협대역 사물인터넷 기술동향

Trends of NB-IoT

저자
서 석, 신은정, 조권도 / 이동응용모뎀연구실
권호
31권 5호 (통권 161)
논문구분
5G 기가통신 기반기술 특집
페이지
11-20
발행일자
2016.10.01
DOI
10.22648/ETRI.2016.J.310502
초록
사물인터넷은 다양한 응용 및 융합 서비스를 창출할 새로운 기회의 장으로 떠오르고 있다. 가트너 등의 시장 조사기관 및 전문가 들의 예측에 따르면 2020년까지 사물인터넷 디바이스는 300~500억 대로 증가할 것이며, 시장 규모는 3,000억 달러를 초과할 것으로 전망하였다. 이러한 거대한 규모의 시장 선점을 위한 기술 간, 업체 간 경쟁도 한층 증대되고 있다. 비 3GPP 계열 LPWA 네트워크는 유럽을 중심으로 이미 서비스가 시작되었으며, 3GPP에서는 LPWA 네트워크 실현을 위해 Narrowband Internet-of-Things(NB-IoT)를 새롭게 소개하였다. NB-IoT는 비 3GPP 계열 LPWA 기술과의 경쟁 속에서도 빠르게 시장에 진입할 것으로 기대된다. 본고에서는 표준화가 완료된 3GPP Release 13 NB-IoT 기술과 Release 14을 목표로 표준화가 진행 중인 NB-IoT enhancement에 대해 기술한다.
   9495 Downloaded 6611 Viewed
목록

Ⅰ. 서론

사물인터넷은 인간을 포함한 모든 사물이 유무선 네트워크에 연결되어 유기적으로 정보를 수집 및 공유하며, 상호 협력하는 네트워크 인프라를 일컫는다. 사물인터넷 시장은 폭발적인 증가세를 보이며, 2020년경에는 전 세계적으로 300억개 이상의 사물이 네트워크에 연결되는 초연결 시대에 접어들 것으로 예상한다[1].

사물 간 연결성은 사물인터넷을 구성하는 중요한 기본 요소이며, 접속방식은 적용 사례의 특성에 따라 결정된다. 현재 사물인터넷 연결성 제공을 위한 무선접속 기술은 면허 대역에서 동작하는 3rd Generation Partnership Project(3GPP) 계열의 셀룰러 기반과 비면허 대역을 사용하는 비 3GPP 계열 Low Power Wide Area(LPWA)로 분류할 수 있다.

LPWA는 긴 배터리 수명, 광역 연결성 제공, 저가의 단말 및 네트워크, 소량의 데이터 전송 등의 특성을 갖는 기술을 통칭한다. 비 3GPP 계열의 비면허 대역 기반 LPWA 기술은 제한적인 신뢰성 및 보안, 높은 초기투자 및 유지보수 비용 등의 제약에도 불구하고 LoRa, Alliance, Sigfox, Weightless SIG 등을 중심으로 독자적 기술 개발이 활발하게 진행되고 있다.

3GPP에서는 LPWA 네트워크 실현을 위한 새로운 무선전송 기술인 NB-IoT를 소개하였다. NB-IoT는 2015년 9월 미국에서 개최된 69차 RAN plenary 회의에서 WI으로 승인되었다. TSG-RAN WG1 주도하에 표준화를 진행하여 2016년 6월 Release 13 core part 표준화가 완료되었으며, 2016년 9월까지 performance part 표준화가 완료될 예정이다. 현재는 2017년 3월 Release 14 core part 표준화 완료를 목표로 NB-IoT enhancement에 대한 표준화가 진행되고 있다. 본고에서는 Release 13 NB-IoT 및 Release 14에서 논의될 NB-IoT enhancement 이슈에 대해 살펴보고자 한다.

Ⅱ. NB-IoT 기술동향

1. Release 13 NB-IoT

본 절에서는 2016년 6월 완료된 Release 13 표준규격([2]-[5])을 바탕으로 NB-IoT의 기술적 특징을 소개한다.

가. 운용 모드 및 주파수

NB-IoT는 in-band, guard band, stand-alone의 세 가지 운용 모드를 지원하며, 동일한 요구사항이 적용된다. In-band 모드는 Long-Term Evolution(LTE) 대역 내 자원 중 일부를 NB-IoT에 할당하여 운용한다. Guard band 모드는 LTE의 보호 주파수 대역을 활용하며, NB-IoT 캐리어는 LTE의 가장자리 부반송파에 되도록 가깝게 배치된다. Stand-alone 모드는 Global System for Mobile Communications(GSM) 대역 내 일부 캐리어를 별도로 할당하여 운영한다.

