저전력 무선 기술 비교(1부)

편집자 메모: 3부로 구성된 이 시리즈의 1부에서는 설계자가 사용할 수 있는 주요 저전력 무선 옵션에 대해 자세히 설명합니다. 2부에서는 칩 가용성, 프로토콜 스택, 응용 소프트웨어, 설계 도구, 안테나 요구 사항, 전력 소비/배터리 수명 등 각 기술의 설계 기본 사항에 대해 살펴봅니다. 3부에서는 각 기술에 대한 IoT 과제를 해결하기 위해 설계된 현재와 미래의 개발에 대해 살펴봅니다. 또한 Wi-Fi HaLow, Thread 등과 같은 몇 가지 최신 인터페이스 및 프로토콜을 소개합니다.

대체적으로 최근의 개발은 센서에서 신호와 데이터를 수집하여 전달하는 사물 인터넷(IoT) 연결에 집중되어 있습니다. 최종 제품의 예로는 스마트폰, 건강 웨어러블(그림 1), 가정 자동화, 스마트 계측기, 산업 제어 등 다양한 제품이 있습니다. 모든 제품은 초저전력 소비, 낮은 비용, 작은 물리적 크기를 비롯한 설계적 제약 조건이 있습니다.

이 특집 기사에서는 주요 저전력 무선 옵션에 대해 설명하고 대조합니다. 또한 주파수 대역, 네트워크 토폴로지 지원, 처리량, 범위, 공존성을 비롯하여 각 기술의 기본 사항과 주요 작동 특성에 대해 설명합니다. 샘플 솔루션에 대해서도 다룹니다.

그림 1: 웨어러블은 저전력 무선 기술의 핵심 시장 분야입니다. (이미지 출처: Nordic Semiconductor)

저전력 트레이드오프

이제 엔지니어는 Bluetooth 저에너지, ANT, ZigBee, RF4CE, NFC, Nike+ 등과 같은 RF 기반 기술과 Wi-Fi, 적외선 통신 협회(IrDA)의 지원을 받는 적외선 옵션을 비롯하여 다양한 저전력 무선 기술을 선택할 수 있습니다.

하지만 이러한 다양한 옵션으로 인해 선택이 더욱 어려워졌습니다. 각 기술의 전력 소비, 대역폭 및 범위 사이에는 트레이드오프가 있습니다. 기술 중 일부는 공개 표준을 기반으로 하지만 일부는 독점 기술입니다. 심지어 IoT 요구를 해결하기 위해 새로운 무선 인터페이스와 프로토콜이 지속적으로 생겨나 더 복잡해지고 있습니다. Bluetooth 저에너지도 그중 하나입니다.

Bluetooth 저에너지 소개

Bluetooth 저에너지는 Nokia Research Centre에서 Wibree라는 이름의 프로젝트로 시작되었습니다. 2007년에 Bluetooth SIG(Special Interest Group)에서 이 기술을 채택했으며 2010년에 4.0 버전(v4.0)을 도입하면서 초저전력 소비 Bluetooth 형태로 소개했습니다.

이 기술로 인해 Bluetooth 생태계는 웨어러블과 같은 소형 배터리 정전 용량을 사용하는 응용 분야로 확대되었습니다. 대상 응용 분야에서의 마이크로 암페어 평균 전류를 특징으로 하는 이 기술은 스마트폰, 오디오 헤드셋, 무선 데스크톱 등에서 널리 사용되는 '클래식' Bluetooth를 보완합니다.

이 기술은 2.4Ghz 산업, 과학 및 의료(ISM)용 대역에서 작동하며 콤팩트한 무선 센서나 완전 비동기 통신을 사용할 수 있는 기타 주변 장치로부터 데이터를 송신하는 데 적합합니다. 이러한 장치는 수 바이트의 저용량 데이터를 불규칙적으로 전송합니다. 듀티 사이클은 초당 수 회에서 분당 1회 정도로 그보다 좀 더 길어지기도 합니다.

