[TechStory] 기지국에 레이더를 탑재한다고요? 통신과 센싱이 융합되는 ISAC 기술
안녕하세요? LG유플러스 CTO 기술표준팀 안춘수입니다. 오늘은 6G 통신의 주요 후보 기술 중 하나로 꼽히는 ISAC에 대해 소개해 드리겠습니다.
ISAC 이란?
ISAC은 Integrated Sensing and Communication의 약자로 정보 전달의 기능만 수행하던 기존의 통신 시스템에 주변 환경을 인식할 수 있는 센싱 기능을 융합시키는 기술입니다.
센싱 기술의 개념이 무엇인지 이해하기 쉽도록 간단히 예를 들면, 현재 가장 많이 사용되고 있는 대표적인 센싱 기술로 군대에서 항공기와 미사일 등의 탐지와 추적을 위해 사용하는 레이더를 들 수 있습니다.
ISAC의 필요성
이동통신 네트워크에 레이더와 유사한 기능의 ISAC이 구현되면 이전에는 상상할 수 없었던 다양한 서비스를 제공할 수 있습니다. 예를 들어, 기지국이 주변 사물을 탐지하고 위치를 추적할 수 있다면 도로 상의 차량들과 교통 통제 시설 간에 정밀한 위치 정보를 주고받을 수 있게 함으로써 편안하고 정밀한 자율 주행 서비스를 제공함과 동시에 교통 사고를 예방할 수 있습니다. 실외뿐만 아니라 실내 기지국에도 ISAC이 적용되면 병원에서 환자의 위치와 상태를 실시간으로 확인하여 응급 상황에 빠르게 대처할 수 있고, 공장에서는 작업자와 제품, 장비의 동선을 추적하고 보다 효율적으로 업무 스케줄을 조율함으로써 생산성을 높일 수 있습니다.
특히, 최근에 급격히 증가하고 있는 다양한 종류의 드론이 도심에서 저고도로 비행하는 경우에 드론의 위치와 크기, 형태 등을 탐지하고 경로를 예측함으로써 추돌 사고 등을 예방하고, 허가 받지 않은 드론이 사유지에 접근하는 것을 차단하여 불법적인 일에 오용되는 것을 막을 수 있습니다.
이와 같이 ISAC은 자율주행, 드론, 도심항공교통 등 수많은 무인, 유인 기체가 유기적으로 운행되어야 하는 새로운 개념의 서비스들이 근 미래에 실현될 것으로 예상되는 상황에서, 해당 서비스들의 구현 완성도와 요구 사항을 만족시키고 안전성을 보장하기 위한 핵심 기술로 거론되고 있습니다.
이동통신 네트워크에 센싱 기능을 적용할 수 있는 이유
그럼 이동통신 네트워크에 레이더와 같은 센싱 기술을 구현할 수 있게 된 배경은 무엇일까요? 긴 말 필요 없이 아래의 레이더와 5G 기지국 안테나의 비교 사진을 보면 그 이유를 알 수 있습니다.
위의 사진은 전투기의 전방에 탑재되는 레이더이고, 아래의 사진은 5G 기지국의 안테나입니다.
현대의 레이더는 전파가 전송되는 방향을 기계적으로 조정하면서 물체를 탐지하는 대신에 배열 안테나를 구성하는 수 백, 수 천 개의 안테나 요소 각각의 위상을 조절함으로써 특정 방향으로 송신 전파를 집중시켜 물체를 탐지할 수 있습니다.
동일한 방식으로 5G 기지국의 안테나도 수십, 수백 개의 안테나 요소의 위상을 조절하여 스마트폰 등의 단말이 위치한 특정 방향으로만 지향성 전파를 전송하는 방식으로 신호의 세기를 높여 보다 먼 거리에서도 통신이 가능하도록 해 주는 빔포밍(beamforming) 기술을 사용합니다.
이와 같이 레이더와 기지국 안테나는 동일한 방향으로 수렴 진화한 결과, 거의 유사한 하드웨어를 갖추게 되었습니다. 단지 차이점은, 레이더는 특정 방향으로 전파를 전송한 후 물체에 반사되어 돌아온 신호를 감지하는 방법으로 물체의 거리와 방향을 측정하는 반면, 5G 기지국 안테나는 특정 단말이 위치한 방향으로 전송하는 전파에 데이터를 실어 보낼 뿐입니다.
