이 글은 현재 시장에서 지배적인 위치를 차지하고 있는 무선 커넥티비티 기술을 살펴보고, 이들의 핵심적인 기술 개념과 엔지니어링 절충 요소를 검토하면서 다양한 애플리케이션을 위한 적합한 무선 기술을 선택하는 가이드라인을 제시한다.
글/길 라이터(Gil Reiter), IoT 전략 마케팅 매니저, 텍사스 인스트루먼트 

 사물 인터넷(Internet of Things, IoT)이 빠르게 성장하고 있는 가운데 개인용 전자 기기부터 산업 장비와 센서에 이르기까지 다양한 애플리케이션이 무선으로 인터넷에 연결되고 있다. 하나의 무선 표준으로는 다양한 환경에서 여러 용도를 지원하고 각기 다른 요구조건을 만족하면서 적절하게 대응할 수 없다. 많은 표준이 시중에 사용되고 있지만 다중 주파수 대역에 걸친 확산, 다양한 통신 프로토콜의 사용, 그리고 IoT 애플리케이션을 위한 올바른 무선 커넥티비티 기술의 선택은 우리가 다루어야 하는 진정한 과제이다. 이 글은 현재 시장에서 지배적인 위치를 차지하고 있는 무선 커넥티비티 기술을 살펴보고, 이들의 핵심적인 기술 개념과 엔지니어링 절충 요소를 검토하면서 다양한 애플리케이션을 위한 적합한 무선 기술을 선택하는 가이드라인을 제시한다.

주파수 대역과 전세계 규정
무선 전송은 전세계적으로 미국의 연방통신위원회(FCC)나 유럽의 우편전기통신주관청(CEPT)과 같은 기관에 의해 규정되고 있다. 이러한 기관들은 특정 용도에 대해 주파수 대역을 할당하고 무선 트랜스미터를 위한 표준과 인증 방안을 추진한다. 대부분의 지역에서 많은 가용 스펙트럼은 사용 라이선스를 받아야 한다. 즉, 지정된 주파수 채널에서 무선 트랜스미터를 운영하려면 사용자가 지역의 규제기관으로부터 라이선스를 구입해야 한다.

라이선스를 받는 주파수 대역의 잘 알고 있는 예로는 셀룰러 통신이 있다. 정부 경매는 전세계적으로 상용 주파수 할당을 규정하기 위해 스펙트럼 대역을 이동통신 사업자에게 판매하는 데 이용되고 있다.

국제전기통신연합(ITU-R)은 무선 스펙트럼의 공유된 전세계 사용을 조정하는 역할을 담당하며, ISM(Industrial, Scientific and Medical) 애플리케이션을 위해 여러 주파수 대역을 보유해 놓고 있다. ISM 대역은 비라이선스 대역으로 국가마다 약간씩 차이가 있다. 최근 많이 이용되는 ISM 대역은 433MHz, 868MHz, 915MHz 및 2.4GHz이며, 이들 대역은 각각 원격 제어, 코드리스 전화, Wi-Fiⓡ와 같은 무선 통신 시스템에 이용된다. 그림 1은 전세계적으로 할당된 인기 있는 ISM의 지도이다.
2.4GHz 대역은 모든 지역에서 라이선스를 받지 않고 사용할 수 있어 매우 인기 있는 대역이다. 2.4GHz 대역은 어디에서나 이용할 수 있기 때문에 전세계적으로 보다 쉽게 2.4GHz 기반 제품을 개발하고 배포할 수 있다.

일반적으로 높은 주파수 대역은 더 많은 채널과 대역폭을 제공하며, 따라서 대형 네트워크를 지원할 수 있고 더 높은 데이터 처리속도를 제공할 수 있다. 낮은 주파수 무선파는 고주파수보다 전파의 효율이 높기 때문에 특히 건물 안에서 더 넓은 범위를 달성할 수 있다.

통신 프로토콜
통신 시스템은 일련의 규칙과 표준을 사용하여 데이터형식을 지정하고 데이터 교환을 제어한다. 데이터 통신 시스템에서 가장 일반적인 모델은 OSI(Open Systems Interconnection) 모델이다. 이 모델은 통신을 기능 계층으로 나눠 보다 쉽게 확장 가능하고 상호운용 가능한 네트워크를 구현할 수 있게 한다. OSI 모델은 7계층으로 구성되어 있으며, 그림 2에는 이 모델을 4계층으로 간략화한 버전과 함께 TCP/IP 스택의 예가 표시되어 있다.

링크 계층(Link layer)은 비트를 무선 신호로 (그리고 그 반대로) 변환하고, 신뢰할 수 있는 무선 통신을 위한 데이터 프레이밍을 담당하고, 무선 채널에 대한 액세스를 관리한다.

