5G 왜 이렇게 버벅대는 걸까? LTE 보다 느린 5G. 이유는?

결론 미리보기:

"어쨌든 5G는 앞으로도 품질이 크게 개선되지는 않을 것이다. 본인이 사용하는 장소에서 5G의 버벅임이 너무 심해서 사용하기 어렵다면, 그냥 해지하고 LTE만 사용하길 추천한다."

 

 

2019년 4월부터 시작된 5G. 상용된지 2년이 훌쩍 지났다.  그동안 사람들의 데이터 사용 문화에는 많은 변화가 있었을까? 글쎄.. 5G전용 컨텐츠가 심히 부족할 뿐만 아니라, 5G 품질 자체에도 문제가 많기 때문인지 5G 소비자들의 5G 활용도는 그닥 높지 않는 듯 하다.

 

https://www.mk.co.kr/news/business/view/2019/04/204594/

세계최초 5G…한국 3일밤 전격 상용화

 

5G는 시작부터 품질에 대한 논란이 많은 서비스였다. 5G는 커버리지 지역이 너무나 한정적이었기 때문에 제대로 서비스를 사용할 수 있는 지역이 그다지 많지 않았기 때문이고, 커버리지 지역 내에서도 5G가 터졌다 안 터졌다 반복하는 것 때문에 통신을 제대로 사용하는 데 장애를 겪었기 때문이다. 

 

https://www.yna.co.kr/view/MYH20190503018100038

'세계 첫' 5G 개통 한 달…품질 불만은 여전 | 연합뉴스

 

19년 당시 전국의 커버리지

 

5G가 터지는 지역을 나타내는 5G 커버리지는 대부분 수도권에 쏠려있었고, 수도권에서도 띄엄띄엄 일부 안 되는 장소가 존재했기 때문에 5G를 사용하는 소비자들은 불편을 겪을 수 밖에 없었다. 심지어 글쓴이가 경험해본 바, 커버리지 지역 안에 있다 하더라도(그게 5G Zone이라고 명확히 나와있음에도 불구하고!) 여전히 5G가 뚝뚝 끊기는 현상을 있었다. 

 

단위 지역 내 5G 커버리지

2019년 첫 5G폰을 샀지만, 제대로 사용하지도 못하고 배터리만 빠르게 잡아먹는 5G 때문에 여간 짜증나는 게 아니었다. 결국 LTE모드로 전환하여 계속 사용했고, 그 이후로 아직까지 5G를 사용해본 적 없다. 

 

오늘 오랜만에 5G를 사용해봤으나, 역시 체감상 LTE보다 더 버벅거리는 느낌을 받는다. 어쩔 수 없이 LTE로 돌려놓는다. 5G 요금제에 2년 가까이 가입했지만, 아이러니하게도 5G 대신 LTE만 2년을 사용했다. 2년이다 2년!! 통신사들은 소비자들을 상대로 점차 서비스 품질이 나아질 것이라고 홍보했지만, 2년이 지났음에도 불구하고 크게 변하는 것이 없었다!! 도대체 5G는 왜 아직도 품질이 나쁜 걸까? LTE는 분명 개통 2년 후엔 아주 빨라졌던 걸로 기억하는데, 5G는 2년 지나도 그대로인걸까?

 

 

3G, LTE와 확연히 다른 5G의 주파수 대역

5G는 높은 통신 속도를 내기 위해 높은 주파수 대역을 사용한다. 왜 높은 주파수는 높은 통신 속도를 내는 것일까?

우선 아래 섀넌의 채널용량 공식을 보자.

 

섀넌의 채널용량 공식

섀넌의 채널용량 공식에 의하면 채널용량C는 대역폭B에 비례한다. 채널용량 C는 오류 없이 전송될 수 있는 데이터의 양을 의미하는데 이것이 대역폭에 비례하는 것이다. 

 

그리고 높은 주파수에서는 더 넓은 대역폭이 활용 가능하다. 100MHz의 10%는 10MHz인데, 1GHz의 10%는 100MHz다. 기준 주파수 위아래로 10%를 대역폭으로 활용한다고 했을 때, 고주파일 경우에 더 넓은 대역폭을 활용할 수 있는 것이다.

 

이제 둘을 합해보자. 높은 주파수를 사용하면 더 넓은 대역폭을 활용할 수 있고, 더 넓은 대역폭을 사용하면 더 많은 데이터를 실어 보낼 수 있다. 그러므로 높은 주파수는 높은 통신 속도를 낼 수 있는 것이다. 

