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802.15.4/ZigBee 수신기 및 송신기 특성 테스트
NI Technology
글 김의겸 2007-09-03 |   지면 발행 ( 2007년 9월호 - 전체 보기 )


글 : 석상옥 대리 / 한국내쇼날인스트루먼트 프로덕트 마케팅 매니저www.ni.com연재순서1. NI CompactDAQ의 활용 사례2. PXI Express3. Zigbee: PHY, MAC, 컴플라이언스 테스트 솔루션4. 총정리-계측 기술의 현재IEEE 802.15.4 표준 개요 및 테스트의 필요성WPAN(Wireless Personal Area Networks)은 상대적으로 짧은 거리에 걸쳐 정보를 전달할 때 사용되며, 무선 센서 네트워크, 원격 제어 및 홈/빌딩 자동화와 같이 단거리에서 저속 데이터 통신이 필요한 많은 응용 분야에서 이용된다. WLAN(Wireless Local Area Networks)과 달리 WPAN을 통해 이루어지는 연결에는 인프라가 거의, 또는 전혀 필요하지 않다. 이러한 특징 덕분에 최대 250kb/s의 데이터 처리 속도로 매우 다양한 장치에서 작고 저렴한 저전력 솔루션을 구현할 수 있다. IEEE 802.15.4 표준은 2450, 868 및 915MHz 주파수 대역에서 작동하는 저속 WPAN(LRWPAN)에 대한 프로토콜을 정의하며, 이 표준은 지그비 얼라이언스로부터 승인을 받았다. 그리고 지그비 장치란 802.15.4 PHY 및 MAC 이외에 지그비 프로토콜 스택(네트워크 및 보안 계층까지 정의됨)을 사용하는 장치를 말한다.제어 분야에서 지그비 장치를 사용하려는 새로운 움직임이 일면서 많은 장치 제조업체가 시장을 점유하기 위해 치열한 경쟁을 벌이고 있다. 그 결과 설계 엔지니어와 장치 제조업체는 상대적으로 경쟁력 있는 가격으로 가능한 신속하게 제품을 테스트하고 검증하여 시장에 출시해야 하는 새로운 과제를 안게 되었다. 그러나 이러한 상황 때문에 802.15.4 표준에서 요구하는 성능 목표를 달성하지 못하는 경우가 많이 발생하였다. 제품 출시 기간과 관련된 기회 비용뿐 아니라, 상호 운용성에 대한 요구가 커져 적합성 준수 테스트의 중요성이 부각되고 있다. 따라서 802.15.4 장치의 수신기 및 송신기 특성을 효과적으로 분석하여 표준 준수 여부와 다른 공급업체 장치와의 상호 운용성을 검증할 수 있는 솔루션을 구현하는 것이 해결해야 할 중요한 과제가 되었으며, 제품 출시 기간과 가격이 시장 점유율 확보의 관건이 되면서 생산 라인에서 각 장치에 대한 테스트 시간과 비용을 줄이는 것 또한 중요한 문제로 부각되었다.802.15.4 장치 수신기 테스트802.15.4 표준은 WPAN 장치 설계에 사용되는 물리(PHY) 계층과 매체 액세스 제어(MAC) 계층 모두에 대한 프로토콜을 정의한다. 따라서, 테스트 솔루션은 PHY 계층에서 RF 및 기저대역 특성의 표준 호환 여부를 확인해야 할뿐만 아니라 MAC 데이터 전송 및 장치 통신과 관련된 테스트도 수행할 수 있어야 한다.802.15.4 표준을 기반으로 하는 WPAN 네트워크는 잠재적으로 노드의 수가 매우 많을 수 있고 기능이 다양하며 데이터가 중간 장치를 통해 지점 사이에서 이동할 수 있다는 사실을 감안할 때 쉽게 접근하기가 어렵다.더욱이 대부분의 WPAN 네트워크는 사용 허가가 필요 없는 2.4GHz 주파수 대역에서 작동하기 때문에 같은 대역을 사용하는 다른 무선 장치의 간섭이 원활한 데이터 전송을 방해할 수도 있다. 따라서 802.15.4 표준을 준수해야 하는 장치는 간섭을 경감시키면서도 데이터를 효과적으로 수신할 수 있어야 한다.