전기전자/정보통신

Telecommunication_2017.5 특집요약 (p7~21)

LPWA의 진정한 실력
IoT서비스의 실증실험으로 증명

드디어 IoT용 무선네트워크「LPWA」시대의 막이 열렸다. 일본 각지를 LPWA의 전파가 넘나들기 시작해, SIGFOX 및 LoRaWAN 등을 활용한 많은 IoT 서비스의 실증실험이 전개되고 있다. 그것들의 실험을 통해 알게 된 LPWA의 진가를「광역성∙성(省)전력」「비용」「다수 접속」「이동성」의 시점에서 취재했다.

도입: SIGFOX와 LoRaWAN의 최신동향
일본을 뒤덮기 시작한 LPWA망

LPWA(Low Power Wide Area) 네트워크의 제공을 시작하는 기업 및 LPWA를 활용한 IoT 서비스의 실증실험을 시행하는 기업이 올해 들어 잇따라 등장하고 있다. 여기에서 말하는 LPWA이라 함은, 구체적으로「SIGFOX」와「LoRaWAN」을 가리킨다.

둘 다 한 곳의 기지국(게이트웨이)을 세우는 것 만으로 수 km단위의 광역 Area에서 무선통신이 가능하게 된다. 또한, 기지국과 통신하는 엔드 디바이스에 탑재하는 통신 모듈은 성(省) 전력화∙저비용화를 지향하고 있다. 방대한 수의 디바이스를 저렴한 비용으로 인터넷에 접속할 수 있게 되어 IoT시대를 맞이한 지금, 모두가 주목하는 네트워크가 되었다.

● SIGFOX
장점은 서비스 요금 & 간편함, 빠른 시일 내의 적용범위 확대를 기대

먼저, SIGFOX에 대해서는 일본에서 독점으로 전개하는 쿄세라 커뮤니케이션 시스템(KCCS)이 2017년 2월 27일부터 도쿄 내에서 네트워크 서비스 제공을 시작했다. 서비스가 시작 된지 얼마 안되었기 때문에 로케이션에 따라 전파 세기의 차이는 있을 수 있지만, 3월 말에는 도쿄 23구, 카와사키 시, 요코하마 시, 오사카 시의 거의 전 지역에서 SIGFOX를 이용할 수 있게 되었다.

SIGFOX 서비스에서는 단순히 네트워크 환경만 제공되는 것이 아니다. 네트워크와 함께 데이터를 1차로 축적하는 SIGFOX 클라우드까지가 일괄로 제공된다. 자사용이나 고객용 IoT를 개발할 때, 네트워크 및 데이터 저장장소 등의 인프라 구축에 신경 쓸 필요 없이 IoT 서비스 개발에만 집중할 수 있다는 장점이 있다.

-- 가능성을 쥐고 있는「SIGFOX 버튼」--
SIGFOX의 전개에 먼저 뛰어든 유럽 및 호주에서는 다수의 IoT서비스에 SIGFOX가 활용되고 있다. IoT서비스의 대표 제품인 각종 스마트 미터의 검침, 환경 모니터링, 기기∙설비의 가동 감시, 자산의 위치정보 관리, 웨어러블 디바이스를 활용한 고령자 및 어린이의 지킴 서비스 등이다.

또한 주목해야 하는 IoT서비스 중 하나가 아이디어에 따라 다채로운 서비스로 이용할 수 있는「버튼」이다. 여기에서는 임시로「SIGFOX 버튼」이라고 부르도록 하겠다. SIGFOX 버튼은「Amazon Dash Button」과 같은 것이다. 아마존 데쉬 버튼은 와이파이에 접속하여 마음에 드는 상품을 사전에 설정해 놓고 버튼을 누르기만하면 그 상품을 몇 번이고 반복해서 구입할 수 있다. SIGFOX 버튼의 경우, 와이파이가 아닌, SIGFOX로 통신하게 되지만, 아마존 데쉬 버튼처럼 상품구입의 용도로 사용된다.

