첨단 셀룰러 IoT 프로젝트를 간소화하는 nRF9151 SiP 모듈
nRF9151 SiP 모듈은 저전력 소모 및 강력한 보안 성능을 제공하는 고집적 셀룰러 IoT 솔루션으로, 대규모로 구축되는 매시브 IoT(massive IoT) 시장 전반에 걸쳐 확장 가능한 제품을 개발하고, 구축을 간소화할 수 있도록 지원한다.
노르딕 세미컨덕터(Nordic Semiconductor)가 지난 2018년 말, 자사의 첫 번째 LTE-M/NB-IoT SiP(System-in-Package) 모듈을 공개하기 전까지, 대부분의 셀룰러 IoT 모듈은 상대적으로 부피가 크고, 전력 소모가 많은데다, 개발 환경 또한 상당히 까다로웠다. 노르딕의 nRF9160은 당시 출시된 그 어떤 셀룰러 IoT 모듈보다 높은 집적도와 낮은 전력 소모, 강화된 보안 성능 및 설계 용이성을 바탕으로 시장의 판도를 새롭게 재정립했다.
이후 노르딕은 후속 모델인 nRF9151 SiP 모듈을 발표하며, 셀룰러 IoT 및 비지상망 네트워크(Non-Terrestrial Networks, NTN), DECT NR+(NR+) 애플리케이션을 위한 소형의 고집적 SiP의 새로운 기준을 제시했다.
이전까지 셀룰러 IoT 설계는 여러 공급업체의 개별 부품을 이용해 개발하는 경우가 많았다. 셀룰러 모듈과 호스트 MCU, RF 프런트엔드, GNSS 모듈, 보안소자 및 전력관리 IC(Power Management IC, PMIC) 등 서로 다른 벤더의 구성 요소들이 사용되곤 했다. 이로 인해, 시스템 측면에서는 각 요소들 간의 인터페이스가 증가하게 되고 그 결과 비용, 성능, 전력 효율성 측면에서 여러 과제를 야기했으며, 오류 발생 가능성 또한 높이는 요인이 되었다.
노르딕의 nRF9151 SiP 모듈은 12mm x 11mm 크기의 단일 디바이스에 이러한 모든 기능을 통합하고 있다. 또한, 모든 설계를 노르딕이 직접 수행함으로써 셀룰러 IoT 및 NR+ 솔루션의 전력 소모와 풋프린트를 줄이고, 개발 프로세스도 대폭 간소화했다.
설계 단계에서 저전력 특성 구현
이러한 높은 수준의 통합은 nRF9151 SiP 모듈 자체는 물론, 최종 설계의 풋프린트까지 줄여줄 뿐만 아니라, 시스템 복잡성과 전력 소모 또한 함께 낮출 수 있다. 모뎀과 셀룰러 모듈이 MCU 외부에 있는 설계는 필연적으로 더 많은 전력을 소모하게 된다. 반면, 통합 SiP는 외부의 고속 인터페이스로 인한 오버헤드를 제거하고, 중복 리소스를 줄일 수 있으며, MCU와 모뎀 간의 저전력 동작을 유기적으로 관리할 수 있다.
nRF9151은 기존 nRF91 시리즈 SiP 모듈이 지원하는 23dBm의 클래스 3 출력 파워를 보완하기 위해 20dBm의 클래스 5 출력 파워를 추가로 제공한다. 이러한 성능 향상을 통해 개발자들은 설계 시 피크 전류를 약 40%까지 줄일 수 있다. 이는 배터리가 노후화되면, 새 배터리처럼 필요한 피크 전류를 안정적으로 공급하지 못하기 때문에 개발자들이 셀룰러 IoT 설계에 적용할 배터리를 결정하는 데 매우 중요하다. nRF9151은 피크 전류를 40%까지 줄임으로써 개발자들이 보다 다양한 배터리를 선택할 수 있는 설계 유연성을 제공한다.
