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매시브 IoT를 실현하는 새로운 비 셀룰러 무선 기술

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새로운 비 셀룰러 무선 기술은 초대형 M2M IoT 애플리케이션을 실현하기 위한 퍼즐의 마지막 조각이다.

글/최수철 지사장, 노르딕세미컨덕터(Nordic Semiconductor) 코리아

우주에서 보면, 지구의 뒷면은 환하게 빛나는 필라멘트로 덮여 있다. 이 빛은 약 3억 2,600만 개에 이르는 가로등 불빛에서 비롯된 것이며, 그 수는 2020년대 말까지 3억 6,000만 개로 증가할 것으로 예상된다. 가로등의 밀도는 인구 밀집지역을 중심으로 빠르게 증가하여 수백만 명의 시민과 차량들이 일상적인 활동이 가능하도록 길을 밝히고 있다.

이러한 가로등은 점차 어둠을 밝히는 불빛 이상의 역할을 수행하고 있다. 스마트 가로등은 기존 인프라를 기반으로 첨단 반도체를 이용한 조명으로, 스마트 시티의 대표적인 상징이다. 이는 에너지 효율적인 조명을 제공하는 것은 물론, 공기질과 조도, 보도 점유율을 측정하는 다양한 무선 센서와 공공 응급상황 지원을 위한 오디오 센서 등의 충격을 보호하는 반달 프루프(Vandal-Proof) 플랫폼 역할 또한 수행한다. 

미국 시장정보업체인 노스이스트 그룹(Northeast Group)에 따르면, 전세계 가로등의 4분의 1(8,100만 개)이 이미 LED로 전환되었으며, 1,000만 개는 스마트 기능을 갖추고 있는 것으로 나타났다. 이 수치는 2029년까지 각각 2억 6,300만 개, 8,300만 개로 확대될 전망이다. 

그러나 이러한 낙관론이 아직 불투명한 이유는 스마트 가로등이 충분히 성숙하지 못했기 때문이다. 현재까지 설치된 스마트 가로등의 대부분은 여러 무선 기술 중 하나를 이용한 개념 증명에 불과하다. 일부는 셀룰러 IoT를 사용하고, 다른 일부는 Wi-SUN과 같은 라이선스가 필요 없는 무선 스펙트럼 기반의 개방형 표준 기술을 사용하고 있으며, 나머지는 시그폭스(Sigfox) 또는 LoRaWAN과 같은 독점 솔루션을 사용한다. 

대규모 스마트 기기 구축

노르딕 세미컨덕터의 CTO이자 R&D 및 전략 부문 수석 부사장인 스베인-에길 닐슨(Svein-Egil Nielsen)은 “모든 애플리케이션을 위한 완벽한 표준이 없기 때문에 단일 IoT 기술에 기반한 융합이 제대로 이뤄지지 않고 있다”고 지적했다. 예를 들어, LTE-M 및 NB-IoT 셀룰러 IoT는 저지연 요건을 갖춘 장거리 LPWAN을 제공하지만, 라이선스가 필요한 스펙트럼으로 인해 데이터 비용이 유발된다. LoRaWAN은 고가의 인프라 구축이 필요하다. 스마트 가로등을 위한 맞춤형 무선 솔루션이 없기 때문에 복잡성과 비용이 증가하게 되고, 이는 시 당국자들의 부담을 가중시킨다. 자금력이 부족한 도시들이 스마트 조명을 비롯해 스마트 쓰레기통, 마이크로 모빌리티, 대중교통, 배송 추적 등과 같은 스마트 기기들을 쉽고 빠르게 구축하기 위해서는 수백만 대에서 수십억 대에 이르는 방대한 규모의 기기를 지원하는 저비용의 무선 M2M 기술이 필요하다. 

이 솔루션은 IMT-2020 5G 표준의 세부사항에 해당한다.(IMT-2020 5G는 ITU에서 채택한 5세대 모바일 네트워크 표준 기술을 상세하게 설명하고 있는 포괄적인 문서이다.) DECT NR+(New Radio+, 원래 DECT-2020 NR)는 대규모 스마트 시티 IoT 애플리케이션을 위한 기술이다. 다중 공급업체들의 에코시스템을 지원하는 안전하고, 신뢰할 수 있는 단일 무선 표준으로, 미래 지향적이며, 확장 가능하다. 또한 DECT NR+는 라이선스가 필요 없는 무선 스펙트럼을 할당하여 데이터 요금이 발생하지 않기 때문에 라이선스를 필요로 하는 동급 기술에 비해 실행 비용이 저렴하다. 

