[테크월드뉴스=서유덕 기자] 기술의 역사는 우리가 살고, 일하고, 사회적으로 교류하는 방식을 급진적으로 변모시킨 혁신적인 도구로 결정돼 왔다.
1차 산업 혁명 당시의 증기 엔진과 워터 엔진부터 디지털 혁명을 이끈 마이크로프로세서, 데이터와 에너지 전송 수단으로 무선 스펙트럼이 사용되는 정보의 시대까지, 각 시대는 물질과 에너지, 그리고 최근 들어 지식과 정보를 변모시키는 엔진을 개발해 왔다
다음번 무선 산업 혁명을 향한 여정에서는 무선 스펙트럼이 정보 시대 엔진의 핵심 동력이다.
정보의 필요성
정보 기술이 우리가 통신하고, 배우고, 생각하는 방식에 지대한 영향을 미친다는 사실은 의심의 여지가 없다.
어디서든 즉시 정보에 접근할 수 있는 환경이 일상 생활에서 중요한 역할을 한다. 특히 지금 같은 팬데믹 시기에는 이 기술에 대한 의존도가 훨씬 더 커지고 있다. 국제에너지기구(IEA)와 에릭슨(Ericsson)에 따르면, 2020년 2~4월 동안 인터넷 트래픽은 40% 가까이, 모바일 네트워크 트래픽은 50%나 급증했으며 이 추세가 금세 가라앉지는 않을 전망이다.
정보는 사람과 사물을 연결한다. 시스코(Cisco)에 따르면, 2023년까지 M2M(Machine-to-Machine, 사물지능통신)으로 연결되는 디바이스 수는 290억 개가 넘어 전체 네트워크 연결의 절반을 차지할 것으로 예상된다. 이 같은 유형의 통신은 중요한 분야를 지원하기 위해 매우 빠른 전송 속도와 적은 지연 시간을 요구한다.
자율주행차와 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS)이 전송 속도와 지연의 중요성을 잘 보여준다. 커넥티드 카 주행 시, 승객 안전을 보장하고 차량이 장애물에 부딪히기 전에 멈출 수 있도록 순식간에 결정이 이뤄져야 하기 때문에 데이터의 실시간 전송과 분석이 필수적이다. 빠른 전송 속도가 생명을 구하고 보다 안전한 주행을 이끌어낸다.
밀리미터파로 전환
무선 스펙트럼은 30~300㎓의 주파수를 갖는 전자기 스펙트럼의 일부다. 최근까지 통신 용도로 사용된 주파수는 보통 3-30㎓ 범위로 제한되는 마이크로파(microWave) 대역으로 한정된다. 대다수의 상용 무선 네트워크는 이 대역의 하위 부분, 즉 Sub-6㎓ 대역이라고도 불리는 800㎒와 6㎓ 사이 대역을 사용한다. 즉, 스마트폰의 3G/4G/5G 셀룰러 연결, 가정의 Wi-Fi, 무선 헤드셋의 블루투스(Bluetooth) 연결 등 생각할 수 있는 거의 모든 것이 그런 주파수를 사용해서 정보를 전송하고 있다. 이는 오늘날 무선 네트워크의 주된 과제다.
데이터를 소비하는 사용자와 디바이스의 수가 폭발적으로 증가하고 있지만 통신 사업자들이 사용할 수 있는 무선 스펙트럼 주파수 대역은 바뀌지 않았다. 즉, 각 사용자가 한정된 양의 대역폭에 할당되므로 속도가 느려지고 자주 끊기는 문제가 발생한다.
이 문제를 해결할 수 있는 한 가지 방법은 스펙트럼을 쉽게 사용할 수 있는 대역에서 신호를 전송하는 것이다. 이 전자기 스펙트럼 부분에 속하는, 활용률이 떨어지는 대역폭 양이 막대하기 때문에 밀리미터파(㎜Wave) 대역이 특히 흥미로운 대상이다.
밀리미터파의 주요 이점은 주파수 재사용과 채널 대역폭으로, 이 대역은 멀티 기가비트 모바일 통신 시스템과 고효율 위성에 특히 적합하다. 또한 밀리미터파 대역에서 작동하는 컴포넌트는 크기가 더 작아 고밀도 디바이스들이 근접한 거리에서 동시에 작동하는 상황에 특히 유용하다. 그런 장점 덕분에 정보화 시대의 터보 엔진, 밀리미터파 기술이 데이터 전송 성능을 높일 수 있는 방법으로 손꼽히고 있다.
