이 글에서는 DECT NR+에 대한 개괄적인 이해를 돕고, 주요 기능과 애플리케이션에 대해 설명하고자 한다. 또한 이 새로운 기술의 5G와의 관련성과 네트워크 토폴로지 및 주파수 대역 등도 살펴볼 것이다. 그런 다음, DECT NR+가5G 표준에서 요구하는 밀도, 확장성, 안정성, 저지연성 등과 관련하여 충족해야 하는 구체적인 요구사항과 이를 가능하게 하는 구체적인 기술에 대해 알아보도록 하겠다.



2020년 ETSI에서 표준화된 세계 최초의 비셀룰러 5G 기술이 2022년 5G 표준으로 채택되면서 최근 많은 관심을 받고 있다. 기술적으로 DECT NR+ 또는 DECT-2020 NR이라고 불리는 이 표준은 ITU-R이 정의한 5G 표준에 포함된 최초의 비셀룰러 기술이다. DECT NR+ 표준은 메시 기술을 사용하여 기기들 간에 네트워크를 형성하거나 하나의 외부 연결만을 필요로 하는 라이선스가 필요 없는 무선 5G 네트워크를 가능하게 함으로써 대규모 IoT(Internet of Things)를 실현할 수 있는 마지막 퍼즐 중 하나로 주목받고 있다.

이 글에서는 DECT NR+에 대한 개괄적인 이해를 돕고, 주요 기능과 애플리케이션에 대해 설명하고자 한다. 또한 이 새로운 기술의 5G와의 관련성과 네트워크 토폴로지 및 주파수 대역 등도 살펴볼 것이다. 그런 다음, DECT NR+가5G 표준에서 요구하는 밀도, 확장성, 안정성, 저지연성 등과 관련하여 충족해야 하는 구체적인 요구사항과 이를 가능하게 하는 구체적인 기술에 대해 알아보도록 하겠다.

5G 기술

과거에는 DECT(Digital Enhanced Cordless Telecommunications) 기술이 주로 무선 전화 시스템에 사용되었다. 간단히 설명하면, DECT-2020 NR 표준은 5G 기술을 위한 ITU-R의 요구사항(공식적으로는 IMT-2020 요구사항이라고 함)을 충족하기 위해 ETSI에서 개발된 것이다. 5G 표준은 5G 기술 서비스에 대한 3가지의 별도 적용 사례를 정의하고 있다.
 

- eMBB(Enhanced Mobile Broadband): eMBB는 이전 세대 모바일 네트워크에 비해 훨씬 더 빠른 데이터 전송속도와 향상된 네트워크 용량을 제공하는데 초점을 두고 있다.

- mMTC(Massive Machine Type Communication): mMTC는 저전력 소모, 고밀도 및 확장성에 중점을 두고 다수의 저전력 기기와 센서를 연결하는 것을 목표로 하고 있다.

- URLLC(Ultra-Reliable Low Latency Communication): URLLC는 실시간 응답성과 미션 크리티컬 신뢰성을 필요로 하는 중요 통신 및 애플리케이션을 위해 초저지연성과 초고신뢰성을 제공하기 위해 고안되었다.


DECT NR+는 mMTC 및 URLLC에 대한 요구사항을 모두 충족한다. 노르딕 세미컨덕터(Nordic Semiconductor)는 DECT NR+를 위한 상용 솔루션인 nRF9161 SiP(System-in-Package) 및 nRF9131 미니 SiP를 공급하고 있다. 노르딕은 솔루션 파트너사인 와이어패스(Wirepas)와 함께 mMTC 시장에 DECT NR+ 제품을 공급하는데 주력하고 있다.

