올바른 무선 기술 선택 1부: 주파수 스펙트럼, 통신 거리 및 네트워크 토폴로지

2021년 12월 16일

오늘날에는 다양한 무선 표준과 프로토콜이 사용되고 있으며, 특정 애플리케이션에 적합한 기술을 선택하는 것은 어려울 수 있다. 이 글에서는 이와 관련해 고려해야 할 몇 가지 주요기준을 살펴보고 CAS(Connectivity Standards Alliance)의 와이파이 기술, 저전력 블루투스(Bluetooth Low Energy) 기술, 전용 통신 및 그린파워 프로토콜과 같은 4가지 일반적인 옵션을 검토한다.

무선 기술을 선택할 때는 여러 사항을 고려해야 한다. 각 사항은 내재적인 장단점을 가지기 때문에, 종종 상호 의존적이기도 하다. 다행히 대부분의 기술이 표준에 기반해 특정 애플리케이션 및 생태계를 위해 설계되므로, 이미 많은 장단점이 특정 사용사례 및 상호 운용성에 최적화 되어있다.

전용 프로토콜의 경우 외부 생태계와의 상호 운용성이 요구되지 않아 무선 프로토콜을 더욱 최적화할 수 있는 것이 주요 장점이다. 프로토콜 오버헤드 및 통신시간 등을 애플리케이션의 특수한 요구사항에 맞춰 최소화할 수 있다. 전용 프로토콜은 높은 설계 유연성을 제공하며 일반적으로 최저 비용과 최저 전력 소비를 특징으로 한다.

다음 섹션에서는 각 고려사항을 세분화하고 상호 의존성에 대해 논의하고자 한다.

주파수 스펙트럼

와이파이, 저전력 블루투스(BLE) 및 지그비(Zigbee) 기술은 2.4GHz 대역에서 별도 허가가 필요 없는 주파수 대역을 사용한다. 2.4GHz는 전세계에서 비허가 대역으로 사용되고 있으며, 와이파이 및 저전력 블루투스가 내장된 휴대 전화로 인해 널리 사용되고 있다

2.4GHz 외에도 새로운 세대의 와이파이는 5GHz를 사용해 혼잡성을 완화하고 더 많은 대역폭을 제공한다. 미연방통신위원회(FCC)는 최근 6GHz에 근접해 훨씬 더 많은 대역폭을 제공하는 또 다른 대역을 개설했다. 세계의 다른 국가들도 이를 따르고 있으며, 앞으로 6GHz가 글로벌 표준이 될 것으로 전망된다.

표 1. 각종 기술 비교

각 지역에서 허가없이 사용할 수 있는 Sub-GHz 대역은 존재하지만, 전 세계에서 공통으로 사용 가능한 주파수 표준은 존재하지 않는다. 일반적인 주파수로는 여러 국가에서 433MHz, 미국에서 915MHz, 유럽에서 868MHz이다. 따라서 Sub-GHz 솔루션 제공업체는 각 지역마다 별도의 통신업체를 보유해야 한다. 이것이 Sub GHz의 주요 단점이다. 그러나 온세미(onsemi)를 비롯한 무선 칩 공급업체들은 공통의 하드웨어 설계를 바탕으로 최소한의 자재 명세서(BOM) 변경으로 각 지역을 지원함으로써 설계변경 및 설계차이를 최소화하고 있다.

간략히 요약하자면, 지그비 기술은 Sub GHz 대역에서도 동작을 지원하지만, 오늘날에는 2.4 GHz가 더 널리 보급되어 있다. Sub GHz 대역에서 동작하는 지그비를 스마트 미터링용으로 사용하는 영국이 대표적인 예외의 경우이다.

그림 1. 글로벌 비허가 주파수 스펙트럼

허가 스펙트럼의 사용도 일반적이지만, 보통은 특별히 중요하거나 대규모로 연결되는 경우에 주로 사용된다. 예를 들면 위성을 이용한 네트워크와 스마트 미터링 네트워크가 해당된다. 상업적 응급 서비스도 허가 스펙트럼을 사용한다. 허가 스펙트럼 사용의 주요 이유는 신뢰성(reliability) 및 간섭(interference)으로부터의 보호이다. 휴대 전화도 이와 같은 이유로 허가 스펙트럼을 사용한다.

