이 글은 소형 장비, 다양한 센서 등이 광역 인터넷망 위에서 각종 서비스에 연결되는 시스템에 있어 “100미터 반경의 연결성(last 100 meters connectivity)”이라는 주제에 대해 말한다. 이 글에서 다룬 주제는 향후 사물 인터넷의 사용 사례에 적합한 무선기술 방향뿐만 아니라, “100미터 반경의 연결”을 구현하기 위한 요구사항에 관한 것이다. 또한 유블럭스가 “100미터 반경의 연결성”이 사물 인터넷 분야에서 중요한 요인이 될 것이라고 판단한 배경과 유블럭스의 사물 인터넷에 관한 전반적인 견해를 제시한다.

사물 인터넷은 최근 몇 년간 큰 화제였으며, 많은 통신 관련 업체들은 향후 10년 내에 큰 폭의 성장을 예상하고 있다.
그림 1은 에릭슨(Ericsson)과 시스코(Cisco)가 미래 통신장비 시장의 성장세를 예측한 결과다. 휴대전화, 태블릿, 랩탑, 게임 콘솔 등과 같은 개인장비의 성장이 예측되지만, 세계 인구수에 따라 성장세가 제한될 수 있다. 실질적으로 괄목할 만한 성장은 홈 자동화, 스마트 에너지, 노인 헬스케어, 교통, 자산 추적 및 기타 다른 분야에 사용되는 통신용 소형 장비 분야에서 이뤄질 것으로 보인다. 이런 장비들의 수는 사실상 제한이 없을 것으로 판단되기 때문이다.



이 성장세는 이미 나타나고 있다. 하지만 현재 인터넷을 통해 연결된 장비를 사용하는 애플리케이션의 대부분은 특정 수직계열에서만 보급되고 있다. 이같은 폐쇄적 성격의 애플리케이션은 일반적으로 사일로(silo)라고 부른다.

사물 인터넷의 실질적인 파급 영향력은 사일로에서 수집된 데이터들이 서로 결합돼, 완전히 새로운 애플리케이션을 만들어낼 경우 발생할 것이다. 이러한 진화는 많은 소형장비에서 수집된 데이터가 인터넷 상에서 이용이 가능할 경우에 이뤄질 수 있을 것이다. 소형 장비로부터 수집된 데이터는 빅데이터 영역에서 도출된 새로운 지식과 결합해 많은 새로운 유형의 애플리케이션을 개발할 틀을 창출하게 될 것이며, 이 과정은 또한 사물 인터넷의 성장을 견인하게 될 것이다.





문제는 사물 인터넷 환경에 존재하는 많은 다양한 무선기술을 고려할 때 ‘이런 과정을 어떻게 유도할 것인가’이다.
그림 3은 사물 인터넷 관련 국제 표준기술의 일부를 나열하고 있지만, 실제로는 이보다 더 많은 기술이 존재한다(예: 미터링 기술 부문의 경우 무선 M-Bus와 같은 도메인에 특화된 표준 등)

“반경 100미터”에 집중하다

현재 반경 100미터 내에서 운영되는 장비들은 일반적으로 (네트워크에) 연결돼 있지 않다. 광역 네트워크는 대부분 스마트폰, 가정용 라우터(ADSL 라우터 등) 및 GSM/3G/4G 라우터 등과 연결된다.

“반경 100미터” 시장은 90% 이상의 잠재력을 갖고 있지만, 장비들이 서로 연결된다는 비전을 구현하기 위한 방법론은 매우 다양하다. 국제 표준기술, 도메인별 표준 및 많은 자체 개발 기술 등 실로 다양한 이종 기술이 현재 이 분야에서 상호 경쟁하고 있다.

“반경 100미터” 기술 요구사항

반경 100미터 기술의 아키텍처를 완성하기 위해서는, 광역 네트워크(인터넷)와 근거리 네트워크 간의 인터페이스를 담당하는 게이트웨이를 가진 아키텍처여야 한다.

사물 인터넷 근거리 기술에 있어 요구되는 한 가지 사항은 스마트폰 또는 다른 이동식 디바이스가 임시 게이트웨이로서 사용될 수 있도록 관
련 기능을 지원해야 한다는 것이다. 하나의 사물 인터넷 디바이스(센서)로 이동식 및 고정형 게이트웨이 모두를 지원하는 애플리케이션도 있다(그림 7).

