5G 통신이 밀리미터파 대역을 활용하여 최대 10Gbps의 속도를 제공한다는 정보를 접하셨을 것입니다. 하지만 4G와 마찬가지로 저대역 및 중대역 스펙트럼 또한 사용됩니다. 이 세 가지 스펙트럼이 모두 제대로 작동해야 5G의 신뢰성을 확보할 수 있습니다.
그렇다면 이 스펙트럼들은 각각 어떤 차이점을 가지고 있을까요? 그리고 왜 데이터 전송 속도가 다를까요? 5G의 성공에 이 세 가지 스펙트럼이 모두 중요한 이유는 무엇일까요?
전자기 주파수를 이용한 데이터 전송 원리
저대역, 중대역, 밀리미터파 스펙트럼을 자세히 살펴보기 전에, 무선 데이터 전송이 어떤 방식으로 작동하는지 이해하는 것이 중요합니다. 이를 이해하지 못하면 이 세 가지 스펙트럼 간의 차이점을 파악하기 어려울 것입니다.
전파와 마이크로파는 눈에 보이지 않지만, 마치 물웅덩이에 생기는 파도와 유사한 형태로 존재합니다. 파동의 주파수가 높아질수록 각 파동(파장) 사이의 거리는 짧아집니다. 휴대폰은 특정 주파수를 식별하고, 그 주파수가 전송하려는 데이터를 “수신”하기 위해 파장을 측정합니다.
그러나 주파수가 항상 일정하게 유지된다면, 휴대폰과 “대화”할 수 없습니다. 주파수 비율을 미세하게 높이거나 낮춰 변조해야 합니다. 휴대폰은 파장의 변화를 측정하여 이러한 작은 변조를 감지하고, 그 측정값을 데이터로 변환합니다.
이해를 돕기 위해, 이를 바이너리 코드와 모스 부호가 결합된 형태로 생각해 볼 수 있습니다. 손전등으로 모스 부호를 보내려고 할 때, 손전등을 단순히 켜둔 상태로만 둘 수는 없습니다. 의미 있는 메시지를 전달하기 위해, 즉 “변조”해야 합니다.
5G, 세 가지 스펙트럼의 조화로운 활용
무선 데이터 전송에는 주파수가 대역폭과 매우 밀접하게 연관되어 있다는 중요한 제약이 있습니다.
저주파 대역에서 작동하는 파동은 파장이 길기 때문에 변조 속도가 매우 느립니다. 다시 말해, “말”하는 속도가 느려서 대역폭이 낮고, 인터넷 속도 또한 느려집니다.
반대로, 고주파 대역에서 작동하는 파동은 매우 빠르게 “말”합니다. 하지만 왜곡에 매우 취약합니다. 벽, 대기, 비 등 방해 요소가 있으면 휴대폰이 파장의 변화를 제대로 감지하지 못할 수 있습니다. 이는 모스 부호나 이진 데이터를 놓치는 것과 같습니다. 이러한 이유로, 고주파 대역에서 불안정한 연결은 때로는 저주파 대역에서의 양호한 연결보다 느릴 수 있습니다.
과거에는 통신사들이 고주파 밀리미터파 스펙트럼을 피하고 중간 속도로 “대화”하는 중간 대역 스펙트럼을 선호했습니다. 하지만 4G보다 빠르고 안정적인 5G를 구현하기 위해, 5G 기기는 적응형 빔 스위칭 기술을 활용하여 주파수 대역 사이를 빠르게 전환합니다.
적응형 빔 스위칭은 5G가 4G를 안정적으로 대체할 수 있게 해주는 핵심 요소입니다. 5G 휴대폰은 고주파(밀리미터파) 대역에 연결되어 있을 때 신호 품질을 지속적으로 모니터링하며, 다른 신뢰할 수 있는 신호를 탐색합니다. 신호 품질이 불안정해지면, 더 빠르고 안정적인 연결을 제공하는 다른 주파수 대역으로 원활하게 전환합니다. 이러한 기술 덕분에 동영상 시청, 앱 다운로드, 화상 통화 시 끊김 없이 5G를 안정적으로 이용할 수 있습니다. 5G가 4G보다 안정적인 이유도 바로 여기에 있습니다.
