삼성전자의 조성연님이 보내주신 Cellular IoT 관련 기고글입니다. 바쁘신 와중에 유익한 기고글을 보내주신 조성연님에게 감사드립니다.

 

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이번 기고에서는 Internet of Things (이하 IoT) 표준 기술을 3부로 다루고자 한다.

 

1부에서는 IoT를 실현하기 위한 표준 기술에 대한 개요와 cellular IoT의 등장 배경을 설명하고,

2부에서는 이동 통신 표준 단체인 3rd Generation Partnership Project(이하 3GPP)에서 2009년경부터 표준화한 IoT 관련 표준 기술들을 설명한 후,

마지막으로 3부에서 3GPP에서 최근에 표준화한 Narrow Band(NB)-IoT에 대하여 설명한다. 

IoT를 실현하기 위한 표준 기술에 대한 개요를 설명하기 위하여 IoT 서비스를 실현시키는 IoT 구성 엔티티인 IoT 디바이스, IoT 서버, IoT 사용자/관리자 단말들이 사용하는 IoT 기술들을 레이어 관점에서 블록화하여 표시하면 아래 그림 1과 같다.   
 

 
그림 1. IoT 서비스를 실현시키는 IoT 구성 엔티티인 IoT 디바이스, IoT 서버, IoT 사용자/관리자 단말들이

사용하는 IoT 기술 블록들 

IoT 구성 엔티티들인 IoT 디바이스, IoT 서버, IoT 사용자/관리자 단말은 그림1에서 블록화하여 표시한 IoT 응용 어플리케이션 블록, IoT 프레임워크 블록, IoT 통신 블록을 사용한다.

 

사용되는 블록의 역할을 간략히 살펴보면, IoT 응용 어플리케이션 블록은 IoT 구성 엔티티들내에서 IoT 통신 블록과 IoT 프레임워크 블록을 이용하면서 최상위 레이어로 실행되면서 IoT 서비스를 위한 응용 서비스 고유의 로직을 처리하는 역할을 수행한다. 스마트폰으로 설명하면 앱과 같은 역할이다.

 

IoT 응용 어플리케이션 실행의 기반이 되는 IoT 프레임워크 블록은 동일한 IoT 엔티티에서 실행되는 두 IoT 응용 프로그램들 사이, 또는 상이한 IoT 엔티티들에서 실행되는 IoT 응용 프로그램들 사이의 연동 동작 시 공통적이고 반복적으로 수행하는 동작을 처리하는 역할을 수행한다. 스마트폰으로 설명하면 안드로이드 플랫폼, IOS 플랫폼과 같은 역활이다.

 

그리고, IoT 통신 블록은 IoT 프레임워크 블록이 물리적으로 분리된 IoT 엔티티들인 IoT 디바이스, IoT 서버, IoT 사용자/관리자 단말들에서 실행될 수 있도록 데이터를 송수신할 수 있도록 처리하는 역할을 한다. 스마트폰으로 설명하면 LTE 통신 기능, WiFi 통신 기능, Bluetooth 통신 기능과 같은 역할이다. 

이제 위에서 간략하게 역할을 설명한 IoT 엔티티에서 실행되는 IoT 응용 어플리케이션 블록, IoT 프레임워크 블록, IoT 통신 블록을 Smart Energy에서 언급되는 총 전기 소비량에 따라서 동적으로 차등 요금이 적용되는 그림2의 실시간 동적 가격 변동 전기 요금 서비스 예를 이용하여 좀 더 자세히 이해해보자. 
 

 
그림 2. 실시간 동적 가격 변동 전기 요금 서비스 예

그림 2의 실시간 동적 가격 변동 전기 요금 서비스는 총 전기 소비량에 따라서 동적으로 차등 요금을 적용하는 서비스로 실행 과정을 간략히 설명하면 다음과 같다.

 

각 가정에 설치된 IoT 디바이스인 계량기는 각 가정의 전기 소비량을 단위 시간마다 측정하여(STEP1) IoT 서버로 보고한다(STEP2).

 

IoT 서버는 보고받은 각 가정의 전기 소비량을 저장하고 전체 가정에서 소비한 시간당 소비량 총합을 계산한 후, 생산 가능 전기량과 비교하여 이후 한 시간 동안 적용할 요금을 소비량이 많으면 비싸게 소비량이 적으면 싸게 하는 방식으로 책정한다(STEP3).

