모바일과 5G 통신
[4IR-3.6] 4차 산업혁명 기술 이해-6
모바일 기술 구성
모바일(mobile)은 ‘이동성을 가진’이란 뜻의 형용사로 그다음에 나오는 명사(예: 폰, 통신)의 특성을 규정하게 된다. 방송통신 산업 생태계를 C-P-N-D로 규정하는 프레임을 따른다면, 모바일 기술은 모바일 콘텐츠/플랫폼/네트워크(통신망)/디바이스를 설계, 구현, 활용하는 기술이다. 모바일 디바이스는 이동 가능한 기기, 예를 들면 스마트폰, 태블릿, 노트북 등을 가리킨다. 모바일 네트워크는 모바일 디바이스를 통해 접속할 수 있는 통신망을 가리킨다. 모바일 플랫폼은 여러 가지 모바일 서비스(예: 전화, 메시징, SNS)를 이용할 수 있게 해 주는 공통 SW로 운영체제(예: 애플의 iOS, 구글의 안드로이드)와 앱 마켓(예: 애플의 앱스토어, 구글의 플레이스토어)을 포함한다. 카카오톡이나 페이스북처럼 메시징, 음성/영상통화, 선물하기, 쇼핑, 게임, 광고 등을 지원하는 SW도 (서비스) 플랫폼에 속한다. 모바일 콘텐츠는 모바일 플랫폼 위에서 제공되는 데이터/정보/지식 등을 가리키며 구체적으로 음성, 문자, 문서, 사진, 동영상 등 멀티미디어와 이를 게임, 음악, 영화, 애니메이션 등으로 만든 디지털 상품을 포함한다. 모바일 서비스는 사용자가 모바일 앱(app)을 통해 모바일 콘텐츠를 생산-유통-활용하게 해 주는 기능이다. 모바일 비즈니스는 구매자-판매자(또는 제작자-이용자) 간에 콘텐츠를 교환/공유/거래하는 기능(예: 모바일 광고/쇼핑/학습)이다. 모바일 비즈니스 중에서 상거래 부분을 모바일 커머스(commerce)라고 한다.
모바일 기술 발전 과정
4차 산업혁명 시대의 지능정보기술로 불리는 ‘AI & ICBM’에 ‘M’(Mobile)이 포함된 것은 모바일 기술이 모든 경제, 사회, 문화 활동에 이미 깊이 자리 잡고 있고 앞으로 그 영향력이 더 커질 것이기 때문이다. 필자는 정보혁명을 4 단계 즉, 인터넷 상용화 전까지를 제1기, 유선 인터넷과 데스크톱 PC가 중심이 된 1990년대를 제2기, 무선 인터넷과 스마트 기기가 중심이 된 2000년대를 제3기, 그리고 AI를 포함한 신기술이 실제 사용 가능한 수준으로 발전한 2010년대를 제4기로 나누고 있다. 2기까지는 집이나 사무실 같은 특정 장소에서 특정 시간대에 인터넷에 접속하는 식이었다. 그러나, 3기부터는 유비쿼터스 기술 발전에 힘입어 5A(Any time, place, device, network, service) 즉, 시간, 장소, 기기, 네트워크, 서비스 등에 구애받지 않는 환경에서 인터넷을 활용할 수 있게 되었다. 유비쿼터스(ubiquitous)는 (컴퓨터와 통신망이) ‘도처에 존재(편재)하는’이란 뜻의 형용사이다. 1980년대에 등장한 유비쿼터스 기술은 센서, 무선통신, 초소형 컴퓨터, 실시간 처리 등이 고도화됨에 따라 사물인터넷(IoT: Internet of Things) 기술로 발전하였다. 한편, 2010년 이후 개인생활이나 기업활동 전반에서 빠르게 모바일의 비중이 커지고 있다. 즉, ‘모바일 퍼스트(first) 또는 모바일 온리(only)’가 되어가고 있다. 실제로, 2014년 전 세계 스마트폰 보급률이 PC 보급률을 추월했고(e-Marketer, 2015), 2016년에 미국 성인의 3/4이, 2017년에 우리나라 성인의 90%가 스마트폰을 사용하고 있으며, 전 세계 스마트폰 이용자의 절반이 하루 5시간 이상 스마트폰을 사용하는 것으로(트렌드와칭, 2017) 나타나고 있다.
정보통신 기술 기초
통신(communication)이란 사람-사람, 사람-사물, 사물-사물 사이에서 송신자의 의사가 표현된 메시지(예: 말, 글, 몸짓, 감정, 신호)를 매체(media)를 통해 수신자에게 전달하는 행위를 가리킨다. 1844년 모스가 전신기를, 1876년 벨이 전화를, 그리고 1901년 마르코니가 전자파를 이용한 무선통신을 발명함에 따라 전기통신(즉, 아날로그 통신)이 보편화되었다. 1969년 미국 국방부가 대학과 자료를 교환-공유하기 위해 인터넷의 전신인 알파넷(ARPAnet)을 구축한 후, 아날로그 데이터를 디지털로 변환해서 송/수신하는 정보통신(즉, 디지털 통신) 시대가 시작되었다.
