로이엔텍 - NB-IoT는 무엇일까요? - Part 1 : NB-IoT 소개와 Operation Mode에 대하여 / 로데슈바르즈

안녕하세요! 오늘은 NB-IoT(Narrowband Internet of Things)가 무엇인지 알아보도록 하겠습니다.

​

3GPP에서는 Release 13의 일부로 NB-IoT(협대역 사물 인터넷)라는 새로운 무선 인터페이스를 지정했습니다. NB-IoT는 eMTC와 더불어 Machine Type Traffic에 최적화된 인터페이스로 장치의 비용을 줄이고 배터리 소모를 최소화하기 위해 최대한 단순하게 유지됨을 목표로 합니다. 또한, 특정 Machine Type 통신 장치의 빈번한 작동 영역인 까다로운 무선 환경에서도 작동하도록 조정되었습니다. 비록 NB-IoT는 독립적인 무선 인터페이스이지만 LTE와 긴밀하게 연결되어 있으므로, 규격 사양도 대부분 통합되어 있습니다. 이 블로그에서는 LTE와의 긴밀한 연결에 중점을 두고 NB-IoT가 무엇인지에 대해 소개하겠습니다.

​

MTC(Machine Type Communication)의 특징 중 하나는 광범위한 기능을 갖추고 있다는 것입니다. 예를 들면, 감시 카메라는 거의 고정된 상태에서 엄청난 양의 UL 데이터를 제공해야 하는 반면, 차량 추적용 장치는 많은 핸드오버를 수행하는 동안 적은 양의 데이터를 보유해야 합니다.

MTC 이외의 다른 종류의 장치에는 이러한 기능은 없다고 볼 수 있습니다. 또 다른 예를 들어 볼까요? 전기, 가스, 물 소비 등에 대한 검침용 장치들은 고정되어 있는 경우가 많으므로 최적화된 핸드오버가 필요하지 않습니다. 검침용 장치는 일반적으로 소량의 데이터만 전송하며 이는 Delay에도 민감하지 않습니다. 하지만, 이러한 MTC 장치의 수는 기존 장치에 비해 훨씬 많은 수량이 필요하므로, 그 규모는 몇 배 커질 수 있습니다. 이런 경우 만약 기존 LTE 기술을 사용하면 적은 양의 사용자 데이터에도 불구하고 신호의 양이 거의 동일하기 때문에 네트워크에 과부하가 발생할 수 있습니다. NB-IoT의 첫 번째 규격에서는 이러한 종류의 장치에 중점을 두고 있습니다.

또한, 이러한 장치는 전원이 공급되지 않는 장소에 설치되는 경우가 많습니다. 결과적으로 완전히 배터리에 의존하여 작동하며 숙련된 직원만 접근할 수 있기 때문에 배터리를 교체하는 데에도 많은 비용이 들 수 있습니다. 따라서 어떤 경우에는 배터리 수명이 전체 장치의 수명을 결정할 수 있습니다. 따라서 적절한 작동을 위해서는 최적화된 전력 소비가 필수적입니다. 게다가 이러한 장소에서의 Coverage는 상당히 나쁜 경우가 많습니다. 따라서 Indoor Coverage는 획기적으로 향상되어야 하며 최대 23dBm까지 필요합니다.

앞서 말씀드린 것처럼 필요한 장치의 양이 너무 많기 때문에 저렴한 비용 범위에 있어야 하며, 이에 대한 목표로 각 모듈의 가격은 5달러 미만이 이상적입니다.

​

상기의 MTC에 대한 요구 사항에 대한 솔루션을 찾기위해 3GPP의 GERAN TSG에서 연구가 시작되었고, 해당 연구에서는 MTC의 또하나의 주요 요구 사항으로 기존 GSM, UMTS, LTE 시스템 및 해당 기술에 사용되는 하드웨어에 대한 공존을 포함하여 연구가 진행되었습니다. 이 연구를 통해 NB-IoT와 EC-GSM이라는 두 가지 솔루션이 정의되었고, 여기서 EC-GSM은 GSM 표준을 기반으로 구축되었습니다. 이와 함께 순수 LTE 솔루션인 LTE-M도 3GPP에 도입되었습니다. LTE-M에 대해서는 새로운 카테고리인 Cat-M1이 Release 12에서 도입되면서 최적화가 계속 진행됩니다.

