최신 저전력 무선 기술의 혁신, 전례 없는 에너지 효율성을 달성하는 셀룰러 IoT 제품

에너지 낭비를 최소화할 수 있는 가장 효과적인 방법은 체계적 접근방식으로 IoT 기기를 설계하는 것이다. 이러한 여정의 첫 번째 단계는 가장 효율적인 하드웨어 및 소프트웨어를 선택하는 것이다. 그런 다음, 개발자들이 자산추적 등과 같은 애플리케이션에서 위치 정확도와 전력 소모를 균형 있게 절충할 수 있도록 클라우드 서비스(Cloud Service)에 대한 연결까지 체계적으로 수행되어야 한다. 



셀룰러 IoT는 글로벌 도달 범위와 안정성, 낮은 전력 소모 및 첨단 보안 기능을 기반으로 저전력 광대역 네트워크(LPWAN: Low Power Wide Area Network) 분야의 선도 기술로 부상하고 있다. 자산추적 및 스마트 미터링에서 스마트 시티 및 스마트 농업에 이르기까지, 셀룰러 IoT는 커넥티드 기기들이 보다 더 적은 에너지를 사용하면서도, 킬로미터 이상 거리에서 통신이 가능하도록 지원한다.

하지만, 에너지 소비량은 셀룰러 IoT 기기의 효율성과 애플리케이션에 따라 달라질 수 있으며, 배터리 수명에 부정적인 영향을 미치는 설계 상의 잘못된 선택으로 잦은 충전이나 배터리를 교체해야 하는 불편함을 초래할 수도 있다. 물론, 더 큰 배터리를 사용하는 것도 한 가지 해결책이 될 수는 있지만, 이로 인해 비용, 부피 및 무게가 증가하게 된다. 가장 효과적인 방법은 에너지 낭비를 최소화할 수 있는 보다 체계적인 접근방식으로 IoT 기기를 설계하는 것이다.

이러한 여정의 첫 번째 단계는 가장 효율적인 하드웨어 및 소프트웨어를 선택하는 것이다. 그런 다음, 개발자들이 자산추적 등과 같은 애플리케이션에서 위치 정확도와 전력 소모를 균형 있게 절충할 수 있도록 클라우드 서비스(Cloud Service)에 대한 연결까지 체계적으로 수행되어야 한다. 
 
전력소모 최소화

배터리 수명에 영향을 미치는 유일한 요인은 아니지만, 무선 전송은 전류 소모에 가장 큰 영향을 미친다. 따라서, LTE-M/NB-IoT 무선 기능을 보다 신속하게 동작시켜 데이터를 전송한 다음, 절전 모드로 빠르게 전환하거나 GNSS 무선 기능이 더 빠르게 위성 그룹을 포착하여 위치를 확인한 다음, 절전 모드로 전환하도록 함으로써 IoT 기기의 효율성을 높일 수 있다.

셀룰러 IoT 기기를 네트워크에 등록하고, 연결을 유지함으로써 필요한 순간에 거의 즉각적으로 데이터를 전송하기 위해서는 일부 무선 기능이 상시적으로 동작해야 하며, 이로 인해 전력소모가 증가하게 된다. 그러나 안정적으로 네트워크 연결을 유지하면서도 무선 전송 시간을 최소화할 수 있는 여러 전력 절감 기술이 존재한다.

그 중 하나는 eDRX(extended Discontinuous Reception)이다. eDRX를 이용하면, IoT 기기가 네트워크 다운링크 페이징 메시지를 더 긴 간격으로 모니터링하기 때문에 무선 기능을 자주 활성화할 필요가 없어 전력 소모를 줄일 수 있다. 이는 IoT 기기가 네트워크에 등록되어 연결된 상태를 유지하면서도, 더 오랜 시간 절전 모드에서 운영되도록 할 수 있다.

그러나 eDRX에는 한 가지 트레이드오프가 있다. 셀룰러 IoT 기기가 다운링크 페이징을 모니터링하지 않는 동안에는 네트워크에 접근할 수 없기 때문에 셀룰러 통신에 지연이 발생할 수 있다. eDRX 주기는 일반적으로 최소 및 최대 범위 내에서 프로그래밍할 수 있으므로, 개발자는 애플리케이션의 요구사항에 따라 전력 소모와 지연시간 간의 균형을 조정할 수 있다.

 

두 번째 에너지 절감 기술은 셀룰러 IoT 기기를 딥슬립 상태로 전환하여 전력 소모를 더욱 줄이는 것이다. PSM(Power Saving Mode)은 기기를 네트워크에 등록된 상태로 유지하면서도 모뎀을 차단할 수 있다. 기기는 설정된 시간 동안 네트워크에 접근할 수 없지만, 필요 시(예: 알람 신호에 응답해야 하는 경우) 언제든지 웨이크업이 가능하다. 

