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3 [4 차산업혁명기획시리즈 ] 4 차산업혁명시대의핵심인프라, 5G 김 득원 정보통신정책연구원연구위원 *dwkim@kisdi.re.kr, * 서울대학교물리학과학사 * 미 University of Illinois at Urbana -Champaign 경제학박사 * 현정보통신정책연구원통신전파연구실 4 차산업혁명시대의핵심인프라, 5G 1. 광고총량제개념및도입방식 4차산업혁명시대에는연결성이핵심가치로서네트워크를통한정보의교환이개인일상및산업전반의전영역으로확대될것으로전망된다. 이를위한차세대인프라는다양한서비스를제공할수있는지능화된융합네트워크가필수적이다. 5G는여러가지서비스이용유형에따라필요한자원을활용하여모든서비스제공을하나의네트워크에서가능케하는 4차산업혁명시대차세대네트워크의핵심인프라로자리매김할것으로판단된다. 5G 이동통신은전송속도향상뿐만아니라다수기기연결, 초저지연실시간연동이가능하도록기술개발이진행되고있으며, 제공되는서비스의종류에따라주파수및네트워크자원을선택적으로효율적인이용이가능하도록유연한구조를채택하고있어차세대네트워크기술의핵심이될가능성이높다. 5G는네트워크슬라이싱, 소프트웨어기반의네트워크구조및가변적채널대역폭활용등을통해상황에따른보다효율적인네트워크활용이가능할것으로전망된다. 각국은 5G가향후초연결시대경제성장의핵심동력으로자리매김할것으로인식하고 5G 주파수확보, 기술개발및상용화선도를위해치열하게경쟁하고있다. 주요국은민관합동으로 5G 연구개발단체를구성하여운영중이며, 5G 주파수표준화및국제선도를위한정책을수립하고있다. 우리나라는 18년평창올림픽시범서비스및세계최초 5G 상용화를위한계획을마련하여추진하고있다. 현재는 5G 네트워크조기구축과기술선점을위한경쟁이전개되고있으나, 향후 5G 상용화이후에는 4차산업혁명생태계활성화를위한경쟁이본격화될것으로예상된다. 이를위해기술개발및주파수선도뿐만아니라, 5G 네트워크구축의효율성제고및운용의안정성확보, 5G 기반생태계조성및활성화등을위한중장기적인정책방향을정립하는것이필요하다.

4 [4 차산업혁명기획시리즈 ] 4 차산업혁명시대의핵심인프라, 5G 1. 4 차산업혁명시대를위한차세대네트워크 4차산업혁명시대에는모든사물과사물이연결되고 (hyper-connected) 모든서비스가네트워크를통해유기적으로연동되는 연결성 이핵심 - 사물인터넷 (IoT) 을통한데이터확보 / 교환과클라우드기반의빅데이터활용을통해언제어디서나맞춤형서비스를제공받게되며, - 개별통신서비스의영역에서재난, 응급, 안전, 보안등공공서비스및스마트시티, 스마트팩토리등산업전반의전영역으로확대될전망 - 초고화질 초실감형 몰입형콘텐츠의일상화를위해서는트래픽전송속도및네트워크용량의획기적인증대도반드시필요 4차산업혁명시대의차세대네트워크는융합화, 다양화, 지능화가필수적 - 초연결기반의다양한서비스를끊김없이제공하기위해서는단일네트워크에서모두구현이가능하거나, 이종네트워크간완벽한상호호환성을해결해야할필요 - 사물인터넷 (IoT), 초고속데이터전송과같이서로다른네트워크자원을필요로하는다양한서비스를가능케하기위해서는주파수대역다변화, 네트워크신뢰성향상, 에너지효율성제고등필요 - 서비스별네트워크자원의효율적배분이가능하도록소프트웨어기반의네트워크구조및 AI 기반의지능화된네트워크운용필요 4차산업혁명시대의 5G는이동통신을넘어차세대네트워크의핵심인프라로자리매김할가능성이매우높음 - 이동통신은초고용량의콘텐츠전송, 자율주행등초저지연서비스를가능케하는기술로서차세대네트워크의중심축을담당할것으로예상 - 향후 IoT 시장의성장을대비하여이동통신 (LTE) 기반의 NB-IoT 가상용화되는등이동통신기반의네트워크기술은확장성을모색중 - 5G는가능한모든서비스를단일네트워크에서구현하고자하는목표를세우고, 이를만족하기위한성능을구현하기위한기술개발중 2

