Thursday, March 5, 2020

5G란 무엇인가? (5G 기술 및 서비스 총정리)


  • 개념 및 특징












5G는 5세대(Generation) 이동통신의 줄임말로, 기존 4G(LTE)의 주파수와 안테나를 업그레이드한 차세대 통신 기술로, '초고속', '저지연', '초연결'을 특징으로 한다.

- 2017년 2월 국제표준화단체 3GPP(3rd Generation Partnership Project)는 5G의 브랜드명을 ‘5G’로 공식 확정하였고, 5G의 공식 명칭은 국제전기통신연합(International Telecommunication Union, ITU)의 전파통신총회에서 승인된 ‘IMT2020’이다.

- ITU가 내린 정의에 따르면 5G는 최대 다운로드 속도가 20Gbps, 최저 다운로드 속도는 100Mbps인 이동통신 기술로 1㎢ 반경 안의 100만개 기기에 사물인터넷(IoT) 서비스를 제공할 수 있고, 시속 500㎞ 고속열차에서도 자유로운 통신이 가능해야 한다.

- 5G 다운로드 속도는 현재 이동통신 속도인 300Mbps에 비해 70배 이상 빠르고, 일반 LTE에 비해선 280배 빠른 수준이다. 영화 1GB 영화 한 편을 10초 안에 내려받을 수 있는 속도이다.

5G가 기존 4G와 가장 큰 기술적 차이는 '주파수'다. 아래표와 같이 5G는 고대역 주파수(밀리미터파⋅㎜Wave, 28GHz)를 사용한다. 고대역 주파수는 '직진성'이 높아 단시간에 직진하나 도달 범위 짧다. 반대로, '회절성'이 높은 저대역 주파수는 도달 시간이 더 걸리나 장애물 회피가 용이하기 때문에 넓은 커버리지 특성을 지닌다.

- 저지연성(Low Latency)는 28GHz에서 가능하다. LTE의 지연시간은 20ms(1 ms = 1,000분의 1초) 지만, 5G 28GHz에서의 지연시간은 1 ms로 줄어든다.

* 4G vs 5G 주파수 특성 비교 *


장파(longwave)와 단파(shortwave) 전파가 이동할때 특성 차이






  • 5G 주요 기반 기술









1. 밀리미터 웨이브(Millimeter Waves)










그동안 스마트폰과 전자기기는 3KHz~3GHz의 매우 좁은 주파수 대역을 사용했다. (4G LTE의 주파수 대역은 일반적으로 1GHz 미만이고, 와이파이는 최대 6GHz) 하지만, 갈수록 많은 모바일, IoT 장치가 이 대역을 공유함으로써 데이터 속도가 느려지며 데이터 체증이 시작됐다. 5G 기술은 이런 폭발적인 모바일 기기 증가와 네트워크 트래픽 증가를 대응하기 위해 기존에 사용되지 않던 6GHz 이하의 주파수 대역(
Sub-6㎓)이나 30GHz~300GHz 대역의 밀리미터파(초고주파, ㎜Wave)주파수를 사용한다. 밀리미터파가 고밀도 도시 지역과 혼잡한 실내 환경에 잘 맞는다면, Sub-6GHz 대역은 광범위한 5G 커버리지를 위한 스펙트럼이다.

밀리미터파의 단점은 석재 건물벽을 통과하지 못하며, 나무나 강우에 의해 흡수될 수 있다는 점이다. 즉, 파동이 멀리 전송되지 않고 쉽게 차단되는 문제다. 심지어 스마트폰 안테나 부분에 손을 올려 놓아도 신호가 방해를 받기도 한다. 이런 이유로 4G 서비스 보다 더 많은 기지국을 세워야 하므로 많은 비용이 소요된다. 이런 문제를 해결하기 위해 아래 설명한 빔포밍용 배열 안테나를 활용하여 전송 범위를 확장한다.
각 국가별 5G 주파수 할당 대역


2. 소형 셀(Small Cell)




















밀리미터파 전송의 단점은 물체를 통과할 때, 와이파이나 4G 신호보다 더 간섭을 받기 쉽다는 점이다. 이를 극복하기 위해 5G 인프라는 대형 셀룰러 안테나 기둥 대신 약 250m 간격으로 훨씬 작은 기지국을 도시에 설치한다. 5G 기지국은 4G 기지국보다 더 낮은 전력으로 건물과 전신주에 보다 쉽게 부착할 수 있다. 기지국 간격이 짧으므로 셀룰러나 IoT 디바이스가 다음 기지국으로 쉽게 연결될 수 있다.

