[기고] 5G 시대의 IoT

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실비아 루 유블럭스의 수석 엔지니어
<실비아 루 유블럭스의 수석 엔지니어>

2018년 6월, 3GPP가 캘리포니아 라 호이아(La Jolla)의 RAN#80에서 5G NR Standalone(SA)를 위한 새로운 무선 규격을 승인했을 때 5G의 전체 생태계는 이전과 다른 의미심장한 전환점을 맞았다. 이는 5G NR 1 단계(3GPP Release 15)를 위한 무선 규격의 완성이며, 5G 상업화를 위한 주요한 진일보를 의미한다.

필자는 5G가 저전력 장거리 통신 기술(LPWA)를 위하여 무엇을 할 수 있을지에 대한 질문을 종종 받는다. 5G는 저지연 고속 통신이 필요한 분야를 위해 설계되지 않았는지, 4G에서 지정된 NB-IoT (협대역 사물인터넷)와 LTE-M과 같은 기술 솔루션은 이미 LPWA를 다루고 있지 않는지, 5G 시대에 IoT를 위해 그 밖에 할 수 있는 게 무엇인지 등 다양한 질문이 쏟아졌다. 이 질문에 답변을 하려면 NB-IoT 및 LTE-M과 5G와의 관계에 대해 살펴봐야 한다.

5G, NB-IOT 그리고 LTE-M

일반적인 원칙은 ‘어떠한 표준개발기구(SDO)에서 명기된 기술 솔루션이라도 국제전기통신연합(ITU)의 IMT-2020이 요구하는 최소 자격 조건을 평가 후 만족시켜야 한다’는 것이다. 그러나 오늘날 5G는 훨씬 더 넓은 맥락에서 사용되고 있으며 미래 무선 기술에 의해 구현될 다양한 새로운 서비스를 의미한다.

ITU 구성원들은 다음과 같이 5G IoT와 대규모 사물통신(mMTC)을 위한 최소 기술 성능 요구조건을 밝혔다. 최소 10년 이상의 배터리 수명을 보장하며(15년이면 더 좋음), 20 dB의 향상된 커버리지 그리고 1평방 킬로미터 당 1백만 대의 기기를 지원해야 한다는 것 등이다.

2018년 초, 3GPP는 IMT-2020 5G mMTC 요구조건을 충족하기 위한 5G 솔루션 후보로 NB-IoT 및 LTE-M 기술 모두를 제출할 예정이라고 ITU에 통보했다. 따라서 두 기술 모두 필수적인 5G 구성 요소가 될 것으로 예상된다. 또한 LPWA 사용 사례는 5G 규격의 일부로 NB-IoT 및 LTE-M을 진화시키고, 그에 따라, 5G 표준으로서의 NB-IoT 및 LTE-M의 지위를 확보케 하는 기술로서 지속적으로 다루어질 것이다.

이러한 결정에 중요한 영향을 미친 두 가지 요소는 이미 설치된 LPWA 장치의 투자 자금 회수와 수명이다. 첫 번째 이유는 산업적 측면에서 전 세계적으로 이미 투자된 LPWA의 영향력을 확대하고 극대화하는 것이다. GSMA에 따르면 전세계적으로 이미 60개 이상의 상업용 LPWA 네트워크가 운용되고 있으며 그에 따른 네트워크, 인프라, 기기의 수명을 극대화에 관심이 집중되고 있다.

두 번째 이유는 대부분의 LPWA 기기가 지하 맨홀(수량계), 원거리 위치(경보 또는 환경 모니터링) 또는 차량 차대(보안 경보), 스마트 농업과 같은 까다로운 환경에 설치돼 최소 10년 이상 지속될 것으로 예상된다는 점이다. 따라서 5G 코어 네트워크에서 LPWA 장치를 지원해 오랜 IoT 서비스 수명을 보장하는 것이 중요하다. 이를 위해, 3GPP는 5G NR 주파수 대역에서 NR과 함께 NB-IoT 및 LTE-M이 공존할 수 있도록 보장하고 5G 코어 네트워크가 NB-IoT 및 LTE-M 무선 접근 네트워크를 지원하도록 하는 여러가지 옵션을 Release 16에서 연구하고 있다. 이를 통해 필요에 따라 미래에 소프트웨어 업그레이드만으로도 현재 사용되고 있는 LPWA 장치를 5G로 원활하게 마이그레이션할 수 있을 것이다. 이는 5G 표준의 한 부분으로서 NB-IoT 및 LTE-M의 장기적인 지위를 재확인시켜주는 것이다.

이미지제공 = 게티이미지뱅크
<이미지제공 = 게티이미지뱅크>

5G 시대 IoT는 무엇이 다른가?

서브캐리어 그리드 정렬(업링크 & 다운링크), 예약된 리소스 구성, 그리고 유연한 스케쥴링 유닛과 같이 NR과 LTE-M 또는 NB-IoT 간의 충돌을 방지하기 위한 특정 기능이 추가되었음에도 불구하고 5G NR의 첫 번째 단계를 위한 중점적인 사용 사례는 향상된 모바일 광대역이었다.

그러나 5G NR의 두 번째 단계 (Release 16)는 산업, 제조, 자동차 및 위성 분야를 포함하는 다양한 분야에 커넥티비티 솔루션을 제공할 것이다. 그리고 이들 대부분은 높은 데이터 처리량, 높은 신뢰성, 저지연성, 높은 가용성 그리고 밀집된 연결과 같은 엄격한 조건을 요구한다.

