셀룰러 IoT 및 DECT NR+는 고밀도 IoT 애플리케이션에 이상적인 기술이다. 노르딕 세미컨덕터는 미래에 수십억 개의 스마트 기기를 연결하게 될 이 기술의 핵심 부품을 설계하고 있다.



휴대폰의 아버지라 불리는 마틴 쿠퍼(Martin Cooper)는 ‘USS 엔터프라이즈(USS Enterprise)’ 우주선의 ‘누구도 가본적 없는 곳으로의 대담한 여정’의 모험을 그린 미국 공상과학 시리즈 ‘스타트렉(Star Trek)’의 열성 팬으로 잘 알려져 있다. 쿠퍼는 엔터프라이즈호의 승무원들이 오늘날의 스마트폰처럼 생긴 휴대용 양방향 기기인 ‘커뮤니케이터’를 이용해 서로 연락을 주고받는 것에 주목했다. 물론 당시에는 스마트폰의 개념조차 없었던 때이다.

당시, 통신 회사인 모토로라(Motorola)에서 엔지니어로 일하고 있던 쿠퍼는 이 커뮤니케이터에서 영감을 받아 공상과학이 아닌 실제 과학으로 휴대용 기기를 만들 수 있는 방법을 고민했다. 그 당시, 스타트렉의 커뮤니케이터와 가장 유사한 사례는 경찰과 군대에서 사용했던 양방향 무선 전화기였다. 이 전화기는 소규모 프라이빗 네트워크를 사용했고, 부피가 큰 장비가 필요했다.

쿠퍼는 벨 연구소(Bell Labs)의 셀룰러 인프라 연구를 기반으로 유리한 출발선에서 모바일을 개척할 수 있었다. 쿠퍼는 벨 연구소의 네트워크를 이용해 자신이 고안한 휴대용 통신 기기를 지원할 수 있을 것으로 판단했으며, 10년 간의 개발 끝에 모토로라는 다이나택(DynaTAC)을 출시하게 되었다.

‘벽돌폰’이라고도 불렸던 다이나택은 음성 통화만 가능했으며, 무게는 1kg이 넘고, 가격은 1만 달러에 달했다. 하지만 1980년대에 쿠퍼가 꿈꾸었던 컴퓨팅 능력과 연결 기능을 갖춘 스마트폰의 혁명은 이를 기반으로 시작되었으며, 시장조사기관인 스태티스타(statista)에 따르면, 오늘날 전 세계 스마트폰 모바일 네트워크 가입 건수는 67억 건에 이를 정도로 보편화되었다.

하지만 이러한 스마트폰 가입 건수는 앞으로 다가올 미래의 네트워크와는 비교조차 되지 않을 것이다. 모바일 네트워크 사업자(MNO)의 핵심 비즈니스 모델은 항상 컨슈머 기술에 기반하고 있지만, 셀룰러 네트워크 기술로 지원되는 ‘매시브 IoT(massive IoT)’는 사업자들과 엔지니어를 모두 흥분시키고 있다. 스태티스타에 따르면, 오늘날 이미 약 170억 개의 사물이 네트워크에 연결되어 있는 것으로 나타났다. 또한 모바일 기술 선도업체인 에릭슨(Ericsson)에 따르면, 이러한 연결된 사물 중 약 30억 개는 빠르게 부상하고 있는 셀룰러 IoT 기술을 통해 네트워크에 직접 연결되고 있다.

에릭슨이 2023년 6월에 발표한 ‘에릭슨 모빌리티 리포트(Ericsson Mobility Report)’에 따르면, ‘전 세계적으로 125개의 서비스 제공업체들이 NB-IoT 네트워크를 구축 또는 상용화했으며, 56개사는 Cat-M(LTE-M)을, 40개사는 두 기술을 모두 구축’한 것으로 나타났다. 또한 ‘매시브 IoT 기술은 4G 및 5G와 공존할 수 있는 기능이 네트워크에 추가되면서 성장이 더욱 가속화’되고 있는 것으로 분석했다.

