이전 자습서에서는 컴퓨터 및 모바일 장치 에 대해 지정된 다양한 물리적 및 데이터 링크 계층 프로토콜 에 대해 설명했습니다. 물리적 및 데이터 링크 프로토콜의 주제를 계속해서 이 자습서에서는 LPWAN에 대해 지정된 네트워크 액세스 프로토콜에 대해 설명합니다.
잠깐 LPWAN 시장에 대해 알아보면, 시장 보고서에 따르면 연결된 IoT 장치의 수는 2019년 83억 개에서 2025년 220억 개까지 증가하고 LPWAN은 성장의 핵심 동인이 될 것으로 예상됩니다. LPWAN에 대한 광범위한 분석이 포함된 최근 시장 보고서에서 IoT Analytics는 LPWAN이 향후 5년 동안 가장 빠르게 성장하는 IoT 통신 기술이 될 것이며 LPWAN에 연결된 장치의 수가 매년 109%씩 증가하고 2023년 까지 10억개를 초과할 것으로 예상합니다.
LPWAN(Low-Power Wide-Area Network)은 저전력 광역 네트워크의 약자입니다. 일반적으로 LPWAN은 무선 센서(Wireless Sensor Network)로 둘러싸인 배터리 구동 IoT 장치가 상호 연결된 저전력 장거리 무선 네트워크입니다. LPWAN은 기계 간 통신을 위해 설계되었습니다. 그들은 일반적으로 Wi-Fi보다 크지만 셀룰러 기술보다 적은 범위의 네트워크를 가지고 있습니다. 주요 특징은 아래 표와 같습니다.
| 저전력 | – 충전이 어려운 사물 인터넷 환경 위한 저전력 |
| 장거리 | – 기존 통신 기술의 거리 제한 문제 극복 |
| 낮은 비용 | – 저가 통신칩, 저가 단말의 대규모 접속 지원 |
LPWAN의 주요 과제는 전력 효율성, 네트워크 범위, 보안, 침투 수준 및 네트워크 비용입니다. 이러한 네트워크는 매우 제한된 대역폭에서 작동하며 전력 예산에 따라 매우 효율적이어야 합니다. 따라서 LPWAN을 설계할 때 센서, 컨트롤러, IOT 보드 및 배터리를 신중하게 선택해야 네트워크의 침투 수준, 적용 범위, 대역폭 제한, 비용 효율성 및 보안을 고려합니다. LPWAN 설계의 주요 초점은 전력 소비입니다. 이러한 네트워크의 IOT 장치는 이상적으로는 몇 년 또는 적어도 몇 개월 안에 배터리를 교체해야 합니다.
특히 LPWAN에 대해 지정된 많은 물리적 및 데이터 링크 계층 프로토콜이 있습니다. 이러한 프로토콜 스택 중 일부는 다음과 같습니다.
• Sigfox • Weightless / Neul • NB-IOT/LTE Cat NB1 • LTE Cat 0, 1, 3 • LTE-M1/ LTE-MTC (LTE-Machine Type Communication) • LoRaWAN • Symphony Link • EC-GSM-IOT(확장 적용 범위 GSM-IOT) • RPMA
1) Sigfox – Sigfox는 프랑스 통신 회사이자 글로벌 통신 서비스 제공업체입니다. 동일한 이름으로 LPWAN 네트워킹 기술 스택을 제공합니다. 유럽과 미국 전역에 걸쳐 독점적인 네트워킹 기술입니다. Sigfox는 좁은 스펙트럼에서 라이선스가 필요 없는 ISM 대역(유럽의 경우 868MHz, 미국의 경우 902MHz)을 사용합니다. 이 회사는 데이터 통신을 위해 DBPSK(Differential Binary Phase-Shift Keying) 및 GFSK(Gaussian Frequency Shift Keying)를 사용하는 다양한 위치(셀룰러 타워와 마찬가지로)에 타워를 설치했습니다.
이 타워는 도시 및 대도시 지역에서 3-10km, 농촌 지역에서 30-50km의 적용 범위를 가지고 있습니다. Sigfox 트랜시버는 50마이크로와트의 전력 소비로 매우 전력 효율적입니다. 이상적으로 Sigfox 트랜시버는 15~20년 동안 배터리 교체가 필요하지 않습니다. IOT 장치는 초당 10~1000비트 범위의 저속으로 이러한 트랜시버와 데이터를 교환할 수 있습니다. Sigfox 네트워크에 연결하고 활용하려면 IOT 개발자가 해당 지역의 Sigfox 운영자 또는 파트너에게 문의해야 합니다. 개발자는 또한 자신의 애플리케이션 요구 사항에 맞게 운영자와 네트워크 범위 및 대역폭을 협상할 수 있습니다. 현재 Sigfox 네트워크는 스마트 시티 및 교통 IOT 애플리케이션에서 널리 사용됩니다.
