5G를 이렇게 간단하고 명확하게 설명한 것은 이번이 처음입니다.

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간단하고 마법같은 공식

오늘 이야기는 하나의 공식으로 시작됩니다.

이 공식은 단순하면서도 마법과 같습니다. 단순하다는 것은 총 세 글자로 이루어져 있다는 뜻이고, 마법과 같다는 것은 이 공식에 통신 기술의 심오한 비밀이 담겨 있다는 뜻이며, 전 세계 수많은 사람들이 이 공식에 매료되어 있다는 사실 때문입니다.

이 공식은 바로 그것입니다——

많은 학생들이 이 공식을 알고 있을 거라고 생각합니다. 혹시 모르시는 분, 특히 과학을 전공하는 학생이라면 시간 되실 때 중학교 물리 선생님께 꼭 전화해 보세요!

위 공식은 물리학의 기본 공식인데, 설명해 주시겠어요?빛의 속도 = 파장 × 주파수.

이 공식에 대해 다음과 같이 말할 수 있습니다.1G든, 2G든, 3G든, 4G든, 5G든, 모든 것은 똑같습니다. 모두들 호들갑을 떨기만 할 뿐, "다섯 손가락 산"에서 뛰어내리려는 시도는 하지 않습니다.

천천히 말씀드릴게요.

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유선? 무선?

통신 기술은 블랙 테크놀로지든 화이트 테크놀로지든 간에 궁극적으로 두 가지 유형으로 나눌 수 있다.유선 통신과 무선 통신.

제가 당신과 전화 통화를 할 때, 정보와 데이터는 공기 중(눈에 보이지 않고 만질 수 없는)으로 전송되거나 물리적인 물체(눈에 보이고 만질 수 있는)를 통해 전송됩니다.

물리적 물질을 통해 전송되는 경우 유선 통신이라고 하며, 기본적으로 구리선과 광섬유 케이블을 사용하는데, 이를 통칭하여 유선 매체라고 합니다.

유선 매체를 통해 데이터를 전송할 때 전송 속도는 매우 높은 값에 도달할 수 있습니다.

실험실에서 광섬유를 예로 들면,단일 광섬유의 최대 속도가 26Tbps에 도달했습니다. 이는 기존 네트워크 케이블보다 26,000배 빠른 속도입니다.

광섬유

공중 전파 부분이 이동 통신의 병목 현상입니다.

현재 주류 모바일 통신 표준은 4G LTE이며, 이론상 최대 속도는 (캐리어 어그리게이션을 제외하고) 150Mbps에 불과합니다. 이는 유선 통신과는 완전히 비교할 수 없는 수준입니다.

따라서 5G가 높은 종단 간 속도를 달성하려면 무선 부분의 병목 현상을 극복하는 데 집중해야 합니다.

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정말 마법같은 파도네요

우리 모두가 알다시피, 무선 통신은 전자기파를 이용하여 통신합니다. 라디오파와 빛은 모두 전자기파의 일종입니다.

전자기파의 기능적 특성은 주파수에 의해 결정됩니다.주파수가 다른 전자기파는 서로 다른 성질과 특성을 가지고 있으므로 용도도 다릅니다.

예를 들어, 고주파 감마선은 매우 치명적이며 종양 치료에 사용될 수 있습니다.

일정한 주파수의 전자기파

현재 우리는 주로 전파를 이용해 소통하고 있습니다. 물론 LiFi와 같은 광파 통신도 점차 발전하고 있습니다.

LiFi(Light Fidelity), 可见光信

이야기가 딴 데로 새지 않도록, 먼저 라디오 전파 이야기로 돌아가 보겠습니다.

라디오파는 전자기파의 일종이며, 사용 가능한 주파수 범위가 제한적입니다.

간섭과 충돌을 방지하기 위해, 우리는 전파 고속도로의 차선을 더욱 세분화하여 각각 다른 대상과 용도에 할당합니다.

서로 다른 주파수의 전파 활용

위 사진의 빨간색 글씨에 주목해 주세요. 지금까지 저희는 주로 다음을 사용해 왔습니다.휴대전화 통신에는 중주파수부터 초고주파수까지가 사용됩니다.

