Granite River Labs, GRL
Stanislas Charles
완벽한 IoT 프로토콜을 선택하는 것은 이상적인 집 인테리어를 찾는 것과 비슷합니다. 누구에게 물어보는지, 구체적인 요건이 무엇인지에 따라 답이 달라질 수 있습니다. Thread, Zigbee, Bluetooth, Wi-Fi, Matter 중 어떤 것을 선택하든 전력 소비, topology, 지연 시간, 확장성, 상호 운용성, 비용 등 각 IoT 아키텍처가 제공하는 다양한 기능을 이해하면 필요에 가장 적합한 것을 결정하는 데 도움이 될 것입니다.
아직 어떤 IoT 네트워크를 선택해야 할지 고민 중이라면, 각 네트워크의 장단점, 오버레이되는 Matter 애플리케이션 레이어 프로토콜과의 상호 작용하는 방식, 다른 연결된 디바이스와의 호환성에 대해 자세히 분석해 볼 수 있는 기회입니다.
IoT 프로토콜이 전력 소비 및 장치 적합성에 미치는 영향
IoT 네트워크가 빠르게 채택됨에 따라 배터리로 작동하는 센서와 디바이스의 사용량도 급증하고 있습니다. 따라서 전력을 절약하면서 우수한 성능을 제공할 수 있는 IoT 프로토콜에 대한 필요성이 증가하고 있습니다.
IoT 프로토콜의 설계는 전력 소비 수준에 직접적인 영향을 미치며, 이는 다시 디바이스 성능에 큰 영향을 미칩니다. 따라서 최적의 성능을 보장하고 배터리 수명을 보존하기 위해서는 특정 디바이스 사용에 적합한 IoT 프로토콜을 선택하는 것이 무엇보다 중요합니다.
Thread 전력 소비
Thread는 배터리로 작동하는 IoT 기기에 적합한 저전력 프로토콜로 설계되었습니다. 낮은 듀티 사이클, 절전 노드, 에너지 효율적인 라우팅과 같은 메커니즘을 사용하여 전력 소비를 최소화합니다. Thread 디바이스는 절전 모드를 최적화하고 유휴 시간 동안 에너지 사용을 줄임으로써 배터리 수명을 늘릴 수 있습니다.
Zigbee 전력 소비
Zigbee는 저전력으로 작동하는 것으로도 잘 알려져 있지만, 소프트웨어 스택이 더 크기 때문에 Thread보다 전력을 더 많이 소비하는 경향이 있습니다. 주로 배터리로 구동되는 디바이스에 사용되는 Zigbee는 낮은 듀티 사이클, 절전 모드, 효율적인 네트워크 라우팅을 통해 디바이스 배터리 수명을 연장할 수 있습니다. 올바른 설계와 구현을 통해 Zigbee의 더 높은 전력 수준을 우회하여 전력 소비를 최적화할 수 있습니다.
Wi-Fi 전력 소비
Wi-Fi는 Thread나 Zigbee와 같은 저전력 대체 프로토콜에 비해 상대적으로 전력 소비가 높은 IoT 프로토콜입니다. Wi-Fi 라디오와 디바이스는 데이터 전송을 위해 더 빈번한 통신과 활성 연결이 필요하므로 전력 소비가 증가하기 때문입니다. 하지만 Wi-Fi 절전 모드(PSM)와 같은 절전 기능을 사용하면 Wi-Fi 디바이스의 전력 소비를 최소화할 수 있습니다.
Bluetooth 전력
Bluetooth, 특히 BLE(Bluetooth Low Energy)는 전력 효율이 높고 저전력 IoT 애플리케이션에 적합하도록 설계되었습니다. BLE 디바이스는 절전 모드, 효율적인 데이터 전송, 저전력 유휴 상태를 활용하여 에너지를 절약합니다. Bluetooth의 확장성과 낮은 전력 소비 수준은 단거리 연결에 의존하는 배터리 구동식 IoT 디바이스 사이에서 인기 있는 옵션입니다.
