[토니 밀번의 스마트 커넥티드 시티] 스마트 커넥티드 시티의 설계

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토니 밀번  유블럭스 기업 전략 부사장
<토니 밀번 유블럭스 기업 전략 부사장>

커넥티드 시티 설계에 필요한 기기 요구사항
커넥티드 시티에 기여하는 많은 데이터 자원들이 서로 이질적이고 다양한 것처럼 보일 수 있지만, 설계자의 관점에서 볼 때 이러한 데이터 자원들은 일부 주요한 공통 요구를 공유한다. 이들은 충격에 강하고, 신뢰할 수 있어야 하며, 폭 넓은 습도 및 온도 내성을 갖고 있어, 현장에서 최소 15년 간 저전력으로 운영이 가능해야 한다. 또 강건하고 소음 저항이 우수하며, 특히 비상상황에 대비한 실내 및 실외 통신을 위한 링크 버짓(link budget)을 보장해야 한다.

센서들은 높은 정밀도, 정확한 데이터를 제공해야 한다. 그렇지 않을 경우, 그 결과 분석은 어떤 가치도 갖지 못할 것이다. 위치 추적의 경우, 고속으로 신호를 관통하여 이동하거나, 차선을 바꾸는 응급차에게는 센티미터 급의 정확도를 또는 정확히 어느 쓰레기 컨테이너가 비어 있는지 확인하는 일을 의미할 수도 있다.

타이밍 차원에서, 정확도는 100만분의 1초 수준의 정확도를 가진 타임 스탬프를 의미할 수 있는데, 150ms 미만의 통신 지연 속도를 가진 낮은 대기시간의 통신은 필수적이다. 인프라에 대한 1 홉의 거리를 보장한다면, 대기시간과 전력 소비를 더 낮게 유지할 수 있을 것이다.

이러한 모든 요인들이 작용하는 극단적인 사례로 긴급 구조원이 빌딩 또는 산악지형에서 어려운 상황에 빠진 경우를 들 수 있는데, 이 경우 그 위치 및 건강 상태 모두를 빠르게 추적할 수 있어야 하며, 동시에 음성 통신까지 보장되어야 한다.

모든 데이터가 수집, 이동, 처리 및 저장될 경우, 보안은 개인 데이터의 유출 및 도시의 자원에 대한 조작을 방지하기 위한 주요한 고려사항이 된다. 제한된 예산을 고려할 때, 모든 솔루션은 반드시 저비용이어야 하며, 동시에 낮은 총소유비용(TCO)를 보장해야 한다.

이러한 많은 요구사항들은 상호 연관되어 있다. 예를 들어, 비용은 전 수명주기 비용을 포괄하며, 수명주기 비용은 설계 투자, 설치, 유지 및 저비용 데이터 전송 메커니즘 등과 관련된다. 이상적인 이야기지만, 스위치를 켜면 영원히 지속되어 별다른 유지 활동이 필요 없게 된다면 정말 좋을 것이다.

물론, 설치의 용이성과 비용은 지리적 편차가 크다. 녹지에 대한 개발과 설치 작업의 경우는 상대적으로 수월하다. 그러나, 구 도심지나 엄격한 구역 규제가 실시되는 지역, 문화재로 보호된 건물에 대한 개선 사업 등에서는 설치가 어렵고 많은 비용이 요구된다. 이 모든 것이 커넥티드 시스템의 비즈니스 사례에 있어 고려되어야 할 요인이다.

[토니 밀번의 스마트 커넥티드 시티] 스마트 커넥티드 시티의 설계

커넥티드 시티를 위한 설계
커넥티드 시티의 설계 요구사항은 다음과 같은 모범 사례를 따르고, 관련 지침과 규제들을 준수 및 초과 준수하여 충족할 수 있다. 예컨대, AEC-Q100과 같은 자동차 표준은 컴포넌트의 온도 저항성을 -40˚C에서 105˚C의 범위로 규정하는 반면, ISO 26262를 준수할 경우, 전장의 기능적 안전을 보장할 수 있다.

때때로 발생하는 시스템 장애는 불가피하지만, 올바른 절차를 준수할 경우, 시스템은 장애로부터 안전하며, 부상이나 피해를 예방할 수 있다. 하지만, 철저한 테스트 절차가 반드시 필요하며, 추적성과 기능적 안전성의 보장은 해당 하드웨어 및 소프트웨어에 반영되어야 하고, RF 방출에 대한 규제 요구사항 또한 준수해야 한다.

FCC에서 요구하는 모든 사항들을 준수하기는 대단히 어렵다. 많은 시간이 소요되며, 때로는 설계자의 시간을 잘 활용하지 못하는 결과, 즉 그 실제 가치에 투자할 시간을 그 응용에 전용하게 될 수도 있다. 이는 통신을 위해 “직접 만든” RF 솔루션을 이용하라는 방안 대신 하나의 모듈을 선택하는 것이 더 나은 이유이다. 양호한 품질의 벤더가 있다고 가정할 때, 해당 모듈은 이미 시험을 통과하고 정부 및 셀룰러 서비스업자의 요구사항을 모두 만족했지만, 사실 해당 벤더에게 확인하는 것이 더 현명할 수도 있다.

더불어, 모듈 공급업자는(충분히 오랫동안 해당 사업에 종사했다고 가정할 경우), 최대 성능 보장을 위해 안테나를 어디에 위치시켜야 할지 등과 같은 응용 차원의 지원을 제공할 수 있어, 보다 빠르고 철저한 설계에 도움을 줄 수 있다.

