mmWave: 대역폭 전쟁

각 사용 사례는 기존 무선 표준에서 제대로 지원할 수 없었던 새로운 어플리케이션을 미래 무선 표준으로 해결할 수 있게 설계되었으며, 다른 종류의 새로운 핵심 성과 지표 (KPI)가 필요합니다.  IMT 2020 사용 사례에서 정의된 강화 무선 광대역 (eMBB)은 4G보다 100배 높은 10Gb/s의 피크 데이터 속도를 예상합니다[3].  용량이 대역폭 (스펙트럼)과 채널 노이즈의 함수라고 정의한 섀넌 하틀리 정리 (Shannon Hartley theorem)에 따르면 데이터 속도는 경험적으로 가용 스펙트럼과 관련이 있습니다[4].  6GHz 미만의 스펙트럼이 전부 할당된 경우, 특히 mmWave 범위에서 6GHz를 초과하는 스펙트럼은 eMBB 사용 사례를 해결하기 위한 매력적인 대안입니다.

그림 1: 3GPP 및 IMT 2020에 의해 정의된 세 가지 상위 레벨 5G 사용 사례

전 세계의 통신업체들은 고객에게 서비스를 제공하기 위한 스펙트럼 구매에 수십억 달러를 투자했습니다.  스펙트럼의 경매 가격은 이 귀중한 리소스의 시장 가치와 희소성을 반영합니다.  새로운 스펙트럼이 열리면 통신업체가 더 많은 사용자에게 서비스를 제공하는 한편, 더 높은 성능의 모바일 광대역 데이터 경험을 제공할 수 있습니다.  6GHz 미만의 스펙트럼에 비해 mmWave는 아직 상당히 많이 남아 있고 라이센스 취득도 용이하므로 세계의 다양한 통신업체들이 활용할 수 있습니다.  반도체 제조 기술이 발전하면서 mmWave 장비 가격은 소비자 가전 제품에 사용할 수 있을 정도로 저렴해졌습니다.  현재 mmWave를 도입하기 어려운 이유는 이 스펙트럼과 관련된 기술적인 문제들이 많이 남아 있기 때문입니다.

통신업체들은 모바일 어플리케이션에 사용 가능한 최적의 주파수 후보군을 평가하기 위한 mmWave 기술 조사를 시작했습니다.  국제전기통신연합 (ITU)과 3GPP는 5G 표준을 위한 2단계 연구 계획을 수립하고 합의했습니다.  첫 번째 단계는 더 긴급한 상업 요구사항을 해결하기 위해 40GHz 미만의 주파수를 2018년 9월까지 연구하는 것입니다.  두 번째 단계는 2018년에 시작해서 2019년 12월에 완료되는 것으로, IMT 2020에서 정한 KPI를 다루는 것입니다.  이 두 번째 단계는 최대 100GHz까지의 주파수를 중점으로 합니다.
전 세계적으로 mmWave 주파수의 표준화를 위한 노력의 일환으로, ITU는 최근 세계전파통신회의 (WRC)가 끝난 후에 24–86GHz 사이에서 전 세계적으로 사용 가능한 주파수 목록을 발표했습니다[5].

24.25–27.5GHz                                        31.8–33.4GHz

37–40.5GHz                                             40.5–42.5GHz

45.5–50.2GHz                                           50.4–52.6GHz

66–76GHz                                                      81–86GHz

ITU의 발표 직후, 미국의 FCC (Federal Communications Commission)는 2015년 10월 21일, 28GHz, 37GHz, 39GHz 및 64–71GHz 대역 사이의 새로운 유연한 서비스 규칙을 제안하는 제안 규칙 제정 통지 (NPRM)를 발표했습니다[6].

그림 2: 모바일 사용을 위해 제안된 FCC 대역[6]

ITU, 3GPP, 기타 표준 기관들은 2020년을 5G 표준 정의의 시한으로 결정한 반면, 휴대폰 공급업체들은 5G 서비스 제공 일정을 앞당기기 위해 노력 중입니다.  미국의 Verizon과 AT&T는 5G 초기 버전을 2017년에 출시할 목표를 갖고 있습니다.  한국은 2018년 평창 동계올림픽에 맞춰 5G 평가판을 출시할 계획이며, 일본은 2020년 도쿄 올림픽에서의 5G 기술 시연을 준비 중입니다.  이렇게 다양한 그룹과 동기를 통해 28GHz, 39GHz, 72GHz가 5G용 후보 주파수로 부상하고 있습니다.

