IoT, 5G를 통해 성장 극대화…V2X 기반 자율주행 ‘주목’

[테크월드=양대규 기자] 글로벌 시장조사업체인 카운터포인트의 ‘최신 IoT 서비스 분석 보고서’에 의하면, 글로벌 IoT 모바일 커넥션이 2018년 상반기에 72%로 집계됐다. 이중 중국이 전체 커넥션의 2/3를 차지하며 시장 선두를 달리고 있다. 중국을 제외하고는 보다폰이 전 세계적으로 가장 큰 통신사의 위치를 지키고 있다. 카운터포인트는 2025년에는 글로벌 IoT 모바일 커넥션이 50억을 돌파할 것이며, 이 중 NB-IoT가 전체의 절반에 가까운 비중을 차지할 것으로 전망했다.

업계 관계자들은 앞으로 5년에서 7년 사이에 스마트 유틸리티, 스마트 모빌리티 애플리케이션이 핵심 성장 동력이 될 것으로 분석했다. 이중 자율주행, 드론, 헬스케어 등의 애플리케이션은 초고속, 초연결성, 초저지연 등의 성능을 가진 5G를 통해 실현될 것으로 예상했다.

IoT를 위해, 주변의 거의 모든 것을 연결해 주는 통합 네트워크의 등장은 필연적이며 그 기술이 바로 5G이다. 지난 6월 3GPP에서 승인된 첫 번째 5G NR 표준에는 향상된 광대역 무선통신(eMBB)과 고신뢰 저지연 통신(URLLC) 기능이 일부 포함됐다. 이를 통해, 일부 고성능이 필요한 IoT 기술을 구현할 수 있지만, 대규모 기기용 통신(mMTC)이 필요한 IoT 기술 구현은 어렵다.

대규모 사물인터넷(massive IoT)은 수백억 개의 기기, 사물, 기계들이 연결되는 것을 말한다. 여기에는 지하나 오지에 있는 센서와의 연결도 포함된다. 3GPP는 제곱킬로미터당 최소 백만 개의 기기가 존재할 때 대규모라고 정의하고 있다. 이를 모두 연결하기 위해 이동통신망은 간헐적으로 통신하는 아주 단순한 기기라도 지금보다 효율적으로 지원할 수 있어야 하며, 일반 배터리로 10년 이상 사용할 수 있을 정도로 전력 소모가 적어야 한다.

현재 3GPP는 서로 보완적인 두 종류의 협대역 LTE IoT 기술을 Release-13을 통해 소개했다. 바로 eMTC(enhanced Machine-Type Communication)와 NB-IoT(Narrowband Internet of Things, 협대역 IoT) 기술이다. 두 기술 모두 일반적인 모바일 광대역와 같은 여타 LTE 서비스와 원활하게 공존할 수 있으며, 저복잡도(Lower Complexity), 저전력, 더 넓은 커버리지, 기기 밀도가 높은 사례에 최적화됐다. 두 기술은 LTE 기술 포트폴리오의 범위를 확장해 다양한 저전력 사물인터넷 활용 사례를 지원한다는 계획이다.

대규모 사물인터넷을 연결하기 위해서는 eMTC와 NB-IoT가 모두 필요하다. 두 기술은 서로 다른 유형의 사물인터넷 활용 사례를 처리하기 위해 설계되었기 때문이다. eMTC는 대역폭 1.4MHz로 최대 처리량이 1Mbps이며, VoLTE나 완전한 이동성 등의 필수 기능을 지원하여 자산 추적기나 웨어러블 기기 등 다양한 사물인터넷 사례에 활용할 수 있다. 반면 NB-IoT는 계량기나 센서 등 처리하는 데이터양이 적고 실시간 처리가 필요하지 않는 사례에 맞게 표준이 단순하게 만들어져 있다. 대역폭 200kHz에서 데이터 전송률은 수십 kbps이며 커버리지는 훨씬 더 넓다. 사용자들은 활용 사례에 따라 필요한 기술을 선택하면 된다.

