방송통신기술이슈 & 전망 2014 년제 49 호 개요 Tactile Internet 이라는용어의의미는 촉감 ( 을전달하는 ) 인터넷 이라직역을할수있으나, 촉감정보가전달될만큼저지연 ( 지연없음 ) 을특성으로하는인터넷 이란의미로사용된다. Tactile Internet은사용

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동욱 천
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1 방송통신기술이슈 & 전망 2014 년제 49 호 5 세대이동통신의새로운이슈, Tactile Internet 의소개 Korea Communications Agency

2 방송통신기술이슈 & 전망 2014 년제 49 호 개요 Tactile Internet 이라는용어의의미는 촉감 ( 을전달하는 ) 인터넷 이라직역을할수있으나, 촉감정보가전달될만큼저지연 ( 지연없음 ) 을특성으로하는인터넷 이란의미로사용된다. Tactile Internet은사용자의요청에대해극단적으로짧은반응지연시간을갖는인터넷기술로서, 성공적으로구현된다면지금까지는상상하지못했던새로운서비스에대한가능성이열리게될것으로기대되고있다. Tactile Internet 이요구하는짧은반응지연시간을충족하기위해서는물리계층에서응용계층에이르기까지모든계층에서새로운개념과기술의적용이필요할것이며, 향후큰가능성이예상되는만큼활발한연구가이루어질것으로예상된다. 본고에서는 5세대이동통신에서이슈가될것으로예상되는 Tactile Internet 이 5세대이동통신을위해제시된다른기술들과어떤차이가있는지를살펴보고, 이기술이어떤특성을가지며어떤기술요소가필요한지소개하기로한다. 또, 실제구현을위해해결해야하는과제에대해서도설명하기로한다 세대이동통신에서새로운서비스의필요성 1세대이동통신이아날로그방식으로음성서비스를시작한이래, 디지털방식을채용한 2세대이동통신, 비음성데이터서비스가강화된 3세대이동통신을거쳐현재에는고속데이터통신이가능한 4세대이동통신의상용서비스가시작되었다. 한편으로는 4세대이동통신을능가하는 5세대이동통신의새로운개념과서비스에대한연구가한창이다. 5세대이동통신은향후모바일기기의급격한확산과가입자증가로인한모바일트래픽증가를수용하고, 아직 4세대이동통신에반영되지않은신개념의통신기술을이용하여대용량, 저전력등의성능을더강화하는한편, M2M(Machine to Machine)/D2D(Device to Device) 등새로운개념의서비스를제공하는것을목적으로한다. 현재 5세대이동통신에의적용을고려하는신기술로는이종망간네트워크기술 (Heterogeneous Network), Massive-MIMO 기술, 협력통신 (CoMP: Coordinated Multi-point), 비직교다중접속 (Non-Orthogonal Multiple Access) 등이언급되고있는데 [1], 2013년 4월드레스덴에서열린 WWRF(Wireless World Research Forum) 에서는 2

