사물 인터넷을 지원할 무선 임베디드 시스템을 설계할 때는 최적의 무선 아키텍처를 고려하는 것이 중요하다. 미리 최적의 아키텍처를 선택해 놓으면 전반적인 시스템 비용, 제품 크기, 출시에 소요되는 기간을 최소화하는 데 도움이 된다. 단순한 애플리케이션의 경우 비용이 낮은 SoC 아키텍처가 유리할 수 있지만 복잡한 애플리케이션에는 총 소유 비용을 절감하기 위해 NCP 아키텍처를 사용해야 할 수 있다. 어떤 아키텍처를 선택하든 설계자의 필요에 맞는 다양한 무선 IC, MCU 및 SoC 제품을 시중에서 찾을 수 있다.
글: 매트 모핀(Matt Maupin) / SoC 마케팅 관리자 실리콘랩스 / www.silabs.com
무선 제어 및 통신 기능이 추가된 전자 기기와 시스템이 갈수록 늘면서 무선 연결은 모든 시장과 전 업종으로 계속 확장되고 있다. 소비자가 유비쿼터스 통신의 편리함을 원하기 때문에 많은 전자제품에서 무선 기능은 기본적인 요구 사항이 되고 있다. 게다가 사물 인터넷(IoT)의 빠른 성장도 무선으로 연결되는 디바이스가 급증하는 데 일조한다.
업계 리더들은 IoT용으로 사용되는 연결된 전자 기기 수가 2015년에 150억 개를 넘고 2020년에는 500억 개에 달할 것으로 전망한다. 이러한 놀라운 성장세는 스마트폰, 태플릿, 웨어러블 컴퓨팅 디바이스는 물론 심지어 TV와 셋톱박스까지 아우르는 인터넷 연결 디바이스에서 더 두드러지게 나타난다.
한편 잘 드러나지 않지만 보안 및 감시 시스템, 조명 제어 시스템, 리모트 키리스 엔트리(remote keyless entry), 스마트 온도 조절 장치 및 스마트 계량기, 기타 수많은 연결 홈/건물 자동화 디바이스 등의 전용 무선 디바이스도 사용되고 있다. 임베디드 디바이스에 적용할 무선 연결 기술을 선택하려면 다양한 설계 옵션을 신중하게 고려해야 한다. 최적의 통신 기술을 선택하기 위해 고려해야 할 주요 요인은 구축, 보안, 규정 준수, 범위, 소비 전력 등이다.
Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee, GHz 이하 대역 무선 통신 등 무선 연결에 사용 가능한 통신 기술은 다양하다. 스마트 계량기에서 가정으로, 데이터 컬렉터와 유틸리티 데이터 센터로의 역송 통신(그림 1 참조)을 비롯한 많은 적용 분야에 GHz 이하 대역 기술이 특히 많이 사용되고 있다.
수신 거리가 길고 전파 성능이 우수하고 저전력 작동(배터리 수명 연장)이 가능하며 세계 어디서든 다양한 일반 개방용 서브GHz 대역 기술을 폭넓게 이용할 수 있기 때문이다. 실제로 스마트 유틸리티 네트워크 관련 IEEE 802.15, 그리고 서브 GHz 대역 Wi-Fi의 IEEE 802.11 분야에서의 최근 움직임은 업계에서 GHz 이하 대역 무선 솔루션을 지속적으로 지원할 것임을 시사한다. GHz 이하 대역 무선 연결 기술에 대한 수요가 증가하면서 다양한 적용 분야가 나타나고 그와 함께 여러 가지 무선 통신 및 제어 아키텍처의 필요성이 대두되고 있다.
무선 시스템 설계 고려 사항
연결 기술의 수요가 증가하면서 기존에는 연결되지 않았던 디바이스에 갑자기 무선 연결이 필수가 되었다. 이러한 제품은 무선 제품 설계 경험이 없는 임베디드 개발자가 제작하는 경우가 많다. 이러한 무선 연결에 대한 요구와 무선 지원 제품의 다양성으로 인해 무선 애플리케이션을 위한 유연한 하드웨어 및 소프트웨어 아키텍처도 필요하게 되었다.
GHz 이하 대역 연결에 사용되는 세 가지 무선 아키텍처를 알아보고 각각의 방식이 임베디드 디바이스 개발자의 특정한 요구 사항에 맞는 최적의 솔루션을 어떻게 제공하는지 살펴보자. 임베디드 디바이스를 구현하는 데 알맞은 무선 아키텍처를 선택할 때는 비용, 폼 팩터 제한, 설계 제한, 출시 요건 등 고려해야할 요인이 수없이 많다.
