사물인터넷(IoT)은 소비, 산업, 헬스케어, 스마트시티 등 다양한 분야에서 다양한 기기를 연결하는 핵심 기술로 자리 잡았습니다. 분석가들은 2030년까지 250억 개 이상의 장치에 안정적이고 확장 가능한 네트워크 액세스가 필요할 것으로 예측합니다.
경제적으로 효율적이고 에너지를 절약하며-안정적인 방식으로 이러한 장치를 연결하는 것은 어려운 일입니다. Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee 및 LTE/5G와 같은 기존 무선 기술은 이러한 특정 요구를 완전히 충족할 수 없습니다.
주의-IoT는 이러한 격차를 해소하는 것을 목표로 합니다. NB-IoT는 LTERelease13에서 3GPP에 의해 정의되었으며 후속 버전에서 지속적으로 최적화되었습니다. 이는 허가된 스펙트럼에서 작동하는 저전력 광역 네트워크(LPWAN)입니다. NB-IoT는 대규모 기계형 통신(mMTC)을 지원하도록 특별히 설계되었습니다.- 현재 NB{11}}IoT는 스마트 시티, 공공 시설, 물류, 농업, 의료 등의 분야에 적용되었습니다.
사물 인터넷의 확장으로 인해 직면한 연결 문제
사물 인터넷(iot) 배포의 확장은 몇 가지 주요 과제에 직면해 있습니다.
전력 소비: 많은 사물 인터넷(iot) 기기는 배터리로 구동되지만-일반적으로 배터리 교체 비용이 많이 들거나 실용적이지 않은 장소에 설치됩니다. 이러한 장치는 실제 전송 주기 동안 5~10년의 배터리 수명이 필요합니다.
적용 가능 지역: 장비는 일반적으로 Wi-Fi 및 저에너지 블루투스(BLE)와 같은 기술이 안정적인 연결을 제공할 수 없는 지하실, 터널 또는 시골 지역에 설치됩니다. 따라서 광범위한 적용 범위와 실내 깊숙한 침투 능력이 매우 중요합니다.
비용 및 확장성: 도시 배포에는 수십만 개의 터미널 노드가 포함될 수 있습니다. 장비 모듈은 가격이 저렴해야 하며(한 자리{1}}달러), 네트워크는 수만 대의 장치를 동시에 연결할 수 있도록 각 기지국을 지원해야 합니다.
Wi-Fi는 전력을 너무 많이 소비하므로 장기간 배터리 전원 공급에 적합하지 않습니다.- BLE와 Zigbee의 전송거리는 제한되어 있습니다. LTE/5G는 성능이 뛰어나지만 많은 사물 인터넷 애플리케이션의 일반적인 낮은 데이터 볼륨과 저주파 전송에 최적화되지 않았습니다.-
NB-IoT의 기술 기반
NB-IoT는 기존 LTE 인프라를 기반으로 하지만 이를 단순화하여 복잡성과 전력 소비를 줄입니다. 세 가지 모드로 작동합니다.
독립형 네트워킹 모드: 재할당된 GSM 스펙트럼에 배포됩니다.
인-대역 모드: 기존 LTE 이동통신사의 리소스 블록 내에 배포됩니다.
보호 대역 모드: LTE 캐리어 간 사용되지 않는 보호 대역에 배포됩니다.
NB-IoT 무선 모듈은 채널 대역폭이 180kHz에 불과하여 더 간단하고 저렴합니다. 주요 기능은 다음과 같습니다.
확장된 적용 범위: 향상된 링크 버짓을 통해 지하실, 원격지 등 복잡한 환경에서도 작동할 수 있습니다.
에너지-절약 모드(PSM 및 eDRX): 기기는 네트워크 등록 상태를 유지하지만 오랫동안 휴면 상태를 유지하고 데이터 전송이 필요할 때만 깨어납니다. 이를 통해 유휴 전력 소비를 마이크로암페어 수준으로 줄이고 배터리 수명을 10년 이상 연장할 수 있습니다.
효율적인 스케줄링: 신호 반복이 포함된 협대역 업링크를 사용하면 작은 데이터 페이로드(바이트에서 킬로바이트)의 안정적인 전송이 보장됩니다. 지연 범위는 수백 밀리초에서 몇 초까지이며 대부분의 원격 측정 애플리케이션에 적합합니다.
기기 밀도: 단일 NB{0}}IoT 셀은 최대 50,000개의 기기를 지원할 수 있으므로 고밀도 도시 배포가 가능합니다.-
보안: NB{0}}IoT는 SIM 카드 기반 인증, 암호화 및 무결성 보호를 포함하여 강력한 3GPP 보안 프레임워크를 상속합니다.
처리량: 데이터 속도는 수십 kbps이며, 작고 빈번하지 않은 데이터 전송에 최적화되어 있습니다.
