[특집] 스마트 시티, 스마트 그리드를 위한 Wi-SUN

2017 IoT와 주요 이슈 ③
  • 2017-05-02
  • 김영학 기자, yhk@elec4.co.kr

Wi-SUN은 생소할 수도 있으나 일본에서는 동경전력의 AMI 통신망의 70%에 사용되고 있을 정도로 탄탄한 길을 걷고 있다. 국내의 경우 한국전력공사의 AMI 구축 사업에 Wi-SUN이 포함되는 등 사례가 증가할 것으로 예상된다.

2016년 7월 한국전력공사(이하 한전)는 에너지 신사업의 핵심인 2차 지능형 검침 인프라(AMI: Advanced Metering Infrastructure) 구축 사업을 본격화하기로 하고 2017년 상반기까지 230만 호에 AMI를 구축한다고 밝혔다. 한전은 앞서 매년 200만 호 이상 AMI를 구축해 2022년에는 2,194만 호에 보급을 완료하겠다는 계획을 세웠다.

하지만 2010년 감사 결과, 국가 표준에 못 미치는 PLC를 사용한 사실이 드러나면서 사업이 중단됐고, 2013년에는 정부 예산으로 한국형 PLC 개발에 참여한 업체인 젤라인이 특허권 침해 민원을 제기해 사업이 중단됐으며, 2015년에 들어서야 2013년 사업이 완료됐지만, 한국형 PLC의 성능 문제로 후속사업 추진이 중단된 바 있다.

지난해 발표한 2차 AMI 구축 계획에는 그동안 한전이 고집해온 PLC에서 벗어나 지중 농어촌 지역과 검침험로 등에 HPGP(HomePlug Green Phy), Wi-SUN(Wireless Smart Utility Network), Zigbee, LTE등 다양한 통신 방식을 적용하기로 했다. 즉 그간 기술적으로 난관에 부딪혔던 AMI 구축 사업이 다양한 통신방식의 테스트를 거쳐 해결책이 마련되면서 사업에 가속도를 내게 된 것이다.

이후 2016년 10월 한전이 공고한 '한전 일반 구매 규격'에는 저압 AMI용 Wi-SUN 통신 설비에 대한 내용도 포함됐으며, 2016년 12월 21일 신산업 민·관협의회의 '4차 산업혁명 시대, 신산업 창출을 위한 정책과제'에는 전국 모든 가정 및 상가에 스마트 미터(Smart Meter)를 당초 2022년에서 2020년으로 앞당겨 보급해 시장을 확대하고 다양한 기술을 보유한 기업들의 시장 참여 기회를 제공한다는 내용이 담겼다. 특히 2016년에 HPGP 13만 호, Wi-SUN 13만 호, LTE 5만호 등 다양한 통신 방식이 적용됐음을 확인할 수 있다.

HPGP는 IEEE 1901 표준을 기반으로 미국 퀄컴이 주도하는 HomePlug Alliance의 광대역 PLC 기술로, 최대속도는 10 Mbps다. Wi-SUN은 IEEE 802.15.4g 표준에 기반을 둔 기술로, 900 MHz 대역을 활용한 근거리 무선 통신 기술이다. 2011년에 설립된 Wi-SUN Alliance는 관련 표준 규격 및 인증체계를 제공하고 있다. 2016년 3월, 미래창조과학부는 IoT 신산업 활성화를 위해 900 MHz 대역의 전파출력 기준을 기존 10 mW에서 200 mW로 높이는 기술 기준에 대한 개정안을 행정 예고함에 따라 Wi-SUN의 통신 품질 향상을 유도했다.

2017년 3월에는 미래창조과학부와 정보통신기술협회(ITA)가 경기도 판교창조경제밸리에 '글로벌 IoT 시험인증센터'를 2017년 하반기에 설립한다고 발표했다. 

글로벌 IoT 시험인증센터는 IoT 관련 기술을 총망라한 시험ㆍ인증 시설을 제공하게 되는데, 네트워크 분야에서는 국내에서 경쟁이 치열한 LoRa, NB-IoT를 비롯해 Wi-SUN 등의 인프라를 구축하고 각 표준단체로부터 시험소 자격을 획득할 계획이다.

