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1895호2019.5.8.

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ICT 신기술 최신 ICT 이슈

1895호

기획시리즈 2

실내 환경에서의 밀리미터파 5G 솔루션

[임태호/호서대학교]

Ⅰ. 서론

Ⅱ. 실내 환경에서의 밀리미터파 특성

Ⅲ. 실내 환경에서 밀리미터파를 이용한 5G 솔루션

IV. 결론

ICT 신기술 13

6세대 이동통신을 위한 Sub-THz 전송기술

[길계태 양대근* 이주용* 우경민** 김훈** 성락주** 조동호/한국과학기술원]

Ⅰ. 서론

Ⅱ. Sub-THz 대역 채널 특성

Ⅲ. Sub-THz 안테나 기술

Ⅳ. Sub-THz 송수신기 기술

Ⅴ. 공간다중모드 전송 기술

Ⅵ. 결론

최신 ICT 이슈 26

Ⅰ. 테슬라의 차량용 컴퓨터와 반도체 발표에 조바심 내는 엔비디아

Ⅱ. 스페인 프로축구 ‘라 리가’, 넷플릭스와 경쟁 위해 인텔 및 MS와 협력

Ⅲ. PwC 컨설팅, e-스포츠 선수 대상 보안 엔지니어 전환 교육 준비

Ⅳ. 착용형 로봇의 미니 버전 외골격 수트, 스포츠 영역 확산에 의해 급성장 전망

2 www.iitp.kr

주간기술동향 2019. 5. 8.

임태호

호서대학교 조교수

급격히 증가하고 있는 무선 데이터의 수요와 함께 4k 비디오, 클라우드 서비스, 가상/증강 현실

등의 기술 발전으로 보다 빠르고 좋은 연결성에 대한 요구가 커지고 있다. 2018년 Cisco의

조사에 따르면 월별 무선 데이터 트래픽은 2022년까지 약 800억 기가바이트로 증가할 것으로

예상되는데, 이는 2017년과 2022년 사이에 연평균성장률이 46%에 이르는 놀라운 성장인 것이

다. 이러한 폭발적인 트래픽의 증가에 대처하기 위해서는 밀리미터파 대역을 이용한 5G 통신

서비스가 필수적이다. 또한, 통계치에 따르면 4G 모바일 서비스의 80%가 실내에서 제공되고

있다. 따라서 대용량, 고품질의 실내 5G 통신 서비스가 매우 중요하다는 것을 알 수 있다. 본

고에서는 다양한 문헌들을 참고하여 대용량 서비스를 위해 필수적인 밀리미터파 대역을 이용한

5G 통신 기술에 대해서 살펴본다. 특히, 실내에서의 밀리미터파 5G 통신 기술 및 서비스에 대해

서 심도있게 다룬다.

I. 서론

2019년은 5G의 해라고 말해도 과언이 아니다. 우리나라 이동통신 3사는 2019년 4월 3일 세계

최초로 5G 통신 상용 서비스를 시작하였고, 최근 5G 이동통신 기술이 적용된 스마트폰도 출시되고

있다[1].1) 미국의 통신사 버라이즌도 4월 4일 5G 상용 서비스를 시작하였으며, 일본은 2020년

도쿄올림픽에서 5G의 대대적인 상용화를 준비하고 있으며, 중국도 2020년 전국 상용화를 위해

다양한 정책을 펼치고 있다. 이렇게 기업뿐만 아니라 국가들이 정책적으로 지원을 하는 이유는 어마

어마한 시장가치 때문일 것이다. [그림 1]과 같이 5G 통신 기술이 가지는 초고속, 초저지연, 초연결

의 특징으로 인해 초고화질 영상, 실감형 콘텐츠, 자율주행, 스마트팩토리, 디지털 헬스케어, 스마트

* 본 내용은 임태호 교수(☎ 041-540-9642, [email protected])에게 문의하시기 바랍니다.

** 본 내용은 필자의 주관적인 의견이며 IITP의 공식적인 입장이 아님을 밝힙니다.

1) 2019년 4월 3일 오후 11시 국내 이동통신 3사는 갤럭시S10 5G 스마트폰을 세계 최초로 개통하였음

실내 환경에서의 밀리미터파 5G 솔루션

기획시리즈 – 5G

정보통신기획평가원 3

홈과 오피스, 스마트시티 등 다양한 비즈니스 기회가 부상할 것이고 그 시장가치는 예상치보다 높을

지도 모르겠다[2].

[그림 2]와 같이 폭발적인 이동통신 데이터 트래픽 증가를 고려하여 5G는 6GHz 이하 대역과

28GHz 또는 39GHz와 같은 밀리미터파 대역을 고려하고 있다. 우리나라에서도 이를 고려하여

[표 1]과 같이 통신사별로 대역폭을 할당하였으며, 이제 막 상용화에 들어간 5G는 3GHz 대역에서

SKT와 KT는 100MHz 대역폭을, LGU+는 80MHz 대역폭만을 이용하여 서비스를 시작한 것이다

[3]. 그러므로 ITU(국제전기통신연합)에서 제시한 5G 이동통신(IMT-2020) 기술의 핵심 요구사항

<자료> 삼정KPMG 경제연구원, Samjong INSIGHT, Vol.63, 2019.

[그림 1] 5G의 3대 특징과 기대효과

<자료> Cisco VNI Mobile, 2019.

[그림 2] 이동통신 데이터 트래픽 증가 추이 및 전망

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주간기술동향 2019. 5. 8.

[표 1] 국내 이동통신사별 5G 주파수 경매 결과 (단위: 억 원)

에는 많이 미치지 못하는 수준의 서비스인 것이다. 향후 28GHz 대역에서 800MHz 대역폭을 사용

하게 되면 진정한 대용량의 5G 서비스가 가능하게 될 것이다.

그러나 밀리미터파를 이용한 이동통신 기술은 많은 어려움이 있다. 먼저 높은 경로 손실 발생에

의해서 3GHz 대역과 같은 상대적으로 낮은 대역에 비해 기지국의 반경이 매우 짧아지게 된다.

기존 4G LTE에 비해 매우 많은 기지국이 설치되어야 함을 의미한다[4]. 그리고 대부분 시멘트

및 벽돌과 같은 대부분의 건축 자재에서 매우 높은 신호 감쇠가 발생하며 반사된다. 이와 같은 밀리

미터파의 특성 때문에 4G LTE와 같이 전국 어디에서나 밀리미터파를 이용한 5G 서비스를 받는

것은 향후에도 매우 어려운 도전일 것이다. 이러한 관점에서 밀리미터파를 이용한 5G를 실내에서

활용하는 방안에 대해서 활발하게 연구되고 있다.

본 고에서는 먼저 실내 환경에서의 밀리미터파의 특성에 대해서 살펴본다. 그리고 실내 환경에서

밀리미터파를 이용한 5G 서비스를 위해 고려해야 할 사항들에 대해서 알아본다. 다음으로 실내에서

밀리미터파 5G 서비스를 위해 고려되고 있는 스몰셀과 DAS(Distributed Antenna System) 기술

에 대해 비교하여 설명하고 결론을 맺도록 하겠다.

II. 실내 환경에서의 밀리미터파 특성

Cisco사의 통계에 따르면 4G 모바일 서비스의 80%가 실내에서 이루어지고 있다[5]. 넷플릭스

와 같은 모바일 스트림 방송의 확대, AR/VR 서비스 등과 같은 대용량의 다변화된 5G 모바일 서비

구분입찰자

대역별 총액SKT KT LGU+

3.5GHz대역

세부내역 3.60~3.70GHz 3.50~3.60GHz 3.42~3.50GHz29,960

1단계: 27,1042단계: 2,856낙찰가

12,1851단계: 9,6802단계: 2,505

9,6801단계: 9,680

2단계 : -

8,0951단계: 7,7442단계: 351

28GHz대역

세부내역 28.1~28.9GHz 26.5~27.3GHz 27.3~28.1GHz

낙찰가2,073

1단계: 2,0722단계: 1

2,0781단계: 2,072

2단계: 6

2,0721단계: 2,072

2단계: -

6,2231단계: 6,216

2단계: 7

총계 14,258 11,758 10,167 36.183

<자료> 과학기술정보통신부 보도자료, 2018. 6.



스를 고려할 때, 이 수치는 더 높아질 것으로 예상된다[6]. 따라서 대형 빌딩, 대형 쇼핑몰 등과

같은 실내 환경에서의 대용량 5G 서비스는 이동통신사업자들의 핵심 경쟁력이 될 수 있다. 그리고

매우 높은 전파 손실로 실외에서 셀 커버리지가 1km 이내로 한정된다면 5G 서비스를 실내에 적용

하는 것이 더욱더 현실적일 것이다. 본 절에서는 먼저 실내 환경에서의 5G 서비스 시나리오에 대해

살펴본 후, 밀리미터파를 이용할 경우 고려할 사항을 살펴보기 위해 실내 밀리미터파 특성에 대해서

자세히 살펴보도록 하겠다.

1. 실내 환경에서의 5G 서비스와 요구사항

[그림 3]과 같이 5G 스펙트럼은 2~6GHz 대역과 2GHz 이하 대역 및 6GHz 이상 대역(예; 24.25

~29.5 및 37~43.5GHz)의 주파수를 조합하여 사용할 수 있다[7]. 2GHz 이하 대역에서는 넓은

커버리지가 필요하면서 적은 양의 데이터 서비스가 필요한 사물인터넷 서비스 등에 적절하다.

2~6GHz 대역에서는 기존 4G와 유사하거나 더 높은 전송량을 보이면서 유사한 커버리지가 필요한

서비스에 유용하다. 특히, 4G와 함께 서비스되면서 기존 4G 모바일 서비스의 속도를 높이는데

주로 활용될 수 있다. 6GHz 이상의 밀리미터파 대역에서는 통신 커버리지는 작지만 매우 높은

전송량이 필요한 서비스가 주로 사용될 것이다.

[표 2]는 VR 네트워크 요구사항을 정리한 표이다. 높은 전송속도가 요구되는 VR/AR 서비스나

<자료> Huawei, 5G Spectrum, 2017.

[그림 3] 5G 스펙트럼과 서비스

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주간기술동향 2019. 5. 8.

홀로그램, 고용량 영상 스트리밍 등은 대부분 실내에서 이루어진다. 또한, 많은 기기가 연결되고

고화질 비전시스템이 동작하는 스마트팩토리와 많은 사람들이 모이게 되는 대규모 쇼핑몰 등은 대부

분 실내 환경이다. 실제로 4G 서비스의 트래픽 중 80%가 실내에서 이루어졌다.

[표 2] VR 서비스 네트워크 요구사항

이러한 실내에서의 5G 서비스를 위한 요구사항을 정리하면 [표 3]과 같다. 5G 실내 서비스를

위해서는 수 Gbps가 기본적으로 제공되면서 셀 경계에서 100Mbps 다운 링크 속도, 1ms 대기

시간, 2.5Mbps/m2 트래픽 밀도 및 99.999% 신뢰도를 지원할 것이 요구된다.

[표 3] 실내 5G 서비스를 위한 요구사항

Downlink Uplink

Service

VR Cloud VR

HD VideoPre-VR

Entry-level

Advanced UltimateEntry-level

Ultimate

Resolution4k/30frames

8k/30frames

12k/60frames

24k/120frames

1080p/60 to 90

frames

6600x6600/120

frames

2k/30 frames

Coding rate

16Mbps 64Mbps 279Mbps 3.29Gbps70Mbps to 130Mbps

Approx. 5Gbps

6.7Mbps

Data rate 25Mbps 100Mbps 419Mbps 4.93Gbps100Mbps

to 150Mbps

Approx. 6.5Gbps

10Mbps

<자료> Indoor 5G Networks White Paper, HUAWEI, 2018.

Requirements

Cell edge rateDownlink: >=100Mbps

Uplink: >=10Mbps

Traffic density2.5Mbps/m2(densely-populated indoor scenarios)

0.5Mbps/m2(general indoor scenarios)

Connection density 1 connection/m2(1million connections/km2)

Latency 1ms

Positioning accuracy 1m to 3m

Reliability 99.999%

<자료> Indoor 5G Networks White Paper, HUAWEI, 2018.