ISAC의 센싱 성능
ISAC으로 어떤 서비스를 제공할 수 있는지를 가늠하기 위해서는 이동통신 기지국에 ISAC을 구현함으로써 얻을 수 있는 센싱 성능을 정확히 파악할 필요가 있습니다.
a) 타겟 감지율과 센싱 정확도
먼저, ISAC 기반의 센싱으로 얼마나 정밀한 수준의 거리 측정이 가능한지 레이더와 비교해 보겠습니다.
| 레이더 | ISAC | |
| 정밀도 | 10km 거리에서 1cm의 물체 탐지 가능 (F-16E APG-80 AESA 레이더 기준) | 10m 거리에서 1cm 크기의 물체 탐지 가능 (IEEE 802.11bf EDMG 센싱 기준) |
| 주파수 | 8~12GHz (X-band 레이더) | 60GHz (IEEE 802.11bf) |
얼핏 보아서는 ISAC의 성능이 개당 가격이 수 십억 원이 넘는 레이더에 비하여 열위에 있는 것이 당연해 보입니다. 하지만 센싱에서는 단일 안테나의 성능보다 센서의 수가 더 중요합니다.
레이더의 경우에는 자신이 전송한 전파가 반사되어 돌아오는 경우에만 측정이 가능한 mono-static 방식인데 비하여, ISAC은 수 많은 기지국의 안테나를 활용하여 여러 방향에서 측정이 가능한 multi-static 방식을 사용하여 측위 정확도와 타겟 감지 확률을 높일 수 있습니다.
Multistatic 이 왜 중요한지 이해하기 위하여 F-22와 같은 스텔스 전투기를 예로 들어 보겠습니다. 스텔스 기체를 구현하는 방법은 2가지인데, 첫 번째는 전파 흡수 도료를 사용하여 전파가 반사되지 않도록 하는 것이고, 두 번째는 각진 형태의 기체를 사용함으로써 전파가 날아온 방향과는 다른 엉뚱한 방향으로 전파를 반사 시켜 레이더가 수신하지 못 하도록 하는 방법입니다. 이 중, 두 번째 방법이 스텔스 비행기와 스텔스 선박 등에 광범위하게 사용되며 드론 등의 소형 비행체에도 큰 비용 없이 적용 가능합니다.
하지만 mulistatic을 사용하는 ISAC 시스템에서는 설사 다른 방향으로 전파를 반사 시키더라도 여러 방향에 흩어져 있는 수십 개의 기지국 안테나가 이를 여러 방향에서 수신하여 측정할 수 있기 때문에 스텔스 드론 등에 값비싼 전파 흡수 도료를 사용하지 않는 이상에는 탐지를 회피할 수 없습니다.
센싱 감지율 뿐만 아니라 센싱 정확도 면에서도, 기지국 안테나가 많으면 많을수록, 안테나의 안테나 요소의 수가 많으면 많을수록, 사용하는 주파수의 대역이 높고 대역폭이 넓을 수록 성능이 높아지기 때문에, 센싱 서비스의 요구 사양에 따라 정확도를 높이는 것이 충분히 가능합니다.
b) 센싱 방식과 감지 가능한 타겟의 범위
다음으로는 센싱이 수행되는 방식을 살펴보겠습니다. 이미 우리는 GPS를 사용하여 비교적 정확한 위치를 계산할 수 있는데, 왜 ISAC이 필요할까요? 그 이유는 아래 표를 비교해 보면 명확해집니다.
| GPS | ISAC | |
| 센싱 시그널 전송 | GPS 위성 | 기지국 또는 단말기 (센싱 타겟 아님) |
| 센싱 시그널 수신 /측정 | 위치를 확인해야 하는 단말이 4개 이상의 GPS 위성으로부터 신호를 수신하고 자신의 위치를 삼각 측량으로 계산 | 기지국 또는 단말기 (센싱 타겟 아님) |
| 센싱 결과 전달 | GPS 신호를 수신한 단말이 자신의 좌표를 데이터로 전달 | 별도의 정보 전달 과정 필요 없음 |
GPS의 경우에는 GPS 위성이 전송한 신호를 단말기가 수신한 후 자신의 위치를 계산하는 방식이기 때문에, 단말기에 GPS 기능이 필수로 탑재되어야 하는 것은 물론이고 단말기가 자신의 좌표 정보를 데이터로 공유해주지 않으면 위치를 알 수가 없습니다.