그러나 SIGFOX 버튼의 용도는 그뿐만이 아니다. 아마존 데쉬 버튼 보다 범용성이 있으며 폭넓은 용도로 이용될 가능성이 크다. 「버튼은 센서의 수치를 취득하기 위한 것이 아니기 때문에 어떻게 사용하나에 따라 여러 가지 사용법이 있을 수 있다」(히비 씨). 버튼을 한번 누를 때 마다 어떤 의미를 부여하는가는 전적으로 개발자의 자유다.

● LoRaWAN
서비스 영역은 자유자재, 개인적 네트워크 환경에도 대응

LoRaWAN의 경우, SIGFOX와는 다르게, KCCS와 같은 일본전국에 네트워크를 정비하는 사업자는 현재 존재하지 않고 있다. 그런 반면, LPWA를 필요로 하는 사람은 누구든 스스로 LoRaWAN 네트워크 환경을 구축할 수 있기 때문에 서비스 영역을 전개하는 측면에서는 훨씬 수월하다.

LoRaWAN은 LoRaWAN 대응의 통신 모듈을 탑재한 센서 등의「엔드 디바이스」, 엔드 디바이스로부터 데이터를 LoRaWAN으로 받는「LoRaWAN 게이트웨이」, 엔드 디바이스 및 라우팅 등을 관리하는「네트워크 서버」에 의해 일반적으로 구성된다.

LoRaWAN의 커다란 특징 중 하나는 LoRa Alliance로 표준화된 LoRaWAN 규격에 준거해 있다면 다른 벤더가 제공하는 LoRaWAN과도 상호 접속이 가능하다는 것이다. 예를 들어 규격에 준거한 엔드 디바이스와 LoRaWAN 게이트웨이라면 벤더에 상관없이 상호 접속이 가능하다.

-- LpRa의 제공형태는 각 사마다 각양각색 --

실증 1: LPWA의 전파는 얼마나 멀리 도달할 수 있을까?
→ 맨홀 안에서도 1km 넘게 전송

LPWA는 그 이름대로 성(省)전력과 동시에「광역성」이 최대의 세일즈 포인트이다. 각 사의 실증실험의 대부분은 그 광역성에 주목하고 있다. LoRaWAN과 SIGFOX는 실제로 얼마나 멀리 전송될 수 있을까?

IoT용 무선 네트워크「LPWA」는 1대의 게이트웨이로 멀리까지 커버할 수 있는 광역성이 커다란 장점이다. LoRaWAN과 SIGFOX는 모두 게이트웨이로부터 수 십km 떨어진 엔드 디바이스의 데이터를 수신할 수 있다고 한다. 「유럽에서는 환경에 따라서 30km이상 전파가 전송된 경우도 있다고 들었다」라고 말하는 것은 네덜란드의 KPN, 스위스컴, 벨기에의 프로키스마스 등, 유럽의 대형 캐리어가 채용하고 있는 액틸리티(Actility)사의 LoRaWAN 제품군을 제공하고 있는 마크니카(Macnica) 네트웍스의 LPWA사업추진실 시라츠치(白土) 실장이다.

-- LoRa는 10km 이상을 예상 --
「장애물이 없는 상황에서는 10km넘게 떨어져도 통신이 가능했다」라고 실험결과를 밝힌 것은 스카이디스크의 대표이사인 하시모토(橋本) 씨이다. 당사는 본업인 AI솔루션 외에도, LoRaWAN의 엔드 디바이스 및 게이트, 네트워크 서버를 개발하고 있으며, 많은 기업과 함께 다양한 로케이션에서 LoRaWAN의 실증실험을 시행하고 있다.

-- 맨홀 안에서 1km 멀리 --
이런 광역성을 LPWA가 실현할 수 있는 것으로는, ①무선LAN 및 ZigBee에서 사용되고 있는 2.4㎓에 비해 전파가 돌아 들어가기 쉬운 920㎒대 및 420㎒대를 이용하고 있다는 것, ②우주통신용으로 개발된 주파수 확산방식(LoRaWAN) 및 잠수함의 통신에 사용된 초협대역(SIGFOX) 등, 노이즈의 내성이 높은 무선기술을 채용하고 있다는 2가지 이유를 들 수 있다.