실제 적용
지능형 계량
공공 유틸리티 회사는 NB-IoT 기술의 주요 응용 분야 중 하나입니다. NB-IoT를 지원하는 수도 계량기와 가스 계량기는 수동 검침을 대체했으며 지하실과 같은 실내 깊은 곳에서도 안정적으로 데이터를 전송할 수 있습니다. 이를 통해 과금의 정확성을 높이고, 누출 감지를 용이하게 하며, 수동 작업을 최대한 최소화합니다. Vodafone과 기타 유럽 통신업체는 수백만 대의 NB{5}}IoT 스마트 미터를 배포했습니다.
자산 추적 및 물류
NB-IoT 센서는 환경 모니터링을 포함하여 상품의 위치와 상태를 추적할 수 있습니다. GPS만 사용하는 솔루션에 비해 이러한 센서의 배터리 수명은 크게 연장되었습니다. 예를 들어, China Mobile은 수천 대의 콜드체인 트럭에 NB{3}}IoT 기술을 배포하여 화물 손실을 15% 이상 줄였습니다.
환경 모니터링
도시에서는 공기 질, 소음 공해, 수위를 모니터링하기 위해 NB{0}}IoT 센서를 배포하고 있습니다. 인도에서는 NB{2}}IoT 수위 센서가 홍수 경고를 제공할 수 있으며, 이는 낮은 유지 관리 비용과 지방자치단체 규모의 배포 측면에서 이 기술의 잠재력을 보여줍니다.
지능형 인프라
NB-IoT는 스마트 가로등, 주차 미터기, 쓰레기통에 통합되고 있습니다. 비엔나에서는 스마트 가로등이 NB-IoT를 사용하여 활동 조건에 따라 조명을 조정함으로써 전력 소비를 30% 줄였습니다. 스마트 쓰레기통은 쓰레기가 가득 차면 쓰레기 수거 서비스에 이를 알려 경로를 최적화하고 연료를 절약합니다.
헬스케어 및 웨어러블 기기
주의-IoT는 원격 혈당 모니터, 심장 박동기, 개인 비상 버튼과 같은 장치에 연결할 수 있습니다. 농촌 원격 의료 시범 프로젝트에서는 NB{2}}IoT를 사용하여 광대역 서비스 범위가 부족한 지역의 환자를 모니터링함으로써 환자가 병원을 방문할 필요성을 줄입니다.
농업
토양 수분 센서는 농부들이 물 사용량을 최소화하고 작물 수확량을 늘리기 위한 관개 계획을 세울 수 있도록 안내합니다. 가축 목줄은-동물의 실시간 위치와 건강 상태를 추적하여 보다 효과적인 가축 관리를 달성할 수 있습니다.
다른 저전력 광역 네트워크(LPWAN) 기술과의-비교
LoRaWAN 및 Sigfox는 비면허 스펙트럼에서 작동하는 두 가지 주요 LPWAN 기술입니다. LoRaWAN은 전용 네트워크 구축에 매우 적합한 반면, Sigfox는 네트워크 운영자를 통해 광범위한 적용 범위를 제공합니다. 그러나 허가된 스펙트럼 기술과 비교할 때 둘 다 간섭에 취약하며 업링크 용량 및 사업자의 장기적인-지원 측면에서 제한이 있을 수 있습니다.
반면에 NB-IoT는 허가된 스펙트럼을 사용하여 통신사 수준의 신뢰성-, 글로벌 표준화 및 모바일 네트워크 사업자의 장기적인 지원을 제공하며-LTE-M 및 5G의 개발 방향과 일치합니다. 따라서 NB-IoT는 사업자가 관리하는 공용 네트워크에 매우 적합한 반면, LoRaWAN은 일반적으로 민간 기업 네트워크에 더 큰 유연성을 제공합니다.
엔지니어링 설계 고려 사항
NB-IoT는 BLE, Wi{1}}Fi 또는 Thread와 같은 다른 무선 표준을 대체하기보다는 보완하며 일반적으로 하이브리드 배포에서 이들 표준과 공존합니다. 엔지니어는 NB{3}}IoT의 장점과 한계를 고려해야 합니다.
지연: 실시간 제어가 필요한 애플리케이션에는 몇 초의 지연이 적용되지 않습니다.
이동성: 셀 간 전환에 대한 지원은-제한적이므로 NB-IoT는 고정되거나 이동성이 낮은-기기에 가장 적합합니다.
처리량: 데이터 속도는 수십 kbps로 제한되므로 대용량-데이터-애플리케이션에는 적합하지 않습니다.
운영자 종속성: 적용 범위 및 기능 가용성은 운영자 및 지역에 따라 다릅니다.
효과적인 NB{0}}IoT 배포에는 다음 측면에 특별한 주의가 필요합니다.
배터리 화학: 전력 펄스 전송을 지원하기 위해 수명이 긴 리튬-염화 티오닐 배터리 또는 슈퍼커패시터를 사용하는 등 신중한 선택이 필요합니다.
