[데이터넷] 5G로 구현되는 커넥티드 세상에 대한 기대감이 크다. 물론 5G 네트워크 구축 및 애플리케이션 구현을 저해하는 걸림돌 해소와 5G 네트워크의 잠재력을 극대화할 지능형 시스템이 필요하다. 특히 5G 인프라 요건과 산업 사양이 계속 진화하고, 유연한 표준 기반의 솔루션 요구가 높아짐에 따라 앞으로 5G 네트워크는 보다 확장 가능하고, 지능적인 적응형 시스템으로 구현돼야 할 전망이다. 

◆ 하핀더 마타루(Harpinder Matharu)
자일링스 유무선그룹 기술 마케팅 수석 디렉터

5G 상용화가 계속 진행되면서 갈수록 증가하는 커넥티드 세상에 5G가 어떤 변화를 가져오게 될지 기대가 모아지고 있다. 실제로 향후 10년간 5G 기술이 보다 광범위하게 구축됨에 따라 소비자와 비즈니스, 경제적 측면 모두에서 5G 기능으로 인한 변화가 예상되고 있다.
그러나 5G의 혁신적인 잠재력에도 불구하고 5G 네트워크 구축 및 애플리케이션 구현을 저해할 수 있는 걸림돌이 있다. 성능, 전력, 커버리지 및 비용 등 제기되고 있는 여러 과제들의 해결이 필요한 상황이다.

당면 과제 해결 시급
전 세계적으로 구축되고 있는 빔포밍 기반 5G NR(New Radio)의 대부분을 차지하는 중간 대역 서브 6GHz 매시브(Massive) MIMO 무선장치(32T32R 및 64T64R)의 성능을 살펴보자. 현장 결과에서 성능은 기대에 미치지 못했지만 특히 다운링크 처리량의 경우 개선 가능성이 있는 것으로 나타났다.

전력 및 커버리지, 비용 또한 해결해야 할 문제로 지적됐다. 이와 더불어 업링크 성능의 경우, 셀 엣지에 위치하는 가입자 단말기(UE)에서는 열악한 것으로 나타났다.

통신사업자와 시스템 OEM은 5G NR 1단계 구축 과정에서 귀중한 교훈을 얻었으며, 이러한 문제를 극복하기 위해 차세대 5G NR 시스템 설계에 대한 여러 개선 작업들이 진행되고 있다. 스케줄러(MAC 레이어)와 빔포밍(Low PHY) 간의 교차 레이어 공동 최적화를 비롯해 보다 최적화된 빔포밍 관리를 위한 개선된 기능 파티셔닝 및 머신러닝 알고리즘 애플리케이션은 현재 진행되는 연구 및 구현 작업의 주요 영역들이다. 

보다 효율적인 질화갈륨(GaN) 전력 증폭기 채택 및 전력 증폭기 선형화 알고리즘 개선, 그리고 디지털 및 ADC/DAC 기능 통합은 5G NR 매시브 MIMO 안테나 패널의 전력소비를 줄이고, 비용을 낮추기 위해 추진되고 있는 개발 요소들이다.

아직 5G NR의 상용 구축은 초기 단계라는 점을 명심해야 한다. 향상된 모바일 광대역은 모바일 네트워크의 빠르게 증가하는 대역폭 수요를 해결함으로써 새로운 적용사례를 도출할 수 있다. 그러나 혁신적인 서비스 기반의 5G 코어 아키텍처는 현재의 구축환경에 존재하지 않는다.
5G 구축이 비단독 모드(제어 시그널링을 위해 LTE에 고정)에서 단독 모드로 전환되면, 서비스 기반 5G 코어 네트워크의 출현이 가능하게 될 것이다. 5G 코어 네트워크로의 전환은 새로운 애플리케이션과 적용 사례의 등장을 가속화할 것이다.

이러한 진화를 위해서는 지연시간 및 처리량, 안정성 등과 관련한 부가적인 요건들이 5G NR 기지국에 추가돼야 한다. 향후 3~5년 동안 새롭게 대두되는 요건에 적응할 수 있는 5G NR 기지국의 설치 기반을 조성하는 것이 새로운 서비스를 배포하는데 매우 중요하다.

변화하는 통신사업자 요구사항
차세대 5G 장비에 대한 요건은 더 많은 통신사업자들이 구축 계획을 수립하면서 진화하고 있다. 점유 대역폭은 일반적인 시스템 대역폭인 100MHz의 두 배에 해당하는 200MHz에 이른다. 이동통신사업자와 겸용 통신사업자 수도 증가하고 있고, 디지털 프론트 엔드는 서브 6GHz 대역에서 훨씬 더 높은 대역폭을 목표로 하고 있다.

중간 대역이나 C대역을 위한 차세대 5G 시스템의 일반적인 대역폭 요건은 점유 대역폭 200MHz, 순시 대역폭 400MHz다. 이는 여러 사업자의 장비 공유를 가능하게 하는 것은 물론 시스템 SKU를 줄여 여러 국가의 고객 요구사항을 해결하기 위한 것이다. 광대역 무선 통신을 위한 새로운 PA 기술, 특히 GaN PA가 검토되고 있으며, 이는 전력 효율을 5~10% 더 높일 수 있다. 

이러한 시스템의 선형화 또는 DPD(Digital Pre-Distortion)는 훨씬 더 복잡하고, 컴퓨팅 집약적인 작업이다. 또한 이러한 모든 변경 사항을 구현하면서도 전력소비는 스펙트럼의 MHz당 동일하게 유지돼야 한다.

