반도체 전문 온라인 매거진 - 올포칩

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

오늘날 다양한 무선 표준과 프로토콜이 사용되고 있고, 특정 애플리케이션에 적합한 기술을 선택하기 어려울 수 있다. 본 기고에서는 네 가지 인기 있는 옵션인 와이파이(Wi-Fi), 블루투스 LE(Bluetooth Low Energy) 프로토콜, 서브 GHz 전용 RF 및 CSA(Connectivity Standards Alliance, 구 지그비 얼라이언스(Zigbee Alliance))의 그린파워(Green Power) 프로토콜을 검토한다.

와이파이 6E 

먼저 가장 잘 알려진 기술 중 하나인 와이파이부터 살펴보자. 우리는 집, 직장 및 거의 모든 곳에서 와이파이를 사용하기 때문에 익숙하다. 컴퓨터와 TV에서 전화기, 노트북에 이르기까지 모든 기기가 와이파이에서 작동한다. 심지어 현재는 많은 차량과 전 세계 항공편들도 와이파이가 있다.

와이파이 얼라이언스(Wi-Fi Alliance)에 따르면, 와이파이는 2021년에만 미국 경제에 3조 달러 이상의 가치를 제공할 것이라 전망했었다. 와이파이는 우리를 인터넷에 연결하는 백본이다.

최신 와이파이 표준은 와이파이 6로 알려진 802.11ax이다. 와이파이 5 또는 802.11ac는 무선 측면에서 엄청난 발전을 가져왔다. 와이파이 6는 네트워크 및 보안 측면을 추가로 개선한다. 와이파이 6는 역대 최고의 성능을 자랑하는 버전으로, 전 세계를 강타하고 있다. 다음은 와이파이 6의 기술적 개선 사항과 이점이다. (출처: 와이파이 얼라이언스, 2021)

• MU-MIMO(Multi-user multiple input multiple output): 한 번에 더 많은 다운링크 데이터를 전송할 수 있으며, 액세스 포인트가 동시에 더 많은 디바이스로 데이터를 전송할 수 있다.

• 160MHz 채널: 저지연으로 더 큰 성능을 제공하기 위해 대역폭을 늘린다.

• TWT(Target Wake Time): 사물 인터넷(IoT) 디바이스와 같은 와이파이 디바이스의 배터리 수명을 크게 개선한다.

• 1024 직교 진폭 변조 모드(1024-QAM(quadrature amplitude modulation mode)): 동일한 양의 스펙트럼에서 더 많은 데이터를 인코딩하여 와이파이 디바이스의 처리량을 높인다.

• 전송 빔포밍: 주어진 범위에서 더 높은 데이터 속도를 지원하여 더 큰 네트워크 용량을 제공한다.

• OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access): 효과적으로 채널을 공유하여 수요가 많은 환경에서 업링크 및 다운링크 트래픽에 대해 네트워크 효율성을 높이고 지연 시간을 줄인다.

• 활성 표준 개발: IEEE 802.11 워킹 그룹(Working Group)은 성능 및 보안 향상을 위해 지속적으로 새롭고 향상된 버전의 표준을 개발하여 사용자가 끊임없이 변화하는 세상에 뒤처지지 않도록 돕고 있다. 와이파이 6으로도 알려진 최신 표준 802.11ax가 승인됐고, 802.11be로 예상되는 다음 버전이 개발 중이다. 와이파이 얼라이언스는 인증 프로그램을 통해 와이파이 혁신을 지속적으로 지지하고 홍보하고 있다.

• 거대한 생태계(Huge eco-system): 시간이 지남에 따라 점점 많은 가치가 더해지면서 기술의 지속적인 관련성을 보장할 수 있다.

이 섹션의 제목이 '와이파이 6E'인데, 여기서 'E'는 무엇을 의미할까? E는 6GHz 지원을 나타내며, 네트워크 성능을 크게 향상시키는 놀라운 새 기능이다.

