세계미래보고서: 라이파이란 무엇인가?

세계미래보고서: 라이파이란 무엇인가? wifi 종말과 미래기술 LiFi로 대체되는 무선전송기술. 인공지능혁명2030저자 박영숙 인공지능혁명2030저자

▲ 헤랄드 하스 LiFi 발명가, 에딘버러대교수

라이파이(Li-Fi)는 2011년 영국 에든버러대학교의 해럴드 하스(Harald Haas) 교수가 처음 제안한 기술로 가시광 무선통신을 기반기술로 하고 있으며 '라이트 피델리티(light-fidelity)'를 줄인 말이다. 처음에는 LED 전구의 조도를 조절하기 위한 기술로 개발되었으나 반도체 소자를 이용해 프로그래밍이 가능한 특성을 살려 통신기술로 진화되었다. 현재 대중적으로 보급된 와이파이(Wi-Fi)를 대체할 미래 통신기술로 주목받고 있다. 라이파이는 육안으로 볼 수 없는 LED 조도에서도 통신할 수 있고 주파수 혼신 등 무선통신이 불가능한 환경에서도 쓸 수 있다는 장점이 있다. 또한 보다 저렴한 비용에 에너지 효율은 높일 수 있는 것은 물론 전파로 인한 인체에 영향이 적어 상용화 전망이 밝다. 그러나 장비의 소형화가 어렵고 빛을 직접 수신할 수 있는 환경에서만 사용이 가능하다는 것이 한계로 지적된다. 라이파이(Li-Fi)는 와이파이의 광 버전이라고 할 수 있으며 엄청난 비용 절감이 가능하다.

LiFi 기기들이 매일 발명되고 있다. 현재의 와이파이 신호는 트래픽 등으로 수시로 엉키고 끊기기 때문에 이를 극복할 수 있는 전송기술이 필요한 시점이다. 라이파이는 LED가 깜빡이는 것을 인간의 눈으로 볼 수 없는 속도로 데이터가 광속으로 전달된다.

지난 6월 싱가포르에서 진행된 정보통신박람회(Communic Asia 2016)에서 싱가포르 정보통신개발청은 싱가포르 정부가 주시하고 있는 잠재력 있는 미래 기술 중 하나로 LiFi를 소개했다. 싱가포르 통신회사인 스타허브(StarHub)는 해당 기술에 관심을 보이며 “라이파이는 아직 초기단계에 있지만 우리는 라이파이 리서치 회사인 퓨어LiFi와 함께 해당 기술을 모니터링 및 평가하고 있다”고 전했다. 현재 매년 무선 데이터통신 양은 두 배로 증가하고 있으며 라디오주파수는 매우 혼잡하다. 이제 사물 인터넷이 상용화되고 있는 시점이지만 무선주파대역은 이미 포화상태에 있는 실정이다.

라이파이는 LED 전구 빛의 깜빡거림을 이용해 데이터를 보내는데, 이는 1초에 10만 번으로 사람의 눈으로는 인지조차 할 수 없는 속도이다. 각 깜빡거림은 2진 데이터에 상응하며, 컴퓨터에 붙어있는 수신기가 이 깜빡거림을 데이터로 변환한다. 라이파이기술의 가장 큰 장점은 기존 WiFi의 최대 100배에 달하는 데이터 송신 속도이다. 벽을 관통해 사용 가능한 WiFi와 달리, LiFi를 이용하기 위해서는 해당 기기가 광원의 범위 안에 위치해야 한다. 이는 라이파이가 WiFi와 같은 국제 표준으로 거듭나는데 가장 큰 걸림돌로 작용할 것으로 보이지만, 라이파이는 해당 구역 외에서는 접근이 불가능하므로 이것이 오히려 보안상 장점으로 작용할 수도 있다.

