11기 국민참여기자단 / 이범기
최근 새로 출시된 스마트폰만 봐도 LTE를 넘어 5G 통신 기능이 탑재되고 있는 경우가 많아졌습니다. 2018년 12월 초 한국의 SK텔레콤, KT, LGU+는 기업을 대상으로 5G 상용화 서비스를 시작했고 2019년 4월 3일 일반 사용자에게도 서비스를 제공하기 시작했습니다. 5G 이동통신은 4세대 이동통신 대비 방대한 데이터를 초고속, 초저지연, 초연결하는 것을 핵심 목표로 하고 있습니다.
출처 : 픽사베이
5G 통신 기술은 지금 현재도 보완되고 있는데요.그런데 이 5G가 주파수 간섭으로 인공위성 관측 데이터 정확도가 떨어져 기상예보 등 기후변화와 관련한 연구에 타격을 줄 수 있다고 합니다.현재 5G를 상용하고 있는 한국이나 상용을 준비하고 있는 다른 나라들이 걱정할 만한 이야기인데요.어떤 이야기인지 살펴보겠습니다.
5G란? 이동통신의 표준, 5G #국제표준이동통신 #Generation
많은 분들이 5G라는 용어에 익숙하실 텐데요. 5G가 정확히 무엇을 의미하는지 궁금하신 분들도 계실 겁니다. 그래서 그 의미를 먼저 살펴보겠습니다.
여러분은 해외여행을 갈 때 어떤 것을 꼭 챙겨가나요? 스마트폰을 사용하기 위해 보조배터리를 준비할 수도 있고, 그리운 고국의 음식이 그리워 컵라면 같은 음식을 준비할 수도 있습니다. 준비해야 할 여러 물건이 있겠지만 전원 콘센트 규격이 다른 나라를 여행한다면 흔히 돼지코라고 불리는 어댑터를 준비하곤 할 것입니다. 만약 전 세계가 전원 규격을 220V로 통일시켰다면 어떨까요? 해외여행 갈 때 불편한 짐인 어댑터를 따로 준비하지 않아도 되겠죠? 이동통신도 마찬가지였습니다.
과거에는 국가마다 통신 표준이 없었기 때문에 해외여행을 갈 때 해당 국가에서 통신을 하기 위해서는 한국에서 사용하던 휴대폰을 사용할 수 없었습니다. 그 나라의 통신 규격에 따른 휴대폰을 대여하거나 구입해야 했어요. 하지만 현재는 제가 한국에서 사용하던 스마트폰을 해외 로밍이라는 방법으로 외국에서도 사용할 수 있게 되었습니다. 이 의미는 이동통신에서 국제적으로 합의하고 규격을 표준화시키며 국제표준을 사용하고 있다는 의미입니다.
1G, 2G, 3G, 4G, 5G와 같은 용어는 이동통신의 표준을 의미합니다. 이때 숫자와 G를 같이 붙여 사용합니다. G는 세대를 뜻하는 영어 단어 Generation의 줄임말입니다. 그렇기 때문에 4G를 4세대, 5G를 5세대라고 부를 수 있는 거죠.
5G특징 5G의 3가지 기술진화 #초고속 #초저지연 #대량연결
그럼 1G, 2G, 3G, 4G처럼 각 세대를 구분하는 요소는 무엇일까요?음성통화나 화상통화와 같은 새로운 서비스를 기준으로 하지 않고 이러한 서비스를 가능하게 한 기술혁신으로 구분합니다.
음성통화만 가능했던 1G, 문자기능이 더해진 2G를 지나 3G 시대에 스마트폰이 출시된 것은 기억하시나요? 스마트폰은 모바일 인터넷, 화상 전화 서비스가 막대한 데이터 양을 소비하도록 했습니다. 기술자들은 이러한 데이터 급증을 뒷받침할 수 있는 새로운 기술이 필요하다고 생각하고 이를 지원할 수 있는 새로운 기술이 LTE(Long Term Evolution)입니다. 국제표준기술단체는 4G 표준으로 LTE를 선택하면서 4G를 LTE라고도 부르는 겁니다.
