네이버 백과 인용-공부합시다-저전력 통신에 대한 정리

[네이버 백과 인용]

가정 내의 가전 및 컴퓨터 기기는 저속 데이터에서부터 고속의 영상까지 다양한 형태의 정보를 교환하는 데 무선을 사용하면 개인의 편의성이 훨씬 증대된다. WPAN(Wireless Personal Area Network, 개인 무선통신망)은 다양한 요구 조건의 근거리 개인 무선통신을 위해 제공되는 기술로서 저속과 고속 WPAN으로 구분된다. 저속 WPAN은 무선 센서 네트워크에 주로 활용되어 소형, 저전력, 저가격으로 각종 센서 장치 및 가전제품의 제어 및 음성 정보 등을 전송한다. 고속 WPAN 기술은 각종 전자제품에 장착 가능하도록 소형, 저전력, 저가격이 요구될 뿐만 아니라 고화질의 영상 정보를 주고받는 데 적합하도록 구현된다.

저속 WPAN은 현재 음성의 무선 전송에 널리 사용되는 블루투스, 센서 및 각종 가전기기 제어를 위한 지그비, 저속 WPAN 데이터통신 기술에 정밀한 거리 측정이 가능하도록 고안된 위치인식 UWB 기술로 나눌 수 있으며, 고속 WPAN에는 고속 UWB 기술이 있다.

블루투스

블루투스(Bluetooth)는 1994년에 연구가 시작되어 1998년에 에릭슨, 노키아, IBM, 도시바, 인텔 등이 주도하여 표준화를 시작한 개인 무선통신망 기술이다. 전세계 2,400개 이상의 회사들이 블루투스 SIG(Special Interest Group)를 구성하여 새로운 서비스 표준화 및 상호 호환성 보장을 위해 협력하고 있다.

블루투스는 2.4GHz ISM(Industrial Scientific Medicine, 산업용, 과학용, 의료용) 대역 주파수를 사용하며, 두 대의 기기가 통신할 때는 1MHz 간격으로 분포한 79개 주파수들을 약속된 순서로 번갈아 가며 사용한다. 한 개 주파수를 사용하는 시간은 625마이크로초(μsec)이다. 이와 같이 고정된 주파수가 아니라 여러 주파수를 번갈아 가며 사용하는 무선통신 알고리즘을 '주파수 호핑'이라고 부른다. 주파수 호핑을 사용하면 통신 방식이 복잡해지지만 제3의 다른 기기에 의한 도청을 방지할 수도 있고, 근접한 기기가 우연히 같은 주파수를 사용하여 발생하는 충돌을 감소시킬 수 있어서 최근에 많은 무선통신 기술이 주파수 호핑 기술을 채택하고 있다.

전파는 송신 전력을 증가하면 먼 거리까지 도달할 수 있는데 블루투스 기기들은 전파 도달 거리에 따라 클래스 1(100mW, 100m), 클래스 2(2.5mW, 25m), 클래스 3(1mW, 10m)로 분류한다. 이 중 블루투스 헤드셋 등 휴대형으로 가장 많은 기기들이 클래스 3에 속하며, PC에 사용되는 USB 동글 등이 클래스 2 기기이고, 많은 전력 공급을 요구하는 클래스 1기기는 주로 계속 전력 공급이 가능한 고정형 게이트웨이나 무선접속점(Access Point) 형태이다.

〈그림 4-18〉은 블루투스 기술을 활용한 예로서 주유소에서 기름을 넣는 동안 자동으로 차량 안전 상태를 진단하고, 내비게이터의 지도 데이터를 업데이트하고, MP3 콘텐츠를 선물하는 등 블루투스 게이트웨이 기반 주유소 부가 서비스를 보여준다.

그림 4-18 블루투스 게이트웨이 기반 주유소 부가 서비스

두 개의 블루투스 기기 사이의 최대 전송속도는 심벌속도 1Mbps, 전송률 721kbps이지만, 유효 전송속도는 프로토콜 스택에 의한 부하로 600kbps 정도이다. 그러나 2004년에 도입된 EDR(Enhanced Data Rate) 기술을 채택한 기기는 보통 기기의 3배까지 전송속도를 얻을 수 있다. UWB를 MAC/PHY로 사용하는 블루투스 기기는 100Mbps 이상의 전송 속도가 가능한 제품이다.

