장거리 IoT 네트워크를 위한 주파수 호핑

사물인터넷(IoT)은 관리 용이성, 보안 개선, 기타 대규모 네트워크상의 소프트웨어 기능들을 가능하게 해주는 임베디드 디바이스로 여러 가지 애플리케이션들을 운용할 수 있다. TI 15.4-Stack SDK(software development Kit)는 센서 디바이스들의 클라우드 통합을 가능하게 해주는 애플리케이션들과 외부 예제에 적합한 표준 기반의 MAC(medium access protocol)을 제공한다. 이 솔루션이 유용한 주요 완제품 시장부문도 일부 포함돼 있다:

건물 자동화

- 보안 시스템: 도어 및 창문 센서, PIR, 차고문 등

- 소방안전 시스템: 가스 및 연기 탐지기

- HVAC 시스템: 공기, 습도, 온도, 수도, 누출 센서들

공장 자동화

- 필드 트랜스미터: 흐름, 압력, 레벨, 프로세스 센서

- 기타 일반적인 공장 솔루션: 유압식 및 공기압식 밸브

기타 산업 애플리케이션

- 자산관리추적, 자동 요금 징수기, 자동 발권 관리 등 완제품

스마트 그리드 및 재생에너지 부문

- 가스, 수도, 전기, 난방 계량기와 마이크로 인버터 같은 완제품

이런 애플리케이션들은 넓은 서비스 영역을 감당해야 하고 작동 주파수의 간섭을 해결해야 한다는 문제를 가지고 있다. 2.4GHz 대역의 솔루션들은 거리가 짧기 때문에 보다 넓은 거리를 감당할 수 있으려면 더 높은 레이어에서 메시나 라우팅을 사용해야 한다. 이것은 전체 시스템 비용과 난이도를 증가시켜 레이턴시와 저전력 작동에 영향을 미치게 된다.

TI 15.4 스택 SDK 솔루션은 TI의 SimpleLink Sub-1GHz CC1310 무선 마이크로컨트롤러(MCU)에 기반하고 있으며 작동 주파수 덕분에 본질적으로 보다 넓은 유효 거리를 제공하는 Sub-1GHz에서 표준 기반 MAC 스택을 제공함으로써 이 문제를 정확히 해결하고 있다. 이와 더불어 TI 15.4 스택 SDK는 무선 스마트 유틸리티 네트워크(wireless smart utility network, Wi-SUN) 얼라이언스가 정한 FAN(field area networks) 스펙 기반의 주파수 호핑도 지원하고 있다.

주파수 호핑 기능은 디바이스가 복수의 채널에서 송수신을 할 수 있도록 해준다. 이것은 디바이스들이 FCC(Federal Communications Commission) 규정을 준수하며 유효 범위를 증가시킬 수 있게 해주고, 특정 작동 채널에서의 간섭을 방지하는 솔루션을 제공한다. 이렇게 증가된 유효 범위는 수 많은 시장부문들이 간단한 스타 기반의 네트워크를 이용해 필요한 유효 범위를 달성하고 링크 신뢰도를 개선할 수 있게 해준다.

주파수 호핑 기능

주파수 호핑은 디바이스가 서로 다른 시간대에 리시버 채널을 바꾸는 방식으로 이루어진다. 그 채널의 호핑 시퀀스는 Wi-SUN FAN 스펙이 정한 DH1CF(direct hash channel function)을 바탕으로 한다. DH1CF은 그 노드의 확장된 주소를 바탕으로 유사 랜덤 시퀀스의 채널들을 생성하기 때문에 이것은 각 노드에 유일하며 각 노드는 두 가지의 채널 호핑 시퀀스를 지원한다. 유니캐스트와 브로드캐스트가 그것이다. 각 노드는 그림 1처럼 자기만의 유니캐스트 채널 호핑 시퀀스를 바탕으로 호핑을 한다.

브로드캐스트 전송을 가능하게 하기 위해, 코디네이터가 그림 2처럼 브로드캐스트 스케줄을 시작한다. 하나씩 걸러 디바이스가 코디네이터로부터 수신된 브로드캐스트 호핑 시퀀스를 따르게 되며 디바이스는 그 다음 브로드캐스트 드웰 타임(dwell time)까지 유니캐스트 호핑을 실행하게 된다. 그런 다음 브로드캐스트 드웰 타임동안 브로드캐스트 호핑 채널로 바뀌게 되고, 그 브로드캐스트 드웰 타임이 끝날 때 유니캐스트 호핑을 재개하게 된다.

