Nikkei Computer_2018.11.8 특집 요약 (p26~39)

5G의 신세계
100배속, 저(低)지연, 엑셀러레이터 전개

통신 속도는 100배로---.
제5세대 이동통신 시스템(5G)의 상용화를 위한 사전 서비스가 2019년 여름 무렵에 스타트한다. “스마트폰으로 동영상이 잘 보이는 정도겠지”라고 업신여기면 안 된다. 주목해야 할 특징은 통신의 ‘저(低)지연성’이다. 멀리 떨어진 기기를 마치 눈 앞에 있는 것처럼 조작이 가능하고 원격조정 및 자율주행, 원격 의료의 실용화가 현실로 다가온다. 다양한 산업이 ‘장소’의 제약으로부터 자유로워지는 5G의 신세계를 파헤쳐 보았다.

Part 1. ‘꿈의 전화’ 로부터 50년
진화의 끝에 기가(Giga)의 등장

과거 ‘꿈의 전화’로 사람들을 열광시켰던 이동 통신기. 그 탄생으로부터 약 50년, 이동통신기는 5G로 더욱 진화를 거듭한다. 속도는 5G로 ‘기가’의 성지에 도달해 산업 구조를 일변 시킬 수 있는 힘을 지니게 되었다.

“이거 굉장하다! 정말 수화기만 따로 있다” “여보세요 엄마, 여기 박람회장에서 전화했어요”---. 1970년, 일본만국박람회(日本万国博覧会)에서 일본통신전화공사(현 NTT)가 메인으로 전시한 것은 전화선이 없는 무선 전화기, 그 이름도 ‘와이어리스 텔레폰’이었다. 약 100대가 파빌리온 ‘전기통신관’의 룸 하나에 나란히 진열되어 있어, 박람회장 내에서의 상호 전화 뿐만 아니라, 전국의 가입 회선에도 무료로 통화할 수 있었다.

무게는 700그램으로 미국 애플의 최신폰 ‘iPhone XS’의 약 4배이다. 물론 메일도 카메라도 앱도 사용하지 못하며 화면조차 없는 단순한 전화기였으나, 제한 시간인 30분이 넘게 담당자가 제지할 때까지 통화하는 사람이 속출했다. 183일간의 박람회 기간 중에 약 65만명이 몰려와 ‘꿈의 전화’가 현실이 되는 미래를 기대하게 되었다.

-- 10년 사이클로 진화가 이어진다 --
그로부터 머지않아 50년. 이동통신기는 2019년부터 2020년에 걸쳐 커다란 진화를 이루게 된다. 제5세대 이동통신 시스템(5G)의 상용 서비스가 국내에서 시작되는 것이다.

이동통신기는 대략 10년의 사이클로 발전해 왔다. 오사카 박람회로부터 약 10년 후에 등장한 자동차 전화는 월 3만엔의 기본료에 렌탈 보증금 20만엔으로 고가이다. 자동차의 트렁크 옆에 세운 안테나가 선망의 대상이었다. 소형화를 추진한 숄더폰은 1985년의 JAL점보기 추락사고를 오스타카(御巣鷹)의 현장으로부터 재빨리 전했다.

버블이 붕괴된 1990년대는 소형화와 통신료의 하락이 가속화되어 디지털 통신인 ‘2G’를 사용한 ‘휴대폰’이 많은 소비자에게 확산되었다. 1999년에는 i모드가 등장, 휴대전화의 용도를 ‘통화’에서 ‘사용’으로 일변시켰다. 2000년대에는 ‘3G’가 동영상 시대의 개막을 알려, 2010년대는 ‘4G’가 스마트폰 전성기의 통신 인프라를 지탱해 왔다.

차기 5G로 이동통신의 실효 속도는 마침내 초당 ’기가’ 비트의 단계까지 올라섰다. 2시간의 영화 전편의 데이터를 3초만에 전송할 수 있는 속도인 만큼, “동영상은 스트리밍이 아닌, 예를 들어 주행중의 전철이 기지국에 가까워지는 순간 한꺼번에 다운로드 하는 것과 같은 사용 방식이 가능해 진다”(NTT 도코모의 오카무라 5G이노베이션 추진실 담당부장).