•비용: 2020년까지 350억 개의 연결된 디바이스를 새로 구축하려면 총 소유 비용을 낮추어야 한다. 총 소유 비용에는 재료 비용(BOM)뿐만 아니라 제품 개발 비용과 지속적인 공급 비용도 포함된다. 가장 저렴한 하드웨어 솔루션을 사용할 경우 BOM 비용은 최저로 낮출 수 있지만 네트워크와 소프트웨어를 개발해야 하기 때문에 막대한 개발 비용이 발생한다.
또한 가장 저렴한 하드웨어 솔루션의 경우 현장 업그레이드를 비롯한 지원 비용이 더 많이 소요될 수 있다. 적절한 아키텍처를 선택하면 발생하는 전체 비용을 최소화하고 수익을 극대화할 수 있다.
•제품 크기 제한: 사물 인터넷이 성공을 거두려면 연결된 디바이스가 방해 요인이 되지 않으면서 실용성을 확보할 수 있어야 한다. 소비자는 가정에서 수백 개의 디바이스에 데이터를 사용하고자 하지만 디바이스가 눈에 띄는 것을 원치 않는 경우도 많으므로 디바이스의 물리적 크기는 중요한 설계 고려 사항이다.
시스템 아키텍처에 가장 많이 영향을 주는 제한 사항은 무선 기능을 구현하는 데 사용되는 인쇄 회로 기판(PCB) 면적과 배터리 크기를 포함한 임베디드 디바이스의 물리적 크기이다. 제품 설계 시에 공간의 제약이 있는 경우 무선 연결 기능을 추가하는 데 따른 크기 증가를 억제해야 한다.
공간 요구 사항에 영향을 미칠 수 있는 요인으로는 IC 설치 공간, 안테나 크기, 무선 솔루션에 사용되는 개별 구성 부품의 총 수, 소비 전력 등이 있다. 소비 전력을 최소화하면 필요한 배터리의 크기를 줄일 수 있다. 시스템 구성 부품의 수와 크기를 줄이면 전체 제품 크기와 폼 팩터에 직접적인 영향을 준다.
•출시 시점: 하루가 멀다 하고 새로운 사물 인터넷 애플리케이션이 등장하고 빠르게 발전하는 만큼 빠른 출시가 관건이 된다. 어떤 무선 아키텍처를 선택하는지에 따라 출시 시기가 좌우될 수 있다. 무선 소프트웨어를 애플리케이션에 통합하는 데 걸리는 시간도 중요한 부분이지만 간과되는 경우가 많다.
또한 무선 사양은 아직 발전 단계에 있기 때문에 무선 소프트웨어를 핵심 제품 코드보다 더 자주 업데이트해야 할 수 있다. 안정화된 제품 코드와 발전 중인 무선 코드를 한데 혼합하면 테스트 및 검증 작업량이 늘어나 출시 시기가 늦춰질 수 있다. 경우에 따라 무선 소프트웨어를 애플리케이션 소프트웨어와 분리하면 이러한 위험을 줄이고 출시 시기를 앞당길 수 있다.
•기타 설계 제한 사항: 임베디드 개발자들은 애플리케이션에 사용할 무선 솔루션을 정할 때 이외에도 수많은 설계상 제약에 직면한다. 소비 전력, 무선 범위, 외부 방사 등이 대표적이다. 무선 아키텍처가 이러한 모든 제한 사항에 직접적인 영향을 미치는 것은 아니지만 제품의 요구 사항을 충족하려면 적절한 아키텍처를 선택해야 할 수 있다.
예를 들어 임베디드 디바이스에 LCD나 터치스크린 같은 특정한 사용자 인터페이스 기능이 필요한 경우 단일 무선 IC로는 완제품에 필요한 기능을 모두 제공할 수 없을 것이다. 따라서 설계자는 제품 요구 사항을 충족하기 위해 멀티 칩 솔루션으로 눈을 돌려야 할 수 있다.
무선 연결 솔루션
다음으로, 임베디드 무선 솔루션에 가장 널리 사용되는 세 가지 시스템 아키텍처를 살펴보자. 시스템 아키텍처에 따라 IC 구성 부품 선택을 비롯한 하드웨어와 소프트웨어의 파티셔닝이 결정된다. 그림 2는 임베디드 시스템 설계에서 소프트웨어 블록과 하드웨어 블록을 파티셔닝 하는 OSI 모델에 따른 세 가지 옵션을 보여 준다.
