일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2022.2.1

싸고 멀리까지 도달하는 IoT 무선 ‘LPWA’
IoT 무선 LPWA에 '920MHz대'를 사용하는 이유
LPWA 활용을 위한 법 개정도

LPWA(Low Power Wide Area)는 IoT(사물인터넷) 디바이스와 인터넷 등에 연결되는 게이트웨이를 연결한다. 게이트웨이가 각 디바이스로부터 수집한 데이터를 서버에 전송한다. 이 게이트웨이를 누가 준비하느냐에 따라서 LPWA의 서비스는 ‘프라이빗형’과 ‘캐리어형’의 2종류로 크게 나눌 수 있다.

프라이빗형에서는 IoT 시스템을 구현하는 이용자 측이 인터넷 등에 연결되는 회선과 게이트웨이를 직접 준비한다. 기업 내에 무선LAN 액세스포인트(AP)를 설치해서 Wi-Fi 네트워크를 구축하는 것과 같은 이미지다.

직접 네트워크를 설계할 수 있기 때문에 시스템 설계의 자유도가 높은 반면에 도입 시에 게이트웨이와 회선을 조달할 필요가 있다.

한편 캐리어형에서는 LPWA의 서비스를 제공하는 사업자(LPWA 사업자)가 인터넷 등에 연결되는 게이트웨이(기지국)를 부설한다. 이동전화 서비스와 같은 이미지다. 이용자는 LPWA에 대응하는 IoT 디바이스와 데이터 수집용 서버를 준비하면 된다.

다만 LPWA 사업자가 기지국을 설치하지 않은 구역에서는 사용할 수 없는 등 프라이빗형에 비하면 자유도가 떨어진다.

-- 접속 형태는 크게 3종류 --
LPWA에 의한 IoT 디바이스와 게이트웨이의 접속 형태는 ‘스타형’ ‘트리형’ ‘메쉬형’의 크게 3종류가 있다.

스타형은 여러 IoT 디바이스를 게이트웨이에 직접 접속하여 데이터를 전송한다. 기본적으로는 Wi-Fi나 이동전화 서비스와 같은 형태다.

통신 경로나 데이터 전송의 제어를 집중적으로 관리하기 쉽다. 그러나 IoT 디바이스가 발신한 전파가 게이트웨이에 직접 도달하지 않으면 통신이 불가능하거나 양자의 거리가 멀수록 통신 속도가 느려지는 등의 단점이 있다.

트리형은 IoT 디바이스간 또는 ‘중계기’라고 불리는 장치를 나뭇가지처럼 접속해서, 버킷 릴레이(Bucket Brigade) 방식으로 게이트웨이에 데이터를 전송하는 형태다. IoT 디바이스가 발신한 전파가 게이트웨이에 도달하지 않아도, 사이에 다른 IoT 디바이스나 중계기를 두는 방법으로 통신 범위를 확대할 수 있다.

다만 게이트웨이에 가까워질수록 데이터의 전송량이 증가한다. 배치 장소에 따라 필요한 기기의 성능이 달라지므로 기기의 배치에는 주의할 필요가 있다.

메쉬형은 IoT 디바이스간 또는 중계기를 그물코처럼 접속해서, 버킷 릴레이 방식으로 게이트웨이에 데이터를 전송한다. 트리형과 마찬가지로 데이터를 중계함으로써 통신 범위를 확대할 수 있다. 또한 중계하는 기기가 고장 나더라도 우회로를 통해 통신을 유지할 수 있는 장점이 있다. 다만 기기의 배치에 대해서는 트리형과 마찬가지로 충분히 검토할 필요가 있다.

-- 전파 도달성이 높은 920MHz대 --
LPWA의 대부분은 ISM(Industry-Science-Medical)대라고 하는 면허가 필요 없는 주파수대를 사용한다. 일본 국내에서는 2.4GHz대, 5GHz대, 920MHz대 등이 있으며, 그 중에서도 대부분의 LPWA 규격이 사용하는 것이 920MHz대이다.