특징은 스피드 업 만이 아니다. 3가지 점에서 4G까지의 이동통신과는 전혀 다른 변화를 이뤄냈다. 그 첫 번째가 통신에 따른 지연시간이 적다는 점이다. 기존의 10분의 1, 기지국과 단말기 사이에 최단 1mm/초라고 한다. ‘URLLC(Ultra-Reliable and Low Latency Communications: 최고 신뢰∙저 지연 통신)로 불리는 서비스 형태이다. 건설기기나 로봇의 원격조작, 진단 영상을 보면서 원격 진찰 등에 대해 “현장에 있는 것과 같은 감각으로 동떨어진 장소로부터 조작이 가능하다. 지연에 의한 위화감은 없다”(소프트뱅크의 야마다 첨단기술시험과 과장대행).

두 번째는 IoT용으로서 기지국에 연결되는 단말 수, 다시 말해 동시접속 수를 비약적으로 늘릴 수 있다는 점이다. ‘mMTC(Massive Machine Type Communication: 다수동시 접속)’으로 불려, 도심부 등에 설치하는 광역용 기지국은 평방 킬로미터당 최대 100만대의 단말기를 수용할 수 있다.

끝으로, 통신 각 사가 사업모델을 개인용 주체에서 기업용으로 전환하는 점이다. 소프트뱅크의 와쿠가와(涌川) 최첨단기술개발본부장은 “4G는 일반 소비자용을 염두에 두고 네트워크를 설계해왔으나, 5G에서는 법인, 그것도 각각의 법인의 니즈에 맞춰 네트워크를 구축해 나간다”라고 말한다.

-- 영역 확대 경쟁은 발생되지 않아 --

Part 2. 해부, 5G의 요소기술
‘차원이 다른’ 수수께끼에 다가선다

5G는 어떻게 4G의 100배의 속도를 발휘할 수 있을까?
꿈의 초고속을 비즈니스에 활용하기 위해서는 기술적인 구조의 이해가 반드시 필요하다. 비밀은 높은 소자(素子)의 안테나와 전파의 ‘저격’에 있다.

실효 속도가 4G의 100배라고 불리는 5G. 초고속의 수수께끼를 푸는 열쇠는 기지국의 안테나가 쥐고 있다. 4G까지의 안테나는 주로 얇고 긴 타입이었으나, 5G에서는 직사각형이나 정사각형에 가까운 판 모양의 안테나가 선보일 것으로 예상된다.

판 모양의 안테나는 기지국과 단말기 사이에 고속으로 데이터를 송수신하기 위해 사용한다. 그 내부에는 최대 100개가 넘는 안테나 소자가 동일한 간격으로 빽빽이 깔려있다. ‘Massive MIMO (대량 다중 입출력)’이라고 불리는 기술이다.

4G까지의 안테나는 Massive MIMO의 기초가 되는 ‘MIMO’기술이 사용되고 있다. 기지국과 단말기와의 통신에 복수의 안테나를 사용해 초고속 통신을 실현시키는 기술이다. 복수의 안테나로부터 동일한 내용의 전파를 발사해 단말기로 그것들을 수신, 합성한다. 고도의 변조 방식을 사용함으로써 MIMO를 사용하지 않는 경우에 비해 파형이 복잡한 전파라도 확실하게 전송할 수 있다. 전송 도중에 발생되는 신호의 감쇠 뿐만 아니라, 장해물과 전파 간섭 등에 의한 영향도 줄일 수 있다.

이동통신 서비스 등의 공중 회선은 하나의 기지국에 많은 이용자가 동시에 접속한다. 이용자가 동시에 MIMO를 사용해 접속해 고속통신이 가능하도록 안테나 소자 수를 10배이상으로 늘린 것이 바로 Massive MIMO이다.

소자 수는 주파수 대역 및 동시 접속 사용자 수의 예상 등에 따라 달라진다. 예를 들어 NEC가 개발한 3기가~6기가㎐의 대역용 Massive MIMO 안테나는 64소자를 세로 8소자 X 가로 8소자의 정사각형에 깔아놓고 있다. NEC와 NTT도코모는 실증실험용으로 2대를 설치했다.

