다중 프로토콜 다대역 무선 SoC를 사용하여 IIoT 네트워크 배포 간소화

지속적인 혁신으로 인해 사물 인터넷(IoT) 응용 분야에는 호환되지 않는 여러 무선 옵션이 있습니다. 옵션이 있다는 것은 항상 좋은 일이지만, 특히 이미 여러 무선 네트워크가 설치되어 있을 수 있고 여러 시설에 걸쳐 수백 개 또는 수천 개의 센서를 추가해야 하는 기존 산업용 IoT(IIoT) 설치의 경우 이로 인해 무선 네트워크 배포가 복잡해지는 것도 사실입니다.

IoT 트랜시버 제조업체에서는 이 문제를 해결하기 위해 단일 장치에서 여러 RF 대역의 여러 프로토콜을 지원하는 저가형 저전력 SoC(시스템온칩) 솔루션을 개발했습니다.

이 기사에서는 여러 단거리 무선 통신 표준과 사양을 폭넓게 사용하는 데 따른 설계 문제를 간략하게 살펴봅니다. 그런 다음 NXP, Texas Instruments, Silicon Labs 및 Analog Devices의 SoC(시스템온칩)를 소개합니다. SoC를 활용하면 설계자가 여러 RF 인터페이스를 유연하게 채택하고 그 기능과 지원되는 무선 프로토콜을 탐색할 수 있습니다.

무선 옵션 과제

몇 년 전만 하더라도 여러 무선 프로토콜을 지원하는 IoT 트랜시버 또는 마이크로 컨트롤러 SoC가 매우 적었으므로, 에지 장치 제조업체에서는 하나를 선택하여 제품 라인 전반에서 사용했습니다. 예를 들어, 최초의 시각적 IoT 응용 분야인 홈 자동화에서 “스마트” 조명 제품 제조업체마다 Zigbee, Z-Wave, Wi-Fi 등 서로 다른 무선 프로토콜을 한다면 안 그래도 복잡한 새로운 기술에 대해 소비자가 더욱 혼란스러워 할 수 있습니다.

IIoT 시장도 동일한 문제에 직면해 있지만 규모 면에서 문제가 훨씬 더 큽니다. 지리적으로 명확한 영역인 가정의 경우와 달리 여러 나라에 걸쳐 시설을 보유한 대규모 제조업체는 장비 및 규정 요구 사항을 광범위하게 지원해야 할 수 있습니다. 다중 프로토콜 다대역 트랜시버 및 마이크로 컨트롤러 SoC의 등장으로 엔지니어가 이러한 장치와 시스템 및 네트워크 설계를 훨씬 쉽게 배포할 수 있게 되었습니다. 이러한 SoC가 에지 장치에서 점점 많이 채택되면서 단일 벤더의 SoC를 사용하여 에지에서 여러 무선 프로토콜로 네트워크를 구성할 수 있게 되었습니다.

일반 IoT SoC 특징

일반 IoT SoC에는 LR-WPAN(저속 무선 개인 영역 네트워크)을 위한 IEEE 802.15.4 물리층(PHY) 무선 인터페이스를 기반으로 하는 기저대역과 RF 섹션, Arm 호스트 프로세서 및 보조 프로세서, 일부 암호화(예: AES-128), 난수 생성기(TRNG) 등이 포함됩니다. 또한 전력 및 센서 관리 회로, 여러 클록 및 타이머, 여러 I/O 옵션도 포함됩니다(그림 1). Zigbee는 산업용 응용 분야에서 널리 사용되는 프로토콜이므로 Thread와 같은 유사한 낮은 데이터 전송률 프로토콜과 함께 이러한 장치에서 거의 보편적으로 지원됩니다.

그림 1: 이 제품 구성도에 표시된 것처럼 Texas Instruments의 CC26xx 계열 SimpleLink SoC는 대표적인 무선 IoT SoC입니다. 호스트 프로세서는 Arm Cortex-M3이며, Arm Cortex-M0 보조 프로세서로 지원됩니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

Bluetooth 저에너지(버전 4)도 이 인스턴스에 포함되며 점차적으로 Bluetooth 5(버전 5.1)가 지원되고 있습니다. 버전 5.1에서는 메시 네트워킹을 채택하여 Bluetooth가 대규모 IoT의 다른 경쟁자로 등장했습니다. 하지만 모든 SoC가 이 버전을 지원하는 것은 아니므로 IIoT의 후보 장치가 버전 5.1을 지원하는지 확인하는 것이 중요합니다.

