운전 중 눈에 보이지 않는 위험을 미리 알려주는 안전 솔루션(Safety Solution), 좌석에 앉아 스크린으로 이동 중에 즐기는 콘서트 영상. 이처럼 차 안에서 다양한 경험을 하기 위해서는 빠르게 데이터를 송수신하는 차량용 통신 장비(Telematics Control Unit, TCU)가 필요하다.

TCU의 발전으로 자동차에서 할 수 있는 것들이 점점 더 늘어나는 만큼, 더욱 빠른 속도와 더 많은 데이터를 주고받을 수 있는 통신 기술의 중요성 역시 높아졌다. 2019년 세계 최초로 5G 통신 기술을 활용한 TCU를 선보인 삼성전자는 이제 5G mmWave^[1]에 주목하고 있다. 도로 위 수많은 정보들을 실시간으로 운전자에게 제공하고, 커넥티드 카 서비스를 구현하기 위해서는 대용량 데이터를 빠른 속도로 전송할 수 있는 5G mmWave 주파수 대역이 필요하기 때문.

5G mmWave 안테나와 시스템을 하나의 TCU 모듈로 통합한 ‘차량용 mmWave 5G TCU’로 또 한 번 혁신을 선보인 삼성전자의 노력을 소개한다.

‘초고속·초저지연·초연결성’, 커넥티드 카에서 5G mmWave가 필요한 이유

5G TCU는 차량 외부의 정보들을 운전자에게 제공하고, 빠른 인터넷으로 고화질의 영상을 감상할 수 있는 경험을 제공한다. 삼성전자는 5G TCU를 한 단계 업그레이드하면서, 주변 차량과 보행자, 인프라 사이의 신속한 통신을 위해 데이터 전송이 지연되는 시간을 최소한으로 줄이고, 대규모 차량을 한꺼번에 수용하기 위해서는 5G mmWave가 필요하다는 판단을 내렸다.

5G mmWave는 현재 대부분 무선 통신에서 사용하는 6GHz 이하 Sub-6 대역의 5~100MHz 보다 10배 이상 넓은 100MHz~1GHz 대역폭을 제공한다. 삼성전자는 2009년 초고주파수 대역에서 데이터 전송에 성공한 후 10년이 넘는 기간 동안 mmWave 5G 통신을 실제 상용 환경에서 구현할 수 있도록 연구개발에 매진해왔다. 이러한 노력이 뒷받침되어 차량용 mmWave 5G TCU 또한 선보일 수 있었던 것.

mmWave의 넓은 대역폭 덕분에 대용량 데이터를 더욱 빠르게 전송할 수 있어, 사용자는 필요로 하는 실시간 도로 상황과 차량 간의 통신 서비스를 원활하게 누릴 수 있다. 하지만 기존 무선 통신 주파수 대역보다 전파의 직진성이 강해 장애물의 회피나 투과가 어려운 만큼, 안정적인 통신을 위해서는 기존의 안테나 배치와 TCU 설계 기술에 변화가 필요했다.

mmWave와 빔포밍 기술이 만나 완성된 대용량 데이터 전송

5G mmWave를 효율적으로 송수신하고 사용하기 위해 삼성전자는 배열 안테나 빔포밍(Array Antenna Beamforming) 기술을 활용했다. 빔포밍은 안테나의 빔을 원하는 특정 방향으로 집중해서 강하게 전송하는 기술이다. 이를 활용해 원치 않는 간섭은 줄이면서 커버리지를 늘릴 수 있다. 전송 속도는 더 빨라지고, 연결 또한 보다 안정화된 것. 덕분에 차량 이동 중에도 초고속 데이터 송수신이 가능하다. 이를 위해 삼성전자는 많은 시행착오와 다양한 테스트를 거치며 회로를 설계, mmWave 5G TCU를 구현했다.

▲ 삼성전자가 개발한 차량용 mmWave 5G TCU

▲ 배열 안테나 빔포밍(Array Antenna Beamforming)

삼성전자 mmWave 기지국인 Compact Macro는 1,024개의 안테나 소자를 내장해 예리하고 정밀한 빔포밍을 지원한다. 이를 활용하면 시속 200km 이상으로 이동 중인 차량과도 끊김 없이 안정적으로 통신할 수 있다.

