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저전력 노드로 관리·확장 가능 원거리 네트워크 구축하는 법

최태우 기자l승인2016.09.01 16:01:26l수정2016.09.01 16:02

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다양한 종류의 무선 기술이 등장하면서 저전력 노드들을 인터넷에 연결할 수 있게 됐다.

이 중에서도 서브-1GHz 대역을 사용한 통신이 가장 먼 거리까지 도달할 수 있는데 중계 노드가 필요 없어 시스템 비용과 복잡성을 낮출 수 있고 전력 소모를 최소화해 실내 환경(사무실, 빌딩, 주택)에 적합하다.

하지만 사물인터넷(IoT)의 잠재력을 최대한 실현하기 위해서는 단지 ‘노드를 인터넷에 연결하는 것’ 이상의 요구사항들을 충족해야 한다.

▲ 새로운 TI 15.4 스택은 표준 기반의 서브-1GHz 무선 네트워킹 솔루션이다.

진단과 자동화를 위한 클라우드 기반의 관리 시스템은 다수의 센서를 제어하는 능력이 필요하다. 또 공장, 빌딩, 소매점을 위한 중앙집중식 서버는 유지보수 비용을 절감하기 위해 대규모 관리 및 자동화가 필수다.

가정의 소비자들은 보안 시스템의 경고 패널 같은 중앙 허브를 통해 다수의 저전력 센서와 노드의 데이터 통신 흐름이 조정/이동되고 인터넷을 이용해 항상 데이터의 흐름이 유지되기를 요구한다.

IoT 솔루션으로서의 무선 커넥티비티는 수십개에서 수천개에 이르는 대규모의 노드들이 ‘살아서 숨 쉴 수 있는’ 시스템을 배치해야 하는 과제를 가지고 있다. 이러한 시스템을 구축하기 위해서는 각각의 무선 기술이 그 기능에 따라 어떠한 타입의 데이터를 전송할 수 있는지 이해하고 각기 다른 활용 사례에 따라 적용해야 한다.

그렇다면 어떻게 무선 통신 링크로서의 서브-1GHz의 이점을 최대한 활용하고 잠재력을 실현할 수 있을까?

먼저 대규모 노드들을 손쉽게 구축하고 관리할 수 있으며 통신을 보안할 수 있는 네트워킹 인프라를 갖춰야 한다. 노드들이 자신이 접속할 수 있는 네트워크를 인식하고 합류할 수 있어야 한다. 노드들이 자신들의 역할과 서비스를 탐색하고 링크를 계속해서 유지해야 한다.

노드들이 데이터를 송·수신할 때 통신의 신뢰성을 보장해야 하며 트래픽 고착과 네트워크 비효율을 방지하기 위해서는 공기 매질(air medium)을 효율적으로 활용해야 한다. 고착과 비효율은 사용자 경험을 방해하고 노드의 배터리 수명에 영향을 미친다.

다양한 시나리오에서 다양한 트래픽 프로파일을 지원할 수 있어야 한다. 진단 시스템과 같은 통상적인 센서 네트워크는 중앙 허브로 데이터를 보고한다. 하지만 소매점 네트워크의 경우에는 데이터를 주로 주변장치 디바이스로 전송한다. 소매점 서버가 최종 단말로 업데이트된 가격 정보를 전송하는 것을 예로 들 수 있다.

또 위의 과정들을 진행하면서도 저전력 동작을 유지해야 한다. 노드들이 데이터 통신에 관여하지 않을 때는 대기 모드로 있어야 한다. 전력 소모를 최소화하기 위해서는 전송과 수신시 ‘온(on)’ 시간을 최소화하고 동작 시에 최소한의 전력만을 사용해야 한다.

마지막으로 서브-1GHz 네트워크의 데이터를 IP 인터넷으로 연결해야 한다.

TI의 새로운 TI 15.4 스택 소프트웨어 솔루션을 사용하면 위에서 열거한 모든 요구사항을 충족할 수 있다. 이 소프트웨어는 IoT에 애플리케이션 중심의 서브-1GHz 커넥티비티 솔루션을 제공하기 위해 개발됐다.

