이동통신: 1G에서 6G까지

셀룰러: 땅을 칸으로 나눠 주파수를 다시 쓴다

초기의 이동 전화(1940~70년대)는 도시 한가운데 높은 탑에 강력한 송신기 하나를 세우고 도시 전체를 덮었다. 채널이 수십 개뿐이라 한 도시에서 동시에 통화할 수 있는 사람도 수십 명이었고, 가입 대기자가 줄을 섰다. 1947년 벨 연구소가 내놓은 해법이 셀(cell)이다. 출력이 약한 기지국을 여러 곳에 세워 각자 작은 구역(셀)만 맡게 하고, 서로 충분히 떨어진 셀에서는 같은 주파수를 다시 쓴다. 이것이 주파수 재사용(frequency reuse)이고, “셀룰러(cellular, 세포 모양의)”라는 이름이 여기서 왔다.

같은 주파수 묶음을 몇 개의 셀마다 다시 쓰는지를 재사용 계수 N이라 한다. 육각형 격자에서 가능한 값은 N = i² + ij + j² 꼴(1, 3, 4, 7, 9, 12 …)이다. N이 크면 같은 주파수 셀 사이 거리 D가 멀어져 간섭이 줄지만(D = R√(3N), R은 셀 반지름), 각 셀이 쓸 수 있는 채널은 1/N로 준다. 1G 아날로그 휴대폰은 깨끗한 음성을 위해 신호 대 간섭비 약 18 dB가 필요했고, 그래서 N = 7을 썼다. 반면 LTE와 5G는 강력한 오류 정정과 간섭 조정 덕분에 모든 셀이 같은 주파수를 쓰는 N = 1로 동작한다.

두 번째 해볼 것이 셀룰러의 진짜 힘이다. 셀 반지름을 절반으로 줄이면(셀 분할(cell splitting)) 같은 면적에 셀이 4배가 되고 용량도 4배가 된다. 간섭은 거리의 비율 D/R로 정해지므로 그대로다. 주파수를 더 사지 않고도 기지국을 촘촘히 세워 용량을 늘리는 것, 이것이 지난 40년간 이동통신 용량이 늘어난 가장 큰 원천이다. 도심의 작은 기지국(스몰 셀)과 건물 안 중계기가 바로 이 원리다.

핸드오버: 달리는 휴대폰의 바통 터치

셀이 작을수록 움직이는 사용자는 자주 셀 경계를 넘는다. 통화나 데이터를 끊지 않고 담당 기지국을 바꾸는 것을 핸드오버(handover)라 한다. 휴대폰은 지금 기지국(서빙 셀)과 이웃 기지국의 기준 신호 세기(RSRP)를 계속 재서 보고하고, 핸드오버 결정은 기지국이 내린다(Wi-Fi 로밍은 단말이 결정했다, 13장).

단순히 “이웃이 더 세지면 바로 옮긴다”로 하면 문제가 생긴다. 신호 세기는 건물 그늘(섀도잉)과 측정 잡음 때문에 오르내리므로, 두 기지국 경계에서 A → B → A → B로 쓸데없이 왔다 갔다 하는 핑퐁이 생긴다. 핸드오버 한 번마다 신호 교환과 짧은 끊김이 따르니 낭비다. 그래서 LTE·5G는 두 가지 브레이크를 건다.

• 히스테리시스(hysteresis): 이웃이 지금 셀보다 몇 dB 이상 세야 한다(이벤트 A3의 오프셋).
• 트리거 시간(TTT, time-to-trigger): 그 조건이 일정 시간(수십~수천 ms) 계속 유지되어야 보고한다.

브레이크를 너무 세게 걸면 반대 문제가 생긴다. 이미 이웃 셀이 훨씬 센데도 옛 셀을 붙잡고 있다가, 옛 셀 신호가 간섭에 묻혀 연결이 끊어진다(무선 링크 실패, RLF). 빠르게 움직일수록 같은 TTT 동안 더 멀리 가 버리므로 위험이 크다.

