수천만 개 기기 IoT 네트워크 동시 통신 기술 개발

수천만 개 이상의 사물인터넷(IoT) 기기들이 저전력으로 통신하게 하는 기술이 개발됐다.

KAIST(총장 이광형)는 전기및전자공학부 김성민 교수 연구팀이 천 개에서 수천만 개에 이르는 대규모 IoT 동시 통신을 위한 '밀리미터파 후방산란 시스템'을 개발했다고 28일 밝혔다.

밀리미터파 통신은 30-300㎓의 반송파 주파수 대역을 활용하는 통신으로 5G와 6G에서 도입을 준비 중이다. 10㎓ 이상의 넓은 주파수 대역폭을 확보할 수 있어 확장성이 좋다.

후방산란 기술은 기기가 직접 무선 신호를 생성하지 않고 공중에 있는 무선 신호를 반사해 정보를 전달하는 방식이다. 무선 신호 생성에 전력을 쓰지 않기 때문에 초저전력 통신을 가능하게 한다. 설치 비용을 적게 들여도 대규모 IoT 기기 간 광범위한 인터넷 연결을 제공할 수 있다.

연구팀은 밀리미터파 후방산란을 이용, 수천만 개의 IoT 기기들이 실내에 배치된 복잡한 통신 환경에서 모든 신호가 동시에 복조되도록 설계하는 데 성공했다.

대규모 통신을 실험하기 위하여 1,100개의 태그들이 동시에 발신하는 환경을 실험했다. 그래프에 모든 1,100개 태그들의 신호가 붉은색 삼각형으로 표시되어 있다. 이들이 충돌 없이 통신하고 있음을 확인할 수 있다. (자료=KAIST)

현재 밀리미터 후방산란 시스템은 장애물과 반사체가 많은 복잡한 통신 경에서는 쓸 수 없다. 밀리미터파는 주파수가 높아 신호 감쇄가 일어나며, 후방산란 시스템에서 반사 손실도 생기기 때문이다.

연구팀은 주파수 변조 연속파(FMCW) 레이더의 높은 코딩 이득에서 해답을 찾았다. 레이더의 코딩 이득을 유지하는 동시에, 후방산란 신호와 주변 잡음을 원천적으로 분리해내는 신호 처리 방법을 개발했다. 이를 통해 기존 FMCW 레이더보다 수신감도를 10만배 이상 높여 실용적 환경에서 통신이 가능하게 했다.

또 태그의 물리적 위치에 따라 복조된 신호의 주파수가 달라지는 레이더 특성을 활용해 위치에 따라 통신 채널을 자연적으로 할당 받는 후방산란 시스템을 설계했다. 이는 초저전력 후방산란 통신이 10㎓ 이상의 밀리미터파 주파수 대역폭을 전부 활용할 수 있게 해 수천만 IoT 기기들의 동시 통신을 지원한다.

이 시스템은 상용 레이더를 게이트웨이로 활용할 수 있어 쉽게 현장에 적용 가능하다. 10마이크로와트 이하의 초저전력으로 작동하기 때문에 코인 전지 하나로 40년 이상 쓸 수 있다.

연구팀은 다양한 장애물과 반사체가 설치된 사무실 환경에 무작위로 설치된 밀리미터파 후방산란 기기들의 통신이 가능함을 확인했다. 실험을 통해 총 1천 100개의 기기가 송신하는 정보를 동시에 수신하는 것이 가능함을 확인, 대규모 사물인터넷 구동을 검증했다.