Silicon Labs의 Pro 키트로 Amazon Sidewalk 제품을 신속하게 설계

사물 인터넷(IoT)은 많은 무선 프로토콜에서 지원됩니다. 어떤 단일 기술도 모든 응용 분야에 적합할 수는 없으므로 각 무선 통신은 범위, 처리량, 전력 소비 간에 트레이드 오프를 나타냅니다.

주파수가 높은 신호일수록 초당 전송되는 데이터 비트 수가 많아져서 데이터 전송률이 높아지지만, 일상 물체에 더 쉽게 흡수되고 더 큰 페이딩이 발생하여 서비스 거리가 줄어드는 경향이 있습니다. 예를 들어 Bluetooth Low Energy(LE)는 2.4GHz 대역에서 작동하고 최대 2Mbits/s 원시 데이터 처리량을 제공하며 서비스 거리는 실외의 경우 100m입니다. 최대 1km 거리를 제공하지만 처리량이 수백 Kbits/s에 불과한 협대역 전송을 사용하는 sub-GHz 기술과 비교가 됩니다.

Wi-Fi는 Bluetooth LE와 동일한 2.4GHz 주파수 대역을 사용하지만(Wi-Fi는 5GHz 대역에서도 작동함), 유용한 변조 기술을 사용하여 최대 수백 Mbits/s의 훨씬 높은 처리량을 제공할 수 있습니다. 전력의 측면에서 Bluetooth LE는 동전형 전지와 같은 소형 배터리로 수개월 동안 작동할 수 있지만, Wi-Fi는 일반적으로 주 전력이나 상대적으로 큰 충전용 배터리를 사용합니다.

이러한 트레이드 오프로 인해 응용 분야에 가장 적합한 무선 통신을 선택하는 것이 어려울 수 있습니다. 그렇더라도 가장 근접한 무선 통신으로 타협할 수 있습니다. 하지만 무선 통신을 두 개 또는 세 개를 선택할 수 있다면 하나만 선택할 이유는 없습니다. Amazon Sidewalk는 여러 무선 통신을 사용하여 ‘커뮤니티 네트워크’를 구축합니다. 이 네트워크는 거의 모든 곳에서 소비자 장치를 인터넷에 무료로 안전하게 연결하여 집이 아니라 동네까지 확장됩니다(그림 1).

그림 1: Amazon Sidewalk는 인터넷에 연결된 장치의 무료 커뮤니티 네트워크를 구축합니다. (이미지 출처: Amazon)

네트워크 격차 해소

Amazon Sidewalk는 현재 미국에서 사용할 수 있습니다. 이 기술은 스마트 홈 서비스를 제공하는 단거리 무선 기술(예: Bluetooth LE 및 Wi-Fi)과 광역 네트워크(WAN, 예: LoRaWAN 및 셀룰러 IoT) 사이의 격차를 해소하도록 설계되었습니다. 예를 들어 애완동물에 Bluetooth LE 추적기를 부착할 경우 애완동물이 마당에 있을 때는 쉽게 찾을 수 있지만, 담 밖으로 나가면 연결이 끊깁니다. Sidewalk를 사용하면 도로 곳곳에서 애완동물을 계속 추적할 수 있습니다.

Amazon Sidewalk 커뮤니티 네트워크는 상시 가동하며 가정과 상업용 건물에 이미 구축된 수백만 대의 Sidewalk 지원 장치를 활용하여 작동합니다. 예를 들면 Amazon의 Echo 스마트 스피커와 Ring 보안 카메라를 활용할 수 있습니다. 이미 인프라가 널리 구축되어 있으므로 최신 기술을 지원하기 위해 추가 인프라가 거의 필요하지 않습니다. Amazon은 Sidewalk의 서비스 범위가 미국 인구의 90% 이상으로 이미 확대되어 있다고 말합니다.

이 기술은 주변 물체 간의 통신을 위한 Bluetooth LE를 장거리 통신의 연속성을 위한 sub-GHz 무선 통신과 결합합니다. Amazon Echo, Dot, Ring 등 동네 전반에서 작동 중인 스마트 장치가 네트워크 내에서 ‘Sidewalk 브리지’ 역할을 합니다. 이러한 제품은 게이트웨이 작동에 소량의 인터넷 대역폭(최대 80Kbits/s)을 할당합니다. Sidewalk 제품은 게이트웨이의 리소스를 사용하여 클라우드의 Amazon Web Services(AWS)에 연결하여 장치에 대한 정보(예: 위치)를 나타낼 수 있습니다. Amazon에 따르면 Sidewalk는 여러 개인정보 보호 및 보안층으로 설계되었습니다. 따라서 Sidewalk 브리지 소유자는 Sidewalk에 연결된 다른 사람이 소유한 장치에 대한 정보를 수신하지 않습니다(그림 2).

