[U+Tech Story] 다가올 6G 시대의 핵심 기술 ‘Ambient IoT’에 대하여
안녕하세요, LG유플러스 CTO 기술표준팀 안춘수 책임입니다. 어렸을 때 저는 첩보 영화를 좋아해 종종 즐겨 봤는데요. 특히 동전같이 조그만 칩셋으로 위치를 추적 당하는 장면들이 나올 때면, 현대의 전자 기술이 너무 무섭게 느껴졌습니다.
무선 기기는 얼마나 작아질 수 있을까요?
나중에 무선 통신을 전공하니 이게 현실적으로는 불가능한 기술이라는 것을 알게 되었지만, 그 이후로는 영화에서 초소형 GPS 추적 장치 같은 것들이 나올 때마다 저런 제품을 한 번 써보고 싶다는 생각을 했습니다. 근데 지하철 안에서도 5G 스마트폰으로 4K 영상을 실시간 스트리밍 할 수 있는데, 어째서 몇십 년 동안 영화에 보이는 저런 작은 제품을 만들어내지 못했을까요?
사실 이유는 단순합니다. 모든 통신 기기는 전원이 있어야 동작하기 때문입니다. 통신 거리가 멀어질수록 더 큰 출력이 필요하고, 충분한 시간 동안 동작하기 위해서는 그만큼 탑재된 배터리의 용량도 같이 커져야 합니다. 물론 배터리를 다시 충전하거나 교체할 수 있는 방안도 있어야겠죠.
그런데 5G Advanced 표준에서 배터리 없이도 통신이 가능한 새로운 기술이 논의되고 있으니, 그것이 바로 Ambient IoT입니다. 여기서 ‘Ambient’라는 단어를 사용하는 이유는 말 그대로 주변 환경의 전파나 빛, 열 등으로부터 에너지를 수집하여 전원으로 이용하는 기술이기 때문입니다.그럼 우리의 일상생활을 더욱 편리하고 안전하게 만들어 줄 수 있는 Ambient IoT 기술에 대해 자세히 알아볼까요?
Ambient IoT의 동작 원리
Ambient IoT 단말은 기존 무선 기기와는 다른 특징이 두 가지 있습니다.
a) Backscattering: 신호를 전송할 때 직접 전파를 생성하지 않고, 수신한 전파를 반사하면서 정보를 실어 보냄
이 개념이 쉽게 이해되지 않을 수 있는데, 우리가 매일 사용하는 거울을 생각하시면 쉽습니다. 거울의 원리는 얇은 금속판이 가시광선을 흡수했다가 같은 파장으로 다시 반반사하는 것으로, Ambient IoT 단말의 안테나도 특정 주파수의 전파를 흡수했다가 다시 반사하는데요. 이때 전파의 흡수율을 높였다 낮추었다 하면서 반사되는 신호의 크기를 자체 조절하여 데이터를 전송합니다.
b) Energy Harvesting: 내장된 배터리 없이 주변 환경에서 에너지를 흡수하여 전원으로 사용
직접적으로 전파를 출력하지 않는 만큼 Ambient IoT 단말은 소모 전류를 극도로 낮출 수 있습니다. 전자계산기에 사용되는 소형 태양전지 등을 사용함으로써 재충전/교체가 필요한 배터리 없이도 동작할 수 있으며, 심지어는 주변의 전파를 흡수하여 이를 전원으로 사용하는 것도 충분히 가능합니다.
RFID와 차별화되는 장점
평소 IT에 관심이 있는 분들 중에는 앞에서 언급한 Ambient IoT의 특징들이 쇼핑몰 등에서 사용하는 RFID (Radio Frequency Identification)와 동일하다는 점을 눈치채신 분도 있을 겁니다.
RFID는 1) 바코드 스티커와 같은 여러 형태의 tag에 ID 등의 정보를 기록해 놓고, 2) tag가 RFID reader에서 전송 중인 전파의 도달 거리 내로 진입하여 응답하면, 3) 이를 전달받은 server에서 tag가 부착되어 있는 제품의 일련번호와 판매/대여 여부 등을 판단하여 결제를 진행하거나 도난 여부를 표시하는 등의 동작이 가능합니다.
수신한 전파를 반사함으로써 통신이 이루어지는 RFID의 특성상 통신 거리는 대략 10m 이내로 제한됩니다. 물론, 이는 단점이자 또한 장점입니다. RFID가 적용된 대부분의 서비스 시나리오에서는 이와 같이 충분히 가까운 거리로 접근한 tag의 ID만을 인식함으로써 재고 관리와 결제 등을 용이하게 해주고 있습니다.
그럼 RFID와 거의 동일한 기술인 Ambient IoT를 이동통신망에서 구현할 수 있을까요? Ambient IoT로 제공 가능한 서비스 시나리오 한 가지를 예로 들어 보겠습니다. 우리가 노트북이나 가방 등에 붙이는 캐릭터 스티커에 Ambient IoT tag가 들어 있다고 가정해 보면 아래와 같은 use case가 가능해집니다.
1) 고객이 Ambient-IoT tag(스티커)를 구입하여 원하는 물품에 부착한다.
2) 원격 분실물 찾기 서비스 이용을 위해 애플리케이션 서버에 tag 정보(tag ID) 등을 등록하고, 서비스 사용을 위한 요금제 및 네트워크 기능(위치, 센싱 등)을 선택한다.
3) 부착된 tag는 기지국을 통해 네트워크에 접속하여 원격 분실물 찾기 서비스와 통신한다.
4) Tag와 원격 분실물 찾기 서비스 간에 연결과 등록이 완료되면, 중요한 물품의 위치를 휴대폰의 애플리케이션을 통해 실시간으로 확인할 수 있다.