밀리미터파 기술이 주요 인에이블러(Enabler, 조력자)로 활용되는 네 가지 사용 사례를 살펴보면 [그림]과 같다.
멀티 기가비트 연결 - 용량과 속도 요구 충족
이동통신 사업자에게는 급속히 증가하고 있는 이동통신망 가입자를 위한 고품질 서비스 요구에 부응하는 것이 필수적이다.
최신 통신 시스템에 사용되고 있는 Sub-6㎓ 셀룰러 대역은 사용량이 많고 단편화돼 있다. 따라서 필요한 데이터 처리량을 제공하기 위해서는 간섭 없이 아직 할당되지 않은 스펙트럼 섹션으로 더 많은 사용자를 수용할 수 있도록 고주파수 대역을 적용해야 한다.
밀리미터파 대역은 최대 10Gbps의 데이터 전송 속도를 제공할 만큼 대역폭이 넓다. 이는 광섬유에 버금가는 속도로, 현재의 4G 기술보다 100배나 더 빠르다.
사용자와 연결이 더 많아지면 네트워크에 부담이 가해진다. 무선 전송 매체로 공기가 사용돼 대역폭 제한이 없다고 가정해 보면, 연결 수가 증가하고 네트워크가 이 새로운 요구에 적응하지 못할 경우, 축구 경기가 진행되는 큰 경기장에서 동시에 같은 것을 원하는 수많은 관중에 압도돼 친구에게 전화나 메시지를 보낼 수 없는 상황이 생기듯, 우리 생활에 문제가 생기게 된다. 5G나 차세대 Wi-Fi(IEEE 802.11ay) 같은 새로운 기술은 그런 과제를 극복하고 “혼잡 속 뛰어난 서비스”를 보장하도록 설계된다.
밀리미터파 특성은 이 과제를 해소하는 데 매우 중요한 요소 중 하나이다. 대기 흡수와 관련해, 높은 주파수에서 갖는 속성 때문에 주파수가 커질수록 전송 범위는 더 짧아진다. 밀리미터파를 활용하면 킬로미터 수준이 아닌 최대 100m의 근거리 통신이 가능하다. 이 경우 주파수를 재사용해서 간섭 없이 동시에 작동하는 네트워크를 구축할 수 있고, 빔포밍 같은 기술로 셀룰러 네트워크 용량을 늘려 전송 효율을 높이는 것이 가능하다.
위성 통신 - 보다 유연한 접근법 채택 지원
위성 통신은 글로벌 통신 시스템에서 중요한 역할을 하고 있다. 현재 지구 궤도에는 3000개 이상의 위성이 있으며 그중 통신 위성 수는 약 1800개다. 지난 2년 간 여러 민간 위성 사업자들이 대용량 위성(HTS) 관측을 시작했다.
차세대 위성은 기존의 고정형 방송과 모바일 위성 서비스보다 처리량이 최대 400% 더 많을 것으로 예상된다. 이처럼 상당한 수준의 용량 확대는 기존 위성 기술에 사용된 와이드 빔과 달리, 셀룰러 네트워크와 마찬가지로 ‘스팟 빔’ 아키텍처를 사용해 원하는 서비스 지역을 커버하는 방식으로 달성 가능하다.
이 아키텍처는 높은 전송/수신 이득을 활용해 고차 변조 사용이 가능하므로 데이터 전송 속도를 높일 수 있다. 또한 서비스 지역을 여러 집중 빔(spot beam)이 커버하므로, 이동통신 사업자들은 동일한 주파수 대역과 극성을 재사용하도록 여러 빔을 구성해 필요한 용량과 요청되는 용량을 늘릴 수 있다.
현재 운영 중인 대부분의 고효율 위성은 Ku대역(12~18㎓)과 Ka대역(26.5~40㎓)에서 작동하지만 앞으로는 더 큰 주파수인 Q대역(30~50㎓)과 V대역(40~75㎓)을 사용하게 될 것이다.
자동차 레이더 - 밀리미터파 분해능 활용
자동차 레이더는 거의 모든 조건에서 속도와 각도를 포함한 물체의 거리(범위)와 동작을 탐지하는 안정적인 기술이다. 이 기술은 반사된 전파를 사용해 다른 장애물 뒤에 있는 장애물을 감지하며, 필요한 신호 처리가 적다.
