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[Technical Report] Wi-SUN 무선 모듈의 최신 기술 동향

입력 : 2020.11.13 13:29

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[헬로티]


저소비전력으로 넓은 영역을 커버하는 LPWA(Low Power Wide Area)가 IoT를 뒷받침하는 무선 기술로서 주목을 받고 있다. 


LPWA에는 다양한 방식이 있으며, 각 방식에 따라 장단점도 다양하다. 그 중에서 로옴이 특히 개발에 주력하고 있는 ‘Wi-SUN’의 최신 동향에 대해 소개하고자 한다.


Wi-SUN이란?


Wi-SUN은 Wireless Smart Utility Network의 약자로, 최근 책정된 새로운 무선 통신 규격이다. 2012년에 Wi-SUN 얼라이언스가 발족되었으며, IEEE802.15.4g를 베이스로 한 표준화가 추진되고 있다.


그림 1. IoT용 무선 통신 기술


[그림 1]은 다양한 IoT용 무선 통신 규격에서 Wi-SUN의 대응 영역을 나타낸 것이다. [그림 1]과 같이, Wi-SUN은 Wi-Fi보다 통신 거리가 길고, LoRa WAN 및 Sigfox보다 데이터 전송 속도가 빠르다는 특징이 있다. 기지국에 의존하지 않는, 밸런스가 좋은 무선 통신 규격이므로, IoT 시장에서 가장 적용 범위가 넓은 무선 통신 기술이라고 할 수 있다. 따라서, 향후 보급이 기대되는 5G와 공존하여, 5G를 보완하는 사용 방법도 가능하다.


Wi-SUN 프로파일의 종류


Wi-SUN 얼라이언스에는 기술 사양을 책정하는 Working Group(이하, WG)이 있으며, 여러 개의 프로파일이 책정되고 있다. 그 중에서 HAN WG, JUTA WG, FAN WG에 의한 3종류의 프로파일이 인증되어, 시장에서의 실용화가 추진되고 있다. 로옴에서는 이미 이 3종류의 프로파일에 대응한 제품의 개발을 추진하고 있다[그림 2].


그림 2. Wi-SUN 얼라이언스에서 책정하고 있는 프로파일의 종류와 로옴 제품


Wi-SUN HAN


Wi-SUN HAN / Wi-SUN Enhanced HAN에 대하여


Wi-SUN HAN은 ‘Home Area Network’의 이니셜을 조합한 명칭으로, 스마트미터 및 HEMS(Home Energy Management System)와 가전 제품 등을 연계하는 1대 다수 (게이트웨이 · 엔드 디바이스)의 스타형 접속을 상정한 규격이다.


Wi-SUN Enhanced HAN은 최신 HAN용 무선 통신 규격으로, Wi-SUN HAN과 더불어, 새롭게 두가지의 기능을 채용하고 있다. 첫 번째는 1개의 중계기를 통한 릴레이 통신 기능이다. 1대 다수 (게이트웨이 · 중계기 · 엔드 디바이스)의 트리형 접속이 가능하므로, 통신 거리가 멀어도 한층 더 안정적인 네트워크를 구축할 수 있다. 두번째는 Sleep 통신 기능이다. 저전력 동작으로의 양방향 통신 방식을 실현하여, 배터리 구동에 최적인 통신을 실현할 수 있다. 


기존보다 넓은 범위의 통신을 저전력으로 실행할 수 있으므로, 가정용 네트워크뿐만 아니라, 공장이나 상업 시설 내의 넓은 장소에서 Wi-SUN 대응 기기의 활용이 증가할 것으로 예상된다.


로옴은 2019년부터 Wi-SUN Enhanced HAN에 대응하는 무선 통신 모듈 ‘BP35C0-J11’의 일본 국내용 양산을 시작했다. ‘BP35C0-J11’은 앞서 기술한 Wi-SUN Enhanced HAN의 규격 대응과 더불어 다음과 같은 기능이 특징이다. 


① 모든 모드 지원


BP35C0-J11은 Wi-SUN Enhanced HAN으로 규정되어 있는 모든 모드를 지원한다[그림 3]. 따라서 번거로운 하드웨어의 교체나 펌웨어의 전환도 필요 없기 때문에 요구에 따라 다양한 용도에 사용이 가능하다.


그림 3. BP35C0-J11 대응 모드


② FOTA(Firmware update Over The Air) 기능 탑재


BP35C0-J11은 Wi-SUN을 통한 고속 통신(100kbps)과 충분한 ROM 용량(512KB)이라는 두가지 특징을 지닌 라피스 세미컨덕터의 무선 통신 LSI를 채용하여, 실제 운용에 최적인 FOTA 기능을 실현했다. 또한, FOTA 기능의 탑재를 통해, 만일의 트러블 발생에도 신속하게 대응할 수 있으므로, 규격의 마이너한 업데이트에도 적은 비용으로 대응이 가능하다. 


