D2D

D2D 통신은 크게 두 가지 주요 방식으로 구분된다. 하나는 기기 간 직접 무선 링크를 통해 데이터를 교환하는 인프라스트럭처 독립형 방식이고, 다른 하나는 네트워크의 제어를 일부 받으면서 직접 통신하는 인프라스트럭처 지원형 방식이다.

인프라스트럭처 독립형 방식은 기지국이나 액세스 포인트 같은 네트워크 인프라 없이 기기들이 자율적으로 직접 통신 채널을 설정하고 데이터를 전송한다. 이 방식은 재난 상황에서 기존 통신망이 마비되었을 때, 또는 네트워크 커버리지 범위를 벗어난 지역에서의 통신에 유용하다. Wi-Fi Direct나 특정 애드혹 네트워크가 이 범주에 속한다.

반면, 인프라스트럭처 지원형 방식은 셀룰러 네트워크의 제어 하에 이루어진다. 네트워크가 기기들의 발견, 연결 설정, 무선 자원 할당 및 보안을 관리하여 통신의 효율성과 신뢰성을 높인다. 이 방식은 네트워크 부하 분산, 통신 품질 보장, 그리고 광범위한 서비스 연동에 적합하다. 3GPP 표준화 기구에서 정의한 ProSe가 대표적인 예이다.

D2D 통신에서 기기 간의 연결은 크게 발견 단계와 연결 설정 단계로 나뉜다. 발견 단계는 통신 가능한 상대 기기를 찾는 과정이며, 연결 설정 단계는 발견된 기기와 실제 데이터 통신 채널을 구축하는 과정이다.

발견 프로세스는 네트워크 지원 여부에 따라 크게 두 가지 방식으로 운영된다. 네트워크 지원 발견은 기지국이나 네트워크 인프라가 발견 과정을 중재하고 제어한다. 기기들은 자신의 존재와 서비스를 네트워크에 등록하며, 네트워크는 다른 기기의 발견 요청에 대해 적절한 대상 기기의 정보를 제공한다. 이 방식은 에너지 효율이 높고 광범위한 영역에서의 발견이 가능하다는 장점이 있다. 반면, 네트워크 독립 발견은 기기들이 Wi-Fi Direct나 Bluetooth의 광고 패킷과 같이 사전에 정의된 신호를 주기적으로 브로드캐스팅하고 스캔하여 직접 서로를 찾는다. 이 방식은 네트워크 인프라가 없는 상황에서도 작동 가능하다.

발견이 완료되면, 기기들은 상호 인증 및 보안 매개변수 협상을 거쳐 연결을 설정한다. 일반적인 연결 설정 프로세스는 다음 단계를 따른다.

이 과정은 사용되는 기술(3GPP 기반 ProSe 또는 Wi-Fi Alliance의 Wi-Fi Direct 등)에 따라 세부적인 차이가 있을 수 있다. 최근 표준에서는 발견 프로세스의 에너지 소모를 줄이고 연결 설정 시간을 단축시키는 효율적인 방법들이 지속적으로 개발되고 있다.

D2D 통신을 구현하는 데 사용되는 주요 프로토콜은 3GPP의 ProSe, Wi-Fi Alliance의 Wi-Fi Direct, 그리고 Bluetooth SIG의 Bluetooth 기술이 있습니다. 각 프로토콜은 서로 다른 주파수 대역, 통신 거리, 데이터 전송률, 그리고 적용 시나리오에 최적화되어 있습니다.

3GPP ProSe는 특히 공공안전과 차량 통신(V2X) 분야에서 표준화가 활발히 진행되었습니다. LTE 기반의 ProSe는 기지국의 제어 하에 또는 독립적으로 단말 간 직접 통신을 가능하게 합니다. 5G NR에서는 더욱 낮은 지연과 높은 신뢰성을 요구하는 URLLC 서비스를 지원하기 위한 D2D 기능이 진화하고 있습니다. Wi-Fi Direct는 기존의 Wi-Fi 장치가 액세스 포인트 없이도 직접 연결할 수 있도록 합니다. 이는 고대역폭이 필요한 응용 프로그램에 적합합니다. Bluetooth 기술, 특히 저전력 버전인 BLE는 소형 IoT 센서와 웨어러블 기기 간의 에너지 효율적인 D2D 연결을 주도합니다.

D2D 기술은 기존 셀룰러 네트워크 인프라에 의존하지 않고도 직접 통신이 가능하기 때문에, 통신 기반 시설이 손상되거나 취약한 상황에서도 안정적인 통신망을 구축할 수 있다는 점에서 공공안전 통신 분야에 매우 적합한 기술로 평가받는다. 재난이나 긴급 상황 시 기지국이 마비되더라도, 현장에 있는 응급 구조대원, 경찰관, 소방관 등의 장비가 직접적으로 데이터와 음성을 교환할 수 있어 신속한 상황 공유와 협업이 가능해진다.

