2020-12-30

(보고서) 한·중 5G통신 산업 발전 현황과 전망

(※ 이우근 칭화대학교 마이크로/나노전자학과 교수님이 산업연구원 보고서에 기고한 글의 주요 부분을 공유한다. 이동통신 역사를 간략히 정리하고 한국과 중국의 현황을 소개하고 있다.)

《이동통신의 역사》

● 1세대(1G) 이동통신: 1980년 초반
- 미국 벨 연구소가 1979년 개발한 AMPS 무선표준은 아날로그 방식으로 음성 서비스만을 제공하여 제한된 주파수 채널로 수많은 이용자를 수용할 수 없었고 보안상 문제도 커서 셀룰러통신으로 한계 
- 미국 모토로라 회사가 AMPS 무선표준으로 개발한 DynaTac 1G폰은 부피가 크고 전력 소모가 커서 휴대폰이라기보다 카폰으로 주로 활용
● 2세대(2G) 이동통신: 1990년 초반
- 디지털 방식을 채용한 2G부터 본격적인 이동통신이 시작되었으며, 디지털 기술로 양질의 음성서비스뿐 아니라 텍스트 메시지(SMS) 기능이 가능 
- 2G의 경우 노키아, 에릭슨 등 유럽 회사의 주도로 GSM이 세계적인 무선표준으로 자리를 잡아가고 있었으나, 미국의 퀄컴이 독자적으로 개발한 CDMA 기술을 기반으로 한 IS-95 표준이 성공적인 상용화에 힘입어 등장하게 되어, 전 세계 2G 무선표준은 GSM과 CDMA로 나뉘게 되었고, 이후 빠른 데이터 전송 속도를 가진 2.5G 무선표준인 GPRS/EDGE 방식이 나오면서 간단한 이미지 전송도 보편화 
- 미국 모토로라의 대표적 2G폰인 스타택(StarTac)은 당시 초소형 크기이면서 접을 수 있는 디자인과 진동모드 기능으로 폭발적 인기를 얻으면서 1990년대 휴대폰의 대중화와 고급화를 선도
● 3세대(3G) 이동통신: 2000년 중반
- 2G의 성공으로 이동통신산업은 획기적인 성장을 하면서 영상통화, 멀티미디어, 인터넷의 요구를 충족하기 위해 더욱 빠른 데이터 전송속도가 필요하게 되어 2G보다 10배 이상 빠른 2Mbps 속도의 3G가 개발 
- 3G부터 CDMA 기술이 포괄적으로 적용되었는데, GSM에 기반한 유럽 주도의 WCDMA가 미국과 한국 주도의 CDMA-2000에 우위를 점하였고, 국제표준인 IMT-2000이 제정되어 같은 주파수 대역을 사용하는 경우 별도의 심카드 없이 글로벌 로밍이 가능하였으며, 2007년 개발된 WCDMA의 업그레이드 HSDPA 표준은 5배 이상 빠른 속도를 제공 
- 2007년 아이폰의 개발로 스마트폰 시대가 도래하면서 모토로라, 노키아, 에릭슨 등 빅3가 쇠퇴하였으며, 스마트폰으로 빠른 전환을 한 삼성은 안드로이드 OS 기반의 스마트폰 개발에 성공하여 휴대폰산업에서 새로운 전성기를 맞이
● 4세대(4G) 이동통신: 2010년 이후
- 스마트폰의 급격한 성장과 이동 시 100Mbps, 정지 시 최대 1Gbps 다운로드가 가능한 4G 표준이 제정되었고, LTE의 성공적인 론칭은 멀티미디어와 초고속인터넷 발전의 기반이 되었으며, 중국을 비롯한 전 세계 스마트폰산업의 폭발적인 성장을 견인 
- LTE(Long-Term Evolution)는 4G를 위한 3.5G 성격의 과도기적 무선표준이었으나 OFDM과 MIMO 등의 독보적 기술을 갖고 있어, 여러 주파수 대역을 모아 송출하는 캐리어 애그리게이션(Carrier Aggregation) 기술을 가진 LTE-A(LTE-Advanced) 표준의 개발로 실질적인 4G 표준으로 정착 
- LTE 외에 인텔과 삼성이 주도한 WiMAX, 우리나라의 독자 무선표준인 WiMAX의 아류라고 할 수 있는 WiBro는 LTE에 밀리게 되는데, 주요 원인은 기존의 기지국 호환에서 경쟁력이 떨어지는 것으로 분석
● 5세대(5G) 이동통신
- 기존의 2G, 3G, 4G 무선표준은 통신 속도를 높이는 데 주력했다면, 5G 통신은 빠른 속도뿐 아니라 다른 모바일 기기를 통합할 수 있는 새로운 차원의 무선통신 기술 
- 가상증강현실, 사물인터넷, 자율주행 등 신IT산업의 요구를 충족하기 위해 최대 10Gbps의 전송속도와 0.001초(1ms) 이하의 무선통신 지연시간을 핵심 기술로 하는 국제표준인 IMT2020이 제정되고, 오늘날 5G-NR(5G New Radio) 무선표준이 등장 
- 10Gbps의 전송속도는 주파수 대역폭을 획기적으로 증가하지 않고는 이론상 불가능하므로 5G에서 처음으로 기존의 800MHz~2GHz 주파수 대역을 20GHz 이상으로 10배 이상 올리는 방법을 시도 
- 20GHz 이상의 주파수는 파장(wave length)이 1cm 내외로 mm-wave 주파수 대역으로 불리며 기술적 난관이 많아, 과도기적으로 6GHz 미만 주파수 대역을 폭넓게 사용하면서 1Gbps 이상의 전송속도를 구현하려는 또 다른 무선표준이 등장 
- 6GHz 미만 주파수 대역은 FR1(Frequency Range 1)으로, mm-wave 주파수 대역은 FR2로구분되며, 실질적으로 FR1 기반의 5G는 전송속도에서 원래의 로드맵과 차이가 커 진정한 5G로 보기는 어려운 측면

