[전자부품 전문 미디어 인사이트세미콘]

GSM 협회의 예측 결과와 같이 사물통신(M2M) 의 증가율은 사람과 기기간의 새로운 통신보다 훨씬 더 높으며, 셀룰러 네트워크를 통해 연결되는 사람의 수보다 더 많은 수의 기기가 곧 등장할 것으로 예상된다. 이러한 기기의 예로는 보안 시스템, 계량기, 로봇, 자동판매기(vending station), 자산 추적기(asset trackers) 및 비상 전화 시스템 등이 있다. 시간이 지날수록 이러한 기기의 종류가 다양해지고 있으며, 인간의 개입 없이도 수백만개의 기기가 밤낮으로 쉬지 않고 데이터를 교환하고 있다.

인터넷 접속은 더 쉬워지고, 그 비용 또한 저렴해지고 있으며, 대량 생산되는 컴퓨팅 기기는 그 어느 때보다도 많은 양의 데이터를 수집 및 처리할 수 있게 되었다. M2M 연결의 확대에 있어 40억 개 이상의 IPv4 주소들이 이미 할당되었다는 점은 하나의 잠재적 장애물이었지만 이 또한 IPv6의 도입 확산에 따라 점차 해소되고 있다. 이러한 IPv6주소로의 전환을 통해 2의 128제곱 개의 주소 지원이 가능하며 이는 지구상에 존재하는 모든 모래알 보다 많은 수의 주소 할당이 가능하다는 의미이다. 제 4세대 모바일 네트워크인 롱텀에볼루션(LTE)이 IPv6를 통해 데이터, 음성 및 비디오 등의 서비스를 전송하도록 설계되었다는 것은 잘 알려진 사실이다.

M2M 네트워크 혁신을 위해서는 기기에 작고 경제적인 (무선) 모뎀을 내장하는 것이 필요하다. 위치, 속도 또는 내비게이션 정보가 구축되어야 할 경우, 해당 기기는 GPS(Global Positioning System)또는 GNSS(Global Navigation Satellite System) 수신기를 내장해야 한다. 이 두 가지 컴포넌트는 안테나와 함께 휴대전화 보다 훨씬 더 작은 장치에도 쉽게 장착할 수 있다. GNSS는 지구 전체에 대한 자동 지리-공간 위치 측정 기능을 제공하는 위성 항법 시스템을 가리키는 표준 용어로 GPS(미국), 글로나스(러시아), 갈릴레오(유럽), 북두(중국) 및 기타 지역별 시스템을 포함한다.

통신 기능을 가진 기계를 장착하는 방법을 고려할 때는 해당 응용 사례의 필요성에 대해 먼저 생각해 볼 필요가 있다. 제품의 수명이나 지리적인 면에서 네트워크 커버리지 또는 향후 무선 네트워크의 업그레이드(2G에서 3G, 3G에서 4G로의 발전 등)를 고려하는 퓨처 프루핑(future-proofing) 등의 요인은 모두 중요한 고려사항이다. 무선 모뎀 선택 시 고려해야 할 제품의 특징은 다음과 같다.

① 배터리 수명은 결정적인 요인이다
배터리 충전 또는 교체 주기는 일부 제품의 성공에 있어서 중요한 요인이다. 일례로 컨테이너에 장착된 추적 장치는 항공 또는 도로 수송을 전제로 할 때, 충전 후 수 일간 사용할 수 있어야 한다. 해상 운송 시에는 수 주 동안 사용이 가능해야 한다. 이처럼 배터리의 수명은 용도에 따른 사용 기간을 지원할 수 있어야 한다. 일반적으로 휴대전화는 1회 충전으로 2~3일간 작동된다. 배터리 지속시간에 대한 보건 및 피트니스 관련 장치의 소비자의 기대 또한 이와 유사한 수준일 것이다. 이 애플리케이션에서 모뎀과 GNSS 수신기의 사양을 비교할 때 운영 및 대기 시의 전류 소비량은 모두 중요한 요인이 되며, 이에 따라 전력 소비를 경감시키는 기능이 중요해진다. 이러한 기능에는 자동 활성화 기능, 지능형 절전모드 (호스트 프로세서를 사용하지 않고 자동으로 데이터 로그를 수집하는 기능 등) 등이 있다. 필요할 때만 관련 컴포넌트를 동작시키는 것이 가장 이상적이다.

② 이동성은 다중 표준 준수를 필요로 한다
글로벌 이동성은 사람과 재화에 있어 증가하는 추세이다. 따라서 현재모뎀의 기능이 필요한 영역과 미래에 요구될 영역을 고려하는 것이 중요하다. GSM은 전 세계적으로 4개의 주요 주파수 밴드에 의해 지원되며 UMTS는 6개, LTE는 30개 이상의 주파수 밴드에 의해 지원된다. 전력량계(electricity meter)는 일반적으로 고정되어 있기는 하지만 자원 관리 시스템은 전 세계 모든 지역에 필요하므로 쿼드밴드(quad-band) 또는 듀얼밴드(dual-band), GSM(위치에 따라 결정) 또는 6-밴드 UMTS 중 하나를 포함해야 한다.