Bluetooth v4.0 이상의 Bluetooth 코어 사양에는 두 가지 유형의 칩 즉, Bluetooth 저에너지 칩과 이전 버전의 기본 전송률(BR)/향상된 데이터 전송률(EDR) 물리층(PHY)을 가지면서 모든 표준 버전 및 칩 제품과 상호 운용되도록 저에너지(LE) PHY와 결합된('BR/EDR + LE') 개조된 스택의 Bluetooth 칩이 정의되어 있습니다. Bluetooth 저에너지 칩은 기타 Bluetooth 저에너지 칩 및 Bluetooth v4.0 이후 버전을 따르는 Bluetooth 칩과 상호 운용됩니다.

여러 소비자 가전 응용 분야에서 Bluetooth 저전력 칩은 Bluetooth 칩과 함께 작동하지만 4.1, 4.2, 5 버전에 도입된 표준에 대한 개선 사항으로 인해 독립형 장치로 점점 더 많이 사용되고 있습니다.

최근에 Bluetooth 5 사양이 도입되면서 Bluetooth 저에너지의 원시 데이터 전송률이 1Mbit/s에서 2Mbit/s로 증가되고 범위가 이전 버전에 비해 최대 4배 향상되었습니다. 최대 처리량과 범위를 동시에 달성할 수는 없으며 이는 일반적인 트레이드오프입니다. Bluetooth SIG에서는 최근에 메시 네트워크 토폴로지에서 기술을 구성할 수 있는 Bluetooth 메시 1.0을 채택했습니다. 이 기술에 대해서는 이 시리즈의 3부에서 자세히 설명합니다.

Bluetooth 저에너지에 대한 자세한 개요는 'Bluetooth 4.1, 4.2, 5 호환 Bluetooth 저에너지 SoC 및 도구로 IoT 문제 해결(1부)'을 참조하세요.

ANT란?

ANT는 초저전력 무선 프로토콜이고 2.4GHz ISM 대역에서 작동한다는 점에서 Bluetooth 저에너지와 유사합니다. 또한 Bluetooth 저에너지와 마찬가지로 배터리 수명이 몇 개월 또는 몇 년에 달하는 동전형 전지로 구동되는 센서에 맞게 설계되었습니다. 이 프로토콜은 현재 Garmin의 일부가 된 캐나다 기업인 Dynastream Innovations에 의해 2004년에 출시되었습니다. Dynastream Innovations가 실리콘을 제조하지 않는 대신 설계자들은 Nordic Semiconductor, nRF51422 SoC, Texas Instruments(TI) 등과 같은 기업의 2.4GHz 트랜시버에서 펌웨어를 얻을 수 있습니다. 하지만 설계 통합을 위한 노력이 적게 들고 규제 인증을 이미 통과한 ANT 프로토콜을 실행 중인 광범위하고 완벽한 테스트를 거쳐 검증된 RF 모듈을 제공합니다.

ANT는 독점 RF 프로토콜이지만 ANT+ 관리 네트워크를 통해 상호 운용할 수 있습니다. ANT+는 ANT+ Alliance 회원사 장치 간의 상호 운용을 촉진하고 센서 데이터의 수집, 자동 전송, 추적을 용이하게 해줍니다. 상호 운용성은 장치 프로파일별로 보장됩니다. 즉, 특정 장치 프로파일을 구현하는 ANT+ 장치는 동일한 장치 프로파일을 구현하는 다른 ANT+ 장치와 상호 운용됩니다. 새 제품은 상호 운용성에 대한 ANT+ 인증 테스트를 통과해야 합니다. 인증은 ANT+ 협회에 의해 관리됩니다.

ANT와 ANT+는 원래 스포츠 및 피트니스 부문을 대상으로 했지만 최근에는 가정 및 산업 자동화 부문의 응용 분야에서 사용되고 있습니다. 프로토콜은 지속적으로 개발될 예정이며 최근에는 노드 수가 많은 IoT 응용 분야의 엔터프라이즈를 대상으로 하는 메시 기술인 ANT BLAZE가 출시되었습니다(3부 참조).

ZigBee란?

ZigBee는 IEEE 802.15.4 기반의 PHY 및 미디어 액세스 제어(MAC)를 사용하는 저전력 무선 사양입니다. 그 외에도 ZigBee Alliance에 의해 제어되는 프로토콜을 실행합니다. 이 기술은 산업 및 가정 자동화 부문의 메시 네트워킹용으로 설계(경쟁이 심한 일부 기술에서 유리한 위치 선점)되었습니다.