5 1. 4 차산업혁명시대를위한차세대네트워크 - 현가입자수및시장규모등을감안할때향후차세대네트워크는 5G 이동통신을중심으로융합될가능성이높을것으로전망 - 5G 이외에 LPWAN(Low Power Wide Area Network) 기반의 IoT 네트워크및 WiFi 등 IEEE 계열기술도진화를모색중 - 경쟁네트워크는 5G 활성화이전까지생태계를형성하여병존하는경우 5G와의통합 보완적인관계가될가능성이높음 - 5G는여러가지서비스이용유형에따라필요한자원을활용하여모든서비스제공을하나의네트워크에서가능케하는 4차산업혁명시대차세대네트워크의핵심인프라로자리매김할것으로판단 [ 그림 1] 5G 기반의다양한서비스전망 자료 : Ofcom(2017) 5G 는 4 차산업혁명시대의초석을마련하는핵심인프라로서네트워크 구축은국민경제성패를좌우하는경쟁력의원천이될것으로전망 - 5G 선도를위한기술개발, 주파수확보등정책추진이매우중요 3 3

6 [4 차산업혁명기획시리즈 ] 4 차산업혁명시대의핵심인프라, 5G 2. 5G 네트워크의기술적특징 5G 비전및성능목표 5G 이동통신은 3GPP* 에서기술표준화에대한논의가시작되었으며 ITU** 에서는 IMT-2020 이라는공식명칭을채택 * 글로벌장비 단말및통신기업이주로참여하여 월창설된이동통신분야표준화기구 ** ITU(International Telecommunication Union): 유 무선통신국제표준화기구 5G는 1 최대전송속도향상 (embb; Enhanced Mobile Broadband) 뿐만아니라 2 다수기기연결 (mmtc; Massive Machine Type Communication), 3 초저지연실시간서비스 (URLLC; Ultra-reliable and Low Latency Communication) 의세가지목표를비전으로기술개발및표준화작업이진행중 - 기존이동통신은주로전송속도의향상을바탕으로음성에서데이터서비스를제공하는등이동통신콘텐츠의확장에중점을둔반면, [ 그림 2] ITU의 5G 이용시나리오 자료 : ITU(2015) 4

7 2. 5G 네트워크의기술적특징 - 5G 이동통신은전송속도의향상뿐만아니라사물인터넷 (IoT) 등다수기기접속및초저지연연동을포함하는개념으로목표를설정하고기술개발이진행되고있음 ITU는이를달성하기위해서전송속도 ( 최대, 이용자체감 ), 전송지연, 최대기기연결수, 에너지효율성등 8개의주요성능지표를제시 - 5G는 4G 대비약 10배이상의성능향상을기대 [ 그림 3] 5G 주요성능지표 Peak data rate (Gbit/s) User experienced data rate (Mbit/s) Area traffic capacity 2 (Mbit/s/m ) IMT Spectrum efficiency 100 Network energy efficiency 10 1 IMT-advanced Mobility (km/h) Connection density 2 (devices/km ) 1 Latency (ms) M 자료 : ITU(2015) < 표 1> 4G와 5G의주요성능지표비교 성능지표 4G 5G 최대전송속도 1Gbps 20Gbps 이용자체감전송속도 10Mbps 100Mbps 최대기기연결수 10 5 /km /km 2 전송지연 10ms 1ms 고속이동성 350km/h 500km/h 5 5