블루투스를 포함한 WPAN 기술은 단일 홉(Hop) 경로 및 응용에 최적화된 다양한 응용을 제공하는데 표준에서는 이들을 블루투스 프로파일로서 정의한다. 특정 응용 프로파일을 지원하기 위해서는 다계층의 블루투스 프로토콜들이 필요한데, 이들은 네트워크 계층의 논리 링크 제어 적응 프로토콜(L2CAP : Logical Link Control Adaptation Protocol) 및 서비스 발견 프로토콜(SDP : Service Discovery Protocol), 블루투스 네트워크 인캡슐레이션 프로토콜(BNEP : Bluetooth Network Encapsulation Protocol), 오디오·비디오 데이터 전송 프로토콜(AVDTP : Audio Video Data Transfer Protocol) 등이며, 〈그림 4-19〉와 같은 스택 구조이다.

블루투스 프로토콜 스택을 사용하는 블루투스 응용들은 크게 3가지 그룹으로 분류할 수 있는데, 이들은 접속점 응용 그룹, 개인 애드혹(Ad-Hoc) 네트워크 응용 그룹, 기존 유선 케이블을 무선화하는 응용 그룹이다.

접속점 응용 그룹에서는 휴대폰, PDA, 노트북 등과 같은 이동기기를 인프라에 접속하여 원격으로 데이터나 음성 통신을 하는 것으로, 노트북에서 휴대폰을 인터넷 접속점으로 사용하는 DUN(Dial-Up Networking) 프로파일과 전화망이나 IP망에 연결된 게이트웨이를 통해 휴대폰을 집안에서 무선전화기처럼 사용 가능한 CTP(Cordless Telephony Profile)가 속한다. 이와 같이 휴대폰 하나로 2~3종의 음성 네트워크에 접속 가능한 서비스를 2대1폰 또는 3대1폰이라 부른다.

개인 애드혹 네트워크 응용 그룹은 노트북, PDA나 휴대폰 등의 이동 기기들이 임의로 모였을 때 인프라의 도움도 없고 번거로운 IP주소 설정 과정 없이 네트워크를 자동으로 형성하는 것으로, 대표적으로 TCP/IP 애드혹 네트워크를 제공하는 PAN(Personal Area Networking) 프로파일이 이 영역에 속한다.

그림 4-19 블루투스 프로토콜 스택

기존의 케이블을 무선으로 대치하는 응용 그룹은 컴퓨터 주변기기인 키보드, 마우스 선을 없애 주는 HID(Human Interface Device) 프로파일, PDA, PC 사이의 데이터 동기화를 위한 동기 프로파일이 있다. 이외에도 블루투스 보급화에 가장 큰 기여를 한 휴대폰 무선 헤드셋 응용인 HSP(Headset Profile) 및 휴대폰이 차량 내의 핸즈프리에 자동으로 연결되는 HFP(Hands-Free Profile)도 이 그룹에 속한다.

최근에 블루투스 응용 범위가 확장되면서 무선으로 MP3 음악을 스테레오 헤드셋으로 전송하기 위한 A2DP(Advanced Audio Distribution Profile)가 많이 사용되고 있으며, 시제품이 출시되고 있지만 디지털 비디오 전송을 위한 VDP(Video Distribution Profile)도 있다. 블루투스 기술을 활용하면 웨어러블 컴퓨터와 오디오·비디오 콘텐츠 서버가 연동된 환경에서 블루투스 멀티미디어 스트리밍 시스템을 제공하는 서비스가 가능하다.

향후 고속 무선기술인 UWB MAC/PHY가 연동되어 블루투스 전송 속도가 수십 배 이상 증가하면 이와 같은 무선 멀티미디어 스트리밍 기술은 휴대폰, 디지털 카메라, 캠코더, 텔레비전 등의 기기에 다양하게 채택될 것으로 예상된다.

