지난 수년 동안 사물 인터넷(IoT)의 정의는 시간, 장소, 사물, 사람에 구애 받지 않고 수십억 개의 사물들의 연결이라는 개념으로 진화돼 왔다. 이러한 ‘사물’, 또는 ‘IoT 디바이스’는 에너지 시스템, 농업, 광업, 교통, 의료 등을 다루는 산업 애플리케이션부터 스마트 홈, 커넥티드 카 및 웨어러블 디바이스에 이르기까지 일상생활에도 기술이 확산되고 있고 IoT 성장 잠재성 또한 커지고 있다.
여러 시장전망에 따르면 2020년까지 150억에서 500억개의 연결된 디바이스들이 어디서나 사용이 가능하고 많은 디바이스들이 클라우드 스토리지를 활용하며 인터넷을 통해 원격 제어될 것이다. 물론 이 같은 시나리오가 실현되기 위해서는 설계부터 제품의 수명주기별 테스트와 절대적으로 신뢰할 수 있는 커넥티비티 및 기반 기술이 필수적이다.
무엇이 IoT를 움직이는가?
IoT 성장 잠재성은 소비 시장 및 산업 부문에서의 이머징 애플리케이션과 서비스에 있다. 소비 시장 부문에서의 핵심 요인은 편리성이다. 여기에 웨어러블과 홈오토메이션과 같은 애플리케이션들은 소비자의 생활을 훨씬 더 편안하게 만들어줄 뿐만 아니라 한 곳에서 전자 디바이스들을 제어할 수 있게 해 보다 더 쉽게 일상 작업을 할 수 있도록 만들어 준다.
산업 부문인 의료, 에너지, 농업, 스마트 시티, 효율성 향상, 비용 절감, 향상된 건강과 안전 등은 IoT를 움직이는 주요 요인들이다.
무인 자동차를 위한 기반인 커넥티드 카는 최근 급성장하고 있는 또 다른 애플리케이션이다. 자동차 제조업체들은 교통량 관리와 안전 애플리케이션을 위해 이미 적극적으로 차량 대 차량 (V2V)의 통신 개발을 진행하고 있다.
차량 대 인프라(V2I) 통신 또한 신호 위반 경고, 교차로 충돌 회피 및 요금 징수와 같은 애플리케이션을 위해 개발되고 있는 중이다.
이러한 애플리케이션과 서비스들은 주로 무선으로 연결된 센서와 엑추에이터의 네트워크에 의존하고 있다. 다양한 환경 내에서 넓은 범위의 애플리케이션을 포괄하며 여러 요구 사항을 만족시키기 위해서는 단일 무선 기술로는 진화하는 IoT 산업의 요구를 효과적으로 해결할 수 없다.
기반 기술
최근의 추세가 계속될 경우 일부 디바이스들은 USB, 이더넷, 파이버 등 유선 연결을 사용하겠지만 대부분의 IoT 디바이스들은 무선 기술에 의존하게 될 것이다. 이것은 모바일 결제를 위한 NFC부터 블루투스, 무선 LAN(WLAN), 지그비(ZigBee), 셀룰러, 무인 원격 기상 관측소를 위한 정지궤도 위성에 이르기까지 다양하다.
네트워크는 서로 다른 통신 요구 사항을 갖는 모든 종류의 디바이스들에 대응해야 할 필요가 있다. 아주 작은 양의 데이터를 전송하며 수년간 스스로 배터리로 동작하는 센서 및 엑추에이터와 같은 간단한 무선 디바이스부터 지속적인 신뢰성과 높은 수준의 보안 연결을 요구하는 서비스의 디바이스까지 넓은 범위의 스펙트럼을 갖는다.
각 디바이스를 식별하기 위해 핵심이 되는 것은 방대한 IP 주소다. IPv4 주소 체계로는 라우터나 게이트웨이를 사용해야하는 제한이 있기 때문에 IPv6 주소의 엔드-투-엔드 사용은 IoT 디바이스를 위한 핵심 요소다. IPv6는 거의 무한대의 주소 공간을 제공함으로서 수십억 개 디바이스의 고유한 주소를 허용한다.
서버/클라우드 기반의 빅데이터 분석과 머신 러닝은 대부분의 IoT 비즈니스 모델에 핵심이다. 종단 노드의 IoT 디바이스는 지능과 분석을 위해 클라우드 또는 서버에 연결을 한다. 일부는 직접 연결하지만 종종 게이트웨이를 통해 연결된다[그림1].
