지능형 IoT 관점에서 바라본 6G 네트워크

 2019년 한국과 미국을 시작으로 5세대 이동통신(5G) 서비스가 시작되었지만, 아직도 다수의 국가에서는 4세대 이동통신(4G) 서비스를 주로 활용하고 있다. 하지만 벌써 차세대 네트워크 기술인 6G에 관한 선행 연구가 주요 국가를 중심으로 활발하게 진행되고 있다. 현재 일정에 따르면 2023년에는 ITU-R WP(Working Party) 5D에서 6G 기술에 대한 비전 수립이 되고, 2028년에는 규격 제정이 이루어질 것으로 예상된다. 이는 아직 구체적인 6G 네트워크 구조나 규격, 성능 지표, 가능한 서비스 등에 대한 예측이 이르다는 것을 의미한다. 그렇더라도 현재까지 진행되고 있는 연구 결과를 기반으로 6G 네트워크 기술과 그로인해 가능한 다양한 서비스, 그리고 이를 구현하기 위한 필수 기능을 추정해보는 것도 의미 있는 작업이라고 판단된다.
 5G 네트워크 기술은 향상된 모바일 광대역(enhanced Mobile Broadband: eMBB), 대규모 사물 통신(massive Machine-Type Communications: mMTC), 안정적인 초저지연 통신(Ultra-Reliable Low-Latency Communications: URLLC) 서비스 같은 특징을 가지고 있다. 반면 6G는 URLLC, 매우 높은 처리량, 위성 기반 고객 서비스, 대규모 자율적인 네트워크와 같이 5G보다 탁월하거나 향상된 기능으로 완전히 새로운 서비스 품질 제공을 목표로 한다. 6G는 [그림 1]과 같이 일반적인 5G 기반 시나리오(eMBB, mMTC, URLLC) 외에도 파괴적인 응용을 지원하는 6G만의 향상된 시나리오가 uMBB(ubiquitous Mobile Broadband), ULBC(Ultra-Reliable Low-Latency Broadband Communication) 및 mULC(massive Ultra-Reliable Low-Latency Communication)라는 이름으로 제안되었다[1].

 6G 기술이 성숙되면 여러 응용이 현실화될 수 있으며, 그 중 하나가 지능형 IoT(Intelligent Internet of Things)이다. IoT(Internet of Things)란 각종 사물에 센서와 통신 기능을 내장하여 인터넷에 연결하는 기술을 의미한다. 이에 반해 지능형 IoT는 기존 IoT에 인공지능(Artificial Intelligence: AI), 블록체인(Blockchain), 에지 컴퓨팅(Edge Computing), 양자 통신(Quantum Communication), 촉각 인터넷(Tactile Internet) 등의 기술이 융합(convergence)을 넘어 퓨전된 기술이라 할 수 있다. 여기서 퓨전이란, 각각의 기술적 특성을 가진 상태에서 한 점에 수렴하여 구현되는 융합보다 기술간 밀접도가 한 차원 높은 것을 의미한다. 마치 하나의 기술이 다른 기술에 녹아(fusion)들어 전혀 새로운 기술이 만들어지는 것과 같다. 예를 들어, 에지 컴퓨팅에 AI 기술이 퓨전되어 에지 인텔리전스(Edge Intelligence) 기술이 만들어지는 것과 같다. 다양한 지능형 IoT 서비스가 구현되기 위해서는 5G보다 향상된 6G의 기능을 필요로 하며, 이 부분이 본 고의 주요 내용이 된다.
 구체적으로 본 고에서는 6G 네트워크의 간략한 특징을 설명한 후, 지능형 IoT 서비스를 구현하기 위해 필수적인 6G 기술 중 하나인 가상화 네트워크 슬라이싱을 중점적으로 다룬다. 이와 함께 초저지연 통신을 지원하는 에지 컴퓨팅, 초신뢰성 통신을 지원하는 양자 통신, 섬세하고 정확한 제어를 지원하는 촉각 인터넷 기술도 6G의 주요한 특징으로 함께 설명한다. 마지막으로 미래 지능형 IoT 응용 중 하나인 스마트의료를 구현하기 위해 6G 기반 지능형 IoT가 어떻게 연구되는지를 설명한다.