NB-IoT 단말은 초기 동기화를 위해 100kHz 단위로 앵커 캐리어(anchor carrier)를 탐색하며, in-band 및 guard band의 앵커 캐리어 중심주파수는 100kHz 채널 래스터(channel raster)로부터 ±7.5kHz 이내에 위치하여야 한다. 또한, LTE PRB 중에서 가운데 6 PRB는 NB-IoT에 할당하지 않는다. 따라서 앵커 캐리어는 특정 Physical Resource Block(PRB)에만 위치할 수 있다.

(그림 1)은 LTE 대역폭 10MHz에 대한 in-band 앵커 캐리어 배치 시나리오를 보인 것이다. Direct Current (DC) 부반송파는 채널 래스터에 위치하고 인접 PRB 간의 중심주파수 간격은 180kHz이기 때문에 PRB 번호 4, 9, 14, 19, 30, 35, 40, 45는 채널 래스터로부터 ±2.5kH에 중심주파수가 위치하게 된다. 마찬가지로 대역폭 20MHz인 경우도 앵커 캐리어 전송에 적합한 PRB의 중심주파수는 채널 래스터로부터 ±2.5kHz에 위치하며, 대역폭 3MHz, 5MHz, 15MHz 경우에는 ±7.5kHz에 위치하게 된다.

(그림 1)

In-band 앵커 캐리어 배치 시나리오

images_1/2016/v31n5/ETRI_J003_2016_v31n5_11_f001.jpg

Guard band 모드의 경우, 대역폭 10MHz와 20MHz에 대해서 LTE의 가장자리 PRB에 바로 인접한 PRB가 채널 래스터로부터 ±2.5kHz에 중심주파수가 위치하며, 3MHz, 5MHz, 15MHz 경우에는 가장자리 PRB로부터 3개의 부반송파에 해당하는 보호 주파수 대역을 사용함으로써 채널 래스터로부터 ±7.5kHz에 앵커 캐리어의 중심주파수를 위치시킬 수 있다.

Stand-alone 모드의 앵커 캐리어는 100kHz 채널 래스터에 정렬되며, DC 캐리어를 포함한 모든 GSM 캐리어를 NB-IoT 앵커 캐리어로 활용할 수 있다. 또한, NB-IoT는 다수의 캐리어 운용을 지원하며, in-band + in-band, in-band + guard band, guard band + guard band, stand-alone + stand-alone의 조합이 사용될 수 있다.

나. 물리채널

1) 하향링크

NB-IoT 하향링크는 15kHz 부반송파 간격을 갖는 Orthogonal Frequency Division Multiple Access(OFDMA) 방식을 사용한다. 이는 부반송파 간 직교성을 제공하여 LTE 시스템과의 공존(coexistence)을 원활하게 한다. 하향링크에는 Narrowband Physical Broadcast Channel (NPBCH), Narrowband Physical Downlink Shared Channel(NPDSCH), Narrowband Physical Downlink Control Channel(NPDCCH)와 같은 물리채널이 제공되며, 물리신호로는 Narrowband Primary Synchronization Signal(NPSS), Narrowband Primary Synchronization Signal(NSSS), Narrowband Reference Signal(NRS)가 제공된다. 하향링크 물리채널 및 신호는 기본적으로 시간영역 다중화를 통해 전송된다[(그림 2) 참조]. NPBCH는 매 프레임의 첫 번째 서브프레임, NPSS는 매 프레임의 여섯 번째 서브프레임, 그리고 NSSS는 매 짝수 프레임의 마지막 서브프레임에 전송된다.

(그림 2)

하향링크 물리채널 시간영역 다중화

images_1/2016/v31n5/ETRI_J003_2016_v31n5_11_f002.jpg

NB-IoT 단말은 망에 접속하기 위해 셀의 시스템 정보를 획득하여야 한다. 이를 위해서 셀 탐색 과정을 통해 셀과의 동기를 획득하여야 하며, 이를 위해 동기신호(NPSS, NSSS)가 하향링크로 전송된다. 단말은 동기신호를 이용하여 주파수, 심볼, 프레임 동기를 획득하고 504개의 PCID(Physical Cell ID)를 탐색한다. LTE 동기신호는 6 PRB 자원을 통해 전송되도록 설계되었으며, 1 PRB를 사용하는 NB-IoT에 재사용하기는 불가능하다. 따라서 새로운 NB-IoT 동기신호가 설계되었으며, NB-IoT의 세 가지 운용모드에 동일하게 적용된다.

NRS은 하향링크 물리채널 복조에 필요한 채널추정을 위한 기준 신호로 제공되며 LTE와 동일한 방식으로 생성된다. 다만 초기화를 위한 초기값으로 NB- Narrowband-Physical Cell ID(PCID)를 사용한다. NRS는 하나 또는 두 개의 안테나 포트에 전송되며, NB-IoT의 기지국 송신 안테나는 최대 2개까지 지원된다.

