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

 

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지난 1부에서는 IoT를 실현하기 위한 표준 기술에 대한 개요와 cellular IoT의 등장 배경을 설명하였다. 1부에 이어 2부에서는 이동 통신 표준 단체인 3rd Generation Partnership Project(이하 3GPP)에서 2009년경부터 표준화한 IoT 관련 표준 기술들을 설명한다. 

3GPP에서는 Release-10 (NOTE1)부터 Cellular IoT 관련 기술들을 표준화하여 왔는데, Cellular IoT 표준화 초창기였던 Release-10과 Release-11의 표준화에서는 아래 표1과 같이 다수의 IoT 단말들이 이동 통신 네트워크에 접속함에 따른 로드의 증가로 스마트폰을 사용하는 일반 사용자들의 이동 통신 이용에 장애가 생기는 것을 막기 위한 다수의 IoT 단말로 인한 부하 증가 및 장애 발생을 막는 기술에 집중하였다.   

NOTE1: 3GPP에서는 LTE 시스템 기술을 표준화한 Release-8이후 약 1년 ~2년 간격으로 새로운 표준 기술이 포함된 Release를 발표하고 있고, 현재는 5세대 이동 통신을 위한 Release-15 작업을 진행 중이다. 

표1 Cellular IoT 표준화 초창기인 Release-10/11의 3GPP의 Cellular IoT 관련 표준 기술

Release	완료일		주요 기능
Release-10	2011.6		Massive IoT 단말들로 인한 과부하 제어  - 기지국(eNB)에서의 현재 로드 기반 접속(RRC connection) 거절  - Core 장비(MME, SGW, PGW)에서의 부하에 따른 시그널 처리 거절
Release-11	2013.3		Massive IoT 단말들로 인한 과부하 예방  - 기지국(eNB)에서 현재 로드 기반 접속 (Access Barring)

Release-10에서는 그림1과 같이 기지국과 Core 장비(MME, SGW, PGW)들의 부하가 일정량 이상이 되면 이후 IoT 단말들의 접속을 거절하는 기술을 지원한다. 구체적으로는 기지국의 부하 제어를 위하여 IoT 단말은 time tolerance가 있음을 명시하는 tag를 RRC connection 요청을 기지국으로 보낼 때 포함하고, 기지국은 로드가 일정 수준 이상이면 IoT 단말의 RRC connection 요청을 거절한다.

 

또한 Core 장비들의 부하 제어를 위하여 IoT 단말은 low priority임을 명시하는 tag를 Attach등의 Mobility 관련 요청 메시지에 포함하여 전송하고 SGW와 PGW로부터 현재 로드 상태 정보를 지속적으로 받는 MME는 MME 자신과 SGW, PGW의 로드를 모두 고려하여 로드가 일정 수준 이상이면 IoT 단말의 요청을 거절한다. 이러한 로드를 고려한 거절은 PDN connection request등의 Session 관련 요청 메시지에도 적용된다. 
 

그림1  Release-10에 포함된 시그널 처리 거절을 통한 과부하 제어 기술 

Release-11에서는 IoT 단말의 요청을 거절하기 위하여 하는 동작으로 인한 로드조차 발생되지 않도록 하기 위하여 특정 IoT 단말들의 접속을 금지하는 기술을 지원한다.

 

구체적으로는 기지국에서 브로드캐스트하는 시스템 정보에 특정 IoT 단말들의 접속을 금지하는 정보를 포함시켜서 주기적으로 브로스캐스트한다.  

 

모든 IoT 단말들은 기지국으로 연결 요청을 하기 전에 브로드캐스트되는 시스템 정보에 IoT 단말의 접속을 금지하는 barring 정보를 확인하고 barring이 적용되면 네트워크로의 접속 시도 자체를 하지 않는다. 이 과정 중 기지국은 기지국 자체의 로드뿐만 아니라 MME로부터 전달받은 코어 장비들의 로드도 같이 고려한다. 

