Wi-SUN과 소전력 무선 모듈 기술 동향
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Wi-SUN과 소전력 무선 모듈 기술 동향
  • 선연수 기자
  • 승인 2019.09.25 08:40
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[테크월드=선연수 기자] 

 

 

저소비전력과 넓은 영역을 커버하는 저전력 광역 통신망(LPWA, Low Power Wide Area)이 IoT 무선 기술로 주목받고 있다. LPWA에는 다양한 방식이 있고, 이에 따른 장단점도 각기 다르다. 특히 로옴이 개발에 주력하고 있는 ‘Wi-SUN’의 최신 동향에 대해 소개하고자 한다.

 

Wi-SUN이란?

Wi-SUN은 ‘Wireless Smart Utility Network’의 약자로, 최근 책정된 새로운 무선 통신 규격이다. 2012년에 Wi-SUN 얼라이언스가 발족됐으며, IEEE802.15.4g에 기반한 표준화가 추진되고 있다. [그림 1]은 다양한 IoT용 무선 통신 규격에서 Wi-SUN의 포지션을 보여준다.

 

[그림 1] IoT용 무선 통신 규격

 

[그림 1]을 보면 Wi-SUN은 Wi-Fi보다 통신 거리가 길고 LoRa WAN, Sigfox보다 데이터 전송 속도가 빠른 것을 알 수 있다. 기지국이 필요하지 않고 밸런스가 좋은 무선 통신 규격이라, IoT 시장에서 가장 적용 범위가 넓은 무선 통신 규격이라고 할 수 있다.

 

Wi-SUN 프로파일의 종류

Wi-SUN 얼라이언스에는 기술 사양을 책정하는 WG(Working Group)가 있으며, 복수의 프로파일이 책정되고 있다[그림 2].

 

[그림 2] Wi-SUN 얼라이언스에서 책정하고 있는 프로파일의 종류

 

HAN WG, FAN WG, RLMM WG, JUTA WG의 4가지 WG에서 4종류의 프로파일 책정이 추진되고 있다. 로옴은 이미 사양 책정과 인증이 시작된 HAN, FAN, JUTA의 3가지 프로파일에 대응하는 제품 개발을 추진 중이며, 연구의 최신 상황에 대해 소개하고자 한다.

 

Wi-SUN Enhanced HAN

HAN WG에서 책정된 프로파일 중 하나로 ‘Wi-SUN Enhanced HAN’이 있다. 로옴에서는 2019년 1월부터 Wi-SUN Enhanced HAN에 대응한 무선 통신 모듈 ‘BP35C0-J11’를 양산하기 시작했다. Wi-SUN Enhanced HAN은 기존의 HAN에 통신 거리를 확장하는 릴레이(Relay) 통신 기능과, 배터리 구동 기기에서도 양방향 통신을 위해 슬립(Sleep) 통신을 지원하는 최신 규격이다. 향후 가정 네트워크(HAN, Home Area Network)뿐만 아니라, 공장이나 상업시설과 같은 넓은 장소에서까지 Wi-SUN 대응 기기의 적용 범위가 확대될 것으로 예상된다[그림 3].

 

[그림 3] Wi-SUN Enhanced HAN의 용도
[그림 3] Wi-SUN Enhanced HAN의 용도

 

[그림 4]는 Wi-SUN Enhanced HAN 규격의 개요를 나타낸 것이다. HAN WG에서는 먼저 B 라우트(Route) 통신, 다음으로 싱글홉 HAN, 그리고 최신 Enhanced HAN의 순서로 프로파일이 책정돼 있다.

