제 28 권 3 호통권 617 호 김주현 * 1) 최근사물인터넷 (Internet of Things, IoT) 은차세대이동통신서비스의생태계구축을위해중요한역할을수행할것으로기대되고있다. 또한이통통신서비스의전문가및관련기업들을사물인터넷을이동통신산업의지속적인성장을위한핵심동력으로간주하고있다. NOKIA 의분석에따르면 2025년까지사물인터넷접속기기의수는약 300억개까지증가할것으로추산하고있으며, 그중저전력장거리통신 (Low Power Wide-Area, LPWA) 접속기기는 2025년까지대략 70억개에이를것으로예상하고있다. 사물인터넷은무인계량기, 무인자판기, 지능형교통서비스, 실시간모니터링의료서비스등다양한서비스에활용할수있으며, 이미전자책 (E-Book), GPS 시스템, 디지털카메라등에활용되고있다. 본고에서는사물인터넷접속기술로저전력장거리통신기술 (LPWA) 과 LTE-MTC(Machine Type Communications) 기술을소개하고자한다. 우선저전력장거리통신기술은비면허대역주파수를활용하여독자적인사물인터넷망을구축하는것이특징이며, LTE-MTC 기술은기존의이동통신네트워크를활용하여사물인터넷서비스를제공하는것이특징이다. 최근사물인터넷서비스는기존이동통신사업자및시장에새롭게진입하고자하는벤처기업에게새로운비즈니스환경을제공하고있다. 이에따라사물인터넷시장에진입하고자하는사업자는사물인터넷접속기술의특징을적절히고려하여자신의비즈니스모델을구현해야할필요성이있다. Ⅰ. 서론 / 2 목차 Ⅲ. LTE-MTC(Machine Type Communications) / 10 1. 개요 / 10 2. 동향 / 14 Ⅱ. 저전력장거리통신 (Low Power Wide-Area, LPWA) / 5 1. 개요 / 5 2. 동향 / 7 Ⅳ. 결론및시사점 / 16 * 정보통신정책연구원통신전파연구실연구원, (043)531-4082, jaykim@kisdi.re.kr 1
Ⅰ. 서론 최근사물인터넷 (Internet of Things, IoT) 은차세대이동통신서비스의생태계구축을위해서중요한역할을수행할것으로예측되고있다. 또한이통통신서비스의전문가및관련기업들을사물인터넷서비스를이동통신산업의지속적인성장을위한핵심동력으로간주하고있다. NOKIA(2015) 의분석에따르면 2025년까지사물인터넷접속기기의수는약 300억개까지증가할것으로추산하고있으며, 그중저전력장거리통신 (Low Power Wide-Area, LPWA) 접속기기는 2025년까지대략 70억개에이를것으로예상하고있다. 사물인터넷은무인계량기, 무인자판기, 지능형교통서비스, 실시간모니터링의료서비스등다양한서비스에활용할수있으며, 이미전자책 (E-Book), GPS 시스템, 디지털카메라등에활용되고있다. [ 그림 1] 사물인터넷서비스적용사례 자료 : 고정길 (2013) 2
사물인터넷에서사물은일반적으로단말기를의미하며여기에는단순기계, 스마트측정기기, 센서뿐만아니라우리가일상적으로활용하고있는생필품까지확대될수있다. 이와같은사물인터넷서비스제공을위해서는사물인터넷접속기술이우선적으로필요하다. 사물인터넷접속기술은사람의인위적인간섭없이기기간에자율적으로정보를공유할수있는기술을의미한다 (NOKIA, 2015). 이와같은정보공유는단말기사이, 단말기와서버사이, 나아가단말기와통신네트워크사이등현재다양한환경에서이루어지고있다. 앞에서언급한바와같이이와같은사물간의접속은급격하게증가하고있으며, NOKIA(2015) 의분석에따르면 2025년까지약 300억개의사물이상호접속하여정보를공유할수있을것으로예측된다. [ 그림 2] 사물인터넷접속기기수예측 자료 : NOKIA(2015) 이와같은접속기술에대해서보다자세히살펴보면, 현재까지가장많이활용되고있는기술은 Wi-Fi와 Bluetooth 기술을뽑을수있다 ( 미디어스, 2015. 5. 28). Wi-Fi 는데이터전송역할을하는 AP(Access Point) 와단말기간에정보를주고받을수있도록하는통신규격이며, 단말기는 AP신호가접속되는공간안에서데이터송수신이 3
