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1부에서는 이상적인 무선 기술을 선택하기 위한 몇 가지 고려 사항으로 주파수 스펙트럼, 허가 여부, 스펙트럼 뿐만 아니라 여러 공통 대역을 검토했다. 또한 통신 범위와 출력 전력 및 수신기의 감도와 같이 범위에 영향을 미치는 다양한 요소에 대한 논의도 다뤘다. 1부는 메시 관련 내용과 비용, 전력 소비, 지연시간처럼 서로 상관되어 있는 네트워크 토폴로지에 관한 논의로 마무리되었다.

2부에서는 공존, 전력 소비 및 보안을 포함한 나머지 고려사항들을 제시한다. 공존이란 공통 주파수 대역에서 함께 작동하는 장치들에 대한 것이다.

공존

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1부 기사에서 논의한 바와 같이 대부분의 무선 솔루션은 비 허가 대역에서 공유된 스펙트럼을 사용한다. 따라서, 해당 대역의 주파수대역 및 채널은 다양한 유형의 무선 및 신호로부터 간섭을 받는다.

라디오가 서로 간섭하는 문제를 공존이라고 일컫는데, 이 주제는 2.4GHz에서의 공존에서 자세히 다루므로 이 글에서는 간략한 요약만을 제공한다.

높은 전송 전력과 비교적 넓은 대역폭을 갖춘 2.4GHz 와이파이 네트워크는 저전력 블루투스(Bluetooth LE) 연결과 CSA(Connectivity Standards Alliance, 기존 지그비 얼라이언스)의 그린 파워 프로토콜을 모두 방해한다. 저전력 블루투스는 통신이 많은 채널에 대한 정보를 감지하고 이러한 채널을 피할 수 있는 주파수 도약기능을 갖고 있는데, 이러한 기능을 AFHSS(Adaptive Frequency Hopping Spread Spectrum) 이라고 부르며, 와이파이와 지그비 신호가 존재하는 곳에서 블루투스의 통신 신뢰성을 크게 향상시킨다.

지그비는 이러한 기능을 제공하지 않지만 와이파이 채널과 중복되지 않는 채널에 할당될 수 있다. 일반적으로 저전력 블루투스와 지그비 네트워크는 함께 공존할 수 있는데, 와이파이 네트워크는 공존 메커니즘에 의해 능동적으로 관리되거나 지그비와 와이파이 간의 채널중복이 최소화하도록 설정돼야 한다.

그림 1. 간소화된 주파수 맵

그림 2. 단순화된 주파수 맵의 시간 도메인 보기. 저전력 블루투스 채널의 주파수 도약(hop) 및 점유 채널 건너뛰기를 보여준다.

시장 추세는 이와 같이 다양한 통신기술을 하나의 칩에 통합하는 것이다. 경우에 따라 서로 다른 기술을 사용하는 최고의 경험을 제공할 수 있도록 하드웨어와 소프트웨어 모두를 최적화될 수 있기 때문이다. 반면 하나의 칩에 통합되지 않은 통신기술을 위한 별도의 소프트웨어 솔루션도 존재한다.

적절한 공존이 없으면 저전력 블루투스를 통한 오디오가 끊기고 지그비 데이터 통신에 대한 재 연결 시도가 필요하며 전체 와이파이 처리량이 저하된다. 성공적인 공존은 충돌을 완화하고 다양한 프로토콜의 메시지에 대한 우선 순위를 지정하여 모든 프로토콜에 대한 전반적인 서비스 품질을 좋게 만든다. 공존은 제대로 작동할 때 알아 차리기 힘들기 때문에 간과되곤 한다.

전력소비

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전력 소비 또한 아주 중요한 고려 사항 중 하나이다. 다양한 통신 프로토콜을 구현하기 위해 요구되는 전력 소비를 설명하는 기본적인 물리적 제한이 있다.

RF 전력 증폭기라고도 하는 송신기는 작동 클래스에 따라 구분되는데, 이는 시스템에서 가장 많은 전력을 소모한다. 클래스 A, B, AB 및 C는 선형 증폭기로 간주되고 증폭기 클래스가 높을수록 전력 효율이 향상된다. 예를 들어 클래스 C 증폭기는 클래스 AB보다 더 효율적이다. 향상된 효율성에도 불구하고 선형성(linearity)은 감소된다. 클래스 D, E, F, G 등은 비선형 증폭기이며 기본적으로 공진 부하가 있는 스위치이며, 진폭과 위상 변조를 모두 사용하는 경우 선형 파워앰프를 필요로 한다. 그러나 진폭(amplitude) 변조의 경우 전류가 거의 0일 때 스위칭이 발생할 수 있으므로 전력 효율을 극대화하기 위해 스위칭 증폭기가 사용된다. 이와 같이 다양한 작동 모드와 수많은 고려 사항이 존재하기에, 다음 예시에서는 효율이 50%인 이상적인 클래스 A 증폭기로 진행된다.