IoT topology가 데이터 트래픽에 미치는 영향
IoT 토폴로지는 IoT 네트워크 내에서 서로 다른 개체와과 연결이 상호 작용하는 방식을 의미합니다. 토폴로지는 트래픽, 확장성, 전력 소비, 심지어 멀웨어가 네트워크를 장악하는 속도와 같은 수많은 요소에 영향을 미칩니다. 따라서 다양한 유형의 IoT 토폴로지와 그 작동 방식을 이해하는 것은 네트워크를 배포하고 유지 관리하는 데 매우 중요합니다.
Thread 및 Zigbee의 메시 네트워크 토폴로지
Thread와 Zigbee는 장치가 비계층적 방식으로 직접 연결되어 네트워크 전반에서 데이터를 라우팅하는 메시 네트워크 토폴로지를 활용합니다. 이를 통해 디바이스는 데이터를 수신할 뿐만 아니라 다른 디바이스로 데이터를 전송하는 중개자 역할도 수행할 수 있습니다.
따라서 이러한 프로토콜은 광범위한 커버리지를 갖춘 매우 안정적인 네트워크를 구축하므로 다른 무선 프로토콜에서 일반적으로 요구되는 것처럼 멀리 떨어진 디바이스에 무선 신호를 재전송하기 위한 전용 리피터를 추가로 설치할 필요가 없습니다.
Wi-Fi의 스타 토폴로지
Wi-Fi는 모든 장치가 서버처럼 작동하는 중앙 허브 또는 라우터에 연결되고 연결 노드는 클라이언트처럼 작동하는 스타 토폴로지를 활용합니다. 중앙 노드는 연결 노드로부터 패킷을 수신하면 네트워크의 다른 노드에 패킷을 전달할 수 있습니다. 상대적으로 움직이지 않고 유지 관리 비용이 많이 들지만, 스타 토폴로지는 중앙 집중식으로 설계되어 사용자 친화적이며 하나의 디바이스나 케이블에 장애가 발생하더라도 계속 작동할 수 있습니다.
Matter의 하이브리드 토폴로지
Matter는 Thread의 메시 네트워크 토폴로지와 Wi-Fi의 스타 토폴로지를 결합하여 두 토폴로지 모두에서 작동합니다. Thread 경계 라우터를 사용하는 Matter 네트워크는 하이브리드 네트워크를 생성하여 사용자가 두 토폴로지 유형의 이점을 모두 누릴 수 있도록 합니다.
그림 1: Mater IoT 네트워크 토폴로지와 해당 Wi-Fi 및 Thread 구성 요소
일반적인 IoT 프로토콜의 범위 및 데이터 속도
대부분의 스마트 홈 사용 사례에서 Zigbee, Thread, Bluetooth 및 Wi-Fi와 같이 널리 사용되는 IoT 프로토콜은 평균적인 가정 환경 내에서 단거리에서 중거리에 최적화된 유사한 범위의 기능을 제공합니다. 즉, 연결된 IoT 디바이스는 이러한 IoT 프로토콜을 사용하여 방 전체, 심지어 층간에도 효과적으로 통신할 수 있습니다.
환경적 요인이 절대적인 네트워크 범위에 영향을 미칠 수 있지만, 일반적으로 상대적으로 적은 양의 데이터를 사용하는 평균적인 홈 자동화 시나리오에서는 이러한 차이가 무시할 수 있는 수준입니다. 스마트 디바이스 제어, 센서 모니터링, 홈 자동화 시스템 관리에 적합한 안정적이고 효율적인 네트워크를 제공하는 데 있어서는 주요 IoT 프로토콜이 적합할 것입니다.