8 [4 차산업혁명기획시리즈 ] 4 차산업혁명시대의핵심인프라, 5G 5G 의기술적특징 5G 이동통신은제공되는서비스의종류에따라주파수및네트워크자원을선택적으로효율적인활용이가능하도록유연한구조를채택 상위호환성 (forward compatibility): 5G는미래에개발될기술요소들이도입되거나공존하기위한유연성이제공되도록표준화추진중 - 5G는기존 LTE 와의하위호환성 (backward compatibility) 을만족하는 LTE-Advanced Pro 표준화도포함 가변적채널대역폭 (scalable numerology): 모바일브로드밴드및사물인터넷등제공하는서비스의종류, 이용하는주파수대역 * 등에따라 5G 채널대역폭을가변적으로이용하여자원의효율적활용도모 * 5G는 3GHz 이하기존이동통신주파수대역뿐만아니라, 3~6GHz 의중고대역, 6GHz 이상의고대역을동시에활용할것으로예상되므로 sub-1ghz~100ghz 대역을지원하도록설계 - 가변적채널대역폭을통해하나의캐리어내에서 15KHz 부반송파간격 (subcarrier spacing) 의 numerology 로 embb( 향상된모바일브로드밴드 ) 를지원하고, 이와동시에 60KHz 부반송파간격의 numerology 로 URLLC( 초저지연실시간통신 ) 를지원하는것이가능 네트워크슬라이싱 (network slicing): 물리적으로하나인네트워크상에서논리적으로분리된네트워크를만들어서로다른특성을갖는다양한서비스들에대해그서비스에특화된전용네트워크를제공하는것 - 5G의물리적네트워크를 network slicing 을통해이동통신서비스용첫번째슬라이스, 자율주행자동차를서비스하는두번째슬라이스, 사물인터넷연결을제공하는세번째슬라이스등논리적인네트워크로분리하여서비스를제공하는것이가능 네트워크오케스트레이션 (Orchestration): 신규서비스요청에대하여신규네트워크슬라이싱여부, 슬라이스간의자원관리등을통합제어 6

9 2. 5G 네트워크의기술적특징 소프트웨어기반의네트워크구조 : 물리적리소스를상황에따라유연하게최적으로활용이가능하도록 RAN(Radio Access Network) 등네트워크장비, 서버, 스토리지등을소프트웨어기반으로운영, 관리 - 소프트웨어기반의네트워크구조는인공지능 (AI) 등망운용의효율성을제고할수있는새로운방식의도입도용이하다는장점존재 Dynamic TDD(Time Division Duplex): TDD 주파수대역의업로드및다운로드리소스를상황에맞게유연하게활용함으로써네트워크이용의유연성을높임 - FDD(frequency division duplex) 주파수의상하향대역폭을다르게이용하는기술방식에대한논의도진행중 - Self-contained subframe 지원을통해단일 subframe 에서하향스케줄링과하향데이터전송, 상향전송확인 (Acknowledgement) 을수행하여 TDD 주파수의최적활용이가능하도록설계 다중접속 (multiple access) 방식 : 기존 4G LTE 의 OFDMA 방식은대용량전송을위한모바일브로드밴드용에적합하므로, 다중기기접속 (massive connectivity) 을위한다중접속방식의추가적용검토중 Massive MIMO(multiple input multiple output), 빔포밍 (beamforming) 등의기술을활용하여수십 GHz 대역초고대역주파수를최대한이용할수있도록하는하이브리드빔형성방식검토가진행중 7 7

10 [4 차산업혁명기획시리즈 ] 4 차산업혁명시대의핵심인프라, 5G 3. 국내 외 5G 추진동향 5G 기술개요및주파수대역 5G는 LTE-A 진화 (evolution) 기술과신규기술 (New RAT: New Radio Access Technology) 이융합될전망 - 5G 서비스구현을위해서는다양한대역을필요로하며, 향상된모바일브로드밴드 (embb) 를위한연속된광대역은 6GHz 이상대역활용가능 [ 그림 4] 5G 기술및주파수이용개요 자료 : 박병성 (2016) 3GPP 는 18. 6월에 5G 1차표준화 (Rel.15), 월에 5G 2차표준화 (Rel.16) 를완료하고, 이를 ITU 5G 후보기술규격으로제안할계획 - 전파접속기술및일부코어망기술개발을통해기존 LTE 망을연계하여활용 (NSA; Non-standalone) 하는방식을도입하고, 이후코어망까지완성하여 5G 독립적인망으로활용 (SA; Standalone) 할수있도록개발추진 월 5G 향상된모바일브로드밴드 (embb) 를위한 NSA 표준의조기확정안이의결되어관련표준이 월문서에포함될예정 8