2) Weightless/ Neul – 현재 Weightless로 알려진 Neul은 Weightless SIG(Special Interest Group)에서 제안한 LPWAN 기술 스택입니다. IOT 장치와 기지국 간의 M2M 통신을 위해 TV 전송 대역에서 공백을 사용합니다. 무중력 송수신기는 라이센스가 없는 무선 대역(영국의 경우 458MHz, 미국 및 유럽의 경우 900MHz ISM 대역)과 White Space TV Spectrum(470~790MHz)에서 작동합니다. 실제로 TV 전송에 사용되는 UHF 스펙트럼을 사용하기 때문에 네트워크 커버리지 측면에서 Mobile IOT 표준과 경쟁하여 확장성이 뛰어납니다. 또한 UHF 스펙트럼은 장치와 스테이션 간의 품질 링크를 허용합니다.
Sigfox와 마찬가지로 Weightless 트랜시버는 각 타워의 네트워크 범위가 최대 10Km인 타워에 장착됩니다. Weightless는 초당 몇 비트에서 100kbps에 이르는 저속에서 M2M 통신을 위해 개발되었습니다. 트랜시버는 일반적으로 AA 배터리로 작동하며 15~30mA 전류를 소비합니다. 이러한 낮은 전력 소비로 트랜시버는 배터리 교체 없이 10년에서 15년 동안 사용할 수 있습니다.
Weightless에서 제공되는 세 가지 프로토콜 스택이 있습니다.
Weightless-W – 이 표준은 IOT 장치와 중앙 스테이션 간의 통신을 위해 TV 공백을 사용합니다. 다른 주파수에서 작동하는 안테나 사이를 연결하기 위해 QAM(Quadrature Amplitude Modulation) 및 기타 변조 기술을 사용합니다. Weightless-W 표준의 주요 과제는 다른 위치에서 다른 TVWS 주파수를 사용할 수 있으므로 다른 주파수(400MHz에서 800MHz 사이일 수 있음)에서 작동하는 안테나가 있는 RF 시스템을 수용하는 것입니다.
Weightless-N – 이 프로토콜 스택은 Sigfox와 마찬가지로 sub-1GHz 대역을 활용하기 때문에 Sigfox와 매우 유사합니다. N-Wave에서 설계했으며 센서 기반 네트워크용입니다. 엔드 투 엔드 폐쇄형 시스템이 아니라 파트너 네트워크로 구성됩니다. 이 표준은 BPSK(Binary Phase Shift Keying)를 사용하여 센서 데이터를 기지국으로 업링크하는 데 초점을 맞춥니다.
Weightless-P – ubiik에서 개발한 Weightless-P는 LAN 및 사설 영역 네트워크용으로 설계되었습니다. GMSK(Gaussian minimum shift keying) 및 QPSK(quadrature phase shift keying)를 사용한 데이터 전송을 위해 12.5KHz 채널을 사용합니다. Weightless는 비용을 최소화할 뿐만 아니라 미래에 발전할 수 있는 개방형 표준입니다.
3) NB-IOT – NarrowBand-IoT는 2018년 출시 예정인 또 다른 LPWAN 표준입니다. M2M 통신을 위해 셀룰러 통신 대역(4G LTE 네트워크에서 사용되지 않는 반송파 대역)을 사용할 것입니다. 3GPP(3rd Generation Partnership Project)에서 제안한 것으로 MIoT(Mobile IoT) 기술의 일종입니다.
NB-IoT 트랜시버는 모바일 트랜시버와 유사하지만 대역폭이 180KHz에 불과합니다. 장치는 초당 250Kbits의 속도로 이러한 트랜시버와 통신할 수 있습니다. 이러한 네트워크에서는 1.5초에서 10초의 대기 시간이 있을 수 있습니다. 모바일 네트워크를 기반으로 하는 NB-IoT는 모바일 장치와 유사한 보안 기능을 갖습니다.
NB-IoT는 농촌 지역에 배포하기 위한 깊은 실내 침투용으로 개발되었습니다. 그 트랜시버는 모바일 타워의 경우처럼 타워에 배치됩니다. 이 트랜시버는 전력 효율이 매우 높으며 10~15년 동안 배터리를 교체할 필요가 없습니다. IoT 개발자는 해당 지역의 통신 사업자에게 연락하여 NB-IoT 네트워크를 사용할 수 있습니다. NB-IoT의 주요 장점은 네트워크 보안, 글로벌 규모의 상호 운용성 및 기존 2G, 3G 및 4G 모바일 네트워크와의 공존입니다.
