고신뢰성 무선 산업 제어 시스템에서의 전파 방해 처리

무선 제어는 산업 시스템을 위한 큰 장점이지만 극복해야 하는 몇 가지 중요한 과제가 있습니다. 이 기사에서는 고신뢰성 산업 제어 시스템과 Decawave, Linx Technologies, Digi 및 Atmel의 다양한 트랜시버 장치 및 모듈에 구현된 여러 주파수 및 무선 프로토콜에 관련된 전파 방해 문제에 대해 살펴봅니다.

산업 자동화를 위한 무선 제어 시스템에서 전파 방해를 최소화하는 데에는 여러 가지 방법이 있습니다. 설계자는 가능한 가장 안정적인 무선 링크를 확보하기 위해 링크 버짓, 거리, 주파수 및 프로토콜을 조정할 수 있습니다. 전파 방해는 광대역 전기 잡음부터 주변에서 작동 중인 다른 무선 시스템에 이르기까지 다양한 출처에서 발생할 수 있습니다.

프로토콜은 손실된 기호의 효과를 최소화하기 위해 코드 분할 다중화(CDMA)를 사용하는 링크 최적화의 한 방법입니다. 이제 데이터의 무결성을 유지하기 위해 순방향 오류 보정 및 순환 중복 검사(CRC)가 정기적으로 추가되지만 페이로드에서 유용한 비트를 차지할 수 있습니다.

확산 스펙트럼 및 주파수 호핑 기술도 전파 방해를 최소화하는 데 사용되고 있습니다. 주파수 범위 전체에 걸쳐 신호를 확산하는 방식도 특정 주파수 하나에서 전파 방해의 영향을 줄여 줍니다. 또는 링크가 문제를 감지하여 자동으로 다른 대역으로 전환함으로써 주파수 호핑 체계에서 전파 방해를 피할 수 있습니다.

이와 동시에 설계자는 이러한 기술로 제공되는 범위(일부 시스템의 경우 최대 12km에 달할 수 있음)를 조정하여 다른 신호에는 취약도가 낮을 수 있는 팩토리 사이트 내에서 더 높은 링크 버짓을 제공할 수 있습니다. 

이러한 모든 기술은 사용되는 주파수 스펙트럼에 대해 연쇄 효과를 가집니다. 서브 GHz 868MHz 및 902MHz 대역은 많은 종류의 링크에서 사용되기 때문에 확산 스펙트럼이나 주파수 호핑이 실용적이지 않고, 2.4GHz 대역은 저전력 ZigBee 프로토콜이 차지하고 있지만 Wi-Fi 및 Bluetooth를 수용해야 하며 전자 레인지 및 기타 산업 시스템으로부터의 일반적인 전파 방해에도 대처해야 합니다.

이러한 문제의 한 예로, Wi-Fi와 겹치지 않고 전파 방해가 미미한 ZigBee 채널은 몇 개에 불과하며(채널 15, 20, 25, 26), Wi-Fi 채널마다 네 개의 겹치는 ZigBee 채널이 있습니다. 패킷 오류율(PER)의 감소는 전파 방해 소스와 수신기 사이의 거리 및 중앙 주파수의 차이(전파 방해 소스와 수신기 사이)와 밀접한 관계가 있으므로 2.4GHz 대역을 사용하는 시스템 설계자에게 큰 과제가 됩니다.

Decawave는 이러한 과제에 정면으로 대처하는 대신 3.5GHz ~ 6.5GHz 대역과 초광대역 프로토콜의 조합을 사용하여 전파 방해에 더 강하고 더 높은 데이터 전송률을 제공합니다. DecaWave의 DW1000 칩은 IEEE802.15.4-2011 표준에 기반한 완전한 단일 칩 CMOS 초광대역 IC입니다. 이러한 사양은 ScenSor(Seek Control Execute Network Sense Obey Respond) 제품군의 첫 번째 부품이며, 110kbps, 850kbps, 6.8Mbps의 데이터 전송률로 작동합니다. 또한 주파수가 더 높기 때문에 실내외 10cm 이내에서 태그가 부착된 개체를 찾을 수 있습니다.

그림 1: DW1000 트랜시버의 제품 구성도.

이 기술은 특히 원격지나 접근이 어려운 위치에서 정밀한 실내 위치를 위한 고신뢰성 링크 및 공장 자동화를 위한 통신을 모두 처리합니다. DW1000은 정확한 시간 측정과 데이터 통신이 동시에 수행되도록 지원하므로, 실시간 위치 시스템(RTLS)과 실내 포지셔닝 시스템 및 사물 인터넷, 무선 센서 네트워크의 개발자가 다양한 응용 분야에 사용할 수 있습니다.

