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초연결사회를 의한 IoT 핵심, 통신 기술 1탄 Outdoor Wi-Fi기반의 IoT 통신 기술의 이해 기고자 오민석 현재 전세계적으로 Digital Shift가 빠르게 진행되고 있으며 이러한 변화를 주도하는 기술은 세가지 축으로 발전하고 있다. 세가지 기술의 축은 첫째, IoT 기반의 초연결 기술 둘째, 빅데이터와 인공지능 기반의 초지능 기술 셋째, AR 및 VR등의 가상 기술 기반의 초몰입기술이다. 이 중 첫번째의 초연결기술은 기존 인간 환경을 자동화 및 최적화하고 실시간 모니터링 통한 다양한 융합 서비스를 제공 함으로써 가장 직접적으로 변화를 일으키고 있으며, 이 후 기술의 기반이 되는 빅데이터를 생산하는 미래의 디지털 자원(빅데이터) 의 핵심 기술이라 할 수 있겠다. IEEE802.11ah은 2016년 9월 승인을 거쳐 2017년 5월 공표된 통신 표준이다.[5] 이 후 Wi-Fi Alliance는 IEEE802.11ah을 채용한 제품의 명칭인 Wi-Fi HaLow를 발표했다. IEEE802.11표준는 기존에는 한번도 속도가 더 느려진 표준을 발표한 적이 없으나, IEEE802.11ah는 1Ghz 미만의 주파수 대역과 저전력, 비간섭, 확장된 커버리지 등의 특징을 속도와 Trade-Off 하였다. 이는 IEEE802.11ah가 기존의 802.11(WLAN)과는 다른 목표를 가지고 있음을 암시한다. IEEE802.11ah는 1GHz 미만 주파수 대역(일반적으로 900MHz 대역)의 TV 대역을 제외한 비허가(license-exempt) 네트워크 운영을 정의한다. 미국의 경우 908~928MHz가 여기에 포함되지만 세부 주파수는 국가마다 다르다. 또한 IEEE802.11ah는 저전력의 지원과 빈번한 Short Term Packet 통신의 오버헤드를 감소시키기 위해 무선통신 프로토콜을 최적화 하고 MAC SubLayer의 구조를 개선한 중거리 실외 Wi-Fi 기술이다. 802.11ah는 스마트홈, 웨어블디바이스, 자율자동차 등과 같은IoT 장치에 대해 널리 알려진 Wi-Fi 표준을 최적화하고 저전력 센서에 인터넷 연결을 제공 하는 것을 목표로 한다. 802.11ah를 이용한 IoT 서비스는 기존의 WPAN기술에 비해 보다 광범위한 영역을 묶어 자연보호, 재해예방 등의 다양한 서비스로의 확대가 가능할 것으로 보인다. 그림 1 은 스마트그리드 환경에 제안된 802.11ah 인프라를 보여주고 있다. 4.1. IEEE802.11ah의 기능적 요구사항 5.1. IEEE802.11ah의 Use Case IEEE802.11ah는 기존의 Wi-Fi의 경험을 그대로 제공하면서도 1Km 정도의 확장된 커버리지와 저전력, 8000개로 확장된 STA의 연결 등 기능을 제공함으로써 Outdoor 영역에서의 IoT 서비스에서 기존의 802.15.4 기술보다 월등한 장점을 보유하고 있어 향 후, 실외 헬스케어 및 운동모니터링 시스템, 환경 감시와 재난 예방, 드론의 모니터링과 제어, 자율주행차 등의 다양한 IoT 환경을 구축하고 융합하여, 초연결기술과 서비스에 기여할 것으로 예상된다. 그러나, Outdoor Wi-Fi로 서비스 하기위해서는 다양한 실외 환경에서도 보다 안정적인 통신이 가능 하도록 좀더 최적화 해야 하는 과제도 남아 있다. 이에 국내에서도 802.11ah표준 기술에 대한 보다 깊은 연구와 프로토타입을 통해 각 환경에 맞는 IoT 서비스 아키텍처를 개발하고 글로벌 Digital Shift의 리더로서 초연결기술을 선도해 나가는 것이 필요할 것으로 사료된다. Reference초연결사회를 의한 IoT 핵심, 통신 기술 1탄
연락처 min-oh@korea.ac.kr
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Software Architect
개인화 및 추천엔진 분석 설계
커머스 시스템 분석 설계
커머스 빅데이터 기획 및 분석, 데이터 마이닝
포털 검색 서비스 개발 및 최적화
1. 서론
이러한 초연결 기술의 가장 기반이 되는 것은 통신기술이면, IoT 서비스를 지원하기 위한 통신기술은 현재 원거리 통신 기술로는 LPWA 기술, 중거리 기술로는 IEEE802.11ah, 근거리 기술로는 IEEE802.15.x 기술인 Bluetooth, Zigbee, UWB 등의 기술이다. 이들 통신 기술은 현재 각영역에서의 역할 뿐만 아니라 상호 영역에 대한 기술적 업데이트를 통해 상생 및 경쟁을 하며 발전하고 있다. 본고에서는 이중 802.11(WLAN)기술 기반으로 기존의 근거리통신 기술의 영역 및 1Km 수준의 중거리까지 커버하면서 IoT전용 통신 시장에 야심 차게 도전장을 내민 IEEE802.11ah 표준의 기술적 특징과 IoT 서비스 Use Case를 살펴봄으로 해서 기술의 강점과 과제 등에 대해 살펴 보도록 하겠다.
