한국통신학회 KICS

밀리미터파 기술 기반 5G 서비스 현재와 미래

영남대학교 전자공학과 양종렬 교수

대학과 연구소 등에서 원천 기술개발을 목적으로 연구하던 밀리미터파 기술이 대중에게 널리 알려진 것은 2018년 6월에 통신 3사를 대상으로 진행된 5G 서비스를 위한 28 GHz 대역 주파수 경매일 것이다. 소형 디스플레이 기술 발전에 의한 모바일 환경 내 고화질 스트리밍 서비스 수요 폭증과, 특히 2020년 코로나 팬데믹으로 인한 전세계적인 실시간 온라인 플랫폼 확산은 기존 4G 서비스인 LTE 기반 통신망의 한계를 느끼게 한 중요한 계기가 되었다. 이에 2020년 세계 최초로 국내 수도권과 광역시 중심의 상용서비스를 시작한 5G는 고용량 데이터 서비스에 대한 갈증을 풀어줄 것이라는 기대와 함께 밀리미터파 기술이 산업 전면에 등장하는 중요한 터닝포인트가 되었다. 그러나, 인프라 및 관련 디바이스 부족 등으로 인해 실제 5G 서비스 전면으로 등장한 것은 밀리미터파 대역이 아닌 sub-6GHz인 3.5-GHz 대역이며, 커버리지 부족과 접속 불안정성 등 기대에 미치지 못하는 서비스 품질과 높아진 기본 요금에 의한 통신비 증가는 5G 서비스에 대한 개인 소비자의 불만을 키우는 결과를 낳고 있다. 이러한 3.5-GHz 대역 5G 서비스에 대한 불만은 역으로 밀리미터파 기술에 기반을 둔 28-GHz 대역 5G 서비스에 대한 기대감을 높이고 있으나, 당초 2021년 상반기부터 서비스를 제공할 계획이었던 28-GHz 대역 상용화는 통신 3사의 현재 움직임으로 볼 때 사업 개시 시점을 확인하기 어려우며, 내년에도 개인 소비자를 대상으로 서비스를 시작할 수 있을지 명확하지 않다. 

대중 관심과 수요 증가, 정부 정책적 지원 등 밀리미터파 기술 기반 5G 서비스를 제공하기 위한 분위기가 충분히 조성되고 있음에도 불구하고 통신 3사가 적극적으로 관련 서비스를 시작하지  못하는 주요 이유는 밀리미터파 기반 5G 서비스 만의 독자적인 서비스와 솔루션이 없다는 것이다. 밀리미터파 기술 기반 5G를 상용화 하기 위해서는 좁은 주파수 커버리지와 주변 환경물에 따른 송수신 채널 특성 제약 등 밀리미터파 고유 주파수 특성 이슈를 해결하고 안정적인 서비스 제공을 위한 전폭적인 투자와 인프라 구축이 필요하다. 그러나, 소비자는 서비스 환경 구축과 별개로 통신요금이 인상되는 것을 원하지 않으며 정부 또한 정책적 지원과는 달리 요금 인상을 억제하고 있기에, 통신사 입장에서는 차별화된 서비스를 제공하여 과금 체계를 높일 수 있는 솔루션이 없다면 전폭적인 서비스를 시작하기 쉽지 않은 상황이다. 하드웨어 및 단말 제조사 입장에서 볼 때, 주파수 특성에 의한 디바이스 개발의 어려움 또한 서비스 확산을 방해하는 주요인 중 하나이다. Sub-6GHz가 밀리미터파 대역보다 먼저 상용화된 주요 이유는 기존 3G 및 4G 서비스의 캐리어 주파수와 인접한 주파수 대역을 사용한다는 점일 것이다. 이는 시스템 구현을 위한 반도체 집적회로 설계 및 제작, 특성 검증에 필요한 계측 장비 활용, 기존 모바일 단말기 형상에 최적화된 안테나 설계 등에서 기존 개발된 IP 및 인프라를 활용할 수 있게 하여, 5G 서비스를 위한 디바이스 개발 비용과 기간을 크게 줄일 수 있는 장점을 갖는다. 반면, 밀리미터파 기술에 기반을 둔 5G 서비스를 위한 디바이스 개발에는 높은 동작 주파수를 갖는 반도체 공정으로 설계 제작이 필요하며, 임피던스 정합 설계 과정에서 사용하는 소자들과 이를 이용한 세부 설계 과정이 전자기파 특성 해석 시뮬레이션에 기반을 두고 있기에 이전 세대 통신 시스템에서 개발한 기존 IP를 활용 혹은 수정 적용하기에 제약 사항이 크다. 또한, 밀리미터파 대역 칩셋과 모듈 테스트를 위해서는 밀리미터파 대역 캐리어 주파수와 넓은 기저 대역폭 신호를 측정할 수 있는 고가 계측 장비가 필요하며, 특히 IP 설계와 검증 기술을 가진 전문 엔지니어 역시 세계적으로 부족한 상황이다. 밀리미터파 기술 기반 5G 서비스는 언택트 환경에 최적화된 대용량 데이터 실시간 전송이라는 매력적인 성능과 온라인 플랫폼으로의 전환이라는 시대적 화두에도 불구하고, 통신사와 제조사 모두에게 높은 투자 비용과 관련 전문 인력 확보 및 인프라 구축 등을 요구하고 있으며, 이를 위한 재원 마련과 시간 소요 등을 고려할 때, 단기간에 서비스 상용화를 기대하는 것은 다소 무리일 것으로 전망할 수 있다. 

