6G 네트워크의 연구개발 동향과 발전방향에 대하여

 

서론

이동 통신 시스템은 아날로그 음성 통화 시스템에서 시작하여 디지털 음성 통화와 문자 메시지를 지원하는 2G, 멀티미디어 메시지 데이터 전송과 인터넷을 지원하는 3G, 고속 데이터 전송과 HD 비디오 스트리밍 등 멀티미디어 서비스를 지원하는 4G, 넓은 대역폭과 낮은 지연 시간으로 4G 대비 10~100배 빠른 체감 전송 속도를 지원하는 5G까지 여러 세대를 거쳐 발전해 왔습니다

이동 통신 시스템의 발전은 약 10년 주기로 이루어지고 있습니다. 기술 성장이 가속화됨에 따라 Fig. 1과 같이 2G에서 5G까지 이동 통신 시스템 세대 교체 주기가 15년에서 8년으로 단축되고 있습니다. 기술 발전 흐름에 맞춰 미국, 유럽, 중국, 일본 등 주요 국가에서 5G 상용화가 한창 진행 중임에도 불구하고 국제 표준 선점 및 기술 확보를 위해 6G의 연구개발이 진행 중이며 다양한 연구 활동을 통해 성능 목표 및 비전이 구체화되고 있습니다.

기존 5G의 핵심 성능 지표(Key Performance Index, KPI)는 최고 전송 속도 10 Gbps, 무선 구간 지연 1 ms, 연결 밀도 1 km²당 약 10^6개의 장치 연결 등을 목표로 개발되었습니다. 6G는 최고 전송 속도 1 Tbps, 무선 구간 지연 0.1 ms, 연결 밀도 1 km²당 약 10^7개의 장치 연결, 10 THz 이상의 초주파수 대역, 전 구간 인공지능 기술 적용 등을 핵심 목표로 하고 있습니다.

6G의 기술 실현을 통해 5G에서 제한되었던 완전 자율주행, 모바일 홀로그램, 확장 현실(XR) 등의 진화된 서비스가 가능해질 것입니다. 차량, 드론, 로봇, 가전제품, 각종 스마트 센서 등이 6G 연결을 통해 각각의 주체로써 융복합적이고 새로운 서비스를 제공하게 될 것입니다. 5G의 한계를 6G의 기술적 구현으로 극복할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.

국방 분야 역시 6G 발전에 따라 가상현실(VR), 증강현실(AR) 넘어 육체 오감 지원 확장 현실(XR)을 활용한 훈련 체계 구축, 격오지 부대의 실시간 원격 의료 수술, 드론 및 로봇 등을 통한 임무 수행 고도화 등이 가능해질 것입니다.

이러한 6G의 고도화된 서비스와 성공적인 기술 구현을 위해 본 논문은 6G와 관련된 연구개발 동향 및 사례를 분석하고 국내·외 발전 추세와 정책 사례에 대해 조사 분석하였습니다. 이를 통해 6G 구현을 위한 기술 및 발전 방안을 제시하였으며 미래 국방 환경에서 6G가 가져올 변화와 기술 적용 방안에 대해 분석하였습니다.

 

6G 주요 연구개발 동향

2.1 국외 연구개발 및 정책 동향

미국은 2018년에 DARPA(Defence Advance Research Projects Agency) 주도로 MIT, 버클리 등 10개 대학교가 공동 연구하는 테라헤르츠 전문 연구 센터 ComSenTer(Communication Sensing Terahertz)를 설립하였습니다. 100 GHz에서 1 THz 범위의 고대역 주파수를 활용하여 차세대 통신의 기반을 마련하고 5G 시스템 및 네트워크보다 10~1,000배 더 높은 데이터 용량을 제공하는 것을 목표로 하고 있습니다[4,5].

2020년에는 AT&T, Ericsson 등의 이동통신사와 기술 회사 등의 산업체가 Next G Alliance를 결성하였습니다. 6G의 기술 리더십을 발전시키기 위한 연구개발, 글로벌 표준화 등을 목표로 하고 있으며, 삼성전자와 LG전자도 함께 참여하고 있습니다[6].