2. 실내 환경에서의 밀리미터파 특성

앞에서도 언급했듯이 5G에서 대용량 서비스를 위해서는 밀리미터파 대역을 사용하는 것이 필수

적이다. 28GHz 대역에서는 약 1.3GHz 대역폭, 39GHz 대역에서는 약 1.4GHz 대역폭을 사용할

수 있다. 그러나 밀리미터파 대역의 전파는 물체의 반사 및 회절 특성이 낮은 대역과 다르며 경로

손실 및 흡수 손실 또한 매우 높다. 실외에서 실내로 전달되는 신호의 세기가 매우 약해진다.

먼저 28GHz 대역에서의 경로 손실에 대해서 살펴보도록 하겠다. [그림 4]는 LoS(Line of

Sight) 환경에서 동일한 전력으로 무지향성 안테나를 이용하여 전송한 경우의 자유 경로 손실을

표시한 그래프이다. 그래프에서 10미터에서 2GHz 대역에서는 약 58dB의 경로 손실이 발생했으

나, 28GHz 대역에서는 약 81dB의 경로 손실이 발생한 것을 확인할 수 있다. 10미터의 짧은 거리

에서도 약 20dB 이상 많은 손실이 발생하는 것을 알 수 있다.

[그림 5]는 다양한 매질에 따른 신호 감쇠의 정도를 표시한 그래프이다[8]. 소프트한 매질의 경우

15dB 이내의 신호 손실이 발생한 반면 벽돌, 시멘트 벽, 코팅된 유리 등과 같은 매질에서는

20~50dB의 매우 큰 손실이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 실외에서 송신된 신호를

실내에서 사용하는 것이 거의 불가능하다는 것을 알 수 있다. 그러므로 5G 밀리미터파 대역 서비스

를 위해서는 실내를 위한 솔루션이 필요하다.

<자료> 호서대학교 자체작성

[그림 4] 1~3GHz 대역과 27~30GHz 대역에서의 자유 경로 손실

8 www.iitp.kr

주간기술동향 2019. 5. 8.

III. 실내 환경에서 밀리미터파를 이용한 5G 솔루션

현재 4G에서는 실내 서비스를 위해서 DAS(distributed antenna systems) 네트워크가 대학,

스타디움, 호텔, 쇼핑몰, 공항, 지하철 등 대규모 공간에 활용되고 있다[9]. 특히, 대형 빌딩에서

DAS 네트워크가 가장 활발히 활용되고 있다. 이와 함께 5G에서는 스몰셀 기술이 실내 서비스를

위해서 활발하게 논의되고 있다. 본 절에서는 실내 밀리미터파 서비스를 위해 활용 가능한 DAS와

스몰셀 기술에 대해서 살펴본다.

1. DAS 기술

[그림 6]과 같이 기존 4G에서는 대부분 Passive DAS를 주로 사용해 왔다. Passive DAS는

설치 비용이 비교적 적게 들기 때문이다. 기존 Passive DAS 네트워크를 5G로 전환하려면 새로운

MIMO 안테나 패널이 필요하므로 여러 개의 동축 케이블을 기지국에 설치해야 하는 문제점이 있다.

또한, 밀리미터파 대역 소자들의 신호 감쇠 효과가 크기 때문에 기존 동축 케이블을 이용한 DAS를

<자료> Nokia, Towards Making 5G a Reality, 2016.

[그림 5] 다양한 물체 재질에 따른 밀리미터파 신호의 감쇠량



밀리미터 대역에서 사용하기에는 적합하지 않다. 그러므로 밀리미터 대역에 DAS를 사용하기 위해

서는 광 DAS를 이용할 수 있다. 밀리미터파를 이용한 5G DAS를 위해서 다양한 연구가 진행되고

있으며, 특히 주목할 만한 연구가 국내 ETRI에서 진행되고 있다[10]. 국내 ETRI에서 진행되고 있는

연구는 “5G 이동통신을 위한 아날로그 IFoF(Intermediate Frequency over Fiber) 기반 Indoor

DAS 기술 개발” 과제로써 모바일 데이터 신호를 아날로그로 변환하지 않고 중간 주파수 기반의

아날로그 파형으로 전송하여 디지털 샘플링에 의한 용량 증가 없이 실내 환경에서 5G 서비스를

<자료> Alcatel-Lucent, Indoor Solution, 2013.

[그림 6] DAS 네트워크 구조

<자료> Joonyoung Kim, Minkyu Sung, Eon-Sang Kim, Seung-Hyun Cho, and Jong Hyun Lee, “4×4 MIMO architecture supporting IFoF-based analog indoor distributed antenna system for 5G mobile communications”, Optics Express,vol. 26, issue 22, pp. 28216-28227, 2018.

[그림 7] 4×4 MIMO를 고려한 IFoF 기반 실내 DAS 구조도

10 www.iitp.kr

주간기술동향 2019. 5. 8.

경제적으로 제공할 수 있는 기술이다. IFoF 기술은 기저대역 모바일 데이터 신호를 중간 주파수에

매핑 및 다중화하여 전송함으로써 부가적인 디지털/아날로그 변환 및 디지털 프레이밍 처리 과정

없이 경제적으로 전송할 수 있으므로 실내 DAS에 적용하면 신호 왜곡을 최소화하면서 경제적으로

설치하는데 효과적이다.

2. 스몰셀 기술

[그림 8]은 스몰셀 네트워크 구조를 보여준다. 스몰셀이란 10미터~수백미터의 소출력 커버리지를

가지는 저전력 무선접속 기지국을 의미한다. DAS와 마찬가지로 스몰셀은 광섬유 전송 네트워크와

여러 무선 액세스 포인트로 구성된다. 그러나 DAS와 달리 기지국 RF 신호를 광섬유로 브리징하는

광섬유 트랜스폰더(BIU)는 필요 없게 된다. 스몰셀은 BTS 장치에 직접 연결되거나 일반적인 게이트

웨이 또는 EPC에 연결될 때 공통 공용 무선 인터페이스(CPRI)를 사용한다. 게이트웨이 또는 EPC

를 사용하여 코어에 연결하면 이더넷을 사용한다. CPRI를 사용하여 연결된 스몰셀은 RF 트랜시버

및 안테나가 존재하게 된다.

이와 같은 스몰셀 기지국을 실내에 설치하게 되면 실내 음영지역을 해소하면서 최대 전송 용량

증대와 단위 면적당 전송 용량 증대 및 서비스 체감 데이터 전송률 제공 등이 가능해진다. 최대

전송 용량 증대는 송수신 안테나 수의 증가, 코딩 기술 등을 높임으로써, 단위 면적당 전송 용량

증대는 스몰셀 기지국의 셀 크기를 줄여 주파수 재사용률을 높임으로써, 그리고 서비스 체감 데이터

전송률 제공은 정확한 위치 측위와 빔포밍을 통해 최적의 전송을 함으로써 가능해진다.

5G 스몰셀 기지국을 위한 모뎀 개발은 퀄컴과 인텔이 진행 중에 있다. 삼성전자는 퀄컴이 제공하

는 밀리미터파 대역과 6GHz 이하 대역을 동시에 지원하는 FSM100xx 모뎀을 이용하여 5G 스몰셀


[그림 8] 스몰셀 네트워크 구조도



솔루션을 2020년에 생산할 것이라고 발표하였다. 2020년이면 밀리미터파 대역을 제공하는 5G

스몰셀 서비스를 체험해 볼 수도 있을 것이다[11].

3. Hybrid DAS

Hybrid DAS는 수동 및 능동 시스템의 특성을 결합한 실내 솔루션이다. 기존 4G에서 활용된

Hybrid DAS는 신호 분배를 위해 일부 광섬유를 사용하지만 대부분의 신호 분배에는 수동 동축

케이블을 사용한다. RRU는 안테나와 분리되어 있어 시스템이 광섬유 케이블과 동축 케이블을 사용

하여 건물 전체에 신호를 분배할 수 있다. Hybrid 시스템은 중형 공간 또는 비정상적인 신호 문제에

대한 좋은 솔루션이다. 밀리미터파 대역을 활용한 5G에서는 안테나별로 1Gbps 이상의 전송이

가능하므로 동축 케이블을 사용하는 것은 부적합하다. 그러므로 동축 케이블이 아닌 광섬유를 이용

해야 할 것이다.

[표 4]는 4G/LTE 시스템을 이용하여 다양한 실내 환경에 따라서 스몰셀과 다양한 DAS 타입에

따른 비교를 한 표이다. 레스토랑이나 공장과 같은 단일 층에는 스몰셀이 적합하며 높은 빌딩이나

대규모 쇼핑몰과 같은 경우에는 DAS 시스템이 비용적으로 효과적임을 알 수 있다. 이처럼 실내

환경에서 커버리지와 비용적인 측면에서 효율적인 5G 밀리미터파 서비스를 위해서는 설치하고자

하는 실내 환경을 잘 고려해야 할 것이다.

[표 4] 다양한 실내 환경에 따른 스몰셀과 DAS의 비교

구분

Small To Medium

Floor Building

(Restaurant, Shop)

Large Single

Floor Building

(Factory)

2~5 Floor

Building

5~10 Floor

Building

10~20

Floor

Building

Over

20-Floor

Building

Airport,

Shopping

Malls

Indoor small cell 1 1 to 2 2 to 4 per floor depending on storey size, morphology and capacity

Node B wiith

DASNot cost effective

Not cost

effective1 Sector 1~2 Sector 2~4 Sector >4 Sector >4 Sector

RRH with DAS Not cost effectiveNot cost

effective1 RRU 1~2 RRU(*) 2~4 RRU(*) >4 RRU(*) >4 RRU(*)

FR repeater with

DASif low traffic Insufficient capacity

if low

traffic

DAS typeSmall to mdeium area or 1~5 floors: Passive DAS

Large area and more than 5 floors: Active DAS


12 www.iitp.kr

주간기술동향 2019. 5. 8.

IV. 결론

밀리미터파 대역에서의 이동통신 서비스는 매우 도전적인 일이다. 그러나 5G에서 요구되는 대용

량의 서비스를 위해서는 꼭 필요하며, 이동통신 데이터 트래픽의 80% 이상을 차지하는 실내에서는

필수적인 기술이다. 밀리미터파 대역 5G 서비스가 실내에서 이루어진다면 4k/8k 고화질 동영상

스트리밍, 홀로그램 데이터 송수신, VR/AR 스트림 서비스 등을 끊김 없이 자유롭게 사용할 수

있을 것이다.

이러한 시대를 열기 위해서는 실내 DAS와 스몰셀 기술이 밀리미터파 대역에 맞게 서비스되어야

할 것이다. 밀리미터파 대역 5G를 위한 실내 DAS 서비스를 위해서는 광 프론트앤드 기술의 개발과

함께 관련 아날로그 소자의 성능 향상이 시급한 상황이다. 스몰셀의 경우에는 3.5GHz 대역의 경우

상용화가 되었으나 밀리미터파 대역용 모뎀 및 안테나 등에 대한 개발은 업계에서 활발하게 이루어

지고 있으므로 실내 밀리미터파 대역 채널 특성을 잘 파악하여 설치 방안에 대한 연구가 함께 이루어

질 필요가 있다. DAS와 스몰셀 기술이 밀리미터파 대역용으로 하루빨리 개발되어 실내 환경 및

요구사항과 비용에 따라 적합하게 설치되고, 이를 통해 실내에서 끊김 없는 대용량 서비스를 체험하

는 미래를 기대해 본다.

[ 참고문헌 ]

[1] 매일경제, “세계최초 5G…한국 3일밤 전격 상용화”, 2019. 4. 4.

[2] 삼정KPMG 경제연구원, “5G가 촉발할 산업 생태계 변화”, 2019. 2.

[3] ZDNet Korea, “이통 3사 ‘5G 주파수 경매 결과 만족’”, 2018. 6. 18.

[4] Qualcomm, “Mobilizing 5G NR Millimeter Wave:Network Coverage Simulation Studies for Global

Cities,” 2017. 8.

[5] Cisco, “Cisco VNI Forecast and Trends, 2017-2022,” 2018.

[6] HUAWEI, “5G-Oriented Indoor Digitalization Solution White Paper,” 2017. 11.

[7] HUAWEI, “5G Spectrum Public Policy Position,” 2017.

[8] Nokia, “Towards Making 5G a Reality,” 2016. 11.

[9] Alcatel-Lucent, “Small Cells and Distributed Antenna Systems,” 2013.

