사물인터넷의 이해 10주차

Wifi

- 사무실처럼 특정 공간에 위치한 디바이스에 대한 고품질 무선통신 네트워크 구성 기술이다.

- AP, 핫스팟을 통해 인터넷 접속

- 고성능 무선통신을 가능하게 하는 무선랜 기술

- ISM용 대역으로 지정된 2.4GHz와 5GHz 주파수 이용

주요 기술 내용

- 우리나라는 2.4GHz 대역에 83MHz 주파수 대역 할당

- 같은 채널에 여러 대 wifi 기기 사용 또는 wifi기기들이 인접한 채널 이용 시 서로 다른 기기 간 통신 시 간섭 발생

-> 이를 해결하기위해 1, 6, 13 체널 또는 1, 5, 9, 13 체널처럼 서로 중첩되지 않는 채널 이용 권장

-> 이용자가 많아 간섭이 많기 때문에 비중첩 채널이 20개 이상인 5GHz대역 이용 증가

5GHz는 전파 도달 범위가 좁지만 대역폭이 넓다. 직진성이 강해 방해물 많은 공간에서 속도가 저하된다. 벽 하나로도 신호 세기가 약해져 2.4GHz보다 느려질 수 있다.

 

표준 이름 뒤 소문자 알파벳으로 구분 -> 무선망 표준 자체는 802.11 하나 밖에 없기 때문

-> 2012년 이후 모든 표준은 aa부터 두글자 이름 사용, 몇 가지 표준 앞에 붙는 a는 advanced라는 의미 부여

 

Bluetooth

- 10m 안팎의 초단거리에서 데이터나 음성, 영상 등 저전력 무선연결에 사용하는 무선기술

-> Bluetooth SIG에서 개발한 무선 기술 표준이다.

주요 기술 내용

- 인접 주파수 사용 다른 시스템과의 간섭 방지를 위해 2,400MHz 이후 2MHz 2,483.5MHz 이전 3.5MHz 까지 범위를 제외한 2,402~2,480MHz 대역에서 총 79개 채널 할당

- 시스템 간 전파 간섭 방지를 위해 주파수 호핑 사용

-> 주파수 호핑 : 다수 체널을 특정 패턴에 따라 빠르게 이동시키며 패킷(데이터) 전송

- 채널 79개 1초당 1,600번 호핑

발전 과정

- 초창기 최대 1Mbps로 대용량 데이터 전송에 부적합 -> 2.0(2.1Mbps) -> 3.0(24Mbps) -> 4.0(저전력의 등장)

 

RFID : 전자태그, 스마트 태그, 전자 라벨 및 무선식별 등으로도 지칭

- 에너지 보유와 이용방법 에 따라 수동형, 반능동형, 능동형으로 구분

- 반능동형 : 데이터 전송이 자체 베터리 이용하여 데이터 전송 거리를 늘릴 수 있다.

- 능동형 : 베터리가 내장되어 있어 센서를 통한 센싱이 가능, 데이터 수신 요청없이 능동적인 데이터 보내기 가능

(주파수를 이용하여 응용분야 분리)

동작

1. RFID태그에 목적에 맞는 정보 입력 및 대상 부착

2. 리더기(안테나)를 통하여 태그를 읽음(무선 신호 송출)

3. 태그는 신호에 반응해 지정 데이터 송출

4. 리더기(안테나)는 수신데이털을 디지털 신호로 변조하여 전달

5. 리더가 데이터 해독하여 호스트 컴퓨터로 전달

 

NFC(Near Field Communication)

- 13.56MHz 대역 RFID 기술을 발전시킨 비접속식 양방향 근접 통신 기술

- 가격이 저렴

- 스마트폰에 탑재되어 대중화

- 별도 준비 없이 10cm 내 근접거리 통신ㄱ이 가능 보안이 우수

- 데이터 읽기, 쓰기 모두 가능

동작모드

1. 피어 투 피어 모드(Peer-to-Peer) : 상호 데이터 송수신

2. 리더/라이터 모드(Reader/Writer) : RFID 태그 인식을 위한 리더

3. 카드 애뮬레이션 모드(Card Emulation) : 기존 RFID 카드처럼 동작

 

ZigBee

- 소형, 저전력, 저비용 근거리 통신 IEEE 802.15.4 기반 구성

계층 구조

1. 물리 계층 : 1계층, 데이터가 통신 매체와 조화할 수 있는 신호로 변환 기능 수행

2. 매체 접속 : 2계층으로 LAN환경에서 물리적 전송선로 특징과 매체 간 연결방식에 따른 제어 기능 수행

3. 네트워크 : 3계층, 경로 찾는 역할

4. 응용 계층 : 최상위 계층, 사용자에게 편리한 응용 환경 제공

주요 장치

1. 단말장치 : 각종 센서에 연결하여 데이터 전송

2. 코디네이터 장치 : 정보 수집 및 장치 제어

3. 라우터 장치 : 여러 장치 간 데이터 전달

네트워크 구조

1. 스타 구조

2. 클라스터 구조

3. 메시 구조

기술 특성

- 버튼 하나로 집안 어디서든 조명 및 홈 보안 시스템 제어 가능

- 데이터 전송 속도 20~250Kbps

 

