셀룰러 IoT: LTE CAT 1bis의 현황 살펴보기

셀룰러 IoT의 글로벌 트렌드: LTE CAT 1bis의 중요성 증대

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장-자크 들릴(JJ Delisle), 마우저 일렉트로닉스

2024년 3월 11일

무선 네트워킹 기술은 소비자 및 전문가용 애플리케이션 모두에서 증가하는 수요에 맞춰 끊임없이 진화하고 있다. 이러한 기술 중 다수는 스마트 홈부터 산업, 군사/항공우주 애플리케이션에 이르기까지 사물 인터넷(IoT) 디바이스 및 기능에 초점을 맞추거나 이를 지원한다. 여기에는 매터(Matter)와 같은 스마트 홈 상호운용성 표준, 초광대역(UWB)과 같은 새로운 자동차 표준의 배포 및 채택, LTE 변형 및 비셀룰러 저전력 광역 네트워크(LPWA/LPWAN) 기술의 추가 개발이 포함된다. 무선 네트워킹 표준(예: Wi-Fi^®, Bluetooth^®, Thread)과 Sigfox 및 LoRaWAN과 같은 독점 표준이 로컬 애플리케이션과 독점 무선 인프라를 지원하는 영역에 적합한 경우 셀룰러 LPWA/LPWAN 표준 탐색은 더 복잡해진다.

이 글에서는 셀룰러 LPWA/LPWAN 기술의 다양한 측면, 글로벌 트렌드, 셀룰러 IoT에 영향을 미치는 기타 요인에 대해 자세히 살펴본다. 또한 이 글에서는 셀룰러 IoT 애플리케이션을 위한 LTE CAT 1bis의 가치와 다양한 애플리케이션에서 협대역 IoT(NB-IoT) 및 LTE-M의 대안이 될 수 있는 방법에 대해 설명한다.

LPWA/LPWAN 기술: 지역별 선호도 살펴보기

LPWA/LPWAN 표준은 모빌리티 및 분산형 IoT 애플리케이션의 중추로 빠르게 자리 잡고 있으며 앞으로도 IoT 채택 및 개발에 중요한 역할을 할 것이다. 그러나 글로벌 환경의 변화로 인해 LPWA/LPWAN IoT 기술 구축에 대한 최선의 접근 방식이 무엇인가에 대해서는 의견이 분분해졌다. 지난 몇 년 동안 셀룰러 LPWA/LPWAN 표준, 즉 NB-IoT와 LTE-M을 둘러싼 격렬한 논쟁과 부조화가 있었다. 그 결과 대부분의 아시아 태평양(APAC) 및 유럽, 중동, 아프리카(EMEA) 지역에서는 NB-IoT 구현을 선택했다. 이와는 달리 미주와 호주에서는 LTE-M을 선택했다. 두 경쟁 기술 모두 해당 지역에서 빠르게 구축되었지만 처음에는 두 표준 모두에 대해 최소한의 지원만 제공되었다(그림 1). 이러한 차이로 인해 3GPP Rel 13 릴리스 이후 지난 몇 년 동안 이러한 LPWA/LPWAN에 대한 지원 및 서비스 범위가 역추적되고 변경되었다.

_{그림 1: 전 세계 LTE-M 및 NB-IoT 구현 지도. (출처: GSMA IoT^[1])}

상황이 더욱 복잡해지면서 대부분의 국가에서 2G 및 3G 지원이 중단되고 있으며, 이는 IoT 개발자들이 기존 시스템을 대체하고 새로운 시장 기회를 활용하기 위해 4G LTE 및 5G 기술을 빠르게 적용해야 한다는 것을 의미한다. 게다가 NB-IoT와 LTE-M은 상당히 다른 특성을 보인다. LTE-M은 NB-IoT보다 데이터 속도가 약간 더 우수하고 이동성 핸드오버와 음성을 지원하는 반면, NB-IoT는 최대 커플링 손실이 더 크다. LTE-M은 대부분의 IoT 사용 사례에 적합하지만 NB-IoT는 더 제한적이다. 즉, APAC 및 EMEA 지역에는 다양한 IoT 사용 사례에 대한 셀룰러 LPWA/LPWAN 지원이 제한적인 곳이 있다. 특히 유럽에서는 많은 IoT 개발자들이 명목상 LTE-M 기반 디바이스를 위해 2G 폴백에 의존하고 있다.

이 문제에 대한 기존 솔루션은 전 세계 커버리지를 갖춘 가장 저렴한 4G 셀룰러 옵션 중 하나인 LTE CAT 1이다. 하지만 LTE CAT 1 칩셋은 NB-IoT 또는 LTE-M 칩셋에 비해 상당한 프리미엄이 붙는다. 또한 LTE CAT 1 디바이스에는 수신기(Rx) 다이버시티, 안테나 2개, 관련 RF 하드웨어가 필요하다. 이러한 복잡성과 부품 수 증가로 인해 LTE CAT 1의 총 비용이 NB-IoT와 LTE-M을 초과하는 것이 주된 이유이다. LTE CAT 1은 더 높은 대역폭과 처리량을 필요로 하고 더 높은 전력 사용량을 처리할 수 있는 많은 IoT 애플리케이션을 위해 2008년 3GPP 릴리스 8부터 실행 가능한 옵션으로 사용되어 왔다.

