IoT 무선 통신 RF와 셀룰러 비교

IoT·통신·특수

2023.01.31

IoT 무선 통신은 셀룰러가 항상 정답이 아니며, 전력과 비용, 이동성, 설치 환경에 맞는 쪽을 고릅니다.

IoT 무선 통신 방식은 크게 셀룰러 통신과 RF(무선 주파수 프로토콜) 통신으로 나뉩니다. 이 글은 Digi 블로그에 실린 Rob Faludi(IoT Consultant, Faludi.com)의 2022년 10월 28일 글을 옮겨, 두 방식을 비교하는 주요 고려 사항을 정리합니다.

IoT 무선 통신 RF와 셀룰러 비교 글의 대표 이미지입니다.

IoT 시스템을 설계할 때 가장 먼저 할 선택 중 하나는 어떻게 통신할 것인가입니다. 이더넷이나 시리얼 프로토콜로 유선 통신을 할 수 있는 프로젝트도 있지만, 대부분은 무선 통신의 이동성과 민첩성이 필요합니다. IoT 장치는 전원이나 통신용 케이블 설치가 실용적이지 않은 곳에 있거나 완전히 이동식인 경우가 많아 유선 방식이 문제가 될 수 있기 때문입니다.

글은 Digi XBee 모듈을 예로 들지만, 프로젝트에 쓰는 무선 통신 제품의 제조사와 모델이 달라도 고려할 사항은 같습니다.

제품군

Digi XBee는 셀룰러와 RF 제품군으로 나뉩니다

셀룰러 쪽에서는 Digi XBee 셀룰러 제품군이 지원하는 저대역폭 프로토콜인 LTE Cat 1, LTE-M, NB-IoT를 다룹니다. Digi는 셀룰러 제품군 외에 "RF" 제품군 XBee 모듈도 제공합니다.

XBee3 Zigbee
XBee3 DigiMesh
XBee3 802.15.4
XBee-PRO Zigbee
XBee-PRO DigiMesh
XBee SX 900
XBee 868MHz
XBEE-PRO 900HP

Digi XBee 에코시스템의 모듈 기능을 비교하려면 XBee 구매 가이드를 참조하세요.

RF와 셀룰러 무선 통신 비교 이미지입니다.

가장 맞는 무선 방식은 상황에 따라 다릅니다

모든 IoT 시스템에 항상 맞는 무선 통신 방식은 없습니다. 어떤 프로젝트에는 셀룰러가 가장 적합하지만, 어떤 프로젝트에서는 셀룰러의 전력 요구 사항과 비용이 매우 높을 수 있습니다. 그런 경우 Digi XBee3 Zigbee 같은 단거리 RF 방식이 이상적일 수 있습니다.

IoT 프로토콜이 다양한 이유는 프로젝트마다 요구 사항이 다르기 때문입니다. 방식별 고려 사항은 아래에서 차례로 살펴봅니다.

셀룰러

셀룰러는 외부 인프라와 유료 요금제가 필요합니다

셀룰러 통신의 장단점을 설명하는 이미지입니다.

셀룰러 통신은 비용과 복잡성부터 설계·구축에 필요한 시간, 최종 사용자가 장치를 관리하는 방법까지 고려할 것이 많습니다. 예를 들어 제품 펌웨어를 보안이나 기능 때문에 정기적으로 업데이트해야 하는지, 통신 장치가 온라인 상태이며 제대로 작동하는지 실시간으로 확인해야 하는지를 따져야 합니다.

셀룰러 방식에는 외부 인프라가 필요합니다. 두 셀룰러 모듈은 서로 직접 통신하지 않고, 광대한 통신 타워와 상당한 기술 인프라를 가진 무선 통신 사업자(한국 기준 SKT, KT, LGU+ 등, 이하 이동통신사)의 통신망에 연결해야 합니다. 그래서 거의 항상 이동통신사의 유료 데이터 요금제가 필요합니다.

저대역폭 IoT 장치용 절감 요금제가 있어도 통신 요금을 포함한 총 요금이 상당할 수 있으며, 일부 대형 프로젝트에서는 엄두를 내지 못할 정도입니다.

