사물 인터넷(IoT)은 장거리 실외 네트워크에서 단거리 실내 네트워크까지 다양한 분야에서 사용되고 있다. 연결 시스템 아키텍처는 간단한 원격 제어 디바이스부터 인터넷에 연결하기 위한 게이트웨이를 갖춘 복잡한 무선 네트워크에 이르기까지 여러 가지 무선 노드로 구성된다. 이글에서는 널리 사용되는 GHz 이하 대역에서의 저전력 장거리 무선 연결에 대해 다룬다.

사물 인터넷 연결

무선 센서 네트워크와 스마트 계량기, 홈오토메이션 디바이스, 웨어러블 전자 제품 등이 폭발적으로 늘어남에 따라 사물 인터넷이라는 용어가 널리 유행하고 있다.

사물 인터넷은 스마트 그리드와 지역 조명 시설 같은 장거리 실외 네트워크부터 커넥티드 홈(connected home) 및 주택 보안 시스템을 지원하는 단거리 실내 네트워크까지 다양한 분야에 사용되고 있다. 수많은 기업이 보안, 상태 및 기타 편의 서비스를 제공하는 솔루션들을 사물 인터넷 시장에서 선보였다. 이러한 네트워크는 그림 1에 나온 것처럼 지역화된 시스템 인텔리전스 및 클라우드 서비스를 제공할 수도 있다.

적합한 무선 솔루션 선정

MCU 및 무선 IC는 사물 인터넷 시스템의 기본 구성 요소이다. 연결 디바이스 응용 분야에서 사용되는 MCU는 일반적으로 다양한 메모리 및 주변장치 옵션을 제공한다. 무선 IC(트랜스시버, 트랜스미터 및 리시버)를 선택하는 것도 이에 못지않은, 혹은 더 중요한 복잡한 결정이다. 대부분 라이센스가 없는 전용 프로토콜을 실행하는 서브 GHz 대역 디바이스, 그리고 ZigBee, Bluetooth Smart, Wi-Fi 등의 표준을 기반으로 하는 다양한 2.4 GHz 디바이스 중에서 선택할 수 있다.

특정 사물 인터넷 응용 분야에 대한 최적의 무선 프로토콜을 선택하는 것과 관련해서는 현재로써는 ‘만능’ 솔루션이 없다. 각 무선 옵션마다 장단점이 있으며 게이트웨이, 배터리 구동식 엔드 노드 등 응용 제품에 따라 적합한 연결 기술이 다르다.

전용 서브 GHz 대역 프로토콜 및 오픈 ZigBee 표준은 에너지 효율성, 긴 배터리 수명(배터리에 따라 5 ~ 15년), 다양한 원격 센서 노드의 조합을 필요로 하는 응용 분야에서 가장 일반적으로 사용되는 무선 프로토콜에 속한다. Bluetooth는 추가적인 무선 인프라 없이 스마트폰 및 태블릿을 위한 초단거리의 지점 간 연결을 제공한다. Wi-Fi는 비디오 스트리밍, 무선 핫스팟 연결 등의 대역폭 집약적인 응용 분야에서 가장 널리 사용되는 프로토콜이다. 서브 GHz 대역은 연기 탐지기, 도어 및 윈도우 센서, 실외 시스템(예: 기상대, 스마트 계량기, 자산 추적) 등 데이터 속도가 느린 장거리 저전력 응용 분야에 적합하다.

서브 GHz 대역 무선 연결

서브 GHz 대역 기술은 장거리 및 저전력 소비가 요구되는 무선 응용 분야에 적합하다. 협대역 전송은 한 노드에서 다른 노드로 건너뛰지 않고도 종종 수 킬로미터 떨어져 있는 허브까지 데이터를 전송할 수 있다. 이 장거리 전송 능력 덕분에 고비용의 기지국이나 리피터를 여러 개 보유해야 할 필요성이 줄어든다. 전용 서브 GHz 대역 프로토콜을 사용함으로써 개발자는 구축된 네트워크에 추가적인 제약을 가할 수 있는 표준을 준수하는 대신 자신의 구체적인 필요성에 맞게 무선 솔루션을 최적화할 수 있다.

기존의 수많은 서브 GHz 대역 네트워크가 전용 프로토콜을 사용하지만, 표준 기반의 상호 운용 가능한 시스템이 업계에서 서서히 등장하고 있다. 예를 들어 IEEE 802.15.4g 표준은 점차 전 세계적으로 인기를 끌고 있으며 Wi-SUN, ZigBee 등의 여러 업계 제휴에서 채택되고 있다. 여타 표준과 마찬가지로 여러 가지 필수 및 선택 사양이 있기 때문에 미리 살펴보고 비교하면 디바이스를 선택하는 데 도움이 된다. 먼저 서브 GHz 대역 무선 네트워크의 전력 효율성과 무선 범위를 자세히 살펴보도록 하자.

