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- 1G: 아날로그 기술 사용, 2G:1991년 3GPP는 GSM이라는 이름으로 처음으로 디지털 전송, 3G: 2001년에 발표된 UMTS 기술(이동통신의 기본 서비스) 2021년 여름 부터 서비스 중단
- 2018년에 "5G New Radio"(5G NR, 대부분 5G)에 대한 사양을 발표
- 5G 코어 네트워크에서 사용되는 서버 아키텍처를 "MEC(Multi Access Edge Computing)"

4G 다음에 5G가 온다
모바일 세대를 정의하는 것은 무엇이며 누가 결정하는가?

5G에서 G는 Generation을 의미한다.
그러한 세대를 구성하는 것과 새로운 세대가 시작되는 시점이 정확히 정의된다.
새로운 기술은 특정 영역에서 이전 세대보다 훨씬 더 우수해야 한다. 이에 대한 각각의 임계값은 국제 전기 통신 연합 ITU의 무선 통신 부문에서 가져온 것이다. 이것은 유엔의 산하 기구이자 세계에서 가장 오래된 국제기구 중 하나다. 1865년에 설립되었을 때도 국제 전신 연합으로 불렸다. 

▲ 지난 수십 년 동안 전화뿐만 아니라 이동 전화 네트워크도 크게 변화했다. © kirilllux / 게티 이미지

휴대폰 및 기타 모바일 장치가 전 세계적으로 서로 통신할 수 있으려면 최소 요구 사항뿐만 아니라 어떤 기술과 사양이 사용되는지 결정해야 한다. 이러한 규칙을 셀룰러 표준이라고 한다. 오늘 유통되는 것들은 3GPP인 3세대 파트너십 프로젝트에서 발행한 것이다.

시간 경과에 따른 휴대폰 세대

1980년대에 널리 보급된 최초의 셀룰러 네트워크는 이 정도로 표준화되지 않았다.
그들은 이제 1G라고 하며 여전히 아날로그 기술을 사용한다. 1991년 3GPP는 GSM이라는 이름으로 처음으로 디지털 전송과 함께 2세대를 출시했다. 몇 년 후 2G 기술은 GPRS 및 EDGE 표준으로 보완됐으며, 이는 오늘날에도 여전히 알려져 있으며 때때로 2.5G 및 2.75G라고도 한다.

ITU가 3세대에 대해 설정한 요구 사항은 2001년에 발표된 UMTS 기술로 처음으로 충족될 수 있었다. 3G는 오래전부터 이동통신의 기본 서비스였다. 그러나 UMTS는 2021년 여름부터 점차적으로 중단됐다.

3.9G – 4G – 5G

2008년 3GPP가 "Long Term Evolution"(LTE) 이동통신 표준을 발표했을 때 이 표준은 빠르게 4G로 불렸다. ITU는 마케팅 목적으로 이를 허용했지만 LTE 기술은 4세대 모바일에 미리 배치된 요구 사항을 충족하는 데 필요한 다운로드 속도를 가져오지 않았다.

이는 2011년에 출시된 LTE Advanced 확장을 통해서만 달성할 수 있었기 때문에 첫 번째 표준을 3.9G라고 부르기도 했다. 그러나 LTE Advanced의 경우 4G+라는 용어가 더 일반적이다.

▲ 많은 사람들이 현재 여전히 LTE를 사용하고 있지만 5G 확장은 이미 본격화되고 있다. © laremenko / iStock

LTE 표준에 대한 추가 개선 후 3GPP는 마침내 2018년에 "5G New Radio"(5G NR, 대부분 5G)에 대한 사양을 발표했으며, 이는 5세대 이동통신에 대한 모든 ITU 요구 사항을 충족할 수 있다. 다른 3GPP 표준과 마찬가지로 5G는 이전 세대 이동 통신의 기반을 기반으로 하며 확장 초기에 LTE 인프라의 일부를 사용한다. 2020년에 출시된 첫 번째 기능과 기타 발표된 개선 사항을 통해 5G는 더욱 독립적이 될 것이다.

변조, 다중화, 대규모 MIMO
5G는 정확히 어떻게 작동하며 무엇이 특별한가요?

일반적으로 모바일 네트워크는 코어 네트워크와 액세스 네트워크의 두 영역으로 나눌 수 있다. 후자는 실제로 휴대폰과 같은 최종 장치를 설정된 라디오 마스트(mast)를 통해 핵심 네트워크에 연결하는 많은 네트워크로 구성된다. 코어 네트워크는 차례로 개별 라디오 마스트를 연결하고 무엇보다도 인터넷 연결을 설정한다.

▲ 5G 주파수 대역 FR1 및 FR2는 전자기 스펙트럼의 마이크로파 범위에 있다. © Horst Frank / Phrood / Anony CC-by-sa 3.0

5G는 핵심 네트워크와 액세스 네트워크 모두를 위한 몇 가지 혁신을 준비하고 있다.
최종 사용자에게 가능한 한 빨리 스마트폰을 제공하고 새로운 이동통신 표준의 신속한 마케팅을 달성하기 위해 LTE 코어 네트워크를 기반으로 하는 5G 액세스 네트워크가 이미 있다. 이 경우 "5G Non-Standalone"를 줄여 5G NSA라고 한다.

