5G 편집위원 : 안재민 ( 충남대 ), 한영남 (KAIST) 초근접직접통신기술의동향과초고속 NFC 기술 이문식, 신경철, 방승찬 한국전자통신연구원 요약 최근스마트기기와소셜네트워크의확산으로수많은근접디바이스간의직접정보전달이활성화됨에따라급속도로근접모바일직접통신기술에대한관심이고조되고있다. 직접통신기술은광역직접통신, 협역직접통신, 초근접직접통신으로분류될수있으며, 본고에서는 NFC 기술의시발점으로급속도로확산되고있는초근접직접통신기술의동향에대해알아보고, 또한미래의기가급초근접통신서비스를제공하기위한초고속저전력 NFC 기술로서부각되고있는 Zing 기술에대해알아본다. Ⅰ. 서론 급격히성능이향상된스마트기기를중심으로정보를생산 소비하는 5G단말기는셀룰러네트워크를사용하는모바일인터넷서비스뿐만아니라, 셀룰러네트워크와는독립적으로네트워크를구성하여인접단말기와의직접통신으로서비스를공유하는방향으로진화가예상된다. 디바이스간 (D2D: Device-to-Device) 직접통신은급증하는트래픽을처리하는기지국의부하문제를해결하기위하여트래픽오프로딩의장점으로재조명되고관련연구들이진행되고있다. 단말간지리적근접성을이용하여통신함으로써무선신호가지역적범위내에서만영향을미치므로전송속도증가, 전력소모감소, 주파수재사용에의한자원활용도증가등의이점이기대된다. 직접통신기술은사용자의환경에가장적합한무선전송기술이적용되어야하며, 커버리지에따라 1 km 이내의광역 (Wide Area) 직접통신, 100 m 이내의협역 (Local Area) 직접통신, 10 cm 이내의초근접 (Near Filed) 직접통신기술로분류할수있다. 본고에서는초근접직접통신기술의동향에대해알아보고, 향후방향에대해전망한다. 초근접직접통신의시발점이되는 NFC(Near Field Communications) 기술은 [1] 에의하면 2011 년초기 152.4백만대수준에서 2015년까지 2,763.3백만대수준으로보급될것으로보고있으며전체모바일기기의 85.9% 가 NFC기능을탑재할것으로보고있다. 향후에는주변의환경을포함한태그형사물들이단계적으로기가급서비스정보를포함하게될것으로예측되며스마트폰의발전으로급속히확산될것으로보이므로주변의모바일기기및가전기기뿐만아니라, 장치 (Device) 나기계 (Machine) 등온갖사물로부터의기가급대용량정보를실시간으로순간전송할수있는기술이요구된다. 본고에서는이러한다양한초근접직접통신서비스들의등장에대비하여개발되고있는초고속저전력차세대 NFC 기술인 Zing 기술에대해소개한다. 본고는 2장에서 NFC 기술정의및서비스유형, NFC 기술의장점과표준에대해알아보고, 3장과 4장에서는국내 외 NFC 서비스동향과초근접직접통신기술의국내 외동향에대해각각알아보며, 5장에서는초고속초근접직접통신기술의필요성에대해논하고, 6장에서는초고속저전력 NFC 기술인 Zing 기술에대해설명하고, 7장에서결론을맺는다. Ⅱ. NFC 기술소개 본장에서는 NFC 기술의정의와 NFC의서비스유형에대해먼저알아보고, NFC의장점에대해논하며, 마지막으로 NFC 기술표준에대해설명한다. 1. NFC 기술정의및서비스유형 NFC는 RFID(Radio Frequency Identification) 기술을확장한기술로, 13.56 MHz 주파수를사용하여 10 cm 이내거리에서낮은전력으로전자기기간의무선통신을가능하게하는비접촉근거리무선통신기술로정의되며, 50 mw의소모전력으로 424 kbps의전송속도를제공한다. NFC 서비스는 < 표 1> 에서와같이 Card Emulation (Card DECEMBER 2013 51