보다 간편하게 셀룰러 IoT 애플리케이션을 개발할 수 있도록 지원하는 노르딕의 nRF9151 개발 키트
또한, nRF9151은 네트워크와 상호작용이 없는 동안에 모뎀이 더 긴 저전력 슬립 모드로 진입하도록 함으로써 배터리 수명을 연장하는 eDRX(Extended Discontinuous Reception)도 지원한다. 이 기능은 기기가 수신 메시지를 대기하는 동안에도 네트워크 등록 상태를 계속 유지할 수 있도록 하여 전력 소모를 크게 줄일 수 있다. eDRX를 사용하여 네트워크 상호작용 간격을 약 82초 미만으로 설정할 경우, nRF9151의 평균 전력 소모는 18μA 수준이다. 또한, 무선 기능을 사용하지 않으면서 네트워크에 연결된 상태만 유지할 경우, PSM(Power Saving Mode)에서의 최저 전류는 모뎀뿐만 아니라 전체 SiP 기준으로 2.7μA에 불과하다.
nRF9151의 새로운 펌웨어 스택(v2.0.x)은 3GPP 릴리스 14의 LTE-M/NB-IoT 규격을 준수하며, 로밍 기기를 위해 PSM을 포함한 새로운 전력 절감 기능도 도입했다. MVNO(Mobile Virtual Network Operator)를 이용하는 로밍 기기의 경우, 적절한 로밍 서비스 계약이 체결되어 있지 않으면, PSM 요청이 승인되지 않을 수 있다. 이를 해결하기 위해 노르딕은 PSM을 에뮬레이션하는 기능을 자체적으로 개발했다. 이 기능은 기기가 네트워크 연결 상태를 유지하면서도 마치 PSM 승인을 받은 것처럼 동작할 수 있도록 해준다. 이후 PSM이 승인된 지역으로 이동하면, 기기는 자동으로 일반 PSM 모드로 전환된다.
또 다른 전력 절감 기능으로 RAI(Release Assistance Indication)가 있다. 대부분의 셀룰러 IoT 기기는 센서 판독값이나 검침 보고 또는 위치 정보 업데이트와 같이 크기가 작고, 간헐적인 메시지를 전송한다. 데이터를 전송한 후에도 기기는 네트워크의 비활성 타이머가 만료될 때까지 연결 상태를 유지하며, 이 시간 동안(약 5 ~ 10초, 경우에 따라 그 이상) 모뎀은 전원이 켜진 상태로 수십 mA의 전류를 계속 소모하게 된다. RAI는 더 이상 전송할 데이터가 없는 경우, 페이징 대기 구간을 생략할 수 있도록 해준다. 이렇게 하면, RAI 기능이 없는 경우보다 전력 소모를 약 60%까지 절감할 수 있다.
통합 SIM 지원
nRF9151 SiP는 SIM 기능을 통합해 완전히 소프트웨어만으로 SIM을 구현할 수 있도록 지원한다. 이는 SIM 카드 홀더를 제거하여 비용 절감 효과를 제공하는 것은 물론, 가혹한 환경에 노출되는 특정 애플리케이션에서 SIM 소켓의 부식 문제도 해결함으로써 최종 제품의 신뢰성을 높일 수 있다. 또한, 물리적 SIM 슬롯이 필요 없기 때문에 PCB 크기도 줄일 수 있으며, 셀룰러 통신 중 에너지를 소모하는 물리적 SIM이 사라지면서 전력 절감 효과도 더욱 높일 수 있다.
전력 절감 기능의 경우, nRF9151은 연결 상태에 대한 사전 평가 기능을 제공한다. 이 기능은 데이터를 전송하기 전이라도 모뎀을 통해 현재의 연결 상태나 품질을 미리 확인할 수 있도록 해준다. 평가 결과 연결 상태가 좋지 않다면, 데이터를 즉시 전송하는 대신 타이머를 설정하여 해당 시간 이후에 다시 시도하도록 제어할 수 있다. FOTA(Firmware-Over-The-Air) 업데이트를 수행할 때도 마찬가지이다. 이러한 연결 상태 사전 평가 기능을 활용하면, 연결 상태가 좋지 않은 링크로 데이터를 전송하여 불필요하게 에너지를 낭비하는 것을 방지하고, 보다 에너지 효율적인 애플리케이션을 구현할 수 있다.