 6G 기술은 UN의 “오래갈 발전 목표”란 사회적 이슈를 실현하기 위한 기술 중 하나이며, 기술적으로 테라헤르츠(THz) 수준의 초광대역 접속 기술, 초고처리량, 초저지연, 향상된 신뢰성, AI의 내재화, 공중/수중을 포함한 전 지구 규모의 수직적 서비스 영역 확장 등과 같은 특징을 가진다. 이러한 세부 기술을 구현하기 위해 [그림 2]와 같이 6G를 3차원 관점, 즉 제어 관점(Control View; 지능형 접속), 인프라 관점(Infrastructure View; 유비쿼터스 3D 커버리지), 네트워크 관점(Network View; 향상된 계층화)으로 구분하여 접근하고 있다.
 그리고 [표 1]은 5G와 6G의 주요 특징을 비교하고 있다. 네트워크의 물리적인 특성뿐만 아니라 주요 응용도 많은 차이가 있음을 알 수 있다.

 지능형 IoT(Intelligent IoT)는 기본적으로 데이터를 수집하고 인터넷에 연결되어 통신을 수행할 수 있는 사물(혹은 디바이스)들을 기반으로 다양한 서비스를 제공한다. 무선 통신기술과 스마트디바이스 기술이 발전함에 따라 수백만~수억 개의 물리적 개체들이 인터넷에 연결되고, 또한 사물도 지능화됨에 따라 단순한 규칙 기반 대신 스스로 상황을 판단하여 최적의 결정을 내릴 수 있는 지능형 시스템(혹은 자율형 시스템)으로 진화하고 있다. 또한, 지상뿐만 아니라 높은 상공이나 바닷속에서도 통신이 가능해짐에 따라 그 환경을 기반으로 동작할 수 있는 새로운 응용도 개발될 것으로 예상된다. 이와 같은 특정 응용의 다양한 요구 사항들을 충족하기 위해 현재의 5G보다 더 향상된 기능이 필요하게 된다.
 네트워크의 소프트웨어화 및 가상화를 가능하게 하는 여러 기술이 개발되었으며, 5G 네트워크에서 제안된 네트워크 슬라이싱도 그 중 하나이다. 이는 동일한 물리 네트워크 하부구조에서 가상화된 독립적인 논리망의 다중화를 가능하게 하는 네트워크 아키텍처이며, 각 네트워크 슬라이스는 특정 응용이 요청한 다양한 요구사항들을 충족하기 위해 맞추어진 분리된 단대단 네트워크이다. 이렇게 함으로써 서비스 레벨 요구(Service Level Agreement: SLA)가 매우 다른 서비스를 효율적으로 받아들이도록 네트워크를 설계할 수 있다. 5G의 슬라이스에 구현된 주요 기능은 이동성 관리, 접속 제어, 슬라이스 제어, 정책 관리, 세션 관리, 가입자 관리 등이 있다.

 6G에서도 다양한 잠재적 응용의 요구조건들을 수용하기 위해 네트워크를 여러 슬라이스로 나누고, 각 슬라이스는 필요한 프로토콜과 정책으로 구성한다. 6G의 가상화 네트워크슬라이싱 아키텍처는 [그림 3]과 같이 3개의 계층(지능형 클라우드 슬라이싱 계층, RAN(Radio Access Network) 슬라이싱 계층, 응용 슬라이싱 계층)으로 구성된다.

 지능형 클라우드 슬라이싱과 RAN 슬라이싱은 모두 네트워크 동작과 관련되어 있다. 6G에서는 네트워크 슬라이싱 개념을 확장하여 네트워크 가상화와 유연성을 향상시킨다. 인프라 계층의 지능형 클라우드 슬라이싱은 뛰어난 컴퓨팅 성능과 광범위한 스토리지 기능을 갖춘 AI 기반 클라우드로 구성된다. 따라서 클라우드 슬라이싱은 하나의 인프라 안에서 네트워크의 다양한 기능이 가능한 솔루션을 제공할 수 있다[2]. 클라우드는 다양한 RAN 인프라를 지원하기 위해 [그림 4]와 같이 N개의 클라우드 슬라이스로 분할된다. 지능형 클라우드의 계산력(Computing Power)은 에지 컴퓨팅과 양자 컴퓨팅 기술을 사용하여 강화된다.
 가상화된 네트워크 슬라이싱은 터치(touch) 기술(햅틱 통신) 같은 6G 서비스에 대한 플랫폼의 역할을 수행하며, AI나 딥러닝 기술을 내재할 수 있고, 언제 어디서나 서비스할 수 있는 실시간 접근도 가능하게 한다. 이처럼 응용마다 다양한 요구조건을 수용하기 위해 가상화된 네트워크 슬라이싱은 유망한 접근방식이 된다. 현재뿐만 아니라 향후 개발될 지능형 IoT의 여러 응용에서도 요구조건이나 서비스 레벨이 다양할 수 있다. 그 중에서 주요한 요구조건으로 속도(초저지연성), 보안(초고신뢰성), 촉각 기능을 고려할 수 있다.