in a Phone), Reader/Writer (Reading Tags), Peer to Peer (Making Connection) 등 3 가지유형으로나누어진다 [2][3][4] [5]. < 그림 1> 은 NFC 의다양한서비스들에대해보여준다. 기뿐아니라쓰기도가능한양방향통신을지원하여더욱풍부 한응용서비스의개발과제공이가능하다. 교통카드의경우카 드리더기에서 0.1 초이내로교통카드를인식할수있다. 표 1. NFC 서비스유형 [2]~[5] 구분내용서비스유형 Card Emulation (Passive active) Reader / Writer (active passive) Peer to Peer (active active) 단말기의 ON/OFF 와관계없이항상결제기 ( 리더기 ) 를통해인식이가능한모드 NFC 활성화상태에서 Tag 정보를인식, 휴대폰이카드리더기로서작동모드 두대의 NFC 휴대폰이카드리더기로서작동하여데이터를상호간에전송 - 비접촉결제 ( 예 ) 신용카드 - 모바일티켓 ( 예 ) 공연티켓, 승차권 - 출입증 ( 예 ) ID카드 - 구매상품지급결제 ( 예 ) 상품태그판독 - 디지털정보접근 ( 예 ) 포스터조회등 - 데이터공유 ( 예 ) 전자화폐이체, 연락처공유등 2.3 편리한연결가장중요한기능으로복잡한페어링절차가필요없이직관적이고편리한순간접속서비스제하다는점이다. 최근에는블루투스나 WLAN과같은통신기술과결합하여갖다대기만하면무선통신경로자동연결시키는기능도출시되고있다. 3. NFC 기술의표준 NFC 표준은넓은의미로아래 3개의 RFID 표준을모두 NFC 로보고있으나, 정확히 NFC가지니는양방향성을지원하는표준은 ISO/IEC 18092으로볼수있다. 표 2-2는 NFC 표준들을비교한표이다. (1) ISO/IEC 14443 ( 근접 ): 13.56 MHz 비접촉식근접형 IC 카드표준. 10 cm 반경내에서통신가능. 변조방식에따라 A,B로나누며, 국내교통카드시스템은주로 A타입을사용 (2) ISO/IEC 15693 ( 근방 ): 13.56 MHz 대역을사용하는비접 촉식근방형 IC 카드표준. 1.5 m 까지통신이가능해 RFID 응용에사용 그림 1. NFC 를활용한서비스 [4] 2. NFC 기술의장점 NFC는근접거리 (10 cm 이내 ) 비접촉식통신방식을제공하므로, 공간상에서개인정보의유실을염려하지않아도되고, 저속 ( 주로 212 kbps) 이지만양방향통신이가능하며, 주변기기와의편리한연결을제공한다. NFC 기술의장점은크게다음과같다. 2.1 개인정보를보호하는근접통신 NFC는 10 cm 이내의근접거리에서암호화된통신으로인해해킹의가능성을원천적으로차단할수있다. 2.2 양방향통신을통한다양한서비스제공 NFC는 RFID에서확장된개념이라할수있으나, 정보의읽 (3) ISO/IEC 18092(NFCIP-1): ISO/IEC 14443 의 A 타입과스 마트카드의일본표준인펠리카 (FeliCa) 를결합해기기간 양방향통신기능을강화시킨표준, NFC 기기의핵심통신 표준 표 2. NFC 표준비교 [6][7] 표준 ISO/IEC 14443 ISO/IEC 15693 주파수대역 13.56 MHz ISO/IEC 18092 인식거리 10 cm 이내 1 m 이내 10 cm 이내 데이터속도 106 kbps~ 212 424 kbps ~ 1 26 kbps kbps Mbps 동작모드 리더 / 카드 리더 / 카드 리더 / 카드외에리더간통신지원 Ⅲ. 국내 외 NFC 서비스동향 본장에서는국내 외의 NFC 서비스동향에알아본다. 52 정보와통신
