LTE-M, NB-IoT 및 DECT NR+ 조합 개발 키트를 사용하여 간편하게 무선 IoT 설계

사물 인터넷(IoT)을 위한 저전력 광역 네트워크(LPWAN) 셀룰러 무선 기술(예: Long-Term Evolution Machine Type Communication(LTE-M) 및 협대역 IoT(NB-IoT))은 기존 및 검증된 셀룰러 인프라를 통해 1킬로미터(km) 이상의 무선 연결 범위를 배터리 구동 장치에 제공합니다. New Radio+(DECT NR+)는 대규모 IoT 배포를 위해 셀룰러와 유사한 접근 방식이 필요한 애플리케이션을 위한 LPWAN 대안이며 라이선스가 필요하지 않습니다. 세 가지 접근 방식 모두, 단거리 무선 경험이 있는 개발자라 해도 구현이 복잡할 수 있는 방식입니다.

LTE-M, NB-IoT 또는 DECT NR+ 프로토콜 소프트웨어 스택과 자동화된 모뎀이 통합된 사전 인증 제품을 제공하는 솔루션 제공업체와 협력하면 LPWAN 설계의 복잡성을 완화할 수 있습니다. 이러한 솔루션을 통해 개발자는 애플리케이션 차별화에 더 집중하고 시장 출시 목표를 달성할 수 있습니다.

이 기사에서는 장거리 IoT 연결을 위한 LTE-M, NB-IoT 및 DECT NR+의 이점을 요약하고 구현 과제에 대해 설명합니다. 그런 다음 Nordic Semiconductor의 셀룰러 IoT와 DECT NR+ 장치 및 관련 개발 키트를 소개하고 이러한 과제를 극복하는 데 어떻게 사용할 수 있는지 보여줍니다.

LTE-M, NB-IoT 또는 DECT NR+ 무선을 사용해야 하는 이유는?

인터넷을 구성하는 글로벌 네트워크의 기본이 되려면 IoT 장치가 고가의 게이트웨이 없이도 인터넷 프로토콜(IP)을 사용하여 클라우드와 통신할 수 있어야 합니다. 농업, 스마트 시티, 환경 모니터링과 같은 일부 응용 분야에서는 장거리 통신이 최소한의 유지보수로 이루어져야 합니다. 최소한의 유지보수는 저전력 소비로 배터리 수명을 극대화함을 의미합니다.

이러한 문제를 바로 LTE-M과 NB-IoT가 해결할 수 있습니다. 3GPP에서 정한 사양을 기반으로 하므로 IP 상호 운용이 가능하며 수 킬로미터 이상의 작동 거리를 제공합니다. LTE-M과 NB-IoT는 각각 698MHz ~ 960MHz, 1710MHz ~ 2200MHz의 주파수 대역에서 작동하며, LTE-M과 NB-IoT의 기술적 세부 사항은 표 1에 요약되어 있습니다.

LTE-M과 NB-IoT를 비교한 내용입니다. (이미지 출처: Nordic Semiconductor)

DECT NR+는 라이선스 비용 없이 장거리 연결이 필요한 애플리케이션을 위한 대안을 제공합니다. 5G 사양을 기반으로 하여 1900MHz 대역에서 작동하고, 고밀도 LPWAN을 지원할 수 있으며, M2M(기계 간 통신) 및 도시 전체의 공기질 모니터링에 적합합니다.

RF 설계 간소화

RF 설계를 구현하는 것은 많은 개발자에게 어려운 일이며, 이로 인해 출시 일정에 차질을 빚는 경우도 많습니다. 그러나 대부분의 복잡성을 해결해주는 통합 솔루션을 선택하면 일부 하드웨어 문제를 극복할 수 있습니다. 그 예로 Nordic Semiconductor의 nRF9161 시스템 인 패키지(SiP)를 들 수 있습니다(그림 1).

이 SiP에는 애플리케이션 소프트웨어 전용 Arm^® Cortex^®-M33 프로세서와 LTE-M, NB-IoT 및 DECT NR+ RF 인터페이스를 지원하는 모뎀이 통합되어 있습니다. 또한 16.0 x 10.5 x 1.04밀리미터(mm) LGA(랜드 그리드 어레이) 패키지에 RF 프런트 엔드(RFFE)와 전원 관리 시스템 그리고 IPv4/IPv6 및 암호화된 펌웨어 무선 업데이트(FOTA)를 지원하는 모뎀도 포함되어 있습니다. 애플리케이션 프로세서는 1메가바이트(Mbyte)의 플래시 메모리와 256킬로바이트(Kbytes)의 RAM으로 지원됩니다.

