아직도 먼 5G 시대: 기성 LTE 4G 모듈을 사용하여 원격 IoT 감지 및 제어

원격 감지 및 제어와 같은 IoT 응용 분야의 개발자는 광범위한 장거리 저전력 저비용 무선 통신을 위한 최적의 솔루션을 찾아야 한다는 부담감을 느끼고 있습니다. 높은 신뢰성, 짧은 대기 시간, 최소 전파 방해라는 특히 더 까다로운 세 가지 요구 사항이 있습니다. 5G가 이러한 기준 충족을 약속하기는 하지만 설계자는 5G가 자리를 잡을 때까지 셀룰러 4G LTE 네트워크를 사용할 수 있습니다.

원격 감지 및 제어 응용 분야에는 글로벌 자산 모니터링 및 추적, 유틸리티 계측, 산업용 기계 연결, 대규모 실외 공장에서의 예측 정비 등이 포함됩니다. 후자에는 정유공장, 화학 공장 및 광산, 스마트 시티 인프라, 웨어러블 및 가정 의료 모니터링, 스마트 농업 등이 포함됩니다.

다양한 제조업체가 다양한 지역에서 네트워크를 구축함에 따라 5G에 대해 많은 말들이 있었지만 당분간은 4G 셀룰러 통신이 계속해서 우위를 나타낼 것입니다. 그렇다면 개발자는 실용성에 기초하여 IoT RF 인터페이스를 선택해야 합니다. 이는 RF 모듈 선택에만 국한되지 않고 셀룰러 IoT를 실용적으로 만드는 데 필요한 에코시스템을 신중하게 고려해야 한다는 것을 의미합니다. 에코시스템의 필수 요소로는 소프트웨어 스택과 셀 방식 인프라가 있으며, IoT 사용을 위한 포괄적인 셀룰러 적용 범위를 보장하는 데 필요한 통신회사의 데이터 요금제와 청구 시스템도 포함됩니다.

이 기사에서는 셀룰러 IoT 응용 분야와 이러한 응용 분야를 실현하는 데 필요한 내장형 기술에 대해 폭넓게 살펴봅니다. 또한 엔지니어가 위에 열거된 다양한 응용 분야에 적합한 셀룰러 IoT 설계를 개발하는 데 도움이 되는 관련 자료와 최신 하드웨어 및 소프트웨어 기술에 대해 자세히 살펴봅니다. 또한 즉시 사용 가능한 데이터 요금제 관련 정보가 포함되어 있습니다.

5G는 왜 아직 아닌가요?

큰 진척에도 불구하고 5G 네트워크와 장비 표준은 아직 완성되지 않았습니다. 표준이 완성되더라도 표준화된 5G 네트워크와 장비를 구축하여 배포하는 데 몇 년은 걸릴 것입니다. 4G LTE 네트워크는 2011년 이후 상용 환경에서 운영되고 있으며 대부분의 IoT 응용 분야에 필요한 성능과 범위를 충분히 제공할 수 있습니다.

최소 하나 이상의 추정에 따르면 4G LTE 네트워크가 현재 전 세계 셀룰러 시장의 약 40%를 차지하고 있고, 이전 2G 및 3G 네트워크가 각각 시장의 약 30%를 차지하고 있습니다. 2025년까지도 5G의 시장 점유율은 약 15%에도 미치지 못할 것으로 예상됩니다. 장거리 저전력이 요구되는 IoT 시스템의 설계자는 이 점을 염두에 두고 기존 셀 방식 인프라를 활용하고 4G LTE 및 이전 표준을 준수해야 합니다. 이러한 표준은 현재 적용되고 있을 뿐 아니라 4G LTE의 경우처럼 IoT의 요구 사항을 충족하도록 진화하고 있습니다.

IoT에 맞게 진화하는 LTE

LTE 표준의 3GPP(Third Generation Partnership Project) 릴리스 13은 IoT 응용 분야를 위한 새로운 LET 범주인 Cat-M1(Category M1, 이전 명칭은 eMTC[enhanced Machine Type Communication]), Cat-NB1(Category NB1, 이전 명칭은 NB-IoT[Narrowband-IoT])을 정의합니다. 이러한 새로운 범주는 라이선스 대역의 덕택에 저전력, 긴 범위, 짧은 대기 시간, 저비용, 최소 전파 방해를 지원하여 LTE를 IoT에 맞게 확장합니다.