또한, NB-IoT는 기존의 LTE 대역은 물론이고 두 개의 일반 LTE 주파수 대역 사이의 보호대역(Guard-band)에도 구축할 수 있으며, 주파수 용도가 조정된 GSM(2G/GPRS) 대역을 활용하여 NB-IoT 전용망으로도 구축할 수 있다.

LTE IoT 기술 로드맵은 3GPP Release-13 이후에도 미래의 대규모 사물인터넷 연결성 구현을 위한 많은 개선 사항을 담고 있다. Release-14에는 eMTC와 NB-IoT에 단일 셀 멀티캐스트와 같은 기능이 추가돼, 자산 위치 추적과 같은 강화된 위치 추적이 가능해지고 간편한 무선 펌웨어 업그레이드가 가능하다. Release-15에는 웨이크업(Wake-up) 리시버와 NB-IoT 용 TDD지원 등의 기능이 추가되는 등 eMTC와 NB-IoT의 성능은 지속적으로 향상되고 있다.

이처럼 LTE IoT는 이미 대규모 사물인터넷을 연결하기 시작했으며 eMTC와 NB-IoT는 LTE망의 규모, 수명, 글로벌 커버리지를 활용하여 계속 발전해 나갈 것이다. 그리고 이는 5G-NR을 기반으로 하는 대규모 사물인터넷 솔루션으로 연결된다.

5G의 새로운 기술 중에는 RSMA(Resources Speared Multiple Access) 기술을 활용해 권한 요청 없이 기기가 필요할 때 마다 데이터를 전송하는 자유 전송 기능인 NOMA(Non-orthogonal Multiple Access)와 LTE 기기 간 통신 기능을 활용한 메시 네트워킹(Mesh Networking) 기술도 있다. 

비면허 대역으로의 확장도 가능하다. 멀티파이어 얼라이언스(MulteFire Alliance)는 멀티파이어 1.0 규격을 통해 비면허 대역에서 광대역 무선통신 만이 아니고 고성능 IoT를 지원하도록 조정했다. 이는 사설 LTE망에 IoT 기능이라는 새 기회를 만들 것이며, 협대역 LTE IoT 기술을 활용하여 LPWA(Low Power Wide Area, 저전력 광역망) 기능을 제공할 수 있게 한다.

현재 퀄컴은 eMTC 기기 카테고리인 Cat-M1과 NB-IoT 기기 카테고리인 Cat-NB1, 그리고E-GPRS를 지원하는 멀티모드 상용 솔루션을 제공하고 있다. 퀄컴의 MDM9206은 하나의 하드웨어, 소프트웨어와 RF 디자인으로 전 세계 배치가 가능한 유연한 단일 SKU 솔루션이다. 전 세계 이동 통신 사업자들 역시 Cat-M1과 Cat-NB1 기기를 모두 지원하는 상용 LTE IoT 망을 구축했다. 지난 2017년 7월 기준, 20개 이상의 이동통신 사업자가 LTE IoT 상용화 계획을 발표했으며 다른 많은 사업자도 상용화 준비를 위해 eMTC와 NB-IoT 현장기술시험을 진행하고 있다.

퀄컴, 5G IoT 서비스를 위한 3가지 주의점

퀄컴은 5G가 기업뿐만 아니라 사회 전반에 걸쳐 큰 영향을 미칠 것이라며, 전기(Electricity)가 처음 등장했을 때 보다 더 큰 영향을 줄 것이라고 설명한다. 이는 5G 무선 에지(Wireless Edge) 기술 때문이다. 무선 에지는 다양한 종류의 기술이 현실화될 수 있도록 지원하는 토대가 되는 기술로 차세대 데이터 혁명을 구동하는 핵심 역할을 한다. 서로 연결된(Connected) 수많은 사물들이 서로 정보를 교환할 수 있도록 지원하는 이런 플랫폼은 새로운 서비스, 생태계, 사업 모델의 등장을 유발한다. 무선 에지는 5G NR 무선 인터페이스가 상용화되기 이전에 이미 IoT 도입을 가속화했으며, 중앙집중적인(Centralized) 클라우드 컴퓨팅의 시대를 벗어나 연결된 분산(Connected, Distributed) 컴퓨팅의 시대를 앞당기고 있다.