《한국의 5G 성과》

● 이동통신사에 남을 5G 기술 세계 첫 상용화
- 2018년 2월 평창올림픽에서 최초로 5G 기술을 시연하고 2019년 4월 삼성 엑시노스 모뎀5100을 선보이면서 세계 첫 상용화에 성공하였고, 이후 전국망을 구축하면서 2020년 4월 5G 가입자 수가 600만 명을 초월 
- 특히 28GHz 주파수 대역에서 세계 표준화를 주도하면서 5G 통신산업의 글로벌 리더 역할을 하였고, 상용화 시기에는 기지국 비용을 고려해서 3.5GHz 주파수 대역으로 개발하였으며, 삼성은 2G에서 5G를 전부 지원하는 통합 엑시노스 모뎀 5100을 개발하여 세계에 5G 기술력을 과시 
- 최근 미·중 간의 갈등으로 휴대폰 사업뿐 아니라 한국이 상대적으로 열세에 있던 5G 통신 장비사업이 큰 수혜를 입을 것으로 예상
● 디지털 뉴딜 사업 견인 역할
- 2020년 7월 정부가 발표한 디지털 뉴딜 사업에서 5G 통신기술이 견인 역할을 할 수 있는데 그 이유는 5G 통신기술은 이전의 무선표준과 달리 다른 모바일 기기를 통합할 수 있는 무선기술로 언택트 시장, 자율주행, 스마트 팩토리 등에 핵심기술이 될 것으로 전망되기 때문 
- 2019년 5G 상용화 시점에 과기정통부가 발표한 5G+ 전략산업 육성 계획도 같은 맥락에서 전망 