무선 IoT 칩 공급업체인 노르딕 세미컨덕터의 셀룰러 IoT 및 NR+ 제품 담당 디렉터인 크리스티안 세더(Kristian Sæther)는 “DECT NR+는 셀룰러의 모든 이점을 제공하면서도 대규모 IoT에서 훨씬 낮은 비용으로 수많은 기기들을 구축할 수 있도록 함으로써 5G 무선의 민주화를 보장한다”고 말했다.

저비용의 매시브 IoT

매시브 IoT(Massive IoT)는 수십억 개에서 궁극적으로는 수조 개에 이르는 소형 기기들이 인터넷에 직접 연결되는 미래를 설명하기 위해 만들어진 용어이다. 이러한 기기들은 대부분 에너지와 컴퓨팅, 메모리 리소스가 제한된 소형의 배터리 구동 기기들이다. 

주요 통신사이자 IoT를 선도하고 있는 에릭슨은 매시브 IoT 애플리케이션을 ‘지연시간에 덜 민감하고, 데이터 전송속도 요건은 상대적으로 낮지만, 우수한 커버리지를 가진 네트워크 상에서 엄청난 수의 저비용, 저에너지 소모 기기를 필요로 하는 애플리케이션’으로 정의하고 있다. 이 회사는 넓은 지역에 걸친 커버리지를 기반으로 엄청난 수의 연결을 처리할 수 있는 IoT 적용 사례가 증가하면서 매시브 IoT 기술에 대한 요구도 높아지고 있다고 말한다.

매시브 IoT의 연결 밀도는 새로운 차원의 수준으로, 기존의 셀룰러 네트워크는 이러한 밀도를 따라갈 수 없다. 예를 들어, 도쿄 시내를 생각해 보자. 평일 업무 시간의 인구 밀도는 평방 킬로미터당 약 6,000명에 이른다. 모바일 네트워크는 동시에 네트워크에 연결하는 기기의 약 3분의 1 정도만 대처할 수 있도록 설계되었다. 이는 향후 네트워크에 액세스해야 하는 IoT 기기의 밀도보다 두 배 이상 낮은 수준이다. 

이러한 미래의 수요는 표준 설정 기구에서 5G 인프라 구축 방법을 고려할 때 이미 인식되었다. 예를 들어, IMT-2020 문서는 1ms의 지연시간과 평방 미터당 10Mbps의 ‘영역 트래픽 용량’ 및 평방 킬로미터당 1백만 개의 기기에 해당하는 연결 밀도와 같은 기능을 제공하여 소비자와 업계의 요구를 정확히 충족할 수 있는 네트워크에 대해 상세히 기술하고 있다. 이 사양은 소비자를 위한 5G LTE 기술과 IoT 고유의 요구사항 및 기타 적용 사례를 위한 NR 등 두 가지 요소를 상세히 정의하고 있다. 또한 통신표준기구인 3GPP도 최근의 릴리스 15를 시작으로 IoT 사양에 5G 및 NR 요소를 모두 추가했다. 

엔지니어들은 이 사양의 5G LTE 및 NR 요소를 ‘무선 인터페이스 기술(RIT)’이라고 부른다. RIT는 5가지 컨수머 및 산업용 적용 사례의 모든 기술적 성능 요구사항을 충족한다. 이 중 어반 매크로 URLLC 및 mMTC 등 두 가지 기술은 주로 IoT 애플리케이션 지원하는 RIT이다. 

DECT NR+는 URLLC 및 mMTC를 위한 RIT(실제로는 RIT 또는 SRIT 세트)로 채택되었다. 이 표준은 2020년 6월, 유럽 전기통신표준협회(ETSI)에 의해 처음 공개되었으며, 현재는 IMT-2020 5G 요구사항 내에 포함되어 있다. 이 표준은 특히 평방 킬로미터당 백만 개의 장치를 지원하는데 적합한 사양으로 만들어졌다. 

ETSI는 “DECT NR+는 근거리 무선 애플리케이션을 겨냥한 기술 기반으로, 누구나 즉시 어디에든 구축할 수 있다”고 설명한다. 

DECT NR+의 탄생 

DECT 무선 기술의 역사는 1990년대 초로 거슬러 올라간다. 이 기술은 아날로그 유선 전화를 무선으로 확장한 단일 셀 가정용 및 소규모 사무실용 무선 전화기를 통해 널리 사용되었다. 또한 많은 회사들이 사용했던 PBX 전화 시스템은 물론, 일부 가정용 보안 및 자동화, 헬스케어 애플리케이션에도 적용되었다. 

