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LED 확산 뒤 상용화 박차 기존 기술과 융합은 필수
[ISSUE] 6세대 통신기술로 주목받는 가시광통신
[113호] 2019년 09월 01일 (일) 위다웨이 economyinsight@hani.co.kr
위다웨이 于大偉 <차이신주간> 기자 
 
   
▲ 중국 허난성 정저우의 고속열차역 앞 신시가지 광장이 발광다이오드(LED) 불빛으로 장식돼 있다. LED 사용이 확산하면서 가시광을 이용한 통신이 본격적으로 주목받기 시작했다. REUTERS
옛날 봉화대는 연기와 불길로 경보를 전달했고, 바다를 항해하는 선박은 등불을 이용해 신호를 주고받았다. 빛의 밝고 어두운 변화를 이용한 정보 전달은 수천 년 동안 인류에게 익숙한 방식이었다. 발광다이오드(LED)가 나타나자 빛의 변화 속도가 수만 배, 수억 배 빨라졌다. 수십 년 전에 탄생한 가시광통신은 대역폭이 와이파이의 수만 배에 이르는 통신 방식으로 평가받기 시작했다.
 
물론 극복하기 힘든 결점이 있다. 벽을 통과하지 못할뿐더러 장애물을 에돌아가는 신호의 회절력이 약하다. 이 기술이 처음 나왔을 때는 주목받지 못했던 요인이다. 그러나 LED 조명이 보급되면서 수많은 신호 발생기가 생겨났다. 특히 지능형교통시스템(ITS)과 스마트시티를 구축하는 과정에서 전등, 교통신호등, 나아가 광고판을 채우는 LED 조명등이 마이크로칩을 추가하면 무선인터넷 송출기로 변신했다. 어느 곳에나 가시광통신 광원이 생겼고, 조명과 통신이 결합한 가시광통신이 가능해졌다. 
 
타고난 강점과 약점이 명확해 가시광통신이 새로운 장을 열기에는 부족할 수 있다. 하지만 5세대(5G) 통신부터 단일 신기술이 새 시대를 개척하는 단계가 지났고, 다양한 기술의 통합에 의존해야 한다. 이미 많은 국가가 가시광통신을 6세대(6G) 통신 후보 기술로 선정했다.

신기술 탄생
가시광통신(VLC)이란 가시광 주파수대, 즉 385~789테라헤르츠(THz) 빛에 정보를 담아 신호를 직접 전송하는 통신을 말한다. 광섬유를 비롯한 통신선 없이 빛으로 공기 중에 전파된다. 형광등이나 LED에서 방출하는 신호를 이용해 정보를 전달해 빛이 닿기만 하면 통신이 가능한 무선통신 시스템이다. 가능성이 무궁무진한 분야다.
 
가시광통신 역사는 20년도 되지 않는다. 21세기 초 LED 조명 장비가 발명되자 과학자들은 LED를 이용한 정보 전달에 흥미를 갖게 됐다. 2000년 일본 게이오대학의 다나카 유이치, 나카가와 마사오, 소니 컴퓨터과학연구소 하루야마 신이치로는 LED 조명등을 통신기지국으로 활용해 정보를 무선으로 전송하는 실내통신 시스템을 개발했다.
 
2006년 <과학일보>는 일본 총무성이 일본전신전화(NTT), 일본전기(NEC)와 함께 조명을 이용해 정보를 고속으로 전송하는 가시광통신 시스템을 개발할 계획이라고 보도했다. 일본 정부는 이 기술을 차세대 광대역 통신망으로 보급해 5년 안에 실용화하길 기대했다. 2008년 중국과학원 반도체연구소도 가시광통신 연구를 시작했다. 
 
