Technology Trend of Dedicated IoT Network

■ 사물인터넷의 다양한 활용으로 인터넷에 접속되는 기기의 수 급증
■ 스마트시티, 원격검침 등 저전력 장거리 통신이 필요한 서비스 증가로 이러한 특징을 갖는 무선 네트워크 필요성 증가
■ 국내의 경우 이동통신사 중심의 저전력 장거리 통신망 구축은 사물인터넷 시장 성장의 견인차 역할 예상
■ 기업들은 자신의 사물인터넷 서비스에 적합한 네트워크 서비스를 선택함으로써 서비스 품질 향상과 비용 절감 가능

■ The number of devices connected to the Internet is explosively increasing with the various uses of IoT
■ Low-power wide area network will be more required due to the growing service based on such network for as smart city, smart metering etc.
■ In Korea, mobile carriers would help the IoT market grow bigger by their constructing the infrastructure for low-power wide area network
■ Companies can improve service quality and reduce costs by choosing proper network services for their own IoT service

□ 사물인터넷 전용망 소개

● 사물인터넷은 네트워크 연결이 반드시 필요

- 사물인터넷(Internet of Things, IoT)이란 전자 장치, 소프트웨어, 센서, 액추에이터, 네트워크 장치가 내장되어 데이터를 수집/교환할 수 있는 기기의 상호 네트워킹을 말함(1)
- 스마트 미터링, 헬스케어 모니터링, 영상감시 등 응용 분야에 따라 IoT가 요구하는 네트워크 특성은 각각 다름 <그림 1 참조>

• 어떤 기기가 한 달에 한 번 10 KB 이하의 데이터를 주고받는다고 가정하면, LTE와 같이 전송속도가 빠르고 가격이 비싼 네트워크를 사용하는 것은 낭비

→ IoT 응용분야에 적합한 네트워크를 사용해야 함

<그림 1> IoT 응용분야별 전송 빈도수와 데이터양

- 전파의 도달 가능 거리와 데이터 송수신 용량에 따라 무선 통신망을 WLAN, WPAN, WWAN, LPWAN으로 구분할 수 있음 <그림 2 참조>

• (WLAN, Wireless Local Area Network) Wi-Fi가 대표적, 근거리에서 대용량 데이터를 주고받을 때 적합, 전력 소모량 많음
• (WPAN, Wireless Personal Area Network) Bluetooth, ZigBee, Z-Wave 등이 대표적, 근거리 기기 간 통신에 적합
• (WWAN, Wireless Wide Area Network) 3G, LTE와 같은 셀룰러 네트워크에 해당, 빠른 속도의 원거리 통신에 적합, 배터리 소모가 많고 하드웨어 가격이 비쌈
• (LPWAN, Low Power Wide Area Network) 작은 크기의 데이터를 주고받는 저전력, 원거리 통신에 적합한 무선 통신망, 최근 이러한 특성을 만족하는 새로운 기술인 LoRa, SigFox, LTE-M, NB-IoT 등 출현, IoT 전용망이라고도 불림

<그림 2> 주요 통신망의 전파 도달 거리 및 데이터 처리 용량

● LPWAN에 해당하는 새로운 통신 기술 출현, IoT 전용망으로 각광

- 저전력 장거리 네트워크, 즉 LPWAN는 표 1과 같은 특성과 목표치를 가짐

<표 1> 저전력 장거리 네트워크(LPWAN)의 특성과 목표치

- 그림 3과 같은 저전력 장거리 통신에 적합한 위치 추적, 원격검침, 스마트농업, 환경, 스마트시티 등의 IoT서비스 증가로 LPWAN 접속기기는 2025년까지 대략 70억 개에 이를 것으로 예상(2)

<그림 3> LPWAN 사용 예

- 이로 인해 IoT 네트워크 사용량 중 LPWAN 비중은 다른 네트워크 사용량을 빠르게 추월할 것으로 전망, 대략 2024년부터 LPWAN이 IoT 연결의 가장 지배적인 수단이 될 것으로 추정 <그림 4 참조>

<그림 4> IoT를 위한 무선 커넥티비티 예측

- 가트너는 2020년 LPWAN로 인한 산업 규모만 2,100억 달러, 한화 약 253조 원이 넘을 것으로 전망(3)

□ 국내외 LPWAN 기반의 IoT 전용망 현황

● IoT 전용망은 크게 非 3GPP 기술과 3GPP(4) 기술로 구분 <표 2 참조>

- (非 3GPP 기술) 비면허 주파수 대역(5)을 사용하여 LoRa, SigFox 등이 대표적, 전파 도달 거리가 15 km 이상이며 전력 사용이 극도로 낮음, 통신 모듈 가격과 사용료가 낮음
- (3GPP 기술) 기존 셀룰러 주파수 대역(면허 대역)을 사용할 수 있도록 3GPP가 제안, 기존 LTE 망을 그대로 활용 가능하며 LTE-MTC, NB-IoT 등이 해당, 통신 모듈 가격과 사용료가 LoRa 등에 비해 높음

<표 2> 주요 LPWAN 기술

● 국내의 경우 비면허 대역 기술(非 3GPP)인 LoRa와 셀룰러 대역 기술(3GPP)인 LTE-M, NB-IoT가 이동통신사를 중심으로 경쟁
● (LoRa) 비면허 주파수 대역을 사용하는 대표적 LPWAN 기술

