 사례, 고객 또는 산업에 맞게 전용 서비스로써 네트워크를 ‘슬라이싱’해서 제공할 수 있다. 사용자 장비는 동시에 다중 네트워크 슬라이싱에 접속할 수 있다. 네크워크 슬라이싱은 다양한 도메인과 기술들에 걸쳐서 필요한 기능과 품질을 모두 유지하기 때문에 사용 사례에 맞춰 가용 자원을 효과적으로 배분한다.

5G로 가능한 새로운 애플리케이션과 비즈니스 사례

5G 표준에 의하면 신뢰도가 높고 사용 사례 성능 및 소비 전력에 최적화되어 다양한 동시 통신이 가능하다. 이 표준은 4G 모놀리식 네트워크에서는 가능하지 않았던 새로운 스마트 서비스 및 파트너십을 가능하게 하는 문을 열었다.

사용 사례 가능성: 5G 세상에서 예상되는 일상
 5G 세상에서 가능한 사례 중 일부를 설명하기 위해 자율주행 자동차를 이용해 출근하는 건축가를 예로 들어보겠다. 이 건축가는 출근 시간 중 컨퍼런스 콜을 진행하도록 약속을 잡았다. 스페인에 있는 고객과 싱가포르에 있는 공급사가 만날 수 있는 유일한 기회가 출근 시간대였기 때문이다.

끊김 없는 통신
이 건축가는 자율주행 자동차가 사무실까지 이동하는 동안 회의를 계속 진행할 수 있다. 5G 차량사물통신(V2X) 플랫폼을 이용해서 낮은 대기시간으로 통신할 수 있기 때문이다. 자율주행 자동차의 통신 플랫폼은 클라우드를 기반으로 작동하며, 센서 입력장치를 통해 데이터가 전달되면서 실시간으로 상황을 인식하고 주행 경로를 업데이트하는 등 다른 차량 및 교통 제어 인프라와 상호소통한다.
자율주행 자동차가 이동하면서 건축가는 프로젝트 계획을 검토한 후 헤드셋을 착용하고 5G 광대역 전이중 연결 기술을 이용하는 가상 3D 컨퍼런스 콜을 시작한다. 회의 시간 중 자율주행 자동차는 터널에 진입한다. 회의 중 또는 차량의 제어 시스템에서 간섭은 발생하지 않는다. 터널 내부에는 스몰 셀 mMIMO 안테나가 설치되어 차량이 터널을 통과하는 동안 모든 통신을 할 수 있도록 지속적으로 네트워크에 접속하기 때문이다. 자동차가 터널에 진입하자 사무실 도착 시간이 계산되어 건축가의 사무실에 있는 커피 머신의 전원이 켜지도록 신호가 전달된다.

업무 완료
이러한 모든 활동에도 불구하고 회의는 계획대로 진행된다. 자율주행 자동차는 목적지에 도착하자 장소를 검색해서 스스로 주차한 후 충전장비를 연결하고 결제 계정에 대한 정보를 확인한다. 그 후 건축가는 사무실로 이동하면서 뜨거운 커피를 잔에 따른 후 싱가포르에 있는 제조사가 제공하는 정보를 바탕으로 프로젝트를 업데이트한다.
지금까지 설명한 사례는 5G 기술의 실시간 명령, 제어, 통신 능력이 공정 제어 및 업무 흐름을 어떻게 바꿀 것인지 보여준다. 완전히 새로운 모델에 필요한 문이 열리는 것이다. 그러나 이러한 세상에 제대로 진입하려면 여전히 많은 엔지니어링 업무가 필요할 것이다.

5G 구성요소를 작동시키기 위해 해결해야 하는 공학적 난관

5G 네트워크 및 장치 아키텍처와 결합된 5G 성능에 관한 요구사항은 부품 설계에 대해 새로운 사항을 요구한다. 설계에 관한 많은 제약들은 상호의존적이기 때문이다. 예를 들어 다음과 같다.
• 처리 능력 및 처리량: 5G 기술의 많은 측면은 더욱 높은 처리 능력을 요구한다. 가령, 확장 가능한 파형, 더 높아진 데이터 처리량, 복잡한 세션 및 핸드오프 관리를 요구하는 더욱 작은 스몰 셀, 빔포밍, 네트워크 슬라이싱, 더욱 높은 연결된 장치 밀도 등이다. 처리 능력을 높이려면 더욱 견고한 소프트웨어가 필요하며, 이 과정에서 전력을 소비하고 열이 발생한다.
• 전력 소비량: 5G 장치들이 더욱 효율적으로 전력을 사용할 것으로 기대되지만 더욱 많은 일도 처리할 것이다. MIMO 안테나를 갖춘 초기 기지국과 5G 초기 스마트폰은 4G 시절의 제품들보다 전력 소비량이 3~4배 많을 것이다.
• 열: 전력 소비량이 많다는 것은 더욱 많은 열이 발생한다는 것을 의미한다. 따라서 부품이 손상되지 않도록 더욱 많은 열을 발산시키는 과정이 필요하다.
• 부품 복잡도: 5G 부품들은 더욱 복잡하다. 더욱 다양한 주파수대와 더욱 복잡한 파형에서 작동할 수 있도록 더 많은 필터와 증폭기가 설치되기 때문이다. 이러한 복잡도 때문에 공간이 이미 중요한 요소인 경우, 특히 사용자 장비에서 더욱 큰 부품을 만드는 데 위험이 따른다.
• 부품 밀도 및 컴팩트한 설계: 더욱 컴팩트한 회로에 더욱 복잡한 부품들을 결합하면 부품 밀도가 증가해서 열 발산이 더욱 어렵다.
이러한 난관은 회로 설계에서 제한사항을 더욱 가중시킨다. 휴대전화를 예로 들면, 부품이 차지하는 공간이 늘어나면 배터리에 필요한 공간은 줄어들어 배터리 크기는 더욱 작아져야 한다. 그러나 더욱 많은 전력이 필요하다면 소형 배터리기 한번에 제공할 수 있는 전력이 적어서 더욱 자주 충전해야 할 것이다. 이렇듯 열, 전력 소비량, 부품의 크기와 관련된 난관들은 다음과 같은 새로운 기법과 소재를 이용함으로써 해결되고 있다.
• 새로운 위상 변경 기법이 적용된 송수신기: 더욱 정확한 빔 조정, 더욱 높은 빔 해상도, 대형 MIMO 안테나 어레이 전반에서 0에 가까운 이득 변화, 더욱 높은 데이터 처리량, 회로 부품들을 공유하는 부품을 사용해서 패키지 크기 감소
• 더욱 효율적인 고주파수 전력 증폭기: 질화갈륨(GaN) 트랜지스터 및 완전 전력량보다 낮은 수준에서 작동할 때 비선형 특성이 감소하는 다양한 기법 적용
• 새로운 기법을 이용해서 크기가 작고 비용 효율적이어서 재구성 가능하고 튜닝이 가능한 광대역 필터를 개발

결론

이제 5G 통신이 가능하고 초기 운용에 필요한 장비들도 배치되기 시작했다. 그러나 5G 기술이 표준 사양에서 제시하는 모든 가능성을 실현하려면 아직 공학적으로 처리해야 하는 작업이 매우 많이 남아 있다. FR1(6GHz 미만)에 초점을 맞춰 초기 과정을 진행한다면 새로운 5G 시스템과 부품들이 앞으로 발전할 수 있는 토대가 마련될 것이다.

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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