위에서 설명한 Release-10/11에서 보듯이 3GPP의 초창기 Cellular IoT 표준 기술은 IoT 단말들로 인한 부하를 막는 것에 더 집중하였는데, 이것은 Release-10/11 표준화 당시에는 cellular IoT 시장에 대한 의문이 있었고, 스마트폰 사용으로 인한 트래픽 증가로 3G 통신망에 많은 과부하를 겪고 LTE 시스템을 도입한지 얼마 안 되는 시기였기 때문이다. 

그런데 Release-10/11과 달리 Release-12부터는 IoT 단말들로 인한 부하를 제어하는 것이 아니라 IoT 단말들의 특징을 잘 지원하기 위한 기술을 지원하기 시작한다.

 

Release-12에서 고려된 것은 IoT 단말들의 배터리 교환과 충전이 어려움을 고려한 모뎀 소모 전력의 저전력화와 스마트폰과 같은 고가가 아닌 다수의 thing들에 비용 부담없이 통신 기능을 탑재할 수 있게 하는 모뎀의 저가화 지원이다.

 

모뎀의 저가화를 위하여 Release-12에는 단일 수신 안테나와 half-duplex를 허용하는 Cat-0를 도입하였다. Cat-0 LTE 모뎀은 단일 안테나와 half-duplex를 이용하므로 LTE 기본 칩보다 복잡도가 낮아서 저가로 생산이 가능하다. 또한 Cat-0 모뎀은 두개가 아닌 하나의 안테나만 켜서 사용하므로 두개의 안테나를 동시에 켜서 사용하는 것보다 전력 소모가 낮다. 이러한 Cat-0 모뎀의 저전력 특징은 Release-12에 도입된 또 다른 기술인 Power Saving Mode와 함께 동작함으로써 그 장점이 배가된다. 

Power Saving Mode(이하 PSM)는 IoT 단말이 일정 시간 동안만 이동 통신 네트워크를 이용하도록 하여 IoT 단말이 그 일정 시간 이외에는 통신 기능을 끄도록 하여 소모 전력을 줄이는 저전력 모드이다. PSM의 기본 개념은 IoT 단말이 보낼 데이터나 받을 데이터가 있다면, 그 단말의 이동성 관리를 위하여 필수적으로 네트워크와 시그널을 주고 받아야 하는 Mobility Management(Attach, Tracking Area Update)를 할 때 보낼 데이터나 받을 데이터를 처리하는 것이다.  

구체적으로는 PSM은 그림2와 같이 IoT 단말은 이동성 관리를 위한 Mobility Management(Attach, Tracking Area Update)를 할 때 그 시그널 처리 후 네트워크와 접속을 유지하는 시간인 active time을 네트워크 내의 MME로 알려준다. Active time을 수신한 네트워크에서는 그 active time 동안 네트워크에서 그 IoT 단말로 송수신되는 데이터를 처리하고, 그 active time 이후 네트워크는 단말과의 연결을 해제한다. 네트워크와의 연결이 해제된 후 IoT 단말은 통신 기능을 껴서 소모 전력을 줄인다. 
 

그림2 Release-12에 포함된 Power Saving Mode 적용- IoT 단말의 네트워크 접속시 동작 

IoT 단말이 통신 기능을 끈 동안 네트워크에서 그 IoT 단말로 전송해야 하는 데이터를 수신하면, 네트워크는 IoT 단말을 깨우기 위한 시그널(페이징)을 보내지 않고 수신한 데이터는 IoT 단말이 다시 이동성 관리를 위한 Mobility Management(Attach, Tracking Area Update)를 할 때까지 그림3과 같이 보관한다.

 

보관된 데이터는 IoT 단말이 이동성 관리를 위한 Mobility Management를 위한 시그널의 처리를 위하여 네트워크와 연결될 때 IoT 단말로 전송된다 (NOTE2). 
 