반면에 ISAC의 경우에는 GPS 기능이 없는 모든 사물을 타겟으로 센싱이 가능합니다. 사람, 동물, 나무, 심지어는 비와 눈까지 모든 것이 센싱의 대상이 될 수 있기 때문에 야생 동물과 폭우를 감지하여 재난 방지에 활용하는 서비스 시나리오도 구현할 수 있습니다.
또한 데이터 연동이 필요 없으므로 자신의 위치 정보를 공유해주지 않는 불법 드론과 침입자를 인식하여 범죄와 사고를 예방할 수도 있습니다.
c) 센싱 성능과 무선 자원의 상관 관계
이처럼 유용한 ISAC 기술이지만, 그만한 센싱 성능을 달성하기 위해서는 충분한 무선 자원을 할당해 주어야만 합니다. 센싱에 충분한 무선 자원을 할당한다는 뜻은 데이터 전송에 사용해야 할 무선 자원이 줄어든다는 뜻이므로 센싱 성능과 무선 데이터 용량은 서로 트레이드 오프 관계에 있다고 할 수 있습니다.
따라서 무선 데이터 용량을 확보하면서도 충분한 센싱 성능을 달성하기 위해서는 서비스 요구 사항에 따라 효율적으로 무선 자원을 분배하고 센싱 시그널과 데이터 전송을 스케줄링 할 수 있는 기술이 필요합니다.
ISAC이 열어갈 미래
이동통신 네트워크의 활용도를 한 차원 높일 수 있는 ISAC은 통신 기술의 발전이 새로운 비즈니스 모델을 창조하는 기반이 될 수 있다는 것을 다시금 증명한다는 점에서 큰 의미가 있습니다. 또한 ISAC이 다양한 형태의 타겟을 센싱한 결과를 바탕으로 유용한 정보를 가공하여 제공하기 위해서는 현재의 이동통신 네트워크가 AI 기반의 지능화된 네트워크로 진화해야만 하는데, AI가 네트워크에 어떻게 적용되어야 하는지 고민해야 되는 현재 시점에서 ISAC이 시사하는 바가 크다고 할 수 있습니다.
ISAC을 통하여 6G 기술을 기반으로 태동할 수 있는 새로운 서비스와 비즈니스 모델에 대하여 생각해 볼 수 있는 기회가 되었기를 바랍니다.
[TechStory] 기지국에 레이더를 탑재한다고요? 통신과 센싱이 융합되는 ISAC 기술
안녕하세요? LG유플러스 CTO 기술표준팀 안춘수입니다. 오늘은 6G 통신의 주요 후보 기술 중 하나로 꼽히는 ISAC에 대해 소개해 드리겠습니다.
ISAC 이란?
ISAC은 Integrated Sensing and Communication의 약자로 정보 전달의 기능만 수행하던 기존의 통신 시스템에 주변 환경을 인식할 수 있는 센싱 기능을 융합시키는 기술입니다.
센싱 기술의 개념이 무엇인지 이해하기 쉽도록 간단히 예를 들면, 현재 가장 많이 사용되고 있는 대표적인 센싱 기술로 군대에서 항공기와 미사일 등의 탐지와 추적을 위해 사용하는 레이더를 들 수 있습니다.
ISAC의 필요성
이동통신 네트워크에 레이더와 유사한 기능의 ISAC이 구현되면 이전에는 상상할 수 없었던 다양한 서비스를 제공할 수 있습니다. 예를 들어, 기지국이 주변 사물을 탐지하고 위치를 추적할 수 있다면 도로 상의 차량들과 교통 통제 시설 간에 정밀한 위치 정보를 주고받을 수 있게 함으로써 편안하고 정밀한 자율 주행 서비스를 제공함과 동시에 교통 사고를 예방할 수 있습니다. 실외뿐만 아니라 실내 기지국에도 ISAC이 적용되면 병원에서 환자의 위치와 상태를 실시간으로 확인하여 응급 상황에 빠르게 대처할 수 있고, 공장에서는 작업자와 제품, 장비의 동선을 추적하고 보다 효율적으로 업무 스케줄을 조율함으로써 생산성을 높일 수 있습니다.
특히, 최근에 급격히 증가하고 있는 다양한 종류의 드론이 도심에서 저고도로 비행하는 경우에 드론의 위치와 크기, 형태 등을 탐지하고 경로를 예측함으로써 추돌 사고 등을 예방하고, 허가 받지 않은 드론이 사유지에 접근하는 것을 차단하여 불법적인 일에 오용되는 것을 막을 수 있습니다.
