전기전자/정보통신

NTT기술저널_2021.9 특집 (p8-15)

5G evolution & 6G를 위한 NTT도코모의 대응
[5G evolution & 6G] [무선기술] [메타표면] [초커버리지 확장] [기지국 연계]

일본 국내에서는 20년 3월에 5G의 상용 서비스가 시작되었다. 그러나 지금 전세계에서는 차세대 이동통신시스템인 ‘6G’ 및 2030년대의 정보통신기술에 관한 검토 분위기가 높아지고 있다. 본 특집에서는 5G evolution & 6G를 위한 NTT도코모의 대응에 대해 소개한다.

Part 1. 5G evolution & 6G를 위한 NTT도코모의 대응
6G의 연구개발에 관한 국내외 동향이나 스케줄 전망 및 ‘도코모 6G 백서’에서 제안한 5G evolution & 6G의 콘셉트에 대해 개설한다.

Part 2. 5G evolution & 6G를 위한 투명 RIS기술의 연구
5G evolution & 6G를 위해 논의되고 있는 ‘New Radio Network Topology’에서 중요한 IRE(Intelligent Radio Environment’라는 콘셉트에 대해 해설한다.

Part 3. 5G evolution & 6G를 위한 NTT 기술의 연구
정지 위성, 저궤도 위성 및 고고도 플랫폼 등을 이용한 NTN(Non-Terrestrial Network) 기술이나, 소형 비행기를 이용한 상공 약 3km에서의 39GHz대 전파 측정 실험의 내용에 대해 해설한다.

Part 4. 5G 고도화를 위한 밀리파대 기지국 연계 기술에 의한 고속 이동 환경에서의 통신 성능 향상
디지털 신호처리로 빔을 생성∙제어하는 디지털 빔 포밍에 의한 밀리파대 기지국 연계 기술을 탑재한 실험 장치 및 옥외 전송 실험에 대해 해설한다.

Part 1. 5G evolution & 6G를 위한 NTT도코모의 대응

1. 머리말
이동통신시스템은 지금까지 약 10년마다 신세대 방식으로 진화하면서 발전해왔다. 1G에서 2G에 걸쳐(1980~90년대)서는 음성 통화가 중심이었고, 간단한 메일이 가능한 정도였다. 그러나 2000년대의 3G부터 사진, 음악, 동영상 등의 멀티미디어 정보를 누구나 통신할 수 있는 시대가 되었다. 2010년부터 서비스가 시작된 4G에서는 LTE(Long Term Evolution) 방식에 의한 100Mbit/s를 초월하는 무선통신기술이 스마트폰의 폭발적인 보급을 지원했다. 그리고 2020년 3월부터 국내에서는 5G 상용서비스가 시작되었고, 최대 통신속도는 4Gbit/s를 넘는 곳까지 나왔다.

5G에는 고속∙대용량, 저지연, 다수 단말 동시접속과 같은 기술적인 특징을 이용해 4G까지의 멀티미디어 통신서비스를 더욱 고도화하였다. 또한 AI(인공지능)나 IoT(사물인터넷)와 함께 지금까지의 산업이나 사회를 지원하는 기반 기술로서 새로운 가치 창출에 대해 많은 기대를 받고 있다. 특히 5G와 AI 기술의 조합은 실제 세계를 사이버 공간에 재현하고, 거기에서 ‘미래 예측’이나 ‘새로운 지식’을 획득하는 사이버∙피지컬 융합을 고도화한다. 이를 통해 다양한 산업 분야에서 신규 서비스나 솔루션의 창출로 이어질 것으로 기대한다.

이와 같은 동향은 30년대까지 계속할 것으로 보인다. 향후의 5G 고도화(5G evolution) 및 6G가 30년대의 산업이나 사회를 지원하는 기반 기술이 되도록 연구개발을 추진할 필요가 있다. 본고에서는 6G에 관한 국내외 동향이나 예상되는 스케줄 및 ‘도코모 6G 백서’에서 제안한 5G evolution & 6G의 콘셉트를 개설한다.

