[지금은 과학] 수천만개 사물인터넷도 잡음없이 동시에 통신한다

[아이뉴스24 최상국 기자] KAIST 전기및전자공학부 김성민 교수 연구팀이 천 개에서 수천만 개에 이르는 대규모 사물인터넷(IoT) 동시 통신을 위한 `밀리미터파 후방산란 시스템'을 개발했다고 28일 발표했다.

연구팀은 밀리미터파 후방산란을 이용해 수천만 개의 사물인터넷 기기들이 실내에 배치된 복잡한 통신 환경에서 모든 신호가 동시에 충돌없이 통신할 수 있는 시스템을 설계하는 데 성공했다고 밝혔다.

밀리미터파 통신은 30~300기가헤르츠(GHz)의 반송파 주파수 대역을 활용하는 통신으로, 5G·6G 등에 도입을 준비 중인 차세대 통신 기술이다. 넓은 주파수 대역폭(10GHz 이상)을 확보할 수 있어 높은 확장성을 제공한다.

후방산란 기술은 기기가 직접 무선 신호를 생성하지 않고 공중에 존재하는 무선 신호를 반사해 정보를 전달하는 방식으로, 무선 신호를 생성하는데 전력을 소모하지 않기 때문에 초저전력 통신을 가능하게 할 수 있는 기술이다.

5G/6G 네트워크의 핵심 구성 요소 중 하나인 사물인터넷 시장은 기하급수적인 성장세로 2035년까지 1조 개 이상의 기기가 생산될 전망이다. 대규모 사물인터넷 기기들의 인터넷 연결을 지원하기 위해 5G·6G 표준은 4G 대비 각각 10배·100배의 네트워크 밀도를 지원하는 것을 목표로 하고 있다.

따라서, 대규모 통신을 위한 실용적인 시스템의 필요성이 대두되고 있지만 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 연결을 제공하는 데 한계가 있다.

연구팀은 FMCW(주파수 변조 연속파) 레이더의 높은 코딩 이득을 그대로 유지하는 동시에, 후방산란 신호와 주변 잡음을 원천적으로 분리해내는 신호 처리 방법을 개발했다. 기존 FMCW 레이더보다 십만 배 이상 개선된 수신감도를 달성함으로써 실용적인 환경에서의 통신을 지원할 수 있게 됐다.

연구팀은 또한 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 지원할 수 있다.

연구팀은 또한 이번에 개발한 기술이 10마이크로와트(μW) 이하의 초저전력으로 작동해 코인 전지 하나로 40년 이상 쓸 수 있으며, 상용 기성품 레이더를 게이트웨이로 활용할 수 있어 적용하기도 쉽다고 설명했다.

KAIST 연구팀의 이번 성과는 5G/6G 등 차세대 통신에서 요구하는 네트워크 밀도를 훨씬 웃도는 연결성을 자랑한다. 초연결 사물인터넷 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 있다. 이 기술이 앞으로 도래할 초연결 시대에 사물인터넷의 보급을 위해 적극적으로 활용되길 기대한다"라고 말했다.

KAIST 전기및전자공학부 배강민 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 삼성미래기술육성사업과 정보통신기획평가원의 지원을 받아 수행됐으며, 모바일 시스템 분야의 최고 권위 국제 학술대회인 `ACM 모비시스 2022'에 지난 6월 발표돼 최우수논문상을 수상했다. (논문명: OmniScatter: extreme sensitivity mmWave backscattering using commodity FMCW radar)