IEEE 표준 기술 동향

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준현 저
5 years ago
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1 소물인터넷을위한 Low Power Wide Area 기술동향 고득녕 SKtelecom Abstract 모든사물들이인터넷에연결이되는세상을사물인터넷이라고합니다. 최 근에는사물을저사양사물로제한하여각저사양사물들이인터넷에연결 되는세상을따로소물인터넷이라고정의하게되었습니다. 소량의데이터의처리및전송을요구하는소물인터넷에는높은전송속도와높은신뢰성기반으로만들어진기존무선통신기술은적합하지가않았습니다. 따라서저사양, 저전력, 낮은전송속도를지원하는소물인터넷전용통신기술이필요하게되었습니다. 본고에서는소물인터넷전용통신기술인 LPWA 의등장배경과기술종류 에대해서알아보고현재국내산업동향에대해서설명드립니다.

2 I. 서론 사물인터넷 (Internet of Thing) 은사물 (Thing) 이서로연결 (Connectivity) 이되는세상을말합니다. 사물인터넷 (Internet of Things) 의용어에서사물 (Things) 은여러가지정의가있을수있는데, Kevin Ashton은 RFID Journal, July 22, 2009, " That 'Internet of Things' Thing" 에서다음과같이정의하였습니다. 기존의데이타는사람이타이핑을하거나, 사진을찍거나, 문서를스캔하는등의사람의능동적인의지에의하여생성이되었다. 이러한데이타생성방식은한계가있다. 사람의 Resource는한정적이며집중력및정교함역시정확하지않기때문이다. 사물 (Things) 은전통적인방법과달리인간의도움이없이데이타를수집, 가공, 전달하며자신이상태를스스로판단하는컴퓨터를말한다. 여기서사물 (Thing) 은구체적인제약사항이없습니다. 예를들어고가의핸 드폰도사물이며 LTE Network 도사물인터넷의한종류입니다. 최근들어소물 1 인터넷 (Internet of Small Thing) 이라는새로운개념이등장하였습니다. 영어로는 Internet of Things에서 Things가 Small Things으로바뀐것입니다. 즉, Things와 Small Things의차이를알면소물인터넷 (Internet of Small Thing) 의개념을정확하게알수가있습니다. 1 소물은소사물 ( 少事物 ) 의약자입니다.

Small Things은온도, 습도무게, 위치등아주단순한정보를측정하는소형기기라서큰전송속도를필요로하지않는사물 (Thing) 입니다.

무거운연결과가벼운연결의차이 무거운연결 가벼운연결 사람과스마트기기중심 스크린위주 고성능대용량컨텐츠 융합 / 집적화 고속 N/W 필요 사물중심 스크린필요없음

3 Small Things은온도, 습도무게, 위치등아주단순한정보를측정하는소형기기라서큰전송속도를필요로하지않는사물 (Thing) 입니다. 소물 (Small Thing) 의특징은 1낮은전송속도 (Low Data Rate), 2저전력 (Low Power Consumption), 3저사양 (Low Cost Computing) 입니다. 그림 1 2 은사물 (Thing) 간의연결과소사물 (Small Thing) 간의연결차이를나 타내는그림입니다. 그림 1. 무거운연결과가벼운연결의차이 무거운연결 가벼운연결 사람과스마트기기중심 스크린위주 고성능대용량컨텐츠 융합 / 집적화 고속 N/W 필요 사물중심 스크린필요없음 소량의메세지 전문영역별다변화 저속 / 저가의 N/W 기존에연결된사물들은핸드폰, PC, STB 등의무거운연결이었고, 해당사 물들은고성능대용량컨텐츠를처리하는사물들이었습니다. 따라서사물 간의연결을위해서고속의네트워크를필요로했습니다. 반면에원격검침 2 Source: SKT 제 37 회 T Dev Forum, 저전력 IoT LoRa N/W, 조성호랩장