가능하다. Bluetooth 기술은기기간근거리통신규격표준으로상호접속을통해데이터의공유가가능하다. 사물인터넷접속기술로는현재 Bluetooth 기술에비해 Wi-Fi 기술이선호되고있다. 이와같은이유로는 Bluetooth의경우근거리내에서만접속이가능한반면, Wi-Fi는 Bluetooth 에비해접속범위가보다넓기때문이다. 퀄컴주도하에이루어지고있는 IoT 콘소시엄인 Allseen 얼라이언스는현재 Wi-Fi 기술을바탕으로사물인터넷접속기술을발전시키고있으며, 네스트랩스社가제공하는온도조절기 (Nest thermostat) 서비스는 Wi-Fi를이용한사물인터넷서비스의대표적인예로들수있다 ( 미디어스, 2015. 5. 28). [ 그림 3] 네스트랩스社의온도조절기 (Nest thermostat) 서비스 출처 : 네스트랩스社홈페이지, https://nest.com/thermostat/meet-nest-thermostat/ 4
그러나앞에서언급한사물인터넷접속기술은서비스확대측면에서결정적인단점이존재한다 ( 미디어스, 2015. 5. 28). 우선 Bluetooth 기술의경우는근거리접속만가능하며기기간의통신시안정성이떨어진다. 다음으로 Wi-Fi의경우는 AP가존재하는곳에서만접속이가능하고접속범위가 AP 주위로고정되는단점이있다. 사물인터넷의경우는시공간의제약없이데이터통신이이루어지는것이핵심이다. 이에따라 Bluetooth와 WiFi 기술의단점을보완한저전력장거리통신 (LPWA) 및 LTE- MTC(LTE Machine-Type Communication) 가제안되었다. 안정성있는사물인터넷서비스제공을위해저전력장거리통신은비면허주파수대역을활용하며, LTE- MTC 서비스는기존이동통신네트워크를활용한다. 저전력장거리통신및 LTE- MTC 기술은 Bluetooth 및 Wi-Fi와같은기존의사물인터넷접속기술에비해접속안정성및커버리지측면에서성능이향상되었으며, 사물인터넷서비스의특성을고려하여소비전력및데이터전송속도를크게낮추는방향으로진화하고있다. Ⅱ. 저전력장거리통신 (Low Power Wide-Area, LPWA) 1. 개요 저전력장거리통신기술 (LPWA) 의핵심요구사항으로는저전력소모설계, 저가단말기공급, 낮은구축비용, 안정적커버리지제공, 대규모의단말기접속구현등이있다 (NOKIA, 2015). 우선저전력소모설계측면에서살펴보면, 현재우리가널리사용하고있는스마트폰의경우충전을자유롭게할수있으나사물인터넷접속기기의경우에는충전의제약이크다. 따라서사물인터넷접속기기의경우긴배터리수명또는저전력소모기술이필수적으로요구된다. 예를들어불이났을경우소방서로직접화재경보를전송할수있는사물인터넷기기의경우배터리수명이가장중요한이슈이다. 일반적으로높은천장및벽에설치되기때문에충전또는전력의직접연결이쉽지않다. 관련산업계에서는저전력장거리통신접속기기의경우, 일상 5
적인데이터교환시약 10년간충전없이기기를이용할수있도록접속기기를개발하고있다. 다음으로저가단말기공급측면에서살펴보면, 저전력장거리통신접속기기의대다수 ARPU(Average Revenue Per User) 가매우낮기때문에일반적으로기기당 5 USD 이하의가격으로공급할필요가있다. 또한구축비용측면에서도초기구축비용및운영비용을최소화해야한다. 따라서저전력장거리통신망의경우에는단순한네트워크구축이필수적이며시스템업그레이드는새로운하드웨어가추가되는방향보다는간단한소프트웨어의업그레이드를통해가능하도록설계되고있다 (NOKIA, 2015). 사물인터넷서비스제공을위해서안정적인커버리지확보는저전력장거리통신기술의중요한요구사항중하나이다. 