5G Massive IoT 기술 및 표준화 동향

1. Rel-13 MTC

MTC는 LTE 캐리어에서 동작하는 협대역 무선 접속 방식으로서, 사물통신 애플리케이션을 LTE 네트워크에서 지원하는 것을 목적으로 한다. Rel-11 MTC는 부하 제어를 위한 LTE RAN 프로토콜 개선과 단말의 복잡도와 배터리 소모를 최소화하는 RAN 기술에 중점을 두고 Study Item 연구를 진행하였다[1][3][4].

Rel-12 표준에서는 시그널링 오버헤드 감소와 전력 소모 최적화를 위한 RAN 기술 향상에 중점을 둔 enhanced MTC(eMTC) Study Item 연구를 완료하였고[5], 커버리지 향상을 위해 LTE 물리계층 및 RF를 개선하여 저비용 단말 카테고리(UE category 0)를 정의하는 데 주력하였다[6]. 현재 Rel-13 eMTC는 3GPP RAN WG1의 주도하에 저복잡도와 커버리지 향상뿐만 아니라 저전력 단말을 위한 Work Item 표준작업을 진행하고 있으며 2016년 3월까지 eMTC 표준화를 완료할 예정이다.

eMTC 단말은 이동성이 거의 없고 시간 지연에 민감하지 않은 스몰 데이터¹⁾를 전송하므로 많은 기능을 간소화하여 EGPRS 단말보다 경쟁력 있는 저비용 기술을 개발하고자 하였다. 그러나 복잡도 감소로 인한 수신 성능열화를 보상해야 할 뿐만 아니라 무선 인터페이스에서 투과손실이 매우 큰 경우가 발생할 수 있으므로 커버리지를 최대 15dB까지 개선해야 할 필요성이 논의되었다. 그리고 eMTC 단말의 배터리 수명을 10년 이상 유지하기 위해 송수신 시간을 최소화하는 저전력 기술도 지원해야 한다. 앞에서 기술한 eMTC 성능 요구사항 및 목표는 <표 1>에 요약하였다.

<표 1>

eMTC 요구사항

단말의 복잡도를 줄이기 위한 기술로서 협대역, 단일 안테나, 전송전력 감소, 채널코딩 및 변조방식 간소화, 반이중 모드(Half-Duplex: HD) 등을 지원하도록 결정하였다[7]. 특히, LTE 캐리어 내에서 6PRB 크기의 협대역(narrowband)을 정의하고 단말이 최소 시스템대역폭인 1.4MHz의 RF 및 기저대역으로 동작함으로써 LTE 물리채널 구조를 재사용할 수 있다. 그러나 LTE Physical Downlink Control Channel(PDCCH)/Physical Control Format Indicator Channel(PCFICH)/Physical Hybrid-ARQ Indicator Channel(PHICH)를 사용할 수 없으므로 다운링크 제어채널(M-PDCCH)은 LTE Enhanced Physical Downlink Control Channel (EPDCCH)을 기반으로 새롭게 설계되었다.

eMTC 단말은 1.4MHz 협대역 및 단일 안테나를 지원함으로써 RF 컴포넌트뿐만 아니라 기저대역 프로세싱 비용을 절감할 수 있다. 특히, 반이중 모드를 지원하는 단말은 커버리지 손실 없이 RF 비용을 획기적으로 절감할 수 있을 것으로 예상된다. 그러나 단말의 전송전력을 23dBm에서 20dBm으로 낮춰서 업링크 커버리지 감소 문제가 발생할 수 있다.

eMTC를 위한 업링크/다운링크 데이터 채널은 최대 2개의 Hybrid Automatic Repeat request(HARQ) 프로세스를 지원하고 비동기 및 적응형 HARQ 모드로 동작한다. 그리고 1000비트 이하의 스몰 데이터 전송과 낮은 차원의 변조방식(예, QPSK, 16QAM)은 커버리지 손실 없이도 복잡도 및 전력소모를 줄일 수 있다.

단말의 커버리지를 개선하기 위해 각 채널에 적용된 기술로서 반복전송(repetition), TTI bundling 및 HARQ 재전송, cross-subframe scheduling, 주파수 호핑, 또는 멀티서브프레임 채널 추정 기법 등을 지원하도록 결정하였다[(그림 3) 참조)][7].

