LPWAN 기술: IoT 애플리케이션에 가장 적합한 기술은 무엇일까요?

이 문서에서는 적합한 제품을 선택하는 방법에 대해 설명합니다. 저전력 광역 네트워크 (LPWAN) 기술은 대규모 사물 인터넷(IoT) 애플리케이션을 위한 기술입니다. 장거리 작동과 저렴한 비용으로 인해 LPWAN IoT 네트워크가 인기를 얻고 있습니다. 이를 위해 LPWAN의 원동력과 새롭게 떠오르는 인기를 간략히 살펴보겠습니다. 그런 다음 사양과 애플리케이션을 기준으로 주요 LPWAN 기술을 간략하게 비교해 보겠습니다. 

LPWAN이 인기 있는 이유는 무엇인가요? 

장거리로 확장되는 대규모 IoT 애플리케이션의 발전과 함께 LPWAN이 인기를 얻고 있습니다. 그러나 LPWAN의 인기를 견인하는 것은 장거리 작동 범위뿐만 아니라 다른 이유도 있습니다. LPWAN이 등장한 주요 이유는 다음과 같이 확인할 수 있습니다: 

• 다음과 같은 프로토콜 ZigBee 그리고 BLE 장거리 작동을 지원할 수 없습니다. 
• 셀룰러 기반 장거리 co1TP14와 같은 통신은 다음과 같습니다. 4G-LTE 3G는 좋은 커버리지에도 불구하고 과도한 에너지를 소비했습니다. 
• 장거리에 걸쳐 communication을 배포하는 것은 비교적 비용이 많이 들었습니다.

따라서 위의 이유로 인해 장거리 커버리지가 넓으면서도 낮은 장치 비용으로 작동에 필요한 에너지를 적게 소비하는 LPWAN 기술이 등장하게 되었습니다. 이러한 요소는 스마트 시티, 스마트 농업 애플리케이션과 같은 대규모 IoT 애플리케이션을 실현하는 데 중요한 역할을 했습니다. 또한 업계에서 점점 더 많은 LPWAN 기반 IoT 애플리케이션이 등장할 것으로 예상되며, 4곳 중 1곳이 산업용 IoT(IIoT) 애플리케이션 2025년까지 LPWAN 기반이 될 것입니다.  

따라서 농촌 환경에서 최대 15km에 이르는 긴 작동 범위, 최대 10년의 디바이스 수명으로 이어지는 낮은 전력 소비, 낮은 디바이스 복잡성으로 인한 낮은 디바이스 비용 등이 LPWAN 기반 IoT 애플리케이션의 인기의 주요 원동력임을 알 수 있습니다. 

다양한 LPWAN 옵션의 기술적 비교 

 앞서 다양한 LPWAN 옵션에 대해 살펴보기 전에 LPWAN 기술을 크게 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다: 

• 라이센스가 부여된 LPWAN: 공용 셀룰러 주파수 스펙트럼을 기반으로 하는 LPWAN 기술입니다. 라이센스가 부여된 LPWAN의 예는 다음과 같습니다; NB-IoT 그리고 LTE-M. 
• 비인가 LPWAN: 다음을 기반으로 하는 LPAN 기술입니다. 비면허 주파수 스펙트럼. 라이선스가 없는 LPWAN의 예는 다음과 같습니다; LoRaWAN 그리고 시그폭스. 

라이선스형과 비라이선스형 LPWAN 중 어떤 것을 선택할지는 전체 시스템의 안정성, 보안, 예상 이동성 등 IoT 애플리케이션 요구사항에 따라 달라집니다. 다양한 유형의 LPWAN 기술에 대한 기본적인 이해를 마쳤으니 이제 몇 가지 LPWAN 기술에 대해 살펴보겠습니다. 

LoRaWAN은 배터리로 구동되는 디바이스의 장거리 작동을 용이하게 하는 유명하고 떠오르는 LPWAN 옵션입니다. 흥미로운 기능 LoRaWAN 디바이스 의 장점은 복잡성이 적어 디바이스 비용이 저렴하다는 점입니다. 비면허 주파수 스펙트럼을 기반으로 하며 양방향 co1TP14 통신이 가능하고 간섭에 대한 i1TP14 내성이 우수합니다. 사설 네트워크를 개발할 수 있다는 점은 이 글의 뒷부분에서 살펴볼 다른 LPWAN 옵션과 차별화되는 특징입니다. 

