6G 핵심 기술‘저궤도 위성통신’,‘에지 컴퓨팅’으로 날개 달다!
2022.09.20
- DGIST 곽정호 교수․KAIST 최지환 교수 공동연구팀, 차세대 저궤도 위성망을 위한 효율적인 에지컴퓨팅 오프로딩 및 네트워크 슬라이싱 기법 개발
- 일론 머스크도 주목한 ‘미래 위성망’ 시대에서 통신 소외지역 없이 광범위한 고속 스트리밍 및 컴퓨팅 서비스에 활용 기대돼
DGIST(총장 국양) 전기전자컴퓨터공학과 곽정호 교수팀과 KAIST(총장 이광형) 항공우주공학과 최지환 교수팀은 차세대 저궤도 위성망시스템에 활용 가능한 새로운 에지 컴퓨팅 오프로딩 및 네트워크 슬라이싱 기법을 개발했다.
‘저궤도 위성망’이란 300~1,500km 궤도에 띄운 위성으로 인터넷 서비스를 안정적으로 제공하기 위해 구축된 통신망을 말한다. 지상에 세운 기지국에서는 종종 전파가 산이나 건물의 방해를 받는 것과 달리, 저궤도 위성은 인구밀도가 낮아 기지국을 세우기 어려웠던 곳에서도 위성을 띄워 통신망을 구축할 수 있다. 이로 인해 더 많은 지역에 빠르게 통신 서비스를 보급할 수 있는 차세대 위성통신으로 주목받고 있다.
한편, 에지 컴퓨팅(Edge computing)은 클라우드 컴퓨팅과 대비되는 방식으로, 각각의 기기 자체에서 데이터를 분산 처리하는 방식이다. 데이터가 수집되는 에지(모서리)에서 바로 데이터를 처리하고 연산 결과를 적용할 수 있기 때문에 데이터 센터의 정체 현상을 줄일 수 있다.
기존의 지상 네트워크에 적용하는 에지 컴퓨팅에 대한 연구는 활발히 진행되고 있지만 저궤도 위성에 적용하기 위해서는 다른 차원의 접근이 필요하다. 저궤도 위성망을 비롯한 위성으로 구성된 코어 네트워크는 모든 연결이 무선으로 되어 있을뿐더러 위성이 매우 빠른 속도로 지구를 공전하고 있기 때문이다. 또한, 위성 자체의 전력 공급이나 연산 능력이 지상에 비해 부족할 수밖에 없어 지상에서는 고려가 되지 않고 있던 새로운 부분들에 대한 맞춤형 솔루션이 필요하다.
이에 곽정호․최지환 교수 공동 연구팀은 여러 서비스가 가상화된 시나리오에서 저궤도 위성의 분포 및 이동 특성 및 무선 채널 환경 등의 특성을 활용하여 네트워크 슬라이싱 기법을 제안하고, 동시에 위성 에지컴퓨팅에서의 코드 및 데이터 오프로딩 기법을 제안했다.
이번 연구를 통해 개발한 저궤도 위성에서의 에지컴퓨팅 및 슬라이싱 기법은 일론 머스크의 스타링크 등 저궤도 위성 인터넷 서비스가 상용화되어가고 있는 해외에 비해 아직 초기 단계인 국내 위성 네트워크 기술을 한 단계 진일보시켰다는 의미를 갖는다고 볼 수 있다.
DGIST 전기전자컴퓨터공학과 곽정호 교수는 “이번 연구는 변화하는 저궤도 위성 환경에 따라 네트워크 슬라이싱과 코드/데이터 오프로딩의 비율에 의한 영향을 분석한 연구”라며 “향후 6G 시대의 저궤도 위성에서의 킬러 어플리케이션 활용의 청사진을 제공할 수 있도록 하는 것이 목표다”고 말했다.
한편, 연구 결과는 DGIST 전기전자컴퓨터공학과 김태연 박사과정생이 1저자로 관련 분야 국제학술지인 ‘IEEE Internet of Things Journal’에 2022년 8월 1일 게재됐다.
