NB-IoT, ARM 기술로 IoT를 연결하다

[테크월드=정환용 기자] 모든 것이 연결된 세상이다. 수십억 개의 센서가 클라우드 기반 서비스를 통해 완벽하게 연결되고, 이를 통해 새로운 차원의 효율성과 신규 비즈니스, 그리고 새로운 기회가 창출된다. 이것이 우리의 생활과 일하는 방식을 바꾸고 세상과 소통하는 방식을 변화시키려는 비전을 지닌 사물인터넷(IoT)이다.

수십억 개의 디바이스까지 확장되는 연결성을 구현하는 것에는 많은 어려움이 따른다. 5G로 연결된 세상은 이미 많은 부담을 받고 있는 무선 네트워크에 상시 접속(Always-on) 유비쿼터스 커버리지, 무제한 대역폭과 더 많은 용량을 가져올 것이다. 에릭슨 모빌리티 리포트(Ericsson Mobility Report)는 2022년에는 IoT 커넥티드 디바이스가 180억 개를 넘어설 것으로 전망했다. 이는 스마트폰의 연결보다 2배 이상 많은 수치다.

IoT를 구현하기 위해선 무엇보다 무선 네트워크의 역할이 중요하다. 네트워크는 2G 서비스에서 음성, 3G와 4G에서 모바일 광대역을 제공하기 위해 구축됐다. 이제는 스케일과 커버리지, 초저전력을 감안해 네트워크를 구축해야 하는 도전에 직면하고 있다. 센서를 연결하는 것은 스마트폰을 연결하는 것과는 다른 문제를 의미한다. 이 목표를 달성하기 위해 저전력, 광대역 네트워크(LPWAN)로 연결성을 구현하고자 한다. 아직은 표준 개발 단계에 있지만, 연결성 구현의 핵심 기술은 3G와 4G의 글로벌 통신 표준 기구(3GPP)의 승인을 받은 협대역 IoT(Narrow Band IoT, 이하 NB-IoT)다.

표준화에 성공하기 위해선 디바이스 업체들이 기술을 구축하거나 상호 운영할 수 있도록 개방적이어야 하고, 이는 결국 멀티벤더 시장의 성장을 가속화시켜준다. NB-IoT는 이를 실현시켜주는 기술로서 보다 전통적인 소비자용 디바이스와 웨어러블, 스마트 시티, 농업, 의료, 자동차에 이르기까지 수많은 커넥티드 디바이스가 생겨날 수 있게 해준다. 이렇게 폭 넓은 제품군을 구현하기 위해, NB-IoT의 연결성을 탑재한 반도체 솔루션이 요구된다.

이동통신업체도 수행해야 하는 역할을 가지고 있는데, 스마트폰 중심 비즈니스 모델에서 IoT 중심 비즈니스 모델로 전환하는 것이다. 이는 결코 간단한 일이 아니다. 진입 장벽을 낮추고 다양성과 선택권을 추진하면서, IoT 디바이스의 인증 및 승인 과정을 네트워크에 간소화시키는 것이 중요하다. 서로 다른 IoT 활용 사례를 위한 광대역 커버리지를 제공하는 고효율 네트워크를 구축하는 것과 동시에, 이 네트워크에 보안을 기본적으로 보장하는 것이 이동통신업체들이 해결해야 할 과제다.

신뢰는 IoT에 있어 필수적이며, 이를 통해 기회가 창출된다. ARM은 커넥티드 디바이스와 LPWAN 네트워크의 중심에 구축된 ARM TrustZone 기술로 데이터 보안, 디바이스 신뢰, 그리고 네트워크의 효율적인 운영과 확장을 보장한다.