《중국의 이동통신 발전》

● 무서운 성장과 부단한 독자 무선표준의 개발 노력
- 중국은 1990년대 초반부터 이동통신 가입자 수가 매년 4~5배 증가하여 1996년 가입자 수가 세계 4위가 되고 2000년 일본을 제치고 세계 2위가 되었으나, 당시 통신장비 및 단말기 분야의 자국 생산률은 5% 미만으로 3G부터 독자적인 무선표준화를 시도 
- 2G의 경우 중국은 차이나모바일의 GSM 방식과 차이나유니콤의 CDMA 방식으로 2G 통신 시기를 장기간 유지하면서 3G 통신의 자국 표준화를 준비하였고, 3G의 경우 당시 GSM과 호환이 좋은 WCDMA를 차이나유니콤에 할당하고 CDMA2000은 3위 통신 업체인 차이나텔레콤에 맡기면서 1위 업체인 차이나모바일에 TD-SCDMA라는 자체 표준화 개발을 할당 
- 경쟁력이 약한 TD-SCDMA 무선표준으로 중국의 3G는 크게 성공을 거두지 못하였으나, TD-SCDMA 상용화 경험을 바탕으로 4G는 경쟁력을 갖춘 자체 표준 TD-LTE를 개발 
- TD-SCDMA를 할당받았던 차이나모바일은 이후 정부의 4G TD-LTE 기지국 허가의 대부분을 차지하면서 2위 차이나유니콤, 3위 차이나텔레콤 등과 현저한 격차로 4G 이동통신 시장을 거의 독식하면서 2018년 가입자 수는 9억 명을 넘어섰고, 4G 가입자 수만 7억 명에 육박하면서 중국을 대표하는 통신회사로 부상
● 4G의 대성공으로 5G 개발의 자신감과 발판 마련
- 4G 통신 이후 중국의 모바일 인구는 폭발적으로 증가하여 현재 빅데이터 산업의 기반 구축에 공헌하였으며, 5G 분야에서 미국 통신망보다 훨씬 큰 규모의 네트워크를 구축하게 되어, 2020년 9월 5G 가입자 수가 한국의 12배가 넘는 8,000만 명에 도달 
- 4G의 성공에 힘입어 중국은 5G에 많이 투자하여 자체 통신 표준화는 물론 단말기의 칩부터 통신 장비까지 100% 국산화를 목표로 추진하며, 5년간 200조 원 이상을 5G에 투자할 계획이며 2020년까지 60만 개 이상의 5G 기지국을 건설할 예정 
- ‘인터넷+’와 같이 ‘5G+’ 방식으로 제14차 5개년 계획에서 적극적 산업융합 정책이 예상

《중국의 5G 급성장 요인》

● 현실적인 5G 로드맵과 거대한 4G 인프라
- 한국은 평창올림픽에서 화려한 5G 기술 시연과 진정한 5G 기술 상용화를 목표로 초창기 28GHz 주파수 대역에 집중해서 개발하고, 상용화 단계에서는 FR1에 해당하는 3.5GHz 주파수 대역으로 개발한 반면, 중국은 처음부터 3.5GHz 주파수 대역으로 5G 통신 사업을 준비하여 3.5GHz 5G 특허와 기지국 수와 통신장비 측면에서 수적 우세 
- 3.5GHz 주파수 대역의 큰 장점은 기존의 4G 기지국을 일부 업그레이드하여 사용할 수 있는 점이며, 이미 거대한 4G 인프라(기지국 370만 개, 전 세계 60%)를 가지고 있는 중국은 4G 후발자임에도 불구하고 빠른 속도로 5G 통신의 글로벌 리더 국가로 도약
● 중국인의 자긍심을 대변하는 대표적인 ICT 기업 화웨이
- 화웨이는 5G 통신 분야에서 이미 글로벌 선두주자로서 2019년 9월 세계 첫 5G 통합 칩 ‘기린 990 5G’를 발표하였고, 5G 통신 관련 표준 필수 특허 보유 수도 세계 1위를 차지 
- 최근 미·중 외교 및 무역 갈등과 미국의 화웨이에 대한 노골적인 견제가 가장 큰 변수로 등장
《5G 통신의 동향과 전망》