ZigBee는 2.4GHz ISM 대역과 784MHz(중국), 868MHz(유럽) 및 915MHz(미국 및 호주) 대역에서 작동합니다. 데이터 전송률은 20Kbits/s(868MHz 대역)부터 250Kbits/s(2.4GHz 대역)까지 다양합니다. ZigBee에서는 5MHz와 별도로 16개의 2MHz 채널을 사용합니다. 이로 인해 할당량이 다 사용되지 않아 스펙트럼이 다소 비효율적입니다.

2007년에 출고된 ZigBee PRO에서는 향상된 보안을 비롯하여 강력한 배포에 필요한 추가 기능을 제공합니다. ZigBee Alliance는 최근에 2.4GHz 및 800MHz~900MHz ISM 주파수 대역에서 동시에 작동 가능한 메시 네트워크인 ZigBee PRO 2017의 주문 가능 시기를 발표했습니다. 자세한 내용은 이 시리즈의 3부를 참조하십시오.

RF4CE는 모든 것을 다 갖추고 있나요?

소비자 가전용 무선 주파수(RF4CE)는 ZigBee를 기반으로 하지만 RF 원격 제어 요구 사항에 맞게 프로토콜을 사용자 정의했습니다. RF4CE는 2009년에 소비자 가전 회사 4곳(Sony, Philips, Panasonic, Samsung)에 의해 표준화되었습니다. Microchip, Silicon Labs, Texas Instruments를 비롯한 다양한 실리콘 업체에서 이 기술을 지원합니다. RF4CE는 원래 소자 원격 제어 시스템(예: TV 셋톱 박스)용으로 고안되었습니다. 이 기술에서는 적외선(IR) 원격 제어의 단점인 상호 운용성, 가시거리 및 제한된 기능 문제를 해결하기 위해 RF를 사용합니다.

최근에 RF4CE는 원격 제어 응용 분야에서 Bluetooth 저에너지와 ZigBee와의 강력한 경쟁에 직면했습니다.

Wi-Fi는 어떻게 비교되나요?

IEEE 802.11을 기반으로 하는 Wi-Fi는 매우 효율적인 무선 기술이지만 저전력 소비 대신 고속 처리량을 사용하는 대용량 데이터 전송에 맞게 최적화되어있습니다. 따라서 Wi-Fi는 저전력(동전형 전지) 작동에 적합하지 않습니다. 최근 몇 년 동안 IEEE 표준 802.11v 개정(무선 네트워크에 연결된 상태에서 클라이언트 장치 구성 지정)을 비롯한 개선을 통해 전력 소비가 향상되었습니다.

2017년에 게시된 IEEE 802.11ah(Wi-Fi ‘HaLow’)는 90MHz ISM 대역에서 작동하며 2.4Ghz 및 5GHz 대역에서 작동하는 Wi-Fi 버전에 비해 에너지 소비가 적고 범위가 확장된 이점이 있습니다(3부 참조).

NIKE+도 옵션인가요?

Nike+는 스포츠웨어 제조업체인 Nike에서 피트니스 시장을 대상으로 개발한 독점 무선 기술입니다. 이 기술은 수집된 데이터를 분석하여 보여주는 Apple 모바일 장치에 2.4GHz 무선 통신 칩을 통합하는 Nike ‘foot pod’를 연결하기 위해 고안되었습니다. 열성적인 피트니스 팬 층에서는 여전히 인기가 있지만 차세대 스마트폰에 동일한 기술이 통합되면서 이 하드웨어는 사양길에 접어들었습니다. 대신에 Nike는 스마트폰 소프트웨어 앱을 기반으로 하는 무선 피트니스 대역 제품을 출시했습니다.

Nike+ 시스템에서 기반으로 하는 이 독점 무선 기술은 무선 마우스 및 키보드와 같은 제품에서 여전히 사용되고 있습니다. 상호 운용성이 필요하지 않다면 Nordic Semiconductor의 nRF24LE1과 같은 유사 기술에서도 표준 준수 요구 사항이 없는 Bluetooth 저에너지 등과 같은 기술에 견줄만한 성능을 제공합니다.

IrDA는 단거리 통신 문제를 아직 해결하지 못했나요?

