IoT를 위한 Sub-GHz 무선 MCU 및 구성 요소

작성 날짜: 2021/11/15 월요일
업데이트 날짜: 2024/07/1 월요일

최근 몇 년 동안 IoT 기기의 사용이 대폭 증가했으며, 이는 주로 산업 생산, 인프라, 홈 자동화, 스마트 미터, 웨어러블 전자기기와 같은 분야에서 배경적으로 일어나고 있습니다. 소비자 영역에서 IoT 기기는 대부분 WiFi나 Bluetooth를 통해 짧은 범위의 실내 네트워크에 연결됩니다. 오늘날 더 많은 기기들이 저주파 프로토콜을 통해 장거리로 통합되거나 동일한 기기에서 고주파와 저주파 프로토콜을 혼합하는 하이브리드 접근 방식을 취하고 있습니다. 이 모든 것을 하나로 모으는 것은 여러 무선 프로토콜과 디지털 처리, 내장형 애플리케이션의 융합을 포함합니다.

우리가 이미 Bluetooth, WiFi, 셀룰러 및 기타 2.4 GHz ISM 대역 옵션과 같은 많은 유용한 프로토콜을 가지고 있는데, 이 시스템에서 sub-GHz 무선에 지속적으로 초점을 맞추는 이유는 무엇일까요? Sub-GHz 무선은 그 자체의 장점이 있으며, IoT 서비스 제공업체들로부터 이러한 제품에 대한 지원이 훨씬 더 많습니다. 이 모든 것은 개인 네트워크 아키텍처를 구축하고 기지국을 통해 클라우드 서비스에 연결하거나 기존 무선 통신사를 통해 클라우드 서비스에 접속하기가 훨씬 쉽다는 것을 의미합니다. 미국에서는 주요 통신사들이 이제 그들의 네트워크를 통해 IoT 서비스를 제공하며, 주요 클라우드 서비스 제공업체를 사용하여 IoT 하드웨어와 연결되는 자체 클라우드 서비스 플랫폼을 설정할 수 있습니다.

결국, 만약 여러분이 보드에 sub-GHz 프로토콜을 올릴 수 없다면, 장거리 저전력 무선 통신과 이러한 프로토콜이 가능하게 하는 서비스를 활용할 수 없습니다. 이 글에서는 널리 인식되는 sub-GHz 대역 내에서 저전력, 장거리 무선 연결성에 대한 몇 가지 주요 고려 사항을 살펴볼 것입니다.

Sub-GHz 무선 옵션 선택

Sub-GHz 무선 연결성을 갖춘 IoT 제품을 구축하는 것은 이러한 주파수를 지원할 수 있는 칩셋을 선택하고 IoT 네트워크에 원하는 무선 프로토콜을 구현하는 것을 요구합니다. 초기에 IoT 기기에 사용된 MCU는 이러한 기능을 포함하지 않았으며, 전용 모듈이 필요하거나 기기 애플리케이션에서 에뮬레이션을 요구했습니다. 오늘날에는 여러 sub-GHz 프로토콜을 지원하는 여러 칩셋과 완전히 통합된 MCU가 있습니다. 이러한 제품 중 일부는 2.4 GHz 범위의 더 높은 주파수 ISM 대역과 가능하다면 최대 5 GHz까지의 WiFi도 지원할 것입니다. IoT 프로토콜 선택의 기본 사항에 대해 여기에서 더 읽어볼 수 있습니다.

다양한 표준과 프로토콜의 혼합은 설계에서 사용 가능한 주파수를 결정할 것이며, 이는 전력 소비의 주요 동인이 될 것입니다. 유선 또는 무선 네트워킹 프로토콜을 선택할 때, 데이터 속도는 보통 주요 고려 사항입니다. Sub-GHz 무선에서는 이러한 프로토콜의 낮은 전력 소비와 이러한 주파수에서 가능한 장거리가 주요 장점입니다. 따라서, 네트워크의 최종 기기에 대해 장치 수명과 통신 범위 요구 사항을 애플리케이션에 맞추는 것이 일반적으로 더 중요합니다.

