6G와 B6G의 생물학적 레이어(분자통신 molecular commucation 관련)

[루시엘]

https://youtu.be/Wjo10-cFMaU?si=ntSCykHjugg_2gIl

한국의 연세대 채찬병 교수님입니다. 싱가폴 기술디자인 대학교(Singapore University of Technology and Design)에서 3년전 강의한 내용입니다. 미래 통신수단에 대한 것인데, 제목은 "6G와 B6G의 생물학적 레이어"입니다. 헬스케어 기술 중 분자통신molecular commucation의 기본원리와 테스트베드 프로토타입 연구 등에 대해 다루고있습니다. 1시간 짜리고요. Intrabody network(인체 내 네트워크)를 이용, 나노로봇 등을 이용한 분자통신에 대해 다루고있습니다.

2024년 세계에서 과학 및 연구 분야에서 가장 영향력 있는 연구자들을 선정하는 '2024년 가장 많이 인용된 연구자(Top Cited Scholars)' 보고서에서 채찬병 교수님이 언급됩니다.

https://bk21ist.yonsei.ac.kr/bbs/board.php?bo_table=sub5_2&wr_id=16

채찬병 교수 '세계에서 가장 영향력 있는 연구자' 선정 > 뉴스 | 연세대학교 BK21 지능형반도체IT융

6G/B6G를 위한 생물학적 레이어: 아인슈타인, 레이놀즈, 그리고 통신 | 연세대 채찬병 교수

나노로봇을 이용, 인체 내부 네크워크를 이용한 분자 통신에 관심있는 분이라면 흥미로운 내용일 것 같네요. 3년전 영상입니다.

Biological Layer for 6G/B6G: Einstein, Reynolds, and Communications | Prof Chan-Byoung Chae

자, 이제 이 시간을 이어가기 위해 다음 연사는 연세대학교 통합기술대학의 언더우드 석좌교수님이신 채찬병 교수님입니다.
0:06
연세대학교 통합기술대학의 찬병철 교수님은 현재 IEEE
0:13
Transactions on Molecular Biological and Multi-Scale Communications의 편집장을 맡고 계십니다.
0:18
또한 IEEE Communications Magazine, IEEE
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Transactions on Wireless Communications, IEEE Transactions on Molecular Biological and Multi-Scale Communications, IEEE Wireless Communications Letters, IEEE Transactions on Smart Grid, IEEE Console Technology News, 그리고
0:42
IEEE KICS Journal of Communications and Networks의 편집위원을 역임하셨습니다.
0:49
찬병철 교수님, 환영합니다.
0:57
안녕하세요, 여러분. 잘 들리시나요?
1:07
안녕하세요, 여러분.
1:15
음, 잘 들리시나요? 기술적인 문제가 있으신가요?
1:23
네, 교수님. 잘 들립니다. 네, 알겠습니다. 정말 감사합니다.
1:29
소개해 주셔서 감사하고 초대해 주셔서 감사합니다. 저는 레온테 대학교의 찬용체입니다.
1:37
이렇게 저희 연구 진행 상황과 새로운 커뮤니케이션 패러다임을 소개할 기회를 갖게 되어 매우 기쁘고 영광입니다.
1:44
이 주제에 대해 훌륭한 동료 교수님들과
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먼저 홍콩 치앙마이에서 공부하는 학생들에게 감사를 전하고 싶습니다. 올해 워크숍 프로그램을 확인해 보니
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정말 훌륭한 연사분들이 계시더군요. 6G
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물 기술에 대해서는 많이 들어보셨을 텐데요, 제 발표에서는
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미래를 위한 새로운 커뮤니케이션 기술,
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네트워크에 대해 몇 가지를 소개하고자 합니다. 제목에서 보시다시피, 저희는 매우 유명한 두 연구자,
2:29
아인슈타인과 레이 노트를 모셨습니다. 여러분, 아마 궁금하실 수도 있을 거예요.
2:37
아인슈타인과 레이놀즈가 통신에 어떻게 기여했는지
2:42
답을 찾기 위해, 여정을 시작해 볼까요?
2:49
좋습니다. 제 발표를 시작하기 전에,
2:54
간단히 저를 소개하겠습니다. 저는 찬영첸이고,
3:01
제임스 대학교 교수입니다. 제임스 대학교에 오기 전에는
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뉴저지에 있는 연구소에서 거의 2년 동안 근무했고, 그 전에는 하버드 대학교 응용수학과에서
3:13
수학을 전공했습니다.
3:20
현재 IEEE 트랜잭션의 편집장을 맡고 있으며,
3:26
또한 저명한 강사이기도 합니다. 기회가 된다면,
3:32
다양한 주제로 강연을 해드릴 수 있습니다.
3:39
자, 그럼 제 발표 개요를 말씀드리겠습니다. 오늘 발표는 본론에 약 45분, 질의응답에 15분이 주어졌습니다.
3:45
핵심 내용을 최대한 수학 공식 없이 전달하려고 노력하겠습니다.
3:51
제 발표는 크게 세 부분으로 구성됩니다. 분자 통신의 기본 원리,
4:03
분자 통신 이론,
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그리고 마지막으로 몇 가지 실험과 프로토타입 연구를 통해
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새로운 개념들을 검증해 보겠습니다.
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첫 부분에서는 아인슈타인과 브라운 같은 유명한 연구자들을 소개하고,
4:28
두 번째 부분에서는 채널 모델, 변조 기법,
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탐지 알고리즘 등을 다룰 것입니다. 그리고 프로토타입 결과도 보여드리겠습니다. 이것은 새로운
4:43
통신 패러다임입니다. '노래하는 것이 곧 믿는 것이다'라는 말처럼, 우리는 더 많은 프로토타입이 필요합니다. 믿으시죠?
4:52
이 개념은 실제로 실현 가능하죠?