이 기술은 특히 긴급 상황에서의 음성 통신과 위치 추적, 센서 데이터 수집 등에 활용된다. 예를 들어, 건물 내부나 지하와 같이 전파 수신이 어려운 환경에서도 구조대원 간 직접 통신이 가능하며, GPS 신호가 약한 실내에서도 상대방의 상대적 위치를 파악하는 데 도움을 줄 수 있다. 또한, 재난 현장에 배치된 다양한 IoT 센서들이 D2D 망을 통해 수집한 환경 정보(온도, 유독 가스 농도 등)를 직접 중계하여, 현장 지휘본부의 의사결정을 지원하는 데 기여한다.

국제 표준화 기구인 3GPP는 LTE 기반의 공공안전용 D2D 기술을 ProSe라는 이름으로 표준화하여, 상호운용성을 보장하고 있다. 이는 서로 다른 제조사의 장비 간에도 직접 통신이 가능하도록 하여, 공공안전 기관의 장비 도입과 운용의 유연성을 높이는 데 기여한다.

스마트폰에서의 D2D 통신은 주로 Wi-Fi Direct와 블루투스 기술을 기반으로 구현된다. 이는 기존의 인프라스트럭처 모드(AP를 통한 통신) 없이도 스마트폰 간에 파일 전송, 멀티플레이어 게임, 콘텐츠 공유 등을 가능하게 한다. 예를 들어, 삼성의 S 빔이나 애플의 에어드롭과 같은 기능은 D2D 통신 원리를 활용한 대표적인 서비스이다. 이러한 근거리 통신은 데이터 사용량을 절감하고, 네트워크가 불안정한 환경에서도 빠른 전송 속도를 제공한다.

사물인터넷 환경에서 D2D는 더욱 중요한 역할을 한다. 수많은 IoT 센서와 기기들이 중앙 집중식 게이트웨이를 거치지 않고 직접 데이터를 교환함으로써 네트워크 부하를 분산시키고 응답 시간을 단축할 수 있다. 스마트 홈에서 조명, 난방, 보안 기기들이 서로 통신하거나, 공장 내 산업용 로봇과 센서들이 협업하는 경우에 적용된다. 특히 모바일 에지 컴퓨팅과 결합될 경우, 데이터 처리를 네트워크 에지에서 직접 수행하여 실시간성과 효율성을 극대화할 수 있다.

이러한 적용은 셀룰러 네트워크의 트래픽을 줄이고, 기기의 배터리 수명을 연장하며, 보다 견고하고 분산된 네트워크 아키텍처를 구축하는 데 기여한다.

차량 간 통신(V2V)은 D2D 기술의 핵심 응용 분야 중 하나로, 도로 위 주행 중인 차량들이 기지국이나 네트워크 인프라를 거치지 않고 직접 무선 통신을 주고받는 시스템을 의미한다. 이 기술은 주로 안전성 향상을 목표로 하며, 자율주행차의 발전에 필수적인 요소로 간주된다.

V2V 통신을 통해 차량은 자신의 위치, 속도, 가속도, 진행 방향, 제동 상태 등의 정보를 주변 차량과 실시간으로 교환한다. 이를 통해 운전자나 차량의 자율 주행 시스템은 눈에 보이지 않는 교차로나 장애물 뒤에 있는 위험 요소를 미리 감지하고 대응할 수 있다. 예를 들어, 전방 차량의 급제동 정보가 후방 차량에 즉시 전달되어 추돌 사고를 예방하거나, 교차로에서 접근하는 다른 차량의 존재를 알려 충돌 가능성을 줄이는 데 활용된다.

주요 통신 표준으로는 IEEE 802.11p 기반의 WAVE(Wireless Access in Vehicular Environments) 프로토콜이 널리 사용된다. 이는 기존 Wi-Fi 표준을 차량 환경에 맞게 변형한 것으로, 고속으로 이동하는 차량 간에 짧은 지연 시간으로 신뢰성 있는 통신을 가능하게 한다. 또한, 5G NR(New Radio)의 일부로 정의된 C-V2X(Cellular V2X)도 점차 확대 적용되고 있으며, 이는 기존 이동통신 네트워크와의 연계성을 강점으로 가진다.

