통신-감지 융합 (Integrated Sensing and Communications, ISAC)
1. 개요
통신-감지 융합(Integrated Sensing and Communications, ISAC)란 무선 통신 시스템의 신호와 하드웨어를 활용하여 데이터 전송(Communication)과 주변 환경 탐지(Sensing) 기능을 하나의 시스템으로 통합하는 차세대 무선 기술이다. 기존에는 통신을 위한 기지국과 레이더(Radar) 감지 시스템이 서로 다른 주파수 대역과 하드웨어를 사용하여 독립적으로 운영되었으나, ISAC은 이를 단일 플랫폼으로 통합함으로써 스펙트럼 효율성을 극대화하고 새로운 서비스 가능성을 제시하는 패러다임의 변화를 의미한다.
2. 등장 배경 및 필요성
6G(6세대 이동통신)로의 진화에 따라 통신 시스템은 더 넓은 대역폭을 확보하기 위해 밀리미터파(mmWave) 및 테라헤르츠(THz) 대역의 초고주파를 사용하게 되었다. 이러한 고주파 대역은 직진성이 강하고 회절성이 낮아 빔포밍(Beamforming, 특정 방향으로 전파를 집중시키는 기술)이 필수적인데, 이는 레이더가 사용하는 물리적 특성과 매우 유사하다.
또한, 자율주행 자동차, 스마트 시티, 산업용 로봇 등 미래 서비스에서는 고속 데이터 전송뿐만 아니라 주변 사물의 위치, 속도, 형상을 정밀하게 파악하는 감지 능력이 동시에 요구된다. 각각의 시스템을 별도로 구축할 경우 발생하는 하드웨어 비용 증가, 전력 소모 확대, 주파수 자원 낭비 문제를 해결하기 위해 ISAC의 도입이 필수적이다.
특히 ISAC은 단순한 자원 절약을 넘어 통신과 감지의 상호 이득(Mutual Benefit)을 제공한다. 예를 들어, 감지 기능을 통해 단말의 정확한 위치와 이동 경로를 미리 파악하면, 통신을 위한 빔 스캐닝 과정(Beam Sweeping)의 오버헤드를 획기적으로 줄여 통신 효율을 높일 수 있다. 반대로, 고도화된 통신 인프라와 네트워크 협력을 통해 단일 레이더로는 불가능했던 다각도 감지와 정밀한 환경 맵핑이 가능해진다.
[표 1] 기존 분리형 시스템 vs ISAC 통합형 시스템 비교
| 구분 |
분리형 시스템 (Separate) |
ISAC 통합형 시스템 (Integrated) |
| 하드웨어 |
통신용 RF 체인 + 레이더 RF 체인 별도 구성 |
단일 RF 체인 및 안테나 공유 |
| 주파수 자원 |
통신 대역과 레이더 대역이 엄격히 분리 |
동일 주파수 대역을 공유하여 사용 |
| 전력 효율 |
두 시스템의 개별 전력 소모 발생 |
통합 운용을 통한 전력 효율 향상 |
| 상호 간섭 |
주파수 인접 시 상호 간섭 발생 가능성 높음 |
통합 신호 설계를 통해 간섭 제어 가능 |
| 시스템 복잡도 |
물리적 설치 공간 및 관리 포인트 증가 |
하드웨어 단순화 및 통합 관리 가능 |
3. 핵심 동작 원리
ISAC의 핵심은 하나의 송신 신호(Waveform)가 두 가지 목적을 동시에 수행하는 것이다.
- 데이터 전송 (Communication): 송신단에서 변조된 신호를 전송하면 수신단(UE, User Equipment)이 이를 복조하여 정보를 획득한다.
- 환경 탐지 (Sensing): 송신된 신호가 주변의 물체나 지형에 부딪혀 반사되어 돌아오면(Echo), 송신단 혹은 별도의 수신단이 이 반사파를 분석한다.
신호 처리 과정
- 거리 측정 (Range): 송신 시점과 반사파 수신 시점 사이의 시간 차이(Time of Flight, ToF)를 측정하여 물체까지의 거리를 계산한다.
- 속도 측정 (Velocity): 도플러 효과(Doppler Effect, 움직이는 물체에 의해 주파수가 변하는 현상)를 분석하여 물체의 상대 속도를 측정한다.