이 예시와 같이 전국에 걸쳐 구축되어 있는 이동 통신망의 기지국이 reader로 사용되는 Ambient IoT 기술을 이용하면, 제가 서두에서 얘기했던 영화 속 위치 추적기와 유사한 서비스가 스티커 한 장으로 가능해집니다. 물론 900미터의 통신 거리는 물리적으로 불가능하지만, 많은 수의 기지국을 통해 통신 가능 범위를 늘릴 수 있겠죠?
방금 예로 든 B2C 서비스 외에 물류와 재고 관리 등의 B2B 서비스, 재난 방지를 위한 센서 네트워크 구축 등의 B2G 서비스 시나리오까지, 모두 전국망 단위로 구축이 가능하므로 Ambient IoT의 활용도는 무궁무진합니다.
Ambient IoT를 통한 유비쿼터스 네트워크 구현
유비쿼터스, 정말 오랫동안 들어온 꿈같은 단어입니다. 과연 유비쿼터스 시대는 언제 올까요? 그리고 유비쿼터스라는 것이 정말로 우리에게 필요한 개념일까요?
믿으실지 모르겠지만 유비쿼터스는 점점 다가오고 있었습니다. 바로 IoT 기기들을 통해서 말이죠. 실제로 2018년 말부터 올해 6월까지 한국의 이동통신 가입 회선 통계를 확인해 보면, IoT 단말 수는 702만에서 2,563만으로 약 265% 증가했습니다. 동시점에 휴대폰 가입 회선 수는 고작 2% 증가했는데 말이죠.
우리의 삶이 더욱 안전해지고 편안해지기 위해서는 모든 사물이 네트워크에 연결되어 정보를 전달해주고, 실시간으로 그 사물들의 상태를 모니터링 할 수 있어야 합니다. 넓은 숲에 온도 센서를 광범위하게 깔아 산불을 예방하고, 모든 건물은 실시간으로 안전 진단을 할 수 있고요. 주기적으로 관리가 필요한 제품들은 크기와 위치, 전원의 유무와 관계없이 자체적으로 데이터를 전송할 수 있어야 하며, 이러한 모든 데이터의 수집과 관리는 네트워크를 통해 자동으로 이루어지게 할 수 있습니다.
그런데 이러한 모든 기능들이 현재의 이동통신 기술로 구현 가능한지 물어본다면 아직은 아니라고 대답할 수밖에 없습니다. 그리고 그 이유는 지금의 이동통신 기술의 태생이 IoT 단말이 아니라 휴대폰을 지원하기 위해 탄생했던 것에 있습니다.
a) 현재의 IoT 기술의 한계
현재의 IoT 기술은 명백한 한계가 있는데, 그것은 바로 기능이 너무 많다는 것입니다. 앞에서 언급했다시피 이동통신망은 휴대폰을 위하여 탄생했기에 생각보다 다양한 기능을 지원하고 있습니다. 예를 들자면, 이동통신망으로 항상 끊김 없는 통화와 데이터 전송이 가능하게 하지만, 이러한 서비스 시나리오가 IoT 단말에 꼭 필요하지는 않습니다. 그리고 휴대폰 USIM에 저장되어 있는 가입자 정보를 통해 단말기를 교체하더라도 인증과 이동성 지원이 가능한 반면, 이 또한 IoT 단말에 필수적이라고 할 수는 없습니다.
b) 근본부터 다른 Ambient IoT
Ambient IoT 단말에는 USIM이 없습니다. 따라서 가입자 인증 절차도 없으며, 이동 중에도 끊김 없는 데이터 전송과 같은 이동성 지원 또한 없습니다. 단지 자신의 ID와 작은 사이즈의 데이터를 전송할 수 있을 뿐입니다. 이렇게 정말 작고 단순한 단말이기 때문에 배터리 없이 주변의 전파를 에너지원 삼아 동작할 수 있는 것입니다.
Ambient IoT에는 총 3가지의 단말 타입이 있는데, 가장 먼저 에너지 저장 공간이 없고 독립적인 신호 생성 및 증폭이 불가한 타입 A, 그리고 에너지 저장 공간을 가지고 있고 이를 통해 반사하는 신호를 증폭할 수 있으나 독립적인 신호 생성은 불가한 타입 B, 에너지 저장 공간을 가지고 있고 독립적인 신호 생성이 가능한 타입 C의 총 3 가지입니다. 서비스 시나리오에 따라 적합한 타입의 단말을 선택할 수 있으며, 각 Ambient-IoT 단말 타입 별 요구사항은 위와 같으니 참고해 보세요!
매우 작지만 중요한 데이터를 전송하기 위하여 탄생한 Ambient IoT 단말은 제작하기 쉬울지 언정, 네트워크에 기능을 구현하는 것은 쉽지 않습니다. 왜냐하면 ID와 데이터를 매우 단순하게 전송만 하기에, 다량의 Ambient IoT 단말이 동시에 접속을 시도할 때 네트워크 트래픽을 효율적으로 제어하기 위해서는 반대로 기지국과 서버에 복잡한 기능이 구현되어야 하기 때문입니다. 현재 전세계의 많은 제조사와 사업자들이 Ambient IoT 라는 기술을 완성하기 위하여 노력하고 있으며, 이를 통해 5G Advanced, 더 나아가 6G에서는 진정한 유비쿼터스 네트워크가 구현되기를 기대해 봅니다.
Ambient IoT에 대한 보다 자세한 내용은 하단의 ‘6G 백서’ 콘텐츠에 알기 쉽게 정리되어 있는데요. 5G Advanced에서 진행 중인 Ambient IoT의 표준화 계획과 핵심 기술들, 상세한 use case 등을 확인할 수 있으니, 궁금하신 분들은 한번 다운로드하셔서 읽어 보시길 추천드립니다.
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