범위와 전력의 균형

고주파와 저주파 프로토콜은 감쇠와 전력 소비라는 두 가지 주요 측면에서 차이가 있으며, 이는 그들의 이상적인 응용 분야를 결정합니다. 일반적으로 낮은 주파수는 낮은 전력 소비와 더 긴 범위에 해당하므로, 서브-GHz 프로토콜은 이러한 IoT 응용 프로그램에 이상적입니다. 저주파 전송은 또한 언덕, 건물 등과 같은 장애물에 대한 문제가 적으므로, 이러한 장거리 능력은 중계기 사이트와 기지국의 필요성을 없앱니다. 이를 5G 출시의 다음 파도와 대조해보면, 최종 사용자에게 서비스를 제공하기 위해 미니 기지국을 구현해야 합니다.

주어진 거리와 전송 주파수(정확히는 파장)에 대한 송신기의 전력 요구 사항을 추정하기 위한 간단한 방법은 Friis 경로 손실 공식을 사용하는 것입니다. 이 공식은 전송 주파수(또는 파장)와 범위 사이의 트레이드오프를 보여줍니다:

여기서:

Pr = 수신된 전력
Pt = 송신된 전력
Dt = 송신기의 지향성
Dr = 수신기의 지향성
d = 송신기와 수신기 안테나 사이의 거리
λ = 전송 파장

효과적으로, 수신기의 감도(단위 dBm으로 지정)를 알고 있다면, 주어진 파장과 시야 거리에 대한 필요한 송신기 전력을 결정할 수 있습니다. 일반적으로, 전송 범위를 두 배로 늘리려면 무선 링크의 전력 예산을 6 dB 증가시켜야 합니다. 또한, 주파수를 두 배로 늘리면 수신된 전력이 6 dB 감소한다는 것을 알 수 있습니다. 이러한 모든 것은 두 안테나 사이의 시야 전송에 따른 이상화된 요소입니다. 실제 시나리오에서 배치된 장치는 흡수, 다중 경로 전파 및 반사, 심지어 날씨로 인한 손실을 경험할 것입니다. 따라서 제한된 범위의 가능성을 고려하여 시스템에 현실적인 안전 여유를 확보하는 것이 중요합니다.

서브-GHz 칩셋에 대한 중요 사양

범위와 전송 주파수는 서브-GHz IoT 장치 설계에서 주요 고려 사항이지만, 이러한 설계에서 고려해야 할 몇 가지 다른 사양이 있습니다.

전력 소비

서브-GHz 무선 제품(그리고 다른 모든 무선 제품)은 특정 범위 사양을 가지지 않거나, 가지더라도 그것은 단지 추정일 것입니다. 그들은 주어진 전류에 대한 전력 출력 값을 EIRP 값(등방성으로 방사된 동등한 전력, 단위는 dBm)으로 가질 것입니다. 지향성/이득이 1보다 큰 안테나는 지향 전송에 사용될 수 있으며, 데이터 전송에 필요한 전력 소비를 줄이는 데 사용될 수 있습니다. 대기 전류가 낮고 저전력 모드 및 깨우기 타이머가 있는 시스템을 사용함으로써 전체 시스템 전력 소비를 더욱 줄일 수 있습니다. 이러한 모든 요소를 고려하면, 전력 소비를 최소화하고 장치를 동전 셀 배터리로 10년 이상의 총 유용 수명을 가지도록 설계할 수 있습니다.