NB-IoT: 5G IoT의 길을 열다
5G 비전은 3가지 주요 측면에서 기존의 무선 네트워크를 향상시키고자 한다. 첫 번째는 대규모 모바일 브로드밴드(massive mobile broadband, 이하 mMBB) 구현 역량이다. 풍부한 사용자 경험을 제공하기 위해 고해상도, 몰입형 사용자 인터페이스를 요구하는 증강 현실(AR), 가상현실(VR)이 촉망받고 있다. 이와 같은 새로운 모바일 사례를 촉진시키기 위해선 어디서나 기가바이트 연결이 가능한 네트워크를 구축하는 것이 필수적이다. 

둘째는 대규모 기계형 통신(massive Machine Type Communications, 이하 mMTC)이다. mMTC는 IoT에는 배관을, 네트워크의 대규모 확장과 수십억 개의 센서를 클라우드 기반 서비스에 연결할 수 있는 성능을 제공한다. 마지막으로 mMTC 기반의 고신뢰성 기계형 통신(ultra-reliable Machine Type Communications, 이하 uMTC)을 갖추고 있다. uMTC는 산업 제어, 자동차, 원격 헬스케어와 같은 새로운 형태의 초저지연 애플리케이션을 개발한다는 목표를 삼고 있다.

NB-IoT는 3GPP 내에서 새로운 기술로 개발됐고, 5G IoT 커넥티비티의 기반 마련과 함께 mMTC에 기본부터 최적화되도록 설계됐다. 향후 수년간 표준이 발전할 것으로 예상되면서, NB-IoT는 더욱 강화될 것이고 이를 통해 mMTC의 5G 비전을 구현하게 될 것이다.

IoT 커넥티드 MCU
IoT를 연결하는 것은 엄청난 규모의 연결성과 커버리지, 그리고 전력 효율성 측면에서 큰 도전이다. 설계자들이 직면하는 또 다른 도전은 최종 활용 사례가 다양하다는 점이다. SoC의 근본적인 요구사항을 결정하는 일련의 핵심 요건이 정해진 스마트폰 시장과는 다르게, IoT 시장은 훨씬 더 다양한 도전에 직면한다. 즉 천편일률적인 방식은 통하지 않는다는 것이다.

IoT용 SoC를 개발하는 설계자들은 스마트 거리 조명, 스마트 미터기, 농업용 애플리케이션부터 의료, 자동차 산업에서 생성되는 원격 센서 데이터, 의료, 자동차에 이르기까지 다양한 용도의 최종 애플리케이션이 요구하는 광범위한 사항을 충족시켜야 한다. 각 시장은 몇 가지 기본적인 공통점과 함께 독특한 요구사항을 가지고 있다.

SoC 설계자들이 연결성을 IP 블록으로 간주하고, 이를 자사의 특수 용도의 디바이스에 통합하는 역량이 굉장히 중요해지고 있다. 시장이 성장하면서 설계자들은 공통적인 기본 구성 요소를 점점 더 활용하고자 할 것이고, 이를 IoT 맞춤형 설계에 빠르게 적용할 것이다. 

우리는 IoT 초기 단계에서 다목적 마이크로컨트롤러 시장처럼 다목적 디바이스가 출시되고 있는 현상을 목격하고 있다. 특히 ‘커넥티드 MCU’란 개념은 많은 IoT 애플리케이션의 초기 실현 단계에서 적용할 수 있으며, 최종 사용자 애플리케이션을 위한 다목적 컨트롤러가 연결된 기본 보안과 커뮤니케이션 서브 시스템으로 구성된다.

ARM은 지금까지 마이크로컨트롤러 분야에서 구축해 온 상당한 경험을 기반으로, ARM 코어텍스 프로세서를 통신·보안 기능과 결합하는 역량을 발휘할 수 있다. 이를 통해 가장 광범위한 개발자와 파트너로 구성된 에코시스템이 IoT 시장에 놀라운 수준의 광범위한 다양성을 제공할 수 있다. 연결성과 보안을 탑재한 다목적 컨트롤러는 향후 5년간 IoT를 활성화 시킬 초석이 될 것으로 전망된다. 시장이 성숙하면서 이런 다목적 디바이스로부터 특수한 용도로 설계된 변종 디바이스가 등장하게 될 것이다.

