셀룰러 서비스 및 와이파이를 통해 GNSS를 보완함으로써 자산추적 등과 같은 애플리케이션에서 보다 정확한 위치확인 서비스를 제공할 수 있다

GNSS(Global Navigation Satellite System)의 주요 구성요소인 GPS(Global Positioning System)를 비롯해 갈릴레오(Galileo), 바이두(BeiDou), 글로나스(GLONASS) 등과 같은 위성 항법 기술은 그야말로 혁신의 산물이라 할 수 있다. 

GPS 위성군은 지구에서 약 20,000km 떨어진 곳에 위치한 24개의 위성으로 구성되어 있다. 이 위성군은 지구의 어느 지점에서나 최소 4개의 위성을 관측할 수 있도록 배열되어 있다. GPS 수신기는 위성으로부터 신호를 포착하여 온보드 원자시계(Atomic Clock)를 기반으로 정확한 시간과 위치 및 상태 등의 정보를 제공한다. 이 수신기는 신호의 도착 시간을 기록한 다음, 신호의 전송과 수신 간의 시간 차를 빛의 속도로 곱하여 각 위성까지의 거리를 결정하게 된다. 수신기의 위치를 고유 지점으로 설정하여 4개의 위성 정보를 계산하게 된다. 

GNSS 기술은 매일 수십억 명의 사람들에게 위치 정보를 제공하고 있다. 또한 GNSS는 분실될 수 있는 중요 자산을 추적할 수 있도록 물류 및 운송 분야의 다양한 IoT 애플리케이션을 지원하고 있다. 노르딕 세미컨덕터(Nordic Semiconductor)는 이러한 자산 추적 및 관련 애플리케이션을 지원하기 위해 자사의 셀룰러 IoT 솔루션인 nRF9160 SiP(System-in-Package)에 GNSS 기능을 통합했다. 

위성 신호 중단

혁신적인 기술이기는 하지만, GNSS가 항상 완벽한 것은 아니다. 온보드 원자시계의 부정확성으로 인해 타이밍 오류가 발생하는 등 일부 위성 신호에 문제가 발생할 수도 있다. GNSS 시스템은 이러한 드리프트 오류를 완화하기 위해 여러 위성 신호를 비교하고, 알고리즘을 이용하여 오류가 있는 원자시계를 확인한 다음, 지상의 레퍼런스와 비교하여 리셋을 수행하기도 한다. 

또한 위성과 지상의 수신기 간의 신호가 상대적으로 약화될 경우, 쉽게 간섭을 받을 수 있어 다른 문제들도 야기하게 된다. 예를 들어, 고층 빌딩이 밀집된 ‘도심 협곡’ 지역에서는 신호가 차단될 수 있고, GNSS 신호가 이러한 건물을 통과하는 것도 불가능하다. 
그러나 신호가 건물을 통과하더라도 신호가 수신기에 도달하기 전에 건물에서 반사될 경우, 소위 다중 경로 오류(Multipath Error)가 발생할 수 있다. 이로 인해 타이밍 오류가 유발되고, 결과적으로 잘못된 위치 정보가 제공될 수 있다.
 

이외에도 지구 대기의 이상현상으로 인해 GNSS 신호가 지연되거나 왜곡되어 다른 오류들이 발생할 수도 있다. 또한 다른 무선 소스의 EMI(Electromagnetic Interference)도 타이밍 오류를 일으키는 원인이 될 수 있다. 이러한 문제를 완화하기 위해 수신기에 필터링, 상관측정(Correlation Measurement) 및 신호 파워 측정과 같은 기술이 사용되며, 대기권 문제에 대해서는 전리층 및 대류권 모델링과 같은 방법이 사용되기도 한다. 

GNSS 모뎀의 또 다른 과제는 콜드 스타트(Cold Start) 시 위성 그룹의 위치를 수정하는데 몇 분 가량 시간이 소요될 수 있다는 점이다. 이는 상당한 배터리 용량을 소모하게 된다. 노르딕은 자사의 nRF9160과 nRF 클라우드 위치확인 서비스(nRF Cloud Location Service)에 A-GPS(Assisted-GPS) 및 P-GPS(Predicted-GPS)를 사용하여 이 문제를 해결하고 있다.