SoC: 실리콘랩스의 Si1060 MCU(무선 마이크로컨트롤러) 제품과 같은 SoC(시스템 온 칩) 디바이스는 그림 3에서 보듯이 MCU와 트랜스시버를 무선 소프트웨어 스택과 애플리케이션 소프트웨어를 실행하는 단일 칩 솔루션으로 통합한 것이다. SoC에는 푸시 버튼 컨트롤에 필요한 I/O, 온도나 습도와 같은 센서 감지 조건에 적용할 ADC(Analog-to-Digital Converter) 등 임베디드 디바이스를 지원할 기능이 충분해야 한다.
또한 SoC는 일반적으로 매우 긴 배터리 수명을 지원하도록 초저전력의 소형 폼 팩터 디바이스로 설계된다. 따라서 이 옵션은 가장 경제적이면서 물리적 크기가 최소화된 솔루션을 제공하는 경우가 많다. SoC의 일반적인 적용 분야로는 사용자 인터페이스가 단순하거나 대개 사용자 인터페이스가 아예 없는 고정 기능 디바이스를 들 수 있다. 자동차 문 또는 집의 현관문/창문 보안 센서를 잠그고 해제하는 Key Fob가 대표적인 예이다.
MCU + 트랜스시버: 적합한 SoC를 찾을 수 없는 경우 별도의 MCU와 무선 트랜스시버를 결합한 시스템 아키텍처를 사용하면 개발자가 애플리케이션에 가장 적합한 MCU를 선택할 수 있다(그림 4의 예 참조). MCU 옵션에는 MCU 아키텍처(8비트와 ARM Cortex-M 코어를 포함한 32비트)뿐만 아니라 LCD 컨트롤러, USB 지원, 여러 I/O, 타이머, 비교기, ADC, 폭넓은 플래시 메모리 크기 등의 온칩 기능도 포함된다.
개발자는 다음으로, 애플리케이션의 무선 요구 사항에 맞는 최적의 트랜스시버 솔루션을 추가할 수 있다. 애플리케이션의 관점에서 보면 MCU와 트랜스시버 시스템의 조합은 일반적으로 네트워크가 상당히 단순하고 시스템에서 타이밍과 관련한 문제가 적다는 점에서 SoC와 유사하다. MCU는 애플리케이션과 무선 소프트웨어를 포함한 모든 소프트웨어를 실행한다. 단, 물리적 계층(PHY)과 데이터 링크 계층은 트랜스시버에 통합되는 경우가 많다. 완제품에는 설정과 제어에 사용되는 단순한 사용자 인터페이스가 포함되는 경우가 많다.
NCP: 완제품의 복잡성과 성능 요건 때문에 고사양 MCU 또는 MPU(마이크로프로세서)를 사용해야 할 경우 NCP(네트워크 코프로세서)가 사용되기도 한다. NCP는 무선 SoC와 마찬가지로 MCU와 트랜스시버를 단일 칩 솔루션으로 결합한 형태지만 완벽한 애플리케이션을 지원할 기능을 갖추지 못한다.
NCP는 UART나 SPI 같은 직렬 인터페이스를 통해 전체 통신 스택을 실행하고 호스트 프로세서와 인터페이스 한다. NCP 아키텍처는 애플리케이션 소프트웨어의 복잡성을 통신 소프트웨어와 분리한다. 이러한 기능은 네트워크 스택 타이밍이 중요하거나 요구 처리량이 많은 애플리케이션에서 중요하다.
이 방식은 비용이 가장 높은 시스템 솔루션 옵션이지만 개발의 복잡성이 해소되고 출시 시기가 앞당겨진다는 이점이 제품 비용을 상쇄하는 경우가 많다. 일반적으로 NCP 아키텍처가 적합한 디바이스는 게이트웨이, 보안 패널, 여러 프토로콜 스택을 실행하는 디바이스 등이 있다(그림 5 참조).
설계 고려 사항 해결
이러한 세 가지 무선 아키텍처 옵션은 임베디드 무선 애플리케이션의 설계 고려 사항을 해결하는 데 도움을 준다. 개발자는 각 방식의 장단점을 잘 비교하여 애플리케이션 요구 사항에 가장 적합한 아키텍처를 결정해야 한다.
•시스템 비용: SoC에서 MCU+트랜스시버 조합과 NCP 아키텍처로 갈수록 대개 하드웨어 비용이 높아진다. 그러나 이러한 하드웨어 비용의 상승은 소프트웨어 복잡성이 해소되고 출시 시기가 앞당겨짐에 따라 절감되는 개발 및 지원 비용으로 상쇄될 수 있다. 일반적으로 NCP 아키텍처는 개발 비용과 유지 비용이 가장 낮은 솔루션이다.
