5G의 약속: 허상인가 실제인가

기업들은 항상 비즈니스 프로세스를 크게 가속하면서도 비용을 최소화하고 품질을 확보할 수 있는 기술을 찾고 있습니다. 비즈니스 혁신을 수행하면 속도에 대한 기업의 수요를 충족하는 IoT 제품을 설계하면서 비용을 최소화하여 수익을 창출할 수 있습니다.

5세대 무선 기술(5G)은 신뢰성이 뛰어나고 경제적인 초고속 사물 지능 통신을 지원하는 IoT 솔루션을 구축하기 위한 유망한 기술입니다.

하지만 계속해서 부상하고 있는 5G는 모든 약속을 실제로 지킬까요? "광고에서 말하는" 약속은 현실일까요? 아니면 과대 광고일까요?

5G의 약속

많은 사람들이 이전 세대의 무선 통신이 지원하지 못하는 "공상과학 소설 같은" 사용 사례가 5G를 통해 실현될 것으로 생각합니다. 4G는 5G에 비해 속도, 대기 시간, 스펙트럼 주파수 등 다양한 요인이 취약합니다(그림 1 참조).

그림 1: 4G와 5G의 광고 비교 (이미지 출처: Voler Systems)

5G의 사용 사례는 스마트 교통 및 초연결된 의료 사설망을 비롯하여 다양합니다. 스마트 교통을 통해 스마트 차량과 도로 및 철도에 내장된 센서 간 빠르고 신뢰도 높은 무선 통신을 활용하여 새로운 서비스를 제공할 수 있습니다. 따라서 스마트 교통 시스템에 대한 가시성을 확보하고 제어할 수 있습니다.

의료 분야에서는 5G 기술을 통해 잠재적인 개별 건강 문제를 예측하고 초기 치료를 계획하여 환자의 치료 성과와 건강이 증진될 것으로 기대됩니다. 이는 원격 로봇 수술과 같이 애플리케이션을 통한 지속 가능한 의료 서비스를 실현하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이것이 바로 시카고의 Rush Hospital과 같이 진보적인 의료 조직이 5G 연결로의 전환을 계획하는 이유입니다.

더 복잡한 현실

비즈니스가 5G의 잠재력을 완전히 구현하는 데 영향을 미치거나 방해가 되는 요인은 다양합니다. 우선 5G의 중요한 기본 사항을 알아보겠습니다.

• 주파수 대역

5G 성능은 가용 주파수 대역에 따라 달라집니다(그림 2 참조). 예를 들어 최고 데이터 속도는 저대역 스펙트럼(1GHz 미만)에서 최대 100Mbps, 중대역 스펙트럼(1GHz ~ 6GHz)에서 최대 400Mbps, 고대역 스펙트럼(6GHz ~ 86GHz)에서 10Gbps입니다. 하지만 고대역 스펙트럼 또는 밀리미터파(mmWave)의 가용성에는 한계가 있습니다.

또한 mmWave 신호는 약 100m를 초과하여 전송되지 않으며 벽 또는 창도 통과할 수 없습니다. 특정 수준의 기지국 밀도가 필요하기 때문에 밀도가 높은 도시 지역에서만 사용할 수 있지만 건물 때문에 신호가 차단됩니다.하지만 IoT에는 일반적으로 고속 mmWave가 필요하지 않습니다.

그림 2: 3가지 주요 주파수 대역 내 5G 스펙트럼(이미지 출처: Voler Systems)

• 5G 서비스 클래스

  3가지 5G 서비스 클래스는 고급 모바일 광대역(eMBB), 신뢰성이 높고 대기 시간이 짧은 통신(URLLC), 대규모 머신 유형 통신(mMTC)입니다. 클래스마다 특성, 응용 분야, 제한 사항이 다릅니다.

  • eMBB는 최대 10Gb/초(4G의 20배)의 매우 높은 데이터 전송률, 매우 높은 트래픽 용량(장치 1백만 대/km²), 매우 낮은 대기 시간(최저 4ms)을 지원합니다. 사용 사례로는 가상 현실(VR) 및 증강 현실(AR)이 있습니다. 스마트폰, 태블릿, UHD TV(4K 및 8K) 동보 통신 등의 스마트 장치에 사용되는 서비스 클래스입니다.

    하지만 eMBB의 성능은 가용 주파수 대역에 따라 달라집니다. 예를 들어 가용 주파수 대역이 1GHz 미만이면 4G와 유사한 경험(데이터 전송률 50Mb/초 ~ 100Mb/초) 환경이 됩니다.대기 시간 4ms는 단방향으로 가장 가까운 기지국에만 전송되는 경우입니다. 장거리 전송은 훨씬 느립니다.

  • URLLC는 지능형 교통 시스템(인프라 백홀), 이산 자동화(동작 제어), 공정 자동화(원격 제어), 전기 분배(고전압) 등의 온프레미스 시나리오를 위해 설계되었습니다. 대기 시간이 매우 낮고(최저 1ms) 가용성과 신뢰도가 매우 높아(99.9999%) 4G보다 훨씬 뛰어납니다.