수신기 감도

위에서 언급했듯이, 수신기의 감도와 전송 주파수가 시스템의 범위를 결정합니다. 더 큰 대역폭을 가진 채널은 더 민감한 수신기를 요구할 것이며, 이는 여러분의 sub-GHz 링크에서 범위를 제한할 수 있습니다. 이를 보완하기 위해서는 전송 전력을 증가시키거나, 범위를 제한하거나, 낮은 데이터 속도를 사용하거나, 또는 여러분의 애플리케이션에 다른 프로토콜로 이동하는 것이 필요할 수 있습니다. 안테나의 이득/지향성도 여기에서 역할을 하며, 낮은 감도를 방향성 전송을 통해 보상하여 네트워크상의 장치들 사이에서 보상할 수 있습니다.

변조 및 공존 고려사항

ISM 대역 프로토콜의 특정 부분이 공존 문제를 경험할 수 있는 것처럼, sub-GHz 대역도 채널 간의 간섭을 경험할 수 있습니다. Sub-GHz 프로토콜은 일반적으로 키잉 변조 방식(FSK, ASK, OOK 등)을 사용합니다. 경우에 따라, 스펙트럼 확산 메커니즘이 채널 대역폭을 증가시키기 위해 사용되며, 이는 데이터를 더 높은 비트율로 인코딩하거나 주파수-홉핑 스펙트럼 확산(FHSS)과 같은 방식으로 이루어집니다. 아래에는 주어진 평균 전송 전력에 대한 대역폭을 증가시키기 위해 데이터 속도 증가가 사용되는 예가 나와 있습니다.

스펙트럼 확산 전송 개념. 전송된 데이터(파란색)를 더 높은 비트율 인코딩(빨간색)으로 확산함으로써, 수신기는 잠재적인 간섭원을 견딜 수 있습니다.

(대체 텍스트: 스펙트럼 확산 전송)

스펙트럼 확산 신호는 간섭에 덜 취약하지만, 끝 장치의 송수신 회로는 채널의 대역폭을 통해 전력을 확산시키기 위해 더 높은 대역폭을 가질 필요가 있습니다. FHSS 구현은 EMC 준수를 보장하기 위한 추가 테스트를 요구하며, 각 끝에 충분한 수신기 감도를 가진 호환 가능한 장치가 필요할 것입니다. 일부 장치에서는 스펙트럼 확산 신호를 수신하기에 충분한 감도를 제공하는 전용 송수신 모듈이 최선의 선택일 수 있습니다.

Sub GHz 라디오 및 송수신기 옵션

간단히 말해서, 새로운 제품에 sub-GHz 라디오를 통합하고 장거리 IoT 네트워크에 올리는 두 가지 기본 방법이 있습니다:

칩에 통합된 sub-GHz 무선 기능을 포함하는 프로세서를 사용합니다
시스템의 호스트 컨트롤러와 호환되는 외부 sub-GHz 송수신기를 사용합니다
모든 필수 주변 장치를 포함하는 무선 모듈을 추가합니다

시스템이 수행해야 할 작업에 따라, 두 옵션 모두 실행 가능하며, 두 카테고리에 속하는 많은 구성 요소들이 있습니다. 처음 두 옵션은 필터, 급전선, 안테나 또는 RF 장치와 같은 것을 설계한 적이 없다면 조금 더 많은 노력이 필요할 것입니다. 그러나 여러 공급업체에서 다중 sub-GHz 대역을 지원하는 고도로 통합된 제품 라인이 있으며, 아래에 몇 가지 훌륭한 옵션이 나와 있습니다.

Microchip, ATSAMR30M18A-I

Microchip의 ATSAMR30M18A-I 서브-GHz 무선 모듈은 통합 안테나가 있는 IEEE 802.15.4 호환 라디오를 포함하는 MCU로 기능합니다. 이 캐스텔레이티드 SMD 모듈에는 통합 256 KB 플래시 메모리가 있는 ARM Cortex-M0+ MCU와 700/800/900MHz ISM 대역을 위한 통합 트랜시버가 포함되어 있습니다. 사용하기 쉬운 SiP로서, MCU에서 기대하는 일부 표준 기능들, 예를 들어 12비트 350 ksps ADC, 최대 3.4 MHz까지 작동하는 I2C, USB 2.0 인터페이스, 그리고 16 GPIOs도 포함합니다. 외부 안테나가 필요하며, 아래 표에는 승인된 안테나 목록이 포함되어 있지만, 비슷한 사양을 가지고 테스트를 통과한 다른 안테나도 사용할 수 있습니다.