 

[그림 4] Wi-SUN Enhanced HAN을 포함한 각 프로파일 이미지
[그림 4] Wi-SUN Enhanced HAN을 포함한 각 프로파일 이미지

 

<Wi-SUN Enhanced HAN 규격의 특징>

 

릴레이 통신 가능

기존의 Wi-SUN HAN 규격에서는 1대 다수의 스타형 접속만을 지원했으나, Wi-SUN Enhanced HAN에서는 1대 다수 대 다수의 트리형 접속을 할 수 있다. 따라서 가정에서의 HEMS 컨트롤러, 옥외에 설치된 축전지, EV 충전기와의 통신처럼, 통신 거리가 먼 단말기 간에도 중계기를 통해 안정된 통신을 지원한다.

 

슬립 상태에서의 양방향 통신

통상적으로 무선 통신에서 양방향 통신을 하는 경우, 무선기는 항상 수신 상태를 유지해야 한다. 그러나 수신 상태에서도 전력을 소비하기 때문에, 배터리로 구동하는 센서 기기 등의 양방향 통신이 어려워 일반적으로는 송신만을 지원하는 방식이 채택되고 있다. 반면 Wi-SUN Enhanced HAN의 경우, 저전력 동작으로 양방향 통신 방식을 지원해, 배터리 구동 기기에서도 최적의 통신을 실행할 수 있다.

 

<로옴 무선 통신 모듈 BP35C0-J11의 특징>

 

모든 모드 지원

‘BP35C0-J11’은 Wi-SUN Enhanced HAN으로 규정된 모든 모드를 지원한다. 따라서 게이트웨이 등의 네트워크를 총괄하는 코디네이터, 가전·센서 등의 네트워크에 연결되는 엔드 디바이스, 무선 통신을 중계하는 릴레이 디바이스, 저전력 동작을 실행하는 슬리핑(Sleeping) 디바이스에 모두 사용할 수 있다. 또한, 스마트미터와 접속하는 B 라우트에도 이용할 수 있으며, 번거로운 하드웨어의 교체나 펌웨어 전환을 요구하지 않아, 다양한 용도로 활용할 수 있다[그림 5].

 

[그림 5] BP35C0-J11 대응 모드

 

FOTA 기능 탑재

무선 통신으로 펌웨어 데이터를 배포하거나 갱신하는 FOTA(Firmware update Over The Air)를 실행하기 위해서는, 통신 속도가 느리면 시간이 많이 소요되기 때문에 어느 정도 빠른 통신 속도를 만족하는 규격이 요구된다[그림 6]. 또한, 실제 운용을 고려할 경우 통상적인 통신 중에 FOTA를 실행해야 하므로, 백그라운드에서 펌웨어를 저장하기 위한 영역을 디바이스에 확보할 필요가 있다. ‘BP35C0-J11’은 ▲Wi-SUN에 의한 빠른 통신(100kbps)과 ▲펌웨어 저장 영역을 2개 보유한 라피스 세미컨덕터의 무선 통신 LSI를 채용해, 실제 운용에 최적화된 FOTA 기능을 실현했다.

만일 문제가 발생하더라도 FOTA 기능으로 신속하게 대처할 수 있기에, 규격의 마이너한 업데이트에도 적은 비용으로 대응할 수 있다.

 

[그림 6] FOTA 이미지
[그림 6] FOTA 이미지

 

평가 보드

로옴은 3월부터 고객의 평가 기간을 단축하기 위해, ‘BP35C0-J11’을 실장한 평가용 기판 ‘BP35C0-J11-T01’의 온라인 판매를 개시했다[그림 7]. 또한, 무선 모듈 스타트 가이드, 펌웨어 사양서, 외장 안테나 리스트 등 개발에 필요한 다양한 자료를 함께 제공하고 있다.

 

[그림 7] BP35C0-J11 평가 보드
[그림 7] BP35C0-J11 평가 보드

 

Wi-SUN JUTA

로옴은 배터리로 구동하는 스마트미터용 국제 무선 통신 규격인 Wi-SUN JUTA를 위해, 규격 책정 단계에서부터 제품 개발을 추진해 왔다. 로옴의 무선 통신 모듈은 이미 도쿄 가스 주식회사에서 채택됐고, 올해 5월에 정식으로 발표된 Wi-SUN JUTA에서 인증 시험용 기준기(CTBU, Certified Test Bed Unit)로서 채용됐으며, 얼라이언스 인증도 함께 취득했다.