3. 대규모 다중입출력(매시브 마이모; Massive MIMO)

Evolution of Multiantenna Technology From 4G MIMO to 5G Massive MIMO














먼저, MIMOMultiple Input Multiple Output으로 다중 입출력이 가능한 안테나 시스템을 말한다. 즉, 이동통신에서 기지국과 사용자 단말기에 다수의 안테나를 사용하여 다중경로로 신호를 송수신하여  간섭을 줄이고 전송용량과 전송속도를 증가시키는 기술이다. 동일 데이터 신호상에서 다수의 양방향 통신을 동시에 처리하여 5G 네트워크는 4G 보다 20배 더 많은 통신을 처리할 수 있다.
Massive가 붙으면 최소 100개 이상의 안테나를 사용한다는 의미다. MIMO는 기초기술로 여러 개의 정보를 다수의 송신 안테나를 통해서 전송하여 전송속도를 향상시키는 '공간 다중화(Spatial Multiplexing)', 다수의 송신 안테나로 똑같은 정보를 중복 전송하고 수신 안테나에서 이들 신호를 결합하고 오류를 제어하는 '공간 다이버시티(Spatial Diversity)', 안테나에서 송수신되는 전파(빔)를 원하는 방향으로 보내서 간섭을 줄이고 신호를 원하는 사용자에게 도착하게 하는 '빔포밍(Beamforming)'이 있다.

4. 빔포밍(Beamforming)



















빔포밍(Beamforming)은 안테나에서 신호를 사방으로 유포하는 것이 아니라 특정한 수신 기기에 집중시키는 기술이다. 연극에 비유하자면, 무대 위의 배우에게 스포트라이트(spotlight)로 불빛을 비추는 것과 같은 효과이다. 기존 안테나를 사용하면 신호는 모든 방향으로 균일하게 방사한다. 그래서 신호가 다른 송신기의 신호와 겹치게 되면 신호 전송이 손상될 수 있다. 다중입출력(Massive MIMO) 기술에 빔포밍을 결합하면 이 문제를 해결할 수 있다. 여러 개의 안테나를 사용하여 동일 신호를 시간차를 두고 전송함으로써 (시분할방식, TDD), 송신기가 수신기기를 향해서 신호를 집중시키고 그것에 맞게 전송 전력을 조정하며, 각기 다른 방향의 각기 다른 수신자에게 전송할 수 있다.
이를 통해 커버리지를 늘리고, 더 안정적인 연결, 높은 전송 속도를 제공하고, 원치 않는 무선 간섭을 줄일 수 있다.

5. 전이중통신(Full Duplex)

주파수분할 롱텀에벌루션(LTE-FDD)과 시분할 롱텀에벌루션(LTE-TDD), 전이중통신(Full Duplex)비교 이미지.
FDD는 업링크(UL)와 다운링크(DL)에 다른 주파수를 사용하지만 TDD는 같은 주파수에서 시차를 두고 데이터를 송수신한다. 전이중통신은 한 단계 더 나아가 같은 시간대, 같은 주파수에서 데이터를 송수신한다.



전이중 통신(Full Duplex)은 같은 주파수 대역과 같은 시간대에 송수신을 동시에 수행해 주파수 효율과 속도를 갑절로 높이는 기술이다. 전이중 통신은 수십 개 안테나로 속도를 증가시키는 다중안테나(Massive MIMO)와 함께 5G의 주요 기술 중 하나다. 같은 주파수 대역에서 신호를 보내고 받는 작업을 동시에 처리하는 게 핵심이다. 시분할 방식인 LTE-TDD보다 한 단계 진화한 개념이다.

일반적으로 통신 신호는 간섭을 막기 위해 상향과 하향 주파수를 별도로 사용한다. 반면에 LTE-TDD는 같은 주파수에서 시간을 쪼개 업로드와 다운로드를 처리한다. 가령 업로드에 0.5초, 다운로드에 0.5초를 쓰는 식이다. 전이중 통신은 여기서 한발 더 나아가 같은 주파수에서 시간을 쪼개지 않고도 업로드와 다운로드를 동시에 처리하는 기술이다. 기술적으로 간섭을 제거해 업로드와 다운로드에 별도로 소요되던 시간을 한꺼번에 업로드와 다운로드에 각각 사용할 수 있다.



  • 5G 표준 동향


 5G NG(New Radio)

5G NR은 4G LTE 표준을 주도한 국제 표준화 단체인 3GPP(3rd Generation Partnership Project)에서 제정한 새로운 무선 접근 기술(Radio Access Technology, RAT) 이다.