이와 같이 ISAC은 자율주행, 드론, 도심항공교통 등 수많은 무인, 유인 기체가 유기적으로 운행되어야 하는 새로운 개념의 서비스들이 근 미래에 실현될 것으로 예상되는 상황에서, 해당 서비스들의 구현 완성도와 요구 사항을 만족시키고 안전성을 보장하기 위한 핵심 기술로 거론되고 있습니다.
이동통신 네트워크에 센싱 기능을 적용할 수 있는 이유
그럼 이동통신 네트워크에 레이더와 같은 센싱 기술을 구현할 수 있게 된 배경은 무엇일까요? 긴 말 필요 없이 아래의 레이더와 5G 기지국 안테나의 비교 사진을 보면 그 이유를 알 수 있습니다.
위의 사진은 전투기의 전방에 탑재되는 레이더이고, 아래의 사진은 5G 기지국의 안테나입니다.
현대의 레이더는 전파가 전송되는 방향을 기계적으로 조정하면서 물체를 탐지하는 대신에 배열 안테나를 구성하는 수 백, 수 천 개의 안테나 요소 각각의 위상을 조절함으로써 특정 방향으로 송신 전파를 집중시켜 물체를 탐지할 수 있습니다.
동일한 방식으로 5G 기지국의 안테나도 수십, 수백 개의 안테나 요소의 위상을 조절하여 스마트폰 등의 단말이 위치한 특정 방향으로만 지향성 전파를 전송하는 방식으로 신호의 세기를 높여 보다 먼 거리에서도 통신이 가능하도록 해 주는 빔포밍(beamforming) 기술을 사용합니다.
이와 같이 레이더와 기지국 안테나는 동일한 방향으로 수렴 진화한 결과, 거의 유사한 하드웨어를 갖추게 되었습니다. 단지 차이점은, 레이더는 특정 방향으로 전파를 전송한 후 물체에 반사되어 돌아온 신호를 감지하는 방법으로 물체의 거리와 방향을 측정하는 반면, 5G 기지국 안테나는 특정 단말이 위치한 방향으로 전송하는 전파에 데이터를 실어 보낼 뿐입니다.
ISAC의 센싱 성능
ISAC으로 어떤 서비스를 제공할 수 있는지를 가늠하기 위해서는 이동통신 기지국에 ISAC을 구현함으로써 얻을 수 있는 센싱 성능을 정확히 파악할 필요가 있습니다.
a) 타겟 감지율과 센싱 정확도
먼저, ISAC 기반의 센싱으로 얼마나 정밀한 수준의 거리 측정이 가능한지 레이더와 비교해 보겠습니다.
| 레이더 | ISAC | |
| 정밀도 | 10km 거리에서 1cm의 물체 탐지 가능 (F-16E APG-80 AESA 레이더 기준) | 10m 거리에서 1cm 크기의 물체 탐지 가능 (IEEE 802.11bf EDMG 센싱 기준) |
| 주파수 | 8~12GHz (X-band 레이더) | 60GHz (IEEE 802.11bf) |
얼핏 보아서는 ISAC의 성능이 개당 가격이 수 십억 원이 넘는 레이더에 비하여 열위에 있는 것이 당연해 보입니다. 하지만 센싱에서는 단일 안테나의 성능보다 센서의 수가 더 중요합니다.
레이더의 경우에는 자신이 전송한 전파가 반사되어 돌아오는 경우에만 측정이 가능한 mono-static 방식인데 비하여, ISAC은 수 많은 기지국의 안테나를 활용하여 여러 방향에서 측정이 가능한 multi-static 방식을 사용하여 측위 정확도와 타겟 감지 확률을 높일 수 있습니다.
Multistatic 이 왜 중요한지 이해하기 위하여 F-22와 같은 스텔스 전투기를 예로 들어 보겠습니다. 스텔스 기체를 구현하는 방법은 2가지인데, 첫 번째는 전파 흡수 도료를 사용하여 전파가 반사되지 않도록 하는 것이고, 두 번째는 각진 형태의 기체를 사용함으로써 전파가 날아온 방향과는 다른 엉뚱한 방향으로 전파를 반사 시켜 레이더가 수신하지 못 하도록 하는 방법입니다. 이 중, 두 번째 방법이 스텔스 비행기와 스텔스 선박 등에 광범위하게 사용되며 드론 등의 소형 비행체에도 큰 비용 없이 적용 가능합니다.