[10] Joonyoung Kim, Minkyu Sung, Eon-Sang Kim, Seung-Hyun Cho, and Jong Hyun Lee, “4×4

MIMO architecture supporting IFoF-based analog indoor distributed antenna system for 5G

mobile communications,” Optics Express, Vol.26, issue 22, 2018, pp.28216-28227.

[11] LightReading, “Qualcomm & Samsung to Work on 5G Small Cells,” 2018. 10. 23.

ICT신기술


*

길계태* 양대근* 이주용** 우경민*** 성락주*** 김훈**** 조동호****

한국과학기술원 연구원 *

한국과학기술원 팀장 **

한국과학기술원 박사과정 ***

한국과학기술원 교수 ****

I. 서론

우리나라는 2018년 6월 3.42GHz에서 3.7GHz 사이의 280MHz 주파수 자원과 26.5GHz에서

28.9GHz 사이의 2.4GHz 주파수 자원을 5G 주파수 자원으로 할당하여, 2019년 4월 세계 최초로

5G 이동통신 상용 서비스를 시작하였다. 한편, 5G 표준 규격에서는 기존의 셀룰러 대역(450MHz~

6GHz)에서 밀리미터파 대역(24.25~52.6GHz)을 수용하고 있다[1].

5세대 이동통신 기술의 상용화와 함께 최근 10년 후를 준비하는 6세대 이동통신 기술에 대한 연구

가 시작되고 있다. 특히, 6세대 이동통신을 위한 sub-THz 무선통신에 대한 연구는 EU Horizon

2020 프로그램의 지원을 받고 있는 TERRANOVA 프로젝트[2]와 TERRAPOD 프로젝트[3]가 대

표적이다. TERRANOVA 프로젝트에서는 무선 백홀, 프런트홀과 함께 고정형과 이동형 무선 액세

스를 정의하고, 이 네트워크를 통해 광네트워크 수준의 QoE를 제공하기 위한 Tbps 무선 접속을

위한 시스템 요구사항 문서[4]와 시스템 구조 문서[5]를 2017년 9월과 10월에 각각 발표하고,

THz 무선 액세스 및 시스템 기술을 연구하고 있다. 한편, IEEE에서는 2014년 3월, IEEE 802.15.3d

Task Group을 승인하고 252~325GHz 대역에서 최대 100Gbps의 PHY 전송속도와 수 cm에서

수백 m의 거리를 지원하는 기술을 연구하여 2018년 10월 세계 최초의 300GHz 대역 무선통신표

준 IEEE 802.15.3d-2017을 발표한 바 있다[6].

5세대 이동통신 기술은 높은 중심 주파수를 활용하여 사용 대역을 넓힘으로써 용량 증대를 달성

하고, 빔포밍을 활용함으로써 공간 자원의 활용성을 극대화할 수 있다. 6세대 이동통신에서는

* 본 내용은 이주용 팀장(042-350-7117, [email protected])에게 문의하시기 바랍니다.


6세대 이동통신을 위한 Sub-THz 전송기술

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100GHz 이상의 주파수 대역에 대한 활용이 예상되고 있으며, 활용 주파수는 5G 대비 10배 이상

증대될 수 있고, 공간 자원의 활용 가능성이 더욱 커질 수 있을 것으로 예상된다. 본 고에서는 6세대

sub-THz 대역 활용을 위한 채널 특성과 요소 기술들에 해당하는 안테나, 그리고 전자 소자 기반과

광 소자 기반의 송수신기 기술에 대한 현재 기술 동향을 살펴본다. 또한, 밀리미터 대역에서는 빔내

에 용량 증대를 위해서 편파를 활용하는 방안이 가능하지만 sub-THz 대역의 활용 시에는 단말의

용량 증대를 위해 공간다중모드의 활용이 가능할 것으로 전망됨에 따라 공간다중모드의 한 형태인

OAM(Orbital Angular Momentum) 전송 기술의 동향과 향후 활용 가능성에 대해서 살펴본다.

II. Sub-THz 대역 채널 특성

무선채널 특성에 대한 정확한 식별은 새로운 주파수 대역에 적합한 웨이브폼(waveform)과 멀티

플렉싱 방식을 포함한 PHY 및 MAC 기술을 개발하기 위해 선행되어야 하는 과제이다. 수신신호의

세기는 Propagation Loss와 Shadowing 특성, 그리고 Scatterer들의 분포, Penetration Loss

등을 포함한 무선채널 특성에 의해 결정되는데, sub-THz 대역에 있어 현재까지의 연구 결과는

LoS 환경의 Propagation Loss와 Shadowing에 대한 측정 및 모델링에 집중되어 있다[7]-[10].

Sub-THz 대역의 채널은 공기 중의 수증기와 산소 분자에 의한 전파 흡수, 즉 Molecular

Absorption과 Molecular Radiation에 의해 수신신호 세기와 잡음온도가 결정되는 것이 저주파

대역과 구별되는 특징이다. 이 중 분자 흡수에 의해 propagation loss에 대하여는 ITU-R P.676

문서 [11]에 1THz까지의 무선채널 특성이 제시되고 있으며, 분자 흡수에 의한 잡음온도에 대한

<자료> Attenuation by atmospheric gases, Rec. ITU-R P.676-10, 2013.

[그림 1] Sub-THz 채널의 propagation 특성

ICT신기술


연구결과가 [12]에서 보고되고 있다.

Sub-THz 무선채널은 [그림 1]과 같이 주파수에 따른 감쇄가 크기 때문에 높은 이득을 갖는

안테나 및 빔포밍 회로의 개발이 필요하다. 또한, 주파수에 따른 선택성이 크게 나타나기 때문에

이 특성을 최적으로 활용할 수 있는 웨이브폼을 발굴해야 한다. 또한, [13]의 사례와 같이 sub-THz

안테나의 물리적인 신호생성 특성을 고려한 웨이브폼 설계와 이상적인 펄스(Pulse) 생성이 가능한

안테나의 개발이 요구된다.

III. Sub-THz 안테나 기술

THz 대역에서는 주파수 특성상 경로 감쇄가 매우 크다는 단점이 있다. 특히, 0.1~10THz 대역에

서의 경로 감쇄는 기존에 사용하는 주파수 대역의 경로 감쇄보다 매우 높기 때문에 고지향성 안테나

사용이 필요하다[14]. 혼 안테나는 대표적인 고지향성 안테나이다[15],[16]. 파라볼릭 리플렉터 혹

은 렌즈 구조 등을 사용하여 배열 안테나의 지향성을 극대화시킬 수 있다[20],[21]. 리플렉터와

렌즈의 기능은 기존 배열 안테나에서 생성되는 빔 패턴을 더욱 포커싱하는 것으로 이는 안테나의

지향성을 증대시킨다.

안테나의 성능은 기판의 손실을 감소시킴으로써 향상시킬 수 있다. 이를 위해서는 기판을 이루는

물질에 대한 연구가 필요하다. 낮은 유전율과 탄젠트 로스(Tangent Loss)를 가지는 물질을 사용하

면 기판에서의 손실을 감소시킬 수 있다. 이 때, 기판의 유전율과 탄젠트 로스를 줄이기 위해서

Electromagnetic Band Gap(EGB)과 같은 반도체 공정 기반의 기판, LTCC 기반의 기판 등을

사용한다[18],[19].

<자료> R. Piesiewicz, M.N. Islam, M. Koch, and T. Kurner, “Towards short-range terahertz communication systems: basic considerations,” Proc. 18th Int. Conf. Appl. Electromagnetics Commn., Croatia, 2005, pp.1-5.

[그림 2] 패치 안테나 기반 배열 안테나와 빔 패턴

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[그림 2]는 THz 대역에서의 4×4 패치 안테나 기반 배열 안테나와 빔 패턴을 나타낸다[17].

4×4 Uniform Planar Array(UPA)에서 최대 빔 이득이 16dBi로 나타나고 있지만 THz 대역에서

원거리를 서비스하려면 더 높은 빔 이득이 필요하다. 요소 안테나 개수를 증가시킬수록 얻을 수

있는 최대 빔 이득은 증가하지만, 피딩 로스(Feeding Loss)와 비용 등도 증가할 수 있다. [그림

3]은 인도 Jaypee 대학에서 개발한 EGB 기반의 기판을 사용하여 만든 패치 안테나와 지향성 성능

을 나타낸 그림이다[18]. 이 때, 기존 기판을 사용하였을 경우보다 EGB 기판을 사용하였을 때 최대

지향성이 향상되었음을 알 수 있다. 일본 Fujitsu사에서는 [그림 4]와 같은 폴리이미드(polyimide)

회로 기반의 기판을 사용하여 전력 손실을 최소화한 안테나 구조를 개발하였다[22]. 또한, 제안된

안테나를 이용하여 300GHz 대역에서의 무선 전송 실험을 진행하였을 때 약 1m의 거리에서

20Gbps 전송 속도를 얻을 수 있음을 확인하였다.

현재 개발 중인 THz 대역 안테나들은 단거리 무선 데이터 전송 환경에서는 사용 가능하지만

중장거리에서 사용하기에는 한계가 있다. 무선 이동통신 환경에서 THz 대역을 사용하기 위해서는

안테나의 이득 및 지향성을 더욱 향상시켜야 할 필요성이 있다. 이를 위해, 안테나의 재료와 구조의

혁신, 렌즈와 리플렉터 등의 연구가 지속적으로 필요하다.

<자료> K.R. Jha, G. Singh, “Analysis and design of enhanced directivity microstrip antenna at terahertz frequency by using electromagnetic bandgap material,” Int. J. Numerical Modelling Electron. Networks, Dev. Fields, Vol.24, No.5, Aug. 2010, pp.410–424.

[그림 3] EGB 기반 패치 안테나와 지향성 성능

[그림 4] Fujitsu사에서 개발한 THz 대역 안테나

ICT신기술


IV. Sub-THz 송수신기 기술

1975년 D. H. Auston의 실리콘에서 피코초 속도의 광전도 스위칭 구현[23]과 1984년 보고된

Auston 안테나[24]의 개발 이후, THz 파의 생성을 위해 여러 가지 기술혁신이 이루어지고 있다.

최근에는 광 기반 기술과 나노 반도체 기술이 융합되어 혁신적인 기술로 THz 영역에 다가가고

있다. 무선 통신을 비롯하여 물체/물질 탐색(Spectroscopy) 및 의학 분야 활용을 포함하여 여러

형태의 송수신기 기술들이 제안되고 있지만, 이동통신 활용 목적의 THz 송수신기의 기본 구조와

핵심 전송 기술에 대한 발전은 매우 미흡한 상태이다.

1. 전자소자 기반 Sub-THz 송수신기 기술

[그림 5]는 THz에서 적용되는 frontend 구조의 예이다[25]. [그림 5 (a)]는 IF를 사용하지 않는

direct conversion의 예이다. THz 대역에 적용할 수 있는 상용 필터가 존재하지 않는 경우가 대부

분이기 때문에 이와 같은 frontend 구조를 적용하여 테스트하고 있다. 다만, DC offset 현상은

해결되어야 할 문제이다. [그림 5 (b)]는 IF를 사용하여 적용된 heterodyne conversion의 예이다.

높은 IF를 선택했을 경우, 높은 Q값을 갖는 필터를 사용해야 한다. 이 경우 민감도는 좋아지나

채널 선택도가 나빠진다. 반대로 낮은 IF를 선택하였을 경우에는 Q값이 낮은 필터를 선택할 수

있으며, 이는 좋은 채널 선택을 할 수 있게 되지만, 잡음신호를 제거하기 어렵다. THz 대역에서

IF 사용 여부는 상용 필터의 여부와 관계없이 연구될 필요가 있다.

[그림 6]은 전자 소자 기반의 THz 송수신 회로 구조의 예를 보이고 있으며, 주파수를 높이기

위해 체배기가 적용되었고, 서브하모닉 믹서를 지나 안테나에 의해 방사된다. 기존과 달리 THz

대역은 높은 주파수를 형성하므로 체배기가 필수적이다. 체배기는 입력 대비 N배의 출력 주파수를

갖게 하는 회로이며 원하는 하모닉 주파수에 정합시키고 나머지 모든 주파수는 걸러내는 방식이다.

(a) Direct conversion (b) Heterodyne conversion

<자료> TERRANOVA Project, Horizon 2020.