이 3개 주파수 대역이 주목받는 이유는 여러 가지가 있습니다.  먼저, 산소 흡수로 인해 약 20dB/km의 손실이 일어나는 60GHz와 달리[7], 이 주파수들은 아래 그림에 표시된 것처럼 산소 흡수율이 훨씬 낮으므로 장거리 통신에 훨씬 적합합니다.  또한, 이 주파수들은 다중 경로 환경에서 작동성이 뛰어나고 비가시선 (non-line-of-sight) 통신에 사용할 수 있습니다.  고 방향성 안테나와 함께 빔 포밍 및 빔 트래킹을 결합하여 사용하는 경우 mmWave는 매우 안정적이고 안전한 연결을 제공할 수 있습니다.  이미 NYU Polytechnic School of Engineering의 Ted Rappaport 박사와 학생들은 28GHz, 38GHz 및 73GHz의 채널 속성과 잠재적 성능에 대한 연구를 시작했습니다.  이 연구진은 이런 주파수에서 발생할 수 있는 서비스 중단에 대한 연구와 전파 측정 관련 논문을 몇 편 발표했습니다.  이렇게 데이터와 연구 결과가 쌓여 있고, 전 세계적으로 가용한 스펙트럼이라는 점에서 이 세 주파수는 mmWave 프로토타이핑의 시작점으로 인식되고 있습니다.

그림 3: mmWave 주파수에 대한 대기 흡수, dB/km[7]

위에서 언급한 대로, 통신업체들은 아직 할당되지 않은 확장 mmWave 스펙트럼을 어서 사용하고 싶어 하며, mmWave 스펙트럼에 사용될 주파수에 상당한 영향력을 갖고 있습니다.  2015년 2월, 삼성전자는 사내 채널 측정에서 28GHz가 셀룰러 통신에 적합함을 보여주었습니다.  이 측정을 통해 도시 환경에서 예상 경로 손실이 검증되었으며 (비가시성 (NLoS) 연결에서 경로 손실 지수는 3.53), 삼성전자는 이 데이터를 근거로 200m 이상의 거리에서 mmWave 통신을 지원할 수 있다고 주장합니다[8].  이 연구에는 또한 위상 배열 안테나 실험도 포함됩니다.  삼성전자는 휴대폰 내부에 정교한 위상 배열을 통합할 수 있는 설계를 특성화하기 시작했습니다.  일본에서는 NTT Docomo가 Nokia, 삼성전자, Ericsson, Huawei, Fujitsu와의 협력을 통해 28GHz (다른 주파수도 포함)에 대한 현장 평가를 성공적으로 실시했습니다.

2015년 9월, Verizon은 삼성전자를 비롯한 주요 파트너와 함께 2016년에 미국에서 현장 평가를 실시할 예정이라고 발표했습니다.  이는 5G 표준 정의 기한인 2020년보다 4년 빠른 것으로, 이로써 Verizon은 5G 시장의 선두 주자가 되는 것입니다.  2015년 11월에 Qualcomm은 128개 안테나로 28GHz 실험을 진행하여 밀집된 도시 환경에서 mmWave 기술을 시연하고 방향성 빔 포밍을 비가시성 통신에 사용할 수 있는 방법을 보여주었습니다.  28GHz 스펙트럼을 모바일 통신에 사용할 수 있다는 FCC의 발표 이후, 미국에서 추가적인 실험과 현장 평가가 계속될 것입니다.  Verizon은 2018년 말에 스펙트럼을 구매하는 옵션과 함께 XO 통신으로부터 28GHz 스펙트럼을 임대하기 위한 거래도 발표했습니다.

그러나 28GHz 대역은 ITU의 전 세계적으로 사용 가능한 주파수 목록에 포함되지 않았다는 점을 명심해야 합니다.  이 대역이 5G mmWave 어플리케이션에 장기적으로 사용할 만한 주파수인지 판단하기에는 아직 이릅니다. 이 스펙트럼을 한국과 일본에서 사용 가능하다는 점과 더불어, 미국의 통신업체들이 조기 현장 평가에 나설 것이라 단언함에 따라, 글로벌 표준과 상관없이 28GHz는 미국 모바일 기술에 도입될 가능성이 높아지고 있습니다.  2018년 올림픽에서 5G 기술을 선보이려는 한국의 목표도 5G 표준이 정해지기 전에 소비자 제품에 28GHz가 적용되도록 촉진할 수 있습니다.  FCC 위원들은 이 주파수가 국제모바일전기통신 (IMT) 스펙트럼 목록에 없다는 사실에 주목했습니다.  Jessica Rosenworcel 위원은 2016년 2월 워싱턴 회의에서 연설을 통해 다음과 같이 말했습니다.