실제 자동차를 활용한 필드 테스트로 빔포밍 성능을 최적화하는 데에도 힘썼다. 이 외에도, 극한 지역에서도 견딜 수 있도록 소모 전류와 발열 테스트를 통해 최적의 방열구조를 설계·적용했다. 삼성전자는 여기에 그치지 않고, 무수한 돌발 상황에 대비하기 위해 다양한 유저 시나리오 발굴을 위해 노력 중이다.

자율주행, 위험 알림, VR 이벤트… mmWave 5G TCU가 여는 새로운 경험

5G mmWave 배열 안테나의 빔포밍 기술이 더해지며, 보다 더 다양한 커넥티드 카 경험이 가능해졌다. 차량용 mmWave 5G TCU가 상용화된다면, 빠르고 안정적인 통신으로 차량 내 서비스의 질이 한층 올라갈 것이기 때문. 또한 V2X(Vehicle to Everything, 차량·사물 간 통신) 서비스의 강화로 사용자는 안전한 주행뿐만 아니라 이동 중 즐기는 다양한 콘텐츠까지 끊김 없이 누릴 수 있게 된다.

mmWave 5G TCU를 통해 발전이 기대되는 기능 중 하나는 완전한 자율주행이다. 데이터 전송에 지연이 없는 실시간 통신으로 도로의 상태를 미리 파악하고 돌발 상황에도 늦지 않게 대응할 수 있기 때문. 더 나아가 한 명의 운전자가 여러 차량을 이끄는 군집 주행이나 원격으로 무인 자율 주행차를 움직이는 리모트 컨트롤 주행도 가능해질 예정이다. 또한, 운전자가 직접 주행하는 경우에는 신속한 위험 알림 서비스나, 지연 없이 전송되는 고화질의 도로 영상을 통해 보다 안전한 주행이 가능해질 것이다.

탑승자로서 누릴 수 있는 엔터테인먼트 경험도 더욱 풍부해질 것으로 보인다. mmWave를 활용해 버스나 택시 전 좌석에서 동시에 각자가 원하는 UHD 8K 해상도의 영상을 스트리밍 하는 것은 물론, 가상현실(Virtual Reality, VR), 증강현실(Augmented Reality, AR) 등으로 진행되는 콘서트, 이벤트, 게임 등 다양한 서비스도 가능하기 때문. mmWave 5G TCU 기술이 가져올 이동 경험의 혁신을 기대해본다.

2016년 4월 삼성전자가 부산에서 개최한 세계이동통신표준화기구(3GPP) 워킹그룹 회의는 글로벌80여개 통신기업들과 공식적인 5세대(5G) 이동통신 표준화를 처음 시작하는 자리였다. 그로부터 2년 남짓 지난 2018년 5월, 삼성전자는 다시 5G 상용화를 위한 표준을 완성하는 3GPP 회의를 부산에서 개최했다. 5G 개척자로서 기술 개발과 함께 시작부터 끝까지 표준화를 주도해온 회사의 행보를 단적으로 보여준다.

3GPP는 이번 부산회의 결과를 토대로 다음달 미국에서 개최하는 총회에서 5G 1차 표준을 최종 공표한다. 2016년 4월 시작한 5G 표준화 여정이 27개월만에 마무리되는 것. 5G 상용화를 앞당기기 위해 최일선에서 뛰어왔던 삼성전자 엔지니어들의 대응은 5G 표준화를 4세대(4G) 롱텀에볼루션(LTE) 때보다 21개월이나 앞당기는 결과를 가져왔다. 이로 말미암아 글로벌 소비자들은 빠르면 올해부터 기존보다 20배 이상 빠른 5G 통신망을 바탕으로 UHD 콘텐트, 인공지능(AI), 자율주행, 사물인터넷(IoT) 등 차세대 서비스를 만끽할 수 있게 된 것.

삼성리서치 표준리서치팀 김윤선씨(3GPP RAN1 워킹그룹 부의장)는 “삼성전자는 다른 회사보다 3년 이상 앞서 초고주파 연구에 뛰어들었고, 표준논의가 시작될 무렵 이미 관련 기술들을 개발한 상태였다”라며 “5G 상용화를 위한 표준화를 앞당기고 싶다는 열망이 다른 어떤 회사들보다 강했다”고 배경을 설명했다.