그림3 Release-12에 포함된 Power Saving Mode 적용- IoT 단말의 네트워크 접속 해제 후 동작 

NOTE2: Mobility Management인 Tracking Area Update(TAU)중 주기적으로 실행되는 periodic TAU가 있으므로 네트워크는 IoT 단말이 네트워크와의 연결을 해제한 이후 IoT 단말이 다시 네트워크와 연결되는 시간을 예측할 수 있다. 

위의 Release-12의 저전력과 저가화 기술은 Release-13에서는 표2와 같이 강화된다. 

표2  3GPP의 Cellular IoT 관련 최신 표준 기술

Release	완료일		주요 기능
Release-12	2015.3		• Cat-0 (단일 수신 안테나와 Half-duplex 지원) 도입 • 전력 소모를 줄이기 위한 Power Saving Mode 도입 • 최대 320시간동안 통신 기능 off 가능
Release-13	2016.3		• Cat-M(1.4Mhz 대역폭 사용, +15dB 커버리지 확장 지원)과   NB-IoT(200kHz 대역폭 사용, +20dB 커버리지 확장 지원) 도입 • eDRX (DRX 사이클을 2.56초 주기에서 연결 상태 시 10초, 비연결 상태시   40분 ~ 175분까지 확장 지원) 도입 • IoT 전용 코어 네트워크 선택 및 연결 기능 도입 • IoT 단말 특화 네트워크 동작을 3rd party에서 사용할 수 있도록 개방하는  구조 도입

Release-13에서는 통신 기능의 저가화를 위하여 송수신 주파수 대역폭을 기존 LTE에서 사용하는 20Mhz에서 대폭 줄여서 1.4MHz를 이용하는 Cat-M과 200kHz를 이용하는 NB-IoT를 도입한다 (NOTE3).

 

Cat-M과 NB-IoT는 또한 지하실 등의 음영 지역에 설치될 수 있는 IoT의 특징을 고려하여 물리 계층에서의 재전송을 통하여 +15dB의 커버리지 개선도 지원한다. Cat-M과 NB-IoT 도입과 함께 Release-13에서는 DRX cycle을 수분 ~ 수십분으로 늘리는 저전력 모드를 지원하고 네트워크를 IoT 전용 네트워크로 구성하고 그 IoT 전용 네트워크로 IoT 단말들을 연결하는 기능 및 IoT 전용 네트워크 기능을 3rd party로 개방하는 기능도 지원한다. 

NOTE3: LTE는 기본적으로 1.4, 3, 5, 10, 15, 20MHz 대역폭을 지원하는데, 20Mhz 대역폭을 기본적으로 사용하고 주파수 라이선스 상황에 따라서 5, 10, 15, 20MHz 대역폭이 사용된다. 1.4MHz의 대역폭은 표준에서는 정의되어 있으나 거의 사용되지는 않았었다. 거의 사용되지는 않았더라도 1.4MHz도 LTE에서 지원하는 기본 대역폭의 하나이므로 Cat-M LTE 모뎀은 기존 LTE 모뎀 대비 많은 변경을 필요로 하지 않는다.

이에 반하여 NB-IoT LTE 모뎀은 새로 정의된 200kHz의 대역폭을 사용할 뿐만 아니라 채널 구조 자체가 다른 형태를 사용하므로 기존 LTE 모뎀에서 Cat-M LTE 모뎀 대비 많은 변경을 필요로 한다. 

지금까지 3GPP에서 Release-10에서부터 Release-13까지 표준화한 IoT 관련 표준 기술을 간략하게 설명하였다. 3부에서는 최근 주목 받고 있는 Release-13의 표준 기술들을 상세히 살펴보겠다. 

 

 

 

기고자 소개

 

조성연 (Songyean.cho@gmail.com)

직장: Samsung Electronics 

직함: Principle Engineer 

관심분야: 이동통신 시스템