삼성전자의 조성연님이 보내주신 Cellular IoT 관련 기고글입니다. 무덥고 바쁘신 와중에 유익한 기고글을 보내주신 조성연님에게 정말 감사드립니다.
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지난 2부에서는 이동 통신 표준 단체인 3rd Generation Partnership Project(이하 3GPP)에서 Release-10부터 Release-12까지 표준화한 IoT 관련 표준 기술들을 설명하였다.
2부에 이어 3부에서는 최근 주목 받고 있는 Release-13의 표준 기술들을 설명하는데, Release-13의 Radio 네트워크 표준 part1로 설명하고 코어 네트워크 기술을 part2로 설명한다.
지난 2부에서 설명한 것과 같이 3GPP 초창기 Cellular IoT 표준 기술인 Release-10/11 표준 기술들은 IoT 단말들이 발생시킬 수 있는 이동 통신 네트워크 부하를 막는 것에 집중되어 있었고, Release-12에서 IoT 단말들의 특징을 잘 지원하기 위한 표준 기술 개발이 시작되어 저전력과 저가화를 지원하는 Cat-0와 Power Saving Mode가 도입되었다.
Release-12에 이어 Release-13에서는 저전력 지원 필요, 간헐적인 데이터 전송 필요 등 IoT 단말들의 특징을 더더욱 고려한 기술들이 아래 표1과 그림1과 같이 도입된다.
표 1 3GPP의 Release-13 Cellular IoT (이하 cIoT) 관련 표준 기술
NOTE1:
Release-13에서는 Cat-M 단말은 eMBMS를 지원하였으나 NB-IoT 단말은 eMBMS를 지원하지 않았다. 이후 Release-14에서는 NB-IoT 단말도 eMBMS를 지원하도록 기능이 확장되었다.
NOTE2:
cIoT 최적화 네트워크 기술 중 컨트롤 플레인 최적화 기술은 IoT 단말만 사용하도록 제한된 기술은 아니나, 음성 서비스 사용에 필수적인 QoS 지원 GBR (Guaranteed Bit Rate) 베어러의 사용이 불가능하고 제한된 데이터 연결만 가능할 뿐만 아니라 핸드오버 및 inter RAT 이동이 지원되지 않는다. 따라서, 최소 두 개의 PDN Connection (인터넷용과 VoLTE용)의 생성이 필요하고 음성 서비스를 위한 QoS 지원이 필요한 일반 사용자의 스마트폰에서는 실질적으로는 사용이 적합하지 않다.
위의 표 1과 아래 그림1과 같이 Release-13의 Cellular IoT 표준기술은 Radio 기술과 코어 네트워크 기술로 분류할 수 있다.
그림 1. Release-13 IoT 기술과 적용 구간
그림1과 같이 단말과 eNB사이에 적용되는 Radio 기술에는 Cat-M과 NB-IoT 기술이 있으며, Cat-M과 NB-IoT 단말에 모두 적용이 가능한 eDRX 기술이 있다.
그리고, 코어 네트워크와 단말에 적용되는 코어 네트워크 기술에는
• eMBMS 지원 IoT 단말을 대상으로 eMBMS를 이용하여 그룹으로 묶인 IoT 단말들에게 동일한 메시지를
전달하는 그룹 메시지 전송 기술과
• cIoT 단말이 최소의 시그널링으로 코어 네트워크를 이용하여 데이터를 전송할 수 있도록 하는
cIoT 최적화 네트워크 기술이 있다.
• 이뿐만 아니라, IoT 기술을 지원하는 코어 네트워크를 선택하여 IoT 단말을 연결하는
Dedicated Core Network 선택 기술,
• IoT 단말이 정의된 특정 상태로 변하였는지 감시하여 알려주는 Monitoring enhancement 기술,
• IoT 사업자의 어플리케이션 서버로 IoT 단말이 사용할 이동 통신 자원 한도, 요금 지불 주체 등의
IoT 단말을 위한 capability 정보를 IoT 사업자의 서버에서 설정할 수 있도록 해주는
Service Capability Exposure 기술도 cIoT를 위한 코어 네트워크 기술로 지원된다.
위의 표1, 그림1과 같이 분류된 Release-13 cIoT 기술 중 Radio 기술인 Cat-M, NB-IoT, eDRX 기술을 먼저 살펴보자.