3 5 세대이동통신의새로운이슈, Tactile Internet 의소개 Tactile Internet 이 5세대이동통신의핵심적인기능이될것이라는발표가있었다 [2]. Tactile Internet 은데이터전송속도를높이는것이아닌, 사용자의요청에대한반응시간을최소화하는것을특징으로하므로지금까지의무선통신기술로는불가능했던새로운서비스를제공할수있을것으로기대되고있다. 이분야의권위자인 Gerhard P. Fettweis 교수는스마트폰을예로들며 무선통신엔지니어는데이터전송률향상에관심이많을수밖에없으나, 아이폰의혁신은데이터전송률을증가시키지않고도혁신적인무선통신기기가등장할수있음을보여준다. Tactile Internet 은이러한가능성을가지고있다 고소개하였다. Tactile Internet은 Tactile( 촉감 ) 이라는어휘를사용하고있는데, 촉감을이용하는사용자인터페이스를제공하는서비스에국한되는것이아니라, 인간의오감중지연시간에가장민감한촉감정보를인터넷으로제공해도사용자가어색함을눈치채지못할정도로, 사용자요청에대해극단적으로짧은반응시간을갖는유무선통신을의미한다. Tactile Internet 이라는명칭을사용하는기존의자료들중상당수는사용자에게촉감관련인터페이스를제공하는방법론인 Tactile Communication/ Cognition 에대해설명하고있는데 [3], 본고에서는사용자요청에대해짧은반응지연시간을갖는유무선인터넷통신을지칭하는의미로서의 Tactile Internet 을소개한다. 2. Tactile Internet 의개념 인간이미디어를통해시청각정보를받아들일때청각정보는약 100 ms, 시각정보는약 10 ms의허용지연시간을가지며, 그이상의지연은부자연스럽다고느끼게된다고알려져있다. 그러나악기연주자가손으로기타를치고이를마이크로폰을통해듣는과정의경우, 인간의뇌는어떤소리를듣게될지선제적으로예측하고있으므로전문연주자는약 4 ms, 아마추어의경우에도 15 ms의지연만있어도어색함을느끼게된다 [2]. 따라서무선통신을통해인간의감각이어색하게느끼지않을정도로빠른응답을제공하기위해서는극단적으로짧은지연시간을가져야함을알수있다. 그러면허용되는지연시간은어느정도인가? 인체에서신경을통해전기신호가전달되는데걸리는속도는최대 120 m/s 가량인데, 이는손에서느낀감각정보가 10 ms 이내에뇌까지전달됨을의미하므로, 이보다충분히짧은 1 ms를목표지연시간 3

4 방송통신기술이슈 & 전망 2014 년제 49 호 으로정하였다. 즉, Tactile Internet 은인간의촉감이어색함을느끼지못할정도로극단적으로짧은반응지연시간을갖는유무선인터넷기술을의미하며아래 < 그림 1> 은이렇게짧은반응지연시간을충족하기위해각각의통신계층들에어느정도의시간여유가있는지를나타내고있다. 하지만, 현재의반도체기술및무선통신기술로 Tactile Internet 을구현하기에는아직많은난관이있다. 당장스마트폰의스크린터치인식이 10~20 ms 주기로이루어지며모뎀, 기지국및망에서의지연시간도만만치않고, 여기에보안, 인증, 데이터압축등의이슈가더해진다. 그럼에도불구하고극단적으로짧은무선통신지연시간은많은시장가능성을열어줄것으로예상된다. 교육, 스포츠, 시뮬레이션게임, 다양한원격제어, Virtual overlay, 공공재난망, 교통정리등에서종래에는생각할수없었던새로운서비스가가능한데, 예를들어, Tactile Internet를제안한 Gerhard P. Fettweis 교수는도로에서의돌발상황발생시그상황에연루될수있는모든자동차의잠김방지제동장치 (ABS: Anti-lock braking system) 및차량자세제어장치 (VDC/ESP) 등이집단적으로반응하도록하여 2차사고를예방하도록제어하는데도활용될수있다고소개하였다. 한편 Tactile Internet 의개념에대한여러반론도제기되고있는데, 우선최근각광받고있는망가상화 (Cloud Network) 와 Tactile Internet의개념이양립할수있느냐라는문제가제기되고있다. 사용자단말에짧은응답지연시간을제공하기위해서는필연적으로해당기지국이강력한처리속도와방대한정보를가지고최대한 4