셀룰러의 장점은 직접 연결과 이동성입니다

셀룰러 통신의 장점을 설명하는 이미지입니다.

셀룰러 통신 장치는 범위 안의 이동통신사 네트워크와 직접 통신하고, 그 연결로 보통 온라인 클라우드와 직접 통신합니다. 셀룰러를 고르는 주된 이점은 다른 장비가 필요 없다는 점입니다. 모듈이나 모뎀 같은 통신 장치와 안테나만 있으면 됩니다.

그래서 셀룰러 방식은 이동성이 매우 높습니다. 이동통신사 네트워크로 고속 통신이 가능하므로, 알맞은 통신 장치와 데이터 요금제를 쓰면 IoT 장치가 끊김 없이 전 세계에서 데이터를 옮길 수 있습니다. 다만 모든 통신 제품이 이동통신사의 통신 범위 안에 있어야 하고, 이동통신사가 해당 지역을 다루지 않으면 그 지역에서는 셀룰러 통신을 쓸 수 없습니다.

셀룰러 데이터는 IP 네이티브입니다. 실시간 연결이 가능한 통신 장치가 인터넷과 직접 통신할 수 있다는 뜻이며, 개발 작업이 줄고 IoT 네트워크 아키텍처가 단순해집니다. 펌웨어를 클라우드에서 장치로 직접 보낼 수 있어 무선 업데이트가 비교적 간단하고, 버그 수정과 개선도 쉬워집니다.

Digi는 이를 위해 Digi Remote Manager(이하 Digi RM)를 제공합니다. Digi RM은 Digi의 클라우드 기반 장치 및 통신 관리 플랫폼으로, OEM과 최종 고객의 다양하고 중요한 작업에 쉽게 대응하도록 돕습니다.

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

또한 Digi RM은 보안 VPN 터널로 Digi 브랜드가 아닌 제품도, 시리얼 장치를 포함한 대부분의 IoT 장치를 관리할 수 있습니다.

Digi Remote Manager 관련 이미지입니다.

셀룰러의 단점은 업그레이드, 전력, 비용입니다

이동통신사가 요구하는 업데이트를 따라가려면 셀룰러 시스템을 정기적으로 업그레이드해야 하고, 때로는 기본 하드웨어를 교체해야 합니다.

셀룰러 통신은 멀리 있는 통신 타워와 통신하려고 많은 전류가 필요해 전력 수요가 상대적으로 높습니다. 새로운 IoT 셀룰러 프로토콜은 전류 소비를 줄이고 일부 절전 모드를 갖췄지만, 그래도 RF 통신 모듈보다 훨씬 빠르게 배터리를 소모합니다. 배터리로 동작하는 IoT 장치에서는 반드시 고려할 사항입니다.

셀룰러 하드웨어는 상당히 복잡해서 보통 비용이 더 들고 물리적으로 다소 더 큽니다. 특히 다양한 셀룰러 대역을 모두 수용하려면 더 큰 안테나를 고려해야 할 수 있습니다.

RF

RF는 자체 네트워크를 만들고 게이트웨이로 연결합니다

일반 RF 통신의 장단점을 설명하는 이미지입니다.

RF 통신 모듈은 서로 직접 통신할 수 있고, 메시 프로토콜을 쓰면 다른 중간 모듈을 거쳐 데이터를 중계할 수도 있습니다. 네트워크가 로컬 영역 밖으로 데이터를 보내야 할 때는 보통 인터넷으로 데이터를 변환해 전달하는 Digi IX15 IoT 게이트웨이 같은 게이트웨이 장치가 필요합니다. RF 게이트웨이는 일반적으로 많이 쓰지만 선택 사항이며, 모든 구성에서 쓰는 것은 아닙니다.

이 글에서는 다루지 않지만, Digi는 LoRaWAN, Wi-Fi, Bluetooth 제품도 제공합니다.

RF 통신 시스템은 이동통신사 네트워크를 이용하지 않으므로 월별 요금 없이 데이터를 전송합니다. 셀룰러보다 기술적으로 구현에 제약이 많지만, 훨씬 비용 효율적인 IoT 시스템을 만들어 차별화할 수 있습니다.