2. IEEE802.11ah의 개념
3. IEEE802.11ah의 목표
4. IEEE802.11ah의 기능적 요구사항 및 기술적 특징
1) TV White Space 대역을 제외한 1 GHz 이하 비면허 주파수 대역을 사용하며, 1 Km까지 확장된 커버리지를 제공하고, 최소 100 Kbps 의 PHY data rate을 제공 한다.[2]
그림 2에서 보여주고 있는 802.11ah의 900Mhz 대역의 채택은 기존 2.4 or 5Ghz 대역에서의 간섭 회피를 가능하게 하고 보다 넓은 커버리지(1Km)를 보장하며 저전력에 유리하다.
그림 3을 통해 우리는 IEEE802.11ah가 거리를 위해 속도를 Trade-Off 했음을 할 수 있다.
2) Sub 1GHz 밴드(S1G band)에서 PHY data service access point(SAP)에서 측정했을 때 최대 aggregate Multi- Station data rate이 20 Mbps를 지원하는 모드를 최소한 하나 이상 지원해야 한다. [2]
3) OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) PHY 변조를 사용해야 한다.
- IEEE802.11ah는 변조를 위해 MIMO-OFDM을 사용한다. [2]
4) Outdoor 응용을 위해 2007 개가 넘는 단말에 대한 association을 지원해야 한다. [2]
- 802.11ah는 AID(Association Identifier)를 사용하여 기존의 2007개의 Station 연결의 한계를 극복하고 최대 8000개의 STA를 연결하는 것이 가능하다.
5) 802.11 시스템의 네트워크 구조를 유지해야 하며, 기존 802.1의 사용자 경험을 유지해야 한다. [2]
- 이를 통해 IEEE802.11ah는 시장 확보를 위한 기존 고객의 Royalty를 확보한다.
6) 802.15.4및 802.15.4g 디바이스와의 coexistence를 지원해야 한다. [2]
7) 배터리를 사용해 동작하며 긴 배터리 교체 주기를 갖는 단말을 위한 향상된 파워 세이빙을 지원해야 한다. [2]
8) 5GHz에서 동작하는 802.11a/n 디바이스에 대한 Backward Compatibility를 지원해야 한다. [2]
- 이를 통해 802.11ah는 기존의 802.11a/n 지원하는 디바이스에 하드웨어 교체 없이 서비스를 제공하는 것이 가능하다.
4.2. IEEE802.11ah의 기술적 특징
1) Sleep Mode 알고리즘의 사용[3]
- 이를 통해 802.11ah는 저전력 특성을 지원한다.
2) MIMO-OFDM의 사용[3]
- 이를 통해 802.11ah는 1Km 이내에서 1000개 정도의 센서노드를 포함 할 수 있는 확장성을 제공한다.
3) 계층적 TIM 구조 사용[4]
- 하나의 AP가 지원할 수 있는 기존의 2007개의 한계를 극복하고 Outdoor STA 지원을 위해 STA연결 개수를 8000개 까지 확장 하였다.
4) RAW기반의 채널 ACCESS[4]
- 비콘 전송 직후 STA들의 contention이 증가에 따른 오버헤드를 해결하기 위해 RAW (Restricted Access Window)를 이용한 채널 액세스 프로토콜을 정의하였다.
