5G 이동통신은 초고속, 초저지연, 초연결 등 3가지 특징을 갖고 있다. 이동통신표준화국제협력기구인 3GPP는 기술총회에서 5G의 이런 특징을 실현하기 위해 초고주파인 밀리미터파(mmWave) 전송을 표준규격에 도입했다.

이 뿐만 아니라 밀리미터파를 이용한 각종 통신기술이 개발되고 있다. 특허청 조사 결과에서도 최근 밀리미터파 전송 관련 특허출원이 크게 증가하는 것으로 나타났다.

밀리미터파는 주파수 대역이 30~300㎓이며 파장이 1~10㎜인 전자기파로 트래픽 폭증에 따른 과부하 및 통신 음영지역을 해소할 수 있는 소형 셀(Small Cell) 기술, 고속 데이터 전송을 위한 최적의 빔을 제공하는 에너지 집중형 빔-포밍 기술, 전송속도 향상을 위한 대용량 다중 입출력(massive MIMO)기술을 실현할 수 있다.

■전송 대역폭 최대 100배 확장

이전 4G(세대)까지는 도달범위가 넓고 투과력도 좋은 6㎓ 이하의 저주파수 대역을 사용했지만, 낮은 주파수 대역은 이제 파편화·포화 상태라는 한계를 맞이했다.

따라서 광대역 확보가 용이한 초고주파 대역을 활용하는 네트워크 기술이 5G 표준으로 요구됐던 것이다.

4G보다 20배 이상 빠른 속도를 지원하기 위한 5G에서는 24㎓ 이상의 초고주파인 밀리미터파대역을 이용해 전송 대역폭을 기존(10~20㎒)보다 10~100배(100㎒~1㎓)로 확장해 데이터 전송률을 높이고 용량을 늘리는 게 가능해졌다.

28㎓ 대역을 5G에 이용하기 위해서는 더욱 촘촘하게 기지국을 구축해야 한다. 전파 도달거리가 짧은데다가 회절성까지 좋지 않다보니 기지국 커버리지가 좁기 때문이다.

이런 이유로 5G 기지국은 현재보다 최소 3배 이상 밀집 구축이 요구되는데 전국적인 규모로 환산했을 때 기지국 구축비용이 지나치게 증가하게 된다. 정부의 필수설비 공동활용 주장은 이런 고민에서 출발한 것이다.

■대중교통에 적용… 끊김 없는 고속통신 구현

밀리미터파를 이용해 대중교통에서 고속통신을 가능케 하는 기술도 개발되고 있다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 지난해 서울지하철 8호선 5개 역사 구간에서 기가와이파이 서비스 제공을 위해 개발된 모바일 핫스팟 네트워크(MHN) 기술의 최종 검증을 통과했다.

MHN기술은 밀리미터파의 광대역 주파수 스펙트럼을 활용, 고속이동환경에서 기가급 데이터 서비스제공을 가능하게 하는 기술이다.

테스트에서 연구진은 8개의 상용 레벨 MHN 백홀 기지국 장비를 설치해 달리는 열차에서 평균 전송속도가 1.1Gbps 이상 나오는 것을 확인했다. 이는 2Mbps 고화질(HD) 영상 서비스를 550명이 동시에 볼 수 있는 속도다.

또한 열차 내부에서 기가와이파이 AP를 통해 통신이 끊기지 않는 초고속 인터넷 서비스를 시연했다.

연구진은 지하철에서 초고속 와이파이를 사용할 수 있는 핵심 기술이 MHN 기술 중 '고속 핸드오버'라고 설명했다. 이 기술은 고속으로 이동 중인 통신장치가 기지국 사이에서 통신 두절이 되지 않도록 해 준다.

ETRI는 MHN기술이 지하철 공공와이파이를 위한 이동 무선 백홀로 사용될 경우 기존 지하철에 설치된 10Mbps 정도의 백홀 속도를 지원하는 와이브로 기반 백홀 방식보다 100배 이상 데이터 서비스를 지하철 탑승객에서 제공할 수 있음을 증명한 것이라고 설명했다.