1. 국내의 NFC 서비스동향이동통신사업자는사업자별로 NFC & 전자지갑서비스를제공하고있으며, SKT는 SK하나카드와 SK플래닛등과제휴하여 USIM 기반의 NFC 서비스확대를추진하고있고, KT는 BC 카드와제휴하여모카페이및선불형서비스인주머니등의서비스출시하였으며, LGU플러스는 USIM 기반보다는 SD 기반의 NFC 서비스솔루션을확보하고서비스를제공하고있다. 삼성전자는국내보다는국외에서다양한 NFC 솔루션을스마트폰에탑재하여, 미국, 유럽, 일본등에서 NFC 플랫폼솔루션을제공하고있다. 또한비결제부문에적용할수있는 TecTile 이나 P2P 서비스를 OA기기에접목하고있다. LG전자는비결제 NFC 부문인가전영역에서스마트폰을활용한기기제어서비스에접목중이다. SK C&C에서는 NFC 모듈및솔루션을개발하여공급하고있으며, A3Logics에서는 NFC칩셋을개발하여결제 / 비결제등다양한분야에칩셋을공급하고있다. 금융결제원, 한국은행, 은행, 카드사, 보험사등범금융권참여사들은 USIM 기반의 NFC보다는기존카드를대체할수있는 SD 기반의솔루션을확보하였으며, 은행권중심의 뱅크월렛 을전자지갑을출시하여 ATM에서의은행업무및신세계, 이마트와같은유통점에서모바일지급결제서비스제공하고있다. 2. 국외의 NFC 서비스동향미국에서는 2012년 AT&T, 버라이존등이동통신사주도로카드사와은행등을합작하여모바일결제회사 ISIS 설립했다. 영국에서는 2012년런던올림픽에서 NFC 서비스시작하였고, 프랑스에서는 2008년니스에서 NFC 시범서비스 Cityzi 추진했으며 2013년 NFC 전국상용화에돌입할예정이다. 특히유럽에서는오렌지, 보다폰등 5개통신사업자협의체를구성하여 NFC 기반모바일결제서비스추진중에있다. 전세계적으로 NFC 기술이가장활성화된국가인일본에서는펠리카기반의지갑휴대폰을 NFC로변환하여결제중심의서비스에서모바일헬스케어, 소규모디지털광고등의비결제서비스로 NFC를확대하고있다. 일본의 NFC 서비스를좀더자세히알아보면, 일본 NTT도코모에서는 JR철도등철도, 지하철, 버스등과같은소액선불형교통카드를우선적으로접목하여시장에론칭, 현재일본전지역에서사용가능한대중교통용교통카드서비스로기존에는지역별로 10 종의다른타입의교통카드들이상호정보교환가능하다. 또한, 휴대폰안에내장된전자화폐를이용하여편의점, 쇼핑센터에서자동판매기, 인터넷온라인쇼핑몰등다양한분야에서지급결제수단으로활용되고있다. 신분확인을위 한개인정보를 NFC에탑재하여전자신분증의역할을할수있어, 운전면허증, 학생신분증, 항공탑승권, 구내식당, 매점등에서신분확인용도로사용되고있다. 그리고, 설비시설점검서비스용도로설비시설에읽고기록할수있는펠리카태그를설치하여정기적인설치점검시이전의기록상태를태그를통해확인하고, 이번에점검한내용을휴대폰에서작성한후, 기록내용을태그에저장하며, 휴대폰의내용은네트워크를통해서버로전송하여수기로인한기록의변환실수를줄이고있다. 최근에는모바일헬스케어에 NFC를접목하여혈압 / 당뇨등의의료측정기기, 여성의체온이나체중 / 체질을측정하는건강측정기기, 운동량을측정하는헬스기기등을스마트폰의 NFC로연결하여헬스케어를할수있도록서비스를제공하고있다. 재해발생시, 병의원에서환자의정보태그에기록하여스마트패드를통해병원서버의진료정보를조회및기록하며, 병원의출입및매점이용등의종합적인용도로병원관리에접목하고있다. Ⅳ. 초근접직접통신기술의국내 외동향 본장에서는국내 외의근접통신기술의동향에대해알아본다. 1. 국내의초근접직접통신기술동향국내의초근접직접통신기술동향을보면, 넥서스칩스에서 UWB(Ultra-Wideband) 대역을사용하여초근접거리 2 Gbps 급무선전송솔루션을개발하고있으며, 전원공급이필요하다. ETRI는 60 GHz 대역을사용하는 IEEE 802.11ad 표준기반베이스밴드모뎀과 RF 기술을개발하였다. KAIST에서저전력 OOK(On-Off Keying) 방식을이용하여 10.7 Gbps 속도을제공하는 67 mw급 RF Transceiver IP 를개발하였으며, ETRI-KETI에서 6 Gbps Analog Beamforming CMOS RF IP, Analog Base Band IP, DAC 및 ADC 등을개발하였다. 