반도체 전문 온라인 매거진 - 올포칩

글/ 배리 만즈(Barry Manz), 마우서 일렉트로닉스(www.mouser.com)

머리말
오늘날 가장 뜨거운 이슈는 IoT가 어느 때 어느 곳에서나 모든 사람과 모든 사물을 연결할 것이라는 점이다. 하지만 아직까지는 이러한 연결이 표면에서 드러나게 이루어지고 있지는 않다. 이것은 IoT가 비교적 조기 단계에 컨슈머 분야에서보다는 산업용, 정부, 여타 애플리케이션 분야에서 주로 이루어지고 있어서 겉으로 사람들 눈에 쉽게 띄지 않기 때문이다. 하지만 실제로 IoT는 빠르게 확대되고 있다. 그러면서 IoT의 핵심을 이루는 모든 작은 센서 가능 디바이스들을 연결하기 위해서 무선 사업자들과 스타트업 회사들이 경쟁 관계를 이루게 되었다.

지그비, 와이파이, 블루투스의 도달 거리를 넘어서 IoT 디바이스와 원거리의 호스트 시스템을 연결하기 위한 커넥티비티를 제공하기 위해서는 기본적으로 두 가지 방법을 쓸 수 있다. 셀룰러 네트워크를 사용하거나, LPWAN(low-power wide area network)을 사용하는 것이다. 무선 사업자들은 다음과 같은 세 가지 형태로 그들의 솔루션을 구축하려고 하며, LPWAN 진영의 업체들은 무선 사업자들이 그러기 전에 되도록 많은 도시 지역으로 자신들의 네트워크를 구축하고자 하고 있다.

• EC(Extended Coverage)-GSM. EC-GSM은 소프트웨어를 추가함으로써 기존 GSM 셀룰러 네트워크를 IoT 애플리케이션에 사용할 수 있도록 한다.
• LTE의 변형들. 이 글에서는 IoT 커넥티비티 용의 다양한 LTE 규격들을 총칭적으로 LTE-M이라고 하겠다.
• 5세대 무선인 5G. 2020년 이후 출범 예정[i].

그러므로 경주는 시작되었다. 무선 사업자들은 이미 거의 모든 지역을 커버하고 있다는 점에서 엄청나게 유리한 입장에 있다. 하지만 LPWAN 사업자들이 발빠르게 솔루션들을 구축한다면, IoT 커넥티비티로부터 거둬들일 막대한 수익을 무선 사업자와 LPWAN 사업자가 나눠가지게 될 것으로 생각하는 것도 타당하다.

무선 사업자들은 의무적으로 유지해야 했던 레거시 2세대(2G) 기술을 사용해서 이러한 커넥티비티를 제공하고 있다. 하지만 대다수 무선 사업자들이 올해 12월 31일을 기한으로 2G 네트워크를 중단한다. 이 절차를 “2G 일몰(2G sunset)”이라고 한다. 그러므로 이 시점에 이르면 이 네트워크를 사용하는 경고 시스템이나 여타 시스템들을 3G나 4G로 업그레이드해야 한다. 바로 이 점에서 무선 표준을 관리하는 3GPP(Third Generation Partnership Project)는 최신 표준인 릴리즈 13으로 IoT와 관련한 상당한 내용을 포함시켰다. 릴리즈 13은 지난 6월에 최종적으로 완료되었다. 2019년으로 예정되어 있는 5G에 관한 규격 요건이 최종적으로 완료될 때까지 개정안들로 계속적으로 IoT 커넥티비티에 관한 내용들을 언급할 것이다. 이 시기에 이르면 무선 사업자들이 이후의 IoT 커넥티비티에 대한 확고한 로드맵을 갖추게 될 것이다.

IoT 커넥티비티의 3가지 범주
IoT 커넥티비티는 기본적으로 3가지 범주로 구분할 수 있다. 근거리, 중거리, 원거리이다.