그림 2의 TCP/IP 예에서 Wi-Fi는 링크 계층 프로토콜로 표시되어 있다.
네트워크 계층(Network layer)은 네트워크 전체에 걸쳐 데이터 어드레스를 지정하고 라우팅한다. IP(Internet Protocol)는 인터넷의 네트워크 계층 프로토콜로, 장치에 IP 어드레스를 제공하고 하나의 장치로부터 다른 장치로 IP 패킷을 나른다.

전송 계층(Transport layer)은 네트워크의 양쪽 끝에서 실행되는 애플리케이션 사이에 통신 세션을 생성한다.
이 계층은 각각 자체적인 통신 채널을 사용하여 하나의 장치에서 여러 개의 애플리케이션을 실행할 수 있게 한다. TCP(Transmission Control Protocol)는 인터넷에서 가장 많이 이용되는 전송 프로토콜이다.
애플리케이션 계층(Application layer)은 데이터 포맷을 담당하며 특정 애플리케이션에 최적의 구조로 데이터 흐름을 지배한다. TCP/IP 스택에서 잘 알려진 애플리케이션 계층 프로토콜은 HTTP(Hypertext Transfer Protocol)로서, 이것은 인터넷에서 웹 콘텐츠를 전달하기 위해 만들어졌다.

계층으로 구성된 네트워크 구현은 복잡성을 발생시키고 더 많은 코드와 메모리를 필요로 한다. 또한 이러한 구현은 모든 계층이 추가적인 프레이밍과 제어 메시지를 필요로 하므로 데이터 오버헤드를 초래한다. 그러나 다른 한편으로 오늘날 대부분의 무선 네트워크가 그림 2와 같은 유사한 구조를 사용하여 설계될 만큼 계층화된 네트워크는 유연성과 확장성이 우수하다. 계층 구성이 아예 없거나 거의 없는 간단한 네트워크 설계도 있다. 일례로 간단한 무선 트랜시버에 의해 제공되는 물리적 계층 위에서 직접 실행하는 고유의 애플리케이션 프로토콜이 있다. 이와 같은 고유의 독자적인 구현은 매우 효율적일 수 있지만, 주로 단순한 단일 기능 네트워크에 사용된다.

IP 또는 비IP
IoT는 인터넷에 사물을 연결하는 것에 대한 모든 것을 일컫는다. 인터넷에 (직접) 연결되는 기기들은 IP 수트를 사용하여 인터넷에서 다른 기기들과 서버와 데이터를 주고받는다. 그러나 로컬 네트워크 기기들은 비IP 프로토콜을 사용하여 로컬 네트워크 내에서 통신할 수 있다. 비IP 기기의 인터넷 커넥티비티는 인터넷 게이트웨이를 통해 달성할 수 있다. 게이트웨이는 한 쪽에서 비IP 방법을 사용하여 로컬 기기와 통신을 하고, 다른 한 쪽에서는 IP를 사용하여 인터넷의 다른 기기들과 통신한다. 이러한 경우 인터넷 서비스와 통신을 하기 위해서는 로컬 네트워크에서 발생하는 데이터를 스트립 다운하고 이를 TCP/IP 스택으로 재구성할 필요가 있기 때문에 게이트웨이는 애플리케이션 계층 게이트웨이가 된다.

기기에서 IP를 사용하는 이점은 게이트웨이를 모든 애플리케이션 유형에 사용할 수 있고, 게이트웨이를 변경할 필요없이 애플리케이션을 수정하거나 기기에 추가할 수 있는 유연성을 가질 수 있다. 우리가 가정에 설치된 네트워크에 어떤 변경을 하지 않아도 노트북에 새로운 인터넷 애플리케이션을 설치할 수 있는 이유는 노트북이 TCP/IP 스택을 실행하고, 링크 계층에서 홈 라우터(유선 이더넷 또는 Wi-Fi를 사용)가 데이터만 조작하면 되기 때문이다.

많은 경우, 로컬 네트워크는 하나의 특정 애플리케이션용도로 구성된다. 예를 들어 무선 센서가 탑재된 알람 시스템은 알람 컨트롤러에 센서 활성화 메시지를 전송하는 하나의 기능을 수행하는 로컬 네트워크를 구성한다. 만약 알람 컨트롤러가 인터넷을 통해 사용자의 휴대폰에 메시지를 전달한다면, 이 때는 TCP/IP를 사용한다. 그러나 센서와 알람 컨트롤러 간 통신은 TCP/IP에 기반할 필요는 없으며, 실제로 최근에는 대부분 그렇게 하지 않는다.

TCP/IP 스택의 종종 간과되는 다른 이점은 인터넷 애플리케이션의 전에 없던 광범위한 이용으로부터 나온다.

지난 20년 동안 TCP/IP용으로 생성된 애플리케이션 프로토콜 구현의 수는 압도적이다. 이렇게 구현된 대부분은 인터넷 커넥티비티가 필요하지 않은 경우에도 로컬 네트워크에서 사용할 수 있다. 성능 검증된 기존의 프로토콜 구현을 재사용하게 되면 개발 시간을 크게 단축시킬 수 있다. IP 네트워크의 진단과 관리, 커미셔닝을 위한 툴이 이미 있기 때문에, 이 역시 개발 사이클을 단축시키는 데 도움을 줄 수 있다.