밀리미터파 기반 5G는 이러한 제약 사항을 고정형 무선접속(Fixed Wireless Access)와 기업 및 정부 중심의 B2B 서비스를 통해 돌파구를 마련하는 중이다. 이탈리아 통신사업자 패스트웹은 2020년 12월에 3개 도시에서 밀리미터파 기반 5G FWA 서비스를 시작하였으며, 2021년에는 500개 도시로 확대하는 사업을 진행 중이다. 다른 이탈리아 통신사업자인 TIM은 6.5 km 떨어진 지역에 밀리미터파 5G FWA 서비스 시연을 하는 등 최근 국외 통신사업자는 도심과 도시 외곽 지역에서 FWA 서비스 제공에 밀리미터파 5G FWA 서비스 도입을 적극 시도하고 있다. 그러나, 이들 서비스가 FWA의 공간적 제약 사항을 무시하더라도 다수 사용자가 존재하는 서비스 환경에서 안정적인 데이터 속도를 유지할 수 있을 것인지에 대한 의문과 현재 1 Gbps의 목표 데이터 속도가 4G LTE-A에서 4x4 MIMO 구축으로 구현 가능한 450Mbps 대비 큰 성능향상으로 보이지 않는다는 것을 고려할 때 개인 소비자에게 5G 서비스로의 전환은 큰 매력으로 다가오기는 어려울 것으로 보인다. 국내에서는 밀리미터파 대역 5G를 기업과 정부기관의 제한적 장소에서 특정 솔루션 제공목적으로 활용하려는 B2B 중심 서비스로 준비 중이다. Sub-6GHz기반 5G는 기존 광대역 통신망으로 개인 고객을 위해 제공하고 특정 공간에서 보안성이 강화된 고용량 데이터 전송에 활용하겠다는 것인데, 유사한 응용 분야를 갖는 WIFI6와의 차별성을 가질 수 있을 것인지 관심있게 지켜볼 일이다. 

밀리미터파 기반 5G 서비스는 당초 등장 시기보다는 주파수 특성과 개발 환경 등에 의한 한계, 서비스 솔루션 부재 등으로 인한 어려움으로 그 열기가 다소 식은 것으로 보인다. 그러나, 최근 우리 정부와 기업이 공동으로 관련 분야에 선제적으로 투자하려는 움직임은 서비스 가속화에 기여함은 물론 시장 창출과 지배력 강화를 모두 달성할 수 있다는 점에서 매우 반가운 일이다. 차세대 반도체설계 인력 사업과 인프라 구축사업은 밀리미터파 기반 기술 개발의 고급 인력 공급과 개발 환경 확충에 기여할 것이며, 스타트업과 대기업이 각자 고유 영역에서 진행 중인 빅데이터 기반 다양한 서비스 개발은 고용량 데이터 송수신이 필요한 밀리미터파 기반 5G 고유 서비스를 가속화할 수 있을 것이다. 야구에서 홈런을 치기 위해서는 어깨에 힘이 실리지 않아야 하듯, 객관적으로 기술 한계와 이를 극복하기 위한 노력을 명확하게 확인하고 검증할 수 있는 현시점이야말로 밀리미터파 기반 5G 서비스를 상용화에 한발 더 다가설 수 있는 시점이지 않을까 전망한다.