• - 초고신뢰ㆍ저지연성은 자율주행차나 스마트공장 등에서 요구되는 기반 기술이다. 그러나 단말과 기지국 사이의 무선 액세스 구간에만 국한된 고신뢰, 저지연 무선 통신은 완전한 초고신뢰ㆍ저지연성을 만족시키기 곤란하다. 따라서 6G에서 에지 컴퓨팅이 주요한 대안이 될 수 있다.
• - 의료 분야나 민감한 개인 정보를 다루는 응용의 경우, 범용 네트워크를 기반으로 하므로 보안도 지능형 IoT의 주요 요구조건이 된다. 6G는 양자 컴퓨팅과 AI 기술을 활용하여 대안을 제시할 수 있다.
• - 사람의 촉각은 햅틱 컴퓨팅 기술을 이용하여 구현할 수 있다. 실시간 움직임과 동시에 처리해야 하는 촉각은 여러 지능형 IoT 응용에서 활용될 수 있다.

 각각의 요구조건을 충족시키기 위해 우선 해당 기능에 대한 가상화된 네트워크 슬라이스를 생성해야 하며, 또한 위에서 언급한 기능들도 함께 고려해야 한다.

 지능형 IoT 요구사항에 따라 네트워크의 소프트웨어화 및 가상화를 가능하게 하는 패러다임이 변화하고 있다. 에지 컴퓨팅(Edge Computing)을 사용하여 프로그래밍 가능한 분산형 네트워크를 구현할 수 있다[3]. 최종 사용자 디바이스로부터 에지 컴퓨팅 플랫폼, 코어 및 클라우드(데이터센터) 플랫폼까지 네트워크를 서로 다른 통신 계층 또는 단계로 구분하여 이를 에지 컴퓨팅으로 구현할 수 있다. 이러한 계층들은 최종 사용자로부터 클라우드 센터까지의 긴 전파 거리를 극복하기 위해 사용될 수 있으며, 따라서 지능형 IoT 응용의 지연 민감도를 해결할 수 있다[4].

 모바일 에지 컴퓨팅(Mobile Edge Computing: MEC) 서버는 이동통신 기지국 가까운 곳에 있는 중요한 유형의 에지 컴퓨팅 플랫폼으로 수신 즉시 대량의 데이터를 빠르게 처리하여 초저지연성을 제공할 수 있다[5],[6]. MEC의 핵심 개념은 서비스별 프로세싱, 컴퓨팅 및 데이터 스토리지의 일부를 중앙 집중식 클라우드 데이터 네트워크(Cloud Data Network)에서 데이터 공급자 및 최종 사용자 근처에 위치할 수 있는 에지 네트워크 노드(Edge Network Node)로 전환하는 것이다. MEC는 트래픽을 최적화시켜 6G 네트워크의 URLLC를 달성할 수 있는 핵심 기술로 고려된다[7]. [그림 5]는 다양한 차세대 응용을 실현할 수 있게 하는 에지 컴퓨팅 기술을 보여준다.
 스마트홈, 스마트의료, 스마트그리드, 스마트교통, 스마트공장, 스마트시티를 포함한 여러 지능형 IoT 응용들이 에지 컴퓨팅의 혜택을 받을 수 있다. 에지 컴퓨팅은 홀로그램 텔레포트(Holographic Teleportation), 촉각 인터넷, XR 같은 실시간 대화형 응용을 가능하게 한다[6],[8]. 에지 컴퓨팅과 AI 기술을 결합하여 에지 인텔리전스로 알려진 새로운 통신 패러다임의 전환이 이루어지면, 6G 네트워크에서 필수적인 역할을 할 수 있다[7],[9].

