5G 이동통신과 시스코의 비전 (1편)

올해 초 2018 평창동계올림픽을 계기로 5G(5세대) 이동통신에 관한 뉴스가 점점 많이 등장하고 있습니다. 얼마 전에는 국내 이동통신사들에게 5G를 위한 주파수 할당이 완료되기도 했죠. 이처럼 이동통신 업계는 2019년 상용화를 목표로 열심히 준비 중이며, 이동통신 생태계는 네트워크, 통신모뎀, 단말기 등을 속속 준비하고 있습니다.

그런데 지금도 큰 문제가 없어 보이는 4G 이동통신에 왜 또 새로운 5G가 필요한 것일까요? 이에 대한 설명을 이해하기 위해서는 과거를 돌아볼 필요가 있습니다. 3G, 4G 기술을 돌아볼 필요가 있다는 의미입니다.

데이터 통신이 가능해진 3G는 회선교환(Circuit Switch, 주로 전화망에서 쓰이던 방식)과 패킷교환(Packet Switch, 주로 데이터통신에 쓰이던 방식)이라는 2개의 코어 네트워크가 공존하고 있었습니다. 즉, 음성 통신과 데이터 통신이 별도로 존재했으며, 각각의 통신을 서로 다른 코어 네트워크에서 처리했습니다. 즉, 3G 이동통신 시대에 이르러서야 모바일 기기에서 본격적인 데이터 통신이 가능해진 것이죠. 하지만 데이터 통신의 속도는 빠르지 않았기 때문에 애플리케이션은 제한적이었습니다.

그런데 4G 이동통신의 시대가 열리면서, 음성/데이터 2개의 코어 네트워크를 EPC(Evolved Packet Core)로 통합하고 모든 트래픽을 IP(인터넷 프로토콜)로 처리하기 시작했습니다. 현재 우리가 스마트폰에서 음성 통화를 하는 경우에도, VoLTE라고 해서 음성 통신이 아니라, 데이터 통신으로 통화를 하는 것입니다. 이전에도 ‘인터넷 전화’라는 제품이 존재했지만, 이런 방식이 스마트폰에도 적용됐다고 할 수 있겠죠. 물론 스마트폰이 이를 지원하지 않으면, 음성 통신은 여전히 3G 네트워크에서 이루어 졌습니다.

4G 이동통신에서 소비자들은 비디오, 쇼핑, 소셜미디어, 게임 등의 애플리케이션을 즐기고, 기업들은 빨라진 데이터 통신 덕분에 업무를 최적화할 수 있었습니다.

그런데, 사물인터넷, 가상현실, 자율주행, 드론배송, 원격의료, 감시카메라, 공공안전 등 새로운 기술과 서비스들을 속속 등장하기 시작했고, 개인들의 데이터 사용량도 폭발적으로 증가했습니다.

기존의 3G/4G로는 해결되지 않는 문제들이 점점 많아진 것이죠. 통신의 패러다임을 완전히 새롭게 볼 필요가 생긴 겁니다. 소비자들은 보기 힘든 인프라 부문을 살펴보면, 무선과 유선 네트워크를 연결하고, 무선 액세스부터 코어 네트워크까지 네트워크 아키텍처를 변경할 필요가 커진 것이죠.

그래서 전세계 이동통신 산업의 관계자들의 모임인 3GPP에서는 수년에 걸쳐 새로운 이동통신 규격인 5G NR(NEW Radio) 규격을 완성하고 본격적으로 5G 시대의 개막을 알렸습니다.

5G는 무엇을 준비하는 기술인가?
5G는 기본적으로 아래의 3가지 사용 사례를 염두에 두고 개발 된 것으로 하나씩 살펴볼까요?

1. 초고속 이동통신(eMBB )
초고속 이동통신(eMBB, Enhanced Mobile Broadband)은 사용자에게 고밀도 초고속 광대역 연결을 제공합니다. 즉, 5G는 기가비트 속도를 제공하여 기존의 유선 서비스의 대안이 될 수 있습니다. 또한 그 동안은 사용하지 않았던 밀리미터파(mmWave) 대역을 사용합니다. 즉 28Hz 대역에서 밀리미터파를 활용한 5G 무선 연결을 통해 동영상같이 넓은 대역폭이 필요한 서비스도 지원합니다.

다시 말해, 기존에는 사용하기 힘들었던 주파수 대역을 사용함으로써, 모바일 데이터의 ‘도로’가 더 넓어지게 된 셈이죠. 그래서 더 많은 모바일 데이터량을 처리할 수 있게 됩니다. 뿐만 아니라 ‘도로 포장’도 더 좋아져서, 모바일 데이터가 더 빠르게 이동할 수 있게 되는 것이죠.

2. 초고신뢰 초저지연 서비스 (로봇, 공장 자동화 등)
초고신뢰 초저지연 통신(URLLC, Ultra Reliability and Low Latency Communication)는 증강현실(AR), 가상현실(VR) 등 사용 사례를 염두에 두고 있으며, 구체적으로는 의료 분야의 원격 수술, 원격 건강 모니터링, 유통/물류 분야에서 지능형 운송, 제조업 분야의 공장 자동화(FA) 등의 미션 크리티컬 서비스를 지원하는 것에 중점을 두고 있습니다.