하지만 5G의 모든 기능을 사용하려면 코어 네트워크도 새로운 '5G 코어'로 업데이트해야 한다. 그러면 "5G 독립 실행형", 즉 5G SA가 된다. 이것은 예를 들어 LTE와 달리 밀리초 미만의 대기 시간 또는 훨씬 더 큰 주파수 범위를 사용할 수 있는 유일한 방법이다.

더 많은 주파수 - 더 많은 가능성

사용 가능한 5G 주파수는 일반적으로 두 가지 범위로 나뉜다.
FR1(Frequency Range 1)은 600MHz에서 6GHz 사이의 주파수를 포함하므로 LTE와 유사한 스펙트럼에 있으며 주로 5G NSA에 사용된다. FR2는 24GHz보다 약간 높게 시작해 거의 53GHz까지 올라가며 5G SA에서 사용된다.

원칙적으로 주파수가 높은 네트워크는 데이터를 더 빠르게 전송할 수 있지만 새로운 기술적 문제와 한계도 가져온다. 예를 들어, 주파수가 높을수록 파장이 짧아지므로 동일한 전송 전력을 가진 신호의 범위가 짧아진다.

또 다른 문제는 더 짧은 파도가 벽이나 나무와 같은 물체를 쉽게 통과하지 못한다는 것이다. 따라서 고주파 5G 네트워크는 주로 산업용으로 주로 사용되는 짧은 직접 연결에 사용할 수 있다.

유연한 변조 및 대역폭

더 낮은 주파수에서도 더 높은 데이터 처리량을 가능하게 하기 위해 5G 표준에서는 다양한 설계 및 변조가 사용된다. 변조는 예를 들어 주파수, 진폭 또는 위상에 대한 전자기 전송 파동의 변화다. 이러한 방식으로 서로 다른 신호가 동시에 전송될 수 있으며, 이는 변조에 따라 수신기에서 구별할 수 있다. 전송된 신호에 의해 수정된 기본파를 반송파라고도 한다.

최신 모바일 무선 전송에서 다양한 반송파는 일반적으로 위상 또는 진폭 측면에서 변조된 다음 소위 다중화 프로세스를 사용해 하나의 신호로 묶인다. 한편으로 5G 표준은 더 효율적인 변조를 사용하지만 다른 한편으로는 LTE와 달리 다중화 방법의 선택이 더 유연하다. 특히 최종 장치에서 휴대폰 마스트로 전송할 때 더욱 그렇다.

5G는 또한 전송 대역 설계에 훨씬 더 많은 자유를 제공한다.
개별 반송파 주파수 간의 거리는 LTE에서 여전히 15kHz로 고정되어 있었지만 차세대에서는 주파수에 따라 달라질 수 있다. 이것은 또한 대역폭을 수백 메가헤르츠까지 증가시킬 수 있다. LTE의 경우 최대 대역폭이 20MHz로 설정되었다.

최고 속도를 위한 안테나 숲

이동통신의 전송 전력을 더욱 높이기 위해 신호를 서로 다른 송신 안테나와 수신 안테나로 나눌 수 있다. 이를 MIMO(다중 입력 다중 출력)라고 하며 LTE 표준에서도 사용된다. 그러나 LTE에서는 최대 8개의 안테나만 결합할 수 있으며 일반적으로 4개다.

소위 Massive MIMO를 사용하는 5G 표준은 전송 마스트에 최대 256개의 개별 안테나를 결합할 수 있는 가능성을 제공한다. 이는 개별 사용자의 데이터 처리량을 증가시킬 뿐만 아니라 더 많은 장치를 동시에 연결할 수 있다. 또한 결과적으로 증가된 전송 전력은 더 낮은 범위의 고주파수 네트워크를 보상한다.

많은 개별 안테나로 인해 5G는 또 다른 혁신인 빔포밍을 사용할 수 있다.
여러 특수 안테나 덕분에 신호는 더 원형 반경으로 전송되지 않고 모바일 장치를 직접 겨냥한다. 이를 통해 빠르고 에너지 효율적인 전송이 가능하다. 그러나 빔포밍은 수 기가헤르츠의 주파수에서만 효율적으로 사용할 수 있다. 낮은 주파수에서는 개별 안테나 사이에 더 많은 거리가 있어야 하고 공간 문제가 빠르게 발생할 수 있기 때문이다.

▲ 이 LTE MIMO 안테나는 각각 커넥터에서 공급되는 두 개의 개별 안테나와 함께 작동한다. © BAZ 특수 안테나 CC-by-sa 3.0

빠른 휴대폰, 스마트 코어

일부의 경우 이미 구현된 액세스 네트워크의 변경 외에도 핵심 네트워크도 5세대 이동통신으로 전환해야 한다. 이것이 5G의 잠재력을 최대한 활용할 수 있는 유일한 방법이다. 여기서 사용되는 서버의 기본 아키텍처 변경이 핵심적인 역할을 한다.

5G 코어 네트워크에서 사용되는 서버 아키텍처를 "MEC(Multi Access Edge Computing)"라고 한다. MEC 서버를 사용하면 네트워크 에지, 즉 액세스 포인트와 가까운 곳에서 더 많은 리소스가 사용된다.

결과적으로 신호는 코어 네트워크의 중앙에서 먼저 처리되지 않고 훨씬 더 빠르게 모바일 장치로 다시 보낼 수 있다. 궁극적으로 MEC 서버는 예를 들어 자율주행 차량이 거의 지연 없이 서로 통신할 수 있도록 한다. (계속)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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