1. LPWA란?
LPWA는 Low-Power Wide-Area의 약자로, LPWAN (저전력 광역 네트워크)이라고도 합니다.
LPWA는 저전력 소비와 광역 및 장거리 통신이 특징인 무선 통신 기술입니다. 통신 데이터의 양이 적고 Wi-Fi 및 기타 네트워크보다 느리지 만 10km 이상의 무선 통신이 가능합니다. IoT(사물인터넷)와 M2M(Machine to Machine)을 스마트팩토리, 물류, 농업, 주택, 생활 인프라 등에서 활용하려면 소형 데이터의 장거리 통신이 필요하기 때문에 LPWA는 IoT와 M2M의 기반이 될 무선 통신 기술로 주목받고 있다.
2. LPWA의 두가지 기능
LPWA와 다른 무선 통신 방식의 차이점 *1 을 설명하고, 특히 저전력 소비 및 장거리 통신 측면에서 LPWA의 주요 특징을 설명합니다.
그림 1은 LPWA 및 기타 무선 통신 방식에서 통신 거리와 통신 속도(데이터 전송 속도) 간의 관계를 보여줍니다. LPWA는 다른 통신 방식에 비해 통신 거리가 길지만, 데이터 전송 속도가 느린 것을 알 수 있습니다.
*1 : LPWA는 셀룰러 LPWA(라이선스 대역)와 비셀룰러 LPWA(비라이선스 밴드)로 나뉩니다. 이러한 유형과 다양한 표준에 대해서는 뒤에서 한번 더 설명합니다.
*2 NFC(Near Field Communication) : 최대 통신 거리가 약 10cm인 무선 통신 기술입니다. NFC는 대중 교통 및 이와 유사한 응용 분야의 비접촉식 IC 카드에 채택되었습니다.
*3 ZigBee : 장치 간에 직접 연결하여 네트워크를 구축할 수 있는 근거리 무선 통신 기술입니다. 저속(최대 250kbps)과 저전력 소비가 있습니다. 따라서, IoT 장치(센서 데이터 통신 및 가전 제품의 원격 제어 등)에 채택되었습니다.
2.1 특징(1) : 저전력 소비
스마트폰 및 기타 단말기에서 사용되는 4G, LTE 및 5G를 사용한 데이터 통신은 Mbps에서 Gbps까지 통신 속도가 빠르며, 이와 함께 통신에 필요한 전력 소비도 증가합니다.
하지만 IoT 및 M2M에 사용되는 많은 기기들은 감지 및 제어에 소량의 데이터를 필요로 하기 때문에, 저속 통신으로 충분히 동작할 수 있습니다. 따라서 IoT와 M2M에 활용되도록 설계된 LPWA는 통신 속도가 느리기 때문에 전력 소모를 낮게 유지할 수 있습니다.
실제로 LPWA 모듈의 배터리 수명은 10년 이상이기 때문에 IoT 장치의 배터리 교체 빈도를 획기적으로 줄이는 등 다양한 설치 위치에서 효율적으로 작동할 수 있습니다.
2.2 특징(2) : 장거리 무선 통신
수 미터에서 수백 미터까지의 근거리 데이터 통신을 고려할 때 일반적으로 무선 PAN(Personal Area Network)의 일종인 Bluetooth® 또는 무선 LAN(Local Area Network) 의 일종인 Wi-Fi가 후보가 됩니다.
반면에 IoT 및 M2M과 같은 분야에서는 수 킬로미터에서 수십 킬로미터에 이르는 넓은 범위에 걸쳐 설치된 IoT 장치를 모니터링하고 작동하기 위해 데이터 통신이 필요한 경우가 많습니다. 즉, 무선 PAN이나 무선 LAN보다 장거리 통신을 가능하게 하는 무선 기술이 필요합니다.
LPWA는 IoT 시대에 필요한 장거리 통신의 요구 사항을 충족하도록 설계된 무선 통신 기술입니다. 원거리 장소에 설치된 IoT 장치에서 출력되는 센서 값, 해당 기기의 위치를 파악하기 위한 데이터, 이들에게 전송되는 제어 데이터 등 소형의 데이터를 장거리에서도 상호 전송합니다.
3. LPWA 유형 및 표준
LPWA는 cellular LPWA와 non-cellular LPWA*4 로 나뉩니다. 또한 이들 각각에는 자체 표준이 있으며, 사용되는 주파수 대역폭, 통신 거리 및 전송 속도 등의 사양에 차이가 있습니다.
*4: 일본에서 cellular LPWA는 "셀룰러 기반" 또는 "라이선스 기반" LPWA라고도 하는 반면, non-cellular LPWA는 "비셀룰러 기반" 또는 "비라이선스 기반" LPWA라고도 합니다.
3.1 LPWA 유형 : cellular LPWA 및 non-cellular
먼저 라디오 방송국 라이센스가 필요한 주파수 대역(면허 대역)을 사용하는 cellular LPWA와 라디오 방송국 라이센스가 필요하지 않은 주파수 대역을 사용하는 non-cellular LPWA(비면허 대역)에 대해 설명합니다.
[ cellular LPWA (면허 대역)]
통신사의 기지국 및 통신 네트워크는 일반적으로 무선 방송국 라이센스가 필요한 cellular LPWA에서 사용됩니다.(그림 2)
그러나 LPWA 모듈이 탑재된 IoT 장치에서 기지국까지의 안정적인 통신 환경이 필요합니다. 이에 따라 IoT 장치와 기지국 사이의 지역은 도시지역, 주거지역, 산업지역 등 인구밀도가 높은 지역이 되는 경향이 있습니다.
