IoT를 위한 무선 기술 개요

사물 인터넷은 잘 알려진 개념이기도 하지만 반드시 그렇지만은 않습니다. IoT는 기술 산업 및 기업에서 일하는 사람들에게는 익숙한 용어지만, 우리의 삶에 깊숙하게 관여하고 있음에도 불구하고 이 용어를 알고 있는 일반인은 거의 없습니다. IoT는 장치, 자동차, 건물, 전자 제품, 네트워크 등 물리적 개체를 연결하여, 이들이 서로 상호작용하고 데이터를 수집 및 교환할 수 있도록 합니다. 이는 수백만 개의 다양한 사물에 적용되는데, 이전에는 인터넷에 연결되지 않았던 기존 제품의 업데이트된 유형도 여기에 포함됩니다.

이 기사에서는 이러한 장치들이 무선으로 소통하는 다양한 방법에 대해 알아봅니다.

데이터를 클라우드로 이전하는 3가지 방법

IoT에서 해결해야 할 과제는 데이터를 장치의 센서로부터 그 데이터가 이용되고 보유되며 저장될 클라우드로 이전하는 것입니다. 스마트폰을 통한 Wi-Fi 및 Bluetooth의 사용이 흔해지고 셀 타워 및 공용 Wi-Fi에의 액세스 가능성이 크게 늘어나면서, IoT 센서의 클라우드 액세스는 이전보다 더 쉽습니다. 데이터를 클라우드로 이전하는 3가지 기본적인 방법은 다음과 같습니다.

센서에서 게이트웨이를 통해 클라우드로 이전 일부 응용 제품에서는 센서 데이터를 게이트웨이로 전송한 다음 게이트웨이에서 그 데이터를 클라우드로 효율적으로 전송하도록 하는 방법이 가장 좋습니다. 응용 제품의 필요에 따라 게이트웨이는 단순한 계전기 시스템에서부터 "에지 프로세싱"으로 불리는 더욱 계산 집약적인 기능을 수행하는 "스마트" 플랫폼에 이르기까지 다양합니다. 주차장의 센서 및 책상이 사용 중임을 알려주는 센서와 같은 장치는 통상적으로 데이터 이전을 위해 게이트웨이를 주로 사용합니다. Wi-Fi는 게이트웨이의 한 가지 예로, 집 안에서의 사용을 위해서는 Wi-Fi 게이트웨이를 설치해야 합니다. 게이트웨이가 이미 설치된 공공 장소에서는 Wi-Fi가 직접 클라우드로 작동합니다. Bluetooth와 같은 일부 유형의 무선 통신은 게이트웨이를 필요로 합니다. 가정용 Wi-Fi 사용의 한 예로, Hatch Baby Grow라는 스마트 기저귀 교체 패드 및 연결된 체중계가 있습니다. 기저귀 교체 패드 내에 있는 체중계의 데이터는 Wi-Fi를 통해 홈 인터넷으로 전송됩니다. 부모와 소아과 의사는 Android 또는 iOS 응용 제품을 통해 클라우드 기반의 정보를 추적할 수 있습니다.

센서에서 스마트폰을 통해 클라우드로 이전 어떤 경우에는 스마트폰이 게이트웨이가 될 수도 있습니다. Wi-Fi 또는 Bluetooth 기능이 있는 스마트폰은 클라우드에 데이터를 전송하기 위한 게이트웨이의 역할을 합니다. 예를 들어, Voler는 노인의 균형을 모니터링하는 이어버드의 개발을 지원했는데, 이 이어버드를 사용하면 연결된 앱이 설치된 스마트폰에 Bluetooth LE 무선 전송을 할 수 있습니다. 해당 데이터는 또한 스마트폰으로부터 클라우드로 전송되어, 그곳에서 데이터가 추후 처리 및 저장될 수 있습니다.

스마트 장치에서 직접 클라우드로 이전 이 센서는 NB-IoT, LTE-M 또는 LoRa와 같은 기술을 사용해서 클라우드에 직접 연결할 수 있습니다. 이러한 기술을 통해 데이터 전송률이 낮은 한, 매우 낮은 전력으로 데이터를 수 마일까지 전송할 수 있으며, 일반적으로 셀 타워에 설치된 장비를 통해 인터넷에 연결됩니다. 스마트폰의 작동 방식과 매우 비슷하게 작동하지만 데이터 전송률과 전력이 훨씬 낮으며, 월 사용료가 있지만 통상적으로 매우 적은 금액입니다.