11 3. 국내 외 5G 추진동향 - ITU는 월부터 5G 후보기술접수를시작하여 월에 5G 표준채택을완료할예정 5G 주파수후보대역 - WRC-15 에서는 6GHz 이상대역에서의 5G 용도주파수지정을위한 WRC-19 의제를채택하고총 11개의후보대역을선정 - 예비후보대역중주로 24~43GHz 대역이선호되고있으나, 국가별로기이용중인대역이달라세부선호대역은다름 WRC(World Radio-communication Conference): 세계전파통신회의 한국과미국은 WRC-15 에서 28GHz 대역주파수를 5G 주파수후보대역으로제안한바있으나, 위성이나군사용주파수로사용하고있는중국, 중동및유럽일부국가의반대가있어후보대역에포함되지않았음 [ 그림 5] 6GHz 이상 5G 예비후보대역 자료 : 삼성전자, 5G 스펙트럼이용전망세미나 (2016) - 3GPP 에서는 700MHz 등 LTE band, 3.3~4.2GHz, 24.25~29.5GHz 대역등에서 5G 표준화를위한논의가진행중임 28GHz 대역은미국이 5G 용도로활용을결정 ( 16. 7월 ) 하였고 3GPP 의표준대상논의에포함 ( 17. 3월 ) 되는등향후 3GPP 표준으로선정될가능성이높을것으로전망 9 9

12 [4 차산업혁명기획시리즈 ] 4 차산업혁명시대의핵심인프라, 5G 5G 관련주요국정책동향 해외주요국은모바일브로드밴드를차세대경제성장동력으로인식하고광대역구축을통해다양한분야의서비스 기기 장비등산업을개발 발전시켜경제성장, 일자리창출, 글로벌경쟁력확보를도모 미국 National Broadband Plan( 10 년 ), 영국 UK Spectrum Strategy( 14 년 ) 등 - 이와같은정책기조하에 5G는향후초연결시대경제성장의핵심동력으로자리매김할것으로인식하고, 세계주요국은 5G 주파수확보, 기술개발및상용화선도를위해치열하게경쟁 미국, FCC Spectrum Frontiers( 16. 7월 ) - 미연방통신위원회는 24GHz 이상고대역주파수의발굴및이용을위한 FCC Spectrum Frontiers 명령및추가법령제안 (R&O, FNPRM) 발표 - 공식적으로세계최초의고대역주파수이용방안을확정하여차세대이동통신 (IMT-2020) 개발경쟁에서미국의선도적인역할을강조 - 연방정부및민간의효율적주파수공유방안을제시하여차후다양한밀리미터파 (millimeter wave; mmw) 대역주파수정책에적용가능한벤치마크모델로삼고자함 - 28GHz(27.5~28.35), 37GHz(37~38.6), 39GHz(38.6~40) 대역주파수를이동통신용으로활용하고, 64~71GHz 대역을비면허대역으로추가지정 유럽, 5G for Europe( 17. 6월 ) - 유럽집행위원회 (European Commission) 는유럽내 5G 상용화를위한 5G for Europe 액션플랜보고서를발간 ( 16. 9월 ) 하고유럽의회가승인 - 차세대네트워크기술인 5G는새로운서비스를가능케하고다양한분야가융합된혁신적인비즈니스모델을창출하는등향후디지털경제발전의근간으로작용할것으로전망 - 유럽국가간조정과계획수립을통해 5G 기술표준및주파수대역등에대한글로벌상호운용성 (interoperability) 을확보할필요 10

