클라우드로의 게이트웨이, 어떻게 도달할 것인가?
  • 2016-02-04
  • 김언한 기자, unhankim@elec4.co.kr
  • 글|마사 지미디(Martha Zemede), 5G 및 IoT 아웃바운드 마케팅 책임자 키사이트테크놀로지스



인터넷에 연결된 수십억의 사물에 둘러싸일 미래에 대한 비전을 현실로 실현하기 위해서는 각 기기와 게이트웨이, 클라우드 사이에 신뢰할 수 있는 연결이 필요하다. 이러한 목표를 좀 더 빨리 달성하기 위한 수단 중 하나는 해당 제품의 전 수명 주기에 걸쳐 자체적으로 신뢰할 수 있는 연결을 포함하고 있는, 공유 계측 과학에 기반한 설계시험연동 방법론을 채택하는 것이다.

“사물인터넷(Internet of Things, IoT)”이 처음 등장했을 때, ‘사물’이라는 단어는 셀 수 있는 무언가를 연상시켰다. 이 기술은 운송 컨테이너의 RFID 태그나, 만차임을 알려주는 주차장의 출입 시스템, 호텔 미니바 이용 시 자동 청구를 해주는 등 상대적으로 간단한 애플리케이션에서 이용됐다. 초반에는 개별적으로 계수하는 시스템으로 서로 연결되지 않은 애플리케이션으로 실행됐다.

현재 사물인터넷은 사물통신(machine-to-machine communication, M2M)과 생산분야의 애플리케이션, 가스 및 전력 시설로 확장되고 있다. 자동화는 이미 생산 분야에서 중요한 역할을 차지하고 있지만, 사물인터넷과 이른바 산업 인터넷(industrial internet)은 더 큰 규모의 자동화를 가능하게 하면서도 생산 과정의 유연성과 효율을 높이고 있다. 그 사례로 원격 예측 관리를 지원하여 비용을 줄이고 경쟁력을 강화시키는 새로운 도구들이 생겨났다.

이러한 사례(동향)들은 사물인터넷 이행 범위의 대규모 추정에 영향을 미치고 있다. 현재 추산으로 2020년까지 모든 분야에 걸쳐 약 150억 대에서 500억 대까지의 사물이 연결될 것으로 보이며, 더 새롭고 파격적인 IoT 관련 서비스는 현재 사물인터넷 하드웨어 및 네트워크 제공으로 발생하는 수익보다 몇 배나 높을 것으로 예측된다.

사물인터넷 공간에 대한 현재의 비전도 수집된 데이터의 사후처리에 중점을 두고 더욱 큰 시각에서 바라보게 됐다. 변화는 개별 애플리케이션을 클라우드 저장장치에 연결하여 인터넷을 통해 원격 제어하는 방식으로 이어졌다. 이로 인해 필요한 네트워크의 규모는 상상 이상으로 커졌고, 이 시나리오를 현실화하기 위해서는 최초부터 설계되어 제품 수명주기 전반에 걸쳐 시험하여 절대적으로 신뢰할 수 있는 커넥티비티(connectivity)가 필요하다.

“사물”의 속성을 정의하며

오늘날 ‘사물’은 네트워크를 통해 데이터를 전송할 수 있는 기능이 있는, 모든 고정식 또는 이동식의 자연물 또는 인공물을 지칭한다. 휴대전화 기지국의 침입자 경보와, 축산업자나 애완동물 소유주의 삶을 더 편안히 만들어 주었던 위치 추적기(smart collar)를 그 대표적인 예로 들 수 있다.

이른바 ‘웨어러블 테크놀로지(wearable technology)’의 대두로 스마트폰 앱과 연동하여 기능하는 개인 건강 및 피트니스 분야가 최근 주목을 받기도 했다. 건강 분야에서 가장 흔한 사례로는 환자들이 병원 또는 의원 밖에서 일상생활을 하는 동안, 상태를 원격으로 확인하는 것을 들 수 있다. 교통사고 시 피해자의 부상을 완화시킬 수도 있다. 또한 사고 차량이 구급 지원을 요청할 뿐 아니라, 차량의 위치와 탑승 인원은 물론 이들의 부상 정도까지 보고할 수 있게 된 것이다.

이러한 장치들은 USB, 이더넷, 광섬유 등의 유선 연결을 사용하기도 하지만, 대부분은 무선 기술에 의존한다. 이러한 무선 기술로는 모바일 결제에 이용되는 NFC(near-field communication)부터 무인 기상관측소에 연결된 정지궤도위성에 이르기까지, 그리고 블루투스, 무선랜(WLAN), 셀룰러, 지그비(ZigBee), 지웨이브(Z-Wave) 등 다양한 무선 기술을 포함하고 있다.

그러므로 네트워크는 서로 다른 통신 요건을 갖춘 각종 디바이스에 대응해야 한다. 관리 없이도 수년간 작동하면서 아주 적은 양의 데이터를 전송하는 배터리 구동식 센서와 액추에이터(actuator)와 같은 무선 디바이스부터 지속적으로 신뢰할 수 있으면서 극도로 안정적인 연결이 필요한 무인자동차(autonomous car)에 이르는, 넓은 범위의 서비스와 디바이스를 포함하고 있는 셈이다.


