이슈리포트 2019-29호

5G 초연결 사회 구현을 위한

Massive IoT 서비스 전망김동욱 수석 (d326@nipa.kr)

AI융합산업본부 IoT산업팀

2019. 9. 26.

목 차

Ⅰ. Massive IoT 개요

Ⅱ. Massive IoT 요구사항

1. 단말 분야

2. 네트워크 분야

3. 플랫폼 분야

Ⅲ. Massive IoT 산업 전망

1. 스마트시티

2. 스마트에너지

3. 스마트팩토리

Ⅳ. 시사점

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Ⅰ. Massive IoT 개요

□ Massive IoT 정의

ㅇ 사람이 휴대하는 단말기 뿐 아니라 생활 속 모든 단말·기기를 네트워크에

연결하여 정보를 생성하고 공유하는 초연결 네트워크 환경

- 5G 이전 시대의 사물인터넷은 사물간의 연결을 위해 센서 네트워크(USN),

사물통신(M2M), MTC(Machine Type Communications)로 표현했으며,

- 5G로 인하여 mMTC(Massive MTC)로 표현하고, 수많은 가정용, 산업용

IoT 기기들이 1km2 면적 안에서 100만개의 기기 간 연결을 목표

< 4G vs. 5G Massive IoT connection density (Source: Samsung 2018) >

□ Massive MTC 등장 배경

ㅇ 전통적으로 많은 수의 연결을 가진 IoT 사용 사례는 주로 셀룰러 M2M 기술로

해결, 고품질의 안전한 연결 솔루션을 제공하는 반면,

- 보다 저렴하고 효율적인 대안 필요, 지난 몇 년간 전력 소비를 줄이면서 광

범위를 커버하는 최적화된 Sigfox, LoRa 및 NB-IoT와 같은 기술 등장

ㅇ 이러한 기술은 광역에 장치가 배포된 기존의 많은 IoT 응용 프로그램에 적합

하지만 밀도가 더 높은 사용 사례를 해결해야 할 필요성도 증가

- 스마트시티에서 연결된 장치의 지속적인 확산 또는 지하철, 스포츠 경기장, 축제

행사장 등에서 연결된 사물의 막대한 집중은 초고밀도 IoT 장치의 연결 필요

< Massive IoT (Source: Qualcomm. 2016) >

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Ⅱ. Massive IoT 요구사항

□ Massive IoT 핵심 요구사항

ㅇ Massive IoT 애플리케이션은 대기시간에 덜 민감하고 처리량 요구사항은 낮지만

적용 범위가 우수한 네트워크에서 대량의 저비용, 저에너지 소비 장치가 필요

< Massive IoT 핵심 요구사항 (Source: Northstream. 2017) >

ㅇ Massive IoT를 위한 연결 기술을 선택하려면 use-case의 특정 요구사항과 기업의

비즈니스 요구사항의 신중한 검토(Tradeoffs)와 각 기술의 상대적인 강점 이해 필요* 5G 이전 세대의 LPWA 기술과 5G 기술이 함께 공존하며 비즈니스에 따라 적합 기술 사용