4 기등의사물들은대용량컨텐츠가아닌소량의데이터만처리하면되며, 따라서저속의네트워크만으로도사물간의연결을지원해줄수있습니다. 기존통신 ( 무거운연결 ) 에서는얼마나빨리, 얼마나안정화게데이터를보내느냐가핵심이었다면, 소물인터넷 ( 가벼운연결 ) 에서는얼마나싸게단말을만들고, 얼마나오랫동안건전지수명을늘릴것이냐가, 주요관심사입니다. 다음절에서부터소물인터넷에사용이되는통신기술인 LPWA(Low Power Wide Area) 에대해서설명하겠습니다. II. LPWA 기술등장배경 사물간에연결을지원하기위해서는통신기술이있어야하며, 일반적으로장소의제약이없는무선통신을많이고려하고있습니다. 무선통신기술은그림 2과같이전송거리에따라 Short Range 무선통신기술과 Long Range 무선통신기술로나눌수있습니다.

그림 2. 무선통신의전송거리별구분 Long Range ( 대략 1km 이상 ) 면허대역 비면허대역 Cellular IoT Short Range ( 대략 100m 미만 )

면허대역통신기술로는 LTE, Wibro등이있으며비먼혀대역통신기술로는 LoRa, Sigfox등이있습니다.

5 그림 2. 무선통신의전송거리별구분 Long Range ( 대략 1km 이상 ) 면허대역 비면허대역 Cellular IoT Short Range ( 대략 100m 미만 ) 비면허대역 기존사물인터넷에널리쓰이던통신기술인 Wi-Fi, Bluetooth, Z-Wave등이 Short Range 무선통신기술로분류가됩니다. 반면에전송거리가 1km이상인 Long Range 무선통신기술도있습니다. Long Range 무선통신기술은사용료를내고사용하는면허대역통신기술과누구나사용할수있는비면허대역통신기술로나눌수있습니다. 면허대역통신기술로는 LTE, Wibro등이있으며비먼혀대역통신기술로는 LoRa, Sigfox등이있습니다. 지금껏사물인터넷에사용이되었던무선통신기술은 Short Range 무선신기술들이었습니다. 하지만 Short Range 무선기술들은짧은전송거리로인하여사물인터넷서비스들을확장하는데제약사항이많았습니다. 예를들어, Z-wave를이용한사물인터넷서비스들은댁내에있는 Z-wave AP 중심으로만서비스가가능하였으며, 비콘을이용한위치추적서비스등은 AP하고멀어지면위치추적이안되는단점이있었습니다. 이런전송거리의제약사항을극복하고자통신거리를비약적으로늘린

6 것이이동통신기술입니다. 예를들어 LTE모듈을장착한사물은전국어디에서나인터넷과의연결 (Connectivity) 를지원해줍니다. 하지만이동통신기술은모뎀칩이상당히비싸다는단점이있습니다. 따라서고가의핸드폰같은사물의통신기술로는사용이될수있으나, 단말가격에굉장히민감한소물인터넷의통신기술로는적합하지않습니다. 따라서기존 Short Range 통신기술과이동통신기술로는소물인터넷서비스로는제약사항이있어새로운통신기술에대한시장의요구가생겨났습니다. 따라서그림 3 3 과같이전송거리는이동통신기술처럼장거리통신을지원하지만모뎀칩가격을낮춘통신기술이등장하였는데, 그것이 LPWAN, Low Power Wide Area 통신기술입니다. 그림 3. LPWA 통신기술 Data Rate 100Mbps 10Mbps 1Mbps Short- Range N/W (Wi-Fi, Zigbee, Cellular N/W (2G, 3G, 4G) Price 1kbps Bluetooth) Coverage LPWA few m(indoor) 100m 1Km 10Km Coverage 3 Source: SKT 제 37 회 T Dev Forum, 저전력 IoT LoRa N/W, 조성호랩장

7 그림 4 4 은사물간연결중각통신기술의비중을예측하는그래프입니다. 그림 4. 사물간연결중각통신기술의비중 위그림 4 과같이사물간연결통신에소물인터넷전용통신기술인 LPWA 이널리사용이될것으로예측이되고있습니다. 다음절에서는소물인터넷전용통신기술인 LPWA 의종류에대해서설명 드리겠습니다. 4 Source: Cisco VNI Mobile, 2016

