배터리 없는 신개념 무선통신 기술

주변 전파로부터 전력 수집··· 사물인터넷 선도

통신과 디바이스가 결합하는 사물인터넷(IoT, Internet of Things)에 대한 세계인의 관심이 뜨겁다. 글로벌 시장예측 기관인 가트너(Gartner)는 올해 가장 주목해야 할 10대 IT기술 가운데 하나로 사물인터넷을 선정한 바 있다. 그러나 이러한 높은 관심에도 불구하고 사물인터넷이 극복해야 할 과제 또한 적지 않다.

와이파이 백스캐터 시스템의 개념도 ⓒ Washington.edu

그 중 하나가 바로 전력 문제다. 인터넷에 연결되는 수많은 디바이스들의 배터리를 일일이 충전해 줘야 비로소 사물인터넷이 구현 될 수 있기 때문이다. 물론 사물인터넷에 연결되는 디바이스들이 모두 배터리에 의존하는 모마일 기기는 아니지만, 대부분의 디바이스가 이동이 가능한 형태로 진화하는 만큼 배터리가 필요한 것은 틀림없는 사실이다.

이 같은 상황에서 최근 미국의 과학자들이 배터리와는 전혀 다른 방식으로 디바이스가 전력을 얻도록 하는 방법을 개발하고 있어 주목을 끌고 있다. 바로 통신 중인 전파를 통해 미세한 전력을 얻도록 하는 방법이다.

전파 자체서 전력 얻는 방식 활용

과학기술 전문 매체인 피스오알지(phys.org)는 미 워싱턴대의 과학자들이 전파 자체에서 전력을 얻는 방식으로 사물인터넷 시대를 앞당기고 있다고 보도하면서, 현재로서는 매우 작은 양의 에너지만을 얻을 수 있지만 초저전력으로 작동하는 기기에는 충분히 활용될 수 있다고 밝혔다. (관련 링크)

워싱턴대 컴퓨터 엔지니어링 연구소 소속의 연구진은 TV나 휴대폰, 그리고 무선 Wi-Fi에서 나오는 무선주파수 신호를 통해 전력을 얻어 동작하는 신형 통신 시스템을 최근 개발했다. 시스템의 명칭은 와이파이 백스캐터(Wi-Fi Backscatter)다.

와이파이 백스캐터 시스템에는 안테나를 이용해 무선주파수 신호를 수집하고, 이를 전력으로 변환시키는 ‘주위환경 후방산란(Ambient Backscatter)’이라는 기술이 적용되었다. 카드 크기의 회로판 모양인 이 시스템은 공기 중에 떠다니는 다양한 무선주파수의 신호를 감지하여 이를 수천 마이크로와트(㎼)의 전력으로 변환하여 준다.

주위환경 후방산란 기술의 개요 ⓒ Washington.edu

이 전력을 활용하여 와이파이 백스캐터 시스템은 장비 간 통신을 할 수 있는 모스 코드 신호를 생성하고 전송한다. 연구진은 이 같은 사실을 입증하기 위해 도심지의 아파트 내부와 길거리, 그리고 주차장 꼭대기 등 다양한 환경에서 테스트를 실시했다.

그 결과 상당히 멀리 떨어진 거리에서도 장비 간 통신이 가능하다는 것이 확인됐다. 연구진의 설명에 따르면 수신 장비는 발신 장비가 보낸 신호를 초당 1킬로바이트(kb) 비율로 수신하는데, 이는 센서가 신호를 읽고 이를 전송하기에는 충분한 속도다.

이와 관련하여 연구 프로젝트에 주도적으로 참여하고 있는 브라이스 켈로그(Brice Kellog) 연구원은 “주위환경 후방산란 기술은 엄청난 잠재력을 가지고 있다”고 전하면서 “기존 와이파이 기기들의 경우는 전력 소모량이 극심한데, 와이파이 백스캐터를 통해 새로운 전력공급 체계가 이뤄진다면 배터리 의존도를 최대한 줄여 주거나 아예 없앨 수 있을 것”이라고 예상했다.

연구진의 발표에 따르면 현재 이 시스템을 통해 불과 10마이크로와트(㎼) 이하의 전력으로도 인터넷에 연결할 수 있는 기기를 만들 수 있는 것으로 나타났다. 다만 전송 범위는 현재 2미터(m) 정도여서 미약한 수준이지만, 조만간 20미터 까지 범위를 늘리는 연구를 진행할 계획인 것으로 알려졌다.