    하지만 5G를 통해 URLLC 성능이 극적으로 향상된다고 해도 원격 수술, 원격으로 연결된 고속 비디오 게임, 가정용 증강 현실 등 여러 기능들은 여전히 구현하기 어렵습니다. 무선 연결의 경우 5G가 약속하는 99.9999%의 신뢰도는 불투명합니다.

  • mMTC는 대규모 IoT 배포를 지원하고 장치 비용과 에너지 소비율이 매우 낮아 스마트 빌딩, 물류, 추적, 기업 차량 관리, 웨어러블 장치, 스마트 계측기에 적합합니다.

    mMTC 표준은 아직 작성 과정에 있기 때문에 현재 IoT에는 4G 표준 NB-IoT 및 LTE-M이 적용됩니다.

약속한 기능을 완벽하게 제공하지 못하고 있는 5G

mMTC의 현재 상태는 광고 내용과는 거리가 멉니다. 현재 5G는 약속한 기능을 모두 제공하지는 않습니다. mMTC 표준에 대한 작업이 아직 진행 중이며 기존 5G 기술은 패킷 크기 및 짧은 세션에 최적화되어 있지 않습니다. 10바이트의 데이터를 전송하는 데 100바이트의 신호가 필요하기 때문에 제어 신호도 비효율적입니다. 작은 데이터 패킷에는 현재 채널 코딩 체계도 비효율적입니다. 예상되는 10년의 배터리 수명은 메시지의 빈도와 데이터 전송률이 매우 낮은 경우에만 가능합니다.

5G 가용성

5G 가용성도 결정적인 요소입니다. 그림 3은 2020년 5월 현재 5G를 제공하는 도시와 통신사를 보여줍니다. 그림과 같이 사용자 위치와 사용하는 통신사에 따라 크게 다른 이유는 다음과 같습니다.

• 현재 5G를 배포하는 미국 무선 통신사는 AT&T, Verizon, T-Mobile, Sprint 4곳에 불과합니다.
• 5G를 사용하려면 5G 전화기 또는 장치가 필요합니다.
• 시골 지역에서는 전파 범위가 매우 적습니다.
• 300m마다 1개의 기지국이 필요하기 때문에 교외 또는 시골 지역에서는 고속 mmWave가 제공될 확률이 낮습니다.
• 일부 통신사는 속도가 제한적입니다.

그림 3: 5G 가용성 맵
빨간색: T-Mobile, 검은색: Verizon, 파란색: AT&T, 노란색: Sprint(이미지 출처: Digital Trends)

기존 IoT 서비스

NB-IoT와 LTE-M(Cat M 또는 Emtc)은 5G와 공존하게 될 것으로 보입니다. 미국에서 NB-IoT와 LTE-M 전파 범위는 넓습니다. 2019년 5월, Verizon은 미국 인구의 92%가 NB-IoT 네트워크를 사용하고 있다고 발표했습니다.

반면에, 비셀룰러 서비스(ZigBee, LoRa, Ingenu, Sigfox, Weightless)는 5G에 포함되지 않지만 라이선스가 없는 스펙트럼을 사용하여 작동할 것입니다. 하지만 많은 장소에서 사용이 불가능합니다.

IoT의 미래에 미치는 영향

현재로서는 변하는 것이 거의 없습니다.

하지만 4G 기술인 NB-IoT 및 LTE-M은 2019년이 되어서야 충분히 배포되기 시작했습니다. 이러한 기술을 통해 배터리 작동 장치가 휴대전화나 Wi-Fi 핫스팟을 통하지 않고 직접 인터넷과 통신할 수 있습니다. 이 기술의 전성기는 지금입니다.

하지만 각 무선 표준마다 장단점이 있습니다(표 1 참조). IoT 장치 설계에 적합한 표준을 이해하고 비용이 많이 드는 실수 및 기타 IoT 설계 리스크를 예방하려면 IoT 설계 전문가와 상담하거나 유능한 IoT 엔지니어를 고용해야 합니다.

표 1: 기존 IoT 무선 표준 비교 (이미지 출처: Voler Systems)

결론

IoT와 5G를 사용하는 산업은 현실이 되고 있습니다. 하지만 5G가 초기 단계이기 때문에 아직은 약속한 모든 기능이 제공되지는 않습니다. 그럼에도 불구하고 5G는 비즈니스에 명확한 혜택을 제공할 유망한 신기술입니다.

비즈니스 혁신을 통해 5G 또는 4G급의 안전하고 신뢰도 높은 IoT 장치를 설계하여 5G의 약속을 실현할 수 있습니다. 하지만 이는 간단한 일이 아니며 전문 기술 지원이 필요합니다.

Voler는 비즈니스에 차세대 IoT 및 웨어러블 장치의 설계 및 개발에 대한 전문 지식 안내를 제공합니다. Voler는 IoT 장치에 적합한 기술의 선택을 지원하고 보장된 보안과 신뢰성에 적합한 전자 제품 조합을 결정합니다. 자세히 알아보려면 Voler에 상담을 예약하십시오.