근거리(short range): 블루투스, 와이파이, 지그비는 근거리 솔루션으로서, 넓은 지역을 커버하도록 설계되지 않았다. 이들 기술의 도달 거리는 킬로미터 대가 아니라 수 미터 대이다.

중거리(mid-range): 중간 지대는 무선 사업자와 LPWAN이 점령하고 있다. 이들 솔루션은 상당한 거리와 함께 낮은 서비스 비용, 캐리어급 보안 및 암호화, 특정한 애플리케이션에 따른 여타 특성들을 달성하도록 설계되었다. 이들 솔루션의 비용은 현재 무선 사업자를 통해서 제공될 때는 높은데, LPWAN과의 경쟁을 고려했을 때 무선 사업자들이 결국에는 자사 서비스의 가격대를 좀더 합리화하지 않을 수 없을 것이다.

원거리(long-range): 가장 긴 거리는 위성과 직접 통신하는 것이다. 하지만 이렇게 하기 위해서는 비용이 매우 비싸다. 이 거리는 화성과 그 너머까지도 될 수 있으나, 거리가 늘어남에 따라서 지연시간 문제가 수반되며 전력 소모가 높아진다.

그러면 IoT 커넥티비티 용으로 이 중에서 몇몇 중거리 솔루션에 대해 살펴보자. 중거리 IoT는 기본적으로 두 가지 기술을 사용해서 제공할 수 있다. 셀룰러 사업자가 제공하는 무선 네트워크를 사용하거나, 갈수록 늘어나는 LPWAN(low-power wide area network) 범주의 기술을 사용하는 것이다.

LPWAN의 변형들
LPWAN은 사용하는 변조 방식으로 구분할 수 있다. 변조 방식은 초협대역(ultra-narrowband)이거나, 협대역(narrowband)이거나, 광대역(wideband)일 수 있다. 초협대역 네트워크는, 송신 대역폭이 줄어들면 잡음 플로어가 향상되고 그럼으로써 리시버 감도와 거리에 긍정적으로 영향을 미치고 더 낮은 송신 전력을 필요로 한다는 점을 활용한 것이다. 하지만 또한 이러한 특성들 때문에 초협대역 시스템은 단방향 또는 양방향 통신으로 낮은 데이터 속도와 작은 데이터 패킷 크기만 가능하다. 협대역 네트워크는 초협대역과 광대역 사이를 적절하게 절충하고 있는 것으로서 상당한 거리와 용량을 제공한다. 광대역 네트워크는 채널 크기가 500kHz에서부터 1MHz 이상으로서 최대의 데이터 속도를 제공한다.

하지만 이러한 설명은 극단적으로 단순화한 것으로서 실제는 이보다 훨씬 더 복잡하다. 예를 들어서 이들 각기 유형의 네트워크를 확산 스펙트럼 변조나 여타 고유기술 기법들을 사용해서 향상시킬 수 있다. 그러므로 초협대역, 협대역, 광대역 네트워크라 하더라도 각기 업체에 따라서 성능이 천차만별로 달라질 수 있다. 그러므로 이들 솔루션 중의 특정 솔루션을 선택하고자 하는 고객들은 네트워크 용량, 서비스 품질(QoS), 신뢰성, 보안성을 비롯한 다양한 요인들을 고려해야 할 것이다.

경쟁자들
무선 사업자들(LTE/4G/5G)이 제공하는 IoT 커넥티비티뿐만이 아니고도, 다수의 경쟁자들이 경쟁하고 있다. 다음에서는 이러한 여섯 경쟁자들을 살펴본다. LoRa, Symphony Link(및 Ensemble), SIGFOX, Weightless, Nwave, Ingenu이다.

