밀리미터파(Millimeter-wave)가 점점 더 저렴해지고 배치하기에 쉬워지고 있다. 이로 인해 백홀, PANs(personal area networks), 랜, 모바일 기기 등을 위한 무선 연결 기술 후보로 부상하고 있다.
전자기파는 무선이 작동하는 고속도로와 같은 역할을 한다. 여러 개의 차선을 통해 각기 다른 트래픽을 각자의 속도로 운반할 수 있기 때문이다. 고주파(즉, 더 짧은 파장)는 시간 단위당 더 많은 정보를 옮길 수 있다.
밀리미터(Milimeter), 또는 극고주파 (EHF, Extremely High Frequency) 파장은 전자파 스펙트럼에서 30GHz에서 300GHz사이라는, 상대적으로 사용이 드문 부분을 이용한다. 이 범주는 6GHz 이하에 포진한 와이파이 밴드보다 더 높은 처리량과 전반적 용적을 제공한다.
지금까지 밀리미터파 기술은 비싸고, 배치하기 어렵다는 인식이 있었다. 때문에 전파 천문학, 마이크로파 원격 감지, 지상 고정 커뮤니케이션과 같이 틈새 시장들로 그 응용 분야가 제한됐었다.
하지만 최근 들어 밀리미터파 기술이 이 2가지 장애물을 극복하게 되면서 이에 대한 관심이 상당히 높아졌다. 밀리미터파는 기업이 직면한 현재의 네트워크 용량 문제를 해결해 줄, 비용 효율적인 옵션으로 진화했다. 많은 이들이 밀리미터파 기술의 가격이 계속해서 하락하고, 성능은 계속 개선될 것으로 예상하고 있다. 이러한 추세가 계속 된다면 밀리미터파 솔루션은 전 세계 기업들이 가장 먼저 찾는 최우선 옵션이 될 가능성도 배제할 수 없다. 이 기술의 발전이 영향을 미칠 여러 실외 및 실내 활용 방안을 정리했다.
고정 와이어리스(Fixed Wireless)
기존의 고정 지점 간(P2P) 및 멀티 포인트(P2MP) 마이크로파 통신은 밀리미터파 솔루션에 적합하다. 밀리미터파 솔루션은 MS기반 솔루션에 비해 부가적인 복잡성을 거의 야기하지 않으며, 필요한 경우 라이선싱을 장비 공급업체나 설치 및 판매 협력업체에서 처리하게 된다. 밀리미터파 애플리케이션에 사용되는 파라볼라 안테나는 이미 캠퍼스 및 대도시의 건물 연결 다리, 백홀 등에서 볼 수 있으며, 원격 측정이나 감시 같은 애드 혹(ad-hoc) 애플리케이션과 ISP 링크를 상호 연결한다.
와이어리스 PAN(Wireless PAN)과 랜(LAN)
IEEE 무선 개인 지역 네트워크 표준인 802.1115.3c와 802.11ad Wi-Fi 표준, 그리고 곧 등장할 802.11ay 표준은 모두 60GHz대역을 이용한다. 밀리미터파 신호의 목표 침투나 범위 및 방향성이 무척 제한적임을 감안할 때, 응용처는 가시성이 확보되는 근거리 및 오픈-오피스 환경으로만 제한될 수 밖에 없다. 그럼에도 불구하고 곧 802.11d를 사용하는 일반 액세스 애플리케이션이 보편화될 전망이다. 칩셋은 이미 시장에 출시되고 있는 중이다.
또한 이러한 기술을 기반으로 한 다양한 야외 및 캠퍼스 솔루션의 등장도 기대된다. 기존의 많은 마이크로파 및 밀리미터파 솔루션들은 시간이 지남에 따라 훨씬 저렴한 .11ad 기반의 P2P, P2MP, 그리고 메쉬 솔루션으로 진화해 나갈 것이며 이는 훨씬 더 광범위한 전개 기회를 제공할 것이다.