TCP/IP 스택이 갖는 단점의 하나는 상당히 복잡하고 크기가 크다는 점이다. 따라서 상당한 프로세싱 성능과 적지 않은 메모리를 필요로 하며, 이는 더 많은 개발 시간과 더 비싼 기기로 이어진다. 복잡성 또한 더 큰 데이터 패킷을 발생시키므로 송신과 수신에 필요한 전력 소모가 증가된다. 이러한 이유로 가령 알람 시스템의 무선 센서와 같은 많은 간단한 네트워크는 보다 간소화되고 때로는 독자적인 프로토콜을 구현하는 쪽을 선택한다.

실리콘 기술의 발전과 함께 프로세싱 성능과 메모리는 더욱 사용이 늘어나고 저렴해지고 있다. 최근의 무선네트워크 프로세서와 무선 마이크로컨트롤러(MCU)에서 TCP/IP 통신은 그 어느 때보다 더욱 매력적으로 인식되면서 단순한 소형 네트워크에도 사용되고 있다. 완전한 TCP/IP 스택이 TI의 SimpleLinkTM 제품군과 같은 제품에 탑재되고 있으며, 이에 따라 더욱 많은 애플리케이션이 독자적인 프로토콜에서 IP 기반 프로토콜로 이동하면서 유연한 인터넷 커넥티비티와 더욱 빠른 개발 사이클을 기대할 수 있게 되었다.

네트워크 범위
그림 3에서 보듯이 일반적으로 네트워크의 범위는 다음 네 가지 범주로 분류된다. 개인통신망(PAN, Personal Area Network), 근거리통신망(LAN, Local Area Network), 인근지역망(NAN, Neighborhood Area Network), 원거리통신망(WAN, Wide Area Network)이다.

PAN은 항상 무선으로 구현되며 약 10미터 범위를 커버한다. 공통 무선 PAN은 블루투스ⓡ를 통해 무선 헤드셋, 시계, 피트니스 기기와 같은 소수의 액세서리와 연결된 스마트폰이 될 수 있다. 무선 PAN 장치는 보통 낮은 무선 전송 전력을 가지며 소형 배터리로 동작한다. LAN은 유선 또는 무선(또는 이 둘의 결합)이 될 수 있다. 무선 LAN (WLAN)은 보통 최대 100미터 범위를 커버한다.

대표적인 예로는 개인용 컴퓨터, 스마트폰, TV를 비롯해 최근에는 온도조절기와 가전기기와 같은 IoT 장치에 인터넷 연결을 제공하는 가정용 Wi-Fi 네트워크를 들 수 있다.

NAN은 항상 무선이며 25km 이상 도달할 수 있다.NAN은 높은 전력 레벨을 송신하지만 보통 비교적 낮은 데이터 트래픽을 전달한다. NAN의 예로는 독자적인 프로토콜을 사용하여 900MHz 무선으로 전기 미터 사용량을 가정에서 유틸리티 공급 업체까지 전송하는 데 사용되는 스마트 그리드 네트워크가 있다.
마지막으로 WAN은 매우 넓은 지역에 걸치며, 크게는 전세계로 확장된다. 인터넷은 WAN으로 간주되고, 무선 및 유선 연결이 복잡하게 혼합되어 구성된다.

네트워크 토폴로지와 크기
무선 네트워크는 또한 토폴로지(네트워크에서 노드가 정렬되고 서로 연결되는 방식)를 기준으로 분류할 수 있다. 첫 번째로 두 가지 기본 네트워크 토폴로지는 스타형(star)과 메시형(mesh)이 있다(그림 4). 스타형 토폴로지에서는 모든 노드가 하나의 중앙 노드에 연결된다. 중앙노드는 보통 인터넷에 연결되는 게이트웨이로 사용된다.
스타형 토폴로지로 많은 인기를 얻고 있는 예로는 Wi-Fi 네트워크가 있으며, 여기에서 중앙 노드는 무선접속장치(AP)로 불리우며 다른 노드는 스테이션으로 불린다.

메시형 네트워크에서 모든 노드는 여러 개의 다른 노드에 연결할 수 있다. 네트워크에서 하나 또는 그 이상의 노드는 인터넷 게이트웨이 역할을 한다. 그림 4의 예에서 보듯이 네트워크의 모든 노드는 다른 모든 노드에 연결된다. 그러나 실제 메시형 토폴로지는 더 간단하다. 메시형 토폴로지의 잘 알려진 예는 ZigBeeⓡ Light LinkTM 네트워크로, 다중 조명이 메시형 네트워크를 형성하면서 그범위를 대형 건물로 확장한다. 지그비 노드의 하나는 조정자라고 불리며, 이것은 또한 언제나 인터넷 게이트웨이 역할을 한다.

