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Nikkei Electronics_22.12 Emerging Tech (p72-77)

차세대 통신기술
KDDI 종합연구소, 6G 시대의 기술 공개
시계도 안경도 안테나로

KDDI 종합연구소는 22년 10월, 개발 기술에 대한 사전 초대전 ‘연구 프로젝트 소개 2022’를 개최하며, 5G의 다음, 즉 ‘Beyond 5G/6G’라고 부르는 차세대 통신 및 영상 부호화 기술의 개발 상황을 다수 공개했다. 초대전에서 특히 눈에 띄는 5가지 기술에 대해 소개한다.

처음 2개의 기술은 AR(증강현실)이나 메타버스라고도 부르는 네트워크 너머의 VR(가상현실)에 관련된 영상 부호화 기술이다. 그 중 하나가 2K나 4K의 고화질 영상을 엔드 투 엔드(E2E)에서도 저지연으로 전송하는 기술이다.

-- 1/10의 저지연을 수만 엔으로 실현 --
5G의 특징에 ‘1m(밀리) 초 이하의 초저지연’이 있는데, 이는 사실 무선구간, 즉 기지국과 사용자 단말 간의 전송 지연일 뿐이다. 단말, 기지국에서 네트워크를 통해 통신 상대의 단말까지 포함한 E2E에서의 지연을 1m초 이하로 하는 것은 어렵고, 실질적으로는 영상 데이터를 포함하지 않는 경우에 최소 30m~50m초의 지연이 있다.

영상의 부호화 처리나 복호 처리가 필요한 경우는 수백 m초에서 1초 이상 지연되는 일도 드물지 않았다. 저지연이 요구되는 게임이나 메타버스, 굴착기나 로봇 등의 기계를 원격 조작할 때는 이 지연의 크기가 과제가 되고 있다.

이번에 KDDI 종합연구소는 영상 데이터의 전송에서 E2E로 지금까지의 1/10 이하의 저지연을 실현하는 기술을 개발했다. 구체적으로는 2K 영상에서는 E2E(편도)로 35m초, 4K 영상에서도 70m초로 대폭적인 개선을 실현했다. 게다가 이것을 실현하기 위한 하드웨어는 민생 레벨의 제품만으로 실현해, ‘토탈 수만 엔’으로 기존에 비해 매우 저비용으로 실현할 수 있었다고 한다.

-- USB가 실은 보틀넥 --
실현 포인트는 크게 2가지다. 하나는 카메라와 디스플레이 인터페이스를 USB 등에서 저지연의 ‘MIPI CSI-2’ 규격 제품으로 변경한 점이다. KDDI 종합연구소에 따르면 일반적으로 사용되는 카메라의 인터페이스인 USB는 지연이 매우 커서 영상을 전송할 때 숨겨진 보틀넥이었다고 한다. 이 변경만으로 지연을 대폭 단축할 수 있었다.

두 번째는 영상 부호화의 처리 순서를 변경하거나 데이터 전송량을 줄이거나 하는 최적화를 실시하고, 또한 그 처리에 그래픽 처리 프로세서(GPU) 베이스의 하드웨어를 이용한 점이다. 다만 하드웨어는 미국 엔비디아의 내장 보드 ‘Jetson’으로 특별히 고비용은 아니다.

이것들 이외에도 복호 시의 버퍼를 작게 하는 등의 궁리를 하고 있는데, 이것은 종래 기술에서도 자주 사용되어 왔다. 네트워크 대역이 안정적일 경우에만 적용할 수 있는 방법이기는 하다.

-- 이미 원격 로봇에 적용 --
KDDI 종합연구소는 이 시스템을 이미 Telexistence(도쿄)의 원격 조작용 로봇에 적용해, 기존 편도 90m초였던 지연을 50m초로 단축할 수 있었던 것을 확인했다. 이로써 원격 조작의 스트레스를 대폭 경감할 수 있었다고 한다. 왕복 통신에서도 인간이 지연을 인지할 수 있는 한계로 여겨지는 100m초 이하의 지연이 실현 가능해지는 계산이다.

-- 점군 데이터량을 1/40으로 압축 --
또 다른 영상 부호화 기술은 3D 점군 데이터의 데이터량을 실시간으로 압축하는 점군 압축 기술(Point Cloud Compression, PCC)이다. 압축률은 1/40으로, 1G비트/초의 원 데이터를 25M비트/초로 압축할 수 있다고 한다.

메타버스에서는 인물이나 물체, 건물의 3D 모델화가 중요해진다. 일반적으로 이 모델화에는 LiDAR(Light Detection and Ranging) 등이 이용되지만, 그 출력 데이터는 지극히 방대해서 그대로 네트워크를 전송하는 것은 곤란한 케이스가 많다.