시그폭스는 프랑스의 한 스타트업이 개발한 협대역 기술로, 에너지 소비에 더 신경을 써야 하는 저대역폭 애플리케이션에 가장 적합한 기술입니다. LoRaWAN과 마찬가지로 Sigfox는 비면허 주파수 스펙트럼에서 작동하지만, LoRaWAN에 비해 양방향 communication 기능이 제한적입니다. 마지막으로, 시그폭스는 북미와 유럽에서 IoT 애플리케이션에 적용되고 있으며 현재 아시아와 같은 지역으로 확장되고 있습니다. 

그러나 NB-IoT는 셀룰러 주파수 스펙트럼에서 작동하는 라이센스가 있는 LPWAN입니다. IoT 애플리케이션의 등장에 따른 셀룰러 네트워크 제공업체의 대응으로 볼 수 있습니다. 기존 셀룰러 네트워크 위에 개발되어 낮은 대역폭, 넓은 커버리지, 높은 스펙트럼 효율의 IoT 애플리케이션을 지원합니다. 마찬가지로 LTE-M도 허가된 셀룰러 주파수 스펙트럼을 기반으로 합니다. NB-IoT에 비해 LTE-M은 향상된 대역폭과 높은 보안성을 제공합니다. 

IoT 기능에 기반한 LPWAN 옵션 

이제 IoT 애플리케이션에 중요한 몇 가지 주요 IoT 기능을 기준으로 LPWAN 옵션을 비교해 보겠습니다. 이러한 기능은 일반적으로 많은 IoT 애플리케이션의 주요 요구 사항 중 일부로 작용합니다.  

• 서비스 품질: 서비스 품질(QoS)은 외부 요인으로 인한 간섭에 대한 i1TP14저항성이 좋은 높은 데이터 수신과 다양한 수준의 최종 사용자 데이터 요구 사항을 충족할 수 있는 기능을 의미합니다. LoRaWAN과 시그폭스는 잡음이 많은 환경에서도 간섭을 처리할 수 있지만 비동기식 communication 프로토콜을 사용합니다. 반면 NB-IoT는 LTE 기반의 동기식 communication 프로토콜을 사용하므로 가용성이 향상되고 QoS 서비스에 최적입니다. 그러나 이는 구현 비용이 발생합니다. 따라서 최적의 QoS가 필요한 IoT 애플리케이션의 경우 NB-IoT가 최선의 선택입니다. 

•  이동성: 이동성: 네트워크에서 고속으로 이동하는 엔드 노드로 데이터를 전송할 수 있는 기능을 말합니다. LoRaWAN과 시그폭스는 장거리 통신이 가능하지만 셀룰러 주파수 스펙트럼과 기존 셀룰러 인프라를 사용하기 때문에 NB-IoT와 LTE-M에서 본질적으로 가능한 핸드오버 절차가 불가능합니다. 

• 비용: 비용은 IoT 애플리케이션을 개발할 때 고려해야 할 주요 요소입니다. 대규모 IoT 애플리케이션에서는 다음과 같은 세 가지 주요 구성 요소로 평가할 수 있습니다: 
  1. 스펙트럼 비용 
  2. 배포 비용 
  3. 디바이스 비용 

스펙트럼 비용 측면에서 보면, LoRaWAN과 시그폭스는 무료로 제공되는 비면허 주파수 스펙트럼을 활용하기 때문에 당연히 추가적인 스펙트럼 비용이 없습니다. 그러나 NB-IoT와 LTE-M은 모두 면허 주파수 스펙트럼을 활용하므로 네트워크 사업자 또는 해당 지역의 네트워크 규제로부터 주파수 스펙트럼을 구입하는 데 비용이 발생합니다. 다시 말하지만, 배포 비용 측면에서 보면 LoRaWAN과 Sigfox는 NB-IoT 및 LTE-M에 비해 배포 비용이 저렴합니다. 시그폭스는 LoRaWAN에 비해 디바이스 비용이 가장 낮은 반면, NB-IoT의 디바이스 비용은 $10 이상의 범위가 될 수 있습니다. 

