Verizon이 2019년 4월 5G Ultra Wideband 서비스를 출시했을 때, 이 통신사는 1 Gbps를 초과하는 다운로드 속도와 millimeter wave 주파수로 구동되는 무선 혁명을 약속했습니다. 5년 후, mmWave 5G는 여전히 주로 고밀도 도시 지역과 실내 장소에 국한되어 있으며, 무선 산업에 대한 경고의 사례가 되고 있습니다. 나타난 mmWave 5G problems는 7G 네트워크를 위해 계획된 terahertz (THz) 주파수 개발에 중요한 통찰력을 제공합니다.

millimeter wave coverage를 제한했던 근본적인 물리학은 변하지 않았으며, mmWave 배치에서 얻은 교훈은 업계가 차세대 무선 시스템을 위해 100 GHz에서 3 THz 범위의 더 높은 주파수로 나아갈 때 필수적임이 증명될 것입니다.

mmWave의 약속 대 현실

Millimeter wave 5G는 24 GHz와 100 GHz 사이의 주파수 대역에서 작동하며, 전례 없는 스펙트럼 가용성과 10 Gbps를 초과하는 이론적 최고 속도를 제공합니다. 3GPP는 5G New Radio 배치를 위해 n257 (28 GHz), n258 (26 GHz), n260 (39 GHz), n261 (28 GHz)을 포함한 여러 mmWave 대역을 표준화했습니다.

초기 시연은 인상적이었습니다. Mobile World Congress 2018에서 Qualcomm은 4.2 Gbps 다운로드 속도를 달성하는 mmWave 연결을 선보였습니다. Sacramento에서 Verizon의 초기 5G Home 서비스는 평균 300 Mbps 속도와 1 Gbps에 가까운 최고 속도를 제공했습니다. 그러나 이러한 통제된 시연은 실제 배치를 제한할 근본적인 전파 문제를 가렸습니다.

2023년까지 mmWave 5G 커버리지는 여전히 희박했습니다. Verizon의 Ultra Wideband 네트워크는 약 2억 명을 커버했지만, 실제 mmWave 가용성은 특정 도시 블록, 경기장, 공항으로 제한되었습니다. T-Mobile은 mid-band 스펙트럼을 선호하여 mmWave 확장을 대부분 포기했고, AT&T의 mmWave 설치 범위는 주요 대도시 지역의 비즈니스 구역에 집중되어 있었습니다.

mmWave를 좌절시킨 기술적 한계

핵심적인 mmWave 5G 문제들은 기본적인 전자기 전파 물리학에서 비롯됩니다. 28 GHz에서 자유 공간 경로 손실은 2.4 GHz 셀룰러 주파수와 비교하여 약 20 dB 증가합니다. 이는 신호가 같은 거리에서 100배 더 빠르게 감쇠됨을 의미하며, 셀 커버리지 반경을 극적으로 감소시킵니다.

대기 흡수가 문제를 악화시킵니다. 산소 분자는 60 GHz에서 강하게 흡수하며, 수증기는 22 GHz와 183 GHz 주변에서 흡수 피크를 생성합니다. 비 감쇠는 10 GHz 이상에서 심각해지며, 폭우(25 mm/hr)는 28 GHz 주파수에서 6-8 dB/km의 추가 손실을 야기합니다.

건물 관통은 거의 불가능한 것으로 입증되었습니다. NYU Wireless의 측정에 따르면 28 GHz 신호는 일반적인 건축 자재를 통과할 때 20-40 dB의 관통 손실을 경험합니다. 현대 건축에서 표준인 low-emissivity 코팅이 된 유리창은 mmWave 신호를 30 dB 이상 감쇠시킬 수 있습니다. 심지어 인체도 20-35 dB의 차단을 야기하여, 일반적인 기기 사용 중 빈번한 연결 끊김을 초래합니다.

Beamforming은 mmWave 링크를 가능하게 하지만 새로운 복잡성을 도입했습니다. 충분한 링크 예산을 달성하기 위해 64-256개의 안테나 요소를 가진 Massive MIMO 배열이 필요해졌지만, 모바일 시나리오에서 빔 정렬과 추적이 어려운 것으로 입증되었습니다. 좁은 빔 간의 Handover는 기존 셀룰러 커버리지와 비교하여 사용자 경험을 저하시키는 서비스 중단을 생성했습니다.

인프라 경제학

물리학적 한계는 직접적으로 경제적 도전으로 번역되었습니다. 조밀한 셀 배치가 필수가 되었으며, 일반적인 mmWave 셀 반경은 도시 환경에서 100-300미터로 제한되었습니다. Verizon은 New York City에만 5,000개 이상의 small cell을 배치했으며, 이는 광범위한 fiber backhaul과 사이트 확보 비용을 필요로 했습니다.