8 III. LPWA 기술종류 소물인터넷전용 LPWA 기술은여러가지가있으며그중대표적인것을정 리한것이표 1 입니다. 표 1. LPWA 기술종류 구분 LoRa Sigfox LTE MTC LTE NB-IoT 주파수대역표준화단체 비면허대역 (920MHz) LoRa Alliance 면허대역비면허대역면허대역 (In-band, Guardband) (920MHz) (LTE 대역 ) ETSI 3GPP 3GPP 표준화 단계 표준완료 표준완료 Cat. 0/1: 표준완료 Cat. M: 표준화진행중 표준진행중 (Rel.13) : 9 월예상 Max. Data Rate 5.47kbps 1kbps Cat.1: DL/UL 10/5Mbps Cat.0: DL/UL 1Mbps Cat.M: DL/UL 0.2Mbps 200 kbps Cell Coverage ~10 km ~10 km ~10 km ~5 km 상용화기상용화기상용화기상용화 (Cat.1) 17 년상반기예상 Device Stack Non-IP Non-IP IP Non-IP, IP Module Chip 가격 약 5$~10$ 수준 약 5$~10$ 수준 약 20$ 수준 약 10$ 수준

9 표 1 의 LoRa, LTE-MTC, NB-IoT 는각각 Long Range, LTE-Machine Type Communication, Narrowband-IoT 의약자입니다. LoRa, Sigfox, LTE-MTC(Cat.1, Cat.0) 는표준화가완료가되었고, NB-IoT 는 NB-IoT Access 는 6 월에표준화가완료되었고 NB-IoT Cores 는표준화진행 중입니다. 표 1의 LPWA 기술은비면허대역에서동작하는통신기술과면허대역에동작하는통신기술로나눌수있습니다. LoRa와 Sigfox는비면허대역에서동작하는통신기술이기때문에기간통신사업자가아닌사업자들도사업을할수있는통신기술입니다. 반면, LTE-M와 NB-IoT는주파수사용료를내고사용허가를받은사업자만사업을할수있는통신기술입니다. 표 1의 LPWA 기술들은 Max. Data Rate와 Module Chip가격간에 Trade- Off 관계가있습니다. 국내에상용화된 LoRa와 LTE-MTC(Cat.1) 를비교하면 LoRa가 Max. Data Rate는 LTE-MTC(Cat.1) 보다낮은반면에 Module Chip에서는 LTE-MTC(Cat.1) 보다가격경쟁력이있습니다. 이런이유로 LoRa와 LTE-MTC는그림 5 5 과같이서비스 Positioning이다릅니다. 5 Source: 2016 년 SK 텔레콤 IoT-LPWA 사업설명회,

10 그림 5. LoRa 와 LTE-MTC 서비스 Positioning LPWA 각기술의표준화동향에대해서알아보겠습니다. A. LoRa 표준화동향및주요특징 LoRa는 LoRa Alliance라는단체에서기술규격을만들고있습니다. LoRA Alliance는 2015년 3월창립후현재까지약 200개회원사가참여하고있으며주요참여사로는 Orange Telecom, KPN, Bouygues, Proximus,

11 Swisscomm, Actility, Kerlink, IBM, Cisco 등이있습니다. 국내에서는 SK 텔 레콤, 콘텔라, 이도링크, 누리텔레콤, TTA 참여하고있습니다 년 6 월규격 v1.0 이완성이되었으며 2016 년 2 월에완성된 v1.0.1 이 최신규격입니다. 그리고한국 PHY 규격이추가된 v1.0.2 이 2016 년 10 월 9 일에배포가될예정입니다. 그림 6 6 은 LoRa 를상용화한 SK 텔레콤의 LoRa 네트워크구성도입니다. 그림 6. SK 텔레콤 LoRa 네트워크구성도 유선백홀 유선 N/W LoRa 네트워크서버 ThingPlug LoRa 디바이스 LoRa 기지국 무선백홀 LTE 기지국 LTE Core N/W 고객 그림 6 의 LoRa 디바이스는 IP 없이 LoRa 규격에서정의된단말고유 ID 로 구분되며, 기지국과 Physical Layer 송수신수행하고, N/W 서버와 LoRa MAC Layer 프로토콜로연동이됩니다. 그림 6 의 LoRa 기지국은단말의무선신 6 Source: SKT 제 37 회 T Dev Forum, 저전력 IoT LoRa N/W, 조성호랩장

