모바일 광대역 네트워크 및 관련 기술의 지속적인 발전을 위해서는 갈수록 증가하는 커넥티비티 및 대역폭을 해결하는 것이 중요하다. 또한 지속적으로 투자가치를 보호할 수 있도록 네트워크의 수익 창출을 극대화할 수 있는 기능과 매커니즘을 갖추는 것도 동일하게 고려되어야 한다. 이러한 관점에서 현재 구축된 서비스인 LTE 기반 모바일 광대역 컨수머 마켓은 이미 수익성 측면에서 성숙 및 포화단계에 진입해 있다. 

글/ 하르핀더 싱 마타루 (Harpinder Singh Matharu),
자일링스 통신 사업부 수석 제품 매니저

새로운 애플리케이션과 이용행태, 마켓을 겨냥해야 하는데, 이 경우 2020년 구축될 예정인 5G에 대비할 수 있는 기반을 만들어야 한다. IoT(Internet of Things)는 이러한 질문에 해답을 제시하는 주요 성장분야로 새롭게 부상하고 있다. IoT는 현재 선도적인 사업자들이 자사의 네트워크에 수백만 개의 디바이스를 연결할 수 있다는 보고들이 나올 정도로 빠르게 성장하고 있다. 전용 LPWA(Low Power Ling Range) 프로토콜은 IoT 커넥티비티 부문에서 마켓을 선도하고 있으며, 3GPP는 릴리스 13을 통해 IoT에 대한 업계 표준 프로토콜을 갖추고자 다양한 제안들을 검토하고 있다. 빠르게 부상하고 있는 IoT 에코시스템들은 10년 이상의 배터리 수명을 가진 저비용 IoT 엔드 노드를 구축할 수 있는 대안을 제시하고 있다. 

수많은 IoT 네트워크와 서비스가 향후 3년 ~ 5년 사이에 구축될 것으로 예상되고 있다. 이러한 IoT 네트워크의 수익을 창출하기 위해, 기존 또는 새로운 사업자들은 3가지 핵심 이슈를 성공적으로 해결해야만 한다. 첫 번째, 사업자는 기존의 전용 또는 표준 기반의 IoT 커넥티비티를 수용하고, 하이브리드 IoT 네트워크에 대비해야 한다. 두 번째, 커넥티비티에 주력하는 것만으로 IoT 네트워크의 수익을 창출하기에 충분하지 않다. 새로운 애플리케이션과 이용행태에 대응할 수 있도록 수백만 개의 커넥티드 디바이스에서 수집한 데이터를 처리할 수 있는 포괄적인 데이터 분석이 필요하다. 세 번째 이슈는 IoT 네트워크의 보안 및 안정성 문제로, 이는 상용화 및 광범위한 적용을 위해 매우 중요하다. 다수의 무선 프로토콜을 지원하고, 클라우드 및 커넥티드 디바이스 간의 지능형 데이터 수집 및 전파가 가능하고, 최신 보안 링크를 유지할 수 있는 프로그램이 가능한 유연한 IoT 게이트웨이 또는 허브는 이러한 문제들을 해결하는 중추적인 역할을 수행하게 될 것이다.

IoT는 저전력, 장거리 통신 및 비대칭, 비동기식 낮은 데이터 전송속도의 커넥티비티와 긴 배터리 수명(10년 이상)의 저비용 엔드 노드가 필요하다. IoT 커넥티비티 및 디바이스의 속성은 최종 마켓 및 애플리케이션에 따라 다양하게 달라질 수 있다. 5G 산업 포럼은 IoT를 저에너지 매시브 머신 통신 및 저지연 미션 크리티컬 머신 타입 통신 등 두 가지의 이용행태로 폭넓게 정의하고 있다. 저에너지 매시브 머신 통신은 헬스케어나 해운, 농업, 식품산업, 물 및 에너지 관리, 스마트 홈 및 빌딩과 같은 산업의 생산성 및 효율성을 획기적으로 향상시켜주는 센서 및 액추에이터로 연결된 네트워크를 들 수 있다. 커넥티드 웨어러블 기기는 이러한 이용행태를 구성하는 핵심 부분으로, 우리 삶의 모든 측면을 향상시켜 줄 것이다. 디바이스 비용 및 배터리 수명, 구축 용이성, 효율적인 동기식 통신은 저에너지 매시브 머신 타입 통신을 위한 핵심 요건이다. 일반적으로 IoT 노드 당 데이터 전송속도는 100Kbps 범위가 될 것이다.

IIoT(Industrial IoT) 및 자동차, 스마트 에너지 그리드, 교통안전, 비상 대응 서비스는 저지연 머신 타입 통신의 사례로 들 수 있으며, 안정성, 복원력, 저지연은 이 분야에서 중요하게 고려되는 요소들이다. 일반적으로 데이터 전송속도는 100Kbps에서 1Mbps에 이른다. IIoT는 모바일 광대역 네트워크 내에서 여러 수직 마켓(Vertical Market)을 창출하고, 사업자에게 새로운 안정적인 수익 구조를 제공하게 될 것이다. 

