IoT 성장의 열쇠는 안정적인 통신

2017-08-03
IoT 성장의 열쇠는 안정적인 통신

글. 마이클 달튼(Michael Dalton), 아나로그디바이스
 
IT 리서치 기업 가트너(Gartner)에 따르면, 사물인터넷(IoT) 장치의 수가 매일 550만 개씩 늘어, 2020년까지 208억에 달할 것으로 예상된다. 이러한 폭발적인 성장세를 고려했을 때, 이 모든 장치들을 연결하고 이들 사이의 통신을 가능케 하는 인터넷을 점검해보지 않을 수 없다. 이들 장치 간에 안정적인 무선 연결을 구축하는 것은 IoT 분야에서 해결하기 아주 어려운 문제 중 하나로 꼽히고 있다. 통신 시스템의 안정성은 두 가지 주요 구성 성분인 무선 트랜시버와 통신 마이크로컨트롤러의 성능으로 정의될 수 있다. 이 글에서는 아나로그디바이스의 부품과 솔루션으로 시스템 수준의 안정성을 최대화함으로써, 임무 수행에 필수적이며 큰 파급효과를 일으키는 품질, 데이터 무결성, 통찰력을 보유한 어플리케이션을 구현하는 방법을 살펴본다.
 
지금 좋은 상태라는 것이 충분한 것을 의미하진 않는다
기존 소비자 가전용 무선 연결 기술이 산업 및 의료 시스템의 성능 요구를 언제나 충족시킬 수 있었던 것은 아니다. 이러한 시스템에서는 안전, 정확성, 시간 민감도 등의 우선 순위가 서로 다르기 때문에 더 높은 안정성이 필요하다. 무선 시스템이 이러한 요건을 거의 충족시키고 있지만, 배터리, 비용, 데이터 처리율 등이 적합하지 않은 경우도 많다. 물론 오늘날 틈새 산업용 및 군용 시스템 중에는 극단적일 정도로 안정성이 강화된 시스템도 존재한다. 그러나 이들 시스템은 안정성을 최우선 순위로 두도록 설계되었기 때문에, 비용은 그 우선 순위에서 한참 밀려나기 마련이다. 산업용 IoT에서 해결해야 하는 문제는 이 정도로 높은 안전성 수준을 훨씬 낮은 시스템 비용으로 제공하는 것이다. 무선 성능을 추가해 시스템의 효율성을 향상시키는 경우와 연결 안정성을 중요하게 다루는 경우를 몇 가지 살펴보자.
 
스마트 공장: 4차 산업혁명을 위한 제조 공정 제어
제조 분야에서 서로 네트워크 상에서 연결된 장치들이 가지는 주요 장점은 생산성을 향상시킬 가능성이 있다는 점이다. 생산성 향상을 위해서는 생산 라인에 있는 다양한 장치들을 무선으로 제어해 보정할 수 있도록 해야 하는 경우가 많다. 그 예로, 화학 제조 공정에서 보일러 작동을 위해 사용되는 제어 밸브가 있다. 이러한 밸브를 즉각적이고 자동적으로 제어할 수 있으면 공정의 다른 과정에서 받은 피드백을 기반으로 실시간 보정이 가능하기 때문에 효율성이 전반적으로 상승한다.   
 
스마트 헬스케어: 활력 징후 모니터링
병원 및 보육시설은 무선 연결을 통해 환자의 활력 징후를 모니터링하는 것을 고려 중에 있다.  구식 유선 솔루션은 로컬 게이트웨이를 통해 연결되는 무선 센서 패치로 대체될 수 있다. 이러한 시스템을 사용하면 환자 모니터링의 효율을 높이는 한편, 의료 담당자에게 가해지는 부담을 줄일 수 있다.
 
스마트 시티: 긴급 상황 대처를 위한 사건 감지
이미지와 음향을 감지하고 처리하는 최신 장치를 사용하면, 공용 공간에 설치된 가로등 같은 시설물들은 높은 신뢰도로 차량 충돌 및 범죄 활동을 감지할 수 있다. 이러한 정보는 무선 통신을 통해 위치 정보와 함께 적절한 기관으로 전송되어 긴급 상황에 대한 빠른 대처가 가능해진다.