1세대에서 매시브 IoT로의 진화

벨 연구소의 AMPS(Advance Mobile Phone System) 셀룰러 네트워크에서 오늘날의 5G 인프라로의 발전 경로는 중대한 기술 도약으로 구분할 수 있다. 각각은 보통 ‘세대’로 표현된다. 1970년대 후반과 80년대 초반의 ‘1G’는 음성통화를 위해 아날로그 시스템을 사용하고, 백홀에는 디지털을 사용하는 셀룰러 이동통신을 기반으로 했다.

완전한 디지털로 구현된 2G는 1990년대 초반에 등장했다. 한 세기가 바뀌기 직전에 등장한 3G는 더 빠른 전송속도를 통해 스마트폰의 출현을 가능하게 했다. 2009년에 시작된 4G는 LTE(Long Term Evolution)에 기반하고 있다. 4G의 최대 전송속도는 고화질 비디오를 지원할 수 있는 100Mbps에 이른다. 5G 표준은 2016년에 도입되었다.

이 기술은 광대역 인터넷을 위한 광 네트워크와 직접적으로 경쟁할 수 있는 성능을 갖추고 있으며, 이전 세대에 비해 지연시간이 짧고, 스펙트럼 효율성이 향상되었다. 5G는 또한 매시브 IoT를 지원하기 위해 mMTC(massive Machine Type Communication) 요구사항을 고려하여 정의된 최초의 모바일 표준이기도 하다.



매시브 IoT는 수십억 개에서 궁극적으로는 수조 개에 이르는 소형 기기들이 인터넷에 직접 연결되는 미래의 네트워크를 설명하기 위해 만들어진 용어이다. 이러한 ‘사물’은 인터넷 서비스가 제공되는 PC나 서버, 스마트 TV 및 스마트폰과 같은 컨슈머 기기들이 아니다. 오히려 휴먼 머신 인터페이스(HMI: Human Machine Interface)가 지원되지 않는 리소스가 제한된 소형의 센서 및 액추에이터가 될 가능성이 더 높다.

에릭슨은 매시브 IoT 애플리케이션을 ‘지연시간에 덜 민감하고, 전송속도 요건은 상대적으로 낮지만, 커버리지가 탁월한 네트워크를 기반으로 엄청난 규모의 저비용, 저에너지 소모 기기들을 필요로 하는 애플리케이션’으로 정의하고 있다. 이 회사는 넓은 영역에 걸쳐 지원되는 연결성을 기반으로 엄청난 수의 연결 기기를 처리할 수 있는 IoT 적용 사례가 확대됨에 따라 매시브 IoT에 대한 수요도 증가하고 있다고 설명했다.


“LPWAN은 원격 IoT 기기와 클라우드 간의 연결을 가능하게 한다.
셀룰러 IoT는 낮은 전력소모로 최대 15km의 도달거리를 제공한다.
또한 셀룰러 IoT의 서비스 품질(QoS) 및 보안은 경쟁 기술을 훨씬 능가하며,
안정적인 글로벌 인프라로 지원된다.”

_마틴 레순드(Martin Lesund) 셀룰러 IoT 기술 마케팅 매니저,
 노르딕 세미컨덕터


불과 몇 년 전만 해도, IoT에 소형 사물들을 연결하는 것은 쉽지 않은 일이었으며, 고가의 복잡한 게이트웨이가 필요했다. 그러나 오늘날에는 셀룰러 IoT, 특히 LPWAN 옵션인 LTE-M 및 NB-IoT와 같은 탁월한 솔루션을 보유하게 되었다.

셀룰러 IoT LPWAN은 WLAN과 클라우드 간의 에너지 소모가 적고, 비용 효율적인 장거리 무선 연결에 대한 요구를 충족하면서 빠르게 확대되고 있다. 시장조사기관인 스태티스타에 따르면, 셀룰러 IoT 기술인 LTE-M(LTE for Machine-Type Communications) 및 NB-IoT(Narrowband Internet of Things)는 오늘날 LPWAN 시장의 47%를 차지하고 있으며, 안전하고 신뢰할 수 있는 장거리 연결을 위한 LPWAN 시장을 선도하고 있다.

