IoT 통신 네트워크

인터넷 보급에 따라 우리의 일상은 과거와 다르게 엄청난 변화를 이룩하였다. 네트워크의 발전으로 위기가 발생했을 때 사람들은 집단지성의 힘으로 빠르게 위기정보를 알 수 있는 방법을 고안하고 문제를 해결할 수 있는 방안을 직접 찾아냈다. 일본 후쿠시마 원자력 발전소 사례를 살펴보면, IAEA가 인정한 체르노빌 발전사고와 같은 7등급 원자력 발전 사고이다. 이는 태평양을 포함한 지역에 고농도의 방사능이 유출되었다. 하지만 일본 정부는 정확한 방사능 데이터 공개를 하지않아 지역별 방사능 유출정보가 전무하였다. 이런 문제점을 해결하기 위해 NGO 단체 세이프캐스트(safecast)는 12cm*8cm 크기에 GPS센서와 가이거(방사능 측정기)가 내장된 가이거 카운터를 개발했다. 가이거 카운터는 차량에 부착해 운행하여 지역 일대의 방사능 농도를 측정하여 방사능 농도를 지도에 표기한다.

하지만 세이프캐스트(safecast)가 개발한 가이거 카운트의 최대 단점은 수집한 데이터가 실시간으로 전송되는 것이 아닌 SD 카드에 저장되어 사용자가 데이터를 수동으로 업로드해야 한다.

4차 산업혁명 시대의 IoT (Internet of Things) 발전은 우리에게 새로운 시대를 맞이하게 될 것이다. 최근 몇 년간 차세대 기술로 인정받고 있는 IoT는 가정, 공장, 도시에 이르기까지 모든 사물들에 인터넷에 연결되면서 다양한 데이터가 생성되며, 디바이스별로 센싱된 작은 데이터는 IoT 전용망을 통해 전송되고 있다.

과학기술정보통신부에 따르면 2018년 4월 기준 국내 IoT 회선은 708만개를 돌파했다. 이는 10개월만에 100만개 이상의 회선 가입자가 폭증한 결과이며, 다가오는 5G 시대에서는 연결 회선이 더욱더 증가할 것으로 예상된다.

이러한 변화는 국내뿐만 아니라 전 세계적으로 나타나고 있는 현황이며, 늘어나는 고정형 IoT 디바이스와 웨어러블 디바이스 및 위치추적 등에 사용되는 이동형 IoT 디바이스도 확대 될 것이다.

본 논문에서는 범용적으로 사용되는 근거리 통신망 Wi-FI, Ethernet, Bluetooth, Zigbee와 장거리 통신으로 사용되는 Cellular Network를 사용하지 않고 IoT 전용 네트워크에 대해 서술하는데 목적이 있다.

본론

IoT 프로토콜과 통신방식

IoT 초창기 가장먼저 보급이 활발하게 이루어진 곳은 홈 네트워크이다. 가정에서 사용하는 디바이스를 제어하기 위해서 WI-FI 기반으로 사물이 연결되어 스마트폰 애플리케이션이나 음성인식 AI 스피커를 통해서 가정의 전자기기를 제어하는 방식이다. 일반적으로 IoT 디바이스는 특정 이벤트가 발생했을 때, 특정 Actuating 기능을 수행하기 위해서 각각의 단말간 혹은 서버간의 정형적인 동작을 처리하는 방식을 취하게 되는데 이를 IoT 프레임워크 블록 (IoT Framework Block) 이라고 지칭한다. [2]

IoT 프레임워크 블록의 대표적인 표준기술로 oneM2M과 OCF (Open Connectivity Foundation)이 있으며, 표준기술은 아니지만 사용할 수 있는 구글의 Android things, 애플의 HomeKit, IFTTT (If This Then That)이 있다.

