5G 통신 시대, 셀룰러 LPWAN 기술 앞으로도 계속해서 성장

IoT 애플리케이션이 폭발적으로 증가하는 것에 따라서 이를 뒷받침하기 위한 무선 기술들 또한 늘어나고 있다. 계속해서 기술이 업데이트되고 기능이 추가되고 있어서 변화를 쫓아가기도 벅찬 실정이다. 이 글에서는 새로 등장하는 것과 기존에 자리잡고 있는 것을 비롯해서 IoT 용으로 다양한 무선 기술들을 개요적으로 살펴보고자 한다.



블루투스 비콘

블루투스 5는 2016년 12월에 발표되었다. 이 표준은 블루투스 저에너지(BLE) 모드를 포함하며, 선택적인 새로운 인터페이스를 도입함으로써 데이터 레이트를 2Mbps로 두 배로 높이게 되었다. 빠른 전송을 위해서 저에너지 모드로 더 높은 송신 전력(20dB 이상)이 필요하게 되었다. 그러면서도 전반적으로 전력을 절약한다. 데이터를 전송하기 위해서 훨씬 더 짧은 시간이 걸리기 때문이다. 2Mbps 모드를 사용하려면 거리가 줄어들 수 있으나, 블루투스 5는 이론적인 거리가 블루투스 4.2 BLE에 비해서 거의 4배에 달하므로(최대 244미터), 이것만으로도 대단한 향상이라고 할 수 있다.

또한 이 표준은 비콘 성능을 크게 향상시킬 수 있게 되었다. 이전에는 데이터 페이로드가 31바이트로 제한적이었으나, 블루투스 5는 최대 255바이트/패킷에 달하는 페이로드를 지원한다. 그러므로 비콘으로 단일 브로드캐스트 메시지로 더 많은 정보를 전송할 수 있고, 이 정보를 액세스하기 위해서 사용자 디바이스가 앱이나 인터넷 접속을 사용할 필요가 없다.

또한 블루투스 5는 브로드캐스트 효율을 8배 향상시키므로, 훨씬 더 많은 디바이스들을 지원할 수 있다. 결과적으로 집안이나 상업용 자동화 시스템으로 비콘을 사용해서 전체적인 건물을 커버할 수 있다. 또한 블루투스 5는 저품질 비디오 및 오디오 스트리밍과 짧은 길이의 고용량 데이터(이미지 전송 등)를 지원할 수도 있다.

쓰레드 메쉬 네트워킹

쓰레드(Thread)는 견고한 IoT 인프라를 지원하도록 설계되었으며, 스마트홈에 사용하기 위한 표준으로서 개발되었다. 이 저전력 메쉬 네트워킹 기술은 진화가 다소 더디게 이루어져 왔다.

2014년에 설립된 쓰레드 그룹은 유수의 업체들을 끌여들이기는 했으나 시장에서 크게 탄력을 받지는 못했다. 지난해 8월에 Apple이 이 그룹에 합류했으며, 자사의 HomeKit 액세서리와 관련 디바이스들로 쓰레드를 포함시킬 것으로 알려졌었다. 하지만 지금까지 이에 관해서 어떤 소식도 나오고 있지 않다.

쓰레드 메쉬 접근법의 이점은, 한 노드가 실패하더라도 다른 노드들이 여전히 서로 연결할 수 있다는 것이다. 또한 다중 홉으로 250개 이상의 디바이스를 지원할 수 있고, 전력 효율이 매우 우수해서 AA 배터리로 수년 동안 지속될 수 있다. 그러므로 배터리 구동 디바이스들로 형성된 쓰레드 네트워크는 전원이 중단되더라도 계속해서 동작할 수 있으며, 이 점은 보안이나 모니터링 애플리케이션을 위해서 중요하다. 쓰레드의 모든 전송은 저전력 디바이스에 적합하게 단-대-단으로 암호화된다. 지그비와 Z-Wave도 AES 암호화를 포함한다. 하지만 쓰레드는 뱅킹 급의 공용키 암호화를 사용한다.

지난 1월에 지그비 얼라이언스와 쓰레드 그룹은 Dotdot 1.0 표준과 Dotdot-over-Thread 인증 프로그램 개발을 마무리지었다. 이러한 시도는 경쟁 관계인 두 네트워크를 상호운용 가능하게 하고 분열적인 홈 오토메이션 시장으로 더 많이 채택되도록 하기 위한 것이다. 2월에는 Nest가 Alphabet의 “Other Bets” 사업부들 중에서 최초로 Google에 다시 합류해서 Pixel 스마트폰과 Google Home 스피커를 제조하는 하드웨어 부문으로 편입되었다.