그러나 메시형 네트워크는 스타형 네트워크에 비해 설계가 보다 복잡하고 메시지를 메시형을 통해 원격 노드로부터 라우팅하는 데 더 긴 지연을 보일 수 있다. 메시형 토폴로지의 장점은 다중 홉(hop)을 통해 네트워크 범위를 확장하면서 낮은 무선 전송 전력을 유지할 수 있다는 점이다. 또한 네트워크를 통해 메시지를 중계하는 데 하나 이상의 경로를 제공하므로 더 높은 신뢰성을 달성할 수 있다.
네트워크 크기 또는 동시에 연결할 수 있는 최대 장치수는 시스템 설계에서 중요한 고려사항이다. 블루투스와 같은 일부 기술은 최대 20개 연결을 지원한다. 지그비와 같은 다른 기술들은 수천 개의 연결을 지원할 수 있다.

표준과 상호운용성
통신 시스템에서 가장 큰 과제의 하나는 서로 다른 업체의 장치들이 서로 간에 데이터를 교환할 수 있는 능력을 의미하는 상호운용성이다. 많은 표준화 기구의 주요 목표가 이러한 과제를 해결하는 것이며, 이들은 기기 간 상호운용을 보장하기 위해 작성된 규격과 시험 절차를 정의한다. 그림 2의 OSI 네트워크 모델에서도 보듯이 일부 표준은 하나 또는 여러 개의 계층을 정의하며, 또 다른 일부 표준은 전체의 완전한 네트워크 규격을 정의하고 있다.

IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)는 1963년에 결성된 비영리 조직으로 주로 통신과 무선 엔지니어링에 초점을 맞추고 있다. 이 기구에서 제정한 잘 알려진 네트워킹 기술 표준의 하나가 IEEE802.x 계열 표준이다. 802.x 계열 중 몇 가지를 보면, 802.3은 오늘날 대부분의 유선 컴퓨터 네트워크를 지배하는 이더넷 규격을 정의한다. 802.11은 Wi-Fi 표준의 기준인 WLAN 규격을 정의하며, 802.15.4는 ZigBee, 6LoWPAN, WirelessHART에 사용되는 무선 PAN 표준을 정의한다. 여기에서 802.x 표준은 네트워크의 링크 계층만 정의하고 있다는 점에 주의할 필요가 있다.

IETF(Internet Engineering Task Force)는 1986년에 구성된 개방형 표준화 기구로 인터넷 표준, 특히 TCP/IP 수트에 대한 표준 개발을 담당하고 있다. IETF 규격은 RFC request for comments)라는 제목으로 초안 규격을 발간하여 결정된다. RFC는 IETF 회원들에 의한 다수의 검토와 편집을 거쳐‘best current practice’ 상태로 승인을 받는다. 이러한 RFC로 정의된 인터넷 표준은 수천여 가지에 이르는데, 몇 가지 예를 보면 IPv4 프로토콜을 설명하는 RFC 791, TCP 프로토콜을 설명하는 RFC 793, HTTP/1.1 프로토콜을 정의하는 RFC 2616이 있다.

IETF는 IEEE와 마찬가지로 인증 프로그램을 시행하지 않는다. 따라서 업체는 이러한 기구로부터 그들의 제품이 이들 표준과 부합한다는 인증을 받을 수 없다. IEEE 및 IETF 표준은 구현을 위한 우수한 관행을 설정하고 있을 뿐이다. 이에 따라 다른 조직들이 IEEE 및 IETF의 표준을 채택해 이를 이용한 인증 프로그램을 작성하고 있다.

이러한 조직은 종종 다양한 이유로 IEEE 또는 IETF 표준의 일부만을 채택하고 있다.

현재 무선으로 연결된 장치 간의 상호운용성을 보장하기 위해 인증 프로그램을 관리하는 잘 알려진 세 가지 조직으로 Wi-Fi 얼라이언스, 블루투스 SIG(Bluetooth Special Interest Group), 지그비 얼라이언스가 있다.
이들 세 조직은 회원사들에게 옵션을 제공하고 제품이 상호운용 시험을 통과하면 Wi-Fi, 블루투스 또는 ZigBee 로고를 부착할 수 있는 권한을 부여하고 있다.

지금까지 우리는 무선 커넥티비티의 몇 가지 주요 개념을 살펴보고 무선 커넥티비티 시스템 설계에서 엔지니어링 절충 요소를 검토해 보았다. 이제 다음으로 업계에서 지배적인 커넥티비티 기술과 애플리케이션을 자세히 살펴보기로 한다.

