[헬로티]
사물인터넷을 일컫는 IoT는 크게 여섯 가지 대표적인 시장을 갖고 있다. 스마트 홈, 웨어러블, 스마트 시티, 인더스트리 오토메이션, 스마트 에너지 그리고 커넥티드 카가 그 여섯 가지 분야이다. 이 IoT를 가능하게 하기 위해 다양한 종류의 통신 방식이 고려돼 적용되고 있다.
그중에서도 크게 주목받고 있는 부문은 LPWA(Low Power Wide Area) 부문이다. 전력 소모는 최소화하면서 통달 거리는 최대화하고 싶기 때문이다. LPWA가 주목을 받는 이유 중 하나는 ARPU(Average Revenue Per User: 사용자당 평균 이익) 때문이다. 보통 스마트폰의 경우는 평균적으로 월 500메가 바이트의 데이터를 사용한다. 월 평균 지불 비용이 2만 5천 원이라고 가정하면 메가바이트당 50원이 되는 셈이다. 하지만 IoT 애플리케이션으로 가게 되면, 상황은 완전히 달라진다.
만약 애완동물이나 자동차, 아이를 찾는 IoT 애플리케이션을 이용한다면, 얼마의 비용을 지불할 수 있을까? 일반적인 IoT 애플리케이션의 경우, 월 데이터로 100킬로바이트 정도 사용한다. 단지 한 달에 백 원이 과금 되는 IoT 서비스를 출시한다고 해도 메가 바이트당 비용은 천 원으로 스마트폰 비용의 20배가 된다. 월 천 원을 과금 한다면, 메가 바이트당 비용은 만 원으로 스마트폰 비용의 200배가 된다.
현재 출시된 대부분의 IoT 애플리케이션은 월 평균 요금으로 만 원 정도 과금하고 있으며, 자동차 위치 추적 애플리케이션 같은 경우 연 수십만원을 과금하기도 한다. 이처럼 높은 ARPU로 인해 LPWA가 크게 주목받고 있는 것이다.
LPWN은 크게 셀룰러 진영과 비셀룰러 진영으로 나누어지며, 대표적인 주자들과 특징은 아래와 같다.
그림 1. IoT를 가능케하는 기술들
3GPP라는 표준단체에서 규정한 NB IoT(Narrow Band)는 고집적, 저비용, 고수명, 넓은 지원 지역, 소프트웨어 업그레이드 부분이 특징이다. 이 중 특히 구현하기 어려운 부분은 다음과 같다.
먼저 전력 소모 부문을 살펴보자. IoT는 10년간 배터리로 동작되는 것을 목표로 한다. 10년간 사용자 개입 없이 운용이 보장되어야 하는데, 여기에는 소프트웨어 업그레이드까지 포함된다. 서비스 운용자의 세팅이나 프로토콜 운영 방식에 따라서 일시적으로 전력 소모가 많아지더라도 사용자의 개입이 없는 상태에서 네트워크를 찾고 소프트웨어를 업그레이드하며 리셋하는 동작을 자체 판단으로 수행해야 한다.
다음은 RF 설계 부문이다. 건물 내 운용이 가능해야 하며, 운용 형태가 예상되는 스마트폰과 달리 어떠한 케이스에 어떠한 모양으로 장착, 운용될지 모른다. 따라서 여러 무선 간섭과 혼변조를 극복해야 한다.
그림 2. LPWAN 요약
안정도면에서는. 재부팅 빈도를 최소화하고 사용자 개입 없이 복구가 가능하며, 인증, 보안, 원격 소프트웨어 업그레이드가 이루어져야 한다. 특히 보안면에서는 10년의 시간 동안 지속적인 침투기술의 발전이 예상되는데, 이에 대한 유연한 대응까지 고려되어야 한다.
수락검사 및 생산 면에서는, GCF/PTCRB 와 같은 인증 업체의 검증을 통과해야 하며, 사업자 수락검사, 상호운용성 검사, 실 운용 검사, 그리고 전체 시스템과 통합 검사도 받아야 한다.
특히 전력 소모 부문을 유심히 살펴봐야 한다. IoT 제품은 우선 전력 소모가 적어야 하는데, 이를 위해 매우 작은 전류를 측정할 수 있는 측정 장비가 필요하다. IoT 제품은 대부분의 시간을 슬립 상태로 최소 전류 소모를 가져야 하는데, 이 상태에서 활성 상태가 되었을 경우 전류의 변화량이 매우 크기 때문에, 큰 전류와 작은 전류 모두 측정할 수 있어야 한다. 따라서 측정 전류 범위(다이나믹 레인지)가 넓은 제품을 이용해야 한다. 큰 전류와 작은 전류의 변경 속도 또한 매우 빠르므로 빠른 변화를 측정할 수 있는 제품을 사용해야 한다.
