eMTC (Enhanced Machine-Type Communication) 이란?

사물인터넷 (Internet of Things)라는 용어는 18년 전에 처음 만들어 졌습니다. 오늘날, 차세대 사물인터넷은 디지털 혁신의 중심에 있습니다. 그러나 IoT는 인터넷에 연결되어 있는 수십억 개의 장치를 지원할 수 있는 강력한 인프라와 백엔드 응용프로그램이 필요하기 때문에 미래가 보장되지 않습니다.

대부분의 IoT 장치는 간단합니다. 하나 이상의 센서 및 배터리, 라디오, 프로세서 및 혹은 카메라가 장착되어 있습니다. 많은 사람들이 전력 요구 사항이 제한되어 있으며 가혹한 환경에서 수년 동안 작동될 수도 있습니다. 이러한 장치의 대부분은 간헐적인 양의 하향 및 상향 데이터를 교환해야 하는 경우가 있습니다.

IoT 장치의 통신 요구를 관리하는 작업이 진행중입니다. 특정 유스 케이스가 있는 다양한 유형의 IoT 배치를 가능하게 하는 여러 단거리 및 장거리 무선 네트워크 프로토콜이 있습니다. 그러한 것들에는 블루투스 (Bluetooth), 지그비 (Zigbee), LoRaWAN 및 기타 유사한 프로토콜이 포함됩니다. 이러한 프로토콜이 IoT에서 시장을 찾았음에도 불구하고 장거리 및 모바일 사용 사례와 관련해서는 모두 제약이 있습니다.

반면에 셀룰러 네트워크는 보다 높은 대역폭과 낮은 대기 시간을 지원하는 인프라를 제공하는 차세대 네트워크를 발전시키기 위해 노력하고 있습니다. 따라서 데이터 집약적이고 시간에 민감한 애플리케이션에 가장 적합하지만 낮은 대역폭, 낮은 데이터 속도 및 낮은 전송 전력을 요구하는 IoT 애플리케이션에는 비효율적입니다.

이러한 제한 사항에 주목하여 3GPP는 LTE Release 13에 eMTC (Enhanced Machine-Type Communication) 및 NB-IoT (NarrowBand-IoT)라는 두 가지 새로운 표준을 도입했습니다.두 가지 모두 IoT 장치의 요구 사항을 충족시키기 위한 것이지만 근본적으로 다른 방식입니다. 더 중요한 것은, 양쪽 모두 장단점이 있습니다.

eMTC에는 다른 이름이 있습니다. 이것은 BL/CE라고 불리는데, 여기서 BL은 감소된 대역폭, 낮은 복잡도, CE는 커버리지 향상을 의미한다. 또한 LTE-M1 또는 LTE Cat-M1이라고도 합니다.

LTE-M1은 빈약한 커버리지 영역에서 상당히 감소된 전력으로 동작하는 사용자 장비 (UE)를 지원할 수 있는 eNodeB 기능에 대한 근본적인 변화 및 개선을 목표로 합니다.  주요 개선 사항중 일부는 협대역 (Narrowband), 교차 서브프레임 스케줄링 (Cross-Subframe Scheduling), 하프 듀플렉스 (Half Duplex) FDD 지원, 데이터 및 제어 정보의 다중 반복(Multiple Repetition) 등을 지원합니다. eNode는 동일한 시스템 대역폭을 공유하면서 LTE및 eMTC UE를 모두 지원할 것으로 예상됩니다.

협대역 (Narrowband) (대역폭 감소)

협대역은 3GPP에 의해 주파수 영역에서 6개의 겹치지 않는 연속적인 물리적인 자원 블록으로 정의된다. eMTC UE는 전통적인 LTE의 전체 시스템 대역폭에 비해 업로드 및 다운로드 (UL/DL) 전송을 위한 특정 협대역만을 모니터링해야합니다. eNodeB의 경우 여러 개의 협대역을 동시에 지원할 수 있으며 시스템 정보를 브로드캐스트하거나 전용 채널을 스케쥴링하는데 사용할 수 있습니다. 또한, eNodeB는 서비스되는 모든 UE에 대해 보다 양호한 커버리지 및 신호 품질을 달성하기 위해 협대역을 통한 전송을 스케줄링하도록 선택할 수 있습니다. 그러나, 동일한 UE는 주어진 시간에 하나 이상의 협대역 또는 다수의 협대역을 통해 송신 또는 수신될 것으로 예상되지 않습니다.

하프 듀플렉스 (Half Duplex) FDD

FDD (Frequency Division Duplex)에서 작동할때 LTE-M1은 하프 듀플렉스 (Half Duplex)모드도 지원합니다. 즉, UE는 주어진 시간에 송신 또는 수신해야 함을 의미합니다. 동시UL/DL 전송은 없습니다.