[그림 5] THz에 적용되는 frontend 구조의 예

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입력 신호의 하모닉 성분을 이용하는 것이기 때문에 conversion loss와 phase noise가 증가하게

되는데, THz 대역에서 conversion loss와 phase noise를 줄이는 것은 중요한 이슈이다. [그림

6]에 적용된 안테나의 경우, 빔포밍이 적용되지 않으므로 단일 채널에서만 측정할 수 있다. 자유공간

경로손실이 크기 때문에 혼, 카세그레인 안테나와 같은 고이득 안테나가 필요하고, 빔포밍을 적용하

기 위해서는 배열 안테나에 대한 연구가 필요하다.

2. 광기반 Sub-THz 송수신기 기술

광기반 sub-THz 신호 생성 기술은 레이저와 광변조기 등을 이용하여 초고속 광신호를 생성하고

이를 초고속 광검출기를 이용하여 sub-THz 신호로 변환하는 기술이다. 이 기술은 전자 소자만을

이용하는 기술에 비해 주파수를 증가시키기가 용이하고, 높은 전력의 신호 생성이 가능하며, 넓은

주파수 대역에서 평탄한 응답 특성을 얻을 수 있다. 또한, 만들어진 신호를 전송 손실이 낮은 광섬유

를 통해 무선 기지국으로 원거리 전송할 수 있으므로 장비가 중앙 집중된 셀룰러 네트워크를 구현할

수 있다.

신호 생성을 위한 핵심 소자에는 레이저 다이오드, 광대역 광변조기, 초고속 광검출기가 있다.

레이저 다이오드는 외부 공동 레이저(External Cavity Laser)와 달리 집적이 가능하여 구현 비용을

낮출 수 있다. 현재 코히어런트(Coherent) 광통신 시스템에 사용되는 레이저 다이오드는 수십 kHz

의 선폭에 10mW 이상의 출력을 낼 수 있다. 광변조기는 흡수전계변조기(Electro-Absorption

Modulator)와 마하젠더 변조기의 형태로 50GHz 이상의 대역폭을 갖는 소자가 이미 상용화되었다.

실험실 수준에서는 이미 100GHz를 초과하는 대역폭을 가진 변조기도 보고되었다[25]. 광검출기는

대표적으로 UTC-PD(Uni-Travelling Carrier Photo-Detector)가 있다. 이 검출기는 능동 캐리

어(Active Carrier)로서 전자를 사용하며 밴드갭 그레이딩(Bandgap Grading)으로 전자의 이동

[그림 6] THz에 적용되는 회로 구조의 예

ICT신기술


시간을 감소시킨 소자이다. UTC-PD의 경우 150GHz 이상에서 광검출이 가능한 소자가 상용화

되었고[26], 실험실에서는 400GHz 대역에서도 광검출에 성공하였다[27]. 최근에는 180GHz 대역

에서 동작하는 Ge 광믹서(Photo-Mixer)[28]나 300GHz 플라즈모닉(Plasmonic) 광검출기[29]

등도 개발되어 주파수 특성이 빠르게 향상되고 있다. 이러한 소자들은 실리콘 웨이퍼 위에 구현할

수 있어 집적이 가능하다는 장점도 가지고 있다.

기존의 광기반 sub-THz 신호 생성 방법은 크게 세 가지로 나눌 수 있다. 첫 번째는 [그림 7]과

같이 파장이 다른 두 레이저의 빛 신호를 합파하여 레이저 간의 파장 차이(주파수 차이와 비례함)에

해당하는 THz 신호를 만드는 방법이다. 이 방법은 구현이 매우 간단하고, 광범위한 THz 대역의

신호를 높은 변조 지수로 쉽게 생성할 수 있으며, 별도의 광필터가 필요하지 않아 경제적이다. 그러

나 두 레이저의 파장 차이가 시변해서 THz 신호의 주파수 안정성이 좋지 않고, 두 레이저의 서로

다른 위상 변화로 인해 위상 잡음이 매우 크다는 단점이 있다. 이런 단점은 무선 통신 시스템의

주파수 효율성을 낮추고 코히어런트 수신 방식을 사용하기 어렵게 한다.

최근 이러한 단점을 보완하기 위해 두 레이저를 단일 칩에 집적하는 방법이 제안되었다[30]. 이

방법은 외부 환경에 의한 두 레이저 출력 변화를 최소화해서 THz 신호의 주파수 안정성을 높일

수 있지만 위상 잡음의 문제는 여전히 존재한다. 광 위상동기회로(Optical Phase-Locked Loop)

가 위상 잡음을 해결하는 방법으로 제안되었으나, 이 방법은 주파수의 조정 범위가 위상동기회로에

의해 크게 제한된다. 두 번째는 단일 레이저에서 나온 빛 신호로 광 빛살(Optical Comb) 신호를

생성하고, 이 중 두 개의 빛살을 필터링하여 THz 신호를 발생시키는 방법이다[31]. 이 방법은 생성

된 신호의 주파수 안정성이 우수하고, 빛살의 위상이 서로 상관되어 위상 잡음을 줄일 수 있다.

그러나 광 빛살을 생성할 때 고가의 광소자가 필요하고 수십~수백 개의 빛살 중 2개만을 활용하므로

에너지 효율성이 낮다. 세 번째는 파장이 다른 두 레이저의 신호를 주입시켜 주파수와 위상을 고정시

키는 방법이다. 이 방법은 한 레이저의 출력을 변조하여 다른 레이저에 주입한다. 보통 변조되는

레이저를 지배 레이저라 부르고 신호가 주입되는 레이저를 종속 레이저라 부른다. 지배 레이저에서

나온 빛 신호를 발진기로 변조하면 레이저의 파장 주위에 배음(harmonic) 성분이 생기는데 배음

성분의 간격은 발진기의 발진주파수와 같다. 이 배음 성분 중 하나의 주파수와 종속 레이저의 주파수

Laser

Laser

ModulatorUTC-PD

THz lens

Optical fiberOptical coupler

[그림 7] 광소자 기반 THz 신호 생성

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가 근접하면 종속 레이저의 출력 신호는 지배 레이저에 의한 입력 신호와 상관된 위상 특성을 갖는

다. 이 방법은 주파수 안정성과 위상 특성이 우수하고, 에너지 효율성이 높으며, 주파수 조정 범위가

넓다[32]. 그러나 종속 레이저의 파장이 시변하면서 주파수 호핑(hopping)이 발생할 수 있고 발진

기의 위상 잡음에 의해 성능이 결정된다. 기존 연구결과에서도 알 수 있듯이 전자 소자 발진기는

발진 주파수가 높아질 때 위상 잡음이 증가하여 배음 고정 방법의 성능을 제한한다[32]. 이 단점을

극복하려는 시도로 최근 광전 발진기가 주목받고 있다[33]. 또한, 최근 앞서 기술한 세 가지 방법을

결합하여 서로의 단점을 보완한 방법이 소개되었다[34].

이와 더불어 광기반 sub-THz 신호 검출 방법도 연구가 이루어져 왔다. 첫 번째로 수신단의

고주파 발진기를 레이저와 마하젠더 변조기와 광검출기로 대체한 방법이 제안되었다[35]. 두 번째로

수신단의 레이저를 전송된 신호로 위상 변조하는 방법이 고안되었다[36]. 그리고 이 방법에 필요한

광대역 위상 변조를 플라즈모닉 믹서로 시도한 연구가 최근 발표된 바 있다[37]. 6G 시대를 위한

셀룰러 네트워크를 광기반 신호 생성 및 검출 기술로 구현하려는 움직임이 학계를 중심으로 끊임없

이 이어지고 있다.

V. 공간다중모드 전송 기술

1. Radio OAM 기술의 개념

Radio OAM 기술은 다중 신호들을 서로 다른 helical phase front를 갖는 모드들을 통해 모드

분할 다중화 전송함으로써 Line-of-Sight(LoS) 채널에서 높은 전송속도를 얻을 수 있는 기술로서,

<자료> Y. Salamin et al., “Microwave plasmonic mixer in a transparent fibre–wireless link,” Nature Photon., Vol.12, No.12, Dec. 2018, pp.749–753.

[그림 8] 광소자 기반 송수신 시스템의 예

ICT신기술


광통신 분야에서 연구가 시작되어 최근 무선통신 분야에서 큰 관심을 받고 있는 기술이다[38].

1992년 네덜란드의 Leiden 대학의 연구진에 의해 전자파의 OAM이 Phase Front의 Twisting

정도에 따라 변화하는 Helical Transverse Phase Structure와 연관성이 있음이 밝혀졌고[39],

2011년 스웨덴 Lund 대학이 Uniform Circular Array(UCA) 안테나를 사용하여 OAM 신호와

동일한 특성을 갖는 빔을 전달할 수 있음[40]을 밝힘에 따라 UCA 안테나를 사용하여 OAM 다중모

드를 전송함으로써 채널의 용량을 증대시키는 기술에 대한 연구가 현재 활발히 진행 중이다.

Radio OAM 신호는 [그림 9]와 같이 전자파의 진행 방향에 수직인 평면위의 원호를 따라서

그 위상이 시계방향으로 0에서 2πm까지 선형적으로 변화하도록 생성되며, 이때 이 신호는 모드

m을 갖는다고 한다. 이와 같이 Radio OAM 시스템에서는 서로 다른 모드 신호들이 공간 상에서

서로 다른 속도로 변화하는 위상을 갖고 있기 때문에 이 위상의 직교성을 활용하면 동일한 공간을

사용하여 다수의 모드 신호들을 중첩하여 전송할 경우에도 수신측에서 원하는 신호를 온전히 분리할

수 있게 된다.

2. Radio OAM 기술 연구 현황

OAM 신호는 Spiral Phase Plate와 UCA를 비롯한 다양한 방식의 OAM 변조기를 사용하여

생성될 수 있으며, 이 OAM 변조기들과 OAM 복조기들 사이에 형성되는 MIMO 채널을 통해 다중

신호를 동시에 전송한다는 측면에서 MIMO 기술의 한 분야로 볼 수 있다.

(a) 모드 4를 갖는 OAM 신호의 생성 및 수신 방법 (b) OAM 모드들의 Phase/intensity Profile

<자료> Wang J, et al., “Terabit free-space data transmission employing orbital angular momentum multiplexing,” Nature Photonics, Vol.6, No.7, 2012, pp.488-496.

[그림 9] Radio OAM 모드 송수신 개념도

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주간기술동향 2019. 5. 8.

이 Radio OAM 기술은 기존의 LoS-MIMO 기술과 구별되는 점이 존재하는데, 그것은 기존의

MIMO 기술에서는 송신안테나와 수신안테나들 사이에 N개의 독립적인 채널을 형성하기 위해서는

SVD-MIMO(Singular Value Decomposition-Multiple Input Multiple Output) 방식의 예를

들면 수신측에서 추정한 채널을 송신측으로 피드백해야 하는 오버헤드가 존재하는 반면, OAM 방식

에서는 이러한 채널 피드백을 하지 않고도 N개의 독립적인 채널을 구성할 수 있다는 점이다[41].

Radio OAM 기술의 가장 큰 문제점은 모드 0을 제외한 고차 모드들이 공간상에서 0에서 2πm까

지 변화하는 위상을 갖고 전송됨에 따라 전자파의 진행 축 상에서 신호의 진폭이 null을 갖게 되기

때문에 송신기로부터 먼 거리에 있는 수신기에서 고차 모드 신호의 intensity가 모드 0에 비해

상대적으로 작게 수신된다는 점이다. 이것은 기존 MIMO 시스템이 LoS 채널에서 짧은 Rayleigh

distance를 갖고 먼 거리에서 rank 1 채널이 되는 것과 동치이며, 이 문제를 해결하기 위해 밀리미

터파 및 sub-THz 대역의 고주파 신호의 사용, Parabolic Reflector와 UCA의 혼합 및 Lens

안테나와 UCA의 하이브리드 안테나를 사용하는 것이 고려된다.

이제까지의 Radio OAM 기술에 대한 연구는 단말의 이동성이 없는 고정 환경에서 OAM 모드의

생성, 송수신 안테나의 정렬, 그리고 RF 체인 및 안테나에 대한 Calibration 분야에 국한되어 진행

되어 왔다. 이 OAM 기술이 단말 이동성이 있는 모바일 환경과 밀리미터파 및 sub-THz 대역에서

유용성을 갖게 하기 위해서는 빔 기반의 단말 트래킹과 송수신 안테나 정렬을 포함하여 이동환경에

서 Radio OAM 시스템의 성능에 영향을 미치는 장애 요소들을 발굴하고 그 문제점을 해결할 수

있는 기술들의 개발이 필요한 시점이다.

