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정보기술 동향분석

문서에서 제1장 환경분석 (페이지 131-162)

가. 상수도 원격검침 통신 기술동향

□ 저전력 광역통신망 개요

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

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

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.

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 함

특징 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)

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

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

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

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

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

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