6GHz 이하 대역 네트워크는 이미 완전히 구축되었는데, 중국은 왜 여전히 5G 밀리미터파를 개발하는 걸까요?

전 세계 5G 네트워크 주파수 대역은 크게 6GHz 이하(Sub-6GHz) 대역과 밀리미터파(mmWave) 대역으로 나뉩니다. 5G 밀리미터파 네트워크와 Sub-6GHz 네트워크는 "둘 중 하나만 선택해야 하는" 대립 관계가 아니라 "둘 다 가질 수 있는" 상호 보완적인 관계입니다. 각국이 어떤 기술 경로를 먼저 선택할지는 자국의 상황에 따라 결정됩니다. 중국의 5G Sub-6GHz 네트워크 구축이 성숙 단계에 접어들면 5G 밀리미터파 네트워크 구축 또한 추진될 예정입니다.

2020년 3월, 산업정보화부는 "5G 가속개발 촉진에 관한 통지"를 발표했습니다. 이 통지에는 "일부 5G 밀리미터파 대역의 주파수 사용 계획을 적시에 발표하고, 5G 밀리미터파 기술의 상용화를 위해 밀리미터파 장비 및 성능 시험을 조직할 것"이라고 명시되어 있었습니다. 2021년 4월 30일, 산업정보화부는 "5G 응용 'Sail' 실행 계획(2021-2023)" 의견 수렴 초안(이하 "초안")을 발표했습니다. 초안은 2023년까지 우리나라의 5G 개인 사용자 보급률을 40% 이상, 사용자 수를 5억 6천만 명 이상으로 끌어올릴 것을 제안하고 있습니다. 동시에, 의견 초안은 "5G 밀리미터파 주파수 계획을 적시에 발표하고 5G 밀리미터파 주파수 사용권 입찰 시스템 도입을 검토할 것"이라고 제안하고 있습니다. 이는 중국에서 5G Sub-6GHz 네트워크가 완전히 구축된 후 5G 밀리미터파 네트워크 구축이 시작될 것임을 의미합니다. 또한, 톈위룽 산업정보부 수석 엔지니어는 지난 3월 국무원 정보판공실 기자회견에서 정보통신산업의 고품질 발전을 촉진하는 방안에 대해 언급하며 "5G 네트워크 구축을 질서정연하게 추진하고 6G 구축 계획을 가속화할 것"이라고 강조한 바 있습니다.

5G 밀리미터파와 6GHz 이하 대역은 상호 보완적입니다.

밀리미터파는 파장이 1mm에서 10mm 사이이고 주파수가 30GHz에서 300GHz 사이인 전자기파를 말합니다. 이동통신 분야에서는 일반적으로 24GHz에서 100GHz 사이의 전자기파를 밀리미터파라고 부릅니다.

국제전기통신연합(ITU)의 2019년 세계전파통신회의(WRC-19)에서는 24GHz에서 86GHz 사이의 밀리미터파 주파수 대역을 국제이동통신(IMT)에 사용하기로 결정했습니다. 그중 24.25~27.5GHz, 37~43.5GHz, 66~71GHz 대역이 전 세계적으로 통합된 IMT 주파수 대역으로 지정되었습니다.

6GHz 이하 주파수 대역을 사용하는 기존의 5G 시스템과 비교했을 때, 5G 밀리미터파 통신은 24GHz에서 100GHz에 이르는 초광대역을 제공하여 더 빠른 속도, 낮은 지연 시간, 유연하고 탄력적인 무선 인터페이스 구성 등의 독보적인 장점을 지니고 있습니다. 이를 통해 미래 무선 통신의 시스템 용량, 전송 속도, 그리고 다양한 응용 분야에 대한 요구를 효과적으로 충족할 수 있습니다.

예를 들어 전송 속도 측면에서 Ookla가 자사의 Speedtest 애플리케이션에서 측정한 대량의 데이터를 기반으로 수행한 최신 분석에 따르면 5G 밀리미터파 주파수 대역은 6GHz 이하 주파수 대역보다 최대 16배 빠른 속도를 낼 수 있습니다.