Z-Wave

주요 기술

- 혼잡한 2.4GHz 주파수 기반 통신기술에 비해 간섭이 적음

- 9,600bps~100Kbps의 전송속도 제공

- 투과성이 좋아 벽너머도 전송 잘됨

활용 분야

- 스마트홈

- 스마트공장

 

근거리 무선통신 기술

6LoWPAN(IPv6 over Low power WPAN)

IPv4 : 32bit 체계 (공인IP 수요 감당 불가)

IPv6 : 128bit 체계, 한 패킷 크기 1,280byte, 헤더 크기 최소 40byte

사물인터넷 주요 링크 프로토콜 802.15.4 프레임 크기 127byte

-> byte크기 불일치 해결 및 기존 IPv6 프로토콜 수용을 위해 주소 압축, 헤더 압축 등 여러 기술 필요

- IPv6 주소구분은 2진수 형식으로 표시

- 128bit 주소는 다시 16bit단위로 나누어진다.

- 16bit 블록은 콜론(:)으로 구분한다.

 

UWB(Ultra WIde Band)

사용 주파수 대역 

- 나노 혹은 피코 초의 매우 좁은 펄스 사용

- GHz 폭의 넓은 주파수 대역을 사용하여 데이터 송수신

주요 기술 특성

- 매우 낮은 출력으로 간섭 최소화 -> 수백 Mbps 데이터 전송률 제공

- 낮은 송신 출력으로 서비스 반경 10m 이내

 

저전력 장거리 통신

TVWS(TV White space)

- TV 방송 주파수로 할당된 대역 중 방송국에서 사용하지 않는 빈 대역 중 일부 주파수 대역

활용 분야

WRAN, WLAN, WMAN, WPAN

 

Weightless

개요 및 기술 특성

- 오픈 표준 지향 white space 주파수 대역 사용 사물 간 통신 기술

- 저비용, 초저전력, 광역 통신, 신뢰성, 보안, 다수의 사물 단말 지원, 브로드 캐스팅, small data burst 등 지원 기술 포함

- BPSK, QPSK, 16-QAM 등 변조 기술 사용

Weightless 기반 네트워크 구성 요소 및 구성도

- 인터넷과 접속하기 위한 베이스 스테이션

- 인증, 과금, 유지 보수 등의 기능 수행 네트워크 관리 서버

- 사물의 위치 정보 데이터 저장 동기화 데이터베이스 등

 

기타 LPWAN 기술

- BLE, SUN, LoRa, LoRaWAN, LPWA, MTC

기술 특징

- LPWAN용 주파수로 비면허 주파수 대역 사용 또는 기존 이동통신 주파수 중 극히 일부를 사용하는 방법

사물인터넷은 특성 상 연결기기 수가 매우 많으므로 안정적인 데이터 교환으로 비용을 줄이는 통신망 구축이 매우 중요한 요소

 

SIGFOX개요

- UNB 기술 사용

- 원거리에 배터리 교체없이 몇 년 간 사용할 수 있는 저전력 기반의 사물인터넷 네트워크 서비스 제공

- 가장 넓은 커버리지와 파트너 보유

 

LoRaWAN 개요 및 기술 특징

- 매우 적은 전력으로 넓은 대역으로 데이터  분산을 통해 동시에 송신이 가능한 확산 스펙트럼 CDMA기술 활용

- UNB에 비해 전력 소모가 크지만 전파 간섭이 적고 통신 범위가 넓어 가시거리 환경에서는 최대 21km까지 통신 가능

- 많은 AP와 중계기가 필요 없어 구축비용 절감 가능

- 속도는 100kbps, UNB와 마찬가지로 비허가 대역 이용

 

NB-IoT(NarrowBand-IoT)

- 좁은 대역을 이용하여 150kbps 이하 데이터 전송 속도, 8km 이상의 장거리 서비스를 지원하는 협대역 사물인터넷 표준 기술

- 비면허 주파수를 사용하는 LoRa와 달리 LTE 전국망을 기반으로 커버리지가 넓고 안정적인 서비스 품질 제공

- 접속 기술은 무선 채널들이 상단부분 중첩되지만 직교성이 있어 서로 중첩되어도 방해 없이 정보 전송이 가능한 방식

 

LTE-MTC 개요 및 기술 특성

- LTE Cat.M1은 LTE-MTC로 3GPP가 표준화한 기술

- PSM 기능 추가

- 전국에 구축된 LTE망 사용하여 전국 서비스 가능

- 면허대역 주파수 사용으로 주파수 간접으로 인한 품질  저하 없음

- LTE-M 최대속도 10Mbps

 

5G 이동통신

- 4G 대비 10배~1000배 성능 향상이 예상되는 차세대 이동통신

- 초고속, 초저지연, 초연결 

 

이동통신 기술은 2세대~5세대까지 대략 10년 주기로 진화

3G는 무선인터넷, 4G는 데이터 및 영상 스트리밍 서비스 제공

5G는 사물인터넷, 인공지능, 자율주행 등 서비스 확산 및 폭발적인 트래픽 증가를 수용하기위해 등작

 

5G 시장 규모는 앞으로 계쏙 커질 것이다.'