게이트웨이는 낮은 전력 네트워크부터 높은 용량의 LAN과 WAN에 이르기까지의 통신 트래픽을 정합한다. 그것들은 일반적으로 종단 노드(사물)에 비해 더 큰 전원 공급과 컴퓨팅 자원을 포함한다. 게이트웨이에서 실행되는 엣지 및 포그 애플리케이션은 클라우드와 종단 센서 및 엑추에이터로부터의 처리를 오프로딩 한다.
종단 노드는 긴 배터리 수명을 가질 수 있도록 설계되는데, 이는 효율적인 임베디드 컴퓨터와 무선 전송을 필요로 한다. 게이트웨이 애플리케이션 내 지능형 임계치 트리거는 중앙 클라우드 서버에 실행 가능한 정보를 전달해 트래픽을 보다 효율적으로 한다.
게이트웨이는 혼합된 이기종 네트워크를 거쳐 클라우드와 종단 노드를 상호 연결한다. 네트워크는 다양한 애플리케이션에 따라 요구되는 커버리지, 지연속도, 데이터 스루풋, 에너지 효율성, 비용 등을 고려해 적합한 무선 인터페이스가 적용된다.
예를 들어 일부 홈오토메이션 애플리케이션은 게이트웨이 노드로서 스마트폰을 사용한다. 많은 IoT 애플리케이션에서 유비쿼터스 가용성을 고려해 와이파이(Wi-Fi)를 첫 번째로 선택하고 와이파이를 사용할 수 없을 때에는 셀룰러 프로토콜이 자주 사용된다.
웨어러블 애플리케이션에서는 주로 블루투스를 사용하고 보안이 필요한 근거리통신으로는 NFC가 자연스러운 선택이 된다. 지그비, Z-웨이브와 스레드는 홈오토메이션과 스마트 에너지 디바이스를 위해 강력한 저전력 메시 네트워크를 제공한다.
[그림2]는 동작 범위별로 그룹화된 IoT 기술의 예를 보여준다. 많은 기술이 디바이스와 게이트웨이 간 단거리 연결에 사용될 수 있지만 IoT 생태계에 새로운 디바이스 연결을 지원하도록 표준이 빠르게 형성되며 진화하고 있다. 현재까지 M2M과 IoT 관련 애플리케이션을 위해 60개 이상의 기존 및 새로운 RF 기술이 사용되고 있는데 가장 많이 사용되는 기술은 블루투스, WLAN 및 셀룰러 등이다. 이 외에도 지그비와 스레드와 같은 기술들이 특정 틈새시장의 수요로 인해 부상하고 있다.
많은 혁신이 LPWA(Low Power Wide Area) 네트워크에서 일어나고 있다. 낮은 데이터 속도와 낮은 듀티사이클을 갖는 애플리케이션의 경우 LPWA는 배터리 수명을 연장하고 비용을 절감하며 현재 배포된 셀룰러 기술에 비해 개선된 링크 버짓을 제공한다.
LoRa와 SIGFOX와 같은 LPWA 시스템은 약간의 면허 대역 또는 비면허 대역을 사용해 일부 국가에서 활용되고 있다. 또 저전력 M2M 애플리케이션에서 높은 성장이 예상되고 3GPP RAN 워킹 그룹은 면허 대역에서 LPWA를 지원하는 셀룰러 프로토콜을 개발하고 있다.
3GPP REL-12는 LTE MTC(machine-type-communication)에 대해 새롭고 낮은 복잡성의 디바이스 카테고리(Cat-0)를 소개했다. Cat-0은 더 큰 발전을 위한 디딤돌로서 낮은 데이터 속도 애플리케이션을 위한 효율성을 향상시킨다. 3GPP Rel-13은 다음 내용을 포함한다.
- LTE eMTC Cat-M1; LTE 기반의 1.4㎒ 대역폭 최적화
- EC-GPRS (Extended Coverage GPRS); 향상된 링크 버짓을 위해 재전송 및 다른 프로토콜 업데이트의 사용
- NB-IoT (Narrow Band IoT); LPWA 애플리케이션에 최적화된 새로운 무선 기술
일부 기업은 시장 진입 시간을 절감하기 위한 방법으로 자체 솔루션을 개발하기도 한다. 그러나 세계시장은 고유 디자인보다 표준화된 솔루션을 따라 움직이고 있기 때문에 이러한 접근 방법은 자칫 시장의 관심에서 멀어질 수 있다.
