Sub-1GHz 기술을 이용한 IoT 다각화

  • 글|지나 카플리(Jeanna Copley) 제품 마케팅 매니저 텍사스 인스트루먼트
  • 2016-02-25 오후 1:04:14

사물인터넷(IoT)이 진화하면서 가장 눈에 띄는 점 하나가 IoT의 다각화다. 가정용 기기나 수도/전기 계량기를 인터넷에 연결하던 다소 평범했던 도입 개시 이후 IoT는 훨씬 더 넓게 영역을 확장하며 전자가격표시기(Electronic Shelf Label, ESL)와 물류, 수색/구조, 농업 등 소매 및 산업 시장과 기타 새로운 애플리케이션으로 뻗어가고 있다. 전문가들은 전 세계 IoT 부품이 2020년까지 500억 개에 이를 것으로 예상하고 있다.

그러나 매번 새로운 IoT 용도마다 그 용도 고유의 기술 운영 특성이 등장한다. 다행히도 무선 커넥티비티 기술인 Sub-1GHz가 현재 IoT 시스템 설계자들을 골치 아프게 하는 가장 까다로운 요건들의 대부분을 만족시켜주고 있다. 물론 Sub-1GHz 기술이 가진 어느 한 가지 장점이 대부분의 용도에서 강력한 해결책이 된다기보다는 오히려 그 용도의 고유 필요에 맞출 수 있는 적응력과 상당한 성능의 조합 때문일 것이다. 이 글은 Sub-1GHz 기술의 4가지 장점,즉 원거리, 스펙트럼, 저전력, 소프트웨어 유연성을 살펴보고자 한다.

Sub-1GHz 트랜시버의 원거리와 무선 마이크로컨트롤러(MCU)는 이미 새로운 유형의 IoT 애플리케이션을 가능하게 하고 있다. 어떤 테스트에서는 Sub-1GHz 전송이 최대 100 km까지 유효거리를 갖는 것으로 나타났다. 또한, Sub-1GHz 통신은 1 GHz 아래의 무선 스펙트럼에서 ISM 대역을 차지함으로써 이보다 훨씬 더 혼잡한 2.4 GHz 대역을 피하고 있다. 2.4 GHz 대역에서는 Wi-Fi짋, Bluetooth Smart, ZigBee, 기타 무선 프로토콜들이 작동한다.

 

이보다 덜 붐비는 대역에서는 IoT 네트워크가 한층 더 견고해져 보다 넓은 영역까지 조정이 가능해진다. 덜 혼잡한 대역에서의 작동으로 효율이 증가하는 것 외에도 몇 가지 요소들이 Sub-1GHz 디바이스의 소비전력을 낮춰준다. 사실 일부 종단 노드(end node)들은 코인셀 배터리에서 최대 10년 동안 작동할 수 있다. 또 다른 중요한 특성 중 하나가 Sub-1GHz 무선 기술의 소프트웨어 유연성과 호환성이다. 개발자는 시장에서 경쟁력 있는 기능으로 신속하게 제품의 차별화를 기할 수 있다.

마지막으로 Sub-1GHz 기술이 미래 IoT 너머의 주된 추진력 중 하나가 되고 있는 이유는 그 독특한 기능 때문만은 아니며 각 기능을 모든 애플리케이션의 고유 요건에 맞춰 조정할 수 있다는 점에 있다.

원거리 무선 커넥티비티

무선 트랜시버의 길어진 신호 거리와 통합 MCU는 Sub-1GHz를 다른 대체 기술들보다 더 돋보이게 해준다. 이것은 집 전체나 고층 오피스 빌딩, 더 나아가 도시 전체나 지역 전체를 커버하는 매우 다양한 IoT 네트워크에서 특히 중요해질 수 있다. 

Sub-1GHz 네트워크의 유효 무선주파수(RF) 거리는 그 용도의 특징에 따라 결정되는데, 이것은 통신 데이터의 속도와 데이터량에 영향을 주게 된다. 낮은 데이터 속도에서는 그 거리가 늘어난다. 일반적으로 가장 진화된 Sub-1GHz 종단 노드 트랜시버와 통합 MCU는 원거리 작동이 가능하다는 결정적인 특징을 가지고 있다.

예를 들어 최근에 발표된 고급 무선 MCU는 50 kbps 데이터 속도의 경우 -110 dBm에서 Sub-1GHz 신호를 감지할 수 있고, 이보다 더 느린 0.625 kbps에서는 -124 dBm까지 감지할 수 있다. 다른 무선 통신의 간섭은 90 dB의 차단으로 극복할 수 있고, 최대 +14 dBm 출력 파워 레벨은 원거리 통신에서 견고한 신호를 보장해준다.

