장거리 vs 근거리 무선 통신: 범위 요인과 모듈 선택

무선 신호가 얼마나 멀리 가는지는 환경에 달려 있으며, 처리량·전력·노이즈·주파수를 함께 보고 근거리, 중거리, 장거리, 셀룰러를 고릅니다.

장거리 대 근거리 무선 통신의 선택은 "그것은 상황에 따라 다릅니다"로 요약됩니다. 이 글은 Digi International 블로그에 실린 Rob Faludi(Head of Product, Perceptive Things)의 글(December 10, 2021)을 정리한 것으로, 무선 범위에 영향을 주는 10가지 요인과 범위별 Digi XBee·LoRaWAN·셀룰러 모듈을 다룹니다.

장거리와 근거리 무선 통신을 비교하는 글의 첫 사진입니다.

무선 모듈을 고르는 일은 모든 것이 이상적이라면 통신 범위가 가장 긴 것을 고르기만 하면 되어 쉬워야 합니다. 현실은 그렇게 간단하지 않습니다. 사물 인터넷 전문가에게 어떤 무선 모듈이 가장 좋은지 물으면 "그것은 상황에 따라 다릅니다"라고 답합니다. 무선 장치 유형마다 고유한 강점과 약점이 있어서, 한 프로젝트에서 훌륭한 것이 다른 프로젝트에서는 맞지 않을 수 있기 때문입니다.

예를 들어 배터리 전력을 거의 쓰지 않는 모듈은 대역폭도 낮을 수 있습니다. 개인용 무선 체중계에는 이상적이지만 회의실에서 라이브 비디오를 스트리밍하는 데는 쓸 수 없습니다. 반대의 경우도 마찬가지입니다. 무선 범위도 같아서, 사용 사례를 평가하고 장비와 환경에 따라 무선 신호가 전파되는 방식을 어느 정도 이해해야 합니다.

범위

무선 범위를 정하는 10가지 요인

무선 신호 범위에 영향을 미치는 요소를 설명하는 부분의 사진입니다.

통신 범위는 무선 네트워크에서 두 안테나 사이에 통신할 수 있는 최대 거리로 정의합니다. 다만 범위는 거리만으로 판단하면 안 됩니다. 중요한 고려 사항은 다음과 같습니다.

• 장애물, 지형, 전파 물리학이 모두 범위에 영향을 줍니다.
• 주파수 대역과 임피던스 등을 고려한 안테나 설계도 요인입니다.
• 노이즈도 중요한 요소입니다. 붐비는 파티에서 누군가의 소리를 듣기 어렵듯이, 무선 노이즈가 많은 환경에서는 무선 신호를 고르기 어렵습니다.

네트워크의 장치가 얼마나 잘 통신하는지에 영향을 줄 수 있는 요인은 다음 10가지입니다.

1. 처리량(Throughput)

IoT에서는 원격지에서 소량의 데이터를 통신해야 하는 경우가 많습니다. 데이터 처리량은 범위에 상당한 영향을 줍니다. 빠른 데이터 전송률은 성공적인 복조(demodulation)를 위해 노이즈 대비 더 높은 신호가 필요해서, 전송률이 오르면 장치 간 효과적인 통신 범위가 줄어들 수 있습니다.

시끄러운 방에서 누군가 매우 빠르게 말하면 알아듣기 어렵지만 속도가 느려지면 이해하기 쉬운 것과 비슷합니다. 많은 IoT 장치는 하루에 한 번 정도 단일 센서 값을 보내는데, 이 데이터를 낮은 비트 전송률로 보내면 훨씬 더 멀리서도 감지됩니다.

2. 전력(Power)

무선 신호는 유선으로 전달되는 메시지와 달리 가속 방식으로 감쇠하기 때문에 많은 전력이 필요합니다. 소스에서 나온 무선 신호는 수영장의 물결처럼 빠르게 퍼져 나가며 역제곱 법칙에 따라 소리와 전파가 감쇠합니다. 거리를 두 배로 늘릴 때마다 4배의 전력이 필요해, 장거리 횡단은 짧은 거리보다 훨씬 많은 에너지를 씁니다.

거리에 따른 전력 감쇠를 설명하는 부분의 그림입니다.