-- 당신의 장소를 저격 --
-- 대역의 할당은 내년 봄 --

Part 3. 원격 조작∙대열 주행 등
저(低)지연의 파괴력

5G를 사용하는 커다란 이점은 4G보다 고밀도이며 지연이 적은 영상을 전송할 수 있다는 점이다. 이 특징을 활용해 건설 기기 및 의료기기를 원격 조작하려는 시도가 확산되고 있다. 일손 부족 및 고령화에 직면한 일본 사회의 과제 해결로 이어질 가능성을 가지고 있다.

KDDI는 2018년 2월에 오바야시구미(大林組) 및 NEC와 공동으로 건설 기기를 원격 조작하는 실증 실험에 나섰다. 파워쇼벨의 전면에 4K 카메라를 2대 설치, 또한 건설 기기의 상부에 2K의 360도 카메라를, 공사현장의 벽에는 조감용의 2K카메라 2대를 설치. 이들의 영상을 5G 회선 경유로 원격실에 전송했다. 원격실에서는 조작자가 눈으로 직접3D영상을 파악할 수 있도록 디스플레이를 확인하면서 공사를 추진했다.

오바야시구미는 특정 소전력 무선으로 건설 기기를 원격 조작하는 기술을 실용화하고 있으나, 영상의 전송에는 무선 LAN을 사용했다. “무선 LAN은 통신 속도 및 전파의 간섭 등에 문제가 있어, 한 곳의 현장에서 조작 가능한 건설 기기 수도 한정되어 있었다” (KDDI의 마쓰나가(松永) 시니어 디렉터). 신속한 복구를 목표로 하면서 동시에, 종업원이 2차 재해에 휩싸이지 않게 예방하는 것이 요구되는 재해 복구의 현장. 만일의 위급 시에는 5G가 복구를 위한 강한 아군이 될 것이다.

-- 도시의 환자를 와카야먀(和歌山)에서 진찰한다 --
NTT 도코모는 의료 현장에 원격 조작을 도입하려 하고 있다. 2018년 2월~3월의 활동을 소개하겠다.

와카야마 시에 있는 와카야마 현립의과대학병원과 직선거리로 약 450km떨어진 도쿄 도내의 도코모 본사 진료소를 5G회선으로 연결해 도시에 사는 환자를 와카야마의 의사가 원격으로 진찰하는 검증에 들어갔다. 5G는 진찰실 안의 영상 및 4K카메라에 의한 환부의 접사 영상, 초음파로 측정하는 컬러 도플러나 에코와 같은 진단 기기에 의한 영상을 동시에 전송했다.

이것들의 영상을 동시에 스트리밍으로 전송하기 위해서는 압축을 해도 매초 30기가비트 정도의 대역이 항상 필요하다. 복수의 영상을 4G회선으로 동시에 전송하려고 하면 화질이 떨어지거나 지연이 일어나 보기 힘들다.

5G를 사용하면 지연이 적으며 눈 앞의 환자에게 컬러 도플러를 대고 있는 것과 같다는 느낌을 받을 수 있었다고 한다. 5G라면 대역도 충분히 있기 때문에 4K영상도 문제없이 전송할 수 있으며 상처의 깊이 등도 카메라를 넘어 충분히 판별되었다고 한다. 과소 지역의 의사 부족은 심각해 고령화가 진행되는 가운데 방문 의료의 니즈도 높아지고 있다. 원격의료에는 큰 기대가 모아지고 있다.

-- 수상한 자를 곧바로 발견, 경비에도 5G --
-- 지연의 한계, 20mm초의 벽을 넘어섰다 --
-- 물류의 현장도 바꿀 수 있다 --

Part 4. ‘권외(圈外)’ 박멸에 힘쓴다
역∙신간선∙야구장 등

역이나 야구장, 고속으로 이동하는 신간선의 차량 안---.
사람이 모여 움직이는 곳에 고속 신의 비즈니스 찬스가 있다. 통신 대기업은 철도회사 등과 수요 환기에 도전한다.

“데이터의 다운로드는 매초 1기가비트 등, 업로드는 매초 수 백 메가비트의 실효 속도로 통신할 수 있다”. KDDI의 마쓰나가 시니어디렉터는 동일본여객철도(JR동일본)와의 실험을 만족한 듯 회상했다.