그래서 퀄컴은 무선 에지의 지능화가 중요하다고 강조한다. 이는 가정, 기업, 산업용 등 수십억 대의 스마트·커넥티드 기기가 지능화될 필요가 있다는 의미다. 이에 퀄컴은 무선 에지의 지능화가 확대되려면 하드웨어와 소프트웨어 등 시스템 차원의 기술적 과제가 선결돼야 하며, 5G와 사물인터넷(IoT) 생태계 역시 이동통신 프로토콜을 넘어, 다음 세 가지 원칙을 기반으로 하는 솔루션을 제시할 수 있어야 한다고 강조했다. 세 가지 원칙은 ▲고도의 신뢰도와 보안 ▲제로터치(Zero-touch) 기기-클라우드 통합 ▲기기 수명주기 관리와 최신 기능 업데이트 기능을 말한다.

▲고도의 신뢰도와 보안

퀄컴은 보안 문제, 사이버 공격에 대한 보안과 시스템 신뢰도가 보장돼야 무선 에지의 성공으로 이어질 수 있다고 지적한다. 시장, 산업, 기기의 다양성을 고려했을 때, 신뢰도 문제는 각 기기의 특성(프로세싱, 전력 소비, 비용, 접근성)과 사용 사례에 맞춰 모듈화된 방식으로 정리되어 해결되겠지만, 모든 앱과 기기에서 다음의 원칙들은 모두 기본적으로 적용돼야 한다.

이는 ▲가장 보안 요구 조건이 낮은 수준에서도 보장되는 하드웨어 기반 보안 ▲모든 계층과 노드에 적용되는 전체 시스템 설계의 기본 속성으로서의 보안 ▲플랫폼 전반의 신뢰도 강화를 위한, 인증, 증명, 소프트웨어 무결성 검사 등 여러 계층에 걸친 보안 ▲사용자 데이터 보호와 최종 사용자(혹은 기업)의 동의에 따른 데이터 사용을 말한다.

▲제로터치(Zero-touch) 기기-클라우드 통합

미래에는 시스템 차원에서 기기, 중간 노드, 그리고 클라우드의 조합으로 데이터가 분산 처리되는 방향으로 전개된다. 기기의 진화 과정에서도 처음부터 클라우드 통합을 염두에 둬야 한다. 에지 기기의 보안과 신뢰할만한 기기의 식별을 위해 확장 가능한 솔루션이 반드시 필요하다는 것이다.

퀄컴은 관리 플랫폼에 기기를 등록하는 것은 매끄럽고 보안이 철저한 제로터치 방식으로 이뤄져야 한다고 강조했다. 여기에는 사용자의 개입이 최소화된 확장형 알고리즘이 필요하다. 이를 통해, 클라우드가 보안 통신 채널을 통해 에지 기기와 중간 노드를 식별하고, 신뢰를 구축할 수 있기 때문이다.

앞으로 사용자의 특정 요구에 맞춘 클라우드 솔루션도 다양하게 등장할 전망이다. 이에 모든 기기는 클라우드 대응 기능을 갖춰야 하며, 다양한 클라우드 플랫폼에서 전개 가능하고, 새로운 클라우드 플랫폼으로도 원활히 이전할 수 있어야 한다.

▲기기 수명 관리와 자동 최신 기능 업데이트

산업계에서는 지금껏 서로 연결된 적 없던 제품들을 연결하기 위한 솔루션을 구상 중이다. 산업용 IoT 기기는 일반 IoT 기기 대비 수명이 길다. 기술 발전의 속도가 가속화되기 때문에 최종 사용자들은 새로운 서비스를 사용하는 사례와 앱의 등장을 기대하는데, 새로운 서비스를 수용하기 위해서는 기기의 기능과 성능이 지속적으로 업데이트될 필요가 있다. 또한 IoT 기기와 5G 기기의 사양이 다양하기 때문에, 더 효율적으로 SKU와 제품 버전을 관리할 방법이 필요하다.

