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인터넷 공유기 세 대와 컴퓨터. 연구실 내부는 예상과 달리 단출했다. 5세대(5G) 통신 기술과 통신 모듈 보안 기술, 블록체인 등 차세대 통신 시스템을 연구한다기에 각종 장비가 빼곡하게 놓여있을 줄 알았다.

이제민 대구경북과학기술원(DGIST) 정보통신융합전공 교수는 “인터넷 공유기 세 대는 각각 정보를 보내는 트랜스미터와 정보를 수신하는 리시버, 그리고 정보를 빼내려는 도청자 역할을 하도록 설정했다”며 “이렇게 간단한 시스템만으로도 정보를 주고받을 때 손실이 발생하는지, 도청자가 침입하려고 할 때 보안이 유지되는지 확인할 수 있다”고 설명했다.

5G 기지국, 어디에 몇 개 필요한지 계산

2018년 12월 KT와 SKT, LGU+ 등 국내 통신 3사는 5G 통신 첫 송출에 성공했다. 하지만 전국적으로 5G가 상용화되기에는 아직 모든 조건이 갖춰지지 않은 상태다. 5G 기지국은 서울과 수도권, 5대 광역시에 집중돼 있다.

5G는 통신에 쓰는 전파를 고주파 대역으로 바꿨다. 롱텀에볼루션(LTE)으로 불리는 4세대(4G) 통신의 경우 2.6GHz (기가헤르츠)가 가장 높은 주파수 대역이었지만, 5G는 3.5GHz뿐만 아니라 28GHz의 초고주파 대역도 사용한다.

덕분에 4G에 비해 데이터 다운로드 속도가 20배가량 빨라졌다. 2GB(기가바이트) 고화질 영상을 내려받는 데 1초면 충분하다. 문제는 전송 거리다. 전송 거리가 짧아져 4G보다 기지국을 촘촘하게 건설해야 한다. 그렇다고 기지국을 너무 촘촘하게 배치하면 기지국 말단에서 데이터 간섭 현상이 발생해 통신 품질이 떨어진다. 또 기지국 건설에 투입되는 예산도 늘어나고, 이는 통신비 상승으로 이어진다.

기지국 협력 전송과 보안 기술

이 교수는 “5G 시대로 가기 위해서는 기지국 사이에 데이터 간섭과 손실을 막는 데이터 전송 기술을 개발해야 한다”며 “최적의 기지국 수를 산출하는 일도 중요하다”고 말했다.

현재 이 교수팀은 ‘기지국 협력 전송 기법’을 이용해 건설해야 할 기지국 수를 최소화하면서도 데이터 전송 품질을 높이는 방법을 연구하고 있다. 기지국 협력 전송 기법은 한 사용자가 필요로 하는 데이터를 하나의 기지국이 아니라 여러 기지국이 동시에 전송하는 방식이다. 이 경우 기지국 사이에 간섭이 발생하지 않아 정보 손실이 줄어드는 동시에 수신 신호의 강도는 높아지는 장점이 있다.

이 교수는 “기지국 협력 전송 기법은 협력 전송에 참여하는 기지국의 시간을 일치시켜야 하는 등 정교한 기술이 필요하다”며 “4G 개통 당시 이런 기술이 부족했지만 현재는 관련 기술이 개발돼 5G에는 적용할 수 있다”고 설명했다.
2017년 이 교수팀은 프랑스 파리 11대학, 싱가포르기술디자인대 등 국제 연구팀과 공동으로 협력 전송에 참여할 기지국을 다양한 모양으로 배치해 데이터 전송 상태를 시뮬레이션했다. 일례로 육각형의 꼭짓점에 기지국을 위치시키고, 협력 전송 기법으로 중앙에 있는 사용자에게 데이터를 전송했다. doi: 10.1109/TWC.2017.2682240

그 결과 연구팀은 기지국 협력 전송을 위해 모든 상황에 적용할 수 있는 범용 배치 모델은 없다는 사실을 확인했다. 협력 전송에 참여하는 기지국의 위치, 사용자 수, 전송하려는 콘텐츠 수 등을 적절히 조절해야 5G에 맞는 속도를 구현할 수 있다는 것이다. 이 교수는 “지역별 사용자 수와 그들이 원하는 콘텐츠의 질과 양을 예측한 뒤 이를 충당할 수 있도록 5G 기지국의 수와 위치를 정해야 한다”고 설명했다.

데이터 보안 기술도 확보돼야 한다. 협력 전송을 위해 여러 기지국이 전송할 데이터를 보유한다는 것은 곧 더 많은 공격 대상(도청자)이 생성된다는 의미이기도 하다.

올해 3월 이 교수팀은 데이터 보안을 강화하기 위해 잡음을 섞거나 안테나 빔을 조정하는 기술을 개발했다. 사용자의 통신기기와 미리 합의된 잡음을 섞어 데이터를 전송하면 만에 하나 도청이 되더라도 제대로 된 정보를 확인하기 어렵다. 또 여러 개의 안테나를 활용해 사용자가 있는 위치에만 강한 세기로 데이터를 전송하면 다른 지역에 있는 도청자에게는 정보가 온전하게 전송되지 못하도록 막을 수 있다. doi: 10.1109/TWC.2019.2906177

이 교수는 “5G 통신을 폭넓게 적용하기 위해서는 아직 해결해야 할 일이 많다”며 “지역에 관계없이 질 좋고 안전한 통신 환경을 만들기 위해 계속 연구할 것”이라고 말했다.