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셀룰러 기술의 확장, 어디까지 가능할까



글/페데르 란드(Peder Rand), 노르딕 세미컨덕터 셀룰러 IoT 제품 매니저


셀룰러 기술은 컨슈머 모바일 및 전문 산업용 모뎀에 제한되어 왔다. 하지만 노르딕의 nRF91 시리즈 SiP는 이 모든 것을 바꿀 수 있다.


1세대(1G) 셀룰러 통신은 1970년대에 등장했다. 아날로그 시스템이 트래픽을 처리했으며, 핸드셋은 크고, 무거운데다 고가였다. 그러나 1990년에 아이디어가 재정립되면서 전세계 가입자수는 2천만명에 이르렀다. 28년의 시간이 흐른 지금, 이동통신사업자들의 이익단체인 GSMA에 따르면, 가입자수가 50억을 돌파한 것으로 나타났다. 가장 진보된 세대의 셀룰러 기술인 4G LTE는 현재 전세계 70개국 이상의 지역에서 50% 이상의 보급률을 보이고 있으며, 10년 전에는 상상조차 할 수 없었던 저비용의 고화질 스트리밍 서비스를 지원하고 있다.
셀룰러 기술은 장기간에 걸친 계획과 성숙 과정을 통해 유비쿼터스, 안정성, 보안성, 사용 편의성에 대한 소비자와 상업적 요구를 충족시킬 수 있는 기술로 최적화되었다. 또한 통신사업자들이 글로벌 커버리지를 지원하는데 필요한 거대한 인프라를 구축하고 향상시킬 수 있는 수익과 시간도 주어졌다.
셀룰러 기술은 다른 어떤 무선 기술보다 뛰어난 커버리지를 제공한다. 수년간 지속적인 기술 개선으로 신뢰성이 확보되었고, 이는 통신사업자 간의 치열한 경쟁을 기반으로 이루어졌다. 무선 시스템을 구현하는 엔지니어들이 가장 중요하게 고려하는 보안은 셀룰러 네트워크에서는 전분야에서 최우선 순위로 다뤄진다. 또한 비디오 스트리밍을 비롯해 다른 데이터 집약적인 서비스에 액세스하는 수백만 명의 가입자들의 요구를 충족시킬 수 있도록 높은 처리량이 구현되었다. 이러한 강점들은 셀룰러 통신에 사용되는 스펙트럼 할당과 관련된 규제 및 라이선스 부여, 관리를 통해 높은 QoS(Quality of Service)를 달성함으로써 더욱 강화되었다.
이러한 셀룰러 기술의 장점은 IoT(Internet of Things)를 구축하는 엔지니어들의 주목을 받고 있다. 셀룰러는 장거리 LPWAN(Low Power Weide Area Network)의 IoT 센서를 클라우드와 직접 연결하거나 블루투스 LE(Bluteooth® Low Energy) 또는 스레드(Thread)와 같은 단거리 무선 기술 기반의 LAN(Local Area Network)을 위한 클라우드 게이트웨이를 용이하게 하는 LPWAN을 구성할 수 있는 솔루션을 제공한다. 그러나 이러한 비전이 실현되기까지는 여전히 남은 과제들이 있다.

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[그림 1] 오늘날의 고대역폭 셀룰러 기술은 수십 년에 걸친 개발작업을 통해 완성되었다.

셀룰러의 적용범위 확장

높은 처리량의 셀룰러 기술은 매우 복잡하고 고가인데다, 하드웨어는 부피가 크고, 전력이 많이 소모된다. 소비자들은 이 기술이 자신들이 원하는 서비스에 원활하게 액세스할 수 있도록 해주기 때문에 기꺼이 비용을 부담하고, 매일같이 핸드셋을 충전할 수 있다. 그러나 IoT의 토대가 되는 수백 개의 소형 배터리 기반 센서 네트워크를 구축해야 하는 IoT 엔지니어에게 높은 처리량의 셀룰러 기술의 비용과 복잡성, 전력소모의 단점은 많은 어려움을 유발한다.
셀룰러 모뎀은 고가의 원격 자산을 클라우드와 연결함으로써 새로운 틈새시장을 찾았다. 예를 들어, 스마트 전기 배전망을 제어하는데 사용되는 지방의 IED(Intelligent Electronic Device)는 이러한 기술을 통해 일상적으로 제어 센터에 정보를 전송할 수 있다. 또한 자동판매기(철도역과 같은 공공장소에 위치한)와 같은 상업 장비의 운영자들도 서비스 인력을 파견해 재고량을 수작업으로 확인하는 대신, 셀룰러 모뎀을 이용해 정보를 본사로 보냄으로써 운영 비용을 절감할 수 있다. 또한 셀룰러 모뎀은 신뢰성이 떨어지는 와이파이와 같은 무선 기술로는 해결이 어려운 보안 업체들에게도 널리 사용되고 있다.
그러나 이러한 장치들은 IoT 애플리케이션에는 적합하지 않다. 첫째, 많이 사용되는 기존의 2G 네트워크는 4G 및 향후 출시될 5G 트래픽에 필요한 스펙트럼 할당이 비효율적으로 사용되고 있어 단계적으로 중단되고 있으며, 2025년까지 사실상 사라질 것으로 예상된다. 둘째, 셀룰러 2G, 3G, 4G LTE 모뎀은 고가인데다 부피도 크고, 전력소모도 매우 많다. 이는 상위 카테고리(더 높은 처리량) 동작을 위해 3GPP(3rd Generation Partnership Project)의 사양을 충족시키도록 설계되었기 때문이다.
3GPP는 전통적인 모뎀의 단점을 인식하고, IoT를 위한 고유의 저비용, 처리속도, 전력소모에 부합하는 모뎀 카테고리를 확장하기 위해 지난 2015년 릴리스 13 사양에 LTE-M 및 NB-IoT를 포함시켰다. 이러한 움직임은 상위 카테고리 장치에 기반할 경우 비실용적인 애플리케이션애서 IoT를 구현할 수 있는 4G LTE 모뎀 개발을 촉진시켰다.


