시그폭스란 무엇인가요? 알아야 할 모든 것

정보 기술의 발전과 함께 무선 통신을 활성화하는 요건은 최신 애플리케이션을 구현하는 데 중요한 요소가 되었습니다. 사물 인터넷(IoT)에서 서로 통신하는 기계 및 디바이스의 연결된 네트워크와 머신 투 머신 (M2M) 애플리케이션에는 무선 통신 기술이 필요합니다. 이러한 디바이스는 넓은 지역에 널리 퍼져 있기 때문입니다. 또한 이러한 장치는 배터리로 구동되기 때문에 저전력 소모 통신 기술이 필요하며 먼 거리에서도 통신할 수 있어야 합니다. 이러한 요구 사항으로 인해 다음과 같은 통신 기술이 점점 더 많이 경쟁하고 있습니다. LoRa, 시그폭스 및 NB-IoT 등 이 글에서는 시그폭스의 정의와 그 응용 및 중요성에 대해 설명합니다.  

시그폭스란 무엇인가요?

시그폭스는 협대역 LPWAN (저전력 광역 네트워크) 프로토콜은 2009년에 프랑스에서 개발되었습니다. 이 프로토콜은 데이터의 양이 적고 작동 범위가 넓을 때(수십 킬로미터 이상) IoT에서 널리 사용됩니다. 시그폭스 사용 라이선스가 없는 ISM 밴드 특허 기술을 의미하는 독점 프로토콜입니다. 하지만 네트워크에 가입해야만 Sigfox 하드웨어가 개방되어 있습니다.

원래 시그폭스는 단방향으로 업링크를 통한 통신만 지원했습니다. 하지만 나중에 다운링크가 도입되면서 LPWAN 통신 프로토콜 사이에서 더욱 경쟁력을 갖추게 되었습니다. 이제 시그폭스의 주요 기술 원리에 대해 자세히 살펴보겠습니다:

• 초협대역(UNB)

Sigfox는 메시지의 대역폭이 600Hz(미국의 경우)로 고정되어 있고 비트 전송률이 600bps(미국의 경우)로 낮은 업링크 통신에 D-BPSK(차동 이진 위상 편이 키잉) 변조를 사용합니다. 이 변조 기술은 초협대역(UNB) 변조로 알려져 있으며, 이 때문에 Sigfox 기지국은 노이즈의 영향을 받지 않고 장거리 통신이 가능합니다. 채널 대역폭은 192KHz(미국의 경우)이며 중앙 주파수는 지역에 따라 1 GHz 미만입니다. 미국의 중심 주파수는 915 MHz인 반면 유럽에서는 868 MHz, 아시아에서는 433 MHz입니다. 다운링크 신호의 경우, 시그폭스는 GFSK(가우스 주파수 시프트 키잉) 변조를 사용합니다. 비트 전송률이 낮을수록 트랜시버 단에서 저비용 부품을 사용할 수 있습니다.

• 시간, 빈도 및 공간적 다양성

시그폭스의 또 다른 흥미로운 기반 기술은 랜덤 액세스를 사용한다는 점입니다. 이는 높은 서비스 품질(QoS)을 보장합니다. 네트워크와 디바이스는 Sigfox 메시지를 동시에 전송할 수 없으므로 디바이스를 페어링하거나 업링크 통신을 위해 채널을 할당할 필요가 없습니다. 이는 시간 및 주파수 다이버시티라는 기술을 통해 이루어지며, 동일한 프레임의 두 복사본이 서로 다른 시간과 주파수로 전송되어 둘 이상의 Sigfox 기지국이 하나의 메시지를 수신할 수 있습니다. 다운링크 통신의 경우, 디바이스는 첫 번째 업링크 메시지를 보낸 후 20초의 지연이 발생해야 하며 다운링크 수신 창은 25초 동안만 열려 있습니다.

또한 앞서 말했듯이 셀룰러 프로토콜과 달리 시그폭스 디바이스는 전용 기지국에 연결되지 않습니다. 따라서 발신된 메시지가 근처에 있는 최소 3개의 기지국에서 수신되는 공간적 다양성이 가능합니다. 이 원리를 협력 수신이라고 합니다. 시간 및 주파수 다이버시티와 결합된 공간 다이버시티는 시그폭스 네트워크의 높은 QoS를 보장하는 핵심 요소입니다.