이러한 움직임에 대해서 이 부문 책임자인 Rick Osterloh는 “이것은 Nest의 임무를 더 잘 완수하도록 하기 위한 것이다. 그 임무는 바로, Google의 인공지능과 어시스턴트를 활용해서 집을 좀더 지능적인 공간으로 만드는 것”이라고 말했다.

쓰레드의 목표는 구글 어시스턴트 같은 중간적인 허브가 필요 없이 디바이스들이 서로 통신할 수 있도록 하는 것이다. 그럼에도 불구하고 계속해서 이 조합에 속해 있을 것이다. 그러는 편이 여러 모로 유리하기 때문이다. Nest(쓰레드를 직접적으로 지원하는 몇 안 되는 제품들 중에서 2개 제공)는 쓰레드, 와이파이, 블루투스를 조합적으로 사용해서 디바이스들과 통신한다. 실제로 쓰레드를 포함하는 제품은 손에 꼽을 정도이다. 802.15.4 프로토콜에 기반한 디바이스이면 어느 것이나 소프트웨어를 다운로드해서 쓰레드를 지원할 수 있기 때문이다.

LoRaWAN

LoRa는 “long range”를 뜻하는 것으로서, LoRaWAN은 대부분의 비-셀룰러 저전력 광대역망(LPWAN) 프로토콜들과 마찬가지로 ISM(산업, 과학, 의료) 스펙트럼 대역으로 동작한다. 이 주파수 대역은 전세계적으로 이들 분야에 종사하는 기관들이 사용하도록 확보된 것으로서, 비인가로 사용할 수 있고, 모바일 통신 네트워크로부터 간섭을 피할 수 있다. 대표적인 애플리케이션으로서 자산 추적, 유통 사슬, 농업, 스마트 시티, 지능형 빌딩, 홈오토메이션, 스마트 미터링을 들 수 있다. 디바이스들을 배터리를 사용해서 실행할 수 있으므로 설치를 위해서 배선이나 전원 소스가 필요하지 않다. 배터리로 최대 20년까지 지속할 수 있다.

LoRa Alliance가 LoRaWAN 프로토콜을 정의 및 업데이트하는 것을 관할하고 디바이스와 네트워크들 사이에 상호운영이 가능하도록 한다. 비영리 협의체로서, 500곳 이상의 회원사가 참여하고 있다. LoRa Alliance에 따르면, 2018년에 LoRa 구축이 60% 이상 증가했으며 지난 해에 거의 8천만 개에 달하는 LoRa 가능 단말 노드가 설치되었다고 한다.

LoRaWAN은 빌딩에 주로 많이 사용된다. 두터운 건물 소재를 통과할 수 있어서 지하층이나 여타의 지하 공간으로 도달할 수 있고 전송 거리가 최대 10킬로미터에 이르기 때문이다. 또한 AES-128 암호화를 포함함으로써 와이파이보다 보안적이고, 와이파이보다 더 적은 수의 게이트웨이를 필요로 한다(단일의 게이트웨이가 빌딩이나 지하 주차장 전체에 걸친 전체적인 IoT 시스템을 커버할 수 있기 때문이다).



또한 LoRaWAN은 패킷을 인코딩해서 여러 주파수 채널과 데이터 레이트를 사용하므로, 메시지들이 충돌할 가능성을 낮춘다. 그러므로 게이트웨이 용량을 높인다. 또한 한 게이트웨이가 수백만 개의 메시지를 지원할 수 있으므로, LoRaWAN은 동시에 다수의 사용자들을 지원해야 하는 공용 네트워크 사업자에게 적합하다.

어떤 이들은 LoRaWAN 스택이 Semtech의 칩셋에 주로 의존하므로 공개 시스템이 아니라고 말하기도 한다(Semtech이 2012년에 프랑스 회사인 Cycleo로부터 이 기술을 사들였다). 많은 LPWAN 프로토콜의 독점적 성격은 장기적으로 불리하게 작용할 수 있으며, 이제는 셀룰러 IoT 기술들이 시장에서 기반을 넓히고 있다. 셀룰러 기술들은 거대 통신 회사들이 개발한 것으로서, 그 뒤에 이들 기업의 힘(과 확장적인 글로벌 인프라)이 자리잡고 있다.

LTE-M

LTE(Cat-M1)을 간단히 줄여서 LTE-M이라고 한다. LTE 기반 프로토콜로서 최초로 저전력 저비용 IoT 애플리케이션 용으로 설계된 것으로서, (20MHz가 아니라) 1.4MHz 스펙트럼을 사용한다. 평균적인 업로드 속도는 200kbps~400kbps이다. 20dBm의 송신 전력을 사용해서 배터리가 최대 10년까지 지속할 수 있다. 노드들이 절전 모드(PSM)로 딥 슬립 상태가 될 수 있으며, 그러면서도 계속해서 네트워크에 등록되어 있고 주기적으로 기동할 수 있다. 이것을 확장 불연속 수신(eDRX)이라고 한다.

