[페이턴트] 빅데이터∙5G이동통신용 전파의 열쇠 ‘밀리미터파 전송 기술’
[페이턴트] 빅데이터∙5G이동통신용 전파의 열쇠 ‘밀리미터파 전송 기술’
  • 조영호 기자
  • 승인 2018.11.26 18:08
  • 댓글 0
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한국전자통신연구원이 2018년 9월 10일 출원하고 공개한 '광대역 근거리 무선 통신 장치 및 방법' 특허 도면. 밀리미터파 대역에서 지향성 안테나를 사용해 광대역 근거리 무선 통신을 수행하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 그림=키프리스 캡처
한국전자통신연구원이 2018년 9월 10일 출원하고 공개한 '광대역 근거리 무선 통신 장치 및 방법' 특허 대표 도면. 밀리미터파 대역에서 지향성 안테나를 사용해 광대역 근거리 무선 통신을 수행하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 그림=키프리스 캡처

[비즈월드] 인공지능 시대가 본격적으로 열리려면 빅데이터를 언제 어디서나 활용할 수 있어야 합니다. 유선, 특히 광케이블을 이용한 데이터 통신은 안정적이고 대량 전송이 되기 때문에 문제가 되지 않습니다. 진정한 기술의 완성은 이동통신이고 이를 우리는 ‘5G’라고 부릅니다. 바로 5세대 이동통신입니다.

5G 이동통신을 위한 주파수 대역. 표=특허청 제공
5G 이동통신을 위한 주파수 대역. 표=특허청 제공

현재 우리 스마트폰으로 쓰고 있는 LTE 또는 LTE-A를 고속도로로 비유할 때 6차선~8차선 정도라면 5G는 80차선 이상 최대 세자릿수 차선까지 늘어난다고 이해하면 간단합니다. 고속도로를 통행하는 자동차의 대수를 데이터의 양이라고 감안한다면 5G의 통신량이 얼마나 늘어날 지 상상이 됩니다.

이동통신에서 데이터는 전파를 타고 이동합니다. 데이터를 디지털 신호로 바꾼 후 이를 전파에 입힙니다. 그렇게 되면 전파의 파형이 달라지고 달라진 파형을 단말기가 수신해 역으로 데이터로 변환하는 구조입니다.

데이터를 얼마나 많이 보내는가는 전파의 속도와 관계됩니다. 과거 페이저 일명 ‘삐삐’라고 불렀던 기기는 보낸 사람의 전화번호나 이름이 표시됐고 나중에는 간단한 메시지를 남길 수 있었습니다. 이 페이저가 사용했던 주파수가 200~300MHz 대역입니다. 보내는 데이터의 양이 한정됐습니다.

대신 전파가 전달되는 거리는 길었습니다. 바다에서 배가 지나가면 뒤에 일어나는 물결이 오래도록 남아 퍼지는 것과 같은 원리입니다. 주파수가 높아지면 파장은 반대로 짧아지고 직진성이 강해집니다. 직진성이 강해진다는 이야기는 전파가 산이나 빌딩과 같은 장애물을 만나면 넘어가지 못하고 끊긴다는 것을 의미합니다. 따라서 데이터를 많이 전송할 수는 있지만 거리가 짧아 안테나를 촘촘히 세워 중계기 역할을 하도록 해야 원하는 거리까지 전송할 수 있습니다.

그럼에도 불구하고 시대는 많은 데이터 전송을 요구했습니다. 데이터를 많이 보내려면 어차피 고주파를 이용해야 했고 관련된 기술의 개발이 필수였기 때문에 이동통신사나 전자통신연구소 등이 이 기술의 개발에 매진했던 것입니다.

초기 이동전화는 900MHz 대역을 사용했습니다. 이 때는 음성통신 시대였고 그 후에 데이터 통신 기술이 발전하면서 간단한 메시징 서비스가 가능해졌습니다. 그 후 2GHz 내외의 주파수 대역으로 들어서면서 스마트폰 시대를 열게 되었습니다. 지금도 그 연장선에 있습니다.