그림 2: Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee 및 Thread 간의 데이터 속도 및 범위 비교 그래프
일반적인 IoT 프로토콜의 대기 시간
24개의 가정용 디바이스에서 메시 네트워크 Bluetooth, Thread, Zigbee의 연결성을 비교한 Silicon Labs 벤치마크에 따르면, Thread는 피크가 작고 확산이 적은(100ms 미만) 소형 및 중간 페이로드에서 가장 우수한 성능을 보였습니다. 작은 페이로드의 경우, 세 네트워크 모두 최대 90ms까지 확산되어 시장 목표인 200ms에 훨씬 못 미쳤습니다. 보통 페이로드의 경우, 대부분의 패킷이 80밀리초 지연 시간을 수신하고 최대 130밀리초까지 확산되는 Zigbee가 가장 우수한 성능을 보였습니다. Bluetooth 지연 시간은 20~200ms 사이에서 가장 큰 편차를 보였습니다.
그림 3 : Zigbee, Thread 및 Bluetooth 멀티캐스트 대기 시간 24노드 네트워크 - 작은 페이로드
그림 4 : Zigbee, Thread 및 Bluetooth 멀티캐스트 대기 시간 24노드 네트워크 - 보통 페이로드
Source: Silicon Labs
다양한 IoT 프로토콜의 확장성
확장성은 사람들이 IoT 네트워크 설치를 고려할 때 가장 먼저 고려하는 사항 중 하나일 것입니다. 단순히 범위의 문제를 넘어 보안, 셀룰러 커버리지, 디바이스 연결성을 염두에 두고 효과적인 확장이 이루어져야 합니다. 또한 단순히 확장하는 것뿐만 아니라 쉽게 축소할 수 있을 만큼 유연한 네트워크를 구축하는 것의 어려움도 고려해야 합니다.
Thread 메시 네트워크
Thread의 메시 네트워킹은 확장성을 염두에 두고 설계되었습니다. 디바이스가 릴레이 역할을 할 수 있으므로 네트워크 범위를 쉽게 확장하여 많은 수의 디바이스를 처리할 수 있습니다. Thread 네트워크는 최대 수백 개 또는 수천 개의 디바이스를 수용할 수 있으므로 대규모 IoT 배포에 적합합니다.
Zigbee
Zigbee는 확장성이 뛰어난 IEEE 802.15.4 무선 메시 프로토콜을 사용하므로 많은 수의 디바이스가 관련된 애플리케이션에서 널리 사용됩니다. Zigbee 네트워크는 메시 네트워킹 기능과 효율적인 프로토콜 덕분에 수백, 수천 개의 디바이스를 지원할 수 있습니다.
Wi-Fi
Wi-Fi 네트워크는 Wi-Fi 인프라가 널리 보급되어 있어 확장성이 상대적으로 높기 때문에 전통적으로 가정에 많이 구축되어 있습니다. Wi-Fi 네트워크는 많은 수의 디바이스를 처리할 수 있지만, 더 많은 액세스 포인트를 배포하거나 특정 Wi-Fi 표준에서 제공하는 메시 네트워킹 옵션을 활용하여 네트워크 규모를 확장해야 합니다. 평균적으로 Wi-Fi 네트워크는 Zigbee 및 Thread에 비해 더 많은 전력을 소비합니다.
Bluetooth
Bluetooth, 특히 BLE(Bluetooth Low Energy)는 본질적으로 수많은 디바이스를 사용하는 대규모 배포를 위해 설계되지 않았습니다. Bluetooth는 여러 디바이스를 지원할 수 있지만, 주로 개인 디바이스, 센서 또는 액세서리와 같이 근접한 곳에 있는 제한된 수의 디바이스를 연결하는 데 중점을 둡니다.
IoT 상호 운용성
IoT 맥락에서 상호 운용성이란 시스템이 시스템 간에 의미 있고 실행 가능한 정보를 전송할 수 있는 기능을 의미합니다. 진정한 상호 운용성을 갖추려면 IoT 네트워크는 데이터를 전송할 수 있는 물리적 통신 인프라(기술적 상호 운용성), 특정 유형의 데이터를 공유할 수 있는 공유 구문(구문 상호 운용성), 전송된 데이터를 해석할 수 있는 시맨틱 IoT 배포를 갖춰야 합니다.
