5G 시대의 보이지 않는 주파수 전쟁: LTE와 5G의 주파수 활용 기술

최근 이동통신 서비스는 LTE 서비스를 도입을 시작으로 2019년 4월 세계 최초로 상용화된 5G 서비스가 함께 사용되고 있습니다. 현재 LTE 서비스를 사용하는 가입자들이 5G 서비스로 전환하면서 5G 트래픽이 증가하는 상황에서, LTE와 5G 주파수 활용 기술을 살펴보고 앞으로의 전망에 대해 알아보겠습니다.

 
 

1. 주파수에 대하여

주파수는 전파가 공간을 이동할 때 1초 동안 진동하는 횟수라는 것을 익히 배워 알고 있을 것입니다. 통신에 있어 가장 중요한 개념으로 주파수에 따라 신호를 구분하기도 하고 통신 서비스 수준이 달리지기도 합니다. 이동통신에서 가장많이 사용하고 있는 주파수는 6GHz 이하 대역에서는 보통 700~900Mhz 대역과 1.8~3.5GHz를 사용중이고, 6GHz 이상 대역에서는 28GHz를 사용중입니다.

이러한 주파수를 사용하기 위해서는 과학기술정보통신부에서 주파수를 할당받아야 하며, 서비스 기업은 할당 대가를 지불하여 사용해야 합니다. 이동통신 사업에 있어 가장 큰 비중을 차지하는 투자비용은 주파수 할당 대가인 주파수 사용료입니다. 이와 같이 이동통신 사업자들은 이렇게 할당 받은 주파수를 어떻게 활용하느냐가 사업의 성패를 결정하는 가장 중요한 요소입니다.
 
 

2. 이동통신 3사 주파수 이용현황

국내 이동통신 사업자별로 주파수 이용현황을 살펴보면 LTE 서비스를 위해 SKT는 800MHz, 2.1GHz, 26GHz 총 4개Band로 155MHz 대역을 사용중이며, KT는 800MHz, 1.8GHz, 2.1GHz 총 3개 Band 115MHz, LGU+는 800MHz, 2.1GHz, 2.6GHz 총 3개 Band 100MHz로 사용하고 있습니다. 5G 서비스의 경우 3사 모두 3.5GHz 대역에서 100MHz를 운영하고 있습니다. 최근 이동통신 3사가 반납한 2.8GHz 주파수 800MHz 대역은 스테이지엑스가 2024년 2월에 허가를 받아 운영할 예정입니다.

그림 1. 이동통신 사업자별 주파수 할당 현황, 출처:전파누리

 
 

3. 이동통신 주파수를 활용하는 기술

이동통신에서 주파수를 활용하는 주요 기술에는 MC(Multi-Carrier), CA(Carrier-Aggregation), DC(Dual-Connectivity)가 있습니다.

LTE 서비스의 경우 대부분의 이동통신 사업자가 3개의 주파수 대역을 사용하고 있습니다. 사용자에게 서비스 속도는 중요하지 않지만 더 많은 가입자에게 서비스를 할 경우 MC(Multi-Carrier) 기술을 활용하여 3개 주파수 분리하여 개별 가입자에게 서비스를 제공합니다. 반면, 가입자를 수용하는 용량은 손해를 보지만 더 빠른 서비스를 제공하기 위해서 CA(Carrier-Aggregation 기술을 사용하여 한 가입자에게 3개의 주파수를 모두 할당해 더 빠른 서비스를 제공할 수 있습니다.

상용망의 경우 CA(Carrier-Aggregation)를 기본으로 운영하여 사용자에게 빠른 속도를 제공하고 있습니다. 하지만 최근 세븐틴이나 뉴진스 공연과 같이 속도보다는 더 많은 관람객들에게 서비스를 제공하는 것이 중요한 경우 A(Carrier-Aggregation)를 해제하고 MC(Multi-Carrier)로 변경하여 이벤트 대응 시 활용하고 있습니다.

DC기술은 가입자에게 LTE 주파수와 5G 주파수를 모두 할당하여 더 빠른 속도의 데이트를 전송할 수 있는 기술입니다. 현재 가입자가 5G 요금제를 가입한 경우 이동통신 사업자가 제공하는 방식입니다.
 

그림 2. MC(Multi-Carrier), CA(Carrier-Aggregation), DC(Dual-Connectivity) 비교

 
 

4. LTE와 5G 트래픽 현황

2024년 상반기 휴대폰 사용자 트래픽 사용 현황을 보면 LTE 사용자의 트래픽이 전체 사용자의 약 15%로 낮은 사용율을 보이고 있고, 5G 사용자의 트래픽과 비교하면 약 5배의 차이가 있습니다. LTE 트래픽은 2021년 기준으로 LTE 트래픽은 5G 트래픽에 뒤처지기 시작했습니다. 가입자 비중으로 보더라도 이동통신 사업자 기준으로 5G 가입자는 SK텔레콤 70%, KT 75%, LG유플러스는 66% 수준으로 높습니다. 이러한 트래픽의 변화로 시간이 지날수록 이동통신 사업자는 값비싸게 할당받은 LTE 주파수를 재활용하여 트래픽이 증가하고 있는 5G 서비스로 활용해야하는 필요성이 생기고 있습니다.

