무선 모듈의 미래

무선 기술은 거대한 변화를 겪고 있습니다. 셀룰러 시장은 데이터 전송률을 높이고 전력 소비를 줄이기 위해 3G에서 LTE, LTE Advanced, LTE Advanced Pro로 변화를 거듭하고 있으며 차세대 5G 기술을 모색하고 있습니다. 따라서 더 높은 데이터 전송률을 얻기 위해 더 높은 주파수에서 더 많은 주파수 대역이 생길 것으로 예상됩니다. 또한 현재 Wi-Fi 같은 비면허 주파수 대역에서 사용되는 다른 기술도 더 많이 등장할 것입니다.

동시에, 운영자와 개발자는 사물 인터넷(IoT)을 위해 저비용의 안정적이면서도 확장성이 있는 무선 링크를 제공하기 위해 셀룰러 무선 기술의 고급 기술을 찾고 있습니다. 이러한 응용 분야에 있어 주된 동인은 바로 전력 소비와 배터리 수명이며, 그로 인해 협대역 솔루션이 새롭게 대두되고 있습니다. 이와 더불어 Bluetooth 및 ZigBee와 같이 IoT 응용 제품을 대상으로 하는 사양도 진화하고 있습니다. Bluetooth 5는 저전력으로 더 큰 범위와 더 높은 데이터 전송률을 약속하며, ZigBee 3.0은 메시 네트워크에 저전력을 가능하게 합니다.

하지만 설계 엔지니어에게 이 모든 것들은 골칫거리가 될 수 있습니다. 저가의 저전력 글로벌 응용 제품에 사용할 무선 프로토콜을 선택하는 일은 복잡하며, 안정성도 그리 높지 않습니다.

모듈 제조업체에서 이러한 문제를 극복하기 위해 사용하는 방법 중 하나는 공통 풋프린트를 이용하는 것입니다. 예를 들어,Sierra Wireless는 이러한 점을 고려하여 모든 무선 개발에 모듈 접근 방식을 의도적으로 채택했습니다. AirPrime HL 제품군에 내장된 2G, 3G 및 4G 모듈은 장치 제조업체에서 필수적인 연결 요구 사항을 충족하는 데 필요한 모든 것을 제공합니다. 향상된 RF 성능을 제공할 뿐만 아니라 크기가 작고 전력 소비가 적으며 다양한 모든 셀룰러 기술에 사용할 수 있는 공통 폼 팩터를 갖추었을 뿐만 아니라 미국 GPS와 러시아 GLONASS 위성 시스템의 GNSS 네비게이션 및 전세계 적용 범위를 위한 옵션 또한 존재합니다.

그림 1: 무선 모듈에 공통 풋프린트를 사용하면 각 세대의 기술을 기판에 손쉽게 추가할 수 있습니다.

장치 제조업체는 단 하나의 PCB 설계를 사용하여 음성 및 데이터 연결 기능을 쉽게 통합하고 모든 지역의 모든 무선 모바일 네트워크에 배포할 수 있습니다(그림 1 참조). Sierra는 또한 고효율 대량 생산을 위한 납땜 방식과, 같은 납땜 패드에 스냅인 소켓을 사용하여 유연한 시제품 제작과 소량 생산을 지원하는 방식을 선택할 수 있도록 하기 위해 폼 팩터를 고려했습니다(그림 2). 이러한 스냅인 소켓을 사용하면 장치 제조업체가 공통 풋프린트를 활용하여 생산 및 제품 수명 주기의 어느 시점에서든 모듈을 배포하거나 변경할 수 있습니다.

폼 팩터의 이러한 공통 핀 출력은 서로 다른 2G, 3G 및 4G 모듈 변형 제품 간에 호환성 및 하위 호환성을 가능하게 합니다. 따라서 기계적인 핀 위치에서 모든 계열에 같은 기능을 제공하게 됩니다. 뿐만 아니라 HL 계열의 핀 출력은 응용 프로세서 WP 계열과 호환됩니다.

그림 2: 스냅인 소켓을 사용하면 공통 모듈을 시제품 시스템에서 테스트하거나 소규모 생산에 사용할 수 있습니다.