LoRa LoRa는 “Long Range”의 줄임말로서, LoRa Alliance에서 정의하고 있는 양방향 디바이스에 관한 공개 표준 중에서 물리층을 이루는 것이다. 이 네트워크 구현을 LoRaWAN이라고 하며, IBM Research 및 Actility와 함께 Semtech에서 개발하였다(Semtech이 코어 칩 기술 보유). LoRa는 처프(chirp) 확산 스펙트럼 변조를 사용하며, 기지국이 환경 조건에 따라서 통상적으로 수백 평방 킬로미터를 커버할 수 있다. Semtech의 SX1276 저전력 원거리 트랜시버는 자동화 미터 리딩, 홈 오토메이션 및 빌딩 자동화, 무선 경보 및 보안 시스템, 산업용 모니터링 및 제어, 원거리 관개 시스템 같은 분야에 채택되고 있다.

이 기술은 거리와 요구되는 메시지 지속시간에 따라서 다중의 채널을 통해서 각기 다른 데이터 속도로 통신할 수 있다. 데이터 속도는 300b/s부터 50kb/s까지이며, 각기 사용자 IoT 디바이스의 RF 출력 전력과 함께 네트워크 서버에 의해서 관리된다. 이 기법은 네트워크, 애플리케이션, 디바이스 층에서 보안을 제공하며 모든 종류의 양방향 IoT 디바이스를 수용할 수 있다.

Symphony Link 및 Ensemble
이 기술은 Link Labs에서 개발한 것으로서 LoRa WAN이면서 고유기술이다. 이 기술은 LoRa WAN의 물리층을 사용하면서 다른 MAC 아키텍처를 사용함으로써 추가적 기능들을 제공한다. 이 회사의 고급형 제품인 Symphony Link 시스템은 8채널 기지국을 사용하며 433MHz 또는 915MHz ISM 대역으로 동작하며 유럽에서는 868MHz 대역을 사용한다. 최소한 10마일(16.09킬로미터) 이상의 거리로 송신할 수 있으며, 와이파이나 셀룰러 네트워크나 이더넷을 통해서 데이터를 백홀할 수 있으며, 클라우드 서버를 사용해서 메시지 루팅, 프로비저닝, 네트워크 관리를 처리할 수 있다.

SIGFOX
SIGFOX는 같은 이름의 프랑스 회사의 제품이다. SIGFOX는 미국의 샌프란시스코를 비롯해서 19개 나라에 120만km2의 지역에 걸쳐서 네트워크를 구축하고 있으며, 이 부류의 회사들 중에서 1위 자리를 차지하고 있는 회사이다. SIGFOX는 지난 5월에 미국에서 커버리지를 100개 도시로 확대한다고 발표했다. SIGFOX는 868MHz 또는 915MHz로 동작하며, BPSK(binary phase shift keying)를 사용해서 매우 적은 양의 데이터를 매우 느리게(300b/s) 전송한다. SIGFOX는 긴 거리의 커버리지를 달성할 수 있으며 소량의 데이터만을 필요로 하는 IoT 애플리케이션에 아주 적합한 전반적 특성들을 제공한다.

SIGFOX 네트워크는 초협대역 변조를 사용함으로써 단일 기지국을 사용해서 메시지를 최대 1000km까지 전송할 수 있으며 단일 기지국으로 최대 1백만 개의 IoT 디바이스를 처리할 수 있는 용량을 제공한다. 데이터 페이로드는 메시지당 12바이트에 불과하며, 디바이스당 발생 메시지는 일일 최대 140개 메시지이다. 이 정도이면 많은 수의 애플리케이션에 적정하다. 초기의 네트워크들은 단방향이었으나 조만간 양방향 성능을 제공할 예정이다.

또한 SIGFOX는 자사의 IP(intellectual property)를 실리콘 및 모듈 업체들이 무료로 사용할 수 있게 제공하고 있으며, 현재 다수의 회사들이 SIGFOX 칩셋, 안테나, 확장 보드 및 평가 보드, 여타 부품을 판매하고 있다. 그러한 제품으로서 ON Semiconductor의 AX-SigFox 및 AX-SigFox-API는 SigFox 네트워크 노드 용의 단일칩 솔루션이다. On Semi의 설명에 따르면 “AX-SigFox는 SigFox 네트워크 노드 용의 극저전력 단일칩 솔루션으로서 업링크 및 다운링크 기능을 모두 제공한다. AX-SigFox 칩은 곧바로 작동할 수 있게 제공된다. SigFox 네트워크로부터 데이터를 송신 및 수신하기 위해서 필요한 모든 펌웨어를 포함하고 있기 때문이다.”[ii]

