연세대 5G V2X 융합생태계 연구단 김동구, 김성륜, 김광순, 채찬병 교수 



연세대학교 5GV2X 융합생태계 (5GV2X Ecosystem Reseach Group, ERG) 연구단은 연세대 전기전자공학부와 글로벌 융합공학부를 중심으로 총 25명의 교수가 참여하여 이동체 기반의 5G 초지연 고용량 기술 개발 및 테스트 베드 구현을 연구하는 연구 그룹이다. 연구 그룹장인 김동구 교수는 민관협력 5G 포럼의 집행위원장이기도 하며, 2011년부터 5G 비전, 국제공동연구, 5G 프로모션을 국내외적으로 이끌어 오고 있다.

5GV2X ERG는 5G 타산업 융합원천 기술개발로 다음의 4가지 5G 타산업 핵심 전략사업을 선정했다. 김동구, 김성륜, 김광순, 채찬병 교수가 중심이 되어 밀리미터 웨이브 기반의 5GV2X기술, 5G 주파수 공유 기술, IoT 환경에서 촉감통신을 위한 초지연/고효율 기술, 이동체간의 가상현실 구현 5G기술, PriMO-5G (Virtual Presence In Moving Objects through 5G) 한유럽 국제 공동연구 등을 연구 개발하고 있다.

기술의 결과들은 지난 4년간 지속적으로 IEEE 저널과 Globecom에서 시연을 통해서 세계적으로 인정받고 있으며, 특히 이동체간의 가상현실 구현 5G기술은 한유럽 공동연구(H2020)로 진행하고 있다. 한국유럽 7개 대학교 5개 기업이 참여하고 있으며, 내년부터 2021년까지 연구 결과들이 전 세계에 발표될 예정이다. 4가지 타 산업 5G 테스트베드를 기반으로 국내 최초의 오픈 테스트 베드를 준비하고 있다. 5GV2X-ERG 그룹장인 김동구 교수로부터 현재 진행중인 5G 타산업 융합원천 전략기술 전망을 들었다.

 연구주제 1 
밀리미터 기반의 5G V2X 기술

_ 밀리미터 기반의 5G V2X는 어떤 기술인가?

자율주행 차량은 기본적으로 많은 세션들이 있습니다. 레이더, 라이더, 카메라 등이 장착이 되어 있습니다. 트래픽이 많지 않은 외곽 도로이거나, 고속도로와 같이 신호등이 없는 일정한 도로에서는 통신 기능 없이도 자율주행이 가능합니다. 2018년 3월에 캘리포니아 프리웨이에서 있었던 테슬라 X 차량의 사고는 고속도로 진입로에서 중앙분리대를 인식하지 못해 사고가 났습니다. 이처럼 자율주행 시험주행에서 센서에 오류가 발생하는 경우 사고로 이어집니다.

이런 경우에 5G V2X가 사고를 막을 수 있습니다. 센서가 중앙분리대를 인식하지 못하더라도 고속도로에 진입하면서 정밀지도를 빠르게 다운로드 받고, 차량이 자기 측위 정보를 갖고 있었다면 보다 안전한 주행이 됐을 것입니다. 그러나 현재의 V2X 기술로는 어렵습니다. 고용량의 정밀지도를 빠른 시간에 받기 위해서는 mmWave와 같은 광대역 전송이 필요합니다.

또한 생각 보다 GPS의 오류가 크고, 현재 LTE의 인프라 중심의 측위정보는 업데이트는 빠르지만 역시 오류가 큽니다. mmWave는 밴드폭이 넓어서 차량이 스스로 주위에 고정밀 측위가 가능합니다. 그리고 차량 간 고정밀의 측위 정보를 공유함으로서, 부정확한 차량의 측위 정보도 보다 정확하게 만들어줍니다. 5GV2X는 이렇게 고정밀의 측위 기술을 통해서 전송 기술 및 MAC 기술의 복잡도를 획기적으로 줄이는 기술입니다.

_ 어떻게 구현하는가?

연구단의 5GV2X 기술은 28GHz을 사용하고, RF 렌즈를 사용하는 Massive MIMO 기술을 사용합니다. 현재 BMW가 28GHz을 사용하는 렌즈기반의 레이더를 장착합니다. 우리는 이 레이더를 5GV2X로 보다 진보시키는 기술을 개발합니다. MIMO 기술은 신호를 한 방향으로 모아서, 빔성형을 합니다.