2. 6G 관련 동향과 스케줄
6G 논의의 시작은 5G 논의의 시작과 비교하면 세계적으로 이른 경향이 있다. 이는 5G에서의 세계적인 개발 경쟁의 영향에 따른 것으로 생각된다. 5G의 경우는, 20년의 8년 전에 해당하는 12년 무렵부터 서서히 국내외에서 검토 프로젝트가 생겨났다. 한편 6G의 논의는 핀란드의 오울루대학을 중심으로 하는 ‘6Genesis 프로젝트’처럼, 30년의 12년 전에 해당하는 18년 무렵부터 움직임이 발생했으며, 19년에는 미국에서도 당시 트럼프 대통령이 자신의 트위터에서 6G에 대한 대응을 강화하는 내용을 표명하였고, FCC(Federal Communications Commission, 미국연방통신위원회)가 테라헤르츠파를 연구 용도로 개방하는 내용을 공표하는 등 세계적으로 이른 시기부터 움직임이 보였다.

일본에서도 총무성이 20년 1월부터 Beyond 5G에 관한 종합 전략 책정을 위한 ‘Beyond 5G 추진전략간담회’를 만들어, 30년대 사회에서 통신인프라에 기대하는 사항이나, 그것을 실현하기 위한 정책의 방향성 등에 관한 로드맵을 공표했다. 20년 12월에는 6G를 위한 산학관 연계를 강화, 이를 적극적으로 추진하기 위해 ‘Beyond 5G 추진 컨소시엄’이 설립되었다.

NTT도코모에서는 17년 무렵부터 Beyond 5G에 관한 검토를 시작했다. 20년 1월에는 ‘도코모 6G 백서’의 초판을 공개하고, 현재 3.0판까지 업데이트하고 있다. 또한 국내외의 연구기관이나 주요 벤더도 Beyond 5G나 6G 관련 백서 등을 속속 발표하고 있어, 지금은 백서 러시라고 할 수 있는 상황이다.

앞으로는 30년까지 6G를 실현하기 위한 실증실험이나 국제표준화가 추진될 것으로 보인다.

3. 5G evolution & 6G로 목표하는 세계
이하에서는 ‘도코모 6G 백서’에서 제안한 5G evolution & 6G의 콘셉트에 대해 해설한다.

5G evolution을 거쳐 6G를 통해 실현하고자 하는 6개의 요구 조건은 (1) 초고속∙대용량 통신, (2) 초커버리지 확장, (3) 초저소비 전력∙저비용화, (4) 초저지연, (5) 초고신뢰 통신, (6) 초다접속&센싱이다. 이 조건들은 5G 성능을 더욱 높인 요구 조건을 포함함과 동시에 5G까지는 없었던 새로운 영역에 대한 도전도 추가, 보다 다양한 이동통신시스템으로 상정하고 있다. 이하에서는 각각에 대해 기대되는 유스케이스를 섞어서 개설한다.

(1) 초고속∙대용량통신
통신속도의 고속화 및 통신시스템의 대용량화는 모든 이동통신시스템 세대에 걸친 보편적인 요구 조건이다. 6G에서는 궁극의 빠른 통신속도 및 다수 유저가 그것을 동시에 누릴 수 있는 초대용량 통신의 실현을 생각할 수 있다. 구체적으로는 100Gbit/s를 넘는 통신속도 및 100배 이상의 초대용량화의 실현을 목표하고 있다. 통신속도가 인간의 뇌의 정보처리 속도 수준에 가까워짐으로써 단순한 영상 전송(시각∙청각)뿐 아니라, 현실의 오감에 의한 체감 품질의 정보 전송, 분위기나 안정감 등의 감각도 포함한 ‘다감(多感) 통신’과 같은 확장의 실현도 생각할 수 있다.

