4차 산업 혁명을 이끄는 핵심 기술(4편)

[SNS 타임즈] 대한민국 통신 혁명이 시작됐다. 무선 데이터 전송 속도가 기하급수적으로 빨라지고 있다. 앞으로 5년내 5세대(5G) 서비스 시대가 막을 연다. 5G는 사물인터넷(IoT) 혁명을 가속화 시킬 핵심 인프라이기도 하다.

4차 산업혁명은 사람, 사물 등 만물을 묶어주는 초연결의 네트워크가 인프라를 형성한다. 2017년 2월말 개최된 세계 최대 이동통신 전시회 ‘모바일 월드 콩그레스(MWC) 2017’에서 내건 슬로건은 ‘모바일, 차세대 요소(Mobile, The Next Element)’였다. 인간에게 꼭 필요한 물과 산소처럼 모바일이 미래 산업의 필수 구성요소가 될 것이란 의미를 담고 있다.

글로벌 화두로 떠오른 4차 산업혁명의 핵심은 이종산업 간 융합과 사물 간 초(超)연결로 압축된다. 여기에 전제된 기술이 5G(5세대)와 같은 초고속 모바일 통신망이다. 2020년 전후로 글로벌 상용화가 예상되는 5G 모바일 통신은 데이터 전송속도가 20 Gbps 이상에 달한다. 4G (LTE) 모바일 통신의 최고 속도(500 Mbps)보다 40배 빠르다. 2.5GB 초고화질(UHD) 영화를 1초 만에 내려 받을 수 있다.

5G 모바일 통신기술과 맞물린 가상현실(VR)·증강현실(AR) 기반의 실감형 미디어 콘텐츠, UHD 영상 등도 주목 받고 있다. 생생한 현장감을 제공하는 가상현실(VR) 방송 콘텐츠는 기존 미디어 콘텐츠와 비교해 수십 배 큰 용량을 갖기 때문이다.

기가급 속도의 5G 통신 상용화가 가시권에 들어오면서 AI, 가상현실(VR)·증강현실(AR) 등 초대용량 데이터 처리를 필요로 하는 융합 서비스들이 각광받고 있다.

대한민국 통신 혁명이 시작됐다. 무선 데이터 전송 속도가 기하급수적으로 빨라지고 있다. 앞으로 5년내 5세대(5G) 서비스 시대가 막을 연다. 5G는 사물인터넷(IoT) 혁명을 가속화 시킬 핵심 인프라이기도 하다. 사람과 사람간의 통신에서 사람과 사물, 사물과 사물 등 모든 만물이 서로 연결되는 사물인터넷(IoT)은 기존 산업 지형과 인류의 삶 자체를 송두리째 바꿀 미래 혁명의 진앙지로 주목 받고 있다.

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이동통신의 발전

전화를 선(線) 없이, 그것도 이동하면서 전화를 할 수 있는 이동통신의 역사는 200년이 넘는 통신역사 중 50년도 채 되지 않는다.

1세대(1G) 이동통신인 아날로그 셀룰라 통신은 모토로라가 1975년 특허등록을 한 후, 1978년 미국에서 시범서비스가 이뤄지고 1979년 일본에서 처음으로 상용화됐다. 이후 1983년 미국에서도 상용화가 이뤄졌다. 국내에서는 1984년 한국이동통신(현 SK텔레콤)이 미국 아날로그 셀룰라 시스템(AMPS: Advanced Mobile Phone Service)을 도입해 이동통신서비스를 시작했다.

1세대 이동통신은 이동 중에 음성통화를 할 수 있다는 점이 선(線)에 묶여있는 기존 유선전화에 비해 분명히 혁명적인 변화였다. 하지만 비싼 가입비와 단말기 가격, 서비스 이용요금 등으로 인해 대중화 되지는 못했다.

이동통신의 대중화를 이끈 것은 2세대(2G) 이동통신의 등장이었다. 2세대 이동통신은 북미지역의 CDMA방식과 유럽지역의GSM방식으로 양분됐다. 1996년 한국이 세계 최초의 CDMA 상용화를 시작하며 본격적인 2세대 이동통신 시대를 열었다. 2세대 이동통신은 디지털 통신의 시작이었다. 문자를 전송할 수 있을 뿐 아니라, 누가 건 전화 인지 발신자 번호도 확인할 수 있었다. 또한 느린 속도로 제한적이지만 모바일 인터넷의 사용도 가능했다.