NPBCH는 NB-IoT 단말이 시스템에 접속하기 위해 반드시 알아야 하는 최소한의 시스템 정보인 Master Information Block-Narrowband(MIB-NB)를 단말에 전달한다. MIB-NB의 Transport Block Size(TBS)는 34 비트이고 640ms Transmission Time Interval(TTI) 주기마다 새로 업데이트되어 전송되며, 운용 모드, System Frame Number(SFN), Hyper-SFN, Cell-specific Reference Signal(CRS) port 수, 채널 래스터 오프셋 등의 정보를 포함한다. NPBCH 신호는 커버리지 향상을 위해 총 8번의 반복 전송이 가능하다.

NPDCCH 채널은 NPBCH와 동일한 송신 안테나 구성을 갖게 되며, 3종류의 Downlink Control Information (DCI) 포맷을 지원한다. DCI N0는 Narrowband Physical Uplink Shared Channel (NPUSCH) 스케줄링 정보를 단말에 전송할 때 사용되며, DCI N1과 N2는 NPDSCH의 복조에 필요한 정보를 단말에 전달하는 경우에 사용된다. NPDCCH는 커버리지 향상을 위해 최대 2048번의 반복 전송이 가능하다.

NPDSCH는 Downlink-Shared Channel(DL-SCH), Paging Channel(PCH)과 같은 Transport Channel(TrCH) 전송을 위한 물리채널이다. 최대 TBS는 680 비트이며, 커버리지 향상을 위해 최대 2048번 반복 전송이 가능하다.

2) 상향링크

상향링크 물리채널은 Narrowband Physical Random Access Channel(NPRACH), NPUSCH로 구성되며, single-tone 및 multi-tone 전송을 지원한다. Multi-tone 전송은 15kHz 부반송파 간격에 대해서만 지원되며, single-tone 전송은 3.5kHz와 15kHz의 부반송파 간격에 대해서 지원된다. 상향링크에서 15Hz 부반송파 간격은 LTE와의 직교성을 유지할 수 있어 최적의 성능을 제공할 수 있지만, 3.75kHz 부반송파 간격은 직교성이 와해되어 간섭으로 인한 성능열화가 발생할 수 있다.

NPRACH 프리앰블은 네 개의 심볼그룹으로 구성되며, 여기서 각 심볼그룹은 Cyclic Prefix(CP)와 다섯 개의 심볼로 구성된다. NPRACH는 3.75kHz 부반송파 간격의 single-tone 전송만 지원하며, 서로 다른 셀 반경을 지원하기 위해 66.7µs과 266.67µs 길이의 CP를 제공한다. 각 심볼그룹은 주파수 도약(frequency hopping)을 수행하며 도약 패턴은 다음과 같다. 첫 번째 심볼그룹을 전송하는 부반송파는 의사 랜덤(pseudo-random) 방식으로 결정된다. 두 번째 심볼그룹은 1부반송파, 세 번째 심볼그룹은 6부반송파, 그리고 네 번째 심볼그룹은 1부반송파 도약을 한다. 반복 전송의 경우에는 위의 주파수 호핑 절차를 반복하여 적용하며, 커버리지 향상을 위해 NPRACH 프리앰블은 최대 128번까지 반복 전송이 가능하다.

NPUSCH는 두 가지 포맷을 지원한다. Format 1은 UL-SCH 전송을 위한 것이며, 최대 TBS는 1000비트이다. Format 2는 HARQ ACK 시그널링과 같은 상향링크 제어정보 전송에 사용된다. Format 1은 single-tone 및 multi-tone 전송을 지원하며, format 2는 single-tone 전송만 지원된다. Single-tone 전송의 경우 PAPR(Peat-to-Average Power Ratio)을 줄이기 위해서 π/2-BPSK(Binary Phase Shift Keying), π/4-QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)를 사용한다.

다. 자원매핑

Stand-alone과 guard band 모드에서는 1 PRB에 포함된 모든 자원을 NB-IoT에 할당할 수 있지만, in-band 모드의 경우는 기존 LTE 신호와의 직교성 유지를 위해 자원 매핑에 제약이 따른다.

단말은 시스템 정보가 없는 상황에서 초기 동기화를 위해 NPSS 및 NSSS를 검출하여야 한다. 따라서 LTE 제어채널 할당 영역으로 분류되는 자원(매 서브프레임의 0~2번 OFDM 심볼)은 NPSS, NSSS에 할당할 수 없으며, LTE CRS와 중첩되는 RE(Resource Element)에 매핑된 NPSS, NSSS심볼은 천공(puncturing)이 되어야 한다.