3. Sub-THz 대역에서 공간다중모드 활용 가능성

일반적으로 LoS 환경에서 OAM을 포함한 공간다중모드를 활용하여 편파의 2배 이상의 이득을

얻기 위해서는 프레넬 영역에서 송수신이 이루어져야 한다. Rayleigh distance로 표현되는 송수신

거리를 R, 안테나 크기 D, 파장의 길이를 라고 하면 다음과 같은 관계를 얻을 수 있다.

(1)

따라서, 송수신 거리가 10m와 100m일 때 프레넬 영역에 포함되기 위해서 각 주파수 별 필요한

안테나 크기는 [표 1]과 같다. 즉, 주파수가 높아질수록 공간다중모드 활용을 위한 안테나 크기가

작아질 수 있어서 sub-THz 대역에서 활용 가능성이 더욱 커질 수 있을 것으로 전망된다.

OAM을 포함한 공간다중모드를 형성하기 위한 안테나 구조가 채널 특성을 결정하고 모드별 용량

ICT신기술


[표 1] 주파수에 따라 송수신 거리가 프레넬 영역에 포함되기 위한 안테나 최소 크기

을 결정하기 때문에 적절한 모드를 형성하기 위한 안테나 구조에 대한 연구가 중요할 것으로 보인다.

이를 통해 복잡한 MIMO 신호 처리가 없이 LoS 환경에서 편파의 2배 이상의 용량 이득을 얻을

수 있다.

VI. 결론

본 고에서는 6세대 이동통신을 위한 sub-THz의 요소 기술에 대한 기술 동향을 살펴보았다.

Sub-THz 대역을 활용한 이동통신 시스템 개발을 위해서는 높은 이득을 갖는 지향성과 함께 적응적

인 빔포밍 기능이 가능한 안테나 개발과 함께 Sub-THz 대역에서 고출력의 신호를 생성할 수 있는

송수신기, 빔포밍을 지원할 수 있는 기저대역부의 구현이 필요하다. 또한, 5세대 이동통신의 핵심

기술인 빔포밍에 더하여 6세대 이동통신에서는 공간다중모드 이득을 얻는 것이 가능할 것으로 기대

되며 향후 관련 기술 개발이 필요할 것으로 전망된다.

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사용 주파수 10m 송수신 환경 100m 송수신 환경

3GHz 70cm 2.2m

30GHz 22cm 71cm

300GHz 7cm 22cm

3THz 2.2cm 7cm

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주간기술동향 2019. 5. 8.

I. 테슬라의 차량용 컴퓨터와 반도체 발표에 조바심 내는 엔비디아

테슬라는 자율주행차에 탑재되는 새로운 차량용 컴퓨터 ‘FSD’와 반도체 칩을 공개하였음. 또한,

지인과 SNS상의 친구들에게 자신이 차량을 이용하지 않을 때 빌려줄 수 있는 차량공유 서비스

“테슬라 네트워크”를 시작하며, 규제가 풀릴 경우 2020년부터 로보택시 사업도 전개할 것이라

발표하였음. 테슬라의 이런 행보는 완성차 업체들에게 자율주행 플랫폼을 제공하려는 엔비디아에

게 큰 위협이 되고 있으며, 엔비디아는 단기간에 기술력을 끌어올려야 하는 과제를 안게 되었음

◾ 테슬라의 CEO 일론 머스크는 “자율주행차 투자자의 날(Autonomy Investor Day)” 행사에서,

차량 탑재용 컴퓨터인 ‘FSD’와 FSD에 탑재될 새로운 칩(SoC)을 발표하였음

▸ 머스크는 이 하드웨어(Full Self-Driving: FSD)를 탑재하는 테슬라의 모든 차량은 소프트웨

어의 업데이트를 통해 완전자율운전이 가능해진다고 소개하였으며, 이렇게 작동하는 완전자

율운전 기능을 활용한 로보택시 사업과 차량 공유 서비스에 대해서도 소개하였음

▸ 테슬라는 2019년 3월부터 양산되는 ‘모델

S’와 ‘모델 X’, 그리고 4월부터 양산되는

‘모델 3’의 모든 차량에 새로운 자동차용

컴퓨터를 탑재하기 시작했는데, 그 이전에

는 옵션을 통해 원하는 구매자의 차량에

FSD를 탑재했다고 함

▸ 실제로 커뮤니티 웹사이트인 “Tesla Motors

Club”의 게시물들을 보면 2018년 10월경부

터 모델 3 주문 시 옵션으로 표시되는 FSD가

무엇이냐는 질문들이 여럿 올라와 있음

* 본 내용과 관련된 사항은 산업분석팀(☎ 042-612-8296)과 최신ICT동향 컬럼리스트 박종훈 집필위원([email protected] ☎ 02-576-2600)에게 문의하시기 바랍니다.


최신 ICT 이슈*

<자료> Tesla

[그림 1] 테슬라의 차량용 컴퓨터 FSD

최신ICT이슈


▸ 테슬라에 따르면 2019년 안에 ‘모델 S/3/X’ 차종 모두 주 1만 대 생산체제의 양산이 가능하

게 된다고 하며, 2020년에는 소형 SUV(다목적스포츠차량) 전기자동차(EV)인 ‘모델 Y’와 전

동 트럭인 ‘모델 세미(Semi)’에도 FSD를 탑재할 계획이라고 함

▸ 머스크는 계획대로 생산이 이루어진다면, 2020년 중반에는 FSD를 탑재한 테슬라 자동차가

100만 대 이상이 될 것이며, 법률 등 규제 문제가 해결된다면 2020년에 로보택시 사업을

시작할 수도 있을 것이라고 말했음

◾ 새로운 자동차용 컴퓨터인 FSD의 특징은 테슬라가 완전 자율운전의 필요조건으로 설정한 연산

처리 성능 144 TOPS를 달성한 점

▸ TOPS(Tera Operation Per Second)는 1초당 1조 회의 부동소수점 연산을 처리할 수 있는

성능을 의미하며, 테라 플롭스(Floating point Operation Per Second: FLOPS)라고도 함

▸ FSD는 72 TOPS의 신경망용 가속기 회로를 갖춘 칩(SoC) 2개를 탑재하여 구현하였으며,

이 연산 성능 수준은 로보택시용 자동차 컴퓨터의 표준치로 볼 수 있음

▸ 가령, CES 2019에서 독일의 ZF가 발표한 레벨 4 이상의 자율운전을 지원하는 로보택시용

자동차 컴퓨터인 “ZF ProAI RoboThink”의 경우는 150 TOPS였음

▸ FSD의 소비 전력은 72W로 기존 자동차용 컴퓨터인 ‘HW 2.5’의 57W보다는 증가했지만,

테슬라가 애초 개발 목표로 내건 100W는 밑도는 수준이라고 하며, 비용은 HW 2.5에 비해

20% 절감되었다고 함

◾ FSD에 사용된 칩에는 신경망용 가속기(NNA) 회로, GPU 코어, CPU 코어, 이미지 신호 프로세

서(ISP) 회로 및 각종 인터페이스 회로 등이 탑재되어 있음

▸ NNA(Neural Network Accelerator) 회로의 성능은 작동 주파수 2GHz에서 36 TOPS이며,

2회로가 있어 총 72 TOPS가 되며, 32메가바이트의 SRAM(정적 램)이 포함되어 있고 소비

전력은 15W라고 함

▸ GPU 코어의 동작 주파수는 1GHz로 연산 성능은 600 기가플롭스(GFLOPS)이며, CPU 코어

로는 암(ARM) ‘A72’를 채택했는데 총 12 코어를 탑재함

▸ ISP의 연산 성능은 초당 1기가픽셀이며, LPDDR4(저전력 DDR) 인터페이스 회로를 갖추고

있고, 최대 대역폭은 68Gbps임

▸ 이 밖에 H.265 호환 비디오 인코더 회로도 갖추고 있는 이 칩은 완성차 업체가 개발한 최초의

자율주행 반도체임

▸ SoC의 다이의 면적은 260mm2이며, 회로의 규모는 게이트 환산으로 2억 5,000만 게이트에

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트랜지스터 수는 60억 개이고, 금속 배선

은 12층, 땜납 범프(C4)의 수는 12,464

개임

▸ 삼성전자가 위탁생산하는 이 칩은 14nm의

핀펫(FinFET) 공정으로 제조하고 있으며,

이 다이를 FSD 패키지라 부르는 37.5mm

크기의 네모난 BGA 패키지에 밀봉하는

데, 단자 수는 2,116개라고 함

▸ 핀펫 공정이란 상어 지느러미(Fin)와 FET

(Field Effect Transistor)를 합한 것으

로 기존 평면 구조가 아닌 3차원 입체 구조의 칩 설계 및 공정 기술인데, 인텔을 필두로

삼성전자, TSMC 등이 도입하고 있음

▸ 머스크에 따르면 FSD에 포함된 칩은 계속 발전시켜 나갈 것이며, 이미 차세대 SoC의 개발에

착수해 있는 상태라고 함

◾ FSD 발표에 이어 테슬라는 자율운전용 소프트웨어의 높은 안전성을 어필하였는데, 실제 테슬라

차량의 주행 데이터에 기반을 둔 가상공간에서의 학습을 강조하였음

▸ 머스크는 이미 테슬라 차량에서 실행 중인 레벨2의 자율운전 기능인 “오토 파일럿(Auto Pilot)”

의 신뢰성을 어필했는데, 오토 파일럿에 의한 차선 변경은 누적 900만 번 이상 성공했으며,

그동안 사고는 전혀 없었음을 강조하였음

▸ 또한, 현재 오토 파일럿을 이용한 주행거리는 누계로 7,000만 마일을 넘었으며, 오토 파일럿

을 통해 얻은 실제 주행 데이터를 바탕으로 완전 자율운전자동차용 소프트웨어의 개선을 실시

해 높은 안전성을 확보할 수 있음을 강조하였음

▸ 머스크는 소프트웨어 개선을 위해 날씨와 시간, 교통 상황 등 다양한 주행환경을 재현한 가상

공간에서 자율운전 알고리즘의 학습을 실시하고 있다고 설명하였음

◾ 이날 행사에서 머스크는 로보택시(RoboTaxi) 사업의 채산성에 대해서도 전망했는데, 자율주행

택시 1대당 연간 발생하는 영업이익은 약 3만 달러 정도로 보고 있음

▸ 머스크에 따르면 로보택시 1대당 운행비용은 1마일 당 0.18달러로, 개인이 직접 차량을 소유

했을 경우의 운행비용인 0.62달러, 차량공유를 이용했을 경우의 운행비용인 2~3달러에 비해

크게 낮은 수준이 될 것으로 보임

<자료> Tesla

[그림 2] FSD에 탑재된 칩의 구조

최신ICT이슈


▸ 머스크는 하루에 시속 16마일의 속도로

16시간 운행하고 공차율(손님이 없는 경

우)을 50%로 가정했을 때, 로보택시의 1

마일 당 영업이익(Gross Profit)은 0.65

달러가 될 것으로 추정했으며, 연간 기대

할 수 있는 영업이익은 최대 3만 달러가

될 것으로 내다 봤음

▸ 머스크는 로보택시의 가격이 대당 3만

8,000 달러 이하라고 보고 있는데, 예상

한대로 영업이익을 얻을 수 있다면 약 15개월 만에 투자회수(ROI)가 가능한 것임

▸ 로보택시의 차체 수명은 주행거리로 환산하면 100만 마일 정도여서 연간 9만 마일 정도를

주행한다고 보면 수명은 11년이 되는데, 투자 회수 기간을 제외하면 폐기될 때까지 약 9.75

년 동안 최대 29만 달러의 영업이익을 발생시키는 셈

▸ 한편, 머스크에 따르면 테슬라의 로보택시는 2020년 양산 예정인 자동차 배터리를 탑재하여

1kWh당 4.5마일을 주행할 수 있게 될 것이라고 함

◾ 또한, 머스크는 차량 공유가 가능한 네트워크 서비스인 “테슬라 네트워크(Tesla Network)”도

소개했는데, 일반인이 자기 소유 차량을 빌려주는 본래적 의미의 차량 공유 서비스임

▸ 이는 테슬라 자동차를 소유한 사람이 차량

을 이용하지 않는 때에 스마트폰 앱을 통

해 친구나 직장 동료, SNS상의 친구들 등

신뢰할 만한 사람들에게만 차량을 빌려주

고 수익을 얻을 수 있게 해주는 서비스임

▸ 차량 공유 서비스의 대표주자인 우버나 리

프트의 경우 차량 소유자가 직접 운전을

해주는 형태인 반면, 테슬라 네트워크는

소유자가 자신이 아는 사람에게 차를 빌려

주는 방식이기 때문에 본원적 의미의 차량 공유 서비스라 할 수 있음

▸ 따라서 우버와 리프트가 유사 택시 서비스로 기존 운수 사업자들과 마찰을 빚는 반면, 테슬라

네트워크는 이런 문제에서 자유로운 장점이 있음

<자료> Tesla

[그림 3] 로보택시의 채산성

<자료> Tesla

[그림 4] 차량공유 서비스 “테슬라 네트워크”

