협대역 IoT: NB-IoT에 대해 알아야 할 모든 것

증기 기관에서 공장 생산 라인에 이르기까지, 산업 혁명의 첫 물결은 인류 문명을 근본적으로 변화시켰습니다. 오늘날 우리는 다음 시대를 정의하는 전환점, 즉 사물 인터넷(IoT)의 부상의 정점에 서 있습니다. 그러나 IoT 혁명이 진정으로 자리 잡기 위해서는 신뢰할 수 있는 연결 구조, 즉 예상되는 수십억 개의 센서와 엔드포인트에 광범위하고 안정적인 커버리지를 제공할 수 있는 구조가 필요합니다. 바로 이 지점에서 협대역 IoT(NB-IoT)가 등장합니다.

그렇다면 NB-IoT는 정확히 무엇이고, 이 협대역 셀룰러 표준은 어떤 고유한 기능을 제공할까요? 그리고 기존 IoT 연결 옵션과는 어떤 관련이 있을까요? 자세히 알아보겠습니다.

협 대역 IoT 란?

협대역 사물 인터넷(NB-IoT)은 LPWAN 3GPP에서 표준화한 프로토콜로, 다양한 새로운 셀룰러 연결 IoT 기기와 서비스를 지원합니다.

IoT에 최적화된 전용 무선 경로를 제공합니다. 이름에서 알 수 있듯이 협대역 IoT는 매우 좁은 대역폭을 사용하여 뛰어난 확장 커버리지를 제공하는 동시에 기기의 배터리 수명을 극대화합니다. NB-IoT 기기는 10년 이상의 배터리 수명을 달성할 수 있습니다.

NB-IoT는 4G LTE 대역과 같은 허가받은 주파수 대역을 활용하여 IoT 연결에 최적화합니다. 새로운 주파수 할당 없이 기존 셀룰러 대역을 NB-IoT용으로 재분배함으로써 이동통신 사업자가 신속하게 구축할 수 있습니다.

탁월한 커버리지 확장성과 뛰어난 에너지 효율을 갖춘 NB-IoT는 다양한 신규 IoT 기기가 최소한의 유지 보수 비용으로 풍부한 데이터를 전송할 수 있도록 지원하여 IoT의 대중화를 가로막는 두 가지 주요 장벽을 극복합니다. 특히 아시아, 유럽, 북미 지역에서는 이미 빠른 글로벌 구축이 진행되고 있습니다.

협대역 IoT 아키텍처 및 작동 방식

NB-IoT는 2016년에 표준화되었습니다. 릴리스 3의 13GPP 이동통신사가 소유한 허가된 주파수 대역 내에서 작동합니다. NB-IoT 기기와 네트워크 간의 통신은 표준 셀룰러 연결에 사용되는 훨씬 더 넓은 대역과 달리 200kHz의 지정된 협대역 내에서 이루어집니다.

NB-IoT 아키텍처는 단말 장치(센서), 기지국 또는 액세스 포인트, 코어 네트워크, 그리고 애플리케이션 서버/플랫폼으로 구성됩니다. 게이트웨이와 같은 선택적 구성 요소는 직접 접근이 불가능한 건물 내부 또는 지하의 노드를 연결하는 데 활용될 수 있습니다.

NB-IoT는 다양한 인프라에서 적용 범위를 극대화하기 위해 세 가지의 고유한 배포 모드를 제공합니다.

1. 대역 내 – 일반 LTE 캐리어 내의 리소스 블록을 활용합니다.
2. 가드 밴드 - 일반 LTE 캐리어 내의 사용되지 않는 리소스 블록을 활용합니다.
3. 독립형 – 전용 스펙트럼에서 독립형 캐리어 활용
4. 

NB-IoT는 기존 셀룰러 인프라와 주파수를 활용하여 전 세계 주요 하드웨어 및 칩셋 공급업체가 지원하는 효율적인 IoT 솔루션을 제공합니다. 유연한 구축 모델을 통해 2G, 3G, 4G, LTE-M, 5G 등 다른 셀룰러 기술과도 공존할 수 있습니다.

NB-IoT의 이점과 한계는 무엇입니까?

협대역 IoT는 엄청난 연결 기능을 제공하지만 몇 가지 기술적 제약도 따릅니다. NB-IoT의 장점과 단점을 모두 이해하면 기대치를 정확하게 설정하고 NB-IoT가 특정 애플리케이션에 가장 적합한 시점에 대한 정보에 기반한 결정을 내릴 수 있습니다.