UWB

FCC(Federal Communications Commission)는 2002년 2월에 3.1~10.6GHz 주파수 대역에서 -42.3dBm/MHz의 송신 출력으로 UWB(Ultra Wide Band)를 사용할 수 있도록 UWB 통신 시스템을 허가했다. FCC는 UWB 시스템을 기존의 협대역 시스템 및 3G 셀룰러 기술로 설명되는 광대역 시스템과 구분하기 위해 중심 주파수의 20% 이상의 점유 대역폭을 차지하는 시스템 혹은 500MHz 이상의 점유 대역폭을 차지하는 무선 전송 기술 시스템을 UWB라 정의했다.

UWB의 가장 큰 장점은 매우 낮은 출력으로 타 통신 시스템에 간섭을 최소화하면서 수백 Mbps 데이터 전송률을 제공할 수 있다는 것이다. UWB는 송신 출력이 매우 낮기 때문에 그 서비스 반경은 10m 이내로 제한되지만, 〈그림 4-20〉과 같이 현재 유선을 이용한 400Mbps급의 PC 주변기기 망 중심의 USB 응용 분야와 AV 기기 중심의 1394 응용 분야를 무선으로 대체할 수 있는 유일한 무선 전송 방식이다.

USB 2.0 고속 모드의 전송속도는 480Mbps이며, IEEE1394의 데이터 전송률은 100~400Mbps(50Mbyte/sec)이므로, 이러한 초고속 유선 전송 방식을 최대 480Mbps의 데이터 전송속도를 제공하는 UWB를 이용하여 무선화할 경우 유선과 데이터 전송속도 측면에서 거의 차이를 느끼지 못할 것이다. UWB에서 제공 가능한 480Mbps(60Mbyte/sec)는 700Mbyte 용량의 영화 파일을 무선으로 10여 초 이내에 전송할 수 있는 속도이다.

〈그림 4-21〉은 UWB 응용 분야의 하나로서 홈네트워크 내에서 PC, 디지털 카메라, 캠코더, 고화질 디지털 TV, 고음질 Hi-Fi(High Fidelity), MP3 전송, 모니터, 빔 프로젝트 등 고속 정보기기를 UWB 기기를 이용한 무선망으로 구성할 수 있음을 보여주고 있다.

그림 4-20 WPAN 형성을 위한 유무선 전송 방식 비교

그림 4-21 UWB 응용 분야

위치인식 UWB

위치인식 UWB는 언제 어디서나 사람과 객체의 위치를 인식하고, 이를 기반으로 유용한 서비스를 제공하는 유비쿼터스 위치 기반 서비스가 중요한 서비스로 대두되면서 펄스 방식 UWB 기술이 주목받고 있다.

펄스 방식 UWB 기술은 통신뿐만 아니라 실내나 음영 지역에서 수십 cm급 이내의 정밀한 위치 인식·추적 기능이 있다. 이러한 이유로 유비쿼터스홈, 스마트 태그, 인명 구조, 각종 제어 시스템을 구축하기 위한 핵심 기술로 인식되고 있으며, 국제 표준인 IEEE 802.15.4a의 기술로 채택되어 2007년 3월에 표준화가 완료되었다.

UWB 기술은 특정한 통신 기술을 의미하는 것이 아니라 아주 넓은 주파수 대역폭(예를 들면 500MHz 이상)을 차지하는 신호를 사용하는 기술을 일컫는다. 3G 이동통신용 WCDMA가 5MHz의 대역폭을 가지는 것에 비하면 초광대역 신호는 100배 이상인 셈이다. 이처럼 넓은 주파수 대역폭을 가지는 신호는 시간 영역에서는 매우 짧은(수 nsec 이내) 펄스 형태를 가지며, 이 펄스를 이용한 기술이 펄스 방식 UWB 기술이다.

그러면 이러한 UWB 펄스를 사용하여 어떻게 두 노드 사이의 거리를 측정할 수 있을까? 거리 측정은 스톱워치(Stopwatch)를 장착한 두 노드 사이의 UWB 펄스 전파 시간을 추정해 냄으로써 가능하며, 그 과정을 〈그림 4-22〉와 같다. 먼저 노드 A에서 UWB 펄스를 보낼 때의 시간을 측정한다. 노드 B에서는 UWB 펄스가 수신되면 그 때의 시간을 측정한다. UWB 펄스 수신이 성공적으로 이루어지면 UWB 펄스를 생성하여 노드 A로 보내고 이때 시간을 측정한다. 노드 A에서는 UWB 펄스를 수신할 때의 시간을 다시 측정함으로써 노드 A와 B 사이의 UWB 펄스 전파 시간을 구할 수 있다.