이 방법은 데이터베이스에 저장된 위성 지원 데이터를 LTE-M 또는 NB-IoT 네트워크를 통해 nRF9160으로 전달함으로써 긴 TTFF(Time-to-First-Fix)에 비해 전력소모를 상당히 절감할 수 있다. 또한 필요한 경우, IoT 기기가 몇 초 만에 위성을 찾을 수 있어 더 많은 에너지를 절감할 수 있다. 특히 A-GPS를 기반으로 구현된 P-GPS 기술은 IoT 기기에 2주 이상의 지원 데이터를 제공함으로써 전력 절감 효과를 더욱 극대화할 수 있다. 

GNSS는 전력 절감 기법을 사용하더라도 여전히 막대한 배터리 비용 부담을 발생시킬 수 있다. 따라서 일반적으로 소형의 배터리를 필요로 하면서도 긴 배터리 수명을 요구하는 웨어러블이나 자산 추적기와 같은 기기에서는 중요한 문제가 될 수 있다. 

GNSS 보완

높은 정확도가 요구되는 상황에서는 GNSS의 배터리 용량에 대한 부담도 가치가 있을 수 있다. 그러나 상대적으로 낮은 정확도의 위치 정보를 필요로 하는 경우에는 전력소모를 절감할 수 있는 방법이 있다. nRF9160 SiP 및 nRF 클라우드 위치확인 서비스에서 지원되는 GNSS의 전력소모를 극복할 수 있는 방법 중 하나는 알려진 셀룰러 기지국 위치를 사용하여 수신기의 위치 정보를 좁히는 것이다. 이러한 단일 셀 위치확인 방식은 추적 대상 기기가 위치하고 있는 셀을 식별한 다음, 이미 알려진 기지국의 위치 데이터베이스를 참조하여 셀의 위치를 식별하게 된다. 이 기법은 킬로미터 수준의 정확도를 제공하면서도, 수신기 배터리 수명에 약간의 영향만 미칠 뿐이다. 

단일 셀 기법에 기반하고 있는 다중 셀 위치확인 방식은 하나의 기지국이 아닌 주변의 여러 기지국의 위치를 참조하여 수백 미터 수준의 정확도를 제공하면서도 매우 낮은 전력소모를 유지할 수 있다.



이외에도 GNSS를 보완하여 배터리 수명과 위치 정확도 간의 균형을 유지하는데 사용할 수 있는 또 다른 흥미로운 위치확인 기술은 와이파이 SSID(Wi-Fi Service Set Identifier) 스캐닝이다. 모든 와이파이 액세스 포인트(AP, Access Point) 네트워크는 AP 이름에 대한 기술적 레퍼런스로 SSID가 제공되며, 네트워크의 SSID가 식별되면, 해당 위치에 대한 상세 정보를 제공하는 데이터베이스를 통해 교차 확인이 가능하다. 

SSID 위치확인 기능은 노르딕의 nRF70 시리즈 컴패니언 IC를 통해 지원된다. 와이파이 위치확인 기능을 위해 nRF70 시리즈 디바이스는 주변의 와이파이 액세스 포인트에서 SSID를 스캐닝하고, nRF9160 SiP는 셀룰러 연결을 이용해 nRF 클라우드로 이 SSID와 기타 유용한 정보를 전달하게 된다. 그런 다음, nRF 클라우드는 하나 이상의 와이파이 SSID 데이터베이스를 확인하여 SSID의 위치 정보와 해당 위치의 불확실도 등을 nRF9160이나 다른 곳으로 보낼 수 있다. 

이러한 기술들이 GNSS의 정밀도를 능가하기는 어렵다. 하지만 수십 미터 수준의 정확도만으로도 충분하고, 배터리 수명이 중요한 경우 또는 GNSS 신호가 중단된 경우, GNSS보다 훨씬 더 적은 전력을 소모하는 와이파이 SSID 위치확인 기능이 탁월한 대안이 될 수 있다.  

또한 1km 이내의 정확도로 자산의 위치를 확인하고, 배터리 수명이 중요한 애플리케이션에서는 셀 기반 위치확인 기능이 더욱 적합한 선택이 될 수 있다. 노르딕의 nRF91, nRF70 시리즈 및 nRF 클라우드 위치확인 서비스를 이용하면, 이러한 세 가지 위치확인 방식을 효과적으로 전환하여 배터리 수명과 위치 정밀도 간의 균형을 최적화할 수 있다. 위치확인 기술은 중요 자산의 손실을 방지하고, 여러 애플리케이션에서 다양한 이점을 실현할 수 있다.