둘째로, 5G는 데이터를 전송하기 위해 서브캐리어와 타임슬롯이라는 두 가지 차원을 사용합니다. 밀리미터파는 높은 대역폭, 넓은 서브캐리어 간격, 그리고 짧은 타임슬롯이라는 특징을 가지고 있습니다. 이러한 특성 덕분에 5G 밀리미터파의 지연 시간은 6GHz 이하 주파수 대역의 약 25%에 불과합니다. 마찬가지로, 밀리미터파는 더 넓은 대역폭과 더 높은 전송 속도를 제공하기 때문에 더 많은 단말기 접속을 지원할 수 있는 더 큰 용량을 제공할 수 있습니다.

또한, 5G 밀리미터파의 높은 다운링크 속도는 간섭을 줄이면서 고밀도 공간 다중화를 지원하여 동일 지역에서 다수의 사용자가 동시에 인터넷에 접속할 때 발생하는 혼잡 문제를 효과적으로 해결할 수 있습니다. 이는 역, 공항, 경기장 등 인구 밀집 지역에서의 활용에 특히 적합합니다.

In related industry application fields, such as ultra-high-definition video live broadcast, security monitoring, telemedicine and some industrial applications, where there are high requirements for upload speed and low latency, 5G millimeter wave large uplink and lower latency characteristics can better meet these needs.

특히 5G 밀리미터파 네트워크는 광섬유 네트워크와 코어 네트워크 간의 연결 없이 자체 백홀을 구현할 수 있다는 점을 강조해야 합니다. 기존의 6GHz 이하 대역 기반 5G 네트워크는 여전히 광섬유 백홀 솔루션에 의존해야 하므로, 각 5G 기지국이 광섬유를 통해 코어 네트워크에 연결되어야 하며, 이는 구축 비용 증가로 이어집니다. 5G 밀리미터파 IAB(통합 액세스 및 백홀) 기술은 5G 밀리미터파 기지국이 다른 5G 밀리미터파 기지국을 중계 노드로 활용하여 멀티홉 기능을 통해 무선 전송 형태로 코어 네트워크에 백홀할 수 있도록 지원함으로써 구축 비용을 크게 절감할 수 있습니다. 또한, 이러한 기술 덕분에 5G 밀리미터파 기지국을 더욱 경제적이고 고밀도로 구축할 수 있습니다.

또한, 밀리미터파 기술은 5G 차량 대 사물(V2X) 통신에 활용되어 GPS 및 LTE보다 훨씬 뛰어난 정확도(1미터 미만 수준)의 위치 서비스를 제공할 수 있습니다.

차이나유니콤 기술혁신부의 마훙빙 총괄매니저는 "5G 밀리미터파를 MEC 및 AI 기술과 결합함으로써, 밀리미터파는 특정 고객에게 맞춤형 사설 네트워크 서비스를 제공할 수 있으며, 스마트 공장, 스마트 공원, 스마트 단말기 등 다양한 시나리오에서 널리 활용될 수 있다"고 말했다.

밀리미터파는 6GHz 이하 주파수 대역에 비해 속도와 지연 시간 측면에서 유리하지만, 한계점도 존재합니다. 예를 들어, 신호 감쇠가 쉽고, 투과력이 약하며, 쉽게 차단됩니다. 현재 빔포밍, 빔트래킹 등의 기술을 통해 이러한 문제들을 상당 부분 해결할 수 있지만, 6GHz 이하 주파수 대역은 여전히 ​​넓은 커버리지와 저렴한 구축 비용 측면에서 큰 이점을 제공합니다.

결론적으로, 5G 밀리미터파 네트워크와 6GHz 이하 대역 네트워크 구축은 서로 경쟁하거나 대체하는 것이 아니라 상호 보완적인 관계입니다. 6GHz 이하 대역을 활용하여 5G의 광범위한 커버리지를 확보하고, 밀리미터파 시스템을 활용하여 실내 행사장(스포츠 경기, 콘서트, 대규모 회의), 교통 허브(지하철역, 고속철도역), 사무 지역, 그리고 실외 핫스팟, 무선 광대역 접속 등에서 커버리지를 제공할 수 있습니다. 밀리미터파와 6GHz 이하 대역을 조화롭게 구축하면 대용량과 광범위한 커버리지를 유기적으로 결합한 서비스를 구현할 수 있습니다.

중국의 5G 밀리미터파 배치를 위한 사전 준비가 이미 시작되었으며 순조롭게 진행되고 있습니다.

