IoT를 위한 통신 기술 NB-IoT

Posted by ironmask84
2017.08.09 11:38 나는 프로그래머다!/Sensor


IoT를 활성화 시킬 새로운 통신 기술이 만들어지고 모습을 들어내기 시작했습니다.

기존 LTE망을 이용해 대역폭을 낮게 조정해서 최대 전송량은 적은 대신에 저전력이 가능하게 되어

IoT 산업의 핵심인 센서 데이터와 같은 수 많은 HW 모듈의 데이터 수집에 유용할 것으로 보입니다.


SKT에서는 이미 LoRA 라는 IoT용 통신망을 구축하여 서비스 중에 있습니다. 

이에 맞서는 KT와 LG U+가 NB-IoT 서비스를 시작하려는 중입니다. 


LoRA vs NB-IoT

LTE에서 서비스되는 IoT 기술로 아직 상용화 되지 않은NB-IoT는 KT와 LG U+가 협력해 2017년 1분기에 망구축 완료 예정입니다

LoRA와 NB-IoT는 느린 속도와 저렴한 모듈가격 약 10년미만의 배터리 사용시간으로 비슷한 부분이 많이 있습니다

로라의 경우 무선 마이크 주파수를 사용하여 서비스를 제공하여, 간섭 현상이 쉽게 생겨 문제가 생길거라는 예측이 있으며, 해당 주파수는 벽을 통과하기 어려워 야외에서만 사용이 가능하다고 합니다. 반면 NB-IoT는 연결되지 않았던 외진곳이나 지하등에 설치가 가능합니다


주파수 면허 vs 비면허

로라는 비면허 대역을 사용하지만, NB-IoT는 면허 대역을 사용합니다. NB-IoT는 LTE주파수를 사용하여 서비스하며, 국내에서는 해당 주파수를 이용 하려면 허가받은 사업자만 서비스를 제공할 수 있습니다


NB-IoT 기술의 강점
NB-IoT는 Resource Block(자원 할당의 최소 단위) 하나에 해당하는 대역폭인 180kHz만을 활용하여 IoT 기기가 데이터를 주고받을 수 있도록 합니다. 산업용 IoT의 경우 저용량 데이터만을 가끔씩 전송하니 이러한 특성에 맞춰 적은 대역폭을 이용하여 많은 단말을 효율적으로 수용할 수 있게 한 것입니다. 이와 같이 적은 대역폭 사용하기 때문에 단말의 칩셋 가격 또한 획기적으로 낮출 수 있습니다. NB-IoT의 주파수는 LTE 서비스를 위해 비용을 지급해 면허를 획득한 대역이고, LTE는 이미 국내에 서비스해 온 기간이 길기 때문에 장비, 통신 등 에코 시스템이 충분합니다. 따라서 품질 관리와 커버리지 측면에서 강점을 보입니다. 또한 NB-IoT는 무선 신호를 단순화하다 보니 도달 거리가 더 늘어나 기존에는 연결되지 않았던 외진 장소나 지하 깊은 곳에 사물이 설치될 수 있습니다. 마지막으로, NB-IoT는 LTE 통신망과 똑같은 주파수 내에서 라이트하게 만들어진 프로토콜을 쓰기 때문에 보안성을 보장할 수 있고 이는 건강, 의료 등 보안성이 중요시 되는 사업에 사용하기 유리하다는 장점을 가지고 있습니다.  




IoT가 각광받기 시작하면서 많은 IT 회사들이 IoT 경쟁력 확보를 위해 노력하고 있습니다. 가정에서는 IoT 기능을 탑재한 가전제품으로 사용자 편의성을 높이고 있으며, 산업 현장에서는 IoT 기술을 활용한 기존 프로세스 개선 및 신규 서비스 적용 사례들이 나오면서 IoT 시장을 확장해 가고 있습니다.




하지만 기대만큼 IoT 시장이 빠르게 확대되고 있는 것 같지는 않습니다. IT 사업에 큰 변화를 가져올 것으로 보였지만, 현재 IoT로 불리는 서비스 대부분은 기존 M2M(Machine To Machine) 서비스에서 크게 벗어나고 있지 않습니다. 다시 말해 기존 M2M의 적용 범위가 다양한 산업으로 확장되었을 뿐이며, IoT 그 진정한의 의미인 다양한 사물이 인터넷이 연결되어 다양한 데이터를 모아 분석하고 연계하여 부가 가치를 창출한다는 취지에 부합하는지는 의문입니다.



 ‘소물인터넷의 새로운 시작, NB-IoT’

IoT는 다양한 사물이 통신 가능하다는 전제로 시작합니다. 하지만 사물이 통신할 수 있게 만드는 데 드는 비용이 IoT 사업의 가장 큰 장애물이기도 합니다. 이 비용에는 통신 모듈, 통신료, 전기료, 유지 보수료 등이 포함되어 있으며, 수집할 데이터의 활용 가치가 이 비용 대비 얼마나 큰지가 IoT 사업성의 기준이 됩니다. 만약 이 통신 비용을 줄일 수만 있다면, 많은 IoT 서비스의 사업성이 확보될 것이고, 이는 곧 소물인터넷(Internet of Small Thing)의 활성화를 앞당길 것입니다.

