EP&C News UPDATED. 2017.9.26 화 09:20

상단여백
HOME 포커스 리포트
‘ARM vs x86’ Qseven으로 LPWAN 게이트웨이 개발
이나리 기자 | 승인 2017.09.15 11:33

[EPNC=이나리 기자] 프랑스의 IoT(Internet of Things)와 임베디드 시스템 엔지니어링 전문회사인 EXPEMB는 FlexGate LPWAN(Low-Power Wide-Area Network) 게이트웨이에 콩가텍(Congatec)의 Qseven ‘컴퓨터온모듈(Computer-On-Module)’을 채택했다. 이로써 벤더들은 ARM 또는 x86 저전력 프로세서 중 파트너의 요구에 따라 선택해 사용할 수 있게 됐다.

모니터링, 관리, 유지보수 용도의 분산 센서, 컨트롤러 네트워크 등은 IoT의 성장 동력이 되고 있다. 이 가운데 해결해야 할 과제는 분산 센서와 컨트롤러를 사용해서 수백 미터에서부터 수 킬로미터에 이르는 긴 거리로 신뢰할 수 있는 연결과 데이터 교환을 달성하는 것이다. 이 과제는 분산 센서와 컨트롤러의 극히 낮은 전력 소모 요구를 충족하면서, 동시에 낮은 비용으로 신뢰할 수 있는 데이터 교환을 달성해야 한다. 

로컬 무선 기술은 거리가 길지 않다. 반면 셀룰러 기술은 비용이 많이 들고 너무 많은 에너지를 소모한다. 그러므로 도심 지역에서뿐 아니라 시골 지역까지 저전력 장거리 네트워크, LPWA를 연결하기 위해서는 새로운 기술이 요구된다. 이 기술은 M2M(Machine to Machine)과 IoT 분야의 성장을 주도할 것이다.

M2M의 총 연결 건수는 2014년에 50억 개에서 2024년에 270억 개로 연평균 18% 성장할 것으로 전망되며 LPWA 시장은 2016년에서 2022년에 이르기까지 연평균 93% 성장하고 2024년에 전체 M2M 연결 건수의 14%를 차지할 것으로 전망된다. 오늘날 서유럽 지역은 LPWA 시장의 최대 점유율을 차지하고 있다. 그 이유는 이들 국가에서 정보 시스템을 비교적 조기에 도입했기 때문이다. 하지만 최근 중국, 싱가포르, 인도의 대규모 스마트 시티 프로젝트들에서도 LPWA 도입이 늘고 있다.

안전한 직접 연결 확보 

LPWA 연결은 다양한 기술을 사용해서 활용할 수 있다. 그 중 하나는 통신 회사와 같은 기지국을 사용한 셀룰러 타입 인프라다. 대표적인 예로 시그폭스(Sigfox)나 화웨이(Huawei)의 셀룰러 IoT를 들 수 있다. 이들 기술은 누구나 사용할 수 있도록 공개 네트워크로 구축된다. 하지만 대다수 상업적 사용자들은 보안 상의 이유로 사설 네트워크를 더 원할 것이다.

이런 목적에 최적화된 기술이 LoRa다. LoRa 기술은 스타 토폴로지를 사용해서 센서나 엑추에이터 등의 장치들 간에 양방향 연결을 구축한다. 그리고 하나 또는 다수의 게이트웨이를 사용하고, 모든 데이터를 표준 IP 기술을 통해 중앙의 클라우드 서버로 전달할 수 있다. 장치들과 게이트웨이 사이의 데이터 속도는 0.3kbps부터 50kbps까지다.

LoRa는 AES 암호화 기술을 통해서 64비트 고유 네트워크 키, 64비트 고유 애플리케이션 키, 128비트 디바이스 고유 키를 사용해서 모든 데이터를 암호화한다. 단일 홉 무선 연결은 비면허 주파수이며, 유럽에서는 868MHz 주파수 대역을 사용하고, 북미에서는 915MHz를 사용한다. 이를 통해 사업자는 써드파티 인프라를 사용하기 위해 별도의 비용을 지불할 필요가 없으며, 결과적으로 비용을 낮출 수 있다.