실용화 단계의 가시광통신 시스템을 가장 먼저 개발한 것은 고속 데이터 전송을 실현한 연구진이었다. 유럽이 앞서갔다. 2011년 미국 시사지 <타임>이 선정한 세계 50대 발명품 가운데 영국 에든버러대학 해럴드 하스 교수가 개발한 가시광 무선인터넷 솔루션이 8위에 올랐다. 2013년 중국 푸단대 츠난 교수 연구진이 초당 3.75기가비트(Gb) 속도의 가시광통신 시스템을 구현한 데 이어, 2018년에는 14.6Gbps 속도의 수중 가시광통신 시스템을 구현했다.
 
2018년 8월24일 중국공정원 우장싱 원사 연구진은 세계 최초로 초고속 가시광통신 전용 칩셋의 상용화에 성공했다. 광전자칩과 베이스밴드 통신칩으로 구성된 이 칩셋은 초당 Gb 속도의 고속 전송이 가능하고, 주요 인터페이스 프로토콜 표준과 호환할 수 있다. 2019년 6월 초, 프랑스 파리에서 열린 세계가시광통신대회에서 츠난 교수 연구진은 실시간 고속 가시광 전송 시스템을 공개했다. 2X2 대용량 다중입출력(MIMO)시스템을 채택했고 전송속도는 초당 5Gb에 이른다. 이 시스템은 가시광 동작 주파수 선택과 디지털신호처리(DSP)의 복잡성, 신호처리 속도, 컴퓨팅 정확도 등 실질적인 문제를 해결했다. 
 
최신 기술인 5G도 전송속도의 한계 때문에 가상현실(VR)이나 고선명 멀티미디어 인터페이스(HDMI), 3D 디스플레이를 제대로 지원하지 못한다. 가시광통신은 통신 속도가 최대 강점이다. 현재 최고속도가 초당 15Gb에 이른다. 와이파이나 4G 최고속도는 초당 1Gb에 불과하다. 
 
일상생활에서 LED 조명을 쓰기 시작하면서 가시광통신 보급 가능성도 커졌다. 츠난 교수는 “LED를 광원으로 하는 가시광통신은 거인 어깨에 올라선 것과 같이 LED 성장과 함께 빠르게 발전할 수 있다”고 말했다. LED는 에너지 사용을 줄이고 비용도 저렴해 가시광통신이 새로운 친환경 통신 방식이 될 수 있다.
 
광통신은 안전하고, 전자기파 오염이 없으며, 조명과 통신을 함께 처리해 주파수 사용료를 낼 필요가 없다. 더욱이 정보 보안에 적합한 장점이 있어 항공기, 병원, 산업제어 등 전자기파에 민감한 구역이나 통신 보안이 필요한 분야에 적합하다. 하지만 보안 성능은 양날의 검과 같다. 빛은 직선으로만 전파할 수 있어 빛을 차단하면 신호 전송이 영향받는다. 아직까지 성숙한 산업사슬도 만들어지지 않았다. 
 
현재 가시광통신 기술 연구는 새 개념과 기술이 끊임없이 탄생하는 역동적 성장 단계에 있다. 츠난 교수 연구진의 저우펑 박사는 가시광통신이 성장하고 있지만 실질적으로 해결해야 할 문제가 많다고 지적했다.

   
▲ 2019년 8월8일 미군의 초고주파 위성을 탑재한 아틀라스5 로켓이 케이프 캐너버럴 미 공군기지에서 발사됐다. 미국 항공우주국은 가시광으로 데이터를 전송하는 방식을 위성항법장치(GPS)와 소위성 통신망 시스템에 적용할 계획이다. REUTERS
상용화 시도
조명과 통신을 결합한 가시광통신은 차세대 조명과 접속망 기술의 발전을 촉진한다. 세계 각국이 시장 잠재력 등을 고려해 유리한 고지를 선점하려고 경쟁하는 분야가 됐다. 실내 정보통신 시스템, 3차원(3D) 위치추적 시스템, 특정 보안통신 등의 응용 분야가 있다.
 
