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Ⅰ. 서론전기, 가스, 수도등의검침과같이이동성서비스의품질이중요하지않고, 지연에민감하지않은소량의데이터를전달하기에적합한저전력- 광역 IoT 네트워크의필요성이확대되고있다. 사물간통신대상의서비스는, 기존이동통신망서비스의주요대상과는다르게, 단말의숫자가기존의서비스에비해훨씬많음에도불구하고, 사용자데이터의양은시그널링을위한데이터의양과비교될정도로적다. 또한, 이단말들은전원이공급되지않는곳에설치되어, 극히제한된배터리자원만으로장시간또는기기의수명이다할때까지안정적으로동작해야하는경우도있다. 따라서 WiFi 나 LTE 와같은고속 / 대용량의통신기술보다는배터리소모특성에최적화되어보다넓은영역에대해서비스가가능한 LPWA 네트워크기술이주목받고있다. 초기 LPWA(Low Power Wide Area) 기술은 Sigfox, LoRaWAN 과같이비면허대역의독자기술로시작하여, 면허대역의 MTC디바이스를위한 LTE-M 이제공되고, 이어서 2016 년 6월에 LTE 를 LPWA 응용에최적화한 NB-IoT 규격을통해면허대역에서도 LPWA 네트워크서비스를제공할수있게되었다. 본고의구성은다음과같다. Ⅱ장에서는비면허대역의 LPWA 네트워크기술동향, Ⅲ장에서는면허대역의 LPWA 기술, Ⅳ장에서는 LPWA 와관련하여최근진행중인표준화동향을정리한다. 그리고 Ⅴ장에서마무리 를한다. Ⅱ. 비면허대역 LPWA 기술동향 1. Sigfox 가. 개요 Sigfox 의 one-contract one-network 정책에따라단말은모든게이트웨이를통한접속이가능하여이동성지원을위한로밍이필요없다. 처음유럽에서시작된유럽기준 (ETSI) 의기술을미국기준 (FCC) 에적용하여, 미국 (FCC) 과유럽 (ETSI) 에서서로다른대역폭과데이터전송률특성을나타낸다. Sigfox 의무선인터페이스는단말의저전력특성을위한상향통신에최적화되어, 단말은송신할데이터가있을때까지무제한 sleep 이가능하며, 필요한경우에만상향데이터를발생한다. 하향통신은상향통신이후에만가능하다. 이때의상하향프레임포멧은 ( 그림 1) 과같으며, payload 의크기는상향이 12 바이트, 하향이 8 바이트이다. 또한, 비인가대역규제에의한비대칭채널특성때문에하루에사용할수있는최대의상향과하향메시지의수는각각 140개와 4개로제한된다. 현재프랑스, 스페인, 포르투갈, 네덜렌드, 룩셈부르그, 아일랜드에 Sigfox 로공중 LPWA 네트워크가전면설치되었고, 일본, 독일등의다수국가에도설치될예정이다. 현재다양한응용에적용되어있으며, 서비스에 박태준외 / LPWA 기반 IoT 전용네트워크기술동향 47
따라 payload 크기는, GPS좌표에 6바이트, 온도 보고 재전송한다. 따라서 매체 확인을 위한 에너지 소모가 없 서비스에 2바이트, 속도보고와 물품상태보고에 1바이 고, 시간 동기가 필요하지 않기때문에 비컨이 없으며, 트, 생존여부 표현에 0바이트 등을 사용하고 있다. 오실레이터의 정밀도에 대한 엄격한 제한이 없어지는 장점이 있다. 나. Sigfox PHY 단말 소비 전력의 최적화를 위하여, 상향 데이터를 위 한 단순한 구조의 UNB(Ultra Narrow Band) 물리계층 기술을 적용하여, 100Hz의 대역폭으로 BPSK 모듈레이 2. LoRaWAN 가. 개요 LoRaWAN의 게이트웨이는 단말과 네트워크 서버 사 션을 사용하여 broadcast한다. 송신시 100Hz에 비해 충 이에서 단순 메시지 전달기능으로서 star-of-stars 구 분히 넓은 대역에서의 FH(Frequency Hopping)과 반복 조이다. (그림 2)와 같이 이 구조는 단말에서 게이트웨 전송으로 송신 신뢰성을 개선한다. 이까지의 LoRaWAN 무선 인터페이스가 종단되고, 프 송수신 신호의 대역이 작을수록 오실레이터의 정밀 로토콜은 네트워크 서버에서 종단된다. 따라서 복수의 도가 중요하다. 특히 UNB와 같이 아주 작은 대역의 신 게이트웨이가 네트워크 서버에 접속되며, 단순 메시지 호에 대해서는 높은 정밀도가 요구되어 단말 가격에 부 전달기능을 위한 IP forwarding으로 연결된다. 