정보통신 유형은 정보 교환 방식에 따라 회선교환(Circuit Switching), 메시지교환(Message Switching), 패킷교환(Packet Switching) 등으로 구분한다. 하나의 메시지를 ‘패킷’이라고 부르는 일정한 크기의 블록으로 쪼개서 송/수신함으로써 정보통신 속도와 품질을 개선한 패킷교환 방식은 알파넷에 처음 적용되었다. 또한, 정보통신 유형은 정보 교환 선로에 따라 유선/무선(wireless) 통신, 정보 교환 대상에 따라 음성/데이터/방송 통신, 정보 교환 장소에 따라 고정(fixed)/이동(mobile) 통신 등으로 구분한다. 유선 통신은 구리선으로 만든 동축 케이블이나 광섬유(fiber)로 만든 광케이블을 이용한다. 무선 통신은 공기 없이도 전달되는 전파(radio wave)를 이용한다. 전류가 흐를 때 발생하는 전기장과 자기장이 만들어 내는 전자기파(예: 가시광선, 적외선, 자외선, 전파 등 포함) 중에서 주파수(또는 진동수)가 3KHz~3THz 사이에 있는 것을 전파라고 한다.
정보통신망은 정보통신 유형에 따라 전통적으로 유선/무선/이동/데이터/음성/방송 통신망 등으로 구분해 왔다. 1990년대 이후, 인터넷 기술 발전에 따라 아날로그 방식이 디지털로 전환되고 여러 가지 통신 방식은 인터넷 프로토콜('IP')로 수렴되었다. 정보통신망은 통신 거리에 따라 광역통신망(WAN), 도시지역통신망(MAN), 근거리통신망(LAN), 개인영역/인체영역통신망(PAN/BAN) 등으로 구분한다. 정보통신망의 가장 중요한 기능은 데이터를 보다 빠르게, 많이, 그리고 손실이나 왜곡 없이 정확하게 전송하는 것이다. 데이터 전송속도는 bps(bits-per-second)로 측정/표시하는데 이는 데이터 전송 매체 또는 매질(medium)의 성질에 따라 달라진다. 무선통신에 이용하는 전파는 매질이 없어도 이동할 수 있지만 중간에 만나게 되는 물질(예: 건물, 산)의 영향을 받는다. 무선통신 경우, 전송속도는 이용하는 전파의 파장 또는 주파수에 따라 달라진다. 파장(wave length)이란 전파가 ‘한 번의 파동’(즉, cycle)으로 이동한 거리를 가리키며, 주파수(frequency)는 일정 시간 동안 발생한 전파의 파동 수를 가리키므로 파장과 주파수는 반비례 관계가 된다. 즉, 파장이 짧을수록(또는 주파수가 높을수록) 도달거리가 짧고 회절률(즉, 장애물을 피해 갈 수 있는 능력)이 작지만, 직진성(直進性)과 데이터 전송량은 커진다. 높은 주파수의 전파(즉, 고주파)는 데이터를 많이 실어 보낼 수 있는 것이 장점이지만 파장이 짧기 때문에 기지국/중계기 숫자가 늘어난다는 것이 단점이다. 무선통신에서 이용하는 전파의 주파수 대역폭(bandwidth, 도로의 폭에 해당됨)이 커지면 보다 많은 데이터를 전송할 수 있게 된다.
이동통신기술 발전: 1세대부터 5세대까지
이동통신(Mobile Communication)이란 이동성이 있는 단말기에서 음성, 사진, 동영상 등을 빠르게 전송할 수 있도록 파장이 짧은 고주파를 이용하는 무선통신 기술이다. 이동성을 지원하기 위해 통신 서비스 제공 지역을 여러 개의 셀(cell, 즉 구역)로 나누고 셀을 옮겨가더라도 서비스가 지속되도록 하는 핸드오버(handover)라는 기술이 적용된다. 이동통신 기술은 1970년대 말에 시작된 1G 통신으로부터 2G, 3G를 거쳐 현재 스마트폰에서 주로 쓰고 있는 4G(즉, LTE와 LTE-A)를 거쳐 5G로 발전하고 있다. 아래에 세대별 이동통신 기술의 주요 특징을 요약, 소개한다 (기관마다 다소 차이가 있는 여러 가지 자료를 취합한 것임). 괄호 안의 숫자는 우리나라에서 상용화된 연도를 가리킨다.