통신 범위

통신 범위는 이 글의 범위를 벗어나는 수많은 변수와 물리적 특성에 관련된 복잡한 주제이다. 그러나 통신 범위는 다음 변수에 따라 달라진다.

• 물리적 전송 특성(통신 채널)
• 전송 노드의 출력 전력
• 수신기가 노이즈 플로어(noise floor) 로부터 매우 작은 신호를 포착하는 능력(민감도)
• 간섭 신호의 존재 및 간섭 받고 있는 신호를 수신하는 능력
• 안테나의 지향성
• 프로토콜 자체 기술

와이파이, 저전력 블루투스, 지그비/802.15.4는 사용 환경에 맞게 프로토콜의 물리적 특성이 이미 조정되어 있다. 그러나 전송 전력 및 환경 변수에 대한 이해와 이들이 무선 신호, 안테나 변수 및 수신기의 민감도에 미치는 영향과 함께 간섭신호에 대한 영향 등을 이해하는 것은 여전히 시스템 설계자의 몫이다.

통신 범위는 주파수 대역에 반비례한다. 대략적인 사례를 살펴보면, 주파수가 두 배 증가할 때 범위는 반으로 줄어든다. 출력 전력을 높이면 범위를 확장하는 데 도움이 될 수 있지만 실용적이지는 못하다. 따라서, 출력 전력 증가시킴으로써 얻는 이점에는 근본적으로 한계가 있다.

범위를 제한하는 또 다른 변수는 데이터 전송 속도이다. 데이터 전송 속도가 빨라질수록 수신이 어려워진다. 마치 우리가 누군가에게 빠른 속도로 말하려 할 때와 같다. 만약 상대방이 우리가 하는 말을 이해하지 못한다면, 더 크게 말하더라도 듣는 이에게 도움이 되지 않는다. 이는 정보 통신의 이면에 있는 기본 전제이다.

주파수와 데이터 전송 속도가 증가함에 따라 프로토콜은 다중입력 및 다중출력(MIMO)을 구현해야 한다. 기본적으로 이것은 정보를 병렬 메시지로 분할하여 단위 시간당 더 많은 정보를 전송할 수 있는 방식이다. 병렬 데이터 스트림을 통해 더 많은 데이터를 동시에 전송할 수 있으므로 범위를 줄이지 않고도 데이터 속도를 효과적으로 높일 수 있다는 설명이다. MIMO 숫자는 병렬 채널의 숫자를 의미한다. 예를 들어, 4x4 MIMO는 4개의 송신기와 4개의 수신기가 있다는 것을 의미한다. 데이터 전송 속도와 통신범위 간의 관계는 5G 구축으로 인해 더 많은 기지국이 필요한 큰 이유 중 하나이다. 5G 속도는 4G보다 훨씬 빠르므로, 네트워크를 완성하고 필요한 수준의 성능을 제공하려면 MIMO가 탑재된 기지국이 더 필요하다.

전용 프로토콜의 스펙은 정부의 법적 제한에 기초한 규정으로 제한을 받고 있다. 예를 들어, EU에서는 868MHz 대역을 출력 전력 +14dBm으로 제한하고 있다. 조정 가능한 프로토콜 변수로는 다음과 같은 종류가 있다:

• 수신기가 입력되는 신호를 수신하도록 하는 프리앰블 (preamble) 및 시퀀스의 길이
• 데이터 및 프로토콜 페이로드
• 사용된 변조 유형
• 대역폭 및 데이터 전송 속도
• 코딩 및 오류 수정

이 목록은 포괄적이지는 않지만 전용 프로토콜 설계에 관련된 변수 중 일부를 보여준다. 구현 가능한 모든 미세 조정과 관련해, 전용 방식은 가장 좋은 선택이다. 모든 변수가 조정 가능해 전력 소비를 최소화할 수 있기 때문이다.

네트워크 토폴로지

메시(mesh)를 사용할지 안 할지는 많은 엔지니어들에게서 다양한 의견이 분분한 오래된 질문이다. 메시 네트워크에 관해서는 결정을 내리기 전 고려해야 할 불가피한 상황들이 존재한다. 이 글에서는 메시 기능이 있는 저전력 블루투스와 지그비 기술을 살펴본다.