최대 담요소가 될 수 있다. Sigfox는 비대칭 구조의 LPWA네 MAC payload의 크기는 비면허대역의 특성을 고려하여 트워크 특성을 이용하여, 단말은 임의 주파수로 상향 데 250바이트를 넘지 않는다. 이터를 송신하고, 기지국이 SDR(Software Defined Radio) 개념을 활용하여 수신신호를 검출한다. 기지국 은 상향 데이터 수신으로 검출한 주파수로 하향 데이터 를 송신하여 주파수 동기의 문제를 해결한다. Sigfox 하 향 데이터는 GFSK를 적용하여 단말의 부담을 최소화 하였다. 다. Sigfox MAC UNB 노드는 ALOHA 프로토콜과 유사하게 채널 점 유에 대한 확인없이 송신한다. 둘의 차이는 연속적인 시 나. LoRaWAN PHY 간과 주파수 영역에서 Random access를 한다는 것이 LoRaWAN은 LoRa alliance의 규격으로서, 물리계층 다. 이때 신뢰도 개선을 위해서 서로 다른 주파수로 3번 은 semtech사의 LoRa칩 규격을 따른다. LoRaWAN 48 전자통신동향분석 제32권 제1호 2017년 2월
920.9MHz 부터 923.3MHz 를규격에반영하고있다. < 표 3> 의적색점선사각형은우리나라에서 LoRaWAN 서비스를제공하는 SKT 에서사용하는주파수채널을나타낸다. 다. LoRaWAN MAC PHY 의 CSS(Chirp Spread Spectrum) 기술은레이더에사용되던고전적인 CSS 기술을통신에활용한것으로서, 프랑스회사에서개발한기술을 semtech 사에서인수하여 LoRa 로사업화하였다. 이기술은 Sigfox 의 UNB 기술과는대비되는접근방법으로서 DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum) 와같이데이터전송률보다훨씬넓은대역을사용하여장거리전송에필요한수신감도에대한제한을완화한다. 심볼을수신부와동일한시퀀스로확산하는 DSSS 의경우와달리, CSS 기술은하나의심볼의전송중에지속적인반송주파수변화를통해확산효과를얻는다. < 표 2> 는 LoRa 모뎀의확산에따른성능예이다. 900MHz 대역비인가주파수대역에대한대한민국의규정에의하면 917MHz 부터 923.5MHz 의대역을허가없이사용할수있는데, LoRaWAN 은 < 표 3> 과같이 LoRaWAN 의 MAC 은저전력과응답특성에따라선택할수있는 class A/B/C 의 3종으로구성된다. Class A는 Sigfox 와유사한특성으로서, 단말의저전력특성극대화를위해단말주도의상향통신에최적화되어있다. 단말은송신할데이터가있을때만상향데이터를발생하고, 하향데이터는상향데이터를수신한경우에만가능하며, 상향데이터수신후일정시간후미리정의된채널로하향데이터를송신한다. ( 그림 3) 은 Class A 방법을설명한그림으로서, 단말데이터송신후 RECEIVE_DELAY1 시간이경과하면상향채널과동일한 RX1 채널을통해하향데이터송신이시작되고, RECEIVE_DELAY2 시간이경과하면별도지정된 RX2 채널 ( 한국은 921.90MHz/DR0(SF12, 125KHz)) 을통해하향데이터를송신할수있다. 이방법은 Sigfox 와동일하게, 단말의상향데이터전송시도가없으면, 기지국은하향데이터를전송할수없다는단점이있다. Class B는 Class A의단점을보완하여, 하향데이터송신을위한별도의창을추가하여, 예정된시각에서기지국이주도하는하향데이터통신이가능하도록하였다. 또한, 저전력과주기적인하향데이터유무확인을위한저전력을위해단말과게이트웨이간동기를위한 박태준외 / LPWA 기반 IoT 전용네트워크기술동향 49