안테나 설계: 소형 안테나를 사용할 수 있지만 최고의 성능을 얻으려면 지하나 금속 케이스에 배포할 때 신중하게 조정해야 합니다.
모듈 선택: 엔지니어는 모듈의 기능과 지원되는 주파수 대역을 네트워크 운영자의 인프라와 일치시켜야 합니다.
펌웨어 업데이트: 무선(OTA) 업데이트는 에너지와 대역폭을 절약하기 위해 점진적이고 효율적인 방식으로 수행되어야 합니다.
새로운 NB{0}}IoT 통합 회로 또는 모듈을 개발하는 경우 T2M은 실리콘{2}} 검증 IP를 보유하고 있어 제품 출시 기간을 단축하고 개발 위험을 줄일 수 있습니다.
규제 및 배포 고려 사항
NB{0}}IoT는 허가된 스펙트럼을 사용하며 모바일 네트워크 사업자와 협력해야 합니다. 엔지니어는 스펙트럼 할당, 현지 규정 및 배포 허가에 대해 잘 알고 있어야 합니다. 스펙트럼 라이선스는 예측 가능한 성능을 보장하고 간섭을 줄여줍니다. 이는 무허가 LPWAN 솔루션에 비해 중요한 이점입니다. 또한, 운영자 계약 및 서비스 수준 보장은 유틸리티, 의료, 산업과 같은 업계의 업무에 중요한 -도시-수준 배포에 매우 중요합니다.
새로운 기술과의 통합
NB-IoT는 강력한 하이브리드 솔루션을 만들기 위해 점점 더 다른 기술과 통합되고 있습니다.
하이브리드 연결: 기기는 클라우드 액세스를 위해 NB{0}}IoT를 사용하고 BLE, Matter 또는 Thread와 같은 단거리 프로토콜을 결합하여 로컬 기기 상호 운용성을 달성할 수 있습니다.
엣지 인텔리전스: 저전력 AI 가속기와 통합된 NB{0}}IoT 기기는{1}}로컬에서 데이터를 처리할 수 있습니다. 예를 들어, 산업용 진동 센서는 현장의 진동 패턴을 분석하고{3}}비정상적인 경고만 보내 대역폭을 크게 절약할 수 있습니다.
위성 통합: NB{0}}IoT 모듈은 해상, 광업 및 원격 농업 애플리케이션에 대한 연결을 제공하기 위해 LEO(저지구 궤도) 위성으로 테스트되고 있습니다.
보안 진화: 포스트{0}}양자 암호화 연구는 NB{2}}IoT 기기에서 실행할 수 있는 경량의 양자 저항성 알고리즘을 개발하여 새로운 위협에 저항할 수 있는 네트워크의 능력을 향상시키는 것을 목표로 합니다.
인더스트리 4.0: NB{1}}IoT의 확장성과 높은 에너지 효율성 덕분에 스마트 공장에서 상태 모니터링 센서, 전기 계량기, 물류 태그 등 밀집된 센서 네트워크를 구축할 수 있습니다.
미래 전망
NB{0}}IoT는 5G MTC 로드맵에 통합되어 지속적인 개발과 발전을 보장합니다. 하이브리드 네트워크, 에지 컴퓨팅, 위성 연결 및 Industry 4.0과의 통합을 통해 확장 가능한 저전력{4}}사물 인터넷 생태계를 위한 기본 기술이 되었습니다. 도시와 산업이 더 스마트한 인프라를 채택함에 따라 NB-IoT는 향후 수십 년 동안 강력하고 비용 효과적인 연결 솔루션이 될 것으로 예상됩니다.
대규모 IoT 배포에 NB-IoT 적용-
NB{0}}IoT는 높은 에너지 효율성, 넓은 적용 범위, 대규모 확장성 및 강력한 보안 등 대규모 사물 인터넷 애플리케이션의 기본 요구 사항({1}})을 충족하도록 특별히 설계되었습니다. 이는 통신업체 수준의 세계적으로 표준화된 솔루션을 제공하여 기존 무선 프로토콜과 독점 LPWAN 간의 주요 격차를 해소합니다.-
스마트 미터링, 환경 모니터링, 물류, 의료 및 농업과 같은 분야에서의 실제 적용은 다양한 적용 시나리오에서 그 효과가 입증되었습니다. 지연 시간, 이동성 및 처리량 측면의 한계에도 불구하고 NB{1}}IoT는 대규모의 에너지 효율적이고 안전한 사물 인터넷 네트워크를 구축하기 위한 중요한 보완 기술로 남아 있습니다.-
수십억 개의 장치가 네트워크에 연결되어 있으므로 안정적이고 미래 지향적인 시스템을 개발하는 엔지니어는 NB-IoT의 장점과 단점, 배포 기술, 통합 잠재력을 이해하는 것이 중요합니다.