사물 인터넷의 사용을 구현하기 위해 적합한 근거리 무선기술을 선정할 때 중요하게 고려해야 할 요인들은 다음과 같다.

라디오 기술의 비용: 사물 인터넷 환경에서 사용되는 많은 수의 장비들(센서류)이 소형의 저가 장비들이라는 점에 있어서, 사물 인터넷을 위해 선택된 라디오 기술은 BOM(bill-of-material; 자재 구성 명세)에 많은 비용이 추가되지 않는 정도의 비용이어야 할 것이다. 이는 많은 경우, 라디오와 장비의 응용이 동일한 컴퓨팅 엔진(마이크로 컨트롤러)을 공유할 필요가 있다는 의미가 된다.

전력 소비 정도: 많은 경우 배터리 또는 에너지 하베스팅 기술(energy harvesting technology)을 전원공급원으로 채택한다.

손쉬운 사용: 단말을 네트워크 및 인터넷 서비스에 연결하는 과정은 반드시 쉬워야 한다.

보안: 보안(인증 및 암호화) 기능은 해당 무선 기술 자체적으로 적절히 지원되어야 하며, 때로는 엔드-투-엔드(end-to-end) 방식의 보안(센서에서 웹 서비스까지 전 구간/영역에 걸친 보안)이 요구되기도 한다.

이용 가능한 에코 시스템(ecosystem)의 구성: 스마트폰, 태블릿, PC, 가정용 게이트웨이 등에 대한 연결성은 중요하다. 이 요구사항은 또한 네트워크의 규모를 확대하는 경향이 있으며 비용을 증가시키는 요인이 되기도 한다. 휴대폰과 휴대폰 액세서리의 대량생산으로 해당 기술의 비용을 감소시켰던 Classic Bluetooth는 좋은 사례이다.

범위: 시스템 비용에 큰 부담을 주지 않으면서도 충분한 범위를 커버하는 기능과 커버리지를 증대하는 확장 기능(리피터, 라우터 등)을 제공할 필요가 있다.

국제 무선 표준: 특정 도메인에 특화된 표준은 여전히 폭 넓게 활용될 것이다. 하지만 대부분의 사물인터넷 사용의 경우에 있어서 많은 수직계열의 요구에 부합하는 기초적인 무선기술이 성공적인 도입에 있어 필수조건이 된다.

무선 기술의 선택

그림 8은 앞서 섹션 3에서 논의한 주요 동인과 요구사항들에 가장 잘 부합하는 근거리 기술들을 보여준다.

해당 그래프에는 스마트폰, 랩톱 등의 모바일 장비에서 이용이 가능한 기술들을 주로 보여준다. 모바일 장비에서 이용 가능한 무선기술만을 제시한 이유는 앞서 제시한 바 있는 이용 가능한 에코시스템의 구성이라는 요구사항 때문이다. 여기서 한 가지 예외로 처리되는 기술은, 국제 표준의 요구사항을 충족하며 자동화 및 스마트 에너지 응용사례 구축을 위해 초기 사물 인터넷 사용의 경우 폭 넓게 사용되는 802.15.4이다(ZigBee, WirlessHART, Thread 등의 표준 및 프로토콜 포함).

해당 그림에 표현된 범위는 점대점(point-topoint)이다. 이는 개별 장비의 라디오 설계에 의존하며, 따라서 참고 정보로만 고려해야 한다. 전력 소비는 실제 사용의 경우에 따라 다르게 된다는 점에서, 전력 소비 요구사항에 있어서도 이와 동일한 개념이 적용된다.

상기 그림은 이종 기술들이 저전력 응용사례들을 얼마나 잘 지원할 수 있는지를 판단하기 위한 참고용 자료로만 사용하는 것이 바람직하다.
이 글은 “반경 100미터 통신”에 주된 초점을 맞추고 있기 때문에 그림 8에서 파란색 점선의 왼편에 배치된 무선기술을 보다 중점적으로 논의한다.



그림 9는 수직계열 별로 사용되는 무선 기술을 정리한 결과다(유블럭스 제공). 적외선 및 NFC는 매우 특수한 사용 시나리오 또는 수직계열이 아닐 경우 제외할 수 있다. 유블럭스에 따르면, 802.15.4 기반의 기술들이 틈새 기술 시장을 형성할 것이며, 해당 추세는 홈 자동화, 빌딩 자동화 및 스마트 에너지와 같이 이미 틈새 기술 시장이 구성된 분야에서 특히 두드러질 것이다(결론 부분 참고).
아래에서는 위에서 언급된 무선 분야의 세 가지 기술을 비교해보겠다.
그림 10에서 추론할 수 있는 사실로는 다음의 사항들이 포함된다.