특히 28GHz는 통신 거리를 확보하기 위해서 빔성형 기술이 중요하고, 이를 위해서는 많은 수의 안테나가 필요합니다. 렌즈 MIMO 기술은 렌즈 자체가 빛을 모으는 특징을 이용해서 MIMO의 안테나수를 획기적으로 줄이면서, 송신 빔성형과 수신 빔성형의 하드웨어 및 소프트웨어의 복잡도를 획기적으로 줄입니다. 또한 MAC도 이런 고정밀의 측위기술을 기반으로 해서 새로운 V2X MAC를 제안을 하고 있습니다.

_ 현재 연구 초점을 어디에 두고 있나?

렌즈 MIMO에서 사용되는 렌즈는 여러 가지 형태가 있습니다. 하드웨어 부분은 차량에 특화된 완전한 평면 렌즈와 MIMO 송수신기를 개발에 초점을 두고 있습니다. 소프트웨어 부분에서는 정밀 측위 기반의 5GV2X MAC과 차량간 측위 정보를 주고받는 분산측위 기술개발에 초점을 두고 있습니다.

_ 앞으로 개선할 부분도 있는가?

차량에 특화되도록 렌즈 MIMO의 구조를 작게 만들면 좀 더 섬세한 빔성형에 유리하지만, 빔이 볼 수 있는 앵글의 범위가 좁아지게 됩니다. 이 경우 360°를 보기 위해서는 다수의 렌즈 MIMO가 필요하게 됩니다. 차량의 조건에 적합하도록 V2V, V2I 용으로 제작하는 것들이 아직 디자인 단계에서 고려 중에 있습니다. 또한 무선 자원을 통신용과 측위용으로 나눠야 하는데, 어느 정도로 나누는 것이 렌즈 MIMO 전송, MAC 및 측위에 어떤 영향을 주고 최적화해야 하는지 등의 실질적인 문제들을 해결하는 것이 가장 어려운 점입니다.

_ 향후 연구 계획은?

렌즈 MIMO 기반의 전송, MAC 및 측위는 V2V와 V2I 등의 환경에 맞게 설계가 되어야 하며, 현재 mmWave 차량용 채널에 대한 연구가 아직 진행중이어서, 특히 도심지역에서 실제 mmWave 차량채널에서 V2X에 대한 최적화에 많은 문제를 해결한 5GV2X 토탈 솔루션을 계획하고 있습니다.



 연구주제 2 
주파수 공유 기반 Beyond 5G 통신 기법 연구

_ 5G 주파수 공유 기술은 무엇인가?

5G 통신 시스템은 V2X, 스마트 공장, VR/AR 및 초저지연 통신 등 다양한 서비스와 각각에 알맞은 서비스 요구 조건들이 강화되는 특징을 보입니다. 이와 같이 다양한 서비스 및 요구 조건을 만족시키기 위해서는 많은 양의 주파수 자원을 필요로 하기 때문에 더 많은 양의 주파수 대역을 확보하고, 주파수 자원 사용의 효율성(SE)을 높이기 위한 노력이 특히 6GHz 이하 통신에서 필요합니다.

5G 주파수 공유 기술은 mmWave에 비해 전파 특성이 우월한 6GHz 이하 대역에서 시공간적으로 발생하는 유휴 대역을 파악하여 재사용하게 함으로써 주파수 자원의 활용도를 높이는 기술이며, 이와 같은 시스템을 K-CBRS(Korea-Citizens Broadband Radio Service)로 명명하여 개발하고 있습니다.

_ 어떻게 구현하는가?

높은 해상도(주파수 해상도 및 공간 해상도)로 주파수 자원의 사용 현황을 파악하여, 시공간 상에서의 주파수 재사용 가능성을 파악합니다. 주파수 재사용 가능성은 단순히 간섭량만으로 결정되는 것이 아니라, 서비스의 종류에 따라 달라질 수 있습니다. 높은 신뢰도를 필요로 하는 서비스는 간섭량이 매우 낮은 대역을 필요로 하지만, 다수 단말의 접속을 필요로 하는 서비스의 경우 간섭량이 다소 높더라도 넓은 대역폭을 확보하는 것이 중요할 수 있기 때문입니다. 이처럼 서비스의 종류에 따라 계층을 분리하여 서비스 별로 필요로 하는 요구 조건을 달성하며, 계층 별로 남는 주파수 자원을 타 계층으로 대여하는 방식을 통해 동적으로 주파수 자원을 활용할 수 있습니다.



