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산림지역 내에서의 IoT 기반의 서비스에는 다음과 같은 것들이 있다.

표 1에서 제시한 IoT 기반 산림지역의 다양한 서비스 지원을 위한 IoT 네트워크 구축방법을 크게 나누면 산림청 자체 네트워크를 구축하는 방법과 통신기업에서 제공하는 상용 네트워크에 가입하여 사용하는 방법이 있다

산림지역의 ICT 서비스를 지원하기 위한 독립적인 네트워크를 구축하는 방법에는 BLE, Zigbee와 LoRa 등의 게이트웨이를 이용하는 방법, 저전력 장거리 통신기술인 LPWA 중에 LoRa 단말기 및 AP를 이용하는 방법, 그리고 WiFi 무선 랜을 이용하는 방법이 있다.

LoRa의 경우 LTE-M보다 대역폭이 좁지만 전력소모가 적어 5년 이상의 배터리 수명을 갖도록 모듈을 제작할 수 있는 장점과 원거리 전송이 가능한 장점이 있다. 900Mhz대 주파수를 사용하므로 굴절 및 회절도가 높아 수신 감도가 뛰어나며 통신 범위는 도심지역 기준 LoRa는 반경 2~15km, 교외 최대 30km, 지하 및 실내에서는 1~3km 수준이다. 또한, 게이트웨이 당 많은 IoT 기기가 접속 가능하며, 전송속도는 250bps에서 최대 50Kbps 수준으로 원격검침 및 모니터링 등에는 충분한 성능이다. 단점은 비면허 대역이라 주파수 간섭이 일어날 가능성이 높고, 대역폭이 좁아 음성급 이상의 서비스에는 무리가 있다는 것이다[4]-[8].

그림 1은 LoRa를 이용하여 표 1에서 제공하는 서비스 들을 산림청 자체적으로 IoT네트워크를 구축하는 네트워크 구성도이다. 이 시나리오의 경우, 음성급 이상의 대역폭이 필요한 서비스들은 지원할 수 없는 한계가 있다.

Fig. 1. 
Block diagram of self-implementing IoT network

그림 2는 본 연구의 IoT 기반 산림서비스를 지원하기 위한 단말기의 구성도이다. 산림지역의 ICT 서비스 단말기는 GPS, 움직임센서, 기울기 센서를 포함하는 센싱부와 LoRa, 블루투스, NFC를 포함하는 통신모듈 그리고 배터리 처리 모듈로 구성되어 있다.

Fig. 2. 
Structure of forest service terminal

한편 LoRa를 이용하는 자체 네트워크 구축방법에는 LoRa 모듈을 탑재한 드론중계기를 이용하는 시나리오가 가능하다. 드론을 이용하는 경우, 고정형 LoRa 중계기를 최소화하거나 아예 드론 중계기로 대체할 수 있다. 이는 실시간성이 중요하지 않은 산림 성장환경 및 시설에 대한 데이터 수집에는 장점이 있지만 드론의 운행시간 제한으로 인하여 실시간 데이터 수집, 위험상황 긴급서비스 그리고 재해관련 실시간 데이터 수집에는 한계가 있다.

산림지역의 ICT서비스 제공을 위한 상용 무선네트워크 구축방법에는 여러 가지 방법이 있겠지만 LTE-M과 LTE 망을 이용하는 방법이 있다. LTE-M은 기존 LTE 망에서 1Mbps 정도의 대역폭을 사용하는 기술로써 상대적으로 적은 비용으로 IoT 서비스를 지원하는 장점이 있다. 기존 휴대전화 주파수 환경에 맞춰 개발된 셀룰러용 모듈은 산림지역의 서비스를 위한 IoT 기기에 적용되기에는 성능이 과하고 전력 소비도 많으며, 비용 부담도 크다. 이에 셀룰러 네트워크를 이용한 IoT 전용통신망을 구현하기 위해, 3GPP는 복잡한 기술을 단순화하고 성능을 제한한 표준을 고려하게 된다.

표 2는 3GPP 협대역 셀룰러 표준이다[9]. LTE-M은 국내 통신사들이 구축을 완료하고 서비스 하고 있는 IoT 통신네트워크이다. LTE-M은 면허 대역 주파수를 사용하는 기술로, 국내 이동통신사들은 이미 보유한 LTE 망을 기반으로 LTE-M IoT 전용망을 구축하였다. LTE-M은 기존에 통신사가 구축한 망을 사용하므로 기술만 적용하면 곧바로 전국망 서비스가 가능하며, 면허 대역 주파수를 사용하기 때문에 간섭에서 상대적으로 자유로워 서비스 품질이 보장된다.