아래와 같은 전류 프로파일을 갖는 IoT 제품을 개발한다고 가정해 보면, 대부분의 시간을 차지하는 수면·대기 상태에서의 전류를 최소화해야 한다(1 μA 이하).
그림 3. IoT 디바이스의 전류 프로파일
그림 4. 슬립/대기 전류 최소화
그림 5. 활성상태 전류 최소화
또한 활성 상태에서도 전류 소모를 최소한으로 해야 하고, 소모되는 시간도 줄여야 한다. (10mA 이상)
그렇다면 어떤 측정장비를 이용해서 이를 유연하게 측정할 수 있을까? 몇 개의 장비로 예를 들어보자면, 먼저 DMM(Digital Multi-meter)이 있다. DMM은 상대적으로 저렴한 가격으로 꽤 정밀한 전류 측정이 가능하다. 하지만 측정 시간이 상대적으로 길어 정적으로 바뀌지 않는 신호에 대해서는 막강한 성능을 내지만, 급격하게 바뀌는 전류 신호를 관측하기는 용이치 않다. 키사이트 34470A DMM은 이를 다소나마 극복했다. 디지타이저 옵션을 선택하게 되면, 초당 5만 번의 샘플을 측정할 수 있어, 미니 스코프처럼 운용될 수 있다.
그림 6. 전류 측정 장비군
그림 7. 34470A 디지타이징 기능
초당 5만 번의 샘플이 모자랄 수 있다. 이때는 고전적인 오실로스코프를 이용할 수 있다. 키사이트 N2820A 장비는 5기가 샘플의 속도를 자랑한다. N2820A 및 N2821A 프로브와 결합되면, 2만 대 1의 다이나믹레인지, 3 메가헤르츠 밴드폭으로 전류 측정이 가능하다. 교체 가능한 Rsense 모듈로 20 mΩ, 100 mΩ 및 사용자 정의 저항도 가능하다.
전력을 공급하면서 전류를 측정할 때는 N6705C가 권장된다. 심리스 측정 기능을 이용하면, 측정레인지 변화 없이 한 번에 세 개의 레이지(3A, 100mA, 1mA)를 동시 대기시킨다. 실측 정밀도는 28 bit ADC에 준하게 된다.
그림 8. N6781A 심리스 기능
또한 제로 션트 기능을 이용하면, 배터리 전류원 상태에서 전압강하 없이 순수 전류만 측정 가능하다. 이는 션트로 인한 추가 전력 소모를 없애 준다.
그림 9. N6781A 제로션트 기능
B2900 시리즈의 정밀 SMU도 고려해볼 만하다. 10fA, 100nV의 정밀도를 자랑하며, 순간적으로 200V 이상의 전압 공급도 가능하다. I-V, I-t, V-t 플롯 및 롤 모드의 측정 기능도 있다.
전류 파형 측정의 최종 장비는 키사이트 CX3300 전류파형 분석기이다. 이 장비는 1GHz 샘플 간격으로 100nS 이하의 전류 펄스도 쉽게 관측할 수 있으며, 오실로스코프와 같은 측정 유연성을 제공한다.
그림 10. CX3300A 전류파형분석기
체널 당 256 메가 포인트의 저장 메모리는 꽤 오랜 시간 동안의 정밀 측정 분석이 가능하다.
14/16비트의 넓은 다이나믹 레인지는 매우 낮은 전류 레인지도 깨끗이 볼 수 있으며, 노이즈를 최소화하여 100pA와 10A의 측정을 손쉽게 해 준다. 프로파일러 기능은, 어떤 부문에서 얼마큼의 전류를 소모하고 있는지를 몇 번의 클릭 만으로 손쉽게 파악할 수 있다.
그림 11. CX3300 전류파형 분석기 프로파일 기능
[그림 12]는 전류측정장비 비교를 표로 정리했다.
그림 12. 전류측정장비 비교
IoT 디바이스 개발은 매우 많은 기회가 될 수 있지만, 쉽지 만은 않다. 특히 전력 소모면에서 많은 노력이 필요하다. 빠른 전류의 변화를 넓은 다이나믹 레인지에서 관측해야 한다. 가장 적합한 장비를 효율적으로 선택함으로써 IoT 디바이스 개발을 가속화 할 수 있다.
글 : 최대류 키사이트 테크놀로지스(Keysight Technologies) 기술지원부 부장