• 단문 메시지

시그폭스는 원격 아이템의 비용과 자율성 한계를 해결하기 위해 작은 메시지 통신 프로토콜을 설계했습니다. 업링크 통신 메시지 크기의 범위는 0~12바이트입니다. 센서 데이터, 상태 데이터, 애플리케이션 데이터, GPS 좌표는 모두 12바이트 페이로드로 전송할 수 있습니다. 다운링크 메시지의 크기는 정적이며 8바이트입니다. 이 정도면 작업을 트리거하거나 디바이스를 관리하거나 애플리케이션 매개변수를 원격으로 설정하기에 충분합니다.

시그폭스는 어떻게 작동하나요?

시그폭스는 네트워크 장비 계층과 시그폭스 지원 시스템으로 구성된 얇고 평평한 2계층 아키텍처를 가지고 있습니다. 네트워크 장비 계층은 최종 장치와 기지국으로 구성됩니다. 이 계층은 이러한 장치에서 Sigfox 지원 시스템으로 메시지와 데이터를 전송하는 역할을 담당합니다. 총 운영 비용(TCO)을 줄이기 위해 Sigfox 기지국은 전용 하드웨어 대신 소프트웨어 알고리즘이 복조를 처리하는 소프트웨어 정의 라디오(SDR)를 사용합니다. 네트워크 장비 계층은 4G/3G 백업이 있는 디지털 가입자 회선(DSL) 연결을 통해 공용 인터넷을 사용하는 백홀을 통해 Sigfox 지원 시스템에 연결됩니다. 위성 연결은 DSL 연결이 없거나 셀룰러(4G/3G) 연결이 없는 경우 백업으로 사용됩니다. 이 연결은 VPN 연결로 보호됩니다.

시그폭스 지원 시스템은 메시지를 처리하고 콜백을 통해 고객 시스템으로 전달하는 역할을 담당하는 코어 네트워크로 구성되며, 이를 통칭하여 운영 지원 시스템(OSS)이라고 합니다. 또한 웹 인터페이스 및 API를 통해 시스템과 상호 작용할 수 있는 기능도 제공합니다. 또한 이 계층에는 시스템 모니터링과 같은 기능, 예를 들어 주문 및 청구, 운영 감독을 위한 비즈니스 지원 시스템(BSS)이 포함됩니다. 또한 메시지의 복제본이 하나만 저장되는 메시지 처리를 처리하고 전 세계의 기지국을 관리하는 역할도 담당합니다.

시그폭스의 특징

이제 다른 통신 프로토콜과 비교했을 때 경쟁력이 있고 IoT 애플리케이션에 이상적인 Sigfox의 몇 가지 성능 특징을 간략히 살펴보겠습니다.

1. 높은 네트워크 용량 및 높은 QoS

시그폭스는 높은 네트워크 용량과 높은 QoS를 제공하며 수십억 개의 사물을 연결할 수 있습니다. 이는 앞서 설명한 기술 원리에 의해 가능한데, UNB는 잡음, 시간, 주파수 다양성으로 인한 간섭을 완화하여 무선 링크와 QoS의 일관성을 높이는 랜덤 액세스 및 협력 수신을 제공합니다.

2. 장거리

다른 통신 기술에 비해 Sigfox 기술의 주요 경쟁 우위는 최소한의 기지국으로 넓은 거리를 커버할 수 있다는 점입니다. 따라서 Sigfox 네트워크를 구현하는 데 드는 운영비용과 자본비용을 크게 절감할 수 있습니다. 이는 다음과 같은 기능을 통해 가능합니다:

• 무선 주파수(RF) 링크의 범위는 주어진 출력의 비트 전송률에 따라 결정됩니다. 데이터 전송률이 낮을수록 범위가 더 넓어집니다.
• 또 다른 요소는 링크 예산으로, 기지국 감도와 대상의 출력 전력의 합이 주요 관심사입니다. 링크 버짓을 낮추면 저전력으로 더 넓은 범위를 커버할 수 있습니다.
• 그러나 범위는 지형에 따라 다르며 GHz 미만 대역을 사용하기 때문에 실내 커버리지가 양호합니다.

3. 높은 에너지 효율

시그폭스 기술의 에너지 효율이 높은 이유는 NXP, 텍사스 인스트루먼트 등과 같은 시그폭스 반도체 파트너가 제공하는 반도체 칩의 효율성 덕분입니다. 이러한 반도체는 전송 시 약 10mA~50mA의 전류로 작동합니다. Sigfox의 긴 배터리 수명을 설명하는 두 가지 요인이 더 있습니다:

• 연결을 설정하기 위해 장치에서 기지국으로 데이터를 전송하기 전에 동기화가 필요하지 않으므로 페어링할 필요가 없습니다.
• 또한 유휴 상태에서는 전류 소비가 나노 암페어 범위이므로 거의 무시할 수 있습니다.