6만 2500노드, 십 년에 이르는 배터리 수명

LoRa 게이트웨이가 액세스 가능한 최종 디바이스와 노드의 최대 용량은 게이트웨이가 특정한 시간 간격으로 관리해야 하는 패킷 수에 따라 달라진다. 8채널을 사용한 게이트웨이용의 LoRa 빌딩 블록은 시간당 최대 6만 2500 패킷을 처리할 수 있다. 만약 시간당 한 패킷만 전송하도록 구성한다면, 이 수치가 게이트웨이가 처리할 수 있는 최대 디바이스 수가 될 것이다. 도심 지역에서는 직접적인 ‘가시선(Line-Of-Sight)’이 차단되고, 실내 깊숙이까지 커버되면서 최대 거리가 2~10km다. 교외 지역에서는 직접적인 가시선으로 인해 최대 15km를 달성할 수 있고, 간섭이 적은 지역에서는 40km까지 달성할 수 있다.

LoRa 네트워크 서버는 배터리 수명과 신호 강도를 절충하기 위해서 ADR(Adaptive Data Rate)라고 하는 알고리즘을 통해 자동으로 로컬 환경 조건에 최적화된 성능을 구현한다. 이 알고리즘은 각기 채널들로 신호대 잡음비(SNR)와 수신 신호 세기 지수(RSSI)와 같은 향상된 정보를 사용해서 최종 디바이스의 신호 강도와 전력 소모를 최적화한다. 이를 통해 최종 디바이스는 예로 2000mAh 배터리를 사용했을 때, 최대 105개월의 배터리 수명을 달성할 수 있다. 이것은 현행 셀룰러 기반 프로토콜에 비해서 대략 10배나 더 긴 것이다.

이런 기술적 장점으로 인해 LoRa는 업계로부터 큰 지지를 받게 되면서 전세계적으로 도입이 가속화될 것으로 기대된다. 일례로 2016년 7월에 KPN은 네덜란드 전역에서 자사의 LoRa 네트워크를 IoT 애플리케이션에 사용할 수 있도록 했다. LPWAN 전문회사인 액티리티(Actility)도 LoRa를 지지한다. 국내 사례로는 통신회사인 SK텔레콤이 2016년 7월 IoT 전용망으로 LoRa를 선택해서, 전국망 구축을 완료했다.

다양한 적용 분야

LoRa는 다양한 분야에서 관심이 고조되고 있다. 대표적으로 스마트 시티, 산업용, 농업, 인프라, 유틸리티, 물류 같은 분야에서 IoT와 M2M에 사용할 수 있다.

EXPEMB는 LoRa 네트워크용으로 모듈식으로 확장할 수 있는 다중서비스 게이트웨이를 개발했다. 이 게이트웨이 제품은 상업용과 산업용 환경 모두에서 사용하기에 적합하며, 설비의 통제실, 에너지 그리드의 서브스테이션, 스마트 시티와 스마트 농업의 셀룰러 기지국 같은 인프라에 이르기까지 다양한 애플리케이션 분야에 사용할 수 있다. 

플렉스게이트(FlexGate)라고 불리는 게이트웨이 제품은 액티리티로부터 씽팩(ThingPark) 인증을 받았으며 특화된 Semtech SX1301 칩을 중심으로 구조된 LoRa 집중화기를 포함한다. 또 8개 LoRa 채널을 동시에 청취할 수 있고, 수천 개의 연결된 노드와 통신할 수 있다. FlexGate 게이트웨이는 기가비트 이더넷 링크, Wi-Fi, 3G/4G, 블루투스를 통해 중앙의 클라우드로 풍부한 커넥티비티를 제공한다. 또 게이트웨이 상에서 모든 링크들을 동시적으로 이용할 수 있으며, 각기 다른 스크립트에 따라서 폴백(fall back)을 설정할 수 있다. 이로써 로컬 토폴로지에 상관 없이 신뢰하게 통신할 수 있다. 

FlexGate 게이트웨이는 2x USB 포트, 1x 시리얼 포트, GPIO 같은 다양한 필드 I/O를 제공하므로 모드버스(Modbus)나 필드버스(Fieldbus) 같이 다른 방식의 유선 통신을 사용하는 로컬 디바이스를 연결할 수 있다. 또 FlexGate 게이트웨이는 팬이나 HDD 등의 구동성 부품 없이 산업용 장치들만 통합함으로써 ‘24/7’으로 가동할 수 있는 고신뢰성 플랫폼을 제공한다. DC나 PoE+를 사용해서 구동할 수 있으며, 후자를 사용하면 케이블 작업을 줄일 수 있다. 또 옥외 구성을 위해 확장된 온도 범위를 지원하고, 방수 커넥터를 사용해서 IP67 내구성을 제공한다.