복잡한 환경에서 안정적인 무선 연결을 구축할 때 고려되어야 하는 과제들

RF 신호 전달 장애로 인한 패킷 손실
앞에서 언급한 각각의 사례들은 무선 통신에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 나름의 환경적인 문제들이 있다. 공장의 철골 구조 및 두꺼운 벽은 RF 신호의 세기를 약화시키는 커다란 장애물이며, 이때 신호는 대상이 되는 장치에 도달할 수 없을 정도로 약해질 수도 있다. 신호 품질이 어디까지 저하될 수 있는지는 대상이 되는 장치에 사용되는 무선 장치의 수신기 감도에 따라 결정된다. 감도가 단 2dB만 변하더라도 신호의 수신 성공 여부가 달라질 수 있다. 통신 시스템 설계자는 무선 장치를 선택할 때 수신기의 감도를 중점적으로 고려해야 한다.  
 
밀집된 주파수 대역으로 인한 패킷 손실
연결 장치는 해당 지역의 관련 ISM 대역에서 작동되는 것이 보통이다. ISM 대역은 라이선스 없이 무선 연결이 필요한 다양한 어플리케이션에서 사용될 수 있다. 2.4GHz이 세계 표준이며, Wi-Fi와 블루투스® 장치에서 널리 사용된다. 또한 sub-1 GHz 대역에서 사용할 수 있는 ISM 스펙트럼도 존재하는데, 이들 대역은 보통 IoT 어플리케이션 용으로 사용된다. ISM 대역은 유럽에서는 868MHz, 미국에서는 915MHz을 중심으로 하는데, 여러 장치가 가까운 곳에 있으면서 동일한 ISM 대역을 함께 사용하면 전송 장치가 주변의 수신 장치에 간섭을 일으켜 문제가 발생할 수 있다. 그 대표적인 예로 동일한 ISM 대역을 공유하는 수많은 장치가 사용되는 공공 병원이 있다. 그러한 간섭원이 있을 때 무선 장치의 작동 성능은 차단 사양으로 측정된다. 이 경우 문제는 해당 ISM 대역 내에서 작동하는 장치에만 국한되지 않는데, 주변에서 작동하고 있는 휴대전화나 태블릿의 차단 성능이 충분하지 않으면 시스템 상에서 통신 유실이 발생할 수 있기 때문이다. 이를 해결하기 위해 군용 및 항공우주용 어플리케이션의 경우 고비용 부품을 사용해 간섭 효과를 줄인다. 앞에서 언급한것처럼  업무 수행에 필수적인 데이터에 사용되는 무선 장치는 군 및 우주항공 어플리케이션과 비슷한 성능을 내야 하지만, 외부 부품을 추가해 비용이 높아지는 일은 피해야 한다. 그러한 무선 장치는 주변에서 작동하는 여러 간섭원이 있는 상태에서 메시지를 계속 수신한다. 
 
환경적인 요인으로 인한 성능 저하
무선 트랜시버는 작동 환경에 따라 성능 변화가 일어나기 쉬운 공정에 사용된다. 이러한 변화에는 온도 변화, 배터리 방전으로 인한 공급 전압 하락, 실리콘 공정상의 변화로 인한 장치간의 차이 등이 포함된다. 이처럼 실생활에서 발생하는 문제들은 장치의 작동 안정성에 변화를 유발할 수 있다. 가로등에서 작동하는 긴급 상황 대처 시스템을 감지하는 상황을 한 번 생각해 보자. 추운 겨울 날씨는 장치의 출력 전압을 떨어뜨리거나 수신기 감도를 저하시켜, 특정 상황에서 통신의 성능이 나빠지는 현상이 발생할 수 있다. 소비자 가전의 경우, 극한 상황에서 사용되는 경우가 드물기 때문에 크게 문제가 되지 않는다. 통신의 성능이 나빠지는 현상이 발생한다면 해당 제품의 이미지만 나빠지며, 문제가 있는 제품을 교환하기 위해 서비스 센터로 전화하는 수고가 필요하다는 정도다. 그러나 이는 긴급 상황 대처 시스템에서는 용납될 수 없는 일일 수도 있다. 시스템 설계자는 감지용으로 선택한 부품과 통신 시스템이 변화하는 환경 조건에서도 안정적으로 작동할 수 있도록 해야 한다.
 