5 5 세대이동통신의새로운이슈, Tactile Internet 의소개 외부망의도움없이서비스를제공하는것이가장이상적이기때문 1) 이다. 이에대해 Tactile Internet 을주장하는측에서는 Control 과 Contents 서비스의이원화를통해이두개념이양립할수있다고설명하고있는데, 즉, 즉각적인응답이필요한 Control 관련서비스는 Tactile Internet 을이용하여빠른응답을제공하고, 다소시간이걸리더라도정확하고최적화된서비스를제공해야하는 Contents 서비스는망가상화에기반을두어서비스할수있다는주장이다. 또한각각의기지국을강력한성능의시스템으로구현해야하는복잡도문제도제기되고있는데, 시스템의복잡도문제는 5세대이동통신이시작되는 2020년 ~2030년경에는해결될것으로낙관하고있다. 3. Tactile Internet 의구현구조와요소기술 Tactile Internet을위해서는사용자단말의요청정보에대해극단적으로짧은반응지연시간이구현되어야하며, 이는물리계층 2), MAC 계층 3) 및 EPC 4) 등을비롯한모든계층에서새로운기술의채택과최적화가필요함을의미한다. 다만, 물리계층기술은상대적으로다른계층에비해전송방식이나연구목표에대해공개된자료가많아본장에서는주로물리계층위주의기술에대해언급하고자한다. 데이터송수신을수행하는물리계층에서는, Tactile Internet 에종래의 OFDM 5) 방식의적용은적합하지않으며, 이를대신하여 Asynchronous transmission 6) 적용이필수적이고특히주로 GFDM 7) 방식의채택이예상된다 [4]. 이에대해현재 5GNOW 8) 에활발히참여중인독일 Fraunhofer HHI 연구소의연구원들은 LTE의 PRACH 9) 나 WiMAX의 Ranging 10) 같이짧은신호안에동기신호와 Message 가밀접하게결합되 외부망의정보를이용하지않고인터넷서비스를완벽하게할수는없으나 외부망이용은시간지연요소이므로빠른 을위해서는이의이용을최소화되어야한다는개념 2) 물리계층 네트워킹의 계층중가장낮은계층으로 직접적인무선송수신을수행하는계층 3) MAC(Medium Access Control): 네트워킹의 계층중물리계층의윗단계로 네트워크와상호작용하며물리계층을제어하는역할수행 4) EPC(Evolved Packet Core): 가입자정보관리, 부가서비스제공, 유선망과의연결을담당하는코어망이 4 세대이동통신서비스를위해진화된형태 5) OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing): 데이터를많은수의직교하는부반송파로나누어전송하는직교주파수분할다중전송방법. 각각의부반송파의전송률을낮게유지할수있는장점이있어 WiFi, WiBro, LTE 등에널리쓰인다. 6) Asynchronous transmission( 비동기전송 ): 정보가간헐적으로전송되는방식. 7) GFDM(Generalized Frequency Division Multiplexing): 5 세대이동통신을위해제안된무선전송방식후보중하나. 9) PRACH(Physical Random Access Channel): LTE 에서상향링크시간동기및전력제어를위해단말이기지국으로전송하는동기신호정보를담은채널 5