TI 15.4 스택은 심플링크(SimpleLink) 서브-1GHz CC1310 무선 마이크로컨트롤러(MCU)상에서 실행되는 소프트웨어 개발 키트(SDK)다. 검증된 IEEE 802.15.4 표준을 기반으로 한 이 SDK는 북미(FCC 규제) 및 유럽(ETSI 규제) 지역에서 서브-1GHz 대역에 사용하도록 이 표준의 ‘g’ 조항을 만족하고 있다.

IEEE 802.15.4 표준은 6LoWPAN, Wi-SUN, 지그비, 쓰레드, 와트(WHART) 등 시장의 주요 네트워킹 기술에서 데이터 링크 층으로 사용되고 있다. 이 표준은 공중 중재(CSMA-CA 사용), 확인응답(acknowledgement), 재전송, 빌트-인 AES 보안 같은 기능을 사용해서 견고한 무선 토대를 제공한다.

TI는 링크 견고성과 신뢰성을 향상시키기 위해서 미국 FCC 대역용으로 주파수 호핑(frequency hopping)이라는 기법을 개발했다. 이 기법은 위선(Wi-Sun) FAN 표준을 기반으로 하며 TI는 이를 저전력 동작에 최적화했다. 이 기법을 사용하면 곧바로 애플리케이션으로 링크 견고성을 향상시킬 수 있으며 재전송을 줄일 수 있어 데이터 지연 시간을 줄이고 전력을 절약할 수 있다.

TI 15.4 스택 소프트웨어는 비동기 모드(배터리 사용 센서 동작에 적합)나 동기 모드(저전력 노드 수신을 사용한 다운링크 트래픽 동작에 적합)로 동작하도록 구성할 수 있어 각기 애플리케이션의 필요에 따라 사용할 수 있다.

또 TI 15.4 스택 소프트웨어는 TI-RTOS를 토대로 제공되고 센서와 콜렉터 디바이스용으로 포괄적인 애플리케이션 예제를 제공한다. 두 애플리케이션 모두 로직 링크 컨트롤러 모듈(802.15.4 표준 위에서 실행)을 포함하며 포괄적인 네트워크 및 디바이스 관리 기능들을 제공한다.

이는 사용자들에게 완벽하게 관리되는 저전력 네트워크를 개발할 수 있는 전체적인 레퍼런스 솔루션을 제공한다. TI 15.4 스택은 구성에 따라서 수십 개에서 수백 개의 디바이스를 지원할 수 있다.

TI 15.4 스택 소프트웨어는 또한 리눅스 기반 게이트웨이 소프트웨어를 포함한다. 이것은 로컬 네트워크 컨트롤러와 콜렉터 애플리케이션을 구현한다. 게이트웨이 소프트웨어를 통해서 서브-1GHz 주변장치 노드로부터 들어오는 데이터를 웹 브라우저 인터페이스에서 모니터링하고 작동할 수 있다.

이 새로운 소프트웨어는 TI의 저전력 개발 플랫폼에서 실행할 수 있으며 여기에는 심플링크CC1310 LaunchPad(론치패드) 개발 키트와 시타라(Sitara) AM335x 프로세서 비글본 블랙(BeagleBone Black) 개발 보드가 포함된다. 또 부스터팩(BoosterPack) 개발 키트 에코시스템 및 케이프 플러그인 모듈과 TI-RTOS 프레임워크를 사용해서 애플리케이션을 편리하게 확장할 수 있다.

또 TI 15.4 스택 소프트웨어는 지정된 외부 크리스털 비용으로 간섭에 대해 최상의 민감성과 내구성을 달성하는 협대역 변조를 사용함으로써 IoT용 서브-1GHz 무선의 이점을 최대한 활용하도록 한다.

저전력으로 관리되는 네트워크를 위해 포괄적인 레퍼런스 시스템 솔루션을 제공하고 있기 때문에 사용자들은 기존 네트워크로 서브-1GHz 무선 기능을 쉽고 빠르게 통합할 수 있다.

최태우 기자  desk@cctvnews.co.kr
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