무선 소프트웨어가 시스템의 나머지 부분과 분리되어 나머지 애플리케이션 코드에 영향을 주지 않고도 업그레이드가 가능하기 때문이다. 애플리케이션의 복잡성이 높을수록 더욱 개발자는 NCP 아키텍처를 활용함으로써 SoC와 MCU+트랜스시버 옵션을 사용했을 때 높아지는 총 소유 비용 문제를 해소하는 방안을 고려해 보아야 한다.
•제품 크기 및 설계 제한: SoC는 MCU 및 무선 기능과의 통합을 지원하고 일반적으로 더 작은 크기로 구현되지만 완제품에 요구되는 기능에서 불리한 점이 있다. SoC의 크기상 이점보다 완제품의 기능 요구 사항이 훨씬 더 중요한 경우가 많다. 애플리케이션에 크기가 큰 호스트 프로세서가 필요한 경우에는 트랜스시버가 제품의 크기에 미치는 영향이 미미할 수 있다.
또한 배터리 크기가 상당 부분을 차지하는 경우에는 전력을 많이 소모하는 호스트 프로세서를 거치지 않고 네트워크 트래픽을 모두 처리하는 NCP가 최적의 선택이 될 수 있다. 이렇듯 설계자는 제품 크기와 설계상의 제한을 고려할 때 완제품의 요구 사항을 잘 파악하고 있어야 한다.
•출시 시점: 출시 시점 또는 “수익 실현 시점”은 무선 아키텍처 구현 방법을 결정하는 데 있어 중요한 요인 중 하나다. 개발자는 출시 시점에 영향을 미칠 수 있는 요인을 다각적으로 고려해야 한다. 앞서 언급했듯이 임베디드 설계에서는 소프트웨어의 복잡성을 간과하는 경우가 많다.
단순한 단방향 무선 네트워크에서는 대개 소프트웨어의 복잡성이 문제가 되지 않겠지만 양방향 통신이 추가되고, 더 많은 디바이스가 연결되고, 특히 메시 네트워크 형태가 되면 네트워크가 더 복잡해지기 마련이고 이러한 복잡성은 애플리케이션에 영향을 미칠 수 있다. 무선 애플리케이션은 타이밍이 제한되는 경우가 많아 일정 정도의 지연 시간이 필요하다.
또한 프로세서 또는 인터럽트 사용이 많은 애플리케이션은 네트워크 스택과 같은 CPU에서 실행할 때 문제를 일으킬 수 있다. NCP 아키텍처는 애플리케이션과 네트워크의 복잡성이 높아질 때 이러한 문제를 가장 효과적으로 해결할 수 있다.
결론
사물 인터넷을 지원할 무선 임베디드 시스템을 설계할 때는 최적의 무선 아키텍처를 고려하는 것이 중요하다. 미리 최적의 아키텍처를 선택해 놓으면 전반적인 시스템 비용, 제품 크기, 출시에 소요되는 기간을 최소화하는 데 도움이 된다(표 1 참조). 단순한 애플리케이션의 경우 비용이 낮은 SoC 아키텍처가 유리할 수 있지만 복잡한 애플리케이션에는 총 소유 비용을 절감하기 위해 NCP 아키텍처를 사용해야 할 수 있다.
어떤 아키텍처를 선택하든 설계자의 필요에 맞는 다양한 무선 IC, MCU 및 SoC 제품을 시중에서 찾을 수 있다. 또한 임베디드 디바이스에 GHz 이하 대역 무선 연결을 추가하는 데 도움이 되는 광범위한 하드웨어 및 소프트웨어 툴, 레퍼런스 설계, 프로토콜 스택도 제공되고 있다.
저자 소개
매트 모핀(Matt Maupin) 실리콘랩스 SoC 제품 관리자 필자는 실리콘랩스(Silicon Labs)의 제품 관리자로, 무선 MCU 제품과 무선 SoC 제품을 주로 담당한다. 반도체 업계에서 12년 이상 종사하며 Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee는 물론 여러 가지 독점 솔루션까지, 다양한 무선 연결 솔루션에 주력해왔다. 또한 Bluetooth, the ZigBee Alliance, IEEE 등 업계의 수많은 무선 통신 그룹에서도 활발하게 활동하고 있다. Park University에서 경영/마케팅 학사 학위를 취득했다.
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