[김문기의 아이씨테크] ④ 4G LTE 속도 점진적 향상…왜?(上)

5G 진위 논란이 뜨겁다. 여기저기 ‘진짜 5G’가 쏟아진다. 하지만 진짜 가짜는 논하기 전에 이를 판단하기 위한 필요충분조건들이 명확치가 않다. 세계 최초 5G 상용화를 달성하기는 했으나 최고 5G에 이르기에는 부족함이 있는 것은 사실이나 그간의 노력이 가짜는 아니다. 왜 이런 5G 진위 논란이 발생하게 됐는지, 지난 4G 상황과 다른지, 향후 5G 진화 발전방향을 시작점부터 알아보고자 한다. [편집자주]

'SK텔레콤 4G LTE 상용화 선포식'에서 1호 고객과 함께한 아이유와 원빈

[아이뉴스24 김문기 기자] 5G 비전에 따른 목표 속도는 20Gbps(ITU, 2015).

현재 우리나라의 5G(3.5GHz) 이론상 다운로드 최대 속도 1.5Gbps.

아직 가야할 길이 먼 5G다. 목표 속도에 도달하기 위해는 많은 노력이 동반돼야 한다. 그렇다면 이전세대인 4G 시절에는 어땠을까.

4G 비전에 따른 목표 속도 1Gbps(ITU, 2008).

우리나라 2011년 7월 LTE 상용화 당시 이론상 다운로드 최대 속도 75Mbps.

상용화 당시만 해도 75Mbps의 속도로 달렸던 LTE는 7년만에 현재에 이르는 1.25Gbps(SK텔레콤 기준)까지 속도를 낼 수 있는 수준으로 성숙했다. 어떤 과정을 거쳐 LTE는 목표 속도인 기가비트를 달성할 수 있었을까. 5G 진화발전 역시 4G와 크게 다르지 않기 때문에 향후 발생한 주요 이벤트들을 4G 사례를 통해 가늠해볼 수 있다.

최대 전송속도는 대체적으로 주파수 대역과 주파수 총량, 변조 기술 및 안테나 기술 발전 등 3가지 요소에 의해 결정된다.

저주파 대역보다 고주파 대역일 때 전송속도 향상에 유리하다. 대역폭이 넓으면 그만큼 속도도 배가된다. 데이터 압축률을 높이거나 한번에 여러 신호를 보낼 수 있는 변복조 기술이나 안테나 수도 영향을 미친다.

◆ 오랜기간동안의 진화 ‘LTE’

롱텀에볼루션(LTE, Long Term Evolution)를 그대로 풀어본다면 오랜 기간동안의 진화라고 해석된다. 3세대통신(3G)에서 4G로 진입하는 기간 또는 WCDMA에서 LTE까지의 진화 과정이 그만큼 오랜 시간이 필요하다는 의미이기도 하다.

앞서 3G 시절에는 미국식인 CDMA와 유럽식 GSM(WCDMA)가 양강구도를 형성했다. 국내서는 SK텔레콤과 KT가 WCDMA 사업권을 따냈으며, LG유플러스는 CDMA 방식으로 속도를 키운바 있다.

이같은 양강 구도는 4G 때도 마찬가지였다. WCDMA와 맥을 함께 하는 LTE뿐만 아니라 인텔을 중심으로 설계된 와이맥스 진영과 한국이 기술포준으로 내세운 와이브로, 이밖에도 울트라모바일브로드밴드(WMB) 등이 경합했다.

이 중 대세로 떠오른 기술은 ‘LTE’였다. 기존 과반을 차지하고 있던 WCDMA의 지배력이 그대로 통용됐다. 당시 네트워크 장비 업체인 노키아 등 유럽기업들이 LTE를 밀었다. UMB라는 독자 규격 개발에 나섰던 퀄컴이 이를 포기하고 LTE 진영에 발을 들이면서 무게추가 크게 기울었다. 와이브로의 경우 삼성전자를 비롯해 국내 기업들이 힘을 모았으나 역부족이었다.