③ 평가 보드


로옴은 고객의 평가 기간 단축에 기여하고자 BP35C0-J11을 실장한 평가용 기판 ‘BP35C0-J11-T01’, 안테나 탑재형 소형 기판 ‘BP35C1-J11-T01’, USB 동글 타입 ‘BP35C2-J11-T01’의 평가 키트 판매를 일본에서 시작했다[그림 4]. 또한, 무선 모듈 스타트 가이드 및 하드웨어 사양서, 외장 안테나 리스트 등 개발에 필요한 다양한 자료를 로옴 홈페이지에서 다운로드할 수 있다.


그림 4. BP35C0-J11 평가 키트


Wi-SUN HAN의 채용 애플리케이션


NextDrive사의 세계 최소 수준 IoE(Internet of Energy) 게이트웨이 ‘Cube’에는 Wi-SUN HAN 규격에 대응하는 로옴의 무선 통신 모듈 ‘BP35C0’이 채용되어 있다.


이 제품은 Wi-SUN HAN 규격에 대응하여, 전력 스마트미터를 비롯한 축전지, 주택용 태양광 발전, Eco-cute 등의 가전기기를 제어할 수 있다. 또한, 전력 소비량과 발전량의 가시화 및 축전지나 Eco-cute의 스케줄링 기능을 탑재하여, HEMS 및 스마트 홈서비스에 활용되고 있다.


향후, 넥스트드라이브(NextDrive)사에서는 더욱 신속한 VPP(Virtual Power Plant) 서비스를 제공하기 위해서 클라우드 플랫폼 출시를 예정하고 있다. 그 중에는 보다 많은 활용 범위를 만족할 수 있도록, 제어 대상 기기를 확대하기 위해 Wi-SUN Enhanced HAN에 대응하는 Cube도 계획되어 있다.


그림 5. NextDrive사의 IoE 게이트웨이 ‘Cube’


Wi-SUN JUTA


Wi-SUN JUTA는 배터리 구동 스마트미터를 위한 새로운 국제 무선 통신 규격으로, 장기간 구동과 고신뢰성 통신이 특징이다. 장기간 구동에 있어서는, 독자적인 간헐동작(일정 간격으로 송수신하는 이외에는 모두 sleep)을 제공함으로써, 수신 시간을 최대한 단축하여 배터리 구동의 가스 스마트미터 및 수도 스마트미터 등을 10년 이상 동작시킬 수 있다. 고신뢰성 통신에 있어서는, 수신 중에는 비콘을 캐치할 때까지 송신하지 않도록 함으로써, 통신 횟수가 증가하는 경우에도 전파 점유 시간이 증가하지 않아 안정적인 통신이 가능하다.


로옴은 Wi-SUN JUTA용 제품 개발을 규격 책정 단계부터 실시해왔다. 다음은 Wi-SUN JUTA에 대응하는 로옴의 무선 통신 모듈의 특징이다.


① 고신뢰성 메쉬 네트워크(Mesh Network) 구축 가능

   

여러 개의 중계기(최대 3대)를 사용할 수 있는 멀티홉 (Multi-hop) 통신 지원과 경로를 재구성하는 메쉬 네트워크를 구축할 수 있다.


② 보안 기능 내장


보안 기능을 내장하여, 통신의 암호화와 보안 키의 갱신을 무선 통신 모듈 측에서 지원한다. 따라서, 호스트 측에서 복잡한 처리가 필요 없으므로, 간단하게 안전한 통신을 실현할 수 있다.


Wi-SUN JUTA 채용 애플리케이션


일본의 가스 회사인, 도쿄 가스의 <생활 모니터링 서비스>는, 각종 센서와 홈 게이트웨이의 통신용으로서 로옴의 Wi-SUN JUTA 대응 무선 통신 모듈을 채용했다.


<생활 모니터링 서비스>는 스마트폰 등으로 집밖에서 문이나 창문의 잠금 상태 확인, 가족의 귀가 확인이 가능하므로, 어린이나 고령의 가족 모니터링에 활용 가능한 스마트 홈서비스이다 [그림 6]. 로옴의 무선 통신 모듈을 채용함으로써, Wi-SUN JUTA 규격에 준거하는 F-RIT 방식을 활용할 수 있어, 소형 · 저소비전력으로 모니터링 서비스에 요구되는 높은 통신 신뢰성을 실현할 수 있다.