세대의 역사: 1G에서 5G까지

이동통신은 대략 10년마다 한 세대씩 바뀌었다. 세대를 가르는 기준은 속도보다 여러 사용자가 주파수를 나눠 쓰는 방법(다중 접속)이다. 1G는 주파수를 잘게 나눠 한 사람에게 한 칸씩(FDMA), 2G GSM은 시간을 나눠(TDMA), 2G IS-95와 3G는 서로 다른 부호를 곱해 같은 주파수·같은 시간을 함께(CDMA), 4G와 5G는 수많은 부반송파를 시간·주파수 칸으로 잘라 나눠 준다(OFDMA, 12장).

5G는 처음부터 세 가지 서로 다른 쓰임새를 목표로 설계되었다. eMBB(초고속 모바일 브로드밴드: 피크 20 Gbps, 체감 100 Mbps 목표), URLLC(Ultra-Reliable Low-Latency Communication)(무선 구간 지연 1 ms, 신뢰도 99.999%: 공장 로봇, 원격 제어), mMTC(대규모 사물 통신: 1 km²당 100만 대 기기). 하나의 망으로 이렇게 다른 요구를 맞추려고 나온 것이 뒤에서 볼 뉴멀로지와 네트워크 슬라이싱이다.

망의 구조: 휴대폰에서 인터넷까지

휴대폰 신호가 인터넷에 닿기까지는 크게 세 구간을 지난다. 전파 구간인 무선 접속망(RAN), 기지국을 통신사 건물로 잇는 전송망(대부분 광케이블, 5장), 그리고 가입자 인증·이동성·과금·인터넷 관문을 맡는 코어망(core network)이다. 기지국의 이름은 4G에서 eNB(evolved Node B), 5G에서 gNB(next generation Node B)다.

코어망의 일은 셋으로 나눠 보면 쉽다. AMF(Access and Mobility Management Function)는 “이 휴대폰이 누구이고 지금 어느 기지국 근처에 있는가”를 관리한다. 전화가 올 때 휴대폰을 깨우는(페이징) 일도 여기서 시작한다. SMF(Session Management Function)는 데이터 세션을 만들고 IP 주소를 준다. UPF(User Plane Function)는 실제 사용자 패킷이 지나가는 관문이다. 휴대폰이 기지국을 갈아타도 IP 주소가 바뀌지 않는 이유는, 패킷이 기지국과 UPF 사이의 터널(GTP-U)에 싸여 다니고 핸드오버 때 터널의 기지국 쪽 끝만 바뀌기 때문이다.

SIM과 eSIM: 휴대폰이 “나”임을 증명하는 법

SIM 카드(Subscriber Identity Module)는 작은 보안 칩이다. 가입자 번호(IMSI, 5G에서는 SUPI)와 128비트 비밀 키 K가 들어 있고, K는 카드 밖으로 절대 나오지 않는다. 통신사의 가입자 DB(UDM)에도 같은 K가 있다. 접속할 때 망은 무작위 수(RAND)를 보내고, SIM은 K로 계산한 응답(RES)을 돌려준다. 망은 자기 계산과 비교해 맞으면 통과시킨다. 이때 망도 자기 진짜임을 증명하는 토큰(AUTN)을 함께 보내므로 휴대폰은 가짜 기지국을 가려낼 수 있다(3G부터의 상호 인증). 양쪽은 같은 계산에서 암호 키도 얻는다. 5G에서는 가입자 번호마저 통신사의 공개 키로 암호화(SUCI)해 보내 추적을 막는다.

eSIM은 카드를 빼고 꽂는 대신 휴대폰 기판에 붙은 칩(eUICC)에 통신사 프로필을 인터넷으로 내려받는다. QR 코드를 찍으면 통신사 서버(SM-DP+)가 암호화된 프로필을 보내 준다. 한국에서도 2022년 9월부터 eSIM 서비스가 시작되어 한 휴대폰에 번호 두 개를 쓰는 듀얼 SIM이 흔해졌다.

자원 그리드와 뉴멀로지: 시간과 주파수의 바둑판

LTE와 5G의 하향 링크는 12장의 OFDM 위에서 여러 사용자를 시간 × 주파수 바둑판으로 나눠 쓴다(OFDMA). 바둑판 한 칸(부반송파 1개 × 심볼 1개)을 자원 요소(RE)라 하고, 부반송파 12개 × 한 슬롯을 묶은 것이 스케줄링의 기본 단위인 자원 블록(resource block, RB)이다. 기지국의 스케줄러는 1 ms보다 짧은 간격마다 “이 RB들은 철수, 저 RB들은 영희”처럼 칸을 배정한다. 채널 상태가 좋은 사용자에게 더 높은 MCS를, 급한 데이터에 먼저 칸을 준다.

