이동통신 기반 IoT 기술 동향

초기 이동통신은 사람들이 사용하는 휴대폰 기반의 음성 통신 및 인터넷 사용용으로 주로 활용되었습니다. 그러나, IoT(Internet of Things)의 확산으로 사물 간 통신이 활성화 되면서 이동통신을 통한 IoT 서비스 제공도 증가되고 있습니다. 이동통신 기반의 IoT 기술은 4G LTE 부터 본격적으로 확산되기 시작했으며, 5G에서는 새로운 기술로 발전되고 있습니다. 본고에서는 이동통신에서 제공하는 4G LTE 및 5G 기반의 IoT 기술 동향 및 향 후 발전 방향에 대해 설명 드리겠습니다.
 

이동통신 기반 IoT 기술 동향

 

개요

이동통신 기술은 주로 빠른 속도를 제공하기 위한 광대역 기술 위주로 발전되었으나, 사물 간의 통신이 요구되면서 고속 서비스 외에 수많은 단말의 연결도 요구하게 되었습니다. 이러한 사물인터넷(Internet of Things, IoT)을 제공하기 위해 이동통신에서는 MTC(Machine Time Communication), M2M(Machine to Machine)과 같은 이름으로 발전되었습니다. 초기 이동통신 기반의 사물인터넷은 일반 휴대폰과 같은 광대역 서비스 기술을 기반으로 광대역 IoT(Broadband IoT)로 발전되었으나, 단말 간의 연결들이 급증하면서 고속보다는 저속의 수많은 기기들이 연결되는 매시브 IoT(Massive IoT)에 대한 요구가 증가하고 있습니다. 이러한 요구사항을 만족하는 massive IoT 서비스를 제공하기 위해서 LPWA(Low Power Wide Area) 기술이 나타나게 되었습니다. LPWA 기술로 4G LTE에서는 LTE Cat.M1, NB-IoT(Narrow Band IoT) 등의 기술들이 제공되었습니다. 5G에서 IoT를 위한 기술은 RedCap(Reduced Capability) 과 Ambient IoT 등의 기술로 발전되고 있습니다. 이러한 이동통신 기반 기술은 아래 그림과 같이 일반 스마트폰 수량을 넘어서 주요 서비스로 자리잡고 있습니다.

기술별 IoT 모듈 수요 예상 곡선, 출처:카운터포인트리서치 Global Cellular Module Forecast 보고서

 
 

1. 4G LTE IoT 기술

기존 2G, 3G 대비 4G LTE의 획기적인 변화는 고속의 인터넷 서비스 제공이었습니다. 이 외에 IoT가 활성화되면서 MTC, M2M 등의 이름으로 IoT 서비스를 제공하기 시작하였습니다. 초기에는 LTE Cat.4 또는 그 이상의 광대역 IoT 기술과 같이 발전되었으나, IoT의 요구사항이 증가하면서 LPWA(Low Power Wide Area) 기술에 대한 요구가 나오게 되었습니다. 이를 제공하기 위해 3GPP 에서는 새로운 규격인 LTE Cat.M 과 NB-IoT에 대한 표준화가 진행되었고 사업화 되었습니다.
 
NB-IoT는 면허 대역에서 제공하는 대표적인 소물인터넷 서비스로 이동성이 거의 없고 시간 지연에 민감하지 않은 스몰 데이터를 전송하는 협대혁 무선 전송 기술입니다. NB-IoT는 주로 가스 검침, 수도 검침 등과 같은 스마트 미러링 등 고정적인 위치에서 소용량의 주기적인 데이터를 전송하는 서비스에 사용되고 있습니다. NB-IoT는 낮은 복잡도와 배터리 소모량이 적은 단말을 사용하며, 민감성이 낮은 스몰 데이터를 전송합니다.

NB-IoT는 Standalone mode, Guard-band mode, In-band mode의 운용 모드를 제공하고 있으며, 국내에서는 Guard-band mode와 In-band mode를 혼용해서 서비스 하고 있습니다. NB-IoT를 서비스하기 위해서는 별도의 채널카드와 별도의 코아 장비(Cellular IoT-Serving Gateway Node, CSGN)가 필요합니다. NB-IoT는 180kHz의 협대역 주파수를 사용하고 주파수 영역으로 1RPB를 사용하여 데이터 속도는 낮으나, 대신 넓은 커버리지를 제공합니다.
 
LTE Cat.M1은 기존 LTE 주파수 대역에서 동작하는 협대역 무선 접속 기술로 기존 LTE 기술에서 시그널링 오버헤드와 전력 소모를 최소화 함으로써 LPWA에 적합하도록 만든 기술입니다. 따라서 별도의 추가 장비 없이 LTE 환경에서 서비스를 제공할 수 있습니다. LTE Cat.M1은 이동성이 많지 않고 시간 지연에 민감하지 않은 데이터를 전송하기 때문에 단말의 기능을 간소화함으로써 저비용의 단말을 제공할 수 있습니다. LTE Cat.M1은 전기차 충전기, 스마트 미러링 등 주기적으로 데이터를 전송하는 서비스에 주로 적용되며, 따릉이와 같은 일부 실시간성 서비스에도 사용되고 있습니다. 1.4MHz의 주파수 대역을 사용하고 주파수 영역으로 6PRB를 사용하여, 일반 LTE 보다는 낮은 속도이나 NB-IoT 보다는 높은 속도를 제공합니다. 따라서, 주기적인 통신 서비스 중 NB-IoT 보다 전송 데이터가 크고 좀더 자주 보내는 서비스에 사용됩니다. 또한 일부 결재 및 블랙박스 사진 전송 등과 실시간성 및 이동성이 있는 서비스에도 사용되고 있으나, 기술 특성상 추천되는 서비스는 아닙니다.
 