2세대에서 CDMA와 GSM의 분열로 많은 불이익과 비효율성을 경험한 전세계 통신사업자들이 협력해 3세대 방식은 WCDMA로 통일됐다. 3세대(3G) WCDMA이동통신을 가장 먼저 도입된 국가도 우리나라다. WCDMA는 2세대 이동통신에 비해 보다 빠른 데이터 속도를 제공했다. 그 결과 영상통화로 대변되는 WCDMA가 2003년 세계 최초로 한국에서 상용화됐다. 3세대 이동통신은 이후 여러 단계로 업그레이드 되면서 더욱 빠른 속도의 모바일 인터넷을 이용할 수 있게 해줬다. 자연스럽게 모바일 인터넷 사용에 적합한 휴대폰이 속속 등장했고, 2007년 애플의 아이폰을 시작으로 본격적인 스마트폰 시대가 열리게 된다.

4세대(4G) 이동통신도 전세계적으로 통일된 LTE(Long Term Evolution) 통신방식이 사용된다. LTE 역시 한국에서 2011년 세계 최초로 상용화된다. LTE에 레볼루션(Revolution)이 아닌 에볼루션 (Evolution)이라는 단어가 사용된 것은 3G에서 4G로의 변화가 장기간에 걸친 완만한 진보라는 점을 염두에 둔 표현이다. LTE의 개량으로 모바일 인터넷의 속도는 유선인터넷 수준으로 발전했고, 그 결과 고화질의 동영상이 LTE 시대의 킬러 콘텐츠로 자리잡게 된다.

KT가 2009년말 애플의 아이폰을 도입함으로써 국내에서 스마트폰이 급속도로 보급됐다. 이와 함께 4세대 LTE이동망이 단기간내에 전국적으로 확산됐고, 모바일 데이터 트래픽의 폭증으로 5세대(5G) 이동통신의 상용화를 앞당기게 됐다.

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5G이동통신 출현

5세대 이동통신은 2020년쯤 상용화될 전망이다. 5세대 이동통신은 20Gbps의 속도로 초고속 인터넷 서비스를 이용할 수 있게 해준다. 속도가 빨라지면 이동통신의 영역은 스마트폰을 넘어서 웨어러블 디바이스와 스마트홈, 커넥티드 카 등 다양한 영역으로 확장될 전망이다. 빠르면 2018년 평창 동계올림픽에서 5G의 모습을 미리 경험해볼 수 있을 전망이다.

5G는 기술적으로 ‘초고속, 저지연, 초연결’을 특징으로 한다. 5G의 초고속 성능은 UHD급 영화 한 편을 1초 만에 다운로드 할 수 있다. 5G가 상용화되면 UHD급 이상의 초고화질이 보편화 될 것이며, AR(증강현실), VR(가상현실), 홀로그램 등의 3차원 입체영상 서비스도 가능해질 것이다. 이는 서비스 시장의 변혁을 의미한다. 특히 교육, 의료, 체험 마케팅 등의 분야에서 새로운 4차 산업과 시장이 열릴 것이다.

예를 들어 교육 분야에서는 가상기기와 서비스 클라우드에 접속하는 것만으로도 세계 최고의 전문가에게 배움이 가능하다. 그것도 아주 값싼 비용에 반복해서 들을 수 있으며, 의료분야에서는 원격진료가 더욱 현실감 있게 진행될 것이다.

5G 기술의 또 다른 핵심은 1ms 이하의 저지연 성능이다. 내 단말에서 떠난 정보와 명령이 기지국에서 서비스 회사의 클라우드에 접속하고 그 안에서 상대편 단말의 정보, 명령과 상호 작용을 해 최종 산출물을 낸다. 그 결과를 다시 내 단말에 보내는 이 일련의 과정이 불과 1ms 라는 눈 깜짝할 사이에, 그것도 3차원의 입체영상과 같은 초고속데이터가 오가는 환경에서 이루어진다.