- 각도 측정 (Angle): 다중 안테나 배열(Antenna Array)을 통해 수신되는 신호의 위상 차이를 분석하여 물체의 방향(AoA, Angle of Arrival)을 파악한다.
통합 수준 (Level of Integration)
ISAC의 구현 단계는 통합의 깊이에 따라 다음과 같이 세분화된다.
- 공동 설계 (Joint Design): 통신과 감지가 서로 다른 하드웨어를 사용하지만, 주파수나 시간 자원을 효율적으로 나누어 쓰도록 설계된 단계.
- 공유 하드웨어 (Shared HW): 안테나나 RF 프런트엔드 등 일부 물리적 하드웨어를 공유하여 크기와 비용을 줄인 단계.
- 완전 통합 (Fully Integrated): 단일 파형(Single Waveform)과 단일 하드웨어 체인으로 통신과 감지를 동시에 수행하는 최상위 통합 단계.
ISAC의 성능은 통신 효율과 감지 정밀도를 동시에 만족시키는 파형 설계에 달려 있다.
- 통신 중심 파형 (Communication-centric): [OFDM]과 같은 기존 통신 파형에 감지 기능을 추가하는 방식이다. 구현이 쉽지만, 레이더 관점에서는 피크-평균 전력비(PAPR)가 높아 효율이 떨어질 수 있다.
- 감지 중심 파형 (Sensing-centric): [FMCW]와 같은 레이더 파형에 데이터를 실어 보내는 방식이다. 거리/속도 측정 정밀도는 매우 높으나, 데이터 전송률(Data Rate)이 낮다는 단점이 있다.
- 통합 최적화 파형 (Joint Design): 통신과 감지의 요구사항을 수학적으로 최적화하여 새로운 파형을 설계하는 방식이다. 주로 [OTFS]와 같이 시간-주파수-도플러 영역을 동시에 고려하는 기술이 연구되고 있다.
[OTFS 개념도]
[시간-주파수 영역(TF Domain)] $\rightarrow$ [심볼 맵핑] $\rightarrow$ [지연-도플러 영역(DD Domain)] $\rightarrow$ [ISAC 송신 신호]
(설명: OTFS는 신호를 지연(Delay)과 도플러(Doppler) 영역에서 처리함으로써, 고속 이동 환경에서도 통신 안정성을 확보하고 레이더의 거리/속도 측정 정밀도를 극대화하는 구조를 가진다.)
5. 주요 구현 기술
5.1 빔포밍 최적화 및 간섭 제어
ISAC은 좁은 빔을 사용하는 빔포밍 기술을 활용한다. 통신 사용자를 향한 '통신 빔'과 주변 환경을 훑는 '감지 빔'을 동시에 생성해야 하며, 이 과정에서 발생하는 상호 간섭을 최소화하는 빔 패턴 설계가 핵심이다.
5.2 자원 할당 및 트레이드-오프(Trade-off) 해결
통신 성능(전송률)과 감지 성능(해상도)은 서로 상충 관계에 있다.
- 시간/주파수 분할: 특정 시간이나 주파수 슬롯을 통신과 감지에 나누어 할당하는 방식.
- 전력 분할: 송신 전력을 통신 빔과 감지 빔에 적절히 배분하여 최적의 성능 지점을 찾는 방식.
6. ISAC 성능 평가 지표 (KPI)
ISAC 시스템의 성능을 정량적으로 평가하기 위해 다음과 같은 핵심 성과 지표(KPI)가 사용된다.