 

전기를 사용하고 전기료를 납부하는 사용자는 STEP4와 같이 IoT 사용자 단말을 이용하여 전기 요금이 너무 비싸지면 이를 집안의 에어컨에 통보하도록 IoT 서버에 설정한다(STEP4).

 

이후 그림2의 STEP1~STEP3이 반복되다가 전기 요금이 너무 비싸지면, 즉 IoT 사용자가 통보를 설정한 가격 조건이 만족되면 IoT 서버는 이를 IoT 사용자가 설정한 IoT 디바이스인 에어컨으로 통보하고(STEP5),

 

IoT 디바이스인 에어컨은 전기 사용을 줄이기 위하여 설정 온도를 높인다. 

그림2의 실시간 동적 가격 변동 전기 요금 서비스를 기반으로 그림1에서 블록화하여 표현한 IoT 디바이스 블록, IoT 프레임워크 블록, IoT 통신 블록의 역활을 좀 더 자세히 설명하면 다음과 같다. 

그림2의 STEP1과 같이 IoT 디바이스인 계량기가 시간당 전기 소비량을 읽는 것, STEP3과 같이 IoT 서버가 보고 받은 시간당 전기 소비량을 저장하고 합산하여 총량을 계산하고 이후 적용할 전기 요금을 결정하는 것, STEP6과 같이 IoT 디바이스인 에어컨이 온도를 조정하는 것은 모두 실시간 동적 가격 변동 전기 요금 서비스를 위한 고유의 응용 로직이다.

 

이러한 특정 IoT 서비스를 위한 고유의 응용 로직은 그림 3과 같이 각 IoT 엔티티의 최상위에서 실행되는 IoT 어플리케이션 블록에 의하여 처리된다. 
 

그림 3. IoT 기술 블록들에 의한 실시간 동적 가격 변동 전기 요금 서비스 예 실행 과정 

앞에서 설명한 그림2의 STEP1, STEP3, STEP6과 달리,

 

IoT 디바이스인 계량기가 시간당 전기 소비량을 IoT 서버로 보고하는 것(STEP2),

 

IoT 사용자/관리자가 IoT 사용자/관리자 단말을 통하여 정해진 전기 요금에 도달하면 IoT 디바이스인 에어컨으로 통보하도록 IoT 서버에 요청하는 것 (STEP4),

 

그리고 설정에 따라 정해진 전기 요금에 도달하였을 때, 이를 IoT 디바이스인 에어컨에 통보하는 것(STEP5)은

 

상이한 IoT 엔티티들에서 실행되는 IoT 응용 프로그램 블록들의 연동을 필요로 한다.

 

이러한 IoT 응용 프로그램 블록들의 연동에는 IoT 응용 프로그램과 달리 어떤 IoT 서비스인지와 무관하게 사용되는 정형적인 오퍼레이션들이 있다.

 

그림2의 STEP2, STEP4, STEP5에서도 사용된 IoT 엔티티가 다른 IoT 엔티티로 특정 정보를 보내는 것이나 특정 정보를 요청하여 받아오는 것, IoT 엔티티가 다른 IoT 엔티티에게 특정 조건이 성립되면 특정 정보를 보내 달라고 요청하는 것과 요청 받은 IoT 엔티티가 특정 정보를 포함한 통보를 보내주는 것 등이 그러한 정형적인 동작이다.

 

이렇게 IoT 서비스를 실행하기 위하여 필요한 정형적인 동작들을 처리하는 것이 IoT 프레임워크 블록이다.  IoT 프레임워크 블록은 정형적인 동작들을 처리함과 함께 그러한 동작 처리를 위하여 필요한 특정 정보와 특정 조건을 기술하는 방식도 정의하고 지원한다.

 

이러한 역활을 하는 IoT 프레임워크 블록의 대표적인 표준 기술로 oneM2M와 Open Connectivity Foundation (OCF)이 있고 표준 기술은 아니지만 이용 가능한 구글의 Android things, 애플의 HomeKit이 있다. 
 
마지막으로 IoT 통신 블록을 살펴보자. IoT 통신 블록은 물리적으로 다른 기기인 IoT 엔티티들이 IoT 프레임워크 블록을 실행할 수 있도록 IoT 엔티티들 사이의 데이터를 송수신을 지원하는 블록이다.