3. 노이즈(Noise)

RF 네트워크에서 신호는 장치 간에 전송되는 정보이고 노이즈는 그와 다른 것입니다. 신호 대 노이즈 비율은 신호 출력 수준과 노이즈 출력 수준을 비교하는 지표로, 무선 시스템의 범위를 정하는 중요한 요소입니다. 무선 범위는 신호가 이동할 수 있는 거리(무한)가 아니라 무선 신호와 노이즈를 확실하게 구별하는 것이기 때문입니다. 무선 노이즈는 자연 환경의 일부이며 다음을 포함합니다.

• 우주 배경 복사와 태양 간섭
• 번개 같은 대기 소스
• 전력선, 모터, 형광등, 스위치, 컴퓨터, 다른 무선 통신 같은 인적 소스

4. 주파수(Frequency)

저주파 무선 신호는 물체 주변에서 쉽게 회절되고 대기에 반사되어 유효 범위가 늘어날 수 있습니다. 그러나 주파수가 낮으면 대역폭이 제한되어 처리량도 제한됩니다. 고주파는 훨씬 높은 처리량을 지원하지만 장애물 주변에서 회절되기 어렵고 대기에 반사되지 않아 범위가 제한됩니다.

5. 자유 공간 손실(Free space loss)

무선 신호는 진공 상태에서도 공간을 지나 이동하므로 에너지가 더 넓은 영역으로 퍼지면서 신호가 줄어듭니다. 이 확산은 역제곱 법칙을 따르며 거리에 따른 기하급수적인 전력 손실을 설명합니다. 송신기와 수신기 사이의 거리를 줄이면 주어진 주파수에서 자유 공간 손실을 줄일 수 있습니다.

6. 회절(Diffraction)

무선 신호는 경로에서 물체를 만나면 산란되거나 회절됩니다. 에너지 일부는 물체 주위로 휘어지지만 나머지는 수신기에서 멀어져 손실됩니다. 날카로운 모서리는 신호를 더 많이 흡수하는 경향이 있는 둥근 물체보다 신호를 더 잘 회절시킵니다. 회절은 신호 경로에서 물체를 피해야 하는 많은 이유 중 하나입니다.

7. 다중 경로(Multipath)

우주 공간처럼 장애물 간섭이 없는 환경에서는 송신기에서 보낸 무선 신호가 표면이나 물체에 반사되지 않고 항상 직접 도착합니다. 지구에서는 상황이 더 복잡합니다. 시야가 확보되어도 일부 신호는 직접 도착하지만 다른 신호는 근처 물체와 지형에 반사되어 왜곡됩니다. 무선 프로토콜과 시스템은 일반적으로 일부 다중 경로 간섭을 해결하도록 설계되었고, 안테나를 높은 곳에 두고 장애물을 피하는 것도 도움이 됩니다.

8. 흡수(Absorption)

무선 신호는 감쇠 요소가 없으면 빈 공간을 무한한 거리까지 이동할 수 있지만, 물체를 만나면 에너지 일부가 흡수됩니다. 벽은 통과할 수 있어도 그 과정에서 감쇠합니다. 공기 중 습도는 무선 에너지를 흡수할 수 있어 고주파 신호를 방해하기에 충분합니다. 신호 경로의 나뭇잎과 기타 초목은 신호를 충분히 분산시켜 더 낮은 주파수에서 문제를 일으킬 수 있습니다.

9. 지형(Terrain)

언덕이나 산은 목적지에 도달하는 신호를 흡수, 회절, 반사하거나 완전히 차단할 수 있습니다. 지면 자체의 구성은 저주파에서 영향을 줄 수 있으며, 신호는 사막 같은 건조한 지역보다 호수, 바다, 늪에서 더 잘 전달됩니다. 안테나 사이의 대략 축구공 모양 영역인 프레넬 영역은 통신 성능을 높이기 위해 지형과 장애물이 최대한 없어야 합니다.

10. 안테나와 범위(Antennas and Range)

안테나는 전기 신호를 전파로 변환해 공중으로 정보를 보냅니다. 수신기에서는 전파가 컴퓨터가 이해할 수 있는 전기적 변형으로 다시 바뀝니다. 올바른 안테나를 올바르게 쓰는 것이 중요합니다. 잘못 고르면 통신 범위가 제한되고 배터리 전력이 낭비되며 잘 계획한 시스템을 제대로 지원하지 못할 수 있습니다. 자세한 내용은 Digi 가이드 10가지 안테나 설계 고려 사항을 참조하세요.