하지만 mulistatic을 사용하는 ISAC 시스템에서는 설사 다른 방향으로 전파를 반사 시키더라도 여러 방향에 흩어져 있는 수십 개의 기지국 안테나가 이를 여러 방향에서 수신하여 측정할 수 있기 때문에 스텔스 드론 등에 값비싼 전파 흡수 도료를 사용하지 않는 이상에는 탐지를 회피할 수 없습니다.
센싱 감지율 뿐만 아니라 센싱 정확도 면에서도, 기지국 안테나가 많으면 많을수록, 안테나의 안테나 요소의 수가 많으면 많을수록, 사용하는 주파수의 대역이 높고 대역폭이 넓을 수록 성능이 높아지기 때문에, 센싱 서비스의 요구 사양에 따라 정확도를 높이는 것이 충분히 가능합니다.
b) 센싱 방식과 감지 가능한 타겟의 범위
다음으로는 센싱이 수행되는 방식을 살펴보겠습니다. 이미 우리는 GPS를 사용하여 비교적 정확한 위치를 계산할 수 있는데, 왜 ISAC이 필요할까요? 그 이유는 아래 표를 비교해 보면 명확해집니다.
| GPS | ISAC | |
| 센싱 시그널 전송 | GPS 위성 | 기지국 또는 단말기 (센싱 타겟 아님) |
| 센싱 시그널 수신 /측정 | 위치를 확인해야 하는 단말이 4개 이상의 GPS 위성으로부터 신호를 수신하고 자신의 위치를 삼각 측량으로 계산 | 기지국 또는 단말기 (센싱 타겟 아님) |
| 센싱 결과 전달 | GPS 신호를 수신한 단말이 자신의 좌표를 데이터로 전달 | 별도의 정보 전달 과정 필요 없음 |
GPS의 경우에는 GPS 위성이 전송한 신호를 단말기가 수신한 후 자신의 위치를 계산하는 방식이기 때문에, 단말기에 GPS 기능이 필수로 탑재되어야 하는 것은 물론이고 단말기가 자신의 좌표 정보를 데이터로 공유해주지 않으면 위치를 알 수가 없습니다.
반면에 ISAC의 경우에는 GPS 기능이 없는 모든 사물을 타겟으로 센싱이 가능합니다. 사람, 동물, 나무, 심지어는 비와 눈까지 모든 것이 센싱의 대상이 될 수 있기 때문에 야생 동물과 폭우를 감지하여 재난 방지에 활용하는 서비스 시나리오도 구현할 수 있습니다.
또한 데이터 연동이 필요 없으므로 자신의 위치 정보를 공유해주지 않는 불법 드론과 침입자를 인식하여 범죄와 사고를 예방할 수도 있습니다.
c) 센싱 성능과 무선 자원의 상관 관계
이처럼 유용한 ISAC 기술이지만, 그만한 센싱 성능을 달성하기 위해서는 충분한 무선 자원을 할당해 주어야만 합니다. 센싱에 충분한 무선 자원을 할당한다는 뜻은 데이터 전송에 사용해야 할 무선 자원이 줄어든다는 뜻이므로 센싱 성능과 무선 데이터 용량은 서로 트레이드 오프 관계에 있다고 할 수 있습니다.
따라서 무선 데이터 용량을 확보하면서도 충분한 센싱 성능을 달성하기 위해서는 서비스 요구 사항에 따라 효율적으로 무선 자원을 분배하고 센싱 시그널과 데이터 전송을 스케줄링 할 수 있는 기술이 필요합니다.
ISAC이 열어갈 미래
이동통신 네트워크의 활용도를 한 차원 높일 수 있는 ISAC은 통신 기술의 발전이 새로운 비즈니스 모델을 창조하는 기반이 될 수 있다는 것을 다시금 증명한다는 점에서 큰 의미가 있습니다. 또한 ISAC이 다양한 형태의 타겟을 센싱한 결과를 바탕으로 유용한 정보를 가공하여 제공하기 위해서는 현재의 이동통신 네트워크가 AI 기반의 지능화된 네트워크로 진화해야만 하는데, AI가 네트워크에 어떻게 적용되어야 하는지 고민해야 되는 현재 시점에서 ISAC이 시사하는 바가 크다고 할 수 있습니다.
ISAC을 통하여 6G 기술을 기반으로 태동할 수 있는 새로운 서비스와 비즈니스 모델에 대하여 생각해 볼 수 있는 기회가 되었기를 바랍니다.