그러나 무선 모듈의 미래는 하드웨어에만 관련된 것이 아닙니다. 소프트웨어와 펌웨어는 갈수록 시스템에서 중요한 부품이 되고 있습니다. 사용자는 Sierra의 AirVantage 클라우드 기반 무선(OTA) 서비스를 사용하여 다양한 크기의 많은 원격 기계를 간단하게 연결하고 관리할 수 있습니다. 이를 통해 개방형 M2M 개발 도구 및 표준을 사용하여 기계 데이터를 엔터프라이즈 시스템에 통합할 수 있습니다.

Sierra는 표준을 개발하는 Eclipse IoT 작업 그룹을 이끌며 Github 오픈 소스 리포지토리에 AirVantage API를 위한 Node.js 예제가 포함된 응용 프로그래밍 인터페이스(API)를 제공합니다. 이 예제에서는 Clojure로 작성된 Airvantage REST API, AirVantage의 게이트웨이 목록을 수집하기 위해 Go로 작성된 단순 OAuth2 + JSon 클라이언트 및 Ruby, PHP, Java에서 AirVantage API에 액세스하는 방식, 명령줄에서 AirVantage M2M Cloud API와의 상호 작용을 가능하게 하는 손쉽고 유연한 Shell 스크립트를 함께 사용합니다.

이와 유사하게 NimbeLink의 Skywire LTE CAT1 모뎀은 수명이 긴 응용 제품을 대상으로 하므로 무선 기술의 변화를 고려해야 합니다. 이 모뎀은 Skywire 제품군과 같은 작은 크기와 XBEE 인터페이스를 사용하며, NimbeLink의 개발 키트 및 마이크로 프로세서 실드와 호환되어 제품에 셀룰러 연결 기능을 쉽고 빠르게 통합할 수 있도록 합니다. XBEE 표준 인터페이스를 사용하면 다른 셀룰러 기술로 간단하게 마이그레이션할 수 있으며, 새로운 기술이 발전함에 따라 제품 수명을 연장할 수 있습니다.

셀룰러 분야에서는 Bluetooth, Wi-Fi, ZigBee와 같은 비면허 기술의 위협을 인지하고 있으며, 해당 분야의 데이터 전송률이 낮은 표준을 개선하기 위해 노력해 왔습니다. 3GPP 사양 릴리스 13에는 협대역 IoT(LTE Cat. NB1) 표준이 포함되어 있으며 IoT에서 최초로 셀룰러 네트워크를 사용할 수 있는 길을 열었습니다. 

이로 인해 스마트 빌딩과 도시, 유틸리티 계측, 백색 가전, 자산 추적, 농업 및 환경 모니터링과 같은 응용 분야에서 셀룰러 모듈의 배터리 수명이 10년 ~ 20년으로 길어지게 되었습니다. Vodafone, Deutsche Telekom, Huawei에서 스마트 계측 및 주차 응용 제품으로 시험해 본 결과는 성공적이었으며, 이를 통해 NB-IoT 네트워크가 GPRS보다 효율적으로 작동한다는 것이 입증되었습니다. NB-IoT 모듈은 2016년 후반에 시장에 출시될 예정으로, 최대 다운링크 속도 227kbps, 최대 업링크 속도 21kbps를 제공하면서 전력 소비를 줄이고 배터리 수명을 10년 ~ 20년으로 연장합니다. 또한 세 가지 RF 대역을 동시에 지원하므로 대부분의 지역에서 같은 모듈을 사용할 수 있습니다.

그림 3: 2016년 후반에 출시될 협대역 IoT 모듈(출처: 3GPP)

NB-IoT는 장치 복잡성을 줄이고, 초저전력으로 작동하며, 단일 셀룰러 셀당 최대 150,000개의 장치를 지원합니다. 특히 중요한 점은, 이 기술이 GPRS에 비해 20dB 향상된 링크 버짓을 제공하므로 지하나 건물 안과 같이 적용 범위가 열악한 조건에서 뛰어난 성능을 제공한다는 것입니다.