​ 출처 : https://iotdunia.com/iot-architecture/

홈 네트워크 IoT 디바이스는 Wi-FI, Ethernet, Bluetooth, Zigbee와 같은 범용적인 통신망을 사용할 수 있으며, 이를 외부 네트워크와 연결하기 위한 게이트웨이를 통해서 HTTP (HyperText Transfer Protocol) 기반의 REST (Representational state transfer) 아키텍쳐를 사용할 수 있다. IoT 디바이스가 확대되고, 다양한 서비스가 출시됨에 따라 저전력과 소형 디바이스을 위해 특화된 프로토콜인 CoAP (Constrained Application Protoco), MQTT (Message Queuing Telemetry Transport), AMQP (Advanced Message Queuing Protocol) 등의 프로토콜도 탄생하였다.

IoT 프로토콜의 공통점은 저전력기반의 소형 IoT 디바이스에 동작할 수 있도록 경량화 되어있다는 것이다. CoAP의 경우 HTTP 기반을 두고 마이크로컨트롤러에서 사용할 수 있도록 패킷을 경량화 한 것이 특징이며, MQTT는 현재 가장 많이 사용되는 IoT 프로토콜로서, Publish/Subscribe (Pub/Sub) 구조를 가지는 MQ (Message Queuing) 방식을 채택하고 있다. 이러한 특징을 가지는 이유는 저전력과 낮은 대역폭에서도 사용가능해야 하기 때문에, 불안정한 네트워크 환경에서 안정적인 통신이 가능하도록 QoS를 보장하기 위함이다.

하지만 IoT 프 로토콜이 발전하더라도 근거리 기반의 Wi-FI, Ethernet, Bluetooth, Zigbee를 사용하여, 건물 혹은 도시와 같은 넓은 지역을 관장하고 센싱하기하기 위해서는 적합하지 않다. 이는 네트워크 계층의 특성에 따른 것으로 전송계층위에 프로토콜이 QoS를 보장하기 위해 다양한 기능을 제공해도, 통신을 위해서는 무선 혹은 유선 네트워크에 연결되어 있어야 한다.

따라서 범용 근거리 네트워크로 통신의 단점인 전송거리와 전력소모를 최소화 하기 위해 LPWA (Low Power Wide Area)가 탄생하게되었다.

LPWA & Cellular Network & Cellular IoT

LPWA를 지원하는 대표적인 표준기술로는 LoRa (Low Range Wide Area Network)가 있으며, Cellular IoT 역시 LPWA (Low Power Wide Area) 영역에 속한다고 할 수 있다. 아래의 표는 LPWA의 특성을 보여주고 있다.

초창기 IoT 전용 통신 네트워크로 유명했던 Sigfox와 LoRa의 경우 ISM (Industrial Scientic and Medical) 대역의 주파수를 사용하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 주파수는 900MHz, 2.4GHz, 5GHz 대역으로 나누어지며, 상호 간섭을 피하기 위해서 저출력을 기본 전재로 한다.

LTE

LTE (Long Term Evolution)은 HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access)보다 진화된 고속 모바일 무선 데이터 패킷 통신 규격으로서, HSDPA에 진화된 HSPA+ 와 함께 3.9세대 이동통신규격이다.

LTE가 4세대 이동통신이라고 불리지 않는 이유는 데이터 전송 속도가 20MHz 대역 기준으로 최대 다운로드 속도 100Mbps, 최대 업로드 속도 50Mbps 으로 IMT Advanced 4G 요구사항인 1Gbit/s 속도에 미치지 못하기 때문이다.

2012년 1월 ITU (International Telecommunication Union)에서 4G (IMT-Advanced) 기술의 국제 표준 기준으로 이동 시 다운로드 100Mbps, 업로드 62.5Mbps, 고정 시 다운로드 1Gbps, 업로드 500Mbps 속도로 규정하고, LTE-Advanced를 4G 기술로 확정하였다. [4]

​ https://www.netmanias.com/ko/post/blog/5344/lte/lte-network-architecture-network-reference-model

LTE는 ALL IP 망으로 모든 트래픽은 IP 패킷으로 전달되며, 사용자에게는 "always-on IP connectivity" 환경으로 구성된다. 사용자 단말기인 UE (User Equipment)에는 가입자 식별과 인증을 위해서 IMSI 값이 내장된 USIM 또는 eSIM이 포함되어 eNB (Evolved Node B)에 접속을 시도하면 MME (Mobility Management Entity)가 UE를 인증절차를 마치고 무선 연결을 제공한다. 이때, eNB는 S-GW (Serving Gateway)와 연결되어 Anchoring 역할을 담당하게 되며, P-GW (PDN Gateway)가 UE에게 IP를 할당한다.