< 주요 연결기술 및 비즈니스 요구 적합 기술 (Source: Northstream. 2017) >

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1 단말 분야

□ 5G Massive IoT 단말 요구사항

ㅇ mMTC 단말 간 D2D 통신을 지원하고, 배터리 수명 연장기술 및 복수의 주파수 밴드,

Massive MIMO 안테나 기술을 적용하여 초연결 네트워크 효율성을 확보

- CCTV와 같이 전송속도 수십 Mbps급 단말부터 원격검침, 위치추적 센서와

같은 수백 bps급 저속/저전력 단말 연결특성을 고려하여 부품·안테나 등 선정

ㅇ 다양한 센서*를 이용하여 사물과 주위 환경으로부터 상황인지 및 원격감지,

위치/모션 추적 등 다양한 산업별 용도에 맞게 정보를 수집·활용

* 온/습도센서, 진동센서, 초음파센서, 압력센서, 유량센서, 가스센서, 경사센서, 위치센서, 생체센서 등

- 센서 수 및 센싱 용량이 증가하고 데이터 처리, 분석, 통신기능과 결합되어

필요한 정보를 수집하고 처리, 분석하는 지능화된 스마트 센서로 발달

구분 주요 센서

스마트홈/빌딩

이산화탄소/가스/연기/화재감지 센서, 온/습도 센서, 적외선 센서, 진동

/소음 센서, 동작감지 센서, 접촉/터치/압력 센서, 근접/조도/색감 센서,

IR동작/체온 센서, 지문인식 센서, 카메라 등

디지털헬스

체온 센서, 혈압계, 심전도, 심박 센서, 뇌파 센서, 당뇨 센서, 지문, 홍

채인식 센서, 산소포화도 센서, 운동량측정 센서, 대사량 측정 센서, 바

이오 센서 등

스마트자동차

흡/배기 가스센서, 유량센서, 공기압 센서, 온도/습도 센서, 레인센서,

고압 센서, 적외선 센서, 초음파 센서, 관성 센서, 자이로스코프, 카메

라, 라이다 등

스마트시티

온도/습도/기압/조도 센서, 일조량/적외선/자외선 센서, 황사/미세먼지/

오존감지 센서, 유해환경감시 센서, 가스/전력량/수도검침 센서, 유량

센서, CCTV 등

스마트공장

온/습도/압력 센서, 누수감지 센서, 유해환경/독성물질감지 센서, 조도

센서, 진동 센서, 초음파 센서, 전류 센서, 근접/동작 센서, 정전용량

센서, 경사각/가속도 센서, 포토 센서, 자동도어 센서, RFID/바코드 이

미지 센서, 비전 센서, 보안 센서 등

< 산업별 주요 센서 >

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2 네트워크 분야

□ 5G Massive IoT 네트워크 요구사항

ㅇ 다양한 IoT Connectivity 기술을 수용할 수 있는 유연한 구조를 가지고,

SDN/NFV 기반 네트워크 Slicing을 통하여 서비스별 자원분산 처리 기술 등 필요

- 지리적 커버리지, 전송속도, 주파수대역 등을 고려하여 서비스 용도에 맞추어

NB-IoT, LoRa 등 선별적으로 활용하여 네트워크 효율성을 확보

- 5G는 다양한 Connectivity 특성을 네트워크 Slicing 기술을 통하여 하나의

네트워크에서 서비스별 자원분산에 용이한 구조적 특성을 지님

구 분 주파수대역 전송속도 활용기기

초/근접

통신

RFIDLF/HF/UHF(비면허대역)

∼ 640kbps 하이패스/물류태그

NFC13.56MHz

(비면허대역)∼ 424kbps 스마트(신용)카드 지불/결제

근거리

통신

BLE2.4GHz

(비면허대역)∼ 1Mbps

WPAN

스마트 웨어러블기기,

무선센서 제어기기,

스마트홈 제어기기Zigbee

915M/2.4GHz(비면허대역)

∼ 250kbps

WiFi2.4G/5GHz

(비면허대역)∼ 600Mbps

WLAN

스마트모바일/라우터

저전력

장거리

통신

SigfoxSub 1GHz

(비면허대역)∼ 300bps

LPWAN

원격검침/측정/

경보/관제 기기

LoRa900MHz 등(비면허대역)

∼ 50kbps

저전력

이동통신

NB-IoT(LTE Cat.NB)

LTE 주파수(면허대역)

∼ 250kbps

eMTC(LTE Cat.M1)

LTE 주파수(면허대역)

∼ 1Mbps WWAN

텔레매틱스,

위치추적/모니터링/제어기기LTE-MTC

(LTE Cat.1-4)LTE 주파수(면허대역)