셀 탐색 후 단말은 PCID 외의 시스템 정보가 없는 상황에서 NPBCH를 복조한다. 따라서 LTE 제어채널 할당 영역에 NPBCH 심볼을 매핑할 수 없다. 그리고 4개의 LTE 안테나 포트, 2개의 NB-IoT 안테나 포트를 가정하여야 하기 때문에 그에 따른 CRS 및 NRS에 할당되는 RE는 NPBCH에 할당할 수 없다. 따라서 NPBCH는 (그림 3)과 같이 주어지는 가용 자원에 맞게 rate matching이 수행되어야 한다.

(그림 3)

NPBCH 자원매핑

images_1/2016/v31n5/ETRI_J003_2016_v31n5_11_f003.jpg

NPBCH 복조 후 단말은 CRS 안테나 포트 수에 대한 정보를 획득하게 되지만, 여전히 LTE 제어채널 할당 영역 정보를 알 수 없다. 따라서 SIB1(System Information Block type 1) 데이터를 전송하는 NPDSCH를 LTE 제어채널 할당 영역으로 분류된 자원에 매핑하지 않는다. 그러나 NPBCH와 달리 LTE CRS에 할당되지 않는 RE를 NPDSCH에 할당 할 수 있다. SIB1 수신 후 단말은 자원매핑과 관련된 정보를 모두 획득한 상태이기 때문에, LTE 제어채널 정보와 CRS 안테나 포트 수에 기반하여 NPDSCH(SIB1을 전송하는 경우 제외)와 NPDCCH을 가용 자원에 매핑할 수 있다.

라. 성능 요구사항

NB-IoT는 저가/저복잡도/저전력소모 디바이스, 실내외 커버리지 향상, 초 다수 디바이스 수용력, 지연 민감도가 낮은 소량의 데이터 전송 등의 요구사항을 수용하여야 한다.

1) 커버리지

NB-IoT 디바이스는 건물 지하, 두꺼운 외벽 건물 내부, 전파 투과손실이 큰 재질을 사용하는 빌딩 내부 등에 설치되는 경우가 많을 것이다. (그림 4)는 3 가지 실내환경에서의 outdoor-to-indoor 전파 투과손실 측정 결과를 보인 것이며, indoor는 사무실 1st row, deep indoor는 중앙 복도, deep indoor 2는 사무실 2nd row 위치를 각각 의미한다. (그림 4)로부터 최신 건물의 outdoor-to-indoor 전파 투과손실은 16~29dB에 이르며, deep indoor의 경우 25~35dB의 투과손실을 겪는 것으로 나타나고 있다[6].

(그림 4)

최신 건물의 전파 투과손실[6]

images_1/2016/v31n5/ETRI_J003_2016_v31n5_11_f004.jpg

이러한 전파도달의 극한 상황을 극복하기 위해 NB-IoT 시스템은 기존 GSM 대비 20dB 이상의 커버리지 향상을 요구하고 있으며, 이는 Maximum Coupling Loss(MCL) 164dB 이상의 커버리지 향상을 의미한다. [7]에서는 커버리지 향상을 위한 방법으로 HARQ 재전송, 반복 전송, low coding rate, low modulation order 등의 전송 방식 사용, RS 파워 또는 Power Spectral Density(PSD) 부스팅, 요구사항 완화 등을 제시하고 있다. <표 1>은 커버리지 향상과 관련된 NB-IoT 특징을 요약한 것이다.

<표 1>

커버리지 향상 관련 NB-IoT 특징

images_1/2016/v31n5/ETRI_J003_2016_v31n5_11_t001.jpg

2) 배터리 수명

NB-IoT는 AA 건전지를 사용하여 10년 이상의 배터리 수명을 유지하는 것을 목표로 하고 있으며, Rel-13에서는 배터리 수명 연장을 위해 Power Saving Mode(PSM)와 extended Discontinuous Reception(eDRX)을 지원하고 있다.

Discontinuous Reception(DRX) 주기는 단말의 전력소모에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 보고되고 있으며, (그림 5)는 DRX 주기에 따른 에너지 소모량을 분석한 결과를 보인 것이다[8]. NB-IoT는 지연 민감도가 낮은 데이터 전송을 지향하고 있으므로, 긴 주기의 eDRX 사용함으로써 단말의 전력소모를 저감할 수 있다.