(그림 3)

eMTC를 위한 커버리지 향상 기술

RRC_CONNECED 상태인 단말의 커버리지 모드를 모드 A와 B로 구분하여 시그널링해주면, 단말은 각 커버리지 모드에 해당하는 반복 횟수를 각 채널에 적용할 수 있다. 업링크/다운링크 채널은 커버리지 모드 A에서 최대 32회, 커버리지 모드 B에서 최대 2,048회 반복 전송할 수 있다.

eMTC를 위한 다운링크 제어 및 데이터 채널의 전력효율과 커버리지를 더욱 증가시키기 위해 반복전송뿐만 아니라 최대 4개의 협대역간 주파수 호핑과 최대 16개 서브프레임 동안 연속해서 채널추정을 수행할 수 있다. 또한 다운링크 제어채널을 모두 반복 전송한 후, 다운링크 데이터 채널을 반복 전송하는 cross-subframe scheduling 기법을 사용할 수 있다. 다운링크 제어채널은 커버리지 개선을 위해 더 낮은 코딩율과 더 작은 크기의 Downlink Control Information(DCI) 포맷을 지원한다.

업링크 채널의 전력효율과 커버리지를 더욱 증가시키기 위해 반복전송뿐만 아니라 2개의 협대역간 주파수 호핑과 최대 16개 서브프레임동안 연속해서 채널추정을 수행할 수 있다. 그리고 반복횟수가 많은 경우엔 최대전력으로 전송한다.

eMTC 단말의 전력 소모를 줄이기 위한 기술로서 Power Save Mode(PSM), extended Discontinuous Reception(eDRX), 시그널링 간소화 등을 지원한다. PSM을 새롭게 정의하여 네트워크에 등록된 단말은 호 설정 및 연결 절차가 없이 간단한 시그널링만으로 PSM 상태에서 wakeup 상태로 전환할 수 있게 한다. 그리고 eMTC의 산발적인 스몰 데이터 전송 특성에 적합하도록 Tracking Area Update(TAU) 주기와 Discontinuous Reception(DRX) 주기를 늘려서 불필요한 시그널링을 최소화한다. 또한, eMTC 단말을 위한 System Information Block(SIB)/SI는 제어채널 스케줄링 없이 다운링크 데이터 채널로만 전송된다. 즉, MTC-SIB1의 스케줄링 정보는 미리 정의하거나 MIB(Master Information Block)로 전송하고, 나머지 MTC-SIs의 스케줄링 정보는 미리 정의하거나 MTC-SIB1으로 전송한다.

2. Rel-13 NB-IOT

(그림 4)

NB-IOT 표준화 진행도

지난 2015년 9월 미국 피닉스에서 개최된 3GPP RAN Plenary 69차 회의에서 LTE Release 13을 목표로 Narrow-Band IOT(NB-IOT) Working Item 표준화를 승인하였으며[8], 현재 TSG-RAN WG1의 주도하에 3GPP 표준화가 진행되고 있다. (그림 4)에서 볼 수 있듯이 NB-IOT 표준화는 GERAN Study Item의 결과물인 TR 45.820 문서에 기반을 두고 있다. 세부적으로, Huawei와 Vodafone의 주도로 제안된 OFDMA(다운링크)/FDMA(업링크) 기반의 NB-CIOT 기술과 Ericsson의 주도로 제안된 OFDMA(다운링크)/SC-FDMA(업링크) 기반의 NB-LTE 기술을 바탕으로 단일한 솔루션을 제안하기 위한 논의가 시작되었다.

NB-IOT는 면허 대역에서 Low Power Wide Area(LPWA) 네트워크를 실현하기 위한 셀룰러 협대역 무선 전송 기술이다. 이 새로운 기술을 통해 커버리지 성능을 개선하고 지연 민감성이 낮은 스몰 데이터²⁾ 전송을 수행하는 초 다수 사물통신 디바이스를 수용할 수 있을 것으로 예상된다[9].

본 절에서 다루는 NB-IOT의 표준 동향은 2015년 11월 미국 애너하임에서 개최된 TSG-RAN WG1 83차 회의 및 WG2 92차 회의까지의 결정사항을 기반으로 한다.