LTE가 첫 상용화된 떄는 2009년 12월 14일 북유럽 이통사 텔리아소네라다. 삼성전자의 통신모뎀과 라우터를 통해 달성된 결과다. 미국 이통사 AT&T와 버라이즌, 일본 NTT 도코모, 유럽 보다폰 등이 LTE 도입을 서둘렀다.

◆ LTE 상용화 당시 최대 속도…75Mbps

우리나라는 2011년 7월 1일 4G LTE를 상용화했다. SK텔레콤과 LG유플러스가 앞서 나갔다. KT는 2G 종료에 발목을 잡혀 2012년 1월 3일이 되서야 LTE 대열에 합류했다.

LTE 상용화 당시에도 5G 때와 마찬가지로 속도 논란이 불거졌다. 2008년 국제전기통신연합(ITU)이 4G 비전 목표로 고정시 1Gbps, 고속 이동시 100Mbps 속도로 데이터를 전송할 수 있다고 명시했기 때문이다.

목표 속도와 달리 상용화 당시 낼 수 있는 다운로드 최대 속도는 75Mbps 수준이었다. 앞서 속도를 좌우하는 3요소 중 주파수 대역과 주파수 총량에 제한이 있어서다.

LG유플러스는 1.8GHz 주파수에서 2G를 유지하면서 800MHz 주파수 20MHz 대역폭에서 LTE를 상용화했다.

LTE는 주파수분할방식(FDD)으로 업링크와 다운링크를 대역으로 구분한다. 마치 2차선 도로의 원리와 같다. 20MHz폭을 반으로 나눠 업링크와 다운링크를 관할한다. 즉, 10MHz폭에서 낼 수 있는 이론상 다운로드 최대 속도가 75Mbps가 되는 셈이다.

SK텔레콤은 800MHz 주파수 30MHz 대역폭에서 2G 서비스를 운영 중이었다. 이중에서 LTE를 위해 10MHz 대역폭을 가져왔다. LG유플러스 대비 가용할 수 있는 대역폭이 적었다. 이를 반으로 나눠 각각 5MHz폭에서 업링크와 다운링크를 구분했기 때문에 타사 대비 속도가 낮을 수밖에 없었다.

게다가 KT는 LTE 상용화가 어려웠다. LTE로 쓸 수 있는 주파수가 없었기 때문. 계획대로라면 1.8GHz 주파수의 2G를 종료하고 LTE로 전환하고자 했으나 이용자가 많아 함부로 정리할 수 있는 상황이 아니었다. 법원에서도 2G 이용자의 손을 들어 주는 등 경쟁사 대비 초기 어려움을 겪었다.

◆ 최초 주파수 경매…주파수 영토를 늘리다

주파수가 늘어나면 속도가 향상된다. 당연히 이통3사는 더 좋은 위치의 주파수를 차지하기 위해 안간힘을 썼다.

당시 정부는 주파수를 할당하는 방식에서 경매로 전환하는 방안을 강구하던 터였다. 2010년 이전부터 당시 방송통신위원회를 주축으로 주파수 경매가 심도 깊게 논의됐다. 그결과 201년 7월 23일 주파수 경매제 도입을 담은 전파법이 개정, 공포됐다. 같은해 11월 15일 방통위는 전파법 시행령 개정안을 의결했고, 2011년 1월 24일부터 본격 시행됐다.

이같은 절차를 밟아 LTE 상용화 직전인 2011년 6월말 주파수 할당공고가 내려졌다. 이통3사 모두 경매 참여 접수를 완료했다. 이에 따라 2011년 8월 17일 한국에서 최초로 주파수 경매가 시작됐다. 경기도 성남시 분당구에 위치한 한국정보통신기술협회(TTA)에서 진행된 주파수 경매는 8월 29일까지 9일간 치열한 경합 끝에 마무리됐다.

당시 주파수 매물은 800MHz 주파수 10MHz폭, 1.8GHz 주파수 20MHz폭, 2.1GHz 주파수 20MHz폭 등 3개로 각각 최저경매가격이 2천610억원, 4천455억원, 4천455억원으로 설정됐다.