LTE CAT 1bis와 NB-IoT/LTE-M 비교

NB-IoT는 최대 다운링크 속도가 200kbps, 최대 업링크 속도가 250kbps로 제한되므로 고정 배포를 위해 설계되었다. 그러나 실제로 이러한 속도는 각각 26kbps와 66kbps에 가깝다. LTE-M은 최대 1Mbps 업링크 및 다운링크까지 모바일 링크를 처리할 수 있다(표 1). LTE CAT 1은 최대 다운링크 속도 10Mbps, 최대 업링크 속도 5Mbps로 설계되어 보안, 모니터링, 자동화 제어, 복잡한 감지 애플리케이션, 고충실도 및 고속 데이터 속도 감지 등 처리량이 많은 IoT 애플리케이션에 훨씬 더 적합한 LTE CAT 1이다. 또한 LTE CAT 1은 기본적으로 전 세계 어디에서나 4G LTE 네트워크를 사용할 수 있다. 하지만 여전히 2G/3G 커버리지가 제공되는 일부 농촌 지역에서는 적용되지 않을 수 있다(곧 서비스 중단 예정).

_{표 1: LTE CAT 1/LTE CAT 1bis, LTE-M 및 NB-IoT 비교}

LTE CAT 1은 원래 당시의 새로운 IoT 애플리케이션을 위해 만들어졌지만, LTE-M과 NB-IoT는 LTE CAT 1의 복잡성, 전력 소비 및 비용으로 인한 공백을 메우기 위해 설계되었다(하지만 몇 년이 지나서야 분명해졌다). 즉, LTE-M 및 NB-IoT 모듈은 전력 효율이 훨씬 더 높고 배터리 수명이 LTE CAT 1보다 훨씬 길며, 이러한 셀룰러 IoT 모듈의 복잡성이 LTE CAT 1 모듈에 비해 낮기 때문에 일반적으로 더 콤팩트하다. 더 작은 배터리, 더 적은 열 관리 요구 사항, 더 작은 칩셋 또는 모듈은 LTE-M 및 NB-IoT 디바이스를 훨씬 더 콤팩트하게 만들 수 있음을 의미한다. 이러한 소형화와 전력 효율성 향상은 LTE-M 및 NB-IoT 디바이스가 데이터 전송률 요구 사항이 낮지만 상당히 많은 수의 분산형 머신 간 네트워크에 더 적합하다는 것을 의미한다. 이러한 수준의 디바이스 밀도와 전력 효율성은 2000년대 후반에는 2010년대 중반처럼 뚜렷하게 나타난 애플리케이션이 아니었다.

그러나 여러 지역에 걸쳐 LTE-M과 NB-IoT가 광범위하게 분산되어 있고 불규칙적으로 배포되어 있기 때문에 다른 기술적 셀룰러 IoT 디바이스 고려 사항과 함께 고려해야 할 커버리지 격차가 존재한다. 또한 LTE-M 및 NB-IoT는 네트워크 사업자들은 LTE CAT 1이 한동안 지원된 이러한 표준에 대한 소프트웨어 지원을 개발 및 배포해야 한다.

다행히도 복잡성, 전력 소비 및 크기 측면에서 LTE-M과 NB-IoT 사이에는 연결점이 있는데, 바로 LTE CAT 1bis이다. LTE CAT 1과 LTE CAT 1bis는 대부분의 면에서 동일한 표준으로, 최대 데이터 속도, 대역폭, 이중 모드, 전송 전력, 음성 지원, 확장 불연속 수신/절전 모드(eDRX/PSM)와 같은 절전 기능 등을 동일하게 갖췄다. 3GPP 릴리스 13(Rel-13)에서 LTE CAT 1bis는 단일 Rx 안테나와 RF 경로만 필요한 것으로 세부화되었으며, 이것이 LTE CAT 1과 LTE CAT 1bis의 가장 큰 차이점이다. 즉, LTE CAT 1과 달리 LTE CAT 1bis의 RF 요구 사항은 LTE-M 및 NB-IoT와 거의 동일하다. 또한 단일 안테나와 RF 경로만 필요하다는 것은 LTE CAT 1bis 모듈의 크기가 LTE-M 및 NB-IoT 모듈과 비슷하다는 것을 의미한다.

