위치 확인 응용 분야를 위해 GNSS 및 셀룰러 간극을 극복하는 Wi-Fi® 위치 확인 부품

위치 기반 서비스는 자산을 관리하는 데 있어 강력한 이점일 수 있지만, 일부 IoT 응용 제품에 심각한 손상을 줄 수 있는 상당한 배터리 소모가 발생하는 경우가 많습니다. GNSS(글로벌 항법 위성 시스템) 및 도달 범위가 광범위한 셀룰러 서비스는 장치에 대한 지리적 위치를 결정하는, 비교적 손쉬운 방법을 제공합니다. 그러나, 커버리지 및 성능 간극이 있으며 이는 Wi-Fi 네트워크의 확대를 통해 보완되거나 대체될 수 있습니다.

무선 추적에 대한 최고의 표준은 미국에서 운영하는 GPS(글로벌 위치 확인 시스템)로, 이는 여러 개의 지역 위성 항법 시스템을 포괄하는 GNSS의 일부를 구성합니다. 그러나 GPS 모뎀이 콜드 스타트에서 '초기 위치 결정 시간(TTFF)'까지 진행하는 데 몇 분이 걸릴 수 있으며, 이 과정에서 상당한 배터리 용량이 소모됩니다. 또한 위성과 수신기 사이의 가시선 장애물(예: 빌딩 벽)로 인해 방해를 받을 수도 있습니다.

고정 셀룰러 기지국은 '위치 확인' 응용 분야에도 활용할 수 있습니다. 셀룰러 위치 스캔은 GPS/GNSS보다 적은 전력을 소비하지만 정확도가 떨어집니다. 셀룰러 위치 확인은 사용되는 셀룰러 타워의 유형에 따라 수백 또는 심지어 수천 미터까지 차이가 날 수 있습니다. 이러한 정밀도 결여는 대형 창고나 해상 컨테이너 선박에서 움직이는 자산을 추적하는 등의 응용 분야에서 매우 중요할 수 있습니다.

Wi-Fi는 셀룰러 위치 확인보다 더 정확할 수 있으며 전력 효율도 거의 비슷합니다. 모든 Wi-Fi 네트워크에 고유한 SSID(서비스 세트 식별자)와 각 액세스 장치에 고유한 BSSID(기본 서비스 세트 식별자)는 매력적인 위치 확인 옵션을 제공하지만, 대부분의 Wi-Fi 집적 회로는 작업에 최적화되어 있지 않으며 일반적으로 비용이 많이 들고 부피가 크며 전력 소모량이 높습니다.

Nordic Semiconductor는 엔지니어가, 무선 기술의 통합 및 클라우드 기반 서비스에 의존하여 성능 및 커버리지 문제를 해결하는 유연성 있는 응용 제품을 만들 수 있는 부품을 제공합니다.

Wi-Fi 위치 확인의 가치

위치 확인은 배터리 구동식 홈 센서, 건강 모니터 및 피트니스 장치, 산업용 자산 추적기 및 환경 센서, 소매 재고 관리, 판매 시점 장치를 비롯한 여러 응용 제품을 강화할 수 있습니다.

대표적인 사용 사례 가운데, 비즈니스는 자산의 위치를 추적하여 공급망 관리 및 물류를 간소화할 수 있습니다. 웨어러블은 의료 팀에게 건강 문제를 알리고 소매업자 및 자금 담당자는 결제 카드의 부정 사용을 감지 및 줄이며 기업 차량 관리 작업자는 차량을 실시간으로 추적할 수 있습니다. GPS, 셀룰러, Wi-Fi는 각각 장점과 제한이 있으므로 단 하나의 무선 기술에 의존할 경우 한 위치에 고정되지 않는 장치에서 문제가 될 수 있습니다.

네트워크 및 액세스 지점이 쉽게 사용 가능하고 액세스할 수 있는 사용 사례에서 Wi-Fi는 위치 확인을 위한 간단하고 비용 효과적인 솔루션입니다. 대부분의 Wi-Fi 장치에는 전력 효율 및 구현 정확도에 큰 차이가 있는 몇몇 유형의 위치 확인 기능이 통합되어 있습니다.