이와 같은 기존에는 없었던 초고속∙대용량 통신서비스를 구현화하기 위해서는 유저인터페이스도 ‘스마트폰’을 뛰어넘을 필요가 있다. 예를 들면, 3D 홀로그램 재생을 실현하는 디바이스나 안경형 단말과 같은 웨어러블 단말의 진화가 기대를 받고 있다. 또한 이와 같은 새로운 체감 서비스는 초대용량 통신을 통해 여러 유저 사이에서도 실시간으로 공유하며, 사이버 공간에서의 전신 감각이나 협조 작업 등 새로운 싱크로형 애플리케이션의 실현도 기대할 수 있다.

그리고 산업용 유스케이스나 사이버∙피지컬 융합 등의 트렌드를 고려하면, 다양한 실제 세계의 실시간 정보를 네트워크 상의 ‘두뇌’인 클라우드나 AI에 전송할 필요가 있다. 그렇기 때문에 업로드 링크에서의 대폭적인 고속∙대용량화가 특히 중요해진다.

(2) 초커버리지 확장
미래의 통신은 공기와 마찬가지로 있는 게 당연한 것이 되고, 또한 전력이나 물과 마찬가지로 혹은 그 이상으로 중요한 라이프라인이 될 수 있다. 때문에 6G에서는 모든 장소에서 이동통신 서비스를 누릴 수 있도록 서비스 구역을 최대로 확대하는 것을 목표한다. 세계의 육상 면적 커버율은 100%를 목표로 하고, 그 이외의 환경에서의 통신 구역의 구축이나 우주 비즈니스의 발전을 전망해, 현재의 이동통신 시스템이 커버하지 않는 하늘∙바다∙우주 등을 포함하는 모든 장소에 대한 커버리지 확장도 목표한다.

이를 통해 사람이나 물건의 활동 환경이 더욱 확대되고, 그로 인한 신규 산업의 창출도 기대할 수 있다. 예를 들면, 드론 택배와 같은 물류 유스케이스나 농업∙임업∙수산업과 같은 제1차 산업에서의 무인화나 고도화 유스케이스가 유망하다. 또한 장기적으로는 플라잉카나 우주여행, 해저여행 등 30년대의 미래적인 유스케이스에 대한 응용도 기대할 수 있다.

(3) 초저소비 전력∙저비용화
이동통신 시스템에서의 네트워크 및 단말의 저소비 전력 및 저비용화는 지구환경 문제 등을 배려한, 세계가 목표하는 지속 가능 사회의 실현을 위해 중요한 도전이 된다.

네트워크에서는 앞으로 더욱 통신량이 증가할 것으로 보고, 단위 통신 속도(비트)당 필요한 소비전력량이나 비용의 대폭적인 저감을 목표한다. 예를 들면, 통신 트래픽량이 100배로 증대할 경우의 설비 투자 및 운용 비용은, 비트당 비용을 100분의 1 이하로 줄이지 않으면 고성능화와 경제화를 양립시킬 수 없다.

또한 장기적으로는 무선 신호를 이용한 급전 기술의 발전이나 디바이스의 소비전력량 저감 기술을 통해 단말을 충전하지 않아도 되는 세계도 기대할 수 있다. 이는 사이버∙피지컬 융합의 고도화에 의해 센서 등의 단말 수가 증대하는 것과, 유저인터페이스가 웨어러블한 것으로 진화해 나가는 유스케이스를 상정하면, 보다 필요성이 높아진다고 볼 수 있다.

(4) 초저지연
사이버∙피지컬 융합에서 AI와 디바이스를 연결하는 무선통신은, 인간으로 비유하면 정보를 전달하는 신경에 해당한다고 할 수 있다. 실시간으로 그리고 인터렉티브한 AI를 통한 리모트 서비스를 보다 고도로 실현하기 위해서는 상시 안정적인 E2E(End to End)에서의 저지연이 기본적인 요건이 된다.