가. 요구사항 및 운용모드

현재 3GPP에서 논의 중인 NB-IOT는 주로 스마트 미터링, 스마트 홈, 알람 서비스 등의 다양한 서비스를 면허 대역에서 지원하는 것을 목표로 한다. 따라서, 대부분의 NB-IOT 디바이스는 건물 내에서 동작할 것으로 예상되며, 기지국은 지하에 설치된 NB-IOT 디바이스에도 커버리지를 제공할 수 있어야 한다. 또한, NB-IOT 디바이스는 한번 설치 된 이후에는 배터리 교체와 같은 관리가 필요하지 않으며, $1 정도의 매우 저렴한 칩셋을 개발할 것으로 예상된다. 따라서, NB-IOT 설계 시, 디바이스의 매우 낮은 복잡도와 배터리 소모량이 고려되어야 한다. 마지막으로, NB-IOT 디바이스는 지연 민감성이 비교적 낮은 스몰 데이터를 전송하며, 기지국은 셀 당 약 5만개에 해당하는 초 다수 디바이스를 수용할 수 있어야 한다. 3GPP에서 정의하고 있는 NB-IOT의 성능 요구사항 및 그 목표는 <표 2>와 같다[9].

<표 2>

NB-IOT 요구사항

NB-IOT는 (그림 5)와 같은 세 가지의 서로 다른 운용 모드를 제공하며, 각 모드에 대해 동일한 요구사항과 단일한 솔루션을 제공하는 것을 목표로 한다. 각각의 운용 모드와 그 특징은 다음과 같다[8].

(그림 5)

NB-IOT의 운용 모드

· Standalone mode

NB-IOT를 위해 GERAN에서 사용되는 주파수 대역(향후 재할당된 GSM carrier)을 별도로 할당하여 운용함.

· Guard-band mode

NB-IOT를 위해 resource block으로 사용되지 않은 LTE carrier의 guard-band를 할당하여 운용함.

· In-band mode

NB-IOT를 위해 LTE carrier의 일부 resource block을 할당하여 운용함.

나. TSG RAN WG1 표준동향

(그림 6)

In-band 운용 모드에서 NB-IOT 자원과 LTE 신호와의 충돌

NB-IOT는 E-UTRA로부터 변형된 협대역 무선 접속 방식으로 다운링크와 업링크 전송을 위해 각각 180kHz 대역을 할당하여 사용한다. 하지만 기존 LTE 시스템과의 호환성을 제공하지 않는다(non-backward compatible). 다운링크의 경우, 크게 두 가지 방식이 논의되었다. 하나는 Huawei가 주도하는 3.75kHz 부반송파 간격을 갖는 OFDMA 기반의 전송 방식이며, 다른 하나는 Ericsson이 주도하는 15kHz 부반송파 간격을 갖는 OFDMA 기반의 전송 방식이다. 3.75kHz 부반송파 간격을 사용하는 경우 in-band 및 guard-band 운용 모드에서 기존의 LTE carrier와 간섭을 야기하며, 특히 in-band 운용 모드에서 CRS, CSI-RS 및 PDCCH와 같은 기존의 LTE 제어 신호 및 채널과의 충돌 문제가 발생한다[(그림 6) 참조][10]. 반면, 15kHz 부반송파 간격을 갖는 경우, 앞서 언급된 in-band 및 guard-band 운용 모드에서의 발생 가능한 문제를 해결할 수 있다. 따라서, TSG-RAN WG1 83차 회의에서 기존 LTE 시스템의 다운링크와 동일하게 15kHz 부반송파를 갖는 OFDMA를 지원하는 것으로 결정하였다[11].

NB-IOT는 180kHz(즉, 기존 LTE 기준 1PRB)의 협대역 주파수를 사용하고, 전송 가능한 최소 주파수 단위가 15kHz 부반송파로 작아짐에 따라, NB-IOT의 신호 및 채널 설계가 기존의 LTE 다운링크와 차이가 있을 것으로 예상된다. 예를 들어, 기존 LTE의 동기 신호의 경우, 주파수 영역으로는 6PRB 그리고 시간 영역으로는 1개의 OFDM 심볼에 걸쳐서 동기 신호를 전송했지만, TSG-RAN WG1 83차 회의에서 결정된 사항을 보면, NB-IOT의 경우, 주파수 영역으로는 1PRB 그리고 시간 영역으로는 처음 3개의 OFDM 심볼(기존 LTE의 제어채널 할당 영역)을 제외한 최대 11개의 OFDM 심볼을 사용하여 동기를 전송한다. 또한, NB-IOT 디바이스의 복잡도를 낮추기 위해 운용 모드에 상관 없이 동일한 동기신호를 통해 동기를 제공하는 방법이 논의 중이다. 이 외에도 NB-IOT의 다운링크 레퍼런스 신호 및 제어/데이터 채널 설계 등이 남은 일정 동안 논의될 예정이다.