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좋습니다. 그럼 몇 가지 기본 사항으로 넘어가 보겠습니다.
5:03
저희 연구는 이전에 일련의 혁명을 겪었습니다.
5:09
유선 통신에서부터 대부분의 통신 매체, 그리고 최근에는 액체 기반 매체에 이르기까지 새로운 통신 매체가 도입되었습니다.
5:15
이처럼 다양한
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통신 패러다임의 도입은 이전에는 상상할 수 없었던 혁신적인 응용 분야의 발전을 촉진했습니다.
5:30
이러한 패러다임의 가장 최근 사례는 분자 통신(molecular communication)입니다.
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이는 인체 체내 네트워크(intrabody network)와 관련된 의료 응용 분야를 가능하게 합니다.
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즉, 어디에나 연결된
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혈액 기반 동맥, 정맥, 모세혈관을 통해 통신 수단을 제공함으로써 분자 통신 기반 e-host
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응용 분야를 가능하게 하고, 새로운 사물 인터넷(IoT)의 많은 부분을 가능하게 합니다.
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바이오 및 나노 사물 인터넷 서비스도 가능합니다. 그래서 질문 하나만 드리겠습니다. 여기
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아주 간단한 질문인데요, 60과 5G를 구분할 수 있는 사람이 있을까요?
6:14
5G도 이제 잘 구축되고 있죠?
6:20
싱가포르에서도 마찬가지지만, 60에 적합한 킬러 애플리케이션은 몇 가지 제한적이라고 생각합니다.
6:27
5G는 60, 어쩌면 그 이상, 즉 B60에 적합할 수도 있습니다. 그래서 우리는
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상당히 다른 애플리케이션을 사용하게 될 것입니다. 그래서 저는 여기서 생물학적
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웹사이트 위에 7개의 레이어를 추가하여 e-호스트 애플리케이션을 지원한다고 주장하는 것입니다.
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때때로 우리는 이 기술을 어레이 기술이라고 부릅니다. 무선 주파수 부분은 레이어 지터입니다.
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여기서 우리는 다른 애플리케이션에 사용하는 기술 대신에 레이어 G라는 또 다른 접근 방식을 추가합니다.
7:02
다른 애플리케이션에 사용하는 기술 대신에
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다른 응용 분야를 위한 기술
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실제로 iobnt를 구현하기 위해 개념적인
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몇 가지 그림을 통해 리허설 모니터링 시나리오에서 응답 라인은 나노
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서로 통신할 수 있는 기계를 사용합니다. 이 기계들은 더 많은 강의를 통해
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이 시스템은 전자기 구성 요소를 사용하는 시스템보다 더 나은 생체 적합성을 가질 수 있습니다.
7:35
따라서 이 기계들은
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최첨단 나노 기계 기술의 도움으로 시각 환경의 모든 응용 분야에서 표적 분자를 적응적으로 송수신할 수 있습니다.
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따라서 이 응용 분야를 위해서는 먼저 분자 통신의 기본 원리를 이해해야 합니다.
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그리고 몇 가지 기술적 세부 사항을 소개한 후 이 슬라이드로 다시 돌아오겠습니다.
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그렇다면 통신 네트워크란 무엇일까요? 그것은 여러
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나노 규모의 기계들을 상호 연결하여 때로는 복잡한 테스트를 수행하거나 때때로
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협력적인 방식으로 간단한 작업을 수행하기 때문에 비자연적인 통신에는 두 가지 유형이 있습니다.
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전자기 기반과 분자 기반입니다. 분자 통신의 경우
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기계가 아닌 감각으로 인코딩된 분자 정보를 수신합니다.
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이 그림에서 볼 수 있듯이, 예를 들어 다음과 같은 시스템을 쉽게 설계할 수 있습니다.
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제어 가능한 스프링이 있다고 가정해 보겠습니다. 예를 들어 향수를 뿌리면
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쉽게 냄새를 맡을 수 있고, 이 냄새를 이진수로 디코딩할 수 있습니다.
8:59
하지만 시간이 지나면서, 즉 심볼 주기와 관련된 문제가 발생합니다.
9:06
아무 냄새도 맡지 못하면 '아, 신호가 끊겼구나'라고 생각할 수 있습니다.
9:13
이것은 분자 통신을 위한 매우 간단한 복조 및 복조 방법입니다.
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우리는 여기서
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기존의 전자기 통신과
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제안된 분자 통신의 차이점을 비교하고자 합니다. 따라서 우리는 완전히
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다른 캐리어를 사용합니다. 전자기파 보드 분자 통신이 아닙니다.
9:44
화학적 확산의 특성상 전파 속도가 매우 느립니다.
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여기서 우리가 주장하는 것은 5G를
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밀리미터파 네트워크를 분자 통신으로 대체해야 한다는 것이 아닙니다.
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상당히 다른 응용 분야가 있으며, 이러한 접근 방식이
10:10
60년대 또는 B60 시대의 다른 응용 분야에 매우 유용하다고 생각합니다.
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따라서 완전히 다른 응용 분야와 다른 자원, 그리고
10:24
포함된 정보도 상당히 다릅니다. 그래서 이 개념을 믿기 어렵다는 것을 알고 있습니다.
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이론적으로는 가능하지만 실제로는 어떨까요? 이 질문에 답하기 위해
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매우 짧은 비디오 클립을 준비했습니다. 먼저 시청해 보겠습니다.
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여기서 우리는 6 또는 완벽해
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YONSEI는 우리 대학교 이름이지만, 이 시스템에는 안테나가 없습니다.
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RV를 제외하고는 안테나가 없고,
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선풍기와 메신저 분자 몇 개만 있습니다.
11:21
그리고 수신기 쪽에 간단한 게스트 감지기가 있습니다.
11:26
그리고 소리가 들리죠? 그건
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특정량의 메신저 분자를 방출했을 때 나는 소리입니다.
11:37
그리고 특정 메시지를 전달합니다.