유럽은 선도적인 6G 연구개발과 혁신을 위해 2018년부터 8년간 약 290억 원의 국가 재정을 투입하여 오울루 대학 주관으로 6G Flagship Program을 수행하고 있습니다. 네트워크 최적화, 테라헤르츠 스펙트럼 메커니즘 등을 개발하는 것을 목표로 하고 있습니다. 2020년에는 Nokia와 핀란드 오울루 대학, 이탈리아 피사 대학 등의 산학연 중심의 연구개발 그룹 Hexa-X를 출범하여 AI 통합 네트워크 개발, 보안 등 8가지 Work Package를 중심으로 연구개발 중에 있습니다.

중국은 2019년에 주요 통신 사업자와 6G 추진 단을 설립하여 6G 분야의 R&D 활성화 및 국제 교류 협력 증진을 목표로 하고 있습니다. 2020년에 정부 소속 연구 기관인 중국 전자 정보 산업 개발 연구소(China Electronics Information Industry Development Research Institute, CCID)에서 6G 개념 및 비전 백서를 발간하였습니다. 6G의 비전, 비즈니스 응용 시나리오, 핵심 기술 등을 제시하였습니다. 6G 관련 기술 특허 출원 분석 결과에 따르면, Fig. 2에서 보는 바와 같이 중국은 전체의 약 40.3%를 차지할 만큼 많은 연구개발이 진행되고 있으며, 세계 최초로 6G 테스트를 위해 인공위성을 발사하는 데도 성공했습니다. 중국은 6G 기술 개발 경쟁을 주도하고 있습니다.

일본은 2020년에 Beyond 5G Promotion Strategy 회담을 진행하였습니다. 6G 로드맵과 Beyond 5G 추진 전략을 제시하였고, 이동통신사인 NTT DoCoMo는 2020년에 6G 기술 요구 사항, 서비스 시나리오 등을 담은 6G 백서를 발간하였습니다. 초고속 및 고용량 통신, 해저 및 우주 커버리지 등의 6G로 달성 가능한 비전 등이 담겨 있습니다. 2021년에 핀란드 오울루 대학이 주관하는 6G Flagship Program과 MOU를 체결하여 6G 개발을 위해 상호 경쟁 우위 달성을 목표로 하고 있습니다.

 

2.2 국내 연구개발 및 정책 동향

한국은 관계 부처, 대기업, 중소기업과 긴밀히 협력하여 6G의 미래 경쟁력을 확보하기 위해 노력하고 있습니다. 2020년에 과학기술정보통신부는 민관의 네트워크 경험과 노하우를 활용하여 6G 시대 글로벌 시장 선도를 목표로 미래 이동통신 R&D 추진 전략 계획을 수립하였습니다. 본 계획은 초고속(Tbps 급), 초지연(<5 ms 급) 등 10개 전략 과제를 2025년까지 약 2,000억 원을 투자 지원하는 것을 목표로 하고 있습니다. 2020년 4월에는 6G 핵심 기술 개발 사업 예비 타당성 조사가 통과되었으며, 정보통신기술기획평가원은 미국 국립과학재단과 6G를 포함한 신기술 공동 연구를 위해 MOU를 체결했습니다.

삼성전자는 2019년에 6G 연구개발을 위해 삼성 리서치 산하 차세대 통신 연구 센터를 설립하였으며, 2020년에 “모두를 위한 차세대 초연결 경험”이라는 6G 비전을 바탕으로 6G 백서 ‘6G The Next Hyper-Connected Experience for All‘를 발표하였습니다. 본 백서는 6G와 관련된 기술, 사회적 메가트렌드, 새로운 서비스 등 다양한 측면을 다루고 있습니다. 또한, 삼성전자는 캘리포니아 주립대와 함께 무선 테스트에서 적응형 빔 조향 기능으로 140 GHz 주파수 대역을 이용하여 15 m 거리에서 6.2 Gbps의 전송 속도로 데이터를 전송하는 데 성공하였습니다. 100 GHz 이상 주파수 대역에서는 장애물에 따른 전파 경로 손실이 크고 전파 도달 거리가 짧아지는 특성으로 고도의 기술이 필요합니다. 현재 100 GHz 이상 주파수 대역에서 데이터 전송 시연에 성공한 기업은 극소수입니다.

LG전자는 2019년에 한국과학기술원과 산학협력을 바탕으로 미래 6G 기술 획득을 위해 MOU를 체결하였습니다. 2021년에 독일 프라운호퍼 하인리히헤르츠 연구소와 함께 100 m 이상 떨어진 실외 환경에서 6G THz 주파수 대역을 활용하여 무선 데이터 송수신 테스트에 성공하였습니다.