∼ 10Mbps

< 다양한 IoT Connectivity 기술 >

다양한

IoT

Connectivity

수용

< 5G Network Slicing 기술 >

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3 플랫폼 분야

□ 5G Massive IoT 플랫폼 요구사항

ㅇ 스마트폰 이외의 수많은 종류의 사물이 이동통신망에 연결되면서 다양한

IoT 응용의 요구사항을 처리하기 위해 사물과 가까이에 IoT 플랫폼 이동 필요

- 기존 중앙 집중 클라우드에 IoT 플랫폼을 위치시키면 긴 지연시간으로 초

저지연 응용 서비스 불가, 백홀망 트래픽 부하로 대용량 응용 수용 불가

- Massive IoT 기기에서 센서 데이터를 수집하고, 분석하고, 액츄에이터(actuator)를

실시간 제어 동작 모니터링 하는 과정에서 8K 고해상도 및 AR/VR 콘텐츠, AI,

빅데이터 등 서비스 플랫폼 처리 용량 증가

- 특히 중앙 플랫폼의 데이터 부하 저감과 분산처리, 초저지연 서비스를 위해

단말 가까이에서 실시간 처리를 위한 Edge Computing 기술을 도입

- 단말 단에는 Edge Computing Device로, 네트워크 단에서는 MEC(Mobile |

Multi-access Edge Computing)로 분산 처리하여 기능을 향상

< MEC 배치 (Source: Netmanias, 2019) >

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Ⅲ. Massive IoT 산업 전망

□ 5G SMARTER(New Services and Markets Technology Enablers) 서비스 분류

ㅇ 3GPP는 SMARTER를 연구하여 주요 사용사례를 5가지 범주로 분류하고, 새로운

서비스 및 시장의 요구를 지원하기 위해 작업 중

< FS_SMARTER service dimension (Source: 3GPP) >

□ Massive IoT 산업

ㅇ 넓은 영역에 걸친 연결에 의존하고 수많은 연결을 처리 할 수 있는 도메인에서

IoT 사용 사례의 인기가 높아짐에 따라 대규모 IoT 기술에 대한 수요 증가

< Massive IoT Applications (Source: Northstream, 2017) >

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1 스마트시티

□ mMTC 관점에서 스마트시티 가치 실현

ㅇ Massive IoT 기술로 연결된 도시 데이터를 활용하여 효율적인 도시 운영 정책/

계획 수립을 위한 최적의 도시 통합플랫폼을 구축하여 도시 문제 해결

- 5G 이전의 통신기술로는 도심 곳곳에 설치된 IoT 센서 만으로 도시 내

Massive IoT 환경을 구축하는데 한계

- 5G 도시 내 센서·시설 간 Massive Sensing으로 수집된 도시 데이터를 AI

기술을 활용하여 도시 전체를 유기체처럼 스스로 최적의 상태로 운영·관리

< 스마트시티의 mMTC 개념도 >

□ 5G mMTC 서비스 활용 사례

활용 사례 기대효과

Massive 지능형 CCTV망 5G 네트워크로 활용하는 범죄 예방 및 자연재해 탐지 등 사회안전망 확보

Massive 지능형 도로교통망 차량 간 지능형통신체계 구축으로 교통체증 및 차량 공해물질 감소 기대

Massive 시설물 감시망주차, 쓰레기통, 가스, 수도, 가로등 등 지능형 인프라 구축으로 도시

계획 수립 및 사회문제 해결 기대

Massive IoT 환경감시망대기/수질 오염, 미세먼지/황사 등 도시 환경 감시망을 구축하여 도시

환경 문제 해결 기대

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2 스마트에너지

□ mMTC 관점에서 스마트에너지 가치 실현

ㅇ Massive IoT 기술로 연결된 가정·빌딩·공장 내 스마트미터를 설치하여 에너지

발전량, 사용량, 요금 등 부가정보를 고객에게 제공하여 부가가치 실현

- 스마트그리드 인프라를 5G 통신망으로 마이크로그리드 단위로 확산하여

에너지관리시스템, 실시간 전력모니터링, 전력량 원격검침 등 통합 관리

< 스마트에너지 개념도(by: Hossein Shahinzadeh) >

(Source: https://www.researchgate.net/figure/The-paradigm-of-IoT-in-smart-electrical-grids_fig1_331103655)