11:46
마침내 6개의 오페라 경로를 성공적으로 수신했습니다.
11:51
경로를요. 이 영상에서 무엇을 얻으셨나요?
11:58
이 테스트에 대해 어떻게 생각하세요? 아시다시피, 이것은 어떤 기술도 사용하지 않고 진행된 최초의 통신 테스트입니다.
12:06
놀랍게도 우리는
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일부 오페라 경로를 전달할 수 있었습니다. 요-오-온-세이
12:19
음, 여기에는 다른
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더 발전된 기술을 사용하는 다른 테스트베드도 있습니다. 여러분은 나중에 제 발표에서 보게 될 것입니다.
12:31
약간
좋습니다. 이 접근 방식을 어디에 사용할 수 있을지 궁금하실 겁니다.
12:44
여기에는 자유 공간 환경에 대한 세 가지 대표적인 응용 분야가 있습니다. 또는
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전술적인 거시 규모 또는 나노 로봇에 적용할 수 있으며, 다시 한번 견고성을 확보했습니다.
12:58
그리고 도청에 대한 방어력을 보여주었습니다. 따라서 침습적 응용 분야의 경우 이미
13:04
호스트 모니터링, 나노 로봇 또는 표적 약물 전달 시스템이
13:11
수중 응용 분야에 대한 몇 가지 좋은 예가 있습니다.
13:17
표적 시스템과 석유 파이프 누출 감지도
13:24
매우 유용할 수 있지만, 저는 주로 첫 번째와 두 번째 응용 분야에 집중하겠습니다. 오늘 제 강연의 주제는
13:31
나눗셈 기반
13:36
역학입니다. 아주 기본적인 내용이죠. 브라운 운동에 대해 들어보셨을 겁니다.
13:43
브라운 운동에 대해 여러 번 들어보셨을 텐데, 이는
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액체나 기체 같은 매질에 떠 있는 입자들의 무작위 운동입니다.
13:56
이 운동은 아시다시피 플루토니우스 로버트 브라운의 이름을 따서 명명되었습니다.
14:02
그는 1827년에 이 현상을 처음으로 설명했습니다.
14:07
폴란드의 클라키아 푸르셀라라는 식물을 현미경으로 관찰하면서
14:16
이 식물의 발음이 정확한지는 잘 모르겠지만, 그가 관찰한 식물은 바로 이 식물입니다.
14:23
그래서 1905년경에
14:23
이러한 현상에 대해 거의 80년 후인 1905년에
14:29
이론 물리학자 알베르트 아인슈타인은 논문을 발표했는데, 그 논문에서 그는
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풍선 입자의 운동을 물 분자에 의해 움직이는 것으로 모델링했습니다.
14:43
이로써 그는 주요 과학적 공헌 중 하나를 이루었습니다.
14:50
이 주제는 그의 박사 학위 논문이었는데, 그는 논문에서
14:56
상대성 이론이나 다른 중요한 주제에 대해서는 전혀 언급하지 않았습니다.
15:03
분자 역학에 대해서 말이죠. 그래서 아인슈타인의 브라운 운동에 대한 설명은
15:10
원자와 분자가 존재한다는 설득력 있는 증거가 되었습니다.
15:17
그리고 항상 실험적으로 더 잘 입증되었습니다.
15:23
제3세계의 과학자 존 파브렌은 1908
15:35
참고로 그는 1926년에 노벨 물리학상을 수상했습니다.
15:42
물질의 불연속 구조에 대한 연구로
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제가 말씀드렸던 것처럼 입자의 무작위 운동, 즉 불연속 분포에 대해
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우리 모두 학부 시절 공학 수학 수업에서 이 불연속 분포에 대해 배웠을 거라고 생각합니다.
16:02
그리고
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여기서 최종 방정식은 시간에 대해 1차 미분이고,
16:15
공간에 대해 2차 미분입니다. 따라서 우리는 나눗셈의 해를 알고 있습니다.
16:22
이 방정식은 가우스 분포를 따릅니다. 하지만 이것은 우리가
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거리나 시간에 대해 이야기할 때만 성립합니다. 우리가
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지금까지 살펴본 통신에서는 상황이 다릅니다. 간단한 예를 들어 보겠습니다.
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특정량의 메신저 분자를 외부로 방출한다고 가정해 봅시다. 그리고
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선생님, 만약 우리가 확산 분자의 위치에 관심이 있다면,
16:52
분자들은 가우스 분포를 따를 것입니다.
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하지만 시간에 관심이 있다면,
17:03
역가우스 분포를 따르게 됩니다.
17:08
네, 그래서 몇 가지 세부 사항은 생략하겠습니다.
17:15
좋습니다. 가장 간단한 확률 시스템 중 하나는
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브라운 입자입니다. 브라운 운동은
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더 복잡한 현상을 이해하는 데 중요한 도구입니다. 브라운 입자가 처음
17:37
어떤 위치에 도달할 확률을 이해하는 것이 중요합니다.
17:43
그리고 시작 위치에서 다른 위치에 도달할 확률도 마찬가지입니다.
17:50
다음 방정식을 통해 이를 구할 수 있습니다.
17:56
여기서 작업 메시지를 전달하기 위해 몇 가지 부분을 생략하겠습니다.
18:03
가장 중요한 것은 시간 밀도입니다. 이것은 입자가 수신기에 정확히 특정 시간에 도달할 확률입니다.
18:10
즉, 입자가 수신기에 도달할 확률입니다.
18:17
어떤 인덱스에 도달했을 확률입니다. 따라서 단순화를 위해 1차원 공간에 대한 역 가우시안 분포를 사용합니다.
18:25
하지만 이 방정식은 전자기 시스템에 대한 방정식과는 상당히 다릅니다.
18:30
전자기 시스템에 대한 방정식과는 다릅니다.
18:36
그래서 우리는 확산 메커니즘의 핵심 부분을 살펴보았습니다.