그림 6. 도쿄 가스의 <생활 모니터링 서비스>


Wi-SUN FAN


Wi-SUN FAN(Field Area Network)은 IEEE802.15.4g 규격의 저소비전력 무선 전송 기술과 IPv6를 통한 다단계 중계 기술을 이용한 상호 운용 가능한 저소비전력의 무선 통신 규격이다.


Wi-SUN FAN에는 다음과 같이 세가지 특징이 있다.


먼저 첫 번째는, 멀티홉·메쉬 네트워크를 구축할 수 있어, 복잡한 구조의 Area를 커버할 수 있다는 점이다. 설치 후의 지형 변화 및 돌발적인 전파 장해에 따라 다른 경로를 선택함으로써 안정적인 시스템 운용이 가능하다. 예를 들어 빌딩 내부에서 네트워크를 구축하는 경우, 기둥 등의 차폐물(遮蔽物)이 있더라도, Wi-SUN FAN의 경우 회절이 가능하므로, 스마트미터 및 스마트 시티에 최적이다.


두번째 특징은 고도의 인증을 통해 통신을 안전하게 실행한다는 점이다. Wi-SUN FAN은 RADIUS / AAA 서버에 의한 인증을 채용하고 있으며, 인증 방식은 EAP-TLS를 사용한다. 접속되는 디바이스에는 클라이언트 인증서를 설정해 허가된 디바이스만 Border Router 측에서 일원화하여 관리하므로, 경로가 변경되어도 각 디바이스의 설정을 변경할 필요가 없다. 또한, 암호로는 매우 강력한 AES 암호를 사용하여 안전한 통신이 가능하다. 


세 번째 특징은 주파수를 전환하면서 통신하는 주파수 호핑에 대응한다는 점이다. 일본 국내에서는 50kbps 통신 시에 922.40MHz (33ch)에서 928.00MHz (61ch)의 28채널, 150kbps 통신 시에는 922.50MHz (33, 34ch)에서 927.7MHz(59, 60ch)의 14 채널 범위에서 각 디바이스는 채널 전환을 실행하면서 동작시킨다. 주파수 호핑으로 전파 간섭이나 노이즈 등에 강한 시스템을 구축함과 동시에 보안성이 높은 통신이 가능하다. 일본의 전파법으로는 1개의 채널 사용 시 1시간에 6분의 송신 시간제한이 있지만, 주파수 호핑을 통해 여러 개의 채널을 사용함으로써 1시간에 12분의 제한으로 완화되므로, Wi-SUN FAN의 적용 범위가 더욱 확대될 것이다.


2019년에는 도쿄대학 대학원 정보학 연구과의 히로시 하라다(Hiroshi Harada) 교수의 연구 그룹과, 주식회사 니신 시스템즈(Nissin Systems), 로옴이 공동 개발한 Wi-SUN FAN 탑재 무선기기가 세계 최초로 인증 시험에 합격하여, 인증을 취득했다. 2020년에는 로옴에서 Wi-SUN FAN 대응 무선 통신 모듈의 양산화 및 판매를 계획하고 있으며, 니신 시스템즈에서는 Wi-SUN FAN 탑재 USB 기판의 판매를 계획하고 있다.


Wi-SUN FAN은 향후 IoT 디바이스의 보급에 따라 대규모의 고신뢰성 네트워크 환경에서 이용될 것으로 기대하고 있다. 예를 들어 차세대 스마트미터, 스마트 가로등, 전기자동차(EV)와 연동된 스마트 시티 및 인프라에서의 활용, 공장 내의 제품 관리, 빌딩 내 점검 의무 시설의 자동 유지보수, 상업 시설 내의 상품 온도 모니터링 등 물류 관리에서의 활용이 예상된다[그림 7].


그림 7. Wi-SUN FAN의 활용 이미지 (빌딩) 기기 유지보수


앞으로의 전망


로옴은 앞으로도 각종 Wi-SUN 규격의 보급 촉진 및 Wi-SUN FAN 대응 무선 통신 모듈의 개발 및 양산에 주력해 나갈 것이다. 스마트 홈 및 스마트 도시에 활용되는 IoT를 비롯하여, 그 이외의 물류, 자산 관리, 보안, 스마트 빌딩 등에서 주목받고 있는 LPWA 시장에서 가장 적용 범위가 넓은 Wi-SUN의 보급 촉진을 위해 노력하고, 향후 보급이 기대되는 5G와의 공존을 통해 미래 사회의 실현에 기여해 나가고자 한다.


※ Bluetooth 워드마크 및 로고는 Bluetooth SIG, Inc.가 소유한 등록상표이며, 이러한 마크는 라이선스에 입각하여 사용하고 있습니다. 기타 상표 및 상호는 각각의 소유자에 귀속된다. 

※ Sigfox는 SIGFOX S.A.의 등록상표다.


/ 로옴(ROHM)

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