각 채널에 소요되는 시간은 드웰 기간(dwell period)이라 불리는 파라미터를 통해 제어되는데, 이것은 사용자가 15ms부터 250ms까지 중에서 구성할 수 있다. 노드의 채널 호핑 정보는 초기 발견 및 비동기 전송을 이용해 수행되는 합류 절차 과정에서 다른 노드로 전달된다. 이웃의 채널 호핑 정보가 수신되면 TI 15.4 스택 SDK는 이웃 호핑 디바이스의 호핑 시퀀스를 추적하여 성공적인 유니캐스트 및 브로드캐스트 전송을 가능하게 해준다. 데이터 교환은 수신 노드의 채널에서 프레임을 전송하는 트랜스미터를 통해 완성된다(리시버 지시 전송).

수면 모드 작동

TI 15.4 스택 SDK는 IEEE 802.15.4 표준 기반의 간접 전송을 이용한 사설 수면 모드 작동도 지원한다. 이 작동 모드에서 TI 15.4 스택 SDK는 고정 채널 모드를 작동시키도록 구성된다. 그러면 사용자가 폴 간격마다 실제 작동 채널로 바꿀 수 있다. 이를 통해 사용자는 채널 호핑 시퀀스와 작동 시간에 대해 더 많은 통제권을 가지게 되며 TI 15.4 스택 SDK는 수면 시간 동안에도 코디네이터의 호핑 채널을 추적할 수 있게 된다. 이것은 최대 25분의 수면 시간을 지원하며, 그 동안에도 코디네이터의 호핑 시퀀스를 효율적으로 추적할 수 있게 되므로 초저전력 작동이 가능해진다.

FCC 준수

FCC는 미국에서의 스펙트럼 사용을 규제한다. FCC 규정에 따르면, Sub-1GHz 스펙트럼의 주파수 호핑 솔루션은 특정 요건을 충족하는 경우 주파수외 호핑 솔루션에 비해 더 높은 송신력을 활용할 수 있다. 이러한 요건은 일련의 채널들을 호핑할 때 더 높은 송신력을 활용하기 위해 솔루션이 특정 채널을 차지하는 평균 시간을 규정하고 있다. 표 1은 FCC 규정에 기반하여 서로 다른 호핑 구성에 허용 가능한 송신력과 그 요건들을 요약하고 있다.

송신력이 높다는 것은 솔루션이 더 넓은 거리에 도달할 수 있어 네트워크의 유효범위가 향상된다는 뜻이다. 이것은 산업 및 스마트 시티 애플리케이션에서 매우 유용할 수 있다. 여러 가지 호핑 구성에서 TI 15.4 스택의 주파수 호핑 솔루션을 이용해 달성 가능한 유효 범위를 알아보기 위해, 표준 자유 공간 경로 손실 모델을 이용한다. 아래 수치는 경로 손실 컴포넌트 값 2.0(지방)과 2.7(도시)에 대해 CC1310 무선 MCU 리시버의 감도 -110dbm를 가정했을 때 달성 가능한 거리를 보여주고 있다.

FCC 규정을 준수하는 주파수 호핑을 사용했을 때 지방에서는 최대 34배, 도시에서는 최대 13배까지 유효 범위가 늘어나는 것을 볼 수 있다. 이렇게 되면 애플리케이션들이 복잡한 메시 솔루션 대신에 스타 네트워크를 이용해 적은 수의 디바이스들로도 전체 서비스 영역을 담당할 수 있게 된다. 그림의 값들은 자유 공간 경로 손실을 이용해 얻어진 것임에 유의한다. 이것은 물질 흡수 같은 실제 손실은 감안하지 않은 것이며, 보다 현실적인 거리 추정을 위해서는 TI E2E 온라인 커뮤니티에서 실내 및 실외 거리 측정을 참고한다.

TI 15.4 스택 SDK 주파수 호핑은 FCC 규정을 준수하고 있으며 드웰 타임과 호핑 채널 수에 관한 적절한 파라미터를 설정하여 이를 구성할 수 있다. 예컨대 250ms 드웰 타임으로 50개 이상 채널을 호핑하는 구성을 할 때 FCC가 실제 트래픽 프로파일에 요구하는 대로, 노드는 평균적으로 20s 동안 40ms를 차지하게 된다.