4) LTE Cat 0, 1, 3 – LTE Cat 0, 1, 3은 실제로 LTE(셀룰러 네트워크) 사용자 장비 카테고리로 헤드라인 데이터 전송률로 구분됩니다. 일반적으로 LTE UE 범주에는 다음과 같은 업링크 및 다운링크 속도가 있습니다.
데이터 속도가 낮은 LTE 클래스는 이러한 모바일 LTE 네트워크의 트랜시버가 전력 소비가 매우 낮기 때문에 LPWAN IoT 애플리케이션에 적합합니다. LTE Cat 0, 1, 3은 기존 모바일 네트워크를 이용한 대규모 IOT 구축에 가장 적합한 것으로 판단된다.
5) LTE-M1 – LTE-A, eMTC(Machine Type Communication), CAT-M1 및 LTE-MTC라고도 하는 LTE-M1은 LTE 셀룰러 네트워크를 사용하는 M2M 통신을 위해 개발 중인 미래형 LTE 표준입니다. 릴리스 13에서 3GPP(3rd Generation Partnership Project)가 제안한 세 가지 프로토콜 스택 중 하나입니다. 다른 하나는 NB-IoT 및 EC GSM-IOT입니다. IoT M2M 요구 사항에 맞게 소프트웨어 업그레이드와 함께 모바일 서비스를 위한 기존 하드웨어 인프라를 활용합니다. 이 다가오는 표준은 확장 가능하고 비용 효율성이 높을 것으로 기대되기 때문에 많은 기대가 있습니다.
BL/CE라고도 하며 BL은 대역폭 제한, CE는 Coverage Enhanced를 나타냅니다. 이 표준은 LTE Cat 1 및 LTE Cat M1 클래스를 기반으로 하므로 에너지 효율성이 매우 높습니다. 네트워크는 엔드 노드(모바일 IoT 장치), 무선 액세스 네트워크 및 코어 네트워크가 서로 다른 계층에 있는 3계층 아키텍처를 갖습니다. 네트워크는 미디어 액세스 제어 프로토콜에 대해 OFDMA(직교 주파수 분할 다중 액세스)를 사용합니다.
6) LoRaWAN – LoRaWAN은 장거리 광역 네트워크의 약자입니다. 네트워크 계층의 일부 기능도 구현된 미디어 액세스 제어(데이터 링크 또는 네트워크 액세스) 프로토콜입니다. LoRa Alliance에서 개발했습니다. 이 프로토콜 스택에서 다중 종단 노드(IoT 장치)는 M2M 통신을 위한 스타 토폴로지의 게이트웨이에 연결됩니다. 이 프로토콜 스택은 기지국과 자주 무선으로 연결해야 하는 배터리 구동 IoT 장치를 수용하기 위해 개발되었습니다. Sigfox 및 Weightless 기술과 다소 유사합니다. 이 네트워크의 트랜시버는 일반적으로 도시 지역에서 약 2 ~ 5km, 깊은 실내에서 10 ~ 15km의 커버리지 영역을 가지고 있습니다. IoT 장치는 초당 수백 비트에서 50Kbps 범위의 데이터 속도로 게이트웨이와 통신할 수 있습니다.
LoRaWAN은 엔드 노드(IoT 장치)를 학생으로, 게이트웨이 또는 기지국을 교수로 보는 교실 환경과 같이 설정됩니다. 종단 노드는 항상 게이트웨이와 통신을 시도하지만 게이트웨이는 한 번에 하나의 종단 노드만 처리할 수 있습니다. 따라서 A, B 및 C의 세 가지 클래스가 동시에 작동합니다. A 클래스에서 미주 데이터는 비동기 방식으로 게이트웨이로 전송됩니다. 클래스 B에서 게이트웨이는 128초마다 비콘을 전송하고 128초 주기 내에 종단 노드에서 메시지를 수신합니다. 이러한 경우 끝 노드는 차례로 수신하도록 구성됩니다. 클래스 C에서 종단 노드는 항상 활성 상태를 유지하여 게이트웨이에서 데이터를 수신하고 메시지는 언제든지 종단 노드(IoT 장치)로 보낼 수 있습니다.
7) Symphony Link – LoRa Alliance에서 개발한 또 다른 LPWAN 기술 스택입니다. 산업 및 기업 IOT 애플리케이션에 적합한 추가 기능이 있다는 점을 제외하면 LoRaWAN과 유사합니다.