목표는 E2E에서 1ms 이하의 초저지연을 실현하는 것이다. 이를 통해 사이버 공간에서의 저지연 피드백에 의한 ‘위화감’이 없는 서비스를 실현할 수 있고, AI에 의해 원격 제어되는 기기나 로봇이 인간에 가까운, 또는 인간을 초월하는 뛰어난 동작이나 분위기를 읽어내는 대응이 가능한 세계도 기대할 수 있다. 예를 들면, 목소리 톤이나 표정 등의 정보에서 유저가 원하는 것을 순식간에 판단해서, 인간 이상으로 눈치 빠르게 대응하는 접객 등이 AI를 이용한 로봇의 원격 제어로 실현될지도 모른다. 또한 이와 같은 초저지연 통신에 의한 텔레워크, 원격 조작, 원격 의료, 원격 교육 등 다양한 분야에서의 응용을 기대할 수 있다.

(5) 초고신뢰 통신
산업이나 라이프라인을 위한 용도로 무선통신을 이용할 경우는 그 신뢰성이 중요한 요건이 된다. 특히 산업용 유스케이스 중에는 산업기기의 원격 제어나 공장 자동화 등 통신 품질이나 가용성이 안전성이나 생산성에 크게 영향을 미치는 것이 존재한다. 따라서 필요한 성능이나 안전성을 담보하기 위해 초고신뢰 통신의 실현은 중요한 요구 조건이다. 6G에서는 5G보다도 더 레벨이 높은 신뢰성이나 높은 보안성 실현을 기대할 수 있다. 5G의 초고신뢰∙저지연통신(URLLC: Ultra-Reliable and Low Latency Communications)에서는 신뢰도(Reliability)로서 99.9999%까지의 실현을 검토한다. 6G에서는 더 개선된 99.99999%를 목표치로 상정한다.

또한 현재는 ‘로컬 5G’처럼 공중망의 베스트 에포트(최선 노력)형 서비스와는 다른 산업용으로 특화된 네트워크(NPN: Non-Public Network)가 주목을 받고 있고, 공장 등의 한정된 구역에서의 URLLC 기술이 주로 검토되고 있다. 한편, 장기적으로는 로봇이나 드론의 폭넓은 보급이나 하늘∙바다∙우주 등에 대한 무선 커버리지 확대에 따라서 보다 광역에서의 고신뢰 통신의 실현이 요구될 것으로 생각된다.

(6) 초다접속&센싱
사이버∙피지컬 융합의 고도화로 인해, 사람이나 사물의 통신에 관련된 많은 디바이스가 보급될 것으로 상정된다. 5G의 요구 조건보다 10배(=㎢당 1000만 디바이스)인 다접속이 6G의 요구 조건이 될 것으로 보인다. 사람의 경우는 웨어러블 디바이스나 인체에 장착한 마이크로 디바이스를 통해, 사람의 사고나 행동을 사이버 공간이 실시간으로 지원하는 유스케이스를 생각할 수 있다. 그리고 자동차를 포함한 수송 기기, 건설 기계, 공작 기계, 감시 카메라, 각종 센서 등 모든 것이 사이버 공간과 연동해, 산업이나 교통, 사회 과제의 해결 및 사람의 안전하고 풍요로운 생활을 지원하는 세계의 실현을 기대할 수 있다.

또한 무선통신 네트워크 자신이 전파를 이용해 단말의 측위나 주변 물체 감지 등 실제 세계를 센싱하는 기능을 갖춰나가는 진화도 생각할 수 있다. 측위의 경우는 환경에 따라서는 오차 센티미터 이하의 초고정밀도의 실현을 기대할 수 있다. 무선 센싱에서도 전파와 AI 기술의 병용으로 고정밀도 물체 감지와 함께 물체 식별, 행동 인식 등을 실현하는 것도 기대된다.