비컨을사용한다. Class C는상하향데이터송수신창을항상열어둔상태로서, 송신하지않는순간에는늘수신이가능하다. 이방법은가장많은전력을소모하는방법으로서전원이공급되는단말에적용한다. LoRaWAN 규격에정의된채널접근방법은비인가주파수대역에대한나라별규정에따라서대부분 duty cycle 조건을따르나, 우리나라대역은 LBT 조건을따른다. 3. RPMA-Ingenu RPMA(Random Phase Multiple Access) 는 On- Ramp Wireless 사의독자개발기술로서, 2015 년 Ingenu 로사명을변경하고, 32개핵심특허기반의유일한생산자이면서유일한공급자로서독자적인사업을진행하고있다. RPMA 는 2.4GHz ISM밴드를사용하는 DSSS 기반의 Slotted ALOHA 프로토콜을적용한기술로서, 송신을위해코딩된데이터는 Gold Code 로확산하여송신한다. Gold Code 의확산계수는 2k(2 k 13) 이다. 상하향통신은반이중통신으로에너지제약이없는하향통신은보다높은출력을사용할수있어서, 하향에비해작은 SF를적용한다. ( 그림 4) 와같이각디바이스에대한송신시간에대한지연으로 random multiple access 를수행한다. Random 지연을통해각기다른시간에도착한신호 들에대해, gold code 특성을활용하여각각의신호들을수신한다. Ⅲ. 면허대역 LPWA 기술동향면허대역 LPWA 기술은 < 표 1> 과같이, MTC 디바이스를위한 LTE 기술인 LTE-M, GSM 확장인 EC- GSM 그리고 LTE 기술을저전력디바이스에최적화한 NB-IoT 등세가지유형의표준화된기술로구분할수있다. 특히 NB-IoT 는 LTE 기술을활용하여만들었으나, LTE 에대한후위호환성을제공하지않으므로 LTE 와는다른새로운기술이라고할수있다. 다음 < 표 4> 는 Release 8, LTE Cat-4(50/150 Mbps rate) 의모뎀복잡도를 100% 로가정할때의각버전간의복잡도를비교한다. 1. LTE-M(LTE-Cat. M1) 비면허대역 LPWA 기술만이적용가능한상황에서 LTE 기술을 MTC 디바이스요구사항에최적화하여최근까지가장현실적인대안으로제시된면허대역 LPWA 기술이다. 이기술은 LTE 기술및주파수자원의재활용이가능하고, OFDM 기반의향상된신뢰성이가장큰장점이다. 그러나여전히 LTE 기술의주요특성을유지하고있어서복잡한제어체계적용에따른 SW 복잡도, 망운용비용증가와저속서비스에최적화되지않은고비용기술 (OFDM) 사용그리고높은신규서비스 / 시장진입장벽이단점으로제시된다. 2. NB-IoT(LTE-Cat. NB1) 3GPP 의 NB-IoT 에대한본격적인작업이 2015 년에 50 전자통신동향분석제 32 권제 1 호 2017 년 2 월
시작되어, 2016 년 6월에핵심규격이완성되었다. 상용제품과서비스는 2016 년말또는 2017 년초에공급이가능할것으로예측하고있다. 이와같이빠른진행이가능한것은기존 LTE 기술의재활용을통해새로운규격과장비개발을위한시간을대폭줄일수있었기때문이다. 완성된 NB-IoT 표준은 MTC 디바이스를위한 NB- IoT 요구사항만족을위하여, 하향 OFDMA, 상향 SC- FDMA, 채널코딩, 인터리빙등기존의 LTE 기술을폭넓게재활용하고, 무선인터페이스를통한시그널링오버헤드의최소화, 적절한보안 (security), 배터리수명개선을위한접속상태 UEs 에대한핸드오버제한등 LTE-Advanced 와관련된많은기능들은제외하였다. NB-IoT 는지연에민감한데이터를서비스대상에포함하지않기때문에지연과관련된 QoS 에대한개념도존재하지않는다. 따라서실시간 IMS와같이전송률보장을필요로하는서비스도제공하지않는다. NB-IoT 를통해모든유형의응용에대하여단일의무선인터페이스로최고의성능을추구하던 LTE 기술정책이, 지연에민감하지않은작은데이터패킷은별도로분리하여최적화된무선인터페이스를제공하는정책으로변화하게되었다. ( 그림 5) 와같이 NB-IoT 물리계층은 stand alone 동작, guard band 동작, in-band 동작모드등세가지모드가제공된다. NB-IoT 프로토콜스택은 LTE 를기본으로하되, MTC 디바이스를위한요구에맞춰최소화하고, NB- IoT 를위한필요기능을보완하였다. 이과정에서 LTE 의검증된구조와절차가재사용되고사용되지않는특성은제거되었다. 그리하여프로트콜스택은 NB-IoT 를위해최적화된 LTE 의형상으로볼수있다. Release 13의 NB-IoT 기술은, MTC 요구사항에최적화하여 3GPP 에서새롭게만든무선인터페이스이다. 드물게발생하는작은패킷에최적화되고, 이특성에맞지않는이동성관리기능은제거되었다. 