3GPP의 Cellular vs IEEE의 Wi-Fi

통신의 생태계

 카페에서 와이파이에 접속하려고 보니 2.4G, 5G라고 옆에 쓰여있다. 5G는 요새 광고에 나오는 5세대 이동통신인가? 2.4G는… 2.4세대…? 우리가 카페에서 자주 사용하는 Wi-Fi와 우리가 스마트 폰을 바꾸러 가면 매일 듣는 5G는 무슨 차이가 있는지 알아보자.

 현재 우리가 자주 사용하는 통신은 크게 IEEE 진영의 802.11 시리즈인 Wi-Fi와 3GPP 진영의 이동통신 (Cellular communication)인 4G나 5G가 있다. 추가적으로, Zigbee나 Z-Wave, LoRa 등도 있지만, 이런 통신 프로토콜은 추후 Internet of Things (IOT / 사물인터넷)에서 따로 다루도록 한다. 이번 글에서는 우리에게 가장 친숙한 Wi-Fi와 이동통신에만 초점을 맞춰보자.

 

Wi-Fi

Wi-Fi를 구성하는 802.11 시리즈는 802.11 b, g, n, ac, ax 등 뒤에 나오는 알파벳을 통해 버전과 application이 분류된다. 예를 들어서, 802.11p는 Wireless Access Vehicular Environment (WAVE)라고 불리며, 차량통신에 사용된다. 현재 가장 최신은 802.11 ax (Wi-Fi 6)로, 기존 802.11ac에 비해 더 높은 전송속도와 안정성을 제공하기 위해 설계되었다. 

 Wi-Fi 6는 2.4 GHz 대역과 5 GHz 대역을 모두 사용한다. 카페를 가면 와이파이 옆에 5G라고 쓰여있는 것은 5세대 이동통신이 아니라, 5 GHz 대역을 의미한다. 잠깐 물리 시간을 가져보도록 하면, 주파수가 높아질 때, 파장을 짧아지게 된다 (c=f$\lambda$). 파장이 짧아지면, 파동의 직진성이 강해지고, 장애물이 있을 때 신호가 쉽게 끊긴다. 집에서 5 GHz 대역의 와이파이에 연결하고 방에 들어가면 다른 대역대보다 연결이 자주 끊기는 이유도 이와 같다. 나중에 5G에서 다룰 mmWave도 파장이 몹시 짧아지는데, 통신이 불안정해지기 때문에 이를 보완하기 위한 기술들이 Support되어야 한다.

 즉, 파장이 짧아지거나 주파수가 높아지면 신호가 불안정해진다! 가 중요한 포인트다.

 대신에, 주파수가 높아지면 전송 속도가 빨라진다. 이 부분에서 착각을 하면 안 되는 부분이 ‘높은’ 주파수 대역을 쓰는 것이 바로 전송 속도 향상으로 이어지는 것이 아니다. ‘높은’ 주파수 대역이 보통 ‘폭이 더 넓은’ 대역이 많이 ‘비어있기’ 때문에 더 좋은 Channel을 사용할 수 있어서 전송속도가 빨라지는 것이다. 이 부분은 5G에서도 강조할 부분으로 초기에 통신 시스템을 접할 때 가장 헷갈리는 부분 중 하나다. 가장 최신 Wi-Fi버전이라 불리는 Wi-Fi 6에서는 이런 2.4 GHz 대역과 5 GHz 대역을 유기적으로 이용하여 안정적이고 빠른 서비스가 가능하다. 요즘 나오는 Wi-Fi 공유기들은 두 대역폭을 모두 사용하는 ‘듀얼밴드’ 기능이 있다.

 즉, 주파수가 높아진다고 전송 속도 (Throughput)이 높아지는 것이 아니라, 주파수가 높을수록 사용하기가 힘들기 때문에, 비어 있는 Channel을 넓게 사용할 수 있고 Throughput 향상으로 이어진다는 점이 중요하다.

 집에 있는 공유기가 집 밖에서는 연결이 안 되고, 여행 나갔을 때 와이파이 도시락을 든 친구 옆에 딱 붙어있어야 한다는 점에서 알 수 있듯이, Wi-Fi의 큰 단점은 전송거리가 짧다는 점이다. 기본적으로 가정에서 사용하는 Wi-Fi는 10m내외의 전송거리이지만, 이건 Access Point (AP)의 스펙에 따라서 달라질 수 있다. 쉽게 생각하면 공유기의 특성에 따라 강한 Power로 보내는 등 parameter를 조정하면, 조금 더 먼 거리를 보낼 수 있다. 하지만 이 또한 4G나 5G는 km 단위로 전송이 가능한 것과 비교했을 때 짧은 거리다. Wi-Fi는 Power 출력에도 제한이 있는데, 비면허 대역폭을 사용하고 있기 때문이다. 내 맘대로 큰 출력으로 신호를 보내면 비면허 대역을 사용하려는 다른 사람의 신호를 왜곡시켜서 통신을 불가능하게 만든다. 이를 통신에서는 ‘간섭 (Interference)’이 심하다고 표현한다. 

 대신, Wi-Fi는 비면허 주파수대역을 쓰기 때문에 통신사의 이동통신 요금제와 상관없이 데이터를 펑펑 쓸 수 있다. 실내에서는 유선 연결이 되어있고, 유무선 공유기만 있다면, Wi-Fi를 잡아서 데이터 무제한처럼 사용할 수 있다는 특징이 있다. Wi-Fi의 장점과 단점을 고려했을 때, 자신에게 맞는 통신 방식을 골라야한다.