일반적으로전기및난방을측정하는스마트검침기기의경우지하실또는두꺼운벽뒤에설치되는경우가대부분이다. 또한산업용도의경우컨베이어벨트또는엘리베이터안에접속기기가설치될수있기때문에안정적인커버리지확보를통한데이터송수신이필수적으로보장되어야한다 (NOKIA, 2015). 마지막으로고려해야할측면은대규모단말기접속구현이다. 앞에서살펴본바와같이 NOKIA(2015) 는 2025년까지저전력장거리통신접속기기가약 70억개까지증가할것으로추정하고있다. 따라서미래에는상당히많은수의접속기기가동시에접속하고데이터를공유할것이다. 이에따라저전력장거리통신기술의경우향후얼마나많은수의접속기기를동시에수용할수있는가가중요한기술적이슈가될것이다. 6
[ 그림 4] 기존이동통신서비스, LTE-MTC, 저전력장거리통신기술의배터리수명비교 주 : 데이터전송속도가낮을수록단말기의전력소모가일반적으로낮으며, LTE- MTC의경우관련표준이향후지속적으로개발될경우저전력장거리통신기술 (LPWA) 수준으로접속기기의배터리수명이증가할수있을것으로예상됨자료 : Analysis Mason(2015) 2. 동향 저전력장거리통신서비스 (LPWA) 는기존의이동통신네트워크망을활용하는것이아니라비면허주파수대역을활용하여독자적인저전력사물인터넷통신망을구축한다. 일반적으로유럽의경우는 868MHz 대역, 미국의경우는 915MHz 대역을활용중인것으로알려져있다. 현재활용가능한서비스로는 SIGFOX 社의 SigFox와 LoRa Alliance에서제공하는 LoRaWAN(Long Range Wide Area Network) 이있으며, 기존의전송표준인 ZigBee, Wi-Fi, Bluetooth와달리사물인터넷서비스에적합하도록진화되었다 (SIGFOX, 2015). 저전력장거리통신서비스는안정적인커버리지확보를위해일반적으로 1GHz 이하대역을활용하고있다. 1GHz 이하저대역의경우고대역의주파수에비해회절성이높아장애물이많은생활 산업환경에서서 7
비스제공이용이하며, 상대적으로고대역에비해커버리지가넓어사물인터넷망의 구축비용을절감할수있는장점이있다. < 표 1> 저전력장거리통신서비스기술적특징비교 SigFox LoRaWAN 커버리지범위 ( 외부 ) < 13km < 11km 주파수이용대역 비면허 8~900MHz 대역 비면허 8~900MHz 대역 전송속도 < 100bps < 10kbps 배터리수명 > 10년 > 10년 자료 : NOKIA(2015) [ 그림 5] SigFox 서비스예 자료 : SIGFOX(2015) 8
SigFox의경우상용화가지속적으로확대되고있는추세이다. SigFox가제공하는사물인터넷서비스를살펴보면기기당하루최대 140개의메시지송수신이가능하며, 일반적으로메시지의사이즈는 12 bytes 수준이다 (SIGFOX, 2015). 또한기기의특성에따라다양한요금제가제공되고있으며 1년당최소 1 USD에서최대 12 USD 수준의요금제를제공하고있다. 또한 SIGFOX 社는영국의방송송출업체인 Arquiva 社와협력하여방송네트워크망을이용한사물인터넷서비스를영국 10대대도시에제공중이다 ( 신동형, 2015). [ 그림 6] LoRaWAN 서비스예 출처 : Rutronik 홈페이지, https://rutronik-tec.com/lora/ 9
