KAIST, 사물인터넷(IoT)을 위한 무전원 인터넷 연결 기술 개발
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KAIST, 사물인터넷(IoT)을 위한 무전원 인터넷 연결 기술 개발
  • 송윤영 기자
  • 승인 2020.07.13 13:00
  • 조회수 28
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후방산란 기술을 이용, 전력 효율 및 비용 절감 효과로 대규모 IoT에 기여 기대
(사진제공=KAIST)(좌측부터)김성민 교수 이용 교수 정진환 박사과정
(사진제공=KAIST)(좌측부터)김성민 교수 이용 교수 정진환 박사과정

(대전=세종충청뉴스) 송윤영 기자 = 국내 연구진이 초저전력, 저비용으로 우리 생활의 모든 사물을 연결하는 사물인터넷(IoT, Internet of Things) 서비스를 광범위하게 제공하는 핵심 기술을 개발, 초연결 사회 구현을 한층 앞당길 수 있을 것으로 기대된다. 사물인터넷이란 각종 사물이 센서와 통신기기를 통해 서로 연결돼 양방향으로 소통함으로써 개별 객체로는 제공하지 못했던 서비스를 제공하는 기술이다.

KAIST(총장 신성철)는 전기및전자공학부 김성민, 이융 교수와 정진환 박사과정, 한국뉴욕주립대 류지훈 교수(컴퓨터과학과)가 참여한 공동 연구팀이 후방산란(Backscattering) 기술을 이용한 무전원 사물인터넷 게이트웨이 개발에 성공했다고 13일 밝혔다.

후방산란 기술이란 기기의 무선 신호를 직접 만들어내지 않고, 공중에 존재하는 방사된 신호를 반사해 정보를 전달하는 방식의 기술이다. 무선 신호를 생성하는데 전력을 소모하지 않아 초저전력으로 통신을 가능케 하는 기술이다.

김성민 교수 연구팀은 이러한 초저전력 후방산란 기술을 이용해 사물인터넷 기기들이 방사하는 무선 사물인터넷 신호가 와이파이(WiFi) 신호로 공중에서 변조되도록 설계했다. 후방산란 기술 기반의 무전원 게이트웨이를 이용하면 사물인터넷 기기를 와이파이 네트워크에 쉽게 연결할 수 있기 때문에 인터넷 연결성의 범위가 크게 확장될 것으로 기대된다.

전기및전자공학부 정진환 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 지난 6월 캐나다 토론토에서 열린 모바일 컴퓨팅 분야의 최고 권위 학술대회 `ACM 모비시스(ACM MobiSys) 2020'에서 발표됐다. (논문명 : Gateway over the air: Towards Pervasive Internet Connectivity for Commodity IoT).

5G 네트워크의 핵심 구성요소 중 하나인 사물인터넷은 각종 사물인터넷 기기들이 인터넷에 연결돼야만 다양한 서비스를 제공할 수 있는 구조로 돼 있다. 사물인터넷 기기들을 인터넷에 연결하기 위해서는 사물인터넷 게이트웨이라는 다수의 무선 송수신 장치를 장착하고 있는 기기가 꼭 필요하다.

사물인터넷 게이트웨이는 다수의 무선 송수신 장치에서 발생하는 전력소모량이 크기 때문에 유선 전원공급장치가 필요하다. 따라서 자유로운 설치가 제한될 수밖에 없어 광범위한 인터넷 연결성을 제공하는데 많은 제약이 따른다. 

연구팀은 문제 해결을 위해 후방산란 기술을 활용해 사물인터넷 기기들이 주로 사용하는 지그비(ZigBee, 저전력 무선망 기술) 또는 BLE(Bluetooth Low Energy, 저전력 블루투스 기술) 통신 규격을 따르는 무선 신호를 최적의 패턴으로 반사해 와이파이 신호로 변조시키는 기술을 개발했다. 이 기술을 이용해 사물인터넷 기기들을 사용자 주변에 흔히 볼 수 있는 와이파이 기기에 연결함으로써 인터넷 연결성을 제공하는 무전원 사물인터넷 게이트웨이를 제작했다.

연구팀이 개발한 무전원 사물인터넷 게이트웨이 기술은 후방산란 기술을 활용해 에너지 수확(Energy harvesting)을 통해 무전원으로 동작할 수 있어 설치비용과 유지·보수 비용을 크게 줄일 수 있다. 또 후방산란의 특성상 공중에 방사된 무선 신호를 반사하면서 물리적으로 변조하므로 동일한 통신 규격을 사용하는 모든 사물인터넷 기기에 보편적으로 적용할 수 있다는 장점이 있다.

연구팀은 저전력 통신 규격인 지그비와 BLE 신호를 무전원 사물인터넷 게이트웨이를 통해 와이파이 신호로 변조해 상용 노트북에서 수신됨을 확인했다. 이와 함께 다양한 제작사에서 판매하는 상용 스마트홈 기기(스마트 전구, 스마트 스피커 등)가 사물인터넷 게이트웨이를 통해 와이파이 기기에 상호 연결되는 현상을 실험을 통해 입증함으로써 통합형 사물인터넷 게이트웨이로서의 가능성도 확인했다.

제1 저자인 정진환 연구원은 "후방산란이라는 초저전력 통신 기술을 통해 상용 사물인터넷 기기들이 매우 적은 비용으로 와이파이를 통해 인터넷에 연결될 수 있다는 점을 확인했다ˮ면서 "값비싸고 전력소모량이 큰 기존의 사물인터넷 게이트웨이의 한계를 무전원 사물인터넷 게이트웨이로 극복할 수 있다는 점을 확인한 게 이번 연구의 성과ˮ라고 설명했다. 