 

<Wi-SUN JUTA 규격의 특징>

 

배터리 구동 스마트미터로 10년 이상 동작

Wi-SUN JUTA는 독자적이면서도 간헐적으로 동작(일정 간격으로 송수신하는 것 이외에는 모두 슬립)해 수신시간을 매우 짧게함으로써, 동일 920MHz 대역의 특정 소전력 무선을 취급하는 기존 Wi-SUN(Wi-SUN Enhanced HAN의 엔드 디바이스 모드)에 비해 소비전류를 98% 이상 절감했다. 따라서 배터리 구동 가스 스마트미터와 수도 스마트미터 등을 10년 이상 작동시킬 수 있다[그림 8].

 

[그림 8] 동작과 소비전류의 비교

 

애플리케이션들의 혼재 속 고신뢰성 통신

송신기가 통신을 개시함에 있어, 일반적인 저소비전력 무선 통신에서는 연속으로 송신 동작을 실행하지만, Wi-SUN JUTA에서는 비콘을 인식할 때까지 수신 동작을 실행하며 그 사이 전파를 점유하는 송신 동작은 실행하지 않는다. 이로 인해 통신 횟수가 증가한 경우에도 전파 점유 시간이 늘어나지 않아, 안정된 통신을 실현할 수 있다[그림 9].

 

[그림 9] 통신 빈도에 대한 통신 성공률
[그림 9] 통신 빈도에 대한 통신 성공률

 

<로옴 무선 통신 모듈의 특징>

 

고신뢰성 메시 네트워크 구축

최대 4-Hop까지의 멀티홉 통신(중계 기능)을 지원하며, 고장과 같은 상황으로 인해 사용할 수 없는 경로가 발생할 경우, 송신처에 도달할 때까지 계속적으로 경로를 재구성하는 메시 네트워크를 구축할 수 있다.

 

보안 기능 내장

보안 기능을 내장해 무선 통신 모듈 측에서 통신의 암호화와 보안 키의 갱신을 지원한다. 즉, 호스트 측에서는 복잡한 처리를 할 필요가 없으므로 안전한 통신을 간단하게 실현할 수 있다.

 

Wi-SUN FAN

 

[그림 10] Wi-SUN FAN 모듈과 평가 보드(개발 중)
[그림 10] Wi-SUN FAN 모듈과 평가 보드(개발 중)

 

교토 대학 대학원 정보학과 히로시 하라다(Hiroshi Harada) 교수의 연구팀과 닛신 시스템(Nissin Systems), 로옴은 공동 개발을 통해 올해 1월에 Wi-SUN FAN 인증을 취득했다[그림 10, 11].

 

[그림 11] Wi-SUN FAN 인증서
[그림 11] Wi-SUN FAN 인증서

 

<Wi-SUN FAN 규격의 특징>

 

멀티홉·메시 네트워크에 대응

멀티홉·메시 네트워크는 일반적으로 사용되는 스타형 네트워크와는 달리, [그림 12]와 같이 여러 단계에 걸쳐서 디바이스에 접속해, 메시형으로 네트워크를 구축함으로써 넓은 범위를 커버하는 방식이다. 디바이스의 여유로운 배치에 따라 여러가지 경로를 확보할 수 있으며, 단일 장해물로 인한 시스템 전체의 장해를 방지함으로써 더욱 안전한 네트워크를 구축할 수 있다.

이를 위해 IETF의 오픈 사양인 RPL(IPv6 Routing Protocol for Low-Power and Low Network) 프로토콜을 채용하고 있다. RPL을 통해 근접한 디바이스를 자동으로 탐지해 메시 네트워크를 구축한다. 먼저, 통신 경로로 디바이스 대 디바이스가 교환하는 무선 통신 품질에 기반한 데이터를 수집하는 액세스 포인트인 경계 라우터(Border router)까지의 가상적인 거리 랭크(Rank)치를 계산한다. 그리고 랭크가 가장 작은 경로를 최적의 경로로 판단하고 통신을 실행한다.

