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[김정호의 4차혁명 오딧세이] 5G기술의 비밀

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왜 5G 통신이 왜 필요한가

데이터 통신에서 이동 자유도(Mobility)를 갖기 위해서는 전자파를 이용한 무선통신을 사용할 수 밖에 없다. 4차 산업혁명 시대의 스마트폰, 자율주행자동차, AR (Augmented Reality, 증강 현실), VR(Virtual Reality, 가상 현실) 기기들에는 필수적으로 필요하다.

    김정호 카이스트 교수

그리고 이들 기기에는 UHDTV(Ultra High Definition TV) 수준의 영상 데이터를 보낼 만큼 최고 20Gbps 의 높은 데이터 전송 용량이 필요하다. 그래서 4차 산업혁명 시대의 기본 인프라 중의 하나가 5G 네트워크가 되고, 삼성전자와 중국의 화웨이(Huawei)가 이 새로운 시장에서 격돌하고 있다.

현재 5G 통신 기술에서는 3.4-6GHz 전자파 주파수 대역과 28GHz 높은 밀리미터파(파장이 밀리미터 크기 대역) 전자파 주파수 대역이 후보가 되고 있다. 28GHz 대역을 사용하면 더 높은 데이터 전송 속도를 구현할 수 있지만, 밀리미터 대역을 사용하기 때문에 기술적, 경제적 난관이 많이 있다. 밀리미터 대역에 필요한 송수신 기기용 반도체로는 실리콘 반도체로 구현하기 어려워 GaN 와 같은 새로운 고성능 화합물 반도체를 사용해야 한다. 생산성이 떨어져 비용이 증가한다.

또한 회로, 안테나, 전파 공간에서의 신호 손실이 급격히 증가한다. 따라서 무선 기지국 셀의 크기를 줄여야 한다. 그러면 기지국의 개수가 증가한다. 뿐만 아니라 밀리미터파 전자파는 전파 경로의 직진성이 매우 강하다. 따라서 중간에 물체가 가리면 무선 통신이 끊어지는 현상이 발생한다. 주파수가 10 배 높아지면, 기술적 난이도와 경제성이 약 100 배는 어려워진다고 보면 된다. 따라서 당분간 5G 통신은 3.4-6GHz 대역에 머물면서 현존의 4G(LTE-Advanced) 기술을 확대 발전시켜 데이터 전송 대역폭을 높이는 시도를 계속할 것으로 본다.


5G 통신의 비법

3.4-6GHz 전자파 주파수를 사용하면서도 데이터 전송 속도를 높이는 방법으로 ‘공간적 전자파 배치 설계’ 방법을 사용한다. 먼저 기지국 셀을 계층적으로 설치한다. 큰 반경의 셀은 저속의 4G(Macro cell) 가 담당하고 작은 반경의 5G 셀(Small cell)은 큰 데이터 전송 속도를 책임진다.

그리고 작은 크기의 5G 셀의 크기를 축소하고 숫자를 높인다. 결국 기지국 숫자를 키우고 셀 공간을 작게하여 더 많은 수신가에 큰 데이터 전송 용량을 제공하는 것이다. 각각의 셀은 타 셀과 분리해서 적은 전력으로 전자파를 사용한다. 그래서 간섭을 서로 줄이고 사용 빈도를 최대화 하여 주어진 전자파 자원을 최대한으로 활용한다.

5G 통신 시스템의 4G 셀 구조와 5G 셀 크기에 따른 주파수 배분 개념도. [출처: KAIST]

다음으로 사용하는 ‘공간적 전자파 배치 설계’ 방법이 전자파 3차원 공간 빔포밍 (Beam Forming)기술이다. 전자파 방사 모양을 3차원 공간에 설계해서 전자파를 공간의 일부분으로 집중해서 쏘는 방법이다. 5G 통신에서 지정된 수신기에만 전자파를 쏘아준다. 그래서 데이터 통신을 각각 수신기 마다 분리해서 전자파 이용효율을 높이는 방법이다. 이 빔포밍 방법은 페트리어트 미사일과 같은 군사용 레이더에 사용되었던 기술이 이제 5G 에 사용된다. 빔포밍을 위해서는 이 안테나 수십 개 혹은 수백 개를 평면에 배열한 어레이 안테나(Array antenna) 를 사용한다. 수백 개의 안테나 각각에 공급하는 전류의 위상(Phase, 삼각함수의 위상 각도)을 조절하면 전자파를 좁고 가는 빔으로 만들 수 있다. 이 빔의 크기가 좁을수록 공간적으로 각각 다른 전자파 데이터를 보낼 수 있다. 결국 ‘공간적 전자파 배치 설계’ 방법을 이용해서 공간적으로 전자파 환경을 셀과 빔으로 분리한다.

