[김문기의 아이씨테크] ⑬-끝. 5G 목표속도 ‘20Gbps’…어떻게 달성할까

[아이뉴스24 김문기 기자] 국제전기통신연합(ITU)이 5G를 통해 얻을 수 있는 목표속도 ‘20Gbps’는 진정 달성 가능한 숫자일까.

국내에서 현재 5G망을 통해 낼 수 있는 이론상 다운로드 최대 속도는 1.5Gbps다. 계획대로 내년 초고주파 28GHz 5G가 활성화된다면 교차 접속해 이론상 다운로드 최대 4.2Gbps를 낼 수 있다. 주파수집성기술(CA)이 도입된다면 5.7Gbps에 이르는 속도 구현까지도 가능하다. 여기에 기존 LTE 대역까지 보완재로 쓰일 수 있다면 최대 속도는 약 7Gbps에 이른다.

내년 단말칩셋의 스펙을 살펴보면 이같은 속도 달성은 가능성이 있다. 퀄컴 스냅드래곤 X65 5G-RF 솔루션을 살펴보면 초고주파에서는 100MHz대역폭 10개의 주파수를 집성할 수 있다. 6GHz 이하(Sub-6)에서는 300MHz대역폭까지 가용할 수 있다.

사실상 국내 네트워크 인프라 상 단말의 한계치 내 위치하기 때문에 충분히 모든 인프라를 활용할 수 있다.

하지만 목표 속도인 20Gbps까지는 갈 길이 멀다.

◆ 5G 트래픽 폭증은 언제?…기약 없는 추가 대역 확보

이동통신 네트워크 속도를 높일 수 있는 가장 필수 요소는 주파수다. 주파수 대역과 총량이 속도를 내는 기본 체력이 된다. 즉, 속도에 있어 주파수는 다다익선이다.

그렇다면 언제쯤 5G 추가 주파수가 공급될까.

과학기술정보통신부는 2026년까지 5G 주파수로 최대 2천640MHz폭을 확보하기로 했다. 이중 올해말에는 약 2천MHz폭에 이르는 주파수를 확보한다. 즉, 언제든 추가 주파수에 대한 공급 가능성은 열려 있는 셈이다.

다만, 실제 주파수를 필요로 하는가에 대한 조건이 충족돼야 한다. 당연히 필요없다고 한다면 굳이 할당할 이유도 없고 할당대가를 낼 이유도 없다.

ETRI가 지난 2018년 발표한 보고서에 따르면 국내 공급된 3.5GHz 5G 주파수 대역은 오는 2023년 포화가 예상된다. 즉, 올해말부터 주파수 경매에 대한 논의를 시작해 내년에는 실제 경매를 진행해야 한다.

하지만 현재 이통업계에서는 5G 트래픽이 예상과는 달리 크지 않다는 분석이다. 트래픽 포화 수준이 전체 약 10%를 상회하는 것으로 알려졌다. 그만큼 아직까지는 여유가 있다는 의미다. 다급하게 추가 주파수 할당을 바라지 않을 수 있다.

또한 주파수 확보를 위해서 선결돼야 할 난제도 있다. 주파수 간섭이 발생하는 대역에 대한 정비와 LTE로 운영 중인(2.6GHz) 대역에 대한 정부와 이통사간의 의견대립이 해소되지 않고 있다. 초고주파 활성화 미비로 인해 차기 배포에 대한 불확실성도 걷어내야 한다.

◆ 이동통신 로드맵상 꿈은 이뤄진다

정확한 주파수 경매 일정을 예상할 수는 없지만 현재 확보하고 있는 대역을 중심으로 향후 속도 증가를 예상해볼 수는 있다.

가장 가까운 주파수는 현재 5G를 운영하고 있는 3.5GHz 인접대역이다. 과기정통부는 올해까지 3.7~4.0GHz 대역에 이르는 총 300MHz폭을 확보키로 했다. 5G 1차 경매에서 간섭이슈로 제외된-3.4~3.42GHz 주파수 20MHz폭은 간섭이 해결돼 LG유플러스가 심사할당을 주장하고 있다 - 사례가 다시 발생하지 않는다면 이통3사가 고루 나눠 가져갈 수 있다.

이렇게 되면 3.5GHz 주파수에서 200MHz대역폭이라는 초광대역을 이통3사가 품게 된다. 속도는 2배로 향상돼 약 3Gbps에 도달한다.

내년에는 초고주파 대역 역시 총 1천400MHz폭에 이르는 광대한 주파수를 확보한다. 이 역시 초고주파에서의 속도 향상을 기대할 수 있다.

전세계적으로 5G 전환에 쓰이고 있는 저대역은 넓은 커버리지를 확보할 수 있는 보완재 역할을 한다. 무엇보다 LTE로 운영된 2.6GHz 대역과 와이브로 종료로 인해 확보한 2.3GHz 대역이 부상한다. 이 외에도 700~800MHz 저대역도 눈에 띈다.

즉, 올해말까지 확보된 주파수가 이통3사에 배분 된다면 10기가비트에 이르는 5G 속도 달성은 이론상 가능하다는 결론이 내려진다.

지속적은 5G 주파수 공급으로 인해 속도 향상을 기대할 수도 있겠으나, 달리 영향을 주는 요소로 변복조나 안테나 기술 등을 꼽을 수 있다. 현재 초고주파에서는 2x2 다중안테나(MIMO)를, 6GHz 이하 대역에서는 4x4 MIMO를 적용 중이다. 또한 동일 대역에서 256쾀(QAM) 변복조 기술이 적용돼 있다.