속도는 현재 구축한 Cat.1 기준 다운링크 최대 10Mbps 수준으로, 데이터의 양이 큰 IoT 서비스에 적합하다. 무엇보다 표준 기술로서 서비스가 사장될 가능성이 적다는 것이 장점이다. 단점은 유심(USIM) 기반으로 개통절차가 복잡하고, 전력소모가 상대적으로 크며, 칩 및 모듈과 사용요금이 상대적으로 고비용이라는 점이다[10].

표 3은 표 1의 산림지역 내 IoT 서비스를 지원하기 위한 네트워크 설계를 자체 구축망과 상용망으로 구분하여 비교분석한 것이다[11][12].

본 연구에서는 산림지역에서 IoT 서비스를 지원하기 위한 IoT 네트워크 구축방법에 대한 평가기준을 정의하고 관련 전문가 12인을 섭외하여 평가를 시행하였다.

산림지역에 제공하고자 하는 ICT 서비스는 크게 데이터수집 등과 같은 음성이하의 협대역폭 지원을 요구하는 서비스와 음성 이상의 광대역폭 지원을 요구하는 서비스로 구분할 수 있다.

표 4는 산림지역의 ICT 기반 서비스를 위한 IoT 네트워크 구축방법에 대한 평가기준이다. 본 연구에서는 가장 중요한 서비스 대역폭지원과 배터리사용가능여부, 그리고 산악지역에 통신음영지역을 발생시키는 여부가 중요하므로 이를 평가기준으로 정하였다. 끝으로 초기구축비용과 월임대료와 같은 운영비 조건과 같이 비용측면을 고려한 평가기준을 설정하였다[13][14].

표 5는 IoT관련 교수 및 기업의 전문가 12명을 섭외하고, 표 3의 네트워크 구축방법과 표 4의 평가기준을 안내하여 평가한 결과의 평균을 구한 것이고 그림 3은 이를 방사형 그래프로 표현한 것이다.

Fig. 3. 
Radar chart of expert evaluation results on how to implementing IoT network

평가시에 평가척도는 1점과 5점사이로 하였으며 1점(매우 나쁘거나 매우 낮은 성능), 2점(보통과 매우 나쁜 성능의 중간), 3점(보통), 4점(보통과 매우 좋은 성능과의 중간), 5점(매우 좋거나 매우 높은 성능) 중에서 평가하도록 안내하였다.

그림 4는 산림청 자체로 구축하는 방법인 LoRa 기반 자체망과 WiFi를 고려하는 자체망에 대한 평가결과이다.

Fig. 4. 
Radar chart of expert results (self-implementing network)

음성이상의 대역폭 제공을 제외하고는 모두 LoRa 자체망이 높은 점수를 획득하였으나 산림 전체가 아닌 소규모로 제한된 규모의 산림휴양림 시설내에서는 WiFi 구축비용 대비 서비스 대역폭이 크게 개선될 것이므로 WiFi 구축방법이 효율일 것으로 분석된다.

그림 5는 통신기업에서 제공하는 LTE-M과 LTE를 임대하여 구축하는 방법에 대한 평가결과를 비교한 것이다. 표 1에서 정의된 산림지역의 ICT 서비스의 대역폭과 LTE의 운영비용을 고려할 때 LTE-M를 활용하는 것이 효율적인 것으로 분석된다.

Fig. 5. 
Radar chart of professional evaluation results (commercial network)

그림 6은 통신 기업에서 제공하는 상용망을 임대하여 사용하는 LTE-M과 LoRa 자체망에 대한 평가결과를 비교한 것이다. LTE-M은 음성이상의 대역폭 제공할 뿐만 아니라 통신 기업에서 저렴한 임대조건으로 가입채널당 월별 요금을 받는 개념이므로 산림전체가 아닌 지역이 소규모로 제한된 산림휴양림 시설 등에서 센싱 채널의 규모가 크지 않은 조건에서는 효율적일 것으로 분석된다. 하지만 산림지역의 규모가 확대되고 센싱 채널의 규모가 증가함에 따라서 운영비용이 크게 증가하므로 LoRa 자체네트워크를 구축하는 것이 효율적인 것으로 분석된다.

Fig. 6. 
Radar chart of expert results (LTE-M vs. LoRa)