• 배터리 수명: 모든 LPWAN 기술은 네트워크를 통해 데이터를 전송하지 않을 때 유휴 상태가 됩니다. 그러나 NB-IoT와 같은 기술은 동기식 communication 프로토콜을 사용하므로 communication을 초기화하기 위해 추가 에너지가 필요합니다. 따라서 우수한 배터리 수명과 성능을 필요로 하는 애플리케이션에 가장 적합한 옵션은 Sigfox 및 LoRaWAN 클래스 A 디바이스입니다. 

• 작동 범위: LoRaWAN은 LOS 작동 시 12~14km로 가장 낮은 거리 범위를 가지며, Sigfox는 15~17km의 범위를 가집니다. 그러나 NB-IoT는 기존 셀룰러 인프라를 사용하기 때문에 20~22km의 범위를 갖습니다. 그러나 LTE-M은 해당 지역의 4G-LTE 커버리지에 따라 범위가 제한됩니다. 

• 보안: 네트워크 보안 측면에서 LTE-M은 다른 LPWAN 기술과 비교할 때 최고의 보안 기능을 제공합니다. 

IoT 애플리케이션 기반 LPWAN 옵션 

지금까지 살펴본 여러 가지 요소가 특정 LPWAN 기술의 타당성을 다른 기술보다 결정하는 데 도움이 되지만, 특정 IoT 애플리케이션에 관해서는 결정하기 어려운 문제입니다. 따라서 IoT 애플리케이션을 조사하고 어떤 LPWAN 기술이 가장 적합한지 결정하는 것이 좋습니다. 

• 전기 계량 

전기 계량에는 더 높은 데이터 속도와 우수한 대기 시간 성능이 필요합니다. 또한 배터리 수명과 관련하여 이러한 애플리케이션은 배터리로 작동하는 대신 그리드에 직접 연결할 수 있습니다. 로라WAN과 시그폭스는 지연 시간이 길고 데이터 전송률이 낮기 때문에 이러한 종류의 전기 계량 애플리케이션을 구현하는 데 보다 안정적이고 지연 시간이 짧은 NB-IoT를 사용할 수 있습니다. 

• 스마트 농업 

스마트 농업에서는 장거리에서 작동하는 배터리 구동 장치를 구현해야 합니다. 또한 이러한 애플리케이션은 대부분의 농부와 농업 회사에서 부담 없이 사용할 수 있어야 합니다. 따라서 비용은 매우 중요한 요소입니다. 이러한 요소를 고려할 때, 이러한 애플리케이션을 위한 immediate 옵션은 LoRaWAN 또는 Sigfox입니다. 

• 스마트 빌딩 

여기에는 건물 온도, 습도 모니터링, 기타 스마트 기기 모니터링 등이 포함됩니다. 따라서 이러한 정보를 지속적으로 모니터링할 필요가 없으며 배터리로 구동되는 디바이스가 필요합니다. 따라서 이러한 종류의 IoT 애플리케이션에는 LoRaWAN과 Sigfox로만 선택의 폭을 좁힐 수 있습니다. 

• 제조 및 자동화 산업  

여기에는 기계의 바이탈을 모니터링하고 정확하게 제어하는 것이 포함됩니다. 따라서 이러한 애플리케이션에는 빈번한 모니터링과 우수한 QoS가 필요합니다. 따라서 NB-IoT와 LTE-M은 이러한 요구 사항을 충족하는 데 가장 적합한 옵션입니다. 보안에 더 많은 신경을 써야 하는 경우 LTE-M을 사용할 수 있습니다. 

결론 

이 문서에서는 대규모 IoT 애플리케이션을 구현하기 위해 사용할 수 있는 다양한 옵션에 대해 간략하게 설명했습니다. 결론적으로, 가장 좋은 옵션은 요구 사항을 절충하는 것이며, 이는 애플리케이션에 따라 다릅니다.