전기전자/정보통신

Nikkei Network_2022.1 특집 요약 (p18~31)

LPWA의 최신동향
4억대의 IoT기기를 연결하는 LPWA 통신기술
새로운 규격의 등장으로 다시 각광

Part. 1 기초지식
IoT에 이용되는 무선통신기술

LPWA(Low Power Wide Area)는 주변에 있는 모든 사물을 인터넷에 연결하는 IoT에 이용되는 무선통신기술이다. 예를 들면, 자동차나 가전, 시계, 환경측정센서 등, 다양한 디바이스를 인터넷에 연결해 정보를 교환하는데 사용된다.

IoT 디바이스 접속에는 무선통신이 자주 사용된다. 전파가 닿는 범위라면 디바이스를 임의의 장소에 설치할 수 있기 때문이다. 장소를 고정하지 않아도 되기 때문에 움직이는 기기에도 사용이 가능하다. 이러한 무선기술은 다수 존재하지만, 그 중에서도 제조업이나 유통서비스업, 사회 인프라와 같은 산업 용도로 기대되고 있는 것이 LPWA이다.

LPWA는 2017년에 활성화되었지만 이후 붐은 일단 수그러들었다. 하지만 최근에 들어 새로운 규격의 실용화 및 서비스화가 다시 활발해지고 있다. 예를 들면, 소니네트워크커뮤니케이션이 소니의 독자적인 LPWA 규격 ‘ELTRES’을 통한 IoT 네트워크 상용 서비스를 2019년에 개시했다.

2021년 11월에는 무선 LAN 기기 인증 등을 실시하고 있는 동업 조합 '와이파이 얼라이언스(Wi-Fi Alliance)'가 LPWA의 와이파이 버전인 'Wi-Fi HaLow'의 인증 프로그램을 개시했다. 이번 특집에서는 LPWA의 최신 동향 및 기술을 상세하게 소개한다.

-- 속도는 느리지만 멀리까지 전파 도달--
IoT 디바이스를 접속하는 무선기술이라고 하면 가장 먼저 떠오르는 것이 무선 LAN(와이파이)이나 블루투스일 것이다. 하지만 와이파이나 블루투스의 통신 거리는 최대 수십~수백 미터 정도에 불과하다. 이 때문에, 무선 LAN 액세스포인트(AP) 등으로부터 멀어지면 사용할 수 없으며, 넓은 장소를 이동하는 기기에도 사용이 불가능하다.

지금까지 전파를 멀리 보내는 용도에 사용할 수 있는 것은 4G나 5G와 같은 이동통신기술밖에 없었다. 하지만 4G/5G는 코스트가 비싸다. 1대 당 적어도 수 천 엔의 무선 모듈이 필요하고, 월 수 백엔 정도의 통신 요금도 들기 때문에 대량의 IoT 디바이스를 접속하는 용도의 경우, 채산이 맞지 않는 케이스가 많다.

이에 또 하나의 선택사항으로 부상한 것이 LPWA이다. LPWA는 저소비전력으로 이용이 가능한 원거리통신기술이며, 비용도 저렴하다. 무선 모듈이 1대당 수백 엔부터이며, 통신 요금은 연간 수백엔 정도. 규격에 따라서는 무료로 이용할 수 있다.

반면, 통신 속도는 느리다. 하지만 IoT에서는 고속의 데이터 통신을 필요로 하지 않는 용도도 많다. 예를 들어, 정기적으로 IoT 디바이스의 가동 정보를 수집하거나, 환경측정 센서로 온도와 습도를 계측하는 경우에는 수G비트/초와 같은 빠른 회선은 필요 없다. 용도에 따라서는 수십~수백 비트/초 정도로도 충분한 케이스도 있다.

배터리 구동으로 장시간 가동이 가능한 전력 효율화 성능은 전원 케이블 부설이 어려운 대규모 옥외 시설이나, 마을에서 떨어진 산간지방 등에서 사용하는 경우에는 유용하다. LPWA는 이처럼 ‘속도가 느려도 좋으니 저비용으로 멀리까지 전파를 보내고 싶다’라는 수요로 탄생한 무선통신기술이다. 기존의 기술로는 커버하기 어려웠던 ‘틈새’를 메우는 형태의 활용이 전망되고 있다.