셀룰러 IoT는 규제 스펙트럼을 사용하기 때문에 네트워크에 대한 액세스가 엄격하게 제어되며, 각 연결 기기는 SIM(Subscriber Identity Module)이나 eSIM 또는 iSIM과 같은 업데이트된 버전이 필요하고, 일반적으로 데이터 요금이 부과된다. 하지만 그 대가로 광범위하고, 강력하며, 간섭이 없는 매우 안전한 연결이 보장된다.

노르딕 세미컨덕터(Nordic Semiconductor)의 셀룰러 IoT 기술 마케팅 매니저인 마틴 레순드(Martin Lesund)는 “LPWAN은 원격 IoT 기기와 클라우드 간의 연결을 가능하게 한다. 셀룰러 IoT는 낮은 전력소모로 최대 15km의 도달거리를 제공한다. 또한 셀룰러 IoT의 서비스 품질(QoS: Quality of Service) 및 보안은 경쟁 기술을 훨씬 능가하며, 안정적인 글로벌 인프라로 지원된다”고 설명했다. 

스마트폰이 필요하지 않다

빠른 전송속도의 셀룰러 기술은 매우 복잡하고, 비용이 많이 들며, 하드웨어의 부피 및 전력소모 또한 크다. 이러한 빠른 전송속도를 지원하는 셀룰러 기술의 높은 비용과 복잡성 및 전력소모로 인해 IoT 엔지니어들이 IoT를 구성하는 소형의 배터리 기반 센서 네트워크를 구현하는 것이 쉽지 않다.

그러나 셀룰러 모뎀은 기본적인 필수 요소만을 갖춘 모바일 핸드셋 모뎀을 이용해 고가의 원격 자산을 클라우드와 연결할 수 있는 틈새 시장의 가능성을 발견했다. 예를 들어, 스마트 배전망을 제어하는데 사용되는 원격지의 지능형 전자장치(IED: Intelligent Electronic Devices)는 일상적으로 셀룰러 모뎀을 통해 제어 센터로 정보를 다시 전송할 수 있다. 자동판매기와 같은 상업용 장비 운영자들 또한 서비스 관리자를 파견하여 수동으로 재고를 확인하는 대신, 셀룰러 모뎀을 이용해 본사로 정보를 전송할 수 있다.

그러나 이러한 애플리케이션을 구동하는 모뎀은 IoT를 구성하는 저전력 및 리소스가 제한적인 기기에는 적합하지 않다. 이를 위해 7개의 통신 표준 개발 기관으로 구성된 3GPP(3rd Generation Partnership Project)의 LTE 사양 릴리스 13에서 셀룰러 IoT 기술이 등장했다. 이 사양은 IoT용 LPWAN 요구사항을 지원하기 위해 복잡성이 낮은 새로운 RF 모뎀을 정의하고 있다.

2016년, 릴리스 13에 이 사양이 채택될 당시에는 LPWAN 지원을 위해 3가지 새로운 기술, 즉 EC-GSM-IoT(Extended Coverage GSM Internet of Things), LTE-M 및 NB-IoT가 지정되었다. 이후 가장 큰 영향을 미친 것은 LTE-M 및 NB-IoT이다.

LTE-M은 1.4MHz의 대역폭을 가진 반이중(Half-Duplex) 또는 전이중(Full-Duplex) 시스템으로 동작한다. 원시 데이터 전송속도는 다운링크에서 300Kbps이고, 업링크시 375Kbps이며, IP(Internet Protocol)로 실행되는 애플리케이션의 경우 양방향 모두 약 100Kbps를 제공한다. 이동성은 기존 LTE와 동일한 셀 핸드오버로 완벽하게 지원된다.

반면, NB-IoT는 주로 에너지 효율성과 빌딩 및 지하에 대한 침투율을 높이기 위해 설계되었다. 대신 전송속도는 좀 더 낮은 편이다. NB-IoT는 LTE PHY(Physical Layer)에 기반하지 않고, LTE-M 모뎀보다 모뎀 복잡성이 훨씬 더 적은 새로운 유형의 RF 기술에 기반하고 있다. NB-IoT는 200KHz의 좁은 대역폭을 사용한다.