Cat-M1은 1.4MHz 채널 폭에 업링크 시 375kb/s, 다운링크 시 300kb/s의 처리량을 정의합니다. Cat-NB1은 200kHz의 훨씬 좁은 채널 폭에 초당 수십 킬로비트의 처리량을 정의합니다. Cat-M1의 대기 시간은 약 10ms ~ 15ms인 반면에 Cat-NB1의 대기 시간은 초 단위로 측정되며 일부 배포 시나리오에서는 10초에 이르는 경우도 있습니다.

셀룰러 통신의 긴 도달 범위와 보편적 존재성으로 인해 혜택을 받을 수 있는 계량기, 건강 상태 모니터, 모바일 피트니스 응용 제품 등에서는 이 정도 성능으로도 충분합니다. 현재와 가까운 미래에 한정할 경우 어떠한 저전력 광역 무선 기술도 확립된 4G LTE 네트워크의 확장성, 보안 및 긴 수명을 제공할 수는 없습니다.

클라우드에 연결

이미 여러 벤더에서 셀룰러 데이터 모뎀으로 작동하거나 셀룰러 데이터 모뎀을 내장형 개발 플랫폼에 통합한 모듈을 제공하고 있습니다. 이러한 모듈은 4G LTE 또는 이전 표준 셀룰러 네트워크를 통해 IoT 장치를 클라우드에 연결합니다. 하지만 하드웨어 모듈만으로는 IoT 장치를 클라우드에 연결할 수 없습니다. 또한 적절한 소프트웨어와 셀룰러 제공자에 대한 관리되는 연결이 필요합니다. 세 가지 요소 중 하나라도 없다면 연결되지 않습니다.

응용 프로세서를 포함하거나 포함하지 않는 셀룰러 IoT 모듈을 선택할지는 프로젝트 하드웨어를 처음부터 설계하는지, 기존 내장형 설계에 셀룰러 IoT 연결을 추가하는지에 따라 다릅니다. 다음 개요에서는 온보드 응용 프로세서가 탑재되어 있거나 탑재되지 않지 않은 일부 4G LTE 셀룰러 모뎀 모듈 및 IC를 간략하게 설명합니다.

Sierra Wireless의 AirPrime WP7702 저전력 광역(LPWA) 모듈은 응용 프로세서 서브 시스템과 셀룰러 데이터 모뎀을 22mm x 23mm x 2.5mm의 소형 패키지에 통합합니다. 이 모듈은 3GPP의 릴리스 13 표준을 준수하며 Cat-M1 및 Cat-NB1 프로토콜을 구현합니다. Cat-M1의 피크 데이터 전송률은 다운로드 시 300kb/s, 업로드 시 375kb/s입니다. Cat-NB1 데이터 전송률은 다운로드 시 27kb/s, 업로드 시 65kb/s입니다.

그림 1: Sierra Wireless의 AirPrime WP7702 RF 모듈은 응용 프로세서를 포함하고 Cat-M1 및 Cat-NB1 셀룰러 프로토콜을 모두 지원합니다. (이미지 출처: Sierra Wireless)

AirPrime RF 모듈과 함께 Sierra Wireless는 Developer Studio 통합 개발 환경(IDE)을 제공합니다. Eclipse Java IDE를 기반으로 하여 빌드된 이 IDE를 사용하면 개발자가 Windows, Linux 및 MacOS 호스트에서 실행 중인 직관적인 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)로 오픈 소스 Legato 애플리케이션 프레임워크를 사용하여 애플리케이션을 생성할 수 있습니다. 이 도구에는 설계 주기의 다양한 단계에서 무선 데이터 응용 제품을 위한 응용 소프트웨어 개발을 지원하는 데 유용한 유틸리티 및 기능이 포함되어 있습니다.