이 기술의 효과적인 구현을 위해서는 높은 차량 보급률이 필요하며, 메시지의 신뢰성과 매우 짧은 대기 시간이 필수적이다. 또한, 사이버 보안 위협으로부터 통신을 보호하고 운전자의 프라이버시를 보장하는 것도 중요한 과제로 남아 있다.

3GPP ProSe(Proximity Services, 근접 서비스)는 셀룰러 네트워크 인프라를 활용하거나 우회하여 근거리에 있는 장치 간에 직접 통신을 가능하게 하는 표준 기술이다. 이 표준은 주로 LTE와 5G NR 망에서 정의되었으며, 공공안전, 상업적 서비스, 장치 간 발견 등 다양한 용도로 사용된다.

ProSe는 크게 두 가지 주요 운영 모드를 지원한다. 첫째는 인프라 지원 모드로, 기지국과 같은 네트워크 인프라의 제어 하에 장치의 발견과 통신이 이루어진다. 둘째는 인프라 독립 모드로, 네트워크 커버리지 범위를 벗어난 상황에서도 장치들이 서로를 직접 발견하고 통신할 수 있다. 이 모드는 재난 시 네트워크 인프라가 마비된 상황에서의 통신을 보장하는 데 특히 중요하다[3].

ProSe의 주요 기능은 다음과 같이 표로 정리할 수 있다.

이 기술은 공공안전망(PS-LTE), 대규모 콘서트장에서의 고밀도 통신, 차량 간 통신(V2X) 등에 적용된다. 3GPP 표준은 Release 12에서 처음 도입된 이후 지속적으로 진화하여, Release 17에서는 5G 시스템과의 통합 및 향상된 기능을 포함하고 있다.

Wi-Fi Direct는 Wi-Fi Alliance가 2010년에 인증한 표준 기술로, 기존의 와이파이 인프라(예: 무선 액세스 포인트나 라우터) 없이도 두 대 이상의 Wi-Fi 지원 장치가 서로 직접 연결하여 데이터를 교환할 수 있게 해준다. 이 기술은 기존의 Wi-Fi 표준(IEEE 802.11)을 기반으로 하여, 장치가 소프트 액세스 포인트 역할을 할 수 있는 기능을 추가한 것이다. 따라서 별도의 중간 장치 없이도 파일 전송, 화면 미러링, 멀티플레이어 게임 등의 피어 투 피어 통신이 가능해진다.

연결 과정은 일반적으로 한 장치가 연결 가능 상태가 되면, 다른 장치가 이를 발견하고 연결 요청을 보내는 방식으로 이루어진다. 사용자는 장치의 설정 메뉴를 통해 Wi-Fi Direct 기능을 활성화하고, 검색된 주변 장치 목록에서 연결할 상대를 선택하여 연결을 수립한다. 연결 수립 시 WPA2 보안 프로토콜을 사용한 암호화가 자동으로 적용되어 보안 통신 채널이 형성된다[4]. 최대 데이터 전송 속도는 사용하는 Wi-Fi 표준(예: 802.11n, 802.11ac)에 따라 달라지며, 일반적으로 기존 Wi-Fi 네트워크와 유사한 수준의 성능을 제공한다.

Wi-Fi Direct는 다양한 응용 분야에서 널리 사용된다. 대표적으로 스마트폰과 스마트 TV 간의 화면 공유(미라캐스트 기술의 기반 중 하나), 프린터와의 무선 인쇄, 카메라와 태블릿 간의 고화질 사진 전송, 그리고 스피커나 헤드폰과의 오디오 스트리밍 등이 있다. 또한, 여러 대의 장치를 하나의 그룹으로 연결하여 로컬 네트워크 게임이나 파일 공유를 할 수도 있다. 블루투스 기술에 비해 상대적으로 더 먼 거리(최대 약 200미터)와 더 빠른 속도로 대용량 데이터를 전송할 수 있는 장점이 있어, 근거리 고속 통신이 필요한 시나리오에 적합하다.

블루투스 기술은 특히 저전력 블루투스(Bluetooth Low Energy, BLE)의 등장 이후 D2D 통신의 중요한 구현 방식 중 하나가 되었다. 기존의 클래식 블루투스에 비해 BLE는 연결 설정 시간이 짧고, 배터리 소모가 극히 적어 사물인터넷 센서, 웨어러블 기기, 비콘 등에 널리 채택되었다. 이러한 특성은 근거리에서 기기 간에 소량의 데이터를 간헐적으로 교환해야 하는 많은 D2D 시나리오에 적합하다.

