가. 상수도 원격검침 통신 기술동향
□ 저전력 광역통신망 개요
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저전력 광역 무선네트워크(LPWAN)는 “Low Power Wide Area Network”로 사물인터넷 디바이스들을 위한 이동통신망으로, 저전력 광역 무선네트워크 기술은 말 그대로 저전 력 광역 무선 네트워크 제공. 보통 10년 이상의 긴 배터리 수명을 갖고, 수 km~ 수십 km의 도달거리로 넓은 커버리지를 제공하며 값싼 설치비용의 장점을 가진 기술임. 또 한, 저전력 광역 무선 네트워크 기술은 기지국당 수백 bps~수백 kbps 정도의 통신 속 도를 제공하는 특징이 있음[ 그림 2 - 66 ] 저전력 광역 무선네트워크의 특징
* 자료: KISA Report “Power Review,”,2015년 5월, 한국인터넷진흥원
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이러한 저전력 광역 무선 네트워크 기술은 낮은 전송속도, 저전력, 저사양의 조건에서 사용할 수 있기 때문에 온도, 습도, 무게, 위치 등 단순 정보를 측정하는 소형기기를 적 용할 수 있는 수도, 가스, 전기검침, 자전거 도난방지, 자산 관리 등에 활용될 수 있음.저전력 광역 무선 네트워크 기술은 크게 로라(LoRa), 시그폭스(Sigfox), 인제뉴(Ingenu) 등 면허 불필요 대역을 사용하는 기술과, LTE-M, NB-IoT, EC-GSM과 같이 모바일 기술
클라우드 플랫폼의 개방, LTE 모뎀 가격의 인하, 새로운 데이터 요금제 출시, 사업자인 증 기간 단축 등으로 서비스 가속화의 노력이 진행 중임
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그러나 셀룰러에 기초한 무선 커넥티비티 보다 비셀룰러 특히 LPWA에 기초한 무선 커 넥티비티 증가가 가장 커질 전망임. 아래 그림은 IoT를 위한 무선 커넥티비티 연결에 대한 예측으로, 2019년 경부터 LPWA 즉 광역 IoT에 의한 커넥티비티가 셀룰러 IoT에 의한 연결보다 많아지며, 점차적으로 증가하여 2024년경 상대적으로 가장 지배적인 커 넥티비티 수단이 될 것으로 추정됨[ 그림 2 - 67 ] IoT를 위한 무선 기술 융합 예측
* 자료: Machina Research, “Wide Area M2M Connections by Technology,” 2015.
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따라서 대량의 IoT 디바이스 연결에 대한 무선기술 융합의 재정의(redefining), 표준화, 그리고 활용방안에 대한 검토가 필요하며, 사업자가 많은 비용을 들여 투자해 놓은 기 존 셀룰러 시스템의 활용 및 연계를 통하여, 시너지를 낼 수 있는 방법에 대한 문제가 심도 있게 다루어지고 있음. 사물인터넷의 수많은 응용 분야의 무선 기술 융합 중에서 저전력 광역 커넥티비티 즉 LPWA가 가장 많이 필요하며 이같은 대량의 IoT를 위한 새 로운 표준이 필요한 것으로 전망되고 있음◦
IoT 시장은 수익면에서는 아직 셀룰러 기반의 수익대비 1/3 수준이지만, 2023년에34B 달러로 예측(Analysis Mason)되고 있고 급속히 증대될 것으로 예측되고 있으며, 현재의 셀룰러용 모듈은 음성과 멀티미디어 위주로 최적화 설계되었기 때문에, 대량의 사물인 터넷을 대상으로 하는 mIoT에는 적합하지 않음◦
따라서 여기에 적합한 새로운 기술과 표준이 필요하며, 광역 IoT 통신은 통신거리 최대 40km, 배터리 수명 10년 이상, 데이터처리율(Thought put) 수 kbps이하, 가격 2달러 이 하, 1년 사용료 1달러 이하, 소요 기지국수는 수 천개 디바이스 당 하나 그리고 빌딩 내, 지하에 침투성이 좋고 외곽지역까지 광역으로 통신이 잘 되는 시스템을 필요로 함특징 목표치 비고
통신거리 5~40km(개활지)
초 저전력 배터리 수명 10년 이상
데이터 처리율 약 수 Kbps
무선칩셋 가격 $2 이하
개별 가입 사용료 $1/년 이하
전송 지연 대부분 응용이 지연에 무관
서비스 반경을 위한 소규 기지국 수 수천 디바이스 당 하나 서비스 지역 및 침투 빌딩 내, 지하, 외곽 지역
[ 표 2 - 44 ] LPWAN 목표
* 자료: P.R.Egli, “LPWAN,” 2015,INDIGO.com, Linklabs, “Low Power, Wide Area Networks,” 2015.