(그림 5)

DRX 주기에 따른 배터리 수명[8]

images_1/2016/v31n5/ETRI_J003_2016_v31n5_11_f005.jpg

커버리지 역시 단말의 전력소모와 밀접한 관련이 있다. NB-IoT는 MCL 144dB, 154dB, 164dB로 주어지는 세 가지 커버리지 클래스를 정의하고 있으며, 이는 GSM 대비 각각 0, 10, 20dB의 커버리지 향상에 해당된다. <표 2>는 이러한 세 가지 커버리지 클래스에 따른 배터리 수명 관계를 다양한 트래픽 모델에 대해 분석한 결과를 보인 것이며, 커버리지가 클수록 배터리 수명은 짧아지는 것을 알 수 있다[9].

<표 2>

커버리지 클래스에 따른 배터리 수명[9]

images_1/2016/v31n5/ETRI_J003_2016_v31n5_11_t002.jpg

3) 디바이스 수용 용량

NB-IoT는 하나의 PRB를 사용하여 수많은 사물인터넷 디바이스를 수용해야 하며, [10]에서 제시한 디바이스 밀도 모델(1517개/km2) 기준으로 셀(면적 0.86 km2)당 5만개 이상의 디바이스를 수용할 수 있어야 한다. 더욱이 NB-IoT는 다수 캐리어 운영을 지원하기 때문에 운영하는 캐리어 수에 비례하는 디바이스를 지원할 수 있다. 많은 전문가들은 향후 2020년까지 300억개의 사물인터넷 디바이스가 네트워크에 연결되는 초연결 시대에 접어들 것이라는 전망하고 있다. 따라서 NB-IoT의 다수 캐리어 운용 지원은 디바이스 용량의 확장성을 제공할 수 있다.

4) 디바이스 복잡도

NB-IoT 단말은 $5 이하의 저가, 10년 이상의 배터리 수명 등의 요구사항을 만족시켜야 한다. 이러한 요구사항을 만족시키기 위한 중요한 요소 중 하나가 단말의 복잡도이며, 복잡도 감소와 관련된 NB-IoT 규격 이슈는 다음과 같다.

NB-IoT 단말은 단일 RF(Radio Frequency) 체인 만 사용하며, 180kHz의 협대역 전송 대역폭을 사용하기 때문에 기저대역 신호의 샘플링 속도가 상대적으로 낮아 신호처리 복잡도가 현저히 감소한다. NB-IoT는 현격히 작은 TBS(하향링크 최대 680비트, 상향링크 최대 1000비트) 만을 지원하고, half-duplex Frequency Division Duplexing(FDD)를 사용하는 점도 복잡도 저감 요인이라 할 수 있다. 또한 커버리지 요구사항에 따라 20dBm 정도의 전력증폭기를 사용하여 달성 가능하기 때문에 전력증폭기를 디바이스에 통합하여 설계하는 것이 가능하다. 이러한 저복잡도 특성을 통해 NB-IoT 단말의 복잡도는 LTE-Cat 1 대비 19% 이하로 유지될 것으로 기대된다[11].

5) Peak data rate

NPDSCH 및 NPUSCH의 이론적인 peak data rate은 각각 226.7kbps, 250kbps이다. 그러나 실질적인 peak data rate은 DCI, NPDSCH/NPUSCH, HARQ ACK 전송 간의 시간 오프셋을 고려할 때 이론적인 peak data rate보다 낮다. (그림 6)에서 보인 것처럼 1 HARQ 프로세스와 타이밍 관계를 고려하면 NPDSH와 NPDSCH의 실질적인 peak data rate은 각각 28kbps, 64kbps로 주어진다.

(그림 6)

NB-IoT 타이밍 관계[12]

images_1/2016/v31n5/ETRI_J003_2016_v31n5_11_f006.jpg

NPDSCH 및 NPUSCH의 이론적인 peak data rate은 각각 226.7kbps, 250kbps이다. 그러나 실질적인 peak data rate은 DCI, NPDSCH/NPUSCH, HARQ ACK 전송 간의 시간 오프셋을 고려할 때 이론적인 peak data rate보다 낮다. (그림 6)에서 보인 것처럼 1 HARQ 프로세스와 타이밍 관계를 고려하면 NPDSH와 NPDSCH의 실질적인 peak data rate은 각각 28kbps, 64kbps로 주어진다.