네트워크 토폴로지 및 개념

DECT NR+는 P2P(Point-to-Point), 스타(Star) 및 메시(Mesh) 토폴로지를 지원한다. 좀 더 구체적으로 말하며, 메시 토폴로지는 부분 메시(Partial Mesh)라고 하는 클러스터 트리 토폴로지(Clustered Tree Topology)로 정의할 수 있다. 이는 클러스터라고 하는 개별 클러스터 트리 토폴로지로 기기들이 구성됨을 의미한다. 클러스터 트리 토폴로지는 브랜치를 포함하고 있는 스타 토폴로지이다. 이는 모든 클러스터가 연결되어 메시 네트워크를 형성하게 되는데, 풀 메시(Full-Mesh) 토폴로지처럼 모든 노드가 서로 연결되어 있지 않기 때문에 부분 메시라는 특징이 있다.

DECT NR+ 노드는 싱크 노드(Sink Node)나 릴레이 노드(Relay Node) 또는 리프 노드(Leaf Node)가 될 수 있다. 싱크는 인터넷의 게이트웨이에 해당하며, 동작 주파수를 선택한 다음, 외부 세계와의 경로가 있음을 알리는 비콘 전송을 개시한다. 네트워크에는 외부 연결이 가능한 여러 싱크가 있을 수 있다. 릴레이 노드는 메시지를 다른 클러스터 및 자체 클러스터 상의 리프 기기로 라우팅하여 네트워크를 확장할 수 있도록 해준다. 리프 노드는 네트워크의 최외곽 지점에 위치하며, 오직 데이터만 전송할 수 있다.
P2P 및 스타 토폴로지에서는 인터넷에 대한 백홀을 갖춘 노드를 싱크 노드로 정의하고, 다른 모든 노드는 싱크 또는 싱크들과 연결되는 리프 노드로 특성화된다.

메시 토폴로지는 좀 더 정교하게 구성된다. 기기의 역할은 ‘자가 구성(Self-Organizing)’ 및 ‘자가 복구(Self-Healing)’ 토폴로지를 통해 네트워크 요구사항에 따라 자동으로 지정되며, 이를 통해 트래픽이 많은 상황에서도 혼잡 문제를 해결할 수 있다. 각 기기는 싱크로 향하는 이용 가능한 경로를 바탕으로 다음 홉(Hop)을 개별적으로 결정하게 되며, 이는 클러스터가 자율적으로 형성됨을 의미한다. 그림 2는 3개의 서로 다른 주파수 채널로 동작하는 1개의 싱크와 3개의 클러스터로 구성된 DECT NR+ 메시 네트워크의 예를 나타낸 것이다. 클러스터 3에서 릴레이 노드는 반드시 데이터를 전달해야 하는 것은 아니며, 여기에서는 단지 이 역할이 데이터 전달 능력이 있음을 보여주는 것이다.

 

주파수 대역

DECT 기술인 DECT NR+는 DECT 포럼에서 노력을 기울이고 있는 일부 지역(중국, 인도, 일본)을 제외하고, 전 세계적으로 지정된 라이선스 면제 1.9GHz DECT 대역에 액세스할 수 있다.

• 1,880MHz ~ 1,900MHz: 유럽, 남아프리카, 대부분의 아시아 국가 및 홍콩, 호주, 뉴질랜드
• 1,786MHz ~ 1,892MHz: 한국
• 1,880MHz ~ 1,895MHz: 대만
• 1,893MHz ~ 1,906MHz: 일본, 논의 중
• 1,910MHz ~ 1,920MHz: 브라질
• 1,910MHz ~ 1,930MHz: 브라질을 제외한 라틴 아메리카
• 1,920MHz ~ 1,930MHz: 미국 및 캐나다
• 1,880MHz ~ 1,930MHz: 인도(현재는 기존 DECT만 해당되며, DECT NR+는 아직 승인되지 않음)

따라서 별도의 주파수 계획 없이 단일 제품으로 전 세계에 배포할 수 있다. DECT NR+는 DECT 대역에서 클래식 DECT와 공존이 가능하다. DECT NR+는 공존을 위해 개발되었기 때문에 ISM 대역에서도 사용할 수 있다. 실제로 이 표준은 450MHz에서 최대 6GHz에 이르기까지 여러 라이선스 대역 및 비면허 대역을 지원할 수 있다. 노르딕 솔루션은 먼저 클래식 DECT 대역을 지원하게 된다.