하지만 비면허 대역의 무선 기술도 진화를 계속하고 있습니다. Bluetooth 5는 현재 버전에 비해 네 배의 범위와 두 배의 대역폭을 제공하여 '무연결' IoT를 가능하게 합니다. Bluetooth 5는 이전 버전에서 IoT 네트워크 구축을 저해하던 몇 가지 문제를 해결합니다.

이 새로운 기술은 2Mbit/s의 속도와 50미터를 목표로 현재의 범위를 최대 네 배까지 확장하는 모듈과 함께 2016년 후반이나 2017년 초에 출시됩니다. 범위의 확장으로 가정과 실내 및 실외에서 사용할 수 있는 신뢰할 수 있는 IoT 연결이 제공되며 높아진 속도로 데이터를 더 빨리 전송하여 응답 속도가 최적화됩니다.

하지만 전반적인 전력 소비와 배터리 수명은 실리콘과 모듈에서의 기술 구현에 따라 결정됩니다.

사물 인터넷의 복잡성을 이러한 하드웨어 모듈에서 한층 더 줄여 SHaaS(Smart Home as a Service)를 제공하는 계획도 있습니다. 이 방식을 사용하면 센서 하나를 다양한 응용 분야에 사용할 수 있으므로 필요한 전체 센서 수가 줄고, 중복과 유지 관리 부담도 감소합니다. 예를 들어, 하나의 동작 센서를 보안 시스템, 조명 제어, 가정 환경 관리, 엔터테인먼트 옵션 제어, 가족 라이프스타일 및 반려 동물 급식까지 두루 사용할 수 있습니다.

그림 4: 통신 계층에서 사용할 수 있는 RF 표준 외에, 응용 제품 계층에서도 치열한 경쟁이 벌어지고 있습니다.

SHaaS는 자체 네트워크를 구축할 필요 없이 스마트 홈 센서의 입력을 분석하고, 가족의 생활 방식과 가정의 사용 방식을 학습하며, 지능적인 선택을 통해 가정을 더 편안하고 안전하며 에너지 효율이 높은 공간으로 만들 수 있는 서비스 모음입니다.

가정 내 센서의 정보는 로컬 허브를 통해 무선으로 수집되며, 데이터 수집 및 분석을 수행하는 지능형 클라우드 서비스로 안전하게 전송됩니다. 처음 설치한 후 1주 ~ 2주만 지나면 클라우드의 알고리즘에서 응용 제품이 가족의 생활 방식을 '학습하고' 예상치 못한 상황이 발생하거나 큰 변화가 생겼을 때 경고를 보내기에 충분한 데이터를 축적합니다.

다양한 서비스를 사용이 간편한 대시보드 형태의 단일한 사용자 인터페이스에 통합해야 하지만, 서비스 제공자가 고객 지원, 대금 청구, 가입자 관리, 소프트웨어 및 서비스 업그레이드와 변경을 처리합니다.

때문에, 스마트 홈은 사용이 쉽고 관리가 간편할 뿐만 아니라 거주자에게는 효율적으로 안전, 보안, 편안함을 제공하는 동시에 서비스 제공업체에게는 수입 창출원의 역할을 하게 됩니다. 장치 및 서비스 개발자는 협업을 통해 이러한 수준의 서비스를 완성하는 데 필요한 하드웨어, 소프트웨어, 웹 인텔리전스를 개발해야 합니다.

결론

무선 모듈의 미래를 주도하는 동력은 기술과 응용 제품 모두에 있으며, 이러한 진화에서 소프트웨어가 차지하는 비중은 갈수록 커지고 있습니다. NB-IoT와 같은 새로운 하드웨어 표준은 공통 모듈 실장 면적과 함께 무선 노드 설계를 간소화하는 많은 장점을 제공하며,  그렇다면 복잡성은 이제 OTA 업데이트와 SHaaS(Smart Home as a Service)와 같은 완전히 새로운 시장을 만들기 위한 응용 제품으로의 통합과 함께 모듈의 소프트웨어에 달려 있습니다.