양사는 속도 100킬로미터로 달리는 전차를 향해 5G통신에 8K의 스트리밍 영상을 전송해, 동시에 운전석에서 촬영한 4K카메라의 영상을 수신할 수 있는지를 검증했다. 1.5킬로미터 정도의 대상 구간의 선로를 따라 28기가㎐대의 기지국을 복수 설치했다.

5G용으로 광대역을 확보할 수 있는 28기가㎐대는 직진성이 높아 감쇠도 크다. 이에 대해 실험에서는 기지국과 단말기 간의 초고속 통신 상태를 확립하는 빔포밍(Beamforming) 및 단말의 이동에 맞춘 빔포밍의 방위를 바꾸는 빔 트래킹(beam tracking), 더 나아가 단말기가 근처 기지국의 커버 범위로 이동했을 때에 통신이 중단되지 않도록 기지국을 전환하는 ‘핸드 오버’의 각 기술을 모두 포함시켰다.

하향 전송이 초당 1기가비트 정도의 수준으로 안정적인 실효 속도를 확보할 수 있다면 다양한 응용이 가능해진다. 예를 들어 차내의 액정 디스플레이를 사용한 동영상 전송은 현재는 차 안의 전송 서버에 축적된 영상만으로 한정되어 있지만, 외부로부터 보다 즉시성(卽時性)이 있는 영상을 실시간으로 전송할 수 있게 된다. JR동일본에게는 광고 비즈니스의 확대로 이어질 가능성이 있다.

일부 제공하고 있는 차량 안의 공중 무선 LAN도 5G를 중계회선으로 사용하면 대폭 속도를 향상시킬 수 있다고 한다. 다시 말해 승객 서비스의 향상에도 기대할 수 있다.

통근과 통학 손님으로 붐비는 곳을 위해 양사는 차량 내 뿐만 아니라, 역 구내에도 28기가㎐ 대의 기지국으로 커버할 수 있도록 한다. 역 구내는 “플랫폼의 지붕이나 시간표의 간판, 쓰레기통 등의 차폐물 등이 있다. 정차 중의 전차의 유무에 따라서도 전파 특성이 크게 변화한다” (KDDI 마쓰나가 시니어 디렉터).

주행 중은 5G로 통신이 되더라도 많은 사람들이 왕래하는 역 구내를 5G로 커버할 수 없다면 편리성은 떨어진다. 커버 범위가 작은 5G기지국을 역 구내에 다수 설치하는 방법도 있으나, 비용상 무작정 늘릴 수만은 없다.

이에 따라, 역에 근접해 있는 공터에 고소작업차를 설치해 긴 암(ARM) 끝에 5G 기지국을 가설했다. 그곳에서 빔포밍의 기술을 사용해 좁고 긴 역의 플랫폼을 향해 그 모양으로 5G전파를 발사했다. 안테나의 높이 및 각도를 미세 조정하면서 플랫폼의 곳곳에서 수신 감도를 측정해 역 구내를 5G 영역으로 바꾸는 방법을 찾았다. 

-- 도코모는 시속 300킬로에 도전 --
-- 16의 시점으로 마음껏 즐긴다 --

Part 5. 도코모를 위협하는 2사
책임자가 말하는 5G 전쟁

통신업계는 수위인 NTT도코모를 2위의 KDDI와 3위인 소프트뱅크가 그 뒤를 쫓는 체제가 이어지고 있다. 5G를 셰어 역전의 호기로 정해, 그 뒤를 바짝 추격하는 2사는 NTT도코모를 격파하기 위해 집념을 불태우고 있다. 이를 맞받아 치는 도코모를 포함해 3사의 중심인물이 5G 전략을 밝혔다.

▶ NTT 도코모
(나카무라(中村) 집행위원 5G 이노베이션 추진실장)
목표는 사회문제의 해결. 환경에서의 검증을 서두른다.

▶ KDDI  
(하세가와(長谷川) 차세대 비즈니스 기획부장)
매력을 높이는 배합을 탐색한다. 지방에서도 적극 전개한다.

▶ 소프트뱅크
(와쿠가와(湧川) 첨단기술개발본부장)
각 기업별 요구에 부응한 그룹 전략을 가속화시킨다.

 -- 끝 --