LPWA에 기초한 무선 커넥티비티 증가 될 것

[테크월드= 라영호] 이제는 용어가 너무나 익숙해진 사물인터넷(Internet of Things: IoT)이란 모든 사물들이 인터넷에 연결되어 상호 간에 직접 통신하는, 향후 정보통신의 미래 인프라와 서비스를 통칭하는 것이다.

사물인터넷이 필요한 이유는 초연결 사회를 기반으로 한 삶의 질 향상과 생산성 향상에 있으나 궁극적으로는 국가 자체의 인프라, 더 나아가서는 인류와 지구를 위한 중추 신경계를 이루기 때문에 무엇보다 중요할 것으로 예측하고 있다. 하지만 사물인터넷은 아직까지는 현재 거품 최고조기에 있으며 주목할 만한 큰 수익모델이 없는 시작단계에 불과하다. 구글의 NEST와 같은 업체나 일부 업체에서 성공적인 결과를 얻고는 있으나 아직까지는 미진한 상태다.

IoT의 향후 시장규모는 기존 셀룰러 이동통신시장의 10배 이상이 될 것으로 예측되며, 급격히 성장해 갈 것으로 예측되고 있다. 특히 2020년경에 서비스를 목적으로 표준화가 진행중인 5G 이동통신 서비스의 세 분야 중 두 분야가 IoT 분야다.

사물인터넷은 크게 셀룰러 이동통신 기반의 IoT와 비셀룰러 기반의 IoT로 대분된다. 전자의 경우는 배터리수명, 모듈가격이 고가인 점, 셀룰러 모뎀의 고가 라이선스 문제로 인한 진입장벽 때문에 개발 회사의 다양하지 못한 점이 확산의 어려움으로 지적되고 있다. 또한 모뎀 칩의 버전 변경에 따라 새롭게 구현해야 하므로 제품 수명이 짧은 점, 이동통신사업자의 모듈 별 비싼 월정료 때문에 활성화되지 못하고 있다.

따라서 사물인터넷은 현재까지 수직적인 시장에서 적용 분야 별로 독립적으로 느리게 발전돼 왔다. 그러나 최근 사물인터넷의 개념이 수평적으로 진화되고 확대되면서 공통의 개방형 표준 플랫폼 활용을 기반으로 모든 적용 분야의 서비스를 해당 플랫폼에서 응용 계층만 달리해 구현할 수 있게 됐다.

이로써 서비스 구현에 필요한 디바이스, 게이트웨이, 클라우드 서버 및 분석 소프트웨어 엔진을 비롯한 솔루션을 상대적으로 훨씬 저가로 구축할 수 있으며, 각 솔루션의 시너지를 활용해 부가가치가 매우 큰 서비스의 구현이 가능해질 전망이다.

이번호에서는 지난 <IoT 상용화 붐…'블루투스5.0' 등장> 기사에서 다루었던 저전력, 광역 IoT에 대해 좀 더 자세하게 다루겠다.

◇ IoT 요구사항과 서비스 활성화 문제점

IoT의 요구사항은 암호화, 저전력소모, 통신거리, 가격과 서비스 전개 비용 등을 들 수 있다. 이들은 사물인터넷 활성화의 근본적인 문제인데, 최근 몇 년 사이 오픈소스 하드웨어의 진화, SoC 플랫폼 기반의 칩 가격 하락, 다양한 센서의 지능화, 다양한 무선 커넥티비티(Wireless Connectivity) 기능의 향상 등으로 인해 급속도로 해결되고 있다.

[그림1]은 사물인터넷의 대표 적용 서비스별 전송 빈도수와 전송 데이터양의 관계를 나타낸다. 예를 들어 영상모니터링 분야는 전송 데이터양이 많고, 전송 빈도수는 중간이지만, 스마트 미터링 분야는 전송 빈도수는 많고 한번에 전송할 데이터양은 매우 적다. 이처럼 사물인터넷은 수많은 적용 분야별로 파편화돼 있고, 각 적용 분야별로 서비스 특성이 다르기 때문에  최적화와 적합한 사물인터넷의 무선 커넥티비티의 선정이 중요하다.