전원

통신 범위와 배터리 수명은 함께 설계

통신 범위와 배터리 수명 고려 사항을 설명하는 부분의 사진입니다.

무선 통신에서는 범위와 전력이 서로 얽혀 있습니다. 오늘날 많은 어플리케이션이 광대한 지역에 수천 개의 무선 장치를 배포하므로 배터리 관리에 드는 시간과 비용을 고려해야 합니다.

전원 관리

신중한 장치 전원 관리는 배터리 수명을 며칠에서 몇 년으로 늘릴 수 있습니다. 전력을 아끼는 가장 좋은 방법은 무선 범위를 어플리케이션 요구 사항에 맞추는 것입니다. 통신 범위가 더 짧은 프로토콜을 고르거나 전송 전력을 수동으로 제한해 통신 범위를 효과적으로 제한할 수 있다면 배터리 수명이 늘어납니다.

일부 프로토콜은 장치를 신뢰할 수 있는 범위 안에서 전송 전력을 동적으로 제한하는 적응형 데이터 속도 기능으로 전송 전력을 자동으로 제한합니다. 장치가 이동하거나 계절 단풍 변화, 무선 소음 환경의 일상적 변화처럼 시간이 지나며 무선 환경이 바뀔 때 특히 유용합니다.

절전 모드

에너지를 아끼고 배터리 수명을 늘리려고 IoT 장치는 필요하지 않을 때 절전 모드를 자주 씁니다. 절전 상태의 무선 통신 모듈은 일반적으로 어떤 전송도 수신하지 않습니다. 그러나 많은 IoT 활용 사례에서는 현장 장치가 송수신해야 합니다.

네트워크나 프로토콜 설계가 지원하면 저장 후 전달 방법을 쓸 수 있습니다. 특정 프로토콜에서는 "상위" 무선 노드가 절전 중인 "하위" 무선 노드가 깨어나 요청할 때까지 그 노드로 가는 전송을 임시로 저장합니다. 다른 프로토콜에서는 중앙 네트워크 서버가 상위 역할을 하며 원격 장치의 웨이크업을 감지했을 때만 메시지를 전달합니다. 전력 관리를 알맞게 하면 배터리와 태양열 시스템만으로 유지보수 없이 여러 해 동안 장치가 작동할 수 있습니다.

제품군

무선 범위별 Digi 제품군

무선 범위별 Digi 제품군 소개 이미지입니다.

Digi XBee 무선 모듈은 다양한 IoT 어플리케이션과 환경에 맞게 여러 범위에서 사용합니다. Digi XBee 플랫폼은 일반적인 물리적 폼 팩터, 공유 인터페이스, 수십 년의 안정성으로 사무실 안에서부터 전 세계까지 환경에 상관없이 무선 네트워킹 분야의 선두 주자로 자리매김했습니다. 최근에는 Digi LoRaWAN 제품이 추가되어 제품군이 더 넓어졌습니다. XBee 제품군은 XBee 구매 가이드에서, Digi LoRaWAN은 장치-클라우드 제품 소개 기사에서 더 볼 수 있습니다.

1. 근거리 통신

근거리 무선 통신 모듈을 설명하는 부분의 사진입니다.

근거리 무선 통신은 전력, 크기, 열, 비용을 최소한으로 유지합니다. 주거용 에너지 모니터링, 상업용 건물 자동화, 고밀도 온실 감지에 알맞습니다. 메시 네트워킹을 쓰면 메시지가 목적지로 가는 도중 모듈 사이를 호핑해 개별 무선 장치의 범위보다 훨씬 큰 네트워크를 만들 수 있습니다. 장점이 많아 IoT 어플리케이션을 검토할 때 가장 먼저 고려할 범주입니다.

Digi XBee 3 (Regular Power) - Zigbee, DigiMesh and 802.15.4: 세 가지 무선 네트워킹 프로토콜과 BLE, 온보드 프로그래밍 기능을 지원하는 작은 단일 모듈입니다. 시야 범위가 4,000피트여서 가정 자동화, 산업 제어, 환경 감지에 알맞습니다. 단거리 통신과 중간 대역폭이 긴 배터리 수명을 지원하고, 메시 옵션을 쓰면 대규모 가정이나 소규모 야외 농장을 포괄하는 개별 노드 범위보다 큰 네트워크를 구성할 수 있습니다.