| 지표 |
설명 |
단위 |
결정 요인 |
| 데이터 전송률 (Throughput) |
단위 시간당 전송되는 유효 데이터 양 |
bps, Gbps |
대역폭, SNR, 변조 방식 |
| 거리 해상도 (Range Resolution) |
인접한 두 물체를 구분할 수 있는 최소 거리 |
m |
신호 대역폭(Bandwidth)에 반비례 |
| 속도 해상도 (Velocity Resolution) |
인접한 두 물체의 속도 차이를 구분하는 능력 |
m/s |
관측 시간(Observation Time)에 반비례 |
| 각도 해상도 (Angular Resolution) |
서로 다른 방향의 물체를 구분하는 최소 각도 |
degree |
안테나 개수 및 배열 크기에 비례 |
| 탐지 확률 (Detection Probability) |
실제 물체가 있을 때 이를 정확히 탐지할 확률 |
% |
송신 전력, 수신 감도, 잡음 레벨 |
7. 주요 활용 분야 및 유즈케이스 (Use Cases)
7.1 V2X 기반 자율주행 및 교통 관제
- 사각지대 감지: 차량이 통신을 통해 주변 차량과 정보를 교환하는 동시에, ISAC을 통해 센서 사각지대의 보행자나 장애물을 레이더처럼 감지하여 사고를 예방한다.
- 정밀 도로 맵핑: 기지국과 차량이 협력하여 실시간 도로 상황(사고, 낙하물 등)을 감지하고 이를 디지털 맵에 즉시 반영한다.
7.2 드론 관제 및 보안
- 비인가 드론 탐지: 기지국이 통신 신호를 통해 드론의 위치를 실시간으로 추적하고, 비인가 드론의 침입을 감지하는 통합 관제 시스템을 구축한다.
- 저고도 공역 관리: 드론 간의 통신과 충돌 방지를 위한 감지를 동시에 수행하여 효율적인 공역 관리를 가능하게 한다.
7.3 스마트 홈 및 헬스케어
- 비접촉 재실 감지: 별도의 카메라 없이 무선 신호의 반사파만으로 실내 인원의 수, 위치를 파악한다.
- 생체 신호 모니터링: 미세한 흉부 움직임을 감지하여 호흡이나 심박수를 측정함으로써 노약자 케어 및 수면 분석 서비스에 활용한다.
8. 기술적 과제 및 향후 전망
8.1 기술적 과제
- 하드웨어 복잡도: 고해상도 감지를 위해 필요한 [Massive MIMO] 안테나 배열과 이를 처리하기 위한 연산량 증가 문제가 있다.
- 보안 및 프라이버시: 통신 신호로 주변 환경을 감지할 수 있다는 점은 역으로 타인의 위치나 행동이 무단으로 수집될 수 있는 프라이버시 침해 문제를 야기한다.
- 클러터(Clutter) 제거: 벽면이나 가구 등 불필요한 반사파(클러터) 속에서 실제 목표물을 정확히 찾아내는 신호 처리 알고리즘의 고도화가 필요하다.
8.2 표준화 동향 및 전망
현재 3GPP(3rd Generation Partnership Project)에서는 6G 표준화를 준비하며 ISAC의 개념적 정의와 요구사항을 논의하고 있다. 특히 Release 18 이후부터는 'Network-as-a-Sensor' 개념을 도입하여, 기지국 네트워크 자체가 거대한 센서 역할을 수행하는 아키텍처를 설계 중이다.
향후 ISAC은 단순한 기능 통합을 넘어, AI/ML(인공지능/머신러닝)과 결합하여 주변 환경을 스스로 학습하고 최적의 빔을 형성하는 '지능형 무선 환경'으로 발전할 것으로 전망된다.
부록: 용어 사전 (Glossary)
- OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing): 직교 주파수 분할 다중화. 데이터를 여러 개의 직교하는 부반송파에 나누어 전송하는 통신 방식.
- FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave): 주파수 변조 연속파. 시간에 따라 주파수를 변화시켜 송신하고 반사파와의 차이를 통해 거리를 측정하는 레이더 방식.
- OTFS (Orthogonal Time Frequency Space): 직교 시간 주파수 공간. 시간-주파수 영역이 아닌 지연-도플러 영역에서 신호를 처리하여 고속 이동 환경에 최적화된 파형.
- Massive MIMO (Massive Multiple-Input Multiple-Output): 대규모 다중 입출력. 수십 개 이상의 안테나를 사용하여 전송 용량을 늘리고 빔포밍 정밀도를 높이는 기술.