LTE는 부반송파 간격이 15 kHz 하나뿐이었다. 5G는 이를 15 × 2^μ kHz(15, 30, 60, 120 kHz …)로 고를 수 있게 했고, 이 선택을 뉴멀로지(numerology)라 한다. 간격을 두 배로 넓히면 OFDM 심볼 길이는 반이 되고(심볼 길이 = 1/간격), 14개 심볼로 이뤄진 슬롯도 반이 된다. 슬롯이 짧을수록 “다음 전송 기회”가 빨리 오므로 지연이 준다. 대신 심볼 앞의 보호 구간(순환 전치, CP)도 짧아져 멀리서 반사되어 늦게 오는 신호(다중 경로, 11장)를 견디는 능력이 떨어진다.

한국의 3.5 GHz 5G는 30 kHz(슬롯 0.5 ms, 100 MHz 폭에 RB 273개)를, 밀리미터파 28 GHz는 120 kHz(슬롯 0.125 ms)를 쓴다. 높은 주파수일수록 셀이 작아 다중 경로의 지연 차가 짧고, 발진기의 위상 잡음이 커서 넓은 부반송파 간격이 오히려 유리하기 때문이다.

주파수 대역: 멀리 가는 전파와 많이 싣는 전파

11장에서 본 대로 주파수가 높을수록 같은 안테나 크기에서 경로 손실이 크고, 벽과 몸과 나뭇잎을 잘 못 뚫는다. 대신 높은 대역에는 넓은 빈 주파수가 남아 있다. 이동통신 사업자는 그래서 세 층의 대역을 섞어 쓴다.

• 저대역(1 GHz 아래, 700~900 MHz): 멀리 가고 건물 안 깊숙이 들어간다. 폭은 10~20 MHz로 좁다. 전국 커버리지와 실내의 기본 연결을 맡는다.
• 중대역(1.8~2.6 GHz의 LTE, 그리고 3.5 GHz의 5G): 5G의 주력이다. 한국 통신 3사는 3.5 GHz 대역에서 각각 약 100 MHz씩을 쓴다. 커버리지와 용량의 균형이 좋고, Massive MIMO로 손실을 메운다.
• 밀리미터파(mmWave)(24 GHz 이상, 예: 28 GHz): 수백 MHz~GHz 폭을 쓸 수 있어 용량은 압도적이지만 셀 반경이 수백 m 이하이고 사람 몸이나 유리창에도 크게 약해진다. 한국은 2018년 28 GHz를 할당했지만 기지국 구축이 부진해 2022~2023년 통신 3사의 할당이 모두 취소되었다. 경기장·공항 같은 밀집 지역의 특수 용도로 남아 있다.

기지국 안: 안테나, RRU/AAU, BBU, 그리고 O-RAN

건물 옥상이나 철탑의 기지국은 세 부분으로 되어 있다. 꼭대기의 안테나와 그 바로 뒤의 RRU(원격 무선 장치: 증폭기·필터·주파수 변환, 18장)가 전파를 다루고, 아래쪽 함체나 통신사 건물의 BBU(기저대역 장치)가 변조·부호화·스케줄링 같은 디지털 처리를 한다. 둘 사이는 광섬유 프론트홀(CPRI/eCPRI)로 잇는다. 5G 중대역에서는 안테나와 RRU를 한 상자로 합친 AAU(능동 안테나 장치)를 쓰는데, 안에 송수신기 64개(64T64R)와 안테나 소자 약 200개가 들어 있다. 이것이 12장의 빔포밍과 MU-MIMO를 실제로 하는 Massive MIMO다. 한 셀에서 여러 사용자에게 서로 다른 빔을 동시에 쏘아 같은 주파수를 공간적으로 재사용한다. 셀룰러의 주파수 재사용을 셀 안에서 한 번 더 하는 셈이다.