Legato는 Linux 기반 OS 배포(WP7702 모듈의 통합된 1.3GHz Arm® Cortex®-A7 프로세서에서 실행됨), 기판 지원 패키지(BSP) 및 호스트 PC에서 실행되는 맞춤형 개발 도구를 결합합니다. 또한 Sierra Wireless는 전 세계의 다양한 무선 통신회사에 연결되는 Sierra Wireless 셀룰러 모뎀에 대한 연결 및 장치 관리를 제공하는 셀프 서비스 포털인 AirVantage IoT 플랫폼을 제공합니다. 여기에는 AT&T, Verizon, NTT, Telstra, KT, SKT 등이 포함됩니다. 또한 AirVantage는 무선 연결을 통해 Sierra Wireless 모뎀에 대한 펌웨어 업데이트를 자동화합니다.

Talon Communications, Inc.는 Sierra Wireless WP7702 모듈을 캐리어 카드에 탑재하여 개발 플랫폼 겸용으로 사용합니다. WP7702 모듈과 캐리어 카드는 캐리어 서비스를 이용하는 데 필요한 셀룰러 micro SIM 카드용 온보드 소켓이 탑재된 mangOH Red™ 평가 기판을 구성합니다. mangOH Red 플랫폼은 다양한 WP7702 모듈의 인터페이스 핀을 커넥터(안테나 커넥터 3개, micro USB 커넥터 2개, 전체 크기 USB 호스트 포트 1개, I²C, SPI, UART 및 GPIO I/O 핀을 포함하는 핀 헤더 1개, 3.5mm 스테레오 오디오 출력 잭 1개 포함)로 분리합니다.

그림 2: mangOH Red 개발 기판은 Sierra Wireless의 WP7702 RF 모듈용 응용 제품 개발을 지원합니다. (이미지 출처: Talon Communications)

mangOH Red의 USB 호스트 포트는 개발 플랫폼을 소프트웨어 개발용 호스트 컴퓨터에 연결합니다. 적절한 Windows 드라이버를 로드하고 Sierra Wireless의 Legato Developer Studio를 설치하면 WP7702 모듈을 사용한 무선 IoT 응용 제품 개발을 위한 설정이 완료됩니다.

u-blox의 SARA-R410M-02B는 16mm x 26mm x 2.5mm의 울트라 콤팩트 LTE Cat-M1 및 Cat-NB1 RF 트랜시버 모듈이며 96핀 LGA 패키지로 제공됩니다.

이 트랜시버 모듈은 USB 또는 UART 인터페이스를 통해 호스트 프로세서에 연결되며 3GPP에 의해 정의된 스트링 지향 AT 명령 세트를 사용하여 호스트 프로세서를 통해 제어됩니다. 또한 SARA-R410M-02B에는 캐리어 서비스 식별을 위한 SIM 카드 인터페이스가 있습니다.

그림 3: u-blox SARA-R410M-02B RF 트랜시버 모듈은 호스트 프로세서에 연결될 수 있는 전체 Cat-M1 및 Cat-NB1 무선 및 기저대역을 구현합니다. (이미지 출처: u-blox)

u-blox EVK-R4 평가 키트는 u-blox SARA-R410M 모듈의 I/O 핀을 통합하고 분리합니다. 이 평가 키트는 모듈을 안테나, 전력 및 호스트 프로세서에 연결하는 데 적절한 커넥터를 제공합니다. 또한 온보드 SIM 카드 홀더가 있으며 GNSS(Global Navigation Satellite System) 도터 카드를 허용합니다. GNSS 장치는 응용 제품 추적을 위해 종종 셀룰러 무선 통신과 연결됩니다. GNSS 장치 및 모듈에 대한 자세한 내용은 “GNSS 모듈을 사용한 신속한 위치 추적 시스템 설계” 및 “비용 효율적인 GNSS 모듈을 사용한 응용 제품 추적에 신속한 취득 및 높은 정확도 추가”를 참조하세요.

그림 4: u-blox의 EVK-R4 개발 키트는 손쉬운 개발을 위해 u-blox SARA-R410M 모듈의 I/O 핀을 분리합니다. (이미지 출처: u-blox)

Hologram, Inc.는 u-blox SARA-R410M 모듈을 소형 USB 기판에 실장하여 HOL-NOVA-R410을 생성했습니다. 이 솔루션을 사용하면 USB 포트를 통해 LTE Cat-M1 및 Cat-NB1 RF 트랜시버 기능을 기존 제품에 빠르게 추가할 수 있습니다.