 

3G와 LTE는 사용하는 주파수 대역이 크게 차이나지 않는다. 하지만 LTE 속도가 더 빠른 이유는 LTE의 실질적 대역폭이 3G의 대역폭 보다 훨씬 넓기 때문이다. LTE는 여러 주파수로 분할되어있는데, 이 주파수들을 혼합하여 LTE 대역폭으로 활용한다.

 

그런데 5G는 3G와 LTE와는 태생부터 다르다. 주파수 대역 자체가 다르다.  3G와 LTE는 주로 700MHz~900MHz, 1.8GHz, 2.1GHz 대역을 사용하는 반면에 5G는 3.5GHz대역과 mmWave(28GHz) 대역을 사용한다.

아래는 통신사 별 주파수 대역을 나타낸 것이다. 

 

 

2G, 3G, 4G, 5G 주파수 할당 (출처: 한국방송통신전파진흥원)

 

이처럼 주파수가 높으면 더 넓은 대역폭을 활용할 수 있고, 그렇기에 더 빠른 전송 속도를 낼 수 있다. 하지만 높은 주파수를 사용하면 무조건 좋은 것이 아니라 단점도 존재한다. 그것은 바로 전파의 직진성이 강해져서 도달 거리가 짧아진다는 것이다. 

 

 

5G 주파수 상의 한계

주파수가 다르면 그 전파의 특성도 달라지게 된다. 주파수가 높아지면 높아질수록 전파의 직진성이 강해지고, 회절성이 약해진다. 전파는 기본적으로 어떤 물체와 부딪혀도 그 물체 뒤까지 도달하는 특징인 회절성이 있는데, 이것이 주파수가 높아질수록 점점 약해지고 직진하는 성질이 강해지는 것이다. 

 

 

낮은 주파수는 회절이 잘 되고, 높은 주파수는 직진을 잘한다. 

 

전파의 직진성이 높아질수록 직진성이 강해지며, 이 경우 장애물이 있을 때 그 뒷편 사각으로는 전파가 도달하기 어렵다. 장애물에 부딪히면 반사되거나 부딪히지 않는 부분만 쭉 직진하게 된다. 

 

그러므로 높은 주파수의 전파는 도심지의 건물들에 부딪히면서 건물 너머로는 잘 전달되지 않는 것이다. 5G가 LTE에 비해서 실내에서 잘 안터지는 이유가 바로 여기에 있다. 

 

 

 

 

다른 이유도 있다. 그것은 바로 주파수가 높을수록 대기 중에서 감쇠가 더 빨리 일어난다는 것이다. 아래는 전파공학에서 주로 사용하는 Free Space Path Loss 수식인데, 다른거는 볼 필요 없고 f가 주파수라는 점만 알면 된다. Free Space Path loss는 공간에서 전파가 복사될 때 그 파워가 감소하는 정도를 나타내는 데 이 절대값이 클 수록 복사 중에 더 빠르게 약해진다고 보면 된다. 거리(d)와 주파수(f)에 비례하여 값이 커진다. 즉, 주파수가 높을 수록 공간 상에 전파될 때 더 빠르게 약해진다는 것이다. 진공 상이라 하더라도 똑같이 적용되는 공식이다. 

 

또 다른 이유가 하나 더 있다. 바로 전파의 직진성이 강할수록 입자와 부딪힐때 더 많이 약해진다는 것이다.

 

전파도 눈, 비, 먼지 등의 입자와 부딪힐 때 그 세기가 약해진다. 회절되거나 반사되거나 산란되면서 수신기에 도달하는 전파의 세기는 더욱 작아진다. 그런데 그 약해지는 정도가 전파의 직진성이 강해질수록 (주파수가 높아질수록) 더 심해진다.

 

위 그래프는 비가 내리는 양과 전파의 주파수에 따른 Attenuation(세기가 약해지는 정도)의 크기를 나타낸 것이다. 주파수가 높아질 수록 감소하는 정도가 더 커진다는 것을 알 수 있다. 

 

위 내용들을 종합하면 다음과 같다.

 

1. 주파수가 높아질수록 직진성이 강해서 장애물 뒷편으로 도달하기 어려워진다.