[그림1] 사물인터넷의 데이터양과 적용 분야 그림

커넥티드카와 같은 실시간, 광역 응용 분야에는 셀룰러 기반의 솔루션이, 홈, 오디오, 비디오와 관련된 응용분야에는 WLAN(Wireless Local Area Network)과 WPAN(Wireless Personal Area Network)이 적합하며, 스마트 시티, 스마트 미터링과 같은 분야에는 LPWA(Low Power Wide-Area)와 같은 솔루션이 적합하다.

리테일 분야 등과 같은 멀티서비스 환경에서는 융복합적 커넥티비티 솔루션이 필요하다. 최근 LPWAN(Low-Power Wide-Area Network) 분야는 향후 커넥티비티 수요가 가장 많을 것으로 예측되고 있다. 따라서 LPWAN을 위한 새로운 저전력 광역 IoT에 대한 기술개발과 표준화에 관심이 고조되고 있다.

즉 초창기에 수행되어 오던 셀룰러 방식의 모뎀·모듈에 의한 서비스는 가격과 솔루션에 대한 라이선스 문제 등으로 인해 진입장벽이 높았다. 또 각각의 디바이스별로 부가되는 월정료가 고가라는 걸림돌로인해 진정한 사물인터넷 서비스로의 확장이 불가능했다. 게다가 모듈은 셀룰러방식 이동통신의 음성이나 멀티미디어 전송을 목적으로 최적화 설계됐기 때문에 사물인터넷용으로 사용하기에는 부적합하다. 더불어 전력 소모가 상대적으로 커서 상시 전원을 인가하는 응용분야를 제외하고는 실제 적용하는데 문제가 있었다.

이런 문제를 해결하기 위해서 대부분 사물인터넷 서비스들은 기술개발과 표준화가 진행되고 있다. 즉 저전력 광역 통신(최대 40km)이 가능해 상대적으로 설치해야 할 인프라 수를 대폭 축소해 솔루션 구축비용의 절감이 가능하며, 월정료가 아닌 1년에 디바이스 당 1달러 정도의 비용으로 저렴하게 사물인터넷 서비스 제공이 가능하도록 기술개발과 표준화 작업을 하는 것이다.

◇ 사물인터넷과 저전력 광역 IoT

셀룰러에 기초한 무선 커넥티비티 보다 비셀룰러 특히 LPWA에 기초한 무선 커넥티비티 증가가 가장 커질 전망이다. 2019년부터 LPWA 즉 광역 IoT에 의한 커넥티비티가 셀룰러 IoT에 의한 연결보다 많아지면서 2024년경 상대적으로 가장 지배적인 커넥티비티 수단이 될 것으로 추정된다. 사물인터넷의 수많은 적용 분야의 커넥티비티 중에서 저전력 광역 커넥티비티 LPWA가 가장 많이 필요하며, 이같은 대량의 IoT를 위한 새로운 표준이 필요한 것으로 전망된다.

LPWA의 대표적인 응용 분야로는 환경과 산업분야, 스마트 미터링, 농업, 트래킹, 스마트 시티, 스마트 빌딩, 스마트홈 등을 들 수 있다. IoT 시장은 수익면에서는 아직 셀룰러 기반의 수익대비 3분의 1 수준이지만, 2023년에 340억 달러로 급속히 증대될 것으로 예측되고 있다.

광역 IoT 통신은 통신거리 최대 40km, 배터리 수명 10년 이상, 데이터처리율(Throughtput) 수 kbps이하, 가격 2달러 이하, 1년 사용료 1달러 이하, 소요 기지국수는 수천개 디바이스 당 하나로 추정되고 있다. UNB기반의 시그폭스(SigFox)라는 전용 표준과 IEEE 802.15.4g기반의 DSSS 방식으로 로라 얼라이언스(LoRa Alliance)에서 2015년 6월에 완성된 개방형 LoRa 표준이 있다. 그 외 웨이트리스(weightless), 온램프(OnRamp,) 엔웨이브(NWave), 씽크웍스(ThinkWorks) 표준 등 다수가 있다.