적외선 통신 협회(IrDA)는 약 50개 회사로 구성되며 IrDA 이름으로 다양한 IR 통신 프로토콜을 출시했습니다. IrDA는 RF 기반 기술이 아니며 IR 조명의 변조 펄스를 사용하여 정보를 전송합니다. 이 기술의 주요 장점으로는 RF와 달리 보안 기능이 내장되어 있고, 비트 오류 전송률(BER)이 매우 낮고(효율성 향상), 규정 준수 인증 요구 사항이 없으며, 비용이 저렴하다는 점이 있습니다. 이 기술은 1Gb/s 전송률을 제공하는 고속 버전으로도 출시됩니다.

IR 기술의 단점으로는 제한된 범위(특히 고속 버전의 경우), 가시거리 요구 사항, 표준 구현의 양방향 통신 부족이 부족하다는 점이 있습니다. 특히 IrDA는 무선 통신 기술에 비해 전력 효율(비트당 전력 측면)이 떨어집니다. 비용이 주요 설계 파라미터인 기본 원격 제어 응용 분야에서 IrDA는 시장 점유율을 유지하지만 스마트 TV와 같이 향상된 제어 기능이 필요한 경우에는 Bluetooth 저에너지 및 RF4CE를 지정하는 설계자가 더 많습니다.

NFC는 어디에 적합한가요?

근거리 무선 통신(NFC)은 13.56MHz ISM 대역에서 작동합니다. 이 낮은 주파수에서 송신 및 수신 루프 안테나는 각각 주로 변압기의 주 권선 및 보조 권선 역할을 합니다. 단거리에서는 전기장이 자기장보다 더 열세이므로 전기장 대신 자기장을 통해 데이터를 전송합니다. NFC는 최대 424Kbits/s의 속도로 데이터를 전송합니다. 이름에서 알 수 있듯이 이 기술은 최대 10cm 이내의 초단거리 통신 운용에 적합하도록 고안되었습니다. 이 제한으로 인해 Bluetooth 저에너지, ZigBee, Wi-Fi 및 유사한 기술과 직접적으로 경쟁하지 않습니다. NXP USA 등과 같은 제조업체는 CLRC66303 NFC 트랜시버와 같은 실리콘을 제공합니다.

‘수동’ NFC 장치(예: 지불 카드)의 주요 장점은 전력이 필요하지 않고 전력이 공급되는 NFC 장치 근처에서만 활성화된다는 점입니다. NFC는 보안상 ‘중간자(man-in-the-middle)’ 공격의 위험 없이 Bluetooth 저에너지 장치 등과 같은 다른 무선 기술을 페어링 하는 방법과 무접촉 지불 기술로 널리 사용됩니다. NFC 기술은 여기서 설명하는 다른 무선 기술을 보완하는 틈새시장 응용 분야에서 양호한 시장 점유율을 확보할 가능성이 있습니다.

네트워크 토폴로지

저전력 무선 기술은 다음과 같은 최대 5개의 주요 네트워크 토폴로지를 지원합니다.

동보 통신: 송신기에서 범위 내의 수신기로 메시지를 전송합니다. 단방향 채널이므로 메시지가 수신되었는지 확인할 수 없습니다.

피어 투 피어: 투 트랜시버가 양방향 채널로 연결되어 메시지 수신을 확인하고 양방향으로 데이터를 전송할 수 있습니다.

스타: 중앙 트랜시버가 양방향 채널을 통해 다양한 주변 장치 트랜시버와 통신합니다. 주변 장치 트랜시버는 서로 직접 통신할 수 없습니다.

스캐닝: 중앙 스캐닝 장치가 수신 모드를 유지하면서 범위 내의 송신 장치에서 신호를 선택하려고 대기합니다. 통신은 단방향으로 수행됩니다.

메시: 여러 노드를 연결하는 양방향 채널을 통해 호핑하여(일반적으로 허브, 계전기 등과 같은 추가 기능을 가진 노드 서비스 사용) 네트워크의 한 지점에서 다른 지점으로 메시지를 전달할 수 있습니다.

그림 2a, b, c, d 및 e는 네트워크 토폴로지를 보여주고 표 1에는 위에서 설명한 각 무선 기술에서 지원되는 토폴로지가 요약되어 있습니다.