5G는 모두 셀룰러가 아니다

2016년에 릴리스 13이 발표된 이후, 셀룰러 IoT 사양은 계속 발전하고 있다. 예를 들어, 릴리스 14에서는 더 빠른 전송속도를 지원하는 NB-IoT의 두 번째 형태인 CAT-NB2가 도입되었으며, NB-IoT를 위한 일부 첨단 포지셔닝 기술도 채택되었다. 또한 릴리스 17에서는 전송속도가 더욱 증가했다. 가장 중요한 점은 NB-IoT와 LTE-M이 처음에는 4G LTE 표준의 일부로 개발되었지만, 3GPP는 NB-IoT와 LTE-M을 5G 표준의 핵심 사양으로 구축하고, 네트워크의 진화에 따라 지속적인 개발을 보장하고 있다는 점이다.

다음 단계의 매시브 IoT는 이러한 5G 네트워크를 활용해 성장하게 될 것이다. 엔지니어들은 미래에 필요한 것을 미리 예측하고, 준비해 왔으며, 이를 기반으로 mMTC 등이 정의되었다. 이를 통해 미래에는 M2M(Machine-to-Machine) 애플리케이션을 위한 저전력 무선이 대규모로 설치될 것이다. 이러한 기술은 1킬로미터당 최대 100만 개의 기기를 구축할 수 있도록 설계되고 있다.

NB-IoT 및 LTE-M은 mMTC 요구를 충족시키기 위해 추가로 개발되고 있지만, 이것만 있는 것은 아니다. DECT-2020 NR이라고도 알려진 DECT NR+(DECT New Radio+)는 URLLC(Ultra Reliable and Low Latency Communications)에 대한 요구사항을 비롯해 mMTC에 대한 모든 기술적 요구사항을 충족한다. DECT NR+는 셀룰러 기술은 아니지만, 5G 기술로 정의되어 있다. 이 사양은 ETSI에서 개발되었으며, DECT 포럼(DECT Forum)의 기술에 기반하고 있다.

NR+는 1.9GHz의 동작 주파수를 이용한다. 이는 전 세계적으로 라이선스가 필요 없는 스펙트럼으로 데이터 요금이 부과되지 않기 때문에, DECT NR+는 라이선스를 필요로 하는 동급 솔루션보다 실행 비용이 더 저렴하다. 이를 통해 엔지니어들은 라이선스 네트워크 대신 무료 대역을 이용하여 SIM이 필요하지 않은 고밀도의 프라이빗 메시 네트워크(Mesh Network)를 구현할 수 있다.

도달거리는 실내에서는 수백 미터, 실외에서는 최대 수 킬로미터에 이른다. NR+는 네트워크 상에서 최대 40억 개의 개별 무선 기기와 평방 킬로미터 당 100만 개의 노드를 지원할 수 있다. 또한 빠른 통신 속도(최대 수 Gbps)를 지원하거나 낮은 전력소모(평균 10μA 미만의 전력소모)를 지원하도록 네트워크를 맞춤화할 수도 있다.

매시브 IoT를 선도하는 노르딕

노르딕 세미컨덕터는 지난 2018년에 LTE-M/NB-IoT 모뎀 및 GNSS가 통합된 저전력 SiP(System-in-Package) 셀룰러 IoT 솔루션인 nRF9160을 출시했다. 이를 통해 노르딕은 새로운 셀룰러 IoT 기술의 선도주자로 자리매김하게 되었으며, 이를 기반으로 오늘날에는 완전히 포괄적인 세계적 수준의 매시브 IoT 솔루션을 제공하는 최초의 기업이 되었다. 노르딕의 제품은 셀룰러 IoT 설계, 제조 및 구축을 간소화하는 것은 물론, 안정성과 비용 효율성을 제공한다.

IoT의 진정한 잠재력을 실현하기 위해서는 포괄적으로 구축된 엔지니어링 솔루션이 필요하다. 노르딕은 셀룰러 IoT를 위한 종단간(End-to-End) 솔루션을 구축하고, 고객들이 지속 가능한 IoT 인프라를 구현할 수 있도록 지원하고 있는 선도 기업 중 하나이다. 하지만 이는 시작에 불과하다. 노르딕은 앞으로 수십억 개에 이르는 미래의 스마트 기기를 연결하는데 사용할 수 있는 인프라의 중요 부품을 설계하고, 공급하는 더욱 포괄적인 솔루션 기업으로 거듭날 것이다.