클라우드로의 게이트웨이에 접속하며

그림 1은 하나의 장치를 클라우드에 접속할 때 이용할 수 있는 다양한 경로를 묘사했다. 대부분의 경우 사물이나 클라우드, 또는 원격 애플리케이션 사이를 직접 연결할 수 있는 방법은 없다. 한 예로 지그비 기반 화재경보 및 출입 센서 네트워크를 갖춘 아파트를 들 수 있다. 이 곳에서는 지역 ADSL 지능형 게이트웨이(intelligent gateway)가 데이터를 취합하여 저장했다가 주기적으로 보안 업체에 전송한다. 이 게이트웨이는 또 센서에 이상 반응이 감지되었을 때 즉시 알람이 울리도록 프로그램돼 있다.

즉 일반적으로 게이트웨이는 개별 디바이스와 앱 및 클라우드의 프로토콜, 상호운용(interoperation)을 담당하고 있다. 블루투스나 지그비와 같은 극저전력 무선기술(ultra low-power wireless technology)은 센서의 구동과 노드 구현(node implementation)에서 요긴한 것으로 확인됐는데, 이러한 기술도 수집한 데이터를 클라우드에 전송할 때 와이파이 또는 모바일 연결(cellular connectivity)을 중추로서 이용할 수도 있다.

이렇게 모바일 기술과 와이파이가 널리 이용되고 있지만, 몇몇 상업용 및 산업용 애플리케이션은 다른 형태의 무선 액세스 네트워크(wireless access network)를 이용한다. 시그폭스(SIGFOX), 로라(LoRa) 및 텔렌사(Telensa) 처럼 최근 대두되고 있는 저전력 광역 네트워크(low-power wide-area network, LPWAN)는 사물인터넷/사물통신에 최적화된 상대적으로 새로운 표준이라고 할 수 있다.

저전력 광역 네트워크 LPWAN는 현재 배포된 모바일 네트워크와는 달리 극저전력과 긴 배터리 수명, 낮은 작동 주기에 최적화되어 무허가 ISM 대역(unlicensed ISM bands)을 이용하여 공유되는 스펙트럼에서도 공존할 수 있다. 예를 들어 네트워크형 가로등(connected street lamps)에도 이러한 접근법을 적용할 수 있다. 조명 시스템은 예상 작동 수명이 전형적인 모바일 표준의 수명보다 훨씬 긴 수십 년 단위로 예상되기 때문이다.

당연히 모바일 표준 관련 단체들은 흔들리기 시작했다. 3GPP는 사물인터넷 및 기계형 통신(machine-type communication, MTC)을 지원하기 위한 작업을 해왔다. 해당 표준의 Release 12(2015년 3월 발표)는 LTE-A로 MTC를 확장시키면서 카테고리 0(Category-0), 또는 캣-0(Cat-0)라는 명칭의 새로운 기기 분류를 정의했다. 더 낮은 전송 전력과 매우 긴 배터리 수명 및 확장 가능한 범위의 운용이 가능한 저비용, 저복잡(lower-complexity) 디바이스를 목표로 하는 Cat-0 MTC의 주요 최적화는 Release 13(2016년 3월의)에서 계획되어 있다.

또 GSM EDGE 무선 액세스 네트워크(GSM EDGE Radio Access Network, GERAN)는 현재의 LTE-MTC(Cat-0)가 제공하는 것보다 링크 비용, 유지비 및 전력 소모를 더욱 낮추기 위하여 셀룰러 사물인터넷(cellular IoT, CloT)을 위한 두 가지 표준을 제시하고 있다. 하나는 GSM의 혁명에 기초한 것이며, 다른 하나는 하위 말단 애플리케이션을 목표로 삼은 클린슬레이트 무선 액세스 기술(clean-slate radio access technology)을 사용하고 있다.


매핑기술 (Mapping Technology) 대 가동 범위

그림 2는 사물인터넷의 제안된 기술의 일부를 가동 범위(operating range)에 따라 분류한 것이다. WPAN, WLAN, WNAN 및 WWAN의 경계에 대한 확실한 정의는 없다.

디바이스와 게이트웨이 간의 단거리 연결에 대해서는 이미 다양한 포맷이 제공되고 있으며, 이러한 표준은 향후 개발을 위하여 새로운 장치가 지속적으로 연결될 때마다 빠르게 형성되어 발전하고 있다. 그로 인해 현재 사물통신 및 사물인터넷 관련 애플리케이션에 대하여 60여 종의 레거시 포맷(legacy format) 및 새로운 RF 포맷이 사용되고 있다. 블루투스, 802,11ac WLAN 및 셀룰러와 같은 일부 포맷은 이미 널리 사용되고 있으며 지그비나 스레드(Thread)와 같은 포맷도 앞의 포맷처럼 알려진 것은 아니지만 시장에서 자신만의 틈새를 찾아낸 바 있다.