▪ 1G (1985): 아날로그 방식의 음성통신망. 1979년 일본에서 처음 상용화했으며 1983년 미국이 AMPS(Advanced Mobile Phone System) 서비스 시작.
▪ 2G (1996): 음성 plus 문자메시지(즉, SMS/MMS), 무선 인터넷 등 가능; EU의 GSM, 퀄컴의 CDMA, 우리나라의 PCS 등 기술표준 등장; 우리나라는 세계 최초로 CDMA (14.4~114 kbps 다운로드)를 상용화하였음.
▪ 3G (2002~): 음성/데이터 전송 plus 영상통화, 고속 무선 데이터 통신 가능; IMT-2000 프로젝트 결과를 구현한 미국 쪽의 동기식 CDMA 2000 (153.6 Kbps 다운로드)과 EV-DO (2.4 Mbps, 2002), 유럽 쪽의 비동기식 WCDMA (2 Mbps, 2003)와 HSDPA (14.4 Mbps, 2006)가 활용됨. 2016년 우리나라가 제안한 WiBro는 2018년에 서비스 종료됨.
▪ 4G (2011~): 무선 광대역 통신 가능; ITU는 2008년 100 Mbps~1 Gbps 수준의 목표를 설정했으나 실제로는 WCDMA에서 발전된 LTE (75~150 Mbps, 2011~2013), LTE-A (300~700 Mbps, 2014~) 등으로 구현됨.
1G부터 4G까지 이동통신망은 속도만 보면, 예를 들어 800Mb 분량의 영화를 다운로드할 때, 3G 경우 7분 24초, 4G LTE 경우 43초, LTE-A 경우 22~10초가 걸리는 식으로 발전된 것이다. 5G는 ITU-R(국제전기통신연합 산하 전파통신 파트)이 IMT-2020이라는 공식 명칭을 붙인 통신으로 4G에 비해 여러 가지 점에서 고수준의 목표를 설정하고 있다 (아래 표 참조). 특히, 5G의 초고속(즉, 최대 20Gbps), 초연결(1백만개/1평방Km), 저지연(1밀리초 이내) 등 특성은 4차 산업혁명 시대에 핵심이 될 실감 미디어 즉, 몰입형 AR/VR, 멀티미디어 온라인게임, 원격 제어 등을 구현하기 위한 필수요건이 된다.
5G 통신 구현목표 (출처: 박강순, IITP 주간기술동향, 2018. 02. 14)5G 이동통신 해결과제
5G는 4차 산업혁명 시대의 근간이 될 AI, IoT, 빅데이터, 클라우드 등 플랫폼을 통해 초연결-초지능-초융합 사회를 구현하기 위한 필수 인프라지만, 기술, 산업, 투자 등 측면에서 많은 해결과제를 안고 있다. 몇 가지만 꼽는다면, 첫째, 초고속성을 확보하기 위해 3G 이후 사용해 온 극초단파(UHF, 300MHz~3GHz) 대역을 넘어 밀리미터파 대역(예: 3.6GHz, 6GHz, 24~86GHz 등)을 사용해야 하는데 이는 새로운 기술과 HW/SW(예: 단말기, 통신칩, 네트워크 장비, 운영 SW)를 필요로 한다. 밀리미터파 경우, 직진성은 좋지만, 투과율이 낮아서 보다 많은 기지국을 설치해야 하기에 핸드오버가 어려운 점을 해결해야 한다. 이 문제는 4G에서 사용한 6GHz 이하 주파수 대역(예: 2.1GHz, 2.6GHz)을 사용하는 식으로 잠정 해결한다고 한다. 둘째, 기하급수적으로 늘어난 센서, 컴퓨터, 액추에이터 등이 연결되고 초고속 통신이 실행되면 물리적/논리적 보안은 오히려 취약해질 것이다. 따라서, 하나의 개념적 틀을 통해 5G 보안, 사이버보안, IoT 보안, 빅데이터 보안 등에 대한 기술적, 제도적 대책이 강구되어야 할 것이다. 셋째, 5G는 참여기업(예: 통신사, 단말기 제조사, 콘텐츠 제작/서비스 업체)이나 정부 모두가 감당하기 어려운 수준의 장기, 지속 투자(예: 4G의 1.5~2배 정도)를 필요로 한다. 전문가들은 초기에는 B2C(예: 5G 스마트폰 중심 서비스)에서, 이후 2025년쯤에는 B2B(예: 에너지, 제조, 의료, 수송 등)에서 수익을 창출할 수 있을 것으로 예상하고 있다. 따라서, 5G 이해관계자들은 각자의 투자와 수익모델을 감안한 역할분담을 통해 건전한 생태계를 조성해 가는 것이 필요하다.