그림 3. 무선데이터 트래픽 통계, 출처:과학기술정보통신부

 
 

5. LTE와 5G 서비스의 주파수 활용 기술

그럼 이제 이동통신 사업자가 서비스를 위해 할당 받아 사용 중인 LTE와 5G의 주파수 활용기술에 대해 알아보겠습니다. 주요 기술로는 5G Re-farming(주파수 재분배)와 DSS(Dynamic Spectrum Sharing, 동적 스펙트럼 공유)가 있습니다.
 
먼저, 5G Refarming은 현재 LTE 서비스 주파수 대역을 나누워 고정으로 스펙트럼을 공유하는 것입니다. 즉, 현재 20MHz 주파수 대역을 사용하는 LTE 주파수를 10MHz, 10Mhz로 나누어 한쪽은 기존 LTE서비스에 사용하고 나머지 주파수는 5G 서비스를 추가하는 방법입니다. 이를 통해 LTE와 5G 사용자의 트패픽 사용량에 맞춰 주파수를 재할당하여 효율적인 운영이 가능하다. 하지만 이 방법에는 몇 가지 단점이 있습니다. 기존 주파수를 분배하여 사용하기 때문에 기존 서비스 품질이 저하가 발생하고 네트워크 업그레이드 및 호환성 문제가 발생할 수 있습니다.

그림 4. 5G Refarming(Static Spectrum Sharing) 개념

 
다음으로, DSS(Dynamic Spectrum Sharing)는 동일한 주파수를 활용하여 4G LTE 가입자와 5G NR 가입자가 동시에 사용할 수 있는 기술입니다. 사용자의 트래픽 사용량에 따라 LTE와 5G 서비스를 동적으로 제공할 수 있습니다. 또한, 4G 주파수 대역에 5G 기술을 적용할 수 있기 때문에 5G 서비스 확장을 위해 장비를 교체하거나 추가적인 장비 도입하는 등의 추가 투자 없이도 가능합니다. 5G 트래픽 증가에 따라서 트래픽 사용량이 줄고 있는 LTE 주파수 대역을 사용하여 5G 서비스를 제공할 수 있는 장점이 있습니다. 단점으로는 주파수를 공유하기 때문에 4G와 5G 서비스 모두 성능이 제한될 수 있습니다. 동적 주파수 할당 및 관리가 필요하여 복잡성이 증가하고 두 서비스 간 간섭이 발생할 가능항이 있습니다.

그림 5. DSS(Dynamic Spectrum Sharing) 개념. 출처:Politehnica University Timisoara

 
지금까지 5G 트래픽 증가에 따른 LTE 주파수를 효율적으로 사용가능한 Refarming과 DSS(Dynamic Spectrum Sharing) 기술을 비교하면 아래 표로 정리할 수 있습니다.
 
표 1. Refarming과 DSS(Dynamic Spectrum Sharing) 기술 비교

구분	장점	단점
Refarming	• 효율적 주파수 사용   - 기존 주파수 대역을 최신 기술로 전환  데이터 전송 속도와 용량을 향상 • 연속적인 서비스 제공   - 기존 주파수를 활용하여 새로운 서비스 • 비용 절감   - 새로운 주파수 할당 없이 서비스	• 기존 서비스 영향    - 기존 주파수를 사용 중인 서비스 품질저하 • 기술적 복잡성   - 네트워크 업그레이드 및 호환성 문제 • 규제 이슈    - 규제 기관의 승인 절차
DSS (Dynamic Spectrum Sharing)	• 유연성   - 주파수 대역을 동적으로 공유하여 4G와 5G를 동시에 운영 가능 • 빠른 5G 도입   - 새로운 주파수 할당 없이 5G 제공 가능 • 기존 인프라 활용    - 기존 LTE 인프라를 활용 투자 비용 절감	• 성능 제한    - 주파수를 공유하기 때문에 4G와 5G 서비스 모두 성능이 제한될 수 있음 • 복잡한 관리    - 동적 주파수 할당 및 관리 어려움 • 잠재적 간섭   - 두 서비스 간 간섭 발생 가능성 존재

 
 
 

6. 맺음말

최근 5G 가입자 증가로 인한 트래픽 증가로 이동통신 사업자들은 주파수 활용에 대한 고민을 하고 있습니다. 사업자별 가입자 현황과 서비스 특성에 따라 지금까지 알아본 주파수 활용 기술을 적용해 가장 효율적인 주파수 이용방안을 검토할 시점이 다가오고 있습니다.

현재 이동통신 사업자가 사용하고 있는 LTE 주파수는 2026년 이용 기간이 종료예정입니다. 추가로, 정부는 조만간 5G 서비스를 위해 3.7GHz 대역을 추가 공급할 계획도 있습니다. 사용자에게 최고의 서비스를 제공하기 위한 이동통신 3사의 경쟁을 더욱 치열해지는 상황에서 이동통신 사업자들은 주파수 공급 정책과 주파수 활용기술을 검토하여 사업자에게 맞는 최적의 선택을 해야 할 것입니다.
 
 
[참고문헌]
[1] MEDIATEK, “5G NR and 4G LTE Coexistence DSS WhitePaper”, 2020
[2] Gordana Barb, Florin Alexa and Marius Otesteanu, “Dynamic Spectrum Sharing for Future LTE-NR Networks”, 2021
[3] Choi Jung Mi, “A concept and global trend of Dynamic Spectrum Sharing”, 2020
 
 
 
정보통신기술사 호경진