따라서, LoRaWAN일 경우, 920㎒대에서 면허 없이 이용할 수 있는 20㎽라는 작은 출력으로도 10km가 넘는 통신이 가능하다. 장애물을 돌아서 들어가는 것뿐만 것 아니라, 벽이 두꺼운 건물 및 금속제의 박스 안 등, 차폐물 안까지 침투하는 힘도 강하다.

-- 시가지도 지형의 영향이 크다 --
-- 5층 건물은 GW 1대로 커버 --
-- 수도의 원격 검침에도 이용 --
-- 기성 지역에서도 사용할 수 있는 SIGFOX --

● 전력 소비 절약은「LPWA 류」의 사용법이 포인트
광역성과 함께 LPWA의 특징 중 하나인 요소로 전력소비 절약을 들 수 있으나, 실제로 얼마나 가능한 것일까? 이 질문에 대한 답으로 참고할 수 있는 것은 LPWA의 실증실험을 시행한 히타치 시스템즈의 테라모토(寺本) 씨의 설명이다. 「특정 소전력과 비교했을 때 LPWA 쪽이 전력을 가지고 있는 것이 틀림없다」.

연 단위의 배터리 수명을 확인하기 위해서는 수 년이 걸린다. 따라서 확증을 얻은 실험은 아직 어디에도 나오지 않았으나, 테라모토 씨의 코멘트에서 검증이 가능한 범위를 추측할 수 있다.

-- 10분의 1회라면 버텨봐야 반년 --
그러나, 아무리 LPWA가 성(省) 전력에 통신 1회당 소비전력이 적다고 하더라도 빈번하게 통신을 해버리면 당연히 배터리 소모는 빨리 될 것이다. KCCS의 히비 씨는「소비 전력이 적다는 SIGFOX라도 전력 소비를 줄이지 않고 사용한다면, 배터리만으로 장기간 가동시키는 것은 어렵다. 10분의 1의 데이터를 송신하려고 해도 반 년밖에 버티기 힘들다」라고 설명한다.

3G/LTE 등을 포함해서 상대적으로 보면, 이런 통신빈도로 반년은 길다고 할 수 있다. 그러나 LPWA에게 기대하는 것은 연 단위이다. 그런 기대에 부응하기 위해서는「LPWA 류」의 사용법이 필요하다. 예를 들어 SIGFOX의 1회 송신전력을 170m A초로 계산하면, 1일 2회의 통신일 경우 20년간 가동이 가능하다. 필요 최소한의 빈도로 줄여서 통신하는 것이 필요하다.

디바이스의 사활감시(死活監視)에 관해서도「정기적으로 데이터가 올라오는 것이 LPWA류의 사활감시」라고 히비 씨는 설명한다. 10분 간격, 혹은 30분간격으로 디바이스 가동 데이터가 올라와서는 배터리가 금방 소모되고 만다. 장기적인 운용에는 고품질의 배터리 선택도 중요하다. 유럽에서는 7년이상 배터리 가동이 가능한 SIGFOX의 센서 디바이스가 있으나, 이것들에는 누설전류가 적은 고성능 배터리가 사용된다고 한다.

실증 2 : 비용은 실제 얼마 드는가?
→ LoRa도 연간 사용료 100엔 수준

SIGFOX뿐만아니라 LoRaWAN의 월 정액 서비스 요금도 가시화되기 시작했다. SIGFOX와 더불어 다양한 제공 형태가 있는 LoRaWAN의 현황을 정리하여 현시점에서의 비용 이미지 및 향후 예상을 취재했다.

「디바이스 1대당 연간 사용료 100엔부터」. SIGFOX가 내세운 충격적인 요금은 통신∙IT업계 뿐만 아니라 다양한 산업분야로부터 관심을 모았다. 이 요금 플랜을 맞출 수 있는 것은 계약 디바이스 수가 100만대 이상, 하루 통신횟수가 2회 이하의 경우이다. 100대 규모라고 한다면, 각종 제조업체의 원격검침 및 업무용∙가정용의 전기제품으로의 탑재 등을 생각할 수 있다. 그렇다면, 조금 더 대수가 적을 경우, SIGFOX는 어느 정도의 요금으로 사용할 수 있을까?

