IoT 에 이용되는 네트워크 기술 - WPAN -

2018/05/25 - [사물인터넷(IoT)/IoT 입문] - IoT 에 이용되는 네트워크 기술 알아보기

WPAN ( Wireless Personal Area Networks)

WPAN에는 일반적으로 지그비, 블루투스, 그리고 NFC와 같은 다양한 무선 통신 기술 등이 해당됩니다.

Zigbee (IEEE 802.15.4)

지그비는 IEEE 802.15.4 표준을 기반으로 만들어 졌습니다. 지그비는 소형, 저전력 디지털 라디오를 이용해 개인통신망(PAN)을 구성하여 통신하기 위한 표준 기술입니다.

주거 자동화, 의료 기기 데이터 수집 등과 같이 그리고 저전력, 낮은 대역폭이 요구되는 어플리케이션에 사용되는 기술입니다.  전력소비가 적기 때문에 전력 출력 및 환경 특성에 따라 전송 거리가 10~100 미터로 제한됩니다. 지그비 기술은 가정에서 조명, 스위치 및 온도 조절 장치 등에 사용됩니다. 

지그비는 ISM 라디오 대역에서 작동합니다. 유럽에서는 868 MHz, 미국 및 오스트레일리아에서는 915 MHz, 그리고 세계 대부분 지역에서 2.4 GHz 무선 주파수를 사용한다. 데이터 전송 속도는 868 MHz 주파수 대역에서 초당 20 킬로비트, 2.4 GHz 주파수 대역에서 초당 250 킬로비트 정도이다. 지그비 네트워크 계층은 기본적으로 스타, 트리 네트워크와 일반적인 메쉬 네트워킹을 모두 지원합니다. 모든 네트워크에는 하나의 조정자(coordinator) 디바이스가 있어야 하며, 조정자는 매개 변수 및 기본 유지 관리를 제어해야 합니다. 스타 네트워크 내에서 조정자는 중앙 노드이어야 합니다. 트리와 메쉬 네트워킹 모두 지그비 라우터를 사용하여 네트워크 수준에서 통신을 확장할 수 있습니다.

Zigbee Light Link

Zigbee Light Link는 글로벌 Zigbee 표준으로 가정에서 조명 또는 스위치를 쉽고 편리하게 제어하는데 사용됩니다. 전기선을 설치하지 않고 무선으로 조명들을 쉽게 끄고 킬 수 있는 기술을 제공합니다. GE, 오스람, 필립스 같은 조명 전문 글로벌 기업들이 이 표준을 만드는데 참여를 하였습니다. 실내에서는 70미터까지 떨어진 조명을 제어할 수 있고 실외에서는 400미터까지 닿을 수 있습니다.

Bluetooth

블루투스는 유무선 기기 및 개인통신망에서 단거리(2.4 ~ 2.485GHz의 ISM 대역을 사용하는 UHF 전파) 데이터 교환을 위한 무선 통신 표준입니다. 블루투수는 1994년 통신사 에릭슨에 의해 만들어졌습니다. 블루투스는 블루투스 SIG (Special Interest Group)에 의해 관리되고 있습니다. SIG는 통신, 컴퓨팅, 네트워킹 및 소비자 가전제품 분야에서 3만 개 이상의 회사들을 멤버로 보유하고 있습니다. IEEE는 블루투스 기술을 IEEE 802.15.1로 표준화했으나 더 이상 표준을 유지 관리하지 않습니다. 

블루투스 SIG는 블루투스 사양의 개발, 관리 인증 프로젝트를 모니터링하고 상표권을 유지 관리합니다. 제조업체의 장치는 "블루투스 장치"라는 이름으로 시장에 진입하려면 블루투스 SIG 표준을 준수해야 합니다.

20년 전 첫 번째 버전이 출시된 이래로 많은 블루투스 버전들이 나왔습니다. 