그림 2: 저전력 무선 기술은 점점 더 복잡해지는 네트워크 토폴로지를 지원하기 위해 진화하고 있습니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

B(Bluetooth 저에너지), A(ANT), A+(ANT+), Zi(ZigBee), RF(RF4CE),
Wi(Wi-Fi), Ni(Nike+), Ir(IrDA), NF(NFC)

1. 동보 통신 신호를 수신하는 노드에 대해 연속 수신 모드를 활성화해야 합니다.
2. 모든 네트워크 트래픽이 중지되고 전력 소비가 높습니다.

표 1: 저전력 무선 기술 네트워크 토폴로지 지원. (표 출처: DigiKey)

저전력 무선 기술 성능

범위

흔히 무선 기술의 범위는 데시벨로 측정한 수신기의 RF 감도(‘링크 버짓’)와 결합된 송신기의 출력 전력에 비례하는 것으로 간주됩니다. 신호대 잡음비(SNR)의 효과적인 개선으로 인해 전력 송신이 높고 감도가 우수할수록 범위가 넓습니다. SNR는 주변 잡음에서 신호를 올바르게 추출하여 디코딩할 수 있는 수신기의 성능을 나타내는 측정치입니다. 임계값 SNR에서는 BER이 무선 통신 사양을 초과하여 통신에 실패합니다. 예를 들어, Bluetooth 저에너지 수신기는 약 0.1%의 최대 BER만 견딜 수 있도록 설계되었습니다.

라이선스가 필요 없는 2.4GHz ISM 대역의 최대 출력 전력은 규제 기관에 의해 제한됩니다. 일반적으로 규칙은 복잡하지만 15개 이상 75개 미만의 호핑 주파수를 가진 주파수 호핑 시스템의 안테나 입력 지점에서 측정한 최대 송신 전력을 최대 +21dBm로 제한하며 등방성 안테나 이득이 6dBi보다 큰 경우 출력이 감소된다고 규정합니다. 이 경우 +27dBm의 최대 등가 등방성 복사 전력(EIRP)을 허용합니다.

이 규정 외에도 저전력 무선 기술에서는 배터리 수명 최대화를 위해 송신 전력에 대한 사양을 제한합니다. 무선 통신이 고전력 송신 또는 수신 상태로 유지되는 시간을 제한하여 많은 전력이 절약되지만, RF 칩 제조업체에서도 최대 Bluetooth 저에너지 송신 전력을 규정에 명시된 +21dBm 한도보다 훨씬 낮게 설정해 일반적으로는 +4dBm 및 경우에 따라 +8dBm으로 제한하여 에너지를 절약합니다.

하지만 무선 장치의 범위가 송신 전력과 감도에 의해서만 제한되는 것은 아닙니다. 작동 환경(예: 천장 및 벽이 있는 경우), RF 캐리어 주파수, 설계 레이아웃, 정비사, 코딩 체계 등 모두가 제한 요인이 됩니다. 범위는 일반적으로 '이상적인' 환경을 기준으로 하지만 장치가 매우 열악한 환경에서 사용되는 경우도 있습니다. 예를 들어, 2.4GHz 신호는 인체에 의해 많이 감쇠되므로 손목 착용형 웨어러블은 거리가 1미터도 되지 않는 뒷주머니에 들어 있는 스마트폰에 송신하는 데 어려움이 있을 수 있습니다.

이 목록에서는 다른 RF 또는 광원의 전파 방해가 없고 방해물이 없는 환경에서 사용되는 초저전력 기술에서 기대되는 일반적인 범위를 보여줍니다.

• NFC: 10cm
• 고속 IrDA: 10cm
• Nike+: 10m
• ANT(+): 30m
• 5GHz Wi-Fi: 50m
• ZigBee/RF4CE: 100m
• Bluetooth 저에너지: 100m
• 2.4GHz Wi-Fi: 150m
• Bluetooth 5 확장 범위를 사용하는 Bluetooth 저에너지: 200m~400m(순방향 오류 정정 코딩 체계에 따라 다름)

처리량

저전력 무선 기술을 통한 송신은 두 부분 즉, 프로토콜을 구현하는 비트(예: 패킷 ID 및 길이, 채널, 체크섬 - 통칭 '오버헤드'라고 함)와 전달되는 정보('페이로드'라고 함)로 구성됩니다. 페이로드/오버헤드 비율 + 페이로드에 따라 프로토콜 효율이 결정됩니다(그림 3).