전통적으로 기지국은 한 제조사의 RRU와 BBU를 전용 인터페이스로 묶은 “블랙박스”였다. O-RAN(Open RAN)은 이 연결을 공개 규격(O-RAN 프론트홀 7.2x 분할 등)으로 바꾸고, DU·CU 기능을 일반 서버의 소프트웨어로 돌리는(vRAN) 흐름이다. 데이터센터처럼 서버와 소프트웨어를 갈아 끼우며 기능을 추가하고, RIC라는 제어기 위의 AI 앱이 빔과 자원 배분을 실시간으로 조정한다. 다만 무선 신호 처리의 실시간 요구가 까다로워 성능·전력 효율은 전용 칩(17·18장) 기반 장비와 아직 경쟁 중이다.

네트워크 슬라이싱, 그리고 TDD와 FDD

공장의 로봇 팔 제어(지연 수 ms, 절대 끊기면 안 됨), 경기장의 4K 영상(대역폭), 수만 개 수도 계량기(아주 작은 데이터, 배터리 10년)는 원하는 것이 전혀 다르다. 네트워크 슬라이싱(network slicing)은 물리적으로 하나인 5G 망을 여러 개의 독립된 논리 망(슬라이스)으로 잘라 각자에게 맞는 성능을 보장한다. 무선 자원(RB·뉴멀로지)의 몫, 전송망의 우선순위, 코어의 전용 UPF(지연이 중요하면 공장 가까운 에지에 둔다)를 슬라이스마다 따로 잡는다. 휴대폰은 접속할 때 원하는 슬라이스 번호(S-NSSAI)를 요청하고, 코어의 NSSF가 이를 고른다.

상향과 하향을 나누는 두 방법

휴대폰은 받기(하향, DL)와 보내기(상향, UL)를 모두 해야 한다. 나누는 방법은 둘이다. FDD(주파수 분할 이중)는 서로 떨어진 두 주파수 대역을 짝지어 하나는 하향, 하나는 상향에 늘 쓴다. LTE의 1.8 GHz처럼 “20 + 20 MHz” 식으로 표기한다. TDD(시간 분할 이중)는 한 대역을 시간으로 나눠 슬롯마다 하향(D)·상향(U)·전환(S)을 번갈아 쓴다. 3.5 GHz 5G는 TDD다. 짝지은 대역이 필요 없고, 인터넷 트래픽처럼 하향이 훨씬 많을 때 하향 비율을 크게 잡을 수 있다. 또 같은 주파수로 오가니 상향에서 잰 채널을 하향 빔포밍에 그대로 쓸 수 있어(채널 상호성) Massive MIMO와 궁합이 좋다. 대신 상향 슬롯이 올 때까지 기다려야 해서 지연이 늘고, 이웃 기지국끼리 D/U 시점을 정확히 맞춰야 서로 간섭하지 않는다(GPS 시각 동기, 15장).

6G 전망: 2030년의 이동통신

국제전기통신연합(ITU)은 6G를 IMT-2030이라는 이름으로 준비하고 있고, 표준 단체 3GPP는 2025년 무렵부터 6G 연구를 시작해 2030년 전후 상용화를 목표로 한다. 아직 정해지지 않은 부분이 많지만, 방향은 대체로 다음 네 가지로 모인다.

• 새 주파수: 3.5 GHz와 밀리미터파 사이의 7~24 GHz(“상위 중대역”, FR3)가 유력한 주력 후보다. 커버리지와 폭의 절충점이다. 더 멀리는 100~300 GHz의 서브테라헤르츠로 근거리 초고속(수백 Gbps)을 노린다. 다만 이 대역은 대기 흡수와 반도체 출력의 한계가 커서(18·19장) 실내·근거리 용도가 중심이 될 것이다.
• AI 네이티브: 지금까지 사람이 설계한 변조·채널 추정·스케줄링 일부를 학습된 신경망이 맡고, 망 운영 자체를 AI가 자동화한다. 5G의 O-RAN·RIC가 그 예고편이다.
• 비지상망(NTN) 통합: 저궤도 위성과 고고도 비행체를 이동통신 표준 안으로 넣어, 바다·사막·재난 지역에서도 같은 휴대폰이 그대로 연결되게 한다. 5G Release 17에서 이미 시작되었다. 자세한 이야기는 다음 15장에서 한다.
• 통신 + 센싱(ISAC): 기지국 전파의 반사를 레이더처럼 분석해 드론·차량·사람의 움직임을 감지한다. 통신망이 거대한 감지기가 된다.