향후 IoT 시장 규모는 기존 셀룰러 이동통신시장의 10배 이상이 되며, 빠르게 성장할 것으로 예측되고 있다. 특히 2020년경에 서비스를 목적으로 표준화가 진행 중인 5G 이동통신 서비스의 세 분야 중 두 분야가 IoT이다. 사물인터넷의 수많은 응용 분야의 커넥티비티 중에서 저전력 광역 커넥티비티, 즉 LPWA가 가장 많이 필요하며 이 같은 대량의 IoT를 위한 새로운 표준이 필요한 것으로 전망되고 있다.

이제는 너무나도 용어가 남발이 되어 사용되고 있는 사물인터넷(IoT, Internet of Things)이란 모든 사물들이 인터넷에 연결되어 상호 간에 직접 통신하는, 향후 정보통신의 미래 인프라 및 서비스를 통칭한다. 

사물인터넷이 필요한 이유는 초연결 사회를 기반으로 한 삶의 질 향상과 생산성 향상에 있으나 궁극적으로는 국가 자체의 인프라, 나아가 인류와 지구를 위한 중추 신경계를 이루기 때문에 무엇보다 중요할 것으로 예측하고 있다.  

하지만 사물인터넷은 아직까지는 현재 거품 최고조기에 있으며 주목할 만한 큰 수익 모델이 없는 시작 단계이다. 구글의 NEST와 같은 업체나 일부 업체에서 성공적인 결과를 얻고는 있으나 아직까지는 미진한 상태이다.

IoT의 향후 시장 규모는 기존 셀룰러 이동통신시장의 10배 이상이 되며, 급격히 성장해 갈 것으로 예측되고 있다. 특히 2020년경에 서비스를 목적으로 표준화가 진행 중인 5G 이동통신 서비스의 세 분야 중 두 분야가 IoT이다.

사물인터넷은 크게 셀룰러 이동통신 기반의 IoT와 비셀룰러 기반의 IoT로 대분된다. 전자의 경우는 배터리 수명, 모듈 가격이 고가인 점, 셀룰러 모뎀의 고가 라이선스 문제로 인한 진입 장벽 때문에 개발 회사의 다양하지 못한 점이 확산의 어려움으로 이야기되고 있다.

모뎀 칩의 버전 변경에 따라 새롭게 구현해야 하므로 제품 수명이 짧은 점, 이동통신사업자 개개의 모듈별 월정료가 비싸 활성화되지 못하고 있다. 따라서 현재까지는 수직적인(vertical) 마켓에서, 응용 분야별로, 독립적으로, 느리게 발전되어 왔다.

그러나 최근 사물인터넷의 개념이 수평적으로 진화되고 확대되면서 공통의 개방형 표준 플랫폼 활용을 기반으로 모든 응용 분야의 서비스를, 해당 플랫폼상에서 응용 계층만 달리하여 구현함으로써, 서비스 구현에 필요한 디바이스, 게이트웨이, 클라우드 서버 및 분석 소프트웨어 엔진을 비롯한 솔루션들을 상대적으로 훨씬 저가로 구축할 수 있으며, 각 솔루션의 시너지를 활용하여 부가가치가 매우 큰 서비스의 구현이 가능해질 전망이다. 

이번호에서는 지난 호에서 다루었던 저전력, 광역 IoT에 대해 좀 더 자세하게 다루겠다.

IoT 요구사항과 서비스 활성화 문제점

IoT의 요구사항은 암호화, 저전력 소모, 통신거리, 가격 및 서비스 전개 비용 등을 들 수 있다. 

이들은 사물인터넷 활성화의 근본적인 문제인데, 최근 몇 년 사이에 오픈소스 하드웨어의 진화, SoC 플랫폼 기반의 칩 가격 하락, 다양한 센서의 지능화, 다양한 무선 커넥티비티(Wireless Connectivity) 기능의 향상 등으로 급속도로 해결되고 있다.

<그림 1>은 사물인터넷의 대표 응용 서비스별 전송 빈도수와 전송 데이터량의 관계를 나타낸다. 가령 영상 모니터링 분야의 경우는 전송 데이터량이 많고 전송 빈도수는 중간이지만, 스마트 미터링 분야는 전송 빈도수는 많으나 한 번에 전송할 데이터량은 매우 적다. 

▲ 그림 1. 사물인터넷의 데이터량과 응용 분야

이처럼 사물인터넷은 수많은 응용 분야별로 파편화되어 있고, 각 응용 분야별로 서비스 특성이 다르기 때문에 서비스 특성에 맞는 최적화 및 적합한 사물인터넷의 무선 커넥티비티의 선정이 중요하다.