 Wi-Fi는 비면허 대역을 사용하기 때문에, 다른 Users과의 경쟁으로 인한 성능 저하와 Power contraint가 있기 때문에 짧은 전송거리와 불안정한 통신시스템이 약점으로 꼽힌다.

 최근에 기업에서 5G를 집중연구 있지만, 차량 통신 등의 다양한 Use case에서도 Wi-Fi와 Cellular 생태계가 경쟁함과 동시에 공존하기 위한 연구도 진행되고 있다. 이미 사용되는 Wi-Fi 모듈을 사용하는 User들과의 연계도 중요하고, 두 통신 중 채널환경에 따라서 선택하는 Hybrid 방식도 제안되고 있기 때문에 어느 정도는 알아야되지 않을까 싶다.

 

Cellular communication (4G / 5G)

4G / 5G는 통신사에서 국가에서 경매하는 대역폭을 사서 사용자들에게 서비스를 제공하는 구조다. 새로운 주파수를 할당해야 할 필요가 있을 때, 국가에서 SKT, KT, LG U+ 같은 이동통신사업자 Mobile Network Operator (MNO)를 상대로 주파수 경매를 한다. 경매를 진행한 5G 대역폭은 크게 3.5GHz 대역, mmWave를 위한 28GHz 대역이 있다. 각 대역과 이를 위한 세부적인 기술에 대해서는 추후 5G를 깊게 들여다볼 때 다룰 예정이다.

 3.5 GHz 대역에서는 약 100 MHz 넓이의 대역폭 / 28GHz 대역에서는 약 800 MHz 넓이의 대역폭를 할당 받기위해 수 조원 단위의 경매가 이루어진다. Wi-Fi에서 설명했던 것 처럼 주파수 대역이 높아질수록, 직진성이 강해지기 때문에 앞에 장애물이 있거나 간섭이 있으면, 사용하기가 좀 까다로워진다. 거꾸로 생각하면 사용하기 힘들어서 아직까지 많이 비어있기 때문에 앞으로 사용할 수 있는 대역폭이 상대적으로 널널하다. 

주파수가 높을 수록 사용할 수 있는 대역폭이 널널하다.

 5G에서는 28 GHz 대역을 mmWave 대역이라고 하는데, 파장이 mm 단위라는 의미다. 6G에서는 THz 대역으로 넘어간다고 하는데, 이 부분 또한 나중에 6G 내용이 표준화나 논문에서 이뤄지면 이에 대해 다룰 예정이다.

 무료인 Wi-Fi에 비해 4G /5G는 통신사에서 주파수를 ‘사서(투자해서)’ 우리같은 소비자 (User)들에게 제공하기 때문에 유료 시스템이다. 그러면 전부 무료인 Wi-Fi를 쓰지, 왜 4G/5G처럼 유료 대역폭을 쓰는지를 묻는다면, 세상에는 공짜가 없듯이, Wi-Fi는 이 사람 저 사람 다 쓰다보니 성능이 그렇지 좋지는 못하다. 지하철 타고 가면서 Wi-Fi 잡아서 쓰다가 자꾸 끊기면 4G/5G를 쓰듯이, 결국은 돈을 써서라도 좋은 service를 제공받고자 하는 수요가 꾸준하기 때문에 5G에 대한 연구가 활발하다. 특히, 안정적인 시스템을 구축해야하는 B2B service에 대한 수요가 크기 때문에 이에 대한 전폭적인 투자가 이루어진다. 하나의 예로, 이미 차량에서 사용하는 DSRC라는 차량통신 시스템이 있지만, 더 짧은 지연시간으로 더 높은 신뢰도를 확보하기 (URLLC) 위한 5G 시스템인 NR-V2X에 대한 표준화와 연구가 이루어지고 있다.

 

IEEE (Wi-Fi) vs 3GPP (4G/5G)

 위에서 소개한 두개의 기술들을 선도하는 IEEE와 3GPP는 기술의 국제 표준화를 담당하고 있다. 전 세계를 상대로 장사를 하려면, 내 맘대로 개발을 하는 것이 아니라, 국제적인 표준에 맞춰야 한다. 각 기업들에서는 자신에게 유리한 기술들을 개발하여, 특허를 내고, 표준화 (국제표준에 포함시키는 것) 시키려고 노력한다. 표준화 과정에서 자신의 특허 기술들이 표준에 들어가면, 그 기술을 사용하는 기기들을 만들 때마다 자신들에게 꾸준히 수익이 들어오기 때문이다. 통신 특허의 공룡으로 주목받는 퀄컴 (Qualcomm)은 LTE 시대의 표준화에 기여함으로써 천문학적인 특허료를 받아왔다. 이 같은 이유로 표준화는 몹시 중요한 이슈이며, 이후의 글에서는 5G에서 다뤘던 표준화 문서들을 리뷰할 예정이다. 두 기술 중 비면허대역인 Wi-Fi보다 5G가 통신의 안정성도 높고, B2B에서의 Use Case도 다양하기 때문에 투자가 활발히 이루어지고 있다. 삼성, LG, 현대자동차 같은 제조사들도 결국 ‘돈’이 되는 곳은 4G/5G라는 것을 알고 있기에 5G에 엄청난 투자를 하고 있는 상황이다. 따라서, 이후의 글들에서도 Wi-Fi와 5G중에 5G에 초점을 맞춰서 글을 풀어갈 예정이다.