ARM은 내장형 Trustzone ROT(root of trust), 임베디드 ARM Cordio IoT 커넥티비티와 초저전력 ARM 코어텍스 컴퓨팅을 결합해 구성 재료들을 제공하고 있다. 이는 다양성과 확장 가능성, 안전성, 효율성을 갖춘 IoT 디바이스를 더 빨리 출시하도록 도와준다.

코어텍스-M : 초저전력으로 NB-IoT 구현
ARM 코어텍스-M33 프로세서는 코어텍스-M 제품군으로서 ARMv8-M 아키텍처를 기반으로 한다. 코어텍스-M33 프로세서는 저전력 소비로 고성능 컴퓨팅이 가능한 에너지 효율성에 중점을 둔 설계다. 이 프로세서는 설정 가능한 많은 옵션을 지원하기 때문에 다양한 범주의 애플리케이션의 구현이 용이하며, 완전한 NB-IoT 모뎀을 구현하는 프로세서로서 이상적이다. 

ARM 코어텍스-M33은 코어텍스-M4 제품군의 차세대 프로세스로, 뛰어난 에너지 효율성과 함께 한층 더 높은 성능을 구현하는 완전히 새로운 파이프라인을 가지고 있다. 별도의 DSP 프로세서 없이 단일 코어텍스-M33 프로세서만으로도 전체 NB-IoT 모뎀, ARM mbed와 같은 IoT 플랫폼이나 IoT 애플리케이션까지 실행할 수 있다.

코어텍스-M33 프로세서는 소프트웨어와 툴(tool) 측면에서 기존의 광범위한 코어텍스-M 프로세서 에코시스템을 물려받고 그 기반으로 만들어졌다. 코어텍스-M 제품군은 전 세계적으로 개발된 수천 개의 코어텍스-M 기반 마이크로컨트롤러를 사용한 경험이 있는 소프트웨어 엔지니어들에게도 친숙한 제품이다. 이를 통해 NB-IoT 제품의 개발과 시장 출시가 빠르게 이뤄질 수 있다.

ARMv8-M TrustZone
코어텍스-M33 프로세서는 모뎀이 어떤 사용자 애플리케이션과도 분리된 상태로 보호를 받으면서 안전한 코드로 개발될 수 있도록 ARMv8-M용 TrustZone을 도입했다. 이는 모뎀 소프트웨어는 FTA(Field Type Approval)를 통해 인증을 받을 수 있게 만들어주고, 해당 인증은 동일한 프로세서에서 실행되는 부가적인 사용자 애플리케이션이 추가되더라도 보호된다. 이 모뎀 코드는 사용자들에게는 보이지 않기 때문에 소중한 IP 투자를 보호할 수 있고, 애플리케이션에게는 API만 노출시킬 수 있다.

보안 확장(Security Extension) 기능이 적용된 코어텍스-M33 프로세서는 보안 상태와 비보안 상태로 나누어진 2가지 보안 상태가 있다. 고가의 독점 펌웨어의 경우 보안 상태로 제공돼 완전히 보호받는 상태에서 시스템에서 사용할 수 있다. 현재 코어텍스-M 프로세서용 소프트웨어를 개발하는 수백만 명의 개발자들은 비보안 상태를 여전히 이용할 수 있다.

강력한 DSP 단일 명령 다중 데이터 명령어
단일 명령 다중 데이터(SIMD: Single Instruction Multiple Data) 명령어는 제어 코드와 같이 일련의 강력한 DSP 기능을 동일한 프로세서 제품군에 제공한다. SIMD 명령어를 통해 소프트웨어에서 많은 수의 NB-IoT 모뎀 함수를 개발할 수 있다. 즉, 코어텍스-M33 프로세서를 중심으로 구축된 NB-IoT 모뎀에는 추가적인 DSP 프로세서가 필요하지 않다는 것이다. 이는 전체 모뎀에 주요 이점을 제공하며, 심지어 IoT 애플리케이션도 단일 프로세서에서 개발할 수 있다.