LoRaWAN 의경우다국적연합체인 LoRa Alliance 에서기술개발을주도하고있으며, 해당연합에는네덜란드사업자인 KPN, 스위스의스위스콤등의이동통신사업자및주요하드웨어, 소프트웨어업체가참여하고있다 (SKT 블로그, 2015. 7). SKT는지난 2015년 7월 LoRa Alliance에가입하여기술개발에참여하고있으며, 향후 스마트홈연동개량기개발, 자전거관제및위치추적솔루션, 빅데이터를통한상권분석, 스마트가로등관제 와같은서비스의시범사업을확대할예정이다 (SKT 블로그, 2015. 7). < 표 2> 국가별 LoRa 서비스활용가능주파수대역 주파수대역 유럽북미중국일본인도자료 : LoRa Alliance(2015) 867 869MHz 902 928MHz 470 510MHz 920 925MHz 865 867MHz Ⅲ. LTE-MTC(Machine Type Communications) 1. 개요 LTE 기술은주파수분할기술 (FDD) 및시간분할기술 (TDD) 을동시에제공할수있으며, 단말기와기지국간에 1ms 시간이내에데이터송수신이이루어진다. 이와같은짧은시간의데이터송수신으로인해이용자에게우수한서비스품질을제공할수있다. 기술적으로 3GPP Release 12에서는저단가 (low cost) 통신기술이구현되었으며, Release 13에서는 Release 12에서비해커버리지를향상시켰으며, 저전력소모기술을바탕으로단말기의복잡도를대폭낮추었다. 간략하게살펴보면 Release 12에 10
서는기존의 LTE 서비스의업링크 / 다운링크요구폭을 1.4MHz 폭으로크게낮추었으며, 최대전송출력을 20dBm 수준으로구현하였다. 3GPP Release 13에서는 Release 12에비해업링크 / 다운링크요구폭을 200kHz 수준으로낮추었다. 이와같은요구폭의감소는소비전력을줄일수있어사물인터넷접속기기의배터리수명을증가시킬수있는장점이있다 (NOKIA, 2015). [ 그림 7] LTE-MTC 소비전력감소기술 < 기존 LTE 기술 > 단말기는데이터전송을위해네트워크에미리신호를보내야함 <LTE-MTC 기술 > 단말기는네트워크에등록된채로남아있으며, Power Saving 기술을통해전송모뎀작동을위한 신호발생빈도를줄임 자료 : Qualcomm(2014) 11
LTE-MTC 의경우도저전력장거리통신과유사하게저전력소모설계, 저가장비공급, 낮은구축비용, 안정적커버리지제공, 대규모의단말기접속구현등이핵심설계요구사항으로고려되고있다 (NOKIA, 2015). 우선배터리측면에서는 3GPP Release 12에서상당한수준으로기술이진보하였다. 3GPP Release 12에서는사물인터넷서비스를위한 Power saving 모드구현및기존 LTE 서비스에서비해데이터송수신에필요한주파수요구폭을상당히줄여저전력소모설계를가능하도록하였다. 저가장비공급측면에서는관련표준의최적화가중요한이슈로고려되고있다. 3GPP에서제안한 Release 12와 Release 13의최적화를통해사물인터넷서비스를제공해야하며, 관련기술생태계의구축을통해장비의가격을낮추는노력이필요하다. 또한 LTE-MTC 의경우에도앞에서소개한저전력장거리통신과동일하게안정적커버리지제공및대규모의단말기접속구현이중요한기술적이슈이다. [ 그림 8] 기존의 LTE 서비스와 LTE-MTC 의차이 자료 : Qualcomm(2014) LTE-MTC 의이해를위해서는저전력장거리통신과의비교뿐만아니라기존의 LTE 서비스와의비교가필요하다. LTE-MTC 기술은 LTE 서비스에비해전송속도 12
및주파수이용폭을줄이고, Power Saving Mode 등의도입을통한저전력설계를바탕으로단말기의긴배터리수명을보장할수있다. 또한전송속도를크게줄여, 통신모뎀의복잡도를대폭감소시켰기때문에저가단말기구현이가능하다. 또한다중안테나 (MIMO) 기술이아닌단일안테나기술이적용할수있기때문에소비전력을최소화할수있다 (Qualcomm, 2014). LTE-MTC 는기존 LTE 네트워크를그대로활용할수있어, 기존 LTE의넓은커버리지를추가적인투자없이그대로사용할수있는장점이있다. 기존 LTE 네트워크사용시, 사물인터넷서비스는매우짧은시간에저용량데이터를송 수신하기때문에기존트래픽처리에거의영향을미치지않는다. Qualcomm(2014) 의분석에따르면 LTE-MTC 에의한트래픽점유는기존트래픽에 0.1% 미만으로추정하고있다. 따라서 LTE-MTC 기술은기존 LTE 데이터트래픽에영향을최소화하면서사물인터넷서비스를제공할수있을것으로판단된다. [ 그림 9] LTE 서비스와 LTE-MTC 서비스의공존 자료 : Qualcomm(2014) 13