예를 들어, 자주 언급되는 "GSM900"과 "CDMA800"은 각각 900MHz 주파수 대역에서 작동하는 GSM과 800MHz 주파수 대역에서 작동하는 CDMA를 의미합니다.

현재 전 세계적으로 주류를 이루는 4G LTE 기술 표준은 다음 중 하나에 속합니다.UHF와 UHF.

우리나라에서는 주로 UHF를 사용합니다.

보시는 바와 같이 1G, 2G, 3G, 4G가 개발되면서 사용되는 전파의 주파수가 점점 높아지고 있습니다.

왜 이런거야?

이는 주로 다음과 같은 이유 때문입니다.주파수가 높을수록 사용할 수 있는 주파수 자원이 더 풍부해집니다.주파수 자원이 풍부할수록 달성할 수 있는 전송 속도가 높아집니다.

주파수가 높을수록 → 리소스가 많아지고 → 속도가 빨라집니다.

이해하기 어렵지 않겠죠? 주파수 자원은 마치 객차와 같습니다. 주파수가 높을수록 객차가 많아지고, 동시에 더 많은 정보를 실을 수 있습니다.

그렇다면 5G에서 사용하는 구체적인 주파수는 무엇일까요?

아래 그림과 같이:

5G의 주파수 대역은 크게 두 가지 유형으로 나뉩니다. 하나는 6GHz 이하의 대역으로, 현재의 2/3/4G와 크게 다르지 않습니다. 다른 하나는 매우 높은 주파수 대역입니다.24GHz 이상.

현재 국제적으로는 주로 사용되고 있습니다. 28GHz 실험을 진행합니다 (이 주파수 대역은 5G의 첫 번째 상용 주파수 대역이 될 수도 있습니다).

위에서 언급한 공식에 따라 28GHz를 기준으로 계산하면 다음과 같습니다.

네, 이것이 5G의 첫 번째 기술적 특징입니다.

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밀리미터 파

방금 보여드린 빈도 비교표를 다시 게시하겠습니다.

맨 아래 줄을 잘 보세요. "밀리미터파"인가요?

어서, 어서!

좋아요, 고주파가 그렇게 좋으니 여러분은 분명히 이렇게 물어보실 거예요:"왜 우리는 이전에 고주파를 사용하지 않았을까요?"

이유는 간단합니다. 사용하고 싶지 않아서가 아니라, 살 여유가 없어서입니다.

전자기파의 주요 특징은 주파수가 높을수록 파장이 짧아지고 직선 전파에 가까워진다는 점입니다(회절 능력이 떨어짐).주파수가 높을수록 전파 매체의 감쇠도 커집니다.

레이저 포인터(파장은 약 635nm)를 보세요. 방출되는 빛은 직선으로 뻗어 있습니다. 만약 빛이 차단된다면 통과할 수 없을 것입니다.

위성 통신과 GPS 내비게이션(파장은 약 1cm)을 예로 들면, 장애물이 있으면 신호가 잡히지 않습니다.

위성 안테나는 위성 방향을 정확히 조준하도록 보정해야 합니다. 그렇지 않으면 아주 작은 오차라도 신호 품질에 영향을 미칩니다.

이동통신이 고주파 대역을 사용한다면 가장 큰 문제는 다음과 같습니다.전송 거리가 크게 단축되고 커버리지 범위가 크게 약화됩니다.

동일한 영역을 대상으로,5G에 필요한 기지국 수는 4G에 필요한 수를 훨씬 넘어설 것입니다.

기지국 개수가 많다는 건 무슨 의미일까요? 바로 돈입니다! 투자! 비용!

주파수가 낮을수록 네트워크 구축 비용이 저렴해지고 경쟁이 더욱 치열해집니다. 이것이 바로 최근 몇 년 동안 차이나텔레콤, 차이나모바일, 차이나유니콤이 저주파 대역 확보를 위해 치열한 경쟁을 벌여온 이유입니다.

일부 주파수 대역은 심지어 — — 라고 불리기도 합니다.골든 밴드.