다음은 통합 제어 및 SIMD/DSP 프로세싱 기능의 장점이다. 
단일 프로세서를 사용하는 단순화된 모뎀 설계
보다 빠른 모뎀 개발 속도를 통해 시장 출시 가속화
전문 DSP 소프트웨어 엔지니어가 필요 없음
별도의 CPU 디버그와 DSP 디버그가 아닌 단일 디버그 시스템 
DSP+CPU 솔루션보다 전력 사용량이 적음
NB-IoT 모뎀 솔루션의 면적 축소를 통한 비용 절감

DSP 확장을 통해 80여 가지의 포화 산술과 SIMD 연산 기능이 추가됐다. 대개의 경우 이 DSP 명령을 통해 저전력 NB-IoT 모뎀을 개발하고, 신호 처리 중심의 IoT 애플리케이션을 동일한 프로세서에 통합할 수 있다. 코어텍스-M33 프로세서는 일반적으로 모뎀에서 활용되는 필터(filter), 변환(transform), 보간(interpolation) 등을 포함하는 60개 이상의 최적화된 함수를 제공하는 CMSIS-DSP 라이브러리 기능도 제공한다.

이와 대조적으로 별도의 제어 프로세서 없이 완전한 NB-IoT 솔루션을 DSP 상에서 개발한다면, 코어텍스-M 소프트웨어, 툴 에코시스템과 풍부한 경험을 갖춘 많은 수의 코어텍스-M 소프트웨어 엔지니어 인력 없이는 어떠한 종류의 IoT 플랫폼 소프트웨어나 IoT 애플리케이션 소프트웨어를 통합하는 것도 쉽지 않을 것이다.

하드웨어 가속화를 위한 코프로세서(coprocessor) 인터페이스
강력한 SIMD 기능 외에도 코어텍스-M33 프로세서에는 밀착 결합 액셀러레이터 하드웨어의 통합을 실현해주는 64비트 버스 인터페이스를 포함한다. 이 인터페이스는 최대 8개의 코프로세서를 위한 제어 및 데이터 채널을 포함한다. 이 코프로세서는 명령어 유형과 관련 레지스터, 그리고 연산 필드와 함께 프로세서 권한과 보안 상태에 대한 정보를 제공한다. 일부 연산 집약적 NB-IoT 모뎀 함수를 실행하기 위해, 하드웨어 코프로세서 추가로 전력 소비를 더욱 절감해 최적화된 NB-IoT 솔루션을 제공한다.

코어텍스-M33 프로세서 요약

코어텍스-M33 프로세서를 기반으로 하는 NB-IoT 모뎀은 복합적인 IoT 애플리케이션에서는 별도의 애플리케이션 프로세서에 연결된 보호된 독립형 모뎀으로 사용할 수 있다. 또는, 동일한 프로세서에서 구동되는 애플리케이션과 같이 완전한 NB-IoT 플랫폼으로도 사용할 수 있다. 어떤 애플리케이션은 코어텍스-M33 프로세서의 완전한 성능을 활용해, 송·수신할 데이터가 있는 경우에만 보호된 모뎀 작업으로 전환돼 통신을 수행한다.

코어텍스-M33 프로세서는 최고 수준의 에너지 효율성과 소프트웨어 생산성을 제공하며, 임베디드 IoT 애플리케이션에 대한 전체 시스템 보안의 기반을 제공한다. 그리고 완전한 NB-IoT 솔루션이 별도의 DSP 없이도 단일 프로세서 상에서 안전하게 구동될 수 있는 성능을 제공한다. 이를 통해 ARM 파트너사들은 IoT에 대한 약속을 실현할 수 있다. 신속하게 개발하고 인증을 받아 대규모로 배포될 수 있는, 안전하면서 매우 우수한 전력 효율성을 갖춘 저렴한 IoT 제품을 제공할 수 있도록 보장해준다.