미국 항공우주국(NASA)은 무선신호와 통신선을 가시광으로 대체해,  데이터를 전송하는 방식을 위성항법장치(GPS)와 소위성 통신망 시스템에 적용할 계획이다. 위성과 위성의 실시간 정보 공유와 안정적이고 효율적인 정보 전송을 위해서다. 미군에서 사용하는 손전등 통화 시스템은 유효 전송 거리가 수㎞에 이른다. 양쪽 손전등을 적외선으로 연결하면 보안을 유지한 채 통화할 수 있다. 
 
수중통신 분야에서 영국은 수중 200m 거리에서 초당 2메가비트(Mb) 속도로, 일본은 100m 거리에서 40Mb 속도로 정보를 전송했다. 소나다인의 블루컴 시리즈 제품은 수심 4천m, 150m 거리에서 10Mb 속도의 데이터 전송에 성공했다. 전자기파 방사를 통제해야 하는 잠수함도 가시광통신으로 신호를 보낼 수 있다. 물 위를 항해하는 선박은 지난 수천 년 동안 등불로 신호를 보내는 방식을 이용했지만, 가시광통신은 새 기능을 제공한다. 안전하고 신호 간섭을 받지 않을 뿐 아니라 정보 유출 위험이 없다. 선박과 육지, 선박과 선박 사이 조명과 통신을 동시에 해결할 수 있다.
 
저우펑 박사에 따르면, 가시광 손전등 통화 시스템은 반경 수㎞ 이내의 통신 수요를 해결할 수 있다. 가시광 콘퍼런스콜 시스템은 사용자 256명의 동시 접속이 가능하다. 전자기파에 민감한 구역과 특별한 보안이 필요한 환경에서도 적용할 수 있다.
 
예를 들어 전자기파 방사가 제한되는 원자력발전소 내부는 스마트폰, 와이파이, 무전기를 가져갈 수 없다. 축구장 수십 개를 붙여놓은 면적의 원자력발전소 안에 있는 직원이 외부와 연락하기 위해 가시광통신을 이용할 수 있다. 원자력발전소 내부 여러 지점에 신호 송수신 장치를 설치하고 직원 머리 위에 있는 LED 전등을 연결하면 된다. 직원이 순찰 도중 문제를 발견하면 손에 든 통신기로 제어센터에 보고할 수 있다. 저우펑 박사는 “이런 상황에서 주파수 대역은 음성통화만 지원하면 된다”며 “전등과 신호 발생원 사이 수신 각도가 커서 정확하게 맞추지 않아도 통화할 수 있다”고 말했다. 
 
이 연구진이 개발한 400M 동영상 전송 시스템은 10m 정도 거리에서 고해상도(HD) 영상을 전송할 수 있다. 전송 거리가 길어지면 잡음 대비 신호 비율(SNR)이 떨어지므로 시스템이 자동으로 전송속도를 낮춘다. 50m 밖에서는 2Mb 정도를 유지한다.
 
중국과학원 반도체연구소는 LED 전등을 기반으로 개발한 100Mbps 가시광통신 시스템을 선전 시민센터 등 여러 곳에서 전시했다. 또 독자 개발한 가시광 스마트홈 제어시스템 프로토콜은 사물인터넷 응용 분야에서 저속 가시광통신의 깜빡임 문제를 해결했다.
 
5G의 본격 상용화 이전부터 학계와 산업계는 6G 기술을 모색했다. 2018년 11월, 쑤신 중국 공업정보화부 IMT-2020(5G) 무선기술작업반 의장은 2018년부터 6G 개념 연구를 시작했다. 2020년부터 6G 개발에 들어가 2030년에는 상용화를 시작할 계획이다. 쑤신 의장은 “많은 일을 5G로 실현하지 못할 것”이라며 “사물인터넷 응용 상황이 그다지 만족스럽지 않다”고 밝혔다. 
 