"원대한 목표를 달성하기 위해 미국이 홀로 나서야 할 때가 가끔 있습니다.  28GHz 대역도 이러한 경우에 해당됩니다. 작년에 제네바에서 열린 세계전파통신회의 (WRC)에서 이 대역이 안건으로 다뤄지지 않은 것은 아쉬운 일입니다. 5G 스펙트럼 연구 목록에도 포함되지 않았습니다. 하지만 이 대역은 모바일 대역으로 세계적인 가용성을 갖추고 있으므로 미국이 연구를 선도해야 합니다. 이미 한국과 일본에서는 이 대역의 테스트를 진행하는 중입니다. 따라서 지금은 물러날 때가 아닙니다. 우리는 스스로 나아가야 하고 올해 말까지는 28GHz 대역을 위한 토대를 마련해야 합니다.”

Michael O’Rielly 위원은 한 걸음 더 나아가 2015년 WRC 결과에 대해 불만을 표하는 FCC 블로그 기사를 작성했습니다.

“WRC-15에서 일어난 일의 실제 영향과 ITU 역할에 미칠 영향을 생각하게 되었습니다.  이러한 방법이 향후 WRC의 가치를 저해하고, ITU가 정부와 기존 스펙트럼 사용자의 도구가 되도록 하여 스펙트럼 효율성과 기술 발전을 방해하게 될 가능성이 상당합니다[9]”

28GHz가 널리 채택된 5G 주파수가 될지 여부는 아직 모르지만, 지금 중요한 주제인 것은 분명합니다.

28GHz 관련 작업과 더불어 E-대역 주파수는 지난 몇 년 동안 모바일 통신 업계의 관심을 불러일으켰습니다.  Nokia에서 이 주파수에 대한 연구를 시작할 때 73GHz에서 수행된 NYU의 채널 측정치를 활용했습니다.  NI의 연례 회의인 2014년 NI Week에서 Nokia는 NI 프로토타이핑 하드웨어를 사용하여 73GHz에서 작동하는 OTA (over-the-air) 데모를 시연할 수 있었습니다.  연구가 계속됨에 따라 이 시스템은 새로운 기술적 성과를 대중에게 지속적으로 보여주면서 발전해 왔습니다.  모바일 월드 콩그레스 (MWC) 2015에서, 이 프로토타이핑 시스템은 렌즈 안테나와 빔 트래킹을 사용하여 초당 2기가비트 (Gbps)가 넘는 데이터 처리량을 과시했습니다.  이 시스템의 MIMO 버전은 2015년 브루클린 5G 서밋에서 10Gbps 이상의 성능을 보여주었습니다. 그 후 1년도 지나지 않은 다음 MWC에서는, 14Gbps 이상의 양방향 OVA 링크를 시연했습니다.

MWC 2016에서는 73GHz 데모를 시연한 업체가 Nokia뿐만이 아니었습니다.  Huewei도 Deutsche Telekom과 함께 73GHz에서 작동하는 프로토타입을 선보였습니다.  다중 사용자 (MU) MIMO를 사용한 이 데모에서는 높은 스펙트럼 효율을 보여주었고, 개인 사용자가 20Gbps가 넘는 속도를 이용할 수 있을 것이라는 발전 가능성도 보여주었습니다.

73GHz에 대한 연구는 이미 시작되었으며 향후 3년간 더 많은 연구가 진행될 것입니다.  73GHz를 28GHz, 39GHz와 차별화하는 특성 중 하나는 연속 가용 대역폭입니다.  73GHz에는 모바일 통신용으로 2GHz의 연속 가용 대역폭이 있으며, 이는 제안된 주파수 스펙트럼 중에서 가장 넓은 것입니다.  이에 비해, 미국에서 28GHz는 850MHz의 대역폭을 제공하고 39GHz는 각각 1.6GHz, 1.4GHz의 2개 대역을 제공합니다.  그리고 앞에서 설명한 대로, 섀넌 하틀리 정리에 따르면 대역폭이 늘어날수록 데이터 처리량이 증가하므로 73GHz는 언급한 다른 주파수보다 훨씬 큰 이점을 갖게 됩니다.

현재 공개되어 진행 중인 연구의 수는 가장 적지만, 38GHz도 아직 5G 표준에 포함될 가능성이 있습니다.  38GHz는 전 세계적으로 가용한 주파수로 ITU 목록에 올랐습니다.  가용성을 입증하는 NYU의 채널 데이터도 있습니다.  28GHz나 73GHz와 비교할 때 이 주파수의 문제는 이미 사용 중인 용도가 더 많다는 점입니다.  FCC는 잠재적 모바일 용도로 사용할 수 있는 스펙트럼으로 제안하여 미국 내 연구를 활성화했습니다.