□ 최신 LPWAN 기술동향(LoRa, NB-IoT, Wi-SUN, Sigfox)
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LoRa∘ 초기 단계에 있긴 하지만 LoRa Wide Area Networks (LoRaWAN)는 이미 전 세계 통신 회사와 스마트 서비스 제공업체들 사이에서 통용되는 기술로 받아들여지고 있음.
LoRaWAN 네트워크는 현재 50개국 이상에서 운영되고 있으며 매 분기 더 많은 국가로 확장되고 있음. LoRa 기술의 다양한 장점으로 인해 향후 5년 동안, 비선진국을 비롯한 많은 국가들이 추가로 LoRa 기술로 전환할 것으로 전망됨.
∘ Semtech에서 설계한 Chip 기반 스펙트럼으로 만들어진 LoRa는 원활한 양방향 통신을 제공됨. (대부분의 LoRa 경쟁 기술은 단방향만을 지원함). 비면허 저주파 대역이 사용되 기 때문에 비용은 최소화되면서 커버리지 성능이 우수하며, LoRa 칩셋을 탑재한 기기는 일반적으로 배터리 수명이 8 ~ 10년에 달해 전력 요구량이 매우 낮음
∘ LoRaWAN 프로토콜은 네트워크 성능과 배터리 성능을 모두 향상시키는데, 이는 Adaptive data rate 알고리즘 덕분이며, 데이터는 LoRa의 양방향 기능을 이용해 방송될 수 있으며 암호화(128 AES 암호화)는 세 가지 다른 레벨 (애플리케이션, 네트워크, 기 기)에서 사용할 수 있고, IoT를 위한 빠르고 안정적이고 안전하며 값싼 무선 표준, 이 바로 LoRa가 갖고 있는 잠재력임
∘ 도시 지역의 경우에는 10km 정도에서, 교외/시골 지역의 경우에는 30km 이상까지, LoRa와 다른 셀룰러 네트워크의 커버리지 크기에는 분명한 차이가 존재함. LoRa 기술 은 전통적인 메쉬 인프라 대신 'star-on-star 토폴로지'로 구축되며, 전체 수명 기간에 걸
∘ LoRa는 WiFi, 셀룰러 데이터 및 블루투스 기술이 가장 많이 사용되는 있는 consumer-IoT에 가장 적합한 기술은 아니나 대규모 운영과 스마트 시티 창출을 위한 업무 관리 용도라면 Semtech의 플랫폼이 가장 이상적인 대안 중 하나로, 상수도 원격 검침, 스마트 주차, 공공시설 관리, 애완동물 관리 및 스마트 가로등 모니터링, 스마트 폐기물 관리/처리, 오염 제어 및 에너지 절약, 농업, 건강 및 재해 예방 및 관리 등, LoRa는 다양한 활동 영역 및 응용 프로그램에서 채택 및 활용되고 있음. 한국의 통신 사업자인 SK 텔레콤은 2016년 7월 전체 인구의 99%를 커버하는 상용 LoRaWAN 네트 워크를 출시하였음
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NB-IoT∘ NB-IoT는 2016년 6월 Release 13에서 처음 표준화되었고 Release 14에서 계속 표준화 되고 있음. LoRa 상용 서비스에 비하여 일반적으로 표준화 후 1년 ~ 1년 반 후 서비스 가 상용화됨을 감안할 때 NB-IoT는 시장 진입에서 한발 늦고 있음. 또한, 기존 LTE 망 을 활용하여 NB-IoT 망을 구축하더라도 기존 시스템이 Release 13 NB-IoT 기능을 지원 하려면 추가 투자는 필요함
∘ NB-IoT는 LTE 진화 기능으로 면허 대역을 사용하는 만큼, 비면허 대역을 이용하는 LoRa에 비해 NB-IoT가 서비스 품질을 보장하고 보안이 강화되는 면이 강점임. SIM 기 반 인증으로 보안을 강화하였고, 음성 통화를 지원하여 응용 범위가 넓으며, LTE 기지국 외에 30만여 개의 중계기를 활용할 수 있어 실내, 지하 및 외곽지역에서도 서비스가 가 능함. 또한 기지국 출력을 3W 이상 낼 수 있어 최대 200mW인 LoRa에 비해 커버리지 가 넓으며, 셀 당 15,000개 기기 연결을 지원하는 대용량인 점도 사업성에 유리함
