LPWAN이란? 저전력 광역 네트워크 기술 소개

오늘날 IoT 기술의 눈부신 발전은 한때 불가능했던 개인과 기기 간의 연결을 현실로 만들었습니다. LPWAN은 IoT 세계에서 뜨거운 화두로 떠올랐으며, 이전에는 불가능했던 솔루션을 제공합니다. 단거리 통신의 경우, 다음과 같은 것들이 있었습니다. 와이파이, 블루투스, 지그비 그리고 다른 것들도 있습니다. 그리고 더 먼 거리의 경우 2G, 3G, 4G 셀룰러 네트워크 등이 있었습니다.

하지만 전력 요구량과 범위를 기준으로 이러한 무선 기술을 살펴보면 저전력 장거리 옵션에 대한 간극이 있음을 알 수 있습니다. 바로 이 틈새 시장에 LPWAN 기술이 완벽하게 들어맞습니다. LPWAN은 기존 무선 통신 옵션에서 부족했던 배터리 수명이 짧고 장거리 통신이라는 공백을 메워줍니다.

LPWAN이란?

LPWAN, 즉 저전력 광역 네트워크(LPWA라고도 함)는 비교적 새로운 용어로, 표준이나 단일 기술이 아닙니다. 다양한 독점 및 오픈 소스 프로토콜을 포함하는 일반적인 용어입니다. LPWAN은 본질적으로 기기 간 저전력 장거리 통신을 위해 설계된 무선 네트워크 제품군을 의미합니다.

LPWAN 기술의 통신 거리는 도시 지역에서는 수 킬로미터에서 농촌 지역에서는 10킬로미터 이상까지 다양합니다. 이는 통신 효율과 비용 효율성이 향상됨을 의미합니다. 즉, 더 적은 전력 소비로 통신 범위를 극대화할 수 있다는 의미입니다. 가까운 미래에 LPWAN은 훨씬 더 혁신적인 방식으로 더 광범위한 분야에 적용될 것으로 예상됩니다.

LPWAN 기술의 토폴로지 및 아키텍처

토폴로지 구조 측면에서 LPWAN은 스타(star)와 메시(mesh)의 두 가지 주요 범주로 나눌 수 있습니다. 셀룰러 기술은 일반적으로 이러한 측면에서 보편적이며 이동성을 지원합니다. 스타 또는 스타-투-스타 토폴로지는 비용 효율성 때문에 메시 네트워크보다 LPWAN에 더 선호됩니다.

LPWAN의 핵심에는 무선 연결, 인터넷, 클라우드 등 간단한 LPWAN 아키텍처의 다른 구성 요소가 포함됩니다. 기지국/게이트웨이는 원격으로 분산된 수많은 엔드 노드로부터 데이터를 수집하고 LPWAN의 입력에 응답합니다. 기지국/게이트웨이는 이 데이터를 수신 및 복조하고 이더넷, 셀룰러 네트워크 등과 같은 표준 TCP/IP 백홀 링크를 통해 백엔드 서버로 전송하는 경계 장치입니다.

공공 LPWAN 서비스의 경우, 데이터는 최종 사용자 애플리케이션으로 전송되기 전에 네트워크 운영자의 서버를 통해 전달됩니다. 비공개 관리형 LPWAN에서는 데이터가 최종 사용자의 사전 정의된 백엔드로 직접 라우팅될 수 있습니다. 이를 통해 LPWAN 기기 데이터의 비공개 및 보안이 보장됩니다.

LPWAN 표준: 셀룰러 LPWA 및 비셀룰러 LPWA

LPWAN 기술을 자세히 살펴보기 전에, 각 기술이 속하는 주요 범주를 이해하는 것이 중요합니다. LPWAN은 크게 두 가지 그룹으로 분류할 수 있습니다. 비면허 주파수 대역에서 작동하는 기술(LoRa, SigFox 등)과 면허 주파수 대역에서 작동하고 3GPP 표준을 준수하는 셀룰러 기술(LTE-M, NB-IoT 등)입니다. 아래에서는 현재 활발하게 구축되고 있는 LPWAN 기술 옵션 몇 가지를 살펴보겠습니다.

셀룰러 LPWAN(라이센스 스펙트럼)

셀룰러 LPWAN은 정부 또는 규제 기관의 승인이 필요하며, 일반적으로 기존 네트워크 사업자의 인프라를 활용합니다. 하지만 안정적인 기기-기지국 연결이 필요하므로 도심, 주거 지역, 산업 단지와 같이 인구 밀도가 높은 지역에 더 적합합니다. 셀룰러 LPWAN 표준에는 EC-GSM-IoT, LTE Cat. M1(LTE-M), NB-IoT가 포함되며, LTE 주파수 대역(700MHz~3.5GHz)에서 작동합니다.