18:44
이 메커니즘은 분자 통신 시스템의 채널을 이해하는 데 매우 중요했습니다.
18:50
이제부터는 통신 부분에 집중해 보겠습니다.
18:57
통신 시스템의 목표는 공간과 시간을 초월하여 정보를 전송하는 것입니다.
19:03
이를 달성하기 위해서는 신호가 전송하려는 정보에 따라 송신기에 의해 생성되어야 합니다.
19:10
전달하려는 정보에 따라 신호가 생성되어야 합니다.
19:16
의도된 정보에 따라 신호가 생성되어야 합니다. 신호가 전송되어 수신기로 전달되면, 이 신호는
19:22
수신된 신호에서 의도된 정보가 디코딩되는 수신기로 전파됩니다.
19:27
따라서 모든 통신 시스템은
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송신기, 수신기, 채널의 세 가지 주요 부분으로 나눌 수 있습니다.
19:39
여기서 세 가지 모듈의 표현인 블록 다이어그램을 보여드리겠습니다.
19:45
모듈이라고 말씀드렸듯이 기본적으로 분자 통신에서도
19:52
상당히 유사한 접근 방식을 사용합니다.
19:57
변조를 설계하고 채널 코딩을 설계합니다.
20:03
하지만 완전히 다른 단일 채널 환경에 의존합니다. 3Gbps에서 사용하는
20:11
릴레이 페이딩이나 공간 채널 모델이 없습니다.
20:17
대신 확산 채널과 드리프트가 있습니다.
20:24
특히 B 세포 네트워크에서 그렇습니다.
20:31
좋습니다. 그럼 변조 기술에 대해 이야기해 보겠습니다.
20:37
전극 전자 통신에서 변조는
20:43
케랄라 신호라고 하는 주기적인 파형의 하나 이상의 속성을
20:49
별도의 신호로 개발하는 과정입니다. 일반적으로 전송할 정보를 포함하는 아날로그 신호에 대해,
20:55
디지털 복조는 변조 신호가 아날로그 또는
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디지털일 때 사용할 수 있습니다. 하지만 이 내용을 알고 계시니 자연스럽게 다음과 같은 질문이 떠오를 것입니다.
21:08
분자 통신 변조에 사용할 수 있는 자원은 무엇일까요?
21:14
서로 다른 기호를 구별하기 위해 농도,
21:21
시간, 공간, 그리고 분자 유형과 같은
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광통신에서처럼, 우리는 메신저 분자의 방출량을 조절함으로써
21:34
서로 다른 정보를 전달할 수 있습니다. 이를
21:40
농도 기반 변조라고 합니다. 마찬가지로 방출 시점도
21:46
사용할 수 있으며, 방출 위치의 공간적 위치도 가능합니다.
21:53
무엇보다도, 고차 변조를 위해서는
21:58
다양한 유형의 메신저 분자를 사용할 수 있습니다.
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매우 간단한 예입니다. 제가 이전에 첫 번째 테스트에서 설명했던 것처럼,
22:10
집중력 전환 개념은 매우 간단하고
22:16
직설적입니다. 수신된 메신저 분자의 농도는
22:23
신호의 진폭으로 사용되며, 이러한 부분들을 통해
22:30
사각파형, 퍼스파형,
22:36
정보, 그리고 고차
22:42
변조를 통해 여러 레벨을 구현할 수 있습니다. 타이밍 기반 기술을 사용하면
22:48
정보는 다양한 시간으로 표현되며
22:53
서로 다른 시간 위치에 저장됩니다. 간단히 말해, 이 변조는
22:58
메신저 변조기의 방출 시간에 따라 정보를 인코딩합니다. 하지만
23:03
몇 가지 단점도 있으며, 가장 큰
23:09
단점은 이 접근 방식이
23:14
모든 나노 머신에서 완벽한 동기화를 기대한다는 것입니다. 사실 요즘에는 현실적으로 실현 가능하지는 않지만,
23:20
획기적으로 거의
23:27
최고의 성능을 달성하고 더 높은 데이터 전송률로 더 안정적인 전송을 가능하게 했습니다.
23:34
또한 이성질체 기반 분자 유형을 제안했습니다.
23:40
분자 이동 킹(molecular shift king)이라는 개념을 소개하기 위해 포도당을 사용했습니다.
23:47
16개가 아닌 64개의 서로 다른 레벨을 고려하고, 단순히 에어타임 d 유형을 고려하고,
23:54
이성질체의 특성을 활용함으로써 가능했습니다. 하지만
24:02
분명히 복잡성이 문제가 될 것이며, 수신기는 여러 개의 메신저 분자를 구별하기 위해 여러 종류의 리간드 수용체를 가져야 합니다.
24:09
하지만
24:16
꽤 괜찮은 아이디어입니다. 좋습니다. 이전 부분에서는
24:24
분할 기반 역학과 통신 단위에 대해 배웠고,
24:30
채널 모델 변조에 대해서도 조금 배웠습니다. 여기서는 탐지에 대해 이야기해 봅시다
24:38
알고리즘에 대해 이야기해 보죠. 시간이 허락한다면 채널 코딩도 소개하겠습니다.
24:44
이 부분은 탐지에 대해 가장 잘 알고 계시잖아요.
24:50
통신에서 중요한 부분은 RF 통신과 매우 유사합니다.
24:57
여기에는 채널 파라미터 h,
25:05
잡음 n, 그리고 전송 신호 심볼 x로 구성된 간단한 방정식이 있습니다. 우리는 y = h x +
25:13
n을 풀기만 하면 됩니다. 이는 상당히 유사하죠. 따라서 검출기 부분의 목표는
25:18
x와 디코딩된 메시지 y 사이의 거리를 최소화하는 것입니다. 그래서 우리는
25:27
최대 우도 및 최대 사후 확률 검출기를 사용할 수 있습니다.