​

Three different solutions for specifying an optimized internet of things standard

 

​

​

3GPP에서 규정한 NB-IoT 기술의 주요 요구 사항은 다음과 같습니다.

- Minimize the signalng overhead, especially over the radio interface

- Appropriate secuirty to the complete system, including the core network

- Improve battery life

- Support delivery of IP and non-IP data

- Support of SMS as a deployment option

​

이러한 요구 사항을 만족하기 위해 NB-IoT 장치는 LTE 규격의 Release 8/9에 포함된 많은 고급 기능과 심지어는 기본 기능도 지원되지 않습니다. 가장 눈에 띄는 예는 UE가 Connected 상태에서 핸드오버가 안된다는 점입니다. NB-IoT 장치는 유휴 상태의 Cell-reselection만 지원되며, 이 또한 NB-IoT 기술 내로 제한됩니다. 다른 무선 기술과의 상호 작용이 없으므로 관련 기능도 지원되지 않는데, 예를 들면 LTE-WLAN Interworking, 기기 내 공존을 위한 간섭 회피, Channel Quality 모티터링 측정 등이 있습니다.

당연히 Carrier Aggregation, Dual-Connectivity와 Device-To-Device 서비스와 같은 LTE-Advanced의 기능도 지원되지 않습니다. 또한, NB-IoT는 delay에 민감한 data packet 전송에 사용되지 않기 때문에 QoS 개념이 없습니다. 결과적으로 IMS와 같이 보장된 비트 전송률이 필요한 모든 서비스는 NB-IoT에서 제공되지 않습니다.

이러한 요구 사항에 따라 3GPP는 이전과 다른 접근 방식을 사용하는데, 이는 모든 유형의 어플리케이션에 대해 하나의 무선 인터페이스를 만드는 대신 지연에 민감하지 않은 작은 데이터 패킷용 무선 인터페이스를 분리하여 별도로 최적화하는 방식입니다. 이에 따라 NB-IoT를 지원하는 UE에는 새로운 UE 카테고리인 Cat-NB1 태그를 지정하였습니다.

​

지금부터는 NB-IoT의 Frequency Band와 Operation Mode에 대해 알아보도록 하겠습니다.

Frequency Band의 경우 LTE와 동일한 주파수 번호가 사용되고, NB-IoT에 대해 정의된 하위 집합이 있습니다. 이를 토대로 Release 13에서는 다음과 같은 밴드를 정의하고 있습니다.

NB-IoT Rel 13 Frequency Bands

 

​

​

상기 표를 보면 대부분의 주파수가 기존 LTE 대역의 낮은 범위에 있다는 점은 언급할 가치가 있을 것 같습니다. 이는 기계 유형 통신의 경우 어려운 무선 조건에서 많은 장치가 예상된다는 점을 반영한 것입니다.

다음으로 Operation Modes에 대한 부분입니다. NB-IoT 기술은 180kHz 대역폭의 주파수 대역을 차지하며, 이는 LTE 전송에서 하나의 Resource Block에 해당합니다. 사용하는 주파수 대역이 작기 때문에 다음과 같은 Operation Modes가 정의되어 있습니다.

​

- Standalone Operation : 가능한 시나리오로 GSM 주파수를 활용하는 것인데, GSM이 200kHz 대역폭을 사용하므로 180kHz 대역폭을 사용해도 스펙트럼의 양쪽에 10kHz의 Guard Interval을 위한 자원이 남아 있습니다.

- Guard-band Operation : 해당 모드는 LTE Carrier의 Guard-band 내에 있는 사용하지 않는 Resourece Block을 사용하는 모드입니다.

- In-band Operation : 해당 모드는 LTE Carrier 내에 있는 Resourece Block을 사용하는 모드입니다.

​

이 3개의 모드를 그림으로 도식화 해보면 다음과 같습니다.