그래서 점군 데이터의 압축 기술이 중요해진다. 현재 이 기술은 국제적인 표준화가 진행되고 있지만 KDDI 종합연구소의 이번 구현은 “실시간 처리를 할 수 있는 기술로서는 세계 최초」(동사)라고 한다.

KDDI 종합연구소는 앞으로 PCC로 압축한 데이터의 데이터 형식을 점군에서 ‘메쉬’라고 부르는 3D 폴리곤을 베이스로 하는 Dynamic Mesh Coding(DMC)의 구현을 24년도를 목표로 진행할 계획이다. PCC와 DMC를 세트로 이용해 감으로써 메타버스의 보급에 탄력이 붙는다고 한다.

-- 6G에서는 기지국이나 단말이 '변신' --
다음의 두 기술은 6G 시대 기지국 및 무선 단말기에 관한 것이다. 구체적으로는 기지국이나 무선 단말기를 ‘가상화’하는 기술이다. 기지국의 가상화는 5G에서도 일부 시작된 변화다.

KDDI 종합연구소에 의하면 6G 시대를 위한 기지국의 가상화는 지금까지의 기지국에서 가동하고 있던 신호 처리 프로세서 등과 안테나의 분리로부터 시작된다. 신호 처리 프로세서군은 네트워크상의 서버, 즉 클라우드 등에 집약되어 ‘중앙처리국 또는 집약국(Central Processing Unit, CPU)으로 불리게 된다.

반면 안테나는 수가 매우 많아지기 때문에 지금보다 훨씬 고밀도로 배치되게 된다. 이는 무선 주파수가 밀리미터파나 테라헤르츠파 등이 되면서 전파 직진성이 높아지는 동시에 도달거리가 크게 짧아지기 때문이다. 사용자 입장에서 보면 안테나는 네트워크의 입구이기 때문에 ‘액세스 포인트(AP)’라고도 부른다.

-- 셀이라는 개념이 소멸 --
또한 AP가 고밀도로 설치된 6G 세계에서는 기존 기지국별 통신 범위인 '셀'이라는 개념이 필요 없어진다. 대신에 유저 주위의 복수 AP가 MIMO(Multiple Input, Multiple Output)의 안테나로서 기능하는 ‘Cell-Free Massive MIMO’라는 구조로 유저의 통신을 지지하게 된다. 통신의 주역이 기지국에서 유저로 바뀌는 것이다.

이 명칭 자체는 KDDI 종합연구소의 오리지널이지만, 전 세계에서 같은 생각을 하게 되면서 6G에 대한 큰 조류가 되고 있다고 한다. AP가 고밀도가 되면 AP간의 전파 간섭도 일어날 수 있는데, 이것은 빔 제어나 신호 처리 상의 아이디어 등을 통해 억제할 방침이라고 한다.

-- 이어폰이나 안경이 단말의 안테나 --
이러한 가상화는 유저의 무선 단말기에도 영향을 미친다. 스마트폰 등 유저의 무선 단말기 자체는 외형은 현재와 크게 다르지 않지만 역할 상으로는 기지국의 집약국과 다수의 안테나로 분리되는 것과 동일한 변화가 일어난다. 다만 당분간은 유저의 업로드 통신 전용의 변화이다.

구체적으로 유저 단말기의 전송 안테나는 유저가 착용하고 있는 이어폰이나 AR 글라스, 손목시계 등 주변기기가 담당하게 된다. 이것은 MIMO 베이스의 통신을 하는데 있어서 (1) 유저 단말 상에 다수의 안테나를 구현하는 것이 어렵다, (2) 유저 단말과 기지국과의 전망을 항상 확보하기 어렵다, (3) 유저 단말 1대로는 기지국까지 광대역 통신 가능한 업로드 통신 링크를 거는 것이 어렵다는 이유 때문이다.

-- 헤어핀도 안테나가 될 수 있다 --
유저 단말과 안테나 간은 대부분의 경우 단거리이기 때문에 이른바 테라헤르츠파로 연결한다. 한편, 안테나와 Cell-Free Massive MIMO의 AP간은 밀리파로 연결한다. 따라서 이들 주변기기는 중계 안테나로 볼 수도 있다.

유저가 몸 곳곳에 착용한 복수의 주변기기는 MIMO의 안테나인 동시에 기지국과의 전망을 확보하는 데도 도움이 된다. 주변기기는 예를 들면 머리핀이라도 좋다고 한다. “테라헤르츠파의 통신 모듈은 매우 작게 할 수 있기 때문에 헤어핀에도 탑재 가능하다. 다만 전원이 필요하고 고성능의 소형 배터리 개발이 필요할 것이다”(KDDI 종합연구소).