일부는 시장에 제품을 더 빨리 출시하기 위하여 데이터 전송률이 낮고, 저전력 전송(low-power transmission)이 가능하며, 상호운용성(interoperability) 요구사항이 최소라는 점에서 상대적으로 만들기 쉬운 독점 솔루션(proprietary solutions)을 개발했다. 그러나 이러한 접근법은 시장의 세계화로 인하여 장비 통신의 형태가 독점 설계(proprietary design) 에서 표준형 솔루션으로 이행하는 상황에서 인기를 잃게 될 것이다.

새로운 사물의 창조를 앞당기며

사물인터넷의 확장으로 아직 알려지지 않은 전용 게이트웨이 기능을 요구하는 애플리케이션도 연결된 디바이스가 현재 다루지 못하는 영역까지 다룰 가능성이 높다. 이 때 요구되는 게이트웨이는 갈수록 디바이스와 클라우드의 표준형 인터페이스를 이용하게 되겠지만, 이들의 지능(intelligence) 수준은 애플리케이션의 요구사항에 따라 달라질 것이다. 따라서 맞춤형 게이트웨이 하드웨어의 설계사와 제조사는 새로운 사업 기회를 천명하여 틈새 및 주류 서비스 제공사들의 요구를 충족시켜야만 한다.

맞춤형 게이트웨이의 빠른 발전을 위한 열쇠 중 하나는 R&D와 생산 및 설치의 전 분야에서 엔지니어들의 요구를 충족시킬 수 있을 만큼의 유연한 설계와 테스트 솔루션이다. 설계 툴과 독립형 측정 장비(standalone test equipment), 모듈형 측정 하드웨어 및 휴대형 기기 전반에 걸쳐 사용할 수 있는 공유형 “계측 과학(measurement science)”이라고도 할 수 있다. 이를 통해 기기의 성능을 정의하고 인증하는 데 있어 필수적인 측정 기준을 정의할 수 있으며 제품의 수명 주기 전반에 걸친 피드백 경로도 만들 수 있다.

이는 다음과 같이 작동한다. 개발 초기에는 가상 계측 도구가 포함된 설계 환경에서 신제품을 시뮬레이션 할 수 있고, 이 시뮬레이션에서 제품을 노드에 부착하여 예상되는 기능을 실제처럼 시험할 수 있다. 시뮬레이션을 마치고 설계를 실제로 제작했을 경우, 실제 디바이스 모듈을 시뮬레이션에서 대체해 볼 수도 있다. 가상 시뮬레이션 결과를 실제 측정치로 대체하여 개발자들이 손쉽게 실제 성능과 시뮬레이션에서의 성능을 비교하여 피드백 루프를 완성시킬 수 있게 한 것이다.

이렇게 시제품(prototype)이 완성되면 간편한 원버튼의 표준 측정이 가능한 연구실 성능의 계측기와 내장된 측정 애플리케이션으로 측정 연속성을 확보할 수 있다. 맞춤형 게이트웨이 제품에 대해서는 해당 게이트웨이가 지원하는 포맷에 맞는 자격전 검사(pre-qualification testing)로 해당 제품이 더욱 확실히 관련 기준을 충족시킬 수 있도록 하고 있다.

물론 이것만이 인증의 요구조건은 아니다. 엄격한 사양 요구를 유지하는 모바일 캐리어와 유사하게 다수의 산업 연합들은 인증 마크를 부여하기 전에 광범위한 상호운영성 시험(interoperability testing)을 수행할 것을 요구하고 있다. 이 때 표준 측정 솔루션은 설계자가 자신이 제작한 맞춤형 게이트웨이가 빠르고 효율적으로 각종 테스트를 통과할 것이라는 더 큰 확신을 심어줄 것이다.

미래를 향하여

인터넷에 연결된 수십억의 사물에 둘러싸일 곧 다가올 미래에 대한 비전은 수없이 많으며, 대부분의 몽상가들은 소비자와 사업체, 정부에게 놀라운 혜택을 약속하는 청사진을 그린다.

그러나 설계자와 개발자가 이 시나리오를 현실로 실현하기 위해서는 각 기기와 게이트웨이, 클라우드 사이에 확실히 신뢰할 수 있는 연결이 필요하다. 이러한 목표를 좀 더 빨리 이루기 위한 수단 중 하나는 해당 제품의 수명 주기 전체에 걸쳐 자체적으로 신뢰할 수 있는 연결을 포함하고 있는, 공유 계측 과학(shared measurement science)에 기반을 한 설계시험연동 방법론(design-and-test methodology)을 채택하는 것이다. 그로 인한 궁극적인 결과는 새로운 기기와 게이트웨이의 성능 및 표준 준수 정도를 더욱 높여 사물인터넷과 사물통신 및 기타 장밋빛 시나리오가 줄 혜택을 가능하게 하는 것이다. 

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