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◾ 한편, 이날 행사에서 테슬라가 FSD에 포함된 칩을 소개하며 ‘엔비디아’의 자율주행 플랫폼을

넘어선 세계 최고의 칩이라 주장하였으며, 이에 대해 엔비디아는 즉각 반박하였음

▸ 머스크가 FSD의 성능을 소개하며 벤치마크 대상으로 엔비디아(NVIDIA)의 제품을 선택하여

비교하였기 때문에, 엔비디아는 테슬라의 발표회 다음날 즉각 반응할 수밖에 없었음

▸ 엔비디아는 테슬라가 2개의 SoC를 탑재한

FSD를 엔비디아의 SoC인 ‘재비어(Xavier)’

하나와 비교했다며, 동일 수준의 완전자율

운전용 자동차 컴퓨터끼리 비교해야 한다

고 지적하였음

▸ 구체적으로는, 제대로 비교하려면 2개의 재

비어 칩과 2개의 GPU 칩으로 320 TOPS의

연산 성능을 구현한 “DRIVE AGX Pegasus”

와 비교했어야 한다고 주장하였음

▸ 원래 재비어 하나만 이용하는 경우는 테슬

라의 “오토 파일럿” 기능 정도까지 만이며, 완전 자율운전차용에 칩 하나만 사용하는 경우는

없기 때문이라는 것

▸ 또한, 엔비디아는 보다 고성능의 차세대 제품으로 ‘오린(Orin)’을 개발 중이라고 어필했는데,

오린은 2개의 SoC 칩을 이용하여 DRIVE AGX Pegasus와 동등한 성능을 구현한다고 함

▸ 엔비디아는 또 테슬라의 발표 자료 중 재비어의 연산 성능 수치에 오류가 있다고 지적했는데,

테슬라 자료에 21 TOPS로 되어 있지만 실제로는 30 TOPS라고 함

◾ 엔비디아의 주장을 받아들여 DRIVE AGX Pegasus와 테슬라의 FSD를 비교한다면, 연산 성능

은 320 TOPS의 Pegasus, 소비전력 면에서는 FSD가 우위에 있다고 할 수 있음

▸ 양사 발표 자료에 따르면 소비전력은 FSD가 72W, 페가수스(Pegasus) 400W로, 자동차용

컴퓨터가 수집·처리하는 센서 데이터의 종류와 작동 상황 등 조건에 따라 소비전력이 달라져

단언하기는 어렵지만 대체로 FSD가 전력 효율 면에서는 우위에 있다고 볼 수 있음

▸ 테슬라의 발표회에서 SoC 개발팀을 대표해 무대에 오른 사람은 피터 배넌이었는데, 그는

애플에서 반도체를 개발했던 인물로 원래는 애플이 2008년에 인수한 반도체 제조업체인 미

국의 ‘P.A. Semi’에 있었음

▸ 당시 애플의 인수는 아이폰용 애플리케이션 프로세서의 설계 때문이라고 알려져 있는데, P.A.

Semi는 모바일에서 요구되는 저소비 전력화 기술을 인정받고 있었음

<자료> NVIDIA

[그림 5] 엔비디아의 테슬라에 대한 반론

최신ICT이슈


▸ 즉, 결과적으로 소비 전력을 최대한 줄이고 전력 효율을 향상시키는 기술에 뛰어난 인물이

테슬라의 SoC 개발팀에 있는 셈이며, 그 덕분에 테슬라가 이처럼 전력 효율이 높은 SoC를

실현할 수 있었던 것이라고 할 수 있음

◾ 한편, 엔비디아의 반박에 대해서는 자율주행차용 오픈 플랫폼을 지향하고 있는 엔비디아가 테슬

라가 보여준 예상을 뛰어넘는 기술력에 조바심을 드러낸 것이라는 평가도 나오고 있음

▸ 엔비디아는 반박 자료의 말미에 “완전자율운전을 위한 AI(인공지능) 컴퓨팅을 실현할 수 있는

것은 엔비디아와 테슬라이며, 이 중 오픈 플랫폼은 엔비디아뿐”이라고 어필하였음

▸ 그런데 이러한 문구를 굳이 넣은 것 자체가 테슬라의 기술력을 인정하지 않을 수 없음을 방증

하는 것이며, 자동차 업체들에게 자율운전 플랫폼을 공급하겠다는 엔비디아의 사업 전략에

차질이 생길지 모른다는 조바심을 드러내 보인 것이 아니냐는 분석들이 나오고 있음

▸ 엔비디아의 조급함은 2019년 2월에 캘리포니아주 교통당국이 자율운전자동차 업체의 도로주

행 테스트 결과에 대한 연례 보고서를 발표하면서 표면화되기 시작했음

▸ 보고서에 따르면 자율운전자동차의 기술 수준을 가늠하는 지표 중 하나인 “자율운전 기능

해제 당 주행거리(Miles per Disengagement)”가 웨이모의 경우 11,017.5마일인데 비해,

엔비디아는 20.1마일에 불과하였음

▸ 자율운전 기능 해제(Disengagement)는 자율운전차의 운전석에 있는 테스트 드라이버의 판

단으로 자율운전 AI(인공지능)를 해제하거나, AI가 판단을 정확히 할 수 없어 테스트 드라이

버에게 운전을 넘기는 상황을 의미함

▸ 즉, 기능 해제가 발생하지 않고 달릴 수 있는 거리가 길수록 자율운전 AI가 우수하다고 간주할

수 있으며, 이 기준에서 보면 엔비디아의 자율운전 성능은 이미 상용 서비스를 시작한 웨이모

에 한참 뒤쳐져 있는 셈이 됨

◾ 기능 해제 당 주행거리에 대해 엔비디아의 젠슨 황 CEO는 웨이모와 엔비디아의 도로주행 테스

트 목표가 서로 다르다며 일률적인 비교가 어렵다는 설명을 하고 있음

▸ 2019년 3월에 개최된 엔비디아의 연례 컨퍼런스인 ‘GTC(GPU Technology Conference)

2019’에서 젠슨 황은 엔비디아의 자율운전 플랫폼인 ‘NVIDIA DRIVE Platform’이 언제

최고 수준의 자율운전인 레벨4와 레벨5를 실현할 수 있느냐는 질문을 받았음

▸ 이에 대해 젠슨 황은 웨이모가 로보택시를 목표로 도로주행 테스트를 하고 있는 반면, 엔비디

아는 소비자가 구매할 수 있는 자율운전차량, 인간 드라이버가 운전에 개입하는 유형의 자율

운전자동차 개발을 목표로 도로주행 테스트를 하고 있다는 답변을 하였음

32 www.iitp.kr

주간기술동향 2019. 5. 8.

▸ 다시 말해 도로주행 테스트를 통해 웨이모는 레벨4나 레벨5의 자율운전 구현을 목표로 하고

있지만, 이는 엔비디아가 목표로 하는 것은 아니라는 설명임

▸ 이어 젠슨 황은 엔비디아의 자율운전자동차는 소비 전력이 20W밖에 되지 않는 자동차용

SoC인 “NVIDIA Jetson AGX Xavier”와 카메라나 LIDAR 등 얼마 안 되는 센서 밖에 탑재

하고 있지 않다고 주장하였음

▸ 엔비디아의 목표가 어디까지나 소비자가 구매할 수 있는 자율운전차이다 보니 고가의 센서와

고성능의 컴퓨터를 다수 탑재하는 것은 어려우며, 1개의 SoC로 실현가능한 수준의 자율운전

만 테스트하고 있기 때문에 타사보다 성능이 떨어지는 것은 어쩔 수 없다는 것임

[표 1] 주요 자율주행차 기업의 2018년 캘리포니아주 도로주행 테스트 결과

◾ 엔비디아의 조급함은 신속한 기술 개발로 이어질 가능성도 있기 때문에, 웨이모의 상용화에 이은

테슬라의 FSD 발표는 자율주행자동차 비즈니스의 본격화를 위한 촉매제가 될 것으로 보임

▸ GTC 2019에서 젠슨 황은 2020년에 발표될 캘리포니아주 교통당국의 보고서에서는 엔비디

아의 성능이 크게 향상될 것이니 기대해 달라고 말했는데, 그 근거로 현재 엔비디아가 컴퓨터

시뮬레이션에 의한 자율운전 AI의 테스트를 급속도로 진행하고 있다는 점을 들었음

▸ 엔비디아는 2018년 GTC에서 자율운전차량 시뮬레이션 환경인 “NVIDIA DRIVE Constellation”

을 개발 중이라고 발표한 바 있으며, 이번 GTC 2019에서 토요타 자동차(TRI-AD)가 이

시뮬레이션 환경의 첫 번째 고객이 되었다고 공개하였음

▸ 자율운전자동차의 컴퓨터 시뮬레이션 환경은 웨이모와 테슬라도 중시하고 있는데, 특히 웨이

모는 자사가 실시한 자율운전 도로주행 테스트는 2018년 10월 말까지 1,000만 마일이었지

만 시뮬레이션 테스트 주행은 70억 마일에 달했다고 밝힌 바 있음

순위 기업명 운행 대수 주행거리(마일) 해제 횟수 해제 당 주행거리(마일)

1 Waymo(웨이모) 111 1,255,597 114 11,017.5

2 GM Cruise(GM 크루즈) 162 447,621 86 5,204.9

3 Zoox(죽스) 10 30,764 16 1,922.8

7 Baidu USA(바이두) 4 18,093 88 205.6

17 NVIDIA(엔비디아) 7 4,142 206 20.1

46 Apple(애플) 62 79,345 69,510 1.1

47 UTAG(우버) 29 8.217 23,499 0.3

<자료> Department of Motor Vehicles, State of California, 2019. 2, IITP 정리

최신ICT이슈


▸ 젠슨 황 CEO의 답변에서 주목할만한 점은 해

제 당 주행거리 수치가 의미 없다는 주장을

하지 않은 것인데, 이 수치가 낮은 업체들 중

에는 자율운전 AI의 해제 조건이 각 업체마다

다르기 때문에 수치를 비교하는 것은 별 가치

가 없다고 말하는 곳도 있음

▸ 이에 비해 젠슨 황 CEO는 해제 당 주행거리

를 개선하겠다는 뜻을 밝히고 있으며, 이는 이

수치 데이터가 자율운전자동차의 성능을 나타

내는 하나의 기준이 된다는 것을 인정한 셈임

▸ 엔비디아의 해제 당 주행거리가 웨이모의 2018년 수준을 따라 잡으려면 올해 최소한 500배

이상의 기능 향상이 있어야 하며, 2019년 웨이모 역시 더욱 발전할 것이기 때문에 어깨를

나란히 하려면 1,000배 이상의 성능 향상이 있어야 할지도 모름

▸ 웨이모의 상용 서비스 시작에 이은 테슬라의 자체 개발 SoC 발표는 엔비디아의 조급함을

증폭시킬 것으로 보이는데, 이것이 2019년 한해 엔비디아의 기술 개발을 추동할 강력한 외부

요인이 될 것으로 예상됨

[ 참고문헌 ]

[1] Analytics India Magazine, “Under The Hood Of Tesla’s AI Chip That Takes The Driverless Battle To

NVIDIA’s Home Turf”, 2019. 4. 26.