LoRa, SigFox, Ingenu, Starfish, Weightless와 같은 저전력 전용 WAN(Wide Area Network) 기술은 현재 IoT를 구축할 수 있는 기술들로, 비면허 주파수 대역을 사용한다. 자동차의 경우, 미국 및 ITS(Intelligent Transport System) 협회 등에서 알려진 DSRC(Dedicated Short Range Communication)가 V2X(Vehicle to Everything) 무선 커넥티비티 솔루션으로 새롭게 부상하고 있다. DSRC는 주로 안전 애플리케이션에 적용되고 있으며, 5.9GHz 라이선스 주파수에서 75MHz 대역폭과 7개의 10MHz 채널을 사용한다. LTE는 확장성과 구축 및 유지관리 용이성을 제공하기 위해 전용 기술 및 각각의 표준을 융합시킬 수 있는 탁월한 프레임워크를 제공한다. M2M 통신을 위한 LTE의 확장 버전으로 3GPP RAN 릴리스 12 중 하나인 LTE-M과 3GPP RAN 릴리스 13의 하나인 NB-LTE(Narrow Band LTE), 그리고 GEREAN 릴리스 13 중 하나인 EC-GSM(Extended Coverage GSM)은 라이선스 주파수를 사용하는 표준 기반 기술들이다.

 
그림 1에 나타낸 것처럼, 네트워크 전반에 분산된 프로그램이 가능한 유연한 IoT 게이트웨이 및 허브는 중추적인 역할을 수행하게 된다. 하이브리드 기술을 지원할 수 있도록, IoT 게이트웨이는 설치 지점이나 서비스 타입에 따라 다수의 무선 프로토콜을 지원해야 한다. 기존의 전용 기술들과 새롭게 부상하는 표준들을 융합할 수 있는 시스템의 유연성 및 민첩성은 상용화를 폭넓게 확대시킬 수 있도록 규모의 경제를 수립할 수 있는 핵심 요소이다. 클라우드 및 커넥티드 디바이스 간의 지능형 데이터 수집/전파는 물론, 첨단 연산 기능 또한 이러한 게이트웨이에서 필요하다. 대부분의 IoT 애플리케이션의 경우, 데이터는 특정 위치에만 머무르게 되고, 짧은 기간 동안 유의미하다. 또한 대부분의 경우, 애플리케이션 지연 제약조건(Latency Constraints)은 분산형 데이터 프로세싱을 필요로 하며, 첨단 연산 기능 및 로컬 저장장치는 저지연 요건을 극복하기 위해 IoT 게이트웨이에서 필수적으로 요구된다. 클라우드 및 커넥티드 디바이스를 안전하게 연결하는 시스템 기능 또한 이러한 게이트웨이에서 필요하다. 

중요한 시스템 이슈들을 해결하는 것과 더불어, IoT 게이트웨이는 IoT 네트워크의 새로운 애플리케이션 및 이용행태를 시험 운영할 수 있는 테스트 베드로도 기능할 수 있어야 한다. 최적의 솔루션이나 완벽한 에코시스템을 기다리는 대신, 사업자들은 시스템 요건을 정의하는데 있어 이러한 테스트 베드를 이용해 공급망과 긴밀하게 작업할 수 있다. 이러한 합리적으로 잘 정의된 시험운영 사례연구 및 관련 비즈니스에 대한 준비는 IoT에 내재된 매출 가능성을 극대화하는 최적의 솔루션과 네트워크 발전으로 나아가는데 도움이 된다. 또한 충분한 연산성능을 갖춘 IoT 게이트웨이는 오픈소스 산업 표준 애플리케이션 개발 프레임워크 및 개발 커뮤티니티를 시뮬레이션할 수 있다. 더불어, 광대역 무선 LTE를 지원함으로써 스마트 홈이나 차량 및 승객의 모바일 광대역 커넥티비티를 제어하기 위해 개인용 스마트폰과 같은 애플리케이션의 통합 서비스를 향상시킬 수 있다. 
 

올 프로그래머블(All programmable) FPGA 및 SoC는 새로운 표준을 적용할 수 있는 유연성과 첨단 연산기능 수행, 안전한 연결 등의 기본 필요조건과 더불어, 각기 다른 무선 성능을 예시화하기 위한 까다로운 IoT 게이트웨이 및 IoT 테스트 베드 플랫폼 요건에 부합하는 탁월한 솔루션을 제공한다. 그림 2는 자일링스의 16nm 징크(Zynq) 울트라스케일+(UltraScale+™) MPSoC 플랫폼을 이용해 구현할 수 있는 프로그램이 가능한 유연한 IoT 게이트웨이의 컨셉 블록도를 보여주고 있다. 자일링스의 징크 울트라스케일+ 플랫폼은 최고 1.5GHz로 동작하는 쿼드-코어 ARM® Cortex-A53을 비롯해 실시간 프로세싱 유닛인 듀얼-코어 ARM Cortex-R5, 그리고 통합 주변장치 및 커넥티비티 코어와 첨단 보안 및 안전, 신뢰성 기능을 갖추고 있다. 또한 다수의 무선 기술 인스턴스와 더불어 백홀 및 로컬 스토리지 커넥티비티를 관리할 수 있는 풍부한 프로그래머블 패브릭을 가지고 있다. 자일링스의 베이스밴드, 무선, 기본 DSP, 커넥티비티 IP는 유연하고 확장 가능한 IoT 게이트웨이 애플리케이션 개발 프레임워크를 구현하기 위해 풍부한 ARM 소프트웨어 에코시스템과 결합하여 활용이 가능하다. FPGA 패브릭 고유의 유연성 및 프로그래머빌리티는 내장된 프로세서에 상주하는 애플리케이션 스택과 독립적으로 무선 구현을 손쉽게 업데이트할 수 있도록 해준다. 이러한 플랫폼의 표준화 및 오픈소스 산업표준 애플리케이션 개발 프레임워크 시뮬레이션, 시험운영 사례연구 등은 IoT 기반 새로운 서비스의 개발 및 구축을 가속화하는 필수적인 요소들이다.