오늘날 Sub-1GHz 트랜시버의 다양성은 IoT 애플리케이션의 구체적인 거리 요건을 특정 디바이스로 충족할 수 있을 정도까지 도달해있다. 예를 들어 협대역과 초협대역 Sub-1GHz 트랜시버는 유량계 모니터링, 경찰 무전기, 경보장치 등 데이터 속도가 아주 낮아 더 긴 원거리를 달성할 수 있고 추가 MCU 지능이 필요치 않은 애플리케이션에서 중심 기술이 됐다.

유럽에서 계량 애플리케이션의 무선 M-Bus(wM-Bus) 표준은 협대역 Sub-1GHz 기술에 기반하고 있다. 협대역 및 초협대역 Sub-1GHz 트랜시버의 원거리 품질 외에도, 일부 고급 Sub-1GHz 무선 MCU는 통합 원거리 작동 모드를 가지고 있어서 종단 노드 디바이스는 더욱 커진 MCU의 처리 능력을 활용하면서도 여전히 원거리를 달성할 수 있다.

 

Sub-1GHz 네트워크의 아키텍처 유연성 역시 신호 작동 거리에 영향을 줄 수 있다. Sub-1GHz 네트워크는 애플리케이션의 거리 요건에 맞춰 몇 가지 아키텍처로 구성 가능하다(그림 1 참고). 예를 들어 주택 및 빌딩 자동화 시스템 같이 중앙 컨트롤 포인트를 가진 비교적 한정된 네트워크라면 wM-Bus 또는 6LoWPAN에 기반을 한 스타 아키텍처를 채택할 수도 있다. 복수의 게이트웨이를 가진 메시 아키텍처는 공장, 캠퍼스, 농업 등 넓은 네트워크를 기반으로 삼을 수 있다. 

또 다른 구성으로 P2P(point-to-point) 아키텍처가 있다. 이것은 온도 센서나 그 밖의 일부 센서 측정 같이 중앙 컨트롤 요소로 소량의 데이터를 다시 전달하는 데 사용할 수 있다.

덜 붐비는 스펙트럼

Sub-1GHz 네트워크는 과밀로 인한 2.4 GHz 대역의 함정을 피한다. 오늘날 가장 인기 있는 무선 장치의 대부분, 예컨대 Wi-Fi 핫스팟과 홈 무선 라우터, 지그비, 블루투스, 일부 무선 전화, 심지어 베이비 모니터까지 2.4 GHz 대역에서 작동한다. 어느 대역의 무선 스펙트럼에서든 과도한 트래픽은 그 대역에서 작동하는 장치에 문제를 일으키게 된다.

2.4 GHz 대역에서 대다수 무선 신호들 간의 간섭과 충돌은 통신 패킷의 페이로드나 헤더 정보를 손상시켜, 높은 수준의 재전송을 유발하거나 접속을 완전히 거부함으로써 처리량을 둔화시킬 수 있다. 무선 기술이 Wi-Fi 같은 충돌 탐지 프로토콜에 기반하고 있는 경우, 과밀 대역으로 인한 너무 많은 신호 충돌은 공중파 접근을 거부할 수도 있고, 주변의 모든 무선 통신 성능을 약화시킬 수 있다.

 

500억 개 IoT 장치들이 2020년까지 2.4 GHz 대역에 더해진다면 상황은 더욱 악화되기만 할 것이다(그림 2). 또한 미래에 높은 비율의 IoT 트래픽이 갖는 본질적 성질은, 2.4 GHz 대역에서 비디오 스트리밍, 전화통화, 인터넷 다운로드, 기타 높은 우선순위 연결이 오랜 시간 채널을 묶어놓을 수 있는 데이터 집약적 트래픽과는 크게 달라질 것이다.

많은 양의 IoT 트래픽은 속도를 늦춰 짧은 데이터 버스트로 신호 거리를 최적화한다. 따라서 서로 다른 유형의 애플리케이션들을 서로 다른 대역의 무선 스펙트럼에 분리하는 것이 타당하다.

게다가 신호 혼잡이 줄어들면 Sub-1GHz 네트워크가 더욱 쉽게 확장할 수 있어, 어느 한 네트워크에서 지원되는 장치의 수를 재빨리 상향 조정하고 바깥쪽으로 향하게 하여 더 넓은 거리를 커버할 수 있다. 혼잡이 줄어들면 Sub-1GHz 네트워크에서의 데이터 손실도 줄어들게 되는데, 이것은 긴급통신이나 긴급한 센서 정보 전송 같은 중요 애플리케이션에서 큰 역할을 한다.