Operation modes for NB-IoT

 

​

​

Stand alone 모드의 경우 그림 옆의 GSM Carrier는 이것이 가능한 NB-IoT Deployment임을 나타내기 위한 예로 표시된 것이며, 이 동작 모드는 GSM Carrier 없이도 작동합니다. In-band 모드의 경우 LTE와 NB-IoT 간의 자원 할당이 고정되어 있지는 않습니다. 그라나, 모든 주파수, 즉 LTE Carrier 내의 Resourece Block이 셀 연결에 사용되는 것은 허용되지 않으며, 다음 표의 값으로 제한됩니다.

Allowed LTE PRB indices for cell connection in NB-IoT in-band operation

 

​

​

위의 표에 표시된 것과 같이 1.4MHz 대역폭의 LTE 대역에서는 In-band 모드가 지원되지 않습니다. 이는 NB-IoT를 위해 자원을 할당할 때 CRS(Cell-specific Reference Signals) 또는 각 Subframe의 시작부에 위차한 Downlink Control Channel과 같이 LTE 시스템에서 사용하는 자원간의 충돌을 고려해야 하기 때문입니다. 이에 따라 LTE 에서 Synchronization 신호 전송을 위해 사용되는 6개의 Inner Resource Block을 사용하지 못하는 제한도 표에 포함되어 있습니다.

Guard-band 모드에서 동작을 위해 UE는 대역이 완전히 Guard-band에 위치한 신호에만 동기화합니다.

다양한 무선 환경에 대처하기 위해 3개의 CE(Coverage Enhanced) Level이 있으며, CE Level 0 ~ CE Level 2로 정의되어 있습니다. CE Level 0은 일반 커버리지에 해당하고, CE Level 2는 커버리지가 최악인 경우에 해당하는 것으로 매우 열악한 환경으로 볼 수 있습니다. 얼마나 많은 CE Level이 정의되는 지는 네트워크에 달려 있습니다. 즉, Cell에 수신된 Reference Signal에 대한 전력 임계값 목록은 각 CE Level에 대해 Cell에서 브로드캐스팅됩니다. 다양한 CE Level의 주요 효과는 메시지가 여러 번 반복되어야 한다는 점입니다.

Release 13의 경우 FDD Half Duplex Type-B가 Duplex Mode로 선택됩니다. 이는 UL과 DL이 주파수에서 분리되어 있고 UE가 수신하거나 전송을 하지만 송/수신을 동시에는 하지않는 것을 의미합니다. 또한, UL에서 DL로 또는 그 반대로의 전환 사이에는 UE가 송신기와 수신기 체인을 전환할 적어도 하나의 Guard Subframe(SF) 시간을 필요로 합니다.

​

오늘은 NB-IoT 소개와 NB-IoT의 Operation Mode에 대한 내용을 살펴보았습니다. 다음 시간에는 NB-IoT Physical Layer에 대해 알아보도록 하겠습니다.

​

여기까지 보셨다면, Rohde-Schwarz의 NB-IoT Test Solution에 대한 궁금증이 생기셨을 것 같은데요, 본 게시물이 시리즈 물로 게시될 예정이라, 아쉽게도 오늘 솔루션 소개는 포함하지 않는 다는점 넓은 마음으로 이해 부탁드립니다. 해당 궁금증은 다음 Physical Layer에 대한 소개와 더불어 풀어드릴 예정이니, NB-IoT에 대한 다음 게시글을 기대해 주세요^^

​

NB-IoT는 무엇인가요? (Part2 : NB-IoT Physical Layer에 대하여)

 

로이엔텍 - NB-IoT는 무엇인가요? (Part2 : NB-IoT Physical Layer에 대하여) / 로데슈바르즈

 

작성자 : 로데슈바르즈코리아 기술지원팀

이메일 : sales.korea@rohde-schwarz.com

​

출처 - https://blog.naver.com/rohdeschwarzkorea/223229116992

 

추가 문의사항은 아래 연락처로 문의주시면 신속하게 답변드리겠습니다.

T. 031-348-3953

Mail. ds3@roientec.co.kr