스마트 미터링 타깃으로 한 Wi-SUN 국내에서는 생소하지만, Wi-SUN은 전력 분야에서 활용가치가 커 향후 새로운 무선 통신 기술로 자리 잡을 전망이다. 현재 Wi-SUN은 미국과 일본이 가장 많이 사용하고 있다. 특히 일본 동경전력의 AMI 구축 계획에 따르면, 동경전력 AMI 통신망의 70%에 Wi-SUN이 사용되고 있다.

IoT의 실현을 위해서는 국제 표준화된 무선 통신 기술이 필요하다. 이 표준화에 따라 기기의 멀티 벤더화가 실현되어 기기의 저렴화로 이어질 수 있다. 중요한 것은 벤더 간의 상호운용성이다. IoT에 대한 표준화가 진행되고 있는 것도 상호운용성 때문이다. 컴퓨터 네트워크의 표준화를 추진하고 있는 IEEE 802 위원회는 주로 OSI 모델의 물리계층과 MAC 계층으로 대표되는 데이터 링크 계층의 표준화를 제정했다.

또한 인터넷기술의 표준화를 추진하고 있는 IETF에서는 주로 OSI모델의 IP로 대표되는 네트워크 계층 이상의 표준화를 관장하고 있다. 실제로 사용되는 기기에는 OSI 모델의 모든 계층을 포함하고 있어 분산된 표준화에 대한 통합 필요성도 대두되고 있다. 이러한 통합된 표준 사양 및 상호 연결을 위해 시험 규격을 제정하는 곳이 소위 업계 표준 단체인 얼라이언스의 역할이다.

무선 LAN(Local Area Network)는 주로 IEEE 802.11에서 표준화가 이뤄지고 있다. IEEE 802.11은 필요에 따라 애플리케이션에 대응하기 위해 IEFT에서 표준화한 OSI 참조 모델의 네트워크 계층 이상의 계층과 보안, 인증 등의 기능을 추가해야 한다. 한편 IoT, 스마트 미터링(Smart Metering)에 사용되는 무선 PAN(Personal Area Network)는 주로 IEEE 802.15.4에서 표준화가 진행되고 있다.

특히 옥외 용도로 수십 kbps에서 100 kbps의 전송 속도로 1 km 정도의 전송 거리를 실현하는 IEEE 802.15.4g는 무선 PAN 표준을 대표하고 있다. 또한 데이터 링크 계층은 IEEE 802.15.4와 15.4e 규격으로 제정됐으며, IEEE 802.11과 마찬가지로 다양한 애플리케이션을 지원하기 위해 IEEE 802.15.4.15.4g, 15.4e 규격뿐만 아니라 필요할 경우 IETF에서 표준화를 진행하고 있는 네트워크 계층 이상의 다양한 기능, 보안, 인증이 추가된다. 이러한 사양을 제정ㆍ관리하는 기관이 바로 Wi-SUN Alliance다. 

Wi-SUN 기술을 주도하고 있는 Wi-SUN Alliance는 IEEE 802.15.4g의 표준화가 끝난 2012년 일본에서 설립된 비영리 단체로 현재 미국에 본거지를 두고 활동하고 있다. Wi-SUN Alliance는 개방형 글로벌 표준들을 활용해 FAN(Field Area Network) 기능을 요구하는 스마트 유틸리티(Smart Utility), 스마트 시티(Smart City) 및 사물인터넷(IoT) 애플리케이션에서의 사용을 위한 IEEE 802.15.4g 표준 기반의 상호운용성을 보유한 Wi-SUN 무선 솔루션의 글로벌 인증과 확산에 관여하고 있다. 

2016년 12월 기준으로 100개의 기업이 가입해 있으며, 각 공급 업체가 규격에 맞는 제품을 제조한 후 얼라이언스에서 지정하는 실험실에서 규격 인증 및 상호운용성 인증 시험을 통과하면 Wi-SUN™을 사용할 수 있다. 현재 IEEE 802 무선 통신 표준화 문서내용은 장비 제조 시 반드시 탑재해야 하는 필수 표준이며, 이외에 많은 옵션 사양과 표준도 존재한다.