나중에 이야기하는 non-cellular LPWA는 기지국과의 통신이 어려운 산악지대나 고립된 섬 등 도시와 멀리 떨어진 지역에서 선택됩니다.
*5 SIM : 가입자를 식별하는 모듈입니다. 장치 또는 모듈에서 계약을 맺은 이동통신사와 호환되는 SIM을 장착하면 라이선스가 필요한 라이선스 대역을 사용하는 셀룰러 LPWA와 함께 해당 이동통신사의 통신 네트워크를 사용할 수 있습니다.
cellular LPWA의 활용 예로는 전기, 예를 들어, 전기, 가스, 수도와 같은 생활 인프라에 대한 데이터 수집, 각 국가의 통신 사업자의 통신 네트워크 로밍 *6 등이 있습니다.여기에는 국제 물류의 패키지 추적이 포함됩니다.
*6 : 로밍은 일반적으로 고객이 계약한 통신사와 제휴한 지역 통신사의 통신망을 이용이 가능한 서비스를 말합니다. 국제적으로 제공되는 이러한 서비스를 "국제 로밍"이라고도 합니다.
[ non-cellular LPWA (비면허 대역)]
non-cellular LPWA는 920MHz 대역을 사용합니다. 이는 일본에서 무선 라이센스가 필요하지 않은 GHz 미만 대역입니다.
그림 3에서 보는 바와 같이, 통신사의 통신 네트워크을 이용하지 않고도 LPWA 모듈에서 게이트웨이*7를 통해 얻은 데이터를 네트워크 서버나 앱 서버로 전송할 수 있다.
*7 게이트웨이: 통신 프로토콜(통신 및 데이터 형식 등의 절차를 규정하는 규정)은 무선 및 유선 통신에서 장비 간의 통신을 가능하게 하기 위해 결정됩니다. 장비 간 또는 통신 프로토콜이 다른 네트워크 간에 직접 통신할 수 없습니다. 게이트웨이는 이 문제를 해결하기 위한 장비 또는 소프트웨어입니다. 프로토콜을 변환하여 릴레이 연결을 가능하게 합니다.
non-cellular LPWA의 사용 예로는 산간 지역, 외딴 섬 등 통신사 사업자의 기지국에 연결하기 어려운 환경에서의 통신, 사설 네트워크 통신과 같이 cellular LPWA가 커버할 수 없는 장거리 통신 애플리케이션이 있습니다.
3.2 cellular LPWA 및 non-cellular의 표준
[ cellular LPWA (면허 대역) 표준]
기지국과 통신사의 통신 네트워크를 사용하는 셀룰러 LPWA에는 LTE Cat.M1(LTE-M) 및 NB-IoT 두 가지 표준이 있습니다.
두 표준 모두 LTE 주파수 대역(700MHz - 3.5GHz)에서 자유 대역폭을 사용합니다. 각각의 특성은 다음과 같습니다.
① LTE Cat. M1 (LTE-M)
LTE Cat. M1 (LTE-M)은 LTE 카테고리 M1의 약어로, Machine-type 통신(LTE-M)을 LTE라고도 합니다. 업링크와 다운링크 모두 최대 속도는 1Mbps입니다. 최대 통신 거리는 약 10km입니다.
걷거나, 자전거를 타거나, 자동차를 운전하거나, 이동 중에도 통신이 가능합니다. 따라서 이동하면서 위치정보를 전송하는 IoT 기기에 애플리케이션으로 적합합니다. 예를 들어 어린이 모니터링과 물류 화물 추적기가 여기에 포함됩니다.
② NB-IoT
NB-IoT는 협대역 IoT(Narrow Band IoT)의 약어입니다. 최대 속도는 업링크 62.50kbps, 다운링크 26.15kbps로 느리지만 최대 통신 거리는 약 40km에 이릅니다. 이는 이동 중 통신을 위한 어플리케이션으로는 적합하지 않지만, 넓은 지역에 고정적으로 설치되는 스마트 미터나 방범 및 경보 기능을 갖춘 IoT 장치에는 적합합니다.
[ non-cellular LPWA (비면허 대역) 표준]
non-cellular LPWA에는 LoRaWAN, Sigfox, Wi-SUN, ZETA 및 ELTRES와 같은 여러 표준이 있습니다.
모든 표준은 Sub-GHz 대역(일본 일본의 경우 920MHz)을 사용하며 통신 속도는 종종 약 100bps-250kbps입니다.
통신 거리는 표준에 따라 2km에서 100km까지 크게 다르며 통신 거리가 길수록 통신 속도가 느려집니다.
3.3 cellular LPWA 및 non-cellular의 사양 비교
* 송신 전력 +20dBm은 미국만 해당됩니다. EU/아시아에서는 +14dBm입니다.
이번 시간에는 LPWA의 기초 지식을 알아보았습니다. 다음 시간에는 이어서 LPWA의 활용 예시와 Murata LPWA 모듈에 대해 설명하겠습니다.
※그림 및 영상 출처 : 무라타 웹사이트
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<About Murata>
Murata Manufacturing Co., Ltd.는 무라타 제작소는 세라믹을 기반으로 전자부품의 개발・생산・판매를 하고 있으며 세계적인 통합전자부품 기업입니다. 독자적인 개발 및 재료 개발, 프로세스 개발, 상품 설계, 생산 기술들을 서포트하는 소프트웨어나 분석 · 평가등의 기술 기반으로 독창적인 제품을 창출해 일렉트로닉스 사회의 발전에 기여해 갈 것입니다.