IoT 무선 통신 전략을 계획하기 위해 고려할 요인은 전송할 데이터의 양, 데이터 소스와 인터넷 사이의 거리, 요구되는 전력량, 해당 서비스를 위해 소요되는 비용(유료인 경우) 등입니다. 스마트폰이 널리 사용되고 있으며 Wi-Fi 또는 Bluetooth 무선 통신 표준의 선택이 주어지므로, 연결이 매우 편리합니다. NB-IoT 와 LTE-M과 같은 새로운 표준을 통해 사물 인터넷의 미래는 더욱 밝아지고 있습니다.

새로운 기술이 필요한 이유

IoT의 세계는 여전히 진화하고 있습니다. 점점 더 낮은 전력 소비, 더욱 장거리의 무선 통신 및 개선된 기능을 갖춘 사물 인터넷이 소개되고 있습니다. 최신 장치는 새로운 기술을 활용하며 개선된 성능을 제공합니다.

절충점을 찾기 위해 고려할 사항

Voler의 웨어러블 장치 또는 모든 배터리 구동 장치 설계에 대해 고객이 요구하는 사항은 다음과 같습니다.

• 장시간의 작동
• 대량 데이터의 장거리 전송
• 초소형 배터리 장착

이러한 경쟁적인 요구 사항을 충족하기 위해서는 절충이 필요하며, 엔지니어링 과정에서는 항상 이러한 절충점을 고려해야 합니다. 필요한 시스템 기능을 고려하고 시스템 요구 사항에 따라 최적의 성능을 제공하는 데 필요한 엔지니어링상의 절충점을 찾으세요. 이와 동시에 만족스러운 사용자 경험을 제공하는 것도 중요합니다. 그 결과로 다양한 선택 중 최상의 절충안을 가진 설계가 가능해집니다.

절충안 모색 시 고려 사항

Voler는 최근 자사의 연결 제품에서 배터리 수명을 개선하기 위해 한 스타트업 회사와 협력했으며, 이는 Arm® 프로세서 및 Wi-Fi 트랜시버가 포함된 Murata의 impModule™을 기반으로 했습니다. 여러 주 동안 지속되는 배터리 수명이 필요했지만, 시제품 제작 후 그 수명은 일주일도 채 되지 못했습니다. Voler는 필요한 배터리 수명을 충족하기 위해 코드를 수정했는데, 원래 코드가 의도된 대로 작동하지 않았기 때문입니다.

무선 전송에 있어 관리해야 할 세 가지 부분은 전송을 위해 필요한 전력, 데이터 전송률 및 전송 범위입니다. 올바른 무선 표준을 선택하는 것이 중요하므로, 설계 중인 IoT 장치를 위한 무선 표준을 선택할 때 아래의 표를 참조하세요. IoT 장치에서 사용되는 일반적인 무선 표준 및 특성에 대해 나열되어 있습니다.

표 1: 일반적인 무선 표준 및 성능 (표 출처: Voler)

서로 다른 무선 표준은 상당히 다른 수준의 전력을 요구하는데, 요구되는 전력은 데이터 전송률 및 전송 범위에 따라 다릅니다. 예를 들어 표 1에 따르면, 어떤 장치가 LTE 셀룰러를 사용하여 초당 100비트의 데이터를 1km 거리로 전송하는 데는 120mW의 전력이 필요할 수 있습니다. 그러나 Bluetooth LE를 사용하면 1미터를 전송하기 위해 0.15mW의 전력만 필요할 수 있습니다.

IoT 무선 표준 비교

표 2: 무선 IoT 표준 비교 (표 출처: Voler)

널리 사용되는 무선 옵션을 위한 전력 요구 사항

장치가 데이터를 전송해야 하는 거리가 10m 이하인 경우, BLE 또는 Bluetooth를 사용하면 충분합니다. 그러나 재고 관리 또는 건강 상태 모니터링용 웨어러블 장치와 같은 산업용 또는 상업용 목적의 IoT 장치는 그보다 더 장거리 범위의 통신(NB-IoT 또는 LTE-M 등)을 요구할 수도 있습니다. 비디오 카메라와 같이 대량의 데이터를 전송하는 장치의 경우 BLE로는 충분하지 않으며, Wi-Fi 및 LTE와 같은 고전력을 선택해야 합니다.

반면에, 셀룰러 무선 프로토콜인 NB-IoT 및 LTE-M을 사용하면 IoT 장치에서 저전력으로 장거리에 데이터를 전송할 수 있습니다. 데이터를 최대 50km까지 전송할 수 있는 SigFox도 이와 마찬가지이지만, SigFox는 높은 데이터 전송률을 지닌 셀룰러 표준과는 달리 초당 최대 300비트의 데이터만을 전송할 수 있습니다.

비공개 네트워크와 공용 네트워크

비공개 네트워크는 한 명 또는 제한된 수의 사용자를 위해 제공자가 설치하고 제어하는 게이트웨이를 갖추고 있습니다. 공용 네트워크는 월 사용료를 지불함으로써 많은 사용자들이 사용할 수 있는 게이트웨이를 지니며, 셀룰러 서비스가 그 예입니다.