UWB 펄스 전파 시간을 추정하면 여기에 전파속도를 곱해 두 노드 사이의 거리를 측정할 수 있다. 여기서 주의할 점은 1nsec의 아주 작은 전파 시간 오차라도 30cm 거리 측정 오차로 나타난다는 것이다. 따라서 원하는 거리 추정 오차를 얻기 위해서는 UWB 펄스 신호 및 스톱워치의 정밀도 등을 잘 설계해야 한다.

왜냐하면 펄스의 폭이 좁을수록(더 넓은 주파수 대역 폭의 신호를 사용할수록), 스톱워치의 정밀도가 클수록 UWB 펄스가 송수신되는 시점을 정확하게 읽어낼 수 있어 거리 측정 오차를 줄일 수 있기 때문이다. 이와 같이 두 노드 사이의 거리를 측정할 수 있으면 삼각측량법 등을 이용하여 실내나 음영 지역에서도 사람이나 객체의 위치를 수십 cm급의 정밀도로 인식하고 추적하는 기능을 구현할 수 있다. 따라서 펄스 기반 UWB 기술은 향후 위치 기반 서비스를 구축하기 위한 핵심 기술이 될 것으로 보인다.

그림 4-22 UWB 펄스를 이용한 거리 측정 방법

2007년 3월에 위치인식 및 저속 통신을 위한 IEEE 802.15.4a 표준이 완료됨에 따라 국내외에서 위치인식 UWB 시스템을 개발하고자 하는 노력이 이루어지고 있다. 특히 TES 일렉트로닉 솔루션스(TES Electronic Solutions)는 비동기 방식의 펄스 기반 UWB 송수신 IP를 개발하고 있으며, IMEC은 90nm CMOS 공정을 이용하여 표준 부합의 송신부 별도의 칩세트를 개발했다. 그러나 위치인식 UWB 시스템에서 가장 중요한 부분을 차지하는 수신부에 대한 개발이 미비해 현재까지 통신 및 위치인식이 가능한 IEEE 802.15.4a 송수신 칩세트를 완료한 업체는 없는 실정이다.

ETRI에서는 2006년부터 IEEE 802.15.4a 표준에 부합하는 동기 방식의 펄스 기반 UWB 시스템을 개발하고 있다. ETRI에서 개발 중인 위치인식 UWB 시스템 규격은 〈표 4-7〉과 같다. 이 시스템은 풀 디지털(Full Digital) 방식으로 타 업체에서 개발 중인 방식에 비해 위치인식 UWB 송수신단 개발에서 여러 가지 장점이 있다.

표 4-7 위치인식 UWB 시스템 규격

표 4-7 위치인식 UWB 시스템 규격구분시스템 규격

사용 주파수	3494.4, 3993.6, 4492.8MHz
채널 대역폭	499.2MHz
변조 방식	BPM+BPSK
UWB 펄스	499.2MHz의 디지털 RRC
프리앰블 길이	64심볼
전송속도	0.85Mbps
칩 속도	499.2MHz
채널 코딩	RS 코드, 길쌈 코드
확산 이득	12dB
지원 SOP 수	6개
수신기 방식	풀 디지털 동기 방식
정밀도(Ranging)	1m 이내
대상 규격	IEEE 802.15.4a 표준

ETRI의 위치인식 UWB 시스템은 모뎀 무선 기술의 변경 없이 UWB 주파수 채널 이동이 용이하여 향후 간섭 문제를 피할 필요가 있을 때 이에 유연하게 대응할 수 있다. 또한 동기 방식의 수신단 구조를 개발함으로써 비동기 방식에 비해 채널 코딩 이득 및 확산 이득 등을 얻을 수 있어 수신 성능이 우수하다. 그리고 무엇보다도 1m 이하의 거리 추정 정밀도는 물론이고, 상위 응용 계층에서 계산적 방법으로 더욱더 정밀하게 거리 추정 오차를 보상할 수 있는 데이터 수집이 가능하다.