RF 네트워크는 제3자인 이동통신사의 통신 범위와 상관없이 스스로 네트워크를 구성하므로 대부분의 곳에서 로컬 네트워크를 구축할 수 있습니다. 다만 무선 데이터를 관리할 로컬 서버 같은 지정된 영역이 필요합니다.

RF 방식은 어떤 공급자와도 독립적인 자체 커버리지를 만들지만, 네트워크 엣지에서 필요한 위치로 정보를 옮기려면 자체 데이터 관리가 있어야 합니다. 대부분은 로컬 RF 네트워크의 데이터를 모아 인터넷으로 전달하는 게이트웨이 장치가 필요하며, 게이트웨이는 인터넷 데이터를 받아 RF 네트워크로 전달하기도 합니다.

RF 통신의 메시 프로토콜과 게이트웨이 구성을 설명하는 이미지입니다.

메시 프로토콜은 게이트웨이 범위를 넓힙니다

802.15.4 같은 지점간(Point-to-Point) 프로토콜에서는 모든 통신 장치가 게이트웨이 범위 안에 있어야 합니다. 반면 Zigbee와 DigiMesh 같은 메시 프로토콜은 데이터가 게이트웨이로 가는 도중 중간 모듈을 거쳐 자동으로 "호핑"되므로, 네트워크가 게이트웨이 자체의 범위보다 훨씬 커질 수 있습니다.

RF 방식은 독립적이어서 다른 네트워크의 일정에 맞춰 업그레이드할 필요가 없습니다. 시스템이 일단 작동하면 이론적으로 수십 년 동안 변경 없이 작동할 수 있어 비용을 낮게 유지하는 데 도움이 됩니다.

RF 모듈은 보통 IP 이외의 각자 프로토콜로 통신합니다. 실수나 누락이 아니라, TCP/IP가 IoT를 염두에 두고 설계되지 않아 절전·오프라인 상태가 잦은 저전력, 저대역폭 장치에 주요 기술적 문제가 생기기 때문입니다. 향후 발전할 프로토콜은 결국 이를 바꿔야 하겠지만, 802.15.4, Zigbee, DigiMesh처럼 지금 널리 쓰는 프로토콜을 인터넷에 연결하려면 게이트웨이가 필요합니다.

Digi의 것과 같은 고급 게이트웨이는 무선 펌웨어 배포를 지원하지만 다른 브랜드는 지원하지 않을 수 있습니다. 무료로 제공되는 Digi XCTU는 XBee RF 모듈의 로컬 구성과 관리를 가능하게 합니다.

RF의 장점은 낮은 총 소유 비용입니다

RF 통신의 장점을 설명하는 이미지입니다.

IoT 장치는 시스템 전체의 비용 효율을 지키기 위해 매우 저렴해야 하는 경우가 많고, 이 점에서 RF 방식이 강점을 보입니다. 셀룰러 요금제를 아낄 수 있다는 큰 장점 외에, 총 소유 비용에 영향을 주는 RF 통신 장치의 주요 이점은 다음과 같습니다.

RF 통신의 프로토콜과 하드웨어는 기본적으로 전력 소모와 절전에 맞춰 엄격하게 최적화되도록 개발되었습니다.
평소에 아주 적은 전류를 쓰고 오래 쓰지 않을 때 절전 모드를 쓸 수 있어, 배터리를 교체하지 않고 몇 달 또는 몇 년 동안 사용할 수 있습니다.
장치 자체가 더 단순하므로 물리적으로 더 작고 더 저렴할 수 있습니다.
안테나도 보통 단일 주파수 대역만 지원하면 되므로 크기와 비용이 더 경제적입니다.