MPDCCH : 새로운 제어 채널

LTE-M1 UE는 한 번에 6개의 RB의 협대역만을 고려하기 때문에 전체 시스템 대역폭(PDCCH, PHICH, PCFICH)으로 전송되는 기존 LTE 채널은 eMTC에 재사용할 수 없습니다. 이것은 UE들에 제어 정보를 전송하는 또다른 메카니즘을 필요로 합니다. 또한 eNodeB는 LTE와 eMTC 장치를 동시에 지원할 것으로 예상되므로 eMTC를 위한 새로운 채널이LTE 운영을 방해해서는 안됩니다. 정규 LTE의 PDSCH 세그먼트내에서 자원 블록을 사용하는 eMTC에 MPDCCH라는 새 채널이 도입되었습니다 (그림1 참조).

그림 1 : MPDCCH는 eMTC를위한 새로운 채널임.

LTE-M1 UE에 대한 제어 정보를 운반하기 위해 몇 가지 새로운 DCI 포맷이 도입되었습니다. DCI6-0A 및 DCI6-0B는 CAT-M1 UE가 CE 모드 A 및 CE 모드 B로 각각 실행될때 업링크 허용를 위해 사용됩니다. DCI6-1A 및 DCI6-1B는 CAT-M1 UE가 CE 모드 A 및 CE 모드B로 각각 실행될때 다운 링크 할당에 사용됩니다. DCI6-2 형식은 특히 Cat-M1 UE를 위한 페이징 메시지에 대한 제어 정보를 전달하는데 사용됩니다.

교차 서브프레임 스케쥴링 (Cross-Subframe Scheduling)

크로스 서브프레임 스케줄링은 다른 서브프레임들에서 UE에 대한 데이터 및 대응하는 제어 정보를 스케줄링하는 프로세스입니다. 이것은 주어진 UE에 대한 데이터가 제어 정보가 전송되는 동일한 서브프레임에서 스케줄링되는 레거시 LTE 스케줄링과는 반대입니다.

하나의 서브프레임에서 협대역에서 이용할 수 있는 RB는 6개뿐이므로, 이들 모두가PDSCH 및 MPDCCH 모두를 수용하기에 충분하지 않습니다. 크로스 서브프레임 스케쥴링은 또한 UE에게 MPDCCH로 운반되는 DCI 정보를 디코딩하고, 데이터가 후속 서브프레임에 도착하기 전에 PDSCH를 수신할 준비를하기에 충분한 시간을 제공합니다. (그림 2 참조)

그림 2 : LTE-M1의 교차 서브프레임 스케줄링

커버리지 개선 (Coverage Enhancement)

커버리지가 제한된 원격 지역에 배치된 IoT 디바이스를 지원하려면 커버리지 개선이 필요합니다. 커버리지 개선 (CE)은 전형적으로 전송을 반복함으로써 달성됩니다. 전형적인LTE 동작에서, 각각의 전송은 1밀리초의 스팬으로 전송되지만, eMTC에서는 성공적인 전송의 기회를 개선하기 위해 커버리지 개선 모드를 기반으로 각 전송을 수십, 수백 또는 수천번 반복 할 수 있습니다.

LTE-M1 사양은 모드 A와 모드 B의 두 가지 커버리지 개선 (CE) 모드를 정의합니다 (그림 3참조).

그림 3 : LTE-M1의 커버리지 개선 모드

커버리지 개선 모드 A는 중간 범위 확장 기능을 제공하고 eMTC 지원을 위해 필수적이지만 커버리지 개선 모드 B는 깊은 적용 범위를 가능하게 하지만 선택 사항입니다. 또한 커버리지 개선 모드 A는 접속 모드 이동성 및 다중 전송 모드와 같은 기능을 지원합니다.

eMTC UE는 커버리지 개선 모드 A를 지원할 필요가 있습니다. 그것은 커버리지 개선 모드B를 지원할 수도 있고 지원하지 않을 수도 있기 때문입니다. UE는 eNodeB가 초기에 그UE에 대한 모드를 결정하는 것에 기초하여 RACH 절차동안 커버리지 개선 레벨 (0 내지 3)을 지시합니다. eNodeB는 후자에 의해 주기적으로 보고된 신호 품질에 기초하여 UE에 대한 적절한 모드를 연속적으로 선택할 수 있습니다. 전형적으로, UE는 크게 열악한 커버리지 영역에 들어 가지 않으면 커버리지 개선 모드 A로 유지됩니다.