-- 향후 디바이스 가격은 2,000엔 정도 --
-- LoRaWAN의 상용화 서비스도 --
-- 게이트웨이를 3,000엔으로 --

실증 3 : 기지국 1곳당 접속 디바이스 수는?
→ 도코모는 100대까지 검증 완료

폭발적인 수의 사물이 인터넷에 연결되는 IoT시대에 있어서, 얼마나 디바이스 수를 수용할 수 있는지가 중요한 포인트다. LPWA의 대표격인 LoRaWAN과 SIGFOX는 몇 대까지 접속할 수 있을까?

「1대의 LoRaWAN 게이트웨이(기지국)당 100대의 엔드 디바이스를 접속해도 문제없이 운용된다는 것이 검증됐다」. 이것은 NTT 도코모의 증언이다. 접속 수의 한계치를 시험한 실험은 아니지만, 도코모가 LoRaWAN을 활용한 IoT서비스에서 요구되는 기준 수용치로 여겨왔던 100대까지라면 문제없이 접속할 수 있다고 한다.

NTT 도코모는 2017년 4월부터「도코모 IoT/LPWA 실증실험 환경」을 개시하기에 있어서 R&D 센터에서 작년 11월부터 올 3월에 걸쳐 LoRaWAN의 실험을 계속해 왔다. 실제로 기온, 습도, CO₂ 농도, PM2.5 등의 센서를 엔드 디바이스로 만들어 넣어 게이트웨이에 접속했다.

100대라는 수는 어디까지나 목표치이며, 모든 IoT 서비스에게 적합하다고 할 수는 없다. 각각의 IoT 서비스의 요건, 예를 들어 디바이스 사이즈 및 데이터의 송신 빈도, 허용되는 데이터의 결손률 등에 따라 100대가 너무 많거나 반대로 100대 이상 접속할 수 있는 경우도 발생한다.

-- 1대당 수백 ms(밀리세컨드, 1,000분의 1초) --
-- 공칭치(公稱値)는 기지국 한 곳당 300대 --

실증 4 : SIGFOX 및 LoRaWAN에 「내(耐) 이동성」이 있는가?
→ LPWA로 움직이는 사물의 IoT 사용

LTE베이스의 LPWA인 카테고리M1 및 NB-IoT에 대해 SIGFOX 및 LoRaWAN의 약점으로 지적되는 것이「내(耐) 이동성」이다. 그러나 이동하는 IoT 디바이스에서도 이용이 가능하다는 실증실험 결과가 나왔다.

「이동하는 IoT 디바이스의 통신수단에는 적합하지 않다」. 이렇게 평가가 정착되어 있는 SIGFOX와 LoRaWAN. 움직이며 돌아다니는 것에는 전혀 사용할 수 없다는 이미지가 강하지만, 과연 정말 내(耐) 이동성은 없는 것일까? 그런 의문에 부응하는 실험을 실행한 것이 스카이데스크와 KCCS이다. 「사전 정보에는 사람이 달리는 정도의 스피드 조차도 LoRaWAN에서 사용하는 것이 어렵다고 했다. 그러나, 1대의 Gateway의 영역 안에 있다면 시속 40km라도 문제없이 통신할 수 있었다」라고 스카이데스크의 하시모토(橋本) 씨는 말한다.

또한, KCCS의 히비(日比) 씨는 SIGFOX에 대해 「실제로 전파를 측정해 본 결과, 시속 20km 정도까지는 SIGFOX로 통신이 가능하다는 것이 확인되었다. 자전거 정도라면 충분히 사용할 수 있다」라고 설명한다. 이 결과를 보았을 때, 반드시 이동하는 모든 디바이스에 SIGFOX와 LoRaWAN을 사용하지 못할 이유는 없다. 그 약점을 확실하게 이해한다면 이동하는 IoT 디바이스에도 활용이 가능하다.

-- 난관은「핸드 오버」? --
-- SIGFOX는 시속 20km까지 OK --
-- 약간 끊김이 있지만, 시속 60km는 가능 --
-- 고속이동에 LoRa를 사용하는 방법 --

  -- 끝 --