4. 간섭 요인에 대한 복원력

시그폭스는 +20dB의 기지국 공간 다이버시티와 결합된 UNB를 사용하여 고유한 재밍 방지 기능을 제공합니다. 이를 통해 Sigfox는 UNB의 영향을 받는 확산 스펙트럼인 공공 산업, 과학 및 의료(ISM) 대역에서 작동하기에 이상적인 후보가 될 수 있습니다. UNB 변조는 잡음과의 중첩이 매우 낮기 때문에 본질적으로 견고성이 있습니다. 메시지를 수신하려면 신호가 잡음 플로어보다 최소 8dB 이상 높아야 합니다. 시그폭스와 비교할 때, 확산 스펙트럼 변조를 기반으로 하는 경쟁 기술은 공통적으로 표면이 훨씬 더 넓기 때문에 노이즈의 영향을 많이 받습니다.

5. 네트워크 기반 지리적 위치

시그폭스 아틀라스 서비스를 사용하면 구성 요소에 관계없이 자산(시그폭스 디바이스)의 위치를 최대 수 킬로미터까지 정밀하게 파악할 수 있으며, GPS 서비스가 없는 경우에도 디바이스의 위치를 찾을 수 있습니다. 이는 모바일 자산 추적에 매우 유리합니다.

6. 보안 기능

시그폭스는 기본적으로 다음과 같은 보안 기능을 통합합니다:

• 네트워크에서 전송되는 메시지에 대한 인증, 무결성 및 재생 방지 기능을 제공합니다.
• 키 OTA 전송이 없는 고급 암호화 표준(AES)
• 페이로드 암호화를 옵션으로 제공하세요.
• 비상 시 네트워크의 일부를 섹션으로 분리할 수 있습니다.
• 디바이스 ID가 중복되지 않았는지 확인합니다. 손상된 디바이스의 경우 블랙리스트 목록 메커니즘을 통해 통신이 차단됩니다.
• 방화벽이 내장되어 있습니다.

7. 서비스 범위 도구

서비스 범위를 평가하기 위해 채널 파트너에게 제공되는 다양한 기능이 있으며, 아래에 간략하게 설명되어 있습니다:

• 서비스 커버리지 맵에 대한 링크는 다음을 통해 액세스할 수 있습니다. http://www.sigfox.com/coverage
• 전 세계 모든 시그폭스 퍼블릭 사업자의 커버리지 품질을 제공하는 것을 목표로 하는 새로운 글로벌 커버리지 API가 개발 중입니다.

시그폭스는 언제 고려해야 하나요?

이제 시그폭스의 기술적 세부 사항과 경쟁력 있는 기능에 대해 살펴봤는데, IoT 애플리케이션에 시그폭스를 고려해야 할 시기를 어떻게 알 수 있을까요? 다음은 살펴봐야 할 몇 가지 중요한 팁입니다:

• 전송되는 데이터의 양이 적은 경우(몇 바이트에서 킬로바이트까지)
• 작동 범위가 수 킬로미터 수준인 경우
• 필요한 전류 소비가 낮은 경우(전송당 밀리암페어 또는 수십 밀리암페어 수준)

시그폭스의 애플리케이션:

시그폭스는 다음과 같은 분야에서 저전력, 저비용의 장거리 애플리케이션에 이상적인 솔루션입니다:

• 차량 관리
• 보안 애플리케이션
• 상품 및 사람에 대한 자산 추적
• 운송 및 물류 분야
• 원격 모니터링 및 제어가 필요한 m헬스 애플리케이션

시그폭스와 다른 LPWAN 비교

앞서 언급했듯이, 시그폭스 기술의 경쟁자인 다른 LPWAN이 존재합니다. LPWAN은 광범위한 네트워크 영역에서 저전력으로 M2M(사물 간 통신) 및 IoT(사물 인터넷) 네트워크를 활성화하기 위해 만들어졌습니다. 저희는 로라와 시그폭스의 차이점 이전에는 다양한 LPWAN 기술을 성능 기준에 따라 5점 만점으로 간단히 비교해 보았습니다.

또한 기술적 특징에 따라 기술을 좀 더 자세히 비교해 보겠습니다.

결론

Sigfox는 현재 많은 산업 애플리케이션에 배포되고 있는 LPWAN 애플리케이션에서 경쟁력 있는 후보입니다. Sigfox는 이미 InnoComm, Murata, WiSOL, LITEON, TD Next와 같은 모듈 제조업체와 파트너십을 맺고 Sigfox를 지원하는 하드웨어 모듈을 실현하고 있습니다. 결론적으로, 저전력 및 장거리 IoT 애플리케이션이 필요하다면 Sigfox를 주목해 보라고 말할 수 있습니다.