Wi-Fi
IEEE 802.11 표준을 기반으로 하는 Wi-Fi 기술은 잘 알려진 유선 IEEE 802.3 이더넷 표준을 무선으로 대체한 개념이다. Wi-Fi 기술은 인터넷 커넥티비티를 위한 요구로부터 탄생되었다. Wi-Fi 기술은 주로 로컬 네트워크의 링크 계층을 정의하지만 매우 자연스럽게 TCP/IP 스택에 통합되기 때문에 우리들이 Wi-Fi를 사용하고 있다고 말할 때에는 암묵적으로 인터넷 커넥티비티를 위한 TCP/IP를 사용한다는 것을 의미하는 것이기도 하다.
스마트폰과 태블릿의 엄청난 성공을 바탕으로 Wi-Fi가 유비쿼터스 환경으로 자리잡으면서 사람들은 이 기술을 간단히‘무선’이라고 말하기도 한다. Wi-Fi AP는 오늘날 대부분의 가정뿐 아니라 거의 모든 사무실, 학교, 공항, 커피숍, 소매점에 배치돼 있다. Wi-Fi의 커다란 성공은 주로 Wi-Fi 얼라이언스에 의해 실행되는 주목할 만한 상호운용성 프로그램과 간편한 사용, 비용 효율적인 인터넷 액세스에 대한 시장의 증가하는 요구로 인한 것으로 볼수 있다. Wi-Fi는 새로 출시되는 모든 노트북, 태블릿, 스마트폰, TV에 이미 탑재돼 있다. 가정과 기업에 광범위하게 배치된 기존 인프라를 이용할 수 있는 Wi-Fi의 자연스러운 다음 단계는 새로운 시대의 사물 인터넷을 연결하는 것이다.

Wi-Fi 네트워크는 AP가 인터넷 게이트웨이의 역할을 하는 스타형 토폴로지이다. Wi-Fi의 출력 전력은 대부분의 경우 전체 가정 내 커버리지를 허용할 만큼 충분히 높다. 기업과 대형 건물에서는 종종 네트워크 커버리지를 증가시키기 위해 건물 내에 하나 이상의 AP를 서로 다른 위치에 배치한다. 대형 콘크리트 건물의 경우 다중 경로 조건으로 인해 데드 스팟이 나타날 수 있다. 일부 경우 데드신호 수신 지점을 극복하기 위해 다양한 Wi-Fi 제품이 다이버시티용의 2개 안테나를 포함하고 있다.

대부분의 Wi-Fi 네트워크는 ISM 2.4GHz 대역에서 동작한다. Wi-Fi는 더 많은 채널과 더 높은 데이터 전송률이 가능한 5GHz 대역에서도 동작할 수 있다. 그러나 건물 내에서 5GHz 무선 범위는 2.4GHz에 비해 짧기 때문에 5GHz는 주로 우수한 Wi-Fi 커버리지를 보장하기위해 여러 개의 AP와 함께 엔터프라이즈 애플리케이션에 이용된다.

Wi-Fi 및 TCP/IP 소프트웨어는 상당히 크기가 크고 복잡하다. 강력한 마이크로프로세서(MPU)와 대용량 메모리를 가진 노트북이나 스마트폰에서 이것은 문제가 되지 않는다. 그러나 최근까지 온도조절기나 가전기기와 같은 작은 프로세싱 성능을 가진 기기에 Wi-Fi 커넥티비티를 추가하는 것은 가능하지 않았고, 게다가 경제적이지도 않았다. 최근 출시된 실리콘 장치와 모듈은 기기 내부에 Wi-Fi 소프트웨어와 TCP/IP 소프트웨어를 내장하고 있다. 이러한 새로운 장치들은 MPU로부터 대부분의 오버헤드를 제거해 최소형 MCU로 무선 인터넷 커넥티비티를 구현할 수 있다. 이와 같이 Wi-Fi 장치에서 통합 수준이 높아지면서 필요한 모든 무선 설계 경험도 제거되고 Wi-Fi 통합 장벽도 낮아지고 있다.

Wi-Fi 무선 기술은 높은 데이터 전송률(일부 경우 100MBps 이상)과 우수한 실내 커버리지를 달성하기 위해 상당히 많은 전력을 소모한다. 배터리로 동작하면서 자주 충전할 수 없는 일부 IoT 기기에서 Wi-Fi는 너무 많은 전력을 잡아 먹을 수 있다. Wi-Fi 무선의 피크 전류는 많이 낮출 수 없지만 새로운 실리콘 장치들은 첨단 슬립 프로토콜과 빠른 온/오프 시간으로 평균 전력 소비를 크게 낮추고 있다. 대부분의 IoT 제품들은 Wi-Fi가 제공하는 최대 데이터 전송률을 필요로 하지 않으므로 현명한 전력 관리 설계를 이용해 짧은 간격 동안 배터리로부터 전류 버스트를 효율적으로 소비하면 2개의 AA 알카라인 배터리로 1년 이상 제품을 인터넷에 연결할 수 있다. 최근에는 운동 데이터를 인터넷에 업로드하는 Wi-Fi 기반 스포츠 시계도 나와 있다.