그러나 기기는 네트워크와의 연결을 유지해야 한다. 이를 위해, 주기적인 TAU(Tracking Area Update) 타이머에 따라 정해진 간격으로 네트워크에 TAU 메시지를 전송하여 기기를 웨이크업할 수 있다. 또한, 애플리케이션이 필요에 따라 주기적 TAU 타이머가 만료되기 전에 기기를 웨이크업하여 업링크 메시지를 전송할 수도 있지만, 이 방법은 타이머에 따라 자동으로 TAU를 수행하는 것보다 더 많은 전력을 소모하게 된다.

마이크로와트까지 최대한 활용

노르딕 세미컨덕터(Nordic Semiconductor)는 ‘마이크로와트까지 최대한 활용’할 수 있는 저전력 무선 솔루션 분야의 선도주자로, 오랜 경험을 보유하고 있다. 특히, 이러한 기술을 한 단계 더 발전시킨 노르딕의 최신 nRF91 시리즈 셀룰러 IoT 디바이스인 nRF9151 모듈은 처음부터 전력 소모를 최소화할 수 있도록 설계되었으며, 노르딕의 자체 절전 기능뿐만 아니라 eDRX 및 PSM까지 완벽하게 지원한다.

노르딕의 전력 절감 기능 중 하나인 ‘이동성 감소’는 셀 간 스와핑을 제한하여 주로 고정되어 있는 기기에 대한 모뎀 활동을 줄이는 방식이다. 또 다른 기능인 ‘국가별 검색 최적화’는 70개국의 네트워크 검색 파라미터를 미리 로드하여 새로운 위치에서 네트워크를 처음 검색할 때 소모되는 전력을 절감할 수 있다. 세 번째 기능은 ‘네트워크 검색 조기 중단’이다. 이는 무선 상태가 양호하지 않은 환경에서 모뎀이 초기 네트워크 연결 시도에 실패하면, 나중에 다시 시도하도록 설정함으로써 추가 확장 검색으로 인한 에너지 소모를 줄일 수 있다.



노르딕은 nRF9151 모듈의 모든 하드웨어와 소프트웨어를 자체적으로 설계하기 때문에 3GPP 릴리즈 14 LTE-M/NB-IoT 및 DECT NR+(세계 최초의 비셀룰러 5G 기술 표준)를 지원하는 매우 효율적이고, 최적화된 저전력 솔루션을 제공할 수 있다.

nRF9151은 아키텍처 개발 단계부터 특정 애플리케이션에서 태양광 발전과 같은 에너지 하베스팅(Energy Harvesting)만으로 모듈을 구동할 수 있도록 설계되었다. 셀룰러 IoT 제품은 본질적으로 매우 효율적이기는 하지만, 에너지 하베스팅을 이용하면, 배터리 수명을 더욱 연장할 수 있다. 특히, nRF9151 모듈은 에너지 하베스팅을 활용하더라도, 칩의 연결성이나 컴퓨팅 성능에 어떠한 제약도 가하지 않는다.

다만, 에너지 하베스팅을 이용할 경우, 애플리케이션의 듀티 사이클이 제한될 수 있다는 점을 설계 시 고려해야 한다. 노르딕의 셀룰러 IoT 솔루션은 높은 유연성을 갖추고 있어 배터리의 예상 에너지 보존량에 따라 듀티 사이클을 쉽게 조정할 수 있다.

nRF9151의 또 다른 개선 사항은 기존 nRF91 시리즈에서 제공하는 23dBm의 파워 클래스 3(Power Class 3) 외에도, 파워 클래스 5에 해당하는 20dBm의 출력 파워를 지원하여 특정 애플리케이션에서 배터리 수명을 더욱 연장할 수 있다는 점이다. 이를 통해 개발자는 클래스 5 출력 파워 요건을 필요로 하는 애플리케이션에 새로운 출력 파워 옵션을 이용하여 전송 전력을 절감하고, 배터리 에너지 소모를 최소화할 수 있다. 이러한 개선 사항은 개발자들에게 더 높은 유연성을 제공함으로써 nRF9151 모듈의 적용 범위를 확장하는데 기여할 수 있다.

자산추적 애플리케이션을 위한 배터리 수명 연장

자산추적은 주요 셀룰러 IoT 애플리케이션 중 하나이다. 노르딕은 nRF9151 및 다른 nRF91 시리즈 모듈을 이용하는 개발자를 위해 nRF 클라우드 서비스(nRF Cloud Service)를 비롯한 종단간(End-to-End) 셀룰러 IoT를 지원함으로써 배터리 수명을 효과적으로 관리할 수 있도록 해준다. 예를 들어, 위치 확인 서비스의 경우, 위치 정확도와 전력 소모 간의 균형을 절충하여 자산추적 솔루션의 효율을 극대화하고, 배터리 수명을 연장할 수 있다.