이러한 기술적 혁신이 각 세대의 표준으로 정의되어 있는 것입니다. 그렇다면 5G의 기술 명칭은 무엇일까요? NR(New Radio)입니다. 5G 이동통신은 3가지 기술 진화를 목적으로 하고 있는데요. AR/VR과 같은 대용량 전송이 필요한 서비스에 대응하기 위해 넓은 주파수 대역폭을 사용한다는 초광대역 서비스, 자율주행으로 긴급제동 명령을 하기 위해 신속한 수신호를 한다는 고신뢰/초저지연 통신, 수많은 IoT 기기를 상호 연결한다는 대량접속이 있습니다.
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5G 주파수 대역 #6GHz #저속 광역망 #초고주파 대역
4G LTE가 설치되기 시작할 무렵인 2010년대 초에, 2020년대에는 데이터 급증이 현재 기술로는 감당하기 힘들 것이라는 예측이 대두되면서 전 세계적으로 4G 차세대를 미리 준비해야 한다는 분위기가 조성됐습니다. 이처럼 많은 데이터량을 감당하는 것이 과제였던 상황에서 나온 5G 표준은 빠른 속도와 새로운 서비스가 가능하도록 4G보다 더 넓은 주파수 대역을 포함하고 있습니다.
5G 주파수 대역/출처=SKTinsight ‘5G 서비스의 기반, 주파수에 대한 모든 것 – 2부’
5G는 2개의 대역폭으로 나누어져 있습니다. 1.4GHz, 3.5GHz와 같이 저속 광역망인 6GHz 이하의 주파수(‘Below 6GHz’) 대역이 있고, 28GHz와 39GHz와 같이 초고속 근거리망에 사용되는 밀리미터파(㎜ Wave)라 불리는 초고주파 대역(‘Above 6GHz’)이 있습니다.
하지만 현재 국내에 출시된 5GHz 스마트폰은 28GHz 서비스가 이뤄지지 않고 있으며 6GHz 이하 주파수 대역인 3.5GHz에서만 서비스되고 있습니다. 통신사가 광고하는 LTE 대비 20배 속도와 저지연성(Low Latency)은 28GHz 서비스로 가능한 이야기입니다. 쉽게 말해 지금 출시되고 있는 5G 스마트폰은 절반인 5G에 불과할 것으로 보입니다. 완전한 5G를 느끼고 싶다면 차세대 칩셋이 탑재된 스마트폰을 사야 합니다.
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에너지 전달 방식의 태양 에너지는 어떻게 전달되는가?#전도 #대류 #복사
출처 =© NASA
자, 그럼 수증기 이야기를 할 차례에요.이 이야기를 하기 위해서는 태양에 대해서 먼저 이야기를 해야 합니다. 우리가 일상 속에서 보는 태양 에너지는 어떤 것입니까? 우리가 눈으로 인지할 수 있는 빛의 에너지 범위인 가시광선을 중심으로 빨간색과 인접한 부근에서 긴 파장의 영역인 적외선과 더 파장이 긴 마이크로파, 전파 등이 있고 보라색으로 인접한 부근에서 짧은 파장의 영역인 자외선과 더 파장이 짧은 X선 감마선 등이 있습니다. 이렇게 태양에서 방출되는 모든 에너지를 합쳐서 태양 방사라고 부릅니다.
여기서 복사라는 말에 주목해야 합니다. 복사는 에너지가 전달되는 방식 중 하나입니다. 에너지를 전달하는 방법은 크게 세 가지가 있습니다. 전도, 대류, 복사 방법이 있습니다. 전도는 물체가 서로 맞닿아 있을 때 에너지가 전달되는 방식이고, 대류는 에너지를 포함하고 있는 물체 자체가 이동함으로써 에너지가 전달되는 방식입니다. 전도와 대류는 에너지를 전달하는 매체를 통해 진동의 방식으로 전달되는 것입니다. 반면, 사본은 매개 물질 없이 진공 상태에서도 전달될 수 있습니다. 전자파 형태로 전달되기 때문입니다. 태양 방사도 태양에서 전자파가 방출되는 것입니다.