□ Massive MTC 서비스 활용 사례

활용 사례 기대효과

Massive 지능형 스마트미터스마트홈/빌딩/산업단지에 확산시켜 전력소비량 등 관련 데이터를 5G 네트

워크를 통해 전력 공급자와 소비자에 전송함으로써 지능형 검침인프라 구축

Massive 스마트 전력관리 단말 소비전력 절감을 통한 요금/전력수요 감소 및 전력 거래 비즈니스 기회 창출

에너지관리시스템(EMS)

모니터링 장치

전기차충전소, ESS와 함께 태양광, 풍력 등 분산형 신재생에너지 발전기에

5G 기반 네트워크 솔루션을 탑재하여 데이터를 통합 관리함으로써 에너지의

효율적 배분과 관리, 지능형 스마트그리드 구현

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3 스마트팩토리

□ mMTC 관점에서 스마트팩토리 가치 실현

ㅇ Massive IoT 기술로 연결된 제조 장비, 보조 설비, 작업자 및 현장 환경을

유기적으로 연결하고 실시간 모니터링을 통하여 제조 혁신 견인

- 5G 이전의 통신기술로는 제조 공정에서의 지연시간과 상호 연결되는 대규모

센서·기기를 수용하는데 한계가 있어 대규모 제조 공정 시나리오에 부적합

- 5G 통신기술이 지능형 제조·공정에서 대규모 제조 장비·기기·작업자 간 통신을

통하여 지능형 제조공정 및 작업환경을 개선하여 제품의 기획, 설계, 생산, 유통,

서비스 등 제품 수명 주기의 전 과정을 효율적으로 관리

< 스마트팩토리의 mMTC 개념도 >

□ Massive MTC 서비스 활용 사례

활용 사례 기대효과

제조·공정 무선 로봇제어

솔루션

AI 기술을 활용한 공장 자동화로 실시간 제조공정 데이터 모니터링 및

사람이 하기 어려운 업무나 위험한 작업 현장에서 무선 로봇 활용

스마트 유연생산 솔루션지능화된 공정 과정에서 불량 원인을 실시간 탐지하고 장비의 수명을

예측하여 설비의 예지보전(Predictive Maintenance)로 가동률을 극대화

제조설비와 작업자 간

협업솔루션

제조공정에서 작업자와 대규모 설비 간·작업환경에서 발생하는 정보를

모니터링하고 AI를 활용하여 즉각적으로 반응하도록 정보를 제공하여

작업자 작업환경의 안전성 향상

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Ⅳ. 시사점

□ 5G 기반 Massive IoT 산업을 육성하고 초연결 혁신성장 기반 선도

ㅇ 새로운 5G 이동통신 환경에서 mMTC 기술 강점을 살려 스마트시티·에너지·

제조 등 미래 유망산업 집중 육성으로 혁신성장 발판 마련 필요

- 5G 이전 LTE-MTC 및 IoT 전용망(LoRa, NB-IoT 등)으로도 Massive IoT

환경을 어느 정도 구현했으나 고밀도, 대용량 IoT Connectivity 수용에 한계

- 비즈니스 환경을 고려하여 스마트시티 에너지 제조 물류 농업 헬스케어 등

산업에 5G의 IoT 초연결성과 초저지연 고신뢰성 등 적합한 기술 선택이 중요

ㅇ 5G 조기 상용화는 우리에게 글로벌 시장 선점의 기회, 특히 IoT는 5G와 맞

물려 고속 성장의 기회

- 5G 기반의 IoT, AI, AR·VR 등 4차산업혁명 핵심기술을 융합하여 AIoT 미래

新산업의 패러다임 전환을 위한 주도적 역할 필요

□ 5G AI IoT 기반 국가산업 혁신을 유도하는 민·관 동반성장 생태계 조성

ㅇ (범정부차원) 5G를 국가 산업 핵심으로 선정함에 따라 민 관 범부처 협력

차원에서 5G IoT AI Cloud BigData 분야 중심으로 집중 투자 지원 필요

- 5G 인프라의 초연결성 및 AI 기술을 바탕으로 산업 간, 기업 간 상생 협력을

유도하여 신기술 신제품 신서비스 신산업 창출 기회 확보

