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[김정호의 4차혁명 오딧세이] 5G의 환상과 실제

  • 기사입력 : 2019년06월03일 08:00
  • 최종수정 : 2019년06월03일 09:35
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◆ 5G의 숨겨진 미션은 '빅데이터 수집'

언제나, 어디서나 이동하면서도 음성이나 데이터를 주고 받는, 이동 통신을 하고 싶은 것은 인간의 원초적인 기본 욕망에 속한다고 볼 수 있다. 선을 끌고 다니고 싶지 않고, 뛰거나, 날아 다니면서도 통신을 하고 누군가와 연결하고 싶다. 이 꿈을 실현해준 것이 지난 20년간 눈부시게 발전한 무선 이동 통신 기술이다.

      김정호 교수

이같은 무선 이동 통신 기술은 이제 1, 2, 3, 4 세대를 지나 5G로 불리는 5세대를 시대를 맞고 있다. 1세대에서는 아날로그 무선통신이 실현되어 집이나, 사무실, 혹은 다방, 공중전화를 쓰지 않고도 누구나, 언제나, 어디서나 무선 음성 전화 통신이 가능하게 됐다.

아직 초창기라서 전화기의 크기가 벽돌 크기만해서 이른바 ‘벽돌폰’으로도 불리기도 했다. 필자도 회사에서 까만 색깔의 주먹만한 ‘애니콜’ 전화기를 받고 아주 기분이 아주 좋았다. 처음 개통하고는 길에서도 전화하고, 회사에 가서도 전화하고, 버스에서 내려서도 전화했다. 초창기 사용자가 많지 않아 무선전화를 사용하면서 폼을 잡았던 것 같다.

2세대 이동통신이 상용화 되면서 음성 통화뿐만 아니라 문자도 주고 받기 시작했다. 본격적으로 ‘디지털’ 시대가 무선전화기에도 적용되었다. 음성도 디지털 신호로 변환되고, 통신도 디지털 신호로 주고 받았다. 전화기는 더욱 작아지고, 폴더폰이 나오고, 1996년에는 디자인이 강조된 모터롤라(Motorola)의 스타텍 무선전화가 등장하면서 무선전화기가 멋을 부리는 ‘패션’으로 작용하기 시작했다. 이처럼 2세대 이동통신에서 본격적으로 디지털 무선전화기가 도래했다. 3세대가 되면서 스마트폰이 되고, 이를 이용해서 인터넷을 보기 시작했다.

3세대가 되면서 무선전화기와 인터넷이 결합했다. 그렇게 보면 스마트폰은 손에 들고 다니는 컴퓨터가 되었다. 4세대가 되면서 스마트폰으로 동영상을 보기 시작하고, 특히 야구 중계나 드라마를 사람들이 스마트폰으로 보기 시작했다. 스마트폰이 인터넷 소통 창구가 되고, 유튜브의 확산에 기여했다.

이렇게 되면서 지하철을 타면 앞자리에 앉은 승객의 대부분은 스마트폰을 보고 있는 시대가 되고, 스마트폰 중독이 사회현상으로 등장했다. 이렇게 되면서 스마트폰이 데이터 수거 장치가 되고, 이것이 인공지능과 결합하는 4차 산업혁명을 일으키는 촉진제가 되고 있다. 4차 산업혁명 시대를 맞아 스마트폰 단말기가 ‘빅데이터 수거장치’로 변모했다. 그래서 구글과 애플의 주가가 지난 10년간 꾸준히 오르고 있다.

최근 마침내 5세대 무선 이동통신인, 5G 가 등장하면서 데이터를 크게, 그리고 더 빨리 모으고 싶어한다. 여기에 계속 구글, 애플, 넷플릭스가 주도한다. 더 나아가 실시간으로 데이터를 모으고자 한다. 특히 5G에서는 데이터를 주고 받는 속도가 더욱 증가해서 고화질 영상을 단말기에서 실시간으로 보게 되고, 신호나 데이터의 송수신 지연시간(Latency)이 1 밀리초 (1000 분의 1초) 미만이 되어 거의 실시간으로 데이터를 주고 받을 수 있게 되었다. 그래서 5G 의 핵심을 다른 말로 ‘고화질 빅데이터’와 ‘실시간 서비스”로 압축해서 설명할 수 있다.