_ 현재 연구상황은 어떤가?

현재는 센싱을 통해 파악한 주파수 접속 가능성(Opportunistic Probability; OP) 및 서비스 요구조건에 따른 다중 접속 제어 기법(Medium Access Control; MAC), 간섭 제어 기법을 연구하고 있습니다. 연구에서는 통신 효율 향상을 위해 간섭 상황에 따라 반이중통신(half duplex)과 전이중통신(full duplex)을 유연하게 선택하여 활용할 수 있는 유연이중통신(flexible duplex) 기법을 적용합니다. 유연이중통신의 적용은 기존의 반이중통신 네트워크에 비해 더욱 복잡한 간섭 상황을 야기하기 때문에 효율적인 간섭 제어와 접속 제어가 필요합니다.

_ 개선해야할 부분이 있다면?

넓은 주파수 대역의 사용 현황을 높은 공간 해상도로 파악해내는 것은 복잡도가 높은 작업이며, 데이터의 양 역시 방대합니다. 따라서 분산적 러닝 기법을 적용하여 주파수 접속 가능성을 각 계층별 서비스에 따라 가변적으로 분리 활용할 수 있도록 하여 복잡도를 낮추기 위한 연구를 진행 중입니다.

_ 향후 연구 계획은?

주파수 접속 가능성 파악 및 공유에 필요한 계산 복잡도를 낮춘 가변적 OP맵 운영 기법을 개발하고, 이를 바탕으로 각 서비스에 알맞은 MAC 설계와 서비스 별 계층 최적화를 수행하여 광대역 동적 주파수 접속 전용 통신 플랫폼을 개발 중입니다. 또한, 제안하는 기술이 적용된 기지국 프로토 타입을 제작하여 실제 시스템의 동작 가능성을 확인하고 상용화하는 것을 목표로 연구를 수행할 계획입니다.



 연구주제 3 
IoT 환경에서 촉감통신을 위한 초지연/고효율 기술

_ 촉감통신은 어떤 기술인가?

사물인터넷이 확산됨에 따라 종래에는 상상하지 못했던 다양한 형태의 서비스들이 생산되고 있는데요. 그 중 최근 가장 많은 관심을 받고 있는 것이 사람과 사물 간의 실시간 연결을 가능케하는 촉감 통신(Tactile internet)이 있습니다. 촉감통신이란 인간의 오감 중 지연시간에 가장 민감한 촉감 정보를 인터넷으로 제공해도 사용자가 어색함을 눈치채지 못할 정도로, 사용자 요청에 대해 극단적으로 짧은 반응시간을 갖는 유무선 통신을 의미합니다.지금까지의 무선통신기술로는 불가능했던 새로운 서비스를 제공할 수 있습니다.

촉감통신의 주요 서비스는 촉감정보를 교환하는 가상세계, 자동차/드론 등의 고속 이동체의 자동 제어, 실시간 상황 중계, 실시간 인터액티브 게임 등이 있습니다. 이러한 촉감통신 서비스를 실현하기 위해서는 무선 통신망이 빠른 응답속도를 가져야하고 (ultra-low latency), UHD(Ultra-high definition) 또는 3차원 홀로그램 등을 전송하기 위한 대용량 전송 용량을 가져야하며 (high spectral efficiency), 수많은 다양한 디바이스가 접속할 수 (massive connectivity) 있어야 합니다.

_ 촉감통신이 실제로 가능하기 위한 기술적 조건은?

촉감통신을 위해서는 센서와 작동기 간의 지연시간이 1ms이내가 되어야 하고 무선구간의 지연시간은 약 0.5ms 이내가 되어야 하는데요, 현재 상용화 되어 있는 4세대 이동통신 시스템인 LTE-A(Long Term Evolution Advanced)는 기지국-단말 종단간 지연시간이 50ms를 초과하여 촉감통신 구현이 불가능합니다.