Digi XBee Wi-Fi: 가장 인기 있는 무선 네트워킹 기술 중 하나를 Digi XBee 플랫폼에 더한 Wi-Fi 임베디드 모듈입니다. 표준 Wi-Fi 범위(300피트)와 뛰어난 처리량으로 근처 모든 기지국과 상호 운용됩니다. Wi-Fi는 전력 소모가 많은 프로토콜이라 추가 비용과 프로비저닝 복잡성이 따르는데, 기존 네트워크에 장치를 추가하는 데 알맞습니다. 시간이 지나며 바뀌는 여러 인증 설정을 관리할 자원이 프로비저닝 계획에 충분히 포함되어 있는지 확인하세요.

Bluetooth Low Energy (Digi XBee 3 라인): 모든 Digi XBee 3 모듈은 선택한 기본 프로토콜 외에 BLE를 통합합니다. BLE는 스마트폰에서 흔히 볼 수 있어 모듈을 구성하거나, 배터리로 구동되는 무선 센서의 데이터를 기록하거나, 위치 비콘을 만드는 쉬운 방법입니다. 일반적으로 범위가 매우 짧지만(300피트 이하) 전력을 매우 적게 써서 IoT의 보조 프로토콜로 알맞습니다.

2. 중거리 통신

중거리 무선 통신 모듈을 설명하는 부분의 사진입니다.

중거리 무선 통신은 근거리보다 전력을 더 쓰고 열이 더 나며 일반적으로 비용도 더 듭니다. 더 먼 거리나 메시 네트워크가 더 넓은 영역을 덮어야 할 때 알맞습니다. 이런 프로토콜 중 상당수는 라이선스가 없는 1GHz 미만 주파수를 쓰지만 지역에 따라 다르므로 규정 준수에 더 주의해야 합니다. 태양광 분야, 도시 조명 제어, 원격 장비 모니터링이 중거리 모듈의 IoT 사용 사례입니다.

Digi XBee3-PRO(고전력) - Zigbee, DigiMesh 및 802.15.4: Digi의 가장 작은 무선 네트워킹 모듈의 고전력 버전으로 BLE와 온보드 프로그래밍 기능이 있습니다. 2마일(약 3.2km)의 현장 범위로 건물 자동화, 공장 전체 제어, 스마트 도시, 대규모 농업 감지에 알맞습니다. 일반 전원 버전보다 배터리를 더 쓰지만 여러 절전 옵션으로 줄일 수 있고, 배터리 수명과 비용을 최적화하려고 고전력과 저전력 모듈을 섞어 네트워크를 구성할 수도 있습니다.

Digi XBee-PRO 900HP: 넓은 영역에 걸친 많은 협력 노드를 네트워크로 묶는 메시 네트워크 옵션과 함께 고이득 안테나 사용 시 최대 28마일(약 45km)의 범위를 지원합니다. 900MHz 주파수는 북미와 몇몇 국가에서만 사용할 수 있고 처리량이 매우 낮지만, 사용 환경의 요구 사항과 맞으면 알맞은 선택입니다.

Digi XBee-PRO XSC: Digi의 레거시 9XStream 라디오와 상호 운용됩니다. 표준 XBee의 스루홀(through-hole) 방식을 유지하면서 낮은 대역폭에서 최대 28마일(약 45km) 가시거리의 넓은 범위를 지원합니다. 새 설계에는 처리량 유연성이 더 높은 최신 모델 Digi XBee-PRO 900HP를 권장합니다.

3. 장거리 통신

장거리 무선 통신 모듈을 설명하는 부분의 사진입니다.

먼 거리를 덮어야 하면 장거리 무선 통신 프로토콜이 필요합니다. IoT는 배터리로 동작해야 하는 경우가 많아, 긴 통신 범위를 유지하면서 낮은 처리량으로 전력을 아끼는 것이 일반적입니다. 스마트 도시 프로젝트, 산업 캠퍼스 모니터링, 원격 채굴·시추, 광역 농업 시스템이 대표적인 어플리케이션이며, 보낼 데이터가 매우 작지만 먼 거리를 가야 할 때 특히 그렇습니다.