와이파이 6E는 이전 와이파이 세대에 비해 두 가지 중요한 개선 사항을 제공한다. 첫째, 새로운 6GHz 대역에는 혼잡이 거의 없다. 이를 통해 2.4GHz 및 현재 5GHz에서 공통적으로 발생하는 공존 문제가 줄어들어, 모든 네트워크에서 보다 효율적인 운영이 가능하다. 또 다른 이점은 6GHz에서 사용할 수 있는 넓은 범위의 스펙트럼을 통해 매우 넓은 채널과 그 이상을 허용한다는 것이다. 이는 더 빠른 속도와 최소한의 지연 시간이 달성되는 정보 흐름의 슈퍼 하이웨이를 생성한다. 미국을 시작으로 FCC는 6GHz 대역에서 새로운 언라이선스 스펙트럼 사용을 승인했다. 영국과 유럽연합(EU) 등 다른 지역도 선례를 따르고 있으며, 곧 전 세계적으로 받아들여질 것으로 예상된다. 

온세미는 와이파이 얼라이언스의 핵심 회원으로서 표준의 정의를 돕고 혁신과 많은 특허를 보유한 최첨단 와이파이 기술을 지니고 있다. 결과적으로 온세미의 와이파이 솔루션은 업계를 선도하고, 많은 전문가급 제품에서 사용된다.

온세미의 QCS-AX2 칩셋 제품군은 고속 와이파이 6 시스템에 최적화됐으며, 2.4GHz, 5GHz, 6GHz 대역에 대한 트라이밴드를 지원한다. 

그림 1. 온세미의 QCS-AX2 칩셋 제품군

와이파이는 현재와 미래에 계속해서 핵심 기술이 될 것이다. 어떤 사람들은 5G가 와이파이를 대체할 것이라고 말하지만, 그렇게 되지는 않을 것이다. 와이파이는 속도와 지연 시간이 비슷하지만 총 소유 비용은 더 낮은 5G를 완벽하게 보완한다.

와이파이는 막대한 양의 데이터를 중간 범위에서 매우 빠르게 전송할 수 있는 완벽한 기술이다. 이는 실시간으로 비디오를 스트리밍하고 로봇을 제어하는 데 이상적이지만, IoT에서 일반적으로 사용되는 낮은 듀티 사이클 배터리 작동 노드의 경우에는 적합하지 않다.

블루투스 LE

이러한 디바이스를 위한 솔루션은 대개 블루투스 LE이다. 블루투스 LE는 블루투스 클래식(Bluetooth Classic)의 저전력 버전으로, 최근까지 큰 인기를 끌었다. 블루투스 클래식은 보다 빠른 속도를 요구하는 파일 전송 및 오디오 스트리밍을 포함한 기능에 최적화된 방식이기 때문에 유선의 교체 기술로 만들어졌다. 속도가 한층 빨라지면 보다 많은 전력량을 소비하는데, 배터리로 작동하는 IoT 노드에는 최적이 아니다. 

블루투스 클래식이 점점 인기를 끌게 되면서, 오늘날에도 여전히 휴대폰에 남아있다. 블루투스 기술이 발전함에 따라, 블루투스 스마트(Bluetooth Smart)로 알려진 저전력, 저 듀티 사이클(low duty cycle) 버전이 구축됐고, 이는 현재 블루투스 LE로도 알려져 있다. 블루투스 스마트의 등장 시점은 완벽했다. 이미 IoT가 빠르게 탄력을 받고 있었고, 많은 블루투스 칩들이 두 가지 버전 모두를 지원하여 스마트폰 내부에 이미 블루투스 LE 라디오가 내장돼 있었기 때문이다. 모든 엔드 노드가 사물인터넷(IoT)의 '사물'에 해당하고, IoT 디바이스가 되려면 데이터를 클라우드로 가져와야 하기 때문에, 스마트폰의 블루투스 LE 라디오는 기술들을 연결하기 위한 자연스러운 관문이었다.