DECT NR+는 최초의 비 셀룰러 5G 표준으로 그 역사를 이어가고 있다. 그러나 구현방식은 셀룰러 기술과 근본적인 유사점을 가지고 있다. 예를 들어, DECT NR+의 물리적 무선 계층(PHY)은 셀룰러 무선에서 알려진 기법을 재사용하고 있으며, 이미 서비스 중인 수십억 개의 상용 기기에서 입증된 동일한 수준의 신뢰성을 갖추고 있다. 

그러나 셀룰러와 달리, DECT NR+는 라이선스가 필요 없는 글로벌 1.9GHz 대역에서 동작하기 때문에 주파수 플래닝이나 인증이 필요하지 않아 구축 비용을 크게 절감할 수 있다. 노르딕의 스베인-에길 닐슨은 “기업들은 이 기술을 통해 소유비용을 낮추면서도 평방 킬로미터당 최대 백만 개의 기기를 연결할 수 있는 프라이빗 5G 무선 IoT 네트워크를 쉽게 설정하고, 관리 및 유지할 수 있다”고 설명했다. 또한 DECT NR+는 셀룰러 인프라 요건이 필요하지 않기 때문에 탄소발자국이 가장 낮은 매시브 IoT 기술 중 하나이다.

DECT NR+ 무선 네트워크의 모든 노드는 인터넷과 직접 백홀 연결이 가능한 액세스 포인트(또는 ‘싱크 노드(Sink Node)’) 역할을 수행할 수 있다. 이러한 분산형 설정 및 동작은 자체-구성 및 자체-복구 메시 네트워크를 지원하여 안정성과 관련된 모든 이점을 제공한다. 예를 들어, DECT NR+ 네트워크는 장애가 발생한 노드 주변의 트래픽을 자동으로 신속하게 재라우팅할 수 있기 때문에 단일 장애 지점이 전체 시스템 중단으로 이어지지 않는다. 또한 네트워크의 모든 노드는 릴레이 노드 역할을 수행할 수 있기 때문에 싱크 노드에 도달하기 위해 한 노드의 트래픽이 다른 여러 노드를 통과할 수 있다. 

DECT NR+는 PHY와 MAC, DLC 및 컨버전스(CVG) 등 4가지 네트워크 프로토콜 계층을 사용하여 대부분의 안정성, 보안, 네트워크 관리 기능을 처리하기 때문에 애플리케이션 레벨에서 귀중한 리소스를 확보할 수 있다. 이 아키텍처는 수 킬로미터 범위에서도 네트워크 장치 간의 매우 짧은 지연시간을 제공한다. 이를 통해 DECT NR+는 강력한 무선 기술은 물론, 짧은 지연시간을 필요로 하는 애플리케이션에서 유선 네트워크의 실질적인 대안으로 부상하고 있다. 

노르딕과 와이어패스, DECT NR+ 선도

노르딕은 빠른 상용화를 위해 핵심 무선 기술을 조기에 선도적으로 채택한 역사를 가지고 있다. 2.4GHz 초저전력 무선 기술과 블루투스 LE, 셀룰러 IoT 및 다른 주요 기술들이 초기 단계에 있을 때 이를 수용했다. 노르딕은 수억 달러에 이르는 R&D 투자를 통해 선구적으로 기술을 개발하고, 상용 솔루션을 최초로 출시하며, 시장을 개척해 왔다.

DECT NR+에서도 마찬가지다. 노르딕 엔지니어들은 이미 기술 사양을 매핑하는데 중요한 역할을 수행했다. 이 회사는 PHY의 주요 개발사이자, MAC 계층의 핵심 개발사이기도 하다. 또한 계속해서 PHY에 대한 조정 역할을 수행하고 있다. 

노르딕은 DECT NR+ 상용화를 위해서도 주력하고 있다. 파트너사인 핀란드의 매시브 IoT 소프트웨어 전문업체, 와이어패스와 함께 mMTC 애플리케이션을 위한 노르딕 nRF91 시리즈 기반 DECT NR+ 솔루션 개발을 가속화하기 위해 협력하고 있다. DECT NR+에 할당된 1.9GHz의 주파수는 라이선스가 필요 없는 대역으로 노르딕 및 와이어패스의 단일 제품을 통해 모든 지역에 적용이 가능하며, 비용 또한 절감할 수 있다. 와이어패스는 ‘세계 최초의 비 셀룰러 5G 연결 제품’이라고 평가되는 DECT NR+ 기반의 ‘5G 메시’ 솔루션을 개발하고 있다. 

스베인-에길 닐슨은 “우리는 와이어패스와 협력하여 노르딕 nRF91 시리즈를 기반으로 DECT NR+ 솔루션 개발을 가속화하기 위해 노력하고 있다. 고객들이 이 제품을 사용할 수 있게 되면, 이전에는 불가능했던 많은 새로운 애플리케이션 개발이 촉발될 것이다”고 설명했다.