저전력 소비

전력에 민감하고 배터리를 통해 구동되는 응용 제품을 위한 무선 솔루션을 설계하는 엔지니어는 무선 IC의 대기 전류, 저전력 모드 및 웨이크업 시간을 고려해야 한다. 예를 들어 실리콘랩스의 EZRadio 및 EZRadioPRO 서브 GHz 대역 트랜시버가 이러한 응용 제품에 적합하다. 에너지 친화적인 이들 디바이스는 대기 모드에서 40 nA 전류를 사용하면서 전체 메모리를 보존하며 대기/절전 모드에서 수신 모드로 웨이크업하는데 440 μs밖에 걸리지 않기 때문이다.

로우 듀티 사이클 모드 같은 자율 기능은 특히 타임 슬롯 시스템에서 평균 수신 전류 소비를 더 줄이는 데 도움이 된다. 이 경우에는 무선장치가 프로그래밍 가능한 통합된 32 KHz 슬립 클록을 기반으로 절전 모드에서 깨어나서 수신 모드로 전환된다. 무선장치는 채널을 평가하여 패킷이 발견될 때만 호스트 MCU를 깨운다. 이 결정은 일반적으로 프리앰블 검색 또는 수신 신호 강도 표시기를 기준으로 이루어진다. 유효한 패킷이 없는 경우 무선장치는 호스트 MCU를 중단하거나 활성화하지 않고 자동으로 절전 모드로 돌아간다.

듀티 사이클링 응용 분야의 전류 소비는 세 가지 주요 요소에 의해 결정된다. 이 세 가지는 절전 모드에서 수신 모드로 전환하는 데 필요한 에너지, 채널에서 유효한 패킷을 평가하는 데 필요한 시간, 그리고 절전 모드 전류이다. EZRadio 및 EZRadioPRO 트랜시버의 프리앰블 감지 모드는 평균 수신 전류를 대폭 낮추면서도 감도 저하 없이 채널 액세스 시간을 크게 단축한다.

이 무선장치는 8비트의 프리앰블만으로 유효한 프리앰블을 감지한다. 이에 반해 다른 기존의 GHz 트랜시버는 32비트를 사용한다. 프리앰블 길이가 더 길고 데이터 속도가 더 느린 경우에는 평균 수신 전류가 더 크게 개선된다. 전력 증폭기(PA)는 이들 서브 GHz 대역 트랜시버에서 가장 높은 전류를 소비한다. 따라서 배터리 수명을 늘리기 위해서는 효율적인 PA 설계도 매우 중요하다. EZRadio 및 EZRadioPRO IC에는 경쟁 솔루션보다 40 mA 더 낮은 85 mA만을 소비하는 효율적인 +20 dBm PA가 통합되어 있다. +10 dBm 출력 전력에서는 PA가 18 mA만 소비하기 때문에 코인 셀 배터리 작동이 가능하다.

무선 범위

응용 분야에서 서브 GHz 대역 무선 기술을 사용할 때의 주요 이점 중 하나는 심지어 막힌 곳에서도 멀리까지 전송되는 주파수 대역의 장거리 성능이다. 장거리 시스템은 더 적은 수의 기지국과 리피터로 같은 디바이스 수를 처리할 수 있기 때문에 구축비용이 절감된다. 저주파수 전송은 일정한 출력 전력에서 더 먼 거리를 이동할 수 있다. 물리학 법칙의 적용을 받는 이 현상은 경로 손실에 대한 Friis 공식을 사용하여 확인할 수 있다.

Pr = Pt Gt Gr (λ/4πR)2

여기서 Pr은 수신된 전력이고, Pt는 전송된 전력 Gt 및 Gr은 트랜스미터 및 리시버에서의 안테나 게인, R은 안테나 간 거리, λ은 파장이다.

어림잡아 링크 버짓에서 6 dB가 증가하면 실외 교신 가능 범위가 두 배로 늘어난다. 따라서 169 MHz 대역에서 도달 가능한 범위는 다른 모든 조건이 같다고 가정했을 때 868/915 MHz 대역보다 넓다. 범위 테스트는 주변 환경 및 디바이스 매개 변수의 영향을 많이 받기 때문에 RF 트랜스시버 솔루션과 다른 공급업체를 정확하게 일대일로 비교하기는 좀처럼 쉽지 않다.