Cat-M은 Release-12에서 도입한 Cat-0의 발전된 형태로, Cat-0와 동일하게 단일 안테나와 half-duplex의 사용을 지원할 뿐만 아니라 송수신 대역폭을 기존 LTE 모뎀에서 사용하는 200MHz에서 대폭 줄어든 1.4MHz를 사용한다.
1.4MHz의 대역폭은 LTE 시스템에서 단말이 통신 네트워크를 사용하기 위하여 eNB와 동기화하는 시그널과 최소 기본 시스템 정보를 담은 시스템 정보 블록을 수신하기 위한 최소 대역폭으로, Cat-M이 기존 LTE 시스템과 호환성을 유지하는 방식으로 디자인되었음을 보여준다.
Cat-M은 1.4MHz의 축소된 송수신 대역폭 지원과 함께, 기존 출력인 23dBm과 이보다 낮은 20dBm의 출력을 허용하여 저전력과 저가화의 특징이 강화된 IoT 기술이다. 또한, Cat-M은 단일 안테나와 저가 부품의 사용에 따라서 저하된 수신 성능을 물리 계층에서의 재전송과 signal combining 등의 사용으로 높임으로써 +15dB이 커버리지 확장을 지원한다.
Cat-M은 Cat-0보다는 저전력과 저가화의 특징이 강화되었으나, 경쟁 기술인 LoRa나 SigFox 등과 같은 기술들과 저가형 IoT 단말을 지원하는 관점으로 비교 고려하였을 때는 Cat-M은 여전히 아쉬운 점들을 가지고 있다. 이러한 문제점을 인식한 3GPP는 저가형 IoT에 집중하여 기존 LTE 시스템과 호환성을 고려하지 않고 새로운 규격을 디자인하게 되는데 그것이 NB-IoT (Narrowband IoT, 협대혁 IoT)이다.
NB-IoT는 기존 LTE 시스템을 고려하지 않고 새로 디자인한 규격이므로 eNB와 synchronization하는 시그널부터 시스템 정보를 전송하는 블록을 포함한 채널 구조 뿐만 아니라 데이터를 전송하는 채널까지 모두 새로 디자인되었다.
사실 NB-IoT에 대한 표준은 2G 시스템인 GSM 표준 조직에서 먼저 시작되었다. GSM 표준 조직에서 수행한 IoT에 대한 연구가 진행된 후, 그 연구는 LTE Radio 기술 표준 조직으로 이관되었고 최종 표준 규격은 LTE Radio 표준 조직에서 완성되었다.
이러한 과정에서 탄생된 까닭에 NB-IoT의 디자인에는 GSM의 대역폭이 고려되어 200kHz의 대역폭이 사용된다. 200 kHz의 대역폭 사용은 GSM을 가진 사업자가 GSM 주파수 대역을 용도 변경하여 NB-IoT를 deployment하는 것을 용이하게 하는데, 이 모드를 stand alone 모드라고 한다.
Stand alone 모드만 지원하게 되면 IoT 사업을 하는데 있어서 GSM을 가진 통신 사업자 대비 GSM을 가지지 않은 통신 사업자의 경쟁력이 약화될 수 있으므로, NB-IoT는 LTE 주파수 영역 일부를 할당하여 NB-IoT를 deployment하는 In-band mode와 LTE band 사이의 간섭 현상을 완화시키기 위하여 비워두는 영역인 guard band를 이용하여 NB-IoT를 deployment하는 Guard band mode도 지원한다.
위와 같이 다양하게 3 가지 deployment를 지원하는 NB-IoT는 Cat-M의 1.4MHz와 비교해서도 대폭 줄어든 200kHz 대역폭을 사용할 뿐만 아니라, Cat-M과 동일하게 23dBm의 출력과 함께 더 낮은 출력인 20dBm의 출력을 이용할 수 있고, connected 상태의 이동성인 핸드오버를 지원하지 않으므로 이웃 기지국에 대한 measurement report 등을 수행하지 않는 등, Cat-M대비 월등한 저전력과 저가화를 지원한다. 또한 NB-IoT 역시 물리 계층에서 재전송 및 signal combining 등을 사용하여 +20dB까지의 커버리지 확장을 지원한다.
위와 같은 Cat-M가 NB-IoT의 차이로 인하여 NB-IoT는 아주 낮은 단가의 저가형 IoT 단말용으로, Cat-M은 중가 이상의 IoT 단말용으로 인식되어 있다.