협대역 IoT의 이점

• 낮은 전력 소비– 초저전력은 작은 전송 대역폭과 PSM 및 eDRX와 같은 비활성 전송 구간의 전력 절감 기능을 통해 구현됩니다. 이를 통해 전력 접근이 제한된 원격 장치에 필수적인 배터리 수명을 연장할 수 있습니다.
• 향상된 커버리지 및 범위– 협대역 신호와 패킷 재전송을 사용하는 NB-IoT는 실내 및 지하에서 안정적인 연결을 구현합니다. 통신 범위는 도심에서 약 1km, 교외에서 약 10km에 달하여 원격 기기에 이상적입니다.
• 엄청난 수의 연결– NB-IoT 기지국은 효율적인 전송 및 슬립 윈도우 스케줄링을 통해 50,000만 대 이상의 기기를 동시에 지원할 수 있습니다. 이러한 확장성은 대규모 인프라 구축에 필수적인 대규모 IoT 네트워크 구축을 지원합니다.
• 낮은 장치 및 배포 비용– NB-IoT 하드웨어는 장치 복잡성을 최소화하여 필수적인 연결만 제공하므로 4G/5G 모뎀보다 훨씬 저렴합니다. 소액 데이터 요금제 또한 더 저렴합니다. 게이트웨이가 필요 없고 기존 대역을 활용하기 때문에 전용 LPWAN 네트워크를 구축하는 것보다 구축 비용이 훨씬 저렴합니다.

협대역 IoT의 한계

• 낮은 데이터 전송– NB-IoT는 LTE-M보다 대역폭과 속도가 낮아 고속 데이터 전송이 어렵습니다. 또한, 높은 처리량을 요구하는 음성/비디오 애플리케이션을 지원할 수 없습니다.
• 더 높은 대기 시간– NB-IoT는 4G 및 5G에 비해 데이터 패킷 송수신 간 지연이 더 큽니다. 실시간 저지연 통신이 필요한 사용 사례에는 적합하지 않습니다.
• 제한된 장치 이동성– NB-IoT는 대역폭이 낮고 업링크/다운링크 속도가 느리기 때문에 고정형 또는 이동성이 매우 낮은 기기에 적합합니다. 4G-LTE 및 5G와 같은 네트워크 셀 간의 빠른 핸드오버는 효율적으로 지원되지 않습니다.
• 글로벌 범위가 적음– NB-IoT 구축은 전 세계 여러 지역에서 여전히 활발하게 진행되고 있습니다. 현재 NB-IoT 네트워크 로밍 계약 건수는 모바일 로밍 계약 건수보다 적어 전 세계적으로 원활한 커버리지가 제한됩니다.

NB-IoT는 안전한가요 아니면 해킹당할 수 있나요?

NB-IoT는 3GPP에서 LTE 네트워크용으로 정의한 검증된 보안 프레임워크를 활용합니다. 여기에는 기기와 네트워크 간의 상호 인증, 세션 키를 통한 무선 데이터 암호화, 서명된 펌웨어 업데이트가 포함됩니다. 변조 방지 및 이상 감지와 같은 추가적인 기기 수준 전략은 보안을 더욱 강화합니다.

3GPP 표준 준수의 또 다른 이점은 NB-IoT가 현재 셀룰러 네트워크에서 사용되는 보안 프로토콜과 미래에 추가되는 새로운 기능을 모두 지원한다는 것입니다.

어떤 기술도 변조나 해킹으로부터 완전히 자유로울 수는 없지만, NB-IoT는 현재 모바일 네트워크와 동등한 수준의 강력하고 표준화된 보안 조치를 제공하여 IoT 에지 장치까지 확장되는 다양한 사이버 위협으로부터 보호합니다.

NB-IoT의 주요 사용 사례 및 응용 분야

긴 배터리 수명, 광범위한 범위, 적은 데이터 패킷 전송, 강력한 보안을 갖춘 NB-IoT는 인프라 시스템 전반에서 센서, 모니터, 액추에이터를 연결하여 다음을 가능하게 하는 이상적인 기술입니다.

스마트 계량

수동 확인 없이 가스, 전기, 수도 사용량을 실시간으로 원격으로 확인할 수 있습니다. 통찰력 있는 정보를 통해 에너지 절약 및 누출 감지 기능을 향상시킬 수 있습니다. NB-IoT의 저전력 및 향상된 통신 범위는 까다로운 환경에서도 적합합니다.

스마트 도시

공기/수질, 소음 모니터링, 쓰레기통 넘침, 주차 공간 추적, 인프라 모니터링, 주변 환경 및 인적 흐름에 따라 조절되는 스마트 조명 등을 위한 환경 센서입니다.

환경 모니터링

광범위한 전력이나 통신 인프라가 없어도 농장, 강, 자연보호구역, 보호구역의 상황, 장비 작동, 침입 등을 모니터링할 수 있습니다.

스마트 농업

NB-IoT를 통해 연결된 저렴한 습도 센서, 장비 모니터, 토양 영양소 테스터는 물주기, 비료 공급을 최적화하고 작물을 추적할 수 있는 가시성을 높여줍니다.

자산 추적 및 관리

저렴한 배터리 구동 NB-IoT 태그는 차량, 중장비, 반환 가능한 운송 품목(팔레트, 컨테이너) 및 원격 자산 인프라의 위치와 상태를 모니터링합니다.

스마트 홈

센서는 실내 점유율, 온도, 습도, 소음, 조도 등을 모니터링하고, 컨트롤러는 상황과 사용 패턴에 따라 HVAC, 조명, 가전제품을 자동으로 조정하여 편안함, 안전성, 에너지 효율성을 개선합니다.