그림 1: nRF9161 SiP에는 Arm Cortex-M33 프로세서, LTE 모뎀, RFFE, 메모리 및 전력 관리가 통합되어 있습니다. (이미지 출처: Nordic Semiconductor)

또한 이 SiP에는 위치 추적과 같은 애플리케이션을 위한 GNSS 수신기가 포함되어 있습니다. 인터페이스 및 주변 장치에는 12비트 아날로그-디지털 컨버터(ADC), 실시간 클록(RTC), 직렬 주변 장치 인터페이스(SPI), 집적 회로 간(I²C), IC 간 사운드(I²S), 범용 비동기 수신기/송신기(UART), 펄스 밀도 변조(PDM), 펄스 폭 변조(PWM) 등이 있습니다. 이 SiP를 사용하면 단일 장치, 안테나, 배터리, SIM 또는 eSIM, 센서를 사용하여 셀룰러 또는 DECT NR+ IoT 솔루션을 개발할 수 있습니다(그림 2).

그림 2: nRF9161 SiP는 고집적 셀룰러(LTE-M, NB-IoT) 및 DECT NR+ IoT 연결 솔루션입니다. (이미지 출처: Nordic Semiconductor)

소프트웨어 설계 과제

RF IoT 설계 시에는 소프트웨어 설계의 어려움도 따릅니다. 셀룰러 및 DECT NR+ 스택은 규모가 크고 매우 복잡하기 때문에 처음부터 새로 구축하려면 프로토콜 전문가가 필요합니다. LTE-M 및 NB-IoT의 경우, 개발자는 스택을 구축하고 테스트한 후 셀룰러 전용 AT(Attention) 명령을 구현해야 합니다. 이는 모든 셀룰러 모뎀과 호스트 컨트롤러 간 통신의 기본인데, 주로 모뎀을 구성 및 디버깅하고 모바일 네트워크 사업자(MNO)를 통해 네트워크 연결을 활성화하는 데 사용됩니다.

Nordic은 SiP의 모뎀에 사전 프로그래밍된 입증되고 안정적인 LTE-M 스택을 제공함으로써 소프트웨어 코딩 문제를 완화해 줍니다. 또한 Nordic의 직렬 LTE 모뎀 애플리케이션은 모뎀에 데이터 송수신을 지시하는 AT 명령을 처리합니다.

셀룰러 모뎀은 엔지니어링 과제 외에도 엄격한 지역별 인증 및 규제 요건을 충족해야 합니다. 여기에는 LTE 사양과의 호환성을 보장하기 위한 글로벌 인증이 포함되어 최종 장치가 LTE-M 또는 NB-IoT 네트워크에서 통신할 수 있도록 합니다. 또한 일부 이동통신사에는 자체 인증 요건이 있습니다.

Nordic은 가장 중요한 지역, 주요 네트워크 및 해당 네트워크의 주요 LTE 대역에서 작동하도록 nRF9161 SiP를 사전 인증함으로써 개발자의 부담을 덜어주었습니다.

nRF9161 개발 키트 사용

nRF9161 SiP로 셀룰러 IoT 및 DECT NR+ 개발과 관련된 몇 가지 중요한 하드웨어 및 소프트웨어 문제를 완화할 수 있기는 하지만, 프로토타입을 제대로 만들어내려면 여전히 많은 노력이 필요합니다. 그 설계 과정을 가속화하기 위해 Nordic은 nRF9161 DK 개발 키트(그림 3)와 소프트웨어 툴 제품군을 제공합니다. 이러한 툴 제품군은 Nordic의 무선 솔루션을 위한 통합 개발 환경인 nRF Connect SDK가 주도하고 있습니다.

이 개발 키트에는 SiP를 통합하고 완전한 기능의 프로토타입을 구현하는 데 필요한 회로뿐만 아니라 전용 LTE-M/NB-IoT 및 DECT NR+ 안테나와 GNSS용 통합 패치 안테나가 포함되어 있습니다. 프로그래밍 및 디버깅은 온보드 SEGGER J-Link를 통해 가능하며, 개발 키트는 데이터가 미리 로드된 SIM 카드와 함께 번들로 제공됩니다. 또한 소프트웨어 SIM 사용을 지원하여 전력 소비를 더욱 줄여줍니다.

그림 3: nRF9161 DK에는 LTE-M, NB-IoT 및 DECT NR+용 nRF9161 SiP가 포함되어 있으며 LPWAN 및 GNSS 안테나, 프로그래밍 및 디버깅을 위한 온보드 SEGGER J-Link, 사전 로드된 SIM 카드가 포함되어 있습니다. (이미지 출처: Nordic Semiconductor)

nRF9161 키트로 개발을 시작하려면 SIM 카드를 연결(또는 eSIM 활성화)하고 PROG/DEBUG SW10 스위치를 'nRF91'로 설정한 후 마이크로 USB 2.0 케이블을 사용하여 키트를 데스크톱 컴퓨터에 연결해야 합니다. 개발 키트에는 Windows, macOS 또는 Ubuntu Linux 운영 체제(OS)가 필요합니다.

다음 단계는 Nordic의 데스크톱용 nRF Connect를 설치하고 소프트웨어를 활성화하는 것입니다. 그런 다음, 설정 및 설치 절차를 안내하는 도구인 빠른 시작 애플리케이션을 설치할 수 있으며, 이 소프트웨어를 사용하면 개발 키트 펌웨어 업데이트와 SIM 카드 활성화를 간소화할 수 있습니다. 개발자는 키트에서 클라우드로 데이터를 전송하기 위해 Nordic nRF Cloud 계정을 설정하거나 다른 클라우드 서비스에 연결할 수 있습니다.