LoRa는 2015년 초에 결성된 IBM, 셈테크(Semtech), 액틸리티(Actility), 마이크로칩(Microchip) 등을 멤버로 구성된 LoRa 얼라이언스에서 2015년 6월16일에 발표한 LoRaWAN R1.0 개방형 표준이다. IEEE 802.15.4g 기반의 표준이며 비동기식 저전력 원거리 통신망이다. 수천개의 단말이 하나의 게이트웨이에 연결되고, 이를 통해 이더넷이나 이동통신망에 연결돼 데이터가 분석, 활용되는 구조로 돼있다. LoRa 시스템의 통신에는 대역확산 방식 DSSS을 사용한다.

◇ 셀룰러 기반 광역 IoT 기술 및 표준화

셀룰러 기반의 광역 IoT 기술에 대한 표준은 3GPP의 LTE-M 표준의 진화로부터 살펴볼 수 있다. 목표는 두 가지다. 대역폭 200KHz 기반의 협대역(narrowband) IoT(NB-IoT)와 1.4MHz 대역의 LTE-M 표준개발이다. 두 표준 모두 전송속도를 유연하게 가변으로 조정할 수 있다.

[그림2] 사물인터넷망의 비교, 출처 ETRI, LPWA기반 광대역 IoT기술 및 표준화

[그림2]는 LPWA를 위한 솔루션 비교를 나타낸다. 크게 전용 협대역 IoT와 셀룰러 기반의 협대역 IoT 방식이 있으며, 각각의 솔루션이 어떤 특징을 지니는지, 현재까지의 IoT 서비스의 단점, 즉 배터리 수명, 통신거리, 모뎀 가격, 개별 사용료 등을 어떻게 극복해서 광대역 IoT에 활용할 수 있는지의 관점에서 살펴볼 필요가 있다.

시그폭스의 경우, 통신거리 15km, 배터리 수명 20년, 메시지 당 12바이트, 하루에 최대 140개 메시지 송신(듀티 싸이클 1%), 양방향 통신, 간단한 네트워크 인프라, 저 쓰루풋 무선망, UNB 특허기반, -142dBm 수신감도 기반의 망이다. 이는 에너지 효율에 역점을 둔 것이 특징이다.

연간 디바이스 당 사용료가 1~14유로이며, NTT도코모, 텔레포니카, SK텔레콤, 삼성 등이 투자했고 프랑스 오렌지 사업자가 이를 상용화해서 운영 중이며 미국으로 진출을 시도하고 있다. 시그폭스 시스템을 지원하는 트랜시버는 TI C112x family, 실리콘랩의 S1446x, AXSEM의 AX 8052F143 등이 있으며, MCU와 하드웨어 암호화, 무선 커넥티비티는 아트멜의 ATA 8520 SoC 통합 칩을 활용하고 있다.

LoRa는 배터리 수명 10년 이상, 통신거리가 도심지역에서 2~15km, 시골에서 30km, 지하에서 1~2km,실내에서 2~3km, 대역폭 125KHz, 최대송신전력 14dBm이며 주파수 ISM 밴드(유럽 868MHz/미국 915MHz)에서 동작하며, 마찬가지로 전송속도는 낮추면서 수신감도가 최대가(-138dBm) 되도록 대역확산 방식으로 설계한 기술이다. 스타토폴로지, 전송속도 300bps, 게이트웨이 당 수 만개 IoT 디바이스가 접속할 수 있다는 것이 특징이다. 셈테크 SX1272~1279 RF 트랜시버, 마이크로칩 RN2483 등의 솔루션이 있다. 현재 단말과 게이트웨이 솔루션 등이 앞서 언급된 얼라이언스 회원사들을 통해 상용화돼 있고, 국내에서는 SK텔레콤이 이를 활용해 사물인터넷을 활성화하려는 움직임을 보이고 있다.