또한 일부 장치는 802.15.4 PHY를 기반으로 하여 IETF(Internet Engineering Task Force)에서 정의한 개방형 표준인 6LoWPAN(저전력 무선 개인 영역 네트워크)을 통해 IPv6를 지원합니다. 6LoWPAN은 802.15.4 PHY 및 미디어 액세스 제어(MAC) 계층에 계층화된 표준 TCP/UDP인 IPv6를 구현하는 데 필요한 IP 헤더 압축(IPHC)을 통합하고 900MHz 이하의 주파수와 2.45GHz에서 작동합니다.

인터넷 업링크는 IPv6 에지 라우터를 통해 처리되며, 여러 PC와 서버를 연결하기도 합니다(그림 2). 6LoWPAN 네트워크는 자체 에지 라우터를 사용하여 IPv6 네트워크 라우터에 연결됩니다.

그림 2: 6LoWPAN 메시 네트워크를 포함하는 IPv6 네트워크 인터넷 업링크는 IPv6 라우터 역할을 하는 액세스 포인트에 의해 처리되고, IPv6 에지 라우터에 연결되며, 여러 PC와 서버를 연결할 수도 있습니다. 6LoWPAN 네트워크는 에지 라우터를 사용하여 IPv6 네트워크에 연결됩니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

6LoWPAN의 차별화된 특성 중 하나는 표준 인터넷 프로토콜을 사용하여 어디서나 엔드 투 엔드 패킷을 제공할 수 있다는 것입니다. 따라서 6LoWPAN을 활용하면 설계자가 모든 응용 분야에서 MQTT, CoAP, HTTP 같은 고레벨 메시징 프로토콜을 사용할 수 있습니다.

이 기사에서 언급한 다른 프로토콜과 마찬가지로 6LoWPAN 또한 “1GHz 이하” 무선 통신과 2.4GHz에서 실행될 수 있으므로 전파 특성이 양호합니다. 예를 들어, 6LoWPAN 데모는 RF 출력 전력이 12dBm 이상인 트랜시버를 사용하여 900MHz에서 최대 4마일 거리까지 작동했습니다. 저주파수는 벽을 잘 관통할 수 있으므로 특히 실내에서 유용합니다. 적절하게 구성하고 적절한 브리지를 사용할 경우 6LoWPAN은 이더넷, Wi-Fi, 셀룰러 데이터 네트워크와 같은 다른 IP 네트워크와 상호 운용이 가능합니다.

필수 프로토콜

현재 SoC는 IoT 내에서 사용되는 무선 프로토콜을 모두 지원하지는 않습니다. Thread 및 Z-Wave와 같은 일부 프로토콜이 소비자 시장에서 대부분 채택되고 있으므로 이 점은 IIoT 네트워크 설계자에게 크게 중요하지 않습니다. 따라서 6LoWPAN 및 Bluetooth와 함께 현재 산업용 IoT에 가장 널리 사용되는 프로토콜인 Zigbee로 경쟁자가 축소됩니다. 즉, 802.15.4 표준을 지원하는 모든 SoC는 Zigbee, LPWAN, Thread 및 가능한 독점 솔루션(동일한 대역에서 작동할 수 있는 경우)을 통해 작동할 수 있어야 합니다.

Wi-Fi는 일반적으로 상대적으로 높은 전력 소비로 인해 소형 배터리로 구동되는 저전력 에지 장치 응용 분야를 위한 다중 프로토콜 SoC에 포함되지 않습니다. IoT에서 Wi-Fi는 전력 소비가 중요한 척도가 아닌 백홀 및 게이트웨이-인터넷 액세스에 주로 사용됩니다. 하지만 Wi-Fi는 높은 데이터 전송률과 장소를 가리지 않는 통용성으로 인해 도시에서 조명, 감시 및 기타 인프라를 업그레이드할 때 필수적입니다.