그림 1. Wi-SUN 통신 적용 사례 〈출처: 로옴〉

Wi-SUN, 연합 중심으로 확장 분위기 

Wi-SUN Alliance에서 제정하고 있는 4개의 애플리케이션은 FAN(Field Area Network), HAN(Home Area Network), RLMM(Resource Limited Monitoring and Management), 가스 미터링(Gas Metering) 등이다. Wi-SUN Alliance는 마케팅 위원회(Marketing Committee: MC), 기술운영 위원회(Technical Steering Committee: TSC), 시험 및 인증 위원회(Test and Certification Committee: TCC)로 구성돼 있다. MC는 미래 시장 개척 및 홍보활동, 미래의 애플리케이션에 대한 표준화 항목을 기재한 마케팅 보고서를 발행하고 있으며, TSC는 워킹그룹(WG)을 설치해 각 애플리케이션을 실현하는 기술 규격을 제정한다.


▲ 그림 2. Wi-SUN Alliance의 조직도 〈출처: Wi-SUN Alliance〉

TSC에서 제정한 프로파일은 TCC로 보내져 규격 인증 시험 사양, 상호운용성 인증 시험 사양이 만들어진다. TSC 내의 WG는 각종 애플리케이션을 책정하는 프로파일(Profile) WG, 요소 기술에 대한 사양을 책정하는 도메인(Domain) WG가 있다. 또한 배터리 구동 등의 IoT 기기를 구동하는 데 필요한 전원 리소스가 제한되어 있는 환경에서 IoT 시스템의 실현 여부에 대한 사양을 책정하는 RLMM WG, 가스 미터용 무선 통신 규격을 책정하는 JUTA WG가 있다. 도메인 WG는 물리 계층을 검토할 PHY WG, 데이터링크 계층을 고려하는 MAC WG가 있다.

▲ 표 1. Wi-SUN Alliance가 제정한 애플리케이션

응용 프로그램

HAN 

FAN

PLMM

가스 미터

네트워크 계층

PANA

UDP

IPv6

6LowPAN

L2 relay

802.1x

UDP

RPL

IPv6

6LowPAN

802.15.10

U-BUS

데이터 링크 계층

IEEE 802.15.4/4e

CSMA

CSMA

CSMA/RIT/LE-SF

RIT

물리 계층

IEEE 802.15.4g 기반 PHY


표 1〉을 살펴보면, HAN과 FAN의 가장 큰 차이는 주요 애플리케이션의 응용 범위의 옥내외 여부다. OSI모델의 첫 번째 계층인 물리 계층은 IEEE 802.15.4g를, 두 번째 계층인 데이터 링크 계층은 IEEE 802.15.4/4e를 사용한다. 네트워크 계층은 IETF에서 표준화한 IPv6 및 UDP가 사용되고 있다. 이는 상대적으로 긴 프레임을 지닌 IPv6를 프레임이 짧은 IEEE 802.15.4에서 전송하는 데이터 링크 및 네트워크 계층 사이에 적응계층을 마련한 것인데, 이는 IPv6의 헤더 압축 및 패킷조각을 전송하는 역할을 한다. 

Wi-SUN은 현재 HAN, FAN과 함께 IETF 표준인 6LowPAN을 이용하고 있으며, HAN·FAN과 함께 멀티 홉(Multi-Hop)에 의한 다단 중계를 통해 통신 거리를 확장하고 있다. RLMM은 주로 농업, 방재 등 전원 공급이 충분하지 않는 환경에서의 IoT 실현을 목표로 하고 있다. RLMM의 물리 계층, 데이터 링크 계층은 HAN이나 FAN과 마찬가지이나 데이터 링크 계층은 IP를 사용하지 않는 non-IP 형식의 IoT를 지향하고 있다. 멀티 홉도 데이터 링크 계층에서 수행하는 데, 이를 레이어 2 라우팅(Layer 2 Routing: L2R)이라 부른다. RLMM WG에서 논의되는 L2R 방식 중 표준화된 것은 IEEE 802.15.10이 있다.

가스 미터용 Wi-SUN은 도쿄가스공사가 주도적으로 도입을 검토하고 있는 가스 미터용 스마트 계량 시스템인 U-BUS를 기반으로 하고 있다. 물리 계층은 IEEE 802.15.4g, 데이터 링크 계층은 IEEE 802.15.4e에서 표준화한 RIT(Receiver Initiated Transmission)를 채용하고 있다. Wi-SUN으로 규격 인증 시험 및 상호운용성 인증 시험을 실시해 인증하는 것은 2개 층까지이며, 데이터 링크 계층보다 위층(네트워크 계층)은 자체사양으로 되어 있다.