NXP Semiconductor, OL2385AHN

NXP Semiconductor의 OL2385AHN은 내장된 MCU 코어를 가진 다중 대역 무선 RF 트랜시버로, 여러 서브-1 GHz 대역(160에서 960 MHz)을 지원합니다. 이 장치는 다중 변조 방식(400 kbps/200 kbps FSK, ASK, OOK)을 지원하는 네 가지 선택 가능한 주파수 범위를 가진 고도로 통합된 트랜시버입니다. 보드에서 호스트 컨트롤러는 SPI, UART 또는 LIN 프로토콜 호환 UART를 통해 이 장치와 인터페이스할 수 있습니다. 이 구성 요소로 타겟팅하는 주요 응용 분야에는 스마트 인프라 제품, 스마트 홈 기술, M2M 통신, 센서 네트워크 등이 포함됩니다.

NXP OL2385AHN 라디오 송신기 블록 다이어그램. [출처: (Alt text: 서브-GHz 설계)

Texas Instruments, SimpleLink 무선 MCU (CC13xx 및 CC430F51xx)

Texas Instruments의 SimpleLink 무선 MCU 라인은 서브-1 GHz 대역에서 작동하는 새로운 IoT 제품을 개발하기 위한 나의 개인적인 즐겨찾기 중 하나입니다. 이 제품 라인의 일부 구성 요소는 여러 ISM 대역, WiFi, Bluetooth 및 1과 2 GHz 사이의 기타 대역을 지원하기도 합니다. 이 제품 라인에는 자동차 제품에 적합한 몇몇 MCU가 포함되어 있습니다. SimpleLink의 다양한 제품은 이러한 서브-1 GHz 프로토콜을 지원합니다:

IEEE 802.15.4
무선 M-Bus (T, S, C, N 모드)
6LoWPAN
Wi-SUN NWP
Amazon Sidewalk
MIOTY
ZigBee

TI 포트폴리오의 다른 제품을 사용하고 있다면, 이 제품들과 주변 장치들에 대한 TI의 SDK 지원으로 IoT 플랫폼에 애플리케이션을 개발하기 쉽습니다. 이 MCU들은 또한 표준 디지털 인터페이스를 통해 다른 주변 ASICs와 인터페이스하여 디자이너들이 새로운 IoT 플랫폼을 구축할 수 있는 유연성을 제공합니다.

서브 GHz IoT의 미래

모두가 WiFi, Bluetooth, 5G에 계속해서 집중하는 이유는 소비자 공간에서 너무나도 만연해 있기 때문이지만, 1GHz 미만은 어디로도 가지 않을 것이며 IoT 네트워크의 저전력 백본으로 계속해서 자리잡을 것입니다. 장거리 통신 능력, 낮은 전력 소비, 구현의 용이성은 너무나도 좋아서 놓칠 수 없으며, 지속적인 저 데이터 속도 애플리케이션에서 ISM 또는 셀룰러 혼잡을 더욱 가중시키는 것은 말이 되지 않습니다. 시스템 디자이너들이 많은 1GHz 미만 애플리케이션에서 필요로 하는 일부 구성 요소는 다음과 같은 범주에 속합니다:

소프트웨어 정의 라디오와 같이 가능한 다양한 주파수나 프로토콜을 지원할 수 있는 맞춤형 솔루션을 개발하고 있다면, RF 프론트 엔드를 구축하기 위해 몇 가지 추가 구성 요소가 필요할 것입니다:

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