5G 네트워크 잠재력 극대화
서브 6GHz의 중간 대역 빔 기반 5G NR 매시브 MIMO 시스템은 5G 네트워크를 구축하고 있는 통신사업자들에게 필요한 곳에 직접 용량을 확보할 수 있는 독보적인 기능과 함께 훨씬 더 높은 셀 용량을 제공한다.

저대역의 매크로 무선은 커버리지 특성을 높일 수 있다. 적절하게 조정된 고용량 서브 6GHz 매시브 MIMO 시스템과 넓은 지역의 커버리지를 제공하는 저대역 매크로 무선으로 구성된 모바일 네트워크는 규모 및 성능, 비용 효율적인 서비스를 실현하는데 이상적인 조합이다.

네트워크의 잠재력 극대화를 위해서는 인공지능(AI) 및 머신러닝 알고리즘을 탑재한 지능형 5G 베이스밴드 시스템도 필요하다. 이를 통해 완벽하게 조율된 무선 동작과 각 무선 노드마다 성능을 극대화할 수 있으며, 노드의 트래픽 부하를 효율적으로 관리할 수 있다. 또한 고용량이 필요한 지점과 밀리미터파 전파에 적합한 무선 환경에 서브 6GHz 네트워크와 함께 5G 밀리미터파를 구축할 수 있다.

5G 밀리미터파는 세계 일부 지역에서 초기 시험 및 구축 작업이 진행 중이다. 이 기술은 모바일 네트워크 내의 여러 지점에서 최저 비용의 데이터 용량을 제공할 수 있도록 향후 몇 년 내에 개선될 것으로 예상된다. 

중요한 것은 5G 코어 네트워크가 아직 구축되지 않았기 때문에 향후 수년 내에 많은 새로운 서비스와 관련 요구사항이 제기될 것이라는 점이다. 향후 5G 서비스 기반의 매출 흐름을 유지하면서 지출된 투자비용(CAPEX)을 보전하고, 수익을 극대화하기 위해서는 미래의 요구사항을 수용할 수 있는 적응형 무선 및 베이스밴드 시스템을 현장에 배치하는 것이 매우 중요하다.

업계가 차세대 5G 네트워크로 나아감에 따라 소프트웨어 프로그래밍 기능과 실시간 프로세싱, 하드웨어 최적화 및 완벽한 연결 기능과 보안 및 안전 기능을 제공하는 유연한 표준 기반의 솔루션이 요구되고 있다.

이는 무선 시스템 공급업체들이 자사의 솔루션을 신속하게 설계, 혁신, 차별화할 수 있도록 할 뿐 아니라 용이한 현장 업그레이드와 상당한 타임투마켓(TTM) 이점을 제공한다.

적응형 컴퓨팅 필요성
특히 5G 인프라 요건과 산업 사양이 계속 진화함에 따라 적응형 컴퓨팅에 대한 요구가 높아지고 있다. 새로운 차원의 이기종 컴퓨팅 디바이스인 자일링스의 7nm 버설(Versal) 적응형 컴퓨팅 가속화 플랫폼(ACAP: Adaptive Compute Acceleration Platform)은 차세대 5G 장비의 요구사항을 해결할 수 있도록 설계됐다. 이 고집적, 멀티코어, 이기종 컴퓨팅 플랫폼은 5G 시스템에서 네트워크 용량을 높이는데 사용되는 정교한 빔포닝 기법을 비롯해 복잡한 실시간 신호처리를 수행할 수 있다.

5G는 빔포밍이 요구되며, 이는 5G의 짧은 지연시간 요건을 충족하기 위해 상당한 컴퓨팅 밀도와 첨단 고속 연결 기능(온칩 및 오프칩)을 필요로 한다. 이와 함께 서로 다른 시스템 기능 파티셔닝 요건과 알고리즘 구현은 광범위한 프로세싱 성능과 컴퓨팅 정밀도 역시 요구한다.

기존 FPGA를 이용해 열 및 시스템 점유면적에 대한 제약조건을 충족하면서 이러한 요구사항을 최적으로 해결하는 것은 매우 어려운 일이다. 버설 ACAP은 낮은 전력소비로 탁월한 컴퓨팅 밀도를 제공하기 때문에 빔포밍 알고리즘에서 요구하는 실시간, 저지연 신호 처리를 수행할 수 있다. 

버설 AI 코어 시리즈의 일부로 지원되는 AI 엔진은 필요한 연산기능을 구현하는데 이상적이다. 또한 높은 컴퓨팅 밀도와 첨단 연결 기능을 제공하는 것은 물론 구축 후에도 재프로그램 및 재구성이 가능하다.

5G 네트워크 미래
앞으로 5G 네트워크는 보다 확장 가능하고, 지능적인 이기종 시스템으로 구현돼야 한다. 분산형 소형 셀과 수백 개의 안테나가 있는 매시브 MIMO, 클라우드 RAN을 통한 중앙집중식 베이스밴드 프로세싱과 같은 기술들은 커버리지와 데이터 처리량을 크게 증가시킬 것이다.

5G 네트워크는 프로세싱을 위해 백홀 및 옵티컬 프론트홀을 통해 안전하게 연결돼야 하고, 5G가 진정한 잠재력을 발휘할 수 있도록 통신사업자와 무선 인프라 제조업체는 용량과 연결성 및 성능 문제를 해결할 수 있는 기술을 활용해야 한다. 동시에 5G 적용 사례와 애플리케이션을 다각화할 수 있도록 다양한 표준은 물론 다중 대역 및 여러 서브 네트워크를 지원할 수 있는 유연성을 갖춰야 한다.