또, 촉감통신을 위해서는 실감미디어를 전송받기 위해서 Gbps급 고효율 대용량 이동통신망이 필요하고, 다수의 사용자가 동시에 접속할 수 있어야 합니다. 따라서 사물인터넷 환경에서 촉감통신 서비스 실현을 위해서는 0.5ms이내의 기지국-단말 종단간 지연시간, LTE-A의 10배 이상의 셀당 주파수효율과 대규모 연결성을 제공할 수 있는 차세대 무선 다중 접속 기술이 필요합니다.

_ 연구팀의 핵심 기술은?

앞서 설명했던 촉감통신의 기술적 요구를 만족시키기 위한 통신 시스템의 물리계층 연구로 크게 두 가지의 웨이브폼과 다중접속 기술을 연구하고 있습니다. 하나는 기지국과 단말 사이의 링크 레벨에 적용 가능한 유니버셜 공간-주파수 분할 다중접속 기술로 기존의 웨이브폼 및 다중접속 방식의 자유도를 확장하면서 사용자 단말 별 필터를 사용하여 성능을 개선하는 기술입니다.

그리고 다른 하나는 무허가 다중접속 기술로 기존 시스템에서 단말이 통신을 하기 위해 자원을 요청하고 허가를 받는 단계를 미리 확률적으로 처리하여 생략시킴으로써 통신에 소요되는 지연시간을 줄이는 기술입니다. 이와 같은 차세대 다중접속 기술을 통하여 촉감통신의 기술적 요구사항들을 만족시킬 수가 있고, 우리가 손으로 느낄 수 있는 미세한 감각들을 짧은 지연시간 안에 무선으로 송수신하는 것이 가능하게 됩니다.

_ 연구팀의 연구 현황 및 계획은?

연구팀에서는 IoT 환경에서 촉감통신 서비스 실현을 위한 연구 기술들을 웨이브폼 기술과 새로운 다중접속 기술의 두 가지 기술 카테고리에 따라 개발 중이며, 이를 각각 웨이브폼 하드웨어 테스트베드와 다중접속 기술의 소프트웨어 테스트베드로 구현하여 기술의 성능을 정량적으로 검증하는 것까지를 목표로 연구를 진행을 했습니다. 이와 더불어 이전까지 연구하고 정립된 원천 기술들을 학술 논문과 특허의 형태로 성과를 내고 있으며, 연세대학교 기술지주회사를 통하여 기술이전을 추진하고 있고 국제 표준화 단체인 IEEE Standard Association P1918 Tactile Internet 에도 참여하고 있습니다.

총괄적으로 앞으로 어떤 방향으로 연구를 이어갈 것인가?

5G가 4G와 IoT 관련 기술과 차별이 되는 것은 미션 크리티컬을 요구하는 산업체의 요구사항을 만족한다는 점에 있습니다. 특히 B5G 와 6G에서의 변화는, 빅데이터를 언제 어디서나 실시간적으로 수집하고, 머신간의 컴퓨팅과 인간과의 촉감통신을 연계되어서, AI 기반의 주위를 인지하는 능력이 높은 디바이스들이 많이 등장할 것으로 생각합니다.

따라서 기존의 사람을 연결하는 통신보다는 사물과 사물, 사물과 사람 간을 연결하는 메시지와 통신방식의 또 다른 패러다임 변화가 기대됩니다.

이런 연구들은 시뮬레이션만 해서는 어렵고, 5G 타산업 테스트 베드를 구축하고, 이를 오픈하여서 여러 use-case들을 시험해 볼 수 있어야 합니다.

유럽 등 해외에는 대학에서 5G 네트워크를 통신사업자과 장비사업자과 같이 구축을 하고 다양한 use-case를 시험하고 있습니다. 영국의 경우는 3개의 대학에서 5G 시범 네트워크를 운영하고 있다. U. of Surrey는 5G 무선접속 기술 테스트 베드, U. of Bristol에서는 5G 스마트 시티 테스트 베드를, KCL (King’s College of London)에서는 초지연 5G 테스트 베드를 운영하고 있습니다.

연구단에서도, 연세 캠퍼스 내에 5G 네트워크 구축을 목표로 하고, 5G 네트워크 내에 현재 4개의 타산업 테스트 베드를 연계 구축을 목표하고 있습니다. 다양한 분야의 기업들이 5G 테스트 베드를 통해 자체기술을 테스트 할 수 있게 된다면 5G 사업의 기회를 높일 수 있을 것이라 생각합니다.