 

그런데, 모든 IoT 엔티티들이 IoT를 위한 특화 기능 통신 블록을 IoT 통신 블록으로 이용해야 할까?

 

IoT 를 위한 특화 기능을 가지지 않는 스마트폰이나 노트북이나 데스크탑 등에서 범용적으로 사용되는 LTE, WiFi, Bluetooth, Ethernet 등을 IoT 통신 블록으로 이용할 수는 없을까?

IoT를 위한 특화 기능을 가지지 않는 범용적으로 사용되는 LTE, WiFi, Bluetooth, Ethernet 등도 IoT 엔티티의 통신 블록에서 이용될 수 있다.

 

실제로 그림 3의 IoT 엔티티들 중 IoT 서버는 유선 통신 기술인 Ethernet 기반 IP를 사용하고, IoT 엔티티들 중 IoT 사용자/관리자 단말은 그 단말이 스마트폰인 경우 LTE 기반 IP를 사용하고 데스트탑인 경우 WiFi 또는 Ethernet 기반 IP를 사용한다.

 

IoT 통신 블록은 무엇일까?  IoT 통신 블록은 IoT 지원을 위한 특화 기능을 가진 통신 기술을 이용하는 통신 블록으로 기존에 존재하던 서버의 일종인 IoT 서버, 기존에 존재하던 사용자 단말인 스마트폰이나 노트북/데스크탑와 다른 특징을 가지는 IoT 서비스의 핵심인 IoT 디바이스들이 범용 통신 기술을 사용할 때 발생하는 여러 가지 단점들을 극복할 수 있게 해준다. 

IoT 디바이스들이 범용 통신 기술을 사용할 때 어떠한 단점들이 발생하는지 실시간 동적 가격 변동 전기 요금 서비스로 살펴 보자.  IoT 디바이스인 계량기가 매일 충전을 필요로 할 정도의 전력을 소비하는 통신 기술을 이용한다면 IoT 디바이스의 배터리를 사람 손으로 바꾸어야 하므로 상당한 인건비를 필요로 할 것이고, IoT 디바이스의 계량기로 지속적으로 전기가 공급되도록 설치해야 한다면 계량기 설치 위치를 바꾸는 공사를 해야 하므로 역시 많은 시간과 비용의 소비를 필요로 한다.

 

또한, IoT 계량기는 전략회사 소유의 것이라서 운영을 전력회사가 책임져야 하므로 각 가정에서 비용을 내고 이용하고 있는 WiFi 공유기를 이용할 수 없으므로 WiFi나 Bluetooth 같은 근거리 통신 기술을 이용하는 것에도 한계가 있다. 그리고, ioT 계량기는 가장 낮은 지하층에서부터 고층 빌딩의 꼭대기층, 산꼭대기 별장에서 설치가 되어야 하므로 IoT 계량기까지 유선을 매립하여 연결해야 하는 유선 통신 기술도 이용하기 어려운 경우가 많다. 

위에 나열한 것과 같은 단점들 때문에 IoT 디바이스는 범용 이동 통신 기술도, WiFi나 블루투스와 같은 범용 LAN 근거리 통신 기술도 아닌 새로운 통신 기술의 사용을 필요로 한다. 이 필요성이 IoT를 위한 Low Power Wide Area (이하 LPWA) 통신 기술의 등장 배경이 된다. LPWA 기술의 대표적인 예는 Long Range wide area network (LoRa)가 있고,  cellular IoT도 이동 통신 네트워크을 기반으로 하는 LPWA라고 할 수 있다. 

지금까지 IoT를 실현하기 위한 표준 기술에 대한 개요와 cellular IoT의 등장 배경을 설명하였다.

 

다음 기고에서는 IoT 디바이스가 사용하는 통신 기능에 집중하여,

 

이동 통신 표준 단체인 3rd Generation Partnership Project(이하 3GPP)에서 2009년경부터 표준화한 IoT 관련 표준 기술들을 설명하겠다.  

 

 

 

기고자 소개

 

조성연 (Songyean.cho@gmail.com)

직장: Samsung Electronics 

직함: Principle Engineer 

관심분야: LTE, EPC, IMS, 5G, D2D, V2X, Public Safety Network