만약 6GHz 이하 대역 네트워크가 5G 커버리지 문제를 해결한다면, 5G 밀리미터파 네트워크는 5G의 장점을 극대화하여 더 큰 가치를 창출할 수 있을 것이다.

퀄컴 차이나의 멍푸 회장은 또한 "5G의 본래 설계 목표를 달성하기 위해서는 모든 주파수 자원을 활용해야 합니다. 6GHz 이하 대역의 중저주파수는 커버리지, 용량, 성능의 균형을 이룰 수 있으며, 24GHz 이상의 고주파 밀리미터파는 궁극적인 5G 성능과 용량을 지원하여 다양한 시나리오와 산업 분야에 차세대 무선 연결 경험을 제공하고, 산업 인터넷과 같은 분야에 초고신뢰 저지연 모바일 통신을 구현할 수 있습니다."라고 밝혔습니다.

지난해 9월 GSMA가 발표한 "5G 밀리미터파 기술 백서"에 따르면, 5G 밀리미터파는 2035년까지 전 세계 GDP에 5,650억 달러를 기여할 것으로 예측된다. 그중 중국에서 5G 밀리미터파 주파수 대역 사용으로 인한 직접적인 경제적 이익은 2034년 이전에 약 1,040억 달러에 달할 것으로 전망된다.

현재 미국, 일본, 유럽 및 동남아시아는 모두 5G 밀리미터파 네트워크를 구축했습니다. 올해 3월 미국 연방조달청(GSA)이 발표한 자료에 따르면 전 세계 150개 이상의 통신 사업자가 5G 밀리미터파 기술에 투자하고 있습니다.

중국 IMT-2020(5G) 추진단의 5G 밀리미터파 시험 계획에 따르면, 5G 밀리미터파의 핵심 기술 및 시스템 특성 검증을 위해 2019년부터 밀리미터파 시험이 시작되었습니다. 2020년부터는 밀리미터파 기지국과 단말기의 기능, 성능 및 상호 운용성을 더욱 심층적으로 검증하고, 고주파 및 저주파 협력 네트워크 검증을 진행할 예정입니다. 이와 동시에 중국 IMT-2020(5G) 추진단은 대표적인 시나리오 검증도 적시에 수행했습니다.

2019년 10월, ZTE와 퀄컴은 IMT-2020(5G) 추진 그룹 주관으로 중국 최초로 스마트폰 기반 5G 밀리미터파 상호 운용성 테스트(IoDT)를 성공적으로 완료했습니다. 2020년 7월 초 3GPP Rel-16 버전에서 새로운 밀리미터파 MIMO OTA 테스트 방식이 명확해진 지 두 달 후인 9월 말, IMT-2020(5G) 추진 그룹 주관으로 퀄컴은 중국 정보통신기술원 MTNet 연구소에서 3GPP Rel-16 MIMO OTA 테스트 방식을 기반으로 한 밀리미터파 성능 테스트를 선도적으로 완료했습니다. 이로써 퀄컴은 중국 최초로 26GHz 5G 밀리미터파 무선 주파수 테스트 10개 항목을 모두 통과한 칩 제조업체가 되었습니다.

밀리미터파 테스트 작업이 순조롭게 진행되는 가운데, 칩 제품의 특성 또한 중국의 밀리미터파 구축 요구사항을 충족하기 위해 지속적으로 최적화되고 있습니다. 퀄컴은 2021년 5월 19일, 지난 2월 출시된 세계 최초 10Gbps 5G 모뎀 및 무선 주파수 시스템인 스냅드래곤 X65에 대한 업그레이드된 기능을 발표했는데, 이 기능은 밀리미터파 200MHz 대역폭과 밀리미터파 SA 모드를 지원하여 중국의 밀리미터파 네트워크 구축에 필요한 핵심 요구사항을 충족합니다.

밀리미터파가 잠재력을 발휘할 산업 응용 시나리오를 고려하여, 중국의 밀리미터파 산업 상하류 제조업체들은 노력을 기울이고 있습니다. 2021년 5월 21일, IMT-2020(5G) 추진 그룹과 차이나유니콤의 기술 지도 하에 ZTE, 차이나유니콤, 퀄컴, TVU 네트워크는 실험실 환경에서 26GHz(n258) 주파수 대역의 대용량 업링크 프레임 구조 기반 5G 밀리미터파 8K 비디오 백홀 서비스 실증을 세계 최초로 성공적으로 완료했습니다.