mMTC(Massive Machine Type Communication)

앞서 언급했듯이, mMTC는 대규모 저전력 기기와 센서를 연결하는데 필요한 요구사항을 해결할 수 있다. 이는 스마트 시티와 농업, 제조 및 헬스케어와 같은 여러 분야와 관련이 있다. 기술이 ITU-R에서 수립한 이러한 적용사례 요구사항을 충족하기 위해서는 다음과 같은 항목을 비롯해 여러 기능을 지원할 수 있어야 한다:

• 고밀도(제곱킬로미터당 1백만 개의 기기)
• 긴 배터리 수명
• 비동기식 액세스

DECT NR+는 부분적으로 자율적인 분산형 기술 특성 덕분에 고도로 확장 가능한 고밀도 네트워크를 지원할 수 있다. DECT NR+ ID의 구성 또한 고밀도 네트워크 구축을 용이하게 한다. 네트워크 ID(32bit)는 동일한 무선 영역에서 1,670만개의 고유한 글로벌 네트워크와 256개의 중첩 네트워크를 지원할 수 있다. 무선 기기 ID(48bit)는 무선 통신 거리 내에서 65,000개, 단일 네트워크에서 40억 개의 개별 무선 기기를 지원할 수 있다.

DECT NR+는 셀룰러 분야에서 잘 알려진 FDMA(Frequency Division Multiple Access) 및 TDMA(Time Division Multiple Access) 동작 방식이 결합된 CP-OFDM(Cyclic Prefix Orthogonal Frequency Division Multiplexing)이라는 기법을 재사용하고 있다. 이는 기본적으로 사용 가능한 대역폭을 최대한 활용하기 위한 기술이다.

그림 3은 상단에 전통적인 채널 분할 방식을 표시하여 이를 확인할 수 있도록 만든 예시도이다. OFDM을 적용하면, 채널 분할을 중첩시킬 수 있어 대역폭의 상당 부분을 절감할 수 있다. 결과적으로 공칭 대역폭은 일반적으로 1.728MHz에서 최대 221.184MHz까지 확장이 가능하다.(OFDM에 이미 익숙한 사용자의 경우, 부반송파 간격도 확장 가능) 이를 통해 DECT NR+는 최소한의 대역폭을 사용하여 보다 안정적인 데이터 전송이 가능하고, 데이터 전송속도 또한 높일 수 있다.
 

또한 기기들은 -40dBm에서 최대 +23dBm에 이르기까지 자율적인 동적 전력 제어 기능을 갖추고 있어 고밀도 네트워크에서 오버히어링(Overhearing) 동작을 제한하고, 저전력 소모를 달성할 수 있다. 이웃하는 기기가 근접해 있다면, 저전력으로 처리가 가능하다. 

DECT NR+는 긴 배터리 수명 요건을 충족할 수 있는 고유의 전력 절감 기능을 갖추고 있다. 릴레이 기기는 업링크 데이터 전달이 릴레이 기기에 도달하는 시간을 리프 노드에 알려주고, 이 기간 외에 릴레이 기기는 슬립 모드로 전환함으로써 해당 클러스터에서 무선 사용량을 관리할 수 있다. 릴레이 기기는 비콘 메시지로 리프 노드를 페이징하여 다운링크 데이터를 수신해야 하는 시기를 리프 노드에 알려준다. 리프 노드는 비콘 메시지만 수신하면 되고, 비콘 주기는 10ms에서 최대 32s까지 다르게 할 수 있다. 이를 통해 네트워크는 매우 짧은 지연시간의 기기를 선택하거나 기기를 슬립 모드로 전환하여 전력소모를 줄일 수 있다.