현재 핫 이슈로 떠오르고 있는 자율주행차의 경우도 이러한 저지연 기술이 뒷받침되지 않으면 무용지물이다. 내 차에 달린 수많은 센서에서 수집된 정보가 클라우드에 접속되어 가장 적절한 다음 행동을 내 차에 지시한다. 그것도 실시간의 초고속 이동체가 난무하는 열악한 환경에서 제대로 이루어져야 한다. 만일 브레이크를 밟아야 하는 긴급한 상황에서 이러한 저지연이 보장되지 않는다면 대형사고가 일어날 가능성이 있으므로 상용화에 저해요인이 된다. 이러한 저지연은 인간의 생명을 다루는 원격진료에서 진가를 발휘할 것이다. 외국에 있는 세계 최고의 전문가 동작을 실시간으로 모사하는 AI로봇 의사가 한국에 있는 수술대 위의 환자를 수술할 수 있다.

5G의 초연결 특성은 사람과 사물을 유기적으로 연결시킨다. 기존 4G까지가 철저하게 인간 중심의 네트워크였다면 5G부터는 본격적인 사람과 사물의 초연결이 시작된다. ITU에서는 1㎢의 반경 안에서 100만 개 이상의 기기에 IoT서비스를 제공하도록 권고하고 있다. 초연결을 보장한다는 것은 인간과 인간, 인간과 사물, 사물과 사물이 유기적으로 연결된다는 의미다.

사물은 마치 지능을 가진 것처럼 인간을 조력할 것이다. 예를 들어 내 몸이나 감정상태를 의자, 의류, 가구 등의 사물이 실시간으로 모니터링 해 병원에 자동으로 연락하고, 혹은 조명이나 음악을 알아서 바꾸어 내 감정을 최적의 상태로 유지할 수도 있다. 그리고 나의 식습관 패턴을 자동으로 분석해 식료품을, 나의 재정상태와 몸 상태, 그리고 기호를 분석해 가장 합리적이고 적절한 방법으로 구매할 수도 있다.

5G이동통신 기술 특징

5G는 사물인터넷(IoT) 혁명을 가속화 시킬 핵심 인프라이기도 하다. 사람과 사람간의 통신에서 사람과 사물, 사물과 사물 등 모든 만물이 서로 연결되는 IoT는 기존 산업 지형과 인류의 삶 자체를 송두리째 바꿀 미래 혁명의 진앙지로 주목 받고 있다.

통신과 방송이 발전하면서 활용이 편하고 주파수의 전파 특성이 좋은 저주파 대역은 이미 방송과 기존 통신사들이 차지한 상황이다. 세계 통신업계에서는 이용이 적었던 초고대역 주파수를 5G를 위해 사용하기로 했다. 5G에서 사용할 주파수 대역으로 꼽히는 후보 대역은 모두 27GHz 이상 대역이다.

주파수는 대역이 높을수록 직진성이 강해져 높은 건물이 있으면 건물을 우회하지 못하고 전파가 차단되는 단점이 있다. 하지만 1GHz에 달하는 넓은 대역을 서비스에 할당할 수 있다는 장점이 존재한다. 지금까지 통신서비스를 위해서는 통상 수10MHz 대역을 할당해 왔다. 대역이 넓어지면 훨씬 많은 데이터를 수용할 수 있어 그만큼 서비스의 속도와 안정성이 높아질 수 있다.

5G에서는 전혀 새로운 방향으로 접근할 필요가 있다. 가장 기본적으로 필요한 기술은 초광대역 주파수를 제어하는 mm파 기술이다. 초광대역 주파수의 직진성을 보완하기 위해서는 지금까지 없었던 통신기술이 필요하다.

MIMO는 여러 안테나를 사용해 동시에 전파를 수신하는 통신기술이다. 매시브 MIMO(Massive MIMO)는 수 십 개의 안테나를 집적해 통신 서비스 커버리지를 확장하는 데 이용되는 기술이다. 안테나와 기지국 수 십 개를 작은 박스 하나에 넣을 수 있어 공간활용 측면에서도 큰 도움이 될 전망이다.

주파수의 직진성을 활용한 빔 포밍(Beam Forming) 기술도 5G를 위해 필요하다. 빔 포밍은 전파를 특정 단말기에 표적화하는 기술로 안테나가 특정 반경 전체를 포함했던 것에 비해 더 효율적으로 전파자원을 관리할 수 있게 된다.