이와 비슷하게, 밀리미터파 기술 요소들이 각종 IoT 솔루션에도 도입될 것으로 예상된다. 대부분의 IoT 솔루션들이 무리를 이를 것이라는 점에서 단거리 및 메시 방식을 따를 수 밖에 없기 때문이다.
수 기가바이트의 처리량이 가능함에도 불구하고, 802.11d는 실제 세계에서 아직까지 이렇다 할 활용이 없었다. 아마도 WLAN 용적에 대한 수요 증가를 802.11c 만으로 성공적으로 해소할 수 있었기 때문일 것이다. 또 60-GHz 대역의 동작이나 유용성에 대한 의구심이 존재하는 것도 사실이다. 이는 마치 1999년 802.11a가 처음 도입되었을 때 5-GHz 대역에 대해 사람들이 가졌던 의심과도 비슷하다.
그러나 사용자들이 충분히 새로운 기술을 경험해 볼 시간을 갖고, 802.11d의 뛰어난 가격대 성능비가 주는 매력을 이해하게 된다면 향후 몇 년 내에 상황이 달라질 것이라고 예상할 수 있다.
5G 백홀(Backhaul)
넓은 의미에서 5G는 다른 모든 무선 WAN을 대체할 목적의 기술이며, 경제적으로 실현만 가능하다면 유선 광대역 서비스까지 대체할 수 있는 계획이다. 때문에 새로운 백홀 용적을 필요로 할 것이다.
5G는 보다 조밀한 기지국 배치를 위해 ‘스몰 셀(small cells)’ 모델을 적용하는 경우가 많기 때문에, 범위 제한이나 라이선싱 되지 않은 대역 특성이라는 점에서 밀리미터파 백홀이 적합하다. 백홀 용량을 더욱 빠르고 비용 효율적으로 전개 할 수 있게 해주는 좁은 빔과 지향성 안테나, 그리고 메쉬 기술의 응용가능성 덕분이다.
5G 액세스
그러나 5G 모바일 가입자 접속에 밀리미터파를 응용하는 것은 보다 논란의 여지가 있을 수 있다. 일부 실험 결과에 따르면 기지국이 밀집된 지역이나, 빔 조종이 가능한 지역에서는 이러한 옵션이 분명 유용할 수도 있지만 과연 산업 전체 차원에서 밀리미터파 모바일 액세스의 도입이 이루어질 것인지, 적절한 장비를 갖춘 등록자 장치가 필요할 것인지는 불분명하다. 실제로 아직 시장에서도 찾아볼 수 없다.
차량 애플리케이션
밀리미터파 레이더는 이미 일부 자동차 애플리케이션에서 사용되고 있다. 이들 주파수에서의 모바일 연결이 미래 네트워크 기반 차량을 위한 차량 간 연결에 도움이 될 지도 모른다.
밀리미터파는 또 데스크톱 포인팅-디바이스 구현을 위한 단거리 애플리케이션 및 보다 규모가 큰 상황에서 사용되는 실외 위치 추적 애플리케이션에서도 유용하게 사용될 수 있는 기술이다. 한편 비압축 HDMI 비디오 역시 주요 애플리케이션으로 자주 언급되곤 했다. 그러나 오늘날 이미 존재하는 고성능 저비용 비디오 압축 표준, 알고리즘 등을 감안하면 밀리미터파 고유의 장점이 희석되는 측면이 있다.
마지막으로, 밀리미터파를 사용하는 장비 내, 그리고 장비간 통신에 대한 연구도 이루어지고 있다. 다소 낯설다고 느껴질 수 있는 시도이지만, 그러한 장비간 연결은 와이어 방식과 비교해 별다른 성능 저하 없이도 비용을 훨씬 절감시켜 준다는 장점이 있다. 서킷 보드에서의 칩-투-칩(chip-to-chip) 연결도 제안된 바 있다.
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.dl-ciokorea@foundryco.com