머지않아 새롭게 서비스될 5G이동통신은 28GHz 고주파를 이용합니다. 따라서 초고속 통신이 가능하고 실시간 데이터 통신도 이루어지며 끊김 현상도 줄어듭니다. 5G 이동통신의 주파수 대역은 30~300GHz이며 파장은 1~10㎜의 밀리미터파로서 이 조건에 맞는 데이터의 전송이 필요합니다.

밀리미터파 전송 관련 출원 현황(2013 ~ 2018.10.). 표=특허청 제공
밀리미터파 전송 관련 출원 현황(2013 ~ 2018.10.). 표=특허청 제공

특허청에 따르면 밀리미터파 전송 관련 특허출원은 2013년 80건, 2014년에는 72건에 불과했습니다. 이때는 LTE급 기술이 시장에서 대세였기 때문입니다. 그런데 이듬해인 2015년부터 특허 출원 동향이 확 바뀝니다. 그해에 밀리미터파를 5G 주파수 대역으로 하는 승인이 이루어졌기 때문입니다. 그해에는 무려 123건의 특허가 출원됐습니다. 전년에 비해 약 1.7배나 늘어난 것입니다. 이어 2016년에도 124건이 특허 출원됐고 지난해에는 100건이 출원된 것으로 나타났습니다.

기술적 난이도가 워낙 높아 세계적인 통신장비 회사나 서비스 회사들이 기술 개발을 주도하고 있습니다. 특허를 비롯한 지식재산권 확보 전쟁도 이들을 중심으로 이루어지고 있습니다. 통신 강국 우리나라에서 특허를 출원하는 동향을 살펴보면 이러한 현상은 그대로 나타납니다.

출원인별로 밀리미터파 전송 관련 특허출원은 삼성전자, 퀄컴, 인텔, LG전자, HUAWEI 등 글로벌 통신장비회사의 출원이 전체 출원의 50% 정도를 차지했습니다. 다음으로는 정보통신 관련 연구소 및 산학협력단의 출원이 30% 이상으로 그 뒤를 따랐습니다. 초고주파 대역은 새로운 주파수 대역을 개척하는 분야인 관계로, 국내외 대기업과 산학연이 앞장서 연구를 주도하고 있는 것으로 보입니다. 이동통신 회사들도 단말기나 통신장비 제조회사들과 컨소시엄을 맺고 연구개발에 동참하고 있습니다.

특허청 이동환 이동통신심사과장은 “차세대 이동통신 시대가 도래할 때마다 기존 기술의 한계를 뛰어넘는 새로운 기술이 등장하는데, 이동통신 서비스에 대한 사용자의 요구가 점점 고급화, 다양화됨에 따라 다음 세대에서는 어떤 새로운 기술이 선보여질 것인지 주목된다”며 “표준화도 빠르게 진행되는 만큼 신속한 기술선점을 위해 관련 특허권 확보를 위한 노력을 꾸준히 해나가는 것이 필요하다”고 강조했습니다.

밀리미터파와 연관되는 기술들은 매우 복잡합니다. 우선 빅데이터 등 트래픽 폭증에 따른 과부하 및 통신 사각지대를 해소할 수 있는 소형 셀(Small Cell) 기술은 기본입니다.앞서 이야기한 대로 데이터가 끊김없이 원하는 장소까지 실시간으로 보내지기 위해서는 안테나(이동통신의 기지국과 같은 개념)가 근거리에 세워져야 하는데 여기에 소형 셀 기술이 접목됩니다.

또한 고속 데이터 전송을 위한 최적의 빔(전파)을 제공하는 에너지 집중형 빔과 포밍 기술, 전송속도 향상을 위한 대용량 다중 입출력(massive MIMO)기술을 실현해야 합니다.

산업 각 분야에서 4차 산업혁명을 실현하려면 인프라가 갖춰져야 하고 통신분야에서의 인프라가 5G임은 부인할 수 없습니다. 빅데이터 가상현실 증강현실 등 인공지능과 관련된 분야가 활성화되고 IoT(사물인터넷)이 제 기능을 발휘하려면 5G의 상용화와 더 나은 기술의 개발이 지속적으로 따라 주어야 합니다. 통신 강국인 우리가 5G를 외국에 넘겨주어서는 안되는 이유입니다.


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