[기고] 5G 이동통신 시스템 융합 기술 ①
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[기고] 5G 이동통신 시스템 융합 기술 ①
  • 석주원 기자
  • 승인 2020.09.25 16:29
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초연결, 저지연을 기반으로 단절 없는 IoT 시스템 구축

[글=박세환 Ph.D.]
      기술법인 엔펌(ENF) 전문위원(Chief Consultant)
      용인시정연구원 비상임연구위원
      한국생산기술연구원 클린팩토리 구축진단전문가
      한국CCTV연구소 영상보안CCTV산업발전연구회 회
      한국산업기술진흥협회 ReSEAT프로그램 전문위원

 

사물지능통신, M2M(Machine to Machine) 기술에 이어 사물인터넷(IoT: Internet of Things) 기술이 5G 이동통신 시스템의 핵심 기술로 접목되면서 유비쿼터스(Ubiquitous) 및 초연결사회(hyperconnected society)를 구현하고 있다. 이를 통해 스마트 헬스케어, 스포츠 용품, 웨어러블 디바이스 및 식료품 등 다양한 분야에서 신 서비스들이 등장하고 있다. 이번 원고에서는 5G 핵심 융합 기술인 IoT의 3대 구성 요소(P2M(People-to-Machine), P2P(Peer-to-Peer), M2M(Machine-to-Machine))와 핵심 기술 및 기술 개발 동향, 파급 효과 및 시사점, 그리고 IoT 관련 주요 프로젝트에 대해 설명한다.

 

IoT를 구성하는 핵 기술

IoT는 크게 센싱 기술, 네트워킹 기술, 인터페이스 기술로 구성되어 있다. 이러한 IoT 핵심 기술을 효과적으로 실행시키기 위해서는 프로세스 관리 및 오픈 플랫폼 기술, 미들웨어 기술, 데이터 마이닝 기술, 웹 서비스 기술, SNS 등 매우 다양한 기술력이 필요하다.

센싱 기술
다양한 초정밀 센서(온도·습도·열·가스·조도·초음파 등)를 이용해 원격 감지, SAR(Synthetic Aperture Radar: 합성개구레이더), 위치 및 모션 추적 등을 통해 사물과 주위 환경으로부터 정보를 획득하는 IoT 센싱 기술이 확산되고 있다. 여기서 SAR은 공중에서 지상 및 해양을 향해 레이더파를 순차적으로 발사한 이후 레이더파가 굴곡면에 반사되어 돌아오는 미세한 시간차를 선착순으로 합성하여 지상지형도를 만들어내는 레이더 시스템을 말한다.

네트워킹 기술
WPAN(Wireless Personal Area Networks), Wi-Fi, 4G-LTE, Bluetooth, Ethernet, BcN(Broadband convergence Networks), 위성통신, M i c row a re, 시리얼 통신 및 PLC(Programmable Logic Controller) 등을 이용한 유무선 네트워킹을 통해 분산된 IoT 환경 요소들(인간·사물·서비스 등)을 서로 연결시켜 유비쿼터스 지향의 초연결사회를 구현하고 있다.

인터페이스 기술
IoT 서비스 인터페이스 기술은 IoT 네트워크를 통해 다양한 서비스(저장·처리·변환 등)를 제공하고 있다. 이러한 서비스를 구현하기 위해서는 정보 검출 기능, 위치 탐색 기능, 보안기능, Ontology 기반의 Semantic web 기능, 오픈 센서 기반의 API 기능, 서버 가상화 기능 등이 필수적으로 요구된다.

 

IoT 기술 개발 동향

IoT 하드웨어 분야에서는 칩, 모듈, 단말 등의 기술이 중요하며, 소프트웨어 분야에서는 플랫폼, 솔루션, 네트워크, 서비스 등이 주목받고 있다. 국내에서는 주로 소프트웨어 기술 분야의 제품 개발에 주력하고 있다. 플랫폼 및 솔루션 분야에는 멜퍼, 페타리, 브레인넷, 엔티모아 및 인사이드 M2M 등이 포지셔닝 되어 있으며, 네트워크 및 서비스 분야에는 국내 이동통신3사(SKT, KT, LGU+)가 포지셔닝 되어 있다.