5G NR 2 단계는 mMTC 및 URLLC (고신뢰 저지연 통신)에 중점을 두고 있다. 3GPP TS 22.261 및 TS 22.804를 보면 다양한 요구조건과 주요 성능 지표로 지원되는 여러 다른 사용 사례가 있다는 점을 알 수 있다. 한 가지 특별한 예로, 제품이 전체 주기에 걸쳐서 생산, 배송 및 AS 방식을 혁신화한 미래형 공장이다. 다양한 유연성, 이동성, 다기능성, 인체공학적 기능을 제공하기 위한 무선 연결의 활용이 중요하며 릴리즈 16(Release 16)에서 NR-IIoT(New Radio Industrial IoT) 설계 시 중요한 사용 사례 중 하나이다.

NR-IIoT(New Radio Industrial IoT)는 특히 공장 자동화, 전력 분배, 교통 산업 분야에 IoT를 활용하기 위해 3GPP에서 연구하게 될 새로운 기능이다. 새 시스템은 릴리즈 15 URLLC에서 정의된 신뢰도 향상을 위한 방식 뿐만 아니라 저지연을 위한 짧은 전송 시간 간격(TTI) 구조를 이용한다. TSN(Time Sensitive Networking)을 통해 시간 동기화와 정확한 기준 시각을 포함해 공장 자동화에 필요한 주요 서비스가 가능해진다. FR1 (주파수 범위 1, 450 MHz ~ 6 GHz)과 FR2 (24.25 GHz ~ 52.6 GHz) 모두에서 고려될 것이다.

또한 이동통신 산업에서는 band 47 (5.9 GHz) 혹은 그 이상에서 V2X (차량 대 사물간 통신: 차량 대 차량, 차량 대 인프라, 차량 대 네트워크, 차량 대 보행자)를 위한 연결 솔루션을 제공하여, 자동차 산업까지 플랫폼을 확장하길 원한다. 안전 사양을 중요하지 않은 기본 V2X 서비스에 관한 최초 표준은 릴리즈 14 및 15에서 완료되었다. 5G 시대에는 차량 군집주행, 확장 센서, 진보된 원격 주행을 포함해 첨단 사용 사례에 중점을 둘 것으로 예상된다. 이를 위해서는 신뢰성, 저지연성 및 가용성 관점에서 엄격한 성능이 요구된다. 3GPP는 현재 NR-V2X 연구에서 그 답을 찾아가고 있다.

이미지제공 = 게티이미지뱅크
<이미지제공 = 게티이미지뱅크>

릴리즈 16(Release 16)은 무엇이 다른가?

NB-IoT 및 LTE-M은 릴리즈 13에서 도입되었으며 매우 간소한 형태의 LPWA 장치를 위한 필수적이며 기본적인 협대역 무선 인터페이스를 제공했다. 이를 통해 매우 긴 배터리 수명을 가지면서도 극단적으로 열악한 신호 환경에서 대량의 장치를 네트워크에 연결할 수 있게 되었다. 몇몇 개선점과 추가 기능이 릴리즈 14 및 15에 추가되었다.

릴리즈 14는 전력 소모 향상과 사용 사례 확장에 관한 것이었다. 후자의 경우 제한된 피크 전류 용량을 가진 소형 폼팩터 배터리를 사용할 수 있도록 포지셔닝, 멀티캐스트, 커넥티드 모드 이동성, 고속 데이터, 사용자 단말기(UE)의 전력 등급 6(14 dBm)을 지원하는 기능이 추가되었다.

릴리즈 15에서 NB-IoT 및 LTE-M을 위한 공통 기능에는 지연 및 전력 소모의 추가적인 감소(NWUS 및 MWUS 형태로, NB-IoT 및 LTE-M를 위한 웨이크업 신호)와 추가 시스템 획득 시간 감소가 포함된다. NB-IoT는 또한 TDD(Time Division Duplex)와 스몰 셀을 위한 지원도 추가하였다.

NB-IoT 및 LTE-M을 위해 진행 중인 릴리즈 16 에서는 5G 코어 네트워크로의 보다 원활한 마이그레이션을 위한 준비를 비롯해 네트워크 운용 및 효율 개선(예를 들어, UE-그룹 웨이크업 신호)을 위해 노력하고 있다.

차후 몇 년 내에 사물인터넷(IoT)을 위한 기술이 확장됨에 따라 새로운 IoT 생태계를 형성하는 "사물" 목록에 더 많은 기기들이 포함될 것이다. NB-IoT 및 LTE-M 기술은 5G 시대에서 지속적으로 중요한 역할을 담당할 것이다.

뿐만 아니라 미래형 공장의 요구조건과 커넥티드 자율주행 자동차의 요구를 충족시키는 유연성, 이동성, 다기능성, 인체 공학을 제공하는 무선 연결 기술은 매우 중요하게 활용될 것이다. 이 모든 것들은 5G 사물인터넷 시대에서 5G 기술이 가진 모든 잠재력을 보여줄 중요한 과정이 될 것이다.

실비아 루 유블럭스의 수석 엔지니어이자 CW 이사회, UK5G 자문회 구성원으로 셀룰러 산업에서 오랜 경험을 지니고 있다. 알고리즘 설계, DSP 개발, 글로벌 표준 및 기술 전략 업무를 담당하고 있다. 3GPP에서 유블럭스를 대표하여 IoT, V2X 및 5G를 포함한 표준화 활동을 주도하고 있다.