920MHz대는 12년에 전파법이 개정되면서 개방된 주파수대다. LPWA로서는 920.5M~928.1MHz에서 최대 출력 20mW의 특정 전력 무선국을 사용할 수 있다. 200kHz를 단위 채널로서 최대 5채널(1MHz)을 묶어서 사용할 수 있다.

920MHz는 Wi-Fi 등이 사용하는 2.4GHz대나 5GHz대에 비해 전파가 멀리까지 도달하며 통신 범위가 넓다. 전파의 직진성이 낮고, 장애물이 있어도 돌아가는(꺾어지는) 성질이 있기 때문이다.

또한 12년에 개방됐기 때문에 역사는 비교적 짧다. 현재 상태로서는 사용 기기의 수가 그다지 많지 않기 때문에 전파 간섭이 일어나기 어렵다. LPWA가 멀리까지 통신할 수 있는 것은, 이러한 920MHz의 특성이 크게 관계하고 있다.

-- LPWA 활용을 위한 법 개정도 --
게다가 20년 10월에는 전파법의 개정으로 LPWA가 사용하기 쉬워졌다. 지금까지 920MHz 대역을 사용하는 LPWA 규격의 IoT 디바이스는, 전파의 간섭을 방지하기 위해 ‘캐리어 센스 방식’이라는 기능을 갖춰야 할 의무가 있었다. 여러 IoT 디바이스가 같은 채널을 사용해 동시에 통신하면 전파 간섭으로 인해 통신이 불안정해진다.

이를 피하기 위해서 디바이스가 통신을 시작하기 전에 다른 기기가 사용하는 채널을 확인하는 것이 캐리어 센스 방식이다. 확인 후에 다른 기기와는 다른 채널을 사용함으로써 전파 간섭을 회피한다.

이 방식은 높은 정밀도로 전파 간섭을 방지할 수 있지만 다른 기기의 전파를 수신하는 시스템을 갖춰야 하는 등, 무선 모듈의 비용을 끌어올리는 요인 중 하나였다. 해외의 LPWA 관련 법제도에서는 거의 채용하지 않고 있다. ‘일본 특유의 방식’이라고 할 수 있다.

이번 전파법 개정에서는 캐리어 센스 방식 이외에 'LDC(Low Duty Cycle) 방식'이라는 시스템도 선택할 수 있도록 했다. 전파의 발사 시간을 단축함으로써 다른 기기와의 간섭을 회피하는 구조다. 커리어 센스 방식에 비해 구조가 단순하며, 유럽 등에서도 널리 채용되고 있다.

해외의 무선 모듈을 국내에서 사용하는 경우, 지금까지는 캐리어 센스 방식에 대응하기 위해 펌웨어 등을 개별적으로 개발할 필요가 있었다. 이러한 개발을 하지 않아도 되기 때문에 무선 모듈의 저비용화를 전망할 수 있다. “수신 기능을 생략한 전송 전용의 무선 모듈도 실현할 수 있게 된다”(LPWA 사업자).

-- 920MHz대 이외에도 사용 가능 --
920MHz대 이외의 주파수대에서 LPWA를 사용할 수 있도록 하는 것도 검토하고 있다. 21년 4월에 새로운 주파수대로 이행하기 시작한 디지털 MCA(Multi-Channel Access radio system) 시스템이 사용했던, 845M~860MHz와 928.1M~940MHz의 주파수대다.

현시점에서는 이들 주파수대를 모두 사용할 수 있을지는 모른다. 만약 실현되면 약 27MHz의 대역폭을 사용할 수 있게 된다. 920MHz대에서 LPWA를 사용할 수 있는 대역폭은 약 8MHz이므로, 합하면 4배 이상으로 증가하게 된다.

이 때문에 보다 많은 채널을 묶는 방법으로 LPWA의 통신을 고속화할 수 있다. 1대의 게이트웨이에 접속하는 디바이스의 수를 늘림으로써 IoT 시스템의 효율화도 기대할 수 있다.

 -- 끝 --

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