25:33
하지만 RF 통신과는 달리, 한국 시간은 거의
25:38
랜덤 워크의 특성, 즉 파괴된 메커니즘으로 인한 지터가 크기 때문에
25:44
대부분의 기존 연구 및 검출 알고리즘은 장기적이고 일반적인
25:50
특성을 기반으로 합니다. 따라서 매우 낮은
25:57
데이터 전송률은 심각한 문제 중 하나입니다. 분자 통신의 기술적 과제는 다음과 같습니다.
26:04
더 많은 데이터를 전송하면서
26:09
오류를 최소화하고 이상적으로는 오류가 없도록 하고 싶습니다. 따라서 심볼 간격을 줄이는 것이 하나의 방법입니다.
26:14
하지만 더 정교한 DVD 알고리즘이 필요합니다. 그래서
26:20
여기서 MIMO 관련 내용을 언급했습니다. 분자 통신에서 가장 큰 골칫거리는
26:26
쉽게 짐작할 수 있듯이
26:33
심볼 간 간섭입니다. 그림에서도 볼 수 있듯이
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임펄스 형태의 AD 분자를 전송하더라도
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긴 꼬리, 즉 긴 부분과 장기적인 부분이 있습니다.
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따라서 비교적 짧은 심볼 간격에서는
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심각한 심볼 간 간섭이 발생합니다. 이처럼 두 개의 결합 전송에만 상당히 큰 중첩 영역이 생깁니다.
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따라서 이를 피하기 위해 우리는 정말 오랫동안 혼자 기다릴 수도 있지만,
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이것은 우리가 원하는 통신 방식이 아니죠. 그렇죠?
27:28
그래서 이제 제가 소개한 문제들을 해결하기 위한 좀 더 발전된 기술에 대해 이야기해 보겠습니다.
27:38
분자 통신은 RF 구성 요소(예: RF 안테나 또는 RF 문제)가 없는 새롭고 혁신적인 패러다임입니다.
27:45
하지만 분자 통신 또한
27:52
통신 공학의 한 분야이며, 기존 통신과 유사한 문제들을 안고 있습니다.
28:04
그래서 2010년 이후 지난 10년 동안 링크의 신뢰성과
28:12
시스템 처리량을 향상시키기 위해 광범위하게 연구된 주제들이 있습니다.
28:17
예: 다중 입력 다중 출력(MIMO),
28:23
전이중 통신 및 릴레이 네트워크
28:29
최근에는 모든 사람들이 이 세 가지 주제에 대해 2년씩 공부했지만, 저는
28:36
시간 제한 때문에 모든 세부 사항을 소개할 수는 없을 것 같습니다.
28:41
그래서 더 많은 슬라이드를 공유해 드리겠습니다. 나중에 방정식에 대해 질문하시면요.
28:48
제 프레젠테이션을 통해 알려드리겠습니다.
28:54
제가 전에 매크로 스케일 탁상 실험을 소개했었죠.
29:00
테스트 박쥐 기억하시죠? 혹시 짐작할 수 있는 분 계신가요?
29:06
그 테스트 이벤트의 전송률이 얼마였을까요? 저희는 y-o-n-s-e-i라는 알파벳 6개를 보냈습니다.
29:15
방정식과 팬, 스프레이, 화학 센서를 함께 사용했죠.
29:22
모든 것을 구현하는 데 단 50달러밖에 들지 않았습니다.
29:27
데이터 전송률은 초당 약 1비트였습니다.
29:34
이는 FR2를 사용하는 5G 통신보다 훨씬 낮은 수치입니다.
29:40
가중 스펙트럼을 사용하면 초당 약 3기가비트를 달성할 수 있다고 생각합니다.
29:47
FR1을 사용하면요. 3.5GHz 대역을
29:52
스펙트럼으로 사용하면 일반적으로 평균적으로 초당 약 300메가비트를 달성합니다.
30:00
농담이 아닙니다. 초당 1비트입니다.
30:06
하지만 알파벳 6개를 전송하려면
30:14
약 30비트가 필요했고, 이는 6개의 경로만 전송하는 데 약 30초가 걸렸다는 것을 의미합니다.
30:20
결국 가장 큰 과제는
30:26
더 높은 데이터 전송률과 더 낮은
30:33
오류율을 가진 기술이 될 것으로 예상됩니다. 그래서 MIME을 설계했습니다.
30:38
시스템을 설계했고, 또한 단방향 통신만 가정했습니다.
30:45
우리 혈관 내 세포에 나노 기계가 있고 혈류가 흐른다고 가정해 보겠습니다.
30:52
꽤 그렇습니다. 다양한 시나리오가 존재하기 때문에 RF 통신에 필요한 것은 다음과 같습니다.
31:03
통신을 위해 모델 구성을 설계하고, 전이중 반경을 설계했습니다.
31:12
분자 통신을 위한 모델 구성과 릴레이 네트워크를 설계하여 더욱 안정적인
31:19
장거리 통신을 구현했습니다.
31:25
두 번째 비디오 클립에서 보시다시피, 앞서 논의했듯이
31:31
공간 영역은 마이너 구성을 적용하여 얻을 수도 있습니다.
31:37
그리고 MIMO는 확산형
31:43
분할형 채널에서는 채널 특성이 완전히 다르기 때문에 작동하지 않을 수 있다고 주장할 수도 있습니다. 하지만 저희는 2x2 MIMO 구성을 사용하는 분자 통신을 위한 새로운 검출 알고리즘을 제안했고,
31:50
결과를 테스트하기 위해 프로토타입을 구현했습니다.
31:57
두 번째 비디오를 시청해 보겠습니다.
35:08
더 높은 데이터 전송률, 즉 통신 크기보다 1.7배 높은 전송률로 성공적으로 데이터를 수신했습니다.
35:08
더 높은 데이터 전송률, 통신 크기보다 1.7배 더 높은 전송률로 성공적으로 데이터를 수신했습니다.
