통신산업 #2

이동(Mobile) 통신

지난 글에서 다룬 고정 광대역(Fixed Broadband) 통신에 이어, 이번 글에서는 우리에게 좀더 친근한 이동 통신에 대하여 다룰 예정이다.

이동 통신은 이동 중에도 계속적인 통신을 가능하게 하는 기술로, 서비스 지역에 위치한 기지국과 통신기기와의 전자기파(Electromagnetic Wave) 교환을 통해 구현된다. 

전자기파는 매질이 필요 없는 파동으로서, 공간상에서 자유롭게 전달될 수 있으며 고속(진공 상태시 광속)으로 신호 전달이 가능하기에 이동 통신 기술에 활용되기 시작하였다. 통신 기술은 전자기파 중 특정 주파수 영역(3kHz~ 3,000GHz)의 전자기파를 이용하며, 이를 전파(Radio wave)라고 한다.

전자기파 스펙트럼

전파의 진행 거리는 제한이 있으므로 장거리 통신을 위해 기지국(통신탑 등)이 곳곳에 설치되어야 한다. 이때,기지국 각각의 네트워크 커버리지 영역을 셀(Cell)이라고 한다. 개별 기지국은 케이블(주로 광케이블)을 통해 직접 또는 간접적으로 연결되어 있으며, 케이블은 해외 지역을 연결하기 위해 해저에 배치되기도 한다.

이동 통신이 이루어지는 과정을 휴대폰 간의 음성 통화를 기준으로 요약하면 다음과 같다.

1) 휴대폰의 마이크가 수신한 음성 아날로그 데이터는 0과 1의 이진법 형태로 정보를 나타내는 디지털 신호로 변환되고,

2) 휴대폰 내 안테나는 전자기파의 진폭, 주파수, 또는 이들의 조합 등을 통해 해당 데이터를 나타낸 전파를 전송한다.

3) 기지국에서 수신된 전파는 광신호로 변환 및 증폭의 과정을 거쳐,

4) 광케이블로 연결된 이동전화수신국 등을 지나 특정 기지국(수신 대상 기기가 위치한 셀 내의 기지국)으로 전송되며,

5) 해당 기지국에서 전자기파 신호로 변환된 후 안테나를 통해 수신 대상 기기로 전송된다.

Mobile Communication Process - 출처: https://www.researchgate.net/

이처럼 이동 통신은 무선 및 유선 통신 기술을 함께 이용하여 구현되는 것이 일반적이다. 이동 통신 기술은 초기 음성 통화만 가능한 아날로그 통신에서 간단한 디지털 데이터의 전송이 가능한 2G기술이 도입되었다. 이후 음성 데이터 외 비음성 데이터(데이터 다운로드, 메일 등)의 전송 속도가 향상된 3G 기술이 도입되면서 이동 통신 시장이 확대되었으며, 데이터 전송속도가 크게 개선된 4G LTE 이동통신 규격이 도입되면서 우리가 이용하는 초고속 인터넷이 보급되었다.

미국, 우리나라, 일부 유럽국가는 4G에서 나아가 5G로의 전환이 이루어진 상태다.우리나라는 무선통신망이 세계에서 가장 잘 구축된 나라로, 4G망 보급이 완료되어 인구대비 가장 많은 가입자를 확보하고 있다. 2019년 4월 세계 최초로 5G 이동통신(3.5GHz 대역)이 상용화 된 이후, 기존 기술에서 가입자 전환이 빠르게 이루어지고 있으며 초고주파 대역인 28GHz도 상용화준비 단계에 있다. 참고로, 우리나라 이동통신 시장은 SKT, KT, LG U+ 등의 3사 과점 체제(2020년 1월 기준 가입자 점유율 42% : 26% : 21%)이며, 이동통신 3사의 통신망을 임차하여 서비스를 제공하는 MVNO(헬로비전 등 알뜰폰) 시장은 2012년부터 본격적으로 확장되어 2020년 1월 기준 가입자 점유율은 11% 수준이다.

이동통신사들은 경쟁력 확보를 위해 주파수 경매[1]에서 최대한 넓은 주파수 대역폭[2](Bandwidth)을 확보하기 위해 경쟁하는데, 이는 확보한 주파수 대역폭이 넓을수록 이용할 수 있는 주파수가 많아지게 되어 다량의 데이터를 빠르게 전송할 수 있기 때문이다. 주파수 대역폭이 데이터 전송 속도에 큰 영향을 미치는 이유는 4G에서 도입된 LTE방식의 특성에 기인한다.