6G 기술에 관한 다양한 상상을 종합하면, 더 높은 주파수인 275기가헤르츠(GHz) 이상 테라헤르츠(THz) 구간과 1GHz보다 더 넓은 단일 채널 대역폭으로 최고 전송속도가 초당 100Gbps(5G는 20Gbps)에 이른다. 더 넓은 통신 가능 지역을 확보해 하늘, 바다, 땅을 아우르고 사물인터넷(IoE)을 실현할 것으로 기대된다.

‘6G 전쟁’ 준비
2019년 2월 도널드 트럼프 미국 대통령은 트위터에서 “되도록 빨리 5G, 심지어 6G 기술을 미국에 도입하길 바란다”고 밝혔다. 이후 미 연방통신위원회는 95GHz에서 3THz에 해당하는 주파수 구간을 6G 실험에 이용하도록 개방했다. 테드 라파포트 미국 뉴욕대학 교수는 “연방통신위원회가 6G 경주를 시작했다”고 말했다. 
 
6G를 연구하는 기관들 의견이 일치하지 않지만, 가시광통신이 핵심 기술의 하나로 인정받고 있다. 웨이커쥔 국가정보통신연구원 기술표준연구소 연구원은 2019년 초에 열린 6G 미래 기술 세미나에서 가시광통신도 검토하고 있다고 밝혔다. “아직 5G 통신망을 구축하는 단계라서 많은 문제점이 드러나지 않았고 6G의 비전도 명확하지 않다. 지금은 가능한 모든 기술을 검토해 분석한 뒤 판단해야 한다.” 그는 가시광통신에 대해 특정 상황에서 역할을 할 것이라고 말했다. 
 
통신 전문가인 우장싱 중국공정원 원사는 “LED가 보급되면서 가시광통신을 선택할 가능성이 커졌다”고 말했다. 앞으로 가시광통신 기술을 대규모로 도입하면 전등 하나가 데이터 이용이 많은 지역(핫스폿)이 된다. 사람들은 버스를 기다릴 때 가로등 아래에서 영화 몇 편을 내려받을 수도 있다. 항공기와 고속철도에서도 LED 광원을 이용한 무선고속통신을 이용하고, 인터넷 플러스를 실현할 수 있는 값싼 접속 방식을 제공할 것이다. 전문가들은 앞으로 수십 년 안에 정보 전송량이 현재 무선주파수 대역의 수용 능력을 초과할 것이므로 가시광통신이 무선주파수 자원의 부족을 효과적으로 해결해 전략적 신흥산업이 될 것으로 예측했다.  
 
하지만 가시광통신은 이동성, 회절력, 투과력이 약하다는 단점도 많다. 전문가는 “종이 한 장으로 신호를 막을 수 있다”고 비유적으로 설명했다. 이 때문에 가시광통신은 다른 통신기술과 융합해 서비스를 제공하고, 현행 통신수단을 대체·보충할 것이라는 의견이 많다. 수중통신과 보안통신 등 특수 분야에서는 주류가 될 수 있다. 저우펑 박사는 “가시광통신을 보급하려면 산업이 주도해야 한다”며 “기술 가능성은 수요에 달렸다”고 말했다.
 
우웨이 씽테라(芯迪半導體) 마케팅부문 사장은 한 일본 기업이 고속 G.hn 전력선통신(PLC) 모듈을 구매했다고 전했다. 그에 따르면, 이더넷 데이터를 변조한 뒤 가시광통신으로 전송해 건축현장 등 통신설비를 설치하기 힘든 상황에서 유연하고 간편하면서도 안정적인 고속통신 서비스를 제공할 수 있다. 가시광통신 응용 범위는 아직 상당히 좁다. 초기 보급 단계여서 기존 가정용 인터넷 제품과 출하량을 비교할 수준은 아니다. 가시광통신 장비의 출하량을 늘리려면 더 많은 시간을 투입해 산업을 육성해야 할 것이다.
 
* 2019년 9월호 종이잡지 95쪽에 실렸습니다.

ⓒ 財新週刊 2019년 제26호
可視光通信曙光
번역 유인영 위원

 

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