Weightless
이 공개 표준은 Weightless-N, Weightless-P, Weightless-W의 세 가지 버전이 있다. Weightless-N은 단방향이고, 5km 이상의 거리가 가능하며, 기본 표준이다. Weightless-N 가능 IoT 디바이스는 배터리를 교체하기까지 10년 동안 작동할 수 있다. Weightless-P는 양방향 버전으로서 좀더 포괄적인 기능 셋을 제공하며 2km 이상의 거리를 제공한다. Weightless-P 가능 디바이스는 배터리로 3년~8년 동안 지속할 수 있다. 끝으로, Weightless-W는 가장 광범위한 양방향 구현으로서 5km 이상의 거리를 제공하며, Weightless-W 가능 디바이스는 배터리로 3년~5년까지 작동할 수 있다. Weightless-W는 TV 백색 공간 스펙트럼으로 동작한다.

Weightless 네트워크는 GMSK와 오프셋-QPSK 확산 스펙트럼 변조 방식과 12.5kHz 폭 채널을 사용하며 송신 RF 전력은 17dBm에 불과하다. IoT 디바이스로 이 표준을 적용하면 정지 전류 소모가 100W에 불과하므로 리튬이온 시계 전지로부터 전력을 취하는 다수의 IoT 센서와 호환 가능하다. Weightless는 어떠한 비인가 대역으로든 사용할 수 있다. 또한 네트워크 상의 양쪽 단으로 128/256 AES 암호화 및 인증을 사용할 수 있다. 지난 6월에는 Weightless Special Interest Group이 초협대역 기술을 사용하는 솔루션을 단일화하고자 하는 취지에서 ETSI(European Telecommunications Standards Institute)에 가입하였다.

Nwave
Nwave는 초협대역 기술과 SDR(software-defined radio) 기법을 사용하며 어떠한 비인가 주파수 대역으로든 동작할 수 있다. 기지국이 100mW 미만의 RF 출력 전력과 100b/s의 데이터 속도로 10km의 거리로 최대 1백만 개의 IoT 디바이스를 수용할 수 있다. 배터리로 최대 10년 동안 동작할 수 있다.

Ingenu(이전에 On-Ramp Wireless라 함)
Ingenu의 Machine Network는 2.4GHz 대역으로 동작하며 RPMA(random phase multiple access)라고 하는 변조 방식을 기반으로 한다. RPMA는 직접 시퀀스 확산 스펙트럼을 사용하고, 송신 전력을 엄격하게 제어하고, 높은 리시버 감도를 사용함으로써 높은 링크 예산을 제공한다. 또한 RPMA는 스스로 변조를 해서 네트워크와 디바이스 사이에 간섭이 없는 전송 경로를 찾아낸다.

이 네트워크는 통상적인 조건으로 단일 기지국으로 300마일(482.8킬로미터)을 커버할 수 있다. 현재 댈러스/포트워스 지역에서 이 네트워크를 구축함으로써 단 17개 액세스 포인트만을 사용해서 2116평방마일을 커버하고 440만 명의 사용자들에게 서비스를 제공하고 있다. 이 기술은 38개 이상 도시에 설치되어 있다.

