5G가 광고만큼 안 빠른 건
기술이 나빠서가 아니라
혼자 쓰는 게 아니라서다

속도의 천장은 두 개다

섀넌이 하나, 무전기가 하나

첫 번째 천장은 섀넌입니다 — C = 대역폭 × log₂(1 + 신호대잡음). 대역폭은 곱으로 듣고 신호 세기는 로그로만 듣습니다. 그래서 5G 는 신호를 세게 하는 대신 대역폭으로 승부했습니다.

그런데 두 번째 천장이 먼저 옵니다. 실제 무전기는 256QAM에서 멈춥니다 — 아무리 신호가 깨끗해도 1 Hz 당 7.41 비트가 끝입니다. 신호대잡음 30 dB 면 섀넌은 9.97 비트를 허락하는데, 26%를 그냥 버립니다.

이게 체감으로 뭘 뜻하느냐 — 기지국 바로 앞이나 200 m 밖이나 속도가 똑같습니다. 이미 천장에 붙어 있기 때문입니다. 안테나 막대가 꽉 차 있는데 안 빠르다면, 신호 문제가 아닙니다.

통신사 광고에 적힌 숫자가 대체로 이 줄입니다. 천장 값이고, 혼자 쓸 때입니다.

★멀어지면 별자리가 작아진다

위 ② 판이 지금 보여주고 있는 것

무전기는 신호를 점 하나의 위치로 보냅니다. 256QAM 이면 가로 16 × 세로 16 = 256 개 자리 중 하나에 점을 찍고, 받는 쪽은 그 점이 어느 칸에 들어왔는지로 8비트를 읽습니다.

잡음은 그 점을 흔듭니다. 흔들림이 칸의 절반을 넘으면 옆 칸으로 넘어가고, 그 순간 비트가 틀립니다. ② 판의 빨간 점이 그것입니다 — 지어낸 게 아니라 가우스 잡음을 얹어 실제로 판정한 결과이고, 화면의 오류율은 그 판에서 센 값입니다.

그래서 멀어지면 무전기는 자리 수를 줄입니다. 자리가 성기면 잡음이 흔들어도 옆 칸까지 못 갑니다. 대신 심볼 하나에 실리는 비트가 줍니다. ② 판의 눈금은 네 변조에 똑같이 맞춰져 있습니다 — 그래야 QPSK 의 네 자리가 256QAM 의 256 자리보다 얼마나 멀찍이 떨어져 있는지가 보입니다.

손잡이를 700 m 로 밀어 보면 이상한 일이 벌어집니다 — 더 멀어졌는데 오류율이 39%에서 11%로 떨어집니다. 신호가 나빠진 게 아니라 무전기가 16QAM 에서 QPSK 로 내려앉았기 때문입니다. 안정을 산 값은 속도입니다.

이게 속도가 계단으로 떨어지는 이유입니다. ③ 판의 세로 띠가 그 계단이고, ② 판의 별자리가 그 순간 어느 칸에 있는지를 보여줍니다. 안테나 막대가 한 칸 줄었다는 건 자리 수가 4분의 1이 됐다는 뜻입니다.

표의 마지막 칸(언제 쓰나)은 섀넌 식을 거꾸로 푼 값입니다 — log₂(1+SNR) 이 아래 차수의 천장을 넘는 지점이 곧 갈아타는 지점입니다. 새로 가져다 놓은 수는 없습니다.

★부호가 없으면 절반이 틀린다 — 그런데도 통신은 된다

② 판의 오류율이 왜 그렇게 높은가

화면을 보면 도심(200 m)에서도 빗나간 심볼이 20%가 넘습니다. 400 m 에서는 절반입니다. 그런데 실제로 영상은 잘 나옵니다. 어떻게 된 걸까요.

② 판이 세는 건 "가장 가까운 칸으로 그냥 찍었을 때" 틀린 횟수입니다. 실제 수신기는 그렇게 하지 않습니다. 점이 그 칸에 얼마나 가까웠는지, 즉 확신의 정도까지 통째로 오류정정부호에 넘깁니다. 부호는 수천 개 심볼의 확신도를 한꺼번에 놓고 풀어 어중간한 것들을 서로 지탱하게 만듭니다.

