블루투스, 와이파이부터 와이기그까지 무선 기술 총정리

  • 2018-12-04
  • 글| 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics, Inc.) / www.mouser.com




기기들이 서로 대화할 수 있게 하는 많은 무선 기술들이 있다. 무선 기술들마다 속도, 전송 거리, 전력 소모 특성들이 서로 달라 특정 애플리케이션별로 적합한 무선 기술들을 선택할 수가 있다. 이 글에서는 현재 사용되고 있는 주요 무선 기술들과 새롭게 떠오르는 기술들을 함께 살펴본다.

유비쿼터스 무선 네트워킹

흔히 무선 기술이라고 하면 셀룰러 통신을 제외하고, 사람들이 가장 친숙한 기술은 아마 와이파이(Wi-Fi)일 것이다. 현재 와이파이는 집, 카페, 호텔, 자동차, 직장 등 거의 모든 곳에 광범위하게 확산돼 있기 때문에 이러한 친숙함은 그다지 놀랄 일이 아니다. 와41이파이는 PC, 프린터, 게임 콘솔, 휴대전화, 스마트 TV, 그밖에 다른 모든 종류의 가전제품 같은 기기들이 사용하는 무선 LAN을 생성한다.

이러한 모든 기기는 액세스 포인트(AP)를 통해 서로 연결되고, 그런 다음 AP는 네트워크를 인터넷에 다시 연결한다(그림 1). 또한 와이파이는 기기가 AP를 거치지 않고 직접 서로 대화하는 ‘애드혹(ad-hoc)’ 네트워크를 생성하는 데에도 사용할 수 있다.



와이파이는 오랜 역사를 갖고 있으며 많은 기술 향상을 거쳐 더 빠른 데이터 속도, 확장된 전송 범위, 더 높은 보안 수준을 제공한다. 하드웨어와 통신 프로토콜은 IEEE 표준 802.11에 정의되어 있으며, 와이파이 연합(Wi-Fi Alliance)이라고 하는 그룹이 인증 절차와 상호운용성 테스트를 정의한다. 제조회사가 생산하는 제품과 시스템에 와이파이 로고를 부착하려면 이러한 테스트를 통과해야 한다.

와이파이는 2.4GHz와 5GHz의 두 가지 주파수 대역을 이용하며, 보통 실내에서 약 10m~30m의 전송 범위를 지원한다. 단, 전송 범위는 벽과 같은 장애물에 의해 제한을 받는다. 또한 2.4GHz 대역은 베이비 모니터, 블루투스 지원 장치를 포함한 많은 기기들도 함께 사용하기 때문에 전송 범위는 이러한 간섭에 의해 더 악화될 수 있다.

처음 정의된 표준에 대한 개정 작업이 계속 이루어지면서 다양한 버전의 와이파이가 발표되었다. 광범위하게 채택된 첫 번째 버전은 802.11b이다. 이후 발표되는 새로운 기기들은 항상 최신 버전뿐 아니라 이전의 모든 표준을 함께 지원한다. 현재 다음과 같은 표준들이 마련되어 있다.

•802.11b: 기본 2.4GHz 표준
• 802.11a: 초기 5GHz 표준으로, 더 빠른 속도를 제공하지만 범위는 더 제한된다.
• 802.11g: 802.11b의 빠른 버전으로, 데이터 인코딩 방식을 통해 최대 3배 더 빠르다.
• 802.11n: 2.4GHz 및 5GHz에서 여러 개의 안테나를 사용하여 신호를 목표한 기기에 직접 쏘는 ‘빔포밍(beamforming)’을 수행하여 보다 향상된 속도와 범위(실내에서 최대 70m)를 지원한다.
• 802.11ac: 새로운 인코딩 방식으로 더 많은 안테나를 사용할 수 있어 5GHz에서 훨씬 빠른 데이터 속도를 제공한다.

와이파이를 지원할 필요가 있는 디바이스 설계자는 안테나와 마이크로컨트롤러(MCU)를 포함한 모든 RF 회로를 갖춘 상용 모듈과 함께 통신을 관리하는 소프트웨어까지 구입할 수 있다. 이러한 모듈은 제조회사가 인증한 제품이므로 이후 간단히 와이파이를 제품에 추가할 수 있다.