이 중 2.1GHz 주파수는 LG유플러스가 가져갔다. 당시 이상철 전 LG유플러스 부회장은 방통위원장을 찾아가 “가난의 되물림을 끊어달라”고 호소한 사례가 아직까지 세간에 오르 내리고 있다. 주파수 독과점과 시장경쟁 구조 왜곡을 명분으로 경쟁사의 입찰을 제한, LG유플러스가 최저경쟁가격에 확보할 수 있었다.

나머지 1.8GHz 대역을 두고 SK텔레콤과 KT가 양보없는 혈전을 벌였다. 9일간 83라운드까지 접전을 벌인 끝에 SK텔레콤이 9천950억원에 낙찰 받았다. KT는 씁쓸함을 뒤로 한채 800MHz 대역에 만족해야 했다.

주파수 경매를 통해 확보한 대역은 향후 경쟁구도를 고착화시키는데 큰 영향을 끼쳤다.

LTE 상용화 1년 후인 2012년 7월 1일 SK텔레콤과 LG유플러스가 확보된 주파수를 활용한 ‘LTE 멀티캐리어’ 서비스를 도입했다. 3G 까지만해도 하나의 주파수에는 하나의 통신기술이 접목됐지만 LTE부터는 동일 통신 기술이 각기 다른 주파수에 올라탈 수 있고 서로 교감도 가능했다.

멀티캐리어(MC) 기술은 두 개의 주파수 중 트래픽이 몰리지 않은 원활한 망으로 갈아탈 수 있도록 해준다.

SK텔레콤은 1.8GHz 주파수를, LG유플러스는 2.1GHz 주파수를 경매를 통해 확보한 상태였다. 기존 LTE를 서비스하는 대역과 새로 확보한 대역을 활용해 언제든지 원활한 망으로 갈아 탈 수 있게 한 것. 양사는 2012년말까지 서울 전역과 5대 광역시로 확장, 이후 발 빠르게 전국망을 완성했다. KT는 앞서 주파수 확보에 어려움을 겪어 MC 역시 뒤늦게 도입했다.

◆ LTE망 하나로 음성·데이터 한번에…VoLTE 도입

5G가 보다 촘촘한 전국망 완성이 가능하다면, ‘보이스오버NR(voNR, vo5G)의 도입이 신속하게 이뤄질 공산이 크다.

데이터와 달리 음성은 끊기지 않아야 한다. LTE 상용화 초기 3G는 전국망이 완성된 상태였기 때문에 음성통화는 LTE가 아닌 3G망으로 지원했다. 하지만 이통사가 9개월만에 전국망 완성에 성공하면서 ‘보이스오버LTE(voLTE)’ 도입이 발 빠르게 논의됐다.

5G 역시 보다 완성된 전국망이 완성된다면 5G망으로 음성까지 해결할 수 있는 기술이 도입될 예정이다. 현재 이에 따른 표준 개발도 진행되고 있다. 앞서 5G 독립모드(SA)를 도입한 KT에 이어 SK텔레콤과 LG유플러스가 합류, 보다 망 고도화가 전개된 이후인 1~2년 후가 예상된다.

아날로그 방식인 1G를 넘어 2G CDMA에서는 디지털 방식이 도입되면서 EVRC(Enhanced Variable Codec) 음성 압축 방식이 적용됐다. 8Kbps 속도로 음성이 오고 갔다. 3G WCDMA는 대역폭 향상으로 12.2Kbps까지 올랐다. 음성 압축방식도 AMR-NB(adaptive MultiRate-NarrowBand)를 사용했다. 대역폭이 넓어지면 보내는 음성 데이터도 많아져 음질이 더 명확해진다.

4G LTE에서 도입된 VoLTE는 이보다 더 높은 품질의 HD 음성통화가 가능케 됐다. 압축방식으로 AMR-WB(WideBand)가 도입됐다. 전송대역폭은 2배 더 늘어나 기존보다 음질이 40% 더 향상됐다. G는 사람의 목소리인 300~2천400Hz 주파수 대역을 사용하지만, VoLTE는 50~7천Hz까지 사용한다. 통화연결시간도 5초에서 2초로 단축됐다.