③ 인증된 모뎀은 제품 승인을 가속화 시킨다
GSM, UMTS 또는 LTE에 관계없이 모든 셀룰러 네트워크 장치는 규제, 산업 및 서비스 제공자(operator) 인증을 필요로 한다. 이러한 인증 절차는 해당 장치에 내장된 모뎀이 인증되었을 경우 더 간소화되면서 빠르게 처리된다.

④ 오늘 필요한 것이 내일 달라질 수도 있다
GSM/GPRS 네트워크는 원격 미터링 애플리케이션에서 전송되는 소량의 데이터를 완벽하게 처리하는 반면에, GSM 밴드는 이미 3G 및 4G 서비스에 재할당을 위해 고려되고 있다. 잠재적 비용의 절감 차원에서, 미래의 기술 표준을 고려해 설계를 실시한다는 발상은 좋은 전략일 수 있다. 이는 현재 UMTS/HSPA 또는 LTE 모뎀을 이용한 설계, 또는 최소한 하드웨어를 더 쉽게 업그레이드하기 위한 퓨쳐 프루핑을 의미한다.

내재설계(Nested design)로 기술 업그레이드 간소화
셀룰러 M2M 기술은 지속적으로 진화하고 있다. 셀룰러 통신이 가능한 새로운 장비를 설계할 때는 설계 비용의 최적화를 위해 해당 기술을 더 새로운 기술로 업그레이드할 수 있는지의 여부를 반드시 고려해야 한다. 또한 셀룰러 모뎀(GSM, UMTS, CDMA 및 LTE)의 전 영역에 걸쳐 레이아웃 호환성이 존재한다. 단일 출력된 서킷 보드 레이아웃이 서로 다른 모듈 내에서의 AT 명령어(AT command) 호환성 덕분이다. 셀룰러 기술과 모듈 세대간의 손쉬운 마이그레이션을 보증하는 다양한 최종 제품에서 단일 프린트된 서킷 보드 레이아웃, 그리고 서로 다른 모듈 간에 호환되는 AT 명령어를 통해 셀룰러 기술 및 모듈 세대간의 손쉬운 마이그레이션을 진행할 수 있다.

⑤ 대역폭 관련 요구사항은 증가 추세
추적 애플리케이션에 대한 대역폭 관련 요구사항이 증가 추세이다. 따라서 접속에 대한 생애주기 비용을 고려하는 것이 중요하다. 지금부터 향후 3-5년간에 걸친 용도와 기능성을 고려하여 모뎀을 선택하거나, 적어도 업그레이드가 가장 용이한 것을 선택해야 한다.

⑥ 자동차 분야의 특수 요구
자동차에 장착되는 시스템에 있어 온도, 습도 및 진동은 극단적인 조건이 될 수 있다. ISO/TS 16949하에 인증된 사이트에서 제조된 AEC-Q100의 자격을 갖춘 장치들은 신뢰성과 긴 수명을 보증할 수 있다. 각 컴포넌트에 대한 자격시험(qualification test)은 ISO16750(도로용 차량–전기 및 전자 장치의 환경 조건 및 시험)을 준수해야 한다. 이 표준은 선박 또는 철도 차량 등과 같이 까다로운 환경 조건에서 운영되는 차량 장착용 장치와 산업용 장비에 동일하게 적용된다.

⑦ 비상 전화 시스템 보급의 확대
사고의 보고 또는 도난 차량의 회수를 자동으로 지원하는 시스템이 점점 더 많은 차량에 장착되고 있다. 미국, 유럽, 러시아 및 브라질에서는 이러한 시스템을 지원하는 계획을 이미 수립한 바 있으며, 이러한 추세는 정부의 의무화 정책에 따라 더욱 확대될 것으로 전망된다. 상기한 애플리케이션과 아래 그림 3에 표현된 사례의 경우, ‘인-밴드(in-band) 모뎀’이 필요한 경우가 많다. 이것은 팩스가 전화 통신 네트워크를 통해 데이터를 전송하는 팩스와 유사한 방식으로 모뎀의 음성 채널을 통해 데이터를 전송한다. 무엇보다 모바일 네트워크에서서비스 제공자(operator)가 보이스를 데이터(voice over data)보다 우선시하기 때문에 필수적이다. 사고 발생 시 음성 채널은 비상 서비스에 데이터를 전송하기 위한 중요한 링크(crucial link)가 된다.