마이크로칩의 LoRa 기술 저속 무선 네트워크 표준을 위한 모듈 시리즈 중의 하나를 살펴보자. 이 모듈은 10마일(16.093Km) 이상의 범위(교외)에서 10년 이상 지속되는 배터리 수명으로 IoT와 M2M(Machine-to-Machine) 무선통신을 구현할 수 있고, 수백만개의 무선 센서 노드를 LoRa 기술 게이트웨이에 연결할 수 있다.

433/868MHz의 RN2483은 유럽통신지침관련(R&TTE Directive) 인증을 받은 무선 모듈로, 개발 기간을 단축시키고 개발 비용을 줄여준다. RN2483은 17.8×26.3×3mm의 소형 모듈 폼 팩터와 14개의 GPIO를 결합해 높은 공간 활용성은 물론 수많은 센서와 액추에이터를 연결하고 제어할 수 있는 유연성을 제공한다. 자세한 모양은 [그림3]과 같다.

[그림3] LoRa 통신 모듈의 그림

RN2483은 LoRaWAN 프로토콜 스택과 함께 제공되므로 민영 LAN은 물론 통신사업자가 운영하는 공중망을 모두 포함해 기존 인프라와 함께 빠르게 확산중인 LoRa 얼라이언스 인프라와 간편하게 연결할 수 있으며 LPWAN을 전국적인 규모로 구성할 수 있다.

이런 스택 통합은 수백여 종의 마이크로칩 PIC MCU를 포함해 UART 인터페이스를 내장한 모든 마이크로 컨트롤러와 함께 해당 모듈을 사용할 수 있게 해 준다. 더불어 RN2483은 손쉬운 구성과 제어를 위한 마이크로칩의 간단한 ASCII 명령 인터페이스를 제공한다.

LoRa 기술은 다른 무선시스템에 비해 여러 장점을 갖고 있다. 이 기술은 확산 스펙트럼기반 변조 방식을 이용하므로 20dB 미만의 잡음 레벨로 복조가 가능하다. 이런 성능은 높은 감도로 견고한 네트워크 링크를 구성하고 네트워크 효율을 증가시키며 간섭을 제거한다.

LoRaWAN 프로토콜의 스타형 토폴로지는 망형 네트워크에 비해 동기화 오버헤드와 홉현상이 없어 전력소모를 줄이고 네트워크에서 여러 개의 애플리케이션을 동시에 실행할 수 있도록 한다. LoRa 기술은 다른 무선 프로토콜보다 훨씬 긴 범위를 가지므로 리피터 없이 RN2483을 동작 할 수 있다. LoRa 기술은 3G나 4G 셀룰러 네트워크에 비해 임베디드 애플리케이션을 위한 더욱 높은 확장 가능성과 비용 효율성을 제공한다. [그림4]는 LoRa 통신 모듈의 내부 구조를 보여준다.

[그림4] LoRa 통신 모듈 내부 구조(자료: 마이크로칩)

지금까지 IoT의 배경 기술 및 주요 통신 방식에 대해 살펴봤다. 기존에는 배경 기술을 통해 어떻게 IoT를 구축하는데 중점을 뒀지만 앞으로는 어떻게 활용하는지에 대해 살펴보도록 하겠다.

블루투스 4.1, 4.2 기술의 가장 주된 업데이트는 ‘빠른 전송 속도’, ‘사물 인터넷을 위한 연결성 강화’, ‘개인정보 보호’라는 세 가지다. 사물인터넷 세상의 중요한 통신 방식으로 자리매김하기 위해 기능을 강화함으로써 주요 역할을 하려고 하는 것이 목적일 것이다. 주요 특징을 살펴보면 다음과 같다.

▶ 블루투스 4.2 버전은 기존 4.0 규격 대비 전송속도가 2.5배 증가해 전송 효율과 배터리 소모량을 줄이는데 목적이 있다.

▶ IPv5나 6LoWPAN을 지원해 본격적으로 사물 인터넷을 사용하는데 한계를 없애는데 있다. 또한 올해 지원 예정인 IPSP(Internet Protocol Support Profile) 기술이 채택 돼, 기존 IP 방식의 인터넷 통신 방식을 지원할 수 있는 기능을 탑재할 예정이다. 따라서 기존보다 더 유연하게 스마트 장치 혹은 사물 인터넷 기술을 구현할 수 있도록 지원할 예정이다.