P-GW는 일반적인 DHCP와 다르게 3GPP에서 규정한 IP할당 정책에 따라 UE에게 IP 주소를 전달하며, UE간 QoS와 S-GW간의 Anchoring을 진행한다. UE별로 Accounting Data (상하향 트래픽 양, 접속 시간 등)의 대한 데이터는 CDR(Charging Data Record) 형태로 OFCS (Offline Charging System)전달하여 데이터를 관리한다.

기본적인 접속절차가 완료되고 UE가 인터넷을 사용하기 위해서는 PDN (Packet Data Network)에 접속하기 위해 HSS (Home Subscriber Server)가 {UE - eNB - S-GW - P-GW} 구간에서 생성되는 논리적인 터널을 생성하고 MME는 그 터널의 생성/변경/해제 등의 행위에 관여하여 PDN에 접속할 수 있도록 한다.

이렇게 만들어진 논리적인 터널은 UE가 현재 접속되어 있는 eNB 지역을 벗어나 다른 eNB에 접속하는 핸드오프가 발생하였을 경우 UE가 가지고 있는 IP는 동일하게 유지하기 위해서 S-GW, P-GW가 Accounting을 통해 터널링을 생성하며, IP Network에서는 가입자의 IP주소가 아닌 eNB의 IP주소를 보고 데이터를 전송한다. 즉, UE가 이동함에 따라 터널의 IP가 변경되고, IP 라우팅은 UE IP가 아닌 터널의 IP 주소기반으로 패킷을 포워딩함으로, 이동 중에도 UE는 IP가 변경되지 않는다.

Cellular IoT

3GPP에서는 2009년부터 Cellular IoT에 대한 표준화 작업을 진행하여 2011년 6월 Release-10, 2013년 3월 Release-11 표준화 작업을 완료했다. 당시에 IoT 디바이스가 Cellular IoT를 사용할지에 대한 근본적인 의문과 스마트폰의 빠른 보급에 따라 3G망에 많은 과부하상태가 유지되어 있었기 때문에, 다수의 IoT 단말기가 이동통신망에 접속했을 때 일반 사용자들이 통신 장애가 생기는 것을 막기 위해서 MME, S-GW, P-GW 등과 같은 Core 장비의 부하가 일정량 이상이 되면 접속을 거절하는 형태로 표준화가 진행되었다. [6] Release-11의 경우 eNB에서 IoT 디바이스에 접속을 금지하는 정보를 주기적으로 브로드캐스트하여, IoT 단말기가 eNB에 연결 시도를 하지 않도록 강화되었다.

2015년 3월 표준화된 Release-12 부터는 저렴한 다수의 IoT 디바이스가 저전력 및 저비용으로 통신을 하기 위해 단일 수신 안테나와 half-duplex를 허용하는 Cat-0을 도입하여, 기존 LTE 모뎀 복잡도가 낮아져 저가 생산이 가능하게 되었으며, 단일 안테나 사용 및 Power Saving Mode가 추가되어 IoT 디바이스가 일정 시간 이외에는 통신 기능을 차단하여 전력 소모를 최소화한다. Release-13에는 Release-12보다 통신 기능을 더욱 저가화하기 위해서 기존 20MHz LTE 주파수 대역을 대폭 낮춘 1.4MHz 대역의 Cat-M과 200kHz 대역을 사용하는 NB-IoT를 도입하였다.

Cat-M은 LTE와 호환성을 유지하기 위해 UE가 eNB에 동기화하는 정보 블록을 수신하기 위한 최소 대역폭인 1.4MHz 대역을 사용한다. Cat-M은 LoRA나 SigFox에 비해 모뎀이 고가이기 때문에, 저가형 IoT 디바이스를 지원하기 위해서 LTE 시스템과 호환성을 고려하지 않은 NB-IoT (Narrowband IoT) 규격을 새롭게 디자인하였다.