생산 라인에서 RF 장치의 수신기 특성을 테스트하기 위해 기존에는 ‘골든 라디오(Golden Radio)’라는 방식을 사용했다. 이 경우, 레퍼런스로 사용할 정확히 교정된 WPAN 제품(Golden Radio)이 생산 라인의 제품과 통신하도록 구성된다. 이를 통해 테스트 대상 제품(DUT)이 골든 라디오 송신기 제품으로부터 데이터 패킷을 수신하고 복조할 수 있는지 확인한다. 이 방식은 처리 속도가 빠를 수는 있지만 ‘철저하고 효과적인 테스트’라는 측면에서는 부족함이 있다. 골든 라디오 방식의 큰 단점 중 하나는 안정적이고 일정한 신호를 생성하기 위해 레퍼런스 제품을 자주 재교정해야 한다는 것이다. 골든 라디오의 또 다른 단점은 테스터의 작동을 중단시키지 않고는 신호 및 데이터를 변경하면서 생성할 수 없다는 것이다.NI의 PXI 5671 RF 벡터 신호 발생기 하드웨어를 기반으로 개발된 WiPAN LVSG는 사용자 정의 및 표준 벡터 신호 생성이 가능한 테스트 벤치 솔루션을 제공한다. 이러한 솔루션을 통해 설계자와 테스트 엔지니어는 장치를 유연하게 테스트할 수 있을 뿐 아니라 PHY 및 MAC 계층 모두에서 성능 특성을 보증할 수 있다.PHY 및 MAC 계층에서의 성능을 테스트하기 위해 DUT를 다양한 형태의 신호 특성, 데이터 및 네트워크 시나리오 조건에서 시험하는 ‘철저하고 효과적인’ 테스트에 대해 살펴보겠다. 이를 위해 이러한 신호를 DUT로 송신하도록 쉽게 구성할 수 있는 단일 송신기가 필요하다. WiPAN LVSG를 사용하는 경우 NI 5671 RF 벡터 신호 발생기를 간단히 구성하여 DUT와 동기화를 이룰 수 있다. 이 솔루션은 2.4GHz 대역의 802.15.4 표준으로 정의되는 특정 채널에서 DUT의 신호 수신을 테스트한다.PHY 계층에서 표준에 맞는 신호가 생성되어 송신되며 사용자는 신호 강도, 송신 모드 및 송신 프레임 간 지연 등의 변수를 정의할 수 있다. DUT와의 동기화를 위해(테스트 신호 수신) 송신 모드를 ‘변조되지 않은 반송파’ 또는 ‘변조된 스펙트럼’으로 설정할 수 있다. DUT로 실제 데이터를 송신하기 위해 ‘패킷 송신’이 사용된다.DUT 수신기의 성능 테스트와 벤치마킹을 위해 이 플랫폼에서는 RF 송신에서 신호 손상에 대한 부분을 고려할 수 있다. 마지막 송신 모드인 ‘패킷 송신’은 DUT로 WPAN 데이터 전송이 이루어질 수 있는 모드이기 때문에 MAC 계층 테스트의 실제 요소를 구성한다. 소프트웨어는 DUT로 송신될 완전히 개별화된(사용자 정의된) MAC 프레임을 생성한다. 프레임 생성에 대한 이러한 접근 방식을 통해 테스터는 특정한 프레임 유형 또는 특정한 데이터 유형에 대한 DUT의 반응을 확인할 수 있다. (아래 사례 연구 참고) 사용자는 또한 AES 암호화를 송신된 프레임에 적용하여 DUT에서의 이후 암호 해독을 테스트할 수 있다.소프트웨어가 제공하는 또 다른 옵션은 프레임 시퀀스를 송신하는 것인데, 이 경우 사용자는 프레임 시퀀스를 정의하고 생성 시 시퀀스가 DUT로 송신되도록 할 수 있다. 이 옵션은 다양한 순차적 프레임에 대한 DUT의 반응(이들 사이에 지연을 선택적으로 적용)을 확인할 수 있기 때문에 MAC 계층 테스트 및 네트워크 테스트를 세부적으로 수행하려는 경우에 큰 의미가 있다.사례 연구: MAC 명령 프레임을 통한 PAN 통신 정의802.15.4 표준에 특정한 다양한 MAC 명령 메시지를 송신하는 기능은 WPAN MAC 계층 테스트의 주된 요구 조건이다. WiPAN LVSG를 사용하면 FFD(Full-Function Device) 또는 RFD(Reduced-Function Device) MAC 메시지를 DUT로 송신할 수 있어 테스트 벤치가 PAN 노드를 에뮬레이션할 수 있는 가상 장치가 되는 개념에 더욱 가까워진다. MAC 명령 메시지를 사용하여 다양한 네트워크 통신에 대한 DUT의 반응을 테스트할 수 있다. 