5G 초기는 B2B영역의 다양한 신규 서비스 제공 형태로 시장이 전개될거라고 보인다.

 

4차 산업시대 5G는 초연결 사회를 구축하는 핵심 인프라 역할 담당

모든 산업 및 사회 시스템을 네트워크로 관리하는 시대가 도래할 것 이다.

 

5G는 산업 각 영역에서 새로운 가치 창출을 유발하는 중이다.

 

5G 등장에 따른 산업 변화

1. 제조 분야

2. 미디어, 엔터테이먼트 분야

3. 공공안전 분야

4. 에너지, 유틸리티 분야

5. 금융 분야

6. 자동차 분야

 

기존 주파수 대역 및 새로운 주파수 대역간 연동이 가능한 새로운 무선 접속기술 New RAT 적용 중

 

초연결사회의 미래 동향 분석

1. 모바일 통신 동향

2. 서비스 동향

3. 디바이스 동향

4. 네트워크 동향

 

5G 네트워크의 필요성

- 5G 네트워크 주요 요굿 ㅏ항

1. 1000배 대규모 디바이스 수용

2. 유무선 통한 All-IP 기반으로 4G 대비 1000배 트래픽 용량 증대

3. 언제 어디서나 개인당 Gbps급의 1000배 지연 없는 체감 속도 제공

4. 1000배 에너지 절감

 

5G 네트워크 구조 고려사항

1. Multi-RAT(Radio Access Technology) 접속기술 이용 대규모 집적과 밀집 소형 셀, 유무선 접속망 통합, 오픈 인터페이스의 가상화와 지능화된 네트워크 비전 보유

2. NFV/SDN(Network Function Virtualisation/Software Defined Network)구조에 기초 융통성 있는 모바일 네트워크

3. 다양한 무선망 통합을 위한 연결성과 신뢰성 제공 밀리미터파 기술과 두 개 이상의 기지국 혼용 이종 네트워크 HetNet에 기초한 무선 접속기술 활용으로 용량, 지연, 에너지 효율 증대 필요

 

5G 네트워크 구조

1. NFV와 SDN 기술을 바탕으로 디바이스와의 접속을 제공하는 접속 플레인

2. 각 통신망과의 연결과 전송을 제공하는 전달 플레인

3. 두 플레인을 통제하는 제어 플레인으로 구성

 

NFV : 네트워크 가상화 기술

-> 기존의 H/W 장비인 라우터, 방화벽을 S/W로 변환시켜 서버에 올려 사용하는 방식

SDN : 소프트웨어 정의 네트워크 기술

-> 스위치 같은 네트워크 장비의 제어 부분을 데이터 전송 부분과 분리하고 이들 간 오픈 API를 제공하여 S/W로 다양한 네트워크 경로 설정과 제어가 가능

 

5G 주요 기술 요소

1. 초고용량

2. 초실시간

3. 초연결

 

5G 네트워크 기술 특성

1. 다양한 무선접속망 네트워킹

2. 유연한 기능 전개

3. 주문형 슬라이싱

 

5G 네트워크 사물인터넷 서비스 구현 기반

1. 초반응성

2. 초연결성

3. 초현실성

4. 초저가성

5. 초에너지 절감

6. 초신뢰성

 

6G는 2030 상용화 예정

- 전송속도 4G대비 100배 5G대비 5배 목표

- 전 세계 어디서든 이용 가능

- 만물지능 인터넷 세대 진입 예상

 

전송속도 100Gbps 확보를 위해 THz 대역까지 이용 가능

 

적용 분야

- 무선인지, 센싱, 영상, 통신, 측위

 

6G 서비스

- 2000~2020 : 웹, 멀티미디어, 앱 축을 중심으로 전개

- 2020~2030 : eMBB(초광대역 이동통신), mMTC(대규모사물통신), Urllc(초고신뢰-저지연통신)축으로 서비스 전개

- 2030에는 뉴 미디어(ex) 홀로그램), 뉴 서비스, 뉴 인프라 로의 전개 예상

 

5G이후 새로운 세대에서 IP는 3개축 뉴 미디어, 뉴 서비스, 뉴 아키텍처로 구성