▲ 그림 3. Wi-SUN 구성도 〈출처: Wi-SUN Alliance〉

Wi-SUN HAN

그럼 Wi-SUN HAN에 대해 구체적으로 살펴보자. Wi-SUN HAN은 크게 차세대 스마트 미터와 주택 내의 에너지 관리 시스템(HEMS: Home Energy Management System) 사이의 통신 규격이다. 다른 하나는 HEMS와 가전, 태양 전지, 축전지 등 기기 사이의 통신 사양이다. 이 통신 사양은 HEMS와 기기 사이를 일대다로 연결하는 단일 홉 HAN과 에어컨의 실외기와의 연결 등을 고려해 범위를 연장하는 릴레이 기능 및 배터리 구동 기기와 같은 에너지 전력을 위한 절전 모드 등의 기기에 대처할 수 있는 기능을 탑재한 확장된 HAN(exHAN: Extended Han)이 있다.


▲ 그림 4. Wi-SUN HAN 개념도 〈출처: Wi-SUN Alliance〉

단일 홉 HAN 및 exHAN용 프로파일에서 물리 계층과 데이터 링크 계층은 IEEE 802.15.4,15.4g/4e 표준에서 필수 규격 부분과 선택된 옵션 사양으로 구성된다. 인터페이스(네트워크, 전송 계층)는 Wi-SUN에서 국제 표준화를 바탕으로 독자적으로 제정한 것이며, 각각 IETF 표준의 6LowPAN, IPv6 TCP, UDP PANA가 채용되고 있다. 애플리케이션은 단일 홉 HAN, exHAN과 함께 에코넷 컨소시엄이 제정한 ECHONET Lite 애플리케이션으로 작동시킨다.

Wi-SUN FAN 

Wi-SUN FAN은 스마트 미터링, 배선 자동화를 실현하는 스마트 그리드 및 인프라 관리, 지능형 교통 시스템, 스마트 조명 등을 위한 것이다. 이 시스템에서는 주로 야외에 설치된 센서, 미터, 모니터 등에서 얻은 데이터를 클라우드로 전송하게 되며, 필요에 따라 클라우드에서 센서, 미터, 모니터 등을 제어할 수 있다. Wi-SUN FAN의 물리 계층과 데이터 링크 계층은 IEEE 802.15.4, 15.4g, 15.4e 표준 규격에서 필수 규격 부분과 선택 사양으로 구성했다.


▲ 그림 5. Wi-SUN FAN 사용 사례 〈출처: Wi-SUN Alliance〉

이 중 데이터 링크 계층은 IEEE 802.15.4, 15.4e와 IE(Information Elements) 확장 버전으로 구성되어 있어 주파수 호핑, 근접 IoT기기의 탐색(Discovery)과 연결(Join), 프로토콜 디스패치(IEEE 802.15.9) 등에 대응하고 있다. 

네트워크와 전송 계층은 IETF 표준인 6LowPAN, IPv6, ICMPv6, UDP, TCP를 채용하고 있다. 멀티 홉으로는 IETF 표준화인 RPL(IPv6 Routing Protocol for Low power and Lossy network)을 채용하고 있다. 옵션으로는 미국 TIATR-51에서 표준화한 ANSI 4957.210(Mesh Under Routing)에도 대응하고 있다.

Wi-SUN FAN의 인증 방식은 Wi-Fi에 도입돼 성능이 입증된 IEEE 802.1x와 EAP-TLS, PKI를 사용하고 있으며, 그룹 키 관리를 위해 IEEE 802.11i를, 옵션으로 노드 투 노드 키 관리를 위해 ETSI-TS-102-887-2를 사용한다. 이러한 기능을 사용해 Wi-SUN FAN은 유니캐스트(Unicast) 또는 멀티캐스트(Multicast) 포워딩을 지원하고 있다.Wi-SUN FAN의 가장 큰 특징은 네트워크와 전송 계층이 Wi-Fi 시스템과 매우 친화성이 높다는 점이다.