 6G는 기존 시스템의 병렬화를 촉진하기 위해 양자 컴퓨팅 시스템으로 대체한다. 양자 컴퓨팅(Quantum Computing)은 다차원ㆍ빅데이터의 병렬 처리를 가능하게 한다. 방대한 양의 훈련 데이터를 처리하는 기계 학습과 AI 알고리즘의 기술을 강화할 수 있다[10]. 또한, 양자의 역학적 현상을 이용한 양자 통신(Quantum Communication)은 강력한 보안 기능을 가진 또 다른 유망한 통신 패러다임이다. 불확실성의 원리와 양자 복제 금지 정리에 기초하여 이루어진 양자 키 기술을 적용하여 양자 통신을 실현하게 된다.
 양자 통신과 AI 기술을 결합하면 6G 무선 네트워크의 보안을 더욱 강화할 수 있다[11]. 빅데이터와 대규모 훈련이 필요한 AI 알고리즘의 효율성과 속도를 상당히 높일 수 있어 양자 통신은 미래의 6G 통신 네트워크에 유용할 수 있다. 예를 들어, 채널 용량을 증가시키고, 알려지지 않은 양자 상태(Quantum State), 즉 양자 텔레포트(Quantum Teleportation)를 전송할 수 있으며, 다수의 고급 통신 프로토콜을 활용하여 안전한 정보, 즉 양자 암호(Quantum Cryptography)가 가능하다[12]. 이러한 고급 통신 프로토콜은 기존의 기술로는 불가능하다.
 양자 오류 정정(Quantum Error Correction)은 해결해야 할 주요 기술적 과제로 꼽힌다. 6G 통신 시스템에서 양자 통신을 실질적으로 실현하기 위해 집중적인 연구가 필요하다.

 촉각 인터넷(Tactile Internet)은 사람의 촉각(촉감)을 느낄 만큼 정보를 매우 빠른 속도로 전송하는 인터넷 서비스이다[13]. 1ms의 초저지연과 함께 인터넷의 이용 가용성, 신뢰성 그리고 보안 수준이 높은 서비스를 제공하는 인터넷으로 정의된다[14]. 촉각 인터넷의 완전한 지원을 목표로 하는 6G에서 가상화된 네트워크 슬라이싱은 플랫폼의 역할을 수행하며 이러한 높은 수준의 서비스 요구조건을 만족하는 인터넷 서비스를 제공한다.
 촉각 인터넷은 원격수술, 자율주행, AR/VR/XR을 포함한 구동하는 로봇 공학에서 햅틱 통신까지 실시간 응용을 수행할 수 있는 플랫폼을 제공한다. 무선 네트워크를 통해 인간 대 기계, 기계 대 기계 사이의 실시간 상호 작용을 가능하게 한다[15]. 원격지에서 터치나 물리적 상호 작용 감각을 가진 AR에 힘을 실어 주어 인간의 실제 몰입을 구체화하는 햅틱 통신(Haptic Communication)에서 핵심 요소로 고려된다. 지능형 기계에 인간의 감각(touch)을 합쳐 지능형 IoT 응용을 실시간으로 제어할 수 있는 차세대 네트워크 기술이다.

 기존의 네트워크, 즉 전통적인 시스템에서는 촉각 데이터 전송을 지원하지 않는다. 따라서 촉각 인터넷은 촉각 데이터 전송을 지원하는 플랫폼으로 동작한다. 네트워크를 통해 감정, 터치, 움직임(동작) 전송을 포함한다. 촉각 통신의 핵심 요소인 촉각 인터넷 기반 아키텍처는 [그림 6]과 같다. 이러한 촉각 네트워크는 3개의 다른 영역(Zone), 즉 네트워크 영역(Network Zone), 마스터 영역(Master Zone), 제어 영역(Controller Zone)으로 구분된다[16],[17].
 촉각 인터넷은 서비스 제공과 응용 프로그램 활성화 측면에서 그 자체로 매우 방대하다. 촉각 인터넷은 감각을 다루는 햅틱(Haptic)과 힘을 다루는 비햅틱(Non-Haptic) 통신을 모두 가능하게 하는 데 주된 장점이 있다. 이것은 자동화의 거의 모든 응용 분야를 통합하게 하며, 관련된 다양한 과제도 연구되고 있다[18].

 앞 절에서 설명한 바와 같이 6G는 지능형 IoT의 새로운 응용을 실현하기 위한 핵심 기술로 간주된다. 이 절에서는 다양한 응용 중 스마트의료(Smart Healthcare) 분야를 중심으로 6G 기반 지능형 IoT가 어떻게 연구되고 있는지 그 연구 동향을 살펴보고자 한다.

 전 세계 인구의 고령화로 인해 스마트 원격 헬스케어 시스템을 개발하거나 지능형 IoT를 통해 원격의료시스템을 더 스마트하게 만드는 것은 매우 중요하다[19]. 감지 및 통신 기술이 상당히 발전함에 따라, 실시간 원격 환자 건강 모니터링 및 지능형 의료시스템이 가능하게 되었다. 또한, 다양한 기능을 수행할 수 있는 착용형/이식형(Wearable/Implantable) IoT 디바이스 및 센서의 수가 매우 증가하였다. 디바이스와 센서는 몸 밖에 위치하거나, 몸에 부착되거나 인체 내부에 이식할 수 있다. 이러한 디바이스와 센서는 무선 신체 영역 네트워크(Wireless Body Area Network: WBAN)로 연결되며, 이를 통해 인간을 모니터링하고 건강에 대한 실시간 정보를 제공할 수 있다[20].

