일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2022.2.2

싸고 멀리까지 도달하는 IoT 무선 ‘LPWA’
무선 LAN 'Wi-Fi HaLow'와 100km 전송 가능한 'ELTRES'
IoT 무선의 LPWA는 다종 다양

LPWA(Low Power Wide Area)가 겨냥하고 있는 산업용 IoT(사물인터넷) 시장에는 여러 가지 용도가 있다. 이 때문에 LPWA의 규격도 다양하다. 그 중에서 대표적인 규격의 기술적인 사양과 최신 동향을 설명한다.

LPWA 규격 중에서 신규 참가라고 할 수 있는 것이 ‘Wi-Fi HaLow’다. 규격 자체는 16년에 'IEEE 802.11ah(이하 802.11ah)'로서 책정되었지만 대응 제품이 좀처럼 나오지 않았다.

그러나 2021년 11월에 Wi-Fi Alliance가 인증 프로그램을 시작함으로써 이제 곧 일반용 대응 제품이 판매된다. 일본에서는 이르면 22년 상반기에 이용할 수 있을 전망이다. 인증 프로그램은 시작된 지 얼마 되지 않았지만 이미 다양한 시작기가 만들어졌다.

Wi-Fi HaLow는 고속화를 목표로 하는 기존의 IEEE 802.11 시리즈와는 다른 방향성으로 규격화되었다.

한편으로 802.11 시리즈의 색채도 남기고 있다. 예를 들면 서비스의 제공 형태가, 이용자가 자기 부담으로 게이트웨이(기지국)를 준비하는 프라이빗형인 점이나 MAC층보다 위의 층에서는 802.11ac를 그대로 사용하는 점이다. 즉 Wi-Fi HaLow는 LPWA로서는 드물게 IP로 통신할 수 있다.

Wi-Fi HaLow의 특징 중 하나가 LPWA로서는 통신 속도가 고속이라는 점이다. 일본에서는 920MHz대의 단위 채널(대역폭은 200kHz)을 5개 묶은 1MHz 채널을 사용할 경우, 최대 4.44M비트/초가 된다. 이 성능에 의해 용도가 확대된다고 한다.

일본에서 실용화를 추진하는 802.11ah 추진협의회의 운영위원을 맡는 호조(北條) 씨는 “감시카메라의 정지 이미지를 전송하는 용도 등을 전망할 수 있다”라고 설명한다.

네트워크의 접속 형태는 스타형과 트리형에 대응한다. 통신 거리는 1km 정도지만, 단말과 기지국 사이에 중계기를 둠으로써 트리형으로 해서 커버하는 구역을 확대할 수 있다. 다만 단말기간 릴레이 통신에는 대응하지 않는다.

무선 LAN의 자산을 많이 유용할 수 있는 것도 특징이다. 802.11ah는, 802.11ac의 물리층의 동작 클록 주파수를 10분의 1로 다운클럭한 규격이므로 무선 모듈의 반도체 제품을 제로에서 설계할 필요 없이 저가로 만들 수 있다고 한다. 또한 MAC층보다 위의 층도 기본적으로 802.11ac와 같다.

이 때문에 기존의 TCP/IP 프로토콜 스택 등을 사용할 수 있으며, Wi-Fi에서의 최신 보안 방식인 WPA3에도 대응하고 있다.

-- 국산화가 진행되는 ZETA --
‘ZETA’는 영국 ZiFiSense가 개발한 프라이빗형 규격이다. 현재는 주로 중국에서 이용되고 있지만, 일본에서도 NTT도코모나 돗판인쇄 등 약 120개(21년 10월 시점)의 기업이 추진 단체 ‘ZETA Alliance’에 참가하는 등 활동은 활발하다.

19년에 돗판인쇄가 무선 모듈 양산을 시작했고, 21년 10월에는 소시오넥스트(Socionext)가 무선통신용 반도체 제품을 선보이는 등 국산화 움직임도 활발하다.

ZETA는 2kHz라는 협대역(UNB) 신호를 사용함으로써 다른 통신의 간섭을 쉽게 받지 않도록 하고 있다. 다른 통신이 사용하고 있는 주파수 대역의 ‘틈새’를 사용하는 이미지다. 마찬가지로 UNB를 사용하는 LPWA 규격의 ‘Sigfox’와 같은 컨셉트로 보여진다.

ZETA의 통신 거리는 10km 정도지만, 단말과 기지국 사이에 중계기를 둠으로써 커버 범위를 확대할 수 있다. 단말간 릴레이 통신에는 대응하고 있지 않지만 중계기에 의한 메쉬형 네트워크를 구축하는 것이 가능하다. 최대 4홉(hop)에 대응하고 있다. 중계기는 배터리 구동으로 기지국보다 저가다.

ZETA는 MAC층에서 용도에 따른 'ZETA-P', 'ZETA-S', 'ZETA-G', 'ZETA-L'이라는 4종류의 프로토콜을 규정하고 있다. 통신 속도는 ZETA-P가 300비트/초, ZETA-S와 ZETA-G가 600비트/초, ZETA-L은 2.4k비트/초이다.