	Release-12	Release-13	Release-13
	Cat-0	Cat-M	NB-IoT
Max, system bandwidth	20MHz	1.4MHz	200KHz
Downlink peak rate	1 Mbit/s	1 Mbit/s	~ 200Kbit/s
Uplink peak rate	1 Mbit/s	1 Mbit/s	~ 200Kbit/s
Duplex	Half or full duplex	Half duplex	Half duplex
Number of antennas	1	1	1
Transmit Power (UE)	23dBm	20dBm	23dBm
Modem complexity (Cat-4 Base)	40%	20%	15%

NB-IoT

NB-IoT는 2G 시스템인 GSM에서 처음 시작되어 최종 표준 규격은 LTE Radio에서 완성되었다. 이러한 이유로 인해 GSM의 대역폭으로 사용되었던 200KHz 대역이 사용되었으며, GSM 사업자는 이 주파수를 NB-IoT 주파수로 배치하는 것이 용이하다는 장점을 가지고 있다. 이러한 형태로 운영하는 모드를 stand alone 모드라고 지칭한다.

​ http://www.rfwireless-world.com/Tutorials/NB-IoT-tutorial.html

단, GSM을 가지지 않은 통신사업자는 IoT 사업 경쟁력에서 뒤쳐질 수 있기 때문에 LTE 주파수의 일부를 할당하여 사용하는 In-band mode와 LTE 주파수 사이에 간섭을 피하기 위해 비워둔 guard band를 사용하여 NB-IoT 서비스를 운영하는 Guard band mode 방식을 지원한다.

Release-13 규격에서 정의된 NB-IoT는 Cellular IoT 중에서 국내에서 상용화된 통신기술로, 초창기 eMBMS (LTE Broadcast)가 포함되어 있지 않아 유니케스트 방식으로 통신할 수밖에 없다는 단점을 가지고 있었으나, 이런 문제점을 해결하기 위해 Release-14에서 NB-IoT에 eMBMS가 추가됨에 따라 다수에 사용자가 일시에 같은 데이터를 전송받아도 네트워크에 큰 부하 없이 안정적인 서비스 제공이 가능하도록 개선되었다.

또한 간헐적으로 데이터를 송수신할 때 코어 네트워크 사용을 최적화하는 cIoT 기술도 추가되어 작은 데이터 전송에 최적화된 통신환경을 지원한다.

Cellular IoT를 활용한 이동형 IoT 디바이스

K사와 L사는 NB-IoT에 집중하고 있으며, S사의 경우 Cat-M의 발전형태인 Cat-M1에 집중하고 있다.

specifications	Cat-M	Cat-M1
Max, system bandwidth	1.4MHz	1.4MHz
Downlink peak rate	1 Mbit/s	1 Mbit/s or 375Kbit/s
Uplink peak rate	1 Mbit/s	1 Mbit/s or 375Kbit/s
Duplex	Half duplex	Full or Half duplex

이동형 IoT 디바이스는 실시간 차량 위치 및 운행 궤적 확인, 실시간 출발/도착 정보 확인, 신선식품 수송 차량의 온도 측정과 같은 다양한 분야에서 활용될 수 있다. 실제로 A기업에서는 대구광역시에 미세먼지를 측정하기 위해 약 40대의 택시에 IoT 디바이스를 부착하여 실시간 먼지 지도 서비스를 시범 운영 중이다.

하지만 A 기업의 경우 택시 회사의 콜 서비스와 연계한 LTE 기반으로 서비스를 진행하기 때문에 10초당 100Byte의 소규모 데이터를 전송하는 IoT 디바이스에서는 전력과 비용 측면에서 비효율적이며, 특정 회사의 종속적이기 때문에 전국적으로 상용화 하는 데 문제가 있다. 따라서 이동형 IoT 디바이스에 적합한 형태를 가지고 있는 Cellular IoT 네트워크는 LTE-M으로, 기존 LTE와 호환성을 유지하는 특성 때문에 eNB간 핸드오프시에도 안정적인 서비스가 가능하다는 장점이 있다.