이들 솔루션에 대해서 실리콘 업체들이 이미 다양한 제품 라인을 개발하고 있으며 이 수는 계속해서 늘어나고 있다. 예를 들어서 Silicon Labs의 Si4464 트랜시버는 119~1050MHz의 주파수 범위를 커버하며 동적 전력 소모가 극히 낮다. Texas Instruments의 CC1120 트랜시버는 최저 12.5kHz의 채널 간격으로 협대역 네트워크 용으로 설계되었다. TI는 협대역 기법을 강력하게 지지하고 있다. 이의 근거를 명확하게 제시하는 화이트 페이퍼를 제공한다. Atmel의 SIGFOX 용의 ATA8520 단일칩 트랜스미터는 868MHz로 동작하며 +14.5dBm의 출력 전력으로 33mA 미만을 소모한다. ON Semiconductor의 AX-SIGFOX 저전력 트랜시버 역시 868MHz로 동작하며 송신 및 수신 펌웨어를 포함한다. 이들 4개 회사 모두가 IoT 커넥티비티 용으로 여타 제품들을 출시하고 있으며 설계 지원을 제공한다.

향후 전망
하지만 뭐니뭐니해도 최강의 경쟁자는 무선 사업자들이 제공하는 LTE이다. IoT가 빠르게 확산됨에 따라서 3GPP는 자신들의 표준 개발에 IoT를 포함시키기 위해서 노력해 왔다. 3GPP 릴리즈 12에서는 LTE-M을 출범하였으며, 릴리즈 13에서는 전적으로 IoT 용으로 초점을 맞춘 다수의 규격들을 추가하였다. 좁은 200kHz 대역폭 성능과 1.4MHz의 “더 넓은” 대역폭 성능을 포함하고 있다. 후자라 하더라도 여전히 표준 LTE보다 훨씬 좁다. 전이중 모드는 지연시간을 최소화하도록 설계되었으며, 이 표준을 적용한 디바이스의 송신 전력은 적정한 20dBm이다. 또한 여타 조항들을 사용해서 2개 AA 배터리로 최대 5년 동안 동작할 수 있도록 해야 할 것이다. 또한 LTE 모뎀의 가격이 최고 50%까지 인하되어야 할 것이다.

무선 사업자들이 결국에 모든 IoT 커넥티비티를 장악할 것인지는 두고 볼 일이다. 그럴 것이라고 믿는 이들은, 물리적 인프라가 이미 갖춰져 있고 그러므로 비교적 적은 변경만이 필요하다는 점과 무선 업계는 적어도 이 시장의 상당 부분을 차지할 수 있을 정도로 확실하게 투자할 수 있는 엄청난 자원을 확보하고 있다는 점을 들고 있다. 이 얘기대로 간다면 무선 업계가 모든 경쟁자들을 한 방에 쓸어버리는 것도 가능할 것이다. AT&T는 최근에 IoT 커넥티비티를 제공하기 위해서 “완전 LTE” 기법을 사용할 것이라고 발표하였다. 하지만 특정한 상황에서 타당성만 따라준다면 하나 이상의 LPWAN을 사용하는 것도 배제할 수는 없을 것이다.

이 반대편 진영의 사람들은, 무선 사업자들이 자신들이 높은 성능을 제공할 수 있다는 점을 활용해서 넓은 지역에 걸쳐서 높은 데이터 속도로 IoT 디바이스 연결을 필요로 하는 극히 까다로운 클라우드 기반 애플리케이션에 주력할 것으로 보고 있다. 그럼으로써 더 높은 서비스 비용을 받을 수 있는 것이다. 대표적인 애플리케이션으로 세계 각지에 설치되어 있는 IoT 센서들을 사용해서 가동되는 산업용 장비를 들 수 있다. 그리고 시장의 나머지 부분은 LPWAN 사업자들이 차지할 것으로 보는 것이다. 그러므로 이 시장이 앞으로 어떻게 성숙할 것인지는 지켜볼 일이다. 다만 한 가지 확실한 것은 IoT가 앞으로 몇 년 사이에 훨씬 더 많은 사람들에게 확실하게 눈에 띄게 될 것이라는 점이다.

[i] For more information see "Cellular IoT Alphabet Soup", and Ericsson blog at http://www.ericsson.com/research-blog/internet-of-things/cellular-iot-alphabet-soup/

[ii] http://www.mouser.com/ds/2/308/AX-SIGFOX-D-782033.pdf
http://www.mouser.com/pdfdocs/TI-Long-range-RF-communication.pdf