35:15
이것이 바로 분자 MIMO 구성입니다.
35:20
MIMO는 다른 용도로도 사용할 수 있으므로 이 부분은 생략하겠습니다.
35:28
슬라이드는 생략하지만, 자유 공간 채널을 사용할 수 있습니다. 이 개념은
35:33
시각 경계 채널과 수상 통신에도 사용할 수 있습니다.
35:39
자, 지금까지 분자 통신의 기본 원리를 공부했습니다.
35:46
하지만 이 새로운 패러다임이 실제로 작동하는지 확인하기 위해 더 실용적인 시스템이 필요합니다.
35:54
발표를 마무리하기 전에
36:00
실제로 구현한 시스템을 더 보여드리겠습니다.
36:07
나노 스케일 분자 통신은 제가 여러 번 언급했습니다.
36:13
이러한 분자 통신을 사용할 수 있습니다. 건강 모니터링 또는
36:19
목표 약물 전달 시스템을 위한 통신을 위해서는 실제 나노 스케일 로봇이 필요합니다.
36:27
통신을 위해 나노 스케일 개념을 구현하기 위해
36:32
인체 이식 가능한 나노 장치를 제작했습니다.
36:39
기본적으로 데이터 전송을 위한 것입니다.
36:45
이것이 우리가 구현한 시스템입니다. 전체 통신 모델은 아직
36:52
실제로 사용하기 위해서는 몇 가지 개선이 필요하지만,
36:58
이 연구의 주목할 만한 점은 우리가 설계한 나노 스케일 센서가
37:04
분자 통신 작업에 특화되어 있다는 것입니다. 이 센서는 인체 피부 근처에 이식할 수 있을 만큼 충분히 유사하여
37:10
무해하지 않으며
37:16
분자 통신 수신기로 적합합니다.
37:23
따라서 초당 2비트의 데이터 전송률을 달성했습니다. 안정적으로
37:30
낮은 오류율로 긍정적인 결론을 내립니다.
37:37
바디 렉은 채널 불확실성이 아니라 기계적 단위 때문입니다.
37:44
따라서 나노 분자 시스템은 향후 연구에서 더욱 뛰어난 성능을 달성할 수 있습니다.
37:49
수신기 부분에는 포도당을 사용했습니다.
37:55
포도당 검출기는 산화아연 소재를 기반으로 설계했습니다.
38:49
몇 가지 알파벳을 인식하고 성공적으로 해독했습니다.
38:54
이러한 나노 로봇을 통해
39:01
그리고 우리는 다음과 같은 방법론과 기술을 제안합니다.
39:10
테스트베드. 대부분의 기존 연구에서는
39:19
채널 기반 테스트베드를 사용했습니다. 예를 들어 3개의 스케일을 가정했습니다.
39:24
공기 확산 채널입니다. 하지만 문제는 [음악]
39:30
우리는 다음과 같은 인체 이식형 나노 로봇을 구현해야 합니다.
39:36
실제로 인체에 이식 가능한 나노 로봇을 구현해야 합니다. 무엇
39:41
화면에 표시되고 채널은 시각적 환경과 같아야 합니다.
39:48
그래서 우리는 몇 가지 훌륭한 테스트 핏을 설계했습니다. 하나는 우리 심장과 같습니다.
39:57
심장이 뛰는 것처럼요. 두 번째는 우리 인간의
40:04
혈관 네트워크입니다. 세 번째는 수신기입니다. 물론 우리는
40:10
최소화해야 하고, 많이 축소해야 합니다. 그래야 이 기계를
40:15
우리 몸에 넣을 수 있습니다. 네 번째는 몇 가지
40:20
디코딩 메커니즘, 디코딩 모듈과 같습니다.
40:27
이것을 사용하여 데이터 전송률을 높이고,
40:34
다중 통과 환경, 이 다중화 환경은 다릅니다.
40:39
RBF 통신과는 다르죠. 그리고 우리는 프로토타입을 가지고 있습니다.
40:44
여기 두 개씩 짝을 지어 최소량을 판매합니다.
40:50
이게 마지막인 것 같습니다. 여러분이 이해하기 쉽도록 준비했습니다.
43:24
그래서 어, 저희가 이전에 보여드렸던 것과 같은 이러한 공헌 덕분에
43:30
인포콤에서 최고의 데모 상을 받았고,
43:36
주요 컨퍼런스인 WCNC에서도 상을 받았습니다. 자, 그럼 제 발표를 마무리하겠습니다.
43:43
이 연구 이후에 무슨 일이 일어날까요? 이것은 우리의
43:48
여정의 끝이 될 거라고 생각하지 않습니다. 오히려 새로운 시작이 될 것입니다. 몇 가지 기본적인
43:55
IPRS와 같은 거시적 규모의 나노 기술, 방법론, 기술, 검증 기술을 갖추게 되면, 우리는
44:01
세상을 바꿀 기술을 갖게 될 것이고, 이는
44:07
6G 및 그 이후의 네트워크에 매우 중요할 것입니다.
44:13
경청해 주셔서 감사합니다. 이제 청중 여러분의 질문을 받겠습니다.
44:18
질문해 주셔서 감사합니다.
44:24
찬용 교수님, 정말 감사합니다. 정말 흥미로운 프레젠테이션이었습니다.
44:30
이제 질의응답 시간으로 넘어가겠습니다. 이미 청중 여러분께서 몇 가지 질문을 보내주셨습니다.
44:36
첫 번째 질문은 분자 통신의 주요 활용 사례가 무엇인지,
44:44
6G에서 RF나 광 주파수를 사용할 수 없는 이유는 무엇인지에 대한 것입니다.
44:55
정말 좋은 질문입니다. 이렇게 생각해 보겠습니다.
45:00
5G에서는 이미 상당히 잘 구축된
45:06
네트워크가 있지만, 유튜브 시청이나 이메일 확인 등에서 거의 비슷한 경험을 하고 있습니다.