연구결과개요
Satellite Edge Computing Architecture and Network Slice Scheduling for IoT Support
(Taeyeoun Kim (DGIST), Jeongho Kwak (DGIST), Jihwan P. Choi (KAIST))
(IEEE Internet of Things Journal, published on August 1st, 2022)
5G와 6G의 차세대 통신을 위해서, 위성을 활용한 통신은 통신 영역의 3차원으로의 확장과 범지구적인 통신 서비스 제공의 가능성으로 매우 큰 관심을 끌고 있다. 위성 하드웨어 기술의 발전으로, 다양한 기능의 위성들이 6G IoT 서비스들을 위해 적용될 것으로 기대가 되고 있으며, 특히, IoT의 경우는 상대적으로 적은 연산능력을 요구하기 때문에 위성에 에지 컴퓨팅 기술을 적용 할 때의 미래 위성 네트워크에서 경제적으로 적합한 어플리케이션으로 평가를 받고 있다.
이 연구에서는, IoT 서비스를 제공하기 위한 위성 에지컴퓨팅(SatEC) 아키텍쳐와 이에 상응하는 네트워크 슬라이싱 스케줄링이 제안된다. 먼저, SatEC를 위해 지연시간, 위성 서버의 연산능력, 전송전력의 감쇄를 고려한 다중 목적함수의 최적화 문제가 제안되며, 이 문제는 휴리스틱한 알고리즘을 바탕으로 시간에 따라 변하는 위성의 위치를 고려하여 최적의 위성의 오프로딩 비율과 고도를 제안한다. 다음으로는 제안한 SatEC 네트워크의 확장연구로서, 슬라이스된 SatEC의 스케줄링 문제가 앞서 제안된 목적함수들의 normalized weighted sum 꼴의 최적화 문제로 제안이 되며, 이 최적화 문제의 결과로 각 슬라이스들의 오프로딩에 대한 우선순위가 정해지게 된다.
결과적으로, 아키텍쳐 관점에서 제안한 Pareto-optimality의 위성 오프로딩 비율과 슬라이스 문제에서의 각 슬라이스들의 우선순위를 바탕으로 서비스들에 대한 스케줄링 규칙과 오프로딩 여부가 정해지게 된다. 이 시뮬레이션들의 결과를 바탕으로 극저궤도위성(고도 200 km)부터 저궤도위성(고도 1,400 km)까지의 위성 배치를 고도별로 비교하며, SatEC 배치를 위한 가장 적합한 위성의 고도 및 오프로딩 전략이 논의된다.
연구결과문답
Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
저궤도의 군집 위성에 대한 관심이 높아지면서, 위성을 활용한 차세대 통신 서비스에 대한 연구는 많이 진행이 되고 있지만, 위성간 링크를 고려한 위성 네트워크 환경에서 위성이 에지 클라우드 서버로서 동작을 하는 경우에 대한 고려는 거의 없는 실정이다.
지상에서는 에지 컴퓨팅에 대한 연구가 활발하게 진행이 되고 있지만, 이를 위성에 적용하기 위해서는, 위성으로 구성된 위성 코어 네트워크는 모든 연결이 무선으로 되어있다는 점, 위성이 매우 빠른 속도로 지구를 공전하고 있다는 점, 위성 자체의 전력 공급이나 연산 능력이 지상에 비해 부족할 수 밖에 없다는 점 등 지상에서는 고려가 되고 있지 않던 새로운 부분들에 대한 맞춤형 솔루션이 필요하게 된다.
Q. 어디에 쓸 수 있나?
현재 SpaceX에서 군집위성 구성을 통한 인터넷 서비스를 시범운영하고 있다. SpaceX의 경우도 역시 향후에는 위성 하나 당 최소 4개 정도의 위성간 링크 연결을 활용할 계획을 가지고 있으며, 인터넷 뿐만 아니라 에지서버 기반의 IoT 서비스, 또는 UAM (Urban Air Mobility)와 같은 신사업 등 다양한 분야에서 위성이 활용이 될 것으로 기대가 되고 있으며, 이를 위해서 제안하는 연구의 결과가 에지 위성 배치를 위한 수치적 기반이 될 수 있으며, 다양한 서비스를 제공하는 위성의 입장에서 각 사용자들의 수요를 만족시키기 위한 스케줄링 방법으로 활용 될 수 있다.
Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?
최근에 위성 발사 자체에 대한 비용은 많이 낮아지면서 위성을 쏘아 올리는 것 자체에 대한 부담은 줄어들었지만, 위성의 우주환경에서 견딜 수 있는 위성 온보드 장비의 개발 및 발전이 필수적이다. 이미 위성을 통해 양질의 서비스가 제공이 가능하다는 것은 증명이 되고 있기 때문에, 위성간 링크 기술의 구현, 위성 온보드 하드웨어의 발전이 실용화를 위한 마지막 과제라고 볼 수 있다.
Q. 연구를 시작한 계기는?
본 연구팀은 위성을 통한 네트워크 구성의 장점이 명확하다고 느꼈다. 위성을 전지구적으로 배치를 하면, 전세계적으로 통신의 가장 큰 문제 중 하나인 통신 음영지역이 사라지게 되며, 위성간 링크 연결이 되면 멀리 떨어진 두 지점간의 종단 간 지연시간은 오히려 현재의 지상 코어 네트워크보다 더 좋아질 수 있는 잠재력이 있다고 판단하였으며, 더 나아가 고도화된 지상 5G망과 위성망이 향후에 통합 될 수 있도록 위성에 에지 서버와 같은 가상화 기술의 적용이 필수적이라고 판단했다.
Q. 어떤 의미가 있는가?
미래에 적용되게 될 위성 네트워크 가상화 기술에 대해, 위성의 지상망 기술 적용을 위한 현실적인 챌린지를 해결하기 위한 연구를 제안하였으며, 위성 에지컴퓨팅 서버 적용의 효율성과 가능성 및 적합한 위성 배치 등을 선제적으로 제안하였으며, 향후 위성 네트워크를 활용한 서비스 제공을 위한 청사진을 제공할 수 있다는 의미가 있다.
Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?
제안한 위성 네트워크 기술을 SpaceX 등의 실제 군집위성을 운용하는 기업들과 협력하여 실제 위성들의 데이터를 이용하여 검증해보고 싶다.
그림설명
[그림 1] 제안한 위성 에지 컴퓨팅 서버 네트워크의 청사진
(그림설명)
위의 그림은 제안한 위성 에지컴퓨팅 (SatEC) 네트워크를 논리적으로 나타낸 것이다. 기본적으로, 모든 SatEC 위성들은 SDN controller에 의해서 data plane이 동적으로 관리가 가능하다고 가정을 했으며, 위성 에지컴퓨팅 서버 자체의 연산능력을 바탕으로 오프로딩 여부를 결정하여 각 슬라이스별 요구사항에 맞는 서비스를 제공할 수 있음을 나타내었다.
[그림 2] 제안한 시나리오 설명
(그림설명)
위의 그림은 본 연구에서 고려하고 있는 SatEC 기반의 시나리오를 설명하고 있다. 위성간 링크를 통한 종단간 연결을 기반으로 하는 네트워크 슬라이싱 시나리오를 바탕으로 하고 있으며, 위성 에지서버의 오프로딩 여부에 따라서 종단간의 라우팅 경로가 다르게 구성이 되게 된다.
오프로딩이 되어있는 경우는 사용자가 요구하는 연산처리를 위성에서 자체적으로 하게 되기 때문에, 원하는 지상의 receiver의 위치까지 위성간 링크로 구성된 위성 네트워크에서 최단경로를 찾아주게 된다. 오프로딩이 되지 않은 경우에는 이 연산을 위해 지상의 data center를 추가로 한 번 더 거치게 된다는 차이점이 있으며, 이 오프로딩 여부가 본 연구에서 종단간 지연시간, 연산 능력, 전송 전력을 고려하여 최적화하여 구하고자 하는 목적 중에 하나가 된다.