퀄컴은 이런 것이 가능하기 위해서는 기기를 교체하지 않고도 이전 버전의 기기 성능을 넘는 업그레이드를 할 수 있어야 한다고 말한다. 무선 에지 플랫폼을 통해 안전하고 유연한 업그레이드가 원활히 진행될 수 있어야 하며, 프로세싱, 연결성, 기타 기능들 역시 OTA 업그레이드가 가능해야 하며, 최종 사용자가 업그레이드를 통한 성능의 변화를 체감할 수 있어야 한다.

이 세 가지 원칙은 기존 이동통신 생태계가 새로운 5G 참여자와 비즈니스 모델을 지원하도록 진화하는데 있어 중요한 역할을 할 것이다. 퀄컴은 자사의 무선 에지 서비스 플랫폼은 이러한 기술과 비즈니스 과제를 해결할 수 있는 솔루션 프레임워크라고 설명한다.

퀄컴에 따르면, CaaS(Chipset as a Service) 비지니스 모델은 서비스를 제공하면서 특정 칩셋 능력의 가치를 극대화할 수 있으며, 생태계 참여자들은 장기적으로 기기의 가치를 실현하고, 총 소유 비용을 낮출 수 있게 한다. 또한, 무선 에지 서비스는 하드웨어(칩)에 기반한 보안 기능을 활용하여 신뢰할 수 있는 기기를 식별하고, 안전에 취약한 기기들을 보호할 수 있다. 이 기술을 활용하여 수많은 에지 기기를 대규모로 설치할 수 있고, 플러그앤플레이 온보딩(Onboarding)이나 주문형과 OTA 기능 활성화가 가능해 효율적인 제로 터치의 수명주기 관리를 할 수 있다.

차량 사물통신 ‘5G-V2X’, 2020년 상용화 확정

5G로 인해 구현되는 IoT 네트워크망에서 자율주행을 실현하는 V2X에 사람들의 관심이 가장 많이 집중되고 있다. 업계 관계자들은 5G 이동통신을 자동차에 적용한 ‘5G-V2X’ 기술이 2020년 상용화될 것으로 전망한다. 5G-V2X는 5G의 초저지연 성능을 활용, 자동차 안전과 자율주행 성능을 높이는 기반 기술이다.

최근 3GPP와 커넥티드카 연합체(5GAA)가 5G-V2X 기술 표준화·상용화 로드맵을 확정했다. 5G의 1ms(0.001초) 초저지연 성능으로 차와 차(V2V), 차와 인프라(V2I)가 통신해 안전을 극대화하고 기가(Gbps)급 속도로 대용량의 콘텐츠 전송이 가능하도록 자동차에 특화한 표준을 완성하는 게 목적이다.

5G-V2X 기술 표준화는 3단계로 이뤄진다. 1단계인 'LTE-V2X'는 기지국 통신망을 자동차에 적용하는 기초 단계다. 2단계 'eV2X'는 LTE를 활용해 ▲센서 성능 확장 ▲주행 성능 개선 ▲군집 주행 ▲원격 주행 등 25개 기술 과제를 단계별로 개발하며, 5G를 부분 도입하는 단계다. 3단계 표준이자 궁극 목표인 5G-V2X는 eV2X에서 제시된 모든 과제를 충족시키도록 완성하고, 5G 전용 주파수를 활용해 성능을 극대화하는 로드맵이다. 1, 2단계의 표준은 완료됐으며, 3단계 표준은 2019년 말에 완료한다.

이에 따라, 시장 경쟁도 가속될 전망이다. 5GAA 회원사인 퀄컴, 삼성전자, 화웨이 등 5개 글로벌 칩셋 기업이 기술 개발을 전담한다. 2018년 말까지 상용화가 가능한 수준의 칩셋을 출시하고, 2020년 초기 단계 칩셋을 실제 자동차에 적용해 출시할 계획이다. OEM들은 기술 표준화 논의에 참여하고, 테스트와 상용화에 협력한다는 방침이다. 5G-V2X 상용화는 주행 안전과 기존의 레이더, 라이다 등 센서 기술을 바탕으로 발전한 자율 주행 기술이 실시간 네트워크와 결합될 전망이다.