ZETA의 물리층에서는 디지털 신호를 전파로 변환하는 변조 방식으로서 FSK(Frequency Shift Keying)를 사용하는데 ‘Advanced M-FSK’라는 새로운 방식에 대한 대응도 추진되고 있다. 이 방식을 사용함으로써 ZETA의 수신 감도나 통신 속도를 높일 수 있다고 한다.

-- 최대 20홉에 대응하는 Wi-SUN --
‘Wi-SUN(Wireless Smart Utility Network)’은 전세계에서 240개 이상의 기업 및 조직이 참여하는 ‘Wi-SUN Alliance’가 표준화를 추진하고 있는 프라이빗형 규격이다. 물리층에 차세대 전력망 전용 규격 ‘IEEE 802.15.4g’, MAC층에는 센서 네트워크 전용 규격 ‘IEEE 802.15.4/4e’를 사용한다.

Wi-SUN Alliance에서는 ‘HAN(Home Area Network)’ ‘FAN(Field Area Network)’ ‘RLMM(Resource Limited Monitoring and Management)’ ‘JUTA(Japan Utility Telemetering Association)’와 같은 용도에 따른 4종류의 프로파일 책정이 추진되고 있다.

이들 중에서도 먼저 활용되고 있는 것이 HAN과 JUTA이다. HAN은 일본의 대형 전력회사 10곳의 전기 미터에 채용되었고, 6000만대 이상(20년 3월 시점)에 탑재. JUTA는 도쿄가스의 가스 미터에 탑재되고 있다.

Wi-SUN Alliance가 다음으로 보급시키려는 것이 FAN이다. 21년 1월에 롬(ROHM)이 무선 모듈의 반도체 제품 ‘BP35C5’를 발매했고, 미국 Silicon Labs의 반도체 제품 ’EFR32xG12’가 21년 6월에 Wi-SUN Alliance에 의한 FAN의 인증을 취득하는 등 제품화 움직임이 활발하다.

Wi-SUN의 통신 거리는 1km 정도지만, FAN은 멀티 홉 기능을 갖추고 있다. 최대 20홉에 대응하고 단말기간 릴레이 통신으로 커버 범위를 확대할 수 있다. 통신 속도는 50k비트/초, 100k비트/초, 150k비트/초, 300k비트에서 고를 수 있다. 자세한 내용은 공개하지 않았지만 통신속도를 2.4M비트/초로 높인 차세대 사양의 책정도 추진되고 있다.

-- 100km 이상 통신 가능한 ELTRES --
ELTRES는 소니가 IoT용으로 개발한 규격이다. 네트워크의 접속 형태는 스타형이고, 서비스의 제공 형태는 캐리어형과 프라이빗형 양쪽에 대응하고 있다. 일본에서는 캐리어형으로 Sony Network Communications가 19년부터 서비스를 제공하고 있다.

단말기에서 기지국으로의 상향 통신에만 대응하며, 통신속도도 80비트/초로 저속이다. 그러나 전망이 좋으면 100km 이상의 장거리 통신을 할 수 있다.

전파를 전송하는 단말(송신기)이 시속 100km 이상으로 이동하고 있는 상태에서도 통신이 가능하다. 또한 1일 1회 정도의 데이터 전송이라면 1,000mAh(밀리암페어시)의 코인 배터리 1개로 약 10년간 작동하는 전력 절약성도 갖추고 있다.

ELTRES에서는 이러한 사양을 실현하기 위한 아이디어가 활발하다. 그 하나가, GPS 등의 GNSS(위성을 이용한 측위 시스템) 신호를 사용한 동기(同期) 시스템이다. ELTRES의 모든 전송용 모듈과 기지국(수신기)은 GNSS용 수신기를 갖추고 있다.

일반적인 통신에서는 송신기가 데이터를 보내기 전에 ‘앞으로 데이터를 전송한다’라고 알리는 신호(프리엠블 신호)를 수신기에 보낸다. 그리고 이 신호를 사용해 주파수의 편차도 보정한다.

“ELTRES에서는 프리앰블 신호를 사용하지 않는다. GNSS의 시각 정보를 기본으로 송수신의 타이밍을 맞춰서 주파수의 편차도 보정한다”(ELTRES를 개발한 Sony Semiconductor Solutions IoT솔루션사업부 기타조노(北園) 주임기사).

구체적으로는 송신기로 보내는 데이터가 있을 때는 8밀리초마다 전송한다. 수신기는 8밀리초마다 송신기에서 보내는 전파가 도달했는지를 확인한다. 또한 원자시계라고 하는 고정밀도 주파수원을 갖는 GNSS 신호를 사용해, 송수신기의 주파수 편차도 보정한다. 송신마다 프리앰블 신호를 제거함으로써 전송 시간이 짧아지고, 소비 전력을 억제할 수 있다.

ELTRES 송신기는 같은 데이터를 반복해 4회 전송한다. 이를 통해 수신 감도를 높인다. 수신기 측에서 4개의 신호를 합성하기 때문에 일부 신호가 노이즈로 판별 불능이 되거나 다른 값이 되더라도 신호를 복원할 수 있다.

또한 전송 데이터 사이에 ‘동기 비트’라고 부르는 정보를 정기적으로 삽입해 고속 이동에 대응하고 있다. 이 정보를 바탕으로 이동에 의한 전파의 수신 레벨 변동을 수신기 측에서 추정해 보정한다.

 -- 끝 --

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