6) Latency

NB-IoT는 일반적으로 지연 민감도가 낮은 소량의 데이터 전송에 적합한 사물인터넷 솔루션이다. [10]에서는 사물인터넷 시스템 용량평가 및 지연해석을 위한 트랙픽 모델을 제시하고 있다. Mobile Autonomous Reporting(MAR) 주기적 보고는 스마트 미터링 보고, 스마트 농업, 스마트 환경 감시와 같은 응용에 적합한 트래픽 모델이다. 네트워크 명령 트래픽은 디바이스에게 스마트 미터 판독 결과를 요청한다거나 디바이스에게 어떤 조치를 수행하도록 명령하는 등의 적용에 적합하며, 소프트웨어 갱신/재구성 트래픽 모델은 디바이스의 소프트웨어 갱신이나 재구성에 적합하다. 이러한 트래픽 모델은 지연 민감도가 매우 낮으므로 지연 요구사항은 정의하지 않고 있다. 그러나 화재경보와 같은 이례적이고 빠른 보고가 필요한 서비스에 대해서는 지연 요구사항이 중요하다. [10]에 따르면 NB-IoT는 이례적 보고 형태의 MAR 경우에 20바이트 이하의 소량 데이터 전송, 10초 이내의 지연 요구사항을 만족하여야 한다.

2. NB-IoT Enhancement(Release 14)

지난 2016년 6월 부산에서 개최된 3GPP RAN Plenary 72차 회의에서 NB-IoT enhancement가 Release 14 WI로 승인되었으며, core part는 2017년 3월 performance part는 2017년 9월 완료를 목표로 표준화가 진행되고 있다.

72차 회의에서는 positioning, 멀티캐스트 전송 지원, non-anchor PRB 향상, 이동성 및 서비스 연속성 향상, 새로운 전력 클래스 정의 등이 표준화 이슈로 승인되었다[13]. 다음에서 이러한 NB-IoT enhancement 기술 이슈에 대한 설명이 이어진다.

가. Positioning

사물인터넷 통신은 스마트 시티, 스마트 홈, 스마트 농업, 스마트 계량, 모니터링 등 수 많은 분야에 적용할 수 있다. 더욱이 위치정보를 활용한 개인물품 추적, 물류 추적, 미아 추적 등의 서비스에 대한 요구가 증대되고 있으며, 이러한 요구사항을 반영하여 3GPP Release 14에서는 positioning 이슈를 표준화에 반영하기로 하였다. 이를 위해 Reference Signal Received Power(RSRP), Reference Signal Received Quality(RSRQ) 및 단말의 Rx-Tx 수신 시간차 측정 정보에 기반한 E-CID(enhanced Cell ID) 위치추정 기술이 포함되었으며, Uplink Time Difference of Arrival(UTDOA)와 Observed Time Difference of Arrival(OTDOA) 위치추정 기술도 고려되고 있다. NB-IoT를 위한 UTDOA 및 OTDOA 방식의 위치추정 정확도, 단말 복잡도 및 전력소모를 평가하여 73차 RAN 회의에서 적절한 방식을 제안할 것을 권고하였으며, 제안 결과를 바탕으로 논의가 진행될 예정이다.

일반적으로 정확도 측면에서는 OTDOA(<100m) 방식이 UTDOA(70~150m)와 E-CID(200~300) 보다 우수하며, OTDOA 방식은 단말 입장에서의 복잡도 및 전력소모가 다른 두 방식보다 크다는 단점이 있다[14]. 그러나 스마트 화물 추적과 같은 응용분야에서의 단말 복잡도와 전력소모 문제는 크게 문제가 되지 않아 정확도 측면에서 상대적으로 우수한 OTDOA 방식이 채택될 가능성도 배제할 수 없다. 또한, 정확도 개선을 위한 Positioning Reference Signal(PRS), Sounding Reference Signal(SRS)와 같은 기준신호의 재설계가 필요할 것으로 보인다.

나. 멀티캐스트 전송

펌웨어나 소프트웨어 갱신, 그룹 메시지 전송과 같이 다수의 NB-IoT 디바이스들에게 동일한 데이터를 전송하는 경우에 멀티캐스트 전송 방식은 유니캐스트 방식에 비해 자원의 효율적 사용 측면에서 더 우수하다.

NB-IoT에서 멀티캐스트 전송을 지원하기 위해 Rel-13의 Single Cell Point-to-Multipoint(SC-PTM)를 확장하는 방안이 제안되었다. 이를 위해 협대역 운용 및 커버리지 향상 지원을 위해 요구되는 enhancement 내용이 다음 회의에서 논의될 예정이다. 멀티캐스트 전송을 위해 고려되고 있는 기술 이슈로는 멀티캐스트 전용 PRB 사용, 다수의 디바이스가 동일한 데이터를 수신할 수 있는 그룹 Radio Network Temporary Identifier (RNTI) 사용, 멀티캐스트 효율성 증대 기술, 동적 자원 할당 등이 있다.