6 방송통신기술이슈 & 전망 2014 년제 49 호 어전송되는형태가될수있을것으로예상하며이런정보에대한보안문제가큰이슈가될것이라고언급하였고, 또, MAC 계층에서는제어신호및절차의최적화가주관심사라고밝혔다 [5]. 다른계층에서는아직크게부각되고있는후보신기술은확인되지않은상황이지만, EPC 계층을연구하는 Fraunhofer FOKUS 연구소에서도현재가장중점적인연구목표가지연시간이슈라고밝힌바있는등많은연구가진행되고있다. 물리계층의구현이슈에대해좀더자세히살펴보자면, 현재 4세대이동통신에는 OFDM 방식의변복조가사용되고있는데, 이는 Tactile Internet 을서비스하기에는한계가있다고여겨진다. 3GPP LTE를예로들면한 OFDM 심볼 11) 의길이는 CP(Cyclic Prefix) 12) 를제외하고약 66.7 us인데, 채널코딩, 부반송파할당및채널추정이이루어지는단위는 1 ms 길이의서브프레임 (Subframe) 이므로, 이러한프레임구조로는송신단에서데이터를준비하는동안이미수 ms의시간이지나버리고또, 만약서브프레임길이를무작정줄인다면이는데이터전송률면에서대단히비효율적이다 [6]. 따라서데이터전송률도높이고단말의요청에대한반응지연시간을짧게가져가기위한여러방법들이모색되고있는데, 다음과같은전송방법들이후보로거론되고있다 [7]. 1) Filter Bank based Multi-Carrier Transmission(FBMC) 2) Generalized Frequency Division Multiplexing(GFDM) 3) Channel-Adaptive Waveform Modulation(CAWM) 4) Single Carrier Frequency Division Multiplexing(SC-FDMA) 본래이들전송방법은본래인지무선 (Cognitive Radio) 를위해 5세대이동통신에제안된방법들인데, 이중 GFDM, FBCM 등은다음 < 표 1> 에서볼수있듯이부반송파또는부채널간의직교성 (Orthogonality) 이필요없으므로주목받고있는기술이다. 특히전송방법중 GFDM은 Tactile Internet 의주창자가제시한방법이란점에서도주목을끄는데, GFDM은 Filter bank multi-branch multi carrier 의일종으로, TV용 UHF 대역등에서많은수의 White Space RF spectrum 조각들을모아활용하는인지무선 (Cognitive Radio) 방법에효과적으로적용될수있다. 5G 이동통신의경우, 10) Ranging: WiBro 에서상향링크시간동기및전력제어를위해단말이기지국으로전송하는동기신호정보를담은채널 11) OFDM 심볼 : OFDM 전송의기본단위. 한번의 FFT 를이용해처리되는구간에 Cyclic prefix 가첨부되어구성됨. 12) Cyclic prefix: OFDM 등의다중반송파전송방식에서다중경로채널지연으로인한심볼간간섭 (ISI: Inter-Symbol Interference) 을방지하기위해연속된심볼사이에삽입된보호구간. 6

7 5 세대이동통신의새로운이슈, Tactile Internet 의소개 가용한주파수대역이제한적일것으로예상되기때문에이러한 Cognitive Radio 특 성이필수적일것으로예상되고있으며, Cognitive Radio 에유리하면서전송 Latency 도짧은기술이최종적으로선택될것으로예상된다. 또, 현재의 OFDM이다중부반송파송수신을비교적낮은복잡도로구현하기위하여 FFT 13) 를이용하는데비해, 최근제안되고있는 Filter Bank 방식은다중부반송파각각또는집합에대해별도의디지털필터를적용하는개념이다. 위 < 그림 2> 에서보이는바와같이 GFDM에서는 OFDM과같이각심볼에 CP를첨부하지만, Tail biting cyclic prefix 14) 를이용하면 CP의길이를줄일수있고, 다수개의심볼에하나 13) FFT(Fast Fourier Transform, 고속퓨리에변환 ): 이산퓨리에변환 (DFT: Discrete Fourier Transform) 을고속으로수행하는방법을지칭. 7

