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밀리미터파가 5G와 사물인터넷을 지원하는 방식

Craig Mathias  | Network World 2019.04.23
전자기 스펙트럼(electromagnetic spectrum)은 무선 통신이 작용하는 고속도로다. 각 경로마다 각기 다른 속도로 트래픽을 전송할 수 있다. 높은 주파수, 따라서 더 짧은 파장은 단위 시간당 더 많은 정보를 전송할 수 있다. 

밀리미터 또는 초고주파(Extremely High Frequency, EHF) 파장은 30GHz~300GHz에 이르는 비교적 사용되지 않는 전자기 스펙트럼을 점유한다. 이는 6GHz 이하의 갈수록 혼잡해지는 와이파이 대역보다 처리량이 더 많고, 따라서 전반적으로 더 높은 수용 능력을 갖는다.
 
ⓒ Getty Images Bank
 
역사적으로, 밀리미터파 기술은 값 비싸고 전개하기 어려웠다. 때문에 이는 전파 천문학(radio astronomy), 마이크로파 원격 센싱(microwave remote sensing), 지상파 고정 통신(terrestrial fixed communications) 등 한정된 분야로 국한되었다. 

그러나 최근에는 이런 어려운 점들이 대체로 해소되면서 관심이 크게 증가했다. 밀리미터파는 기업이 직면한 계속되는 네트워크 용량 문제를 충족하는 비용 효율적 선택지로 진화했다. 가격은 계속 하락할 것이고, 가격/성능 비율도 향상될 것이기 때문에 밀리미터파 솔루션은 모든 조직에게 최우선적 선택지로 자리매김될 것이다. 우선적으로 다양한 옥외 및 옥내 애플리케이션 분야에서 이 기술을 적용할 것으로 보인다. 

- 고정 무선 통신(Fixed Wireless)
전통적인 고정 P2P 및 P2MP(Point to Multi-Point) 마이크로파 통신은 가정에서는 밀리미터파 솔루션으로 문제가 없다. 밀리미터파 제품은 마이크로파 기반 솔루션에 비해 복잡성이 거의 추가되지 않으며, 라이선스는 장비 사업자나 판매나 설치에 관여하는 대리점에 의해 처리되는 것이 보통이다. 밀리미터파 애플리케이션 분야에 쓰이는 파라볼라 안테나(Parabolic antennas)는 캠퍼스, 광역 지역 건물 간 교량, 백홀 및 인터커넥트, ISP로의 링크, 그리고 텔레메트리, 감시 등 특수 애플리케이션에서 이미 볼 수 있다. 

- 무선 PAN 및 LAN 
IEEE 무선 개인 통신망 표준인 802.15.3c, 802.11.ad 와이파이 표준, 그리고 앞으로의 802.11ay 표준은 모두 60GHz 대역을 사용한다. 밀리미터파 신호의 제한적인 물체 투과, 거리 및 방향으로 인해 애플리케이션 분야는 직진파가 보장될 수 있는 실내 및 공개 사무실 환경으로 제한되는 것이 보통이다. 802.11ad를 이용하는 일반 액세스 애플리케이션이 보편화될 것이고, 칩셋이 현재 시장에 나오고 있다. 

아울러 이 기술을 바탕으로 한 옥외 및 캠퍼스 솔루션이 다양해질 것으로 예상된다. 현존하는 여러 마이크로파 및 밀리미터파 솔루션은 시간이 지나면서 802.11ad 컴포넌트를 바탕으로 한 저렴한 P2P, P2MP, 및 메시 솔루션으로 진화할 것이고 이에 의해 전개 기회는 더욱 넓어질 것이다.
 
이와 비슷하게, 밀리미터파 컴포넌트는 각종 사물인터넷 솔루션에도 적용될 것으로 예상된다. 왜냐하면 매우 많은 사물인터넷 솔루션이 클러스터화되고 따라서 단거리 및 메시 접근법에 적합할 것이기 때문이다.
 
멀티기가비트 처리량에 대한 가능성에도 불구하고, 802.11ad는 현실에서는 발전하지 못했다. 이는 802.11ac가 WLAN 용량에 대한 커지는 수요를 대처하는데 성공했기 때문이다. 그래서 60GHz 대역의 향방이나 유용성에 대한 의심 또한 존재한다. 이는 802.11a가 1999년 처음 도입됐을 때 5GHz 대역에 대해 대두된 우려와 기묘하게 비슷하다.
  