Thread
Thread는 모든 Thread 인증 기기가 연결하고 통신할 수 있는 공통 프로토콜을 제공함으로써 Thread 네트워크 내의 기기 간에 상호 운용성을 지원하도록 설계되었습니다. 그러나 Thread 에코시스템 외부의 장치와 상호 운용하려면 추가 브리지 또는 게이트웨이가 필요할 수 있습니다.
Zigbee
Thread와 유사하게, Zigbee 네트워크는 Zigbee 인증 장치가 네트워크 내에서 함께 작동할 수 있도록 합니다. 인증은 Zigbee 사양 준수 여부에 따라 부여됩니다. 궁극적으로 Thread와 Zigbee 네트워크의 실행 가능성은 각 에코시스템의 시장 보급률과 최종 소비자가 요구하는 지원 디바이스 유형에 따라 달라집니다.
Wi-Fi
Wi-Fi는 여러 디바이스와 제조업체에서 가장 광범위하게 상호 운용성을 지원하는 기술일 것입니다. 서로 다른 제조업체의 Wi-Fi 지원 디바이스는 공통 Wi-Fi 표준과의 호환성만 충족하면 Wi-Fi 네트워크에 연결하여 서로 통신할 수 있습니다. 따라서 스마트폰, 노트북, IoT 디바이스, 기타 네트워크에 연결된 디바이스 등 다양한 Wi-Fi 디바이스 간의 상호 운용성이 가능합니다.
Bluetooth
Bluetooth는 단거리 디바이스 연결을 위한 뛰어난 상호 운용성을 지원합니다. 스마트폰, 태블릿, 오디오 장치, IoT 장치를 포함한 Bluetooth 장치는 일반적으로 제조업체에 관계없이 네트워크를 통해 서로 통신할 수 있습니다. Bluetooth의 표준화된 프로필과 프로토콜은 오디오 스트리밍, 파일 전송, 디바이스 제어 등 다양한 사용 사례에 대한 상호 운용성을 보장합니다.
Matter
Matter는 Thread, Wi-Fi, 이더넷과 같은 기본 기술의 장점을 결합하여 스마트 홈 장치 간의 상호 운용성을 향상시키는 것을 목표로 하는 비교적 새로운 IoT 프로토콜입니다. 서로 다른 제조업체의 Matter 인증 디바이스는 기본 네트워크 프로토콜에 관계없이 공통 애플리케이션 계층을 사용하여 서로 통신할 수 있습니다.
IoT 네트워크 배포 시 비용 고려 사항
IoT 네트워크 커스터마이징은 총 비용의 70~80%까지 차지할 수 있으므로, 지금까지 공유한 정보를 바탕으로 다양한 IoT 네트워크가 어떤 기능을 제공할 수 있는지 확실히 이해하는 것이 중요합니다. 올바른 IoT 네트워크 기반을 선택하면 커스터마이징에 소요되는 시간과 리소스를 크게 절약할 수 있습니다.
Thread
저전력, 저데이터 전송률 프로토콜인 Thread는 비교적 저렴한 하드웨어 구성 요소로 구현할 수 있습니다. 이는 Thread가 저렴한 무선 모듈에서 널리 지원되는 2.4GHz 주파수 대역에서 작동한다는 사실에 더욱 도움이 됩니다. 그러나 Thread 지원 디바이스 자체의 비용은 원하는 특정 하드웨어 요구 사항과 기능에 따라 달라질 수 있습니다. Thread 인증과 관련된 추가 라이선스 비용도 고려해야 하며, 이는 일반적으로 Thread 그룹 멤버십을 통해 관리됩니다.