이것이 바로 5G 시대에 통신 사업자들이 기지국 가격 인하를 위해 장비 제조업체들과 필사적으로 경쟁하는 이유입니다.

따라서 위와 같은 이유로 고빈도 환경을 전제로 네트워크 구축 비용 부담을 줄이기 위해,5G는 새로운 해결책을 찾아야 한다.

탈출구는 무엇인가?

첫째, 마이크로 기지국이 있습니다.

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마이크로 기지국

기지국에는 마이크로 기지국과 매크로 기지국 두 종류가 있습니다. 이름만 봐도 마이크로 기지국은 크기가 매우 작고 매크로 기지국은 크기가 매우 크다는 것을 알 수 있습니다!

매크로 기지국:

야외에 흔히 설치하며, 넓은 면적을 덮을 수 있도록 만드세요.

마이크로 기지국:

멋있어 보이지 않아요?

손바닥만 한 아주 작은 것들도 있습니다.

실제로 요즘에는 특히 도심 지역이나 실내에 마이크로 기지국이 많이 설치되어 있어 흔히 볼 수 있습니다.

5G 시대에는 더욱 많은 마이크로 기지국이 설치되어 거의 모든 곳에서 볼 수 있게 될 것입니다.

주변에 기지국이 그렇게 많으면 인체에 어떤 영향이 있을지 궁금해하실 겁니다.

제 대답은 '아니요'입니다.

사실, 전통적인 이해와는 달리, 실제로는기지국 수가 많을수록 방사선량은 줄어듭니다!

생각해 보세요. 겨울철에 여러 사람이 함께 사는 집에서 고출력 히터 하나를 사용하는 것이 좋을까요, 아니면 저출력 히터 여러 대를 사용하는 것이 좋을까요?

고출력 솔루션▼

저전력 솔루션▼

위의 그림은 한눈에 명확하게 보입니다.기지국은 크기가 작고 전력 소모가 적어 모두에게 좋습니다.대형 기지국을 하나만 사용하는 경우, 기지국이 가까우면 방사선량이 많아지지만, 멀리 떨어져 있으면 신호가 잡히지 않아 좋지 않습니다.

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안테나는 어디로 갔지?

혹시 눈치채셨나요? 예전 휴대폰에는 아주 긴 안테나가 있었고, 초기 휴대폰에는 작고 튀어나온 안테나도 있었죠. 그런데 왜 지금 휴대폰에는 안테나가 없을까요?

사실 안테나가 필요 없다는 게 아닙니다.안테나 크기가 작아졌습니다.

안테나 특성에 따르면 안테나 길이는 파장에 비례해야 하며, 대략 1/10~1/4 정도여야 합니다.

시간이 흐르면서 휴대전화의 통신 주파수는 점점 높아지고, 파장은 점점 짧아지며, 안테나 또한 점점 작아지고 있습니다!

밀리미터파 통신을 위해 안테나 또한 밀리미터급으로 발전했습니다.

즉, 안테나를 휴대폰에 삽입할 수 있으며, 여러 개의 안테나를 삽입할 수도 있다는 뜻입니다.

이것이 5G의 세 번째로 큰 킬러 기능입니다——

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Ｍ어시시브 MIMO

(다중 안테나 기술)

MIMO는 "다중 입력 다중 출력(Multiple-Input Multiple-Output)"의 약자로, 여러 개의 안테나가 송신하고 여러 개의 안테나가 수신하는 기술입니다.

LTE 시대에는 이미 MIMO 기술이 있었지만, 안테나 개수가 많지 않아 MIMO의 하위 버전이라고 할 수 있었습니다.

5G 시대에 MIMO 기술은 지속적으로 발전하여 이제는 대규모 MIMO(Massive: 대규모, 거대한)의 향상된 버전으로 진화했습니다.

휴대전화에는 기지국은 물론이고 여러 개의 안테나가 내장되어 있습니다.

과거에는 기지국에 안테나가 몇 개밖에 없었습니다.

5G 시대에는 안테나 개수를 제곱으로 계산하는 것이 아니라 "어레이"로 계산합니다... "안테나 어레이"... 언뜻 보면 공포증을 유발하는 단어처럼 들립니다...