3GPP의 표준 정립 과정에서 진화된 기술들에 대한 논의가 이뤄질 것으로 기대된다. 안테나 역시 많으면 많을 수록 전달하는 데이터량이 높아지기 때문에 속도가 높아진다. 변복조 기술은 단순하게는 압축률로 표현할 수 있으며 더 작게 만들수록 한번에 보낼 수 있는 데이터량이 늘어나 이 역시 속도에 영향을 준다.

안테나는 통상적으로 늘어날수록 2배 가량의 속도 향상을, 변복조 기술은 약 25% 가량의 데이터 처리 능력을 올려준다. 8x8 MIMO나 512쾀, 1024쾀 등의 기술 개발이 이어지고 있다.

결론적으로 5G 트래픽 증가율에 따른 적절한 추가 주파수 확보 및 배분이 이뤄져야 하고 그 과정에서 끊임없이 이동통신 기술을 진화시켜나간다면 5G가 성숙될 것으로 예상되는 2026년 이후에는 꿈의 속도인 20Gbps 달성이 가능할 것으로 예상된다.

◆ 기지국도 단말도…'안테나'와의 싸움

네트워크 인프라가 갖춰졌다고 해서 곧장 고객이 이같은 혜택을 누릴 수는 없다. 실제로 사용 가능한 단말이 필요하기 때문이다. 기지국 측면에서도 난관이 예상되기는 하나 그보다 더 작은 크기의 스마트폰 등은 안테나 기술 고도화가 필수적인 해결과제로 꼽힌다.

주파수 대역이 높아질수록, 대역폭이 더 커질수록, 필요한 안테나 수는 더 증가한다. 특히 빔포밍 등 5G 주파수 특성상 안테나의 역할은 이전세대 대비 복잡해졌다.

예를 들어 LTE 기지국의 경우 안테나 8개 정도가 적용된다. 이 안테나가 360도를 커버한다. 하지만 3.5GHz 대역 안테나는 무려 128개의 안테나가 집적된다. 초고주파(mmWave)의 경우 512개의 안테나가 포함된다. 이에 따라 LTE와 달리 5G 장비는 평평한 크기가 큰 형태로 제작된다.

기지국의 안테나에서 전달하는 데이터를 단말에서 받아야 한다. 단순하게 4개의 안테나가 데이터를 전송해줬는데 단말에서는 2개 안테나가 이를 받게 된다면 속도는 반감되는 것이나 마찬가지다. 즉, 단말의 안테나 설계 난이도가 상당히 높다는 의미다.

대표적으로 퀄컴은 LTE 시절 스냅드래곤 데모 프로그램을 가동해 제조사가 손쉽게 단말을 제작할 수 있는 환경을 조성해줬다. 스냅드래곤 모바일 AP에 대한 최적화 솔루션을 제시한 셈이다. 이후 5G 시대에서는 퀄컴은 이 데모에 RF프론트엔드 솔루션(REFE)를 더했다. AP와 통신모뎀뿐만 아니라 모뎀과 안테나를 잇는 작업 역시 난이도가 높을 뿐더러 최적화에 큰 영향을 끼치기 때문이다. 이 때부터 퀄컴은 통신모뎀에 대한 명칭을 ‘스냅드래곤 Xxx 5G’에서 ‘스냅드래곤 Xxx 5G-RF 솔루션’이라 불렀다.

또한 전력도 해결해야 할 과제다. 스마트폰의 경우 전력을 가장 많이 소비하는 곳은 디스플레이지만 그에 못지 않게 RF 측에서도 전력 소모가 크다. 예를 들어 불통지역에서 배터리가 빨리 소모되는 경험이 바로 이 때문에 발생한 것. 주파수 대역이 높을수록 증폭해야 할 에너지가 높고 또 반대로 이를 감소시킬 때도 그만큼의 에너지가 소모된다. 가용 주파수가 많아도 전력 소모가 커진다.

전력이 상시 제공되는 기지국과는 달리 단말의 경우 배터리 소모량을 최소화할 수 있는 다양한 신기술이 접목돼야 한다.

때문에, 5G 시대에는 기존의 폼팩터와는 달리 좀 더 큰 크기의 단말 설계가 각광받을 수 있다. 더 큰 화면으로 콘텐츠를 소비하고자 탄생한 ‘폴더블 스마트폰’의 경우 향후에도 대세가 될 수 있는 이유가 기존 고유의 이동통신 기술을 접목시키기 위한 ‘신의 한수’일 수도 있다는 의미다.

최근 글로벌 공룡들이 자체 모바일 애플리케이션(AP)을 개발해 각광받고 있기는 하나 통신모뎀 측면에서는 퀄컴의 종속을 벗어나지 못하고 있다. 애플과 구글 역시도 퀄컴 통신모뎀 솔루션을 사용하고 있다. 퀄컴과 겨뤘던 인텔은 5G 진입 전 백기를 올렸다.

현재는 삼성전자가 5G 통신모뎀의 끈을 놓고 있지 않다. LTE 때는 별도의 독립모델을 내세울 정도로 공을 들였으나 시련을 겪었다. 다만, 다시 5G 시대의 역전을 노리고 있다. 중국은 반도체로 일어서겠다며 대규모 투자를 단행한 칭화유니그룹이 휘청거리고 있다. 통신모뎀 개발 후 실제 테스트까지 진행한 유니SOC의 행보가 주목 받는다. 대만 미디어텍 역시 꾸준히 이 시장의 문을 두드리고 있다.