소물인터넷은 IoT가 대두되었을 때부터 같이 파생된 개념으로 사물들이 데이터를 주고받을 때 굳이 초고속 네트워크나 고성능의 디바이스가 필요하지 않은 서비스도 많다는 사실에 기반하여, 작은 센서나 디바이스를 위한 소량 데이터 전송에 특화된 기술을 의미합니다. 



대표적인 사례로 프랑스의 시그폭스(Sigfox)사에서 비면허 주파수 대역에서 데이터 전용 서비스를 제공한 사례가 있으며, RFID, NFC 등의 근거리 무선 통신을 통한 IoT 서비스도 소물인터넷의 개념이 적용된 것으로 볼 수 있습니다. 특히 최근 국내 통신사에서 NB-IoT를 상용화시키면서 근거리 네트워크의 한계에서 벗어난 새로운 소물인터넷 시대가 열렸습니다. 이제부터 소물인터넷의 새로운 주체, 그리고 IoT 사업의 변화를 가져올 NB-IoT에 대해 자세히 알아보겠습니다. 


 LTE의 발전 방향

통신사들은 4G LTE에 이어 5G를 준비하고 있습니다. 4G에서도 동영상을 보기에 충분한 네트워크 속도가 지원되기 때문에 굳이 5G가 필요 없으리라 생각하시는 분들도 있겠지만, 3GPP의 Road Map을 보면 더 빠른 통신 속도를 지원하는 기술과 IoT를 위한 저전력 기반과 적은 대역폭을 사용하는 통신 방식으로 나누어 발전하고 있음을 알 수 있습니다. 다시 말해 NB-IoT와 같은 통신 방식도 5G의 일부이며, 지금도 계속 발전해 가고 있는 기술입니다.


l LTE 통신 방식 비교


대용량 데이터 송수신이 필요한 서비스의 경우 빠른 전송속도가 필수겠지만, 센서 수집이나 사용량 검침과 같이 작은 데이터를 빈번하지 않게 주고받는 서비스는 적은 대역폭을 사용하여 전력 사용량을 줄이는 통신 방식이 유리합니다. 이러한 통신 방식을 지원하기 위해 LTE Cat-0, LTE-M을 거처 NB-IoT 표준이 지난 2016년에 확정되었고 국내 일부 통신사들은 LTE-M을 확보 이후 이미 NB-IoT망을 통한 상용 서비스 준비를 마친 상태입니다.



 NB-IoT의 서비스 특징

NB-IoT망을 사용한 서비스는 아래와 같은 장점이 있습니다. 

첫째, 저렴한 통신 모듈 가격과 작은 모듈 크기
LTE 모듈이 3만 원~4만 원대인데 반해 LTE Cat 1은 1만 원 정도로 저렴했으며, 크기도 50% 수준이었습니다. NB-IoT의 경우 시장에서의 모듈 적정 가격을 USD 5 정도로 산정하고 있어, 기존 LTE 모듈을 탑재하는 경우보다 부담이 적으며, 디바이스 크기가 작아져 거치형 혹은 부착형 디바이스에 유리합니다.

둘째, 어느 곳에서든 통신이 가능
기존 근거리 네트워크를 이용한 서비스를 위해서는 Gateway나 AP와 같은 중계기가 필요한 경우가 많았습니다. 또한, 신호의 간섭 및 신호의 세기를 확인하여 적절한 위치를 선정해야 하였으며, Layout이 변하거나 디바이스의 위치가 조정되어야 할 경우 유지 관리가 어려운 단점이 존재하였습니다. 

NB-IoT는 통신사의 기지국을 사용하기에 기본적으로 어느 곳에서나 통신이 가능합니다. 특히 우리나라의 경우 LTE 기지국이 전국적으로 잘 분포되어 있기에 유리하며, 신호의 세기가 약하거나 음영 지역일 경우 통신사에 이야기하여 해결할 수도 있습니다. 

셋째, 저전력으로 배터리 오랜 기간 사용 
NB-IoT는 배터리 지속 기간을 10년 정도로 예상합니다. (이는 통신 모듈의 배터리 기준이며, 디바이스가 배터리를 같이 사용하면 달라질 수 있습니다.) 장기간 배터리 교체가 필요 없기 때문에 유지 보수 비용이 감소하며, 초기 디바이스 설치 시 상시 전원을 위한 전력 공사가 생략 가능할 수도 있습니다. 배터리 소모량이 적으므로 태양열을 통한 충전 등으로 배터리 교체 주기를 늘리는 방법도 고려해 볼 수 있습니다. 

넷째, 기존 LTE 대비 저렴한 통신료
아직 개인이나 일반 사업자를 위한 서비스가 제공되고 있지는 않지만, 기존 LTE 사용료보다 저렴하게 NB-IoT를 이용 가능할 것으로 예상하고 있습니다. 데이터 전송 횟수와 크기에 따라 통신료는 달라지겠지만, 이미 유사한 서비스를 제공하는 사업자의 경우 한 회선당 월 천원 정도의 가격을 산정하고 있으며, 각 통신사에서 현재 제공 중인 기존 IoT 등의 월 서비스 사용료 수준 이하일 것으로 예상합니다. 