사용자 경험이 충분해지고, 저렴한 가격 및 탁월한 가성비의 매력을 고려하면 이런 상황은 앞으로 몇 년에 걸쳐 개선될 전망이다. 

- 5G 백홀(Backhaul)
5G는 여타 모든 무선 WAN과 경제성이 있는 경우, 유선 광대역 서비스를 대체하는 것을 목표로 하기 때문에 상당한 새로운 백홀 능력이 필수적이다. 5G는 한층 밀집된 기지국 전개라는 소형 셀 모델을 적용할 것이기 때문에, 밀리미터파 백홀은 내재적 거리 제한에도 불구하고, 심지어 라이선스가 없는 대역에서도 타당성을 갖는다. 이는 협소한 광선과 지향성 안테나 그리고 백홀 능력의 급속하고 비용 효과적 전개를 가능하게 하는 메시 기술의 적용성 때문이다. 

- 5G 액세스 
5G 모바일 가입자 액세스에 밀리미터파를 적용하는 것은 더욱 논란거리다. 일부 테스트에 따르면, 이는 밀집된 기지국과 적절한 빔 조정 기능을 가진 장소에서라면 가치있는 선택지이다. 그러나 업계가 대규모로 밀리미터파 모바일 액세스를 도입할 것인지는 불분명하고, 적절하게 장비된 가입자의 기기가 필요할 것이고, 이는 현재 시장에 나와 있지 않다.
 
- 차량 애플리케이션 분야  
밀리미터파 레이더는 이미 일부 자동차 분야에서 사용 중이다. 그리고 이 주파수에서의 모바일 접속은 미래의 네트워크 기반 차량을 위한 차량 간 연결에서 유용할 것이다. 

아울러 밀리미터파는 여러 위치 지정 및 추적 분야에서도 유용하다. 데스크톱 포인팅 장비를 위한 단거리 분야와 좀더 대규모의 상황을 위한 옥외 분야 모두 그러하다. 압축되지 않은 HDMI 영상 또한 핵심 분야로 종종 거론된다. 고성능 저비용의 동영상 압축 표준, 알고리즘, 그리고 기기가 오늘날 이용할 수 있음을 감안하면 이의 중요성은 줄어들 것이다. 

마지막으로, 밀리미터파를 이용한 장비 내, 혹은 장비간 통신에 대해서도 연구가 있었다. 이는 다소 예외적이라고 생각하지만, 밀리미터파가 성능 저하 없이 연결 비용이 유선보다 훨씬 더 낮을 수 있음은 충분히 고려할만하다. 비슷한 회로 기판 상의 칩-투-칩 연결도 역시 제안되었다.

 
밀리미터파 기술의 발전 

밀리미터파는 역사적으로 발전하기가 매우 어려웠다. 그리고 필수적인 오실레이터(Oscillators)와 여타 컴포넌트를 제작하는 데에는 전통적으로 예외적이고 값비싼 반도체 공정이 적용된다. 이 가운데 가장 중요한 것은 갈륨-비소(GaAs)이다. 이는 낮은 주파수가 많이 이용되어 온 핵심적인 이유이다.
 
그러나 최근 몇 년 동안, 보다 비용효율적 공정을 이용해 밀리미터파 주파수를 운용할 수 있는 컴포넌트를 설계하고 제조하는 법을 터득했다. 예컨대 실리콘-게르마늄(SiGe) 공정, 그리고 특히 상보적 금속 산화막 반도체 공정(complementary metal-oxide semiconductor, CMOS)이다. 이는 프로세서, 메모리, 그리고 오늘날 컴퓨팅 및 통신과 연관된 대다수 컴포넌트에서 보편적으로 사용된다. CMOS는 저렴하고, 높은 수율과 탁월한 포괄적 성능을 가지며, 무선 기기 및 여타 장비 등에 손쉽게 통합될 수 있다.
 
다시 말해, 현재 우리는 밀리미터파 기반의 통신을 안정적이고 비용 효율적으로 사용할 수 있다. 그러나 보다 안정적인 무선 대역들의 원활한 전개에 비하면 아직 갈 길이 멀다. 