또한 LTE CAT 1bis 칩셋 및 모듈은 LTE CAT 1 칩셋 및 모듈보다 가격이 저렴하며 LTE-M 및 NB-IoT 모듈에 더 가깝다. 이는 LTE CAT 1bis Rx 신호 체인의 반이중 아키텍처가 일반적으로 RF 프론트 엔드에서 추가 필터링을 필요로 하지 않기 때문에 LTE-M 및 NB-IoT 커버리지가 충분하지 않은 지역에서 LTE CAT 1bis 칩셋/모듈의 비용 경쟁력과 접근성을 높이는 데 도움이 되기 때문이다.

단일 안테나와 RF 경로만을 가진다는 단점은 LTE CAT 1bis가 수신기 다이버시티를 희생하고 LTE CAT 1에 비해 3dB 이상의 최대 커플링 손실을 잃는다는 것을 의미한다. 이러한 손실로 인해 Rx 신호 강도는 LTE CAT 1보다 약간 낮지만 NB-IoT 및 LTE-M보다 훨씬 더 높다. 이는 이론적으로 LTE CAT 1bis가 다른 최신 셀룰러 IoT 표준보다 작동 범위가 더 낮다는 것을 의미한다.

2G/3G 디바이스의 문제가 노후화인 것처럼, 5G 구축이 확대됨에 따라 노후화될 수 있다는 점 또한 LTE 디바이스에 있어 우려되는 부분이다. 그러나 LTE CAT 1bis 디바이스에서는 노후화가 고민거리가 아니며, 3GPP 릴리스 15에서는 업그레이드된 LTE 디바이스(eLTE)가 업그레이드된 eLTE NB(eNB)를 통해 5GC 네트워크에 연결할 수 있는 옵션을 정의했다. 이를 통해 4G 코어 네트워크가 단계적으로 중단되더라도 LTE CAT 1bis 디바이스의 서비스 연속성을 보장하고 LTE CAT 1bis를 사용하는 셀룰러 IoT 개발자 및 IoT 네트워크 배포자의 위험을 낮출 수 있다.

일반적으로 LTE CAT 1bis는 다음과 같은 장점을 제공한다:

• 약 10Mbps의 최대 다운로드 속도 및 5Mbps의 업로드 속도 - LTE CAT 1과 동일하고 LTE-M/NB-IoT보다 빠름
• LTE CAT 1보다 전력 소비량이 적음(하지만 LTE-M/NB-IoT보다 전력 소비량이 많음)
• LTE CAT 1보다 덜 복잡함(하지만 LTE-M/NB-IoT보다 복잡함)
• 모빌리티 애플리케이션에 대한 지원
• 5G 표준에 eLTE로 "굳어져" 노후화 우려가 적음
• TE-M/NB-IoT가 제공할 수 있는 것보다 더 높은 데이터 속도를 제공하는 소형의 저비용 모듈을 필요로 하는 많은 애플리케이션의 격차를 해소
• 4G LTE 시스템이 작동하기 위해 상당한 소프트웨어 업그레이드가 필요하지 않기 때문에 LTE-M/NB-IoT를 지원하지 않는 지역에서도 작동 가능

LTE CAT 1bis의 실제 사용

LTE-M 및 NB-IoT에 비해 향상된 데이터 속도를 제공하는 LTE CAT 1bis는 다양한 최신 애플리케이션 및 사용 사례에 이상적이다. LTE CAT 1bis는 중요한 스마트 상업용 건물 및 산업 시설 셀룰러 IoT를 위한 유일한 옵션일 가능성이 높다. 여기에는 자동화 생산/가공, 배송/수령/물류 시스템, 심지어 자율 이동 로봇(AMR) 시스템과 같이 상당한 수준의 자동화와 연속적이거나 거의 연속적인 모니터링을 갖춘 건물이 포함된다.

대화형 키오스크, ATM, 디지털 사이니지, 전기 자전거/전기 스쿠터(도시 모빌리티) 시스템, V2I(차량-인프라) 시스템 등 데이터 집약적인 스마트 기능을 갖춘 스마트 시티 애플리케이션은 LTE CAT 1bis 기술에 대한 또 다른 확실한 기회이다. IoT에서 가장 빠르게 성장하고 있는 분야 중 하나인 교통 및 텔레매틱스 기능을 포함하는 차량 관리 시스템도 LTE CAT 1bis 기술을 통해 서비스를 제공할 수 있다.

맺음말

LTE-M 및 NB-IoT 셀룰러 IoT 디바이스 개발자들은 전 세계 많은 지역에서 커버리지가 부족한 상황에 직면해야 한다. LTE CAT 1bis는 2G/3G 기술이 단계적으로 폐지됨에 따라 곧 커버리지가 절실히 필요한 셀룰러 IoT 애플리케이션을 지원하고자 하는 IoT 개발자들에게 신뢰할 수 있는 옵션으로 부상할 확률이 높다.

출처

[1] “Mobile IOT Deployment Map,” GSM Association, September 5, 2023, https://www.gsma.com/iot/deployment-map/.