[2] Wccftech, “Tesla’s In-House SoC Is Built On 14nm, Has A 260mm² Area & 2100FPS”, 2019. 4. 24.

[3] electrek, “NVIDIA disputes some of Tesla’s FSD computer claims, but they miss the main point”,

2019. 4. 23.

[4] NVIDIA Blog, “Tesla Raises the Bar for Self-Driving Carmakers”, 2019. 4. 23.

II. 스페인 프로축구 ‘라 리가’, 넷플릭스와 경쟁 위해 인텔 및 MS와 협력

◾ 스페인 프로축구리그 ‘라 리가(La Liga)’는 마이크로소프트와 인텔 등 세계적 기술기업들과 단순

한 스폰서 계약이 아닌 협업 파트너십을 체결하고 있음

▸ FC 바르셀로나와 레알 마드리드 등 세계적인 지명도와 인기를 가진 구단들이 속해 있는 ‘라

리가’는 잉글랜드 프리미어 리그(EPL)와 함께 현재 세계 최고의 리그로 꼽히고 있음

▸ 라 리가는 2018년 12월 마이크로소프트와 공동으로 스타트업을 지원하기 위한 콘테스트를

<자료> XTECH

[그림 6] GTC 2019의 젠슨 황 엔비디아 CEO

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주간기술동향 2019. 5. 8.

개최한다고 발표한 바 있으며, 스포츠 관련 기술 스타트업에 대한 투자와 산업 육성이 목적으

로 2019년 12월까지 대회가 진행될 예정임

▸ 라 리가는 또한 인텔과 경기 중계에 이용하는 영상기술 등을 공동 개발하고 있으며, 유럽

프로축구 리그 중 기술 도입에 가장 발 빠른 움직임을 보여주고 있음

◾ 라 리가에서 기술기업과 제휴를 체결한 이유는 “보는 콘텐츠”로서의 축구의 가치를 높여 소비자

의 여가시간을 놓고 쟁탈전을 벌이는 게임, 영화 등과의 경쟁에서 우위를 점하기 위해서임

▸ 축구는 이전부터 스페인에서 부동의 가장 인기 있는 콘텐츠이지만, 라 리가는 여기에 만족하며

안주할 수만은 없는 상황임

▸ 팬 확보 경쟁은 이미 글로벌화되어 있어 영국 EPL, 독일 분데스리가, 이탈리아 세리아 A

등 다른 나라의 리그와 경쟁하지 않을 수 없으며, 유럽 축구연맹(UEFA)이 주최하는 “UEFA

챔피언스 리그(UCL)” 등의 국제 대회도 라 리가의 경쟁상대임

▸ 현재 라 리가의 인기는 세계적으로 높지만 사업 규모는 EPL에 뒤쳐져 있어 이에 대한 위기감

이 큰 상황이며, 간극을 메우기 위한 방안의 하나로 적극적으로 기술을 도입하고 있음

▸ 라 리가가 응시하는 세계는 여기에 그치지 않는데, 라 리가 측은 스마트폰 보급 및 OTT 동영

상 서비스의 확산에 따라 스포츠, 영화, 게임 등 다양한 콘텐츠들이 소비자의 “유한 시간”을

놓고 벌이는 쟁탈전이 더욱 격렬해지고 있다고 보고 있음

▸ 즉, 라이벌이 다른 축구 리그와 다른 스포츠에 그치지 않고 디즈니와 넷플릭스 등으로 확장되

고 있기 때문에, 라 리가의 콘텐츠 가치를 높여 비즈니스를 성장시키기 위해 MS와 인텔 등

기술기업과 적극 제휴에 나서고 있다는 것임

◾ 축구 경기의 매력을 높이기 위해 라 리가는 다양한 기술을 활용하고 있으며, 대표적인 사례가

인텔과 공동으로 개발한 “360 REPLAY(리플레이)” 기능임

▸ 360 REPLAY는 경기 중계 중의 리플레이 영상에서 사용자가 시점을 자유롭게 바꿔가며 볼

수 있는 기능으로, 서로 다른 방향에서 여러 대의 카메라로 촬영한 영상을 렌더링 기술을

이용하여 3D 이미지로 만드는 인텔의 “Intel True View” 기술을 이용하고 있음

▸ Intel True View는 방송 중계 중 리플레이에 이용할 수 있도록 약 30초 길이의 3차원 이미지

를 실시간으로 생성해 줌

▸ 라 리가는 이 기술의 축구에 대한 적용 및 카메라 장비의 경기장 내 설치를 위해 인텔과

협력했으며, 2016년에 벌어진 “엘 클라시코(바르셀로나와 레알 마드리드의 경기)”에서 유럽

최신ICT이슈


의 축구 리그로는 처음으로 방송 중계 중

360 REPLAY 기능을 도입하였음

▸ 이 기술은 360°의 자유 시점을 구현하기

위해 경기장에 38대의 4K 카메라를 설치

하는데, 라 리가에서는 이미 8개 클럽의

경기장에 장비를 설치하였음

▸ 한편, EPL에서는 2019년 들어서야 3개의

경기장에 인텔의 장비가 도입되었는데, 그

나마 각 클럽 차원의 결정으로 도입된 것

이고 라 리가처럼 리그가 주도적으로 도입을 위해 노력하고 있는 것은 아님

◾ 이 밖에도 라 리가는 다양한 기술을 축구 중계에 적용하고 있으며, 여기에는 콘텐츠의 가치를

지키기 위한 불법 배포 탐지 기술도 포함되어 있음

▸ 라 리가와 인텔은 360 REPLAY와 같은 기술을 이용하여 만든 3차원 영상에서 플레이 중인

선수의 시점으로 장면을 재현하는 “Be The Player” 기능을 개발하였음

▸ 또한, 오프사이드 라인을 커튼처럼 입체적으로 표시하고 자유 시점 영상과 조합하여 선수의

위치 정보를 효과적으로 보여주는 “LASER WALL” 기능도 개발하였음

▸ 중계 영상 위에 현재 달리고 있는 선수의 주행 속도와 각 포지션별 선수의 위치 관계 변화를

시각적으로 알기 쉽게 표시해 주는 “3D LIVE GRAPHICS”도 개발했으며, VR(가상현실)과

AR(증강현실) 기술을 축구 관전에 응용한 애플리케이션을 현재 개발 중이라고 함

▸ 한편, 라 리가는 불법 동영상 전송을 비롯한 불법 복제 방지에도 적극적으로 나서고 있으며,

그 일환으로 SNS에서 불법으로 유통되는 중계 영상을 감지하는 소프트웨어 ‘Marauder(머로

더)’를 개발하였음

▸ 현재 프로 스포츠 비즈니스를 떠받치고 있

는 기둥 중 하나가 방송중계권료인데, 라

리가 등 인기 리그의 경우 1년 간 수십억

달러의 중계권 계약도 드물지 않음

▸ 방영권 비즈니스에서 문제가 되는 것이 바

로 불법 동영상 유포인데, 불법 전송을 방

치하면 방송국 및 전송 사업자의 이익이 줄

어들어 고가의 중계권료를 유지할 수 없기

<자료> La Liga

[그림 1] 라 리가의 360 REPLAY 시스템

<자료> Intel True View

[그림 2] 오프사이드 판정을 위한 LASER WALL

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주간기술동향 2019. 5. 8.

때문

▸ 머로더는 2015년부터 가동되어 지금까지 200개의 불법 배포 앱과 20만 건의 불법 전송을

차단했으며, 브라질에서 250만 명이 시청하고 있던 사이트를 차단한 실적도 있다고 함

◾ 라 리가는 기술을 이용한 콘텐츠의 부가가치 창출뿐 아니라 보다 넓은 시각을 가지고 스포츠

산업 발전에 기여하기 위한 움직임도 보여주고 있음

▸ 스포츠 관련 기술 스타트업에 대한 투자를 목적으로 마이크로소프트와 공동으로 ‘Startup

Competition 2019’를 진행 중이며, 라 리가는 물론이고 다른 나라의 리그나 다른 스포츠

경기에서도 활용할 수 있는 아이디어를 전세계로부터 모으고 있음

▸ 응모 분야는 4가지로, 영상 전송 사업 및

소셜 미디어 등의 ‘MEDIA(미디어)’, 경기

장의 보안 및 무현금 결제 등에 관한

“SMART VENUE(스마트 베뉴)”, 선수의

기량 향상과 관련한 ‘PERFORMANCE

(퍼포먼스)’, 팬이 늘어나도록 경기나 팀

과 접점을 만들고 팬들의 경험을 향상시키

는 것과 관련한 ‘FAN ENGAGEMENT

(팬 인게이지먼트)’ 등임

▸ 2018년 12월부터 모집을 시작하였으며, 응모한 200여 개의 스타트업 중에서 2019년 4

월 말 현재 50개사로 추렸고, 향후 피치 이벤트와 최종 심사를 거쳐 벤처 지원 프로그램의

혜택을 받을 10개사를 선정하게 됨

▸ 최종 선정된 스타트업들은 투자를 받을 수 있는 기회뿐 아니라, 라 리가가 보유한 각종 데이터

의 활용 권리 및 멘토링 등 각종 특전이 주어진다고 함

[ 참고문헌 ]

[1] Gadget, 4. 3, https://bit.ly/2UQmIee

[2] XTECH, 4. 26, https://nkbp.jp/2DG8t6d

<자료> The Original Inspiration Centre

[그림 3] 라 리가와 MS의 공동 스타트업 발굴

최신ICT이슈


III. PwC 컨설팅, e-스포츠 선수 대상 보안 엔지니어 전환 교육 준비

◾ 프로 스포츠 선수에게 은퇴 이후 제2의 직업 선택은 중요한 문제가 되는데, e-스포츠 선수들의

경우 보다 이른 시기에 더욱 절실한 문제로 다가올 가능성이 높음

▸ 프로 스포츠 선수들은 은퇴 후에 지도자의 길을 걷거나 방송 해설위원으로 활동하는 것을

선망하지만, 이런 기회를 갖게 되는 선수들은 소수이고 대부분은 은퇴 이후 스포츠 이외의

분야에서 제2의 인생을 설계하게 됨

▸ 프로 선수의 은퇴 이후 직업 설계 문제는 전세계적으로 급성장하고 있는 e-스포츠 종목에서

뛰고 있는 프로 게이머들에게 보다 절실한 문제로 다가올 수 있음

▸ 야구와 축구의 경우 몸 관리에 신경을 쓰면서 이제 30대 중반까지 뛰는 것이 일반화되고

있지만, 프로 게이머는 특성상 10대 후반에 전성기를 누리는 경우가 많고 늦어도 20대 초반

부터는 이미 쇠락기에 접어들기 때문

▸ e-스포츠 선수들의 근력 쇠약이 핸디캡이 되는 경우는 스포츠 선수들에 비해 드물지 모르지

만, 동체 시력과 반사 속도, 순간의 상황을 판단하는 능력 등의 저하가 경기력에 미치는 영향

은 실제 스포츠 선수 못지않게 크다고 알려져 있음

▸ 프로 게이머들을 프로 선수로 볼 수 없고 10대 때 잠깐 하는 것이므로 이들에게 은퇴 이후

제2의 인생 설계란 말은 적용할 수 없다는 의견도 있지만, 이르면 10대 초반부터 프로 게이머

로서 삶을 살아 온 선수들이 은퇴 이후 직업 선택이 쉽지 않을 것이란 점도 엄연한 사실임

◾ 컨설팅 업체 PwC는 프로 e-스포츠 선수들의 제2의 직업 선택 지원을 위해 보안 엔지니어로

전환을 촉진하는 교육 프로그램의 설계를 진행하고 있어 관심을 모으고 있음

▸ PwC는 e-스포츠 선수와 보안 엔지니어 사이에 공통점이 많다고 보고 있는데, 구체적으로는

대량의 정보에서 필요한 것을 분별해내는 집중력, 사이버 공격의 수법이나 공격자의 심리를

읽어 내고 대책을 강구하는 전략적 사고력 등을 꼽고 있음

▸ 가령, 대전 격투 게임을 이기려면 상대의 움직임을 두세 수 앞을 보고 예측해야 하는데, 게임의

조작과 보안 지식이라는 차이는 있지만 본질적으로 요구되는 능력은 아주 비슷하다는 것

▸ 준비 중인 훈련 프로그램의 하나는 취약한 서버를 대상으로 침입 속도 등을 겨루는 “CTF

(캡처 더 플래그)”인데, PwC에 따르면 프로 e-스포츠 선수들을 인터뷰한 결과 많은 선수들

이 CTF에 관심을 표명했다고 함

▸ 이러한 수요 조사를 바탕으로 PwC는 기반이 되는 보안 지식의 교육을 결합하여 CTF를 이용

한 교육 프로그램을 만들고 있으며, 이르면 상반기 중에 교육을 시작할 예정임

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주간기술동향 2019. 5. 8.