▲ 4G LTE와 5G 표준화 일정 비교

“2017 vs 2020”, 표준화 시기 놓고 팽팽한 줄다리기

2015년 스위스에서 열린 세계주파수컨퍼런스(WRC)에서 6GHz 이상 초고주파를 5G 후보대역으로 승인(‘5G 표준 선구자’ (상)편 참고)하는 등 관심이 고조되면서, 당시 5G 표준화를 앞당기려는 이들과 늦추려는 이들 간 팽팽한 대결이 벌어지고 있었다.

초고주파 활용에 필요한 빔포밍(Beam-Forming), 멀티안테나(MIMO) 등 기술을 선점한 삼성은 5G 1차 표준화 완료 시점을 2017년으로 잡고 공세에 나섰다. 그러나 4G 대중화에 매진하면서 5G 연구개발(R&D) 출발이 늦었던 기업들에 이는 어불성설로 받아들여졌다. 이들이 맞불을 놓은 표준화 완료 시점은 2020년. 이렇게 되면 5G 상용화는 2021년 이후로 늦춰지는 셈이었다.

삼성전자는 3GPP에 참여하는 주요 회사들과 함께 서둘러 5G 워크숍을 추진했고, 2015년 9월 미국 피닉스에 150여개사, 550여명이 모였다. 회사는 이 자리에서 5G 핵심 기술들을 제안했고, 초고주파 대역을 포함해 1차 표준화 시점은 2018년으로 늦춰 제안하는 유화책을 폈다. 이에 5G 조기 상용화에 관심을 두던 한·미·일 진영이 흥미를 보이기 시작하면서, ‘2020년 표준화’ 주장은 힘을 잃게 된다. 2016년 4월 삼성이 주최한 3GPP 첫 5G 표준화 회의에서 타협점인 2018년을 목표로 표준화의 닻이 오르게 된 것이다.

▲ 2015년 9월 미국 피닉스에서 열린 3GPP 5G 워크숍

미국 FCC 등 활발히 접촉, ‘초고주파 의구심→신뢰‘ 탈바꿈

삼성전자는 초창기부터 각국 정부 규제기관과 국제기구에 5G 초고주파 기술을 소개하는 데에도 열성적이었다. 신기술에 대화 채널을 열어두고 있는 미국 규제기관 연방통신위원회(FCC)에는 이미 2012년부터 문을 두드렸다. 마침 6GHz 이하 저주파 대역의 포화로 초고주파 활용에 관심이 높던 FCC는 삼성전자가 최초 발굴한 28GHz 초고주파 대역 관련 논의에 적극 화답했다.

FCC는 3GPP 첫 표준화 회의가 열린지 불과 3개월 뒤인 2016년 7월 28GHz를 포함한 초고주파 대역을 5G용으로 할당하기에 이른다. 미국은 주파수를 받은 현지 통신기업들의 치열한 5G 주도권 경쟁으로, 올해 하반기 5G 상용화를 눈앞에 두고 있다. 이러한 움직임이 5G 표준화의 ‘기폭제’ 역할을 했음은 두 말할 나위가 없다.

삼성리서치 표준리서치팀 권혁춘씨는 “2013년 삼성전자가 처음 국제사회에 5G 표준화 얘기를 꺼냈을 때 되돌아온 것은 무시 내지는 불신이었다”라며 “단지 기술개발에 그치지 않고 국제기구와 각국 정부의 문을 끊임없이 두드린 것이 삼성과 5G 기술에 대한 신뢰, 표준화 논의의 급진전으로 이어진 것”이라고 설명했다.

삼성전자는 2015년부터 전자기술 관련 세계 3대 표준화 단체(ITU, IEC, ISO) 중 하나인 국제전기기술위원회(IEC)에도 5G 관련 기술을 적극 제안했고, IEC는 2017년 11월 5G 초고주파 제품의 전자파 평가에 대한 백서를 발간했다. 이 백서에 기반해 빠르면 내년 5G 제품의 전자파가 인체에 미치는 영향 평가에 대한 국제 표준 규격을 완성할 예정이다.