블루투스를 이용한 D2D 통신은 일반적으로 페어링 과정을 거친 후 점대점(Point-to-Point) 또는 스캐터넷(Scatternet) 형태로 이루어진다. BLE 4.2 이상부터는 보안 연결이 강화되었고, BLE 5.0에서는 광고 확장 기능을 통해 더 많은 데이터를 담은 신호를 브로드캐스트할 수 있게 되어, 위치 기반 서비스나 주변 기기 발견에 유리해졌다. 애플의 AirDrop이나 삼성전자의 Quick Share와 같은 파일 공유 서비스의 일부 구현에도 블루투스가 기기 발견 과정에서 활용된다[5].

다음은 주요 블루투스 버전별 D2D 통신 관련 특징을 비교한 표이다.

블루투스 기반 D2D의 한계는 일반적으로 통신 범위가 짧고(수십 미터 내외), 데이터 전송 속도가 Wi-Fi Direct에 비해 상대적으로 낮다는 점이다. 따라서 대용량 파일 전송이나 실시간 고화질 미디어 스트리밍보다는, 명령 제어, 상태 동기화, 소형 파일 공유, 위치 인식 서비스 등에 더 특화되어 있다.

D2D 통신은 기존 셀룰러 네트워크 인프라를 경유하지 않고 단말기 간에 직접 데이터를 교환하기 때문에 여러 가지 장점을 제공한다.

가장 큰 장점은 네트워크 부하 감소와 전송 효율성 향상이다. 음악이나 동영상 파일 공유, 게임 데이터 교환과 같은 트래픽이 기지국을 거치지 않고 단말 간에 직접 전송되므로, 핵심 네트워크의 혼잡이 완화되고 전체 시스템 용량이 증가한다. 또한, 특히 단말 간 거리가 가까울 경우 직접 통신 경로가 더 짧아 전송 지연이 줄어들고 데이터 전송률이 향상된다.

또 다른 핵심 장점은 네트워크 커버리지 확장과 통신 신뢰성 향상이다. 기지국 커버리지 가장자리나 커버리지 구멍 지역에 있는 단말도 다른 단말을 중계기로 활용하여 네트워크에 접속할 수 있다[6]. 재난이나 네트워크 장애 시 기지국 인프라가 마비되어도 D2D 링크를 통해 긴급 통신을 유지할 수 있어 공공안전 통신에 매우 유용하다.

마지막으로, 직접 통신은 일반적으로 더 낮은 전송 전력을 요구한다. 기지국까지의 긴 거리를 커버하기 위한 높은 출력이 필요 없기 때문에 단말의 배터리 수명을 연장할 수 있으며, 주변 장치에 대한 전자기 간섭을 줄이는 효과도 기대할 수 있다.

D2D 통신은 기존 인프라에 의존하지 않는다는 장점에도 불구하고 여러 기술적 도전과제를 안고 있다. 기술적 한계로는 통신 거리의 제약이 가장 두드러진다. 일반적으로 사용되는 Wi-Fi Direct나 블루투스와 같은 무선 기술은 짧은 거리(수십 미터 내외)에서만 효과적으로 동작한다. 또한, 기기 간 직접 연결 시 발생할 수 있는 간섭, 특히 기존 셀룰러 네트워크와의 주파수 간섭을 효율적으로 관리하는 것은 복잡한 문제이다. 다수의 기기가 동시에 D2D 연결을 시도할 때 네트워크 혼잡과 연결 불안정성이 발생할 수 있으며, 이동 중인 기기 간 연결을 유지하는 것도 기술적 난제이다.

상업적 및 생태계 측면의 한계도 존재한다. 가장 큰 장벽은 기기 제조사와 이동통신사 간의 이해 관계 충돌이다. 이동통신사는 D2D 통신이 기존 요금 수익 모델을 훼손할 수 있다고 우려한다. 또한, 서로 다른 제조사의 기기 간에 원활한 상호운용성을 보장하는 표준화와 규제가 아직 완벽하게 정립되지 않았다. 사용자에게 명확한 가치 제안을 전달하는 것도 과제이다. 대부분의 소비자는 기존에 잘 작동하는 인프라스트럭처 모드에 익숙해져 있어, D2D 모드의 필요성과 편의성을 직접 체감하기 어렵다.

이러한 한계는 표준화와 시장 수용 속도에 영향을 미친다. 3GPP의 ProSe와 같은 표준은 4G LTE와 5G 네트워크에 점진적으로 도입되고 있지만, 상용 서비스로의 광범위한 배포는 더딘 편이다. 결국, D2D 기술의 성공은 기술적 완성도뿐만 아니라, 이동통신사, 단말기 제조사, 애플리케이션 개발자 등 모든 이해관계자를 포괄하는 지속 가능한 비즈니스 모델의 정립에 달려 있다.