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무선 통신: RF와 셀룰러 비교 

Rob Faludi, IoT Consultant, Faludi.com / October 28, 2022 

IoT 시스템을 설계할 때 당신이 할 첫 번째 선택 중 하나는 그것이 어떻게 통신할 것인가 입니다. 일부 프로젝트는 이더넷 또는 시리얼 프로토콜을 사용하여 유선으로 통신을 할 수 있지만, 대부분의 프로젝트에는 무선 통신과 함께 제공되는 이동성과 민첩성이 필요합니다. 

IoT 장치는 전원 또는 통신용 케이블 설치가 실용적이지 않은 장소에 있거나 완전히 이동식인 경우가 많기 때문에 유선 통신 솔루션이 문제가 될 수 있습니다. 이러한 경우 무선 통신 프로토콜을 선택하여 합니다. 귀하의 프로젝트에 적합한 무선 통신 솔루션은 무엇입니까? 

이 글에서는 셀룰러 통신을 RF 통신(무선 주파수 프로토콜)과 비교하여 최상의 선택을 하는 데 도움이 되는 주요 고려 사항을 검토합니다. 이 글에서는 Digi XBee 모듈에 초점을 맞추어 예를 들었지만 프로젝트에서 구현하는 무선 통신 제품의 제조사와 모델에 관계없이 고려되어야 할 사항은 동일합니다. 

XBEE 에코시스템과 셀룰러 모뎀 보러가기 

셀룰러의 경우 LTE Cat 1, LTE-M 및 NB-IoT를 포함하여 Digi XBee 셀룰러 제품군에서 지원하는 저대역폭 프로토콜을 살펴보겠습니다. 더불어 Digi는 앞의 XBee 셀룰러 제품군 이외에도 다양한 무선 주파수 솔루션을 제공합니다. 이를 "RF" 제품군의 Digi XBee 모듈이라고 합니다. 여기에는 'XBee3 Zigbee', 'XBee3 DigiMesh' 및 'XBee3 802.15.4', 'XBee-PRO Zigbee', 'XBee-PRO DigiMesh', 'XBee SX 900', 'XBee 868MHz' 및 'XBEE-PRO 900HP'가 포함됩니다. 

Digi XBee 에코시스템의 다양한 모듈 기능을 비교하려면 XBee 구매 가이드를 참조하십시오. 

RF vs 셀룰러 무선 통신 비교 

모든 IoT 시스템을 위한 최고의 무선 통신 솔루션은 항상 상황에 따라 다릅니다. 어떤 프로젝트는 셀룰러 통신이 가장 적합하지만 어떤 프로젝트에서는 셀룰러의 전력 요구 사항과 비용이 엄청나게 높을 수 있으며 Digi XBee3 Zigbee와 같은 단거리 RF 솔루션이 이상적인 매치업이 될 수도 있습니다. 다양한 IoT 프로토콜이 있는 이유는 각기 고유한 요구 사항이 있는 다양한 유형의 프로젝트가 있기 때문입니다. 이를 염두에 두고 각 솔루션 유형에 대한 고려 사항을 살펴보겠습니다. 

셀룰러 통신의 장단점 

모든 무선 통신 옵션과 마찬가지로 셀룰러 통신의 경우 비용 및 복잡성부터 솔루션 설계 및 구축에 필요한 시간, 최종 사용자의 궁극적으로 장치를 관리하는 방법에 이르기까지 여러가지 고려해야 할 사항이 있습니다. 예를 들어 ‘제품의 펌웨어가 보안 또는 기능 등에 대하여 정기적으로 업데이트가 필요한가’, ‘무선 통신 장치가 온라인 상태이며 제대로 작동하는지 실시간 확인이 필요한가’와 같은 사항들이 고려되어야 합니다. 