위에서 언급한 장점 외에 아래와 같은 서비스 고려 사항도 있습니다.


첫째, 느린 통신 속도, 낮은 디바이스 사양
기존 LTE 기지국을 사용하지만, 대역폭을 조금만 할당하기 때문에 통신 속도가 느린 편입니다.
(Qualcomm의 MD9206 모델의 경우 최대 Download 20 kbps, Upload 60 kbps 지원)

데이터의 크기가 크거나 전송 주기가 짧은 서비스 등 NB-IoT 특성에 맞는 서비스가 아니라면 전송 속도의 문제로 품질 저하의 우려가 있습니다. 또한, 배터리 사용량을 줄이기 위해 디바이스나 모듈의 H/W 스펙이 낮은 경우가 많으므로, 실시간 이벤트 처리나 복잡한 처리가 필요한 서비스에는 적합하지 않을 수도 있습니다.

둘째, 통신 모듈의 수급과 설치 지역 확인 필요
NB-IoT는 통신사의 LTE 기지국을 사용하므로 각 통신사에서 인증된 모듈을 사용해야 하며 아직 개인이나 일반 기업을 위한 모듈 판매가 이루어지지는 않고 있습니다. 또한, NB-IoT가 상용화가 준비되긴 하였지만, LTE처럼 아직 전국적으로 설치된 것은 아닙니다. 시범 지역이나 서비스 지역 단위로 기지국 작업이 이루어질 것으로 보입니다. 


 NB-IoT에 적합한 프로토콜

NB-IoT 모듈은 말 그대로 통신 모듈이기 때문에 프로토콜 사용에 제약은 없습니다. 다만, 낮은 전송 속도와 저 사양의 디바이스의 경우를 고려하여 CoAP 프로토콜[각주:1]이 주목을 받고 있습니다. 이 프로토콜은 Restful 개념이나 응답 코드 등이 HTTP와 유사하게 동작하기 때문에 HTTP의 경량화 프로토콜로 알려져 있으며, 이름 그대로 저 사양의 제한적인 디바이스를 위한 통신 규격입니다. 

통신의 부하(Overhead)를 줄이기 위해 UDP 기반으로 동작하면서도 신뢰성(Reliability)을 보장하도록 설계된 것이 가장 큰 특징입니다. 예를 들어, 응답이 필요한 메시지와 아닌 메시지를 구분하고 응답이 필요한 메시지의 경우, ID와 Token을 사용하여 응답이 제한 시간 안에 왔는지 확인하며, 중복 메시지나 요청하지 않는 응답에 대한 처리까지 설계에 포함되어 있습니다. 

특히, NB-IoT와 같이 적은 대역폭을 사용하는 단말을 위해 메시지 크기를 나누어 전송할 수 있는 Block Transfer에 대한 설계가 포함된 점과 센서와 같이 주기적으로 데이터를 올리는 통신 방식의 효율성을 위해 Observer라는 기능이 설계되어 있다는 점에서 주목받고 있는 프로토콜입니다.


 CoAP 기반 IoT 표준, LWM2M

CoAP가 IoT 프로토콜로 주목을 받기 시작하면서 LWM2M, OCF, oneM2M 등 CoAP을 사용하는 IoT 국제 표준들도 많이 발표하고 있습니다. 그 중 CoAP 프로토콜의 특성과 기능을 가장 많이 활용하고 있는 LWM2M[각주:2]에 대해서 알아보겠습니다.

일반적인 IoT 국제 표준들은 표준 메시지 형태를 CoAP에서 어떻게 표현할 것인지에 대해 설명하는 데 반해, LWM2M은 CoAP의 기능 자체를 활용하여 표준을 규정한 것이 특징입니다. LWM2M의 주요 기능은 Bootstrap, Registration, Information Report, Device Management로 M2M 서비스에 필수적인 기능만 간결하게 강조하고 있습니다.


l LWM2M의 주요 기능


LWM2M 디바이스는 자신의 Data 구조를 Object나 Resource 형태로 구현하고 위 네 가지 기능을 사용하여 서버와 데이터를 주고받을 수 있습니다. 이 중에서 Information Reporting은 CoAP의 Observe 기능을 활용하도록 설계되어 있는데요. 센서의 값이 바뀔 때 주기적으로 Notification을 하도록 표준에 명시되어 있으며 추가적으로 전송 주기를 설정하는 기능도 포함하고 있습니다. 


Device management는 디바이스가 관리하는 Data를 읽거나 쓸 수 있는 기능이며, 명령•제어도 가능합니다. Firmware Update는 기존 OMA DM과 유사한 방식으로 표준이 정의되어 있으며, Firmware 파일 Download 시 CoAP을 사용한다면 Block Transfer를 사용해서 파일을 전달해야 합니다.



출처: http://blog.lgcns.com/1447 [Creative and Smart! LG CNS]


 
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