복잡한 RF front-end와 고급 안테나 배열로 인해 장비 비용이 높게 유지되었습니다. 초기 mmWave base station은 동등한 sub-6 GHz 장비보다 3-5배 더 비쌌으며, digital beamforming 처리 요구사항으로 인해 전력 소비가 크게 증가했습니다.

성공적인 mmWave 애플리케이션

커버리지 제한에도 불구하고, mmWave는 기술적 특성에 맞는 특정 사용 사례에서 성공을 거두었습니다. Fixed wireless access (FWA)가 가장 실용적인 애플리케이션으로 부상했으며, Verizon의 5G Home 서비스는 2023년까지 200만 명 이상의 고객에게 도달했습니다. FWA의 고정적 특성은 이동성 문제를 해결하는 동시에 최적화된 안테나 배치와 빔 정렬을 가능하게 했습니다.

실내 기업 배포는 창고, 공장, 대형 시설에서 성공적임이 입증되었습니다. Boeing과 같은 회사들은 제조 애플리케이션을 위해 사설 mmWave 네트워크를 구현하여, 실외 전파 문제를 피하면서 높은 대역폭의 이점을 활용했습니다. 스포츠 경기장과 공항은 높은 사용자 밀도가 조밀한 small cell 배포를 정당화하는 쇼케이스 환경이 되었습니다.

Vehicle-to-everything (V2X) 통신은 단거리에서 mmWave의 가능성을 보여주었습니다. 높은 대역폭은 자율주행 차량 간 상세한 센서 데이터 공유를 가능하게 했으며, 제한된 범위는 100-500미터의 일반적인 V2X 통신 거리와 일치했습니다.

THz 7G 개발을 위한 중요한 교훈

mmWave 교훈 THz 주파수가 해결해야 하는 문제들은 terahertz 주파수에서 더욱 두드러지게 나타납니다. 경로 손실은 주파수의 제곱에 비례하여 증가하므로, 300 GHz THz 신호는 동일한 거리에서 28 GHz mmWave보다 20 dB 더 많은 감쇠를 경험하게 됩니다.

대기 흡수는 THz 대역에서 심각해지며, 여러 분자 흡수선이 주파수 의존적 전파 창을 만듭니다. 183 GHz, 325 GHz, 448 GHz에서의 수증기 흡수는 실외 THz 통신에 "금지 구역"을 만들어, 대기 투과 창 주변의 신중한 주파수 계획이 필요합니다.

그러나 THz 주파수는 mmWave가 갖지 못했던 기회를 제공합니다. THz 빔으로 가능한 극도의 지향성은 대규모 기기 밀도를 지원할 수 있는 공간 재사용을 가능하게 합니다. 10 GHz를 초과하는 대역폭이 실현 가능해져, 특정 애플리케이션에서 100+ Gbps 데이터 속도를 잠재적으로 가능하게 합니다.

배치 전략 시사점

THz 7G 네트워크는 처음부터 적절한 사용 사례를 목표로 하여 mmWave 배치 실수로부터 배워야 합니다. 기기 간 통신, augmented reality, 고정밀 센싱과 같은 초단거리 애플리케이션이 전면적 커버리지 시도보다 THz 전파 특성에 더 잘 맞습니다.

하이브리드 네트워크 아키텍처가 필수가 되며, THz는 용량 핫스팟을 제공하고 sub-6 GHz 주파수는 커버리지와 이동성을 유지합니다. intelligent reflecting surfaces (IRS)와 분산 beamforming 같은 고급 기술들이 mmWave에서 극복할 수 없었던 일부 전파 제한을 극복하는 데 도움이 될 수 있습니다.

결론

mmWave 5G 경험은 혁신적인 무선 기술이 기술적 역량을 현실적인 배포 시나리오와 일치시켜야 함을 보여줍니다. millimeter wave coverage는 초기에 약속된 편재성을 달성하지 못했지만, mmWave는 fixed wireless access와 고밀도 실내 환경에서 가치 있는 틈새 시장을 찾았습니다. THz 7G 개발의 핵심 통찰력은 극한 주파수가 애플리케이션 타겟팅에서 극한 정밀도를 요구한다는 것입니다. mmWave의 과도한 약속을 반복하기보다는, THz 네트워크는 고유한 특성이 명확한 장점을 제공하는 특정 사용 사례에 집중하여, 근본적인 물리학적 제한과 싸우기보다는 이를 인정하는 지속 가능한 배포 모델을 구축해야 합니다.