# 통신-감지 융합 (Integrated Sensing and Communications, ISAC)
## 1. 개요
**통신-감지 융합(Integrated Sensing and Communications, ISAC)**란 무선 통신 시스템의 신호와 하드웨어를 활용하여 데이터 전송(Communication)과 주변 환경 탐지(Sensing) 기능을 하나의 시스템으로 통합하는 차세대 무선 기술이다. 기존에는 통신을 위한 기지국과 레이더(Radar) 감지 시스템이 서로 다른 주파수 대역과 하드웨어를 사용하여 독립적으로 운영되었으나, ISAC은 이를 단일 플랫폼으로 통합함으로써 스펙트럼 효율성을 극대화하고 새로운 서비스 가능성을 제시하는 패러다임의 변화를 의미한다.
## 2. 등장 배경 및 필요성
6G(6세대 이동통신)로의 진화에 따라 통신 시스템은 더 넓은 대역폭을 확보하기 위해 밀리미터파(mmWave) 및 테라헤르츠(THz) 대역의 초고주파를 사용하게 되었다. 이러한 고주파 대역은 직진성이 강하고 회절성이 낮아 빔포밍(Beamforming, 특정 방향으로 전파를 집중시키는 기술)이 필수적인데, 이는 레이더가 사용하는 물리적 특성과 매우 유사하다.
또한, 자율주행 자동차, 스마트 시티, 산업용 로봇 등 미래 서비스에서는 고속 데이터 전송뿐만 아니라 주변 사물의 위치, 속도, 형상을 정밀하게 파악하는 감지 능력이 동시에 요구된다. 각각의 시스템을 별도로 구축할 경우 발생하는 하드웨어 비용 증가, 전력 소모 확대, 주파수 자원 낭비 문제를 해결하기 위해 ISAC의 도입이 필수적이다.
특히 ISAC은 단순한 자원 절약을 넘어 **통신과 감지의 상호 이득(Mutual Benefit)**을 제공한다. 예를 들어, 감지 기능을 통해 단말의 정확한 위치와 이동 경로를 미리 파악하면, 통신을 위한 빔 스캐닝 과정(Beam Sweeping)의 오버헤드를 획기적으로 줄여 통신 효율을 높일 수 있다. 반대로, 고도화된 통신 인프라와 네트워크 협력을 통해 단일 레이더로는 불가능했던 다각도 감지와 정밀한 환경 맵핑이 가능해진다.
### [표 1] 기존 분리형 시스템 vs ISAC 통합형 시스템 비교
| 구분 | 분리형 시스템 (Separate) | ISAC 통합형 시스템 (Integrated) |
| :--- | :--- | :--- |
| **하드웨어** | 통신용 RF 체인 + 레이더 RF 체인 별도 구성 | 단일 RF 체인 및 안테나 공유 |
| **주파수 자원** | 통신 대역과 레이더 대역이 엄격히 분리 | 동일 주파수 대역을 공유하여 사용 |
| **전력 효율** | 두 시스템의 개별 전력 소모 발생 | 통합 운용을 통한 전력 효율 향상 |
| **상호 간섭** | 주파수 인접 시 상호 간섭 발생 가능성 높음 | 통합 신호 설계를 통해 간섭 제어 가능 |
| **시스템 복잡도** | 물리적 설치 공간 및 관리 포인트 증가 | 하드웨어 단순화 및 통합 관리 가능 |
## 3. 핵심 동작 원리
ISAC의 핵심은 하나의 송신 신호(Waveform)가 두 가지 목적을 동시에 수행하는 것이다.
1. **데이터 전송 (Communication):** 송신단에서 변조된 신호를 전송하면 수신단(UE, User Equipment)이 이를 복조하여 정보를 획득한다.
2. **환경 탐지 (Sensing):** 송신된 신호가 주변의 물체나 지형에 부딪혀 반사되어 돌아오면(Echo), 송신단 혹은 별도의 수신단이 이 반사파를 분석한다.
### 신호 처리 과정
- **거리 측정 (Range):** 송신 시점과 반사파 수신 시점 사이의 시간 차이(Time of Flight, ToF)를 측정하여 물체까지의 거리를 계산한다.
- **속도 측정 (Velocity):** 도플러 효과(Doppler Effect, 움직이는 물체에 의해 주파수가 변하는 현상)를 분석하여 물체의 상대 속도를 측정한다.