현재 다수의 LTE-M 산업용 IoT 활용 사례들을 시험하고 있다. 이러한 것으로서 커넥티드 카, 차량/자산 관리, 스마트 팔레트, 컨테이너 모니터링, 스마트 매대를 들 수 있다. 어떤 애플리케이션은 디바이스들이 하루에 여러 번 전송하고, 또 어떤 애플리케이션은 디바이스들이 하루에 한 번만 전송할 수 있다. 또 어떤 애플리케이션은 사전에 지정된 온도처럼 지정된 임계에 도달할 때만 기동할 수 있다.

단말 디바이스가 게이트웨이가 필요 없이 네트워크에 연결하므로, 비용을 낮출 수 있다. 또한 사업자들이 안테나를 교체할 필요 없이 소프트웨어를 업데이트하기만 하면 된다. 더 좁은 대역폭으로 반이중으로 동작하므로 칩을 더 저렴하게 제조할 수 있으므로, 전기능 LTE 디바이스에 비해서 단말 디바이스의 가격대를 낮출 수 있다. 서비스 요금 또한 더 저렴하다. 이것은 비트 레이트가 낮고 주기적인 트래픽이 더 적은 네트워크 용량을 차지하기 때문이다. 대안적인 구현 방식으로서, 백홀로 LTE-M을 사용한 자산 추적 애플리케이션으로 블루투스 같은 근거리 접속을 사용할 수 있다.

NB-IoT

NB-IoT(Cat-M2)는 LTE-M과 비슷한 용도인데, GSM 및 LTE 네트워크 내에서 저대역폭 신호를 사용해서 통신한다. 이를 위해서 특정한 시점에 사용되61지 않는 대역폭을 활용한다. 가능한 애플리케이션으로서 스마트 주차, 가축 추적, 스마트 미터링, 소매, 자판기, 화재 센서, 스마트 조명 같은 것을 들 수 있으며, 오염, 토양 산성도, 수분을 모니터링하는 것도 가능하다. LTE-M과 비교해서 NB-IoT의 장점은, 더 높은 데이터 레이트를 지원하고 더 우수한 이동성이 가능하다는 것이다. 또한 네트워크를 통해서 음성을 전송하는 것이 가능하다. 그러려면 더 높은 대역폭을 필요로 하고 비용이 훨씬 더 든다.

5G가 가져올 미래

LTE-M과 NB-IoT는 앞서 등장한 비-셀룰러 기술들에 비하면 최근에 등장한 것들이나, 현재 빠른 속도로 진화하고 있다. 5G 통신 시대를 맞아서 셀룰러 LPWAN 기술들이 앞으로도 계속해서 성장할 것이라고 GSMA는 말한다. 5G는 이전 세대 모바일 기술들처럼 단지 또 하나의 새로운 기술이 아니라 “네트워크들의 네트워크”를 형성할 것이다. 셀룰러 LPWAN 기술들은 5G를 지원하고 5G와 함께 공존할 것이다.

글로벌 표준 LPWAN과 5G를 결합하는 것은 마케팅 측면에서 좋은 전략이며 연속성에 대한 개념을 강화할 것이다. 다시 말해서 이러한 네트워크들이 앞으로 수십 년 동안 계속될 것이라는 인식을 심어줄 수 있는 것이다.

ABI Research에 따르면, 셀룰러 및 비-셀룰러 LPWAN 연결이 2023년까지 53%의 CAGR로 성장할 것이라고 한다. 주된 성장 동력은 스마트 미터와 자산 추적을 들 수 있다(둘 다 5G를 필요로 하지 않는 것이다). 하지만 이 시기 이후부터는 비-셀룰러 LPWAN이 점점 쇠퇴하고 NB-IoT와 LTE-M이 전체 연결의 약 55%를 차지할 것이라고 한다. 그렇더라도 비-셀룰러 기술에 대한 신뢰가 갑자기 추락하지 않는 한은 이 기술들이 수 년 간은 셀룰러 IoT 네트워크와 함께 사용될 것이다.

진보된 셀룰러 기술이 IoT로 어떻게 영향을 미칠지 정확하게 예측하기는 어렵다. 많은 IoT 애플리케이션은 5G의 높은 성능과 (적어도 초기에) 비싼 요금을 필요로 하지 않는다. 하지만 자율 자동차 같은 경우에는 극히 낮은 지연시간과 네트워크 슬라이싱을 통한 유연성을 매우 중요하게 요구한다. 현실성 있는 활용 사례를 개발하는 것이 중요하며, 모든 기술들이 그렇듯이 과대 선전되고 있는 것들이 현실로 실현되기까지는 어느 정도 시간이 걸릴 것이다.