5G 이동통신과 IoT 기술을 융합시키기 위한 제품 개발 동향을 살펴보면, 5G 이동통신 시스템 상용화 시점(2019년 4월)에 약 800억 개까지 증가한 사물을 연결하는 IoT 네트워크를 구현하기 위해 특정 사물이 주변 환경 정보를 수집할 수 있는 센싱 칩셋 기술이 개발되고 있다. 탐색 정보를 IoT 각 구성 요소들과 실시간으로 공유하기 위해 센싱 정보를 저장공유-배포할 수 있는 칩셋 형태가 대표적이다.

5G 이동통신 시스템과 IoT 기술 융합 관련 글로벌 기술 시장을 주도하기 위해서는 제품의 고부가가치화, 서비스의 확장, 제품의 고도 서비스화를 지향하는 제품 개발 및 마케팅 전략이 필요하다. 고부가가치를 창출할 수 있는 제품으로는 IoT 기술력을 적용한 기저귀, 초인종, 체중계, 애견목걸이, 슬리퍼 및 자물쇠 등이 있다. 이 외에도 나이키의 plus, 아마존의 Dash, 구글의 말하는 신발, 필립스의 휴(HUE) 등이 IoT를 활용한 새로운 제품화 및 마케팅 사례로 꼽힌다.

 

IoT 산업의 파급 효과와 시사점

IoT 기술은 1~2m 이내의 위치 오차 범위 안에서, 단절 없이 정확하고 안정적인 위치 탐색 서비스를 제공함으로써 생활 공간을 스마트하게 변화시켜가고 있다. 특히 실내 위치 측정 기술이 발전하면서 궁극적으로 실내 공간 구석구석의 매우 정확한 위치를 측정하고 있다. 이를 통해 스마트 미디어기기를 활용한 위치 기반 서비스를 이용하는 데에서 더 나아가 인터넷을 통해 실내의 다양한 사물을 제어할 수 있는 기반을 마련하고 있다. 실내 위치 측정 기술 기반의 IoT 구현 사례를 간단히 요약하면 [표 1]과 같다.

이러한 서비스들은 수년 전에 구현되었지만, IoT 기반의 정확한 실내 위치 측정 인프라가 개발되면서 상용화되고 있다. 이에 스마트 그리드 네트워크에서 IoT를 이용한 전력 탐지, 자율주행자동차의 안전 주행 등 다양한 산업 분야에서 IoT 기술이 적극적으로 활용되고 있다.

EC에서는 유럽 사회의 향후 당면 과제 해결에 중추적인 역할을 담당할 것으로 예상되는 IoT 관련 정책을 수립하고 있다. 정책결정자 및 관련 기업들이 사물인터넷의 잠재력과 파급 효과를 올바르게 이해하고 관련 산업의 발전을 도모하기 위해서는 IoT에 대한 신뢰 기반의 이성적이고 효율적인 수용 방식을 탐색하는 것이 무엇보다 중요하다.

기존의 인터넷 거버넌스를 참조하여 IoT 네트워크에 관한 정확하고 이해하기 쉬운 데이터베이스를 구축하고, IoT 산업 환경에 맞는 개인정보 보호 정책 등을 개발할 필요가 있다. 향후 IoT 관련 정책 수행 및 모니터링을 위해서는 빅데이터 문제를 해결하는 동시에 정보의 흐름을 수평적으로 변화시키는 것이 필요하다는 것을 시사하고 있다.

G20 국가들을 대상으로 실시한 사물인터넷 준비 지수(G20 Internet of Things Index IoT) 조사 결과에 의하면 미국이 1위, 한국이 2위에 랭크된 것으로 나타났다. 이는 사물인터넷 기술을 통해 새로운 비즈니스 모델을 모색하고자 시장에 진입하는 벤더들이 지속적으로 늘어나고 있다는 것을 시사하고 있다.

아울러 IoT 기술력을 세계화하려는 벤더들에게 유용한 지표가 될 것으로 보인다. IoT 산업을 활성화시키기 위해서는 IoT 구성 요소(시스템·플랫폼·네트워크)에 대한 다양한 보안 기술을 강화할 필요가 있다. IoT 환경에서의 빅데이터 처리 및 분석 기법 등에 대한 연구도 필요하다. 이와 함께 스마트홈 산업의 새로운 성장 동력으로 주목받고 있는 IoT 글로벌 경쟁력을 향상시킬 수 있는 전후방 핵심 지재권을 확보가 절실하다.

