2년 동안 기지국이 91개밖에 건설되지 않았습니다. 5G 밀리미터파는 왜 이렇게 어려운 걸까요?

 6GHz 이하 대역의 5G 네트워크를 오래된 도시의 1차선 고속도로를 확장하는 것에 비유한다면, 밀리미터파 5G는 새로운 도시에 4~8차선 고속도로를 건설하는 것과 같습니다.      

6GHz 이하 대역과 비교했을 때, 밀리미터파는 넓은 대역폭, 높은 용량, 낮은 지연 시간이라는 장점뿐만 아니라 초고주파 대역에 속하기 때문에 이동통신 업계에 있어 마치 미개척지, 오염되지 않은 순수한 땅과 같아서 무선 간섭에 대한 걱정 없이 자유롭게 사용할 수 있습니다.    

밀리미터파는 한때 5G 시대에서 가장 가치 있는 주파수 자원으로 여겨졌습니다. 그러나 현재 전 세계적으로 6GHz 이하 대역의 5G가 빠르게 발전하고 있는 반면, 밀리미터파 5G의 발전은 매우 더디게 진행되고 있으며, 심지어는 난관에 봉착해 있습니다.
   
   

      1       ,밀리미터파 5G 개발의 난제와 관련하여, 세계적인 5G 선도국인 한국은 가장 대표적인 사례라고 할 수 있습니다. 한국은 일찌감치 2018년에 3.5GHz와 28GHz 5G 주파수 대역 경매를 실시했습니다. 5G 주파수 대역을 확보한 후, 한국의 3대 통신사는 규제 당국에 3~5년 내 5G 기지국 건설 계획을 제출했습니다. 그중 3개 통신사는 2021년 말까지 3년 안에 28GHz 밀리미터파 5G 기지국 45,215기를 건설하겠다고 약속했습니다.

하지만 한국에서는 3.5GHz 5G 네트워크 구축이 활발히 진행되고 있는 반면, 28GHz 5G 구축은 매우 더디게 진행되고 있습니다. 2021년 3월 기준으로 한국의 주요 이동통신사 3곳이 설치한 28GHz 5G 기지국은 총 91개에 불과하며, 이는 당초 계획에 크게 못 미치는 수치입니다.      

한국 규제 당국은 이동통신 사업자들에게 밀리미터파 5G 구축 속도를 높일 것을 거듭 촉구했으며, 2021년 말까지 목표를 달성하지 못할 경우 28GHz 주파수 대역을 폐지하겠다고 경고하기까지 했습니다. 그러나 한국 사업자들은 그저 손을 들고 어쩔 수 없다는 반응만 보였습니다. 사업자들은 밀리미터파 서비스 모델이 불분명하고, 기술과 장비가 성숙하지 않았으며, 커버리지 용량이 3.5GHz의 10~15% 수준에 불과하다고 주장했습니다. 또한, 초고밀도 기지국 구축이 필요하고, 네트워크 투자 비용이 3.5GHz에 비해 기하급수적으로 증가하기 때문에 전국적인 네트워크 구축에는 적합하지 않고, 핫스팟 지역이나 5G 사설망 구축에만 활용 가능하다고 밝혔습니다.

     

한국 통신사들은 28GHz 5G 구축에서 미국과 1위 자리를 놓고 경쟁할 필요가 없다고 밝혔습니다. 미국의 광섬유 브로드밴드 보급률이 낮기 때문에 5G 밀리미터파 고정 무선 기술을 활용해 FTTH(Fiber-to-the-Home)를 대체하려는 전략이라는 것입니다. 그러나 한국의 광섬유 브로드밴드 보급률은 이미 높은 수준이며, 밀리미터파 대역은 주로 이동통신 서비스와 기업 사설망에 사용될 것으로 예상됩니다. 하지만 소비자 중심의 이동통신 서비스에는 대규모 기지국 구축이 필요하고, 네트워크 구축 비용이 과도하게 높습니다. 또한, 산업별 2B 사설망 구축을 위한 현재의 사업 모델은 아직 성숙 단계에 이르지 못했습니다.      

밀리미터파 5G 네트워크 구축 비용이 너무 높아 이동통신사들이 투자를 꺼리고 있으므로, 3개 이동통신사가 공동으로 구축하고 공유하는 방안이 제시되었다. 한국 업계는 밀리미터파 5G 구축이 더디게 진행되는 상황을 고려하여 이러한 제안을 내놓았다.    

하지만 문제는 다시 발생합니다. 한편으로, 세 개의 통신사가 밀리미터파 5G 공용 네트워크를 공동으로 구축하고 공유하는 경우, 밀리미터파 무선 커버리지가 너무 작아 단말기가 한 통신사의 네트워크 영역에서 다른 통신사의 영역으로 이동할 때 통신 끊김 현상이 발생하기 쉽습니다. 다른 한편으로, 5G 사설 네트워크는 향후 2B 분야에서 통신사 간 경쟁의 중심이 될 것이며, 통신사들이 공동 구축 및 공유 협력을 달성하기 어려울 것입니다.    