▸ PwC가 e-스포츠 선수들의 은퇴 이후 전

직을 지원하는 또 다른 배경은 이것이 점

차 심각해지는 보안 인력 부족의 대책이

될 수 있다고 생각했기 때문

▸ 사이버 공격의 교묘함과 위험성은 계속 진

화하고 있으며, 이에 대응할 보안 인력은

전세계적으로 부족하기 때문에, 요구되는

스킬에 공통점이 많은 e-스포츠 선수들이

보안 분야에서 고도의 능력을 발휘할 수 있을 것으로 판단한 것임

▸ e-스포츠 선수들은 대인 커뮤니케이션 능력이 다소 약하기는 해도 장시간 모니터에 집중하여

작업하는 것을 어려워하지 않기 때문에, 이런 소양을 지닌 프로 게이머들은 보안 분야뿐만

아니라 정보 시스템의 개발, 스마트폰 앱의 테스트 및 품질 검사에 적합하다는 평도 있음

[ 참고문헌 ]

[1] TNW, 3. 16, https://bit.ly/2IRCJix

[2] ITPro, 4. 1, https://nkbp.jp/2UPtPUr

IV. 착용형 로봇의 미니 버전 외골격 수트, 스포츠 영역 확산에 의해 급성장 전망*

◾ 외골격 수트(Exo Skeleton)는 착용형 로봇보다 가볍고 싸고 착용이 쉽기 때문에 산업용뿐만

아니라, 의료용, 군사용, 더 나아가 스포츠용으로도 확산되고 있는 추세에 있으며, 시장도 더욱

커질 전망

▸ 1986년 영화 에어리언2에서 주인공 시고니위버가 에어리언과 싸우기 위해 착용한 파워로더

(Power Loader)는 사람의 움직임을 그대로 따라 하면서 힘을 수십 배로 증가시키는 착용형

로봇임

▸ 이미 이와 비슷한 FX-2라는 라이더블(Rideable) 로봇을 국내 레인보우 로보틱스(Rainbow

Robotics)에서 개발하여 지난 동계올림픽 때 소개한 바 있으며, 이러한 착용형 로봇의 미니

버전이 바로 외골격 수트임

* 본 내용과 관련된 사항은 산업분석팀(☎ 042-612-8296)과 최신ICT동향 컬럼리스트 김범수 집필위원([email protected] ☎ 010-7230-7901)에게 문의하시기 바랍니다.

<자료> The Hacker News

[그림 1] 페이스북의 CTF 해킹 플랫폼

최신ICT이슈


▸ 뿐만 아니라, 외골격 수트는 더 가볍게, 더 착용하기 쉽게, 더 사람에게 도움을 주는 방향으로

진화하고 있어, 향후 시장은 더욱 번성할 것으로 예상됨

▸ 글로벌 마켓 인사이트(Global Market insights) 연구 보고서에 의하면, 외골격 수트 시장은

2018년 2억 2,000만 달러에서 2026년 35억 달러 이상으로 고성장할 것으로 전망되고 있음

(연평균 41.5% 성장)

▸ 이러한 외골격 수트의 시장 확대 전망은 파킨슨병(연간 100만 명), 뇌졸중과 같은 신체장애

환자의 증가와 60세 이상 인구의 증가(2015년 12%에서 2050년 22%로 증가)로 신체 움직

임을 지원하는 의료기기로서 외골격 수트가 절대적 대안으로 기대되고 있기 때문임

▸ 뿐만 아니라, 산업체에서도 근로자의 피로와 부상을 줄이는 동시에 생산성을 높일 수 있는

대안으로 신체강화 수트를 도입하는 사례가 증가하고 있어 외골격 수트 시장은 급속도로 커질

것으로 예측됨

▸ 외골격 수트의 응용 영역이 산업용, 의료용 등 특정 분야가 아닌 대중적인 산업으로 확대되고

있는데, 예를 들어 스키와 같은 스포츠용으로 외골격 수트를 활용하는 기술이 개발됨으로써

온라인 쇼핑몰이나 매장에서 일반 대중들이 외골격 수트를 구입하는 모습을 조만간 볼 수

있게 될 것으로 예상됨

▸ 2019년 3월 ROAM 로보틱스는 ROAM 엘레베이트(Elevate)라는 스키를 더 잘 탈 수 있는

외골격 수트를 출시하였는데, 이 외골격 수트의 용도는 부상당한 스키선수가 훈련 받을 수

있도록 한 재활의 목적도 있지만, 일반인들이 스키를 더 오래 타면서 즐기기 위한 수단으로

활용할 수 있도록 한 점에 주목해야 함

▸ 더 오래 가족, 친구와 스키를 즐기고, 더 고난이도의 스키를 즐길 수 있다는 점에서 일반

스키어들에게 매력적인 상품으로 다가올 것으로 기대됨

▸ 이렇듯, 향후 외골격 수트는 스포츠를 즐기는 동호인들에게 새로운 가치를 줄 핫한 상품이

될 것으로 확실시 되는데, 국내에는 마라톤, 수영, 테니스, 배드민턴, 골프, 축구, 등산 등을

[그림 1] ROAM Elevate

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주간기술동향 2019. 5. 8.

즐기는 수백만 스포츠 동호인이 있으며, 이들은 각자의 운동을 더 잘하기 위해 각종 장비(라

켓, 운동화 등)에 대한 투자를 아끼지 않고 있음

▸ 뿐만 아니라 아프지 않고 오래하기 위해 각종 보호대(어깨보호대, 발목보호대, 무릎보호대

등)에 대한 투자도 아끼지 않고 있는데, 예를 들면 배드민턴 동호인들은 어깨 또는 손목이나

무릎을 보호하기 위해 수십만 원부터 수백만 원대 가격의 보호대나 고급 라켓을 구매하는

것에 서슴치 않는 경향이 있음

▸ 외골격 수트는 몸의 무리를 덜어주고, 더 강한 힘을 전달하여 더 멋진 플레이를 할 수 있도록

해주기 때문에 동호인에게 매력적으로 다가갈 가능성이 높음

◾ 외골격 수트는 아직 외부 노출, 무게, 소음 등의 문제가 있으며, 착용자의 의도와 동일한 액션이

어렵다는 난제가 있지만, 최근 기술적 진보로 조만간 해결될 것으로 기대

▸ 이러한 외골격 수트의 문제는 외부로 노출되어 있고 다소 무게가 있으며 소음이 있다는 것임

▸ 세스믹 로보틱스(Seismic Robotics)에서 개발한 파워드

클로딩(Powered Clothing) 슈트는 옷 내부에 작은 모터

와 배터리를 장착하여 엉덩이와 허리에 최대 30와트의 힘

을 추가로 제공하도록 설계되어 있을 뿐만 아니라 소음도

주변에 지장을 주지 않는 40데시벨 정도에 불과하며,무엇

보다 가장 큰 특징은 속옷처럼 착용 가능하여 어느 누구도

외골격 수트를 착용했다고 눈치 채지 못한다는 것임

▸ 원래 이 기술은 군사용으로, 병사의 지구력을 향상시키기

위해 DARPA에서 지원하여 개발하였지만, 이를 민간용으

로 확장한 것인데, 무엇보다 증가하는 노년층의 엉덩이와

다리 근력을 지지하여 오래 걸을 수 있게 하고, 앉았다 일어나는 데 불편이 없도록 지원함으로

써 노년층의 일상생활의 불편을 없앨 목적으로 개발한 상품임

▸ 또 다른 외골격 수트의 문제 중 하나는 어떤 상황에서 착용자들이 생각한 데로 동일한 액션이

어렵다는 것임

▸ 그러나 외골격 수트는 아니지만, 의족과 의수 분야에 인공지능이 접목되어 착용자의 의도나

생각을 읽어 그들이 원하는 액션이 수행되게끔 하는 기술들이 개발되고 있으며, 이 기술은

외골격 수트에도 적용될 것으로 예상되고 있음

▸ 노스캐롤리나(North Carolina) 대학의 생물의학공학과 헬렌 황 교수는 인공지능을 활용하여

착용자가 10~20분 이내에 의족 착용 후 바로 걸을 수 있는 인공지능 의족 기술을 개발하였으

<자료> 더로보트리포트

[그림 2] Powered Clothing 슈트

최신ICT이슈


며, 아직은 계단, 경사면, 거친 지형 등에서의 적용은 무리지만 인공지능 기술의 발전으로

조만간 해결될 것으로 기대되고 있음

▸ 스웨덴의 샬머스(Chalmers) 공대에서는 생각으로 정밀하게 컨트롤하는 의수 기술을 개발(일

명, DeTOP 프로젝트)하고 있는데, e-OPRA라는 기술로 전극을 팔의 신경과 연결하여 생각

하는 데로 기계손이 움직이게 하는 것으로, 가상 의수 그래픽을 제어하는 실험을 우선적으로

실시하여, 생각만으로도 의수를 정밀하게 움직일 수 있음을 검증함

[ 참고문헌 ]

[1] https://www.gminsights.com/industry-analysis/exoskeleton-market - 외골격 수트 시장

[2] https://gearjunkie.com/roam-elevate-ski-exoskeleton-review - ROAM 엘레베이트 외골격 수트 사례

[3] https://www.myseismic.com/ - Seismic Robotics 사례

[4] https://www.therobotreport.com/seismic-powered-clothing/ - Seismic Robotics 사례2

[5] https://www.engadget.com/2019/01/28/ai-tuned-robotic-knee/ - AI 무릎 의족 사례1

[6] https://spectrum.ieee.org/the-human-os/biomedical/bionics/ai-helps-humans-walk-on-robot-prosthetic

-knee – AI 무릎 의족 사례2

[7] https://www.therobotreport.com/prosthetic-hand-swedish-patient/ - DeTOP 사례

<자료> 더로보트리포트

[그림 3] 생각으로 움직이는 의수

정보통신기획평가원은 주간기술동향의 ICT 기획시리즈에 게재할 “방송스마트미어콘텐츠” 분야

원고를 모집하고 있습니다.

관심 있는 산·학·연 전문가 여러분들의 많은 참여를 바랍니다.

원고 주제 : 방송스마트미어콘텐츠 관련 기술·시장·정책 동향(제목 및 목차는 저자 자율 결정)

제출 자격 : 대학, 연구기관, 산업체의 정보통신분야 재직자(5년 이상)

접수 기간 : 2019년 5월 1일~6월 30일 기간 내 수시접수

제 출 처 : 주간기술동향 원고접수메일([email protected])로 제출

원고 양식: 파일참조(원고양식)

원고 분량: 12~13페이지 내외

기타

- 게재 원고에 대하여 소정의 원고료 지급(200자 원고지 7,000원/1매, 최고 20만 원~40만 원,

지급대상별 상한액 적용)

- 기획시리즈 칼럼은 매주 1편씩 발간

- 원고제출 시 반드시 원고심의의뢰서(첨부파일참조)를 함께 제출하여 주시기 바랍니다.

- 게재된 원고로 인해 지적재산권 침해문제가 발생할 경우, 원고저자는 원고료 반환, 게시물 삭제와

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- Tel : 042-612-8296, 8214 / Fax : 042-612-8209 / E-mail : [email protected]

주간기술동향 원고 공모

사업책임자: 문형돈(기술정책단장)

과제책임자: 이성용(산업분석팀장)

참여연구원: 변화성, 이재환, 이효은, 이상길, 안기찬, 김용균, 정해식, 김우진, 전영미(위촉)

통권 1895(2019-17)

발 행 년 월 일 : 2019년 5월 8일발 행 소 : 편집인겸 발행인 : 석제범등 록 번 호 : 대전 다-01003등 록 년 월 일 : 1985년 11월 4일인 쇄 인 : ㈜승일미디어그룹

(34054) 대전광역시 유성구 유성대로 1548(화암동 58-4번지)전화 : (042) 612-8296, 8214 팩스 : (042) 612-8209

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