* 참조
5G 국제 표준의 이해 (PDF, 출처: 삼성전자, 2018년 6월)
- 3GPP 5G NR 표준의 핵심 기술과 삼성전자의 3GPP 의장단 인터뷰
5G 서비스 구현 기술의 이해 (PDF, 김학용, 순천향대학교, 2019년 7월 / 출처: KIBME)
5G 무선 표준기술 동향 (PDF, 권기범, 아이티엘 표준연구실장, 2019년 5월 / 출처: ITFIND)

 5GTF

5GTF(5G Technology Forum)는 국제 표준이 아닌, 미국 1위 무선통신 사업자인 버라이즌(Verizon) 주도로 2015년 말 제정한 자체 통신 규격이다. 한국에서는 KT, SKT, 일본에서는 Docomo가 5GTF에 합류했다.
삼성전자가 5GTF 기반 5G 장비를 버라이즌에 공급했다. 버라이즌은 이후, 5G NG 기반 네트워크도 구축했다.


  • 시장 동향

 5G 통신장비 시장

- 시장조사기관 델오로에 따르면 2020년 1분기 기준 5G 기지국 점유율은 1위 화웨이(35.7%), 2위 에릭슨(24.6%), 3위 노키아(15.8%), 4위 삼성전자(13.2%) 이다.
하지만 삼성전자는 $6.6B(8조원) 규모로 버라이즌 5G 공급 계약을 해 향후 점유율 변화가 예상된다.

- 시장조사업체 IHS Markit에서는 2018년 3월 글로벌 모바일 통신기반시설 분석에서 2G/3G/4G LTE/5G 하드웨어 매출은 2022년까지 250억 달러로 증가할 것으로 예측한다.

- 또한 5G의 하드웨어 매출은 2022년까지 110억 달러에 이를 것으로 예상되고 2018년 하반기부터 미국의 5G 도입에 뒤이어 2019년 한국과 중국의 5G 상용화로 하드웨어의 대량판매가 이루어지면 판매자들의 수익이 창출될 것이라 분석한다.


- 통신장비의 시장 점유율을 살펴보면 화웨이(Huawei)가 28%, 에릭슨(Ericsson)이 27%, 노키아(Nokia)가 23%, ZTE가 13%를 차지하고 있다.


- 삼성전자는 5G 기술개발을 위해 구글, 에릭슨, 시스코 등과 상호 특허공유 계약을 맺고 있고 LG도 구글과 특허를 공유하여 포트폴리오를 구축하는 등 국내 기업의 5G 관련 특허 중 삼성, LG 등 대기업이 96%를 점유하는 반면 중소기업의 실적은 거의 없는 실정이다.


 미국 5G 시장 동향


▷ Verizon

Verizon 5G Coverage Map
Verizon Coverage Map

- 미국 주요 통신사업자인 Verizon은 2018년 하반기 5G 상용화 목표로 삼성전자 등과 협력하여 미국 새크라멘토, 시애틀, 덴버를 비롯한 11개 도시에서 고정형무선접속(Fixed Wireless Access, FWA) 기술을 이용한 서비스를 제공할 예정이다.

- FWA 기술을 이용하게 되면 초고속인터넷 유선설비 구축비용을 절감할 수 있게 되는데, Verizon은 3GPP 기술기준이 아닌 Intel, Qualcomm, 삼성 등과 ‘5GTF(5G Technology Forum)’라는 자체기술기준을 개발하여 자사설비에 적용 중이다.


- 주파수 대역: 3.5GHz, 28GHz

▷ AT&T

AT&T 5G Coverage Map
AT&T Coverage Map

AT&T는 3가지 다른 버전의 5G 서비스가 있다.
1) 5GE: LTE 업그레이드 버전 (5G가 아닌데 5G라는 이름을 붙여서 욕을 먹었다.)
2) 5G: sub-6GHz 대역의 850MHz 네트워크 (T-Mobile의 600MHz 네트워크와 유사)
3) 5G Plus: 초고주파(밀리미터파⋅㎜Wave) 기반

- 03/05/2020, AT&T 5G Plus 서비스를 35개 주요 도시에 오픈함.

- 5G 이동형(Mobile)서비스를 제공하려는 사업자인 AT&T는 10여 도시에서 2018년 말 제공 목표이고, T-Mobile은 2019년 상용서비스 개시예정으로 2020년 전국망 서비스제공 목표이며, Sprint는 2019년 상반기 서비스 개시예정으로 같은 해 전국망 서비스 목표를 잡고 있다.

- 주파수 대역: 850MHz, 39GHz

▷ T-Mobile (Sprint)

T-Mobile 5G Coverage Map
T-Mobile Coverage Map

- 주파수 대역: 600MHz, 2.5GHz(Sprint), 28GHz


▷ Apple

- 애플은 현재 2개의 트랙(퀄컴 안테나 사용, 자체 안테나 제작)으로 5G 아이폰을 개발하고 있다. 애플 전문가인 궈밍치 연구원에 따르면, 퀄컴 최신 모뎀을 사용, 초고주파(밀리미터파⋅㎜Wave, 28GHz)6㎓ 이하 주파수(Sub-6㎓) 2가지 모드를 동시에 지원할 것이란 관측이다. 5G는 6㎓ 이하 주파수 대역과 밀리미터파 대역을 동시에 활용하는데, 현재 한국 시장에 출시된 5G 스마트폰은 모두 6㎓ 이하 주파수 대역(3.5㎓)만 지원하는 모델이다. 현재 삼성은 5G 스마트폰 시장의 리더지만, 올해 애플이 5G 아이폰을 출시하면, 화웨이와 더불어 5G 시장을 이끌 것으로 보는 전문가들의 의견이 있다.