다른 말로 표현하면 5G 단말기는 ‘실시간 빅데이터 수거장치’를 목적으로 하고 있다. 여기에 미국과 중국의 경쟁이 숨어 있다. 최근 중국 화웨이 사건도 이러한 연장 선상에 있다고 보면 된다. 누가 실시간 빅데이터를 우선적으로 확보하기 위한 경쟁이다. 이처럼 4차 산업혁명을 위한 빅데이터 확보와 인공지능 서비스를 위해 5G 가 핵심 인프라가 되고 있고, 그래서 세계의 통신회사, 반도체 회사, 단말기 회사가 치열하게 경쟁하고 있다. 4차 산업혁명의 전장이 5G 에서 불붙고 있는 것이다.

1,2,3,4 세대를 넘어 5G 이동통신 기술 진화. [출처=KAIST]

◆ 5G, 성능 높이면 전력 소모증가

이렇게 5G의 패러디임을 ‘실시간 인공지능 서비스’로 본다. 이러기 실현하기 위해서 실시간 빅데이터 전송이 가능한 전자파 주파수이면서 파장이 밀리미터(1000 분의 1 미터) 크기인 밀리미터파 28GHz 로 상승할 수 밖에 없었다. 전통적으로 이 초고주파 대역의 전자파는 군사용 레이더나 인공위성 통신에 사용하는 주파수이다. 탄도 미사일을 검색하고, 격추하는데 사용하는 주파수 대역이다. 그 만큼 비싸고 고급 기술이다. 5G에서 또 다른 군사 기술이 우리 생활 속으로 들어온다는 의미이기도 하다. 그 초고주파 대역이 이제 민간의 이동통신 대역으로 열리기 시작한 것이다.

다음으로 신호 시간 지연을 1 밀리초 미만으로 목표를 정하였다. 그러기 위해서는 전자파 전송 시간, 단말기와 기지국의 데이터 처리 시간이 매우 짧아 져야한다. 데이터가 전화국의 클라우드까지 가지 못하고 근처의 기지국에서 처리해야 한다. 그래서 프로세서, 스위치, 메모리 반도체 반응 속도도 빨라져야 해서 교환기와 데이터 처리 컴퓨터의 성능이 높아져야 한다. 그러다 보면, 전력소모가 증가해서 배터리 사용시간도 줄어들고, 열도 많이 난다. 뿐만 아니라 단말기와 기지국에는 무선통신에 필요한 전자파 회로 반도체와 모뎀 칩이 들어가야 하는데, 28GHz 를 사용하기 때문에 전력 소모가 증가한다. 단말기에서는 배터리 사용 시간이 더욱 줄어든다. 이래 저래 기술이 극단적인 영역까지 간다.

한편 전자파의 주파수가 높아지면 전자파가 공간적으로 잘 퍼지지 않는다. 그래서 전자파 음영지역이 늘어난다. 뿐만 아니라 같은 주파수 대역에서 더 많은 단말기와 연결하기 위해서는 한 개의 기지국 셀(Cell) 내에 공간적으로 전자파를 분할해야 한다. 그 결과 기지국 안테나를 더욱 촘촘히 설치해야 한다. 그래서 기지국을 건물마다, 매 100 미터 마다 설치해야 한다. 매 사무실 마다 설치해야 할 수도 있다. 이에 더해서 원하는 단말기에만 전자파를 쏘아주기 위해 전자파 빔포밍 (Beam Forming) 방법을 쓴다. 전자파 모양이 무대 조명 기구처럼 특정 지역만 보내는 기술이다. 이 역시 군사 기술에서 채용되고 있는 기술이다. 이렇게 전자파 공간 형성을 위해서 안테나가 2차원 배열 구조를 갖게 된다.

이에 더해 소프트웨어 프로그램도 데이터를 실시간으로 처리하게 설계되어야 한다. 특히 5G를 자율주행 자동차 운행에 사용하기 위해서는 실시간이 중요하다. 짧은 시간 내에 판단하고, 위험을 만나는 즉시 제동장치를 가동해야 하기 때문이다. 그리고 실시간 서비스를 위해서 서비스나 데이터 센터를 단말기에 물리적으로 최대한 가까이 설치해야 한다. 마지막으로 500km 속도로 달리는 차나 기차에서도 통신이 가능하도록 했다. 자율주행자동차의 실시간 데이터 통신과 운전제어에 적용하려는 생각으로 기술을 개발했다.