 

노르딕의 nRF 클라우드 위치 확인 서비스(nRF Cloud Location Service)는 전력소모 절감을 위한 3가지 유형의 위치 확인 기술을 지원한다. 첫 번째는 A-GPS(Assisted-GPS)와 P-GPS(Predicted-GPS)이다. A-GPS와 P-GPS는 일반 GPS와 동일한 수준의 위치 정확도를 제공하면서도, 더 적은 배터리 전력을 사용한다. 이는 지상 기반 GPS 데이터베이스에 저장된 위성 지원 데이터에 액세스하여 LTE 네트워크를 통해 IoT 기기로 전송하게 된다.

이를 통해 IoT 기기는 몇 분이 아닌 불과 몇 초 만에 위성의 위치를 파악할 수 있어 에너지를 절감할 수 있다. 특히, P-GPS 기술은 A-GPS를 기반으로 2주 이상의 위성 데이터를 IoT 기기에 제공할 수 있다. 이는 장시간 절전 모드로 전환되는 기기의 경우 더욱 높은 전력 절감 효과를 얻을 수 있다.

두 번째로 제공되는 위치 확인 기술은 LTE 위치 확인 서비스로, 이는 P-GPS 및 A-GPS에 비해 배터리 소모를 더욱 줄일 수 있다. 이 기술은 추적 대상 기기가 위치한 통신 셀을 식별한 다음, 해당 셀 ID를 알려진 기지국 위치 데이터베이스와 대조하여 자산추적 기기의 위치를 확인하게 된다. 이 방식은 배터리 수명에 큰 영향을 미치지 않으면서도 킬로미터 수준의 정확도를 제공한다.

또한, 다중 셀(Multi-Cell) 위치 확인 기술은 기존의 단일 셀 기술에 기반하고 있지만, 단일 기지국이 아닌 여러 개의 주변 기지국의 위치를 참조하여 위치를 계산하기 때문에 수백 미터 수준의 정확도를 제공할 수 있으며, 전력 소모도 낮게 유지할 수 있다.

 

이외에도, 자산추적 애플리케이션에 와이파이(Wi-Fi) 위치 확인 기술도 이용할 수 있다. 이를 위해 개발자는 노르딕의 nRF9151 또는 다른 nRF91 시리즈 모듈과 함께 nRF7000 와이파이 컴패니언 IC를 함께 사용해야 한다. 와이파이 위치확인 기능을 이용하는 경우, nRF7000은 주변의 와이파이 액세스 포인트(AP)의 SSID(Service Set Identifier) 정보를 확인하고, nRF9151은 이 SSID를 NB-IoT 또는 LTE-M 연결을 통해 nRF 클라우드로 전송하게 된다.

그런 다음, nRF 클라우드는 하나 이상의 와이파이 SSID 데이터베이스를 조회하여 해당 SSID의 위치와 위치 불확실도를 스마트폰과 같은 사용자 인터페이스로 전달하게 된다.(그림 1 참조) 와이파이 SSID 기반 위치 확인은 셀 기반 위치 확인 기능보다 훨씬 더 높은 정확도(약 20m급 분해능)를 제공하면서도, GNSS보다 더 적은 전력을 소모한다.

nRF 클라우드 서비스는 MQTT(Message Queuing Telemetry Transport), REST(Representational State Transfer), HTTP(Hypertext Transfer Protocol)보다 훨씬 더 효율적인 CoAP(Constrained Application Protocol)도 지원한다. CoAP를 이용하면, 배터리 소모를 더욱 절감할 수 있다.

자산 추적기 제조사들은 고효율 셀룰러 IoT 모듈과 nRF 클라우드 서비스를 이용하여 단 한 번의 배터리 충전으로 수년간 동작이 가능한 강력한 프로세싱 성능을 갖춘 소형 및 경량의 기기를 구현할 수 있어 유지보수 부담을 크게 줄일 수 있다. 이를 통해 배터리 생산 및 폐기량 또한 대폭 감축할 수 있어 환경에도 긍정적인 영향을 미칠 수 있다.



저자 소개

노르딕 세미컨덕터(Nordic Semiconductor)의 셀룰러 IoT 기술 마케팅 매니저인 마틴 레순드(Martin Lesund)는 노르웨이 과학기술대학교(Norwegian University of Science & Technology)에서 전기공학 석사 학위를 취득했다. 현 직책을 맡기 전에는, 노르딕 기술 지원 그룹에서 nRF91 시리즈와 nRF 커넥트(nRF Connect) SDK, 셀룰러 IoT 분야에 중점을 두고, 3년 이상 애플리케이션 엔지니어로 근무했다. 현재 마틴은 고객들이 새로운 애플리케이션을 위해 셀룰러 IoT 솔루션을 최적화할 수 있도록 지원하는데 주력하고 있다. 여가 시간에는 걷기, 달리기, 등산, 자전거 등을 즐긴다.