ISAC – 6G에서의 통합 센싱 및 통신 기술

**센싱(Sensing)**이란 무선 신호를 활용하여 주변 환경 내의 대상 물체의 특성을 탐지하고 추정하는 것을 의미합니다. 센싱 기능이 통신 네트워크에 통합되면, 네트워크는 마치 “레이더 센서”처럼 작동하며 자체 무선 신호를 이용해 자신이 작동하는 물리적 세계를 감지하고 이해할 수 있게 됩니다. 이를 통해 네트워크는 대상 물체 및 장치의 거리, 속도, 위치, 방향, 크기, 형태, 이미지, 재질 등의 정보를 수집할 수 있습니다.

 

이처럼 네트워크가 수집하고 처리한 센싱 데이터는 네트워크 운영을 고도화하고, XR(확장현실), 디지털 트윈과 같은 기존 서비스의 품질을 향상시키며, 제스처 및 활동 인식, 객체 탐지 및 추적, 이미지 생성, 환경 재구성 등 새로운 서비스를 가능하게 만듭니다.

 

**ISAC(Integrated Sensing and Communication)**는 통신과 센싱을 하나의 통합된 프레임워크로 결합함으로써, 무선 네트워크가 단순히 데이터를 전달하는 수준을 넘어, 주변 환경을 인지하고 해석할 수 있도록 합니다. 이 기술은 자율주행, 스마트 시티, 헬스케어 등 다양한 산업을 혁신할 수 있는 잠재력을 지니고 있습니다.

 

이 글에서는 ISAC의 기본 원리, 작동 메커니즘, 실제 사례 및 잠재적 응용 분야에 대해 자세히 살펴보며, 왜 ISAC이 6G 기술의 핵심 요소로 여겨지는지 설명합니다.

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ISAC의 진화

전통적으로, 센싱과 통신은 서로 별개의 기술 영역으로 취급되어 왔습니다. 통신 시스템은 정보의 송수신에 초점을 두는 반면, 센싱 시스템은 환경 정보를 수집하는 데 주력합니다. 그러나 6G에서는 이러한 구분이 점점 모호해지며 다음과 같은 이점이 발생합니다:

• 주파수 자원 공유: 센싱과 통신이 동일한 주파수 대역을 공유함으로써 스펙트럼 효율이 향상됩니다.
• 하드웨어 재사용: 동일한 하드웨어 구성요소를 센싱과 통신에 모두 활용할 수 있어 비용과 복잡성이 줄어듭니다.
• 상호 이익: 센싱은 환경 정보를 제공하여 통신 품질을 향상시키고, 통신은 정보 공유를 통해 센싱 정확도를 높입니다.

한편, ETSI ISG ISAC는 ISAC의 6G 활용 사례, 센싱 유형, 네트워크 아키텍처에 대한 사전 표준화 작업을 수행하고 있으며, 시스템 수준의 통합과 배포 관련 고려사항도 연구하고 있습니다.

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센싱 토폴로지: 모노스태틱, 바이스태틱, 멀티스태틱

1. 모노스태틱 센싱 토폴로지 (Monostatic)

모노스태틱 방식은 동일한 송신기와 수신기를 사용하여 센싱을 수행합니다. 주로 레이더 시스템이나 네트워크 인프라에서 사용됩니다.

• 예시: 6G 기지국이 송신한 신호가 차량 등 물체에 반사되어 다시 수신되며, 이를 통해 거리와 속도를 계산함.

a)     Monostatic sensing topology, b) bistatic sensing topology, and c) multistatic sensing topology

 

2. 바이스태틱 센싱 토폴로지 (Bistatic)

송신기와 수신기가 서로 다른 위치에 있는 방식입니다. 다음과 같이 분류됩니다:

• 다운링크 바이스태틱: 기지국에서 송신한 신호가 대상에 반사되어 사용자 단말에서 수신
• 업링크 바이스태틱: 사용자 단말에서 송신한 신호가 반사되어 기지국에서 수신
• 예시: 스마트시티에서 기지국이 보행자의 움직임을 탐지하기 위해 신호를 송신하고, 근처의 장치가 반사 신호를 수신함.

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ISAC의 작동 방식

ISAC 시스템은 신호 설계, 자원 할당, 고급 신호 처리 기술을 통해 센싱과 통신 기능을 통합합니다.

1. 신호 설계

ISAC 시스템은 두 가지 목적에 부합하는 신호를 설계합니다:

• 통신 신호: 데이터를 전달하면서도 센싱에 활용 가능한 형태로 구성됨
• 센싱 신호: 환경 탐지와 특성 분석에 최적화된 형태로 구성됨

2. 자원 최적화

대역폭, 전력, 안테나 배열 등의 핵심 자원을 통합적으로 최적화하여 센싱 및 통신 성능을 균형 있게 유지합니다. 예를 들어, 빔포밍 기술을 통해 특정 방향으로 에너지를 집중하여 센싱 정밀도를 높이면서 통신 품질도 유지합니다.

