무선 커넥티비티가 생활 곳곳으로 보편화되고 있다. 와이파이가 계속해서 진화함으로써 이제는 집이나 직장에서 WAN(원거리 통신망)을 사용해서 수 메가바이트 데이터를 무선으로 스트리밍하는 것을 당연하게 여기게 되었다. 그렇다면 스마트 시티의 한 부분을 형성하는 것으로서 가로등은 어떨까? 가로등의 주변 조도 센서와 조명 스위치 컨트롤러의 요구는 집이나 사무실에서 와이파이 기반 네트워크를 사용하는 것과는 또 다르다. 가로등이나 교통 통제 시스템 같은 필수 인프라는 도시 내에서 항상 이용할 수 있어야 하며 구현 비용 또한 상당하다. 시골 지역에서 수 평방킬로미터에 걸쳐서 구축되는 스마트 농업 IoT는 어떨까? 이러한 IoT 디바이스들을 적합한 무선 네트워크로 연결하기 위해서는 스마트폰, 랩톱, 홈오토메이션 시스템을 인터넷으로 연결할 때와는 다른 접근법이 필요하다. 이럴 때 유용한 솔루션이 저전력 원거리 통신망(LPWAN)이다.


■ LPWAN(저전력 원거리 통신망)

대부분의 와이파이 연결 디바이스들과 달리, IoT 디바이스는 통상적으로 적은 양의 데이터만을 전송한다. 예를 들어서 스마트 시티 가로등 센서는 매 10분마다 주변 조도 리딩을 전송하고 가로등을 끄거나 켜라는 명령에 따라서 실행한다. 이때 전송되는 데이터양은 수십 바이트를 넘지 않는다. LPWAN 기술은 데이터 대역폭이 낮으며, 대부분이 WAN보다 낮은 무선 주파수를 사용한다. 그러므로 낮은 데이터 레이트로 훨씬 더 먼 거리를 커버할 수 있다. 또한 대부분의 IoT 디바이스가 배터리 전원에 의존하므로 무선 통신에 사용할 수 있는 에너지양이 제한적이다. 원격지에 구축된 IoT 디바이스는 특히 더 그럴 것이다. 이러한 IoT 디바이스로 LPWAN의 가장 큰 장점은 필요로 하는 트랜스미터 전력 수준이 극히 낮다는 것이다.

각각의 LPWAN 기술이 약간씩 차이가 있다. 대부분의 LPWAN 기술이 비인가 서브 GHz ISM(산업용, 과학용, 의료용) 주파수 대역으로 동작하는데, 어떤 기술은 인가 셀룰러 인프라를 사용한다. 모든 기술의 공통점은 디바이스의 배터리 수명을 수년으로 늘린다는 것이다. 또한 Wi-SUN을 제외하고 모든 기술이 성형 네트워크 토폴로지를 사용한다.

■ 어떤 LPWAN 기술을 선택할 것인가?

그러면 오늘날 사용되는 대표적인 LPWAN 기술들을 살펴보자.

Wi-Fi HaLow : 와이파이 얼라이언스가 밀고 있는 기술이자 TCP/IP 인터넷 프로토콜을 지원하는 유일한 LPWAN으로서, 기존에 확립된 WPA3 보안 기법을 사용한다. 서브 GHz 대역을 사용하고, 가능한 거리는 1킬로미터 이상이고, 데이터 레이트는 150kbps이다. 와이파이 IEEE 802.11을 기반으로 하며, 고밀도 변조 기법을 사용해서 이론적으로 최대 86.7Mbps의 속도가 가능하다. 하지만 이것은 배터리 수명을 고려했을 때 통상적인 LPWAN의 필요를 훨씬 뛰어넘는 것이다.

Wi-SUN : 메쉬 토폴로지(IoT 디바이스들이 서로 대화 가능)를 지원하는 유일한 LPWAN으로서, 최대 4킬로미터의 점-대-점 거리가 가능하고 데이터 레이트는 50kbps~300kbps이다. Wi-SUN 역시 서브 GHz 비인가 무선 스펙트럼을 사용한다. Wi-SUN FAN(field area network) 메쉬 토폴로지가 자체 형성 및 자체 치유 기능을 제공하므로 디바이스들이 언제나 인터넷 네트워크로 연결되는 경로를 찾을 수 있다. 링크 지연시간이 모든 LPWAN 기술들 중에서 가장 낮으므로 지연시간을 중요하게 요구하는 애플리케이션에 사용하기에 적합하다.

Sigfox : 초기에 등장한 LPWAN 기술로서, 지역에 따라서 100bps 또는 600bps 데이터 레이트를 제공하고, 거리는 도시 지역에서 10킬로미터 및 시골 지역에서 40킬로미터까지 가능하다. Sigfox는 네트워크 전반에 걸쳐 극히 낮은 듀티 사이클로 하루에 메시지 횟수를 업스트림으로 140회 및 다운스트림으로 4회로 제한한다. 데이터 패킷 크기가 12바이트로 모든 LPWAN 중에서 가장 작고, 링크 세션 시에 보안 기능을 사용한다. Sigfox LPWAN은 Sigfox라고 하는 회사가 독점적으로 보유한 기술로서, 사설 서비스 사업자 네트워크는 불가능하다.

LoRaWAN : LoRaWAN 역시 초기에 등장한 LPWAN 기술 중의 하나이다. 데이터 레이트는 최대 27kbps이고, 거리는 시골 지역에서 15킬로미터까지 가능하다. 데이터 보안 기능으로서 128비트 AES를 포함한다. Sigfox와 달리 하루에 전송할 수 있는 메시지 횟수를 제한하지 않는다. 공공용 및 상업용으로 전세계적으로 다수의 LoRaWAN 서비스 사업자 네트워크가 운영되고 있다.

NBIoT : 셀룰러 네트워크 사업자가 자신들의 셀룰러 인프라를 사용해서 제공하는 유일한 LPWAN 기술이다. 최대 127kbps의 데이터 레이트가 가능하며, 가능한 거리는 10킬로미터 미만이다. 이 거리는 기지국 타워로부터의 최대 거리에 따른 것이다. NBIoT는 셀룰러 업계의 3GPP 보안 기능을 사용한다.

■ 다양한 애플리케이션에 LPWAN 활용

LPWAN은 자원 제약적인 IoT 디바이스로 긴 거리에 걸쳐서 저전력 무선 네트워킹을 가능하게 한다. 다양한 IoT 애플리케이션으로 센서 기반 에지 노드에 충분하고도 남을 만큼의 데이터 레이트를 제공한다. 디바이스의 배터리 수명을 수년까지 가능하게 하는 것으로 LPWAN이 다양한 분야로 IoT 구축을 가속화하고 있다.