 

전자파 빔포밍을 위한 전자파 안테나 방사 패턴. [출처: RF CAFE]

 

F16 항공기 앞에 설치된 빔포밍을 위한 군사용 위상 배열 안테나(Phase Array Antenna). [출처: Duotech Services]

전자파는 배 고프다

결국 이러한 시도는 주어진 전자파 자연 환경에서 전자파 자원을 최대한 활용하고 최대의 데이터 통신 속도를 구현하려는 인간의 시도이다. 그러나 점점 기술적인 난이도가 높아지고 비용도 증가한다. 이러한 난관을 극복하고도 남은 핵심 응용처가 필요하다. 필자는 그 응용 분야가 실시간 AI (Real time artificial intelligence) 서비스가 아닐까 생각한다. 실시간 자율주행자동차, 실시간 외국어 통역, 실시간 사람 탐지 분야 등이 아닐까 한다. 전자파는 배고프다. 자연의 법칙을 깰 수는 없다. 다만 자연의 법칙을 존중하면서도 해결책을 찾아야 한다.

 

joungho@kaist.ac.kr

 

[김정호 카이스트 전기 및 전자공학과 교수] 

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도쿄·교토, 숙박세 인상...韓관광객 부담 [서울=뉴스핌] 오영상 기자 = 일본의 대표적 관광지인 도쿄와 교토가 관광객 급증으로 인한 오버투어리즘 대응을 명분으로 숙박세를 대폭 높이면서, 한국을 포함한 외국인 관광객의 일본 여행 비용이 앞으로 크게 올라갈 전망이다.​교토시는 오는 3월부터 숙박세 상한을 현행 1박 기준 최대 1000엔에서 1만엔으로 10배 올리는 계획을 확정했다. 1박 10만엔 이상 고급 호텔에 묵을 경우 1만엔의 숙박세를 별도로 내야 한다. 이는 일본 내 지자체 중에서 가장 높은 수준의 숙박세다.​도쿄도는 현재 1만엔 이상~1만5000엔 미만 100엔, 1만5000엔 이상 200엔을 부과하는 정액제에서, 숙박 요금의 3%를 매기는 정률제로 전환하는 개편안을 마련해 2027년 도입할 방침이다.​​정률제가 도입되면 1박 5만엔 객실의 경우 지금은 200엔만 내지만, 개편 뒤에는 1500엔으로 세 부담이 7배 이상 뛰게 된다. 숙박세 인상은 특히 외국인 관광객들이 많이 찾는 인기 도시를 중심으로 확대되는 양상이다. 니혼게이자이신문에 따르면 일본 내 100여 곳의 지자체가 새로운 숙박세 도입을 검토하거나 이미 도입을 확정했다. ​일본 정부 역시 국제관광여객세(출국세)를 현행 1000엔에서 3000엔 이상으로 올리는 방안을 검토하는 등, 전반적으로 관광 관련 세금을 손보는 흐름이다. 일본 도쿄 츠키지 시장의 한 가게에서 외국인 관광객들이 음식을 먹고 있다. [사진=로이터 뉴스핌] ◆ 韓관광객, 日 여행 체감 비용 '확실히' 오른다 한국은 일본 방문객 수 1위 시장으로, 일본 관광세 인상은 곧바로 한국인의 일본 여행 비용 상승으로 이어질 가능성이 크다. 예를 들어 1박 2만엔의 중급 호텔에 3박을 하는 가족여행의 경우, 도쿄도가 3% 정률제로 바뀌면 숙박세만 600엔 수준에서 7200엔 수준으로 불어난다는 계산이 나온다.​교토시의 경우 10만엔 이상 고급 숙박시설을 이용하는 '프리미엄 여행' 수요층에는 1박당 1만엔의 세금이 추가되면서 사실상 가격 인상 효과가 발생한다.​여기에 출국세 인상까지 더해지면 항공권, 숙박, 관광세를 모두 합친 일본 여행 체감 비용 증가 폭이 적지 않을 전망이다. goldendog@newspim.com 2026-01-09 11:01
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긍정 영향 종목

  • Lockheed Martin Corp. Industrials
    우크라이나 안보 지원 강화 기대감으로 방산 수요 증가 직접적. 미·러 긴장 완화 불확실성 속에서도 방위산업 매출 안정성 강화 예상됨.

부정 영향 종목

  • Caterpillar Inc. Industrials
    우크라이나 전쟁 장기화 시 건설 및 중장비 수요 불확실성 직접적. 글로벌 인프라 투자 지연으로 매출 성장 둔화 가능성 있음.
이 내용에 포함된 데이터와 의견은 뉴스핌 AI가 분석한 결과입니다. 정보 제공 목적으로만 작성되었으며, 특정 종목 매매를 권유하지 않습니다. 투자 판단 및 결과에 대한 책임은 투자자 본인에게 있습니다. 주식 투자는 원금 손실 가능성이 있으므로, 투자 전 충분한 조사와 전문가 상담을 권장합니다.
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