간단한 예로, ‘Data Request’ 메시지를 FFD로 보낼 수 있다. 이 FFD는 그림 5에 나타낸 것처럼 ‘Acknowledgement’ 및 ‘Association Response’로 응답해야 한다.802.15.4 장치 송신기 테스트무선 PAN 송신기의 성능 특성을 분석하기란 쉽지 않다. 한편으로, DUT 송신기의 신호를 복조할 수 있는 수신기가 필요하고 또 한편으로는 DUT 성능을 검증하기 위해 수신기가 송신 품질을 분명하게 보여줄 수 있어야 하기 때문이다. 그러나 이러한 수신기를 갖춘다고 해도 충분하지는 않다. 수신기가 802.15.4 표준 자체를 준수하여 데이터 송신 시 DUT의 표준 적합성을 테스트할 수 있어야 하기 때문이다.이 글의 앞부분에서 언급한 골든 라디오 방식과 마찬가지로 설계 및 생산 단계에서 무선 장치의 송신기 특성을 분석하기 위해 골든 라디오 수신기가 사용되고 있다. 그러나 송신 파라미터의 구체적 특성은 이러한 방식에 따라 정량적으로 확인할 수 없다. 따라서 전력 스펙트럼 밀도, 변조 품질(EVM 포함) 및 파워 램프와 같은 인자가 관련되는 경우 송신기가 얼마나 정확하게 작동하는지 확인하기 위해 파라메트릭 테스트가 필요하다. 파라메트릭 테스트는 골든 라디오 수신기보다 송신 결함에 대한 감도가 높다. 또한 골든 라디오 수신기를 수시로 다시 프로그래밍/설정하는 것보다 파라메트릭 테스트를 수행하는 것이 훨씬 빠르다.골든 라디오 방식의 사용 편리성과 파라메트릭 테스트의 보다 빠르고 우수한 벤치마킹 성능을 결합시킬 수 있다면 가장 좋은 테스트 솔루션이 될 것이다. 이렇게 된다면 DUT의 신호를 복조하여 신호 특성을 표시하고(수치 및 그래프) 반송 데이터를 나타낼 수 있는 솔루션이 얻어질 것이다. WiPAN LVSA 신호 분석기가 충족시켜주는 부분이 바로 이러한 테스트 및 측정의 틈새 요구조건이다.NI의 PXI 5660 RFSA 벡터 신호 분석기 하드웨어 기반의 WiPAN LVSA는 복잡한 신호 분석 기능을 통해 생산 테스트의 필요성을 만족시켜준다. 이를 통해 사용자는 WPAN 송신기에서 들어오는 복조된 RF 신호를 확인하고 이 신호가 반송하는 기저대역 정보를 분석할 수 있다. 이러한 접근 방식은 두 가지 측면에서 혜택을 준다. 첫 번째, 들어오는 신호의 RF 특성(즉, 전력 레벨, 스펙트럼 밀도, 인접 채널 전력)을 검증하고 신호 자체가 802.15.4 표준을 준수하는지 여부를 확인할 수 있다. 두 번째, 기저대역 측정과 그래프를 통해 신호/IQ 변조, EVM, 존재하는 노이즈의 양을 확인할 수 있을 뿐만 아니라 수신된 MAC 프레임의 디코딩도 볼 수 있다(DUT 송신기가 패킷을 보내는 경우에만 해당).WPAN 장치의 설계/생산 이전 단계에서는 장치가 아직 표준과 호환되지 않거나 변조 품질에 결함이 있을 가능성이 충분히 있다. 이 단계에서는 복조가 성공적으로 이루어질 가능성이 적기 때문에 독립형 벡터 신호 분석기만으로는 충분하지 않다. 이러한 이유로 설계자는 오실로스코프와 파워미터를 사용하는 등 기존의 분석 방법으로 돌아가 신호 특성을 측정해야 한다. 그러나 이러한 프로세스를 위해서는 하드웨어를 추가적으로 사용해야 하기 때문에 시간과 비용 소모가 크다.이에 따라 WPAN 장치의 송신 중 PHY 계층에서 테스트할 값과 규격을 사용자가 정확하게 제어할 수 있는 기저대역 모듈 세트가 필요하게 된다. 사용자가 DUT에 대한 테스트 값을 지정하여 개별 모듈에서 RF 및 기저대역 측정을 수행할 수 있는 일단의 LabVIEW API인 지그비 툴킷(Toolkit)으로 이러한 환경을 구성할 수 있다. 