EC-GSM-IoT

EC-GSM-IoT 또는 확장 커버리지 GSM IoT는 3GPP 릴리스 13에서 처음 소개되었습니다. eGPRS 기반의 셀룰러 LPWAN 기술로, 기존 모바일 네트워크 및 인프라(주로 2G/GSM)를 활용하여 원격 IoT 통신을 구축하는 것을 목표로 합니다. 허가된 주파수 대역을 사용하여 안정적이고 안전한 통신을 제공합니다. 다른 셀룰러 기술에 비해 GSM은 더 넓은 커버리지를 제공합니다. 개선된 버전인 eGPRS/EDGE는 이러한 장점을 유지하면서도 더 높은 데이터 전송 속도를 지원합니다.

협 대역 IoT (NB-IoT)

NB-IoT 협대역 사물 인터넷(NB-IoT)은 3GPP에서 IoT 기기 연결을 위해 개발한 LPWAN 무선 기술 표준입니다. 3GPP CIoT 기술인 NB-IoT는 EC-GSM-IoT 및 LTE-M에 비해 IoT 통신을 위한 무선 인터페이스를 더욱 강화합니다. 허가된 주파수 대역 내에서 작동하며 약 180kHz의 협대역 대역폭을 사용합니다. NB-IoT는 3GPP와 노키아, 화웨이, 에릭슨 등 주요 통신 장비 공급업체 간의 협력을 통해 표준화되었습니다.

LTE-M

LTE-M(LTE-Machine-to-Machine)은 eMTC(Enhanced Machine-Type Communication)라고도 하며, LTE에서 파생된 또 다른 3GPP LPWAN IoT 기술입니다. NB-IoT보다 더 빠른 데이터 전송 속도와 최대 350km/h의 이동성을 지원합니다. LTE-M은 허가된 주파수 대역에서 작동하며 2G, 3G, 4G, 5G 셀룰러 네트워크와 공존합니다.

LTE-M은 3GPP 릴리스 12에서 처음에는 저비용 MTC(Low-Cost MTC)로 명명되었으며, 이후 릴리스 13에서 eMTC로 이름이 변경되었습니다. 3GPP 릴리스 전반에 걸쳐 개선된 기능을 통해 LTE-M의 기능이 확장되었습니다. 릴리스 14와 15에서는 이동성을 고려하여 향상된 커버리지 수준을 지원했습니다. 릴리스 14에는 VoLTE(Voice over LTE) 기능이 추가되었습니다. 릴리스 15는 이러한 기능을 기반으로 이동성이 높은 IoT 기기를 위한 새로운 사용 사례를 구축했습니다. 릴리스 16은 5G New Radio(NR)와의 공존성을 개선하며 지속적인 발전을 이루었습니다.

비셀룰러 LPWAN(무면허 스펙트럼)

비셀룰러 LPWAN은 비면허 ISM 주파수 대역에서 작동하며 네트워크 사업자 인프라에 의존하지 않습니다. 장치는 데이터를 직접 또는 게이트웨이를 통해 애플리케이션/네트워크 서버로 전송합니다. LoRa 외에도 Sigfox, Weightless, RPMA, Symphony Link, Wize, DASH7 등의 다른 비셀룰러 LPWAN이 있으며, Sub-GHz 주파수 대역을 사용하며 통신 속도는 ~100bps에서 250kbps, 거리는 2km에서 100km입니다. 비셀룰러 LPWAN은 일반적으로 셀룰러 커버리지가 제한된 외딴 지역, 산악 지역, 섬 지역, 그리고 전용 기업 네트워크 구현에 사용됩니다.

로라/로라완

로라 프로토콜 스택의 PHY 사양으로, Semtech에서 개발한 독점적인 Chirp Spread Spectrum 변조 방식을 구체적으로 지칭합니다. 로라 완 이 표준은 LoRa Alliance가 관리하고 있는 LoRa PHY 계층 위에서 작동하는 MAC 계층 프로토콜과 시스템 아키텍처를 정의합니다. LoRa Alliance는 전 세계적으로 500개에 가까운 회원사를 두고 빠르게 성장하고 있습니다.