스마트 헬스 케어

NB-IoT의 저전력 요구 사항과 광역 연결성은 치료 중 원격 모니터링을 통해 환자 관리를 개선하는 데 이상적입니다. NB-IoT 기반 낙상 위치 시스템은 위험에 처한 환자가 스스로 일어서거나 움직이려고 할 경우 조기에 알림을 제공합니다. 의료진은 알림을 받고 환자를 신속하게 도울 수 있습니다.

이러한 응용 분야는 운송, 에너지, 교육, 소매 등 거의 모든 산업으로 확장됩니다. 저대역폭 데이터 전송을 위해 장기 연결이 필요한 거의 모든 것이 NB-IoT에 적합할 수 있습니다.

NB-IoT와 다른 LPWAN 비교

NB-IoT 대 LTE-M

NB-IoT와 LTE-M은 모두 3GPP에서 IoT용으로 표준화한 셀룰러 LPWAN 기술입니다. 그러나 LTE-M은 1.4MHz의 더 높은 대역폭과 최대 1Mbps의 더 빠른 최대 데이터 속도를 지원합니다. 또한 LTE-M은 NB-IoT와 달리 완벽한 이동성과 음성 지원을 제공합니다. 하지만 PSM 및 eDRX와 같은 최적화에도 불구하고 LTE-M은 더 많은 전력을 소모한다는 단점이 있습니다.

전반적으로 LTE-M은 더 높은 대역폭이 필요한 지연 시간에 민감한 애플리케이션에 적합한 반면, NB-IoT는 시간에 민감하지 않은 소량의 데이터를 전송하는 정적이거나 느리게 움직이는 장치에 이상적입니다. LTE-M은 특허권자에게 로열티를 지불해야 하지만, NB-IoT는 기존 셀룰러 주파수를 활용하여 게이트웨이 비용을 절감합니다. 이 표준들은 서로 다른 IoT 사용 사례, 즉 안정적인 통신을 위한 LTE-M과 초저전력을 위한 NB-IoT를 위해 상호 보완적입니다.

NB-IoT 대 로라

주요 차이점은 NB-IoT가 4G LTE와 같은 허가받은 셀룰러 주파수 대역에서 작동하는 반면, LoRa는 ISM 대역의 허가받지 않은 주파수 대역을 사용한다는 것입니다. 즉, NB-IoT는 셀룰러 네트워크의 보안과 안정성을 활용하는 반면, LoRa는 누구나 자체 LoRa 네트워크를 구축할 수 있어 더 큰 유연성을 제공합니다.

NB-IoT는 LoRa보다 지연 시간이 짧고 처리량이 높습니다. 하지만 LoRa는 도달 범위가 더 길고, 전력 소비가 적으며, 모듈 비용도 더 저렴합니다. LoRaWAN은 전력 소비 최소화를 최우선으로 하여 최대 15년 이상의 배터리 수명을 보장합니다.

NB-IoT 대 Sigfox

Sigfox는 ISM 무선 대역의 비면허 주파수를 사용하는 또 다른 경쟁 LPWAN 기술입니다. 초협대역 변조를 사용하여 매우 적은 전력으로 장거리 통신을 제공합니다.

NB-IoT와 Sigfox의 주요 차이점은 NB-IoT가 Sigfox보다 더 넓은 대역폭, 더 빠른 데이터 전송 속도, 그리고 더 낮은 지연 시간을 제공한다는 것입니다. NB-IoT는 최대 250kbps의 처리량을 제공하며, 지연 시간은 10초 미만입니다. Sigfox는 최대 처리량이 100bps이며, 일반적인 지연 시간은 1~30초입니다. 또한 데이터 전송 시 기기로의 복귀 채널이 없습니다.

하지만 Sigfox는 간편성과 글로벌 커버리지 측면에서 몇 가지 장점을 가지고 있습니다. Sigfox 네트워크는 구축이 용이하고 이미 전 세계적으로 광범위한 커버리지를 확보했습니다. NB-IoT 커버리지는 셀룰러 LTE 증설에 따라 달라지므로 더 제한적일 수 있습니다.

NB-IoT에 대한 FAQ

협대역 사물인터넷(Narrowband-IoT)을 사용하는 데 비용이 부과됩니까?

네, 데이터 요금제는 스마트폰처럼 이동통신사에서 구매합니다. 하지만 패킷 크기가 작기 때문에 기기당 월 1달러도 안 될 수 있습니다. 요금은 기기 수와 데이터 사용량 등에 따라 통신사마다 다릅니다.

NB-IoT는 에너지 효율성에 초점을 맞추고 있나요?

물론입니다. 10년 이상의 배터리 수명을 확보하여 배터리만으로 작동하는 엔드포인트를 구축할 수 있습니다. 향상된 커버리지와 결합하면 이전에는 불가능했던 애플리케이션도 구현할 수 있습니다.

협대역 IoT 전송의 지연율은 얼마입니까?

대부분의 데이터 전송은 1~10초 이내에 완료됩니다. 1초 미만의 지연 시간에 민감한 경우에는 LTE-M이 더 적합할 수 있습니다.