이러한 툴킷은 사용자가 테스트 및 분석 작업을 보다 철저하게 제어하여 표준과 더욱 원활히 호환되도록 제품을 개발할 수 있는 환경을 제공하려는 의도에 따라 제작되었다. 지그비 툴킷 API는 PSD 분석, EVM 측정, 중심 주파수 오차 허용 한계 테스트, 수신기 감도 및 송신 전력 측정 모듈로 구성된다.사례 연구: MAC 데이터 디코딩WPAN 송신기의 생산 테스트에서는 PHY 계층과 함께 MAC 계층도 분석해야 한다. 위에서 RF 및 기저대역의 파리메트릭 특성 분석에 대해 언급한 내용은 모두 송신의 PHY 계층과 관련된다. DUT가 표준에서 지정한 프레임 형식으로 데이터를 송신할 수 있는지 검증하려면 한 레벨 위로 이동하여 장치로부터 MAC 송신을 디코딩해야 한다.WiPAN LVSA의 ‘MAC 파라미터’ 디스플레이(그림 8)를 통해 사용자는 장치의 패킷 송신을 프레임 단위로 확인할 수 있다. 이는 수신한 MAC 프레임의 여러 필드에서 데이터를 세분하여 장치가 의도한 패킷을 성공적으로 송신했는지 확인할 수 있는 강력한 분석 툴이다. 이런 식으로 사용자는 어떤 종류의 프레임이 수신되는지, 이러한 프레임이 반송하는 데이터는 무엇인지, 그리고 프레임이 암호화되거나 ACK 응답이 필요한지 여부 등을 정확하게 확인할 수 있다. 시작 프레임 구분 기호 및 프리앰블의 감지를 알려주는 표시등과 함께 그래프 영역 위의 LED는 패킷이 수신되었는지 여부를 나타낸다. FCS(Frame Check Sequence)를 확인하여 수신된 프레임에 오류가 있는지 여부를 나타내는 LED도 있다. 분석 후, 사용자는 수신한 기저대역 데이터(IQ 및 수신된 MAC 프레임)를 선택에 따라 저장하여 DUT의 송신 특성에 대해 사후 면밀히 검토해볼 수 있다.결론무선 장치의 제조업체와 설계자는 각 제품에 대한 테스트 비용(COT)과 제품 출시 기간을 줄이기 위한 방안을 끊임없이 모색하고 있지만 현재의 애플리케이션에서 무선 장치의 기능과 복잡성이 커졌다는 점을 감안한다면 쉽지 않은 일임을 짐작할 수 있다. 이 글에서는 RF 및 기저대역 레벨에서 무선 PAN 장치를 테스트하여 표준 호환성과 상호 운용성을 검증하기 위한 요구조건에 대해 조명해 보았다. NI의 솔루션은 이러한 형태의 테스트를 수행하여 802.15.4 장치에서 PHY 및 MAC 계층의 기능을 확인하는 고유한 접근 방식을 제공한다. 이 두 계층이 검증되면 장치의 기본적 성능에 확신을 가지고 OSI 스택의 나머지에 프로토콜을 구현할 것인지 결정하는 일은 개발자의 몫이 될 것이다.참고1. SeaSolve Software, Inc., Resolving IEEE 802.15.4 PHY Layer Test Challenges Using the WiPAN Test Suite. June 2005 ? Copyright SeaSolve Software, Inc. http://sine.ni.com/csol/cds/item/vw/p/id/642/nid/1241002. Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., IEEE Std 802.15.4-2003; IEEE Standard for Local and metropolitan area networks; Part 15.4: Wireless MAC and PHY Specifications for Low-Rate Wireless PANs. Oct. 1, 2003.

<EPNC>

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2007년 9월호
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