또 유선망과 이동통신망을 융합하는 기술도 필수적이다. 고속의 데이터 전송을 위해서는 이를 수용할 수 있는 기간망인 백본망의 고도화 작업도 필요하다.

현재 세계 통신업계에서는 5G를 위한 통신기술의 표준화 작업을 진행하고 있다. 표준에 반영되면 해당 특허를 가진 기업은 통신장비, 단말 구매 및 판매 등에서 우위를 점할 수 있어 치열한 표준 전쟁을 벌이고 있다. 지금까지 활용도가 떨어졌던 주파수를 사용한다는 점에서 주파수 부분은 큰 문제 없이 해결될 것이며, 표준화 과정에서 그 어느 때보다도 치열한 물밑 경쟁이 벌어지고 있어 각 통신사와 장비 업체들은 저마다 합종연횡을 통해 관련 기술 개발을 추진하고 있다.

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사물인터넷망, 저전력 장거리 통신기술(LPWA) 필요성

현재의 셀룰라용 모듈은 음성과 멀티미디어 위주로 최적화 설계되었기 때문에, 사물인터넷(IoT)을 대상으로 하는 모바일IoT망에는 적합하지 않다. 따라서 여기에 적합한 새로운 기술과 표준이 필요하다.

저전력 장거리 통신기술(LPWA: Low Power Wide Area)은 사물인터넷분야에 맞추어 개발된 기술이다. 서비스 커버리지를 ZigBee, Bluetooth, WiFi 등 WLAN보다 훨씬 크게 해 셀룰라 이동통신 수준으로 확장하고, 그 대신에 데이터 전송속도를 떨어뜨려 비용을 저렴하게 만들어 IoT망에 최적화시킨 기술이다.

이처럼 저전력 장거리 통신기술(LPWA)은 기존 가정용 근거리무선통신이나 일반 이동통신과는 다른 필요에 의해 등장했다. 그러므로 저전력 장거리 통신기술(LPWA)은 저전력 소모(Long Battery Life), 저가 단말기(Low Device Cost), 낮은 구축비용(Low Deployment Cost), 안정적 커버리지(Full Coverage), 대규모 단말기 접속(Support for a Massive Number of Devices) 등의 조건을 충족해야 한다.

저전력 장거리 통신기술(LPWA)의 활용분야로는 트래픽 정보 등의 차량 텔레매틱(Vehicle Telematic), 환경 센싱과 가축 트랙킹 등의 농업축산업분야, 물류와 차량, 어린이와 노약자 위치 등의 트랙킹 분야, 에너지 분야의 스마트 그리드, 가스와 전기, 수도 원격검침 등의 스마트 미터링, 지진과 산사태 홍수 센싱과 산림 방화와 공기 오염 등의 환경 및 산업분야, 스마트 홈, 스마트 시티, 모바일 헬스케어 분야 등이 있다.

가정용 IoT는 Bluetooth, WiFi 등 근거리무선통신을 활용해 서비스를 제공할 수 있다. 하지만 IoT 서비스 범위를 확대하기 위해서는 근거리무선통신의 가장 큰 단점인 거리의 한계를 극복해야 했다. 그러나 일반 셀룰라 이동통신 기술처럼 통신 칩 가격이 비싸도 곤란하고 충전이 어렵기 때문에 전력 소모도 적어야 한다. 그러므로 저전력 장거리 통신기술(LPWA) 구현을 위한 구체적 조건으로 배터리 수명 10년, 기기당 5$ 이하 가격 등이 제시된다.

저전력 장거리 통신기술(LPWA)망 구성은 IoT 단말, IoT 기지국(게이트웨이), 인터넷, 그리고 클라우드 서버 등으로 구성된다. 기존 ZigBee와 같은 근거리 디바이스(Short Range Device)로는 게이트웨이와 장거리 백홀이 필요하고, 이것이 IoT 사업자(기존 통신사업자)의 관할 영역에 해당되지 않는 단점이 있는 반면에, 저전력 장거리 통신기술(LPWA)의 경우는 필드에 있는 각 IoT 디바이스를 직접 연결할 수 있으며 기지국 하나에 수 천개의 IoT 디바이스를 연결할 수 있어서 비용을 절약할 수 있는 장점이 있다.

