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IoT의 기술적 도전과제, 저전력 광역통신망(LPWAN)으로 해결 ②

지난 글에 이어 이번 글에서는 비용 효율적이고 최적화된 LPWAN 연결을 위한 단일 칩 솔루션 개발법에 대해 알아본다.

LPWAN 애플리케이션 공간을 겨냥한 무선 기술은 27MHz~1050MHz에 이르는 광범위한 주파수를 지원한다. 다양한 LPWAN 프로토콜을 사용하는 여러 IoT 애플리케이션을 처리할 수 있는 단일 설계를 구현하려면 트랜시버가 전체 범위에서 작동할 수 있어야 한다. 또 펌웨어에서 실행되는 프로토콜은 작동 가능한 마이크로컨트롤러를 필요로 한다. 

이 두 가지 기능적 요소를 하나로 통합하면 2칩 방식보다 더욱 전력 효율이 높고 비용 최적화된 유연한 솔루션을 만들 수 있다. 주로 소프트웨어 정의 방식이므로 제조사들이 각기 다른 무선 프로토콜을 사용하는 여러 애플리케이션의 요구사항을 충족할 수 있도록 쉽게 적용 가능한 플랫폼을 제공한다. 

LPWAN에서 작동하는 많은 IoT 엔드포인트는 무선으로 교환하는 데이터를 제한해야 하며, 이로 인해 에지 프로세싱에 더욱 방점을 두며, 데이터를 로컬로 처리하는 엔드포인트를 가능케 하고 클라우드 플랫폼을 참조하지 않고 조치를 취할 수 있도록 한다. 

이를 지원하기 위해 어떤 솔루션의 프로세싱 성능이든 전력과 성능 간 적절한 균형을 이뤄야 한다. ARM Cortex-M0+ 코어는 32비트 아키텍처 성능을 제공하면서 업계 최고 수준의 저전력 소모 기능을 갖추고 있어 이러한 애플리케이션 영역에 사용하기에 최적이다. 

ARM Cortex-M0+는 온세미컨덕터의 AXM0F243 초저전력 RF 마이크로컨트롤러에 사용된 제품이다. 그림 1은 이 장치의 계통도를 보여주며, ARM 코어 서브시스템을 IoT용 LPWAN 장치를 만드는데 필요한 RF 기능과 통합한다. 

통합 협대역 트랜시버는 주파수 편이 방식(FSK), 최소 편이 방식(MSK), 4-FSK, Gaussian FSK 및 MSK, 진폭 편이 방식(ASK), 위상 편이 방식(PSK) 등 폭넓은 변조 방식과 호환된다. 대게 소프트웨어 정의 방식이기 때문에 무선 M-Bus와 Sigfox, 그 외 여러 LPWAN 프로토콜을 지원할 수 있다. 

AXM0F243는 100비트/초에서 최대 125킬로비트/초의 데이터 전송 속도에서 27MHz~1050MHz 사이의 통신사 주파수를 지원하며, 초고속 고정 시간 및 빠른 로킹용 대역폭 부스트 모드를 갖춘 자동 범위 설정 기능을 특징으로 하며, 이는 전력 소모를 낮추는데 기여한다. 

외부 VCO와 외부 전력 증폭기도 지원할 수 있다. 이 무선 컨트롤러는 RX/TX 스위치 제어 기능을 갖춘 안테나 다이버시티(antenna diversity)를 지원하며 패킷 수신은 완전 자동이며, 온칩 마이크로컨트롤러를 사용할 필요 없이 작동할 수 있어 전체 전력 소모가 더욱 줄어든다. 

AXM0F243은 마이크로컨트롤러와 RF 트랜시버를 통합할 뿐만 아니라 프로그래밍 가능하고 고정 기능하는 아날로그 및 디지털 주변 장치를 갖추고 있다. 

아날로그 블록은 두 개의 연산 증폭기와 12비트 SAR ADC, 저전력 비교기 및 전류 DAC로 구성되어 있다. 두 개의 전용 버스는 펌웨어를 통해 제어할 수 있는 아날로그 스위치를 사용해 아날로그 블록을 연결하며, I/O 핀을 모든 아날로그 블록으로 라우팅 할 수 있다. 

프로그래밍 가능한 디지털 블록은 FPGA의 CPLD와 유사하게 스위치된 패브릭에 연결된 LUT를 사용해 실현되며, 이를 통해 펌웨어 정의된 로직 기능이 GPIO 포트에서 라우팅된 신호에 적용될 수 있다. 고정 기능은 포함하며 I2C, SPI 및 UART 모드에서 운영할 수 있는 연속 커뮤니케이션 블록인 타이머/카운터/PWM 블록을 포함한다. 

IoT는 홈/빌딩 자동화, 계랑기 판독, 센서/액추에이터 모니터링 등을 포함한 여러 버티컬 시장을 포괄한다. 무선 연결은 IoT에 있어 필수적이며, LPWAN은 IoT에 포함된 많은 애플리케이션을 위한 필수 요소로 떠오르고 있다. 개발자들은 유연하고 프로그래밍 가능한 단일 칩 솔루션을 선택해 비용 효율적이며 전력 효율적인 방식으로 IoT의 문제점을 해결할 수 있다.

 

글 : 댄 클레먼트(Dan Clement) / 프로덕트 마케팅 담당 / 온세미컨덕터

 

최태우 기자  taewoo@itbiznews.com

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