공용 네트워크를 실현하기 위해서는 셀 타워와 같은 인프라가 설치되어야 합니다. 스마트폰이 널리 사용되며 많은 셀 타워가 설치되어 있으므로 스마트폰을 간편하게 로밍할 수 있습니다. 미국에는 SigFox 및 LoRa를 위한 인프라가 제한되어 있어, 대부분의 지역에서 이 기술을 사용하는 장치는 작동하지 않습니다. LoRa에는 게이트웨이를 사용하는 비공개 네트워크 옵션이 있습니다.

2019년에 NB-IoT 및 LTE-M을 위한 인프라가 설치됨으로써 미국 인구의 90%가 이 인프라를 이용할 수 있게 되었으며, 이는 셀룰러 서비스와 거의 비슷한 수준입니다. 이 기술이 개발된 지 수년 만에 드디어 새로운 장치에서 이 기술을 활용할 수 있게 되었으며, 전 세계의 모든 주요 국가에도 이 인프라가 구축되어 있습니다. NB-IoT 및 LTE-M의 사용은 급격히 늘어날 전망이며, Sigfox 및 LoRa는 공용 인프라의 설치 속도가 늦어지고 있습니다.

아래는 비공개 및 공용 무선 네트워크 옵션의 특징에 대한 요약입니다.

비공개 네트워크

• 네트워크의 양 끝이 모두 민간 소유임
• 모든 장소에 설치 가능
• 비면허 주파수대역
• 베이스 기지국 및 엔드포인트 설치를 위한 비용 소요
• 월 사용료 없음

공용 네트워크

• 네트워크가 제공자의 소유임(예: 셀룰러)
• 베이스 기지국이 있는 곳에서만 작동됨
• 간편한 로밍
• 면허 주파수대역
• 네트워크 사용을 위한 월 사용료 있음

배터리 기술이 개선되는 때는 언제일까요?

배터리가 개선되면 이러한 절충점을 찾는 문제는 더욱 간단해질 수 있습니다. 화학 에너지 저장이 그 효율성의 한계에 다다르고 있지만, 더 높은 밀도 및 더욱 개선된 안전성에 대한 많은 연구가 지속적으로 이루어지고 있습니다.

배터리 성능이 지난 50년 동안의 반도체만큼이나 개선되었다면, 현재는 1센트 정도의 가격으로 자동차를 구동할 수 있는 핀의 머리만한 배터리가 존재했을 것입니다. 그러한 기술이 바로 실현되기 힘들다는 사실은 자명하므로, 장치는 에너지의 화학적 저장을 위한 공간에 의한 제약을 지니게 됩니다.

오늘날의 배터리는 화학 에너지 저장의 약 10%를 담당하며, 가솔린이 그 예입니다. 그러나 가솔린은 안전성 문제가 있습니다. 또 다른 더 효율적인 옵션은 원자 에너지인데, 원자 에너지는 휴대 가능성 문제는 차치하고라도 역시 안전성과 관련된 문제가 있습니다. 앞으로 배터리도 점차적으로 발전하게 되겠지만, 그 변화는 그리 빠르지 않을 것으로 예상됩니다.

비용 관련 고려 사항

많은 IoT 장치 제조업체는 제품 가격을 낮게 유지하고 출시 시간을 단축하기 위해 보안에 충분한 투자를 하지 않습니다. 개발 단계에서 보안을 통합하는 작업은 상당한 비용과 시간을 요구할 수 있습니다. 그러나 IoT 보안이 취약한 IoT 장치를 구축하는 일은 고객뿐 아니라 생산성 감소, 법률/규정 준수 관련 벌금, 부정적인 평판 및 금전적 손실 등 제조업체의 브랜드에도 더욱 큰 피해를 줍니다.

IoT 장치를 위한 무선 표준은 장치의 성능, 유용성, 보안 및 신뢰성에 지대한 영향을 줄 수 있습니다. IoT 장치에 가장 알맞는 표준은 장치의 응용 분야에 따라 다릅니다. 장치의 목적을 이해하는 것은 장치가 효율적으로 작동하는 데 필요한 전력량과 데이터 전송 속도, 배터리 지속 요구 시간 등 장치 구축에서의 주요 요구 사항을 결정하는 데 도움이 될 수 있습니다.

Voler System의 IoT 장치 개발 전문가 팀은 IoT 기계에 적합한 무선 표준을 선택하도록 설계자를 안내 할 수 있습니다. 모든 IoT 장치의 설계에서 알맞은 무선 표준을 선택하는 것과 관련하여 더 자세히 알아보려면, 지금 바로 IoT 전문가에게 문의하세요.