FlexGate 게이트웨이는 즉시 가동이 가능한 플랫폼으로 설계됐으며, IoT 전용의 모듈러 리눅스 프레임워크를 기반으로 관리 서비스를 제공한다. 이런 공개식 아키텍처는 필요한 새로운 서비스를 손쉽게 통합할 수 있다. 표준 구성을 이루고 있는 서비스들로는 고도로 보안적인 통신 층과 오픈 패킷 포워더를 포함한다.(오픈 패킷 포워더는 집중화기가 수신한 RF 패킷을 IP/UDP 링크를 통해서 서버로 전달하고 서버가 전송한 RF 패킷을 방출한다.)

FlexGate 게이트웨이는 현장에서 포괄적으로 LoRa 네트워크를 지원할 뿐만 아니라 유연한 클라우드-대-현장 연결을 제공하므로 로컬 LoRa 구성에 대해서 재빨리 적응하고, 현장 구축 서비스부터 운영 모니터링, 관리와 원격 펌웨어 업그레이드(FOTA) 같은 유지보수 서비스에 이르기까지 필요한 모든 서비스들을 지원한다. 

이 제품 라인은 LoRa 게이트웨이 구축에 관련된 모든 다양한 필요를 충족하도록 설계돼 마이크로아키텍처에 상관 없이 모든 주요 프로세서 기술을 사용할 수 있다. 

FlexGate 게이트웨이

진 크리스티앙 리렛(Jean-Christian Rerat) EXPEMB의 CEO는 “우리 회사의 LoRa 역량을 특정한 프로세서 기술로 제한하고 싶지 않았다. 이렇게 하면 우리 회사가 도달할 수 있는 잠재 시장이 너무나 제한되기 때문”이라며 “이런 이유로 ARM과 x86 둘 다 호스팅할 수 있는 트윈 아키텍처 플랫폼을 개발하게 됐고, 이로써 모든 입찰에 참여할 수 있다”고 말했다.

현재 FlexGate 게이트웨이는 2개 메이저 프로세서 제품군을 기반으로 유연한 프로세싱 성능을 제공한다. 하나는 프리스케일(Freescale)의 최신 i.MX6 저전력 멀티 CPU 코어다. 다른 하나는 인텔 아톰(Atom) E3800 제품군(‘베이 트레일’이란 별칭으로 불림)이며, 1~4개 코어를 포함한다. 

이와 같은 유연한 아키텍처에 의해 FlexGate는 포그와 에지 서버 지능에 이르기까지 폭넓은 범위의 성능을 사용할 수 있다. 하드웨어 플랫폼과 성능 유연성이 가능한 이유는 ARM과 x86 모두를 지원하는 Qseven의 ‘컴퓨터온모듈(Computer-on-Module)’을 채택했기 때문이다. 이 모듈을 사용함으로써 EXPEMB는 하드웨어 디자인을 변경할 필요 없이 이들 프로세서 제품군에서 또 다른 최신 첨단 기술로 전환할 수 있다.

이로써 FlexGate 게이트웨이는 프로세서 수명보다 더 장기간 현장에 설치될 수 있다. 예로 프리스케 프로세서는 수명이 약 15년이고, 인텔 프로세서는 약 7년이다. 추가적으로 인텔의 차세대 아톰 프로세서의 코드명인 ‘아폴로 레이크’와 같은 미래의 프로세서를 사용할 수 있게 된다. 

FlexGate 일렉트로닉 플랫폼

벤더의 입장에서 EXPEMB는 콩가텍(Congatec)의 모듈을 선택했다. ‘컴퓨터온모듈’ 전문 기업인 콩가텍은 포괄적인 구성의 Qseven 제품 포트폴리오와 함께 대면 통합 지원을 제공한다.

진 크리스티앙 리렛 CEO는 “우리의 과제는 가장 효율적인 방식으로 확장하기 위해서 각기 다른 아키텍처지만, 동일한 기능 셋업을 달성하는 것”이라며 “콩가텍은 x86과 ARM을 사용해서 일관된 제품군을 구축하도록 완벽한 플랫폼을 제공했고, 두가지 아키텍처에 대한 전문적인 지식을 보유하고 있어서 의사소통을 아주 효율적으로 할 수 있었다”고 덧붙였다. 

자료제공: 콩가텍

#ARM#x86#LPWAN#게이트웨이#congatec

이나리 기자  narilee@epnc.co.kr

<저작권자 © EP&C News, 무단 전재 및 재배포 금지>

이나리 기자의 다른기사 보기
icon인기기사
여백
여백
여백
여백
여백
여백
여백
icon
여백
여백
여백
신제품
여백
여백
여백
여백
여백
Back to Top