또한 셀룰러 솔루션에는 외부 인프라가 필요합니다. 두 개의 셀룰러 모듈은 서로 직접 통신하지 않습니다. 그들은 광대한 통신 타워와 상당한 기술 인프라를 사용하는 무선 통신 사업자(한국 기준 SKT, KT, LGU+ 등, 이하 이동통신사)의 통신망을 통해 연결해야 합니다. 셀룰러 통신은 이러한 이유로 거의 항상 이동통신사의 유료 데이터 요금제가 필요합니다. 저대역폭 IoT 장치에 대한 비용 절감 계획이 있더라도 통신 요금이 포함된 총 요금 자체가 상당할 수 있으며 일부 대형 프로젝트의 경우 엄두도 내지 못할 정도입니다. 

셀룰러 통신의 장점 

셀룰러 통신 장치은 범위 내의 모든 이동통신사의 네트워크와 직접 통신하고 해당 연결을 사용하여 일반적으로 온라인 클라우드와 직접 통신합니다. 무선 통신 방법으로 셀룰러를 선택하는 주요 이점은 다른 장비가 필요하지 않다는 것입니다. 모듈/모뎀과 같은 통신 장치와 안테나만 있으면 됩니다. 

그렇기 때문에 셀룰러 솔루션은 매우 이동성이 뛰어납니다. 그들의 통신은 이동통신사의 네트워크를 사용하여 고속으로 전달될 수 있기 때문입니다. 제대로 된 통신 장치 및 데이터 요금제를 사용하면 IoT 장치가 통신에 대한 끊김이 없이 전 세계적으로 원활하게 데이터를 이동 시킬 수 있습니다. 다만 모든 통신 제품이 이동통신사의 통신 범위 내에 있어야 합니다. 이동통신사가 해당 지역을 커버하지 않는 경우 해당 지역에서는 셀룰러 통신이 불가능합니다. 

셀룰러 데이터는 IP 네이티브입니다. 즉, 실시간 연결이 가능한 통신 장치는 인터넷과 직접 통신할 수 있다는 의미입니다. 이는 개발 작업을 줄이고 IoT 네트워크 아키텍처를 단순화합니다. 또한 펌웨어를 클라우드에서 장치로 직접 전달할 수 있으므로 무선 업데이트가 비교적 간단해 버그 수정 및 개선 경로가 쉬워집니다. 

관련하여 Digi는 OEM과 최종 고객의 다양하고 중요한 작업에 쉽게 대응할 수 있도록 Digi Remote Manager(이하 Digi RM)를 제공합니다. Digi RM은 Digi의 클라우드 기반 장치 및 통신 관리 플랫폼으로, 현장에 설치된 장비의 자동 펌웨어 업데이트, 보안 위반을 감지하기 위한 구성 및 설정 모니터링, 장비 및 장치의 상태 모니터링, 지정된 조건에 대한 경보 및 알림 등과 같은 전체 관리 기능 세트를 제공합니다. 그리고 Digi RM은 보안 VPN 터널을 통해 Digi 브랜드의 제품이 아니더라도 시리얼 장치를 포함하여 대부분의 IoT 장치의 제품군을 관리할 수 있는 기능을 제공합니다. 

셀룰러 통신의 단점 

셀룰러 통신의 단점 중 하나는 이동통신사에서 요구하는 업데이트를 따라잡기 위해 셀룰러 시스템을 정기적으로 업그레이드해야 하며 때로는 기본 하드웨어를 교체해야 하는 상황이 발생한다는 것입니다. 

또한 셀룰러 통신은 멀리 떨어져 있는 통신 타워와 통신하기 위해 많은 전류가 필요하기 때문에 상대적으로 전력 수요가 높습니다. 새로운 IoT 셀룰러 프로토콜은 감소된 전류 소비와 일부 절전 모드를 제공하지만 여전히 RF 통신 모듈보다 훨씬 빠르게 배터리를 소모합니다. 이것은 다양한 환경에서 배터리로 동작하는 IoT 장치들에게는 고려되어야 할 사항입니다. 

셀룰러 하드웨어는 상당히 복잡하기 때문에 일반적으로 비용이 더 많이 발생하며 물리적으로 다소 더 큽니다. 특히 다양한 셀룰러 대역을 모두 수용하려면 더 큰 안테나를 고려하여야 할 수도 있습니다. 