대부분의 Wi-Fi AP는 최대 250개의 동시 연결 기기를 지원한다고 주장하고 있다. 엔터프라이즈 등급 AP는 더 많은 수의 연결을 지원할 수 있으며. 일부 인기 있는 소비자 AP는 50개 정도에 그친다.
요약하면 Wi-Fi는 오늘날 가장 유비쿼터스적인 무선인터넷 커넥티비티 기술이다. 높은 전력과 복잡성은 IoT개발자에게 주요 장벽이지만, 새로운 실리콘 장치와 모듈이 많은 장벽을 낮추고 있으며 Wi-Fi를 새롭게 등장하는 IoT 애플리케이션과 배터리 구동 장치에 통합할 수 있게 한다.

블루투스ⓡ
고대 스칸디나비아 왕의 이름을 딴 블루투스 기술은 1994년 에릭슨에 의해 전화와 컴퓨터 간 무선 통신을 위한 표준으로 개발되었다. 2.4GHz ISM 대역에서 동작하는 블루투스 링크 계층은 예전에 IEEE 802.15.1로 표준화되었지만 현재에는 IEEE 표준이 더 이상 유지되지 않으며 블루투스 표준이 블루투스 SIG(Bluetooth SIG)에 의해 관리되고 있다.

블루투스는 오늘날 엔트리 레벨을 포함해 모든 모바일폰에 탑재될 만큼 모바일폰에서 매우 성공적인 성과를 거두었다. 초기에 블루투스에서 인기를 모았던 주요 용도는 헤드셋과 자동차 키트에 장착된 핸즈프리 전화였다.

모바일폰이 더욱 많은 기능으로 무장함에 따라 풍부한 음량의 음악 스트리밍, 건강 및 피트니스 액세서리와 같은 데이터 구동에 이용되는 사례가 더욱 늘어나고 있다. 앞서 언급했듯이 블루투스는 오늘날 단거리 통신을 위한 케이블을 대체하는 수단으로 주로 이용되고 있는 PAN 기술이다. 최대 2MBps 데이터 처리속도를 지원하며, 규격에는 보다 복잡한 토폴로지가 포함되어 있지만 블루투스는 주로 포인트-포인트 또는 스타형 네트워크 토폴로지에 이용된다. 블루투스는 매우 저전력이어서 보통 소형 충전식 배터리나 2개의 알카라인 배터리면 된다.

블루투스 저에너지(일명 블루투스 스마트)는 블루투스 규격에 최근 추가되었다. 보다 낮은 데이터 처리속도를 위해 설계된 블루투스 저에너지는 블루투스 기기의 전력 소모를 크게 낮춰 코인 셀 배터리로 몇년 동안 동작할 수 있다. 새로운 세대의 스마트폰과 태블릿에 의해 지원되는 블루투스 로우 에너지는 블루투스 시장의 성장을 가속화하고 헬스 및 피트니스, 장난감, 자동차 및 산업 영역에 이르는 광범위한 분야의 새로운 애플리케이션에 적용할 수 있다. 블루투스 저에너지는 또한 비코닝(beaconing) 및 지오펜싱(geo-fencing) 애플리케이션과 같은 위치기반 서비스에 새로운 가능성을 열어주는 근접 기능을 도입했다.

블루투스‘클래식’표준은 스타형 네트워크에 연결된 최대 8개 기기를 동시에 지원할 수 있다. 블루투스 로우에너지 표준은 이러한 제한을 제거해 이론적으로는 무제한 수의 기기를 지원할 수 있지만, 실제적으로 동시에 연결할 수 있는 기기의 수는 10개에서 20개 사이이다.

블루투스 표준의 장점의 하나는 애플리케이션 프로파일을 포함하고 있다는 점이다. 이들 프로파일은 애플리케이션이 어떻게 정보를 서로 교환해 특정 과제를 달성하는지를 매우 자세히 정의하고 있다. 한 가지 예를 들면 AVRCP (Audio/Video Remote Control Profile)는 블루투스 원격 제어가 오디오 및 비디오 장치와 어떻게 인터페이싱하여 재생, 일시정지, 정지와 같은 명령을 중계하는지 정의한다. 블루투스 SIG에 의해 정의된 종합적인 인증 프로그램은 애플리케이션 프로파일뿐 아니라 전체 프로토콜 스택을 다루고 있어 블루투스가 시장에서 보다 용이하게 뛰어난 상호운용성을 달성할 수 있도록 한다.

그렇다면 블루투스는 IoT와 어떻게 관련될까? 블루투스는 10m 이내에서 무선 액세서리를 스마트폰이나 태블릿에 연결하고, 이들 기기는 인터넷 게이트웨이로 작동한다. 예를 들면 웨어러블 심박 측정기는 심장박동 데이터를 피트니스 클라우드 서버에 로깅하며, 휴대폰으로 제어되는 도어록은 그 상태를 보안 회사에 보고한다. 여기서는 두 가지 사례만 들었지만, 이러한 예는 블루투스 기술에 의해 구현할 수 있는 많은 IoT 애플리케이션의 일부일뿐이다.