그림 3: 저전력 무선 기술 패킷(Bluetooth 저에너지/Bluetooth 4.1 그림)은 오버헤드와 페이로드로 구성됩니다. 프로토콜 효율은 각 패킷에서 전달되는 유용한 데이터(페이로드)의 양에 따라 결정됩니다. (이미지 출처: Bluetooth SIG)

‘원시’ 데이터 전송률(오버헤드 + 페이로드)은 초당 전송되는 비트 수를 나타내는 측정치이며, 주로 마케팅 자료에서 수치로 인용됩니다. 페이로드 데이터 전송률이 항상 더 낮습니다. 각 프로토콜의 효율과 배터리 수명에 미치는 후속 영향에 대해서는 이 시리즈의 2부에서 자세히 살펴봅니다.

저전력 무선 기술은 일반적으로 전력 소비를 최소화하면서 센서 노드와 중앙 장치 간에 소량의 센서 정보를 주기적으로 전송해야 하므로, 대체적으로 대역폭이 적정합니다.

다음 목록에서는 이 기사에서 설명한 기술에 대한 원시 데이터와 페이로드 처리량을 비교합니다. 이러한 측정치는 이론적인 최대값이며 실제 처리량은 구성과 작동 조건에 따라 달라집니다.

• Nike+: 2Mbits/s, 272bits/s(처리량이 1packet/s로 의도적으로 제한됨)
• ANT+: 20Kbits/s(버스트 모드 아래 참조), 10Kbits/s
• NFC: 424Kbits/s, 106Kbits/s
• ZigBee 250Kbits/s(2.4GHz), 200Kbits/s
• RF4CE(ZigBee와 동일)
• Bluetooth 저에너지 1Mbit/s, 305Kbits/s
• 고속 IrDA 원시 데이터 1Gbit/s, 페이로드 500Kbits/s
• Bluetooth 5를 사용하는 Bluetooth 저에너지 높은 처리량: 2Mbits/s, 1.4Mbits/s
• Wi-Fi: 11Mbits/s(초저전력 802.11b 모드), 6Mbits/s

대기 시간

무선 시스템의 대기 시간은 신호를 송신하고 수신하는 사이의 시간으로 정의됩니다. 일반적으로 몇 밀리초에 불과하지만 무선 응용 분야에서 중요한 고려 사항입니다. 예를 들어, 짧은 대기 시간은 센서에서 1초당 한 번씩 데이터를 자동으로 폴링하는 응용 제품에는 그다지 중요하지 않지만 원격 제어 같은 소비자 가전 응용 제품에는 중요할 수 있습니다. 이 경우 사용자가 버튼을 누른 후 대기 시간을 감지하지 못할 정도로 빠르게 후속 조치가 이어져야 합니다.

다음 목록에서는 이 기사에서 설명한 기술에 대한 대기 시간을 비교합니다. 이러한 측정치는 구성과 작동 조건에 따라 달라집니다.

• ANT: 미량
• Wi-Fi: 1.5ms
• Bluetooth 저에너지: 2.5ms
• ZigBee: 20ms
• IrDA: 25ms
• NFC: 일반적으로 1초마다 폴링됨(제품 제조업체에서 지정 가능)
• Nike+: 1초

ANT 및 Wi-Fi에 인용된 짧은 대기 시간은 수신 장치에서 지속적으로 수신하는 경우에 해당하며 배터리 전력이 빠르게 소모됩니다. 저전력 센서 응용 분야에서는 ANT 메시징 기간을 늘려서 배터리 소비를 개선할 수 있지만 그러면 대기 시간이 길어집니다.

내구성 및 공존성

안정적인 패킷 전송은 배터리 수명과 사용자 환경에 직접적인 영향을 줍니다. 일반적으로 최적화되지 않은 송신 환경, 주변 무선 통신의 우연적인 전파 방해, 의도적인 주파수 전파 방해 등으로 인해 데이터 패킷을 전달할 수 없는 경우 송신기에서는 패킷이 전달될 때까지 계속해서 시도합니다. 따라서 배터리 수명이 단축됩니다. 또한 무선 시스템이 단일 송신 채널로 제한되는 경우 혼잡한 환경에서는 불가피하게 신뢰성이 훼손됩니다.

