[Network] 무선 통신망의 방향성인 5G, 6G 기술에 대해서 각각 그 특징과 차이를 조사하고, 요약

본 포스팅은 학교 수업에서 제출했던 과제입니다.

5G란 무엇인가

5G통신은 쉽게 말하면, ‘1차선 도로가 10차선 도로로 변했다’는 것입니다. 대역폭이 넓어졌으니 지금보다 10배 이상 더 빠르게 음성, 영상 등을 주고 받을 수 있습니다. 뒷 부분에 작성을 하겠지만, 이 때문에 초고속, 초저지연성, 초연결성등이 5G의 가장 큰 특징으로 꼽힙니다.

 

기존의 4G의 속도는 1Gbps입니다. 하지만 5G 기술의 이론적인 최대 속도는 20Gbps 입니다. 위와 같은 빠르다는 특징으로 현대사회에서 생활적으로 산업적으로 많은 변화를 가져다 주고 있습니다.

 

5G 기술은 어떻게 동작할까? 그리고 특징은 무엇이 있을까?

5G 기술은 네트워크 아키텍처 전반에서 여러가지 발전된 요소를 채택하였습니다.

 

먼저, 5G는 다양한 주파수 대역을 활용합니다. 주로 사용되는 대역은 mmWave(밀리미터 웨이브) 및 중간 대역입니다. mmWave는 무선 통신에 매우 높은 대역폭을 제공하지만 전파가 짧은 거리에서 손실되는 특성을 가지고 있습니다. 중간 대역은 더 광범위한 커버리지를 제공하고 거리에 따른 신호 손실이 적습니다.

 

또한 더 뛰어난 5G New Radio는 4G에서 사용되지 않는 스펙트럼을 포함합니다. 새로운 안테나에는 MIMO(Multiple Input, Multiple Output)라는 기술이 통합됩니다. 이는 대역폭을 효과적으로 활용하고, 사용자 경험을 개선하는 데 중요한 역할을 합니다.

 

빔포밍(BeamForming)은 또 다른 중요한 기술로, 방향성 있는 안테나를 사용하여 신호를 특정 방향으로 집중시킵니다. 이를 통해 특정 사용자 또는 장치에 더 강력한 신호를 전달하고 대역폭을 효과적으로 활용할 수 있습니다.

 

또한, 5G 네트워크 슬라이싱이라는 기술을 활용하여 네트워크를 여라가지 가상 네트워크로 나누어 다양한 사용사례와 요구사항에 맞게 리소를 할당합니다. 이를 통해 서로 다른 응용 프로그램 및 서비스에 대한 최적의 성능을 제공합니다.

 

코어 네트워크도 5G에서 혁신적으로 변화하였습니다. 새로운 코어 네트워크 아키텍처는 데이터 처리와 전달을 최적화하고, 초저지연성과 고속 데이터 전송을 지원합니다.

 

5G는 또한 대규모 사물 인터넷 (IoT) 디바이스와 센서를 지원하는데 중요한 역할을 합니다. 이는 저전력 및 저비용으로 연결될 수 있는 기기를 통합할 수 있으며, 스마트 도시, 스마트 홈, 스마트 공장과 같은 환경에서 중요한 역할을 합니다. 가상화 및 클라우드 네트워킹은 또 다른 중요한 구성 요소로, 네트워크 기능을 소프트웨어로 구현하여 유연성과 확장성을 향상시킵니다. 이는 네트워크를 보다 효율적으로 운영하고 관리할 수 있도록 도와줍니다.

 

5G 기술의 특징 요약

위와 같은 내용으로 5G기술에 대해서 정리하면 다음과 같습니다.