NB-IOT의 업링크 전송 방식은 크게 두 가지 방식이 논의되었다. 하나는 Huawei가 주도하는 GMSK 변조 방법을 사용하는 FDMA 기반의 업링크 전송 방식이며, 다른 하나는 Ericsson이 주도하는 SC-FDMA 기반의 업링크 전송 방식이다. TSG-RAN WG1 83차 회의에서 단말의 복잡도 및 표준화 일정과 성능 요구사항에 대한 시뮬레이션 결과를 토대로[11], 다음과 같은 단일한 업링크 전송방식을 결정하였다. 다수의 부반송파를 사용하는 다중 톤(multi-tone) 전송의 경우, 15kHz 부판송파 간격을 갖는 SC-FDMA 방식을 지원하며, 단일한 부반송파를 사용하는 단일 톤(single-tone) 전송의 경우, 3.75kHz 혹은 15kHz 부반송파 간격이라는 두 가지 numerology의 SC-FDMA 방식을 모두 지원한다[10].

단일 톤 전송 방식은 Phase-Shift Keying(PSK) 기반의 변조 기법에서 0dB의 Peak-to-Average Power Ratio(PAPR)을 보장하므로, 높은 효율의 전력증폭기(power amplifier)를 제공하기 위한 디바이스 비용과 복잡도를 낮출 수 있다. 뿐만 아니라, 좁은 대역을 사용함으로써 높은 전송전력을 통해 업링크 전송을 수행할 수 있으며, 커버리지 효율을 향상시킬 수 있다. 반면, 다중 톤 전송의 경우, 높은 PAPR 문제를 해결하기 위한 방법이 필요하며, 이에 따라 PAPR을 감소시킬 수 있는 변조 기법 및 프리코딩 기법이 논의되고 있다[12].

이 외에도 PAPR 감소 및 커버리지 향상을 고려한 랜덤액세스 채널 설계, 부반송파 간격 및 최소 전송 주파수 단위의 변화로 인한 업링크 레퍼런스 신호 및 데이터 채널 설계 등이 남은 일정 동안 진행될 예정이다.

다. TSG RAN WG2 표준 동향

Medium Access Control(MAC), Radio Link Control(RLC), Packet Data Convergence Protocol(PDCP), Radio Resource Control(RRC) 절차는 기존의 LTE 절차와 프로토콜을 기반으로 하되, 새로운 구조의 물리계층에 의해 스몰 데이터 전송을 지원할 수 있도록 최적화가 필요하다. 그리고 코어 네트워크간 S1 인터페이스와 관련 무선 프로토콜도 스몰 데이터 전송의 시그널링 감소를 지원할 수 있도록 개선되어야 한다. 기존 LTE 프로토콜 기능들 가운데 NB-IOT를 위해 지원하거나 지원하지 않기로 결정된 기능적 요구사항들은 <표 3>과 같다.

<표 2>

NB-IOT 요구사항

1) 제어 평면

시스템 정보(System Information)는 eMTC를 포함하는 LTE를 기반으로 개선하고, 시스템 정보 변화를 빠르게 감지하기 위하여 기존 LTE SIB1에 있었던 SystemInformationValueTag은 MIB에 포함하기로 결정하였다. MIB에 포함되지 않은 시스템 정보들은 다른 SIB들로 그룹화되고 각각의 SIB들은 다른 주기를 가지고 스케줄링이 될 수 있으며, MIB은 SIB을 획득하는 데 필요한 정보들을 포함한다.

페이징(Paging)은 커버리지 레벨마다 다른 횟수의 반복 전송을 한다. Core Network(CN) 노드는 RAN 노드에 페이징 관련 정보들을 알려주기 위해서 S1 페이징 메시지 안에 NB-IOT 디바이스의 커버리지 레벨, 페이징 시도 횟수, 그리고 마지막으로 알려진 Cell ID 정보를 포함시켜 전송한다.

DRX는 Idle 모드에서 NB-IOT 디바이스들의 전력소모를 줄이고 지연에 민감한 애플리케이션을 지원하기 위해서 최소 1초~최대 3시간까지의 DRX 사이클 범위를 지원하도록 고려하여야 한다. 이를 지원하기 위하여 페이징 전송 윈도우를 가지는 System Frame Number(SFN) 기반의 짧은 DRX와 긴 DRX(eDRX)가 사용된다.

액세스 제어(Access Control) 방식은 로밍된 NB-IOT 디바이스 구별과 우선순위 구별이 가능해야 하므로 Extended Access Barring(EAB)와 유사하게 비트맵을 이용하는 방식으로 결정되었다.

