1000배 빠른 5G 기술로 모든 사물이 통신한다

1900년 12월 마르코니가 무선전신의 역사적인 대서양 횡단에 성공한 이후 약 120년 동안 무선통신, 이동통신의 발전은 그 누구도 예측하기 어려울 정도로 급속히 빠르게 진행되고 있다. 스마트폰이라는 새로운 단말기의 대중화는 우리가 상상하는 것 이상으로 세상을 변화시키면서 새로운 패러다임을 만들고 있다. 현재 인류의 약 67%가 모바일 기기를 이용해 이동통신 서비스를 받고 있으며, 곧 사람들 간 통신 서비스뿐만 아니라 모든 사물 간 통신이 가능하도록 네트워크화 될 것이다. 완벽한 유비쿼터스 삶을 누릴 수 있게 되는 것이다. 2013년 4G LTE 기술 도입으로 이동통신기술은 진화를 거듭하게 됐다. 800MB 용량의 영화를 한 편 내려받는데 3G는 7분 24초, 4G의 LTE는 1분 25초, LTE-A는 43초, 3밴드 LTE-A는 22초가 걸린다.

이처럼 4G 기술의 발전에 따라 데이터의 전송속도가 빨라지고 광대역 무선인터넷을 이용한 서비스가 확대되면서 산업 간의 융합기술 발전과 수용의 변화 등이 나타나고 있다. 2015년 우리는 새로운 이동통신 물결을 예감하고 있다. 세계 최대의 가전박람회인 ‘CES 2015’에서는 이동통신기술을 여러 산업분야에 적용해 사물인터넷(IoT)이라는 신조어를 탄생시켰다. 사물 인터넷 시대에는 현재의 이동통신기술을 뛰어넘는 더 빠른 전송속도, 더 많은 단말기간의 통신, 더 적은 전력 소모, 더 사용이 쉬운 단말기의 요구를 충족시키기 위한 이동통신의 진화가 필요하다.한국은 이것을 5G, 즉 미래형 이동통신 시대라고 명명하고 정보통신 강국으로서 5G를 주도하기 위해 고군분투 하고 있다. 지난해 1월 미래창조과학부는 제3차 경제관계장관회의에서 ‘미래 이동통신산업 발전전략’을 확정했다.


정부는 2020년 5G 이동통신을 세계 최초로 상용화하기 위해 민·관 합동으로 1조 6000억 원을 투자해 세계적인 5G 기술력을 선점할 예정이다.그러나 이동통신 환경변화 추이를 살펴볼 때 이동통신 기술개발도 중요한 이슈지만, 사용자 서비스를 위한 콘텐츠 개발이 무엇보다 중요한 사항임을 잊지 말아야 한다. 스마트폰의 경우도 다양한 응용 서비스를 공급하는 앱스토어로 인해 무선 데이터 시장이 급격한 성장을 이룰 수 있었다. 이동통신 기술 역시 이런 추세와 맞물려 무선접속기술 및 응용 서비스의 진화를 기대할 수 있다. 4G보다 데이터 전송속도, 이동통신 단말기 협업, 실시간성, 에너지 효율에서 1000배 높은 ‘쿼드러플(Quadruple) 1000 5G 통신기술’을 목표로 서비스의 진화 방향에 대해 예측하고 다가올 미래에 대해 생각해봐야 한다.

새로운 통신 서비스 요구 증가
산업화와 핵가족화의 영향으로 글로벌 인구구조가 변화하고 있다. 인간의 기대수명이 높아지고, 고령화가 진행되며, 경기 침체로 실업이 급증하는 상황에서 개인은 적은 비용으로 육체적 건강과 심리적 안정을 동시에 얻고 싶어 한다. 휴대 단말기와 스마트폰의 보급으로 1인 1기기 시대가 도래하고, 그로 인해 개인에 맞춘 통신 서비스가 다양해지기 시작했다. 인간의 복지를 위한 건강과 행복을 중시하는 힐링 서비스의 확산과 더불어 보육·아동·노인보호의 사회적 관심 집중도가 높아지면서 복지 서비스의 인프라 구축에 많은 예산이 투입되고 있다. 이러한 환경에서 기존 개인형 휴대 단말기와 함께 사물인터넷을 통한 개인정보망이 구축돼야 더 효율적인 복지 인프라가 형성될 수 있다.

그러나 현재 원격진료에 대한 데이터 송수신 신뢰도가 높지 않고, 환자 모니터링을 위한 대용량 데이터의 송수신 속도가 실시간성이 떨어지며, 만성질환자의 케어 서비스를 위한 병원과의 네트워크가 불안정한 상태다. 멀티미디어 시스템의 서비스 요구는 고용량 멀티미디어 서비스가 급증하면서 전체 다운링크 트래픽의 50% 이상을 차지하고 있으며, 차세대 초고화질(UHD) 서비스를 위해 현재 풀(Full) HD의 16배의 데이터가 필요하다. 또 모바일 클라우드 서비스의 경우 스트리밍 이용자는 연평균 95%의 폭발적인 성장을 지속하고 있으며, 앞으로 이용자 수가 더욱 증가할 것으로 예상되지만, 실시간 스트리밍 서비스를 지원할 수 있는 기술은 한계 상황이다.