13 3. 국내 외 5G 추진동향 - 5G 도입을위한유럽공통의추진일정수립 ( 18 년시범서비스, 20년상용화확대 ), 5G 주파수발굴및확보 (700MHz 및 3.5GHz 등 ), 네트워크구축방안, 글로벌상호운용성확보, 5G 기반디지털생태계활성화를위한액션플랜이주요내용 한국, 5G 이동통신산업발전전략및 K-ICT 스펙트럼플랜등 - 미래창조과학부는 미래이동통신산업발전전략 을수립 ( 14. 1월 ) 하여 5G 조기상용화등을위한정책을추진해왔으며, 15. 1월부터정부는정부, 이통사, 제조사, 중소기업, 5G 포럼등산 학 연 관의전문가로 5G 전략추진위원회 를구성 운영하여 5G 준비상황을점검하고정책방향을논의 - 4차산업혁명의도래등국내 외환경변화에대응하여타산업과융합확산을위한 5G 이동통신산업발전전략 을수립 ( 월 ) - 또한, 정부는 K-ICT 스펙트럼플랜 ( 17. 1월 ) 을수립하여세계최초 5G 상용화를위하여 3.5GHz 및 28GHz 대역등총 4,300MHz 폭의주파수를확보하고 18년까지주파수할당계획을수립할예정 5G 연구 개발동향 5G 기술개발을선도하고표준화에대응하기위해국내 외주요국은민관합동으로 5G 연구개발단체를구성하여운영중 - 한국은이동통신 3사, 제조사, 중소기업등이참여하는 5G Forum 을조직하여 5G 비전및서비스연구, 기술개발, 주파수, 국제협력등을지원 - 유럽 (EC) 은 5G PPP(Public-Private Partnership) 를결성하여 20년까지범유럽연구개발프로그램 (Horizon 2020) 중약 7억유로를투자할방침 - 일본은 5GMF(5G Mobile Communications Promotion Forum) 을구성하여 5G 연구와논의를통해전략방향을제시 11 11

14 [4 차산업혁명기획시리즈 ] 4 차산업혁명시대의핵심인프라, 5G - 중국은 5G 전략및정책수립을위해공업정보화부, 국가발전개혁 위원회, 과학기술부등 3 개정부부처와 China Mobile, Huawei, ZTE 등 민간기업및학계가참여하는 IMT-2020 Promotion Group 설립 5G 시범서비스추진현황 미국 - AT&T 와 Verizon 은 5G 로드맵을발표하고, 17년하반기에서 18년에고정 * 또는모바일 5G 서비스를제공할계획으로사전테스트중 * 고정 5G는 pre-5g 규격으로밀리미터파주파수대역에기반한 fixed wireless access(fwa) 기술을이용하여기존협대역인터넷을대체하는광대역인터넷을의미 한국 - KT는평창올림픽시범서비스제공을위해 15. 9월 평창 5G-SIG (5G 규격협의체 ) 를출범하였으며, 월 KT 5G 공통규격을공개하고필드테스트를마침 월까지평창올림픽경기장을중심으로시범망구축을완료하고 18. 2월평창올림픽기간동안시범서비스를제공할예정 일본 - NTT DoCoMo 는 20년상용화를위해 16. 3월부터 5G 기초기술을검토하고있으며, 17. 5월부터철도, 방송, 자동차등다양한분야의파트너들과협력하여 5G 이동통신을위한시범사업을실시 중국 - China Mobile 은 20년상용화를목표로 17년 5G 기술테스트를실시하고 20년까지약 1만개의기지국을구축하는계획발표 ( 월 ) 12

15 4. 정책적시사점 4. 정책적시사점 전세계적으로현재 5G 네트워크조기구축과기술선점을위한주파수표준화및기술개발경쟁이치열하게전개되고있으며, 향후 5G 상용화이후에는이를기반으로하는 4차산업혁명생태계 (ecosystem) 선점및활성화를위한경쟁이본격화될것으로예상 - 5G 기술선도, 네트워크구축및운용의효율성, 생태계조성및확산을위한각단계별로국가차원의정책방향정립이필요 5G 선도를위한기술개발및주파수국제적리더십확보 - 우리나라는 18년평창올림픽 5G 시범서비스를통해망구축및서비스제공의노하우를습득하고, 국제표준이결정되면주파수할당을통해세계최초 5G 상용화를목표로하고있음 월정부는 K-ICT 스펙트럼플랜 을통해선제적인주파수확보를위한계획을수립한바있으며, 향후국내외동향및조기상용화를고려하여적정시점에적절한대역폭을공급할필요 - 5G 기술개발에있어서네트워크장비, 단말, 기지국등관련산업으로의파급효과를극대화하면서글로벌시장을선도할수있는방안필요 5G 네트워크구축효율성제고및운용안정성확보 - 5G 네트워크는 4차산업혁명시대의핵심인프라의역할을담당할것으로예상되므로, 망구축및운용방안에대한고민이필요 - 기존이동통신망과같이민간영역의구축을통한건전한설비기반경쟁이촉진되도록유도함과동시에, 비효율적네트워크구축및소비자이익저해가발생하지않도록하는정부의정책적역할이필요 5G 기반생태계조성및활성화 - 기존이동통신기반의서비스뿐만아니라제조업, 서비스업등 4차산업혁명을통해他산업이 5G 인프라를활용한융합서비스를제공하고자 13 13

