[TECH REPORT] 보다 신속하고 간편하게 셀룰러 IoT 제품 개발하기

[노르딕 세미컨덕터=최수철 지사장] 미래의 대규모 IoT를 지원하는 셀룰러 IoT 및 DECT NR+ 제품 설계를 간소화하고 비용을 절감, 전력소모를 최적화할 수 있는 방안을 살펴본다.

노르딕 세미컨덕터는 하드웨어에서 소프트웨어 툴 및 서비스에 이르기까지 단일 기업으로는 유일하게 세계적 수준의 포괄적인 매시브 IoT 솔루션을 제공하고 있다.

DECT NR+(이하 NR+)를 지원하는 노르딕의 셀룰러 IoT 솔루션은 nRF91 시리즈 SiP(Systems-in-Package) 기반 새로운 제품들로 구성돼 있다. 이 플랫폼은 간단하고 안정적이며 비용 효율적으로 셀룰러 IoT 제품을 설계, 제조 및 구축할 수 있도록 지원한다.

단일 공급업체 기반의 이런 접근방식을 이용하면 다양한 공급업체의 여러 부품을 사용해야 하는 기존 방식과 달리 훨씬 더 간편하게 셀룰러 IoT 프로젝트를 시작할 수 있다. 기존의 분산된 공급망 모델에서는 각기 다른 공급업체들의 셀룰러 모듈과 모뎀, 마이크로프로세서와 전력관리 솔루션을 사용해야 한다.

이런 방식은 설계를 더욱 복잡하게 만들 뿐만 아니라 각 구성요소들이 함께 동작할 수 있도록 최적화되지 않았기 때문에 전력소모를 증가시킬 가능성도 매우 높으며 솔루션 비용도 더 증가할 수 있다.

개발자들은 노르딕을 통해 하드웨어와 펌웨어, 개발툴, 기술 지원 및 클라우드 서비스에 이르기까지 셀룰러 IoT 제품 개발에 필요한 모든 요소를 단일 공급업체로부터 소싱할 수 있다. 이를 통해 현장에서 10년 이상 운용되는 셀룰러 IoT 제품의 복잡성을 완화하고 비용을 절감하며 전력소모를 최적화하는 것은 물론 시장 출시시간을 단축할 수 있다.

▶ 새로운 nRF91 시리즈 하드웨어

노르딕은 2018년, LTE-M/NB-IoT 모뎀과 GNSS를 통합한 첫 번째 셀룰러 IoT 제품인 nRF9160 SiP를 출시했다. 10x16x1mm에 불과한 소형의 이 SiP에는 애플리케이션 프로세서와 모뎀, RF 프런트 엔드, 전력관리 및 기타 요소들이 포함되어 있다. nRF9160은 출시 당시 글로벌 인증을 획득한 것은 물론 시장에 출시된 다른 통합 셀룰러 IoT 디바이스 중 가장 낮은 전력소모 및 여러 주요 이점을 제공했다.

또 nRF9160은 출시 이후 새로운 소프트웨어를 통해 전력소모를 더욱 낮출 수 있게 됐다. nRF9160은 이미 자산 추적장치와 스마트 계량기, 웨어러블 및 기후 센서 등 다양한 제품에 적용되고 있다.

이외에도 노르딕은 지속적으로 새로운 제품을 출시하고 있다. nRF9161은 Arm Cortex-M33 애플리케이션 프로세서와 1MB 플래시 및 256KB RAM이 포함된 사전 인증을 획득한 SiP로 최소한의 펌웨어 변경만으로 nRF9160에서 마이그레이션이 가능하다.

이 SiP는 GNSS와 함께 LTE-M 및 NB-IoT를 위한 3GPP 릴리스 14를 지원하거나 NR+ 펌웨어 스택을 실행할 수 있다. 이는 글로벌 1.9GHz 대역에서 동작하는 확장 가능한 분산형 매시브 메시 네트워크를 위한 라이선스 면제 프로토콜이다.

nRF9160과 마찬가지로 nRF9161 또한 저전력 동작이 가능하도록 설계됐다. 펌웨어는 전력소모를 개선하고 위치 정밀도를 향상시킬 수 있도록 업데이트됐다. nRF9161 기반 펌웨어 개발을 위한 DK(개발 키트)가 지원되고 있으며 Thingy:91 X라고 하는 새로운 프로토타이핑 플랫폼도 지원될 예정이다.