∘ NB-IoT 주요 기능으로는 10년 이상의 배터리 수명, $5 이하의 모듈, 7배 이상 확장된 커버리지를 들 수 있음. NB-IoT 사업 추진 방향으로, NB-IoT 사업은 크게 스마트 미터 링, 자산 관리, 어린이/노인 케어, 스마트 시티, 산업 IoT로 구분할 수 있음
NB-IoT 사업 Customer
스마트 미터링 유틸리티 (가스, 수도, 전기) Utility 사업자
자산관리 고가 장비, 개인의 차량/스마트기기/악기, 농작물, 신선식품 자산운용기업/개인 어린이/노인 케어 미아 방지 및 치매환자/노인/장애인 실종/배회 방지 보호기관/보호자
스마트 시티
시설 관리 (가로등, 주차장, 쓰레기통) 환경 감시 (공기질, 교량/하천 수위)
재난 감시 (산사태)
지자체/시민
산업 IoT
보안 (공장 폐쇄형 무선망, 공자 내 차량운행관리) 안전 (작업 환경/안전 관리)
환경 (공업 용수 계측, 누수 탐지) 물류 (차량 관제, 물류 창고 출입)
기업 [ 표 2 - 45 ] NB-IoT 사업
* 자료: Porter, Michael E, and James / How Smart, Connected Products Are Transforming Competition, 2014 Harvard Business Review
∘ KT와 LG U+와 NB-IoT 협력 방향으로 2016년 11월 초 KT와 LG U+는 NB-IoT를 조기 상용화를 위한 상호 협력을 발표하였음. 2017년 1분기에 공동으로 NB-IoT 망을 상용화 하고 칩셋, 모듈, eSIM, 단말 등을 공동 소싱하여 빠르게 생태계를 구축하고, 기술 표준 화와 글로벌 시장 확대를 공동 추진할 계획임
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Wi-SUN∘ 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 유도함
∘ Wi-SUN 기술을 주도하고 있는 Wi-SUN Alliance는 IEEE 802.15.4g의 표준화가 끝난 2012년 일본에서 설립된 비영리 단체로 현재 미국에 본거지를 두고 활동하고 있으며, 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 있음
∘ 2016년 12월 기준으로 100개의 기업이 가입해 있으며, 각 공급 업체가 규격에 맞는 제 품을 제조한 후 얼라이언스에서 지정하는 실험실에서 규격 인증 및 상호운용성 인증 시험을 통과하면 Wi-SUN™을 사용할 수 있음. 현재 IEEE 802 무선 통신 표준화 문서내 용은 장비 제조 시 반드시 탑재해야 하는 필수 표준이며, 이외에 많은 옵션 사양과 표 준도 존재함
∘ Wi-SUN은 현재 HAN(Home Area Network), FAN(Field Area Network)과 함께 IETF 표 준인 6LowPAN을 이용하고 있으며, HAN·FAN과 함께 멀티 홉(Multi-Hop)에 의한 다단 중계를 통해 통신 거리를 확장하고 있음. RLMM(Resource Limited Monitoring and Management)은 주로 농업, 방재 등 전원 공급이 충분하지 않는 환경에서의 IoT 실현을 목표로 하고 있으며, RLMM의 물리 계층, 데이터 링크 계층은 HAN이나 FAN과 마찬가 지이나 데이터 링크 계층은 IP를 사용하지 않는 non-IP 형식의 IoT를 지향하고 있음
∘ Wi-SUN Alliance가 일본에서 태동했기 때문에, 일본에서 Wi-SUN을 채용하는 경우가 많 은 것이 사실이나 해외에서 Wi-SUN을 전혀 사용하지 않는 것은 아니며 싱가포르 EMA 는 Wi-SUN FAN을 기반으로 하는 스마트 미터링 시스템의 정유시설 고도화 사업(CFP) 를 추진하고 있음