3. 신호 처리

수신된 신호는 고급 알고리즘을 통해 분석되어 센싱 및 통신 정보가 동시에 추출됩니다. 특히 AI 및 머신러닝은 ISAC 기능의 적응성과 효율성을 극대화하는 데 큰 역할을 합니다.

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ISAC 구현을 위한 핵심 기술

1. Massive MIMO
   대규모 다중 입출력 시스템을 통해 정밀한 빔포밍과 고정밀 센싱 및 통신 동시 구현 가능
2. 밀리미터파 및 테라헤르츠 주파수 대역
   고주파 대역은 광대역 통신과 고해상도 센싱을 동시에 지원
3. AI 및 머신러닝
   신호 설계 및 센싱 데이터 해석을 최적화하여 시스템 유연성과 지능 향상
4. 엣지 컴퓨팅 (Edge Computing)
   네트워크 에지에서 데이터를 처리함으로써 지연을 줄이고 실시간 센싱 성능 강화
5. 재구성 가능한 지능형 표면 (RIS)
   전파의 반사를 동적으로 제어하여 통신 성능과 센싱 정밀도 향상

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고도화된 ISAC 기술 프레임워크

Reference: New Characteristics and Modeling of 6G Channels: A Unified Channel Model towards Standardization Huiwen Gong, Jianhua Zhang, Yuxiang Zhang, Guangyi Liu

 

6G 생태계 내에서 ISAC 기술들은 다음과 같이 상호작용합니다:

1. XL-MIMO 송신기 (Sensing TX): 대규모 안테나 배열을 통해 통신 및 센싱 신호를 송신하며, 고정밀 타깃 탐지가 가능
2. 타깃 및 배경 채널:
   • 타깃 채널: 대상 물체와 상호작용하여 거리, 속도 등의 물리 파라미터를 측정
   • 배경 채널: 건물 등 주변 환경에서 반사된 신호를 탐지하여 환경 맥락 파악
3. RIS: 전파 경로를 동적으로 조절하여 센싱 해상도 및 통신 효율 향상
4. 주파수 대역:
   • Sub-6GHz: 광범위 커버리지 제공, 해상도는 낮음
   • New Mid-Band: 고해상도 센싱 가능, 채널 희소성이 증가함
5. 산란 및 희소성 (Scattering and Sparsity): 중간 대역 주파수는 희소 채널 특성을 나타내어 처리 효율을 높임
6. 근접장 및 공간 비정상성 (SnS): XL-MIMO 및 RIS를 통해 3D 환경 맵핑 및 정밀 객체 탐지가 가능

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ISAC의 주요 응용 분야

1. 자율주행 차량

• 차량 간 및 차량-인프라 통신
• 보행자, 장애물, 도로 상태 실시간 감지
• 예시: 교차로에서 ISAC을 활용해 다가오는 차량을 탐지하면서 내비게이션 정보를 수신함

2. 스마트 시티

• 교통 흐름 모니터링 및 인프라 관리
• IoT 기기 간의 원활한 통신
• 예시: 보행자 움직임에 따라 밝기를 조절하는 스마트 가로등이 와이파이 연결도 동시에 제공

3. 헬스케어

• 원격 환자 모니터링 및 원격 진료
• 레이더 기반 생체 신호 센싱
• 예시: ISAC 기반 웨어러블 기기가 심박수를 감지하고 데이터를 의료진에 전송

4. 산업 자동화

• 로봇과 센서 간 통신
• 자산 및 생산 공정의 실시간 추적
• 예시: 결함 있는 제품을 감지하는 로봇이 동시에 중앙 제어 시스템으로부터 지시를 수신함

5. XR (확장현실)

• 실시간 환경 맵핑을 통한 몰입형 AR/VR 구현
• 예시: ISAC으로 감지한 주변 환경에 따라 AR 안경의 콘텐츠가 실시간으로 조정됨

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ISAC의 이점

• 효율성 향상: 스펙트럼과 하드웨어를 최적으로 사용
• 비용 절감: 센싱과 통신의 인프라 통합
• 혁신적 기능: 환경 재구성 등 새로운 서비스 가능
• 성능 향상: 신뢰성 높은 네트워크 구축 및 정밀 센싱

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결론

**ISAC(통합 센싱 및 통신)**은 무선 기술의 패러다임 전환을 의미합니다. 6G 네트워크에 센싱 기능을 통합함으로써, 네트워크는 단순히 연결하는 것을 넘어, 주변 세계를 감지하고 이해할 수 있는 존재로 진화합니다. ISAC은 자율 시스템, 헬스케어, 스마트 시티 등 다양한 산업에서 새로운 가능성을 열어주며, 그 잠재력은 매우 큽니다.

 

ISAC의 완전한 구현을 위해서는 기술적 과제와 표준화 문제를 해결해야 하지만, 향후 연구와 개발을 통해 ISAC은 분명 6G의 핵심 기술로 자리잡아, 우리 주변 세계를 더욱 똑똑하게 연결하고 감지하는 미래를 실현할 것입니다.

 

 

 

Ref. ) 

https://www.techedgewireless.com/post/isac-integrated-sensing-and-communication-in-6g