TI의 SimpleLink CC1310 무선 MCU는 싱글 칩 솔루션으로 최대 송신력 14dbm을 제공한다. 적어도 25개 이상 채널에서 주파수 호핑 솔루션을 사용했을 때, 14dbm의 최대 능력을 사용할 수 있으며 그림 3과 그림 4처럼 5배까지 유효 범위가 늘어나게 된다. CC1310 무선 MCU는 Sub-1GHz CC1190 RF 프론트 엔드같은 외부 파워 앰프와 결합하여 더 높은 파워를 달성할 수 있으며, FCC 규정에 따른 주파수 호핑을 통해 달성 가능한 유효 범위를 최대한 활용할 수 있다.

간섭에 미치는 영향

전송 거리를 늘리는 것 외에도 주파수 호핑은 간섭 상황에서도 확실한 통신을 제공하는데 유효한 도구가 될 수 있다. 데이터가 일련의 주파수 채널들에서 동적으로 교환되기 때문에, 평균적으로 하나의 패킷이 목적지에 성공적으로 도달하게 된다. 또한 사용자는 특정 채널에서 간섭이 예상될 때 채널을 배제하는 구성을 할 수도 있다. 그렇지만, 간섭이 발생하는 채널을 알 수 없거나 시간마다 변하는 경우 이렇게 미리 프로그래밍으로 채널을 배제하는 방법이 통하지 않을 수 있는데, 이럴 때 주파수 호핑이 큰 도움이 될 수 있다.

간섭에 대한 견고함은 채널의 수를 늘리거나 애플리케이션 레벨 재전송을 추가하여 달성할 수 있다. 견고함의 효과를 알아보기 위해 TI 15.4 스택 SDK 패키지에 나와 있는 징수기 센서 애플리케이션의 예를 한 쌍의 노드에 대해 사용해본다. 예제 애플리케이션은 두 가지 트래픽 패턴, (i)센서 메시지(정기적으로 센서에서 징수기로 전송)와 (ii)추적 메시지(간접 전송을 통해 징수기에서 센서로 전송)를 보여주고 있다.

TI의 Sub-1GHz CC1200 RF 트랜시버 기반 SmartRF 평가 보드를 이용해 4개의 특정 채널에 노이즈를 주입함으로써 간섭을 추가하고 있다. 이 간섭은 네트워크가 시동된 후에 발생하도록 되어 있어서, 네트워크 시동 시 채널 선택 과정에서 이 채널을 사전에 블랙리스트 할 수 있는 모든 가능성이 방지된다.

주파수 외 호핑 솔루션의 경우, 네트워크는 이러한 지속적인 간섭 때문에 방해(잼)를 받게 된다. 그러면 네트워크는 애플리케이션 레벨 기법을 이용해 다른 채널로 이동을 함으로써 재구성을 해야 한다.

그러나 주파수 호핑 솔루션의 경우에는 MAC이 자동으로 복수의 채널들을 사용하기 때문에 이러한 간섭을 극복할 수 있다. 그림 5에서 호핑 채널의 수를 늘려 간섭에 대한 견고함을 달성하는 것을 볼 수 있다. 센서 애플리케이션은 간섭 레벨에 비례하여 영향을 받지만 추적 메시지는 복수의 폴 메시지 시도 덕분에 좀더 견고한 것을 알 수 있다. 이제까지 보았듯이 호핑 채널의 수를 늘리면 간섭을 최소화할 수 있다.

그림 6은 애플리케이션 레벨 재전송을 이용해 달성할 수 있는 간섭에 대한 견고함을 보여주고 있다. 재전송 딜레이 1s와 최대 재전송 한도 3s를 가정한 것이다. 주파수 외 호핑 모드와 달리 재전송된 프레임은 여러 채널들로 전송될 것이고 그러면 대략적으로 간섭 채널을 피할 수 있게 된다.

결론

TI 15.4 스택 SDK 는 주파수 호핑 구현을 통해 FCC 준수 무선 네트워킹 솔루션을 제공함으로써 더 높은 전송을 가능하게 해주고 FCC 대역에서의 유효범위를 늘려준다. 늘어난 유효범위는 건물 자동화, 공장 자동화, 스마트 그리드와 같은 특정 시장부문의 요건을 충족시켜 준다. 이 솔루션은 특정 작동 주파수에서 예기치 않게 발생할 수 있는 간섭에 대한 견고함이 보다 뛰어나다. 

글 : 쿠마란 비제야산카(Kumaran Vijayasankar) / 시스템 엔지니어

글 : 로베르토 산드레(Reberto Sandre) / 애플리케이션 엔지니어링 매니저

자료제공 : 텍사스인스트루먼트<www.ti.com>