VR 기기를 착용했는데, 뚝뚝 끊긴다면 몰입감이 떨어지겠죠. 멀미가 나는 사람도 있을 것이고요. 하지만 그보다도 소위 ‘미션 크리티컬’ 분야, 즉 실패가 큰 재산/인명 피해로 이어지는 분야에서는 더욱더 중요하게 됩니다. 의료분야에서 지연 때문에 수술이 잘못 된다면 인명피해로 이어질 테고요, 공장에서 지연 때문에 공정이 엇나간다면 기업은 막대한 재산피해를 입게 되겠죠.

3. 대규모 사물인터넷(IoT)
5G의 가장 중요한 목적 중 하나는 사물인터넷(IoT)입니다. 수십억 개의 사물의 연결을 지원하고 이와 연동되는 다양한 서비스를 대규모로 지원하기 위한 기술이죠. 비교적 좁은 대역폭(180kHz~1.08MHz)만 필요한 센서부터 광대역 통신과 같은 서비스를 필요로 하는 커넥티드카까지 다양한 사례를 지원합니다.

가스검침용 센서는 아주 단순한 역할만 수행하겠지만, 배터리를 자주 갈면 매우 귀찮겠죠. 땅속 깊이 있는 센서는 그 수명이 오래 가야 유지보수비를 줄일 수 있겠고요. 그럴 때는 전력소비량이 극히 적은 저주파수의 대역폭을 사용합니다.

또한, 커넥티드카나 자율주행차처럼 계속해서 엄청난 양의 데이터를 주고 받아야 하는 경우에는 고속으로 데이터를 주고 받을 수 있으면서 많은 양의 데이터를 처리할 수 있는 영역의 대역폭을 사용하고요.

요약하자면 아래와 같습니다.
● 초고속 대용량 데이터 통신 – 20 Gbps 목표(현재 1Gbps 대비 20배 증가)
● 초저지연 –1ms 이하 (현재 대비 1/10 수준)
● 동시다수접속 – 제곱킬로미터 당 100만대 (현재 10만 대비 10배 증가)

이처럼 5G는 그 동안 진화해온 이동통신 기술을 완전히 통합하는 기술입니다. 그래서 현재 사용하고 있는 4G 기술을 버리고 바로 5G로 넘어가는 것은 아닙니다. 전세계의 이동통신사들은 4G의 코어 네트워크를 당분간 유지하면서 단말기와 기지국을 연결하는 액세스 네트워크의 전개에 먼저 초점을 맞출 것이며, 점차 코어 네트워크를 고도화하는 것으로 전략을 잡고 있습니다.

그런데 초고속 데이터 통신, 초저지연 기능은 단말기의 배터리 소모가 필연적입니다. 또 에너지 소비 저감과 배터리 수명 증가라는 목표도 가지고 있죠. 이처럼 모순처럼 보이는 규격을 동시에 만족시켜야 하는 것이 5G의 과제이기도 합니다.

따라서 다양한 이용 사례를 염두에 두고 구체적인 논의를 거쳐 5G가 구현될 것입니다. 실제로 3GPP에서는 다양한 사용 용도를 염두에 두고 기술을 전개하고, 범용성을 높이는 여러 기능들을 옵션으로 제공하고 있습니다. 이렇게 하면 성능 향상과 사용성의 향상이라는 목표를 달성할 수 있게 됩니다.

시스코의 5G 비전
아래 그림에서 볼 수 있듯이, 모바일 트래픽의 폭발적인 증가, 동영상 소비 증가, 클라우드 컴퓨팅의 확산 그리고 사물인터넷의 성장세가 두드러집니다. 시스코는 새로운 사용 사례의 등장이 수반하는, 새로운 수준의 도전과 복잡성을 해결하려고 합니다.

시스코는 통신 사업자들이 사용자의 요구에 대응하고, 새로운 수익과 비즈니스 기회를 얻을 수 있도록 기존 사용 사례와 새로운 사용 사례를 지원할 수 있도록 5G 시대를 준비하고 있습니다. 현재 변화 중인 트렌드를 사업자들이 활용할 수 있도록, 5G의 핵심 장비 개발을 준비하고 있습니다. 여기에는 네트워크 슬라이싱이나 개인화된 네트워크와 같은 모바일 코어 기술이 있습니다.

네트워크 슬라이싱은 서비스 제공자가 기업에게 서비스 형태의 네트워크(Naas, Network as a Service) (NaaS)를 활성화하는 방법을 제공합니다. 5G 네트워크에서 자신의 기기와 서비스를 유연하게 관리할 수 있게 되는 겁니다.

네트워크 슬라이싱(Network Slicing)
네트워크 자원과 네트워크 기능(Network Function)들을 개별 서비스에 따라 하나의 독립적인 슬라이스로 묶어 제공함으로써 네트워크 시스템 기능, 자원의 분리(Isolation), 맞춤형(Customization), 독립적 관리 등의 속성을 이동통신 네트워크 구조에 적용하려는 것입니다. 이러한 네트워크 슬라이싱 기술을 이용하면 서비스, 사용자, 비즈니스 모델 등의 기준에 따라 5G 시스템의 네트워크 기능들을 선택하고 조합하여 독립적이고 유연한 5G 서비스의 제공이 가능해집니다.

그래서 5G는 아래 같은 새로운 사용 사례를 지원 합니다.