KAIST, 수천만개 사물인터넷 동시 통신시스템 세계 최초 개발

기사입력 : 2022년07월28일 13:00

최종수정 : 2022년07월28일 17:29

무선 신호 반사해 정보 전달하는 방식
초연결 시대 속 IoT 보급 활성화 기대

[세종=뉴스핌] 이경태 기자 = 국내 연구진이 최대 수천만개에 달하는 사물인터넷(IoT) 기기를 동시에 통신할 수 있는 시스템을 개발했다. 이 기술을 통해 향후 초연결시대가 앞당겨질 것으로 기대된다.

한국과학기술원(KAIST)은 전기및전자공학부 김성민 교수 연구팀이 세계 최초로 1000개에서 수천만 개에 이르는 대규모 사물인터넷(IoT) 동시 통신을 위한 '밀리미터파 후방산란 시스템'을 개발했다고 28일 밝혔다.

밀리미터파 후방산란 기술은 대규모 통신을 지원하기 위한 기술이다. 밀리미터파 통신은 30~300기가헤르츠(GHz)의 반송파 주파수 대역을 활용하는 통신으로, 5G·6G 등 표준에서 도입을 준비 중인 차세대 통신 기술이다. 이는 넓은 주파수 대역폭(10GHz 이상)을 확보할 수 있어 높은 확장성을 제공한다.

대규모 통신을 실험하기 위해 1100개의 태그들이 동시에 발신하는 환경을 실험한 결과 [자료=한국과학기술원] 2022.07.28 biggerthanseoul@newspim.com

후방산란 기술은 기기가 직접 무선 신호를 생성하지 않고 공중에 존재하는 무선 신호를 반사해 정보를 전달하는 방식이다. 무선 신호를 생성하는데 전력을 소모하지 않기 때문에 초저전력 통신을 가능하게 할 수 있다. 이는 낮은 설치비용으로 대규모 사물인터넷 기기의 광범위한 인터넷 연결성을 제공할 수 있다.

연구팀은 밀리미터파 후방산란을 이용해 수천만 개의 사물인터넷 기기들이 실내에 배치된 복잡한 통신 환경에서 모든 신호가 동시에 복조되도록 설계하는 데 성공했다.

현재 밀리미터 후방산란 시스템은 밀리미터파의 높은 주파수에 따른 신호 감쇄와 후방산란 시스템의 반사 손실이 합쳐져 제한적인 환경에서만 통신이 가능하다. 다양한 장애물과 반사체가 설치된 복잡한 통신 환경에서 작동하지 않아 상대적으로 자유로운 설치가 필요한 대규모 사물인터넷 기기에 광범위한 인터넷 연결성을 제공하는 데 한계가 있었다.

연구팀은 주파수 변조 연속파(FMCW) 레이더의 높은 코딩 이득에서 해답을 찾았다. 레이더의 코딩 이득을 그대로 유지하는 동시에, 후방산란 신호와 주변 잡음을 원천적으로 분리해내는 신호 처리 방법을 개발해 기존 FMCW 레이더 대비 십만 배 이상 개선된 수신감도를 달성했다.

이는 실용적인 환경에서의 통신을 지원한다. 연구팀은 태그의 물리적인 위치에 따라 복조된 신호의 주파수가 달라지는 레이더 특성을 활용해 위치에 따라 통신 채널을 자연적으로 할당받는 후방산란 시스템을 설계했다. 이는 초저전력 후방산란 통신이 10GHz 이상의 밀리미터파 주파수 대역폭을 전부 활용할 수 있게 해 수천만 사물인터넷 기기들의 동시 통신을 지원한다.

개발된 시스템은 상용 기성품 레이더를 게이트웨이로 활용할 수 있어 적용 용이성이 높다. 연구팀의 후방산란 기술은 10마이크로와트(μW) 이하의 초저전력으로 작동해 코인 전지 하나로 40년 이상 구동 가능해 설치 및 유지보수 비용을 크게 줄일 수 있다.

김성민 교수 연구팀이 모바일 시스템 분야의 최고 권위 국제 학술대회인 `ACM 모비시스(ACM MobiSys)' 2022를 통해 지난달 이번 연구를 발표했으며, 최우수 논문상을 수상했다. [자료=한국과학기술원] 2022.07.28 biggerthanseoul@newspim.com

연구팀은 다양한 장애물과 반사체가 설치된 사무실 환경에 무작위로 설치된 밀리미터파 후방산란 기기들의 통신이 가능하다는 점도 확인했다. 실험을 통해 총 1100개의 기기가 송신하는 정보를 동시에 수신하는 것이 가능한 것을 확인해 대규모 사물인터넷 구동을 검증했다.

이번 성과는 5G·6G 등 차세대 통신에서 요구하는 네트워크 밀도를 훨씬 웃도는 연결성을 자랑한다. 이에, 이번 시스템은 향후 도래할 초연결 시대를 위한 디딤돌 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.

김성민 교수는 "밀리미터파 후방산란은 대규모로 사물인터넷 기기들을 구동할 수 있는 꿈의 기술이며 이는 기존 어떠한 기술보다도 더욱 대규모의 통신을 초저전력으로 구동할 수 있다ˮ며 "이 기술이 앞으로 도래할 초연결 시대에 사물인터넷의 보급을 위해 적극적으로 활용되길 기대한다ˮ고 말했다.

한편, 한국과기원 전기및전자공학부 배강민 박사과정이 제1저자로 참여한 이번 연구는 모바일 시스템 분야의 최고 권위 국제 학술대회인 'ACM 모비시스(ACM MobiSys)' 2022의 6월자로 발표돼 최우수논문상에도 올랐다.

biggerthanseoul@newspim.com

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