NB-IoT와 LTE Cat.M1을 어디에 써야 하는지에 대한 고민이 있는데, 특별히 정해진 것은 없고 이동성, 데이터 전송 주기, 데이터 전송량을 보고 비지니스 모델에 따라 적합한 기술을 서비스 하면 됩니다.
 
 

2. 5G IoT 기술

5G에서는 초고속 대용랑(Enhanced Mobile Broadband, eMBB), 고신뢰 및 저지연 (Ultra Reliability & Low Latency Communication, URLLC), 매시브 디바이스 연결(Massive Machine Type Communication, mMTC)의 사용 시나리오를 제공하기 위한 표준화를 진행하였습니다. 그러나, 실제 상용화는 초고속 대용량 제공인 eMBB에 초점을 맞추어 상용화 및 기술 개발을 진행하고 있으며, 나머지 기술에 대해서는 아직 본격적으로 상용화가 되었다고 보기는 어려운 상황입니다. 이 중 Massive IoT 기술도 표준화는 진행되고 있으나 아직 본격적으로 상용화 되지 않았으며, 기술 검증 정도만 진행되고 있습니다. 따라서, 5G가 상용화 되었다고는 하지만 IoT 관련해서는 광대역 라우터인 5G 라우터만 서비스 되고 있으며, NB-IoT나 LTE Cat.M1과 같은 LPWA 기술은 아직 기술 검증 수준에 머물러 있고, 아직 LTE 기반으로 서비스를 제공하고 있습니다.

5G IoT 기술로는 RedCap(Reduced Capability)과 Ambient IoT가 있으며, 두 기술 모두 5G SA(Stand Alone)가 서비스 되어야 제공될 수 있는 기술입니다.

RedCap은 3GPP Releas 17에서 NR-Light 라는 이름으로 표준화가 되었으며, 단말의 복잡성을 낮춤으로써 단말의 가격은 낮추고, 배터리 수명은 길게 함으로써 LTE의 Cat.4 기술을 대체할 수 있는 기술입니다. RedCap은 좁은 대역폭 (100MHz 중 20MHz 사용)과 단일 송수신 안테나, 반이중 FDD 등의 기술을 적용함으로써 다운링크 150Mbps, 업링크 50Mbps 정도의 속도를 제공할 수 있습니다. 현재 5G 라우터는 eMBB 기반으로 개발되어 높은 속도를 제공할 수 있으나, 높은 가격으로 대량으로 서비스하기에는 한계가 있습니다. RedCap은 단말의 가격을 낮춤으로써 LTE의 Cat.4 및 Cat.M1과 같이 대량의 기기를 서비스 할 수 있습니다. Release 17기반의 RedCap이 LTE의 Cat.4를 대체할 수 있다면, Release 18에서는 단말의 복잡도를 더 낮추고 속도를 더 낮춤으로써 LTE Cat.M1 수준의 서비스를 제공할 수 있을 것으로 보고 있습니다. RedCap은 모니터링 서비스, 스마트 워치, AR 글래스 등 일반 고객 서비스 외 산업 현장 등에서 산업용 IoT에 맞는 서비스를 제공할 수 있을 것으로 예상되어 향 후 급성장 할 것으로 예상되고 있습니다.

Ambient IoT는 3GPP Release 19에서 표준화가 시작되었으며, 기존의 RFID와 유사한 기술로 RFID에서 제공하던 기능을 이동통신으로 접목시켜 커버리지 및 활용성을 더 높인 기술입니다. 초기에는 Passive IoT란 이름으로 기술이 시작되었으나, 표준화가 진행되면서 명칭이 변경되어 공식적인 명칭으로는 Ambient IoT로 표준화가 진행되고 있습니다. Ambient IoT는 LTE의 NB-IoT를 대체할 수 있는 기술로, NB-IoT 보다 더 적은 양의 데이터를 보냄으로써 더 많은 단말을 수용할 수 있을 것으로 예상되는 기술 입니다.

Ambient IoT는 배터리 소비를 극도로 줄인 것으로 주요 기술로는 전파, 빛, 진동, 열 등의 에너지원에서 전력을 공급하는 에너지 하베스팅과 단말의 안테나가 외부로부터 반사되는 신호의 세기를 다르게 하여 data를 전송하는 백스캐터링 기술이 있습니다. 배터리 사용 여부에 따라 Passive mode, Semi-passive mode, Active mode로 구분 됩니다. Ambient IoT는 물류 서비스에서 주로 활용될 것으로 보이며, 고정된 위치에서 주기적으로 소량의 데이터를 보내는 서비스에 활용될 것으로 예상되고 있습니다.

모바일 IoT 포지션

 
 

3. 결론 및 향후 방향

이동통신 시장에서 IoT 서비스는 급속하게 증가하고 있으며, 추후 유비쿼터스가 실생활에 구현되면 더욱더 급속하게 증가할 것으로 보이고 있습니다. 5G는 상용화되어 서비스 되고 있지만, 현재 매시브 IoT 기술은 LTE 기반으로 서비스하고 있으며 RedCap, Ambient IoT와 같은 5G IoT 기술은 아직 상용화가 되고 있지 않습니다. 5G IoT 기술은 모두 5G SA 기반 기술로 국내는 아직 5G NSA로 서비스 중이기 때문에, 5G IoT가 상용화되기 위해서는 SA 상용화가 선행되어야 합니다. 그러나, 기술의 발전과 시장에서의 요구는 증가하고 있으므로, 멀지 않은 기간 내에 5G IoT는 상용화 되고 급성장 할 것으로 예상되고 있습니다.
 
 
 
정보통신기술사(이학박사) 박복녕