SK텔레콤은 2019년에 6G 기술 요구 사항 도출 및 신규 사업 모델 개발을 위해 삼성전자, 에릭슨, 노키아와 함께 6G 기술 공동 연구개발

양해각서(MOU)를 체결하였습니다. 2021년에는 싱가포르 통신사업자 싱텔과 함께 ‘해외 5G 사업 협력 및 6G 공동 연구개발 양해각서(MOU)’를 체결하여 새로운 서비스 공동 개발, 기술 공동 검증, 사업화 방안 발굴 등을 추진하고 있습니다.

2.3 주요 6G 기술

2.3.1 테라헤르츠 통신

테라헤르츠 통신은 주파수 범위가 0.1~10 THz인 통신 기술로서 5G의 밀리미터파(24~100 GHz)보다 훨씬 넓은 대역폭을 제공합니다. 이를 통해 초고속 데이터 전송 속도와 낮은 지연 시간을 달성할 수 있습니다. 테라헤르츠 대역을 활용한 통신 기술은 6G의 핵심 기술 중 하나로, 이동 통신사의 데이터 전송 용량을 획기적으로 증가시킬 것입니다.

테라헤르츠 통신의 주요 도전 과제는 테라헤르츠 대역에서의 높은 경로 손실과 짧은 전파 도달 거리입니다. 이를 해결하기 위해 초지향성 빔포밍 기술과 메타물질 기반 안테나 설계가 필요합니다. 또한, 테라헤르츠 대역에서의 신호 생성 및 검출을 위한 고성능 반도체 소자 개발이 요구됩니다.

 

2.3.2 지능형 반송파 집성

지능형 반송파 집성 기술은 여러 주파수 대역을 동적으로 결합하여 단일 데이터 스트림으로 전송하는 기술입니다. 이를 통해 주파수 자원의 효율성을 극대화하고, 이동 통신사의 네트워크 용량을 증가시킬 수 있습니다. 지능형 반송파 집성 기술은 6G 네트워크의 초고속 데이터 전송을 지원하는 핵심 기술 중 하나입니다.

지능형 반송파 집성 기술의 주요 도전 과제는 다중 주파수 대역에서의 간섭 관리와 주파수 자원의 실시간 동적 할당입니다. 이를 해결하기 위해 인공지능(AI) 기반의 주파수 관리 알고리즘과 고성능 무선 송수신 기술이 필요합니다.

 

2.3.3 인공지능 통신 네트워크

인공지능 통신 네트워크는 네트워크의 자율 관리와 최적화를 위해 인공지능 기술을 활용하는 네트워크입니다. 이를 통해 네트워크의 성능을 극대화하고, 네트워크 운영 비용을 절감할 수 있습니다. 인공지능 통신 네트워크는 6G의 핵심 기술 중 하나로, 네트워크의 자율 관리와 최적화를 통해 초고속 데이터 전송과 낮은 지연 시간을 지원할 것입니다.

인공지능 통신 네트워크의 주요 도전 과제는 대규모 네트워크의 복잡성을 처리할 수 있는 고성능 인공지능 알고리즘 개발과 실시간 네트워크 데이터 처리입니다. 이를 해결하기 위해 딥러닝 기반의 네트워크 관리 알고리즘과 분산 컴퓨팅 기술이 필요합니다.

 

2.3.4 초고밀도 네트워크

초고밀도 네트워크는 대규모 기기 연결을 지원하기 위해 네트워크의 밀도를 극대화하는 기술입니다. 이를 통해 많은 수의 기기가 동시에 연결되어도 안정적인 통신을 지원할 수 있습니다. 초고밀도 네트워크는 6G의 핵심 기술 중 하나로, 대규모 기기 연결을 지원하여 사물인터넷(IoT)과 같은 새로운 서비스를 가능하게 할 것입니다.

초고밀도 네트워크의 주요 도전 과제는 다중 기기 간의 간섭 관리와 네트워크 자원의 효율적 분배입니다. 이를 해결하기 위해 인공지능 기반의 네트워크 자원 관리 알고리즘과 고성능 무선 송수신 기술이 필요합니다.