 

IoT-5G 접목 표준화 프로젝트

5G 이동통신 산업 활성화를 위해 정부 주도로 통신사와 제조사가 모두 참여하여 표준화 및 신규 서비스 개발 등을 논의하는 '초연결 포럼'이 설립되었다. 이 포럼에 참여하고 있는 ICT 관련 기업들은 향후 주요 분야 투자와 대/중/소 기업 간 상생 협력 등을 계획하고 있다. 이에 한국 경제의 성장과 수출을 주도해왔던 ICT 부문의 적극적인 투자를 통해 경제성장을 견인할 수 있는 기반 마련이 절실하다.

 

초연결 스마트 서비스를 위한 핵심 기술 개발 프로젝트

2014.03~2018.02(48개월)까지 400여 명의 전문 인력과 1432억 8600만 원의 거대 국가 예산을 투입하여 저지연(수msec 이하), 초광대역(사용자당 1Gbps급 전송 속도 제공), 이동형 스몰 셀, 근접 통신 및 스몰 셀 기지국 구현 등을 목표로 ‘초연결 스마트 서비스’를 구현하기 위한 5G 이동통신 핵심 기술 개발이 추진됐다. 과제 목표는 IoT 및 웨어러블 디바이스 등과 접목할 수 있는 기술 선도형 R&D를 추구하여 다음과 같은 목표를 구현하는 것이다.

기술 개발 목표

  • 촉각의 지연 민감도를 만족할 수 있는 수ms 이하의 저지연 전송 기술
  • 기존 최대 셀룰러 대역폭(100MHz)보다 넓은 초광대역 주파수 대역을 이용한 무선 전송 기술
  • 자율적인 단말 네트워크와 모바일 네트워크 간 연결이 가능한 이동형 개인 셀 기술

기술 개발을 통해 구현하려는 주요 기능

  • 짧은 TTI를 지원하는 프레임 구조 및 물리 채널 설정 기능
  • 저 지연을 위한 무선 제어 및 접속 기능
  • 대규모 안테나 시스템을 위한 하이브리드 빔 포밍(beam forming) 기능
  • In-band Full Duplexing 기능
  • 중첩 코딩(superposition coding) 기반의 하향 링크 NOMA 송수신 기능
  • SIC 기반의 상향 링크 NOMA 송수신 기능
  • 무선 링크 프레임 구조, 링크 운영 및 자원 할당 기능
  • 그룹 이동 관리 및 핸드 오버(hand-over) 기능
  • Multi-RAT Multi-Interface 전송 및 링크 운영 기능
  • 무선 링크 자원 효율성 증대 및 간섭 제어 기능 등

기술 개발을 통해 구현하려는 주요 기능

  • 짧은 TTI를 지원하는 프레임 구조 및 물리 채널 설정 기능
  • 저 지연을 위한 무선 제어 및 접속 기능
  • 대규모 안테나 시스템을 위한 하이브리드 빔 포밍(beam forming) 기능
  • In-band Full Duplexing 기능
  • 중첩 코딩(superposition coding) 기반의 하향 링크 NOMA 송수신 기능
  • SIC 기반의 상향 링크 NOMA 송수신 기능
  • 무선 링크 프레임 구조, 링크 운영 및 자원 할당 기능
  • 그룹 이동 관리 및 핸드 오버(hand-over) 기능
  • Multi-RAT Multi-Interface 전송 및 링크 운영 기능
  • 무선 링크 자원 효율성 증대 및 간섭 제어 기능 등

이 외에도 기술 상용화를 통해 다중 안테나 고집적을 위한 콤팩트 MIMO 기술 개발, 이동통신 스몰 셀 기지국 상용화 기술 개발, Gbps급 이동 무선 백홀 전송 기술 및 시스템 개발, 근접 거리 저 전력 비접촉식 데이터 순간 무선 전송 기술 개발 등 중소기업 육성을 위한 시장 지향형 R&D를 추구하고 있다.

또한, 한국전자통신연구원 주도의 무선 전송 기술 규격 및 실험 시제품을 개발하여 관련 산업체 및 연구소 등과 컨소시엄 테스트베드를 구축하고 각 기관의 협력 연구 개발을 추진하고 있다. 이를 통해 2015년 시장 선점형 상용화 제품 및 pre-5G 시제품 제작을 완료하였으며, 2017년에 5G 기술 검증을 위한 5G 시연 시스템을 구현했다. 2019년 4월에는 세계 최초로 5G 이동통신 서비스를 개시하게 되었다. 앞으로는 중소기업형 상용화 제품의 경쟁력 강화를 위한 지속적인 기술 개발이 필요하다.