45:12
하지만 5G의 진정한 효과를 보기 위해서는
45:18
정부에서 많이 추진하는
45:23
스마트 공장과 같은 것을 구축해야 합니다. 공장에서 5G 기술, 특히
45:31
초저지연 기술을 활용할 수 있습니다.
45:36
5G의 가장 큰 장점은 바로 그 부분인데, 그렇다면 N6G는 어떨까요?
45:43
앞서 언급했듯이, 다른 어떤 분야에 활용될 수 있을까요?
45:50
지구 문제나 생의학 문제 등이
45:57
매우 중요한, 어쩌면 가장 큰 장점이 될 수 있을 것 같습니다.
46:03
하지만 RF 기술을 우리 몸의 상태를 모니터링하는 데만 사용한다면,
46:11
실제로는 매우 어렵습니다. 아시다시피 우리 몸의 혈관 반지름은
46:19
마이크로미터 단위이고,
46:24
최대 밀리미터 단위이기 때문입니다. 따라서
46:30
수백 테라헤르츠 또는 그 이상의 주파수 대역이 필요할 수 있습니다.
46:37
하지만 현재 기술로는 불가능에 가깝습니다.
46:42
그 주파수를 생성할 발진기나 수정 발진기가 필요하기 때문입니다.
46:52
그리고 테슬라도 RF 기술을 개발하기 위해 또 다른 큰 프로젝트를 진행하고 있습니다. 기술
46:59
건강 모니터링 문제에 있어서, 네, 바로 그 때문에 분자 통신을 사용할 수 있는 겁니다.
47:05
생체 적합성이 뛰어나고 인체에 무해한 통신이죠.
47:11
예를 들어 보겠습니다.
47:17
우리 몸의 위아래에 나노 기계 두 대가 있다고 가정해 봅시다.
47:23
이 두 기계는 매우 간헐적으로 통신합니다.
47:29
시간당 약 1비트 정도입니다.
47:34
수신기는 어떤 신호 시퀀스를 감지합니다.
47:40
예를 들어 1, 0, 1, 0과 같은 신호가 감지됩니다. 그런데 갑자기 수신기가 비정상적인 신호를 감지합니다.
47:47
예를 들어 1, 1, 1, 0, 1과 같은 신호가 감지되면, 나노 수신기는 그 신호를
47:54
저희가 제안하는 릴레이 네트워크를 통해 전달할 수 있습니다. 그러면 그 메시지는
48:02
우리 몸의 피부로 전달됩니다.
48:08
그리고 우리는 피부로 모든 메시지를 받아볼 수 있습니다. 휴대폰 스마트폰, 어...
48:16
특정 기기에서 비정상적인 동작이 나타나는 것 같습니다. 그래서
48:21
병원에 가서 해당 부품들을 점검받아보시는 게 좋을 것 같습니다.
48:28
6G 또는 그 이상의 기술에 대한 의무 사항과 6G에 대한
48:34
앞서 말씀드렸듯이, 저희는 기존의 웹 기반 기술을
48:40
6G 기술로 대체해야 한다고 주장하는 것이 아니라, 보다
48:46
풍부한 경험을 제공하는 데 도움이 될 수 있는 새로운 통신 메커니즘을 제안하는 것입니다.
48:54
이 정도면 질문에 대한 답변으로 충분할까요? 많은 분들이
49:01
통찰력 있는 의견을 주셨을 것 같고, 청중 여러분의 질문에 답변이 되기를 바랍니다.
49:07
다음 질문은 전이중 통신에서 발생하는
49:14
자기 간섭을 어떻게 극복하는가 하는 것입니다. 어떻게 하는 건가요?
49:19
음, 저도 잘 모르겠습니다. 청중은 대부분 엔지니어이거나
49:26
일부 공학 대학원생이지만, 이중 통신 기술은
49:31
2010년경부터 저희 기술 분야에서 연구되어 왔으며,
49:38
자체 프로토타입도 보유하고 있습니다. 따라서 가장 중요한 것은
49:43
매우 강한 자체 간섭 변환을 완화하는 것입니다.
49:48
하지만 해당 dsric의 자체 독립성 제거 수준은
49:53
다른 쪽에서 오는 원하는 신호보다 훨씬 높기 때문에 가능한 모든 조치를 취해야 합니다.
50:00
아날로그 영역과 디지털 영역에서 선형 성분 또는
50:08
비선형 성분 등을 사용하여 제거할 수 있습니다. 분자 통신을 위해
50:14
수동
50:21
특수 송신기 설계를 통한 제거와 같은 유사한 접근 방식도 설계했습니다.
50:27
그리고 매우 간단한
50:32
디지털 영역 변환도 적용했습니다. 그건 시간 영역 뺄셈이에요.
50:38
그리고 저희는 조금 다른 것도 설계했어요.
50:44
50:44
송신 송신기처럼 분자 통신을 위한 파형 설계에 관한 연구 결과를 발표했습니다.
50:51
2002년쯤 IEEE 통신 트랜잭션(Transactions on Communications)에 게재했습니다.
50:57
그 무렵이었던 것 같은데, 그 논문을
51:02
이 질문을 하신 분과 공유할 수도 있습니다. 간단히 말해서, 저희는
51:09
분자 통신에 특화된 SIC 알고리즘을 설계했고,
51:14
반이중 분자 통신 대비 용량과 처리량을 거의 두 배로 늘렸습니다.
51:20
정말 좋은 질문이었습니다. 설명해주셔서 감사합니다.
51:27
다음 질문이 있습니다. 말씀하신 대로
51:34
분자 통신은 데이터 전송률이 상당히 낮다고 하는데,
51:39
현재 기술로는 어느 정도의 데이터 전송률을 예상하시나요?
51:46
그래서 제가 비디오 클립을 비활성화하는 것을 선호하는 이유입니다.