Digi XTend 900MHz: XBee 표면 실장 형식과 이전 9XTend 설치 공간 모두에서 쓸 수 있으며, 둘 다 Digi의 레거시 9XTend와 상호 운용되도록 설계되었습니다. 장거리 통신 범위(가시거리 40마일/약 64km)가 있어 전력 요구 사항이 상당한 광업·시추 작업, 태양열 충전 배터리를 유지하려고 절전을 구현하는 중장비 모니터링, 원격 기상 관측소에 알맞습니다.

Digi XBee-PRO SX 900/868: Digi XBee 에코시스템의 "중요 모듈"로, 저전력 미션 크리티컬 무선 시스템을 만드는 데 뛰어난 안정성과 이중화를 지원합니다. 옵션인 메시 네트워킹으로 매우 넓은 영역(최대 65마일/약 104km 가시선)을 포괄하는 네트워크를 만들 수 있습니다. 짧은 범위 제품보다 전력이 많이 필요하고 거리가 멀어질수록 처리량이 제한됩니다. 그래도 확장된 범위, 강력한 간섭 차단, 노이즈 플로어 아래에서도 통신하는 기능을 갖춰 뛰어난 IoT 제품입니다.

Digi LoRaWAN: Digi 라인에 가장 최근 추가된 LoRaWAN 모듈과 게이트웨이 키트입니다. 무선 통신의 센서와 게이트웨이를 위한 전용 제품을 지원합니다. LoRa 무선 변조는 건물, 초목, 산업 기계처럼 RF 간섭이 높은 영역의 장애물을 통과할 수 있는 비가시선 기술입니다.

LoRaWAN은 국가 규정에 따라 주로 900MHz, 868MHz, 400MHz에서 작동하는 글로벌 표준으로 LoRa 변조 방식의 특정 구성을 씁니다. LoRaWAN 센서는 저전력 양방향 통신으로 가시 거리 최대 100km까지 통신하며, 일반적인 비가시선 어플리케이션은 최대 20km입니다. 게이트웨이는 여러 장치를 연결하는 고성능 전원 시스템이고, Digi X-ON 같은 클라우드 플랫폼으로 관리해 대규모로 확장할 수 있습니다.

LoRaWAN은 작은 페이로드와 게이트웨이당 최대 수천 개 장치에 맞춰져 있으며 저전력 배터리 작동이나 저지연 전원 작동으로 구성할 수 있습니다. 유틸리티, 농업, 산업 시스템처럼 분산된 실외 인프라에 알맞습니다. Digi X-ON 클라우드는 LoRaWAN 무선 시스템을 관리하고 장치와 게이트웨이의 자동화된 프로비저닝과 배포 기능도 지원합니다.

4. 셀룰러: 혼용과 범위 확장

셀룰러 모듈을 설명하는 부분의 사진입니다.

개별 셀룰러 모듈의 범위는 크지 않지만, 전 세계 모바일 네트워크 커버리지 덕분에 거의 어디에 배치한 장치든 전 세계 다른 장치와 통신할 수 있어서 셀룰러 범위를 다른 프로토콜과 비교하기는 항상 까다롭습니다. 새 프로토콜은 배터리 수명에 대한 고민을 줄이고 절전 모드로 전력을 아끼는 방법을 개선하고 있습니다. 모바일 데이터 요금제가 필요하지만 IoT의 저대역폭, 적은 데이터량 요구에 맞춰 비용이 크게 줄었습니다.

셀룰러는 모바일 어플리케이션이나 자체 무선 네트워크 인프라를 구축하기 어려운 환경에 알맞습니다. 선적 컨테이너 추적, 자동 판매기 모니터링, ATM의 환율·통화 계산에서 셀룰러 모듈은 적은 예산으로 전 세계에 적용할 수 있습니다.

Digi XBee 3 셀룰러 Cat 1: 이 LTE Cat 1 모듈은 5-7마일(약 8-11km) 가시 거리, 온보드 프로그래밍 기능, BLE, 프로젝트 출시 시간을 줄이는 친숙한 Digi XBee 인터페이스를 지원합니다. Cat 1 처리량은 비디오 같은 미디어에는 부족하지만 상당한 양의 데이터를 보내야 하는 IoT 프로젝트에는 알맞습니다. 데이터 요금제는 저비용이고 SMS 같은 기술이 포함되어 개발 유연성이 높습니다. 사전 활성화된 SIM을 선택해 쓸 수 있어 불편 없이 제품을 고를 수 있습니다.