태양복사에너지 지구로의 태양복사의 향방은? #지구방사 #전자파 #방출
그렇다면 지구에 입사한 태양 방사 에너지는 어떻게 되는 것일까요.방사 에너지가 물체에 도달하게 되면 보통 3가지 결과가 나옵니다. 먼저 에너지가 물체에 흡수되는 것입니다. 흡수되면 물체의 분자는 더 빠르게 진동합니다. 그에 따라 온도도 상승합니다. 두 번째는 에너지를 투과시킵니다. 투과된 방사 에너지는 해당 물체에 에너지가 전달되지 않아 큰 변화가 없습니다. 마지막으로 흡수, 투과되지 않고 되돌아갑니다. 에너지가 반사되거나 흩어지는 거죠.
지구에 도달하는 태양복사에너지를 100%로 가정했을 때 그 중 약 30%는 대기층이나 지표면에서 반사돼 곧바로 지구 밖으로 빠져나가고 약 70%만이 지구로 흡수됩니다. 그 70%의 태양복사에너지 중 50%는 지표면으로 흡수되고 17%는 대기 중으로 흡수되고 나머지 3%는 구름에 흡수됩니다. 그런데 지표면에 흡수된 50%의 태양 복사 에너지는 다시 대기로 방출됩니다. 따라서 대기는 최초로 직접 흡수한 20%와 지표면에서 받은 50%를 포함하여 70%의 에너지를 갖게 됩니다. 흡수하게 된 70%의 태양복사에너지는 다양한 기상현상을 일으켜 마지막에는 우주공간으로 다시 유출됩니다. 이렇게 지구에서 다시 복사 에너지가 나오는 것을 지구 복사라고 합니다. 지구가 항상 태양복사에너지를 받고 있음에도 기온이 오르지 않는 이유 중 하나는 지구복사를 통해 열을 잃는 것이라고 할 수 있습니다.
이렇게 태양으로부터 복사 에너지를 전자파 형태로 전달받은 것처럼 흡수된 복사 에너지를 방출할 때도 전자파 형태로 빠지게 됩니다. 복사 에너지가 나오는 대상에 따라 전자파 주파수도 달라집니다. 수증기는 약 23.8GHz, 비와 눈은 36GHz~37GHz, 대기 온도는 50.2~50.4GHz, 구름과 얼음은 80~90GHz 주파 수치를 가진 전자파를 방출하게 됩니다.
출처 =© NASA
기상 예보를 방해하는 5G 주파수 증기의 방사 에너지와 5G 주파수
이렇게 지구에 도달하는 에너지를 방출하는 것을 통해 현대의 기상위성은 날씨를 예측합니다. 방출되는 방사 에너지 값으로 어두운 밤에도 지구의 대기 상태를 관찰할 수 있습니다. 그런데 여기서 5G 주파수가 저궤도 기상위성에서 활용하는 수증기 관측 채널의 주파수와 비슷하다고 합니다.
최근 우리나라뿐만 아니라 세계적으로 5G 주파수 경매가 있었습니다. ‘어브 6GHz’ 대역에 24.25~24.45GHz와 24.75~25.25GHz 대역 주파수 그룹이 경매에 포함됐다고 합니다. 만약 이 범위 하단 부근에서 통신장비를 사용하게 되면 저궤도 위성의 수증기(23.8GHz) 관측을 방해할 수 있다는 의미이기도 한 겁니다. 즉 기상을 관측하는 위성이 5G와 수증기로 만들어낸 주파수를 구분할 수 없게 돼 기상예보에 문제가 생길 수 있는 겁니다. 뿐만 아니라 저궤도 기상위성 데이터는 수치예보 모델에 입력자료로 사용되기 때문에 정확하지 않은 나쁜 데이터가 축적되면 예측 정확도도 떨어지게 되는 것입니다.