LTE 이전의 무선 통신 방식에서는 주파수 대역을 일정한 간격으로 쪼갠 뒤 하나의 주파수를 개별 단말기에 할당하여 사용하였으므로, 주파수 대역폭이 전송 속도에 영향을 주지 않았다. 이와 달리 LTE 방식은 하나의 단말기에 전송해야 할 데이터를 여러 개로 쪼갠 뒤 각각의 조각 데이터를 서로 다른 주파수를 이용하여 동시에 전송하므로, 주파수 대역폭이 넓을수록 가용 주파수가 많아지게 되어(즉, 더 많은 데이터 전송 경로를 확보하게 되어) 같은 양의 데이터를 더 빠른 시간 내에 전송할 수 있는 구조다.

한편, 전 세계적으로 4G가 상용화되면서 스마트폰을 포함한 모바일 네트워크 사용이 급증하고 있다. 또한, IoT(Internet of Things, 사물인터넷), 자율주행차 등의 대용량 무선 통신을 이용하는 서비스가 확대 됨에 따라 향후 네트워크 이용 수요가 급격히 증가할 것으로 예상된다. 무선 네트워크 이용량의 증가는 특정 주파수에서의 트래픽 증가를 의미하며, 트래픽 증가는 통신 속도의 저하 등의 문제를 야기할 수 있다. 이를 방지하기 위해 더 많은 주파수 대역폭을 이용해야 할 필요성이 제기되면서 기존에 이용되지 않았던 주파수 대역을 이용 하는 5G기술이 도입되었다.

5G는 기존 이동 통신에 이용되지 않던 높은 주파수 대역(주로 6GHz 이상)을 통한 데이터 통신이 가능하도록 설계되었으며, 이에 따라 더 넓은 주파수 대역폭을 확보할 수 있게 되어 4G 대비 대용량의 데이터를 더 빠르게 처리할 수 있게 되었다. 다만, 5G에 이용되는 높은 대역의 주파수는 기존 이용되었던 낮은 주파수 대비 도달 거리가 짧고 회절성이 낮아 장애물에 영향을 많이 받게 되는 단점이 있다. 이러한 특성으로 인해 5G의 통신 커버리지 범위는 동일한 성능의 통신장비를 사용할 경우 4G 대비 작아졌으며, 더 많은 통신 기지국(통신 타워) 또는 셀타워(Cell Tower) 구축을 필요로 하게 되었다. 전 세계 이동통신사들은 더 많은 기지국 확보를 위해 자체적으로 타워를 구축하거나 통신 타워를 소유하고 있는 특수목적 업체인 TowerCo에게 임차하여 커버리지를 확보할 것으로 예상된다. 

4G와 5G의 기지국 당 커버리지 범위 비교(예시)

앞서 언급한 무선 통신 데이터량의 증가 및 5G 혹은 높은 주파수로의 전환은 TowerCo와 통신장비 제조업체에게 성장 기회가 될 수 있다. 먼저 TowerCo는 이동통신사의 기지국 확보 수요가 증가함에 따라 기보유한 타워의 임대율(Tenancy Ratio, 타워 1개당 임대할 수 있는 통신 장비(안테나 등)의 개수)을 높혀 수익성을 높일 수 있다. 이때 TowerCo가 기보유한 통신타워의 임대율 수준을 파악할 필요가 있는데, 아일랜드의 경우 Ground based Tower의 최대 임대율은 3.00x이며, 평균은 1.50x수준이다. 

참고로, 미국과 유럽 등에서는 이동통신사와 TowerCo가 모두 존재하는 반면, 우리나라는 이동통신 3사가 직접 통신 인프라를 구축 및 보유하고 있는 상태이다. 미국의 통신타워 보유 업체에는 아메리칸 타워, AT&T등이 있으며, 두 회사 모두 주식 시장에 상장되어 있다. 통신 장비 제조업체 또한 5G용 안테나 등의 수요 증가로 매출 성장의 기회를 잡게 되었다. 글로벌 주요 통신장비 업체는 화웨이, NOKIA, Ericsson, 삼성전자 등이 있다. 화웨이는 트럼프 집권 당시 주요 제재대상 통신업체로 지정되었으며[3], 영국 등의 국가에서 통신 장비 판매가 중단될 위기에 처한 바 있다.

[1] 유한한 자원인 주파수에 대한 사용권을 배정하기 위해 도입된 제도

[2] 주파수 대역폭은 특정 주파수 대역이 있을 때 이용 가능한 주파수의 최댓값에서 최솟값을 뺀 값을 의미함.

[3] https://www.theguardian.com/technology/2020/jul/18/pressure-from-trump-led-to-5g-ban-britain-tells-huawei