 한국 5G 시장 동향

5G 최종 목표인 '꿈의 속도'라는 20Gbps급의 속도는 28GHz의 초광대역을 활용해야만 가능하다. 미국이나 일본 통신사들은 이를 위해 초고주파 대역 위주로 방향을 정했다. 한국이 세계 최초 5G 개통으로 승자가 되었지만, Sub-6㎓ 대역에 머무르면 그 판도가 뒤집힐 수 있다는 얘기다. 국내 5G 속도가 500Mbps 이하의 속도를 내는 이유도 현재 5G 서비스가 3.5㎓ 주파수에만 의존하고 있기 때문이다.

* 참조: 한국 5G 정책 및 성과

▶ 5G 서비스 동향

- 5G 국가별 속도 측정 결과 (01/22 ~ 04/21/2020), by Opensignal
- 5G 미국 속도 측정 결과 (12/2019 ~ 01/2020), by Opensignal


  • 사회에 가져올 변화

- 5G는 통신사들에게는 마케팅 도구가 되고, 통신장비 제조사에게는 생존의 수단이 되며, 콘텐츠 업체와 가전, 자동차 등의 사물인터넷 업체들에게는 제2의 도약을 위한 기회가 될 것이다.

[기고] 5G 시대 맞춰 변화하는 라이브 스트리밍 시장 (지디넷)


▶ 주요 5G 응용 서비스 총정리

- 5G의 주요 킬러 서비스 분야는?
   5G 기반 스마트카, 5G 기반 AR/VR, 5G 기반 로봇, 5G 기반 드론, 5G 기반 실시간 영상 서비스, 5G 기반 토목 응용, 5G 기반 데이터 중계 서비스


CES 2020 5G 기술 및 서비스 동향

일본 KDDI는 삼성전자와 합작으로 2017년에 세계 최초 190km/h를 넘는 자동차에 안정적으로 송수신 하는 5G 이동통신에 성공했으며, 이처럼 5G 기술은 자율주행차에 사용될 주요 통신 기술이다.


  • 5G 관련 예측

- 2022년까지 5G 연결은 전체 모바일 연결의 3%를 차지할 것이며 전 세계 모바일 데이터 트래픽의 약 12%를 차지할 것이다.

- 2022년까지 평균 5G 연결(22GB/월)은 평균 4G 연결(8GB/월)보다 약 3배 많은 트래픽을 생성할 것이다.

- 2022년까지 4G 연결은 총 모바일 연결의 54.3%(2017년에는 34.7%)를 차지할 것이다. 전 세계 모바일 4G 연결은 2017년의 30억 개에서 2022년까지 67억 개로 증가하고 CAGR은 18%로 전망된다. 5G 연결은 2019년에 등장할 것이며 2019년의 50만 대 미만에서 2022년에는 4억 대 이상으로 수만 퍼센트나 증가할 것이다.

- 5G의 성장에 따라, WiFi 기술의 중요도가 떨어질 보일 수 있지만 WiFi 기술 역시 진화할 것이며, 이에 따라 두 네트워크가 계속 공존할 것이라는 전문가의 예측이다.


* 참고 및 출처:
[IT열쇳말] 5세대(5G) 이동통신 (블로터)
- KOTRA & KOTRA 해외시장뉴스
- 시스코 연례 글로벌 모바일 트래픽 전망 업데이트 2017~2022 보고서

- 5G - 미래의 초고속 모바일 네트워크 (infenion)
5세대 통신기술에 필요하다는 ‘밀리미터파’의 모든 것 (동아사이언스)
- "얼마나 다를까" 5G 핵심 기술의 정의 및 4G와의 차이 (ITWorld)
이동통신 5G 시대의 핵심기술 MIMO, 제대로 알아보자
무선 통신을 더 빠르게··· 빔포밍이란?
- '초광대역 전이중통신' 시연 성공...5G 핵심기술 확보 (전자신문)
- 주요 5G 응용 서비스 총정리 (정구민 국민대 교수)
5G Massive MIMO Testbed: From Theory to Reality
[단독]'세계 최초'라는 한국 5G, 속도는 미국의 절반 (네이버뉴스/조선일보)

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