그림 5: Hologram Inc의 NOVA-R410은 소형 USB 캐리어에 u-blox SARA-R410M 셀룰러 RF 모뎀을 배치하여 USB 탑재 시스템에 장거리 IoT RF 통신 추가를 간소화합니다. (이미지 출처: u-blox)

Nordic Semiconductor의 nRF9160 시스템 인 패키지(SiP)는 10mm x 16mm x 1mm 패키지 내에 응용 마이크로 컨트롤러, 전체 LTE 모뎀, 트랜시버 프론트 엔드, 전력 관리를 통합합니다. 이 모듈은 자산 추적을 위한 GPS 지원을 포함합니다. 셀룰러 네트워크의 위치 데이터와 GPS 위성 삼각 측량 기술을 결합하여 장치의 위치를 원격 모니터링할 수 있습니다.

nRF9160의 응용 프로세서는 64MHz로 실행되는 Arm Cortex-M33이며, 256KB 정적 RAM 및 1MB 플래시 메모리와 결합됩니다. 이 모듈의 4G LTE 모뎀은 3GPP 릴리스 13 표준 13 Cat-M1 및 Cat-NB1과 릴리스 14 Cat-NB1 및 Cat-NB2 프로토콜을 구현합니다.

Nordic Semiconductor의 nRF9160 모듈용 nRF9160-DK 개발 키트는 캐리어 기판에 실장된 nRF9160 모듈을 포함합니다.

그림 6: Nordic Semiconductor의 nRF9160-DK 개발 키트는 개발 작업을 위한 모든 nRF9160 셀룰러 모듈 핀을 분리하며 광범위한 소프트웨어 지원과 함께 제공됩니다. (이미지 출처: Nordic Semiconductor)

소프트웨어 개발 키트(SDK)는 다음을 포함합니다.

• nRF9160을 위한 Zephyr Project의 확장 가능한 실시간 운영 체제(RTOS)
• MCUboot 보안 부트로더
• nrfxlib RTOS 독립 라이브러리

nRF9160-DK 개발 키트의 제품 구성도는 nRF9160에 필요한 지원 부품을 보여줍니다.

그림 7: Nordic Semiconductor의 NRF9160-DK 개발 키트 제품 구성도는 nRF9160 셀룰러 IoT SiP에 필요한 지원 부품을 보여줍니다. (이미지 출처: Nordic Semiconductor)

nRF9160 응용 제품을 빌드하려면 Segger Microcontroller Systems의 Embedded Studio IDE를 사용하는 것이 좋습니다. nRF9160 SiP를 비롯한 Nordic Semiconductor 장치용 Segger Embedded Studio의 특수 버전을 무료로 사용할 수 있습니다.

데이터 요금제에 대한 설명

작업자의 네트워크에 장치를 배포하기 전에 먼저 응용 프로세스를 검토하여 대역 및 전파 방해에 관한 작업자의 요구 사항을 충족하는지 확인해야 합니다. 프로세스를 검토하기 전에 개발자는 적합한 데이터 요금제를 선택하고 장기적인 데이터 요금제의 장기적 비용을 고려해야 합니다. 이를 돕기 위해, 유용한 리소스로서 사용 가능한 IoT 셀룰러 데이터 요금제 목록을 여기에서 확인할 수 있습니다.

결론

특히 도입이 임박한 5G 셀룰러 기술의 출현으로 셀룰러 IoT 환경이 빠르게 변화하고 있습니다. 셀룰러 IoT 응용 제품용 RF 모듈을 사용할 수 있지만 셀룰러 IoT를 실용적으로 만드는 에코시스템을 지원해야 합니다. 이 에코시스템에는 실리콘 및 모듈 솔루션을 배포 가능한 제품으로 변환하는 데 필요한 소프트웨어 개발 도구, 스택 및 라이브러리가 포함됩니다. 5G를 널리 사용할 수 있을 때까지, 4G LTE 기반의 모듈은 앞으로도 오랫동안 원격 IoT 감지 및 제어 부문을 위한 실행 가능한 솔루션으로 사용될 것입니다.