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Sigfox∘ 사물인터넷망 시장에서 가장 각광을 받는 곳이 시그폭스임. 2009년 설립된 프랑스 기업
파트너를 갖고 있으며, 향후 5년간 60개 국가에 서비스를 제공하겠다는 목표로 현재는 프랑스와 스페인, 네덜란드 및 영국 내 10개 도시에서 서비스를 제공하고 있음. 미국의 경우 샌프란시스코에서 시작해 2016년까지 30개 도시에 4000개의 기지국을 설립한다 는 계획이며, 해외에서는 사물인터넷이 ICT 산업의 화두가 되면서 그 가치를 생성하기 위한 사물인터넷망에 대한 투자와 시도가 확대되고 있음
∘ 시그폭스의 경우 서비스 제공 국가 및 지역 확대를 위해 1억달러가 넘는 자금을 유치 했으며, LPWAN 기반의 망 사업자들이 빠르게 성장해 나가고 있음. 또 셀룰러 기반 장 비와 부품 제조사들은 LTE를 활용한 망 기술을 개발하는 등 기술, 시장 표준에 대한 경 쟁은 치열해지고 있음
∘ 시그폭스는 별도의 기지국 또는 중계 장비 없이 다양한 사물에 칩셋 기반의 통신 모뎀 을 연결, 가까운 거리에서 서로 꼭 필요한 데이터들만 주고받을 수 있도록 하면서 별도 의 망 구축비용과 전력 소모를 최소화했으며, 회사가 개발한 소물인터넷 기술은 주파수 할당 대가를 내지 않고도 활용할 수 있도록, 정부가 남겨놓은 ‘비면허 주파수 대역’을 활용해 자유롭게 서비스를 제공할 수 있다는 장점이 있음
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기술비교 및 분석∘ 아래 표는 LPWA를 위한 솔루션 비교를 나타내는 것으로, 크게 전용(proprietary) 저전력 광역 IoT와 셀룰러 기반의 저전력광역 IoT방식이 있으며, 각각의 솔루션들이 어떤 특징 을 지니는지, 현재까지의 IoT 서비스의 단점 즉 배터리 수명, 통신거리, 모뎀 가격, 개별 사용료 등을 어떻게 극복하여 광대역 IoT에 활용할 수 있는지의 관점에서 비교함
∘ SigFox의 경우, 통신거리 15km, 배터리 수명 20년, 메시지 당 12바이트, 하루에 최대 140개 메시지 송신(듀티 싸이클 1%), 양방향 통신, 간단한 네트워크 인프라, 저 쓰루풋 무선망, UNB특허기반, -142dBm수신감도 기반의 망이라 주장되며, 에너지 효율에 역점 을 둔것이 특징임. 연간 디바이스 당 사용료가 1유로~14유로이며, NTT DoCoMo, 텔레 포니카, SKT, 삼성 등이 투자하였고 프랑스 오렌지 사업자가 이것으로 상용화하여 운용 중이며 미국으로 진출을 도모하고 있음
∘ SigFox 시스템을 지원하는 트랜시버는 TI C112xfamily, 실리콘 랩의 S1446x, AXSEM의 AX 8052F143에서 제공되며, MCU, 하드웨어 암호화 및 무선 커넥티비티는 아트멜의 ATA 8520 SoC 통합 칩에서 제공하고 있음
∘ LoRa는 배터리 수명 10년 이상, 통신거리가 도심지역에서 2~15km, 시골에서 30km, 지 하에서 1~2km,실내에서 2~3km, 대역폭 125KHz, 최대송신전력 14dBm이며 주파수 ISM 밴드(유럽 868/ 미국 915MHz)에서 동작하며, 마찬가지로 전송속도는 낮추며 수신감도 가 최대(-138dBm)가 되도록 대역확산 방식으로 설계한 기술임. 스타토폴로지, 전송속도 300bps, 게이트웨이 당 수만개 IoT디바이스 접속 가능한 것이 특징임. Semtech SX1272~1279 RF 트랜시버, Microchip RN2483 등의 솔루션이 있음
∘ 현재 단말 및 게이트웨이 솔루션 등이 상기의 얼라이언스 멤버를 통해 상용화되어 있 고, 국내에서는 SKT가 이를활용하여 사물인터넷을 활성화하려는 움직임이 있음. 전용 NB-IoT의 경우, 우리나라에서는 한 채널이 200KHz로 규정되어 있으며, 활성화 방안의