단거리 무선 기술의 중요 사항에 대한 간단한 가이드

제품을 세상과 연결하는 가장 좋은 방법으로 무선 연결을 결정했다면 탁월한 선택입니다. 무선 연결이 주는 편리성, 이동성, 유연성으로 인해 목표 시장에서 제품의 매력이 훨씬 더 부각될 것입니다. 하지만 이제 자화자찬은 접고 어려운 설계 접목에 대해 깊이 생각해 볼 때입니다.

이 고민은 제품에 가장 적합한 무선 연결 형태를 결정하는 것으로 시작됩니다. 장치를 다른 무선 지원 제품 및/또는 인터넷에 연결하여 사물 인터넷(IoT)의 일부로 만들려고 한다고 가정해 보겠습니다. 또한 다른 제조업체의 제품과 상호 운용성을 활용하기 위해 단거리 독점 솔루션 중 하나가 아닌 표준 기술을 선택하고, 마지막으로 100m 미만의 범위에서 무선으로 연결하려고 한다고 가정해 보겠습니다.

이렇게 하면 범위가 굉장히 좁혀집니다. 그러나 이러한 제약 조건에서도 단거리 무선 기술의 선택은 갈피를 잡기 힘듭니다. 솔루션을 찾는 것은 무선 링크의 사용 용도를 체계적으로 정의하는 것으로 귀결됩니다.

모든 단거리 무선 기술은 범위, 처리량, 전력 소비, 전자파 내성 간의 트레이드 오프입니다. 일반적으로 범위와 처리량이 증가하면 높은 전력 소비를 대가로 치뤄야 합니다. 우수한 전자파 내성은 무선 주파수(RF) 스펙트럼 중 2.4Ghz 대역과 같이 혼잡한 부분에서 작동하는 무선 통신 기술에 대한 중요한 요구 사항이며, 수신기에 도달하지 못한 무선 패킷을 지속적으로 재전송할 필요가 없어짐으로써 전력을 절약하는 데 도움이 됩니다. 고려해야 할 다른 중요한 요소는 메시 네트워크와 인터넷 프로토콜(IP) 간의 상호 운용성입니다.

핵심 단거리 무선 기술

Wi-Fi, Bluetooth LE, Zigbee, Thread(Zigbee와 마찬가지로 IEEE 802.15.4 호환 무선통신에서 작동됨)는 주류 단거리 무선 기술입니다. 그러나 포괄적인 단거리 무선 솔루션 목록과는 거리가 멉니다. 초 광대역 통신(UWB), 근거리 무선 통신(NFC), 무선 M-Bus, Z-Wave, Wi-SUN과 같은 다른 기술은 많은 틈새 응용 분야에서 고려할 가치가 있습니다. 그러나 지금은 더 주류를 이루는 옵션들을 살펴보겠습니다.

처리량과 IP 상호 운용성이 사양 목록의 맨 위에 있다면 Wi-Fi가 최고의 선택입니다. 현재 가장 대중적인 솔루션은 Wi-Fi 5(이전에는 IEEE 802.11ac)입니다. 이론적으로 최대 3.5Gbps의 처리량과 최대 100m의 실내 범위를 제공합니다. 이 기술은 다중 채널을 기반으로 처리량을 높이고 다중 경로 페이딩(수신기가 단일 전송 신호의 여러 반사 신호를 받으면서 발생하는 전파 방해) 문제를 극복합니다. Wi-Fi 스택에는 IPv6도 포함되어 있으므로 데이터를 클라우드로 전송하기 위해 추가 라우터나 게이트웨이가 필요하지 않습니다.

그림 1: Wi-Fi는 IPv6을 통합하여 인터넷과 원활하게 연결합니다. (이미지 출처: Netgear)

Wi-Fi의 잠재적인 처리량은 트랜시버의 높은 전력 사용을 요구하므로 에너지 예산이 제한되어 있다면 올바른 기술 선택이 아닙니다. 그리고 Wi-Fi는 수십 개의 네트워크 장치를 지원하도록 최적화되어 있지 않습니다. 즉, 최근에 일부 칩에 채택된 Wi-Fi 6(이전에는 IEEE 802.11ax)은 기술의 스펙트럼 효율을 개선함으로써 이러한 단점을 어느 정도 해결합니다.

가장 중요한 설계 파라미터가 저전력이라면 Bluetooth LE, Zigbee, Thread를 면밀히 검토할 가치가 있습니다. 위에서 언급한 IEEE 802.15.4 사양의 공유 DNA로 인해 이러한 기술 간에 많은 유사성이 있습니다. IEEE 802.15.4는 저속 무선 개인 네트워크(LR-WPAN)에 대한 물리 계층(PHY)과 미디어 액세스 제어 계층(MAC)을 설명합니다. 이 기술은 일반적으로 2.4GHz로 작동하지만 일부 Zigbee의 변종은 Ghz 미만 주파수에서 작동합니다.