하지만 안테나 사이의 거리가 너무 가까우면 안 됩니다.

안테나의 특성상, 다중 안테나 배열은 안테나 간 거리를 파장의 절반 이상으로 유지해야 합니다. 거리가 너무 가까우면 안테나 간 간섭이 발생하여 신호 송수신에 영향을 미칩니다.

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빔 포밍

전구가 빛나는 모습을 본 적 있는 사람이라면 누구나 있을 거예요, 그렇죠?

실제로 기지국이 신호를 송신할 때, 마치 전구가 빛을 내는 것과 비슷합니다.

신호는 주변으로 방출됩니다. 빛의 경우, 당연히 방 전체를 밝힙니다. 특정 영역이나 물체만 비추고 싶다면 대부분의 빛은 낭비됩니다.

기지국도 마찬가지로 많은 에너지와 자원이 낭비됩니다.

흩어진 빛을 하나로 묶을 보이지 않는 손을 찾을 수 있을까요?

이는 에너지를 절약할 뿐만 아니라 조명이 필요한 영역에 충분한 빛이 공급되도록 보장합니다.

답은 '예'입니다.

이것이 바로 빔포밍입니다.

기지국에는 안테나 어레이가 배치되어 있으며, 무선 주파수 신호의 위상을 제어함으로써 상호 작용 후 전자기파의 로브가 매우 좁아져 서비스를 제공하는 휴대폰을 향하게 되며, 휴대폰의 움직임에 따라 방향을 바꿀 수 있습니다.

이 공간 다중화 기술은 빔 간 간섭 없이 전방향 신호 커버리지에서 정밀 방향성 서비스로 전환됩니다.동일 공간에 더 많은 통신 링크를 제공하여 기지국의 서비스 용량을 크게 향상시킵니다.

직선도 곡선으로 나눌 수 있다... 커뮤니케이션 전문가가 못하는 게 또 있을까?

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돈은 받지 말아 주세요, 알겠죠?

현재의 이동통신망에서는 두 사람이 직접 통화하거나 사진을 주고받는 경우에도 제어 신호와 데이터 패킷을 포함한 모든 신호가 기지국을 거쳐 중계됩니다.

5G 시대에는 반드시 그렇지는 않습니다.

5G의 다섯 번째 주요 특징은 D2D, 즉 기기 간 통신입니다.

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Ｄ２Ｄ

5G 시대에는 동일한 기지국 아래에 있는 두 사용자가 서로 통신할 경우, 데이터가 더 이상 기지국을 거치지 않고 휴대전화에서 휴대전화로 직접 전송됩니다.

이러한 방식으로 막대한 양의 공기 자원을 절약하고 기지국에 가해지는 부담을 줄일 수 있습니다.

하지만 만약 당신이 돈을 내지 않아도 된다고 생각한다면, 그것은 투손에 해를 끼치는 것입니다.

제어 메시지는 여전히 기지국을 통해 전송되어야 합니다. 당신은 주파수 자원을 사용하고 있습니다. 통신 사업자가 어떻게 당신을 보내줄 수 있겠습니까?

추신

이 글을 통해 모든 분들이 5G와 그 통신 원리에 대해 깊이 이해하게 되셨을 거라고 생각합니다. 게다가 이 모든 게 초등학생도 이해할 수 있는 수학 공식에 기반한 거잖아요? 그렇지 않나요?

통신 기술은 신비로운 것이 아닙니다. 통신 기술의 정점에 있는 가장 눈부신 보석인 5G는 난해하거나 혁신적인 혁명 기술이 아닙니다. 오히려 기존 통신 기술의 진화에 가깝습니다.

전문가의 말에 따르면 -

통신 기술의 한계는 기술적 한계가 아니라, 엄밀한 수학적 계산에 기반한 추론입니다. 가까운 미래에 이 한계를 돌파하는 것은 사실상 불가능합니다.

과학적 원리의 범위 내에서 통신의 잠재력을 더욱 탐구하는 방법은 통신 업계의 많은 사람들이 끊임없이 추구하는 목표입니다.

네, 오늘은 여기까지입니다.

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