8 방송통신기술이슈 & 전망 2014 년제 49 호 의 CP가붙게되므로그만큼주파수이용효율이높다는장점이있다 [8][9]. 따라서 GFDM에서각각의부반송파는 Single Carrier 15) with Cyclic Prefix(SC-CP)[10] 이며, OFDM과달리각각의부반송파는 Asynchronous 하다. 다만, GFDM의수신부의구조는 FFT 대신 Filter Bank를사용한다는것외에는 OFDM 수신기와비슷한구조이다. 4. 결론 Tactile Internet 은사용자의요청에대해극단적으로짧은반응지연시간을제공한다는특성으로인해지금까지는미처생각하지못했던새로운서비스를창출할수있을것으로기대되고있다. 반면에이를실제로구현하기위해서는많은기술적난관이예상되며, 물리계층부터어플리케이션계층에이르기까지모든단계에서지금까지구현되어온방법과는다른새로운수단과개념을도입할필요성이있다. 이를위해서는소자기술, 시스템구성기술, 각계층의동작알고리즘과제어프로세서에이르기까지다양한신개념과신기술의적용이필요하므로향후많은연구자들의노력이요구되는분야라고볼수있다. Tactile Internet 은최근에제시된개념이고, 국내의기술개발동향이나실제기술이적용된사례도없으며또, 국외의 5GNOW 등에서연구가진행중이나아직구체적인시스템구조나알고리즘등이정립된것은없는것으로알려져있다. 그러나향후연구를통해큰성과를창출할수있는분야이며 IEEE ICC 2014( ) 에서는 5G 무선통신을위해 Ultra-Low End-to-End Latency 에대한워크숍을가질예정이다 [11]. 여기서어떤새로운개념들이제시될지관심을갖고살펴볼필요가있을것이다. 14) Tail biting cyclic prefix: Vodafone 이제안한방법으로, 여러개의 GFDM 심볼에하나의 Cyclic prefix 를첨가하여전송효율을높이는방법 15) Single Carrier 전송 : 다중부반송파를쓰지않고하나의부반송파에데이터를전송하는방법 8

9 5 세대이동통신의새로운이슈, Tactile Internet 의소개 [1] 김동기, 장은정, 김진해, 이문식 (2013), 5G 이동통신기술전망및동향, PM Issue Report 2013 제1호이슈2. [2] G. P. Fettweis, "The Wireless Tactile Internet And Its Impact on Smarter Cities," WWRF meeting #30, [3] Kraus, M. W., Huang, C., & Keltner, D.(2010). Tactile communication, cooperation, and performance: An ethological study of the NBA. Emotion [4] G. Fettweis, M. Krondorf, S. Bittner, "GFDM - Generalized Frequency Division Multiplexing," in Proc. IEEE 69th Vehicular Technology Conf. VTC Spring 2009, pp. 1-4, [5] G. Wunder, M. Kasparick, S. ten Brink, F. Schaich, T. Wild, I. Gaspar, E. Ohlmer, S. Krone, N. Michailow, A. Navarro, G. Fettweis, D. Ktenas, V. Berg, M. Dryjanski, S. Pietrzyk, and B. Eged, 5GNOW: Challenging the LTE Design Paradigms of Orthogonality and Synchronicity, Mobile and Wireless Communication Systems for 2020 and 77th IEEE Vehicular Technology Conference: VTC2013-Spring), Dresden, Jun. 2013; [6] 3GPP TS V10.3.0, "Evolved universal terrestrial radio access(eutra); Physical Channels and Modulation(Release 10)," Sep [7] Alcatel-Lucent, LTE and Beyond, 2011 [8] H. Ma and J. Wolf. On Tail Biting Convolutional Codes, IEEE Transactions on Communications, Vol: 34, Issue: 2, Feb [9] Datta R, Gautier M, Berg V, Futatsugi Y, Ariyoshi M, Schuhler M, Kollar Zs, Horvath P, Noguet D, Fettweis G: Flexible Multicarrier PHY design for cognitive radio in white space. In Proceedings of the 6th International Conference on Cognitive Radio Oriented Wireless Networks and Communications(CROWNCOM). Osaka, Japan; [10] J. Tubbax, B. Come, L. V. der Perre, L. Deneire, S. Donnay, and M. Engels, OFDM verses Single Carrier with Cyclic Prefix: A System-Based Comparison, VTC 2001, May 2001, pp [11] 9

10 방송통신기술시장 정책콘텐츠 발행호 2014 년제 49 호 발간물명 5 세대이동통신의새로운이슈, Tactile Internet 의소개

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슬라이드 제목 없음 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 서울대학교이동통신연구실 1 Contents Introduction Generation of subcarriers using the IFFT Guard time and cyclic extension Windowing Choice of OFDM parameters OFDM