개인 네트워크를 위한 무선 기술

또 다른 매우 일반적인 무선 기술은 근거리 기기 간 유선 연결을 대체하도록 설계된 블루투스로, 보통 무선 PAN(Personal Area Network)이라고 하는 연결을 생성한다. 블루투스는 와이파이와 마찬가지로 2.4GHz 주파수 대역을 사용하지만, 전력 소모를 줄이기 위해 훨씬 짧은 거리와 더 느린 데이터 속도로 동작한다. 일부 보안 취약성이 존재하므로 실제로 필요한 경우에만 블루투스를 켜는 것을 권장하기도 한다.

블루투스를 위한 일반적인 애플리케이션은 다음과 같다.

• 휴대전화와 무선 헤드셋 연결 - 인기를 끌면서 초기 블루투스 판매를 촉진시킨 첫 번째 활용 사례의 하나
• 휴대전화와 카 오디오 시스템을 연결하여 핸즈프리 통화 및 음악 재생
• 무선 스피커를 통해 음악 재생
• 무선 피트니스 트래커 또는 시계를 휴대전화나 컴퓨터와 페어링
• PC와 연결되는 무선 키보드 및 무선 마우스에 사용
• 기기 간 파일 전송

향후에는 웨어러블 전자기기, 전자 진료, 사물 인터넷(IoT) 같은 새로운 애플리케이션이 블루투스 기술의 수요를 이끌 것이다. 2016년 한 해 블루투스 IC 출하대수는 약 16억 대를 기록했으며, 2017년에는 더욱 증가해 30억 대를 넘어섰다. 시장조사회사 ABI 리서치(ABI Research)에 따르면 2021년에는 그 수가 50억 대에 이를 전망이다.

블루투스 표준 정의는 블루투스 SIG(Bluetooth Special Interest Group)라고 하는 조직이 맡고 있다. 블루투스 SIG는 표준 개발과 품질 프로그램을 관리한다. 또한 이 그룹은 상표를 소유해 이름과 로고를 인증된 장치에만 부착할 수 있도록 한다. 블루투스라는 명칭은 여러 덴마크 부족을 단일 왕국으로 통일한 10세기 덴마크 왕 해럴드 블루투스(Harald Bluetooth)라는 이름에서 비롯되었다. 로고는 루닉 문자(Runes)인 그의 이니셜을 합쳐 만든 것이다.

제어를 위한 저전력 네트워킹

지그비(ZigBee)와 Z-웨이브(Z-wave)는 센서와 제어 장치들이 매우 작은 배터리 하나로 수 년 동안 작동할 수 있어야 하는 주로 홈 자동화 같은 애플리케이션을 위해 만들어진 두 가지 초저전력 무선 통신 기술이다.

두 시스템 모두 저비용과 최소 전력 예산을 갖도록 설계된다. 이러한 이유로 이들 시스템은 비교적 낮은 대역폭에 짧은 범위(십여 미터, LOS)를 갖는다. 침입자 또는 연기 경보에서부터 산업 제어, 조명 스위치, 온도 조절기 및 유사한 센서/제어에 이르기까지 간헐적 데이터 전송을 하는 느린 데이터 속도의 애플리케이션에 적합하다.

지그비 규격은 산업 그룹인 지그비 연합(ZigBee Alliance)이 정의한 개방형 표준이다. 모든 설계는 검증 테스트를 통과해야 한다. 이와 달리 Z-웨이브는 시그마 디자인스(Sigma Designs)가 생산하는 칩을 사용하는 독자적 시스템이다(미쓰미(Mitsumi)가 2차 공급원으로서 Z-웨이브 칩을 공급하기도 한다). Z-웨이브는 지그비보다 대역폭은 조금 낮지만, 범위는 더 넓다. Z-웨이브는 특성이 보다 단순해 시스템을 개발하기가 수월한데, 이는 지그비만큼 활용도가 유연하지 않다는 의미이기도 하다.

비접촉식 식별

무선 주파수 식별(RFID)과 근거리 통신(NFC)은 제품 추적, 출입 통제 시스템 및 기타 비접촉식 애플리케이션에 널리 사용되는 기술이다.
RFID 태그는 재고 관리와 물류에 광범위하게 사용된다. 생산 라인이나 창고에서 물품의 위치와 이동을 모니터링하고 도난을 방지할 수 있다. 상점에서 물건을 구매하면 스캐너에 의해 제거되거나 중성화되는 태그가 이와 동일한 기술이다. 이 기술은 출입 카드, 전자여권, 결제 시스템에서도 볼 수 있다.