위치인식 UWB 시스템은 2006년 플랫폼 단계에서 개발 완료되었으며, 〈그림 4-23〉은 위치인식 UWB 시스템을 하드웨어로 구현하기 위해 제작된 위치인식 UWB 모뎀 및 RF 플랫폼이다. UWB 모뎀 플랫폼은 크게 송수신 모뎀 및 MAC 하드웨어 구현을 위한 FPGA, RF 인터페이스 블록, MAC 인터페이스 블록으로 구성되어 있고, UWB RF 플랫폼은 송신 RF, 수신 RF, 그리고 주파수 합성기인 PLL로 구성되어 있다. 이 플랫폼을 통해 검증된 모뎀과 RF는 집적화되어 2007년 12월에 칩이 출시됐다.

그림 4-23 위치인식 UWB 모뎀 및 RF 플랫폼

ETRI UWB 칩세트란?

ETRI가 2006년에 개발한 UWB 칩세트는 RF 트랜스시버(Transceiver) 칩과 모뎀 칩으로, RF 트랜스시버 칩은 CMOS 공정으로 개발되어 향후 상용화 시에는 저가격으로 생산할 수 있으며, 모뎀 칩은 에이로직스사와 공동으로 최대 480Mbps 모드까지 개발함으로써 와이미디어 PHY 표준 Ver.1.0을 만족시킨다. 또한 와이미디어 MAC 표준 Ver.1.0을 만족하는 MAC 개발과 더불어 UWB 칩세트를 탑재한 소형 멀티미디어 전송 플랫폼을 개발하여 콘텐츠 서버에 저장된 고화질 영상물 3~4편을 동시에 고화질 디지털 TV에 전송하는 시연에 성공했다.

UWB RF 칩과 모뎀 칩

UWB 영상 전송 시연

2007년에는 Arm926을 기반으로 와이미디어 PHY 표준 Ver.1.1의 MAC HW와 모뎀을 결합한 SoC와 RF 트랜스시버 칩을 개발했으며, SoC의 응용 모델로 IP 기반의 WLP와 블루투스의 PHY를 UWB로 대체한 UWB-BT 기술을 개발했다.

지그비

지그재그(ZigZag)로 춤을 추면서 의사소통을 하는 벌(Bee)에서 착안한 지그비(ZigBee) 기술은 특정 센싱 정보를 전달하기 위해서 전송속도가 낮고, 짧은 거리에서 소출력의 송신 기능을 가지며, 길게는 수년간 지속 가능한 배터리 소모 능력과 저가격의 낮은 복잡도를 가지는 소형의 장치를 만드는 것을 목적으로 한다.

지그비 장치는 크게 물리 계층, 매체접속 계층, 네트워크 계층, 응용 계층으로 나누어지는 프로토콜로 구성되어 있다. 물리 계층 및 매체접속 제어 계층은 IEEE에서 제정된 IEEE802.15.4 표준을 채택하고 있으며, 지그비 네트워크와 응용 계층은 산업체 표준 단체인 지그비 얼라이언스(ZigBee Alliance)를 결성하여 표준 기술을 제정하고 있다.

지그비에 사용되는 장치들은 각종 센서에 연결되어 데이터를 전송하기 위한 단말 장치, 이로부터 전송되는 정보들을 수집하고 장치들을 제어하는 코디네이터 장치, 그리고 다른 여러 장치들 간의 데이터를 전달하는 기능을 가지는 라우터 장치로 구분된다.

지그비 네트워크는 클러스터 트리(Tree) 구조, 스타(Star) 구조, 메시(Mesh) 구조의 다양한 토폴로지를 지원하며, 네트워크에 접속 가능한 장치 수를 최대 6만 5,000개까지 확장할 수 있다. 각 장치들이 무선 채널에 접속하여 네트워크에 참여하는데 수십 밀리초 이내로 비교적 신속하게 반응한다. 그리고 인증 및 암호화와 같은 보안 기능이 적용되어 장치들끼리 안전한 정보 교환이 가능하다.

이와 같은 특징으로 지그비는 〈그림 4-24〉와 같이 산업용 및 상업용제어 센서, 홈 자동화 및 네트워킹, 개인 건강관리, 소비자 전자제품 제어 등에 폭넓게 활용되고 있다.

그림 4-24 지그비 응용 분야

특히 지그비는 가정 내에서 저속 무선 제어 및 정보 전송이 요구되는 다양한 형태의 서비스를 제공함으로써 사용자들이 편리하고 안전한 주거 생활을 누리는 데 큰 역할을 할 것이다.