무선 통신이 다른 무선 통신과 함께 작동하는 기능을 공존성이라고 합니다. 이는 스마트폰에서 Bluetooth 저에너지와 Wi-Fi를 함께 사용하는 것처럼 아주 가까이 위치한 여러 무선 통신을 동일한 장치에서 작동하는 경우에 특히 유용합니다. Bluetooth와 Wi-Fi의 공존을 위한 표준 방식은 각 IC 간에 유선으로 연결되어 있고 각 IC가 자유롭게 송수신할 때 조정하는 대역 외 신호 체계를 사용하는 것입니다. 이 기사에서 수동 공존성은 전파 방해 방지 시스템을 나타내고 능동 공존성은 칩 간 신호를 나타냅니다.

수동 공존성을 지원하는 것으로 검증된 방법이 채널 호핑입니다. Bluetooth 저에너지에서는 37개 데이터 채널 간에 유사 임의 패턴으로 호핑하는 주파수 호핑 확산 스펙트럼(FHSS)을 사용하여 전파 방해를 방지합니다. Bluetooth 저에너지의 적응형 주파수 호핑(AFH)을 사용하면 각 노드에서 잦은 혼잡 채널을 매핑하여 향후 트랜잭션에서 혼잡을 방지할 수 있습니다. 최신 버전의 사양(Bluetooth 5)에서는 다음 홉 채널 시퀀싱에 대한 유사 임의성을 개선하여 전자파 내성을 강화하기 위해 채널 시퀀싱 알고리즘(CSA #2)을 개선했습니다.

ANT에서는 각각 1MHz 너비인 여러 RF 작동 주파수를 사용할 수 있습니다. 지정한 경우 모든 통신이 단일 주파수에서 수행되고 선택한 주파수에서 심각한 성능 저하가 발생하는 경우에만 채널 호핑이 수행됩니다.

혼잡을 완화하기 위해 ANT에서는 시분할다중접속(TDMA) 적응형 등시성 체계를 사용하여 각 1MHz 주파수 대역을 약 7ms의 시간 슬롯으로 나눕니다. 채널로 연결된 장치가 이러한 시간 슬롯 중에 통신하며 시간 슬롯은 ANT 메시징 기간에 따라 반복됩니다(예: 250ms 또는 4Hz마다). 실제로 단일 1MHz 주파수 대역에서 수십 또는 수백 개의 노드를 충돌 없이 수용할 수 있습니다. 데이터 무결성이 중요한 경우 ANT에서는 '버스트' 메시징 기술을 사용할 수 있습니다. 이 기술은 사용 가능한 전체 대역폭을 사용하고 전체 데이터 전송이 완료될 때까지 실행되는 다중 메시지 송신 기술입니다.

네트워크 무결성과 상호 운용성을 유지하기 위해 2.450GHz 및 2.457Ghz처럼 사용 가능한 ANT RF 채널 중 일부를 ANT+ 협회에서 할당 및 규제합니다. 일반 작업에서는 이러한 채널을 피하는 것이 좋습니다.

Bluetooth 저에너지의 FHSS 기술 및 ANT의 TDMA 체계와 대조적으로 ZigBee(및 RF4CE)에서는 직접 시퀀스 확산 스펙트럼(DSSS) 방법을 사용합니다. DSSS 중에 신호가 송신기에서 유사 임의 코드와 결합된 다음 수신기에서 추출됩니다. 이 기술은 광대역을 통해 송신된 신호를 분산시켜서 신호대 잡음비를 효과적으로 개선합니다(그림 4). ZigBee PRO에서는 주파수 민첩성이라는 추가 기술을 구현합니다. 여기서는 네트워크 노드에서 선명한 스펙트럼을 스캔한 후 코디네이터에게 네트워크 전반에서 해당 채널을 사용할 수 있다고 알려줍니다. 하지만 이 기능은 실제로 거의 배포되지 않습니다.

그림 4: ZigBee는 송신된 신호를 할당된 스펙트럼을 통해 분산시켜서 다른 2.4GHz 무선 통신의 전파 방해를 완화하려고 시도합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

Wi-Fi에서는 미국에서 11개, 나머지 국가에서 13개 또는 일본에서 14개의 20MHz 채널을 사용합니다. 결과적으로 83MHz 폭의 2.45GHz 스펙트럼 할당 범위 내에는 겹치지 않는 Wi-Fi 채널을 3개(1, 6, 11)만 수용할 수 있는 공간이 있습니다. 따라서 이 세 채널이 기본 채널로 사용됩니다. 자동 채널 호핑이 통합되어 있지 않지만 전파 방해로 인해 작동하는 데 문제가 있는 경우 대체 채널로 수동으로 전환할 수 있습니다.