저전력 장거리 통신기술(LPWA)는 크게 비면허 주파수 대역을 사용하는 전용(Proprietary) 협대역 IoT와 기존 이동통신 주파수의 극히 일부(200KHz폭)를 사용하는 셀룰라 기반의 협대역 IoT방식이 있는데, 전자의 기술로는 SigFox, 로라(LoRa: Long Range) 얼라이언스 등이 경쟁하고 있고 후자의 기술로는 이동통신 표준화기구인 3GPP가 릴리스하는 LTE-MTC(Machine Type Communication), LTE-eMTC, NB-LTE와 NB-CIoT를 포함하는 NB-IoT, 5G를 기반으로 하는 mIoT와 cIoT가 있다.  국내 통신사업자 중 KT와 LGU+는 협력해 NB-IoT를, SK텔레콤은 로라 얼라이언스 방식으로 IoT 망을 구축하고 있다.

저전력 장거리 통신기술(LPWA)망 기술 표준

글로벌 IoT 시장은 아직 초기인 만큼 단일 기술 표준이 없다. 이동통신 국제 표준화기구인 3GPP가 주도하는 NB-IoT와 유럽 중심의 로라 얼라이언스가 주도하는 LoRa 등 2개 기술방식이 경쟁하는 구도다. 세계 주요 통신·제조사들이 많이 선택한 기술 방식이 향후 글로벌 IoT 시장을 주도하게 되고, 그렇지 못한 기술은 시장에서 도태될 수밖에 없다.

NB-IoT 진영에는 영국 보다폰, 일본 KDDI, 미국 AT&T, 한국 KT, LGU+ 등이 속해 있다. 로라 얼라이언스 진영에는 프랑스 오렌지, 네덜란드 KPN, 스위스콤 등 유럽 통신사들이 주로 참여하고 있고 국내 1위 이동통신사인 SK텔레콤도 이 방식을 채택하고 있다.

3G, 4G 등 모바일 기술 개발의 초점이 통신속도 향상에 맞춰졌다면, IoT 통신기술은 거꾸로 통신속도를 안정적으로 떨어뜨리는 게 관건이다. 가스검침 원격제어 등 IoT망에 연동된 일반 사물에 탑재되는 통신 모듈의 경우 동영상 등 대용량 데이터 전송을 필요로 하는 게 아니라 간단한 검침 정보 데이터 전송만 필요하기 때문이다. 저용량, 저속도의 시스템인 만큼 통신모듈의 배터리 수명도 최대 10년에 달한다.

NB-IoT, 로라 얼라이언스 등 같은 기술표준을 쓰는 도시나 국가에서는 휴대폰 로밍과 비슷한 IoT 로밍도 가능해진다. IoT 로밍 기술은 이 같은 동일 표준 네트워크에 IoT 센서를 탑재한 사물들을 연결시켜 자국뿐 아니라 해외에서도 원격 제어를 하거나 위치 정보를 확인할 수 있도록 하는 게 핵심이다.

해운회사들은 수출 컨테이너에 로밍이 가능한 IoT 모듈을 부착해 국내에서도 컨테이너의 이동 경로를 추적할 수 있다. 날씨와 항만 여건에 따라 수시로 변하는 컨테이너 이동 상황을 국내 관제센터에서 모니터링할 수 있게 돼 비용 절감 효과를 볼 수 있다.  TV, 냉장고 등 전자제품은 물론 가방, 꽃병, 가스검침기 등 비(非)전자제품에도 동전 크기만한 IoT 모듈을 달아 사물 간 데이터 송수신을 가능케 해 스마트홈에 활용한다. 그리고 어린이, 노약자, 환자 등에 웨어러블 IoT모듈을 부착하면 스마트 헬스케어 서비스를 제공할 수 있다.

이처럼 사물을 저전력 장거리 통신기술(LPWA)로 연결하면, 해당 사물의 원격 제어는 물론 위치정보 등을 실시간으로 확인할 수 있으므로 커넥티드카와 스마트시티, 물류 혁신 등 4차 산업혁명을 이끌 기반 기술로 평가 받고 있다.