3GPP SA2에서는 스몰 데이터를 효율적으로 전송하기 위해서 시그널링 오버헤드를 줄이기 위한 여러 가지 솔루션들을 제안하였다[13]. 그중에서 제어 평면 (Control Plane)기반의 Solution 2를 Mandatory 솔루션으로 결정하고, 사용자 평면(User Plane) 기반의 Solution 18을 Optional 솔루션으로 결정하였다[14].

Mandatory 솔루션에서는 스몰 데이터 전송을 위하여 RRC 연결이 설정된다. RRC 연결 설정을 위한 절차상에서 최대 한 개의 Non-Access Stratum(NAS) 시그널링 메시지 또는 스몰 데이터를 전달하는 NAS 메시지가 RRC Connection Setup Complete 메시지 내에서 포함되어 전달될 수 있다. 상향 링크 NAS 시그널링 메시지 또는 작은 데이터를 전달하는 상향 링크 NAS 메시지는 상향 링크 RRC 컨테이너 메시지 내에서 전송될 수 있다. 하향 링크 NAS 시그널링 메시지 또는 스몰 데이터를 전달하는 하향 링크 NAS 메시지는 하향 링크 RRC 컨테이너 메시지 내에서 전송될 수 있다.

Optional 솔루션에서는 스몰 데이터 전송을 위하여 데이터 무선 베어러(DRB)가 설정된다. NB-IOT의 RRC_ IDLE 모드는 기존의 RRC_IDLE 모드와 다르게 NB-IOT 디바이스와 기지국 모두가 AS context를 유지하는 특징을 가진다. RRC Connection Suspend 절차는 NB-IOT 디바이스와 기지국의 상태가 RRC_CONNECTED 상태에서 RRC_IDLE 상태로 변환시킬 때 사용된다. RRC Connection Suspend 절차에서 NB-IOT 디바이스와 기지국은 Access Stratum(AS) context 정보를 삭제하지 않고 그대로 저장한다. RRC Connection Resume 절차는 NB-IOT 디바이스와 기지국의 상태가 RRC_IDLE 상태에서 RRC_CONNECTED 상태로 변환시킬 때 사용된다. RRC Connection Resume 절차에서 NB-IOT 디바이스와 기지국은 이전에 저장된 AS context 정보를 재사용하여 RRC 연결을 다시 시작한다. 이를 위하여 RRC Connection Suspend 절차와 RRC Connection Resume 절차에서 사용되는 메시지는 RRC 연결을 다시 시작하기 위해서 요구되는 저장된 정보를 액세스하기 위한 특정 아이디 ‘Resume ID’를 포함한다.

2) 사용자 평면

사용자 평면의 계층들은 선택된 물리계층 방식을 지원하기 위하여 적절한 최적화를 제공하기로 하였다.

우선, MAC 계층에서는 상향링크와 하향링크 전송을 위하여 각각 한 개씩의 HARQ 프로세스가 사용되고, NB-IOT 디바이스는 반-이중(half-duplex) 동작만을 지원한다. 랜덤 액세스를 위하여 충돌 기반의 랜덤 액세스 방식이 지원되고 Random Access Channel(RACH) 파라미터들의 구성은 커버리지 레벨에 따라서 달라진다. 또한, RACH 재시도가 너무 많아지는 것을 방지하기 위하여 최댓값을 설정한다.

RLC 계층에서는 상위 계층 Protocol Data Unit(PDU)들의 전달 및 RLC Service Data Unit(SDU)들의 연접(concatenation), 분할(segmentation) 그리고 재조립(reassembly)과 같은 기존 RLC 계층의 기본 기능들은 지원한다. 하지만 MAC 계층에서 한 개의 HARQ 프로세스만 사용하기 때문에 RLC 데이터 PDU들의 재정렬(reordering) 기능과 중복확인(duplicate detection) 기능들은 지원되지 않는다.

PDCP 계층에서는 사용자 평면과 제어 평면 데이터 전달 그리고 Robust Header Compression(ROHC) 프로토콜을 이용한 IP 데이터의 헤더 압축(compression) 및 압축 해제(decompression)와 같은 기존 PDCP 계층의 기본 기능들은 지원한다. 하지만 상위 계층 PDU를 위한 순차적 전달(in-sequence delivery) 기능과 하위 계층 SDU를 위한 중복확인(duplicate detection)과 중복제거(duplicate discarding) 기능들은 지원되지 않는다.