선택한 채널 내에서 Wi-Fi의 전파 방해 방지 메커니즘은 복잡하지만 DSSS를 직교 주파수 분할 다중화(OFDM)와 결합합니다. OFDM은 저속 변조를 지원하는 다양한 근접 배열 캐리어를 사용하는 송신 형태입니다. 신호가 직각으로 송신되므로 근접한 공간 내에서 상호 전파 방해가 발생할 가능성이 크게 감소됩니다.

5GHz Wi-Fi는 725MHz 너비 할당에서 작동하므로 겹치지 않는 여러 채널을 할당할 수 있습니다. 따라서 2.4GHz Wi-Fi에 비해 전파 방해 문제가 발생할 가능성이 획기적으로 감소됩니다.

또한 Wi-Fi에서는 능동 소자 공존성 기술과 다른 무선 통신에서 전파 방해가 감지될 경우 데이터 전송률을 낮추는 메커니즘을 사용합니다.

이는 Wi-Fi가 널리 사용되는 이유이기도 합니다. 다른 2.4GHz 기술로는 기본 Wi-Fi 채널(1, 6 및 11)과의 충돌 방지 기술이 있습니다. 예를 들어, Bluetooth 저에너지의 세 애드버타이징 채널은 기본 Wi-Fi 채널 사이에 간격을 두고 배치됩니다(그림 5).

그림 5: Bluetooth 저에너지의 애드버타이징 채널은 Wi-Fi 기본 채널에서 떨어져서 배치됩니다. 잠재적 Wi-Fi 전파 방해를 제거하는 7개의 추가 채널이 있습니다. (이미지 출처: Nordic Semiconductor)

Nike+에서는 전파 방해가 발생하는 경우 채널을 전환하는 독점 주파수 신속 체계를 사용합니다. 기술의 최소 데이터 전송률과 듀티 사이클로 인해 이는 거의 필요하지 않습니다.

IrDA에서는 공존 기술을 구현하지 않습니다. 하지만 조명 기반 기술에서는 매우 밝은 배경 조명이 중요 IR 부품에만 영향을 줄 수 있습니다. 단거리 및 가시거리 작동에서는 동시에 작동하는 IR 장치 간에 서로 전파 방해할 가능성이 없습니다.

NFC에서는 공존을 구현하므로 판독기에서 여러 NFC 카드가 포함된 전자지갑에서 특정 카드의 NFC 태그를 선택합니다. 단거리 송신으로 인해 다른 NFC 장치 및/또는 다른 무선 통신 간에 전파 방해가 거의 없습니다. 하지만 13.56MHz 대역의 주파수 변조(FM) 대역에는 81.3MHz 및 94.9MHz에서 특히 강력한 고조파가 있습니다. 이러한 고조파는 공존하는 FM 수신기에서 딸깍거리는 잡음을 발생할 수 있습니다. ‘왜곡’ 또는 정리와 같은 충돌 방지 기술을 구현하여 FM 전파 방해 효과를 줄일 수 있습니다.

결론

다양한 저전력 무선 기술이 널리 사용되고 있습니다. 각 기술은 배터리로 작동하고 상대적으로 적절한 데이터 송신에 사용하도록 설계되었지만 기술마다 범위, 처리량, 강도 및 공존 성능이 다릅니다. 비록 상당 부분 겹치나 이러한 성능 차이로 인해 기술마다 적합한 응용 분야가 다릅니다.

2부 및 3부 소개: 성능은 선택에 영향을 미치는 한 부분일 뿐입니다. 이에 따라 2부에서는 칩 가용성, 프로토콜 스택, 응용 소프트웨어, 설계 도구, 안테나 요구 사항, 전력 소비 등 각 기술의 설계 기본 사항에 대해 자세히 살펴봅니다.

3부에서는 각 기술에 대한 IoT 과제를 해결하기 위해 고안된 현재와 미래의 개발에 대해 살펴보고 Wi-Fi HaLow 및 Thread 같은 최신 인터페이스 및 프로토콜을 소개합니다.