이제 IoT를 위한 마지막 Radio 기술로 eDRX를 살펴보자.
eDRX는 스마트폰과 같은 기존 단말들에서 사용되던 DRX 사이클을 늘려서 IoT 단말들에게 적용하는 것이다. DRX는 discontinuous reception이라는 이름이 의미하듯이 비연속적인 데이터 수신으로 전력 소비를 막는 기술이다.
구체적으로는 송수신할 데이터가 없는 단말이 기지국이 보내는 신호를 지속적으로 체크하면서 전력을 소비하는 것을 막기 위하여, 지금 당장 송수신할 데이터가 없는 상태에서 단말과 네트워크가 그 단말이 수신해야 하는 데이터를 체크할 시간까지 데이터를 보관했다가 단말로 전달한다.
DRX는 단말과 eNB 사이의 RRC 연결이 유지되는 connected mode 단말과 RRC 연결이 해지된 idle mode 단말에 모두 적용되므로, connected mode 단말을 위해서는 기지국이 데이터를 보관하고 idle mode 단말을 위해서는 SGW에 데이터를 보관한다. 데이터 보관 및 전달에 대한 네트워크의 약속 덕분에 DRX 사이클이 약속되면 현재 송수신할 데이터가 없는 단말은 그림 2와 같이 DRX 사이클 동안은 전력을 소비하지 않는다.
기본 DRX는 물리계층에서 리소스를 분할하는 단위인 frame 인덱스를 이용하여 계산하는데 이를 확장한 eDRX는 기존 LTE 시스템에는 없던 Hyper Frame이라는 새로운 인덱스를 추가로 생성하여 그림2와 같이 계산한다. Hyper Frame의 사용으로 10초 이상 설정이 불가능하던 기존 DRX 사이클(NOTE 3)이 늘어남에 따라서 44초 또는 세시간 가까이 긴 DRX 사이클이 확장 적용된다.
그림2. eDRX 사용과 IoT 단말의 전력 소비
그림2의 Hyper Frame을 이용한 eDRX는 idle 모드의 IoT 단말에게 적용되고 connected mode의 IoT 단말에게는 기존 DRX 사이클 계산 방법이 사용되어 connected mode의 IoT 단말은 기존 방법으로 정의 가능한 최대값인 약 10초까지 IoT 단말의 connected DRX가 확장된다.
NOTE3:
프로토콜적으로 DRX 사이클은 10.24초까지 사용이 가능하나 보통 스마트폰과 같이 음성 통화 수신을 해야 하는 일반 단말은 idle mode에서 2.45초의 DRX 사이클을 사용한다.
지금까지 cIoT를 위한 Radio 기술인 Cat-M, NB-IoT, eDRX를 살펴보았다.
Part2에서는 Release-13에서 정의한 코어 네트워크 기술을 살펴본다.
기고자 소개
조성연 (Songyean.cho@gmail.com)
직장: Samsung Electronics
직함: Principle Engineer
관심분야: 이동통신 시스템
기술과 History까지 알기 쉽게 잘 설명해주셔서 감사합니다.
RADIO 영역 기술 뿐만 아니라 에너지 절감의 핵심 기술은 DRX, eDRX기능 모두 이해하기 쉽도록 설명해주셔서 감사합니다
한글로 된 설명에, 조성연님 글을 읽으니 확실히 이해가 더 쉽게 되는것 같습니다. 감사합니다. 여기 기고자주 해주셔서 잘 보고 있습니다. 다른건 그렇다 치고, IoT 를 지원하기위해서 core 에서 기억해야하는게 너무 오래 필요한건 아닌지,,,, 한마디로 always attached 상태라는건데 이게 코어에는 부담이 없는건가요? 예를들면 1년에 한번 데이터를 보낸다는 가정으로 power saving mode 같은 경우, 1년동안 단말 데이터를 코어에서 저장하고 있어야하는게 스펙내용으로 이해하고 있었거든요.. 그냥 다시 attach 하는게 맞지 않나 싶기도하고
조성연님 글 항상 잘 보고 있습니다. 에너지 절감 핵심 기술인 eDRX 설명과 더불어 PSM(Power Saving Mode)도 추가해주셨으면 하는데 가능할까요? PSM의 경우 단말 독립적인 기능이라서 제외하신 거 같기도 한데 UE VS Network과 Timer 관련 Negotiation 하는 부분이 있으니 설명 부탁 드립니다. 감사합니다.
잘 읽었습니다. 고맙습니다.^0^