● 향후 수년간 5G는 sub-6GHz와 28GHz의 하이브리드 형태로 전개될 전망
- 기지국 비용, 전력, 기술력에서 상대적으로 유리한 3.5GHz 5G가 LTE와 함께 5G 시장을 주도할 것으로 전망되며, 최근 미국이 군사용 주파수 대역인 3.5GHz 대역을 상용화한 점과 우리나라의 최신 5G 스마트폰에 28GHz 안테나가 탑재되지 않은 점을 근거로 제시 
- 따라서 28GHz 5G 통신은 대도시의 핫스팟 또는 B2B 용도로 사용될 것으로 전망되며, 전국을 커버하는 통신망이 구축되기 전에 5.5G 또는 6G 통신이 일찍 시연될 가능성도 상존
● 중국은 화웨이 주도하에 당분간 sub-6GHz인 3.5GHz 주파수 대역으로 저비용 기지국을 강점으로 글로벌 우위를 유지하면서 장기적으로 20GHz 이상의 주파수 대역을 준비할 것으로 예상(선 FR1, 후 FR2)

● 미국의 경우 현저한 기지국의 수적 열세를 극복하기 어려워 우선 대도시 일부 지역을 위주로 28GHz 5G 마케팅을 펼치면서 3.5GHz 대역을 병용할 것으로 예상(선 FR2, 후 FR1)하며, 오히려 5G를 지연시키면서 곧바로 6G로 글로벌 우위를 선점하는 전략을 시도할 가능성

《6G 통신의 때 이른 등장》

● 5G 통신의 한계
- 향후 AI산업과 무선통신의 융합을 고려할 때 데이터 전송속도는 1,000Gps, 무선 지연시간은 0.1ms 미만이 필요하며, 28GHz 5G 통신도 이런 신산업의 요구 충족은 어려움. 
- 이에 따라 GHz의 1,000배인 THz 주파수 대역의 통신이 연구되고 있으며, 기지국과 기지국의 연결에 광통신과 위성통신도 활용되는 복합적 인프라가 구축될 가능성
● 저궤도 위성통신의 중요성
- 위성통신에 기반한 기지국 건설은 촘촘한 스몰셀이 필요하지 않아 농가가 많은 주(州)도 중시해야 하는 미국에 매력적인 방안이며, 현재 미국의 렌트카에 위성 라디오가 대부분 장착되어 있는 점도 유리한 환경 
- 이러한 위성 기반 통신망은 5G 기지국 숫자에서 중국에 절대적 열세에 있는 미국이 단번에 추월할 수 있는 방안 
- 위성통신 기반의 최초 폰인 모토로라의 이리듐 휴대폰이 당시 50억 달러 상당의 위성 발사 비용으로 실패하였으나 지금은 합리적인 비용으로 저궤도 위성 발사가 가능하여 민간 기업도 통신용 위성 사업에 참여 
- 한 번에 60대의 소형 위성을 로켓에 실어서 발사할 수 있는 기술이 개발되면서 저궤도 위성 발사 비용은 획기적으로 감소 
- 최근 개발된 ‘스페이스X’ 회사의 상용화된 위성 발사 서비스를 이용할 경우 최소 비용 200만달러, kg당 5,000달러 가격으로 발사할 수 있고, 비행기에서 소형 위성을 탑재해 로켓을 발사하는 ‘버진 오빗’ 회사의 경우 1회 비용이 2억 원에 불과 
- 미국의 온라인 유통업체 아마존도 3,236개의 저궤도 위성을 발사하여, 클라우드 등 데이터 처리 서비스를 제공하는 카이퍼 프로젝트를 시작하였으며, 이는 저궤도 위성 기반 통신이 가까운 미래 실현될 전망을 촉진 


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