설치 후의 지형 변화와 돌발적인 전파 장해가 있을 시, 다른 경로를 선택함으로써 안정된 시스템을 운용할 수 있다.

 

[그림 12] 멀티홉·메시 네트워크
[그림 12] 멀티홉·메시 네트워크

 

고도의 인증과 암호화 통신

RADIUS/AAA 서버에 의한 인증을 채택했으며, 인증 방식으로는 EAP-TLS를 사용한다. 접속되는 디바이스에는 클라이언트 인증서를 설정할 수 있다. 인가된 디바이스만 경계 라우터측에서 일원화해 관리되므로, 경로가 바뀌어도 각 디바이스의 설정을 변경하지 않아도 된다. 또한, 강력한 AES 암호를 사용해 안전한 통신을 지원한다. 클라이언트 증명서는 Wi-SUN 얼라이언스에서 지명한 ‘GlobalSign’이 발행하는 증명서를 사용할 수 있다. 본격적으로 시스템을 가동할 시 정식 클라이언트 증명서로 운용할 수 있도록 설계돼 있다.

 

주파수 호핑

일본의 경우, 50kbps 통신 시 922.40MHz(33ch)에서 928.00MHz(61ch)의 28ch, 150kbps 통신 시 922.50MHz(33, 34ch)에서 927.7MHz(59, 60ch)의 14ch 범위에서 각 디바이스는 채널 전환을 실행하면서 동작시킨다. 유니캐스트(Unicast) 통신의 경우, 각 디바이스 자체가 지닌 EUI-64의 MAC 어드레스를 키(Key)로, 브로드캐스트(Broadcast) 통신의 경우 의사 난수(Pseudo random number/擬似亂數)인 TR51CF(TR51 Channel Function) 또는 DH1CF(Direct Hash Channel Function)로 이용 채널을 계산하고, 일정한 주기로 채널을 전환하며 통신을 실행한다. 채널 전환은 시스템의 목적이나 운용에 따라 바꿀 수 있다.

또한, 전환 채널의 범위와 채널 마스크를 각 디바이스에 설정할 수 있어, 유연한 시스템을 구축할 수 있다. 주파수 호핑을 통해 전파 간섭이나 노이즈 등에 강한 시스템을 구축함과 동시에, 비익성(秘匿性)이 높은 통신을 할 수 있다. 현재의 전파법으로는 Wi-SUN FAN의 전파대에 있어서 1시간에 6분이라는 송신 제한이 있으나, 주파수 호핑을 통해 복수의 채널을 사용함으로써, 1시간에 12분 제한으로 완화된 법 개정이 계획돼 있다. 이 법이 시행되면 Wi-SUN FAN의 적용 범위가 더욱 확대될 것으로 예상된다.

 

향후 전망

로옴은 향후 Wi-SUN Enhanced HAN(BP35C0-J11)과 JUTA의 보급 촉진, Wi-SUN FAN 모듈의 개발·양산에 주력해 나갈 계획이다. 스마트미터 이외에도, 물류, 자산 관리·보안, 스마트 빌딩 등이 주목받고 있는 LPWA 시장에서, 적용 범위가 가장 넓은 Wi-SUN의 보급 촉진을 위해 노력하고 있다.

현재 로옴의 Wi-SUN Enhanced HAN 대응 무선 통신 모듈 ‘BP35C0-J11’과 Wi-SUN JUTA 대응 무선 통신 모듈은 일본의 전파법에 대응하며, 순차적으로 해외 상황에 대응해 나갈 계획이다. Wi-SUN FAN 대응 무선 통신 모듈은 현재 개발중이며, 내년 초 발표할 예정이다.

자료제공: 로옴 주식회사

 


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