12 호를 Bit Stream으로복조하고, 메시지디코딩없이그대로 N/W서버에단순전달하는역할을수행합니다. 그림 6의네트워크서버는단말과 LoRa MAC 프로토콜로연동하여단말의망접속, 재전송등의호처리기능을수행하고, OneM2M 규격에맞추어 IoT 플랫폼 (ThingPlug 7 ) 으로단말의데이터를전달합니다. 그림 7 은 LoRa 통신의 Layer 를나타내고있습니다. 그림 7. LoRa 통신 Layer Physical Layer 통신은단말과기지국간모뎀칩간에수행이되며 MAC 7 ThingPlug 는 SK 텔레콤의 IoT Platform 브랜드명입니다.

13 Layer 통신은단말과네트워크서버간에수행이됩니다. 이때 LoRa Physical Layer 의통신알고리즘은 Semtech 사에서특허를가지고있어단말과기지 국의모뎀칩은 Semtech 사에서전량공급하고있습니다. LoRa는 Bandpass Modulation으로 Chirp Spread Spectrum 기술을사용하고있습니다. Chirp Signal은기존 Radar 및거리 / 위치측위에사용되던기술로송수신간주파수 / 시간오차에강인하여동기를빠르게맞출수있는장점있습니다. 즉, Chirp Spread Spectrum 기술은 Long Range, Low Power를가능하게하는 LoRa 기술의핵심적인부분입니다. B. LTE-MTC 표준화동향및주요특징 LTE-MTC 표준을정하는단체는 3GPP 입니다. 3GPP 표준단체에서 LTE 단 말의전체적인성능을단계별로정의하였고, 그것이그림 8 입니다.

14 그림 8. LTE Category 별주요특징 Category Max. DN Max. UP 3GPP Release M 200kbps 200kbps Release Mbps 1Mbps Release Mbps 5Mbps Release Mbps 25Mbps Release Mbps 50Mbps Release Mbps 50Mbps Release Mbps 75Mbps Release Mbps 50Mbps Release Mbps 150Mbps Release 10 3GPP Release 8 에서부터 LTE 가정의되기시작하였고, Release 8 에서 Category 1 부터 5 까지정의하였습니다. 그리고 Release 10 에서 Category 6 과 7 를추가적으로정의하였습니다. Release 10까지는 3GPP는단말의성능을올리는데에만관심이가지고표준을만들어갔습니다. 그러다가 3GPP에서도소물인터넷용통신기술제정에대한요구가있었고, Release 12에서모뎀전력소모와가격을낮추는데중점을둔새로운카테고리를정의합니다. 성능이기존 Category 1보다낮으므로 Category 0 이라고이름을붙입니다. 그리고 Release 13에서새로운사물인터넷용 Category를정의하는데그것이 Category M 입니다.

15 소물인터넷용으로사용이되는 Category 인 Category 1 과 Category M 을 LTE-MTC 라고통틀어부릅니다. 표 2 은 LTE-MTC 와 Category 1 의주요특징 을나타낸표입니다. 표 2. LTE-MTC 주요특징 구분 Cat.1 Cat.0 Cat.M Release Rel. 8 Rel. 12 Rel. 13 Downlink Peak Rate Uplink Peak Rate 10 Mbps 1 Mbps 1 Mbps 5 Mbps 1 Mbps 1 Mbps UE Receive BW 20 MHz 20 MHz 1.4 MHz # of UE RF Receiver Maximum UE Transmit Power Modem Complexity Relative to Cat dbm 23 dbm ~ 20 dbm 100% 50% 25%