이러한방법으로배터리소모량을최소화하고가격경쟁력을높였다. Release 14에서 NB-IoT 를위한측위, multicase service 등의확장을위한노력은계속진행될예정이다 [12][13]. Ⅳ. LPWA 표준화동향 1. IETF LPWA 표준화동향 IETF LPWAN WG은 2016 년 10월 14일결성되었으며, 현재 < 표 5> 의진행일정으로표준화를진행하고있다. 최근주요활동은 LPWA 와관련된기술들을소개하며 IETF 의역할이필요한공통의특성과실질적인필요성을확인하는 Informational 문서와 LPWA 네트워크를통한 CoAP/UDP/IPv6 packet 전달을위한 compression 과 fragmentation 을가능하도록하는 Standards Track document 를생산한다. 특별히이작업은자원제약디 박태준외 / LPWA 기반 IoT 전용네트워크기술동향 51
바이스로구성되는성상의네트워크구조를대상으로한다. 현재 9개의 draft 문서가있으며, 8개는 informational 문서이고, 1개가 standard track 문서이다. WG 의 standard-track 작업결정을위해, LoRaWAN, NB- IoT, Sigfox, Wi-SUN 와같은기존의 LPWA 기술등충분한배경정보를제공하고, 기존 IETF protocol stack 과통합에대한 gap 확인을목적으로 8개의 informational 문서와, 6LowPAN fragmentation header 조차도감당할수없는극한의 LPWAN 에최적화된 fragmentation header 에대한 standard track 문서등 9개의 draft 문서에대한논의가진행되고있다. LoRaWAN, NB-IOT, Sigfox 등의 LPWA 네트워크기술들이서로유사한 architecture 이면서도서로다른용어를사용하고있다. ( 그림 6) 의전형적인 LPWA 네트워크구성요소들에대한용어들을 < 표 6> 으로정리하였다. Ÿ Host: sensor 나 actuator 와같이디바이스나 thing, Gateway 에접속 Ÿ Radio Gateway: 대규모 host 의무선접속지점 Ÿ Network Gateway(Router): Radio Gateway 가 Internet 연결을위해거치는교차점 Ÿ AAA Server: 사용자인증을위한서버 Ÿ Application Server: 네트워크의응용을위한서버 2. IEEE LPWA 표준화동향 IEEE802.15 working group 은 2016 년 9월회의에서 LPWA 응용에대한적합성검증및백서작성을목적으로 IG LPWA 를신규결성하였다. 검증의대상은 IEEE 표준뿐만아니라모든후보기술들이포함되며, 작성된백서는새표준개발여부를판단하기위한근거로활용할예정이다. 2016 년 11월회의에서는 IG 목표를최종확정하고, 응용예와미국과유럽의비면허대역주파수사용에대한규제에대해논의하였다. 서로다른표준과기술을잘비교하기위해서는잠재적으로중요하게사용될예를잘정의하는것이중요하다. 또한, 나라와지역에따라다른비면허대역주파수에대한규제를잘이해하는것도중요하다. 미국의 FCC 와유럽의 ETSI 에대해검토되었고, 다른지역, 국가에대한도움도기다리고있다. 향후일정은 2017 1월회의에서 usage scenarios 와 channel models 확정및 evaluation criteria 에대해논의하고, 2017 3월회의에서 evaluation criteria 확정및 LPWA 기술적인사양에대해논의하며, 2017 년 7월회 52 전자통신동향분석제 32 권제 1 호 2017 년 2 월