2. 주파수가 높아질수록 Free Space Path loss가 커져서 도달 거리가 짧아진다. 

3. 주파수가 높아질수록 입자의 영향을 많이 받아 빠르게 약해져서 도달 거리가 짧아진다.

 

 

 

5G 개선이 더딘 이유

 

이와 같은 이유들로 5G는 태생적으로 4G LTE에 비해서 도달거리가 훨씬 짧아진다. 빔포밍이라는 기술로 파워를 한 점에 집중해서 쏘아서 송신 전력을 높이는 기술도 활용되지만, 기본적으로 전파가 가진 직진성 때문에 빠른 감쇠는 어쩔 수가 없는 것이다. 

 

그래서 5G가 현 3G, LTE와 같은 품질의 서비스를 개시하기 위해선 훨씬 많은 수의 기지국을 세워야 가능하다. 하지만 기지국은 결국 비용이다. 도달거리가 훨씬 짧은 기지국을 여러 개 설치하려고 하니 통신사 입장에서 비용이 골치 아픈 문제가 된다.

 

각 셀당 담당하는 기지국이 있다. 5G는 이 셀의 크기가 작다.

 

이렇게 도달거리가 짧은 5G는 기지국 비용 문제 때문에 전국을 커버하는 것은 당연 불가능하고, 유동인구가 적은 곳(산, 논, 들)까지 커버하기 위해 기지국을 세우는 것도 비효율적으로 보인다. 그렇기 때문에 통신사는 최대한 유동인구가 많은 수도권 및 광역시 위주로 5G를 서비스 하고 있다. 이에 따라 필연적으로 소외된 지역에서는 불만이 나올 수 밖에..

 

하지만 문제는 수도권과 광역시 마저도 5G 품질이 그리 만족스럽지 못하다는 데에 있다. 5G는 직진성 때문에 건물 구석구석 내부로 들어가기 힘들다. 그래서 건물 내에서 원할히 사용하려면 건물 내에서 리피터를 사용하여 전파를 증폭시켜줘야하는데, 문제는 이 리피터도 비용이라는 것이다. 통신사가 모든 건물 내부에 리피터를 설치하려면 어마어마한 비용이 들거든...

 

다 비용이다. 

그래. 5G 품질이 지금 안 좋은 것은 결국 인프라를 세우는데 비용이 너무 비싸기 때문이다.

 

결국 성능과 가격 사이에서 타협을 본게 지금 정도인 것이다. 

 

소비자들은 탐탁치 않을 것이다. 통신사는 빠른 속도와 넓은 커버리지로 온갖 마케팅을 해놨지만, 실상은 제대로 사용하지도 못 하고, 사용할 필요도 없는 애물단지가 되고 말았으니...

 

 

 

앞으로의 5G에 대한 생각

 

어쨌든 5G는 앞으로도 품질이 더욱 개선되려면 한참 걸릴 것이다. 아니, 지금보다 크게 개선되지 않을 가능성이 더욱 높다. 앞에 서술했듯이 5G 주파수가 가진 한계가 명확하기 때문이다. 통신사가 비싼 비용을 모두 감당할리 없다. 안 그래도 요금제 가격 경쟁 때문에 통신비를 낮추는 전략을 취하고 있는데, 더 많은 비용을 감당하려는 리스크를 지려고 하진 않을 것이다. 인프라 구축은 점점 더뎌질 것이다. 

 

 

https://www.wired.kr/news/articleView.html?idxno=470 

뜨거운 감자 ‘28㎓’ 전파를 5G에 쓰는 이유 - WIRED Korea

 

정부에서는 mmWave를 열심히 홍보하고 있지만, 실질적으로 mmWave가 일반적인 직장이나 집, 거리에서 활용될 가능성은 무척이나 낮다. 이유는 앞서 설명했듯이 높은 주파수 때문이다. 3.5GHz만 되어도 이렇게 감쇠가 심해서 커버리지가 좁아지는데 28GHz는 오죽하겠는가? 28GHz는 한정된 목적으로 한정된 장소(통신사 체험부스? 기업 특정 시설?)에서 서비스될 가능성이 매우 높다.

 

어쨌든 5G는 앞으로도 품질이 크게 개선되지는 않을 것이다. 본인이 사용하는 장소에서 5G의 버벅임이 너무 심해서 사용하기 어렵다면, 그냥 해지하고 LTE만 사용하길 추천한다.

 

 

끝.