Wi-Fi Alliance는 이러한 기능을 홍보하고 IEEE 802.11mc 표준을 통합하는 Wi-Fi CERTIFIED Location 프로그램과의 상호 운용성을 보장하기 위한 조치를 취했습니다. Wi-Fi CERTIFIED Location과 호환되는 FTM(정밀 타이밍 측정) 프로토콜, 액세스 지점, 무선 LAN 카드를 활용하면 Wi-Fi AP(액세스 지점)가 정확한 위치를 파악할 경우 1미터 이내의 정확도로 위치를 결정할 수 있습니다.

그러나, 엔지니어는 비용 효율이 높은 위치 확인 응용 제품을 만들기 위해 더욱 콤팩트하고 에너지 효율적인 부품이 필요합니다. 배터리 수명을 극대화하는 효율적인 전력 소비는 여러 IoT 장치 및 센서에 매우 중요합니다. Nordic은 Wi-Fi 및 기타 위치 확인 옵션을 활용하여 IoT 에코시스템의 연결성을 개선할 수 있는 부품 포트폴리오를 제공합니다.

무선 컴패니언

nRF7000(그림 1)은 초저전력 응용 제품에 대해 최적화된 무선 컴패니언 IC로 최대한의 전력 효율을 보장할 수 있습니다. 이 IC는 데이터를 전송하지 않으며, 대신 Wi-Fi 위치 확인을 위해 SoC(시스템 온 칩), MPU(메모리 보호 장치) 또는 MCU(마이크로 컨트롤러 장치) 호스트에 능동 및 수동 스스캔 기능을 제공합니다.

그림 1: Wi-Fi 위치 확인 응용 제품을 위한 nRF7000 저전력 Wi-Fi 6 컴패니언 IC. (이미지 출처: Nordic Semiconductor)

nRF7000은 2.4GHz 및 5GHz Wi-Fi 주파수 대역을 모두 스캔할 수 있으며 해당 목적을 위해 PHY 계층과, MAC 계층의 일부를 구현합니다. 이 장치는 QSPI(6선) 또는 SPI(4선)(데이터용)와, 3선 또는 4선 공존 제어 인터페이스(Bluetooth® LE/IEEE 802.15.4 무선을 포함하는 호스트용)를 통해, 사용자 응용 프로그램이 실행되는 호스트 MCU 또는 응용 프로세서에 연결됩니다.

nRF7000은 통합 2.4GHz 및 5GHz 무선을 포함하여 다른 호스트 칩에 직접 Wi-Fi 6 데이터 연결 및 위치 확인 기능을 제공하는 다른 컴패니언 IC인 nRF7002의 엄선된 버전입니다. 단일 대역 2.4GHz 무선을 제공하는 nRF7001도 제공됩니다. 둘 모두 최신 Wi-Fi 6 기능을 Bluetooth® Low Energy, Thread® 또는 Zigbee® 시스템에 추가하는 데 이상적입니다.

이러한 장치 각각은 비 Nordic 호스트에 연결될 수 있지만 nRF 클라우드 플랫폼을 통해 Wi-Fi, 셀룰러, GNSS 위치 확인 기능을 지원하는 부품을 사용하는 '실리콘-클라우드 위치 주적 솔루션'을 제공할 수 있습니다.

nRF7000을 통한 Wi-Fi 위치 결정

NRF9160-SICA-B1A-R7과 같은 Nordic의 nRF91 계열 셀룰러 SIP(시스템 인 패키지) 제품군은 nRF7000/7100/7200 IC(nRF70 계열)에 선호되는 Nordic 호스트 장치로 지정되었습니다. 이 제품군은 콤팩트한 10mm x 16mm x 1.04mm 패키지에 LTE-M, NB-IoT, GNSS, RFFE(RF 프런트 엔드), 전력 관리를 지원하는 응용 프로세서 및 다중 모드 모뎀을 통합합니다. 선호되는 다른 호스트로는 Nordic nRF52 및 nRF53 계열 Bluetooth 다중 프로토콜 SoC가 있습니다.