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국내 IoT망 구축

2020년 17조원 규모로 예상되는 국내 사물인터넷(IoT) 시장 선점을 놓고 국내 1위 통신사업자인 SK텔레콤과 2, 3위 사업자인 KT, LGU+ 연합군이 첨예한 대결 구도를 형성하고 있다.

SK텔레콤은 일찌감치 글로벌 IoT 기술방식 중 하나인 LoRa를 채택해 전국망 구축에 나서 산업생태계 조성에 나서고 있다. 이에 맞서 KT와 LGU+는 또 다른 기술방식인 NB-IoT 상용화 공동 추진 등 IoT 동맹을 맺고 기술 개발에 긴밀히 협력하고 있다.

정체 상태에 빠진 국내 통신 시장에서 성장 동력을 잃어버린 통신사업자들은 새로운 미래 먹거리로 IoT 산업을 공략하기 위해 저마다 속도를 내고 있다.

IoT 서비스 가입자 수는 꾸준히 증가세다. 앞으로 10년 안에 휴대전화 가입자 수를 앞지를 전망이다. 상황이 이렇게 되자 통신사들은 IoT 관련 각종 신기술과 서비스를 앞세워 초기 시장 선점에 사활을 걸고 있다.

SK텔레콤은 2015년 6월 전국에 LoRa망을 구축하고 상용화하는 등 관련 서비스를 출시하고 있다. 이제까지 사람이 직접 확인해야 했던 가스·수도 검침을 데이터 전송으로 간단히 수행하고 가로등이나 공용 자전거 등을 관리·제어하는 일을 저렴한 비용으로 제공하는 등 시장을 확대해 가겠다는 전략이다.

이에 맞서는 KT와 LGU+는 기존 LTE망을 소량 데이터 전송에 맞게 특화시킨 NB IoT 기술에 주력하고 있다. KT는 IoT를 접목한 다양한 스마트 헬스기기를 개발하며 가정용 IoT 시장을 공략하고 있다. 피트니스 기기, 체중계, 자전거 등에 IoT 기술을 결합한 ‘기가 IoT’ 서비스를 출시했다.

가정용 IoT 가입자를 가장 많이 확보하고 있는 LGU+는 가정용 IoT 서비스를 늘려가고 있다. 이와 함께 가전업체와 건설사, 가구업체 등 다양한 업종의 기업과 제휴를 맺고 IoT 서비스를 확대해 가입자 수를 늘려나가고 있다.

미래창조과학부도 통신3사의 IoT 서비스 경쟁을 뒷받침하고 있다. 앞으로 통신사업자가 출시하는 IoT 요금제 상품에 대해서는 정부의 인허가를 받을 필요가 없어졌다. 또 통신사업자가가 IoT 서비스를 위해 별도 주파수를 할당 받을 필요가 없도록 주파수를 추가 공급하고 전파 출력 규제도 완화하기로 했다. 국내 통신 3사는 이를 바탕으로 다양한 IoT 상품을 지속적으로 출시할 계획이다.

국가의 초연결망 사업

국가는 4차 산업 혁명 시대를 위한 국가사회적인 네트워크 인프라를 구축하기 위하여 초연결망 구축 사업을 추진하고 있다. 초연결망은 초연결 사회 진입에 대비해 빠르고 안전하고 효율적이고, 지능적인 망을 추구해, 세계 최고 수준의 네트워크 경쟁력을 확보하는게 목표다. 초연결망은 초고속정보통신망(1995~2005년), 광대역통합망(BcN, 2004~2010년), 광대역융합망(uBcN, 2009~2014년)을 이어가는 국가적인 중장기 네트워크 인프라 발전 전략이다.

초연결망은 구내망, 액세스망, 백본망 등을 아우러는 사업으로 소프트웨어 기반(SD: Software Defined) 기술을 적용해, 망을 지능화, 고도화함으로써 서로 다른 요구조건을 갖는 다양한 서비스와 애플리케이션들을 통합하여 효율적으로 제공하는 것이 목표이다. 초연결망 사업의 백본망 분야에 5G모바일 망과 IoT망이 포함되어 있으므로, 향후 구내망과 액세스망과 연계하여 발전해 나갈 것이다.

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