2. 동향 LTE-MTC 의표준화동향을살펴보면기존의 3GPP Release 10/11에서는주로사물인터넷기기들이동시에기지국에접속을요청하는경우를고려하여망부하를최소화하는것에중점을두었다면, 최근연구되고있는 3GPP Release 12/13에서는단말기의기능을최소화하여긴배터리수명을보장하는것이핵심이다 ( 안승진외, 2015). 우선 3GPP Release 12는 2015년 3월표준화를완료하였으며, 기존의표준보다전송속도를크게낮추는방법으로단말기의전력소모를줄였다. 특히 UE Category 0이라는개념을도입하여전송속도를 1Mbps로제한하였으며, 안테나를 1개만사용할수있도록한것이특징이다. 또한, 송 수신을동시에하지않고특정시간동안만송신하거나수신할수있어 FDD에서도 TDD처럼동작할수있다 ( 안승진외, 2015; NOKIA, 2015). < 표 3> 3GPP UE Category UE Downlink Uplink UE Downlink Uplink Category ( 하향속도 ) ( 상향속도 ) Category ( 하향속도 ) ( 상향속도 ) 0 1Mbps 1Mbps 7 300Mbps 100Mbps 1 10Mbps 5Mbps 8 3Gbps 1.5Gbp 2 50Mbps 25Mbps 9 450Mbps 50Mbps 3 100Mbps 50Mbps 10 450Mbps 100Mbps 4 150Mbps 50Mbps 11 600Mbps 50Mbps 5 300Mbps 75Mbps 12 600Mbps 100Mbps 6 300Mbps 50Mbps 13 400Mbps 50Mbps 주 : 2015년 1월기준이며향후표준발전현황에따라 UE Category가추가될수있음 자료 : 안승진외 (2015) 3GPP Release 13 은 2016 년 3 월완료를목표로표준화를진행하고있으며, 기존의 표준과달리기지국의주파수밴드폭과상관없이단말에서작동이가능하며, 특히 14
1.4MHz 폭에서도동작이가능하다. Release 12에서는전송속도를낮추는것에중점을두었다면, Release 13에서는주파수요구폭을줄이는것에목적을두고있다. 이론적으로주파수의대역폭이클수록 RF나모뎀의전력소모가크기때문에대역폭을줄여단말의전력소모를최소화하는것이핵심이다. Narrowband(NB) Release 13에서는 1.4MHz 폭보다주파수밴드요구폭을더줄여 200kHz 폭에서작동할수있는협대역 LTE-MTC 표준을추가적으로연구중이다. 1.4MHz 폭에비해주파수밴드폭이더욱더작아지기때문에보다효율적인전력활용이가능할것으로예상된다 ( 안승진외, 2015; NOKIA, 2015). < 표 4> 최신 LTE-MTC 기술표준비교 Release 12 Release 13 Release 13 Cat.0 Cat. 1.4MHz Cat. 200kHz 다운링크속도 1 Mbps 1Mbps 200kbps 업링크속도 1 Mbps 1Mbps 144kbps 안테나수 1 1 1 Duplex 모드 Half Duplex Half Duplex Half Duplex 단말기수신밴드폭 20MHz 1.4MHz 200kHz 단말기전송출력 23dBm 20dBm 23dBm 자료 : NOKIA(2015) LTE-MTC 의경우저전력장거리통신에비해상용화사례가현저히떨어진다. 이와같은이유는아직관련표준의개발이진행중에있으며, 이를상용화할수있는단말기보급이아직확대되어있지않았기때문이다. 2016년 2월현재기준으로 LTE-MTC 서비스를위한 3GPP 표준은 Release 12까지개발이완료되었으며향후협대역을활용할수있는 Release 13 표준개발이완료될경우 LTE-MTC 기술을활용한사물인터넷서비스의수요가점차증가할것으로예측된다. 15