-- 2022년에는 4억 개로 --
2020년, 가트너재팬이 발표한 ‘일본의 미래지향형 인프라 테크놀로지의 하이프사이클(Hype Cycle) 2020년’에 따르면 LPWA는 환멸기에 접어들었다고 한다. 이것은 역으로 말하면, 지금부터는 착실하게 보급의 길을 걸어가고 있는 상황인 것이다.

실제로, 최근 들어 대응 장치의 증가와 활용 사례 확산 등 활발한 움직임이 보이고 있다. 총무성의 정보통신백서에 따르면, 2019년에 1억 개였던 LPWA 모듈의 세계 출하 대수는 2021년에 2.3억 개, 2022년에는 4억 개에 달할 전망이다.

가트너재팬은 스마트 미터의 원격 검침이나 가로등의 관리 등 이미 실용화된 용도 외에도 조금 더 폭넓게 사용될 것으로 전망하고 있다. 예를 들어, 조수해(鳥獸害) 대책에서는 덫의 작동 상황 등을 원격으로 모니터링하거나, 하천 수위 등을 원격으로 모니터링하는 용도도 가능하다. GPS와 결합시켜 운송 시에 사용하는 운반대차의 위치 정보 관리 등에도 사용되기 시작하고 있다.

-- 프라이빗형과 캐리어형 --
LPWA는 IoT 디바이스와 인터넷 등에 연결되는 게이트웨이를 연결한다. 각 디바이스로부터 수집한 데이터를 서버에 전송하는 게이트웨이를 누가 준비하는지에 따라 LPWA 서비스는 ‘프라이빗형’과 ‘캐리어형’으로 크게 나눌 수 있다.

프라이빗형은 IoT 시스템을 구현하는 이용자 측이 인터넷 등에 연결되는 회선과 게이트웨이를 자체적으로 준비한다. 기업 내에 액세스포인트를 설치해 와이파이 네트워크를 구축하는 것과 같은 이미지이다. 자체적으로 네트워크를 설계할 수 있기 때문에 시스템 설계의 자유도가 높은 반면, 도입 시에 게이트웨이트와 회선을 조달해야 하는 등의 번거로움이 있다.

한편 캐리어형은 LPWA 서비스를 제공하는 사업자(LPWA 사업자)가 인터넷 등에 연결되는 게이트웨이(기지국)를 부설한다. 이동통신서비스와 같은 이미지이다. 이용자는 LPWA에 대응하는 IoT 디바이스와 데이터 수집용 서버를 마련하면 된다. 하지만, 기지국이 설치되지 않은 지역에서는 사용할 수 없는 등, 프라이빗형에 비해 자유도가 떨어진다.

-- 접속 형태는 크게 3가지 --
LPWA를 이용한 IoT 디바이스와 게이트웨이의 접속 형태는 ‘스타형’, ‘트리형’, ‘메쉬형’ 등 크게 3종류가 있다. 스타형은 여러 IoT 디바이스를 게이트웨이에 직접 접속해 데이터를 전송한다. 기본적으로 와이파이나 이동통신서비스와 같은 형태이다. 통신 경로나 데이터 전송 제어를 집중적으로 관리하기는 쉽지만, IoT 디바이스가 발신한 전파가 게이트웨이에 직접 도달하지 않으면 통신이 불가능하거나, 두 개의 거리가 멀수록 통신 속도가 느려지는 등의 단점이 있다.

트리형은 IoT 디바이스 간이나 ‘중계기’라고 불리는 장치를 나뭇가지처럼 연결해 버킷 릴레이 방식으로 게이트웨이에 데이터를 전송하는 형태이다. IoT 디바이스가 발신한 전파가 게이트웨이에 도달하지 않아도, 중간에 다른 IoT 디바이스나 중계기를 배치해 통신 범위를 확대할 수 있다. 하지만, 게이트웨이에 가까워질수록 데이터의 전송량은 증가한다. 이처럼 배치 장소에 따라 필요한 기기의 성능이 달라지기 때문에 기기 배치에는 주의가 필요하다.

메쉬형은 IoT 디바이스 간이나 중계기를 그물코처럼 접속해 버킷 릴레이 방식으로 게이트웨이에 데이터를 전송한다. 트리형과 동일하게 데이터를 중계함으로써 통신 범위를 확대할 수 있다. 또한 중계하는 기기가 고장이 나더라도 우회로를 통해 통신을 유지할 수 있다는 장점이 있다. 하지만, 기기의 배치는 트리형과 마찬가지로 충분히 검토할 필요가 있다.