NB-IoT 프로세싱 요구 사항
NB-IoT 솔루션의 프로세싱 요구 사항은 표준이 정의한 실시간 요건을 충족시키면서 솔루션이 설계나 도입된 애플리케이션 사례에 따라 대부분 결정된다. NB-IoT 프로토콜 스택의 프로세싱 요구 사항은 다음과 같이 분류할 수 있다. 

최대 사용량 시나리오
평균/일반 사용량 시나리오

최대 또는 평균 사용량은 NB-IoT 모뎀 도입 사례에 따라 상당한 차이가 있다. 여기서는 표준의 가장 일반적인 도입 사례 중 하나인 센서 기반 NB-IoT 솔루션을 예를 들 수 있다. 이런 일반적인 도입 시나리오에서 디바이스 측면에 위치한 애플리케이션은 하루에 한 번씩 정기적으로 수치를 측정해 보고하도록 클라우드(서버)에 의해 구성된다. 이는 NB-IoT 모뎀이 ‘deep sleep’에서 복귀해 애플리케이션을 실행하는 단말 디바이스와 클라우드 간에 소규모 데이터 전송 및 교환을 NB-IoT 코어를 통해 수행한다는 것이다.

프로토콜 스택 최대 사용 프로세싱은 사용자 장비(User Equipment)가 네트워크에 연결돼 HARQ(Hybrid Automatic Repeat reQuest)와 물리적 데이터 전송의 실시간 신호에 대한 요구 사항을 모두 충족시키고, 업링크(UL)와 다운링크(DL) 데이터 전송이 발생할 때 필요하다. MAC 계층이 UL와 DL의 반복에 대해 HARQ 신호를 제어하는 설계 단계에서, 특히 반복이 늘어날 것으로 예상되는 좋지 않은 커버리지 상태에서 프로세싱 스택의 최대 사용량 프로세싱 요구가 추가적으로 있을 수 있다.

대부분의 다른 시나리오에서는, 프로토콜 스택 사용량은 eDRX(extended Discontinuous Reception)와 PSM(Power Save Mode)과 같은 전력 절감 최적화 때문에 긴 비활동 기간으로 주로 구성됨에 따라, 최소 수준이 될 것으로 예상된다. 클라이언트 애플리케이션은 측정 수치를 보고하는 기간으로 구성될 수 있다. 매 ‘P’ 기간(PSM/eDRX로 인해 결정된 기간과 애플리케이션으로 구성된 보고 기간 중 짧은 것)마다 한 번씩, NB-IoT 모뎀은 깊은/얕은 수면(deep/light sleep)에서 복귀하고, NB-IoT 프로토콜 스택과 PHY를 거쳐 코어 네트워크로 작은 데이터 교환을 수행한다. 이 사례에서 정기 UL 데이터 전송을 수행하기 위해 프로토콜 스택과 PHY가 일반적으로 개시되기 전에, 애플리케이션은 대부분의 조치를 수행할 수 있다. 이 때문에 애플리케이션을 포함해 모뎀 소프트웨어를 돌리는 코어의 필요한 최대 프로세싱을 줄여준다.

일반적으로 데이터 전송을 하는 경우, NB-IoT 표준은 UL과 DL을 위해 단 한 번의 HARQ 프로세스만 사용하도록 허용했다. 이를 통해 MAC/PHY 레벨에서 자체적으로 정한 순서대로 UL와 DL의 데이터 전송을 실행한다. NB-IoT는 DL에서는 680비트의 최대 TB(Transport Block) 용량을 지원하며, UL에서는 1000비트를 지원한다. 물리 계층에서 최대 전송 속도는 3분 내내 DL에서 최대 680비트와 4분 내내 UL에서 1000비트를 사용하면 달성할 수 있다. 최상의 무선 조건에서 UL과 DL의 최소 실시간 요구 사항은 아래 그림에 자세하게 설명하고 있다. 또한, 사전 정의된 NPSS, NSSS, MIB/SIB, SI 전송 때문에 채널 스케줄링에서 지연이 발생할 수도 있다.