4. 5G evolution & 6G에서의 무선 기술의 발전
과거의 이동통신 세대에서는 각 세대의 무선 액세스 기술(RAT: Radio Access Technology)을 상징하는 하나의 대표적인 기술이 존재했다. 그러나 4G 이후에는 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 방식을 베이스로 한 복수의 무선 기술의 조합으로 RAT가 구성되어 있으며, 확장적인 기술 발전을 이루었다. 이는 OFDM 방식을 베이스로 한 무선기술에서 이미 ‘샤논의 한계’에 가까운 주파수 이용 효율을 실현하고 있는 한편, 이동통신시스템에서 요구되는 요구 조건이나 주파수대 및 유스케이스는 계속적으로 확장되고 있기 때문이다.

따라서 6G에서는 5G evolution을 거쳐 더 많은 무선기술의 ‘조합’이 필요해진다. 또한 앞에서 말한 요구 조건이나 다양한 유스케이스를 실현해 나가기 위해 이동통신 이외의 기술도 포함한 ‘조합의 확장’에 대해서도 고려할 필요가 있다. 또한 5G는 LTE의 고도화와 NR(New Radio)의 조합에 의해 정의되었다. 그러나 5G의 NR은 장래의 새로운 기술 도입을 고려한 확장성이 뛰어난 설계로 되어 있기 때문에 6G의 RAT의 정의에 대해서도 앞으로 논의가 필요하다.

공간 영역의 분산 네트워크 고도화 기술(New Radio Network Topology)에서는, 가능한 한 가까운 거리나 손실이 적은 패스(path)에서 통신하는 것과, 가능한 한 다수의 통신로를 만들어 패스 선택의 여지를 많게 함으로써 초고속∙대용량화(특히 업로드 링크)나 무선통신의 신뢰성 향상을 추구한다. 공간 영역에서 분산된 무선 네트워크의 토폴로지를 구축하기 위한 분산 안테나 전개를 얼마나 경제적으로 실현할 것인가가 과제가 되었다.

비육상(NTN: Non-Terrestrial Network)을 포함한 커버리지 확장 기술에서는 정지 위성, 저궤도 위성 및 고고도 플랫폼(HAPS: High-Altitude Platform Station)의 이용을 시야에 넣음으로써 산간∙벽지나 해상, 우주공간까지 커버하는 것이 가능하다. 이미 3GPP에서는 이러한 위성이나 HAPS를 이용한 NR의 NTN에 대한 확장을 검토하기 시작했다.

또한 주파수 영역의 가일층의 광대역화 및 주파수 이용의 고도화 기술에서는 6G 전용으로 5G보다 더 높은 주파수대인 밀리파나 100~300GHz의 이른바 테라헤르츠파에 적합한 무선기술을 확립한다. 또한 그것들을 검토하는데 있어서 중요한 전파 전파(radio-wave propagation) 특성의 명확화, 전파 모델의 구축, 디바이스 기술에서의 과제 해결 등의 검토도 중요해진다.

무선통신 시스템의 다기능화 및 모든 영역에서 AI 기술을 활용하는데 있어서는 전파로 측정한 정보와 함께 영상이나 다양한 센싱 정보를 AI 기술로 해석하고, 무선통신 제어의 고도화, 고정밀도 측위 및 측거, 물체 검출, 무선 급전 등에 활용한다.

또한 6G에서는 네트워크 전체에서의 기능 배치의 최적화, 장치의 범용화도 고려하면서 계속 높아지는 장래의 요구 조건이나 빠른 시장 변화에 따라가기 위해 네트워크∙아키텍처의 발본적인 재고도 포함한 검토가 필요하며, 그 설계에도 많은 과제가 존재한다.

5. 맺음말
본고에서는 5G evolution & 6G에 관한 국내외 동향이나 스케줄 전망 및 ‘도코모 6G 백서’에서 제안한 콘셉트를 개설했다. 현재, Beyond 5G 추진 컨소시엄이나 국내외에서의 6G 관련 프로젝트를 통한 검토가 정력적으로 추진되고 있다. 앞으로도 계속 다양한 학계 관계자나 산학관의 6G 논의의 추진에 기여하고 싶다.

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