최근에는 티어1 업체인 보쉬가 5G를 통한 셀룰러 V2X(C-V2X)의 실증 실험을 하고, 유럽에서 처음으로 커넥티드카 상호 통신에 성공했다. 이 실증 실험은 보쉬, 보다폰, 화웨이가 공동으로 실시한 것으로, 독일 뮌헨에 가까운 A9 고속도로에서 혼잡한 시간대에 이루어졌다.

C-V2X 기술은 지금까지 고속도로에서 차선 변경이나 앞 차량이 갑자기 멈춰선 경우 실시간 경고 시스템으로만 사용됐다. 하지만 이제는 직접적인 정보 교환으로 적응형 크루즈 컨트롤 등 운전자 지원 시스템은 운전자에게 경고할 뿐만 아니라 스스로 가속하거나 브레이킹을 할 수 있게 된다. 또한, 네트워크에 연결된 차량이 통신 기술을 통해 반경 300m 내에 있는 모든 차량 위치와 속도 정보를 직접 확인하고 전송할 수 있다. 기지국을 통해 중계 채널을 통과하지 않고 지체없이 정보를 교환할 수 있기 때문에 주변 차량의 운전 상황을 파악할 수 있는 것이다.

5G-V2X로 바뀌는 자율주행의 미래

자율주행의 핵심 기술인 ‘V2X’는 5G 네트워크를 통해 주위 차량의 운행정보를 실시간으로 공유하며, 원거리의 사고정보를 차량에 공유함으로써 사전에 이를 대처할 수 있도록 해 안전성 이슈에 대해 보다 신뢰할 수 있는 대안을 제시한다. V2X는 차량이 통신망을 통해 V2V, V2I, V2N, V2P 등 자율주행과 관련된 모든 개체와 연결되는 것을 의미한다. 5G를 통해 구현되는 V2X는 안전한 자율주행 환경을 제공할 수 있다.

또한, V2X 기반으로 차량 군집주행이 현실화 되면 교통체증 해소, 에너지 저감, 물류 운송 효율화 등이 실현된다. V2X 기반 군집주행이 가능하게 되면 차량 이동에 따른 정보를 후행 차량과 실시간으로 공유해 즉각적인 반응을 할 수 있고 반응지체에 따른 교통체증을 해소할 수 있다.

군집주행 차량간 간격은 10m 내외 수준으로 기존 고속도로 안전거리 기준 100m를 비교하면 획기적으로 줄어든다. 전문가들은 군집주행의 효과로 후행 차량의 공기 저항을 최소화해, 약 25%의 연료 절감효과를 가져올 수 있을 것이라 추산한다.

물류 운송의 측면에서는 마치 화물열차처럼 대열 주행이 현실화될 경우 화물의 주행상황, 정체적보 등을 실시간으로 분석해 최적 대열을 구성하고 이에 따라 임금, 연료, 보험료 등이 줄어들어 물류 사업자의 영업 이익에 큰 도움이 될 것이라는 예측도 나오고 있다.

또한, 자율주행 자동차가 진화될수록 인포테인먼트 시스템의 중요도는 더욱 증가할 것으로 보인다. 자율주행차 안에서 음악을 듣고 영화를 보는 것이 일상이 되고 차 안의 모니터를 통해 원하는 정보를 주고받는 것이 자연스럽게 되는 것이다. 특히 5G가 제공하는 초고속 통신망은 AR, VR, 8K 등 대용량 미디어를 고속이동 중에도 끊임없이 구현할 수 있다.

즉, 5G가 제공하는 통신환경은 본격적인 자율주행 시대를 열게 된다는 것이다. 복잡한 도심지역을 포함한 전국 단위의 자율주행 확산을 위해서 5G 기반의 V2X 기술 개발과 도입은 필수적이다. 이에 KT경제경영연구소는 전략적 편익과 소비자편익 등을 합쳐, 자동차 분야에서 최소 2025년에 3조 3000억 원, 2030년에 7조 3000억 원의 가치가 발생할 것이라고 밝혔다.