다만 이 가상화 단말은 아직 개발 도중이다. 현시점에서 KDDI 종합연구소는 실제 통신에 사용하는 안테나를 유저 단말 측에서 전환하는 스위치와, 테라헤르츠파 빔의 송신 방향을 안테나 별로 제어하는 멀티빔안테나를 개발한 지 얼마 되지 않는 단계다.

멀티빔안테나는 2mm 두께로 소형화할 수 있었지만 스위치는 아직 카스테라 과자 상자 크기다. 무선 주파수도 290GHz대로 엄밀히 말하면 테라헤르츠라고 할 수 없다. 보다 고주파로 하면 출력이 저하되면서 통신 거리가 크게 짧아지는 과제도 있다.

-- 인간과 닮은 방법으로 위치 추정 --
마지막은 VPS(Visual Positioning System)라 부르는 위치 추정 기술이다. AR이나 메타버스에는 필수적인 기술이다.

위치 추정 기술은 인공위성을 이용한 전지구위치추정시스템(GPS/GNSS) 기술이 보급되고 있는데, 이는 실외에서만 사용할 수 있는 데다 고층 빌딩이 즐비한 도시에서는 정확도가 크게 떨어진다. 또한 위치 정밀도를 1m 이하로 하려면, 기준국을 이용한 보정 정보가 필요하고, 단말 측에 위성으로부터의 데이터의 수신 기능과 함께 통신 기능도 필요하게 되는 등 다양한 비용이 대폭 상승한다.

한편 VPS는 인간이 지도에서 자신의 위치를 파악하는 프로세스에 가깝다. 구체적으로는 높은 정밀도의 3D 지도와 이용자 주위의 풍경이나 거리 사진을 대조해 위치를 추정한다.

이 3D 지도를 이용할 수 있는 한 스마트폰 1대로도 비교적 높은 정확도로 위치 추정이 가능하다. 실내에서도 사용할 수 있다.

그렇지만 역시 과제가 있다. 고정밀 3D 지도 제작에는 막대한 비용이 든다는 점이다. 한번 제작하면 끝이 아니라 건물 개축이나 도로공사 등을 할 때마다 지도를 다시 만들어야 한다.

-- 범용 3D 지도로 고정밀 추정이 가능 --
이번에 KDDI 종합연구소는 국토교통성이 제공하고 있는 오픈 데이터인 3D 도시 모델 데이터 ‘PLATEAU’ 등을 바탕으로 고정밀도 VPS를 실현하는 기술을 개발했다.

PLATEAU는 제작 당시는 고정밀도였지만 업데이트 빈도는 높지 않기 때문에 현시점에서는 그대로 VPS에 이용하려고 해도 상당히 낮은 위치 정밀도 밖에 얻을 수 없다. 그런데 KDDI 종합연구소는 한 번 추정한 위치 정보를 바탕으로 다음을 추정하는 식으로 추정을 몇 번 반복하면 정밀도가 비약적으로 향상하는 것을 발견한 것이다.

구체적으로는 우선 GPS의 조악한 위치 정보와 3D 지도를 바탕으로 그 위치에서 보이는 풍경을 그려낸다(렌더링한다). 그리고 그 풍경과 실제 주위의 사진 데이터를 대조하여 보다 정밀도 높은 위치나 자세를 요구한다.

그리고 그 위치와 자세를 바탕으로 더욱 풍경을 렌더링하는 프로세스를 반복하는 것이다. 이는 방정식을 컴퓨터에서 근사적으로 풀 때의 기법과 비슷하다. 최초 위치 추정이 어느 정도 정확하면 반복할 때마다 정확도가 높아지는 경우가 많다.

KDDI 종합연구소에 따르면 당초 위치 오차가 수m~수십m, 각도 오차가 10° 이상이나 될 경우에도 추정을 3회 정도 반복함으로써 1m 이상 그리고 1° 이하로까지 저감하는 일이 많다고 한다. 이 정밀도는 전용의 고정밀 3D 지도를 이용했을 경우와 같은 정도 이상이다. 3D 지도 제작이나 업데이트에 막대한 비용을 들일 필요가 없게 될 가능성이 나왔다.

이 방법의 과제는 추정을 반복해야 하기 때문에 결론을 내는 데 다소 시간이 걸리는 것이다. 현 시점에서는 10초 정도 걸린다. KDDI 종합연구소는 앞으로도 이 위치 추정 기술을 개선해 최종적으로 위치 오차를 50cm 이하, 추정 시간을 0.5초 이하로 만드는 것이 목표라고 한다.

-- 끝 --

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