메모리 변질로 인한 뜻밖의 상황 발생
안정성 역시 통신 마이크로컨트롤러에 중요한 사항이다. 안정성이 매우 뛰어나더라도 플래시 메모리와 비휘발성 메모리 모두 때때로 변질될 수 있다. 메모리 변질은 작동 환경으로 인해 의도치 않게 일어날 수도 있고 악의적인 하드웨어 해킹을 통해 의도적으로 발생할 수도 있으므로, 마이크로컨트롤러에는 매커니즘과 관계 없이 메모리의 변질이 언제 발생했는지를 파악하는 데 필요한 무결성 기능이 반드시 탑재되어 있어야 한다. 일단 메모리가 변질되었음이 확인되면, 마이크로컨트롤러는 오류를 수정하거나 장치를 정지시켜 광범위한 시스템의 보안이 손상되지 않도록 해야 한다. 
 
아나로그디바이스 – 안정성을 위한 설계
아나로그디바이스는 지난 50년 간 이러한 문제를 해결할 수 있는 안정적인 솔루션을 설계해 왔다. 매우 안정적인 산업용 IoT 시스템에 필요한 요건은 완전히 새로운 것이 아니다. ADF7030-1 초저전력, sub-GHz ISM 대역 무선 장치와 ADuCM3029 Cortex®-M3 마이크로컨트롤러가 보유한 성능 수준과 기능을 사용하면 가장 안정적인 통신 연결이 가능하다. ADF7030-1은 업계 최고 수준의 수신기 감도 성능을 보유한 무선 장치인데, 보통 다른 무선 장치보다 3dB 낮은 세기의 무선 신호까지도 수신할 수 있다.  경쟁 제품이 수신할 수 있는 신호 세기의 절반에 못 미치는 신호까지 수신 가능하다. 100dB가 넘는 세기의 신호에서 업계 최고 수준의 차단 성능을 자랑하는 ADF7030-1은 군용 및 항공우주 장치에 버금가는 뛰어난 수준의 간섭 회복력을 제공하면서도, 비싼 외부 부품을 추가로 사용할 필요가 없다. 이를 통해 수치가 향상되고 가장 잡음이 많은 RF 환경에서도 통신이 유지된다. 아나로그디바이스는 수십 년에 걸쳐 업계를 선도하는 제조업체들과 이룬 협력을 통해 무선 트랜시버에 영향을 미치는 실제 환경 요소를 해결하는 방법을 개발해왔다. 그 예로, ADF7030-1을 사용하는 장치에서 전송되는 출력 세기는 전체 작동 온도 범위에서 0.2dB 단위로 변할 수 있다. 이는 아나로그디바이스 고유의 무선 설계 방식 덕분에 가능해졌다. 다른 경쟁 제품의 경우 전체 온도 범위에 따른 출력 세기가 최고 2dB에 달하는 경우도 있다.
 
ADuCM3029는 플래시 및 ECC 패러티 검사를 하도록 설계되어 메모리 변질로 인한 오류를 찾아내 보정한다. 또한 ADuCM3029는 대기 모드에서 배터리를 모니터링하는 기능 역시 내장되어, 예기치 못한 전압 강하를 감지할 수 있고 악의적인 위험 및 전력 공급 문제가 발생했을 때 이에 대한 경고를 프로세서에 전달할 수 있다. 이 경우 장치는 관리자에게 경보를 알리거나 더 광범위한 시스템이 위험에 처하지 않도록 안전 모드로 전환하는 방식 중 적합한 조치를 취할 수 있다. 아나로그디바이스가 개발한 기술은 데이터 감지에서 측정, 해석, 연결에 이르는 모든 IoT 신호 체인 단계에 사용된다. 이러한 신호 체인에서 생성된 정보의 품질과 무결성을 보증하는 것이 설계의 핵심적인 원칙이며, 진정한 IoT 잠재력을 만족시키는 데 필요한 기본적인 요건이다. 
 
저자에 대하여
마이클 달튼(Michael Dalton)은 아나로그디바이스 IoT 그룹의 제품 마케팅 매니저이다. 그 전에는 ADI의 초저전력 RF 트랜시버를 지원하는 RF 어플리케이션 팀에서 5년 간 근무했다. 2007년, 아일랜드 국립대학교에서 전자공학 학사학위를 취득했다.
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