- **각도 측정 (Angle):** 다중 안테나 배열(Antenna Array)을 통해 수신되는 신호의 위상 차이를 분석하여 물체의 방향(AoA, Angle of Arrival)을 파악한다.
### 통합 수준 (Level of Integration)
ISAC의 구현 단계는 통합의 깊이에 따라 다음과 같이 세분화된다.
- **공동 설계 (Joint Design):** 통신과 감지가 서로 다른 하드웨어를 사용하지만, 주파수나 시간 자원을 효율적으로 나누어 쓰도록 설계된 단계.
- **공유 하드웨어 (Shared HW):** 안테나나 RF 프런트엔드 등 일부 물리적 하드웨어를 공유하여 크기와 비용을 줄인 단계.
- **완전 통합 (Fully Integrated):** 단일 파형(Single Waveform)과 단일 하드웨어 체인으로 통신과 감지를 동시에 수행하는 최상위 통합 단계.
## 4. 파형 설계 (Waveform Design)
ISAC의 성능은 통신 효율과 감지 정밀도를 동시에 만족시키는 파형 설계에 달려 있다.
- **통신 중심 파형 (Communication-centric):** [[OFDM]](Orthogonal Frequency Division Multiplexing)과 같은 기존 통신 파형에 감지 기능을 추가하는 방식이다. 구현이 쉽지만, 레이더 관점에서는 피크-평균 전력비(PAPR)가 높아 효율이 떨어질 수 있다.
- **감지 중심 파형 (Sensing-centric):** [[FMCW]](Frequency Modulated Continuous Wave)와 같은 레이더 파형에 데이터를 실어 보내는 방식이다. 거리/속도 측정 정밀도는 매우 높으나, 데이터 전송률(Data Rate)이 낮다는 단점이 있다.
- **통합 최적화 파형 (Joint Design):** 통신과 감지의 요구사항을 수학적으로 최적화하여 새로운 파형을 설계하는 방식이다. 주로 [[OTFS]](Orthogonal Time Frequency Space)와 같이 시간-주파수-도플러 영역을 동시에 고려하는 기술이 연구되고 있다.
**[OTFS 개념도]**
`[시간-주파수 영역(TF Domain)]` $\rightarrow$ `[심볼 맵핑]` $\rightarrow$ `[지연-도플러 영역(DD Domain)]` $\rightarrow$ `[ISAC 송신 신호]`
*(설명: OTFS는 신호를 지연(Delay)과 도플러(Doppler) 영역에서 처리함으로써, 고속 이동 환경에서도 통신 안정성을 확보하고 레이더의 거리/속도 측정 정밀도를 극대화하는 구조를 가진다.)*
## 5. 주요 구현 기술
### 5.1 빔포밍 최적화 및 간섭 제어
ISAC은 좁은 빔을 사용하는 빔포밍 기술을 활용한다. 통신 사용자를 향한 '통신 빔'과 주변 환경을 훑는 '감지 빔'을 동시에 생성해야 하며, 이 과정에서 발생하는 상호 간섭을 최소화하는 빔 패턴 설계가 핵심이다.
### 5.2 자원 할당 및 트레이드-오프(Trade-off) 해결
통신 성능(전송률)과 감지 성능(해상도)은 서로 상충 관계에 있다.
- **시간/주파수 분할:** 특정 시간이나 주파수 슬롯을 통신과 감지에 나누어 할당하는 방식.
- **전력 분할:** 송신 전력을 통신 빔과 감지 빔에 적절히 배분하여 최적의 성능 지점을 찾는 방식.
## 6. ISAC 성능 평가 지표 (KPI)
ISAC 시스템의 성능을 정량적으로 평가하기 위해 다음과 같은 핵심 성과 지표(KPI)가 사용된다.