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

920MHz대는 2012년의 전파법 개정으로 개방된 주파수대. LPWA로서는 920.5M~928.1MHz에서 최대 출력 20mW의 특정 저전력 무선국이 사용할 수 있다. 200kHz를 단위 채널로 최대 5개 채널(1MHz)을 묶어서 쓸 수 있다.

920MHz는 와이파이 등이 사용하는 2.4GHz대나 5GHz대에 비해 전파가 멀리까지 전달되기 때문에 통신범위가 넓다. 전파의 직진성이 낮고 장애물이 있어도 돌아가는 성질이 있기 때문이다. 또한 2012년에 개방되어 현재 사용기기의 수가 그다지 많지 않기 때문에 전파 간섭이 잘 일어나지 않는다. LPWA가 멀리까지 통신이 가능한 것은 이러한 920MHz의 특성과 크게 관련되어 있다.

-- LPWA 활용을 위한 법 개정도 시행--
2020년 10월의 전파법 개정으로 LPWA의 사용은 쉬워졌다. 지금까지 920MHz대역을 사용하는 LPWA 규격의 IoT디바이스는 전파의 간섭을 방지하기 위해 ‘캐리어 센스 방식’이라고 하는 기능을 갖추는 것이 의무화되어 있었다.

복수의 IoT 디바이스가 같은 채널을 통해 동시에 통신하면 전파 간섭으로 인해 통신이 불안정해진다. 이를 피하기 위해 디바이스가 통신을 시작하기 전에 다른 기기가 사용하는 채널을 확인하는 것이 캐리어 센스 방식이다. 확인 후에 다른 기기와 다른 채널을 사용함으로써 전파 간섭을 피하는 것이다.

이 방식은 높은 정밀도로 전파 간섭을 막을 수 있지만, 다른 기기의 전파를 수신하는 시스템이 요구되는 등, 무선 모듈의 코스트를 높이는 요인 중 하나였다. 해외의 LPWA 관련의 법 제도에서는 거의 채택되고 있지 않는 “일본 특유의 방식이다”(LPWA 사업자)라고 한다.

이번 전파법의 개정에서는 캐리어 센스 방식뿐만 아니라 ‘LDC방식’이라고 부르는 시스템도 선택할 수 있도록 했다. 전파의 발사 시간을 단축함으로써 다른 기기와의 간섭을 피하는 구조이다. 캐리어 센스 방식에 비해 시스템 구조가 단순해, 유럽 등에서도 널리 채택되고 있다.

해외의 무선 모듈을 국내에서 사용하는 경우, 지금까지는 캐리어 센스 방식에 대응하기 위해 펌웨어 등을 개별적으로 개발할 필요가 있었다. LDC방식을 선택하면 이러한 개발이 불필요하기 때문에 무선 모듈의 저비용화를 전망할 수 있다. “수신 기능을 생략한 송신 전용의 무선 모듈도 실현 가능하다”(LPWA사업자)라고 한다.

-- 920MHz대 외 다른 주파수대 사용도 검토 --
920MHz대 이외의 다른 주파수대에서 LPWA를 사용할 수 있도록 하는 것도 검토되고 있다. 2021년 4월, 새로운 주파수대로의 전환이 시작된 디지털 MCA시스템이 사용했던 845M~860MHz와 928.1M~940MHz의 주파수대이다. 현시점에서 이러한 주파수대를 모두 사용할 수 있게 될지는 확실하지 않다.

만약 실현된다면 약 27MHz의 대역폭을 사용할 수 있게 된다. 920MHz대에서 LPWA가 사용할 수 있는 대역폭은 약 8MHz으로, 합하면 4배 이상 증가하게 되는 것이다. 이를 통해 보다 많은 채널을 묶을 수 있게 되어 LPWA의 통신을 고속화할 수 있다. 1개의 게이트웨이에 접속하는 디바이스의 수를 늘림으로써 IoT 시스템의 효율화도 기대할 수 있다.

Part. 2 기술 해설
다양한 용도를 위한 규격도 다양하다

LPWA가 노리는 산업용 IoT 시장에는 여러 가지 용도가 있다. 이 때문에 LPWA의 규격도 다양하다. 그 중에서 대표적인 규격의 기술적 사양과 최신 동향에 대해 설명한다.

 -- 끝 --

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