일반 RF 통신의 장단점 

여기에서 다룰 RF 통신 솔루션은 셀룰러 통신과 다른 기능을 가지고 있습니다. 그들은 서로 직접 통신할 수 있으며 메쉬 프로토콜을 사용한다면 다른 중간 모듈을 통해 데이터를 중계할 수도 있습니다. 네트워크가 로컬 영역을 넘어 다른 지역으로 데이터를 보내야 하는 경우 일반적으로 인터넷을 통해 데이터를 변환하고 다른 곳으로 전달하는 Digi IX15 IoT 게이트웨이와 같은 게이트웨이 장치가 필요합니다. RF 게이트웨이는 일반적으로 많이 사용되지만 확실히 선택 사항이며 모든 솔루션에서 이를 사용하는 것은 아닙니다. 

이 글에서는 이러한 내용을 다루지 않지만 Digi는 뛰어난 LoRaWAN, Wi-Fi 및 Bluetooth 솔루션도 제공합니다. 

RF 통신 시스템은 이동통신사의 네트워크를 이용하지 않기 때문에 월별 요금 없이 데이터 전송을 할 수 있습니다. 이것은 셀룰러 통신보다는 기술적으로 다양하게 구현하는데 제약이 많지만 훨씬 비용 효율적인 IoT 솔루션을 구현하여 차별화를 만들 수 있습니다. 

RF 네트워크는 셀룰러 솔루션과는 달리 제 3자, 즉 이동통신사의 통신 범위와 상관없이 자체적으로 네트워크를 구성하기 때문에 대부분의 곳에서 로컬 네트워크를 구축할 수 있습니다. 다만 무선 데이터를 관리할 수 있도록 로컬 서버 등과 같이 지정된 영역이 필요합니다. 

RF 솔루션을 사용하면 어떤 공급자와도 독립적인 자체 커버리지를 제공할 수 있습니다. 또한 네트워크 엣지에서 필요한 위치로 정보를 이동하려면 자체 데이터 관리를 제공해야 합니다. 대부분의 경우 이를 위해서는 로컬 RF 네트워크에서 들어오는 데이터를 집계하여 인터넷으로 전달하는 일종의 게이트웨이 장치가 필요합니다. 게이트웨이는 또한 인터넷 데이터를 수락하고 RF 네트워크로 전달할 수 있습니다. 

802.15.4와 같은 지점간(Point-to-Point) 프로토콜에서 모든 통신 장치는 게이트웨이 범위 내에 있어야 합니다. 그러나 Zigbee 및 DigiMesh와 같은 메시 프로토콜을 사용하면 데이터가 게이트웨이로 가는 도중 중간 모듈을 통해 자동으로 "호핑"되므로 네트워크가 게이트웨이 자체의 범위보다 훨씬 더 커질 수 있습니다. RF 솔루션은 독립적이기 때문에 다른 네트워크의 일정에 따라 업그레이드할 필요가 없습니다. 일단 시스템이 작동하면 이론적으로 수십 년 동안 변경 없이 작동할 수 있으므로 비용을 낮게 유지하는 데 도움이 됩니다. 

RF 모듈은 일반적으로 IP 이외의 각각의 프로토콜을 사용하여 통신합니다. 이것은 실수나 누락이 아니라 TCP/IP가 IoT 솔루션을 염두에 두고 설계되지 않았기 때문에 종종 절전 모드 및 오프라인 상태인 저전력, 저대역폭 장치에 대한 주요 기술적 문제가 발생하기 때문입니다. 향후 발전될 프로토콜은 결국 이를 변경해야 하겠지만, 802.15.4, Zigbee 및 DigiMesh와 같이 현재 널리 사용되고 있는 프로토콜을 만약 인터넷에 연결해야 하는 경우 게이트웨이가 필요합니다. 

Digi에서 제공하는 것과 같은 고급 게이트웨이는 무선 펌웨어 배포를 지원하지만 다른 브랜드는 이것을 지원하지 않을 수 있습니다. 또한 무료로 제공되고 있는 Digi XCTU는 XBee RF 모듈의 로컬 구성 및 관리를 가능하게 합니다. 