또 다른 주목할 점은, DECT NR+는 라우팅 및 패킷 재전송과 같은 많은 핵심 기능을 무선 스택 레벨에서 정의하고 있다는 점이다. 이를 통해 멀티 코어 시스템에서 다른 코어를 활성화하지 않고도 안정적으로 무선 통신을 수행할 수 있어 기기의 전력 사용량을 제한하게 된다.

URLLC(Ultra-Reliable Low Latency Communication)

이제 다른 적용 사례인 URLLC에 대해 살펴보도록 하자. URLLC는 장애 발생 없이 데이터를 즉시 전송해야 하는 미션 크리티컬 통신을 위해 고안된 기술로, 초저지연성 및 초고신뢰성에 초점을 두고 있다. URLLC 적용 사례는 처음으로 저지연 시스템이 무선으로 동작할 수 있는 가능성을 열었으며, 자율 로봇과 전력 분배 및 모션 제어 등 다양한 애플리케이션에서 이전에는 유선 연결로만 가능했던 수준의 동일한 저지연 및 신뢰성을 제공할 수 있다. 이를 위해 기술은 다음과 같은 사항을 비롯해 다양한 요구사항을 충족해야 한다.

• 초고신뢰성(99.99% 이상 패킷 전달)
• 종단간 저지연성(애플리케이션 계층에서 50ms 미만, 무선 인터페이스에서 1ms 미만)

DECT NR+가 이러한 요구사항을 어떻게 충족하는지 살펴보도록 하자. NR+의 물리 계층은 HARQ(Hybrid Automatic Repeat Request, 하이브리드 자동 재전송 요청) 방법론을 이용해 신뢰성을 지원한다. 간단히 설명하면, HARQ는 순방향 오류 수정과 자동 재전송 요청 오류 제어 기능을 결합하여 도착하는 순서대로 즉각적으로 패킷의 신뢰성을 향상시킨다. 패킷이 수신되지 않거나 부분적으로만 수신된 경우, 수신기는 그대로 수신된 패킷을 버퍼링하고, 트랜스미터에게 나머지 데이터를 전송하도록 알린다.

그런 다음, HARQ 프로세싱을 통해 개별적으로 전송된 패킷을 완전한 형태로 결합하게 된다. 이러한 결합은 물리 계층에서 처리되기 때문에, 상위 프로토콜 계층에서는 재전송 작업에 개입할 필요가 없어 리소스도 절감할 수 있다.
 

또한 릴레이 노드는 간섭을 최소화하기 위해 주파수 채널을 스캔한다. 이 노드들은 간섭 회피를 최적화하기 위해 다른 클러스터 노드에 채널을 변경하도록 지시하여 고밀도 네트워크에서도 신뢰성과 저지연성을 달성할 수 있다.

초저지연 요구사항과 관련해 몇 가지 사항을 살펴보자. 먼저 DECT NR+는 10ms의 동일한 무선 프레임 내에서 다중 수신 및 전송 이벤트를 지원한다. 해당 프레임에는 전송을 위한 24개의 시분할 슬롯이 있다. 이는 모드 변경에 소요되는 시간, 즉 수신 모드에서 전송 모드로 전환하는데 걸리는 시간이 매우 짧기 때문에 가능하다. 이를 통해 DECT NR+는 URLLC에서 요구하는 단일 링크에서 1ms 미만의 무선 계층 지연 시간을 충족할 수 있다. 메시 토폴로지의 경우, 무선 링크 또한 짧은 지연시간으로 동작할 수 있어 네트워크의 종단간 지연시간을 최소화할 수 있다.



마무리

2020년 표준화 이후, DECT NR+는 많은 주목을 받고 있다. 이는 mMTC 및 URLLC 적용 사례를 위해 5G 표준으로 통합된 최초의 비셀룰러 기술이다. 이 글에서는 DECT NR+가5G 표준에서 지정된 특정 요구사항을 어떻게 충족하는지, 그리고 이를 가능하게 하는 구체적인 기술은 무엇인지 살펴보았다.