▶ 개인정보보호 기능의 향상: 기존 애플의 아이비콘과 같이 임의로 사용자의 위치를 추적하는 기술의 보안성을 높여, 사용자의 동의 없이는 사용자의 위치를 마음대로 추적할 수 없도록 기능을 향상시킬 예정이다.

블루투스는 저렴한 가격으로 연결할 수 있는 기술의 하나다. 하지만 웨어러블 컴퓨팅을 위한 통신 방식으로써 중요한 역할을 하고있다. 스마트폰이 웨어러블 컴퓨팅의 핵심이라고 하면 블루투스는 여러 웨어러블 장치를 연결하는 가교라고 볼 수 있을 것이다.

하지만 아직까지는 웨어러블 장치를 연결하고 운용하는데 있어 매끄럽지 않은 건 사실이다. 배터리의 한계로 인한 사용시간, 소프트웨어나 하드웨어가 기대에 못 미치는 점 등의 문제점이 남아있는 것이다. 하지만 이제 시작이기 때문에 이러한 점은 점차 해결될 것으로 예상된다.

블루투스는 [그림 5]와 같은 내부 소프트웨어 구조로 구성된다. 물리적인 연결 계층(Physical Layer), 연결 계층(Link Layer), 프로토콜의 보안을 담당하는 보완 매니저(Security Manager), 속성 프로파일(Generic Attribute Profile), 접근 프로파일(Generic Access Profile) 등이 있다. 그 중에서도 속성 프로파일과 접근 프로파일이 블루투스 4.0의 중요한 역할을 담당한다.

[그림5]블루투스의 내부 구조

◇ 사물인터넷의 핵심, 블루투스 5.0

블루투스 5.0에 대한 스펙은 올해 초에 공개됐다. 블루투스 4.2가 IoT에 대한 블루투스의 가능성을 보여 줬다면, 5.0은 이제 본격적으로 그 영역을 넓히는 기회가 될 것으로 본다. 블루투스 5.0은 기존 블루투스 4.0이나 4.2에 비해 다음과 같은 특징을 가지고 있다.

▶ 2배 향상된 통신 속도
▶ 4배 향상된 통신 거리
▶ 8배 향상된 데이터 전송량
▶ 다른 무선 통신망과의 상호 운용성 향상

현재 스마트폰에 대부분 탑재되어 있는 블루투스 4.0이나 4.2 기술은 호환성 및 제품의 개발에 장점이 많으나 통신 거리 및 데이터 전송 속도 때문에 다양한 제품을 만들기에는 제약이 있었다. 이런 점들이 블루투스 5.0에서 개선됐고, 이 기술을 활용해 좀 더 다양한 제품군이 나올 것으로 기대하고 있다.

블루투스 4.2에서는 데이터 전송 속도의 한계 때문에 음성을 활용한 제품이 나오기 힘들었는데 5.0에서는 개선된 속도로 인해 다양한 음성 전송 기술을 활용한 제품이 나올 것으로 예상하고 있고, IPv6를 활용한 사물 인터넷 제품, 매쉬 통신 방식을 활용한 제품 등 다양한 제품들을 기대해 볼 수 있을 것이다.

지금까지 블루투스 5.0의 개선된 내용 및 다양한 사물인터넷 통신 기술에 대해 살펴봤다. 통신 기술이 사물 인터넷의 핵심 요소이기 때문에 블루투스 5.0의 출현은 또 다른 중요한 기술의 출현이라고 볼 수 있다. 2017년은 블루투스 5.0 기술을 탑재한 제품이 본격적으로 출시될 것으로 예상하고 있다. 블루투스 5.0 기술로 달라지는 IoT의 환경을 기대해 보고자 한다.

글 : 라영호 테뷸라 대표이사
자료제공 : 테뷸라(www.tebular.com)

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