전자 열쇠, 방범용 경보 센서, 문 개폐 센서를 관리하며 가스 감지기, 화재 경보기, 연기 감지기의 정보를 전달하는 보안·안전 분야, 불필요한 에너지 낭비를 줄이기 위해 조명 시스템, 냉난방기, 전력 제어기 등을 관리하는 에너지 관리 분야, TV, VCR, DVD를 위한 리모컨 제어와 PC 및 주변장치들의 무선접속 기능 등 가전기기 및 PC 주변장치 제어 분야, 그리고 몸이 불편한 환자나 노약자의 혈압, 당뇨, 심박수 등의 건강 정보를 점검하고 이상이 발생하면 자동으로 비상 호출을 수행하는 노약자 보호 분야 등에서 사용될 것이다.

지그비 칩세트란?

ETRI에서는 2.4GHz 무선기기와 간섭이 없는 900MHz 대역의 국제 및 국내 표준에 맞는 멀티모드(Multi-mode) 지그비 칩을 2006년 세계 최초로 개발했다. 현재 출시되는 지그비 칩은 빌딩 내 무선 랜(Local Area Network), 블루투스, 심지어 가정 내 마이크로오븐 등의 여러 무선장치들이 혼중된 2.4GHz ISM 대역을 이용하고 있다.

지그비는 저속, 저전력, 소출력을 사용하는 시스템으로 상대적으로 고속, 고출력을 사용하는 무선 기기와 간섭이 있을 때, 빌딩 사무실 또는 홈오토메이션 시스템과 서비스 응용 환경에서 상당한 성능 열화를 가져오게 된다. 또한 국제 표준의 900MHz 대역을 사용하면 이러한 2.4GHz 무선기기 간의 간섭 문제를 해결할 수 있으나, 국내 주파수 분배 현황은 국제 표준에서 규정하는 902~908MHz 대역이 이미 무선전화기 및 공공업무용으로 분배되어 있는 실정이어서 국제 표준을 그대로 적용하여 국내에서 개발하기 어려운 실정이다.

900MHz 대역 멀티모드 지그비 칩은 종래의 인터저N(Integer-N) PLL의 채널 조정 능력을 넘어 고속 웨이크업 프랙셔널N(Wake-up Fractional-N) PLL을 실현함으로써 국내 주파수 채널 운용에서 9개 채널을 이용할 수 있으며, 국제 주파수 채널에 운용에서 10개 채널을 운용할 수 있다.

지그비 싱글칩(RF, 모뎀, MAC)은 고성능 MCU를 탑재하여 투칩(Two-chip) 솔루션으로 활용할 수 있으며, 수신감도 -98dBm, 120m(LOS) 거리특성과 송수신 25/27mA의 저전력 소모 특성이 있어 고성능 및 유동적인 응용 환경에 적합하다. 지그비 SoC(RF, 모뎀, MAC, MCU)는 8051 코어와 64Kbyte 메모리를 내장하여 원칩(One-chip) 솔루션으로 활용할 수 있으며, ±500ppm(표준 ±80ppm) 이상의 주파수 옵셋에 대한 강인한 내성이 있어 크리스털에 대한 단가를 낮추고, 추후에는 크리스털이 없는(Crystal-less) 구조적 가능성을 갖추고 있어 저가형 센서 노드 환경에 적합하다.

900MHz 대역 멀티모드 지그비 칩은 국내 지그비 시장 및 홈네트워크 산업의 시장을 형성하고, 나아가 2.4GHz 대역보다 나은 주파수 특성을 통해 국제 시장 형성에도 기여할 것으로 예상된다.

멀티모드 지그비 싱글 칩과 응용 플랫폼(RF, 모뎀, MAC)

멀티모드 지그비 SoC 칩과 응용 플랫폼(RF, 모뎀, MAC)

[네이버 지식백과]개인 공간 창조의 핵심 기술 WPAN (훤히 보이는 디지털홈과 u라이프, 2008. 9. 22., 한인탁, 박준석, 문경덕, 배창석, 백의현, 조일연, 최상성, 허재두, 박광로, 한동원, 김채규)