PHY UL 프로세싱이 무선 인터페이스(Air Interface)를 통해 PDU를 네트워크가 스케줄된 정확한 UL 슬롯으로 전송하는데 필요한 최소 시간이 있다. UL의 경우 DCI N0으로 NPDCCH에서 승인이 나면, 최소 시간보다 훨씬 전에 해당 승인을 바탕으로 UL PDU를 준비하고 그것을 PHY에 제공하는 작업을 프로토콜 스택에서 처리한다.

DL의 경우, DCI N1에 의하거나 DCI N2를 통한 페이징(Paging)/직접적인 표시(direct indication)에 의해 DL 데이터 스케줄이 잡히면, PHY는 DCI 내 네트워크에서 스케줄대로 DL 서브 프레임에서 데이터를 해독하고 MAC PDU를 프로토콜 스택에 제공한다. 그런 다음 PHY UL 프로세싱이 ACK/NACK 정보를 네트워크가 스케줄링한 정확한 UL 슬롯에 전송하는데 필요한 최소한 시간보다 훨씬 전에 HARQ 피드백을 돌려주는 것은 프로토콜 스택이 책임진다.

LTE에 비해서 NB-IoT의 실시간 요구 사항이 느슨하고 작용하는 HARQ 프로세스는 하나 밖에 없다. 그렇기 때문에 프로토콜과 PHY 프로세싱은 데이터 전송과 관련해 거의 순차적으로 진행될 수 있어, 전체 모뎀의 프로세싱 요건이 낮아진다. 또한, ARM 코어텍스-M4/M33와 같이 동일한 IoT 코어에서 애플리케이션, 프로토콜 스택 소프트웨어와 PHY 소프트웨어를 함께 구동할 수 있는 것이다. 

Cordio-N NB-IoT IP

ARM은 최근 Cordio-N NB-IoT IP를 발표했다. Cordio-N은 IoT SoC로 빠르게 통합할 수 있는 완전한 NB-IoT IP 레퍼런스를 결합한다. 임베디드 IoT 애플리케이션을 위한 초고효율 도입과 함께, 안전하고 신뢰할 수 있는 실행의 모든 장점을 결합한 ARM 코어텍스-M33 프로세서가 Cordio-N의 기반이 된다. 베이스밴드 요소뿐만 아니라, Cordio-N은 L1, L2, L3 프로토콜 소프트웨어 전체를 RF까지 통합한다. 주요 이동통신업체나 테스트 장비 공급업체와 사전 검증을 진행하기 때문에 시장 출시 기간을 단축시킨다. Cordio-N을 통해 업체들은 NB-IoT를 자사 제품으로 신속하고 용이하게 통합할 수 있게 됐고, 결국 LPWAN 커넥티비티를 가장 광범위한 최종 사용자 사례에 적용할 수 있게 된다.

요약
무선 기술에 대한 액세스를 공개하는 것이 핵심적인 요소로 여겨진다. 기존 또는 비전통적인 무선 업체들 모두가 새로운 규모의 경제와 기회를 창출할 커넥티드 IoT 솔루션을 제공할 수 있게 된다는 것이다. ARM은 업계 최고 수준의 Cordio 무선 IP를 통해 수많은 제품에 IoT 커넥티드 서브 시스템을 제공하고 있다. ARM Cordio IP는 블루투스와 802.15.4와 같은 단거리 기술과 함께 최근 발표한 NB-IoT용 Cordio-N도 제공해 디바이스 업체들이 자사의 디바이스에 IoT 연결성을 신속하게 결합할 수 있도록 지원한다.

초소형 센서에서 확장 가능하고 효율적이면서 안전한 네트워크 구축과 도입까지, ARM은 모든 산업에 5G IoT 커넥티드 비전을 실현하기 위해 노력하고 있다.

작성: 데이비드 매이드먼트(David Maidment) | ARM 무선 사업부 제품 전략 총괄