Digi XBee 3 셀룰러 LTE-M/NB-IoT: Cat 1과 마찬가지로 5-7마일(약 8-11km) 범위, 온보드 프로그래밍 기능, BLE, 친숙한 인터페이스를 지원합니다. LTE-M과 NB-IoT 프로토콜은 모두 저비용, 저전력 소비가 필요한 저대역폭 IoT 어플리케이션을 지원하도록 설계되었습니다. 두 프로토콜의 데이터 요금제는 저렴하고, 새 셀룰러 절전 옵션을 쓰면 장치 배터리를 몇 달 이상 사용할 수 있습니다. 사전 설치된 SIM을 선택해 쓸 수 있어 IoT 장치를 공장에서 바로 사용자에게 전달할 수 있으므로 배포가 간편합니다. Digi의 IoT 라인업에서 미래 지향적인 모듈 중 하나입니다.

5. 결합: 근거리 + 장거리

때로는 여러 연결 유형을 함께 결합하는 것이 가장 좋습니다. 예를 들어 원격 환경 감지 어플리케이션에서는 Zigbee 또는 DigiMesh 단거리 네트워크로 석유 굴착 장치처럼 상대적으로 작은 영역을 촘촘히 구성하고, Digi XBee-PRO SX 같은 장거리 무선 통신으로 멀리 떨어진 제어 센터에 데이터를 모으는 방식이 좋습니다. 외진 곳이 아니라면 셀룰러도 좋은 선택이 될 수 있습니다. 같은 네트워크에서 로컬 스마트폰으로 센서와 직접 통신하는 매우 짧은 범위의 BLE도 구현할 수 있습니다. 여러 프로토콜을 결합해 각각이 가장 잘 수행하게 하는 것이 이상적인 IoT 구성을 만드는 가장 좋은 방법입니다.

아래 차트는 프로토콜, 데이터 속도, 전력 소비량의 개요입니다. 출처는 Behr Tech입니다.

프로토콜, 데이터 속도, 전력 소비량을 비교한 차트입니다.

선택

프로젝트에 맞는 무선은 환경이 정합니다

무선 신호가 얼마나 멀리 갈지는 "그 환경에 달려 있습니다." 환경, 건축 자재, 지형, 반사, 날씨, 안테나, 전송 전력, 프로토콜, 주파수, 특히 신호 대 잡음비가 모두 작용합니다. 최적의 해결책을 찾으려면 먼저 다음 변수를 점검하세요.

• 사용 사례가 실내입니까, 실외입니까?
• 어플리케이션이 이동형입니까, 고정형입니까?
• 어느 정도 거리를 덮어야 합니까?
• 전송할 데이터의 크기와 빈도는 어떻게 됩니까?
• 주변에 무선 노이즈가 많습니까?
• 전원이 배터리에서 공급됩니까, 아니면 장치를 주 전원에 연결할 수 있습니까?
• 몇 개의 장치 또는 노드가 함께 연결됩니까?
• 어떤 유형의 건물 구조나 실외 지형을 예상합니까?
• 세계 어느 지역에 장치를 배치합니까?
• 시스템 비용은 얼마이고, 이보다 더 좋은 투자 수익을 지원할 수 있습니까?

Digi는 어떤 무선 통신 거리가 필요하든 최대한의 통신 거리를 확보하도록 돕는다고 밝힙니다. 자세한 내용은 IoT 기기 역할 개요와 아키텍처 선택 가이드에서 볼 수 있습니다.

관련 제품

• Digi XBee-PRO 900HP, TH 타입
• Digi XTend 900MHz 모듈
• Digi LoRaWAN 스타터 키트
• XBee3 LTE-M/NB-IoT 글로벌 셀룰러 모뎀

자주 묻는 질문

참고 자료

• Rob Faludi, Head of Product, Perceptive Things / Digi International 블로그 (December 10, 2021)
• Digi, 10가지 안테나 설계 고려 사항
• Digi XBee 구매 가이드
• Behr Tech 블로그