RF 통신의 장점 

이 글에서 이미 셀룰러 요금제 절약과 관련하여 RF 통신의 큰 장점을 다루었습니다. IoT 장치는 전체 시스템의 비용 효율성을 보장하기 위해 매우 저렴해야 하는 경우가 많습니다. 여기에서 RF 솔루션이 실제로 빛을 발할 수 있습니다. 

다음은 총 소유 비용에 영향을 미치는 RF 통신 장치의 몇 가지 추가 주요 이점입니다. 

> RF 통신의 프로토콜과 하드웨어는 기본적으로 전력소모 및 절전에 대해 엄격하게 최적화되도록 개발되었습니다.
> 평소에도 아주 적은 양의 전류를 사용하고 오랜 시간 동안 사용하지 않을 때 절전 모드를 사용할 수 있기 때문에 배터리를 교체하지 않고 몇 달 또는 몇 년 동안 사용할 수 있습니다.
> 장치 자체가 더 단순하므로 물리적으로 더 작고 더 저렴할 수 있습니다.
> 안테나 또한 일반적으로 단일 주파수 대역만 지원하면 되므로 크기 및 비용이 더 경제적입니다. 

무선 통신 응용 분야: RF 및 셀룰러 옵션 

IoT 사용 사례에서 무선 통신의 몇 가지 다른 응용 사례를 살펴보고 이러한 선택이 실제 상황에서 어떻게 적용되는지 살펴보겠습니다. 이러한 무선 통신 예제는 다양한 유형의 어플리케이션과 개발자 팀을 위한 몇 가지 고려 사항을 보여줍니다. 

골프 코스용 로봇 잔디 깎기 모니터링 및 제어 

잔디 깎는 기계는 움직이기 때문에 즉각적인 이동성을 확보하기 위해서 셀룰러 통신이 고려됩니다. 잔디 깎는 기계는 충분한 전력을 필요로 하며 상당히 크고 비싸기 때문에 Digi XBee 셀룰러 모뎀을 사용하기 덜 부담스러운 것이 사실입니다. 또한 IP 프로토콜로 장치에 대한 직접적인 엑세스를 통하여 지원 시스템 아키텍처 개발을 더 간단하게 만듭니다. Digi XBee SX와 같은 장거리 RF 통신 모듈도 작업을 수행할 수 있지만 코스가 크거나 숲이 많거나 언덕이 많은 경우 여러 게이트웨이와 리피터가 필요할 수 있으므로 잠재적으로 시스템의 경제성과 견고성이 떨어질 수 있습니다. 

이 곳에서 Renu Robotics의 고객 사례를 읽고 태양광 발전 로봇에 어떤 무선 통신 방법을 선택하였는지 확인할 수 있습니다. 

건물 기계실의 누수 모니터링 

기계실은 대부분 실내 위치하며 때때로 지하에 위치하기 때문에 셀룰러 통신이 어려울 수 있습니다. 누출이 발생하는 장소에 관계없이 센서가 이를 감지할 수 있도록 하려면 여러 개의 센서를 설치하여야 합니다. 또한 센서 수가 많기 때문에 비용을 유지관리에 비용을 최소화하여야 합니다. 모든 장치가 게이트웨이의 무선 범위 내에 있을 정도로 공간이 넓지 않다면, 마이크로 타입의 Digi XBee3 802.15.4 모듈과 같은 포인트 투 포인트(Point-to-Point) 솔루션이 적합합니다. 이 통신 방법은 비용이 저렴하고 사용이 간편합니다. 

이 곳에서 Enolgas 수질 보안 시스템에 대한 고객 사례를 확인하고 스마트 홈 누수 감지 솔루션을 위해 어떤 무선 통신 방법을 선택하였는지 확인할 수 있습니다. 

시립 가로등(스마트 시티) 

도시의 가로등 간에 거리는 일반적으로 약 100피트(약 30m) 떨어져 있으며 도시에는 수만 개의 가로등이 있을 수 있습니다. 또한 도시의 모든 것은 비용에 민감할 것이므로 가로등에 대한 모니터링 및 제어 시스템은 빠듯한 예산으로 작동해야 합니다. 