초저전력

초저전력 소비는 대다수 IoT 애플리케이션의 또 다른 전제 조건이 될 것이다. 사실 500억 IoT 장치들을 구동한다는 것은 엄청난 도전과제다. 다행히도 대부분의 Sub-1GHz 종단 노드 장치들은 놀랄 만큼 적은 양의 전기를 소비한다. 센서 노드나 유량 모니터 같은 대다수 장치들은 코인셀 배터리에서 최대 10년까지 작동할 수 있고, 태양광 같은 에너지 수확 시스템에서는 더 오랫동안 작동할 수 있다. 저전력은 닿기 어렵거나 접근하기 어려운 시설물에서 특히 중요하다. 예를 들어 센서 노드의 경우 배터리 교체가 매우 값비싸거나 교체 인력에게 위험할 수 있고 그 노드가 기상 위성에 설치된 경우에는 사실상 교체가 불가능하기 때문이다.

또한 Sub-1GHz 종단 노드의 초저전력 소비는 신호 거리나 출력 파워를 희생하지 않고도 달성된다. 예를 들어 최근에 발표된 Sub-1GHz 무선 MCU는 수신일 때 피크 전력 소비가 5.5 mA, +14 dBm에서 송신일 때 22.6 mA에 불과할 만큼 작다.

MCU의 ARM Cortex-M3 코어는 처리 능력 MHz당 51 μA의 전력만 소비한다. 또한 이 디바이스에는 정교한 전력관리 알고리즘이 통합되어 있어, 시스템 일부를 수면 모드에 두어 0.6 마이크로앰프만 소비하면서 메모리 내용은 그대로 유지할 수 있다.

소프트웨어 유연성

Sub-1GHz 네트워킹을 둘러싼 소프트웨어 환경은 창의적 혁신에 특히 도움이 된다. IEEE802.15.4g 표준 준수는 개발자가 대체로 예상했던 대로의 규격 솔루션을 즉시 가능하게 해주었다. 또한 공개 산업 표준들은 툴과 개발 보조 도구의 지원 에코시스템 성장을 언제나 촉진시킨다. Sub-1GHz 네트워킹의 경우, 이러한 요소들이 6LoWPAN, wM-Bus 같은 새로운 무선 네트워킹 토폴로지의 채택을 가속화시켰다.

현재 새로 발표된 무선 Sub-1GHz MCU는 고도의 프로그래밍이 가능하고 리소스가 풍부해 종단 노드 장치의 소프트웨어 유연성을 한층 높여준다(그림 3참고). 단순 트랜시버와 달리, 무선 MCU는 애플리케이션 프로세싱을 위해 저전력 ARM Cortex-M3 코어 같은 프로세싱 엔진을 구현하고 있다. 이 무선 MCU를 쉽게 프로그래밍 할 수 있다는 점은 종단 노드 장치 설계자와 장비 제조업체가 차별화된 기능, 경쟁 상황에서 제품을 돋보이게 하는 그런 기능을 제품에 신속하게 구현할 수 있게 해준다.

가장 진화된 이런 무선 MCU에는 소프트웨어 개발을 간소화하는 모든 리소스가 보완되어 있다.

실시간 운영체제(OS), 드라이버, 주변장치 인터페이스와 센서 컨트롤러를 포함시킨다는 것은 소프트웨어 개발자가 혁신적이고 새로운 기능에만 집중할 수 있어 기본 리소스를 그 장치에 어떻게 집적할 것인지 걱정하지 않아도 된다는 뜻이다. 또한 이런 종류의 소프트웨어 환경은 자신의 독점 소프트웨어를 배치하고 싶어하는 네트워킹 장비 공급자에게도 엄청난 이점이다. 프로그래밍 가능한 툴과 개발 플랫폼, 지적자산(IP) 라이브러리, 기타 지원 기능들이 새로운 독점 시스템의 출시 속도를 가속시킬 것이다.

결론

미래의 IoT는 흥미로운 분야가 될 것이다. 매일 창의적인 개발자들이 혁신적이고 새로운 IoT 애플리케이션 아이디어를 쏟아내어 새로운 성능과 기능 세트로 무선 커넥티비티 기술의 수요를 확대시킬 것이다. 그리고 Sub-1GHz가 이에 응답할 것이다. Sub-1GHz 트랜시버와 무선 MCU는 차세대 IoT 시스템이 요구하는 성능을 제공하고 있으며, 무엇보다 이 기능은 모든 애플리케이션 각자가 요구하는 고유의 요건에 맞춰 적응이 가능하다. 

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