주변환경 후방산란 기술 적용

주변환경 후방산란 기술의 적용 분야는 무궁무진하다. 예를 들면, 교각에 설치된 센서들은 콘크리트 및 강철의 안전 상태를 모니터할 수 있으며, 이들 센서 중의 하나가 균열을 감지하는 것과 같이 이상 징후를 파악할 경우에는 경고 신호를 내보낼 수 있다.

이번 연구 프로젝트의 책임자이자 워싱턴대 컴퓨터과학과의 교수인 샴 골라코타(Shyam Gollakota) 박사는 “주변환경 후방산란 기술은 주변에 있는 무선 신호를 전력 공급과 무선통신 매개체로 재활용하는 신개념의 사물인터넷 통신기술이라 할 수 있다”고 평가했다.

그러면서 “특히 웨어러블 컴퓨팅과 스마트홈, 그리고 센서 네트워크 등에 폭넓게 적용될 수 있을 것으로 보여진다”고 전망하며 “따라서 장비 성능과 감지 가능 거리를 늘리기 위한 연구를 계속할 것”이라고 덧붙였다.

이 같은 골라코타 교수의 생각에 대다수 사물인터넷 전문가들은 의견을 같이 하면서 “사람이 주로 착용하는 웨어러블 디바이스에 우선적으로 적용하여, 별도의 배터리 소모 없이도 간단한 텍스트 메시지와 이메일 정도만 주고받을 수 있다면 웨어러블 디바이스의 활성화에도 도움이 될 것”이라고 예상했다.

연구진은 백스캐터 시스템이 수 미터 이내에 디바이스들이 존재하는 가정 내 환경에서 사물 인터넷을 촉진시키는데 적합할 것으로 기대하고 있다. 따라서 이들은 현재 TV에서 나오는 전파 신호를 감지하고 흡수하는 안테나가 내장된 소형 와이파이 백스캐터 시스템을 개발한 상태다.

터치스크린과 센싱기술의 대안으로 떠오를 제스처 인식 시스템 ⓒ Washington.edu

한편 워싱톤대 연구진은 별도의 에너지 공급 없이도 주변의 디바이스들을 제어하는 제스처 인식 시스템을 개발하고 있어 관심을 모으고 있다. 역시 골라코타 교수가 주도하고 있는 이 프로젝트는 허공에서 집게손가락을 움직임으로써 호주머니 내에 있는 스마트폰의 노랫소리를 무음으로 만들거나 손을 약간 흔들어서 팟캐스트 방송을 잠시 멈추게 할 수 있다.

올씨(AllSee)라는 이름의 이 제스처 인식 시스템은 기존의 TV 신호를 파워 소스로 사용하기 때문에 별도의 배터리나 전력 공급이 필요없다. 이에 대해 골라코타 교수는 “제스처 인식 시스템이 머지않아 많은 전력을 소비하면서도, 사용자가 스마트폰과 태블릿을 볼 때만 작동되는 터치스크린과 센싱 기술을 대체하게 될 것”이라고 예측했다.

연구진은 테스트를 위해 스마트폰과 같은 디바이스에 놓일 작은 센서를 설치했다. 이 센서는 우리 주변에 있는 무선전송을 통해서 정보를 찾아내고 분류하기 위해서 초저전력 수신기를 사용한다. 이어서 사람이 손으로 제스처를 취하게 되면, 공기 중에서 무선 신호의 진폭이 변하게 된다. 그러면 올씨 센서들이 특정한 제스처에 의해서 만들어지는 특별한 진폭 변화를 인식하게 되는 것이 시스템의 원리다.

물론 제스처 인식은 최신 스마트폰에서도 구현이 가능하다. 그러나 제스처 인식 시스템이 동작하는 것을 보려면 사용자는 수동으로 기능을 활성화시켜야만 한다. 또한 이 기능을 동작시킬 때 전력이 많이 소모되므로 배터리가 빨리 방전된다.

이와 반대로 올씨는 수십 마이크로와트의 초저전력만을 사용하게 되며, 항상 동작할 수 있도록 파워를 남겨놓게 된다. 따라서 사용자는 휴대폰을 건드리거나 보지 않고도, 주머니나 가방에 있는 휴대폰에 있는 제스처를 취하여 볼륨을 변화시키거나 앱을 실행시킬 수 있다.

연구진은 올씨의 능력을 테스트해 보기 위해 밀거나 당기는 것과 같은 8가지의 다른 손동작을 가지고 실험에 임했다. 그 결과 올씨는 정확하게 제스처를 감지할 수 있었다. 또한 기기로부터 60센티미터(cm) 이상 떨어져서 동작하는 동안에도 90퍼센트 이상의 정확성을 보인 것으로 나타났다.

김준래 객원기자stimes@naver.com