Verizon은 2016년에 28GHz의 최초 현장 평가를 하기 위해 노력하는 한편, 39GHz 테스트 계획도 이미 수립했습니다.  XO Communications는 28GHz 라이센스에 더해 상당한 수의 39GHz 라이센스도 보유하고 있습니다.  이와 같은 통신업체들의 과감한 투자와 IMT 목록에서의 순위로 보아, 이 스펙트럼은 2020 5G 표준의 강력한 경쟁자입니다.

5G mmWave의 잠재력을 최대한 활용하려면 새로운 기술, 알고리즘, 통신 프로토콜을 개발해야 합니다. 그 이유는 mmWave 채널의 근본적인 속성이 현재의 셀룰러 표준과 다르고 상대적으로 덜 알려졌기 때문입니다.  특히 이러한 초기 단계에서는 mmWave 프로토타입의 중요성을 아무리 강조해도 지나치지 않습니다.  mmWave 시스템 프로토타입은 기술이나 개념의 가능성과 실현 가능성을 시뮬레이션만으로는 불가능한 수준으로 입증합니다. 다양한 시나리오에서 리얼타임 및 무선으로 통신하는 mmWave 프로토타입은 mmWave 채널의 비밀을 풀고, 기술의 적용과 확장을 촉진할 것입니다.

완전한 mmWave 통신 프로토타입을 만드는 데까지 여러 가지 난관이 있습니다.  다중 GHz 신호를 처리할 수 있는 기저대역 서브시스템이 있다고 생각해 보십시오.  오늘날의 LTE는 대부분 10MHz (최고 20MHz) 채널을 사용하고 연산 부하는 대역폭과 정비례합니다.  다시 말해, 5G 데이터 속도 요구사항을 충족하기 위해서는 연산 용량을 100배 이상 늘려야 합니다.  mmWave 시스템의 물리적 계층 계산에서 FPGA는 프로토타이핑에 필수적입니다.

mmWave 어플리케이션의 프로토타이핑을 지원하는 맞춤형 하드웨어를 만드는 것은 버거운 작업입니다.  mmWave 주파수가 통신 업계에서 호응을 얻고 있는 이유 중 하나는 큰 연속 대역폭 크기입니다.  5G 어플리케이션에서 요구하는 1–2GHz의 대역폭을 가진 상용 하드웨어 송신기 또는 수신기를 확보하려면 많은 비용이 소요되거나, 필요한 주파수에 따라 적합한 하드웨어를 찾을 수 없을 수도 있습니다.  이런 하드웨어를 찾을 수 있더라도, 원시 데이터를 설정하고 처리하는 기능이 없거나, 있더라도 제한적입니다.  이러한 이유 때문에, 맞춤형 FPGA 프로세싱 보드의 설계가 매력적인 선택지인 것입니다.  FPGA 보드용 하드웨어를 설계하는 데 필요한 엔지니어링 시간은 별로 길지 않게 느껴지지만, 하드웨어와 통신할 소프트웨어 인터페이스를 개발하는 데 필요한 시간까지 더하면 가장 숙련된 엔지니어조차 1년 이상은 들여야 합니다.  그리고 이는 프로토타이핑 시스템의 일부에 불과합니다.

FPGA 보드 외에도, mmWave 프로토타이핑 시스템이 1-2GHz 대역폭을 캡처하려면 최첨단 DAC 및 ADC를 활용해야 합니다.  현재 시장에 기저대역과 mmWave 주파수 간 변환을 지원하는 칩이 탑재된 RFIC가 여러 개 있지만, 이런 제품의 기능은 제한적이고 대부분 60GHz 대역용입니다.  IF 및 RF 스테이지가 RFIC의 대안이 될 수 있습니다.  엔지니어가 기저대역과 IF 솔루션을 갖추고 나면, mmWave 라디오 헤드의 경우 기저대역 RFIC보다는 많은 선택지가 있지만, 정말 많은 것은 아닙니다.  mmWave 라디오 헤드를 개발하려면 RF 및 극초단파 설계 전문 지식, FPGA 보드 개발과 완전히 다른 기술이 필요하므로, 모든 하드웨어를 개발하기 위해서는 다양한 기술을 갖춘 팀이 있어야 합니다.  FPGA는 mmWave 기저대역 프로토타이핑 시스템의 핵심 요소로 간주해야 하며, 다중 GHz 채널을 처리할 수 있는 다중 FPGA 시스템 프로그래밍으로 시스템이 더욱 복잡해집니다.  통신업체 및 통신 연구원들이 직면하는 시스템 복잡도와 소프트웨어 과제를 해결하기 위해, NI는 맞춤 구성이 가능한 mmWave 프로토타이핑 하드웨어와 mmWave 시스템 기저대역의 근본적인 측면을 고려하고 여러 FPGA에 걸쳐 데이터 이동 및 처리를 추상화하여 작업을 간소화하는 물리적 계층을 소스 코드로 제공합니다.  이러한 도구들은 새로운 프로토타입을 5G 기술 개발에 핵심이 될 시스템과 제품으로 변환하는 작업을 지원할 수 있게 설계되었습니다.