커넥티드 카와 같은 실시간, 광역 응용 분야에는 셀룰러 기반의 솔루션이, 홈, 오디오, 비디오와 관련된 응용 분야에는 Wireless Local Area Network(WLAN), Wireless Personal Area Network(WPAN)이 적합하며, 스마트 시티, 스마트 미터링과 같은 분야에는 LPWA와 같은 솔루션이 적합하다. 리테일 분야 등과 같은 멀티서비스 환경에서는 융복합적 커넥티비티 솔루션이 필요하다. 최근 LPWAN 분야가 향후 커넥티비티 수요가 가장 많을 것으로 예측되고 있다. LPWAN을 위한 새로운 저전력 광역 IoT에 대한 기술개발 및 표준화에 관심이 고조되고 있다. 

즉, 초창기에 수행되어 오던 셀룰러 방식의 모뎀·모듈에 의한 서비스는 가격 및 솔루션에 대한 라이선스 문제 등으로 진입 장벽이 높고, 개개 디바이스별로 월정료가 고가라는 문제가 있다. 걸림돌로 인해 진정한 사물인터넷 서비스로의 확장이 불가능했다. 

게다가 모듈은 셀룰러 방식 이동통신의 음성이나 멀티미디어 전송을 목적으로 최적화 설계되었기 때문에, 사물인터넷용으로 사용하기에는 부적합하다. 또한 전력 소모가 상대적으로 커 상시 전원을 인가하는 응용 분야를 제외하고는 실제 적용하는 데 문제가 있었다.

지금까지의 대부분 사물인터넷 서비스의 걸림돌이 전력소모, 통신거리, 월정료 등임을 인지하여, 이들 문제를 해결하기 위한 기술개발 및 표준화가 진행되고 있다. 

즉 저전력 광역 통신(최대 40km)이 가능하여 상대적으로 설치해야 할 인프라 수를 대폭 축소하여 솔루션 구축비용의 절감이 가능하며, 월정료가 아닌 1년에 디바이스당 1달러 정도의 비용으로 저렴하게 사물인터넷 서비스 제공이 가능한 솔루션에 대한 기술개발 및 표준화가 되고 있는LPWA이다.

사물인터넷과 저전력 광역 IoT

셀룰러에 기초한 무선 커넥티비티보다 비셀룰러, 특히 LPWA에 기초한 무선 커넥티비티 증가가 두드러질 전망이다. 2019년경부터 LPWA, 즉 광역 IoT에 의한 커넥티비티가 셀룰러 IoT에 의한 연결보다 많아지며, 점차적으로 증가하여 2024년경 상대적으로 가장 지배적인 커넥티비티 수단이 될 것으로 추정된다. 

사물인터넷의 수많은 응용 분야의 커넥티비티 중에서 저전력 광역 커넥티비티, 즉 LPWA가 가장 많이 필요하며 이 같은 대량의 IoT를 위한 새로운 표준이 필요한 것으로 전망되고 있다.

LPWA의 대표적인 응용 분야로는 환경과 산업분야, 스마트 미터링, 농업, 트래킹, 스마트 시티, 스마트 빌딩, 스마트 홈 등을 들 수 있다. 

IoT 시장은 수익면에서는 아직 셀룰러 기반의 수익 대비 3분의 1 수준이지만, 2023년에 34B 달러로 예측되고 있고 급속히 증대될 것으로 예측되고 있다. 

광역 IoT 통신은 통신거리 최대 40km, 배터리 수명 10년 이상, 데이터 처리율(Throughput) 수kbps 이하, 가격 2달러 이하, 1년 사용료 1달러 이하, 소요 기지국 수는 수천 개의 디바이스당 하나로 추정되고 있다. 

UNB 기반의 SigFox라는 전용 표준과 IEEE 802.15.4g 기반의 DSSS 방식으로 LoRa Alliance에서 2015년 6월에 완성된 개방형 LoRa 표준이 있다. 그 외 weightless, OnRamp, NWave, ThinkWorks 표준 등 다수가 있다. 

LoRa는 2015년 초에 결성된 IBM, Semtech, Actility, Microchip 등을 멤버로 구성된 LoRa 얼라이언스에 2015년 6월 16일에 발표한 LoRaWAN R1.0 개방형 표준이다. IEEE 802.15.4g 기반의 표준이며 비동기식 저전력 원거리 통신망이다. 

수천 개의 단말이 하나의 게이트웨이에 연결되고, 이를 통해 이더넷이나 이동통신망에 연결되어 데이터가 분석, 활용되는 구조로 되어 있다. LoRa 시스템의 통신에는 대역 확산 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 가지이다. 대역폭 200KHz 기반의 협대역(narrowband) Narrow Band IoT(NB-IoT)와 1.4MHz 대역의 LTE-M 표준 개발이다. 두 표준 모두 전송속도를 유연하게 가변으로 조정할 수 있다.

<표 1>은 LPWA를 위한 솔루션 비교를 나타낸다.