이것이 지난 몇 년 동안 블루투스 LE의 채택이 폭발적으로 증가한 이유이다. 블루투스 SIG(Bluetooth SIG)는 2021년에는 약 45억 대의 블루투스가 출하될 것으로 예상했었다. 주요 적용 사례로는 오디오 스트리밍과 데이터 전송, 위치 서비스 및 네트워킹이 있다.

블루투스 LE의 주요 장점은 아래와 같다.

• 전세계적인 언라이선스 2.4GHz 대역 운영: 전 세계에서 동일한 제품을 사용할 수 있다.

• 작고 효율적인 패킷 사용: 보다 적은 전파 점유 시간(air time)과 빠른 전송 속도 및 낮은 전력 소비량을 보유하고 있다.

• 강력한 간섭 처리 매커니즘: 블루투스 LE는 와이파이 간섭의 최소화를 위해 선택된 광고(advertising) 채널을 사용한다. 채널 목록을 스위프할 때마다 통화량이 많은 채널을 피할 수 있도록 붐비는 채널을 추적하는 적응형 주파수 호핑 기능 또한 사용 가능하다.

• 블루투스LE가 탑재된 스마트폰: 모든 블루투스 LE 노드가 모바일 애플리케이션을 통해 클라우드와 통신할 수 있다.

• 활성 표준 개발(Active standards development): 블루투스 SIG는 지속적으로 새로운 서비스를 추가하고 부가 라디오 모드와 옵션을 제공한다. 예를 들어, 현재 장거리 모드의 경우 범위를 크게 증가시킨다(처리량 감소 비용).

• 거대한 생태계(Huge eco-system): 시간이 지남에 따라 점점 많은 가치가 더해지면서 기술의 지속적인 관련성을 보장할 수 있다. 

그림 2. 온세미의 RSL10 SIP

온세미의 사전 인증된 RSL10 SIP는 수상 경력이 있는 RSL10 라디오를 기반으로 한다. SiP(System in Package)는 RSL10 라디오, 안테나 및 모든 개별 구성 요소와 크리스탈을 6mm x 6mm 패키지에 통합한다. RSL10 라디오는 업계 최저 전력 소비량을 자랑하며, 최고 전류 사용량은 수신용 3mA, 송신용 4.6mA(모두 3V)에 불과하다. 또한 25nA만을 소비하는 깊은 수면 모드 역시 지원한다. 낮은 전력 소비량과 함께 RSL10에 기반한 배터리 구동 솔루션은 단일 배터리에서 최대 20년까지 작동할 수 있다.

또한 RSL10의 낮은 전력 소비량은 시스템의 전력이 주변 환경에서 제거되는 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) IoT 애플리케이션을 가능하게 한다. 예를 들면, 스위치는 RSL 10을 통해 피에조(piezo) 소자로부터 필요한 에너지를 사용하여 스위치가 눌렸을 때 신호를 전송한다. 배터리나 유선이 필요하지 않은 경우 이는 조명 스위치, 공장 설정에서의 비상 단추, 심지어 차량의 무선 안전 벨트 센서로 자동화를 구축할 때에도 유용할 수 있다.

그림 3. 온세미의 에너지 하베스팅 블루투스 LE

CSA의 그린 파워 프로토콜

블루투스 LE가 블루투스의 새로운 저전력 버전이듯, 그린 파워 프로토콜 역시 지그비 3.0의 저전력 버전이다. 지그비 3.0 디바이스 역시 저전력이며 배터리로 수 년간 작동해야 하지만, 에너지 하베스팅 작동에 너무 많은 전력을 소비한다. 지그비 3.0 프로토콜의 단순 버전인 그린 파워는 위와 같은 요구를 해결한다. 

그린 파워는 최소 프로토콜 오버헤드 보다 더 작은 패킷 구조를 가지고 있다. 이를 통해 전파 점유 시간을 최소화함으로써 상당한 에너지를 절약할 수 있다. 프로토콜 오버헤드가 감소하면 보다 쉽게 배터리 없이도 작동이 가능하다. 이러한 기술의 응용 사례는 비상 버튼, 스위치, 센서 등 블루투스 LE의 응용 사례와 유사하다. 사실 배터리 없이 작동이 가능하다는 점과 유지보수가 없다는 점은 IoT에게 일종의 만병통치약이다.