▲ 그림 6. Wi-SUN FAN 구성 〈출처: Wi-SUN Alliance〉

점차 확산되고 있는 Wi-SUN 

현재 Wi-SUN HAN의 B노선용은 일본에서 TTCJJ300.10 방식 A로 채용되고 있으며 일본의 전력회사들에서도 채용이 결정된 상황이다. 한편 싱글 홉 HAN은 지정된 시험 연구소에서 이제 막 인증 시험이 시작되고 있다. 이와 관련해 확장 HAN 규격 인증, 상호운용성 인증을 위한 시험 사양이 제정됐고, 인증 시험을 위한 측정 기기의 개발도 진행되고 있다.

많은 IoT 무선 통신 규격이 존재하지만, 대부분은 국제 표준화가 되지 않은 것들이다. 이러한 개인 혹은 특정 기업에서 소유한 시스템은 수백만 이용자를 지닌 스마트 미터링 시스템에 도입되기가 어렵다.

이는 단독 공급 업체로 시스템을 공급하게 될 경우, 네트워크에 문제가 발생한다면 대안을 찾기가 어렵기 때문이다. 따라서 일반적으로 공공설비 관련 기업은 개방형 사양을 통해 여러 공급 업체의 납품을 기본으로 삼고 있다. 또한 일부 무선 통신은 홉 없이도 수 km까지 데이터를 전송할 수 있지만, 이들 중 대부분은 전송 속도가 수 kbps에 불과하다.

이러한 방식은 단순히 센서에서 발생하는 데이터 수집에는 용이할 수 있지만, 클라우드 측면에서 무선 기기 제어가 필요하거나, 무선 기기의 결함이 발생하거나, OTA(Over the Air: 무선 통신 시스템에서 시스템 등록에 관한 정보를 송수신하기 위한 표준)에 의한 소프트웨어 업데이트가 필요할 경우 너무 오랜 시간을 소요할 수밖에 없다.

Wi-SUN Alliance가 일본에서 태동했기 때문에, 일본에서 Wi-SUN을 채용하는 경우가 많은 것이 사실이다.
그렇다고 해서 해외에서 Wi-SUN을 전혀 사용하지 않는 것은 아니다. 싱가포르 EMA는 Wi-SUN FAN을 기반으로 하는 스마트 미터링 시스템의 정유시설 고도화 사업(CFP)를 추진하고 있다.

지난해 12월, Wi-SUN Alliance는 Wi-SUN FAN을 활용하는 데 적합한 IEEE 802.15.4u 물리 계층 RF 사양의 상호운용성 검증을 인도에서 실시해 성공적으로 완료했다고 발표했다. 이와 관련해 필 비처(Phil Beecher) Wi-SUN Alliance 회장은 "Wi-SUN은 인도 전역에 걸쳐 상호운용 무선 메시 솔루션 업계를 선도하고 있다. Wi-SUN Alliance는 멀티 벤더 상호운용성을 위해 노력하고 있고, 이를 통해 인도 내 스마트 시티와 IoT 구축을 위한 향상된 데이터 전송 속도, 성능, 강건성, 보안을 지원하는 제품들을 더욱 많이 제공할 수 있게 될 것"이라고 말했다.

미국 이트론(Itron)의 OpenWay Riva™ 적응형 통신기술은 2015년 Wi-SUN PHY 인증을 획득한 후 IEEE 802.15.4g 무선 통신을 사용하는 장치와의 상호운용성을 검증한 데 이어, 2017년 1월 30일에는 이트론이 Wi-SUN Alliance와의 상호운용성 강화를 위해 지원과 홍보를 아끼지 않겠다고 공식 발표한 바 있다.

RLMM은 L2R 표준을 제정하고 있는 IEEE 802.15.10의 마지막 표준으로, Wi-SUN의 TSC에서 TCC로 보내져 규격 인증, 상호운용성 인증 시험 규격이 제정될 수 있다. JUTA도 마지막 표준을 제정 중이며, RLMM과 마찬가지로 TCC에서 규격 인증, 상호운용성 인증 시험 규격이 제정된다.

이처럼 스마트 미터링, 스마트 시티에 Wi-SUN FAN을 도입하는 사례가 점차 증가하고 있으며, 스마트 시티, 스마트 그리드 시장의 성장에 힘입어 그 속도가 더욱 빨라질 것으로 전망된다.

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