51:53
제가 설명드린 대로 저희가
51:59
약 7~8년 전에 처음 구현한 테스트베드는 초당 1비트 정도밖에 처리하지 못했습니다.
52:07
이는 통신에는 부족했지만, 건강 모니터링에는 충분했을 것입니다.
52:14
하지만 저희가 설계한 최첨단 기술을 활용하면
52:21
이제
초당 최대 10비트 정도까지 처리할 수 있을 것으로 생각합니다. 물론 거리에 따라 달라지겠지만요.
52:32
통신과는 달리, 거리는 매우 중요합니다. 왜냐하면 저희는 확산 메커니즘에 의존하기 때문입니다.
52:38
송신기와 수신기 사이의 적절한 거리 내에서는
52:44
초당 10비트를 달성할 수 있습니다.
52:50
이는 모니터링 정보를 전달하기에는 충분한 속도입니다.
52:57
하지만 더 효과적인 애플리케이션을 위해서는
53:04
초당 킬로비트 정도의 속도가 필요하다고 생각합니다. 그리고
53:09
저는 아마 2~3년 안에 그러한 성능을 달성할 수 있을 거라고 생각합니다. 그리고 아시다시피,
53:17
6G 이후의 기술은 2030년쯤 시작될 텐데, 그때쯤이면
53:25
특정 응용 분야에 필요한 기술들이 상당히 잘 준비되어 있을 거라고 생각합니다.
53:34
통찰력 있는 답변 감사합니다. 청중석에서 또 다른 질문이 있습니다.
53:41
이 개념이 언제 표준에 포함될 것으로 예상하십니까?
53:46
5G 스마트 팩토리와 같은 것인가요?
53:52
네, 놀랍게도 저는 이미 이 문제에 대한 표준화를 시작했습니다. 이름이 기억나는데,
54:04
표준 설계 트리플 E 1905였던 것 같습니다. 하지만 그들은
54:11
꽤 다른 전략을 가지고 있었지만, 나중에
54:16
3GBP 관계자들이 검토할 것입니다. 10년 정도 걸릴 것 같은데, 문제는
54:25
6G가 단지
54:30
기존의 고전적인 통신 목적에만 초점을 맞추도록 설계되었다면, 더 많은 요구 사항이 필요하다는 것입니다.
54:36
만약 6G가
54:43
다소 관습적이고 고전적인 통신 목적에만 초점을 맞춘다면, 이러한 분자 통신 개념이 필요하지 않을 수도 있습니다. 하지만 60년대, 혹은 그 이후 70년대에
54:52
통신 범위를 넓히고 싶어 한다면,
54:57
그리고 그들은 이러한 종류의 통신을 고려할 것이라고 생각합니다.
55:02
다소 황당한 아이디어일지 모르지만, 머지않아 현실이 될 것이라고 생각합니다.
55:10
정말 감사합니다. 마지막 질문 하나만 드리겠습니다. 이분은
55:15
당신의 작품에 대한 영감을 얻으려고 하는 것 같습니다.
55:20
어떻게 이런 독창적인 아이디어를 떠올리셨는지 자세히 설명해 주시겠습니까?
55:26
맞습니다. 이건 제 개인적인 이야기에 관한 거예요.
55:32
하지만 아시다시피, 제가 고국으로 돌아온 건
55:37
2011년이었는데, 벨라프스와 함께 일했어요. 벨라는
55:42
당시 무선 통신 분야에서 꽤 유명했죠. 제가 설계한 건
55:48
매시브 마이마 시스템이었고, 스모어와 네트워크 관련 작업도 했어요.
55:54
2011년에 저는 시간을 내서
56:02
한국에서 교수로서 무엇을 하고 싶은지 생각해 봤어요.
56:08
한국에는 통신 이론을 연구하는 교수님들이 꽤 많아서,
56:14
새로운 연구 과제를 통해 저만의 차별점을 만들고 싶었어요.
56:19
그래서 2011년에 두 가지 다른 연구를 시도했어요.
56:26
첫 번째는 실제 프로토타이핑에 관한 연구였어요. 이것이 바로 저희 연구팀이
56:33
5개의 네트워크와 6G까지 매우 간단한 테스트베드를 갖춘 이유입니다.
56:41
스펙트럼 하위 범주에서는 재구성 가능한 지능형 표면이라는 저희만의 독창적인 아이디어를 활용하고 있습니다.
56:46
이것은 다른 연구팀의 것과는 상당히 다른 수동적인 표면입니다. 두 번째 연구 방향은
56:54
더욱 영향력 있는, 더욱
57:00
새로운 것을 만들고 싶었습니다. 그래서 생물학과 화학 공학 분야의 기초 논문과 교과서를 읽으면서 이 주제에 대한 연구를 시작했습니다.
57:07
더욱 영향력 있는 연구를 하기 위해 위험을 감수했습니다.
57:13
당시에는 이 분야에 대한 논문을 많이 발표하지 못했지만,
57:19
훌륭한 동료들의 도움으로 마침내
57:27
정말 멋진 시스템을 설계했고,
57:34
현재 검토되고 있으며, 인정받고 있습니다.
57:34
현재 고려되고 있는 이 주제는 다른 교수님들과 연구원들에게도 인정받고 있습니다.
57:41
더 많은 국제 협력을 통해 더 큰 영향력을 발휘할 수 있기를 바랍니다.
57:47
질문에 대한 답변이 되었기를 바랍니다. 치 교수님, 정말 감사합니다.
57:52
6G 및 그 이후를 위한 생물학적 레이어에 대한 발표에 감사드립니다.
57:58
그리고 청중의 모든 질문에 답변해 주셔서 감사합니다. 참여해 주셔서 정말 감사합니다. 다시 한번 감사드립니다, 교수님.
58:05
경청해 주셔서 감사합니다.

[루시엘]

B6G란 beyond 5G 또는 6G를 의미합니다.