▲ 삼성전자가 2월 스페인 바르셀로나에서 열린 MWC 2018에서 5G 장비들을 소개하고 있다

3GPP 의장단 5명-세계 최다 5G 특허…표준리더십 입증

5G 표준화를 주도하는 국제단체 3GPP는 3개 기술규격그룹(TSG) 산하 16개 워킹그룹으로 구성돼있다. 삼성전자는 서비스·시스템 TSG 의장, 5G 핵심인 주파수·성능 담당 워킹그룹(RAN4) 의장 등 의장단 4석에 이어, 올해 안전망 응용 분과 워킹그룹(SA6) 의장에 추가 선임돼 5석의 의장단을 확보하는 등 5G 기술 연구와 표준화 리더십을 인정받고 있다.

삼성전자는 표준화와 함께 혁신기술을 보호하기 위한 특허권 확보에도 매진해왔다. 2016년 대만특허청에 따르면 삼성전자는 4G LTE와 LTE 어드밴스트(LTE-A) 필수표준특허(7500여건)의 12.7%를 보유, 전체 66개 기업 가운데 1위를 차지했다. 회사는 이러한 역량을 5G 기술 개발과 표준필수특허 확보로 이어가고 있다. 유럽통신표준화기구(ETSI)는 기업들이 5G 표준과 관련한 필수특허를 등재토록 하고 있는데, 삼성전자는 5월 현재 최다인 1,254건으로 5G 기술과 표준화에서 리더십을 입증하고 있다.

삼성리서치 표준리서치팀 이주호 마스터는 “2009년 5G 초고주파 연구를 시작한 이후 엔지니어들의 노력과 헌신으로 10년만에 5G 국제 표준 완성이라는 결실을 맺게 됐다”며 “최상의 기술로 사람들의 삶을 더욱 풍요롭게 만들고자 하는 삼성의 노력은 5G 상용화 이후까지 계속 이어질 것”이라고 밝혔다.

2018년 5월 21일 부산에서 시작한 세계이동통신표준화기구(3GPP)의 5G 이동통신 컨퍼런스. 5G 상용화에 필요한 모든 표준기술을 확정 짓는 자리다. 5G에 쓰이는 초고주파(mmWave)에 대한 연구는 이로부터 10년 전으로 거슬러 올라간다. 2009년 삼성리서치(옛 DMC연구소)에선 당시 통신업계에서 거의 관심을 두지 않던 6GHz 이상 초고주파에 대한 연구가 태동하고 있었다.

▲2009년 당시 삼성전자의 미국 댈러스 연구소 전경

삼성리서치 표준리서치팀 최성호 팀장(상무)은 “모두가 4세대(4G) 롱텀에볼루션(LTE) 사업으로 전환을 준비하는 시점이었기에 미래 기술에 대한 불확실성이 컸다”면서 “삼성전자는 통신의 미개척 지대인 초고주파의 강점을 활용할 날이 올 것이란 믿음을 가지고 다른 기업들보다 한발 앞서 관련 연구와 기술 개발에 나섰다”고 당시를 떠올렸다.

미 연구소 제안→전담팀 구성…초고주파 연구 ‘박차’

2009년 미국 댈러스 연구소는 차세대 통신기술을 선점하기 위한 심도 있는 검토에 나섰다. 그 결과 빔포밍(Beam-Forming)이란 첨단기술을 접목해 초고속, 대용량 전송기술의 난제를 해결할 수 있는 방안으로, 초고주파 기술에 대한 제안을 삼성리서치에 전달했다. 당시 해당 보고서는 300여 페이지에 달할 정도로 깊이 있는 연구 내용을 담고 있었다. 

그 무렵 초고주파는 통신 관련 논문과 전문서적에서조차 손실이 심해 이동통신 적용이 불가능하다는 인식이 지배적이었다. 반면 삼성전자는 미래에 대한 준비 차원에서 이를 아랑곳 않고, 2011년부터 독립 프로젝트로 초고주파에 대한 본사 차원의 연구에 착수했다. 삼성리서치는 이듬해 ‘차세대통신랩’을 만들고 초고주파와 5G 기술 개발을 본격화하기 시작했다.