16 [4 차산업혁명기획시리즈 ] 4 차산업혁명시대의핵심인프라, 5G 하는경우, 네트워크자원에대한중립성이슈가제기될가능성존재 - 시장원리를통해거래관계가정립될가능성도있으나, 네트워크, 플랫폼, 콘텐츠및타산업등특정분야에서의시장지배력이생태계전반으로확산되어생태계활성화를저해할우려도존재 - 따라서, 4차산업혁명시대에부합한종합적인규제체계의프레임워크를검토하고정립하는것이매우중요할것으로판단 5G 융합시대의기존서비스및네트워크 ( 주파수 ) 와의연계성 - 5G가 4차산업혁명시대의융합네트워크로서모든서비스를제공하는핵심으로작용한다면기존기술과네트워크를활용하는기존서비스와의관계정립이이슈로대두될것으로예상 - 기존네트워크에서제공되어왔던별도의서비스가차세대네트워크에서는콘텐츠제공서비스로기술적인대체가가능할수있음 방송서비스는현재지상파주파수를통해전송되는지상파방송, 전용 IP 네트워크에서제공되는 IPTV 서비스, best-effort 인터넷망기반의 OTT(over-the-top) 서비스등다양한기술방식의경쟁및규제이슈가제기되고있음 - 단기적으로는기존서비스와신규서비스간에동등한경쟁이가능하도록규제틀을마련하는것이필요하며, 중장기적으로는신규융합서비스로의전환여부및연착륙방안등에대한정책방향을마련해야함 - 한편, 기존네트워크의축소및폐지등이발생할경우를대비하여주파수및네트워크자원을보다효율적으로활용하기위한방안을동시에모색할필요존재 14

17 참고문헌 참고문헌 [ 국내문헌 ] 김득원 (2016), 이동통신서비스및주파수전망, K-ICT 스펙트럼플랜수립을위한토론회발표자료, 대한전자공학회 (2016), 차세대이동통신의핵심기술 워크샵자료집, 미래창조과학부 (2014), 미래이동통신산업발전전략, 제3차경제관계장관회의, 미래창조과학부 (2015), 2015 년제1차 5G 전략추진위원회개최, 보도자료, 미래창조과학부 (2016), 5G 이동통신산업발전전략, 제8차정보통신전략위원회, 미래창조과학부 (2017), K-ICT 스펙트럼플랜, 박병성 (2016), 이동통신주파수활용기술 Ericsson-LG 세미나발표자료, 한국전파진흥협회 (2016), 5G 스펙트럼이용전망 세미나자료집, 홍승은 (2016), 5G 이동통신최신동향. 제3차방송통신전파산업활성화포럼 ETRI 발표자료, KT (2017), 5G 개요및 KT 추진현황, 세미나발표자료. [ 해외문헌 ] European Commission (2013). EU industrial leadership gets boots through eight new research partnerships. Press Release, European Commission (2016). 5G for Europe: An Action Plan Federal Communications Commission (2016). Use of Spectrum Bands Above 24GHz For Mobile Radio Services, Report and Order and Further Notice of Proposed Rulemaking, FCC 16-89,

18 [4 차산업혁명기획시리즈 ] 4 차산업혁명시대의핵심인프라, 5G International Telecommunication Union (2015). Recommendation ITU-R M , IMT Vision Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond. Ofcom (2017). Update on 5G spectrum in the UK [ 웹페이지 ]

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