정 연구원은 이어 "향후 끊임없이 규모가 커질 사물인터넷에 대해 효율적으로 인터넷 연결성을 확대, 제공하는 방향으로 활용이 가능할 것으로 기대가 크다ˮ고 말했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단과 정보통신기획평가원의 지원을 받아 수행됐다.  

그림 1. 상용 사물인터넷 기기가 송신한 신호가 무전원 게이트웨이를 통해 Wi-Fi 네트워크에 연결되는 과정을 보여주는 모식도(상용 사물인터넷 기기가 송신한 신호가 무전원 게이트웨이(시제품)를 통해 Wi-Fi 네트워크에 연결되는 과정을 보여주는 모식도. 상용 사물인터넷 기기가 송신한 신호가 후방산란 기술을 통해 공중에서 Wi-Fi 신호로 변조되어, Wi-Fi 노트북에서 수신되고, 수신된 Wi-Fi 신호로부터 사물인터넷 기기가 보낸 신호를 그대로 복원해냄으로써, 무전원 사물인터넷 게이트웨이로 동작하는 것을 보여준다)
그림 1. 상용 사물인터넷 기기가 송신한 신호가 무전원 게이트웨이를 통해 Wi-Fi 네트워크에 연결되는 과정을 보여주는 모식도(상용 사물인터넷 기기가 송신한 신호가 무전원 게이트웨이(시제품)를 통해 Wi-Fi 네트워크에 연결되는 과정을 보여주는 모식도. 상용 사물인터넷 기기가 송신한 신호가 후방산란 기술을 통해 공중에서 Wi-Fi 신호로 변조되어, Wi-Fi 노트북에서 수신되고, 수신된 Wi-Fi 신호로부터 사물인터넷 기기가 보낸 신호를 그대로 복원해냄으로써, 무전원 사물인터넷 게이트웨이로 동작하는 것을 보여준다)

 

□ 연구개요

1. 연구 배경
다양한 종류의 사물들이 네트워크를 형성하여 인터넷에 연결되는 사물인터넷은 도래하는 5G 시대에 핵심 기술로 주목받고 있다. 사물인터넷을 통해 스마트 공장, 스마트 농장, 스마트 시티 등 다양한 응용 서비스들이 등장하고 있는데, 이들 서비스를 운용하기 위해서는 사물들이 인터넷에 연결되는 인터넷 연결성이 필수적이다. 사물들을 인터넷에 연결하는 기존의 방식인 전통적 게이트웨이는 다수의 무선 통신용 칩을 장착함으로써 인터넷 연결성을 제공하나, 이러한 방식은 게이트웨이의 전력 소모가 크고 비용이 증대되는 문제점으로 인해, 사물인터넷의 규모가 점점 커지는 상황에서 모든 기기에 인터넷 연결성을 제공하는 데 한계가 있다. 본 연구에서는 후방산란 기반의 게이트웨이를 개발하여, 기존의 게이트웨이가 갖는 한계점을 극복하여, 초저전력 및 저비용으로 사물인터넷에 광범위한 인터넷 연결성을 제공하고자 한다.

2. 연구 내용
후방산란이란 기기가 직접 무선 신호를 생성하지 않고 공중에 존재하는 무선 신호를 반사하여 정보를 전달하는 방식으로, 기기의 구조가 간단하여 낮은 전력 소모와 비용으로 동작할 수 있으므로, 효율적인 통신이 가능하다. 사물인터넷 기기들과 인터넷 간의 통신 규약이 서로 다르므로 필요한 기존의 사물인터넷 게이트웨이의 역할을 후방산란 기술을 활용해 대체함으로써 낮은 비용을 갖는 무전원 기기를 설계하고자 한다. 본 연구원은 후방산란 기술의 특징을 활용하여, 사물인터넷 기기가 방사하는 무선 신호를 공중에서 최적의 방식으로 반사하여, 반사된 신호가 Wi-Fi 신호로 변조하는 기술을 제안하였다. 사물인터넷 무선 신호와 Wi-Fi 신호의 물리적인 특성(대역폭, 변조 방식, 전송속도 등)이 크게 다르므로 일반적으로는 Wi-Fi 기기가 사물인터넷 무선 신호를 수신할 수 없다. 연구팀은 후방산란 기기가 무선 신호를 반사하면서 신호의 주파수, 위상차와 진폭을 변조할 수 있는 특징을 활용하여, 사물인터넷 무선 신호를 특정 방식으로 반사함으로써 Wi-Fi 신호로 변조할 수 있었다. 이를 통해, 무전원 사물인터넷 게이트웨이 기기를 개발하여, 사물인터넷 기기가 송신하는 무선 신호가 무전원 게이트웨이에 의해 공중에서 Wi-Fi 신호로 변조되고, 이를 통해 인터넷에 연결되는 결과를 얻었다. 

3. 기대 효과
기존의 사물인터넷 게이트웨이는 다수의 무선 통신 칩에서 발생하는 전력 소모로 인해 유선 전원 연결이 필요하고 그 비용이 많이 들어 자유롭게 설치되기 어렵다. 따라서, 무전원으로 동작할 수 있는 후방산란 기반의 게이트웨이가 기존의 게이트웨이의 공백을 메꿀 수 있게 된다면, 사물인터넷에 광범위한 인터넷 연결성을 제공할 수 있을 것이라 기대한다. 또한, 후방산란의 저전력 및 저비용 특성을 기반으로 무선 신호를 공중에서 변조하는 기술을 통해 앞으로 등장할 것으로 예상하는 새로운 통신 규약들을 통합하는 게이트웨이의 역할을 기대할 수 있다.


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