셀룰러와 RF 비교 요약

항목	셀룰러	RF
통신 경로	이동통신사 네트워크에 연결	자체 네트워크를 구성하고 게이트웨이로 인터넷에 연결
요금	거의 항상 이동통신사의 유료 데이터 요금제 필요	월별 요금 없음
전력	상대적으로 높고 배터리를 빠르게 소모	매우 적은 전류와 절전 모드, 배터리로 몇 달 또는 몇 년 사용
하드웨어	복잡하고 비용이 더 들며 다소 큼	단순하고 더 작고 저렴할 수 있음
인터넷 연결	IP 네이티브라 인터넷과 직접 통신	IP 이외 프로토콜이라 게이트웨이 필요
통신 범위	이동통신사의 통신 범위 안	공급자와 독립적인 자체 커버리지
업그레이드	이동통신사 요구에 맞춰 정기 업그레이드, 하드웨어 교체도 필요	다른 네트워크 일정에 맞출 필요 없음

응용 사례

골프 코스 로봇 잔디깎이는 셀룰러를 고려합니다

골프 코스 로봇 잔디깎이 모니터링 및 제어 사례 이미지입니다.

잔디 깎는 기계는 움직이므로 즉각적인 이동성을 위해 셀룰러 통신이 고려됩니다. 충분한 전력이 필요하고 상당히 크고 비싼 기계라서 Digi XBee 셀룰러 모뎀을 쓰는 부담도 적습니다. 또 IP 프로토콜로 장치에 직접 접근할 수 있어 지원 시스템 아키텍처 개발이 더 간단해집니다.

Digi XBee SX 같은 장거리 RF 통신 모듈도 쓸 수 있지만, 코스가 크거나 숲이 많거나 언덕이 많으면 여러 게이트웨이와 리피터가 필요해 시스템의 경제성과 견고성이 떨어질 수 있습니다. 태양광 발전 로봇에 어떤 무선 통신 방법을 골랐는지는 Renu Robotics의 고객 사례에서 볼 수 있습니다.

건물 기계실 누수 감지는 점대점 RF가 맞습니다

건물 기계실 누수 모니터링 사례 이미지입니다.

기계실은 대부분 실내이고 때로는 지하에 있어 셀룰러 통신이 어려울 수 있습니다. 누출이 어디서 생겨도 감지하려면 센서를 여러 개 설치해야 하고, 센서 수가 많아 유지관리 비용을 최소화해야 합니다.

모든 장치가 게이트웨이의 무선 범위 안에 들어올 만큼 공간이 넓지 않다면, 마이크로 타입 Digi XBee3 802.15.4 모듈 같은 포인트 투 포인트(Point-to-Point) 방식이 적합합니다. 비용이 저렴하고 사용이 간편합니다. 스마트 홈 누수 감지에 어떤 무선 통신 방법을 골랐는지는 Enolgas 수질 보안 시스템 고객 사례에서 확인할 수 있습니다.

시립 가로등은 메시 네트워크가 맞습니다

시립 가로등(스마트 시티) 사례 이미지입니다.

도시의 가로등 간격은 보통 약 100피트(약 30m)이고, 도시에는 수만 개의 가로등이 있을 수 있습니다. 도시의 모든 일이 비용에 민감하므로 가로등 모니터링·제어 시스템은 빠듯한 예산으로 작동해야 합니다.

Digi XBee3 Zigbee 같은 방식은 데이터가 목적지에 닿을 때까지 가로등에서 다음 가로등으로 전달하는 메시 네트워크를 만듭니다. 특정 가로등에 게이트웨이를 하나씩 두면 인터넷이나 도시의 사설 IP 네트워크로 제어·상태 메시지를 전달할 수 있습니다.

가로등에는 충분한 전력이 있어 모두 Zigbee 라우터 노드가 될 수 있습니다. 장치에 오류가 생기면 무선 네트워크가 오류 지점을 쉽게 우회하므로 저렴하고 견고한 시스템을 만들 수 있습니다. 스마트 시티 조명에 무선 통신 방법을 어떻게 골랐는지는 Sicom Electronics의 고객 사용 사례에서 볼 수 있습니다.

체육관 운동 머신은 절전 RF가 맞습니다

체육관 운동 머신 모니터링 사례 이미지입니다.