한국도 예외는 아닙니다. 미국은 이미 2019년에 5G 밀리미터파를 상용화했습니다. 시장조사기관 오픈시그널의 최신 조사 데이터에 따르면, 미국의 5G 밀리미터파 네트워크 가용률은 현재 1% 미만입니다. 통계에 따르면 2021년 1월 기준 전 세계에서 5G 밀리미터파 서비스를 제공하는 사업자는 단 8곳에 불과합니다. 이러한 데이터는 전 세계 5G 밀리미터파 개발이 매우 더디게 진행되고 있음을 보여줍니다.    

2,5G 밀리미터파는 어떻게 되었을까요? 개발이 왜 이렇게 더딘 걸까요? 아래 표를 통해 설명해 드리겠습니다.    
   
   

보장 범위

밀리미터파의 장점은 넓은 대역폭과 높은 용량입니다. 그러나 높은 주파수, 짧은 파장, 자유 공간 전파 손실, 투과 손실 및 회절 손실로 인해 단일 셀의 커버리지가 매우 제한적입니다. 실제 측정 결과에 따르면 단말기가 가시선(LoS) 내에 있더라도 밀리미터파 셀의 커버리지는 약 100미터에 불과하며, 이는 Wi-Fi의 커버리지와 거의 유사합니다. 6GHz 이하 대역과 비교했을 때, 밀리미터파는 회절 특성이 좋지 않아 투과력이 떨어지므로 벽, 문, 가구 등의 장애물을 통과하기 어렵습니다. 따라서 건물이 밀집된 도심 지역에서는 안정적이고 빠른 통신을 제공하기 위해 기지국을 더 많이 구축하고 기지국과 단말기 간의 가시선 확보가 필수적입니다.

     

2B 시나리오에서 5G 사설망을 특정 지점에 구축하더라도, 대규모 캠퍼스나 공장 등에는 더 많은 기지국을 설치해야 하는 문제가 있습니다. 또한 공장, 사무실, 병원 등의 실내에는 벽, 문, 장비 등 다양한 장애물이 존재하기 때문에 고속의 안정적인 통신을 유지하기 위해서는 단말기와 기지국 간의 가시선 확보가 필수적입니다. 더 나아가 여러 지점에 기지국을 설치해야 하므로 네트워크 구축 비용이 증가할 수밖에 없습니다.

해결책은 Massive MIMO+ 빔포밍을 통해 커버리지를 확대하는 것이지만, 이는 안테나 유닛, 전력 증폭기, 저잡음 증폭기 및 기타 부품의 수를 늘려 장비 비용 또한 증가시킬 것입니다. 또한, 밀리미터파 커버리지는 중계기와 반사기를 설치하는 방식으로도 확장할 수 있습니다.    

기지국 단가    

6GHz 이하 대역과 비교했을 때, 밀리미터파는 더 많은 기지국 건설이 필요할 뿐만 아니라, 더 큰 문제는 밀리미터파 기지국의 단가가 6GHz 이하 대역보다 약 30~40% 더 높다는 점입니다.    

주요 이유는 다음과 같습니다.
1) 전 세계 대부분의 통신 사업자는 규모의 경제라는 이점을 활용하여 6GHz 이하 대역을 통해 5G 네트워크를 구축해 왔습니다. 그러나 전 세계적으로 밀리미터파 기지국은 매우 부족하며, 설치 단가가 더 높습니다.
2) The DU and RU of the sub 6GHz base station are separated, and the DU can be deployed centrally, while the RU and DU of the millimeter wave base station are co-located, so the price is more expensive;
3) 밀리미터파 기지국과 6GHz 이하 기지국 사이에는 내부 구조적 차이가 있습니다(예를 들어, 밀리미터파 기지국은 안테나 유닛 수가 더 많습니다).    

최종 생태학    

6GHz 이하 대역 단말기 생태계는 현재 스마트폰, 5G CPE, 5G 모듈 등 다양한 제품이 출시되면서 성장세를 보이고 있습니다. 하지만 밀리미터파 단말기 생태계는 특히 2B 분야에서 아직 초기 단계에 머물러 있습니다. 그럼에도 불구하고 글로벌 단말기 칩 제조업체들은 6GHz 이하 대역 생태계에 대해 낙관적인 전망을 내놓고 있으며, 밀리미터파만을 사용하는 모뎀 개발에는 적극적이지 않을 것으로 예상됩니다. 이는 밀리미터파만을 독자적으로 사용하는 5G 사설망은 아직 존재하지 않을 것임을 의미합니다.    

건설 및 운영 비용    

앞서 언급했듯이, 밀리미터파를 사용하여 5G 공용 네트워크를 구축하려면 고밀도 기지국을 설치해야 합니다. 이로 인해 구축 및 운영 비용이 6GHz 이하 대역에 비해 기하급수적으로 증가합니다. 그렇다면 밀리미터파를 사용하여 5G 사설 네트워크를 구축한다면 어떨까요? 현재 5G 2B 사설 네트워크 개발의 가장 큰 걸림돌 중 하나는 Wi-Fi보다 높은 구축 비용입니다. 밀리미터파를 이용한 5G 사설 네트워크 구축 비용은 6GHz 이하 대역보다 훨씬 높습니다. 이는 기업용 5G 사설 네트워크 구축의 진입 장벽을 더욱 높이는 요인입니다.    

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