ZigBeeⓡ
지그비(ZigBee) 기술은 벌들이 들판에서 일을 마치고 벌집에 돌아와서 그들이 발견한 먹이의 거리, 방향, 종류를 다른 벌들에게 알려주기 위해 추는 8자춤(Waggle Dance)에서 따온 흥미있는 이름을 가졌다. 이러한 비유는 지그비의 메시형 특성을 암시한다. 데이터는 대형 네트워크 전체에 걸쳐 여러 방향과 경로로 노드에서 노드로 호핑한다.
IEEE 802.15.4 링크 계층 표준을 기반으로 하는 지그비는 낮은 처리속도, 저전력, 저비용 기술이다. 지그비 규격은 868MHz 및 915MHz ISM 대역도 지원하고 있지만, 주로 2.4GHz ISM 대역에서 동작한다. 지그비는 최대 250KBps의 데이터 처리속도를 제공할 수 있지만 보통은 훨씬 낮은 데이터 전송속도에서 사용된다. 지그비는 매우긴 슬립 간격과 낮은 동작 듀티 사이클을 유지할 수 있어 코인 셀 배터리로 몇 년 동안 사용할 수 있다. 시중에 출시된 새로운 지그비 기기 중에는 에너지 하베스팅 기술을 탑재해 더 낮은 배터리 동작도 가능한 기기도 있다.

지그비 표준은 지그비 얼라이언스에 의해 관리된다. 이 조직은 장치 간 상호운용을 보장하는 인증 프로그램을 시행하여 제품에 ZigBee Certified 로고를 부착할 수 있게 한다. 지그비 표준은 802.15.4 링크 계층 위에서 더높은 네트워킹 계층을 정의하며, 다양한 애플리케이션 프로파일이 제공돼 전체 시스템의 상호운용을 구현할 수 있다. 지그비는 다양한 애플리케이션에 사용할 수 있지만 스마트 에너지, 홈 자동화, 조명 제어 애플리케이션에서 가장 큰 인기와 성공을 얻고 있다. 이들 애플리케이션에는 각각 특정 지그비 프로파일과 인증이 제공된다. 지그비 표준이 이들 애플리케이션 분야에서 많은 성과를 거두고 있는 또 다른 이유는 메시형 네트워크 토폴로지가 최대 수천 노드를 포함할 수 있다는 점을 들 수 있다.
지그비 표준이 IP 규격을 가지고 있지만, 이 규격은 인기 있는 스마트 에너지, 홈 자동화, 조명 링크 프로파일과 별도로 취급되고 있어서 업계에서 많은 주목을 받지 못했다. 지그비 네트워크는 IoT에 연결하려면 애플리케이션 레벨의 게이트웨이를 필요로 한다. 게이트웨이는 지그비 네트워크에 노드의 하나로 참여하며, 동시에 TCP/IP 스택과 애플리케이션을 이더넷 또는 Wi-Fi 상에서 실행해 지그비 네트워크를 인터넷에 연결한다.

6LoWPAN
6LoWPAN은 IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks의 약자이다. 6LoWPAN의 약속은 IP를 최소형, 최저전력, 최저 프로세싱 성능 장치에 적용할 수 있게 하는 것이다. 6LoWPAN은 실제로 IoT를 위해 작성된 최초 무선 커넥티비티 표준이다.

6LoWPAN 약자 내에 있는 PAN이라는 용어는 혼란을 줄 수 있는데, 6LoWPAN은 통상 LAN을 구성하는 데 사용된다.
이 표준은 IETF의 6LoWPAN 워킹그룹에 의해 작성 되었으며, 2011년 9월에 RFC 6282‘ IEEE 802.15.4 기반 네트워크에서의 IPv6 데이터그램 압축 기법’하에서 공식화되었다. RFC라는 제목에서 암시하듯 6LoWPAN 표준은 802.15.4 링크 계층과 TCP/IP 스택 간 효율적인 적응 계층만을 정의한다.

6LoWPAN은 업계에서 802.15.4 링크 계층, IETF IP 헤더 압축 계층, TCP/IP 스택을 포함하는 전체 프로토콜 스택을 가리키는 용어로 막연하게 사용된다. 그러나유감스럽게도 전체 프로토콜 스택에 확립된 업계 표준은 아직 없으며, 6LoWPAN 솔루션에 대한 인증 프로그램을 시행하는 표준화 단체도 없다. 802.15.4 링크 계층은 여러 가지 옵션 모드를 가지고 있기 때문에 다양한 업체들이 로컬 네트워크 레벨에서 서로 호환되지 않는 솔루션을 구현하면서 여전히 그것을 모두‘6LoWPAN 네트워크’라고 부를 수 있다. 좋은 소식은 다양한 네트워크에서 실행되는 6LoWPAN 장치들이 동일한 인터넷 애플리케이션 프로토콜을 사용한다면 인터넷에서 서로 통신을 할 수 있다는 것이다. 또한 6LoWPAN 장치는 인터넷에서 Wi-Fi 및 이더넷 장비를 포함해 다른 모든 IP 기반 서버나 기기들과 통신할 수 있다.
IPv6은 보다 큰 어드레싱 공간과 대형 네트워크를 지원하고 네트워크 자동 구성에 대한 지원을 내장하고 있기 때문에 6LoWPAN에서 (IPv4를 제외하면) 유일하게 지원되는 IP이다.