Bluetooth LE는 스마트폰과 무선 헤드셋을 연결하는 틈새를 처음 발견한 소비자 지향 무선 기술인 클래식 Bluetooth의 저전력 버전입니다. Bluetooth LE는 버전 4.0 출시와 함께 Bluetooth 프로토콜의 일부가 되었습니다. 이는 최대 2Mb/s의 원시 데이터 처리량과 50m의 범위를 제공하면서도 Bluetooth 전력의 약 10분의 1을 소비합니다.

이 기술은 데이터 전송이 적고 빈도가 낮은 스마트 홈 센서와 같은 IoT 응용 분야에 적합합니다. 40개의 채널과 정교한 채널 선택 알고리즘(CSA)을 통해 간섭을 완화할 수 있습니다. 대부분의 스마트폰에서 호스팅하는 Bluetooth 칩과 Bluetooth LE의 상호 운용성은 웨어러블과 같은 소비자 지향 응용 분야에서도 큰 장점입니다(그림 2). 이 기술의 주요 단점은 클라우드에 연결하기 위해 값비싸고 전력 소모가 많은 게이트웨이가 필요하고 메시 네트워킹 기능을 통해 다른 기술에 비해 대기 시간이 길어진다는 점입니다.

그림 2: Bluetooth LE는 스마트폰과 상호 운용이 가능하므로 웨어러블의 핵심적인 선택입니다. (이미지 출처: Nordic Semiconductor/DO Technologies)

Zigbee 또한 산업 자동화, 상업용, 가정용의 저전력 및 저처리량 응용 분야에 적합한 선택입니다. 처리량은 250Kb/s로 Bluetooth LE보다 낮지만 범위와 전력 소비량은 비슷합니다. Zigbee는 스마트폰과 상호 운용할 수 없으며 네이티브 IP 기능을 제공하지도 않습니다. 16개 채널에서 작동하며 Bluetooth LE와 마찬가지로 전파 방해를 피하기 위해 채널 호핑 알고리즘을 사용합니다. Zigbee의 주요 장점은 처음부터 메시 네트워킹을 위해 설계되었기 때문에 대기 시간이 짧은 스마트 조명과 같은 응용 분야에 적합합니다.

Thread는 2014년에 처음 도입된 단거리 무선 분문에서 비교적 새로운 분야입니다. Zigbee와 마찬가지로 IEEE 802.15.4 PHY와 MAC를 사용하여 작동하며 최대 250개의 장치로 구성된 대규모 메시 네트워크를 지원하도록 설계되었습니다. 처리량은 250Kb/s로 Zigbee와 동일하고 전력 소비는 유사하며 최대 범위는 약 30m입니다. Thread가 Zigbee와 다른 점은 경계 라우터라는 네트워크 에지 장치를 사용하기는 하지만 6LoWPAN(IPv6와 저전력 WPAN의 조합)을 사용하여 다른 장치 및 클라우드와 쉽게 연결할 수 있다는 것입니다.

경쟁보다 협력

단거리 무선 분야에는 목표 응용 분야를 충족시키기 위해 서로가 해야 하는 불가피한 절충 때문에 어떤 단일 기술도 지배적이지 못할 것이라는 인식이 자리 잡고 있습니다. 이러한 인식은 많은 단거리 무선 프로토콜 스택 간의 상호 운용성을 보장하기 위해 산업 그룹 간에 이례적으로 높은 수준의 협력을 이끌어냈습니다.

이러한 협력 정신의 한 예는 Apple, Amazon, Google을 비롯한 180개 회원사를 포함하는 CSA(Connectivity Standards Alliance, 이전 Zigbee Alliance)에서 주도하는 이니셔티브인 Matter입니다. Matter는 보안과 상호 운용성을 강조합니다. 브랜드나 장치 기능에 관계없이 장치가 연동할 수 있도록 Zigbee, Bluetooth, Wi-Fi를 결합하는 네트워크 계층을 도입합니다. Matter 스탬프가 찍힌 상용 제품이 2021년 말 이전에 도달할 예정이었습니다. 이는 단거리 무선의 결정적인 순간이 될 것입니다.

단일 제품 변형을 설계하면서 프로토콜을 최대한 유연하게 선택하고자 하는 설계자를 위한 또 다른 옵션은 멀티프로토콜 단거리 무선 칩을 선택하는 것입니다. 많은 실리콘 벤더에서 Wi-Fi, Bluetooth LE, Zigbee, Thread 또는 이들의 일부 조합을 지원하는 이러한 단일 칩 또는 모듈 솔루션을 제공합니다. 칩에 내장된 마이크로프로세서는 필요에 따라 프로토콜 전환을 관리합니다.

결론

단거리 무선 연결로 설계하면 최종 사용자에게 더욱 매력적인 제품이 됩니다. 개발자가 사용할 수 있는 기술은 다양하기 때문에 최선의 선택을 하는 것은 쉽지 않습니다. 모든 단거리 무선 기술은 범위, 처리량, 전력 소비, 전자파 내성 간의 트레이드 오프입니다. 최종 제품이 투입될 용도, 최종 사용자 경험의 중요성 등을 신중하게 고려한 다음 그에 맞는 강점을 가진 무선 기술을 선택하는 것이 최선의 선택입니다.