LiFi는 향후 다양한 분야에 적용될 것으로 보인다. 한 예로 WiFi와 달리 라이파이 신호는 항공기 조종사들이 커뮤니케이션을 위해 사용하는 전파에 간섭하지 않기 때문에 항공기에 광범위하게 적용 가능할 것으로 보인다. 교육현장에서 라이파이는 가장 빠른 인터넷접속을 가능하게 해준다. 의료시설, 수술실에서 와이파이는 모바일과 PC의 충돌을 일으키지만 라이파이 환경에서는 의료기기나 장비, 로봇수술이나 기타 자동화 장비가 잘 작동된다.

하지만 더 적은 수의 장치로 더 넓은 구역을 커버하기에는 비용이나 효율 면에서 WiFi가 더욱 적합하기 때문에, 전문가들은 라이파이가 WiFi를 대체하기보다는 보완하는 역할을 할 것으로 보인다고 전했다. 앞으로 라이파이가 어떻게 진화하고 어떤 형식으로 실생활에 적용될지 관심이 집중되고 있다.

라이파이 (Li-Fi) 위키피디아 자료

용어 정의

라이파이는 Wi-Fi와 유사한 양방향, 고속 및 완전 네트워크 무선 통신 기술이다. 이 용어는 해럴드 하스에 의해 만들어졌으며 가시광선 통신과 광 무선통신의 형태이며 RF통신(와이파이 또는 무선 네트워크)을 보완하거나 대체한다. 광 무선통신 기술의 일부인 무선주파수 스펙트럼 대신 발광 다이오드의 자외선통신 또는 적외선, 근자외선을 사용하며 RF 대역폭의 한계에 대한 해결방법으로 제안되었다.

기술 세부사항

송신기 역할을 하는 LED 천장 유닛으로부터 빛의 깜빡임을 통해 정보 교환이 이루어지는데, 백만 분의 1초 간격으로 깜빡이기 때문에 인간의 눈에는 인지되지 않는다. 수신기가 어느 송신기로부터 정보를 받아야 하는지를 인지할 수 있으므로 혼선은 발생하지 않는다. 장소를 이동할 경우, 수신기가 원래의 송신기와 연결을 끊고 좀 더 가까운 송신기에 연결한다. 즉, 연속적이고 끊김없는 데이터 전송이 가능한 것이다. Li-Fi는 빛을 사용하지만 항상 밝아야 할 필요는 없다. 한밤중이나 어두운 장소에서 Li-Fi가 필요할 경우에는 조명의 밝기를 인간이 보지 못할 밝기 정도로 낮출 수 있다. 공유기를 계속 켜 두어야 하는 Wi-Fi와는 달리, Li-Fi는 전구가 거의 꺼진 상태로 보이더라도 인터넷은 가능하다는 점에서 전력 소모도 대폭 줄일 수 있다. 수신기와 송신기 사이에 장애물이 있을 경우에도, 속도는 떨어지지만 벽으로부터의 반사광을 이용해 정보교환이 가능하다.

OWC 기술은 발광 다이오드 (light-emitting diode, LED)의 빛을 매개체로 사용하여 Wi-Fi와 유사한 방식으로 네트워크화된 모바일 고속 통신을 제공한다. Li-Fi 시장은 2013년에서 2018년까지 82%의 복합 연간 성장률을 나타내며 2018년에는 연간 60 억 달러 이상의 가치가 있을 것으로 예상된다.

Li-Fi는 항공기 객실, 병원, 원자력 발전소와 같이 전자기에 민감한 지역에서 전자기 간섭을 일으키지 않는다는 점에서 유용하다. Wi-Fi와 Li-Fi는 둘 다 전자기 스펙트럼을 통해 데이터를 전송하지만 Wi-Fi는 전파를 사용하고 Li-Fi는 가시광선을 사용한다는 차이가 있다. 장점으로는 빠른 속도를 들 수 있다. 이론상 속도는 현재 가정에 보급되는 인터넷보다는 100배 빠르고, 최신 LTE기술인 LTE-A보다는 66배이상 빠른 기술이다. 또한, 전자파 노출도 감소한다. 인터넷 연결과 조명을 동시에 사용하기 때문에 장치가 하나 줄어드는 이점이 있다. 이에 따라 에너지 효율도 증가하며, 포화 상태인 2.4 GHz Wi-Fi 대역과 겹치지 않아 주파수 혼선도 감소시킬 수 있다. 또, 전파가 전달되는 범위 안에 있고, 비밀번호만 알아내면 누구나 접속 가능한 Wi-Fi와는 달리, Li-Fi는 제한된 공간에 설치할 수 있는 것이 장점이다.