저전력 블루투스는 보통 근거리 네트워크라는 정의에 알맞게 사용되어 왔다. 그러나 지난 몇 년 동안 블루투스 기술 웹사이트에서는 메시 프로토콜을 정의해 왔으며 현재 스마트 조명 업계에서 주목을 받고 있다. 저전력 블루투스는 휴대폰 및 대부분의 게이트웨이와 직접 통신할 수 있는 편리함 때문에 많이 사용되고 있다.

그림 2. 저전력 블루투스 메시 네트워크 토폴로지

그러나 메시 네트워크는 메시 네트워크의 장점이 필요한 곳에만 사용돼야 한다. 예를 들어, 공장이나 산업 환경에서 메시 네트워크를 적용하면 더 많은 노드가 서로 연결되고 통신 신뢰도가 향상되므로 매우 적합한 경우라 할 수 있다. 이 방법은 매우 유용하지만 라우터 노드에 항상 전력이 공급돼야 하므로 전력 소비에 따른 비용이 발생한다. 또 다른 비용으로는 지연시간이 있다. 메시지가 홉(hop)이라고도 불리우는 여러 노드를 통과하기 때문에 지연시간이 증가할 수 있다. 실시간 데이터가 필요한 응용 프로그램에서 이러한 특성은 문제가 될 수 있다.

메시 네트워크의 또 다른 이점은 네트워크 범위의 증가이다. 범위가 더 이상 P2P(Point-to-Point) 연결에 제한되지 않으므로 메시는 단일 P2P 연결의 작동범위보다 훨씬 더 큰 범위까지 확장될 수 있다. 이 때 지연시간이 다시 발생하며, 각 라우터 노드마다 스택 뿐 아니라 네트워크의 라우팅 테이블까지 저장할 더 큰 메모리와 더 복잡한 소프트웨어라는 비용까지 추가된다.

만일 구현이 가능하다면, 스타(star) 네트워크가 일반적으로 가장 경제적이다. Sub GHz 스타 네트워크는 단거리 프로토콜 메시에 비해 범위가 더 길고 더 경제적인 솔루션이 될 수 있다. 그러나, 엔드 노드에서 코디네이터로의 라우팅 경로가 하나뿐이기 때문에 견고성의 손실이 발생한다.

와이파이에 대해 다시 논의하자면, 와이파이는 속도가 빠르고 넒은 범위를 갖으며 일반적으로 스타 네트워크(P2P)를 이용한다. 범위가 더 넓은 이유 중 하나는 와이파이 네트워크의 전송 전력이 일반적으로 +30dBm(1W) 정도이기 때문이다. 일반적인 저전력 블루투스 또는 지그비는 0에서 +8 dBm 사이, 때로는 +20 dBm까지 전송하지만 이는 게이트웨이를 제외하면 덜 일반적이다. 메시가 없는 경우 저전력 블루투스는 통상 10m 안팎, 지그비 기술은 100m 안팎으로 제한된다.

와이파이에 5GHz와 6GHz 대역이 추가되면서 범위가 줄어드는 점도 언급할 필요가 있다. 이에 대응해 지속적으로 우수한 서비스 품질을 제공하기 위해 메시 네트워킹이 와이파이에 추가되고 있다. 이지메시(EasyMesh)라고 하는 와이파이 메시 인증 프로그램은 서로 다른 공급업체의 와이파이 노드와 컨트롤러가 상호운용 및 조정돼 균일하고 효율적인 작동범위를 유지하도록 보장한다.

결론

이 글에서는 엔지니어가 주파수 스펙트럼, 통신 범위, 네트워크 토폴로지, 성능의 상충관계 등 무선 시스템을 설계할 때 고려해야 할 몇 가지 사항을 소개했다. 대부분의 시스템과 마찬가지로, 성능의 상충관계는 종종 상호의존적이다.

이 기사의 2부에서는 전력소비, 공존 및 보안을 포함해 설계에 적합한 무선 기술을 선택하기 위한 다른 고려 사항을 살펴보고자 한다.

<2부 기사 보기: https://all4chip.com/archive/report_view.php?no=13651>

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