사물인터넷 전용망 기술 동향
  • 송지환SW기반정책·인재연구실 책임연구원
날짜2017.03.02
조회수21612
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  • 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