실제 유럽우주국(ESA)이 운영하는 메톱(MetOp) 위성도 5G 주파수의 간섭을 받을 것으로 예상되고 있습니다. 메톱 위성은 저궤도 기상위성으로 지구에서 방출되는 열이 가지고 있는 전자파를 측정해 기온·수증기 등의 데이터를 기록합니다. 23.8GHz 대역에 해당하는 수증기에서 방출되는 희미한 전자파를 메톱 위성이 24시간 측정합니다. 이 데이터를 바탕으로 많은 국가가 기상예보를 하고 수치예보 모델을 만든다고 합니다.
다행히 우리나라에서 운용하고 있는 기상위성인 천리안위성 1호와 2A호와 같은 정지궤도 기상위성의 수증기 관측은 파장이 6~7㎛(40~48THz)이기 때문에 5G 이동통신과는 간섭이 일어나지 않습니다. 하지만 외국의 저궤도 기상위성 자료는 우리의 수치예보 모델에도 사용되기 때문에 5G의 영향에서 마냥 자유로운 것은 아닙니다.
세계적인 학술지 네이처에서는 주파수 간섭을 줄이기 위한 조치를 취하지 않으면 지구관측위성이 대기 중 수증기를 정확히 감지할 수 없고 위성 데이터를 바탕으로 수치예보 모델을 만들고 있는 만큼 기상예보에 문제가 생길 수 있다고 경고하고 있습니다. 위스콘신 매디슨대 기상학자인 요르단 가스는 네이처와 인터뷰를 통해 상황은 옆집에 시끄러운 이웃이 있는 것과 비슷하다고 표현했습니다.
주파수 공유/출처=Nature, “Global 5Gwireless network threatenweather forecasts”
사람들이 만들어내는 기술은 놀라운 속도로 발전하고 있습니다. 이러한 기술의 발전 과정 속에서 문제가 발생하는 것은 자연스러운 현상이라고 생각합니다. 서로 떨어져 있는 사람과 사람 사이에 소통하는 것을 보면 아득한 옛날에는 서로 소리치며 이야기를 나누었고, 다음에는 봉화와 파편 형식을 거쳐 현재는 전파를 이용하게 되었습니다. 날씨도 마찬가지입니다. 주변의 자연현상을 보면서 특정 상황을 예측해 온 시기를 거쳐 우주에서 지구를 관측할 수 있는 시대가 되었습니다. 하지만 통신과 날씨 예측 모두 하늘에서 이루어지기 때문에 동시에 상생할 수 있는 방법을 찾아야 할 때가 된 것입니다.
ITU(International Telecommunications Union, 국제전기통신엽합)에서는 3~4년마다 전파올림픽이라고도 불리는 세계전파통신회의(WRC)를 열어 세계 190여개국의 정부와 민간 관계자가 모여 전파통신 분야의 중요 사안을 결정하는 의결회의를 합니다. 2015년 WRC에서는 6GHz 이하의 주파수 대역에서 세계 공통 주파수를 지정했습니다. 게다가 2019년 10월에 이집트에서 세계 전파 통신 회의(WRC-19)에서는, 6 GHz이상의 대역인 24.25~86 GHz의 세계 공통 주파수를 정하는 것이 의제로 선택되었습니다. 이때 5G 주파수 대역과 수증기를 비롯한 여러 기상 데이터 간 주파수 간섭 문제를 다룰 예정입니다. 주파수 간섭이 얼마나 생기는지 객관적으로 분석되면 논의를 통해 해결 방안이 나올 것으로 기대됩니다.
출처 =© NASA
참고 문헌 Nature, ‘Global 5Gwireless network threatenweather forecasts’ EUMATSAT, ‘Sentinel-3isadedicated Copernicussatellitemission de livering avariety of high-qualityoceanmeasurements.’
이동통신 간섭분석 및 %G용 주파수 이용방안 연구 – 국립전파연구원