그림 2: Amazon Ring과 같은 스마트 장치가 Sidewalk 브리지 역할을 합니다. Sidewalk 브리지는 게이트웨이 작동에 소량의 인터넷 대역폭을 할당합니다. (이미지 출처: Amazon)

Sidewalk 시작하기

Amazon Sidewalk는 세 개의 무선 통신, 즉 장치 프로비저닝 및 주변 Bluetooth 장치 연결을 위한 Bluetooth LE, 최대 1.6km 이내 연결을 위한 sub-GHz 주파수 편이 방식(FSK), 훨씬 긴 거리(수 킬로미터)를 위한 전용 처프 확산 스펙트럼(CSS) 무선 통신을 사용하여 커뮤니티 네트워크를 구축합니다. Sidewalk 제품은 일반적으로 Bluetooth LE 무선 통신과 FSK 또는 CSS 장거리 프로토콜 중 하나를 지원하는 다른 무선 통신을 포함합니다.

Sidewalk 개발과 RF를 처음 접하는 사람이라면 세 개의 무선 통신을 사용하는 것이 다소 부담스러울 수도 있지만 걱정할 필요가 없습니다. 시작하는 데 도움이 되는 몇 가지 유용한 통합 개발 도구가 있습니다. 예를 들어 Silicon Labs에는 Amazon Sidewalk SDK, 무선 하드웨어, 보안 및 개발 키트 및 도구로 구성된 인증된 솔루션이 있습니다.

이 하드웨어는 Amazon Sidewalk용 KG100S-PK6130A Pro 키트를 기반으로 하며, 패킷 추적 인터페이스(PTI)와 가상 COM 포트가 있는 SEGGER J-Link 디버거가 실장된 메인 기판으로 구성됩니다. 확장 헤더를 통해 외부 하드웨어뿐만 아니라 연결된 무선 통신 기판의 응용 제품 개발 및 디버깅을 가능하게 합니다. 또한 이 키트는 915MHz 안테나를 제공합니다.

Pro 키트는 두 플러그인 무선 통신 기판(xG24-RB4187C 및 KG100S-RB4332A)과 함께 사용될 수 있습니다. 첫 번째 기판은 Bluetooth 5.3과 다른 2.4GHz 프로토콜을 지원하는 Silicon Labs의 EFR32MG24 트랜시버를 기반으로 합니다. 두 번째 무선 통신 기판은 Bluetooth LE 무선 통신을 장거리 1GHz 미만(915MHz) FSK 및 CSS 트랜시버와 결합하는 Quectel의 KG100S 트랜시버를 사용합니다. KG100S에는 Silicon Labs의 내장형 EFR32BG21B 마이크로 컨트롤러가 포함되어 있습니다(그림 3).

그림 3: 여기에 KG100S 무선 통신 기판과 함께 표시된 Pro 키트는 Amazon Sidewalk 프로젝트를 쉽게 사용할 수 있도록 해줍니다. (이미지 출처: Silicon Labs)

Pro 키트를 사용하여 개발을 시작하는 것은 Silicon Labs의 Simplicity Studio 버전 5 통합 개발 환경(IDE)을 다운로드하여 설치하고, Pro 키트를 연결하고, IDE를 사용하여 Amazon Sidewalk SDK를 다운로드하는 것만큼 간단합니다. 여기서 미리 컴파일된 데모, 응용 참고 사항 및 예제를 활용하여 빠르게 작업할 수 있습니다. 또한 Simplicity Studio에는 에너지 프로파일링과 같은 고급 도구가 포함되어 있습니다. 이 도구를 사용하면 마이크로 컨트롤러 작업을 최적화하고 최종 제품의 전력 소비를 낮게 유지할 수 있습니다.

결론

미국 시장의 경우 Amazon Sidewalk는 Amazon 스마트 홈 장치라는 이미 구축된 인프라를 활용하는 세련된 커뮤니티 네트워크 솔루션에 보안 무선 통신 기술을 적용하는 훌륭한 기술입니다. 이 기술에서는 여러 무선 통신을 사용하지만 Silicon Labs의 Pro 키트와 같은 개발 도구를 사용하면 제품을 훨씬 쉽게 구현할 수 있습니다. 무선 통신 기판을 선택하고 개발 키트를 회사의 IDE에 연결하고 일부 미리 컴파일된 코드를 다운로드한 후 데모를 실행하여 몇 분 만에 작업을 시작할 수 있습니다.