실감형 서비스는 웨어러블 디바이스의 개발로 증강·가상현실 서비스가 점차 증가되고 있다. 현재는 증강현실 서비스에 국한되지 않고 가상현실 서비스를 목표로 개발을 진행 중이다. 풀 HD급 게임 서비스, 홀로그램 기반의 서비스 요구가 증가함에 따라 센서들 간 통합 네트워크 기반의 광대역 가상현실 서비스를 준비해야 한다. 개인형 정보 서비스의 요구는 스마트 콘텐츠의 고기능화, 탈장르화로 인해 개인형 콘텐츠의 확장을 필요로 하고, 소셜미디어를 활용한 유통 확대를 통한 소셜커머스 시장의 변화가 방송과 게임, 그리고 소셜네트워크서비스(SNS) 결합으로 고화질의 연속적인 서비스를 제공받기를 원하고 있다.

2020년 모바일 트래픽 1000배 증가
모바일 디바이스를 둘러싼 환경은 다양한 모바일 디바이스의 급속한 확산으로 이동통신산업의 패러다임이 음성통화에서 애플리케이션으로 전환되고 있으며, 사용자의 정보에 대한 인식이 개인화를 위한 용도에 더 집중되기 시작했다. 최근에는 사물인터넷이 부각되면서 모바일 디바이스와 연동된 주변 센서로부터 수집된 정보를 직접 제어해 새로운 정보를 생산해 내는 시도가 이뤄지고 있다. 이동통신 환경이 변화함에 따라, 더 선명한 화질에 다양한 서비스를 빠른 전송속도로 원하는 사용자가 많아지면서 한정된 네트워크 자원에 대한 트래픽의 변화가 시작됐다. 2013년을 기준으로 2020년에는 전 세계 모바일 네트워크 트래픽이 1000배 가량 증가할 전망이다.

이 같은 급격한 네트워크 트래픽의 증가는 개인 단말기, M2M(Machine to Machine)·D2D(Device to Device) 애플리케이션 등의 모바일 인터넷 연결 수가 지속적으로 늘다가, 2017년에는 76억 명의 전 세계 인구수까지 넘어설 것이기 때문이다. 2017년까지 연간 134엑사바이트의 모바일 데이터 트래픽을 생성하게 될 것이라는 전망이다. 이와 같은 추세라면 현재의 4세대 네트워크 트래픽 환경에서는 증가하는 모바일 디바이스의 데이터 송수신양과 M2M·D2D 서비스 진화에 따른 네트워크 트래픽을 해결할 수 있는 방안이 필요하다. 우리가 5G를 도입해야 하는 시점이 다가왔다는 의미라고 할 수 있다. 5G 서비스를 지원하기 위해서는 여러 기술을 고려해 준비해야 한다. 지금 4G에서도 서비스 창출을 위해 사물인터넷, 이종 네트워크 간의 협력방안 정보보안을 위한 강력한 보안 프로그램 등으로 사용자의 수요를 충족시키고 있다.

하지만 스마트폰과 모바일 디바이스의 보급이 늘어나면서 조만간 데이터 전송의 한계에 부딪힐 것으로 전망되므로 새로운 통신 서비스에 대한 준비가 필요하다. 또 현재는 법적인 문제로 서비스가 제공되고 있지 않지만 원격의료 서비스, 재난·공공안전 서비스 등은 반드시 제공돼야 할 서비스다. 이러한 시점에서 5G 서비스에 대한 비전은 5G 통신, 인프라, 디바이스 기술이 나아가야 할 방향을 제시할 수 있으며, 사용자 중심의 니즈에서 출발해 서비스를 제공함으로써 4G에서의 문제점을 해결할 수 있는 효과적인 방법이 될 것이다. 5G가 근본적인 변화를 몰고 올 수 있는 대표적인 분야로 스마트 자동차, 의료 인프라, 공공재난 안전 등을 들 수 있다.

스마트 자동차는 운전자의 개입 없이 주변 환경을 인지하고, 주행 상황을 판단해 차량을 제어함으로써 스스로 주어진 목적지까지 주행하는 자동차를 말한다. 스마트 자동차는 위성측위시스템(GPS), 카메라, RADAR(Radio Detecting Ranging), LIDAR(Light Detecting and Ranging)와 같은 측정·위치 센서들을 탑재하고 있다. GPS의 위치정보, 카메라의 색상 정보, RADAR 및 LIDAR의 거리정보를 이용해 주변환경을 인식하고 이를 기반으로 주행 경로를 생성하며 핸들, 브레이크, 엑셀, 기어를 제어함으로써 차량을 주행하게 된다.이러한 기가(Giga)급 통신, 클라우드와 같은 서비스를 제공하기 위해서는 초연결성, 초반응성, 초신뢰성, 초저가형과 같은 5G 서비스 기술 요구사항을 만족해야 한다. 초연결성은 네트워크의 통합연결로서 망 연결시간이 10밀리초(㎳) 미만이여야 하고, 초반응성은 차량의 주행 속도를 350㎞까지 고려했을 경우 반응속도가 20㎳ 미만이어야 한다. 또 초신뢰성은 데이터의 오류율이 10-9 미만이여야 하고, 초저가형은 센서의 단가가 최소수준으로 인프라가 구축돼야 한다.