예를 들어 50%의 효율에서 50Ω 부하(안테나)에 +30dBm을 전달하는 전력 증폭기 트랜지스터에는 약 200mA전류가 필요한데, 이것은 전력 증폭기 트랜지스터에 요구되는 출력만을 계산한 것이고 나머지 시스템 전력은 고려하지 않은 것이다. 또한 송신기는 요구되는 상승/하강 시간에 맞추어 매우 신속하게 스위치를 켜고 끌 수 있는 기능을 갖고 있다. 종합적으로, 제한된 에너지와 용량이 적은 배터리로 작동되는 시스템일수록 스위칭 시의 과도 상태를 견딜 수 있도록 신중한 전원 공급 장치 설계 및 분리가 중요하다.

표 1. PA 트랜지스터 전력 소비 대 출력 전력, 50Ω 부하, 50% 드레인 효율

수식:
a) 드레인 효율 정의
b) 전달된 전력을 dBm에서 mW로 변환
c) 가정된 드레인 효율을 사용하여 DC 전원(전원 공급 장치) 계산
d) DC 전력을 DC 전류로 변환

전력 효율성에 대한 마지막 참고 사항으로, RF 엔지니어는 전력부가효율(PAE)이라는 또 다른 수식을 자주 사용하는데, 이는 PA(입력전력mW)를 구동하는 데 필요한 전력을 고려한다. PA에는 큰 트랜지스터가 있으며, 트랜지스터의 구동 회로 또한 상당한 양의 전력을 소비할 수 있다.

일반적으로 프로토콜의 성능이 좋을수록 전력 소비가 높아진다. 예를 들어, 4x4 MIMO 시스템에는 4개의 병렬 수신 및 전송 체인이 필요하며, 이는 전력 소비를 거의 4배 증가시킨다. 일부 블록이 체인 간에 공유되기 때문에 일 대 일 관계는 아니지만 추가된 신호 체인으로 인해 높은 전력을 소비한다.

배터리로 시스템을 실행하는 경우 실제 통신 시간과 듀티 사이클도 주요 고려 사항이다. 저전력 블루투스를 이용한 온도 센서 비콘처럼 매우 낮은 듀티 사이클 애플리케이션의 경우, 단일 CR2032 코인 셀 배터리로 10년 이상 사용할 수 있다. 이러한 유형의 애플리케이션에 대한 일반적인 동작 시간 듀티 사이클은 약 1%이며, 이는 시스템이 나머지 99% 동안은 유휴 상태임을 의미한다. 이것이 배터리 및 배터리 프리 (에너지 하베스팅) 작동을 평가하거나 설계할 때 절전 또는 유휴 전류가 중요한 변수인 이유다.

다른 전원으로는 주 전원 또는 PoE(Power over Ethernet)가 있다. 예를 들면, 와이파이 기반 IP 카메라는 일반적으로 PoE로 구동된다.

일부 엔지니어는 주 전원과 같이 거의 무한에 가까운 에너지원에 연결된 제품을 설계할 때 전력 소비에 신경 쓰지 않지만, 이를 쉽게 생각해서는 안된다. 각국 정부와 기관들은 점점 더 장치의 전력 소비를 면밀히 조사하고 규제하고 있으며, 더 많은 제품이 연결됨에 따라 점진적인 절전은 엄청난 규모의 영향을 지닌다. 보다 넓은 경제적, 사회적 이익을 위해 전력 소비는 항상 최소화되어야 한다. 비록 눈에 띄진 않지만, 네트워크 토폴로지 자체의 전력 소비 또한 고려되어야 할 것이다.

안전

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보안은 실제로 고려 사항이 아닌 필수 요구 사항이다. 각 프로토콜에는 최소한의 보안 기능이 내장되어 있다. 보안에 관련한 주제는 이 글과 같은 기고문에서 짧은 단락으로 요약하는 것이 가능하지만, 매우 복잡한 내용이다. 다음은 보안에 관련해 고려해야 할 몇 가지 중요한 사항이다.