공장 자동화 장비의 제조업체는 Wi-Fi RTLS에 대해 3m ~ 5m가 아니라 10cm의 위치 정밀도로 자동화 및 모니터링 도구에 기술을 통합할 수 있습니다. 또한 더 높은 주파수를 사용하면 ZigBee의 250kbit/s 및 Wi-Fi의 1Mbit/s에 비해 최대 6.8Mbit/s의 데이터 전송률을 제공할 수 있습니다.

사용되는 프로토콜은 802.15.4a 표준으로, 이는 버스트 위치 변조(BPM) 및 이진 위상 변이 방식(BPSK)의 조합입니다. 조합된 BPM-BPSK는 기호의 변조에 사용되며, 여기서 각 기호는 특정 주파수 하나에서 전파 방해에 대한 취약성을 줄여주는 여러 개의 초광대역 펄스로 구성됩니다. 또한 이 칩은 6개의 주파수 분할(FDMA) 채널을 코드 분할 CDMA 기술과 결합합니다. 코드 분할 CDMA 기술은
채널당 두 개의 다른 코드를 사용하여 채널 링크를 더 최적화하고 전파 방해를 줄여줍니다. 그런 다음 통합 FEC 및 CRC 오류 보정과 결합되어 전파 방해가 신호에 영향을 미치지 않도록 합니다.

또한 이 기술은 펄스의 주파수 대역이 잘 반사되지 않고 더 쉽게 분산되므로 다중 경로 전파 방해에 대한 기본적인 내성을 제공합니다.

DW1000은 2.8V ~ 3.6V의 단일 공급 전압을 사용하며 저전력 작동을 위해 31mA로 시작하는 전이 모드 전류와 64mA로 시작하는 수신 모드 전류를 갖습니다.

Linx Technologies는 서브 GHz 대역에서 안정적인 장거리 원격 제어 및 센서 응용 분야를 위한 트랜시버를 개발했습니다. TRM-900-TT는 고도로 최적화된 주파수 호핑 확산 스펙트럼(FHSS) RF 트랜시버 및 통합 원격 제어 트랜스코더로 구성됩니다. FHSS 시스템은 전파 방해가 적으면서도 더 높은 전력을 허용하므로  협대역 무선 통신보다 긴 범위를 제공합니다.

902MHz ~ 928MHz 주파수 대역에서 작동하는 이 모듈의 일반적인 감도는 112dBm입니다. 기본 버전은 +12.5dBm 송신기 출력 전력을 생성할 수 있으며 0dB 이득 안테나로 일반적인 환경에서 사이트 링크의 라인에 대해 3.2km(2마일) 이상의 범위를 제공합니다. 고전력 버전은 +23.5dBm을 출력하여 최대 12.8km(8마일)의 거리를 달성합니다. 

RF 합성기에는 VCO 및 저잡음 실수형 N PLL이 포함됩
니다. VCO는 기초 주파수의 두 배에서 작동하여, 전파 방해를 초래하는 스퓨리어스 방출을 줄이고 더 긴 범위에서 작동합니다. 수신 및 송신 합성기가 통합되어 있어 최적의 위상 잡음, 변조 품질 및 정착 시간을 달성하도록 자동으로 구성될 수 있습니다.

수신기에는 최대 -112dBm의 민감도를 제공하는 고효율 저잡음 증폭기가 통합되어 있으며, Linx는 서브 GHz 대역에 전파 방해가 있을 때 트랜시버를 매우 강력하게 만들어주는 고급 전파 방해 차단 기술을 개발했습니다.

설계자는 Digi의 XBee 같은 모듈을 통해 802.15.4 프로토콜을 사용하여 2.4GHz 및 900MHz 대역 모두에서 이동할 수 있습니다. 이러한 내장형 RF 모듈은 2.4GHz 및 900MHz 솔루션을 모두 갖춘 다중점 및 ZigBee/Mesh 토폴로지를 비롯한 여러 플랫폼에서 공유되는 공통 풋프린트를 가집니다. XBee를 배포하는 개발자는 글로벌 배포를 위한 2.4GHz 버전과 전파 방해에 대한 더 강한 내성이 필요한 환경이나 더 긴 거리를 위한 900MHz 버전을 통해, 최소한의 개발로 동적 응용 분야의 필요에 따라 하나의 XBee를 다른 것으로 대체할 수 있습니다.