 

oneM2M 표준화 프로젝트

각 국가별로 진행되어 오던 M2M 기술 표준화 작업을 통합해 글로벌 M2M 표준을 구축했으며, 이를 위해 oneM2M Partnership Project가 시작됐다. 이 활동 사항을 간단히 요약하면 다음과 같다.

  • 한국의 TTA(한국정보통신기술협회), 유럽의 ETSI, 북미의 ATIS와 TIA, 중국의 CCSA, 일본의 ARIB와 TTC 등 7개 정보통신 관련 표준화 기구의 회원사들이 참여해 M2M 서비스 계층의 공통 아키텍처 및 인터페이스 프로토콜 관련 국제 표준을 개발하고 있다.
  • 서비스 플랫폼 간 상호 연동 및 운용이 가능한 M2M/IoT 서비스 개발을 가능하게 함으로써 전 세계적으로 M2M/IoT 시장 확대 및 활성화를 도모하기 위한 목적으로 표준개발을 추진하고 있다.
  • 7개 표준화 기구에서 진행되어 오던 M2M/IoT 관련 표준 기술을 검토하여 oneM2M 표준 개발 방향을 결정했다.
  • oneM2M 조직은 운영위원회(Steering Committee) 아래에 기술위원회(Technical Plenary)가 있으며, 기술위원회 산하에 M2M 기술 영역별로 5개 워킹 그룹(Working Group, WG)으로 구성되어 있다. WG1에서는 M2M 서비스 사용자 케이스와 요구 사항, WG2는 아키텍처, WG3는 인터페이스 관련 프로토콜, WG4는 보안 관련 표준 기술, WG5에서는 장치 관리 및 추상화와 시맨틱 관련 표준 기술을 개발하고 있다.
  • 2014년 7월 말 제12차 기술위원회(Technical Plenary)에서 승인된 기고서 및 표준 개발 결과물을 기반으로 각 산업체의 의견 수렴을 위한 초기 버전(Release Candidate) 표준 문서를 2014년 8월 1일 배포한 바 있다.

국내의 경우 한국정보통신기술협회 주관으로 oneM2M 표준 기술에 대한 산업체 및 개발자들의 피드백을 거쳐 표준 기술의 완성도를 갖추어 관련 표준을 적용한 제품 및 솔루션들이 본격적으로 출시되고 있다.

 

ICT 분야 기술 발전을 견인하는 5G

5G 이동통신 시스템 개발과 관련된 기술로는 전후방 요소 기술(셀룰러 기술·핸드 오프 및 디지털 기술·GSM 기술·CDMA 기술·캐리어 묶음 기술 등), 5G 이동통신 시스템 개발에 필수적인 후보 기술(스몰 셀 기술·밀리미터파 기술·다중 안테나 기술·㎜Wave를 이용한 빔 형성 기술 등), 5G 이동통신 시스템과 접목될 수 있는 여러 융합 기술(M2M 및 실물지능통신 기술·사물인터넷 기술·웨어러블 디바이스 기술·NFC 기술·빅데이터 기술·클라우드 컴퓨팅 기술·서버 가상화 기술·SNS 기술·IPv6 기술·HTML5 기술 등)이 포지셔닝 되어 있다.

특히 5G 이동통신 시스템과 접목될 수 있는 다양한 융합 기술 중에는 4G-LTE A 기술이 태동하던 2013년 ICT 분야 10대 메가 트렌드 중 3대 기술(빅데이터를 통한 가치 창출, 클라우드 서비스 발전, SNS의 급성장)이 포함되어 있다. 이는 5G 이동통신 시스템의 발전이 ICT 분야의 3대 메가 트렌드를 견인하고 있다는 것을 의미한다.

5G 이동통신 시스템은 매크로 셀, 마이크로 셀, 스몰 셀 및 릴레이 등 다양한 형태의 셀과 통신방식들이 이용되고 있다. 아울러 매우 다양한 융합 기술들과 접목되면서 주파수가 혼재되어 매우 복잡한 상황이 전개되고 있다. 이러한 환경에서 대용량 MIMO 시스템 및 이동 펨토 셀 등은 주파수를 효율적으로 활용할 수 있는 매우 좋은 방법이 될 수 있을 것이다.

더욱이 주파수 효율성 문제는 모바일 통신에서 가장 중요한 자원으로, 셀룰러 네트워크에서 범용의 고속 데이터 전송 기술에 적용할 수 있어 지속적인 기술(성능) 개선을 위한 연구가 필요하다.



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