의에서 IG 보고서에대해최종적으로논의할예정으로, 이전의신규표준개발을목적으로하던활동에비해상 당히빠르게진행되고있다. 참고문헌 standards body overseeing wireless cellular standards Ⅴ. 결론지연에민감하지않은소량의데이터를전달하기에적합한 LPWA 네트워크기술이주목받고있다. Sigfox, LoRaWAN 등비표준의비면허대역중심의기술을중심으로개발및확산이진행되고있으며, 최근에는 MTC디바이스를위한 LTE-M 과, LPWA 응용에최적화된 NB-IoT 의규격화완료로면허대역에서의다양한 LPWA 네트워크서비스를제공할수있게되었다. 본고에서는대표적인비면허대역의 LPWA 네트워크기술과면허대역의 LPWA 기술에대해알아보고, 최근진행중인 LPWA 표준화동향을정리하였다. 약어정리 CSS Chirp Spread Spectrum DSSS Direct Sequence Spread Spectrum FH Frequency Hopping UE User Equipment UNB Ultra-narrow band LPWA Low Power Wide Area network LTE Long Term Evolution(So called 4G wireless) MTC Machine-Type Communication NB-IoT Narrow Band IoT, a new clean slate narrow band wireless standard in R13 3GPP SDR Software Defined Radio 3GPP 3rd Generation Partnerships Project, [1] LTE Evolution for IoT Connectivity, Nokia white paper, June 2016. [2] J.C. Zuniga and B. Ponsard, Sigfox System Description, LPWAN@IETF97, Nov. 14th, 2016. [3] LoRaWAN What is It, LoRa Alliance, Nov. 2015. [4] SX1272/73-860 MHz to 1020 MHz Low Power Long Range Transceiver datasheet, Semtech, June 2013. [5] LoRaWAN Regional Parameters-LoRaWAN1.0.2, July 2016. [6] LoRaWAN specification 1.0.2, 2016. 7. [7] D. Howard and T. Myers, Dynamic Direct Sequence Spread Spectrum Proposal 802.15.4TG4g SUN, 15-09- 0356-01-004g-dynamic-dsss-draft-proposal-for-sunpresentation. 2009. 5. 6. [8] D. Maidment, Michal Stala, and M. Midholt, LTE Cat-M, A Cellular Standard for IoT, ARM white paper, 2016. [9] A. Ratilainen, NB-IoT presentation for IETF LPWAN, LPWAN@IETF97, Nov. 14th, 2016. [10] IETF LPWAN WG, https://datatracker.ietf.org/wg/lpwan/ charter/ [11] A. Minaburo and C. Gomez, draft-minaburo-lpwan-gapanalysis-02, LPWAN@IETF97, Nov. 14th, 2016. [12] Ericsson, New WI proposal for L1/L2 emtc and NB-IoT Enhancements, RP-160878, 3GPP TSG RAN Meeting #72, June 201 6. [Online]. Available: http://www.3gpp.org/ ftp/tsg_ran/tsg_ran/tsgr_72/docs/rp-160878.zip [13] Vodafone, Huawei, and HiSilicon, NB -IoT enhancements Work Item proposal, RP -160813, 3GPP TSG RAN Meeting #72, June 2016. [Online]. Available: http:// www.3gpp.org/ftp/tsg_ran/tsg_ran/tsgr_72/docs/rp - 160813.zip 박태준외 / LPWA 기반 IoT 전용네트워크기술동향 53