1. 초고속 데이터 전송 : 5G는 이론적으로 최대 20Gbps의 다운로드 속도를 제공합니다. 이는 이전 4G 네트워크의 1Gbps보다 20배 빠릅니다. 이러한 초고속 데이터 전송은 대용량 파일, UHD 및 3D 비디오 스트리밍, 게임 스트리밍 및 실시간 응용 프로그램에 혁명적인 영향을 미칩니다.
2. 초저지연성(Ultra-Low Latency) : 5G는 1밀리초 미만의 지연 시간을 제공하여 실시간 애플리케이션 및 서비스에 이상적입니다. 이는 자율 주행 자동차, 원격 의료 진료, 원격 조작 로봇등과 같은 응용 분야에서 중요한 역할을 합니다.
3. 대역폭 및 연결성 향상: 5G는 더 많은 디바이스를 동시에 연결할 수 있도록 설계되었습니다. 이는 대량의 IoT 디바이스 및 스마트 도시 솔루션에 이상적이며, 스마트 시티, 스마트 홈, 스마트 공장 등에서 중요한 역할을 합니다.
4. 네트워크 슬라이싱 (Network Slicing): 5G는 네트워크 슬라이싱을 지원하여 여러 응용 프로그램 및 서비스에 대해 별도의 가상 네트워크를 제공합니다. 이를 통해 서로 다른 사용 사례와 요구 사항에 맞게 네트워크 리소스를 할당할 수 있습니다.
5. 증강 현실 (AR) 및 가상 현실 (VR): 5G의 초고속 및 낮은 지연성은 AR 및 VR 기술의 혁신적인 적용을 가능하게 합니다. 이를 통해 가상 현실 환경을 현실 세계와 효과적으로 통합하고, 엔터테인먼트, 교육, 의료, 훈련 및 기업 응용 프로그램의 새로운 형태를 만들어냅니다.
6. 보안 및 개인 정보: 5G 네트워크는 높은 수준의 보안을 제공하여 민감한 데이터와 정보의 안전한 전송을 보장하고 사용자 개인 정보를 보호합니다.
7. 스펙트럼 활용: 5G는 다양한 주파수 대역을 활용하여 대역폭을 확장하고, 밀집 지역에서도 안정적인 연결을 제공합니다. mmWave (밀리미터 웨이브)와 중간 대역에서의 활용은 네트워크 성능을 향상시키는 데 기여합니다.
8. 에너지 효율: 5G는 더 효율적인 에너지 사용을 지향하며, 더 낮은 전력 소비로 더 긴 배터리 수명 및 지속 가능한 네트워크 운영을 실현하고자 합니다.

 

6G란 무엇인가

6G란 5G를 잇는 새로운 차세대 통신 규격입니다. 다만 아직은 보급에 있어서 5G도 미처 보급이 되지 않은 지역도 많아서 6G에 대한 논의는 시간이 걸릴 것으로 보입니다. 또한 6G는 위성을 통한 이동 통신 기술로 초광대역, 초공간, 초연결, 초절감, 초정밀 위치파악, 초고신뢰-저지연등이 중요한 요소가 될 것으로 예상됩니다.

 

다만 영국의 Vodafone UK의 CTO인 스콧 피티는 “5G는 몇 년 후부터 네트워크에 접속되어 있는 사물의 수를 모두 감당할 수 없게 될 것이다”고 언급한 것처럼 6G의 필요성은 계속해서 대두되고 있습니다.

 

IOT 제품의 다양한 분야에서의 등장으로 인해 데이터 수요가 증가하고 네트워크 부담이 늘어나는 것이 예상되므로 빠르게 6G 기술을 개발하여 이를 해결해야 합니다. 전 세계의 연구기관과 네트워크 벤더들은 6G를 실현하기 위한 기술 개발에 도전하고 있습니다

 

6G 실현을 위한 무엇을 해결해야할까?

먼저, 5G 이상의 통신 환경에서는 대용량 데이터 전송, 초저지연 통신, 고접속 밀도와 같은 요구 사항이 점차 중요해지고 있습니다. 최근에는 일본에서 세계 최초로 무선 통신을 통한 초당 100기가비트 데이터 전송 실험을 성공적으로 수행하였습니다. 이러한 성과는 기존의 LTE나 와이파이와 비교하면 약 400배, 5G와 비교하면 약 40배에 해당하는 전송 용량을 나타냅니다. 이러한 성과는 OAM(Orbital Angular Momentum: 기동각 운동량) 다중전송 기술을 사용하여 달성되었습니다.