Thingy:91 X에는 와이파이 SSID(Service Set Identifier)를 위한 컴패니언 IC인 nRF7002와 nRF5340 다중 프로토콜 SoC, 전력관리 IC(PMIC : Power Management IC)인 nPM1300 및 nPM6001이 포함돼 있다.

nRF9161과 함께 미니 SiP인 nRF9131도 이용할 수 있다. 이 SiP는 nRF9161보다 크기는 50% 더 작고 프로파일은 25% 더 낮다. nRF9161과 기능 및 소프트웨어 호환이 가능하며 NR+ 및 대량생산용 셀룰러 제품에 특히 적합하다. nRF9131은 내부 전력관리 기능이 포함되어 있지 않고 일부 수동부품 및 크리스탈을 제거해 공간을 절감할 수 있도록 지원한다.

nRF9161과 달리 nRF9131은 고객이 일부 설계 인증을 직접 처리해야 하지만 노르딕이 제공하는 레퍼런스 디자인과 BoM(Bill-of-Materials)을 통해 최고 성능을 보장하고 인증 작업을 간소화할 수 있다. nRF9131 EK(평가 키트)를 이용해 PoC(Proof- of-Concept) 및 파일럿 테스트를 수행할 수 있으며 nRF9161 DK를 통해 포괄적인 펌웨어를 개발할 수 있다. nRF9161 및 nRF9131은 올해 1분기에 출시됐다.

▶새로운 펌웨어 및 개발툴

노르딕은 SiP 및 미니 SiP출시와 함께 향상된 셀룰러 모뎀 펌웨어 스택을 제공하고 있다. 모뎀 펌웨어 2.0(nRF9161 및 nRF9131에서 실행되지만 nRF9160에서는 지원되지 않음)은 3GPP 릴리스 14 LTE-M/NB-IoT와 GNSS에 대한 요구사항을 충족한다.

이 새로운 펌웨어는 로밍 기기를 위한 절전 모드와 GNSS 위성 획득을 위한 향상된 TTFF(Time-to-First-Fix) 성능, SoftSIM 지원(nRF9160에서도 지원됨) 및 모바일 네트워크 사업자(MNO : Mobile Network Operator) 글로벌 인증 등의 개선사항을 포함하고 있다. 또 소프트웨어 개발 키트(SDK)와 함께 nRF9161 및 nRF9131을 위한 NR+ 펌웨어 스택도 이용할 수 있다. 이 스택은 노르딕 파트너사인 와이어패스에 의해 제공된다.

새로운 SiP에 대한 평가 작업은 업데이트된 새로운 툴을 통해 간소화할 수 있다. AT 명령이나 사전 컴파일된 샘플을 통해 전력소모, 모뎀 성능 및 클라우드 서비스를 평가할 수 있다. 온라인 ‘파워 프로파일러(Power Profiler)’ 툴을 이용하면 해당 적용 사례에 대한 전력소모도 추정할 수 있다. 개발자들은 애플리케이션 사양 및 모바일 네트워크 사업자 지침을 기반으로 모뎀 파라미터를 설정하여 전력소모 및 배터리 수명을 신속하게 평가할 수 있다.

노르딕의 소프트웨어 개발 키트인 ‘데스크톱용 nRF 커넥트(nRF Connect for Desktop)’에는 파워 프로파일러(노르딕의 ‘파워 프로파일러 키트 II(Power Profiler Kit II)’ 구매 필요)를 비롯해 모뎀 트레이스 분석과 통신 평가 및 네트워크 테스트를 지원하는 셀룰러 모니터가 포함되어 있다. 이는 디버깅 및 개발을 위한 강력한 툴이다.

노르딕은 펌웨어 개발을 지원하기 위해 노르딕의 모든 하드웨어를 위한 통합 코드 베이스인 ‘nRF 커넥트 SDK(nRF Connect SDK)’를 제공한다. 이 SDK에는 제퍼(Zephyr) RTOS와 프로토콜 스택 및 드라이버가 포함돼 있다.

또 레퍼런스 앱과 샘플을 비롯해 무료로 제공되는 통합개발환경(IDE : Integrated Development Environment)인 VS Code IDE용 nRF 커넥트도 포함돼 있다. 이 IDE는 시각적인 명령어 라인 지원, 디바이스 트리 비주얼 에디터와 맞춤형 보드 에디터를 비롯해 최신 설계 소프트웨어에서 요구되는 모든 요소(빌드, 플래시 및 디버그)들이 포함돼 있다.

▶ nRF 클라우드 IoT 서비스 플랫폼

셀룰러 디바이스는 클라우드와의 효율적인 통신을 위해 필요하다. 노르딕은 디바이스와 클라우드 간의 통신을 지원하거나 REST API(클라우드간 통신)를 통해 수상 경력(제6회 중국 IoT 기술 혁신상, 2021년)을 자랑하는 노르딕의 nRF 클라우드 서비스에 액세스해 맞춤형 클라우드를 지원하는 ‘nRF 클라우드(nRF Cloud)’를 제공한다.

nRF 클라우드는 CoAP, MQTT 및 REST를 지원해 애그노스틱 커넥티비티 전송을 제공한다. 노르딕은 통신 중 전력소모를 최적화하고 LTE-M 및 NB-IoT에서 모두 효율적으로 동작하는 프로토콜을 제공하기 위해 UDP 기반 CoAP를 도입했다.

개발자들은 해당 애플리케이션에 필요한 서비스를 선택해 사용할 수 있다. 또 nRF 클라우드에는 무선 펌웨어(FOTA : Firmware-Over-The-Air) 업데이트, 메시지 저장, 디바이스 경보 및 로그 전송 기능 등과 같은 디바이스 관리 서비스도 포함돼 있다.