이러한 모든 기능을 통해 셀룰러 IoT의 전력 소모는 이전보다 크게 낮아지고 있지만, 개발자들은 데이터시트나 특정 조건에서 측정된 수치에만 의존하기 보다는 실제 사용 환경에서 모듈을 평가하는 것이 중요하다. 데이터시트에 제시된 수치가 지나치게 좋아 보인다면, 실제로는 그렇지 않을 가능성이 높다. 예를 들어, ‘system off’ 상태의 전력 소모 수치나, RAM이나 GPIO를 유지하지 않은 상태에서 측정된 값은 인상적일 수 있다. 그러나, 이는 기기가 웨이크업할 때마다 네트워크와 다시 협상을 수행해야 함을 의미하며, 결과적으로 전체 전력 소모가 5배에서, 많게는 10배까지 증가될 수도 있다.
글로벌 연결성 확장
노르딕의 nRF9151 SiP 모듈은 지구상 어디에서나 중단 없는 글로벌 커버리지를 제공하고자 하는 IoT 기반 위치 추적 솔루션 개발자들을 위해 3GPP NTN 기술도 지원한다. NTN은 지상의 셀룰러 인프라 대신 위성을 통해 NB-IoT를 지원하는 기술이다. 이 기술은 위성군을 기반으로 서비스가 제공되며, 셀룰러 IoT 인프라가 지원되는 지역에서는 상호 보완적으로 활용된다. 그 결과, 지상의 LTE-M/NB-IoT 네트워크와 유사한 방식으로 글로벌 셀룰러 네트워크에 액세스할 수 있다. 셀룰러 코어 네트워크는 NTN과 지상 네트워크 간의 원활한 상호 연동을 가능하게 하며, 이를 통해 자산 추적기와 같은 모바일 IoT 기기들이 기존 지상망에서 제공되는 로밍 서비스와 동일한 방식으로 지상 네트워크에서 NTN으로 원활하게 로밍할 수 있도록 해준다.
신속한 설계를 지원하는 nRF9151 개발 환경
nRF9151은 개발자가 즉시 설계를 시작할 수 있도록 최적의 개발 환경을 제공한다. 사전 탑재된 오노몬도(Onomondo) 및 와이어리스 로직(Wireless Logic)의 SIM 카드와 무료 데이터를 제공하는 nRF9151 개발 키트(Development Kit, DK)는 보다 간편하게 셀룰러 IoT 애플리케이션을 개발할 수 있도록 지원한다.
이 개발 키트에는 AT 커맨드를 통해 인터페이스를 제어할 수 있는 노르딕의 시리얼 LTE 모뎀(Serial LTE Modem) 애플리케이션이 미리 탑재되어 제공된다. 이를 통해 독립형 셀룰러 모뎀으로 nRF9151을 활용할 수 있어 기존의 고객 솔루션에 간편하게 통합할 수도 있다. 또한, 개발자들은 다양한 운영 체제를 지원하는 노르딕의 크로스 플랫폼 개발 소프트웨어인 데스크톱용 nRF 커넥트(nRF Connect for Desktop)에 포함된 퀵 스타트(Quick Start) 툴의 여러 펌웨어 샘플을 통해 신속하게 개발을 시작할 수 있다.
nRF9151은 설계 전반을 아우르는 포괄적인 지원과 간소화된 개발 프로세스를 제공하며, 최종 제품 설계의 전력소모 및 풋프린트를 줄일 수 있도록 해준다. 셀룰러 IoT는 물론, NR+ 및 NTN 솔루션 개발에 필요한 모든 요소들을 제공함으로써 개발자들이 혁신 아이디어를 실현할 수 있도록 지원한다.
필자 소개
하병우(Brian Ha) 지사장
노르딕 세미컨덕터 코리아
(Nordic Semiconductor Korea Country Manager)
하병우 지사장은 저전력 무선 연결 솔루션 분야의 글로벌 리더인 노르딕 세미컨덕터(Nordic Semiconductor)의 한국 지사장으로 지난 2024년 7월에 취임했다. 그는 한국 시장에서 노르딕의 사업 전략과 조직 운영을 총괄하며, 주요 고객 및 파트너들과의 협업을 통해 노르딕의 초저전력 무선 연결 솔루션의 국내 시장 확대에 주력하고 있다. 하병우 지사장은 25년 이상 통신, 모바일, 무선 반도체 산업에서 기술 기반 영업, 사업개발, 조직 운영 등을 이끌어 온 글로벌 비즈니스 전문가이다.
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