LoRa는 주로 여러 단말 장치에서 게이트웨이로의 업링크 통신을 위해 설계되었으며, 다양한 채널과 데이터 전송 속도에서 코딩된 메시지를 사용하여 충돌을 줄이고 게이트웨이 용량을 증가시킵니다. 도시 및 농촌/원격 지역 모두에서 소량의 데이터 페이로드와 통신 빈도가 낮은 애플리케이션에 적합합니다. 단일 LoRaWAN 게이트웨이로 여러 노드와 단말 장치의 연결을 처리할 수 있습니다.

SIGFOX

Sigfox는 널리 채택된 비3GPP LPWAN 기술 중 하나입니다. 이는 Sigfox라는 회사의 이름을 딴 독점 LPWAN 기술로, 최초 도입 이후 Sigfox라는 이름으로 불립니다. 초협대역 무선 기술을 활용하여 초장거리 저전력 무선 IoT 연결을 구현합니다.

그러나 Sigfox의 좁은 대역폭은 기기로 데이터를 전송하는 다운링크 성능을 심각하게 제한합니다. 또한 초협대역은 잠재적인 간섭 문제를 야기할 수 있습니다. 이러한 한계에도 불구하고 Sigfox는 여전히 저전력 광역 통신(LPWAN) 분야에서 두각을 나타내고 있으며 유럽에서 성공적인 입지를 구축하고 있습니다.

무게가없는

Weightless Special Interest Group(Weightless SIG)은 LPWAN 기술 표준화를 목표로 2008년에 설립되었습니다. Accenture, M2COMM, ARM, Telensa, Sony Europe 등이 이 그룹의 회원사로 참여하고 있습니다.

Weightless는 다양한 애플리케이션 시나리오에 맞춰 설계된 세 가지 변형, 즉 Weightless-W, Weightless-N, Weightless-P로 구성됩니다. Weightless-W는 TV 화이트 스페이스(TVWS) 대역에서 작동하며 배포 방식이 더 복잡합니다. Weightless-N은 Sigfox와 유사하며, NWave에서 사용하는 sub-GHz 비면허 대역에서 실행되는 협대역 프로토콜입니다. 전반적으로 Weightless-N과 Weightless-P는 Weightless-W보다 더 많은 주목을 받고 배포되었습니다.

심포니 링크

심포니 링크는 LoRa 얼라이언스 회원사인 링크 랩스(Link Labs)에서 개발한 LPWAN 프로토콜입니다. 링크 랩스는 셈테크(Semtech)의 LoRa 물리 계층 칩셋을 사용하지만, 개방형 LoRaWAN 사양 대신 심포니 링크라는 자체 MAC 계층 소프트웨어 스택을 구현했습니다.

LoRaWAN 표준과 비교했을 때, Symphony Link의 주요 차이점은 안정적인 메시지 전달, 게이트웨이 추가를 통한 동적 네트워크 확장 등 향상된 네트워크 기능입니다.

LPWAN 기술의 응용

LPWAN은 범위와 전력 소비 측면에서 우위를 점합니다. LPWAN을 활용하면 센서에서 원격으로 데이터를 수집하고 장거리 추적이 가능합니다. 이 섹션에서는 LPWAN의 몇 가지 실제 사용 사례를 살펴보겠습니다.

스마트 가스 및 수도 계량

자동 계량기 검침 시스템은 LPWAN을 활용하여 전기, 가스, 수도 등 공공 서비스 사용량 데이터를 원격 무선으로 수집합니다. 운영자가 데이터를 수동으로 확인하고 기록하던 시대는 지났습니다. 사용자는 매일 사용하는 사용량 데이터량을 파악할 수 있습니다.

스마트 빌딩

건물 내부에서는 주거, 상업, 산업 시설 전반에 걸쳐 LPWAN을 활용하여 더욱 스마트하게 운영할 수 있습니다. 가정 내에서는 스마트 잠금 장치, HVAC 시스템, 조명과 같은 스마트 홈 기기를 LPWAN을 통해 통합하고 중앙에서 관리할 수 있습니다. 사무실 및 상업용 건물에서는 LPWAN을 통해 공간 점유 및 도어 센서와 같은 보안 시스템을 중앙에서 모니터링할 수 있습니다.

스마트 폐기물 관리

스마트 시티 사업에 스마트 폐기물 관리가 점점 더 널리 활용되고 있습니다. 쓰레기통에 설치된 센서는 적재량을 모니터링하고 LPWAN을 통해 중앙 시스템으로 데이터를 전송합니다. 미리 설정된 적재량에 도달하면 적시에 수거 및 폐기를 위한 알림이 생성됩니다. 또한, LPWAN 추적 장치를 장착하여 폐기물 수거 차량의 위치 정보를 수집할 수도 있습니다.