5) Short Frames [4]
- short packet 전송에서는 PHY, MAC 헤더 및 통신 프로토콜 등으로 인한 오버헤드의 비중이 상대적으로 커지게 된다. 이러한 오버헤드를 줄이기 위해 802.11ah는 Short MAC frame format, NDP CMAC(Null Data Packet Carrying Medium Access Control) Frame format 등을 정의 하였다.
4.3. 802.11n과의 특징 비교
5. IEEE802.11ah의 Use Case와 주요 이슈
1) 실외 헬스케어 시스템
- 실외 헬스 케어 시스템은 RFID 와 ZigBee 그리고 802.11ah 등을 이용하여 센서 네트워크를 구축한 후, 802.11ah 을 이용하여 고속의 센서 백홀망에 데이터를 전송하는 시스템이다. [3]
이러한 아키텍처를 사용하는 대표적인 예는 축구장과 같이 넓은 야외 경기장에서 선수들의 체온, 맥박, 운동 가속도 등의 모니터링 하여 전송하는 시스템이다. 이러한 Outdoor 환경에서의 헬스케어 시스템은 802.11ah가 802.15.4와 같은 근거리 통신에 비해 훨씬 적합하다.
2) 자동 계측 시스템
- 미국에서는 Freescale 사의 시스템을 이용 하여 스마트 계측 시스템을 이용해 전기/하수를 자동 계측하고 자동 청구 시스템을 구축하고 운영 중이다. 이 시스템은 2.4GHz 대역의 ZigBee 와 802.11g 를 혼용하여 운영 중 이지만, 그 전송 거리에 있어서 제약 사항이 있다. 그에 반해, 802.11ah 는 앞의 두 가지와는 다르게 sub-1GHz 대역을 이용함으로써, 같은 송신기의 소모 전력을 사용하여서 더 먼 전송 거리를 얻을 수 있는 장점이 있어 ZigBee 와 802.11g 의 대체 기술로 관심을 받 고 있다.[3]
3) 환경 감시 시스템
- 미국의 NASA 연구소는 워싱턴 주의 활 화산에 센서 네트워크를 설치하여 활화산을 감시하는 연구를 진행했다 [6]. 이 센서 네트 워크는 2.4GHz 대역의 ZigBee 기술을 사용하여 구축하였다. 하지만, sub-1GHz 대역을 사용하는 802.11ah 기술은 2.4GHz ZigBee 기술에 비해서 전력 소 모를 줄일 수 있다. 이 장점은, 센서 노드의 배터리 교체 주기를 늘려주기 때문에, 유지/ 보수 비용을 줄일 수 있다. 또한,센서네트워크를 별도의 Wi-Fi 중계기를 거치지 않고도, 직접 Wi-Fi 망을 통해 인터넷에 접속이 가능 하다는 장점이 있다.[3]
5.2. IEEE802.11ah의 주요 이슈
IEEE 802.11ah 는 5.1장의 Use Case에서도 살펴 보았듯이1km 정도의 거리를 대상으로 하는 실외 Wi-Fi 기술을 목표로 하고 있다. 이러한 환경에 대한 연구를 통해 얻은 몇가지 점은 첫째로, 날씨는 통신 채널에 직접적인 영향이 적다. 둘째로, 통신 거리에 따라서 통신 속도는 줄어든다. 셋째로, MIMO 나 Channel Bonding 같은 실내 Wi-Fi 기술들을 쓰기 위해서는 실외 Wi-Fi 용 PHY/MAC 가 필요하다. 마지막으로, 안테나 방향성과 고도는 통신 속도에 영향을 주며, 1.8km 의 통신 거리에서는 지구의 곡률도 통신 속도에 영향을 준다[3]. 802.11ah는 802.15.4등의 기술에 비해 장거리를 지원하고 저전력을 지원하지만 다양한 Outdoor의 환경(거리, 수중, 고도, 다양한 충돌 노이즈)에 대응하기 위한 기술적 고도화가 아직 필요하다.
6. 결론
[1] M. Cheong, TGah Functional Requirements and Evaluation Methodology, doc.: IEEE 802.11-11- 0905r5, Jan 2012.
[2] M. Cheong, Evaluation of IEEE 802.11ah Technology for Wireless Sensor Network Applications,
TAMPERE UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
[3] 정재영, 실외 장거리 무선 LAN: IEEE 802.11ah, Qualcomm
[4] 이재승;이훈, IEEE 802.11ah Sub 1 GHz 무선랜 기술 , 한국통신학회지
[5] https://en.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.11ah
[6] http://ai.jpl.nasa.gov/public/projects/sensorweb/.
[7] http://www.kbench.com/q=node/158901