사용자 확인, 운동 기록, 유지 관리 모니터링은 필요할 때 장비가 작동하는지 확인하면서 회원에게 부가 가치를 줍니다. 운동 기구는 보통 서로 매우 가깝고 실내에 있어, 앞의 스마트 시티와는 또 다른 메시 네트워킹 조건입니다. 웨이트 머신에는 보통 A/C 전원이 없어서 통신 장치와 무선 모듈이 배터리를 최대한 아껴야 합니다.

셀룰러 통신은 기술적으로 가능하지만 소모 전력이 높아 배터리를 자주 교체해야 할 수 있고, 이동통신망을 쓰는 만큼 통신 비용이 들어 경제적이지 않을 수 있습니다. Digi XBee3 DigiMesh 같은 절전 방식이 여기에 맞습니다. 유지보수 비용이 낮고, 전원 케이블이 없고 게이트웨이가 하나뿐인 환경에서도 DigiMesh의 절전 기능이 자가 치유 네트워크를 유지하면서 배터리가 수개월 지속되도록 돕습니다.

가정용 혈압 측정기는 셀룰러가 맞습니다

가정용 혈압 측정기 사례 이미지입니다.

집에서 혈압을 재도록 병원이 제공하는 시스템은 Zigbee나 가정 자동화에 널리 쓰는 Wi-Fi 프로젝트처럼 보일 수 있습니다. 그러나 노약자나 건강이 좋지 않은 환자는 홈 네트워크에 새 장치를 연결하기 쉽지 않거나 아예 연결하지 못할 수도 있어 상황이 더 복잡합니다. 별도 설정 없이 어디서나 통신하는 방식이 이상적일 수 있습니다.

그래서 셀룰러 통신을 생각해 볼 수 있습니다. 셀룰러의 다소 높은 비용 부담은 장치의 추가 현장 설정이 필요 없다는 이점과 높은 이동성으로 상쇄됩니다. 혈압은 짧은 시간에 자주 재지 않으므로 높은 전력 소비도 문제가 되지 않고, 일일 측정 외에는 보통 장치가 꺼집니다.

마지막으로 가정용 모니터링은 비싼 병원 입원 비용을 줄여 주므로 셀룰러의 추가 비용과 사용 요금이 비교적 부담스럽지 않습니다. IoT 통신 방식을 고를 때 사용 환경이 실제로 얼마나 중요한지 보여 주는 좋은 예입니다.

XBee3 셀룰러 모듈과 Digi IX15 게이트웨이

원문은 관련 제품으로 XBee3 셀룰러 모듈 제품군과 Digi IX15 IoT 게이트웨이/셀룰러 라우터를 소개합니다.

XBee3 셀룰러 모듈 제품군 이미지입니다.

Digi IX15 IoT 게이트웨이/셀룰러 라우터 이미지입니다.

자주 묻는 질문

IoT 무선 통신은 셀룰러와 RF 중 무엇을 골라야 합니까?
프로젝트 조건에 따라 다르며, 항상 맞는 방식은 없습니다. 이동성이 중요하면 셀룰러가, 전력과 비용이 중요한 단거리·다수 장치 구성에는 Digi XBee3 Zigbee 같은 RF 방식이 맞을 수 있습니다.
셀룰러 통신은 왜 요금제가 필요합니까?
두 셀룰러 모듈이 서로 직접 통신하지 않고 이동통신사(한국 기준 SKT, KT, LGU+ 등)의 통신망에 연결해야 하기 때문입니다. 그래서 거의 항상 유료 데이터 요금제가 필요합니다.
RF 통신은 월별 통신 요금이 있습니까?
아니요, 이동통신사 네트워크를 이용하지 않으므로 월별 요금 없이 데이터를 전송합니다. 다만 인터넷에 연결하려면 보통 게이트웨이 장치가 필요합니다.
Zigbee나 DigiMesh 같은 메시 프로토콜은 무엇이 다릅니까?
데이터가 게이트웨이로 가는 도중 중간 모듈을 거쳐 자동으로 호핑되므로 네트워크가 게이트웨이 자체의 범위보다 훨씬 커질 수 있습니다. 802.15.4 같은 지점간 프로토콜은 모든 통신 장치가 게이트웨이 범위 안에 있어야 합니다.