이외에도 ‘nRF 클라우드 위치확인 서비스’를 통해 다양한 위치확인 서비스를 이용할 수 있다. 여기에는 분 단위에서 초 단위로 TTFF를 단축시켜 정확한 포지셔닝 및 배터리 수명 연장을 제공하는 AGPS(Assisted GPS)를 비롯해 AGPS와 유사하지만 위성 데이터 유효성이 최대 2주 동안 유지돼 디바이스가 더 오랫동안 오프라인 상태에서 지원 데이터의 이점을 누릴 수 있는 PGPS(Predictive GPS)와 주변의 와이파이 액세스 포인트를 검색해 실내 및 실외에서도 최대 20m의 정확도로 위치를 측정할 수 있는 SSID 와이파이 스캐닝, 그리고 500m 수준의 주변 정확도를 제공하는 다중 셀룰러 위치확인 및 1km 정확도의 단일 셀룰러 위치확인 서비스 등이 포함돼 있다.

개발자들은 nRF 클라우드 위치확인 서비스를 통해 이러한 기술들을 조합하거나 또는 전력소모 대비 정확도 요건에 부합하는 기술을 선택하여 이용할 수 있다. nRF 클라우드 위치확인 서비스에서 지원되는 다양한 위치정보 제공업체를 통해 사용자는 해당 지역에 대한 가장 정확한 정보를 보장받을 수 있다.

또 노르딕은 보안 부팅과 인증된 FOTA 및 안전한 키/데이터 저장소를 비롯해 초기 상태의 디바이스에서 안전하게 연결된 디바이스에 이르기까지 ‘보안 라이프사이클’ 서비스도 제공한다.

nRF91 시리즈는 업계에서 가장 낮은 전력을 소모하는 완벽한 셀룰러 IoT 디바이스다. 노르딕은 이런 저전력 하드웨어와 함께 효율적인 펌웨어와 프로토콜 및 최적화된 클라우드 서비스를 제공한다. 이런 단일 통합 솔루션을 이용하면 비용을 절감하고 성능을 최적화하는 것은 물론 셀룰러 IoT 제품의 출시시간을 단축할 수 있다.

nRF9161은 셀룰러 IoT 및 DECT NR+를 위한 완벽하게 통합된 고집적 SiP 솔루션이다. GNSS 및 NR+를 지원하는 다중 모드 LTE-M 및 NB-IoT 모뎀을 갖추고 있다. LTE 대역은 600MHz~2,200MHz까지 지원하며 NR+는 1.9GHz 주파수에서 지원된다. 이 SiP는 글로벌 동작에 대한 인증을 획득했으며 전용 64MHz Arm Cortex-M33 애플리케이션 프로세서가 탑재돼 있다.

클라우드와 안전하게 연결하는 방법

클라우드 서비스는 복잡하고 비용이 많이 들기도 하지만 노르딕의 ‘nRF 클라우드 보안 서비스’를 이용하면 프로세스를 대폭 간소화할 수 있다.

먼저 사용자는 ‘보안 ID(Secure Identity)’ 서비스를 통해 노르딕의 RoT(Root-of-Trust) 기반 디바이스를 인증하고 클라우드에 대한 액세스를 허용할 수 있다. 이후 ‘nRF 클라우드 보안 프로비저닝’을 통해 필수 자격증명 및 맞춤형 구성으로 원격 프로비저닝을 수행할 수 있다.

예를 들어 이 플랫폼을 사용하면 단일 위치로 출하된 디바이스 그룹을 특정 절전모드로 원격 구성이 가능하며 다른 위치로 출하된 또 다른 유사한 제품 그룹을 다른 클라우드 엔드 포인트에 연결할 수 있도록 다른 파라미터와 자격증명으로 구성이 가능하다.

프로비저닝하는 동안 디바이스는 보안 ID 서비스를 통해 ‘클레임(Claim)’ 및 ‘바인딩(Bind)’된다. 그런 다음 정상적인 동작을 위해 클라우드에 프로비저닝, 구축 및 연결된다.

또 nRF 클라우드는 IMEI를 고객의 기기에 할당하고 자체 TAC 범위를 선택적으로 사용할 수 있는 IMEI 관리 기능을 제공함으로써 GSMA를 통해 배치하는 것보다 비용을 절감할 수 있으며 필요한 경우 IMEI를 모바일 네트워크 사업자들에게 간단히 보고할 수도 있다.

노르딕은 DECT NR+를 지원하는 포괄적인 종단간 셀룰러 IoT 플랫폼을 제공하는 최초 기업이다. 이 솔루션은 nRF91 시리즈 SiP 기반 새로운 제품들로 구성돼 있으며 간단하고 안정적이며 비용 효율적으로 셀룰러 IoT 또는 NR+ 제품을 설계, 제조 및 구축할 수 있도록 지원한다.