모든 무선 네트워크에서 가장 취약한 순간은 페어링 또는 온보딩 프로세스인데, 특히 무선을 통해 노드 간에 보안 정보를 교환할 때 네트워크가 가장 취약하다. 이에 대한 일반적인 솔루션은 대역 외(OOB) 프로토콜을 사용하는 것이다. 예를 들어, 새로운 와이파이 라우터를 시운전하기 위해 저전력 블루투스를 통해 페어링 프로세스를 시작하도록 하는 QR 코드가 있을 수 있다. 저전력 블루투스는 범위가 제한되어 있어 물리적 거리가 해커의 또 다른 장벽이 되기 때문에 훌륭한 선택이다. 물론 전화기로 보안 정보를 검색할 수 있는 클라우드에 연결할 수도 있다. 일부 시스템에서는 전용 프로토콜 링크를 통한 페어링이 가능하다.

페어링 후 가장 기본적인 보안은 데이터 페이로드를 암호화하는 것이며 이는 매우 오랫동안 수행되어 왔다. 그러나 이제 와이파이와 같은 일부 프로토콜에서는 관리 프레임 및 프로토콜 오버헤드도 암호화해야 하고, 동적 암호화도 시행되어야 한다. 동적 암호화가 없으면 해커가 쉽게 데이터를 취득하거나 프로토콜을 리버스 엔지니어링하거나 중개자 역할을 하여 네트워크를 공격할 수 있게 된다. 동적 암호화에는 시간이 지남에 따라 만료되는 키가 있으므로, 해커가 침입하더라도 재해킹 없이는 시간을 되돌리거나 앞으로 갈 수 없다. 동적 암호화를 통해 해커는 오프라인에서 시스템을 리버스 엔지니어링하는 대신 빠른 속도를 위해 실제 무선 장치를 통해 대화해야 하는데, 더 이상 가능한 옵션이 아니다.

보안 체계 또한 보호 대상의 위험도에 따라 확장되어야 한다. 보안을 추가하면 비용과 유지 관리 오버헤드가 증가하기 때문에, 보호되는 데이터의 가치와 경제적으로 일치해야 할 것이다. 예를 들어 지그비 기술은 기본적으로 신뢰 시스템을 기반으로 한다. 시운전 시 프로토콜은 장치 간의 신뢰 루트를 가정하는데, 지그비 네트워크는 인터넷에 연결되지 않고 시스템 관리자가 제어하는 로컬 네트워크이기 때문에 이는 매우 합리적이다.

저전력 블루투스는 완전한 보안이 필요 없고 매우 단순한 노드에 자주 사용된다. 이를테면 누군가 거실 온도 센서 데이터에 액세스할 수 있는지 여부는 신경 쓰지 않을 수 있지만, 중요한 약품과 같이 유통기한이 있는 제품의 저온 유통 태그를 해킹하거나 무단으로 데이터 취득을 할 수 있다면 이 또한 신경 써야할 부분이다. 이 때문에 저전력 블루투스는 다양한 사용 사례와 통신이 되는 데이터의 가치를 기반으로 확장 가능한 보안 기능을 제공한다.

와이파이는 IP(Internet Protocol) 기반으로 인터넷에 연결돼 있기 때문에 가능한 가장 높은 수준의 보안을 갖춰야 하며, 주어진 애플리케이션의 위험 수준에 따라 확장 가능한 다양한 수준의 보안 체계가 존재한다. 예를 들어 홈 네트워크에 대한 요구사항은 기업 솔루션이 필요한 은행이나 사무실 건물의 네트워크보다는 약한 편이다.

보안에 대한 마지막 고려대상으로, 완전한 보안 설계는 결코 없다는 점에 유의해야 한다. 해커와 보안기술은 모두 끝이 없는 추격전을 벌이고 있으며, 이는 절대 변하지 않는 사실이다. 따라서 시스템이 미리 위험 상황에 대비하고 가능한 한 안전하게 유지될 수 있도록 소프트웨어 업데이트를 설계하는 것이 가장 중요하다.

요약

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2부로 구성된 이번 시리즈는 통신 프로토콜 및 상호 운용성 요구 사항, 주파수 대역 및 공존, 범위, 전력, 네트워크 토폴로지 및 보안을 포함해 무선 제품을 설계하기 전에 이해해야 할 다양한 시스템 수준 고려사항 및 요소를 논의했다.

각 기술은 생태계에서 각자의 역할을 가지고 있다. 설계자는 어떤 기술이 설계에 가장 적합할지 알기만 하면 된다. 온세미(onsemi)의 무선 솔루션은 단거리, 중거리, 장거리 및 그 이상까지 이르는 모든 활용 사례를 지원한다. 간단한 저전력 블루투스 기반 온도 센서 비콘을 개발하든, 엔터프라이즈급 와이파이를 개발하든 관계없이 온세미는 모든 무선 설계 도전과제를 해결하도록 지원한다.

<1부 기사 보기: https://all4chip.com/archive/report_view.php?no=13650>

글/ 댄 클레멘트(Dan Clement), 온세미 솔루션 마케팅 수석 엔지니어