이번 시연에서 ZTE는 5G 밀리미터파 기지국을 제공했습니다. TVU Networks의 5G 멀티 네트워크 통합 라우터는 퀄컴 스냅드래곤 X55 5G 모뎀 및 RF 시스템과 퀄컴 QTM527 밀리미터파 안테나 모듈이 탑재된 CPE형 테스트 단말기를 통해 5G 밀리미터파 연결을 제공했습니다. 실시간으로 수집된 8K 비디오 콘텐츠는 5G 밀리미터파 업링크를 통해 안정적으로 전송되었고, 최종적으로 수신단에서 성공적으로 재생되었습니다.

IMT-2020(5G) 추진 그룹의 5G 밀리미터파 테스트 계획에 따르면, 차별화된 애플리케이션 시나리오를 지원하기 위해 2021년에 밀리미터파 대용량 업링크 프레임 구조가 보급될 예정입니다. 초고화질 비디오, 특히 8K 비디오의 실시간 백홀은 모바일 네트워크의 업링크 대역폭에 매우 높은 요구 조건을 제시합니다. 이번 실증에 사용된 DSUUU 프레임 구조는 업링크에 더 많은 시간 슬롯을 할당함으로써 기존 밀리미터파 기술 대비 최대 업링크 전송률을 세 배로 향상시켰습니다. 이번 실증을 통해 5G 밀리미터파의 탁월한 업링크 성능이 입증되었으며, 이는 향후 많은 5G 산업 애플리케이션의 대용량 업링크 대역폭 요구 조건을 충족하는 데 매우 중요한 의미를 갖습니다.

2021년 MWC 상하이 전시회 기간 동안 차이나 유니콤과 GSMA가 주최하고 퀄컴이 후원한 5G 밀리미터파 전시 구역에서는 39개 업계 선도 기업이 지원하는 5G 밀리미터파 애플리케이션 및 단말기를 종합적으로 선보였습니다. 전시된 다양한 벤더의 5G 밀리미터파 단말기는 모듈, 휴대폰, CPE, PC, AR(증강 현실) 및 XR(확장 현실) 장비, 생방송용 백팩, 로봇 등 다양한 범주를 아우릅니다.

전시된 5G 밀리미터파 기반 애플리케이션 시나리오는 선수들의 경기 관람 경험, 5G 혼합 현실 스마트 스노우 리조트, 8K 비디오 전송, 5G 풀뷰 이벤트 서비스 및 무료 시청 이벤트 생중계, 5G 밀리미터파 파노라마 경험 등 다양한 분야를 아우릅니다. 밀리미터파 기반 5G 멀티뷰 생중계 솔루션은 장자커우 국제 크로스컨트리 스키장의 야외 경기장을 직접 촬영합니다. 드론, 헤드 마운트 카메라, 전문 사진 카메라 등이 무선 네트워크를 통해 기지국과 통신하며, 선수들의 역동적인 자세를 다양한 각도에서 실시간으로 방송하여 경기장의 다채로운 모습을 생중계하고 실제 관람객에게 다채로운 시청 경험을 제공합니다. 차이나 유니콤은 현재 2022 베이징 동계 올림픽의 유일한 공식 통신 서비스 파트너입니다. 5G 밀리미터파 관련 단말기 및 애플리케이션의 성숙도는 2022 베이징 동계 올림픽에서 밀리미터파 기술을 활용한 더욱 향상된 5G 서비스를 제공하는 데 기여할 것입니다.

5G 밀리미터파 기술은 계속 발전하고 있으며 6G의 중요한 구성 요소가 될 수 있습니다.

밀리미터파 기술은 여전히 ​​발전하고 있습니다. 예를 들어, 앞서 언급한 통합 액세스 및 백홀(IAB) 기술 외에도, 정밀한 단말기 위치 파악을 지원하는 광대역 위치 파악 기술, 52.6GHz 이상의 주파수 대역과 라이선스가 필요 없는 스펙트럼을 지원하여 보조 및 독립 작동을 가능하게 하는 확장 스펙트럼 지원, 풀 빔 최적화 및 다중 안테나 패널 빔 지원을 통해 지연 시간, 안정성 및 성능을 향상시키는 향상된 빔 관리, 여러 노드를 연결할 때 단말기 초기 액세스 지연 시간을 줄이고 커버리지를 개선하는 듀얼 연결 최적화, 그리고 단말기 절전 모드를 최대화하여 전력 소비를 줄이고 링크 피드백 속도를 높이는 절전 기능 등이 있습니다.