이러한 응용 분야에서는 Wi-Fi 온칩 SoC가 수년 동안 사용되고 있으며, 매우 높은 데이터 전송률이 필요한 많은 IoT 응용 분야에서 기술이 필수 요소가 되면서 그 사용량이 증가하고 있습니다. Wi-Fi 전용 SoC 중 하나로, 온칩 웹 서버 및 TCP/IP 스택을 지원하는 2.4GHz Wi-Fi 무선 통신 및 네트워크 프로세서를 제공하는 Texas Instruments의 CC3100R11MRGCR Wi-Fi 네트워크 프로세서가 있습니다. TI 또는 다른 제조업체의 마이크로 컨트롤러와 결합될 경우 두 개의 소형 장치에서 완벽한 Wi-Fi 솔루션을 구축합니다.

즉, 널리 사용되고 상호 보완되는 프로토콜인 Wi-Fi와 Bluetooth를 결합하는 SoC는 일부에 불과합니다. 예를 들어, Texas Instruments의 WiLink 8 Wi-Fi/Bluetooth 콤보 모듈 제품군에 속하는 WL1831MODGBMOCR은 Bluetooth 및 Bluetooth 저에너지를 지원합니다. Wi-Fi의 경우 Wi-Fi Direct와 함께 최대 데이터 전송률이 100Mb/s인 IEEE 802.11b/g/n을 포함합니다. 2 x 2 MIMO 기능은 단일 안테나를 사용하여 장치의 범위를 1.4배 확장하고, Wi-Fi 모드에서 800µA 미만의 전류를 소비합니다. Bluetooth 기능에는 Bluetooth 4.2 보안 연결 규정 준수, UART를 통한 Bluetooth용 호스트 컨트롤러 인터페이스, Bluetooth의 A2DP(Advanced Audio Distribution Profile)용 서브 밴드 코덱을 지원하는 오디오 프로세서가 포함됩니다.

13.3mm × 13.4mm × 2mm 패키지 내에 RF 전력 증폭기와 스위치, 필터, 기타 수동 소자와 전력 관리 및 기타 리소스(예: 4비트 SDIO 호스트 인터페이스)가 포함되어 있습니다.

Silicon Labs의 Mighty Gecko EFR32MG13P733F512GM48-D 다중 프로토콜 SoC는 마이크로 컨트롤러를 169MHz ~ 2.450GHz의 핵심 주파수에서 작동하는 트랜시버와 결합하는 흥미로운 접근 방식을 취합니다. 따라서 Bluetooth 저에너지, Bluetooth 5.1, Zigbee, Thread와 호환될 뿐 아니라, 널리 분산된 영역에 수백만 개의 고정 종단점을 포함하는 스마트 그리드 네트워크의 대규모 유틸리티 응용 분야에 맞게 설계된 변형 표준인 802.15g와도 호환될 수 있습니다.

Mighty Gecko 제품군의 일부 장치는 1GHz 이하에서 작동하는 네트워크를 지원하여 특정 응용 분야에 맞게 조정 가능하며, OOK, shaped FSK, shaped OQPSK 및 DSSS 변조와 같은 다양한 변조 스키마를 지원합니다.

Texas Instruments의 SimpleLink 플랫폼에는 Bluetooth 저에너지 및 5.1, Thread, W-Fi, Zigbee 및 “1GHz 이하” 솔루션(예: 6LoWPAN)과 유선 표준(이더넷, CAN, USB 등)을 지원하는 하드웨어가 포함되어 있습니다. 모델에 따라 한 장치에서 두 개 또는 세 개의 무선 프로토콜을 지원합니다. 제품군의 모든 모델이 단일 소프트웨어 개발 환경에서 지원됩니다.

예를 들어, CC2650F128RHBR SimpleLink 다중 표준 무선 MCU는 Bluetooth, Zigbee, 6LoWPAN뿐 아니라 Zigbee 소비자 가전용 무선 주파수(RF4CE)와 같은 원격 제어 응용 분야도 지원합니다. 후자는 IEEE 802.15.4를 개선한 프로토콜로서 다중 벤더 상호 운용 가능 솔루션을 구축할 수 있는 네트워킹 및 응용 제품 계층이 있습니다. CC2650은 32비트 Arm Cortex-M3를 호스트 프로세서로 사용합니다. 이 호스트 프로세서는 전체 시스템이 절전 모드에 있는 상태에서도 자율적으로 작동하는 전력 센서 컨트롤러에 상응합니다. Bluetooth 컨트롤러와 802.15.4 MAC은 별도의 Arm Cortex-M0 프로세서를 사용하여 응용 제품 지원을 위한 메모리를 확보합니다.