다. Non-anchor PRB 향상

Multi-carrier 운용 시나리오에서의 시스템 효율성을 개선하기 위한 목적으로 non-anchor PRB 향상 방안이 제안되었다. 제안된 기술적 이슈로는 NPRACH 및 페이징 메시지를 non-anchor PRB로의 전송 지원, 유니캐스트 전송에 대해 cross-PRB 동적 스케줄링 지원, 그리고 앵커 PRB로 stand-alone PRB를 사용하고 non-anchor PRB로 in-band PRB를 사용하는 새로운 multi-carrier 지원 등이 포함되었다.

라. 이동성 및 서비스 연속성 향상

Rel-13에서는 이동성이 작은 단말에 한해서 유휴 상태 이동성 및 부하분산 기능을 지원하였다. 그러나 화물 추적과 같은 적용사례에서는 접속모드에서의 이동성 및 서비스 연속성 지원은 매우 중요하다. 따라서 Rel-14에서는 단말의 전력소모를 증가시키지 않는 제약하에서 서비스 연속성 개선 및 Non-Access Stratum(NAS) 리커버리 회피를 위한 접속모드 이동성 향상에 대한 논의가 진행되고 있다. 제안된 기술적 이슈로는 셀 재선택을 통한 이동성 개선을 위한 측정 및 보고, 서비스 연속성을 위한 데이터 forwarding 기술 등이 있다.

마. 새로운 전력 클래스

Rel-14에서는 작은 폼팩터(form-factor) 배터리 사용에 적합하도록 Rel-13 대비 더 낮은 최대 송신 전력(예, 14dBm)을 정의하기로 하였으며, 새로운 전력 클래스 정의에 따른 필요한 시그널링도 함께 고려하기로 하였다. 그리고 새로운 전력 클래스에 대해서는 Rel-13에서의 MCL(164dB) 보다 완화된 MCL이 적용된다.

바. 기타

그 밖에 단말의 복잡도가 크게 증가하지 않는 전제로 16-QAM(Quadrature Amplitude Modulation) 지원, 1개 이상의 HARQ 프로세스 지원, 더 큰 TBS(상향링크 2,000 비트, 하향링크 1,000 비트) 지원 등을 통한 peak data rate 향상, 음성 데이터 지원, contention-based 상향링크 접속 지원, 음성 서비스 지원, TDD 모드 지원, 혼잡 제어, PAPR 감쇄, Channel State Indicator(CSI) 피드백 기술 이슈 등이 제안되었다.

Ⅲ. 결론

LPWA는 고효율, 저비용, 저전력 무선전송, 광역 및 deep indoor 커버리지, 초 다수 디바이스 수용 기술 향상에 대한 끊임없는 도전이 계속될 것으로 예상하며, 새로운 무선전송 기술도 계속해서 등장할 것으로 보인다. 3GPP에서도 NB-IoT enhancement 기술 표준화를 이미 시작하였으며, 기술 발전은 점점 가속도가 더해질 것으로 보인다.

기술 발전과 함께, 바야흐로 생활 속 모든 사물은 사물인터넷으로 연결되어 언제 어디서나 정보를 생성하고 공유하는 초연결 시대에 접어들기 시작하였다. 서비스 운영자, 칩셋 제조업체, 네트워크 build 업체에겐 새로운 시장이 열렸고, 인간은 새로운 사물인터넷 서비스를 통해 더 넓고 더 깊은 세상을 접할 수 있을 것으로 기대한다.

용어해설

MCL3GPP에서 서비스 커버리지를 정의하는 척도이며 서비스가 전달될 수 있는 최대 coupling loss를 의미하고 최대송신전력-수신 민감도로 정의됨.

OTDOA단말의 서빙 기지국과 인접 기지국으로부터 송신된 신호의 도달 시간차를 이용하여 단말 위치를 추정하는 측위 기술

UTDOA상향링크 사운딩 기준신호의 도달 시간 또는 도달 시간차에 기반하여 단말 위치를 추정하는 측위 기술

가트너미국의 정보 기술 연구 및 자문 회사이며 시장 분석 결과의 시각화 도구로 하이프 사이클 및 매직 쿼드런트를 개발함.