- LoRa Alliance(7)가 2015년 발표한 개방형 표준 LoRaWan R1.0을 따름
- 전송속도는 10 Kbps 수준, 전력 소모가 적어 배터리 교체 없이 10년 이상 사용 가능, 통신 모듈 가격($5 이하)과 사용료($1/년 이하)가 매우 저렴
- 기존 이동통신망을 그대로 사용할 수 없기 때문에 새로운 망구축이 필요, 비면허 대역의 주파수를 사용하기 때문에 주파수 간섭이 발생할 수 있음 (채널을 바꾸는 등의 기술로 보완)

● (LTE-M) LTE 망을 사용하는 3GPP의 LPWAN 기술

- LTE-M은 LTE-MTC(Machine-Type Communication)의 줄임말로 3GPP가 정의한 UE(8) Category1, Category0, Category-M에 해당하는 기술
- LTE-M Cat1은 3GPP Release 8에서 발표되었으며 Cat0와 Cat-M은 각각 Release 12와 13에서 발표됨
- (LTE-M Cat1) 배터리 사용량을 줄이기 위해 단말 단에 안테나를 2개만 장착, 대역폭은 20 Mhz이며 전파 도달 거리는 대략 10 km 미만으로 다운로드 10 Mbps, 업로드 5 Mbps의 전송속도를 가짐 (음성과 저화질 동영상 전송 가능)
- (LTE-M Cat0) 전송속도는 1 Mbps이며 주파수 대역폭은 20 Mhz 활용하고 단말 단에 안테나를 1개만 장착, 동시 송수신이 불가능한 반이중통신을 하며 전력 소모를 줄이는 PSM(Power Saving Mode) 기능이 적용됨 (PSM 기능은 Cat1에도 추후 적용됨)
- (LTE-M Cat-M) Cat-M1으로도 불리며 Cat0과 동일한 전송속도(1 Mbps)를 제공하면서도 주파수 대역폭은 1.4 Mhz만을 활용, Cat0에 비해 배터리 사용 기간은 더 길고 통신 모듈 가격과 사용료가 더 낮음, 이로 인해 Cat0의 수요가 매우 낮을 것으로 예측

● (NB-IoT) LoRa 수준까지 대역폭을 낮춘 3GPP의 LTE 기반 LPWAN 기술, LTE-M Cat-M2라고도 분류됨

- 전력 사용량을 더욱 줄이기 위해 주파수 대역폭 200 Khz로 더욱 줄이고 전송속도 역시 144 ~ 200 kbps로 낮춤
- 협대역 사용으로 전용 대역과 LTE 대역뿐만 아니라 보호 대역(9)까지 활용 가능 <그림 5 참조>

<그림 5> NB-IoT에서 사용 가능한 주파수 대역

- NB-IoT는 하나의 셀에 최대 5만 개의 기기를 연결 가능하며 배터리 사용 기간은 10년 이상이 될 수 있도록 개발되었으며 전파 도달 거리는 15 km 정도임

□ 시사점 및 결론

● 일상의 다양한 기기에 인터넷이 연결되는 사물인터넷의 활용 증가로 저전력 장거리 네트워크(LPWAN)에 대한 수요가 빠르게 증가
● 국내 LPWAN은 비면허 대역을 중심으로 한 기술(LoRa)과 셀룰러 대역의 기술(LTE-M, NB-IoT)이 각축 중
● LoRa의 통신 모듈의 가격이 LTE-M보다 저렴하나 데이터 전송 속도는 LTE-M이 유리
● 서비스의 특징을 고려하여 가장 적당한 IoT 전용망을 고려하는 것이 중요, IoT 시장에 진입을 원하는 사업자는 무선 네트워크의 특징을 적절히 고려하여 비즈니스 모델을 구현해야 함
● 정부는 사물인터넷 시장이 빠르게 성장할 수 있도록 민간의 IoT 전용망 구축에 적극적인 지원 필요.

(1) 출처 : https://en.wikipedia.org/wiki/Internet_of_things
(2) 정보통신정책연구원(2016), 「사물인터넷(IoT) 접속기술 동향 및 시사점」
(3) http://www.nextdaily.co.kr/news/article.html?id=20161207800018
(4) 3rd Generation Partnership Project, 세계이동통신표준화협회
(5) 이 주파수 대역은 정부의 허가 없이 누구나 자유롭게 사용할 수 있음, 따라서 상호 간섭을 용인하기 때문에 간섭의 최소화를 위해 소출력을 기본으로 함
(6) Rel.12에서 제안된 Power saving mode로 최근 Cat1에 추가로 적용됨
(7) 2015년 초 IBM과 셈테크(Semtech), 액틸리티(Actility), 마이크로칩(Microchip), 네덜란드 1위 이동통신 사업자 KPN, 스위스 1위 이동통신 사업자 스위스콤(Swisscom) 등 유럽의 주요 이통사 등 다양한 사업자가 모여 구성
(8) User Equipment의 약자로 Category별로 지원하는 성능 스펙이 상이함
(9) 영어로 가드밴드(guard band)라고 하며 주파수 대역과 대역 사이에 간섭을 줄이기 위해 떼어 두는 대역을 말함

월간SW중심사회 2017년 2월호