그림 2: Digi XBee 모듈의 풋프린트는 2.4GHz 및 900MHz 구현 모두에 대해 동일합니다.

전파 방해는 개발자가 모듈로 전환하는 가장 큰 이유 중 하나입니다. 모듈은 차폐를 통한 EMI 전파 방해를 보호하는 동시에 다른 전자 장치 및 외부 소스로부터의 전파 방해를 줄이기 위한 최적화된 안테나 경로 설계를 갖추고 있습니다. 

Atmel의 ATZB-S1-256-3-0-C ZigBit 저전력 2.4GHz 모듈은 전통적인 ZigBee 모듈로서 저전력 AVR 8비트 마이크로 컨트롤러와 250kb/s ~ 2Mb/s의 높은 데이터 전송률, 프레임 처리, 높은 수신기 감도 및 높은 송신 출력 전력을 제공하는 트랜시버가 결합되어 강력한 무선 통신을 제공합니다. 이 모듈은 무선 감지, 모니터링, 제어, 데이터 취득 응용 분야를 위해 설계되었습니다.

그림 3: Atmel의 ATZB-S1-256-3-0-C ZigBit 모듈.

IEEE802.15.4 표준은 전파 방해에 대처하기 위해 직접 시퀀스 확산 스펙트럼(DSSS)에 기반한 두 가지 PHY 옵션을 지원합니다. 2.4GHz PHY는 Q-QPSK 변조를 사용하는 반면 780MHz/868MHz/915MHz는 이진 위상 변이 방식(BPSK) 변조를 사용하며 이 두 가지 모두 우수한 비트 오류율(BER) 성능을 제공할 수 있습니다. 이러한 낮은 주파수 대역에서 주파수 호핑을 사용하는 경우의 문제점을 강조하기 위해, 802.15.4 물리층은 중국의 780MHz 대역에서 4개(802.15.4c), 유럽의 868MHz 대역에서 1개, 북미의 915MHz 대역에서 10개, 세계 나머지 국가의 2.4GHz 대역에서 16개로 총 31개 채널을 제공합니다.

경우에 따라서는 장치 자체 내에서 전파 방해를 해결해야 합니다. Texas Instruments의 WL1835MOD는 Wi-Fi MIMO 및 Bluetooth 4.0 링크를 모두 하나의 장치에 결합함으로써 교차 채널 전파 방해 관리에 핵심 과제를 제시합니다.

그림 4: TI의 WL1835MOD는 Wi-Fi와 Bluetooth 작동 간의 전파 방해를 하나의 칩에서 처리합니다.

칩에는 Wi-Fi를 위한 통합 2.4GHz 전력 증폭기(PA)와, 20MHz 또는 40MHz 단일 안테나(SISO) 및 20MHz 다중 안테나(MIMO)로 802.11b/g 및 802.11n 데이터 전송률을 처리하는 기저대역 프로세서, Bluetooth 무선 통신 프런트 엔드가 포함되어 있습니다.

이를 위해서는 새로운 고급 공존 체계가 필요합니다. 이 체계는 MAC 수준에서 동작하여 2.4GHz 대역에서 모든 대역폭의 이용을 조정합니다. 언제든지, 사용 가능한 모든 대역폭을 802.11 또는 Bluetooth로 전용 지정할 수 있습니다(단, 둘 중 하나는 유휴 상태여야 함). 예를 들어, Bluetooth 통신이 수행 중이지 않을 경우 대역폭 모두가 최대 54Mbit/s의 속도로 802.11n 통신을 지원할 수 있습니다. 또는 802.11 무선 통신이 유휴 상태인 경우 2.4GHz 범위의 모든 대역폭이 Bluetooth 통신에 사용될 수 있습니다. 특정 유형의 중요 통신의 품질을 보장하기 위해(대부분 오디오 채널), 공존 솔루션은 통신의 시간 민감 특성에 따라 여러 우선순위를 지능적으로 설정할 수 있습니다.

결론

전파 방해의 영향을 최소화하는 방법에는 번잡한 대역에서 벗어나기, 확산 스펙트럼/주파수 호핑 기술 사용, 외부 신호의 영향을 줄이도록 최적화된 레이아웃, 고전력 송신기, 고민감도 수신기를 통한 링크 강화 등 여러 가지가 있습니다. 이러한 모든 방법을 통해 산업 자동화 장비 설계자는 링크 버짓과 링크 거리 간 균형을 고려하여 필요로 하는 고신뢰성 링크를 구현할 수 있습니다.