Zigbee
Zigbee는 저렴한 비용으로 구현할 수 있어 다양한 애플리케이션에 널리 사용되는 IoT 네트워크입니다. Zigbee 지원 하드웨어 구성 요소는 널리 사용 가능하며 비교적 저렴합니다. Thread에서 사용하는 2.4Ghz 주파수 대역 외에도, Zigbee는 저렴한 무선 모듈에서 흔히 볼 수 있는 서브-GHz 주파수 대역도 사용합니다. Zigbee 배포의 전체 비용은 디바이스 수, 네트워크 인프라 요구 사항, 원하는 추가 기능 또는 인증에 따라 달라질 수 있습니다.
Wi-Fi
Wi-Fi는 다양한 가격대의 광범위한 하드웨어 옵션이 제공되는 널리 채택된 프로토콜입니다. Wi-Fi 모듈과 칩은 일반적으로 널리 사용되고 제조업체 간 경쟁이 치열하기 때문에 가격이 저렴합니다. 그러나 Wi-Fi 배포 비용은 액세스 포인트 수, 네트워크 인프라 요구 사항, 특정 Wi-Fi 기능 또는 인증과 관련된 잠재적 라이선스 비용 등의 요인에 의해 영향을 받을 수 있습니다.
Bluetooth
Wi-Fi와 함께 Bluetooth는 다양한 저가 하드웨어 옵션에서 지원되는 네트워크로, 많은 IoT 애플리케이션에 비용 효율적인 선택이 될 수 있습니다. Bluetooth 모듈과 칩은 일반적으로 널리 채택되어 있기 때문에 저렴한 가격에 구입할 수 있습니다. Bluetooth 배포의 전체 비용은 디바이스 수, 통합 요구 사항 및 원하는 추가 기능에 따라 달라질 수 있습니다.
IoT 네트워크 인증 및 회비
배포 비용 외에도 IoT 배포의 총 비용을 계산할 때 멤버십 및 인증 수수료도 고려해야 합니다. 아래에서 수수료 표를 요약하여 확인할 수 있습니다.
* 위에 나열된 수수료에는 테스트 또는 타사 서비스와 관련된 비용(예: Bluetooth Qualification Expert 지원 수수료)이 포함되어 있지 않습니다.
진화하는 연결 환경에서 IoT 프로토콜 이해
결론적으로, 스마트 디바이스와 상호 연결된 시스템의 진화하는 환경을 탐색하기 위해서는 Zigbee, Bluetooth, Thread, Wi-Fi, Matter와 같은 IoT 프로토콜 간의 차이점을 이해하는 것이 필수적입니다. Zigbee, Bluetooth, Thread, Wi-Fi와 같이 오랫동안 확립된 프로토콜은 각각 고유한 강점과 전문 분야를 가지고 있습니다. Zigbee는 저전력 메시 네트워킹 애플리케이션에 탁월하며, Bluetooth는 단거리 개인 디바이스를 위한 원활한 연결을 제공합니다. Thread는 강력하고 안전한 통신을 제공하며 Wi-Fi는 빠른 데이터 전송 속도와 폭넓은 디바이스 호환성을 제공합니다.
Thread 및 기타 기술을 기반으로 구축된 Matter의 등장은 IoT 분야의 유망한 발전을 의미합니다. Matter는 상호 운용성을 간소화하고, 디바이스 통합을 단순화하며, 스마트 홈 생태계를 강화하는 것을 목표로 합니다. Thread 및 Wi-Fi와 같은 기존 프로토콜을 활용하여 서로 다른 제조업체의 디바이스 간의 격차를 해소하고 통합된 원활한 사용자 경험을 제공하는 것이 Matter의 목표입니다.
About the author
Stanislas Charles
무선 및 RF 테스트 분야에서 7년 이상의 경험을 가진 Charles는 Bluetooth, Zigbee, Thread, Matter와 같은 다양한 프로토콜 분야의 전문가로서 항상 고객의 Matter 및 Thread 테스트 요건에 대한 질문과 문제 해결을 지원합니다.
