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다양한 산업 분야로 확산하는 프라이빗 5G 네트워크의 성능상 이점

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글/에브넷(Avnet)

퍼블릭 5G 네트워크가 구축되기까지 10년이라는 시간이 걸렸고, 프라이빗 네트워크의 상용 구축은 아직 초기 단계에 머물러 있다. 하지만 이제는 더 이상 기다릴 필요 없이 5G가 제공하는 성능을 독점적으로 이용할 수 있다.

많은 새로운 기술의 경우, 기대와 과장이 현실을 앞서가기도 한다. 6G 네트워크 표준이 아직 정의되지 않았음에도 불구하고, 온라인에서 ‘6G 네트워크’를 검색하면, 거의 1억 개에 가까운 결과를 찾을 수 있다. 5G의 장점에 대한 찬사는 거의 10년 동안 이어져 왔다. 하지만 현재 전 세계적으로 출시된 5G 기술은 한두 개 정도에 불과하다.

프라이빗 5G 네트워크는 기업들이 독점적 사용을 위해 자본을 투자하여 구축하는 것이다. 프라이빗 5G는 비교적 최근에 개발된 기술로, 일반적인 적용 사례들은 광범위하게 언급되고 있지만, 실제 구현은 초기 단계에 있다. 몇 가지 실제 사례들도 찾아볼 수 있다. 먼저 이 기술의 배경과 상황을 살펴보도록 하자.

4G와 5G의 차이점은 무엇인가?

이전의 셀룰러 네트워크 업그레이드와 마찬가지로, 4G에서 5G로의 이동은 더 큰 대역폭과 더 빠른 전송속도 및 더 짧은 지연시간을 제공한다. 4G가 국도라면, 5G는 20차선 고속도로에 비유할 수 있을 것이다.

그러나 5G는 이전 세대와 근본적으로 다른데 주로 다음과 같은 두 가지 이유에서다:

• 밀리미터파(mmWave) 영역으로 확장된 다중 대역: 5G는 저대역(최대 1GHz)과 중간대역(1GHz ~ 6GHz) 및 고대역(24GHz ~ 52.6GHz) 등 3그룹의 주파수 대역에서 동작한다. 5G 고대역은 밀리미터파이며, 향후 FR2.2 대역으로 알려진 71GHz까지 도달하게 될 것이다. 4G 주파수는 2.6GHz가 최고치이다. 5G는 지정된 어떠한 대역에서든 4G에 비해 속도와 지연시간을 개선할 수 있으며, 동작 주파수가 증가함에 따라 이 차이는 더욱 커진다.

단점은 밀리미터파 신호의 경우, 빗방울이나 단단한 벽을 비롯한 모든 물리적 접촉에 의해 특히 감쇠되기 쉽다는 점이다. 이러한 감쇠 문제를 극복하기 위해 밀리미터파 5G는 빔포밍 기술과 매시브 MIMO(Massive MIMO: Multiple Input, Multiple Output) 안테나를 사용한다. 이러한 기술은 신호를 개별 사용자 장비에 정밀하게 포커싱할 수 있다.

이러한 기술은 기본적으로 다중 안테나에 전달되는 신호에 위상변이(Phase-Shift) 기법을 사용하여 전자적으로 조정 가능한 좁은 빔을 생성하게 되는데, 이에 대해서는 다른 기사에 좀 더 자세히 설명되어 있다. 이러한 기법은 5G 트랜스미터의 유효 방사 전력을 증가시키고, 기지국에서 수신된 신호의 SNR(Signal-to-Noise, 신호 대 잡음비)을 개선한다. 또한 좁은 빔은 원치 않는 신호 간섭도 최소화할 수 있다.

• 소프트웨어 지원 유연성: 물론 이전 세대의 셀룰러 네트워크도 많은 소프트웨어들이 있지만, 5G는 이를 새로운 차원으로 발전시켰다. 5G 네트워크는 소프트웨어로 정의되는 무선(SDR: Software-Defined Radio) 기능이 없다면 불가능하다. 소프트웨어 기반 네트워크는 네트워크 자체의 성능은 물론, 네트워크와 연결된 애플리케이션 및 서비스 성능까지 모두 즉각적으로 조정하여 최적화할 수 있다. 5G에서 제공되는 네트워크 슬라이싱(Network Slicing)은 공통의 하드웨어 인프라를 기반으로 각각의 적용 사례에 따라 최적화된 여러 가상 네트워크를 지원할 수 있다.