RFID는 태그와 리더에 있는 루프 안테나 사이의 전자기 유도를 사용한다. 태그는 리더를 통해 판독할 수 있는 데이터 스토어이다. 태그에는

다음과 같은 두 종류가 있다.

• 능동 태그: 배터리를 내장해 무선 신호를 발생하므로 더 넓은 전송 범위를 지원하지만 그만큼 비용이 늘어나고 수명이 제한된다.
• 수동 태그: 태그의 안테나에 의해 수집된 신호의 에너지를 사용하여 기기에 전력을 공급하므로 동작 범위는 제한되지만 태그의 가격이 훨씬 저렴하다.

RFID는 민간 조직이나 국가 기관이 제정한 다양한 표준들이 있을 뿐 아니라 시스템 역시 다양한 독자 시스템이 존재한다. 뿐만 아니라 사용되는 무선 주파수 대역도 모든 국가에서 똑같지 않다. 예컨대 유럽의 태그가 미국에서 작동하지 않을 수 있다. 또한 RFID 태그에 설계된 보안은 한정적이므로 태그가 부착된 제품을 운반하거나 착용하는 사람을 추적할 수 있다는 개인정보침해 우려도 있다.

NFC 표준은 ISO 및 NFC 포럼을 포함한 다양한 산업 기구들에 의해 정의되고 권장된다. 이 표준은 RFID의 기반이 되는 기술을 확장한 것으로, 기기 간에 보다 유용한 통신을 가능하게 한다. 기기는 태그와 리더로 둘 다 동작할 수 있기 때문에 양방향, 피어-투-피어 통신이 가능하다. NFC는 RFID보다 더 강력한 보안을 제공하므로 비접촉식 결제와 출입 통제 기능에 보다 적합하다. NFC 기능은 현재 거의 모든 스마트폰 모델에 통합되어 비접촉식 결제와 단말기 간 정보 교환을 구현한다.



케이블을 대체하는 고속 무선 통신


DVD 플레이어나 TV 같은 오디오 및 비디오 기기 연결 케이블 대체를 목표로 하는 기술들이 새롭게 떠오르고 있다. 와이기그(WiGig)와 와이어리스HD(WirelessHD)가 대표적이다. 이러한 시스템은 와이파이보다 훨씬 높은 주파수를 사용하여 높은 데이터 속도를 제공한다. 하지만 60GHz에서 신호는 벽이나 심지어 사람을 통과하지 못하기 때문에 이들 시스템은 기기 간에 가시거리(Line of Sight) 동작으로 제한되며, 지원 범위는 10m 정도이다.

와이기그는 PC와 PC 사이에서 1,000장의 사진을 5초 만에 전송할 수 있다. 캠코더에서 2분짜리 HD 비디오 녹화물을 업로드 할 때 와이파이 연결로는 약 1분이 걸린다면, 와이기그로는 단 3초면 된다. 와이기그 표준은 와이파이 연합에서 관리하지만, 역 호환되지 않는다는 사실을 강조하기 위해 새로운 이름이 주어졌다. 이 표준은 와이파이를 대체하기보다는 보완하기 위한 용도이다. 와이어리스HD(WirelessHD)는 동일한 애플리케이션을 대상으로 하고 유사한 성능과 범위 특성을 갖는 독자적인 프로토콜이다.

기업의 모든 구매 담당자들이 공통적으로 안고 있는 고민 중 하나는 어떤 새로운 표준이 실제로 지배적인 표준이 될 것인지 알 수 없다는 불확실성일 것이다. 엔지니어들 역시 설계에 특정한 무선 칩을 선택하여 성능 우위를 얻고자 하지만, 만약 선택한 기술이 광범위하게 채택되지 못한다면 원하는 결실을 맺지 못할 뿐 아니라, 많은 비용 손실을 겪게 된다.

현재 많은 무선 통신 기술들이 사용되고 있고, 한 편에서는 새로운 무선 기술들이 개발되고 있다. 이러한 기술 중 어떤 기술이 각각의 애플리케이션 분야에서 와이파이나 블루투스처럼 광범위하게 사용될지는 시간만이 알 수 있을 것이다.
 

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