디자인과 테스트를 위한 솔루션 탐색
기반 기술만큼이나 중요한 것이 IoT 디바이스의 디자인과 테스트에 사용되는 솔루션이다. 디바이스, 인프라, 클라우드, 원격 애플리케이션, 포스트 프로세싱, 서비스 등 전체 생태계에 걸친 지속적인 연결의 창조는 더 나은 설계, 사실적 시뮬레이션의 활용, 비용 효율적이며 의미 있는 테스트 수행 등을 위한 능력에서 시작된다. 이것은 IoT 설계 엔지니어들에게 주어진 도전을 더욱 어렵게 만들기도 한다.
예를 들어 IoT가 널리 보편화됨에 따라 설계 엔지니어들이 전력 효율의 극대화, 발열 관리, 소형화로 인해 나타나는 전자기 결합 등을 다루는데 있어 더욱 큰 집중을 요할 것이다.
추가 장애물은 서브시스템의 통합 그리고 업계 표준과 관련 있는 성능 검증뿐만 아니라 최고 기술 혼합(예: GaAs, GaN, SiGe/Si/SOI, CMOS) 의 선택과 평가를 포함하게 된다.
설계의 복잡성이 증가하면서 회로 시뮬레이션도 더욱 어려워진다. 이러한 문제점을 극복하기 위해서는 통신 시스템[그림 3]에 내재된 문제점 해결을 돕고 새로운 loT 디바이스의 설계와 시뮬레이션이 가능한 설계 자동화 소프트웨어가 필요하다.
이상적인 솔루션은 개발 초기 단계에 새로운 디바이스를 시뮬레이션 할 수 있도록 해야 하고 시스템 설계자와 알고리즘 개발자들에게 무선 통신 시스템의 PHY 계층을 혁신할 수 있도록 제공하는데 있다. 또 예상 성능 뷰를 제공하기 위해 시뮬레이션 노드에 부착할 수 있는 가상 측정 툴을 포함해야 한다.
시뮬레이션에서 실현으로 설계가 이동함에 따라 가상 도구를 실제 측정과 ‘하드웨어 인 더 루프(hardware-in-the-loop)’로 교체하는 것으로 실제 디바이스 모듈이 시뮬레이션을 대체할 수 있다. 이를 통해 개발자는 시뮬레이션과 실제 성능을 비교할 수 있다.
loT 디바이스 설계와 시뮬레이션을 넘어서 다음 단계는 디바이스의 측정과 분석이다. 이를 위한 테스트 장비를 선택할 때 일반적인 선택 기준은 성능 사양, 측정 속도, 장비 크기, 확장성 및 가격이다. 어떠한 단일 솔루션도 모든 요구사항을 만족시킬 수는 없다.
loT 환경에서는 아주 작은 양의 데이터를 전송하고 수년간 스스로 배터리로 동작하는 센서 및 엑추에이터가 중요한 역할을 한다. 이런 유형의 디바이스 설계와 개발은 3가지 조건에서 배터리 소모를 측정할 수 있는 도구를 필요로 한다(슬립 모드, 아이들 모드, 전송 모드).
신호 생성과 분석이 필요한 설계 단계에서는 범용성과 고성능을 가진 벤치탑 장비(예: 신호 분석과 문제 해결을 위한 스펙트럼 분석 및 다양한 기능 시험)가 선호 될 것이다. 시험 속도, 유연성, 장비가 차지하는 공간 등이 더 중요해지는 제품 개발 주기 후반에는 모듈러 및 원박스 테스터 솔루션이 더 나은 선택일 것이다.
셀룰러, IEEE 802.11 계열, 블루투스, 지그비와 Wi-SUN을 포함하는 무선 통신 기술을 위한 사용자 정의 및 표준 준수 테스트 신호를 생성하고 분석할 목적으로는 신호 생성 및 분석 소프트웨어[그림4]의 사용이 적절하다. IoT 디바이스의 시뮬레이션, 설계 및 테스트를 위한 솔루션은 전체 제품 수명주기에 걸쳐 피드백을 적용할 수 있도록 통합될 것이다.
결론
loT 디바이스의 수가 수십억 개로 폭발적으로 늘어남에 따라 신뢰성 있는 연결의 보장은 매우 필수적이다. loT 디바이스들이 확대되면서 오늘날 부상하고 있는 수많은 기반 기술의 loT 생태계 지원이 더욱 중요해질 것이며 loT 디바이스가 처음 설계 단계부터 신뢰성 있는 연결을 고려해 만들어졌는지를 검증하기 위한 설계 및 테스트 솔루션의 필요성은 더욱 커질 것이다. 이러한 기반 기술, 설계 및 테스트 솔루션은 오늘과 미래의 사물 인터넷 구축에 반드시 필요한 요소다.
<글 : 마사 지미디(Martha Zemede) 키사이트테크놀로지스
5G 및 IoT 아웃바운드 마케팅 책임자>
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