- 제조 에너지 물류 등 미래유망 산업 중심으로 민 관 협력투자 및 비면허대역

주파수 추가공급 등의 규제개선, 사회문제 해결을 위한 사회경제적 가치 실현

ㅇ (민간차원) 대 중소기업 동반성장 생태계를 조성하기 위하여 대기업의 5G IoT 핵심

인프라 투자 개방 공유, 합리적인 제품 서비스별 통신요금제 다양화 등의 상생 협력과

혁신적인 서비스와 산업을 창출하는 역량 있는 중소기업의 역할 중요

- 5G, AI, IoT 분야를 국가 핵심 산업으로 견인하여 대기업의 기술투자를 유도

하고 중소기업의 혁신적인 아이디어를 제품화 사업화할 수 있도록 지원

- 국내 5G 환경에서 국내 IoT 혁신기업을 육성할 수 있도록 대 중소기업 간

상생 기술협력을 유도하고 글로벌 시장 선점을 위한 지원협력체계 강화

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<참고 문헌>

1) ‘IoT for Development of Smart Sustainable Cities’ (ITUWTDC, 2017.)

2) ‘Top 7 technologies for IoT connectivity 2017’ (flespi, 2017.)

3) ‘사물인터넷(IoT)의 이해’ (한국사물인터넷협회, 2017.)

4) ‘사물인터넷 기본계획’ (미래창조과학부, 2014.)

5) ‘혁신성장 실현을 위한 5G 플러스 전락’ (대한민국 관계부처 합동, 2019.)

6) ‘5G의 사회경제적 파급효과분석’ (KT경제경영연구소, 2017.)

7) ‘5G 생태계 백서’ (5G Forum, 2018.)

8) ‘5G 국제 표준의 이해’ (삼성전자, 2018.)

9) ‘5G 네트워크 연동을 위한 MEC 기술 동향’ (한국통신학회, 2018.)

10) ‘5G 핵심기술-E2E Network Slicing’ (Netmanias, 2015.)

11) ‘통신사업자의 MEC 수용구조(4G, 5G): IoT 시대에 현재 이통망의 문제와 해

결책으로서의 MEC’ (Netmanias, 2019.)

12) ‘Massive IoT: different technologies for different needs’ (Northstream, 2017.)

13) ‘DNA 플러스 2019, 5G가 만들 새로운 세상’ (한국정보화진흥원, 2019.)

14) ‘5G 네트워크 표준 기술’ (한국전자통신연구원, 2016.)

15) ‘Massive IoT coverage in the city’ (Ericsson Mobility Report, 2017.)

16) ‘ETSI TR 103 435’ (ETSI, 2017.)

17) ‘3GPP TR 22.891 V14.2.0 (2016-09)’

18) ‘3GPP TR 22.861 V14.1.0 (2016-09)’

19) ‘3GPP TR 38.913 V14.3.0 (2017-06)’

<참고 웹사이트>

1) https://www.zdnet.co.kr/view/?no=20171026161057&re=R_20190424144823

2) http://www.irobotnews.com/news/articleView.html?idxno=16458

3) https://iot-analytics.com/5-things-know-about-iot-platform/

4) https://spri.kr/posts/view/22557?code=industry_trend

5) https://dzone.com/articles/ultimate-list-of-30-iot-platforms-for-your-iot-pro

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합니다.