IoT를 위한 설계

지난 3년간 노르딕 세미컨덕터(Nordic Semiconductor)는 3GPP의 LTE-M과 NB-IoT 사양을 준수하는 최적화된 셀룰러 IoT 솔루션을 설계하기 위해 핀란드 기반 엔지니어들이 보유한 LTE 분야의 전문기술과 노르웨이 엔지니어들의 초저전력 무선 노하우를 결합시켰다.
그 결과물이 바로 저전력, 초소형 셀룰러 IoT 솔루션인 nRF91 시리즈 SiP(System-in-Package)이다. 이 제품은 IoT 고유의 요구사항을 충족하도록 설계되었기 때문에 설계자들은 기존 셀룰러 모듈에 적용된 방식과는 완전히 다른 접근법을 채택했으며, 이전에 셀룰러 시장에서 본 적이 없는 여러 기능들이 추가되었다.
예를 들어, nRF91 시리즈 SiP는 10 x 16 x 1mm 패키지에 강력한 ARM Cortex M33 애플리케이션 마이크로프로세서와 풀 다중 모드 LTE 모뎀 및 트랜시버, Qorvo의 RF 프론트엔드와 전력관리, 플래시 및 RAM과 함께 크리스탈 및 패시브 컴포넌트를 통합하고 있다. nRF91 시리즈 SiP는 이러한 높은 수준의 통합과 글로벌 운영을 위한 사전 인증을 통해 LPWAN 구축에 따른 셀룰러의 단점을 극복하는 것은 물론, 셀룰러 기술을 채택하는데 필요한 모든 품질 요건을 만족시킬 수 있다.
노르딕은 블루투스 LE 솔루션을 통해 간단한 무선 개발 및 구현을 선도해 왔다. 노르딕은 완벽한 단일 칩(무선+프로세서) 무선 하드웨어 및 자체적으로 개발한 RF 프로토콜 스택을 제공함으로써 RF 엔지니어링의 근본적인 복잡성을 해결해 왔다. 특히 애플리케이션 소프트웨어와 RF 프로토콜 스택이 분리된 아키텍처를 기반으로 애플리케이션 엔지니어링과 코드 컴파일을 위한 편리한 디자인 환경을 제공하는 툴을 제공함으로써 개발을 용이하게 했다. 이러한 접근방식을 통해 RF 전문지식이 부족한 수많은 개발자들이 혁신적이면서도 상업적으로 성공할 수 있는 무선 제품을 개발할 수 있도록 했다.
nRF91 시리즈의 소프트웨어 아키텍처는 현재 공개되지 않았지만, 노르딕은 무선 애플리케이션의 코드 및 디버깅을 가능한 간단하게 처리하고, RF 엔지니어링 고유의 복잡성을 줄이는 전략을 유지할 방침이다. 이를 통해 모든 분야에서 셀룰러 기술에 액세스할 수 있도록 하고, 무선 경험이 거의 없는 개발자들도 이러한 장점을 활용할 수 있도록 장려하는 것은 물론, 창의적인 아이디어를 새로운 제품으로 구현할 수 있도록 지원해 나갈 예정이다.
이러한 전략은 노르딕의 블루투스 LE 기술을 전세계에 확장시키는 근간이 되었다. nRF91 시리즈 SiP는 스마트폰을 넘어서 모든 분야에 셀룰러 기술을 확산시키는데 있어 동일한 역할을 수행하게 될 것이다.

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[그림 2] nRF91 시리즈 SiP는 고집적, 초소형, 저전력 셀룰러 IoT 솔루션이다.


leekh@semiconnet.co.kr
(끝)
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