프로토콜이 단순하기 때문에 그린 파워 노드에서 지그비 3.0 노드로 통신하려면 프록시 디바이스가 필요하다. 지그비 3.0의 모든 라우터 장치는 프록시 기능을 인증해야 한다. 그린 파워 노드에는 다른(단순화된) 스택이 있으며 별도의 인증이 존재한다.

이러한 에너지 하베스팅의 대량 채택을 제한하는 주요 원인은 바로 에너지 하베스터(harvester) 그 자체와 관련된 비용이다. 다른 신기술과 마찬가지로 비용은 계속 낮아지고 솔루션이 시장에 새롭게 진입할 것이다. 이 솔루션이 제공하는 비용 및 에너지 절감과 설치 유연성은 구체적인 경제적 동기를 제공하며 무시하기 어려운 요소이다.

온세미는 2020년에 스트라타(Strata) 지원 지그비 그린 파워 키트를 출시했다. 이 키트는 NCS36510 SoC를 기반으로 하며, 스트라타에 접속하는 지그비 코디네이터 USB 디바이스 1개와 C.S.A 그린 파워 디바이스 역할을 하는 에너지 하베스팅 노드 2개로 하나의 지그비로 구성된다.

서브 GHz 전용RF

앞서 설명한 세 가지의 솔루션(와이파이, 블루투스 LE, 그린 파워)은 모두 표준 기반 프로토콜로, 산업 제휴에 의해 관리 및 유지되며, 주로 디바이스 간의 상호 운용성을 위해 선택된다. 브랜드 인지도 때문에, 소비자들은 저마다의 브랜드에서 구매하는 제품들이 그저 ‘작동하기’를 바란다. 디바이스 및 제품 인증은 제품들의 정상적인 작동을 보장하기 위해 중요한 부분이다.

표준화는 엄청난 이점을 가져오지만 현재 진행중인 프로세스이며, 변화하고 진화하는 표준에 뒤처지지 않기 위해서는 전용 리소스가 필요하다. 물론 이것이 반드시 나쁜 것은 아니지만, 장기적인 로드맵을 가진 제품을 개발할 때에는 고려가 필요하다. 

또 다른 방법은 1GHz(Sub GHz) 미만의 주파수를 가진 비표준 전용(proprietary) 솔루션을 중심으로 무선 연결을 구축하는 것이다. 이를 통해 비용이나 표준 기반 솔루션의 전력 오버헤드 없이 특정 요구사항에 가장 효율적인 솔루션을 선택할 수 있다. 전용 프로토콜은 필요에 따라 간단하거나 복잡하게 구축될 수 있으며, 값비싼 인증 및 멤버십 비용은 필요하지 않다. 또한 진화하는 표준에 맞추기 위해 강제로 업데이트를 할 필요가 없다. 

서브 GHz 전용의 또 다른 장점은 낮은 주파수로 인해 보다 긴 범위를 가진다는 것이다. 주파수가 낮을수록 신호가 더 멀리 전파될 수 있다. 일부 애플리케이션에서는 2.4GHz 블루투스 LE 또는 지그비 노드의 메시보다 서브GHz 사유를 사용하여 스타 네트워크를 구축하는 것이 보다 경제적이다.

결론

본 기고에서 몇 가지 무선 연결 솔루션을 검토하고 높은 수준의 이점들을 살펴봤다. 사용 가능한 기술이 무엇이고, 그 기술이 갖는 이점이 무엇인지 이해하는 것은 새로운 무선 제품 설계의 범위 설정에 있어서 첫 번째 단계이다. 

아래의 요약 표에서 서로 다른 프로토콜들을 직접 비교할 수 있다.

표 1. 무선 프로토콜 사양