2013년 ‘삼성전자가 세계 최초로 초고주파를 활용한 1Gpbs 속도의 5G 통신 시연에 성공했다’는 ‘깜짝 뉴스’가 매체들의 지면을 장식했다. 4G LTE 기술이 한창 대중화되던 당시에, 이미 한발 앞서 4년여의 연구 활동을 쌓아왔기에 가능한 일이었다.

▲삼성전자는 2013년 세계 최초로 초고주파를 활용한 1Gbps 속도의 5G 통신 시연에 성공했다

5G를 위한 최적 주파수, 28GHz의 발견

초고주파에 대한 연구는 국제사회에 5G용으로 어떤 주파수 대역을 제안할 것인지 결정하는 문제로 귀결됐다. 국가 재산인 주파수는 이미 각국에서 0~300GHz까지 통신, 방송, 과학, 군사 등 용도로 할당이 돼 있던 상태. 되도록 많은 국가가 5G용으로 동일 주파수 대역을 사용(용도 변경)해, 표준화와 상용화를 앞당기도록 하는 게 중요한 숙제였다.

삼성리서치 표준리서치팀 송주연 씨는 “초고주파 연구 초기에 세계 각국의 ‘주파수 지도’를 모두 조사했다”며 “통신 선도국가들에서 활용 가능성이 높으면서 채널 특성이 적합한 대역의 주파수가 28GHz라는 결론에 도달했다”고 당시 상황을 전했다.

‘15년 국제회의서 5G 후보 대역으로 초고주파 승인…표준화 ‘급물살’

삼성전자는 가장 앞서 28GHz라는 최적 후보를 찾아 관련 기술 개발에 매진했지만, 표준화 앞에는 다른 난관이 도사리고 있었다. 이미 28GHz를 통신이 아닌 다른 핵심산업 용도로 할당한 국가들, 4G 대중화 시점에 5G 상용화를 서두를 필요가 없다는 주요 기업들을 설득하는 작업이었다.

삼성리서치 표준리서치팀 최형진 씨는 “6GHz 이하 저주파 대역이 포화상태에 이르러 추가 주파수가 필요한 국가들을 대상으로 초고주파를 활용한 5G를 지속적으로 설득했다”며 “또한 한국, 미국, 일본 등 초고주파 활용과 5G 상용화에 관심이 높았던 국가, 통신기업들을 상대로 28GHz의 매력과 관련 기술을 적극 소개한 것이 지금의 표준화 완성에 중요한 밑바탕이 됐다”고 밝혔다.

2015년 스위스에서 열린 세계주파수컨퍼런스(WRC)는 국제연합(UN) 산하 정보통신기술연합(ITU)이 주관하는 자리였다. 한국 정부는 삼성전자 기술을 토대로 초고주파 활용방안을 제안했다.

당시 초고주파 대역을 통신 외 다른 서비스로 활용하려는 국가들과 대립이 팽팽하게 전개됐다. 4주 동안 계속된 ‘마라톤 회의’ 끝에 무게 중심이 기울었고 마침내 초고주파를 5G 후보대역으로 승인, 관련 표준화 작업이 급물살을 타게 됐다.

WRC 2015 회의 이후 5G 기술 표준화 과정은 다시금 초고주파 기술의 선도자로 표준을 앞당기려는 삼성전자와 이에 반대하는 진영의 보이지 않는 충돌로 이어진다. 2016년부터 28GHz[1] 초고주파 대역을 포함한 5G 표준화가 완성되기까지 27개월의 숨가쁜 여정은 다음 <5G 표준 선구자> 시리즈 (하)편 기사에서 살펴볼 수 있다.

▲2015년 WRC에서 초고주파를 5G에 활용하는 의제를 제안했던 한국대표단 모습

[5G 표준 선구자] (하) ‘48개월→27개월’…숨가빴던 표준화 여정  기사 보러 가기

[1] 3GPP가 표준화하는 5G 주파수 후보 대역은 600MHz 저주파부터 40GHz 초고주파 대역까지 30여 개에 이른다. 이 중 28GHz는 5G 특성을 구현하면서 5G 주요 선도국가들이 우선 상용화에 활용할 예정으로, 초고주파 대표 대역으로 꼽힌다