블루투스 1.1과 BLE (또는 Bluetooth Low Energy)는 블루투스에서 가장 중요한 버전들입니다. Wi-Fi처럼 새로운 표준이 나올 때 마다 새로운 제품들이 출시되고 있습니다. 차이점을 살펴보면 자연스럽게 전송 속도가 일정하거나 좋아지고 있습니다. 가장 중요한 것은 전력 소비입니다. 이전 글에서 언급했듯이, 전력은 무선 통신 제품에서 매우 중요한 매개변수입니다. 이는 제품의 배터리 소모량과 직접적으로 관련이 있습니다. BLE는 전력 소모를 획기적으로 줄이는 기술입니다. 초기 커버리지는 100m 이었지만 BLE 버전에서는 50m로 축소되었습니다. 전력 소비를 줄이려면 커버리지가 적어야 합니다. 이것은 좁은 전송 거리와 일정한 전송 속도를 보장하게 됩니다. 이 후에 나오는 제품들은 이제 인터넷에 직접 연결이 가능합니다. IPv6을 통해 IP 주소를 가질 수 있습니다. 블루투스 SIG는 2016년 6월 16일 블루투스5를 공식적으로 발표했습니다. 블루투스5의 새로운 기능은 주로 화두가 되고 있는 IoT 기술에 초점을 맞추었습니다. 2017년 4월에는 블루투스5를 지원하는 삼성 갤럭시 S8이 출시되었습니다. 블루투스5는 BLE에 비해 2배의 속도 (2 Mbit/s), 4배의 범위, 8배의 데이터 전송 용량을 제공합니다.

BLE beacon

블루투스 비콘은 하드웨어 송신기입니다. 식별자를 근처 휴대용 전자제품에 브로드캐스팅하는 BLE 디바이스입니다. 이 기술은 스마트 폰, 태블릿 및 기타 디바이스들이 비콘에 가까이 근접했을 때 특정 작업을 수행하도록 하게 합니다.

앞에서 Wi-Fi를 설명 드렸을 때, 기지국이 주기적으로 비콘 신호를 보낸다고 말씀 드렸습니다. 마찬가지로, 이 작은 BLE 디바이스는 메시지를 주변 장치에 브로드캐스팅합니다. 슬라이드에 두 그림에 나와 있듯이, 작은 파란색 기기가 벽에 부착되어 있습니다. 

Apple에서 만든 BLE 비콘을 iBeacon 이라고 부릅니다. 먼저 예시들을 설명하겠습니다. 왼쪽의 첫 번째 그림을 보시면 백화점의 매장 입구에 파란색 BLE 비콘이 설치되어 있습니다. 이 기기는 주기적으로 비콘 신호를 브로드캐스팅합니다. 

만약 어떤 여성이 지나가는데 그 여성의 스마트 폰에는 BLE를 사용하는 어플리케이션이 있다고 가정합시다. 이 때 스마트 폰의 어플리케이션이 이 신호를 수신하고 작동을 시작하게 됩니다. 이때 그 여성은 ‘숙녀 신발 30% 할인’ 또는 ’20%할인 쿠폰＇과 같은 정보를 받게 됩니다. 

그림을 보시면 병원에서 비콘을 사용하는 예시가 나와 있습니다. 어떤 사람이 병원에 갔는데 그가 현재 병원 내부 어디에 있는지 잘 모르는 경우, 비콘이 올바른 방향을 알려줄 수 있습니다. 그래서 여러분이 현재 어디에 있는지, 병원 내에서 어디로 가야 하는지 찾을 때 비콘이 도움이 될 수 있습니다. 

앞서 언급했듯이 BLE 비콘은 배터리 소모를 줄이는 제품입니다. 따라서 배터리 수명은 일반적으로 2~5년 이지만 편차가 좀 있습니다. 저 편차는 얼마나 신호가 멀게 할 것인가에 따라 다릅니다. 물론 셋팅이 가능합니다. 그래서 다른 이름으로는 블루투스 4.0 또는 블루투스 스마트라는 별명이 있습니다. 이것에 대한 많은 다른 어플리케이션들이 존재합니다. 