Ⅳ. 결론및시사점 사물인터넷서비스는차세대이동통신서비스의생태계구축을위한중요역할을수행할것으로기대되고있으며, 특히주요사업자및전문가는사물인터넷서비스를이동통신산업의지속가능성장을견인하는핵심적인역할을수행할것으로예측하고있다. 사물인터넷서비스의원활한제공을위해서는콘텐츠의지속적인개발뿐만아니라사물인터넷접속기술도중요한이슈로거론되고있다. 특히접속기술의핵심요구사항으로는저전력소모설계, 접속기기의긴배터리수명, 낮은단가의장비및단말기보급, 구축비용의최소화, 안정적인커버리지확보, 대규모의접속환경구현등이제안되고있다 (NOKIA, 2015). 본고에서는사물인터넷접속기술로저전력장거리통신기술 (LPWA) 과 LTE- MTC(Machine Type Communications) 기술을소개하였다. 우선저전력장거리통신기술은비면허대역주파수를활용하여독자적인사물인터넷망을구축하는것이특징이며, LTE-MTC 기술은기존의이동통신네트워크를활용하여사물인터넷서비스를제공하는것이특징이다. 최근사물인터넷서비스는기존이동통신사업자및시장에새롭게진입하고자하는벤처기업에게새로운비즈니스환경을제공하고있다. 이에따라사물인터넷시장에진입하고자하는사업자는사물인터넷접속기술의특징을적절히고려하여자신의비즈니스모델을구현할필요성이있다. 또한 LTE-MTC 의경우는관련표준의개발현황을고려해야한다. 현재 2016년 2 월기준으로, 3GPP Release 12까지개발이완료되었으며올상반기까지 3GPP Release 13의개발이완료될예정이다. 3GPP Release 12는데이터전송속도를크게낮춤으로써기기의배터리수명을높였고 Release 13에서는주파수요구폭을대폭감소시켜단말기의복잡도및전력소모를크게줄였다. 아직까지 LTE-MTC 기술은저전력장거리통신기술에비해상용화사례가현저하게적으나향후관련표준의개발이완료될경우상용화사례가지속적으로증가할것으로예상된다. 16
참고문헌 고정길 (2013), Realizing the Internet of Things(IoT) with Smart Device Platforms, 발표자료. 안승진 이주희 이창재 (2015), 3GPP의 Enhanced MTC(M2M, IoT, Wearable) 기술동향, TTA Journal, 2015. 5. 신동형 (2015), 저성능 의 소물 인터넷이 IoT의지형을넓힌다, LG Business Insight, 2015. 2. 4. 미디어스 (2015. 5. 28), 사물인터넷 (IoT) 에최적화된 LTE 기술도있다, 오피니언기고 & 칼럼. SKT 블로그 (2015. 7), SK텔레콤, 소물인터넷 시범사업본격추진. Analysis Mason (2015). For IoT, CSPs May Need Multiple Networks, Each Optimised for a Different Use Case. LoRa Alliance (2015). A Technical Overview of Lora and LoraWAN, White Paper. NOKIA (2015). LTE-M-Optimizing LTE for the Internet of Thing, White Paper. SIGFOX (2015). M2M and IoT Redefined through Cost Effective and Energy Optimized Connectivity, White Paper. Qualcomm (2014). LTE MTC: Optimizing LTE Advanced for Machine-Type Communications, Presentation Material. 17