또한, ETRI-KETI에서 TV향 4 Array CMOS RF Transceiver 개발하였다. 국내에서는아직은초근접거리에서 Gbps 통신을위한초저전력 RF 기술과 Modem 기술의통합개발은전무하며, 서비스모델의개발또한필요한실정이다. 2. 국외의초근접직접통신기술동향 2012년 Wilocity와 Qualcomm Atheros는 IEEE802.11ad 표준기반 3중대역 (2.4 GHz/5 GHz/60 GHz) PCIe 기반무선랜 DECEMBER 2013 53
칩셋을발표하였으나, 에너지소비가많은빔형성 / 빔운전기능 RF 및다중접속 MAC/PHY 기술구현으로인해소비전력이수 Watt에달한다. 일본소니와도시바는 UWB 대역을사용하여 265 mw의소모전력으로최대 560 Mbps의전송속도를제공하는전원공급이필요한 TransferJet 기술을개발하여가전및정보기기에채용하고있다. 60 GHz 고속데이터통신을위해, RF는 Quadrature 구조를선택하여 NEC에서는 339 mw의 RF 파워를소모하여 2.6 Gbps를, LETI에서는 1.8 W를소모하면서 3.8 Gbps를, 그리고 Toshiba에서는 358 mw를소모하면서 8 Gbps의시스템을개발하였다. 근거리저전력 60 GHz 전송을위한개발로는 GEDC에서 60 GHz OOK 시스템을위해 RF에서 264 mw의파워를사용하여 3.5 Gbps를제공하는시스템을개발하였다. 싱가폴연구소인 A-Star에서는 OOK를사용하여 51 mw의파워소모로 5 cm에서 1.2 Gbps RF 시스템을개발하였고, 대만국립대학에서는 OOK RF 시스템을 286 mw로구현하여 60 cm에서 1 Gbps 데이터전송할수있는 RFIC 개발하였으나, 무전원으로수 Gbps 속도를제공하는순간무선전송기술개발은전무하다. 이다. < 그림 2> 에서와같이음악파일들은 mp3 포맷에서 2배이상용량이큰무손실 flac 포맷으로변화하고있고, 일부매니아층에서는 mp3 대비 10배이상의용량을가진 MSQ 음원포맷으로선호하고있다. < 그림 3> 를보면, 인터넷매거진의경우기존에는텍스트 + 사진중심에서동영상이추가되고있는추세이며, 사진과동영상은고화질콘텐츠로변화하고있고, 최근조사에의하면 Popular Science 라는인터넷매거진은평균파일크기가 75 MBytes 이고, 씨네21의평균용량은약 500 MBytes, 최근 DVD급영화 (Avi) 1편의평균크기는 1.3 GBytes이다. Ⅴ. 초고속초근접직접통신기술의필요성대두 그림 2. 음악포맷의변화예시 최근의방송통신정책환경의변화를보면본격적인스마트시대및 일상에서의스마트화 가제시되고있으며, 이러한새대상황에맞춘새로운서비스를창출하기위해서근접거리에서사물간대용량데이터의고속전송능력뿐만아니라, 무전원으로태그형사물에담긴정보를읽고쓸수있어야한다. 무전원으로순간전송기술을개발한시도가국내뿐만아니라국외에서도전무한상황에서조만간다가올사물의스마트화를앞당기기위해서원천기술개발과함께새로운시장의창출이요구된다. 현재모바일상거래에서활용하고있는 NFC 서비스는얼마되지않은짧은메시지정보전달로활용하고있으나, 향후서비스는기가급의대용량고속데이터전송이가능하며, 새로운형태의 NFC 서비스로혁신될것으로예상된다. 모바일기기에들어가는콘텐츠들이대용량으로변화하고있음에따라스마트폰과모바일장치에있어대용량콘텐츠의빠른전송이소비자의모바일기기선택에있어매우중요한요소 그림 3. 인터넷매거진용량변화예시사물간데이터전송기술로 RFID 또는 NFC 서비스에서사용하는자기유도방식기술을이용한데이터전송은적은양의저속데이터전송에주로활용되나무선태그의활용분야가광고, 안내, 교육등의분야에서확장될것이므로고속대용량데이터전송기술이요구된다. 모바일기기간데이터전송기술은블루투스, WLAN 등의기술들이최근에각광을받고있지만이러 54 정보와통신