6LoWPAN 네트워크가 인터넷에 액세스하려면 이더넷 또는 Wi-Fi 게이트웨이가 필요하다. Wi-Fi와 마찬가지로 게이트웨이는 IP 계층 게이트웨이이며 애플리케이션 계층 게이트웨이가 아니므로 6LoWPAN 노드와 애플리케이션에서 인터넷에 직접 액세스할 수 있다. 오늘날 배치된 인터넷은 대부분 여전히 IPv4를 사용하고 있기 때문에 6LoWPAN 게이트웨이는 통상 IPv6-to-IPv4변환 프로토콜을 포함하고 있다.
6LoWPAN은 시중에 상당히 생소한 표준이다. 초기배치는 2.4GHz와 868-MHz/915MHz ISM 대역을 모두 사용한다. 메시형 네트워크 토폴로지, 대형 네트워크 크기, 신뢰할 수 있는 통신, 저전력 소모라는 802.15.4의 장점과 IP 통신의 장점을 바탕으로 구현하는 6LoWPAN은 인터넷 연결 센서 및 기타 낮은 데이터 처리속도와 배터리 구동 애플리케이션 시장의 폭발적인 성장을 주도하기에 좋은 입장에 있다.

무선 트랜시버와 고유 프로토콜

Sub-1 GHz
오늘날 많은 산업용 애플리케이션은 무선 트랜시버에서 실행하는 고유의 독자적인 프로토콜을 사용한다. 무선 트랜시버는 네트워크의 링크 계층(또는 종종 물리적 계층만)을 제공한다. 나머지 네트워크 프로토콜은 OEM에 의해 구현된다. 이러한 방식으로 설계되는 시스템은 시스템 설계자에게 보다 큰 유연성을 제공하지만 상호 운용성이 희생될 수 있고 개발 노력이 요구된다.
이러한 고유의 무선 시스템은 주로 낮은 ISM 주파수 대역인 433MHz, 868MHz, 915MHz를 사용하므로 흔히 Sub-1 GHz 솔루션이라고 부른다. Sub-1 GHz 솔루션은 종종 고전력을 송신하기 때문에 간단한 포인트-포인트 또는 스타형 토폴로지로 25km 이상 도달할 수 있다. 많은 유틸리티 공급사들은 독자적인 NAN을 제작해 미터 사용량을 지역의 수집 지점에 중계한다. Sub-1 GHz 무선을 이용하는 다른 인기를 모으고 있는 애플리케이션으로는 보안 시스템과 산업 제어 및 모니터링이 있다.

Sub-1 GHz 시스템은 IoT에 연결하려면 애플리케이션 계층 인터넷 게이트웨이가 필요하다. 많은 경우 이것은 간단히 TCP/IP 스택을 실행하는 개인용 컴퓨터이면 된다.

무선만 있는 것은 아니다
무선 커넥티비티 시장은 IoT로 인해 급속하게 성장하고 있지만, 그럼에도 많은 IoT 애플리케이션들이 유선으로 인터넷에 연결되어 있다. 몇 가지만 예를 든다면 이더넷 커넥티비티, 전력선 통신(PLC) 및 필드 버스(Fieldbus)같은 산업 통신 표준이 있지만, 이에 대한 논의는 본 글의 범위를 벗어난다.

요약
세계에는 많은 무선 기술이 있으며, 각각의 기술은 장점을 가지고 있지만 완벽한 것은 없다. 필요한 질문은 “어느 기술이 나의 애플리케이션에 가장 적합한가?”이다. 이 글이 IoT를 위한 주요 무선 기술에 대해 강점과 약점을 포함해 그 이해를 높이는 데 도움이 되었기를 바란다. 그림 5는 커넥티비티 기술과 범위, 처리속도, 전원, 네트워크 토폴로지를 대응시킨 것이다. 이들 데이터 포인트는 그림에서 보듯이 중첩되는 많은 영역이 있기 때문에 결정 과정의 일부일 뿐이다.

이 글의 범위를 벗어난 또 다른 고려사항으로는 비용과 통합의 용이성, 그리고 보안이 있다. 무선 커넥티비티를 사용하면서 전체 솔루션 비용과 통합의 용이성을 크게 향상시킨 많은 신제품들이 출시되고 있다. 비용과 통합 노력은 특정 애플리케이션과 관련해 추가적으로 고려해야 한다. IoT 애플리케이션의 보안 측면은 추가적인 하드웨어 및 소프트웨어 고려사항뿐 아니라 각 프로토콜의 지원되는 기능을 포함하는데, 이는 별도의 글로 다루는 것이 적합할 것이다.

<반도체네트워크 9월>