5G 빅데이터 통신과 실시간 서비스를 위해 5G 에서 적용되는 핵심 기술들. [출처= KAIST]

 

◆ 언제 어디서나 연결되려면 천문학적 비용 소요돼 

5G에서는 이처럼 초고주파를 쓰기 때문에 전자파의 직진성이 강하다. 그래서 물체를 만나면 그 뒤의 지역은 전자파가 미약해서 통신을 하기 어렵다. 쉽게 이야기해서 전자파 음영지역이 증가한다. 기지국이 눈에 보이는 지역만 5G 통신이 가능할 수 있다. 건물이 막으면 어렵다. 또한 28GHz 전자파는 물체에서 더욱 흡수가 많이 된다. 그래서 건물을 뚫고 들어가기 어렵다. 물에도 더 흡수된다. 비가 오거나 눈이 오면 더욱 통신 품질 문제가 커 진다. 이를 해결하려면 무한 숫자의 기지국을 설치해야 한다. 이러한 이유로 5G 통신이 어려운 지역은 4G LTE로 바로 바로 변환되어야 한다. 그래서 이러한 시나리오 상에서는 대부분의 지역은 4G 로 통신하고 일부 제한된 지역, 예를 들어 영화관, 운동장, 건물, 사무실 안 등 특정 지역만 5G 통신이 가능할 것으로 본다.

다음으로 기지국 1개가 담당하는 셀의 크기가 100~250 미터 정도이다. 그러니 넓은 공간, 예를 들어 야외, 산, 강 바다에서 5G 서비스를 받는다는 환상을 버려야 한다. 대부분의 서비스는, 대부분의 지역에서 4G로 받을 가능성이 크다. 언제 어디서나 연결되고, 인터넷이 되고, 서비스를 받는다는 이전 이동통신 세대의 환상은 버려야 한다. 만일 기존 세대처럼 언제 어디서나 연결하기 위해서는 천문학적 설치 비용, 개발 비용, 사용료가 들어갈 것이다.

그리고 가입자와 사용자가 늘어나면서 기지국과 전화국을 연결하는 광통신망의 용량도 더 키워야 한다. 그리고 실시간 서비스를 위해서는 컴퓨터 서버를 기지국 안에 설치해야 한다. 곳곳에 거리나 건물 안에 설치되는 기지국 안에 인공지능 서버가 들어가야 할 수고 있다. 이걸 엣지 컴퓨팅(Edge Computing)이라고 하고 마이크로소프트(Microsoft)가 전략적으로 키우는 분야이다. 모든 기지국 안에 작은 데이터 센터를 설치하고, 그 안에 인공지능 서버도 넣어야 진정한 5G 실시간 인공지능 서비스가 가능하게 된다. 자율자동차 안에 설치되어야 하고, 궁극적으로 우리 손안의 스마트폰 안에 들어가야 하는 미래가 오고 있다.

◆ '5G 환상' 깨지면 위기 닥칠 수도

그런데 이러한 비용을 감당할 만한 서비스가 아직 보이지 않는다. 무거운 안경을얼굴에 쓰고 경험하는 가상현실(Virtual Reality)이나 증강현실(AR, Augmented Reality) 서비스가 그 만한 비용을 감당하기 어렵다. 그리고 공장을 자동화 하는데, 꼭 무선을 쓸 필요가 없다, 광통신으로 기기들을 연결할 수 있다. 로봇이나 사물을 5G로 연결하는 것도 배터리 용량과 시간이 줄어 들어 쉽지 않다. 자율주행 자동차를 5G 통신으로 제어하기 위해서는 모든 도로에 100미터 마다 기지국을 설치해야 한다. 고속도로 전체에 5G 기지국을 아마 가로등 수만큼 설치해야 한다.

모두 ‘실시간 인공지능 빅데이터 서비스’를 제공하려 하다 보니 생기는 비용과 기술적 부담이다. 일단 통신회사와 단말기 회사는 5G를 마케팅 수단으로 이용하고, 단말기를 판매하는데 주력하고 있고, 가입자 월 사용료로 투자비를 보충하려 할 것이다.

그러나 곧 사용자가 5G의 환상과 오해를 깨닫게 되면 위기가 온다. 너무 비싸고 품질이 떨어지기 때문이다. 그래서 5G 서비스 모델은 이전 세대와 완전히 다른 모습으로 다가올 것이다. 이러한 이유로 5G가 실제 광범위하게 파급되고 사용되기 위해서는 상당한 시간이 걸릴 것으로 예측한다. 인내가 필요하다.

5G의 가치를 최대한 높일 수 있는 응용 서비스 사례. [출처=KAIST]

 


joungho@kaist.ac.kr

 

[김정호 카이스트 전기 및 전자공학과 교수]

 

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