ITU-R가 선정한 5G 주요 성과 지표 (출처: “5G for Connected Industries and Automation,” 2판, 백서, 5GACIA, 2018년 11월)

5G NR 네트워크의 이점

밀리미터파 주파수로 실행되는 5G NR(New Radio)은 4G 네트워크에 비해 상당히 개선되어 지연시간이 1ms 미만이다. 데이터 처리량은 최대 20배 더 빠르며, 특정 영역에서의 연결 밀도는 최대 500배 더 높다. 또한 높은 신뢰성도 갖추고 있다. 소비자는 제한된 상황에서만 5G NR과 4G 간의 성능 차이를 인지할 수 있다. 모바일 환경은 거의 동일하지만, 운영체제 업데이트 및 비디오와 같은 대용량 파일을 훨씬 더 빠르게 다운로드할 수 있다. 반면 게이머를 제외하고는 앱에 대한 사용 경험은 크게 달라지지 않는다. 아래 다이어그램은 5G 네트워크의 일반적인 주요 성능 지수를 요약한 것이다.

5G는 스마트 시티, 스마트 빌딩, 스마트 공장, 스마트 농업, 스마트 운송 및 스마트 헬스케어를 비롯한 모든 스마트 산업 분야에서의 혜택을 실현해 줄 것이다. 인식 가능한 수백억 대의 커넥티드 머신들이 데이터 네트워크에 연결되고, 빠르고 신뢰할 수 있는 IoT 센서 네트워크는 클라우드의 AI 애플리케이션과 결합되어 실시간 데이터 분석을 지원함으로써 새로운 애플리케이션을 창출하게 될 것이다. 5G NR 고객들은 더 높은 운영 효율성의 이점은 물론, 새로운 수익창출 기회도 누리게 될 것이다. 퍼블릭 네트워크 사업자들 또한 더 많은 수익을 얻게 될 것이다. 이제 도입을 망설일 필요가 없다.

퍼블릭 네트워크를 사용하는 대신 프라이빗 5G 네트워크를 구축하는 이유는 무엇인가?

• 시간: 전통적인 네트워크 사업자들은 수익에 중점을 둔다. 따라서 가장 많은 수익을 창출할 수 있는 네트워크를 구축하고자 할 것이며, 이로 인해 대부분의 투자는 인구밀도가 높은 지역에 투입된다. 미국 중서부 지역의 농장을 생각해 보자. 이들에게 편리한 5G NR 네트워크, 특히 수백 미터마다 기지국을 설치해야 하는 밀리미터파 무선 액세스 네트워크(RAN) 서비스가 제공되기까지 아마 오랜 시간이 소요될 할 것이다.

• 보안: 산업 플랜트의 OT(Operational Technology) 책임자들은 IoT가 제공하는 이점을 얻기 위해 외부 세계로 네트워크를 개방하는 데 따른 보안 문제를 신중하게 고려할 수밖에 없다. 와이파이 해킹에 대한 우려 때문에 아직도 많은 이더넷 배선이 산업 현장에 사용되고 있다. 프라이빗 네트워크를 구축하면, 선택한 네트워크 아키텍처에 따라 코어 네트워크는 여전히 기존의 네트워크 사업자에게 속하더라도 실질적으로 인지할 수 있는 보안상 이점을 제공할 수 있다. 또한 고도로 집중된 근거리 밀리미터파 전송을 통해 일부 적용 사례에서 보안을 향상시킬 수 있으며, 일부 환경에서는 완전한 프라이빗 5G 네트워크의 보장된 대역폭을 고려할 수도 있다.

• 비용: 5G NR 네트워크 구축 비용은 계속해서 감소하고 있다. 기업들은 라이선스가 필요하지 않은 스펙트럼을 사용하여 비용 부담을 줄일 수도 있다. 또한 Open RAN(Open Radio Access Network)의 등장으로 잠재적인 하드웨어 비용 감소에 크게 기여하고 있다. 이는 5G NR 네트워크의 다양한 부분들을 상호 운용 가능한 각각의 개별 요소로 분할하는 개방형 인터페이스 아키텍처이다. Open RAN은 각 네트워크 요소 공급업체들이 혁신 및 가격 측면에서 모두 시장에서 경쟁할 수 있는 가능성을 제공한다. 또한 프라이빗 5G NR 네트워크를 구축하기 위해 하드웨어 기업들이 해당 서비스를 제공하는 네트워크 사업자와 협력하는 등 건전한 경쟁이 확산되고 있다. 이러한 사업자들은 고객을 위한 프라이빗 네트워크를 구축한 다음, 이를 관리형 서비스로 요금을 부과하여 투자비용을 회수하는 방식을 취하고 있다.

프라이빗 5G 네트워크는 와이파이 네트워크보다 비용과 복잡성을 줄일 수 있고, 낮은 동작 전력으로 추가적인 비용 절감 및 환경적 이점을 제공할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

프라이빗 5G 네트워크 구축을 계획하고 있거나 관련 엔지니어의 도움이 필요하다면, 에브넷(Avnet)을 통해 지원받을 수 있다. 에브넷의 첨단 애플리케이션 그룹(Avnet Advanced Applications Group)은 밀리미터파 장비를 위한 솔루션을 개발하고, 5G 엔지니어링 팀이 시장 출시시간을 단축할 수 있도록 지원하고 있다. 

leekh@seminet.co.kr
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