스마트 주차

스마트 주차 시스템에서 LPWAN 기술은 주차 공간 점유율을 실시간으로 모니터링하고 관리할 수 있도록 지원합니다. 주차 공간에 설치된 센서는 점유율을 정확하게 감지할 수 있습니다. 사용자는 모바일 앱을 통해 주차 가능 공간을 확인하고 원격으로 주차 요금을 결제할 수 있습니다.

스마트 농업

LPWAN은 스마트 농업 시스템으로 확장되고 있습니다. 농부들은 다양한 센서(토양 수분, 온도, 습도, 조도 등)를 밭에 설치할 수 있습니다. 그런 다음 LoRaWAN이나 NB-IoT와 같은 다른 LPWAN을 활용하여 해당 센서에서 원격으로 데이터를 수집할 수 있습니다.

라이센스가 있는 LPWAN과 라이센스가 없는 LPWAN의 인기 있는 비교

사용 가능한 수많은 LPWAN 기술을 고려할 때, 신중한 선택이 매우 중요합니다. IoT Analytics의 시장 조사 추정에 따르면 2024년까지 97% LPWAN 시스템은 LTE-M, NB-IoT, Sigfox 또는 LoRa 기술을 사용하여 구축될 예정입니다. 따라서 4대 LPWAN 기술인 NB-IoT, LTE-M, Sigfox, LoRa를 비교해 보겠습니다.

NB-IoT 대 LTE-M 대 LoRaWAN 대 Sigfox 비교표

올바른 LPWAN 선택하기

NB-IoT는 기존 LTE/GSM 네트워크를 활용하여 IoT 기기에 저대역폭 연결을 제공하는 3GPP LPWAN 기술입니다. 기기의 전력 소비, 시스템 용량, 스펙트럼 효율성 및 심층적인 커버리지 성능을 향상시켜 산업, 빌딩 자동화, 스마트 시티, 건강 모니터링 및 재난 대응 IoT 활용 사례에 적합합니다.

LTE-M은 NB-IoT와 유사한 애플리케이션을 목표로 하지만, 더 높은 대역폭을 통해 더 빠른 데이터 전송 속도와 더 강력한 보안을 제공하지만, 전력 소모 수준은 더 높습니다. 전력 제약이 덜한 비디오 모니터링과 같이 더 높은 처리량이 필요한 애플리케이션에 적합합니다.

Sigfox와 LoRaWAN은 비면허 대역에서 작동하는 비3GPP 기술입니다. 좁은 대역폭 덕분에 수년간의 배터리 수명을 요구하지만 데이터 전송 속도 제약이 낮은 엔드포인트에서 드물게 발생하는 소형 페이로드 전송 시 초저전력 작동이 가능합니다. Sigfox는 저전력 및 간편한 구축을 우선시하지만 펌웨어 업데이트를 위한 다운링크가 부족합니다. LoRaWAN은 저렴한 비용으로 양방향 장치 관리를 지원합니다. 두 기술 모두 스마트 농업, 자산 추적 및 관련 저처리량 IoT 모니터링 시나리오에 적합합니다.

LPWAN은 미래입니다

빠르게 발전하는 신기술인 LPWAN 환경은 아직 개발 단계에 있으며 성숙 단계에 이르지 못했습니다. 수많은 시장 참여자가 존재함에도 불구하고, 특히 시장 확장 속도가 불확실한 상황에서 누가 승자인지는 아직 명확하게 정해지지 않았습니다. 각 LPWAN 변형의 장기적인 성능 또한 불확실한데, 많은 변형이 아직 초기 구축 단계에 있으며 포괄적이고 대규모의 실제 테스트가 부족하기 때문입니다.

실제로 ABI Research의 연구에 따르면 IoT 장치 도입이 급증할 것으로 예상됩니다. 5.3 억 2030년까지 IoT 기기가 LPWAN 기술을 활용할 것으로 예상됩니다. LPWAN은 시장에서 가장 빠르게 성장하는 연결 영역일 것으로 예상됩니다. 이러한 성장을 주도하는 것은 원격 모니터링과 같이 데이터 전송 빈도가 낮고 배터리 구동 방식으로 작동하는 사용 사례에 대한 수요입니다. LPWAN 기술은 이러한 특성에 특히 적합합니다.

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