미 연방통신위원회 (Federal Communications Commission)는 Wi-Fi가 최대 용량에 근접해 있기 때문에 잠재적인 주파수 위기를 가지고 있다고 경고했지만, Li-Fi는 용량에 거의 제한이 없다. 가시광선의 스펙트럼은 전체 무선 주파수 스펙트럼보다 10,000배나 더 크다. 연구원들은 2013년의 전형적인 고속 광대역보다 훨씬 빠른 10 Gbit/s 이상의 데이터 속도에 도달했다. Li-Fi는 Wi-Fi보다 10배 더 저렴할 것으로 예상된다. 단거리 제한, 낮은 신뢰성과 높은 설치비용이 잠재적 단점이다.

퓨어라이파이는 바르셀로나에서 열린 모바일 월드 콩그레스(Mobile World Congress)에 최초의 상업적 라이파이 시스템을 선보였다.

라이파이의 역사

해럴드 하스 교수는 테드 글로벌 토크에서 ‘모든 빛을 통한 무선 데이터’라는 아이디어를 소개하며 ‘라이파이(Li-Fi)’라는 용어를 만들었다. 그는 에딘버러 대학교(University of Edinburgh)의 모바일 커뮤니케이션의 회장이자 퓨어LiFi의 공동 설립자이다.

가시광 통신(VLC)이라는 용어는 정보를 전송하기 위해 전자기 스펙트럼의 가시광선 부분을 사용하는 것을 포함하며 그 역사가 1880년까지 거슬러 올라간다. 에딘버러 디지털 커뮤니케이션 연구소(Edinburgh's Institute for Digital Communications)의 D-Light 프로젝트는 2010년 1월부터 2012년 1월까지 진행되었다. 해럴드 하스는 2011 TED 글로벌 토크에서 이 기술을 홍보하고 회사의 마케팅을 시작하는 데 도움을 주었다. 퓨어LiFi(구 퓨어VLC)는 기존의 LED 조명 시스템과 통합하여 Li-Fi 제품을 상용화하기 위해 설립된 OEM회사이다. 2011년 10월, 기업 및 산업집단은 고속 광무선 시스템 개발을 촉진하고 전자기 스펙트럼의 다른 부분을 활용하여 제한된 무선 기반 스펙트럼을 극복하기 위해 Li-Fi 컨소시엄을 구성했다.

VLC 기술은 2012년에 Li-Fi를 사용하여 소개되었다. 2013년 8월에 단색 LED를 통해 1.6Gbps 이상의 데이터 전송률이 입증되었다. 2013년 9월, Li-Fi 또는 VLC 시스템은 가시광선 조건을 필요로 하지 않는다고 밝혀졌다. 2013년 10월 중국 제조회사가 Li-Fi 개발 키트를 개발 중이다. 2014년 4월 러시아 회사인 Stins Coman은 BeamCaster라는 Li-Fi 무선 로컬 네트워크 개발을 발표했다. 2014 에 Sisoft(멕시코 회사)는 LED 램프로 방출되는 광 스펙트럼을 통해 최대 10Gbit/s의 속도로 데이터를 전송하여 새로운 기록을 수립했다. 2015년7 월 IEEE는 에너지 사용 효율을 높이고 수신기의 민감도를 높이기 위해 가이거 모드에서 APD를 SPAD로 작동시켰다.

각 나라의 상용화 상태

- MWC 2014 (Mobile World Congress 2014) 에서 고화질 영상 전송 시연 성공

- 프랑스 OLEDCOMM사, 영상이 아닌 실제 웹페이지 전송 시연 성공

- 중국의 상하이 푸단대학교 치 낸 교수팀이 2013년 10월 150Mbps의 전송에 성공하였고, 같은 달 옥스퍼드, 케임브리지 등 영국 대학 연구팀이 이론상 최대 속도인 10Gbps에 근접하는 속도의 데이터 전송에 성공

- 일본은 가시광 통신을 이용한 지능교통시스템을 개발하여 이를 전력선 통신과 융합하는 방안을 추진 중

- 한국, 한국전자통신연구원과 삼성전자 등이 기술 개발 중

- 프랑스, 2014년 하반기 Li-Fi 기술의 사용과 목표, 응용 기술과 기술 연구 개발이 진행 중.