이번에는 BLE 비콘의 원리를 설명하겠습니다. 앞서 언급했듯이 BLE 비콘은 UUID를 포함한 비콘 신호를 주변 기기에 주기적으로 브로드캐스팅합니다. UUID와 함께 전송된 여러 바이트들은 디바이스의 실제 위치를 확인하거나 고객을 추적하거나 소셜 미디어 또는 푸시 알림의 체크인과 같이 디바이스에서 위치 기반의 작업을 하는데 사용될 수 있습니다. 슬라이드의 다이어그램에 표시된 것처럼 BLE 비콘이 비콘 신호를 근처 디바이스와 그 안의 어플리케이션에게 전송합니다. 신호를 수신받은 디바이스는 서버에 요청을 보내고, 서버가 컨텐트 데이터베이스로부터 특정 정보를 받아다가 어플리케이션에게 보내주게 됩니다. (예를 들면, 디바이스 근처 매장의 할인쿠폰 등)

RFID

다음으로, RFID라는 또 다른 인기 있는 무선 PAN 기술을 소개하겠습니다. RFID는 물건에 부착된 조그만 태그들을 자동으로 식별하고 추적하는데 전자기장을 사용합니다. 태그에는 전자적으로 저장된 정보가 들어 있습니다. 패시브 태그는 근처의 RFID 리더기로 신호를 받고 태그에 저장된 데이터가 리더기로 전송됩니다. 액티브 태그는 배터리와 같은 로컬 전원이 있고, 통신을 위해 RFID 리더기로부터 수 백 미터 떨어진 곳에서도 작동할 수 있습니다. 배터리를 지원하는 패시브 (BAP) 또는 세미-패시브 태그에는 보드에 작은 배터리가 있고, RFID 리더기가 근처에 있을 때에만 작동이 활성화됩니다. 바코드와 달리 태그는 밖으로 노출되어 있지 않아도 되므로 추적되는 물건의 내부에 있어도 상관없습니다.

RFID는 현재 많은 곳에서 사용되고 있습니다. RFID 태그는 여러 산업분야에서 사용되고 있습니다. 예를 들면, 생산 중인 자동차에 부착된 RFID 태그를 이용하여 조립 라인의 진행 상황을 추적할 수 있습니다. 도서관, 슈퍼마켓, 창고 등에서도 RFID 태그가 부착된 물건 및 제품들을 추적할 수 있습니다. 가축이나 애완동물에 RFID 마이크로 칩을 삽입하여 동물을 식별할 수도 있습니다.

NFC (Near-Field Communication)

다음으로 NFC에 대해서 설명하겠습니다. NFC는 일반적으로 스마트 폰과 같은 휴대용 기기 2개를 서로 4cm (1.6인치) 이내로 맞대어 서로 통신이 가능하게 하는 기술입니다. 소액의 데이터(ID, 지불금액)를 교환하는 어플리케이션에서 주로 사용됩니다. 신원확인, 출석확인, 출입허가, PC 로그인 보안, 신용카드 결제, 멤버쉽, 티켓 발권 등에 사용될 수 있습니다.

그림에서 보시다시피, 두 개의 기기를 접촉시켰을 때, 첫 번째 기기는 수신 기기 방향으로 데이터를 전송하는 무선 주파수 필드를 생성합니다. 결제 수단으로 모바일 결제를 하는데 사용되는 스마트폰이 좋은 예입니다.

이제, IoT를 위한 네트워킹 기술에 대한 글을 요약하겠습니다. 이번 글에서는 유선 네트워크와 무선 네트워크의 차이점을 다루었습니다. 무선 네트워킹 기술, 특히 무선 PAN은 IoT 어플리케이션에 더 적합합니다. 그리고 셀룰러 네트워크를 소개해드렸습니다. 그 중 3G와 4G는 현재 다양한 IoT 어플리케이션에 사용되고 있습니다. Wi-Fi는 스마트 폰, 스마트 패드 및 다양한 기기들에서 사용되고 있습니다. 이것들은 데이터를 수집하고 서버 또는 클라우드에 대한 게이트웨이 역할을 하며 다양한 IoT 어플리케이션에서 사용되고 있습니다. 지그비, 블루투스, RFID 및 NFC는 다양한 IoT 어플리케이션에 사용되고 있는 인기있는 WPAN입니다.