기계/조선

계측과 제어_Vol.62 2023.10 특집 (585~586)

무선 네트워크의 설계
무선 자원 및 에너지 자원을 최대한 활용

이동통신 시스템 가입자 수와 IoT(Internet of Things) 디바이스 수가 크게 증가하면서 가까운 미래에는 모바일 데이터량이 폭발적으로 늘어날 것으로 예상되고 있다. 하지만 무선통신에 적합한 주파수대인 낮은 주파수대(6GHz 이하)는 거의 기존 시스템에서 이용되고 있기 때문에 무선 자원 부족 문제는 심각한 상황이 되고 있다.

그 결과, 서로 다른 무선 시스템이나 셀 간에 같은 주파수를 동시에 이용하는 유저 및 디바이스의 수가 급증해 다수의 간섭과 패킷 충돌이 발생, 통신의 특성이 현저하게 열화되고 있는 상황이다. 이러한 상황 속에서 필자는 무선 자원 결여 문제 해결을 위해 차세대 이동통신 시스템과 무선 액세스 네트워크를 위한 무선 자원 할당, 그리고 간섭 제어법을 중심으로 연구해왔다.

프랑스에서 자란 필자는 파리 근교의 그랑제콜에서 공학을 전공. 무선통신에 관한 폭넓은 선진적 연구들이 활성화되고 있는 덴마트의 올보르대학에서 석사와 박사 학위를 취득했다. 석사 과정을 밟을 때 처음으로 무선통신 분야를 접하게 되었고, 강한 흥미를 느꼈다. 일본에 오게 된 계기는 박사 학위 취득을 위해 해외에서의 연구를 추천하는 올보르대학의 비용으로 교토대학에 반연간 유학을 오게 된 것이었다. 이후, 교토대학에서 박사과정 후 연구원과 조교를 거쳐 2016년에 국립정보학연구소(NII)의 준(准)교수에 취임했다. 국제성이 풍부한 NII는 해외나 다른 분야의 연구자들과 교류하기 쉽도록 조성된 오픈된 연구 환경이 매력적이다.

프랑스에서 교수가 되기 위해서는 박사 학위 취득 후에 최고 학위인 HDR(프랑스 교수 자격)이 필요하기 때문에 2017년에 HDR Thesis를 집필. 파리 싸끌레대학에서 논문 심사를 세계 각국의 저명한 전문가 7명의 심사위원에게 받고 무사히 HDR을 취득하게 되었다.

2020년에 이동통신의 최신 규격인 5G의 초기 서비스가 개시되었다. 4G까지는 주로 전송 속도 향상만이 중시되었지만, 5G에서는 저지연성과 고신뢰성, 다수의 IoT 디바이스와의 접속성 등 다른 지표도 중시된다는 점이 다르다. 또한 Beyond 5G(B5G)와 6G에서 요구되는 기술들의 레벨은 5G를 크게 뛰어넘는다.

예를 들어, 5G와 비교해 B6G의 전송 속도는 100배, 지연은 5분의 1이라는 높은 성능이 요구될 것으로 예상되고 있다. 또한 B5G에서는 에너지 이용 효율이 새로운 중요한 평가 지표가 되기 때문에 한층 더 장벽이 높다.

이러한 과제에 대해 필자는 랜덤으로 변동하는 무선통신 채널과 간섭 상황을 잘 활용해 시스템 전체의 성능과 유저가 요구하는 통신 품질, 주파수 및 에너지 이용 효율 등 상반된 성능 지표를 동시에 달성할 수 있는 우수한 무선 자원 할당법과 액세스 프로토콜 설계에 대해 연구. NII에 들어간 이후에는 크게 3가지 테마로 연구를 추진해왔다.

첫 번째는 B5G를 뒷받침하는 중요한 기술인 모바일 엣지 컴퓨팅(MEC)와 포그 무선 액세스 네트워크의 에너지 이용 효율 향상에 주목했다. 클라우드의 중앙 집중적 기능과 각 엣지 노드의 분산형 기능을 양립할 수 있는 간섭 제어법을 설계해 무선 통신 채널이 부정확한 경우에도 에너지 이용 효율을 향상시키면서 지연과 신뢰성을 함께 개선했다.

두 번째는 고효율 전력의 광역 IoT 시스템을 위한 무선 액세스 방식의 설계이다. 기존의 LoRa(Long Range) 통신 방식은 전력의 효율성은 높지만 전송 속도가 크게 느리고, 다수 접속에서는 특성이 크게 열화되는 것이 문제였다.

이를 해결하기 위해 나쁜 간섭 환경에서의 LoRa 전송 속도에 대한 이론 분석에 성공. 이것을 기반으로 LoRa 자원 할당의 최적화 방법을 제안해 지속 가능한 IoT 디바이스 수와 전송 속도, 공평성, 전력소비 등의 지표들을 동시에 개선했다.

세 번째는 AI 기능과 수리 최적화를 양립할 수 있는 무선통신 제어이다. NII는 간섭 환경이 동적으로 변동하는 분산형 무선 네트워크를 대상으로 각 유저 단말기의 AI 기능을 활용한 심층강화학습법을 확립. 이로 인해 시스템 전체의 저주파수대(서브 6GHz) 및 고주파수대(밀리미터파대)의 유효 이용을 달성할 수 있게 되었다. 보다 고밀도 환경에서의 전송 속도, 지연, 신뢰성의 동시 개선이 실현된 것이다.

이러한 연구들은 주로 프랑스의 파리 싸끌레대학, 오베르뉴대학, 사우디아라비아의 KAUST대학과의 국제 공동연구를 통해 추진되고 있다. 또한 작년에는 국제공동연구강화 프로젝트에도 채택되어 타 분야와 융합된 팀들과 함께 연구를 추진하고 있다. 산학 연계도 중시되고 있는 가운데, NTT와의 공동 연구 프로젝트도 6년간 지속. 4건의 특허가 등록되었으며, 7건이 출원 중이다.

B5G 이동통신 시스템과 차세대 무선 액세스 네트워크에 요구되고 있는 것은 다원적 성능 요구(전송 속도, 지연, 신뢰성, 다수 접속성 등)를 높은 레벨에서 동시에 제공하면서 전력의 효율성과 지속 가능성도 동시에 보증하는 것이다. 사회적으로도 코로나 사태 이후 여전히 리모트 워크에 대한 수요가 계속되고 있는 가운데 원격 교육, 원격 의료, 원격 간병 실현에도 필수적인 기술로써 요구될 것으로 생각한다.

필자가 이 연구에서 재미있다고 느끼는 것은 이론적 무선통신의 성능 분석에 실제 시스템의 조건이나 제약을 포함시킨 점이다. 이상적인 조건하에서의 성능 분석도 물론 중요하지만, 현실의 시스템에서는 복잡한 간섭 현상이나 불확실한 통신 채널 정보 등 다양한 요소로 인해 이상적 조건하에서의 성능 분석과는 차이가 있다.

보다 현실적인 조건을 이론 분석이나 수리 모델링에 도입해 이론과 실제 시스템의 차이를 조금이라도 줄여 효율적인 전력 및 고성능의 무선 네트워크 설계를 앞으로도 목표로 해나갈 계획이다.

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