여기에서 Digi XBee3 Zigbee와 같은 솔루션은 데이터가 목적지에 도달할 때까지 하나의 가로등에서 다음 가로등으로 데이터를 전달하는 메시 네트워크를 만들 수 있습니다. 그 중 특정 가로등에 인터넷이나 해당 도시의 사설 IP 네트워크를 통하여 제어 및 상태 메시지를 전달할 수 있도록 하나씩 게이트웨이를 배치할 수 있습니다. 가로등에는 충분한 전력이 있으므로 모두 Zigbee 라우터 노드가 될 수 있습니다. 즉, 이 통신 방법으로 장치에 오류가 발생하면 무선 네트워크가 오류가 발생한 지점을 쉽게 우회하여 저렴하고 강력한 솔루션을 만들 수 있습니다. 

스마트 시티 조명 솔루션을 위해 무선 통신 방법을 선택한 방법을 보려면 이 곳에서 Sicom Electronics의 고객의 사용 사례를 확인해보세요. 

체육관용 운동 머신 모니터링 

사용자 확인, 운동 기록 및 유지 관리 모니터링은 필요할 때 장비가 작동하는지 확인하면서 회원에게 부가 가치를 제공합니다. 운동 기구는 일반적으로 서로 매우 가깝고 실내에 있기 때문에 이것은 또 위 스마트 시티와는 또 다른 메시 네트워킹의 조건입니다. 웨이트 머신에는 일반적으로 A/C 전원이 제공되지 않으므로 통신 장치 및 무선 모듈은 배터리를 최대한 절약하여야 합니다. 

셀룰러 통신은 기술적으로 효과가 있을 수 있지만 소모 전력이 높기 때문에 빈번한 배터리 교체를 요구할 수 있으며 일반적으로 이동통신망을 사용하기 때문에 셀룰러 통신 비용이 발생하여 경제적이지 않을 수 있습니다. Digi XBee3 DigiMesh와 같은 절전 솔루션이 여기에서 빛을 발할 것입니다. 유지보수 비용은 낮고 DigiMesh가 제공하는 절전 기능은 전원 케이블의 공급이 없고 하나의 게이트웨이만 있는 환경에서 자가 치유 네트워크를 유지하면서 배터리가 수개월 동안 지속되도록 도울 수 있습니다. 

가정용 혈압 측정기 

집에서 혈압을 측정하기 위해 병원에서 제공하는 시스템은 Zigbee 또는 가정용 자동화에 널리 사용되는 프로토콜인 Wi-Fi 프로젝트처럼 보일 수 있습니다. 그러나 일련의 과정을 고려하면 상황이 더 복잡할 수도 있습니다. 노약자나 건강이 좋지 않은 환자는 홈 네트워크에 새 장치를 연결하는 것이 쉽지 않거나 혹은 아예 연결하지 못할 수도 있습니다. 별도의 설정이 필요 없이 어디에서나 통신하는 솔루션이 이상적일 수 있습니다. 

그렇다면 여기서 셀룰러 통신을 생각해 볼 수 있습니다. 셀룰러 통신의 다소 높은 비용에 대한 부담은 장치의 추가 현장 설정이 필요 없다는 이점과 완벽한 이동성의 이점으로 상쇄될 것입니다. 혈압은 일반적으로 짧은 시간 안에 자주 측정 되지 않으므로 셀룰러 통신의 높은 전력 소비는 문제가 되지 않습니다. 일일 측정 외에는 일반적으로 장치가 꺼집니다. 마지막으로, 가정용 모니터링을 사용하므로 비싼 병원 입원 비용을 줄여주기 때문에 셀룰러에 대한 추가 비용 및 사용 요금은 비교적 부담스럽지 않을 것입니다. 이것은 IoT 통신 솔루션을 선택할 때 사용 환경이 실제로 얼마나 중요한지를 보여주는 좋은 예입니다. 

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