 

뿐만 아니라, 신호 처리 기술의 개선으로 초당 120기가비트의 데이터 전송도 가능하다는 연구 결과가 나왔습니다. 이 실험은 현재 실내에서 이루어졌으며, 다음 단계에서는 실외에서의 전송 실험을 통해 현실성을 더욱 검증해야 할 것입니다. 또한, 다양한 애플리케이션을 실행하기 위해서는 위성통신망과 같은 다른 네트워크와의 협력, 상호호환성의 확보가 필수적일 것입니다. 예를 들어, 대량의 와이어리스 IoT를 지원하는 "스마트더스트"와 같이 6G가 활용될 경우, 미래 우주 공간에서의 위성통신과 같은 분야에서는 표준화가 필요할 것입니다. 이는 다양한 관계자 간의 협력을 통해 정해져야 하는 중요한 부분입니다.

 

그러나 6G에 대한 연구와 개발 과정에서 한 가지 주요한 관심사가 있습니다. 바로 전파의 인체 영향에 대한 우려입니다. 현재 진행 중인 5G의 주파수 대역의 전파는 인체에 미치는 영향에 대해 충분히 연구되었으며, 매일 노출되어도 건강에 부정적인 영향을 미치지 않을 정도로 안전하다고 여겨집니다.

 

그러나 6G에서 사용되는 주파수 대역은 이전 기술과는 다르며, 그 영향이 충분히 검증되지 않았다는 우려가 있습니다. 따라서 독일 연방 방사선 방어국(Radiation Protection Office)은 새로운 주파수 대역의 영향에 대한 향후 연구를 계획하고 있으며, 이를 통해 새로운 통신 기술의 안전성을 평가할 예정입니다.

 

5G 이상의 통신 기술은 높은 대역폭, 초고속 데이터 전송, 초저지연성과 같은 혁신적인 기술을 통해 우리의 통신 환경을 혁신하고 다양한 응용 분야에 확장 가능성을 제공하고 있습니다. 이러한 연구와 혁신은 향후 통신 분야에서 더욱 빠른 발전과 혁신을 가져올 것으로 기대됩니다.

 

5G와 6G의 차이

항목	5G	6G 기술 성능 목표
초성능	최대 전송률 20Gbps 체감 전송 속도 100Mbps 광 액세스 최대 20Gbps	최대 전송률 1Tbps 체감 전송 속도 1Gbps 광 액세스 Tbps급
초대역	주파수 대역 100GHz 대역 이하 대역폭 수GHz 대역폭	주파수 대역 100GHz 대역 이상 대역폭 수십GHz 대역폭
초공간	지원 고도 지상 120m 이하 지원 속도 500km/h 이하	지원 고도 지상 10km 이하 지원 속도 1000km/h 이하
초정밀	무선 구간 지역 1msec 이하	무선 구간 지역 1msec 이하 종단간 지연 수msec
초지능	해석전 기반의 이동 통신	해석적 기반의 이동 통신
초현실	시청각 3D 미디어 (3자유도)	5감 인지 실감 미디어 (6자유도)

 

6G는 데이터 전송 속도가 5G 대비 50배 빠른 1테라(Tbps)로, 사용자 체감 속도는 10배 빠른 1Gbps를 제공하며 지연 시간은 10분의 1밀리세컨드로 줄어듭니다. 단위 면적당 연결 가능한 기기 수도 100배 증가할 것으로 예측됩니다.

가장 주목할 만한 변화 중 하나는 통신 신호의 도달 범위로, 6G에서는 지상에서 10km 떨어진 곳이나 심지어 바닷속에서도 통신이 가능해집니다. 이는 도심 항공 모빌리티(UAM)와 같은 새로운 기술을 지원하는데 중요합니다. 또한, 6G는 지상 통신망과 저궤도 위성을 통합하여 사용하므로 해상이나 재난 지역에서도 고속 통신을 가능하게 하며, 비행기 내에서도 지상과 같이 휴대폰을 자유롭게 사용할 수 있을 것으로 예상됩니다.

이러한 발전은 6G 기술이 지상과 공중을 포함한 어디서나 통신 가능하도록 확장하며, 드론 통신 및 위성 통신과 연계하여 혁신적인 통신 환경을 제공할 것입니다.