 

2.3.5 확장 현실(XR)

확장 현실(XR)은 가상현실(VR), 증강현실(AR), 혼합현실(MR)을 포함하는 개념으로, 사용자에게 몰입감 있는 경험을 제공합니다. 6G의 초고속 데이터 전송과 낮은 지연 시간은 XR 서비스를 더욱 향상시킬 것입니다. 이를 통해 교육, 의료, 엔터테인먼트 등 다양한 분야에서 새로운 XR 응용 프로그램이 가능해질 것입니다.

XR 기술의 주요 도전 과제는 높은 데이터 전송 속도와 낮은 지연 시간을 동시에 만족하는 통신 기술과 몰입감 있는 사용자 경험을 제공하기 위한 고해상도 디스플레이 기술입니다. 이를 해결하기 위해 6G의 초고속 데이터 전송 기술과 초지연 통신 기술이 필요합니다.

 

결론

6G 이동 통신 시스템은 5G를 넘어서는 초고속 데이터 전송, 낮은 지연 시간, 대규모 기기 연결 등을 지원하여 다양한 새로운 서비스를 가능하게 할 것입니다. 본 논문은 6G와 관련된 주요 연구개발 동향 및 기술을 분석하고, 6G 구현을 위한 발전 방안을 제시하였습니다.

국외에서는 미국, 유럽, 중국, 일본 등 주요 국가에서 6G 연구개발이 활발히 진행되고 있으며, 국내에서도 관계 부처, 대기업, 중소기업이 협력하여 6G의 미래 경쟁력을 확보하기 위해 노력하고 있습니다. 주요 6G 기술로는 테라헤르츠 통신, 지능형 반송파 집성, 인공지능 통신 네트워크, 초고밀도 네트워크, 확장 현실(XR) 등이 있으며, 이러한 기술의 발전을 통해 6G의 성능 목표를 달성할 수 있을 것입니다.

6G는 국방 분야에서도 가상현실(VR), 증강현실(AR)을 넘어 육체 오감 지원 확장 현실(XR)을 활용한 훈련 체계 구축, 격오지 부대의 실시간 원격 의료 수술, 드론 및 로봇 등을 통한 임무 수행 고도화 등을 가능하게 할 것입니다. 이를 통해 국방 환경에서도 혁신적인 변화가 기대됩니다.

6G의 성공적인 구현을 위해서는 기술적 도전 과제를 해결하고, 국제 표준화를 선도하며, 산업계, 학계, 정부 간의 긴밀한 협력이 필요합니다. 본 논문이 6G 연구개발과 관련된 유용한 정보를 제공하고, 향후 6G 기술 발전에 기여할 수 있기를 바랍니다.

**참고문헌**

[1] 삼성전자, “5G 이동통신의 이해와 전망,” 2020.
[2] M. Agiwal, A. Roy, and N. Saxena, “Next Generation 6G: Wireless Communication Technologies, Applications, and Challenges,” 2019.
[3] A. Gupta and R. K. Jha, “A Survey of 5G Network: Architecture and Emerging Technologies,” IEEE Access, 2015.
[4] DARPA, “Communications in the THz Band,” 2019.
[5] MIT, “Terahertz Wireless Communications Center,” 2018.
[6] Next G Alliance, “Next G Alliance Overview,” 2020.
[7] 6G Flagship Program, “6G Vision and Goals,” 2018.
[8] Hexa-X, “Hexa-X: The European 6G Initiative,” 2020.
[9] 중국 전자 정보 산업 개발 연구소, “6G 개념 및 비전 백서,” 2020.
[10] NTT DoCoMo, “6G White Paper,” 2020.
[11] 오울루 대학, “6G Flagship Program,” 2018.
[12] 삼성전자, “6G The Next Hyper-Connected Experience for All,” 2020.
[13] LG전자, “6G 기술 개발 현황,” 2021.
[14] 과학기술정보통신부, “미래 이동통신 R&D 추진 전략 계획,” 2020.
[15] SK텔레콤, “6G 기술 공동 연구개발,” 2019.
[16] Singtel, “5G and 6G Collaboration with SK Telecom,” 2021.
[17] Fraunhofer HHI, “6G THz Communication,” 2021.
[18] 한국과학기술원, “6G 연구개발 협력,” 2019.
[19] 삼성 리서치, “6G 백서 발표,” 2020

[20]눈문출처-https://www.kais99.org/jkais/journal/Vol24No07/vol24no07p37.pdf









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