5G 밀리미터파 관련 기술의 지속적인 발전은 기능, 효율성, 주파수 자원 및 구축 측면에서 새로운 기회를 창출할 것입니다. 또한, 5G 밀리미터파 기술은 차세대 6G 기술의 중요한 구성 요소가 될 것으로 기대됩니다.

지난해 삼성전자가 발표한 6G 백서 "차세대 초연결 경험(Next Generation Hyper-Connected Experience)"에 따르면, 6G의 최대 전송 속도는 1000Gbps에 달하고 지연 시간은 100μs까지 낮아질 것으로 예상됩니다. 이러한 기술은 이르면 2028년에 완성 및 상용화될 수 있으며, 대규모 상용화는 2030년경에 이루어질 것으로 전망됩니다. 다른 통신 장비 제조업체들도 이러한 핵심 지표와 시점에 대해 대체로 비슷한 견해를 가지고 있습니다.

삼성은 또한 테라헤르츠(THz) 주파수 대역, 고주파 신호 커버리지를 향상시키는 새로운 안테나 기술, 고급 듀플렉스 기술, 네트워크 활용도를 높이고 AI 응용 분야를 강화하기 위한 네트워크 토폴로지 및 스펙트럼 공유 개발 등 6G 표준에 사용될 수 있는 후보 기술들을 제안했습니다.

UNISOC이 발표한 백서 "6G: AI와 함께하는 무한한 가능성"에서는 6G 핵심 기술이 다양화될 것이며, 테라헤르츠 통신, 가시광 통신, 고급 변조 및 디코딩, 위성-지상 협력 전송 등이 6G 핵심 기술이 될 수 있다고 전망합니다.

퀄컴은 AI/ML 데이터 기반 설계, 전이중 통신, 고주파 밀리미터파, 향상된 위치 측정, 테라헤르츠 대역, 지능형 인터페이스, 친환경 네트워크, 무선 주파수 감지, 새로운 토폴로지, 극단적 분리, 클라우드 신경망 구조 탐색, 초고보안 통신, 새로운 공유 패러다임 등 관련 기술 혁신을 강조했습니다.

많은 제조업체들이 테라헤르츠 통신 기술이 6G 통신의 핵심 기술 중 하나가 될 것이라고 믿고 있음을 알 수 있습니다. 테라헤르츠 주파수 대역은 일반적으로 300GHz에서 10,000GHz 사이의 주파수 대역을 의미하며, 300GHz 부근의 전자기파는 고주파 대역의 밀리미터파로도 볼 수 있습니다. 밀리미터파 통신 기술을 확보해야만 테라헤르츠 통신 기술에서 획기적인 발전을 이룰 수 있습니다.

2020년 중반, 화웨이 중국 통신사업부 부사장인 양타오는 화웨이가 이미 6G 관련 사전 연구에 참여하고 있다고 공개적으로 밝혔습니다. 사전 연구에서 다루는 6G는 주로 밀리미터파 대역을 사용하며, 시나리오 분석 및 기술 탐색 단계에 있다고 설명했습니다.

주목할 만한 점은 2019년 말 일본 NTT 그룹의 장비 기술 연구소에서 인듐인화물(InP) 화합물 반도체로 만든 6G 초고속 칩을 개발하고 300GHz 주파수 대역에서 고속 무선 전송 실험을 진행했다는 것입니다. 16QAM 변조 방식을 사용하면 최대 100Gbps의 무선 전송 속도를 달성할 수 있습니다. MIMO와 OAM 같은 공간 다중화 기술을 결합하면 400Gbps를 초과하는 대용량 무선 전송이 가능할 것으로 예상되며, 이는 6G의 최대 전송 속도 요구 사항에 근접한 수치입니다.

In addition, 6G will realize an integrated high-speed communication network in the air, sky, earth and sea, and the millimeter wave frequency band will also be the first choice for inter-satellite links, user links for satellite downward coverage, and feed links from satellites to ground stations.

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