가. 스마트의료와 관련된 핵심 사항

 스마트 헬스케어 시스템(Smart Healthcare System)은 의사들이 원격으로 환자와 환자 질병의 진행 정도를 모니터링할 수 있게 한다[19]. 스마트 헬스케어 시스템은 질병 감지, 진단, 인식, 예측, 예방 및 치료에 도움이 된다. 서로 다른 기기와 센서에서 수집된 이기종 데이터를 저장ㆍ분석하여 의사가 환자의 기록에 쉽게 접근할 수 있도록 한다. 그러한 많은 양의 실시간 데이터, 즉 빅데이터를 AI와 기계 학습 기술로 분석하여 신뢰도와 정확도를 높이고, 실시간으로 현명한 의사결정을 내리는 데 활용될 수 있다[21].
 지능형 6G 헬스케어 네트워크를 위한 베이지안 분류기(Bayesian Classifier), 로지스틱 회귀(Logistic Regression), 의사 결정 트리(Decision Tree) 등 다양한 기계 학습 기법을 사용하여 연구가 진행되었다. 건강관리 기반 6G 이기종 네트워크의 착용형 센서에서 수집된 뇌졸중 외래 환자(Stroke Out-Patients)의 과거 건강 기록을 분석한 연구 사례가 있다[22]. 또 다른 기계 학습 기반 솔루션으로 에지 클라우드 컴퓨팅을 채택하여 진단, 질병 예측, 물리 의학 및 재활을 위한 지능형 의사 결정 작업과 같은 저지연 의료 서비스를 위한 의료 데이터 분석을 제공하고 있다[23]. 최근 COVID-19 대유행과 싸우기 위해 URLLC, 에지 인텔리전스, 클라우드 컴퓨팅과 같은 무선 통신 기술이 다양한 방식으로 적용되었다[24].
 미래의 6G 네트워크는 원격 진단을 쉽게 하는 스마트 헬스케어 시스템을 활용하고 [그림 7]과 같은 원격수술(Telesurgery)을 허용하는 것을 목표로 한다. 최근에는 블록체인을 사용하여 6G 맥락(Context)에서 원격수술시스템이 연구되고 있다[25].
 기존 모바일 수술 네트워크의 보안 위험을 고려하여 각 로봇이 데이터 노드 역할을 하는 로봇 시스템에 블록체인을 통합하여 중앙 집중화된 권한 없이도 수술 정보가 데이터베이스 대장에 안전하게 저장된다.

<자료> Robotic Surgery, Accessed: Mar. 29, 2021. 재구성

[그림 7] 원격수술

 특히, 수술 중 건강 데이터 요청에 대한 자동 인증을 제공하고 건강 데이터 공유를 제어할 수 있는 스마트계약(Smart Contract)도 채택된다[26]. 향후 6G 네트워크는 현재의 의료시스템을 발전시켜 더 많은 분산화를 가능하게 하고 보안 및 개인정보보호 성능을 개선할 것으로 전망된다. 미래의 6G 네트워크는 보다 조화로운 인간 대 기계 상호 작용과 보다 효율적인 의료 프로세스 달성을 목표로 한다. 최근에는 의료 응용 분야를 다루는 IoT 기기 및 센서와 관련된 새로운 개념으로 의료사물인터넷(Internet of Medical Things: IoMT)이 도입되고 있다[3]. IoMT는 다양한 환자로부터 제공되는 의료 데이터 수집과 의료 소프트웨어 응용 프로그램을 다룬다. IoMT는 신속한 의사 결정을 내릴 수 있게 지원하고 위험을 예측하여 자동으로 적절한 조치를 취하기도 한다.

 G 기술은 초공간, 초광대역, 초고신뢰ㆍ저지연, 초정밀 측위, 초연결, 초절감을 지원하는 네트워크 서비스가 될 것으로 예상된다. 본 고에서는 6G 시대에 주요 산업별 지능형 IoT를 지원하기 위한 가상 네트워크 슬라이싱에 대해 살펴본 후, 지능형 IoT 응용 중 대표적인 스마트의료의 기술적인 특징과 향후 해결해야 할 과제에 대해서 살펴보았다. 2030년경에 이러한 기술적 과제가 해결되어 6G와 함께 다양한 지능형 IoT 응용이 상용화되어 사회 전반에 폭넓게 활용되면 사회ㆍ경제적 패러다임의 큰 변화를 일으키는 5차 산업 혁명도 가능할 것으로 전망된다.