16 IV. LPWA 국내산업동향 국내초기사물인터넷시장은댁내서비스중심으로시작이되었습니다. SK 텔레콤이 2015년 5월 22일 Smart[Home] 이라는브랜드를런칭하였고, 뒤이어 LG U+ 가 2015년 6월 29일 브랜드를런칭하였습니다. 해당서비스들은댁내에무선 AP를설치하여사물에 W-Fi혹은 Z-wave 통신모듈을장착하여, 고객의핸드폰을이용하여사물들로부터정보를수집하거나사물을제어하는것이었습니다 년상반기까지만하여도사물인터넷통신기술은 Wi-Fi, Z-wave, Beacon 등을이용한 Short Range 무선통신기술과이동통신기술 (3G, LTE) 을이용하였습니다. 국내소물인터넷산업은 SK 텔레콤이국내최초로 LoRa 를전국구축하면서 부터본격적으로활성화되기시작하였습니다. 8 SK텔레콤은 2016년 7월 4일소물인터넷전국망구축을선언하였고, 소물인터넷시장활성화를위하여 LoRa 모듈 10만개를개발자에게무료로배포하고 LTE Category 1를상용화하였습니다. KT와 LG U+ 역시 LTE Category 1를상용화하여소물인터넷시장활성화를위해노력하고있습니다. 이때 KT 와 LG U+ 는 LTE Category 1 만을활용하여사물인터넷서비스를 제공하는반면에 SK 텔레콤은그림 9 과같이 LoRa 와 LTE Category 1 를모 8 SK 텔레콤, 국내최초 IoT 전국망구축,

17 두제공하는 IoT Hybrid Network 전략을내세우고있습니다. 그림 9. SK 텔레콤의 IoT Hybrid Network 전략 SK텔레콤이다른통신사와다르게 IoT Hybrid Network 전략을세운이유는그림 5과같이 LoRa와 LTE-M은서비스포지션닝이다르다고판단을했기때문입니다. SK텔레콤은 2017년까지 Hybrid IoT네트워크를이용하는기기가 400만개에달할것으로예상했습니다.

18 V. 결론 소물인터넷전용통신기술에대한시장에대한요구로 LPWA 기술이만들 어졌습니다. LPWA 기술중에 LoRa 와 LTE-M(Cat.1) 이국내통신사업자들에 의하여상용화되었고, 빠르게소물인터넷생태계가조성이되고있습니다. 향후에사물간의연결지원은기존이동통신 (LTE,3G) 과기존무선통신 (Wi-Fi, Z-wave, Bluetooth) 보다는새롭게등장한 LPWA 기술을이용할것이며, LPWA 기술의장점 ( 저전력, 저사양 ) 으로인하여사물간의연결은더욱손쉽게이루어질것입니다. References [1] SKT 제 37 회 T Dev Forum, 저전력 IoT LoRa N/W, 조성호랩장, [2] 2016 년 SK 텔레콤 IoT-LPWA 사업설명회, Biographies 고득녕 년 : 건국대학교전자공학과학사 년 : 한국과학기술원전자공학과석사 - 주요관심분야 : LPWA, IoT, IPv6 - engineer@sk.com

초점 제 28 권 3 호통권 617 호 사물인터넷 (IoT) 접속기술동향및시사점 김주현 * 1) 최근사물인터넷 (Internet of Things, IoT) 은차세대이동통신서비스의생태계구축을위해중요한역할을수행할것으로기대되고있다. 또한이통통신서비스의전문가및관련기업들을사물

초점 제 28 권 3 호통권 617 호 사물인터넷 (IoT) 접속기술동향및시사점 김주현 * 1) 최근사물인터넷 (Internet of Things, IoT) 은차세대이동통신서비스의생태계구축을위해중요한역할을수행할것으로기대되고있다. 또한이통통신서비스의전문가및관련기업들을사물 제 28 권 3 호통권 617 호 김주현 * 1) 최근사물인터넷 (Internet of Things, IoT) 은차세대이동통신서비스의생태계구축을위해중요한역할을수행할것으로기대되고있다. 또한이통통신서비스의전문가및관련기업들을사물인터넷을이동통신산업의지속적인성장을위한핵심동력으로간주하고있다. NOKIA 의분석에따르면 2025년까지사물인터넷접속기기의수는약 300억개까지증가할것으로추산하고있으며,