- 상기 세 가지 기술 모두는 링크 레이어 인증 및 암호화 기능을 빌트인 방식으로 제공하며, 일부의 경우 센서에서 웹 애플리케이션까지의 전 구간에 대한 엔드-투-엔드(end-to-end) 보안 기술이 추가적으로 필요할 수 있다.
- 일부 사물 인터넷 사용 시나리오는 기업용 방화벽내에 구성된다(예: 사물 인터넷의 인터넷 서비스가 로컬 서버에서 운영되는 생산공장 등). 광역 네트워크에서 운영되지만 VPN 터널 또는 이와 유사한 보안 메커니즘을 사용해 로컬 네트워크로 운영되는 사물 인터넷 시스템 또한 존재한다.

- 올바른 활용이 담보될 경우, Bluetooth 저전력 기술의 전력 소비는 802.15.4보다 더 낮을 수 있다(부하가 더 적음).
- 사물 인터넷 에코시스템에서 상당히 중요한 요소가 되는 모바일 장비(스마트폰, 태블릿, 랩톱 등)가 802.15.4 기술을 지원하지 못할 경우 이는 특히 모바일 또는 임시 모바일 사용을 지원하는 데에 있어 문제가 된다.
- 휴대전화, 태블릿, 랩톱 그리고 휴대전화 액세서리의 에코시스템은 Bluetooth 저전력 기술의 비용을 줄일 것이다.
- 많은 802.15.4 기반 기술들(ZigBee 등)이 커버리지가 라우터를 통해 확장될 수 있는 “메쉬(mesh)”를 지원한다는 점에서, 범위 확장 능력은 802.15.4의 주요 장점이 된다. Bluetooth 저전력 기술에서도 메쉬 기능을 추가하려는 시도가 진행 중에 있다.
- Bluetooth 저전력 기술은 AFH(Adaptive Frequency Hopping; 적응 주파수 호핑) 지원 기능 및 기타 Classic Bluetooth에서 유래된 기능을 보유해 상당히 신뢰할 수 있는 기술로 인정된다.
- WiFi는 저전력 소비에 대한 의존도가 낮은 장비들에 사용될 수 있으며, 다른 기술과 조합하여 무선백본으로 사용될 수 있다(관련 논의는 아래에서 소개한다).

유블럭스의 결론은 Bluetooth 저전력 기술이 저전력, 저비용, 소형 디바이스를 사용하는 “반경 100미터 통신”에 있어 한 가지 중요한 기술이 될 가능성이 매우 높다는 것이다. 그러나 802.15.4 기반의 기술들이 사용되는 사용 시나리오 또한 여전히 존재하게 될 것이다. 스마트 에너지, 홈/빌딩 자동화 등의 분야에서 구축된 그 사용 기반에도 불구하고, 유블럭스는 802.15.4 기술이 Bluetooth 저전력 기술과 전면적인 경쟁을 피할 수 없을 것이라고 전망한다. WiFi는 비용과 저전력의 중요성이 비교적 낮은 장비에 사용될 것이며 다른 무선기술과 결합해 와이어리스 백본으로 사용될 것이다.

사물 인터넷 환경에서 게이트웨이의 중요성

게이트웨이는 소형의 저전력 근거리 장비들을 연결하는 데에 있어 필수적인 조건이 된다. 게이트웨이는 백본 네트워크에 연결된 고정형 장비로 구성되거나 다른 장비(ADSL 또는 GSM/3G/4G 인터넷 라우터 등)에 내장된다.
모바일 장비 또한 게이트웨이로 운영될 수 있으며, 모바일 장비를 게이트웨이로 활용하는 다양한 유스케이스가 존재한다. 예컨대 센서/장비는 휴대전화와 함께 구성하는 형태(신체 착용 센서 등)가 될 수 있다.

또 다른 예로는 스마트폰이 센서/장비(휴대전화를 이용해 인터넷 서비스를 통해 인증하는 접근 제어 시스템 등)에 인접하게 될 경우 임시 게이트웨이로 작용하는 경우가 존재한다.