▲ 표 1. 사물인터넷망 비교

크게 전용(proprietary) 협대역 IoT와 셀룰러 기반의 협대역 IoT 방식이 있으며, 각각의 솔루션들이 어떤 특징을 지니는지, 현재까지의 IoT 서비스의 단점, 즉 배터리 수명, 통신거리, 모뎀 가격, 개별 사용료 등을 어떻게 극복하여 광대역 IoT에 활용할 수 있는지의 관점에서 살펴볼 필요가 있다. 

SigFox의 경우 통신거리 15km, 배터리 수명 20년, 메시지당 12바이트, 하루에 최대 140개 메시지 송신(듀티 사이클 1%), 양방향 통신, 간단한 네트워크 인프라, 저스루풋 무선망, UNB 특허 기반, -142dBm 수신 감도 기반의 망이라 주장된다. 에너지 효율에 역점을 둔 것이 특징이다. 

연간 디바이스당 사용료가 1~14유로이며, NTT DoCoMo, 텔레포니카, SKT, 삼성 등이 투자했고 프랑스 오렌지 사업자가 이것으로 상용화해 운용 중이며 미국으로 진출을 도모하고 있다. SigFox 시스템을 지원하는 트랜시버는 TI C112x family, 실리콘 랩의 S1446x, AXSEM의 AX 8052F143에서 제공되며, MCU, 하드웨어 암호화 및 무선 커넥티 비티는 아트멜의 ATA 8520 SoC 통합 칩에서 제공하고 있다.

LoRa는 배터리 수명 10년 이상, 통신거리가 도심 지역에서 2~15km, 시골에서 30km, 지하에서 1~2km, 실내에서 2~3km, 대역폭 125KHz, 최대 송신전력 14dBm이며 주파수 ISM 밴드(유럽 868/ 미국 915MHz)에서 동작하며, 마찬가지로 전송속도는 낮추며 수신 감도가 최대(-138dBm)가 되도록 대역 확산 방식으로 설계한 기술이다. 스타토폴로지, 전송속도 300bps, 게이트웨이당 수만 개 IoT 디바이스 접속 가능한 것이 특징이다. 

Semtech SX1272~1279 RF 트랜시버, Microchip RN2483 등의 솔루션이 있다. 현재 단말 및 게이트웨이 솔루션 등이 상기의 얼라이언스 멤버를 통해 상용화되어 있고, 국내에서는 SKT가 이를 활용하여 사물인터넷을 활성화하려는 움직임이 있다.

마이크로칩테크놀로지의 LoRa™ 기술 저속 무선 네트워크 표준을 위한 모듈 시리즈 중의 하나를 살펴보고자 한다.

이 모듈은 10마일(16.093Km) 이상의 범위(교외)에서 10년 이상 지속되는 배터리 수명으로 사물인터넷과 M2M(Machine-to-Machine) 무선통신을 구현할 수 있고, 수백만 개의 무선 센서 노드를 LoRa 기술 게이트웨이에 연결할 수 있다. 

433/868MHz의 RN2483은 유럽통신지침 관련(R&TTE Directive) 인증을 받은 무선 모듈로, 개발 시간을 단축시키고 개발 비용을 줄여준다. 

RN2483은 17.8×26.3×3mm의 소형 모듈 폼팩터와 14개 GPIO를 결합해 높은 공간 활용성은 물론 수많은 센서와 액추에이터를 연결하고 제어할 수 있는 유연성을 제공한다. 자세한 모양은 <그림 3>과 같다. 

▲ 그림 3. LoRa 통신 모듈

RN2483은 LoRaWAN™ 프로토콜 스택과 함께 제공되므로 민영 LAN은 물론 통신사업자가 운영하는 공중망을 모두 포함하여 기존 인프라와 함께 빠르게 확산 중인 LoRa 얼라이언스 인프라와 간편하게 연결할 수 있으며 LPWAN(Low Power Wide Area Network)을 전국적인 규모로 구성할 수 있도록 한다. 

이러한 스택 통합은 수백여 종의 마이크로칩 PIC® MCU를 포함해 UART 인터페이스를 내장한 모든 마이크로 컨트롤러와 함께 해당 모듈을 사용할 수 있다는 점이다. 더불어 RN2483은 손쉬운 구성 및 제어를 위한 마이크로칩의 간단한 ASCII 명령 인터페이스를 제공한다.

LoRa 기술은 다른 무선시스템에 비해 여러 장점을 가지고 있다. 

이 기술은 확산 스펙트럼 기반 변조 방식을 이용하므로 20dB 미만의 잡음 레벨로 복조가 가능하다. 이러한 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 동작할 수 있다. LoRa 기술은3G 및 4G 셀룰러 네트워크에 비해 임베디드 애플리케이션을 위한 보다 높은 확장 가능성과 비용 효율성을 제공한다. 

<그림 4>는 LoRa 통신 모듈의 내부 구조를 보여준다.

▲ 그림 4. LoRa 통신 모듈 내부 구조

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

라영호 _ 테뷸라 대표