8) Extended Coverage GSM Internet of Things (EC-GSM-IoT) – EC GSM-IOT는 릴리스 13에서 3GPP(3rd Generation Partnership Project)에서 제안한 또 다른 LPWAN 프로토콜 스택입니다. 그러나 공식 릴리스에는 포함되지 않았습니다. M2M 통신을 위해 기존 2G 모바일 네트워크를 사용할 것입니다. LTE-MTC와 마찬가지로 소프트웨어 업그레이드만 필요하고 기존 모바일 네트워크 인프라를 활용하므로 비용 효율성이 높을 것으로 예상됩니다.
높은 데이터 속도(EDGE 네트워크의 경우 474Kbps, eGPRS 2G 네트워크의 경우 2Mbps)와 700ms의 낮은 지연 시간을 갖습니다. 전송 채널의 대역폭은 200KHz입니다. 이 LPWAN 표준은 2019년까지 운영될 예정입니다.
최신 EC-GSM-IoT 사양은 2016년 6월 3GPP 사양(LTE-Advanced Pro)의 릴리스 13에서 비준되었습니다. 릴리스 13에 따른 기술 사양은 다음과 같습니다.
- Deployment: In-GSM Band
- Modulation: TDMA/FDMA, GSMK, 8PSK
- Downlnk Peak Data Rate: 70 kbps (GSMK), 240 kbps (8PSK)
- Uplink Peak Data Rate: 70 kbps (GSMK), 240 kbps (8PSK)
- Latency: 700 ms to 2 seconds
- Technology Bandwidth: 200 khz per channel
- Duplex Technology: Half Duplex and FDD
- Transmit Power Class: 33 dBm, 23 dBmnbsp;
9) RPMA – Ingenu에서 개발한 RPMA(Random Phase Multiple Access)는 DSSS(Direct-Sequence Spread Spectrum) 변조를 기반으로 하는 모바일 네트워크 프로토콜 스택입니다. 이는 코드 분할 다중 액세스(CDMA) 프로토콜과 다소 유사합니다. RPMA는 스마트 에너지 그리드용으로 처음 배포되었으며 다른 IOT 분야에서도 IOT 프로토콜 스택으로 간주됩니다.
RPMA(Random Phase Multiple Access)는 IoT 및 M2M 애플리케이션을 위해 설계 및 구축된 무선 기술입니다. 이 기술은 이전에 IoT/M2M 무선 스타트 업인 On-Ramp Wireless로 알려졌던 Ingenu 에서 개발했습니다 . 이 LPWAN 기술은 허가되지 않은 전 세계적으로 사용 가능한 2.4GHz ISM(산업, 과학 및 의료) 대역을 사용합니다. 2.4GHz 대역을 기반으로 하기 때문에 전 세계 어디에서나 쉽게 배포할 수 있습니다. 이 기술은 저전력 소모, 신속한 펌웨어 업데이트를 위한 독립형 브로드캐스트 채널, 다양한 IoT 애플리케이션을 위한 우수한 건물 내 범위 및 AES 128비트 보안 암호화와 같은 기능을 제공합니다.
RPMA 기술은 31kb/s의 다운로드 속도와 15.6kb/s의 업로드 속도를 제공합니다. 협대역 IoT(NB-IoT)와 유사하지만 최대 결합 손실(MCL)이 167dB로 신호가 건물과 지하 깊숙이 도달합니다. 이 기술은 저전력 요구 사항으로 인해 이 기술을 사용하는 장치를 한 번 충전으로 10년 이상 사용할 수 있으므로 IoT/M2M 애플리케이션에 이상적입니다. 따라서 전력망에 연결되지 않은 원격 위치 또는 접근하기 어려운 공간에 배치해야 하는 장치에 이상적입니다.
Ingenu는 M2M(Machine to Machine) 및 IoT(사물 인터넷) 애플리케이션을 위해 특별히 설계된 무선 네트워크 인 Machine Network™ 의 창시자입니다 . 이 네트워크는 RPMA(Random Phase Multiple Access)라고 하는 Ingenu의 독점 LPWAN 기술을 사용합니다.
RPMA 기술은 또한 사설 네트워크로 출시될 수 있으며 3GPP LPWA 기술 출시가 지연되거나 일반적으로 셀룰러 범위가 약하거나 사용자가 네트워크 배포를 완전히 제어하려는 지역에 이상적입니다.
다음 튜토리얼에서는 PAN(Personal Area Network) 및 LAN(Local Area Network) IOT 애플리케이션을 위해 개발된 물리적 및 네트워크 액세스 프로토콜에 대해 설명합니다.
참고
Physical and Data Link Layer Protocols for LPWAN: IOT Part 5
LPWAN (Low Power Wide Area Network)
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