그래서 현대 통신은 일부러 그 언저리에서 돕니다. 심볼 하나하나만 보면 엉망인 자리 — 거기가 부호가 감당할 수 있는 가장 빠른 자리이기 때문입니다. 여유를 두고 안전한 곳에서 돌면 속도를 그만큼 버리는 셈입니다.

정리하면 ② 판의 빨간 점은 고장이 아니라 설계입니다. 깨끗한 별자리는 낭비된 별자리입니다 — 신호가 그만큼 남았다는 뜻이니까요.

★밀리미터파는 두 번 손해 본다

한 번은 주파수 때문에, 한 번은 대역폭 때문에

흔히 아는 손해는 주파수입니다. 3.5 → 28 GHz 로 8배 올리면 경로손실이 18.1 dB 늘어납니다. 같은 거리에서 신호가 64분의 1입니다.

덜 알려진 손해가 하나 더 있습니다. 잡음은 대역폭에 비례해서 들어옵니다 — N = −174 + 10log₁₀(대역폭) + 잡음지수. 대역을 8배 넓게 쓰면 잡음도 9.0 dB 더 받습니다. 넓은 대역은 속도를 주는 동시에 귀를 그만큼 더 열어놓는 일입니다.

① 판에서 흰 점을 건물 뒤로 끌어 보면 이 차이가 손에 잡힙니다. sub-6 는 한 채에 8 dB 를 잃고 모서리를 돌아 그림자를 어느 정도 메우지만, 밀리미터파는 한 채에 40 dB, 두 채면 80 dB 를 잃고 그림자가 칼같이 잘립니다. 같은 자리에서 대역만 바꿔 보면 판 전체가 오그라듭니다.

그래서 밀리미터파는 빠른 게 아니라, 가까울 때만 빠릅니다. 위 곡선에서 보이듯 30 m 에서 10 Gbps 를 내던 것이 200 m 에서 670 Mbps, 500 m 에서는 sub-6 보다도 느려집니다.

여기에 벽이 더해집니다. 28 GHz 는 창문 한 장에 약 20 dB★, 벽돌벽이면 40 dB★를 잃습니다 — 1만분의 1입니다. 실내에서는 사실상 못 씁니다. 통신사가 밀리미터파를 경기장·번화가처럼 좁고 사람 많은 곳에만 깔고 나머지를 sub-6 로 채운 이유가 이 표 전체입니다.

★그리고 혼자 쓰는 게 아니다

체감의 진짜 이유는 여기 있다

기지국 하나의 용량은 거기 붙은 사람들이 나눠 씁니다. 광고의 2.55 Gbps 는 그 기지국에 나 혼자 있을 때의 값입니다.

정리하면 광고와 체감의 차이는 세 개가 곱해진 결과입니다 — 거리(신호가 약해진다) × 벽(더 약해진다) × 사람 수(나눠 쓴다). 기술이 거짓말을 한 게 아니라, 광고가 세 조건이 전부 최고일 때를 적은 것입니다.

그래서 통신사의 진짜 원가는 속도가 아니라 밀도입니다. 사람이 몰리는 곳에 기지국을 더 세우는 일은 한 번 깔고 끝나는 게 아니라 계속 드는 돈이고, 요금제를 나누고 속도 제한을 두는 것도 결국 이 나눗셈을 관리하는 일입니다.

전파를 한 방향으로 모으는 법

안테나 하나는 사방으로 퍼뜨립니다. 여러 개를 늘어놓고 내보내는 시점을 조금씩 어긋내면, 어긋난 만큼 파가 한 방향에서만 서로 더해집니다 — 그게 빔포밍입니다.

빔이 좁을수록 그 방향에는 세게 가지만, 겨냥이 빗나가면 아무것도 안 갑니다. 그래서 5G 는 단말이 어디 있는지 계속 좇아야 하고, 그 좇는 일이 위 판의 부담으로 나타납니다.

파면과 빔 폭은 원리를 보이기 위한 것이고 실제 안테나 이득 계산이 아닙니다.