한기술들은전원공급이전송기기간에제공되어져야하며, 리더와무전원태그간의통신과는다른기술범주에속해있고, 또한페어링절차시간이길다는단점이있다. 모바일데이터트래픽이급속한증가로인해모바일네트워크전송능력저하를유발하는원인이되나, 인접한모바일기기간대용량데이터는모바일기기간직접통신을통해전송하여네트워크데이터폭증을방지하는장점이있다. Ⅵ. Zing ( 초고속 NFC) 기술 앞서 5장에서논한바와같이, 향후에는주변의환경을포함한사물들이단계적으로정보를포함하게될것으로예측되고, 이러한시대는스마트폰의발전으로급속히당겨질것으로보인다. 주변의모바일기기및가전기기뿐만아니라, 향후장치 (Device) 나기계 (Machine) 뿐만아니라온갖사물로부터정보를얻을필요가있으므로태그형대용량정보를실시간으로순간전송할수있는기술이요구되어진다. 이를위해태그의경우근접거리 (10cm 이내 ) 에서무전원으로대용량데이터를송수신할수있는새로운기술개발이필요하다. 본장에서는이러한시대의요구에대비하여차세대초고속초근접직접통신기술로부각되고있는 Zing 기술에대해소개한다. Zing 기술은초고속저전력차세대 NFC 기술로서현재한국전자통신연구원에서정부사업으로연구하고있다. Zing 기술은 10 cm 이내의근접거리에서 60 GHz 비면허대역을이용하여수 Gbps 이상의전송속도를저전력으로제공하는것을목표로한다 [8]-[13]. < 표 3> 은초근접직접통신기술들의성능을비교한표이다. 그림 4. 비접촉식무전원데이터순간전송 (Zing) 사용개념도근접거리에서무전원으로실시간데이터전송을활용하면, 주변무선장치들과의간섭영향이거의없으므로, 주파수활용도가매우높으며, 태그형인경우, 필요한순간에만전원을자기유도방식으로태그에전달하여태그가부착된사물에대한전원 ( 배터리 ) 관리등의유지보수및운용이거의요구되지않는다. Zing 기술은스마트폰이나태블릿과같은모바일기기에장착되는리더의경우, 300 mw이하의소비전력으로최대 5 Gbps 로무선전송하게되고, 무전원태그의경우에는 30 mw이내의무선전송전력으로최대 3 Gbps급로무선전송능력을제공한다. < 그림 4> 과 < 그림 5> 는비접촉식무전원데이터순간전송기술인 Zing의사용개념도와서비스예시를보여준다. 표 3. 초근접직접통신기술들의비교 Zing NFC TransferJet 주파수 60 GHz 13.56 MHz 4.48 GHz 통신거리 10 cm 이내 10 cm 이내수 cm 이내 전송속도 변조방식 소모전력 태그 : 3 Gbps 리더 : 5 Gbps OOK/ QPSK 태그 : 30 mw 리더 : 300 mw 424 kbps 560 Mbps ASK DSSS/ BPSK 50 mw 265 mw 전파간섭무무무 그림 5. 비접촉식무전원데이터순간전송 (Zing) 서비스예시 Zing 기술은위와같은사용개념과기술특성으로인해, 단말간고속데이터순간전송서비스뿐만아니라, 태그용대용량콘텐츠를실시간으로전송할수있는광고및안내서비스그리고무선 USB로활용할수있는저장매체등다양한기가급서비스에활용될전망이다. 전원무전원무전원전원 에너지효율 태그 : 10 pj/bit 리더 : 60 pj/bit 118 nj/bit 473 pj/bit DECEMBER 2013 55