약어 정리

3GPP

3rd Generation Partnership Project

ACK

Acknowledgement

BCH

Broadcast Channel

BPSK

Binary Phase Shift Keying

CP

Cyclic Prefix

CRS

Cell-specific Reference Signal

CSI

Channel State Indicator

DC

Direct Current

DCI

Downlink Control Information

DL-SCH

Downlink-Shared Channel

DRX

Discontinuous Reception

E-CID

Enhanced-Cell ID

eDRX

extended Discontinuous Reception

FDD

Frequency Division Duplexing

GSM

Global System for Mobile

HARQ

Hybrid Automatic Repeat Request

LPWA

Low Power Wide Area

LTE

Long-Term Evolution

MAR

Mobile Autonomous Reporting

MCL

Maximum Coupling Loss

MIB-NB

Master Information Block-Narrowband

NAS

Non-Access Stratum

NB

Narrowband

NB-IoT

NB Internet-of-Things

NB-PCID

NB-Physical Cell ID

NPBCH

NB Physical Broadcast Channel

NPDCCH

NB Physical Downlink Control Channel

NPDSCH

NB Physical Downlink Shared Channel

NPRACH

NB Physical Random Access Channel

NPSS

NB Primary Synchronization Signal

NPUSCH

Narrowband Physical Uplink Shared Channel

NRS

NB Reference Signal

NSSS

NB Secondary Synchronization Signal

OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

OFDMA

Orthogonal Frequency Division Multiple Access

OTDOA

Observed Time Difference of Arrival

PCH

Paging Channel

PCID

Physical Cell ID

PDCCH

Physical Downlink Control Channel

PRB

Physical Resource Block

PRS

Positioning Reference Signal

PSD

Power Spectral Density

PSM

Power Saving Mode

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

RAN

Radio Access Network

RE

Resource Element

RF

Radio Frequency

RNTI

Radio Network Temporary Identifier

RSRP

Reference Signal Received Power

RSRQ

Reference Signal Received Quality

SC-PTM

Single-cell Point-to-Multipoint

SFN

System Frame Number

SIB

System Information Block

SRS

Sounding Reference Signal

TBS

Transport Block Size

TDD

Time Division Duplexing

TrCH

Transport Channel

TTI

Transmission Time Interval

UTDOA

Uplink Time Difference of Arrival

WG

Working Group

WI

Work Item

[1] 

http://www.gartner.com/newsroom/id/2636073

[2] 

3GPP TS 36.201, V13.2.0, “E-UTRA LTE Physical Layer - General description (Release 13),” June 2016.

[3] 

3GPP TS 36.211, V13.2.0, “E-UTRA Physical Channels and Modulation (Release 13),” July 2016.

[4] 

3GPP TS 36.212, V13.2.0, “E-UTRA Multiplexing and Channel Coding (Release 13),” June 2016.

[5] 

3GPP TS 36.213, V13.2.0, “E-UTRA Physical Layer Procedures (Release 13),” June 2016.

[6] 

Nokia, “Deployment for Coverage,” White Paper, 2014.

[7] 

3GPP TR 36.888, V12.0.0, “Study on Provision of Low-Cost Machine-Type Communications(MTC) User Equipments(UEs) based on LTE (Release 12),“ June 2013.

[8] 

http://www.gcl.i.u-tokyo.ac.jp/wp-content/uploads/2013/11/20131128Joachim.pdf

[9] 

http://www.cwbackoffice.co.uk/Presentation/Wirelessly_ Connecting_IoT_19.06.14_RobertYoung.pdf

[10] 

3GPP TR 45.820 V2.1.0, “Cellular System Support for Ultra Low Complexity and Low Throughput Internet of Things (Release 13),” Aug. 2015.

[11] 

Nokia, “LTE Evolution for IoT Connectivity,” White paper, June 2016.

[12] 

https://arxiv.org/abs/1606.04171v1

[13] 

RP-161324, “Enhancements of NB-IoT,” 3GPP TSG RAN Meeting #72, June 2016.

[14] 

Ericsson, “Positioning with LTE,” White Paper, 2011.

(그림 1)

In-band 앵커 캐리어 배치 시나리오

images_1/2016/v31n5/ETRI_J003_2016_v31n5_11_f001.jpg
(그림 2)

하향링크 물리채널 시간영역 다중화

images_1/2016/v31n5/ETRI_J003_2016_v31n5_11_f002.jpg
(그림 3)

NPBCH 자원매핑

images_1/2016/v31n5/ETRI_J003_2016_v31n5_11_f003.jpg
(그림 4)

최신 건물의 전파 투과손실[6]

images_1/2016/v31n5/ETRI_J003_2016_v31n5_11_f004.jpg
(그림 5)

DRX 주기에 따른 배터리 수명[8]

images_1/2016/v31n5/ETRI_J003_2016_v31n5_11_f005.jpg
(그림 6)

NB-IoT 타이밍 관계[12]

images_1/2016/v31n5/ETRI_J003_2016_v31n5_11_f006.jpg
<표 1>

커버리지 향상 관련 NB-IoT 특징

images_1/2016/v31n5/ETRI_J003_2016_v31n5_11_t001.jpg
<표 2>

커버리지 클래스에 따른 배터리 수명[9]

images_1/2016/v31n5/ETRI_J003_2016_v31n5_11_t002.jpg
Sign Up
전자통신동향분석 이메일 전자저널 구독을 원하시는 경우 정확한 이메일 주소를 입력하시기 바랍니다.