주파수, 전송 전력, 대역폭, 패킷 구조, 안테나, 그리고 BER(Bit Error Rate) 또는 PER(Packet Error Rate)을 계산하는 방법 등 무선장치 매개 변수가 모두 동등하도록 신경 써야 한다. 실외 교신 가능 범위 필드 테스트에서 EZRadioPRO 디바이스는 표준 GFSK(Gaussian Frequency-Shift Keying) 모듈화를 사용하여 고주파수 대역과 저주파수 대역 모두에서 13 ~ 16 km(8 ~ 10마일)의 범위를 보였다.

표 1은 EZRadioPRO 트랜시버를 기준으로 서로 다른 데이터 속도에 대한 링크 버짓을 보여 준다.

시스템 범위는 리시버 감도는 물론 전송 주파수의 영향도 받는다. 감도는 채널 대역폭과 반비례한다. 즉, 대역폭이 좁을수록 리시버 감도는 높아진다. 채널 대역폭은 데이터 속도, 편차, 크리스탈 발진기 정확도의 세 가지 요소에 의해 결정된다. 응용 제품이 효율적으로 전송하고 수신하기 위해서는 이 세 가지 요소에 딱 맞을 정도로만 채널 대역폭을 넓게 설정해야 한다. EZRadioPRO 디바이스에서는 리시버 대역폭을 200 Hz에서 850 KHz 사이로 프로그래밍할 수 있으므로 장거리 실외 센서 응용 제품에 적합한 10

0 bps의 초협대역 데이터 속도와 -133 dBm의 감도까지 지원할 수 있다. 일부 제품은 표준 협대역 GFSK 모듈화 대신 스프레드 스펙트럼 메커니즘을 사용한다. 낮은 데이터 속도 신호를 확산하려면 더 넓은 대역폭이 필요하므로 스펙트럼 면에서는 비효율적이지만 더 낮은 전력 스펙트럼 밀도로 전송할 수 있다. 대역폭 증가에 따른 감도 손실은 코딩 게인에 의해 보상된다. 각 데이터 비트를 여러 비트에 코딩하여 더욱 넓은 대역폭을 통해 보낼 수 있기 때문이다. 즉 순 데이터 속도가 같을 경우 협대역 GFSK에 비해 직접적인 감도 개선이 없다.

확산 신호로부터 원하는 데이터를 복구하려면 일반적으로 동기화를 위해 좀 더 긴 프리앰블이 필요하다. 따라서 패킷의 전송 시간이 늘어나고 배터리 수명이 줄어든다. 협대역 시스템은 주파수 대역에 따라 60 dB ~ 70 dB 범위에서 인접 채널을 거부하는 능력이 탁월하다. 스프레드 스펙트럼 신호는 간섭에 덜 민감하다. 하지만 광대역 스프레드 스펙트럼 신호와 같거나 비슷한 주파수의 협대역 신호가 여러 개 있을 때는 코딩된 시스템의 범위가 대폭 줄어든다.

확산 시스템의 이점 중 하나는 고비용 온도 보정 크리스탈 발진기(TCXO) 대신 상대적으로 저렴한 크리스탈을 사용한다는 것이다. 일반적으로 GFSK 기반 협대역 시스템은 주파수 정확도를 보장하고 범위를 넓히기 위해 TCXO를 필요로 한다. 표준 크리스탈과 TCXO의 비용 차이가 점점 줄어들고 있는 가운데, EZRadioPRO 같은 고급 트랜스시버는 주파수 오프셋의 영향을 최소화하기 위해 자동 주파수 보정(AFC)을 지원하는 메커니즘도 제공한다.

결론

저전력 소비 및 장거리는 서브 GHz 대역 무선 시스템 설계의 방향을 결정하는 핵심 요소이다. 이제는 강력한 소프트웨어 솔루션을 통해 빠른 신호 감지, 1/10 나노앰프 단위의 초저전력 대기 전류, 더 빠른 상태 전환 시간이라는 이점을 모두 얻을 수 있다. 이것은 연결 디바이스 응용 분야에서 시스템 수준의 효율성을 높일 수 있는 중요한 토대가 된다.

고도로 통합된 다양한 초저전력 반도체 부품이 경제적인 가격대로 대중화됨에 따라 사물 인터넷 시장은 빠르게 발전하고 있다. 여러 프로토콜을 지원하는 유연한 아키텍처를 갖춘 초저전력 MCU 및 무선 IC는 스마트하고, 연결되고, 에너지 친화적인 사물 인터넷 세상을 앞장서서 지원할 것이다.