기존의 mMTC 애플리케이션을 위한 기술은 일반적으로 초 단위의 지연시간으로 최대 100kbps 이하의 전송속도를 제공한다. 반면, 노르딕 nRF91 시리즈 기반 DECT NR+ 솔루션은 1ms 미만의 지연시간으로 최대 3Mbps의 대역폭을 제공한다. 이러한 성능을 통해 무선 전송 시간을 획기적으로 단축하고, 전력소모를 줄이는 것은 물론, 지연시간에 대한 제약 없이 첨단 보안 및 안정성 조치를 지원할 수 있다. 

시장 기회

미국 경제지인 포브스(Forbes)에 따르면, M2M 애플리케이션을 위한 프라이빗 5G 네트워크는 이미 많은 시장 잠재력을 가지고 있다. 이 매체는 제조 설비의 경우, 이 기술을 통해 네트워크의 전선이나 케이블을 제거함으로써 상당한 비용 이점을 얻을 수 있을 것으로 언급했다. 스마트 공장은 프라이빗 5G 네트워크를 통해 생산라인이나 공급망을 중단하지 않고도 로봇을 구성하거나  AI 및 머신러닝 애플리케이션을 신속하게 구현할 수 있다. 

또한 기존의 2G 및 3G M2M 네트워크가 사라지면서 프라이빗 5G 네트워크의 촉매제가 되고 있다. 그러나 현재 이러한 네트워크의 시장 진입은 막대한 비용으로 인해 어려운 상황에 처해 있다. 5G 네트워크를 위한 라이선스를 획득하고, 구축하는 것은 상당히 복잡한 일이며, 시간 및 비용 또한 많이 소모된다. 이로 인해 중소규모의 기업들은 재정적인 이유로 시도조차 하지 않는다. 또한 이를 감당할 수 있는 기업들도 기존 기술로는 평방 킬로미터당 백만 개의 노드를 지원할 수는 없다. 

노르딕 세미컨덕터의 제품관리 수석 부사장인 키에틸 홀스타드(Kjetil Holstad)는 “지금까지 프라이빗 5G 네트워크 구축은 인프라에 대한 막대한 투자가 필요했기 때문에 대기업의 전유물로 간주되었다”며, “이제 모든 규모의 회사나 조직들도 통신사와 상관없이 자체 프라이빗 네트워크를 구축하고, 원하는 방식으로 실행 및 최적화할 수 있게 되었다. 또한 이 기술은 전세계적으로 사용 가능한 라이선스가 필요 없는 주파수를 이용해 이를 수행할 수 있다”고 설명했다.

매시브 IoT 실현

DECT NR+는 산업, 농업, 자산추적, 스마트 시티, 스마트 에너지 등의 시장에서 대규모 M2M 애플리케이션을 실현할 수 있는 매시브 IoT의 가능성을 제공한다. 또한 저비용의 노드와 강력하고, 효율적인 자체-구성 네트워크를 기반으로 이러한 모든 기능을 구현할 수 있다. 

와이어패스의 테포 헤미애(Teppo Hemiä) CEO는 “이 새로운 5G IoT 표준은 방대한 규모의 매시브 IoT를 완성하는데 필요한 마지막 링크이다. 아직은 완전한 IoT 실현에 있어 전체의 5%만이 연결된 상황이다. 나머지 95%를 연결하기 위해서는 과거의 방식에서 벗어나 새로운 길로 과감히 도전하는 것이 필요하다”고 말했다. 

DECT NR+의 훨씬 더 중요한 가치는 지금까지 고립되었던 수십억 개의 기기를 연결하는 것보다, 지속 가능한 지구를 만드는데 도움을 줄 수 있다는 점일 것이다. ITU 사무총장인 허우린 자오(Houlin Zhao)는 “매시브 IoT를 위한 5G와 같이 새롭게 부상하는 기술들은 모든 사람과 지역사회 및 국가들이 포용적이고 지속 가능한 미래를 만드는데 반드시 필요한 요소이다”며, “현재 진행 중인 IMT 프로그램에 참여하고 있는 다양한 글로벌 회원사들은 광대역 모바일 통신을 발전시키기 위해 오랜 기간 지속적으로 노력해 왔으며, 어느 누구도 고립되지 않고 전세계를 연결시키기 위한 우리의 사명을 더욱 발전시키고 있다”고 밝혔다.

이러한 임무가 완료되면, 진정한 매시브 IoT의 실현을 확인할 수 있을 것이다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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