주차장에서 차량의 주차 여부를 탐지하기 위해 지하에 매설되는 유도 센서를 가정해 보자. 그 상태가 로컬 게이트웨이 또는 통합점으로 전송됨에 따라, 해당 센서의 외함 설계 및 링크 버짓을 위한 해당 안테나의 최적 위치는 그 탐지 범위를 크게 확장할 수 있으며, 따라서 요구된 게이트웨이의 신뢰성을 개선할 수 있고, 그 수를 줄일 수 있다. 또한 개발 및 관리 비용을 절감시키는 효과를 제공하기도 한다. 이 모든 것이 연결되어 있다.

더불어, 훌륭한 모듈 벤더는 GNSS, 셀룰러, 및 근거리 무선 인터페이스 등을 포함한 다양한 모듈을 공급할 것이며, 변화하는 환경 조건 및 위치를 고려, 위치 정확도 및 강건성을 위한 최적화 기능도 제공할 것이다.

많은 설계자들에게 올바른 RF 인터페이스를 선택하는 일은 주어진 조건 하에서 최적의 솔루션을 찾는 것이다. 때문에 걱정이 앞서고, 선택사항이 증가할수록 결정은 더 어려워진다. 약 100미터의 수신 거리를 지원하는 IoT 장치를 설계하는 많은 설계자들에게 이러한 선택사항은 Bluetooth 저전력, IEEE 802.15.4(ZigBee, Wireless Hart, Thread) 및 Z-Wave 등이 된다. 더 넓은 범위와 더 높은 데이터 속도를 고려하자면, Wi-Fi 기술이 유비쿼터스의 이점을 가지며, 연결이 용이하다는 장점도 갖는다. 그러나 Wi-Fi는 그 베이스라인 형식(802.11a/b/g/n/ac)에 있어, 낮은 대기시간 및 초 저전력 애플리케이션에 최적화된 기술은 아니다.

짧은 대기시간을 고려할 때, IEEE 802.11p는 2010년에 100ms 이하의 통신 대기시간 유지를 위해, 5.9GHz의 인가된 ITS 밴드에서 운영된 바 있다. 최근에, Wi-Fi Alliance에서는 IEEE 802.11ah 작업에 기반하여 작성한 Wi-Fi 기술의 변형인 HaLow를 발표했다. HaLow는 900MHz 권역에서 운영되며, 주어진 전송 전력 조건에서 그 범위를 두 배로 확장하도록 지원한다.

다시 말해, 거의 모든 표준들이 개선되고 있어 단지 그 범위와 전력에 그치는 분석이 아니라, 메쉬 네트워킹 및 네이티브 인터넷 프로토콜 지원 등이 확장되는 지도 살펴봐야 한다. 예컨대, Bluetooth SIG는 Bluetooth의 공식적 범위를 4배 확장하고 있으며, 메쉬 기능을 Bluetooth 저전력 기술에 추가하는 것을 들 수 있다.

현재의 근거리 무선 표준은 진화하고 있으며, 이에 따라 광역 차원의 선택 사항들도 그 수가 크게 증가하고 있다. 새로운 기술로는 Ingenu, LoRa, Narrowband IoT (NB-IoT) 가 있다. 허가된 GSM 및 LTE 밴드에서의 운영을 위해 3GPP에 의해 개발된 NB-IoT는 실내 및 실외 응용을 목표로 개발되었으며, 장기간의 배터리 수명, 깊은 커버리지 침투성 및 저전력 등을 요건으로 한다.

협대역 IoT(NB-IoT)는 3GPP가 개발한 기술로서, 실내 및 야외에서 GSM 및 LTE 네트워크에 최대 99.5% 이상의 IoT 커버리지를 제공한다
<협대역 IoT(NB-IoT)는 3GPP가 개발한 기술로서, 실내 및 야외에서 GSM 및 LTE 네트워크에 최대 99.5% 이상의 IoT 커버리지를 제공한다>

최근 발표된 한 산업 폐기물 처리 솔루션에 대한 사례 시연에서 NB-IoT, Bluetooth 저전력 및 Wi-Fi 기술을 결합, 폐기물 수집통으로부터의 정보 수집, 쓰레기 수집 경로의 최적화 및 세련된 데이터 분석 기법의 적용을 통해, 연료 소비의 절감, 배출 저감 및 쓰레기 수집 횟수를 절감하여 사업적 편익을 도출하는 방법을 보여주었다.

NB-IoT의 적용 사례는 더 큰 잠재력을 보여준다. 전통적인 GSM 및 LTE 네트워크는 실외 커버리지 수요 중 95~99%만 담당할 수 있는데, 이는 주요 응용 사례에서 문제가 될 수 있으며, 도달하기가 어려운 위치의 경우에는 적용이 불가능하다는 문제점도 있다. 실내 커버리지는 최소 99.5% 이상이 되어야 한다. 3GPP는 이러한 문제를 협대역 기술들을 이용하여, 전력 스펙트럼 밀도(power spectrum density; PSD)를 개선하기 위해 노력하고 있다. 16-회 재송신 메커니즘 및 스탠드얼론(standalone) 및 가드밴드 스펙트럼 플래닝 모드(guardband spectrum planning mode)는GSM 네트워크와 비교할 때, NB-IoT의 커버리지 이득을 20dB 가량 증가시킨다.

또한, NB-IoT는, 셀룰러 통신과 비교할 때, 훨씬 더 낮은 전력 및 데이터 속도로 운영되지만, IoT 수준의 견고함과 신뢰성을 제공하여 일반 및 소규모 데이터 전송을 통해 가스 및 수도 계량계의 모니터링에 더 적합한 솔루션을 제공한다. NB-IoT의 다른 주요 응용 사례로는 가로등 제어, 건물 자동화 및 사람 추적 등이 있다.

토니 밀번 유블럭스 기업 전략 부사장