⑧ 도시 환경에서의 포지셔닝 지원
고층 건물로 인해 위성 신호가 차단될 수 있는 도시 지역 또는 도시 환경 내에서 위치 개요(positional overview)의 드롭아웃 현상은 원격 A-GPS 서버를 호출해 극복할 수 있다. 이는 무선 모뎀을 사용하여 인터넷으로 몇 바이트의 위성의 궤도 데이터를 다운로드 하는 단순한 과정이다. 데이터 지원이 이루어질 경우, 가시 위성들은 위치 계산을 위한단 몇 초간만가시성을 확보하면 되며 일반적으로 1500 비트의 위성 프레임을 수신하는 데에 소요되는 30초가 걸리지 않는다. 포지셔닝(GPS) 수신기 공급사가 유효한 온라인 지원을 제공하는지 여부와 관심 지역이 포함되었는지를 확인해야 한다. 클라이언트 소프트웨어는 해당 서비스를 투명하게 지원해야 하며 포지셔닝 수신기와 무선 모뎀 모두 해당 서비스 지원을 위한 인터페이스를 제공해야 한다. 또한 서비스가 GPS와 글로나스에서 모두 지원되는지 여부의 중요성도 점차 증가하고 있다.

⑨ 센서 제공 위치 추적 데이터를 이용한 추측 항법(Dead reckoning) 지원
위성 신호는 추측항법 지원을 통해 보완될 수 있다. 추측항법 지원 기능은 차량의 센서에서 제공된 데이터를 토대로 그 위치와 속도를 추정하는 기능이다(그림 4 참고). 이 접근법은 터널처럼 위성 신호 수신이 일시적으로 차단되는 지역에서 차량의 위치를 판단하는 데에 도움을 준다. 추측항법은 실제 위치와 방향 및 속도를 정확하게 기록하는 보험 추적 시스템 (insurance tracking systems)을 포함한 차량 기반 텔레매틱스(vehicle-basedtelematics)에서 유용한 역할을 한다. 포지셔닝 수신기가 오토모티브 그레이드가 맞는지, 추측항법을 지원하고 CAN 버스에 장착해 데이터 수신이 가능한지를 확인해야 한다. 또한 자이로 및 주행거리계와 같은 차량용 센서와의 직접적인 인터페이스, 해당 공급사는 제품 개발을 가속화하기 위한 평가 환경을 제공해야 할 것이다.

⑩ 위성과 셀룰러 데이터의 결합을 통한 실내 위치 추적
근사 추정된 실내 위치 정보가 필요할 때, 위성 수신기와 무선 모뎀을 결합시키면 벽체 또는 기타 장애물에 의한 위성 신호 수신 문제를 극복할 수 있다. 이러한 하이브리드 솔루션은 2G 또는 3G 셀의 가시성을 이용해 UTMS 신호가 벽체를 쉽게 통과할 수 있다. 가시성을 가진 모바일 셀의 경계가 알려진 경우, 근사 추정된 위치는 해당 셀들이 서로 겹쳐지는 영역을 식별하여 계산된다. 이러한 접근법은 어시스티드 포지셔닝(assisted positioning)과 유사하게 외부 서비스에 대한 무선 연결을 필요로 한다.

⑪ 포지셔닝 시스템의 호환성
최근까지 GPS는 대체제가 없는 유일한 위성 항법 체계였다. 그러나 이제는 러시아의 글로나스, 일본의 QZSS, 중국의 북두 및 유럽의 갈릴레오 또한 선택이 가능하다. GPS 및 최소 하나 이상의 다른 위성 체계와의 호환성은 시스템의 신뢰성과 정확성의 담보와 자체 시스템과의 호환성에 대한 각 지역 및 정부의 의무사항 준수를 위해 반드시 필요한 조건이라 할 수 있다. 두 가지의 체계를 동시에 사용하는 병행 운영 조건 또한 사양으로 자리 잡을 수 있다. 글로나스와의 호환성이 필수인 러시아의 새로운 ERA-글로나스 차량 비상 전화 시스템은 좋은 예이다. 다중 GNSS 지원 기능을 제공하며 GPS/글로나스나 GPS/북두 수신을 동시에 지원하는 GPS/GNSS 수신기를 사용하는 것이 좋다.

앞에서 언급된 사항은 M2M 제품에 무선 연결통신을 구성할 때 고려해야 하는 부분의 극히 일부이다. 무선 및 포지셔닝 기술 분야에서는 많은 표준이 변화하고 있다는 점을 기억하기 바란다. 제안하는 제품이 그 수명 동안 운영될 수 있는지, 해당 제품이 어떤 시장에 적용될 지 고려하는 것은 중요하다. 차세대 성능과 네트워크 커버리지에 대한 지원 기능을 설계 단계에서 포함할지 실제 사용 중에도 제품의 업그레이드가 용이하도록 설계하는 것을 선택할지 여부 또한 고려해야 한다.

스테파노 모이올리 유블럭스 셀룰러 제품 담당 이사, 토마스 니스 유블럭스 포지셔닝 제품 전략 담당 수석이사