밀리미터파가 안고있는 과제 

밀리미터파가 제공할 수 있는 것에 대한 수요가 분명히 존재하지만, 고려해야 할 추가적인 제약 사항들이 있다. 

- 전파 특성의 한계
밀리미터파는 극히 방향적이고, 협소한 빔으로 전파되고, 예건대 건물 내외부의 벽 등 고형 물체에 의해 차단되는 것이 보통이다. 이 때문에 밀리미터파의 대다수 애플리케이션 분야는 가시선(Line of Sight, LoS)이다. 일정 애플리케이션 분야의 유효 거리는 엔드 포인트 사이의 에상 경로가 얼마나 순조로운지, 그리고 적용된 전송 전력과 사용된 안테나의 유형 및 구성에 따라 좌우된다. 방향성 안테나, 심지어 MIMO, 빔포밍(beamforming), 액티브 안테나 어레이를 통한 빔스티어링(beamsteering) 같은 기술을 사용하는 것도 분명히 가능하다. 이에 의해 처리량을 늘리고 거리를 연장할 수 있다. 안테나, 심지어 방향성 파라볼라 안테나는 매우 작은 것이 보통이다. 미세 파장이 관여하기 때문이다. 

그러나 밀리미터파 주파수에서 파장의 근본적 물리 거동에 따른 제한은 여전히 존재한다. 여러 밀리미터파 주파수에서 신호 감쇠는 대단한 문젯거리는 아니다. 그러나 60GHz 대역은 산소 흡수 주파수(oxygen-absorption frequency)이기 때문에 라이선스가 주어지지 않는다. 이는 공기 중의 산소가 전파를 감소시키는 전자기파 스펙트럼 지점이다. 이는 노드 사이의 짧은 거리를 갖는 다중 노드 전개에 의해 보완될 수 있고, 주파수 재사용을 통한 전반적 용량의 개선이라는 상당한 혜택도 존재한다. 협소한 빔과 방향성 안테나를 고려하면, 근처의 동일 주파수 상의 다른 접속과의 간섭은 일반적으로 회피될 수 있다. 

다른 밀리미터파 대역 역시 다양한 정도의 대기 감쇠를 보이지만, 대다수는 미세한 영향만 받는 정도다. 20~50, 70~90, 120~160GHz가 특히 그러하다. 다시 말해, 특정 대역과 적정 애플리케이션 분야가 어우러지면, 밀리미터파의 한계는 극복될 수 있고, 큰 의미가 없는 정도까지 줄일 수 있는 것이 보통이다.
 
아울러 밀리미터파의 협소한 빔, 제한적 거리 및 연관 거동은 실제로 보안과 무결성에 기여한다는 점도 유의해야 한다. 그럼에도 불구하고, 모든 무선 링크에 암호화가 필수적으로 적용되어야 하고, 대다수 상용 밀리미터파 제품은 암호화를 지원한다. 

- 규제 및 라이선스 
밀리미터파 주파수에는 라이선스 및 비-라이선스 대역이 정의되어 있다. 가장 흔히 상업적으로 이용 가능한 라이선스 밀리미터파 대역은 27~31, 38, 71~76, 81~86, 92~95GHz이다. 이 대역에는 스펙트럼 경매 과정이 늘어날 것으로 전망할 수 있다.  

- 솔루션 구조
밀리미터파는 주로 고정 애플리케이션 분야에 사용되어 왔다. 일정 링크의 두 엔드포인트가 고정된 분야이다(P2P 및 P2MP 응용 분야). 앞으로는 메시 기법의 적용이 크게 늘어날 것이고, 이는 어떤 네트워크 구성에서든 최대의 유연성과 적용 범위를 제공한다. 

밀리미터파 무선 통신은 한 때 우주 및 지상 고정 통신에 쓰이는 생소하고 값비싼 선택지였지만 이제는 네트워크 용적 문제를 해결하는 비용 효율적이면서, 많은 경우, 저렴한 선택지가 되었다. 

기업 IT의 경우, 밀리미터파 투자에서 최대의 효과를 거두려면 건물 내부 및 캠퍼스 배선, 그리고 이너넷 스위치의 업그레이드가 필요하다. 그러나 훨씬 더 큰 용적, 그리고 필요 시 훨씬 더 높은 처리량의 가능성은 밀리미터파를 적절한 선택지로 만들어준다. 
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