아울러 ETRI는 지난해 강릉시 율곡로에서 모바일 핫스팟 네트워크 기술인 MHN-E(Enhanced) 기술을 활용, 달리는 버스에서 안경 없이 3D 영상을 볼 수 있는 초다시점 미디어 전송서비스 시연에 성공했다.

시연에 활용된 MHN-E 기술은 MHN 기술의 진보된 기술로 이번 시연을 통해 처음 공개됐다.

MHN-E는 기존 MHN 기술보다 4배 이상 데이터 전송이 빠르다. 대역폭을 확장하고 데이터 전송 효율을 높여주는 다중안테나(MIMO) 기술을 도입, 기존 1Gbps MHN 기술보다 약 4배 이상 빠른 최대 5Gbps 데이터 전송이 가능하다.

■3D 영상, VR·AR 콘텐츠 전송도 가능

이처럼 데이터 전송이 빠르다보니, 기존 통신에서는 전송이 불가했던 초다시점 미디어처럼 안경 없이 보는 3D 영상이나 가상·증강현실(VR·AR) 콘텐츠도 전송이 가능하다.

연구진은 시연에서 MHN-E 기술을 활용해 버스가 강릉 시내를 주행하면서 동영상을 자연스럽게 송수신하는 모습을 보여줬다. 이 기술을 고속도로에 적용하면 반경 500m 내에서 2500여명이 달리는 고속버스 안에서 HD급 스트리밍 동영상(2Mbps 기준)을 동시에 볼 수 있다는 게 연구진의 설명이다.

ETRI 관계자는 5G 이동통신기술인 IMT-2020의 경우 최대 20Gbps의 속도를 제공하지만 고속 이동 중에는 통신 속도가 느려지는 한계가 있다고 설명했다.

이에 반해 MHN-E는 마이크로파(mmWave) 기술을 바탕으로 고속 이동하는 상황에서도 빠른 속도의 데이터 통신이 가능하므로 향후 이 기술을 KTX나 고속버스에 활용할 경우 승객에게 기가와이파이 서비스를 제공할 수 있을 것이라고 전했다.

특히 MHN-E 통신을 위한 인프라 구축이 이뤄지면 트래픽을 분산 처리할 수 있게 돼, 이동통신망에 데이터가 집중되는 것을 방지하는 효과도 있다고 봤다.

■2015년 이후 특허출원 꾸준히 늘어

이 같은 기술개발 노력에 힘입어 관련 특허 출원도 증가 추세인 것으로 조사됐다.

특허청에 따르면, 밀리미터파 전송 관련 특허출원은 2013년 80건, 2014년 72건에 불과했다.

하지만 밀리미터파를 5G 주파수 대역으로 하는 승인이 이뤄졌던 2015년에는 전년도에 비해 약 1.7배 가까이 증가한 123건이 출원된 것으로 나타났다.

이후 2016년 124건, 2017년 100건이 출원돼 2015년 이후 매년 100건 이상씩 꾸준히 출원되고 있다.

출원인별 동향을 살펴보면 밀리미터파 전송 관련 특허출원은 삼성전자, 퀄컴, 인텔, LG전자, 화웨이 등 글로벌 통신장비회사의 출원이 전체 출원의 50% 정도를 차지했다.

이어 연구소 및 산학협력단의 출원이 30% 이상으로 그 뒤를 따르는 것으로 조사됐다. 초고주파 대역은 새로운 주파수 대역을 개척하는 분야인 관계로, 국내외 대기업과 산학연이 앞장서 연구를 주도하고 있는 것으로 분석된다.

이동환 특허청 이동통신심사과장은 "차세대 이동통신 시대가 도래할 때마다 기존 기술의 한계를 뛰어넘는 새로운 기술이 등장하는데 이동통신 서비스에 대한 사용자의 요구가 점점 고급화, 다양화됨에 따라 다음 세대에서는 어떤 새로운 기술이 선보여질 것인지 주목된다"고 말했다. 이에 더해 "표준화도 빠르게 진행되는 만큼 신속한 기술선점을 위해 관련 특허권 확보를 위한 노력을 꾸준히 해나가는 것이 필요하다"고 강조했다.

박광하 기자 다른기사 보기