5G 시스템으로 재난 발생 즉시 피해범위를 예측하고 인근지역에 재난 정보를 알려 피해를 최소화 할 수 있다

5G로 응급의료·공공안전 뒷받침
의료 인프라 서비스는 5G 시스템을 이용해 응급차와 같이 응급환자를 수송하기 위한 장비들을 새로운 의료 인프라 형태로 발전시키는 서비스다. 기존의 응급차는 단순히 부상자·환자 등을 병원으로 긴급 수송하기 위해 장비된 자동차로, 기본적인 응급 조치만을 취하고 있다. 하지만 의료 인프라 서비스는 5G 시스템을 이용해 응급차 안에서 환자의 수송과 동시에 의사의 모니터링을 통해 실시간으로 환자를 검사 및 치료하는 서비스다. 의료 인프라 서비스는 응급의료 요청, 클라우드 서버, 원격진료로 구성된다. 응급의료 요청이 있을 경우 구급차에서 환자 상태나 과거 병력 등의 데이터를 UHD 의료영상 데이터 형태로 클라우드 서버로 전송하고, 클라우드 서버의 데이터를 의사와 같은 의료 전문가가 수신해 원격진료를 하게 된다.
전문가의 원격진료는 검사장비 및 의료기기와 실시간으로 호환해 환자를 검사·치료하게 된다.

응급환자 수송상황을 고려했을 경우 차량의 속도가 시속 100㎞ 정도이며 실시간으로 검사·치료를 하기 위해서는 기가급 통신이 필요하다.공공안전 재난서비스는 재난상황 및 위치를 인지하고, 응급상황의 위험도를 판단해 해당 범위에 응급조치를 하는 서비스다. 기존 재난서비스의 경우, 재난 발생에 대한 신고가 접수됐을 때 이를 처리하는 방식이었지만, 5G 시스템을 이용하면 해당 지역을 모니터링해 재난 발생 즉시 피해 범위를 예측하고 인근 지역에 재난에 대한 정보를 알려 피해를 최소화 할 수 있다. 공공안전 재난서비스는 환경감지 센서를 이용해 건물의 붕괴, 화재, 하수도 침수를 인지하거나 HD CCTV를 이용해 재난을 모니터링해 피해를 예측한다. 그리고 위치기반서비스로 실내 또는 실외의 재난 위치를 인식해 재난 범위 및 피해 확산을 예측한다. 통합연계시스템에서는 지리정보시스템(GIS) 상황판을 이용해 재난 발생 지역에 알리고, 인근 지역에 재난 지역 위치를 알리며 개인별 모바일 통신을 이용해 재난 발생 지역에 대한 알림 서비스를 한다.

이러한 서비스를 하려면 초연결성, 초반응성, 초신뢰성, 초저가형과 같은 5G 서비스 기술 요구사항을 만족해야 한다. 초연결성은 통합연계시스템에서 재난 발생 지역을 알려주기 위해 네트워크들이 통합연결돼야 하며 망 연결시간이 30㎳ 미만이어야 한다. 초반응성은 재난 발생에 대해 실시간으로 인지하기 위해 재난 인지 및 모니터링의 반응속도가 20㎳ 미만이어야 한다. 또 초신뢰성은 재난 발생 지역의 실내외 위치오차가 1m 미만이어야 하고, 초저가형은 감지센서를 전국적으로 설치하기 위해 1달러 이하여야 한다. IT 강국이라고 불리는 한국은 그동안 3G, 4G를 주도하지 못한 아쉬움으로 5G에 대한 주도권 확보에 정부와 민·관이 협업해 준비하고 있다. 차세대 이동통신인 5G는 여러 기술적 한계와 주파수 배분 문제, 국제사회의 협력의 난제가 있지만 가장 큰 어려움은 서비스 도출일 것이다.

현재 4G LTE 기반의 응용 서비스가 사회 전반에 융합돼 사용되고 있지만 그 서비스는 한정적이라고 할 수 있다. 초고속 통신시스템 기술은 열려 있지만 이러한 시스템을 기반으로 운용돼야 할 서비스의 도출이 어렵기 때문에 기술의 한계가 더 부각되고 있는 것이다. 앞으로 우리가 주도해야 할 차세대 통신시스템인 5G는 서비스 비전을 미리 준비해 기술력과 협력해 나가면서 서비스의 안정화를 이룰 수 있는 역할을 반드시 해야 한다. 5G 서비스 비전을 기반으로 초반응성, 초연결성, 초실감형, 초저가형, 초절전형, 초신뢰성을 지원할 수 있는 서비스 기술을 준비한다면 세계시장을 주도해 나갈 수 있을 것이다.

글 박용완 영남대학교 정보통신공학과 교수