그림 12는 센서/장비가 전통적인 Bluetooth 저전력 기술의 특징 및 서비스를 잘 보여주는 유스케이스를 도식화한 것이다. 이 사용 시나리오는 해당 센서들이 게이트웨이를 대신해 제공하는 서비스에 대한 지식을 필요로 할 것이다. 일반적으로 게이트웨이는 이 지식을 인터넷에 접근 가능한 API로 표현하거나, 해당 센서들로부터 읽어 들인 데이터를 인터넷 기반 서비스에 푸쉬(push)해 표현한다.




그림 13는 IPv6 기반의 엔드-투-엔드(endto-end) 통신에서 트랜스포트(transport)로 사용되는Bluetooth 저전력 및 802.15.4 기술을 보여준다. 이 사용 시나리오에 있어, 센서/장비에서의 IP 기반 애플리케이션은 인터넷 서비스에 투명하게 연결된다. 이 유스케이스에서는 일반적으로 6LoWPAN 및 CoAP와 같은 압축 기술을 사용해 Bluetooth 저전력 또는 802.15.4 네트워크의 제한된 자원을 효율적으로 사용할 수 있게 해준다. 이 경우, 비록 센서/장비에서 더 많은 컴퓨팅 전력을 요구하지만 엔드 투 엔드 보안이 가능하다.



그림 14는 센서/장비를 연결하는 중간 백본으로 기능하는 WiFi의 사용 예를 보여준다. 이는 이용 가능한 근거리 라디오 칩(Bluetooth 저전력 및 WiFi의 동시 사용을 지원하는 칩셋 등)의 멀티 라디오 기능을 사용해 미니어처 게이트웨이를 구성한다. 이 미니어처 게이트웨이는 Bluetooth 저전력 다운스트림 및 WiFi 업스트림을 통해 통신한다. WiFi 업스트림 링크는 인터넷 서비스에 연결된 WiFi 라우터에 연결된다. 이는 시스템의 범위 및 규모를 확장하기 위해 사용될 수 있다.

그림 15는 다양한 기술들을 상호 연결하는 하나의 시스템을 구성하기 위한 게이트웨이의 사용을 예시한다. 여기서 게이트웨이는 공용 백본(e.g. an IPv6 backbone)에 필수적인 번역(translation)을 수행하기 위해 사용된다. 이 사용 예는 기술들을 IPv6를 통해 “항상” 상호 연결할 경우, 특히 흥미롭고 유용하다(그림 13 참조).

아래 내용은 지금까지의 논의를 종합한 결론이다.

- “사물”의 “반경 100미터 통신” 기술은 막대한 잠재력을 갖고 있으며, 향후 무선 인터넷 통신 분야의 성장에 있어 이 기술이 하나의 주축을 이룰 것으로 예상된다.
- 보안과 프라이버시는 민간 기업 수준의 사물 인터넷 사용 및 공공 분야의 사용 모두에 있어 필수적이며, 각각의 특수한 사용 시나리오에 대한 개별적인 조사가 이뤄질 필요가 있다.
- Bluetooth 저전력, 802.15.4와 같은 저전력, 근거리 라디오 기술들은 종종 이러한 사용을 구현하기 위한 요구사항이 되며, 이러한 모든 저전력 장비를 인터넷에 연결하기 위해서는 다양한 게이트웨이가 필요하다.
- 일부 게이트웨이의 경우 인터넷에 연결된 고정식 장비들이 되겠지만, 다른 사용의 경우 스마트폰 또는 기타 이동식 장비들을 이동식 게이트웨이로 이용할 필요가 있다.
- 동시 사용되는 다양한 근거리 저전력 라디오 기술이 존재하겠지만, Bluetooth 저전력 기술은 유블럭스가 이 시장의 중요한 부분이 될 것으로 예상하는 핵심 기술이다.

Mats Andersson
유블럭스의 근거리 라디오 기술을 담당하는 수석 기술 디렉터로 약 15년간 connectBlue의 CTO로 활동한 바 있다. Mats Andersson은 무선기술 분야에서 10년 이상의 경력을 보유하고 있으며, 산업 자동화 부문에서 30년 이상의 경력을 갖고 있다. 그는 또한 Alfa Laval Automation 및 ABB Automation Products사에서 산업 자동화 제품 개발을 총괄한 바 있다.