미래에 5G가 어떻게 구현될 것인지는 아직 명확하지 않지만, mmWave가 이런 기술 중 하나가 될 것이라는 것은 의심의 여지가 없습니다.  데이터 처리량 요구사항을 충족하려면 24GHz 이상에서 사용할 수 있는 큰 연속 대역폭이 필요하며, 연구원들은 이미 프로토타이핑을 통해 mmWave 기술로 14Gbps 이상의 속도를 제공할 수 있음을 입증했습니다.  아직은 어떤 mmWave 주파수 대역이 모바일 통신에 사용될 것인지 누구도 모릅니다.  ITU가 모바일 통신용 5G 주파수를 결정하는 데 일익을 담당할 수 있을지도 모릅니다.  휴대전화 제조업체들과 소비자들은 전 세계적 서비스를 제공하기 위해 지금처럼 여러 칩을 사용하는 대신 하나의 반도체 종류만 개발하고 사용함으로써 얻게 되는 비용 절감의 이점을 누리게 될 것입니다.  그러나 기존 주파수를 재할당하려면 비용이 많이 소모됩니다.  전 세계 각국의 동의를 얻을 수 있는 단일 대역을 찾는 일은 훌륭한 목표지만, 결국에는 달성하지 못할 가능성이 있습니다.  촉박한 시한을 맞추기 위해 여러 지역의 통신업체들은 ITU의 권장사항을 무시하고, 글로벌 확장이 어려워도 바로 가용한 스펙트럼을 선택하는 양상을 보이고 있습니다. 또한, 이들은 5G 개발의 핵심 요소인 현장 테스트와 평가에서 양방향 통신 연결을 정확히 프로토타이핑하는 능력을 활용함으로써 연구원들이 기술을 시연하고 그 어느 때보다도 빠른 속도로 표준화를 촉진할 수 있게 합니다.

아직은 불분명한 부분이 많지만, mmWave 기술이 널리 배포되고 빠르게 확산될 것은 확실합니다.  차세대 무선 통신이 서서히 모습을 드러내고 있으며, 얼마나 정확하게 구현될 것인지 전 세계가 지켜보면서 결과가 나오기를 기다리고 있습니다.

다음 단계

NI mmWave 트랜시버 시스템에 대해 자세히 알아보기

Nokia에서 mmWave 시스템을 신속하게 프로토타이핑한 방법 살펴보기

[1] CISCO VNI 2016: http://www.cisco.com/c/en/us/solutions/collateral/service-provider/visual-networking-index-vni/mobile-white-paper-c11-520862.html

[2] RAN 5G Workshop, Sep 19, 2015   http://www.3gpp.org/news-events/3gpp-news/1734-ran_5g

[3] IMT 2020 https://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/m/R-REC-M.2083-0-201509-I!!PDF-E.pdf

[4] Taub, H., & Schilling, D. L. (1986). Principles of Communication Systems. McGraw-Hill.

[5] Resolution Com6/20, Provisional Final Acts WRC-15. WRC-15 (pp. 424-426). Geneva: ITU. http://www.itu.int/dms_pub/itu-r/opb/act/R-ACT-WRC.11-2015-PDF-E.pdf

[6] Use of Spectrum Bands Above 24GHz for Mobile Radio Services, GN Docket No. 14-177, Notice of Proposed Rulemaking, 15 FCC Record 138A1 (rel. Oct. 23, 2015)

[7] T. S. Rappaport, J. N. Murdock, and F. Gutierrez, ‘‘State of the art in 60GHz integrated circuits & systems for wireless communications,’’ Proc. IEEE, vol. 99, no. 8, pp. 1390–1436, Aug. 2011.

[8] Samsung “5G Vision”, p. 7, http://www.samsung.com/global/business-images/insights/2015/Samsung-5G-Vision-0.pdf page 7

[9] O’Rielly, M. (2016년 1월 15일).  2015 세계전파통신회의: 우려스러운 발전 방향 https://www.fcc.gov/news-events/blog/2016/01/15/2015-world-radiocommunication-conference-troubling-direction