5G 및 IoT와 만나 꽃 피울까?··· 밀리미터 웨이브 통신 따라잡기

밀리미터파 기술의 발전
밀리미터파를 생성하기란 매우 어려운 작업이었으며, 여기에 필요한 장비나 다른 요소들을 만들기 위해서는 값비싼 반도체 공정의 적용이 필요했다. 특히 GaAs(gallium-arsenide)가 대표적인데, 낮은 주파수가 많이 활용됐던 이유가 바로 이것이다.

그러나 근 몇 년 동안 과학자들은 실리콘-게르마늄(SiGe)과 같은 보다 비용 효율적인 프로세스를 통해 밀리미터파에서 작동할 수 있는 요소를 설계, 제조하는 방법에 대한 많은 연구를 진행해 왔다. 특히 프로세서나 메모리 칩, 그리고 기타 컴퓨팅 및 커뮤니케이션에서 사용되는 거의 모든 요소들에 흔하게 사용되는 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 공정도 그 중 하나이다. CMOS는 가격이 저렴한데다가 생산성이 높고, 전반적 퍼포먼스가 흠잡을 데 없으며, OEM 모듈과 같은 관련 기기에 손쉽게 통합될 수 있다.

쉽게 말하자면, 이제 우리는 밀리미터파 기반의 통신을 안정적이고도 비용 효율적으로 사용할 수 있게 된 것이다. 물론 아직 무선 주파수만큼의 안정성을 보장하지는 못하고 있지만 말이다.

밀리미터파가 넘어야 할 산
이처럼 밀리미터파 기술에 대한 수요가 존재함은 분명해 보이지만, 이 기술의 상용화를 위해서는 극복해야 할 과제들이 있다.

전달 특성 – 밀리미터파는 고도로 지향적이며, 좁은 빔을 통해 전파되고, 건물 내벽 및 외벽과 같은 단단한 물체를 만나면 차단되는 성질을 가지고 있다. 이런 이유로 인해 밀리미터파 애플리케이션의 대부분은 LoS(line-of-sight) 방식이다. 특정 애플리케이션에 대한 유효 범위는 결국 엔드포인트 사이의 원하는 경로가 얼마나 분명한지, 적용된 송신 전력이 어느 정도인지, 그리고 사용한 안테나의 유형 및 구성은 어떠한지에 따라 결정되는 함수라 할 수 있다.

때문에 지향성 안테나나 (멀티패스에 의존하는) MIMO, 빔포밍(beamforming), 심지어 빔 조종(beam steering) 등을 이용해 처리량과 확장 범위를 증진하는 것도 분명히 가능하다. 안테나는 상당히 작다. 지향성 파라볼라 안테나조차도 그렇다.

그러나 밀리미터파 주파수에서 파동이 보이는 근본적인 물리 법칙으로 인한 한계는 여전히 존재한다. 대부분의 밀리미터파 주파수에서 신호 감쇠는 큰 문제가 되지 않지만, 60GHz 대역은 소위 말하는 ‘산소 흡수 주파수(oxygen-absorption frequency)’이기 때문에 라이선스가 없다. 여기서 산소 흡수 주파수란 전자기파 스펙트럼 중에서 공기 중 산소가 전파를 감쇠시키는 범주를 가리킨다.

이런 문제는 노드 간 거리가 짧은 다중 노드 전개를 통해 보완할 수 있다. 이렇게 하면 주파수 재사용을 통한 전반적 용적을 크게 개선할 수 있다는 장점이 있다. 좁은 빔과 지향성 안테나가 있으니 동일한 주파수에 있는 근처의 다른 연결들을 방해하는 일도 피할 수 있다.

다른 밀리미터파 대역도 다양한 수준의 대기 감쇠를 보이고 있지만, 대부분(특히 20-50, 70-90, 그리고 120-160 GHz)의 대역에서는 아주 미세한 영향만을 받는다. 간단히 말해, 주어진 대역과 적합한 활용처 간의 일치가 이루어 진다면 밀리미터파가 가지는 한계점들을 극복하고, 더 나아가 무의미한 정도 까지 줄일 수도 있다는 이야기다.

밀리미터파의 좁은 빔, 제한적인 범주, 그리고 관련 행위들은 오히려 보안과 무결성을 강화하는 기능을 한다. 그렇다고는 해도, 모든 무선 링크에는 암호화를 걸어야 하며, 대부분의 상업적 밀리미터파 제품들은 암호화를 지원한다.

규제와 라이선싱 – 라이선스 및 비 라이선스 대역 모두 밀리미터파 주파수로 정의된다. 널리 상용화 된 일반적인 밀리미터파 대역에는 27-31, 38, 71-76, 81-86, 그리고 92-95가 있으며, 이들 대역에 점차 더 많은 스펙트럼-옥션 프로세스가 적용될 것으로 예상된다.

솔루션 토폴로지(solution topologies) – 밀리미터파 대역은 원래 고정적 활용처 사용되어 왔다. 고정적 활용처에서는 지정된 링크의 두 엔드포인트(P2P와 P2MP)가 모두 정지되어 있다. 그러나 미래에는 어떤 네트워크 환경에서도 가능한 최고 수준의 유연성과 커버리지를 제공하는 메쉬 기술의 적용이 점차 확산될 것으로 예상된다.

한때 우주 및 지상 고정 커뮤니케이션을 위한 다소 낯설고도 값비싼 선택지였던 밀리미터파 무선통신이 이제는 네트워크 용적 문제를 해결하기 위한 보다 비용효율적이고 많은 경우 저렴하기까지 한 선택지가 되었다.

기업 IT가 밀리미터파 커뮤니케이션을 제대로 활용하기 위해서는 건물 내부 및 캠퍼스 배선, 그리고 이더넷 스위치에 대한 업그레이드가 필요하다. 그러나 훨씬 더 큰 용적과 필요에 따라 제공되는 엄청난 처리량 등의 장점은 밀리미터파 ‘추월 차선’을 더욱 매력적인 옵션으로 만들어 준다.

* Craig J. Mathias는 무선 네트워킹 및 모바일 컴퓨팅 전문 컨설팅 기업 파포인트 그룹의 수장이다. ciokr@idg.co.kr