밀리미터파: 초고속, 단거리 통신
5G는 밀리미터파 스펙트럼을 활용한 최초의 무선 통신 표준입니다. 밀리미터파 스펙트럼은 24GHz 이상의 주파수 대역에서 작동하며, 예상대로 매우 빠른 데이터 전송 속도를 제공합니다. 하지만 앞서 언급했듯이 밀리미터파 스펙트럼은 왜곡에 매우 취약합니다.
밀리미터파 스펙트럼을 레이저 빔과 같이 생각하면 이해하기 쉽습니다. 정확하고 밀도가 높지만, 커버할 수 있는 범위가 매우 좁습니다. 또한 간섭에도 매우 취약합니다. 자동차 지붕이나 빗방울과 같은 작은 장애물도 밀리미터파 전송을 방해할 수 있습니다.
이러한 이유로 적응형 빔 스위칭 기술이 매우 중요합니다. 이상적인 환경에서는 5G 휴대폰이 항상 밀리미터파 스펙트럼에 연결되어 있는 것이 가장 좋습니다. 하지만 밀리미터파의 좁은 커버리지를 보완하기 위해서는 수많은 밀리미터파 기지국이 필요합니다. 통신사들이 모든 거리에 밀리미터파 기지국을 설치하는 데 막대한 비용을 투자하지는 않기 때문에, 적응형 빔 스위칭 기술을 이용하여 밀리미터파 연결에서 중간 대역 연결로 전환할 때마다 휴대폰에서 끊김 현상이 발생하지 않도록 합니다.
현재 24GHz 및 28GHz 대역만이 5G 통신에 허용되어 있습니다. 하지만 미국 연방통신위원회(FCC)는 2019년 말까지 37GHz, 39GHz, 47GHz 대역을 5G 용도로 경매할 것으로 예상하고 있습니다. 이 세 대역은 스펙트럼에서 더 높은 위치에 있어 더 빠른 연결을 제공할 수 있습니다. 고주파 밀리미터파 대역이 5G에 활발히 활용된다면 이 기술은 더욱 광범위하게 확산될 것입니다.
중대역(Sub-6): 균형 잡힌 속도와 범위
중대역(Sub-6라고도 함)은 무선 데이터 전송에 가장 현실적인 스펙트럼입니다. 1~6GHz 주파수 대역에서 작동하며(2.5GHz, 3.5GHz, 3.7~4.2GHz), 밀리미터파 스펙트럼이 레이저 빔과 같다면, 중대역 스펙트럼은 손전등과 같습니다. 합리적인 인터넷 속도로 넓은 영역을 커버할 수 있으며, 대부분의 벽과 장애물을 통과할 수 있습니다.
대부분의 중대역 스펙트럼은 이미 무선 데이터 전송 용도로 허가되어 있으며, 5G는 당연히 이러한 대역을 활용할 것입니다. 또한 5G는 교육 방송용으로 지정되었던 2.5GHz 대역도 사용할 것입니다.
2.5GHz 대역은 중대역 스펙트럼의 하단에 위치하고 있으며, 이는 우리가 이미 4G에서 사용하고 있는 대역보다 더 넓은 범위(더 느린 속도)를 제공한다는 것을 의미합니다. 비록 직관적이지 않게 들릴 수 있지만, 업계는 2.5GHz 대역을 통해 외딴 지역에서도 5G로 업그레이드될 수 있도록 하고, 교통량이 극도로 많은 지역에서는 가장 느린 저대역 스펙트럼에 연결되는 것을 피할 수 있도록 노력하고 있습니다.
저대역: 원격 지역을 위한 느린 스펙트럼
우리는 1991년 2G가 출시된 이후로 저대역 스펙트럼을 사용하여 데이터를 전송해 왔습니다. 저대역은 1GHz 이하의 주파수(즉, 600MHz, 800MHz, 900MHz 대역)로 구성됩니다.
저대역 스펙트럼은 저주파로 구성되어 있어 왜곡에 거의 영향을 받지 않습니다. 범위가 넓고 벽을 통과할 수 있습니다. 하지만 앞서 언급했듯이 저주파는 데이터 전송 속도가 느립니다.
이상적으로 휴대폰은 저대역 연결을 사용하지 않는 것이 좋습니다. 하지만 스마트 전구와 같이 기가비트 속도로 데이터를 전송할 필요가 없는 연결 장치도 있습니다. 만약 제조업체가 5G 스마트 전구(와이파이가 끊겼을 때 유용함)를 개발한다면, 저대역 스펙트럼에서 작동할 가능성이 매우 높습니다.