Ⅶ. 결론 근접모바일직접통신기술은커버리지에따라 1 km 이내의광역직접통신, 100 m 이내의협역직접통신, 10 cm 이내의초근접직접통신기술로분류할수있으며, 최근스마트기기와소셜네트워크의확산에의해수많은근접디바이스간의직접정보전달이활성화됨에따라급속도로관심이고조되는있다. 본고에서는초근접직접통신기술에초점을맞춰초근접직접통신기술의동향과초고속저전력차세대 NFC 기술로부각되고있는 Zing 기술에대해알아보았다. Zing 기술은장치 (Device) 나기계 (Machine) 등온갖사물로부터의기가급대용량정보를실시간으로순간전송할수있는차세대초근접직접통신기술로서향후다양한분야에서활용될것으로전망한다. 한 60 GHz 가변이득저잡음증폭기, 2013 한국전자파학회하계종합학술대회, 2013.08.22. [11] 김기진, 박상훈, 안광호, 60 GHz 통신시스템을위한 mm-wave 위상제어루프기반주파수합성기, 2013 정보통신설비학회, 2013.08.23. [12] 박봉혁, 이문식, 이광천, 초고속데이터전송을위한밀리미터파 CMOS 전압제어발진기, 2013 한국전자파학회하계종합학술대회, 2013.08.23. [13] 변우진, 홍주연, 이문식, 60GHz 초근거리통신을위한안테나전달특성연구, 2013 한국전자파학회하계종합학술대회, 2013.08.23. Acknowledgement 본연구는미래부가지원한 2013년정보통신 방송 (ICT) 연구개발사업의연구결과로수행되었습니다. 참고문헌 [1] H.I Business Partners, 2011.02. [2] 이동규, 모바일지급결제혁신동향및시사점, BOK 이슈노트, 2013.05. [3] 김재필, NFC 국내외동향및가치창출방안, KT 경제경영연구소, 2011.07. [4] 김재필, NFC의새로운도약과미래, KT 경제경영연구소, 2013.05. [5] 김소이, 비접촉통신기술기반의모바일근거리결제서비스동향및시사점, 지급결제와정보기술, 2011.04. [6] 채주현, 안민지, 새롭게주목받는 NFC의개요, 관련사업자동향및시사점, KT 경제경영연구소, 2011.03. [7] NFC Forum (http://www.nfc-forum.org) [8] 강태영, 박봉혁, 이문식, 이희수, " 차세대 NFC를위한밀리미터파저전력 OOK 태그송신기 ", 2013 한국전자통신학회, 2013.11.08. [9] 김기진, 박상훈, 안광호, 60 GHz High Gain Low Noise Amplifier using Cascode Noise Reduction Technique, 2013 RFM (International RF and Microwave Conference), 2013.12.09. [10] 김기진, 박상훈, 안광호, 캐스코드잡음절감기법을적용 이문식 신경철 방승찬 약력 1997년성균관대학교공학사 1999년 GIST 공학석사 2005년 GIST 공학박사 2008년 ~2009년미국 Stanford 대학 Post-Doc 2005년 ~ 현재 ETRI 통신인터넷연구부문무선자율통신연구실장관심분야 : 5G 이동통신, D2D 통신, M2M 통신 1986년경북대학교공학사 2000년충남대학교공학석사 1986년 ~ 현재 ETRI 통신인터넷연구부문책임연구원관심분야 : 5G이동 / 무선통신시스템, 유무선융합네트워크, 모바일서비스 1984년서울대학교공과대학교전자공학과학사 1986년서울대학교공과대학원전자공학과석사 1994년서울대학교공과대학원전자공학과박사 1985년 ~1987년금성사중앙연구소주임연구원 1987 년 ~ 1992 년디지콤정보통신연구소선임연구원 1994년 ~ 현재한국전자통신연구원무선전송연구부부장관심분야 : 이동통신무선전송기술 56 정보와통신