| 지표 | 설명 | 단위 | 결정 요인 |
| :--- | :--- | :--- | :--- |
| **데이터 전송률 (Throughput)** | 단위 시간당 전송되는 유효 데이터 양 | bps, Gbps | 대역폭, SNR, 변조 방식 |
| **거리 해상도 (Range Resolution)** | 인접한 두 물체를 구분할 수 있는 최소 거리 | m | 신호 대역폭(Bandwidth)에 반비례 |
| **속도 해상도 (Velocity Resolution)** | 인접한 두 물체의 속도 차이를 구분하는 능력 | m/s | 관측 시간(Observation Time)에 반비례 |
| **각도 해상도 (Angular Resolution)** | 서로 다른 방향의 물체를 구분하는 최소 각도 | degree | 안테나 개수 및 배열 크기에 비례 |
| **탐지 확률 (Detection Probability)** | 실제 물체가 있을 때 이를 정확히 탐지할 확률 | % | 송신 전력, 수신 감도, 잡음 레벨 |
## 7. 주요 활용 분야 및 유즈케이스 (Use Cases)
### 7.1 V2X 기반 자율주행 및 교통 관제
- **사각지대 감지:** 차량이 통신을 통해 주변 차량과 정보를 교환하는 동시에, ISAC을 통해 센서 사각지대의 보행자나 장애물을 레이더처럼 감지하여 사고를 예방한다.
- **정밀 도로 맵핑:** 기지국과 차량이 협력하여 실시간 도로 상황(사고, 낙하물 등)을 감지하고 이를 디지털 맵에 즉시 반영한다.
### 7.2 드론 관제 및 보안
- **비인가 드론 탐지:** 기지국이 통신 신호를 통해 드론의 위치를 실시간으로 추적하고, 비인가 드론의 침입을 감지하는 통합 관제 시스템을 구축한다.
- **저고도 공역 관리:** 드론 간의 통신과 충돌 방지를 위한 감지를 동시에 수행하여 효율적인 공역 관리를 가능하게 한다.
### 7.3 스마트 홈 및 헬스케어
- **비접촉 재실 감지:** 별도의 카메라 없이 무선 신호의 반사파만으로 실내 인원의 수, 위치를 파악한다.
- **생체 신호 모니터링:** 미세한 흉부 움직임을 감지하여 호흡이나 심박수를 측정함으로써 노약자 케어 및 수면 분석 서비스에 활용한다.
## 8. 기술적 과제 및 향후 전망
### 8.1 기술적 과제
- **하드웨어 복잡도:** 고해상도 감지를 위해 필요한 [[Massive MIMO]](대규모 다중 입출력) 안테나 배열과 이를 처리하기 위한 연산량 증가 문제가 있다.
- **보안 및 프라이버시:** 통신 신호로 주변 환경을 감지할 수 있다는 점은 역으로 타인의 위치나 행동이 무단으로 수집될 수 있는 프라이버시 침해 문제를 야기한다.
- **클러터(Clutter) 제거:** 벽면이나 가구 등 불필요한 반사파(클러터) 속에서 실제 목표물을 정확히 찾아내는 신호 처리 알고리즘의 고도화가 필요하다.
### 8.2 표준화 동향 및 전망
현재 **3GPP(3rd Generation Partnership Project)**에서는 6G 표준화를 준비하며 ISAC의 개념적 정의와 요구사항을 논의하고 있다. 특히 Release 18 이후부터는 'Network-as-a-Sensor' 개념을 도입하여, 기지국 네트워크 자체가 거대한 센서 역할을 수행하는 아키텍처를 설계 중이다.
향후 ISAC은 단순한 기능 통합을 넘어, AI/ML(인공지능/머신러닝)과 결합하여 주변 환경을 스스로 학습하고 최적의 빔을 형성하는 '지능형 무선 환경'으로 발전할 것으로 전망된다.
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## 부록: 용어 사전 (Glossary)
- **OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing):** 직교 주파수 분할 다중화. 데이터를 여러 개의 직교하는 부반송파에 나누어 전송하는 통신 방식.
- **FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave):** 주파수 변조 연속파. 시간에 따라 주파수를 변화시켜 송신하고 반사파와의 차이를 통해 거리를 측정하는 레이더 방식.
- **OTFS (Orthogonal Time Frequency Space):** 직교 시간 주파수 공간. 시간-주파수 영역이 아닌 지연-도플러 영역에서 신호를 처리하여 고속 이동 환경에 최적화된 파형.
- **Massive MIMO (Massive Multiple-Input Multiple-Output):** 대규모 다중 입출력. 수십 개 이상의 안테나를 사용하여 전송 용량을 늘리고 빔포밍 정밀도를 높이는 기술.