NB-IoT는 eNB간 동기화 및 시스템 정보를 전송하는 채널까지 모두 새롭게 디자인된 표준 규격이므로, 음성 및 핸드오버를 지원하지 않으며 제한된 데이터 사용만 가능하다. 대신에 200kHz 주파수 대역을 사용하는 특성상 고정형 IoT 디바이스에서는 배터리 사용 시간의 증가와 도심지역과 같은 밀집 지역에서도 주파수 회절 특성으로 인해 더 넓은 커버리지를 가진다는 장점이 있다.

2018년 12월 01일 세계 최초 상용화에 성공한 국내 5G 네트워크에서는 3.5GHz와 28GHz 대역을 사용하고, 저 지연 IoT 디바이스에 핵심을 두고 개발을 진행했다. 5G 네트워크에서는 대용량의 데이터를 저 지연으로 실시간으로 전송하기에 적합한 형태로 되어 있기 때문에 자율주행 자동차, 실시간 VR 콘텐츠 등과 같은 디바이스에 적합한 형태를 가지고 있으며, 일반적인 IoT 디바이스에서는 부적절하다.

결론

IoT기기가 보편화 되면서 이를 위한 통신 기술의 발전과 IoT 디바이스의 기기는 계속해서 증가할 것으로 예상된다. 본 논문에서는 LPWA, Cellular Network, Cellular IoT에 대한 종류와 특성에 대해서 살펴보았다.

2019년 5G 네트워크를 통해서 IoT 디바이스는 빠르고 고용량의 데이터를 저 지연으로 전송할 수 있게 되면서 다양한 분야에 실시간 반응이 중요한 환경에 대중화될 것으로 예상된다. 하지만 대부분의 고정형 IoT 디바이스들은 소규모의 데이터를 전송하여 데이터를 전송함으로 저 지연 및 속도가 크게 중요한 요소로 작용하지 않기 때문에 NB-IoT가 사용될 것이다.

이동형 IoT 디바이스의 경우 하나의 IoT 디바이스로 광범위한 데이터를 얻을 수 있다는 장점과 실시간 이벤트를 수집하여 사용할 수 있으나 eNB간 이동 시에 발생할 수 있는 네트워크 단절 현상을 피하기 위해서 기존 LTE와 호환성이 유지되는 LTE-M을 사용하는 것이 적합하며 S 사는 이러한 특성을 적극적으로 어필하여 실시간 위치추적, 블랙박스 등과 같은 디바이스에 적용하고 있다.

하지만 Cellular IoT가 항상 LPWA에 대안이 될 수는 없을 것이다. UE 단말기는 점차 늘어나고 있으며, eNB와 Core 기기들의 부하는 점점 큰 문제로 대두될 것이다. 이러한 문제는 기존 네트워크 환경에서도 발생하고 있는 문제로 해결 방안으로 SD-WAN (Software Defined Wide Area Network)이 있다.

SD-WAN은 WAN 환경에서의 동적 라우팅을 기본 전제로 IP 기반의 네트워크 환경에서, Congestion이나 단절이 발생했을 때, SD-WAN CPE는 복수 터널의 품질(Latency, Packet Loss, Jitter, Throughput)을 실시간으로 반응하여 경로를 유동적으로 변경할 수 있다.

복수의 경로로 보내진 패킷이 네트워크 속도나 품질에 따라 순서가 변경되거나 손실이 발생했을 때 재전송으로 인한 추가 트래픽이 발생할 경우, SD-WAN CPE에서 Re-sequencing을 통해 패킷을 순서대로 정렬하고, 각 패킷에 FEC (Forward Error Conrtol)를 패킷에 삽입함하여 Packet loss가 발생해도 복구가 가능하다.

NB-IoT와 LTE-M 등 Cellular IoT 통신망은 세부 동작 방식은 다르나 IoT 디바이스를 위해 제정된 표준기술이다. 기반 네트워크를 SD-WAN과의 결합을 통해 더욱 안정적이고 서비스 부하를 줄일 수 있는 방안이 연구중에 있다. 실제 Peplink에서 SigFox와 SD-WAN을 결합한 서비스를 운영 중이다.