표준

Wi-Fi와 마찬가지로 Li-Fi는 무선이며 유사한 802.11 프로토콜을 사용한다. 그러나 Li-Fi는 훨씬 넓은 대역폭을 가진 가시광선통신을 이용한다. VLC의 한 부분은 IEEE 802 작업 그룹에 의해 설정된 통신 프로토콜을 이용한다. 그러나 IEEE 802.15.7 표준은 시대에 뒤떨어져 광 무선통신 분야의 최신 기술 발전을 고려하지 못하고 있다. 직교주파수분할다중방식(O-OFDM)의 도입은 광 무선통신의 표준화를 위한 새로운 체제가 필요하다는 것을 의미한다.

그럼에도 불구하고 IEEE 802.15.7 표준은 PHY (physical layer) 및 MAC (media access control) 층을 정의한다. 이 표준은 오디오, 비디오, 멀티미디어 서비스를 전송하기에 충분한 데이터 전송률을 제공할 수 있다.

이 표준은 속도가 다른 3 개의 PHY 레이어를 정의한다.

- PHY I은 옥외 용도이으며 11.67kbit/s에서 267.6kbit/s까지 작동한다.

- PHY II 레이어는 1.25Mbit/s에서 96Mbit/s에 이르는 데이터 전송률을 허용한다.

- PHY III는 색 편이 변조(CSK)라 불리는 특정 변조 방식을 사용한다. PHY III는 12 Mbit/s에서 96 Mbit/s로 전송할 수 있다.

최초의 VLC 스마트폰 프로토타입은 2014년 1월에 라스베이거스에서 열린 CES 에서 발표되었다. 이 전화기는 빛의 파동을 사용가능한 에너지로 변환하는 기술인 SunPartner의 Wysips CONNECT를 사용하여 배터리를 사용하지 않고도 신호를 수신하고 디코딩할 수 있다. 투명한 얇은 층의 크리스털 글라스를 작은 스크린에 추가하여 태양열로 구동할 수 있다. 스마트폰 당 스크린의 비용은 2~3 달러에 불과하며 대부분의 신기술보다 훨씬 저렴하다.

주택 빌딩 오토메이션

미래의 주택 빌딩오토메이션은 안전성과 속도를 위해 라이파이 기술에 많이 의존하게 된다. 빛은 벽을 통과할 수 없기 때문에 신호가 해킹되지 않는 장점이 있다.

보안

Wi-Fi에 사용되는 무선 주파수와 달리 조명은 벽과 문을 통과할 수 없다. 회의실 또는 거실에서 창문의 커튼과 같이 투명한 물질로 Li-Fi 채널에 대한 액세스를 제한할 수 있다.

수중 사용

대부분의 원격 수중 차량(ROV)은 명령을 전송하기 위해 케이블을 사용하지만 케이블 길이에 따라 ROV가 탐지할 수 있는 영역이 제한된다. 그러나 광파는 물을 통과하기 때문에 원격 수중 차량에 신호를 주고받는 용도로 Li-Fi를 적용할 수 있다.

병원

많은 치료방법들이 여러 사람들을 포함하고 있기 때문에, Li-Fi 시스템은 환자 정보를 여러 사람에게 보다 잘 전달할 수 있다. Li-Fi 시스템은 더 빠른 속도를 제공할 뿐 아니라, 광파는 의료 기기와 인체에 거의 영향을 미치지 않는다.

자동차

차량들은 도로 안전을 향상시키기 위해 전방과 후방등으로 서로 통신 할 수 있다. 또한 가로등과 교통신호를 통해 현재 도로 상황에 대한 정보를 제공할 수 있다.