NXP Semiconductors의 MKW40Z160VHT4 SoC는 Zigbee 및 Thread를 위해 Bluetooth 저에너지 및 802.15.4를 수용하고, 2.36GHz ~ 2.48GHz에서 작동하며, Arm Cortex-M0+ CPU, Bluetooth 링크 계층 하드웨어 및 802.15.4 패킷 프로세서를 사용합니다. 이 SoC는 주로 완전한 서브 시스템으로 사용되지만, 기존 내장형 컨트롤러에 Bluetooth 또는 802.15.4 연결을 추가하기 위한 모뎀 역할을 하거나, 호스트 컨트롤러가 필요하지 않은 내장형 응용 제품에서 독립형 무선 센서 역할을 할 수도 있습니다.

Analog Devices의 LTC5800IWR-IPMA#PBF 다중 프로토콜 SoC는 이미 언급한 802.15.4 기반 프로토콜뿐 아니라 흥미로운 역사를 가진 SmartMesh라는 다른 프로토콜도 지원합니다. 캘리포니아 대학교 버클리의 전기 공학 및 컴퓨터 공학 교수인 Kris Pister가 DARPA의 Smart Dust 프로젝트 자금을 지원받아 1990년대 말에 이 프로토콜을 개발했습니다. 이 프로그램은 배터리 또는 에너지 수확을 통해 구동될 수 있는 작지만 매우 안정적인 무선 통신을 구축하는 데 목표를 두었습니다. 주로 열악한 환경 조건에서 널리 분포된 인프라를 운영하는 파이프라인 유틸리티가 주요 고객입니다.

기술 상용화를 위해 Pister는 SmartMesh라는 메시형 무선 센서 네트워크를 생산할 Dust Networks를 공동 설립했습니다. 이 회사는 2011년 Linear Technology에 인수되었고, Linear Technology는 2017년 Analog Devices에 인수되었습니다. SmartMesh는 그 과정에서 살아남아 현재는 IIoT에도 사용되고 있습니다.

SmartMesh는 데이터를 수집하여 중계하는 자가 성형 다중 홉 노드 메시(모트)와 성능과 보안을 조율하고 호스트 응용 제품과 데이터를 교환하는 네트워크 관리자로 구성됩니다(그림 3). 신뢰성은 DARPA 프로그램의 핵심 요구 사항 중 하나이므로, SmartMesh는 열악한 환경 조건에서도 99% 가동 시간을 지원하여 이 기능을 유지했습니다. 통신 프로토콜은 네트워크의 모든 모트를 몇 마이크로초 이내에 동기화하는 TSCH(Time-Slotted Channel Hopping)라는 확산 스펙트럼 변형입니다.

그림 3: SmartMesh 네트워크에서는 모든 노드가 라우터 역할을 하므로 어느 시점에서든 새 노드를 연결할 수 있습니다. 이 기술은 최대 50,000개의 노드를 지원합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

네트워크의 모든 모트는 1ms 이내에 동기화되며 10년이 넘는 배터리 수명을 제공할 수 있습니다. 전원 공급 장치 감결합, 수정 및 안테나만 있으면 완전한 무선 노드를 구축할 수 있습니다. 전방향성 2dBi 이득 안테나를 사용할 경우 LTC5800-IPM의 일반적인 범위는 실외에서 300m, 실내에서 100m에 달합니다.

결론

무선 프로토콜의 모든 변형으로 인해, 레거시 시스템에 지원이 필요할 수 있으므로 IIoT 배포에 사용할 적합한 무선 인터페이스 및 프로토콜을 선택하는 데 어려움이 있습니다. 위에서 설명한 바와 같이, 여러 RF 대역에서 여러 단거리 무선 프로토콜을 지원하는 IoT SoC는 설계자에게 향상된 유연성을 제공함으로써 IIoT 네트워크 배포를 크게 간소화할 수 있습니다.