주로 24㎓의 협대역 센서가 사용되는 자동차 레이더 감지 기술은 안개나 매연 같은 차폐제에 대한 면역성이 뛰어나고 거리 분해능이 우수한 76-81㎓의 고주파수 대역과 넓은 5㎓ 대역폭을 사용할 수 있도록 발전하고 있다. 거리 측정 오차와 최소 분해 가능 거리는 대역폭에 반비례하기 때문에, 거리 분해능에서 주파수가 더 크고 대역폭이 더 넓은 자동차 레이더 시스템으로 인한 개선은 상당하다고 볼 수 있다.
24㎓에서 79㎓로 전환하면 거리 분해능과 정확도가 20배 더 개선된다. 또한 파장이 더 작아 속도 측정 분해능과 정확도가 그에 비례해 증가한다. 따라서 24㎓에서 79㎓로 전환하면 속도 측정이 3배 개선될 수 있다.
기존의 24㎓ 시스템에서 79㎓ 시스템으로 전환할 때의 또 다른 이점은 크기와 무게가 감소한다는 점이다. 79㎓ 신호의 파장은 24㎓ 시스템의 1/3이고 79㎓ 안테나의 총면적은 유사한 24㎓ 안테나의 1/9에 불과하다. 자동차 레이더 개발자들은 더 작고, 더 가벼운 센서를 사용하고 더 쉽게 숨길 수 있어, 자동차 연비가 높아지고 설계가 용이해진다.
확장 현실 – 새로운 시대의 시작
확장 현실(XR)은 모든 몰입형 기술을 포괄하는 용어다. 증강 현실(AR), 가상 현실(VR), 혼합 현실(MR)을 비롯해 그와 관련된 영역 등 이미 많은 개발이 이뤄진 기술을 포함한다. XR은 엔터테인먼트, 의료, 과학, 교육, 제조 등 다양한 분야에 활용돼 실제 또는 컴퓨터가 만들어낸 주변 세상과 상호 작용하는 방식을 바꿀 것이다.
VR과 AR은 이미 시장에 등장한 상태지만 대역폭과 지연 시간 때문에 채택 속도가 느린 것이 현재의 한계다. 최신 무선 네트워크는 지연 시간이나 용량 같은 심각한 제한이 있어 사용자 경험에 상당히 부정적인 영향을 미칠 수 있다.
5G에 구현되는 밀리미터파 기술은 전송 대역폭이 크고 지연 시간이 적기 때문에 기존의 경험을 개선하고 새로운 경험을 만들어 낼 수 있어 대규모 채택이 예상되고 있다. 하지만 진정으로 몰입할 수 있는 AR을 제공하기 위해서는 데이터 전송 속도가 적어도 10배는 더 빨라야 한다. 이 부분이 실제 5G 기술이 해결해야 할 과제다. 기술 혁신이 거듭되고 있으며 라디오 스펙트럼이 이런 과제를 해결하는 데 중요한 역할을 하게 될 것이다.
6G는 6세대 광대역 무선 기술로, 주파수 대역 가용성을 5G가 작동하는 밀리미터파 주파수 범위를 넘어서는 테라헤르츠(㎔) 대역으로 확대한다. 또한 5G의 초당 20기가비트(Gbps)에서 초당 1테라비트(Tbps) 수준으로 데이터 전송 속도가 증가할 것이며, 지연 시간이 1밀리초(㎳) 미만으로 개선될 것이다. 그 결과 6G의 트래픽 용량은 이론상 5G의 10Mbps/m보다 훨씬 큰 최대 10 Gbps/m에 이를 전망이다.
이 미래 기술로 가능해질 대표적인 분야로는 홀로그래픽 통신, 촉각 인터넷, 완전 몰입형 가상/증강 현실을 꼽을 수 있으며, 밀리미터파는 이 변화의 엔진으로써 창의성과 상상력이 더욱 중요해질 새로운 시대의 시작에 방아쇠 역할을 하게 될 것이다.
글: 지오반니 디아모레(Giovanni D’Amore) 무선 주파수 및 마이크로파 부문 마케팅 디렉터
자료제공: 키사이트테크놀로지스(www.keysight.com)
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