그림 2: LTE-M/NB-IoT 모뎀 및 GNSS가 탑재된 nRF9160 SiP는 nRF7000과의 통합을 통해 Wi-Fi를 사용하는 원활한 위치 확인 응용 제품을 제공할 수 있습니다. (이미지 출처: Nordic Semiconductor)

nRF91과 결합된 nRF7000은 실내 및 실외에서 정확한 Wi-Fi 위치 확인 위치 결정을 제공하여 GNSS 및 셀룰러를 보완합니다. Wi-Fi 위치 확인 서비스가 구성되면 가까이 있는 Wi-Fi 액세스 지점에 대해 장치가 능동적 또는 수동적으로 스캔을 시작하여 SSID, BSSID 및 신호 강도에 대한 데이터를 수집할 수 있습니다.

nRF91은 컴패니언 IC의 정보를 사용하여 nRF 클라우드에 AP 정보를 전송할 수 있습니다. nRF 클라우드는 장치를 연결하지 않고도 알려진 위치의 Wi-Fi 데이터 베이스를 사용하여 가까이 있는 최소 두 개의 AP와 관련하여 정확한 위치를 결정할 수 있습니다. 그러면 클라우드 서비스는 위치 정보를 장치 또는 해당 정보를 필요로 하는 모든 위치로 다시 전송할 수 있습니다. 위치가 결정되면 장치는 배터리 전력을 보존하기 위해 저전력 상태로 들어갑니다.

nRF 클라우드는 위치 확인을 위한 다음과 같은 대체 옵션을 제공합니다.

• 지원 GNSS - 더 빠른 TTFF 실현
• 예측 GNSS - 최대 2주의 예측 위성 데이터를 제공하여 새로운 지원 데이터 요청 주기를 줄일 수 있음
• SCELL(단일 셀 위치) - 가장 가까운 셀을 기반으로 대략적인 위치를 제공하여 GNSS 수신기에 대한 필요성을 제거함
• MCELL(다중 셀 위치) - 가장 가까운 셀 및 주변 셀을 활용하여 정확도가 향상되었지만 여전히 대략적인 위치를 제공함

nRF 클라우드의 이러한 위치 프로세스 각각은 위치 정확도 및 전력 소비에 대해 다양한 특성을 제공합니다. Nordic에 따르면 Wi-Fi는 GNSS의 5m~ 10m, 다중 셀 셀룰러의 200m ~ 300m, 단일 셀의 1000m와 비교하여 5m ~ 15m의 위치 정확도를 제공합니다. 지연 시간은 셀룰러의 경우 1초 미만으로 가장 짧고, GNSS와 Wi-Fi는 모두 몇 초가 걸립니다. Nordic의 전력 소비 테스트를 통해 Wi-Fi의 125.85mC 및 A-GPS를 사용하는 GNSS의 316.71mC와 비교하여 셀룰러가 122.48mC로 약간 우세함을 알 수 있습니다.

Nordic은 모든 nRF70 계열 장치를 위한 nRF Connect SDK 소프트웨어 개발 환경과 nRF7002 EK 이중 대역 개발 키트(그림 3)를 비롯한 여러 도구를 Arduino 실드 형식으로 제공합니다. 이 키트는 nRF7002를 통합하고 nRF7000 및 nRF7001을 모두 에뮬레이션할 수 있으며, nRF70 계열을 활용하는 응용 제품 개발 시 nRF9160 DK 개발 키트와 결합할 수 있습니다.

그림 3: nRF7002-EK 평가 키트는 nRF7002를 포함하며 nRF7000 및 nRF7001 모두를 에뮬레이션할 수 있습니다. (이미지 출처: Nordic Semiconductor)

결론

Nordic은 개발자들이 nRF7000 및 nRF91 계열을 통해 위치 서비스를 위한 다양한 무선 기술을 활용할 수 있는 IoT 솔루션을 개발할 수 있도록 지원합니다. 이 제품은 고성능, 저전력 소비, 유연한 통합 옵션을 제공하여 다양한 응용 분야에서 위치 측위 옵션 간에 원활하게 전환할 수 있습니다.