그러면 빠른 시작 애플리케이션을 통해 개발자가 Nordic의 nRF Connect SDK로 이동합니다. SDK는 널리 사용되는 통합 개발 환경(IDE)인 Visual Studio Code에서 Nordic의 nRF Connect for VS Code 확장 프로그램을 사용하여 작동합니다. 이 SDK는 애플리케이션을 개발하는 데 사용되며 GNSS, 셀룰러 또는 Wi-Fi 포지셔닝을 사용하여 장치의 위치를 검색하고 nRF9161 키트에서 클라우드로 센서 데이터를 전송하는 등의 유용한 샘플이 포함되어 있습니다.

애플리케이션이 구축되면 온보드 nRF9161 SiP의 Arm 애플리케이션 프로세서를 프로그래밍하는 것은 간단합니다. 첫 번째 단계는 USB 케이블을 사용하여 키트를 PC에 연결하고 전원을 켜는 것입니다. 개발자는 nRF Connect for VS Code 확장 프로그램에서 'Action View(작업 보기)'의 'Flash(플래시)' 옵션을 클릭해야 합니다. 프로그래밍 진행 상황을 표시하고 완료를 확인하는 알림이 나타납니다.

또한 개발 키트를 통해 개발자는 LTE-M, NB-IoT 또는 DECT NR+ RF 신호를 확인할 수 있습니다. IoT 장치와 기지국 간의 통신 거리를 최대화하려면 우수한 RF 성능이 필수적입니다. 측정을 위해 키트의 소형 동축 커넥터(J1)와 스펙트럼 분석기 사이에 케이블을 연결합니다(그림 4).

그림 4: 동축 케이블을 사용하여 스펙트럼 분석기에 연결하여 nRF9161 개발 키트의 RF 신호를 측정할 수 있습니다. (이미지 출처: Nordic Semiconductor)

nRF9161 DK를 위한 고급 개발 도구

애플리케이션이 프로그래밍되고 나면 개발자가 성능을 관찰할 수 있도록 두 가지 도구가 제공됩니다. 첫 번째 도구는 Power Profiler Kit II(PPK2)입니다(그림5). 이 독립형 장치는 200나노암페어(nA) ~ 1암페어(A) 범위에서 개발 키트의 전류 소비를 100nA ~ 1밀리암페어(mA) 범위의 분해능으로 측정할 수 있습니다. 또한 PPK2는 개발 키트에 1A에서 최대 5V를 공급할 수 있습니다.

그림 5: PPK2는 애플리케이션 실행 시 nRF9161 개발 키트의 평균 및 순간 전류 소비를 측정할 수 있습니다. (이미지 출처: Nordic Semiconductor)

PPK2는 데스크톱용 nRF Connect 소프트웨어의 일부인 Power Profiler 앱과 함께 사용됩니다. 이 앱을 사용하면 개발자가 애플리케이션을 실행할 때 nRF9161 키트의 평균 및 순간 전류 소비를 분석할 수 있습니다. 필요한 경우 밀리초 간격으로 확대하면서 동시에 장시간에 걸쳐 판독할 수 있으며, 측정된 데이터는 추가 처리를 위해 내보낼 수 있습니다.

전력 소비 분석을 통해 개발자는 설계의 배터리 수명을 연장하기 위해 전력을 절약하기 위해 애플리케이션 코드를 수정할 수 있는 부분을 확인할 수 있습니다(그림 6).

그림 6: 데스크톱용 nRF Connect의 Power Profiler 앱에는 실행 중인 애플리케이션의 전류 소비가 표시됩니다. (이미지 출처: Nordic Semiconductor)

Nordic의 셀룰러 모니터는 애플리케이션 개발을 지원하며 데스크톱용 nRF Connect 소프트웨어에서 지원됩니다. 이 모니터는 개발 키트에서 애플리케이션을 실행할 때 nRF9161 SiP의 모뎀이 수행하는 작업 즉, 네트워크 성능, 디바이스 상태 및 데이터 전송 등의 정보를 보여줍니다. 개발자는 이러한 세부 정보를 확인하여 모뎀 트래픽을 분석하고 애플리케이션 성능을 최적화할 수 있으며 이러한 정보는 직렬 터미널에 표시됩니다.

결론

LTE-M, NB-IoT 및 DECT NR+ LPWAN 기술은 IoT 장치를 위한 안정적이고 안전하며 확장 가능한 장거리 연결을 지원하지만, 무선 하드웨어 및 소프트웨어 장치를 개발하는 데는 어려움이 따를 수 있습니다. Nordic의 nRF9161 SiP, 임베디드 프로토콜 소프트웨어 및 지원 nRF9161 DK 개발 키트와 앱을 활용하면 설계 복잡성을 크게 줄일 수 있습니다.