로옴 920MHz 대역 특정 소전력 무선 모듈의 최신 기술 동향

로옴은 향후, Wi-SUN Enhanced HAN(BP35C0-J11), JUTA의 보급 촉진 및 Wi-SUN FAN 모듈의 개발 및 양산에 힘써 나간다.스마트 미터 이외에도, 물류·자산 관리나 시큐리티·스마트 빌딩등이 주목받고 있는 LPWA 시장에서 가장 적용 범위가 넓은 Wi-SUN의 보급 촉진에 노력한다.※로옴의 Wi-SUN Enhanced HAN 대응 무선 통신 모듈 「BP35C0-J11」, Wi-SUN JUTA 대응 무선 통신 모듈은, 일본의 전파법에 대응합니다. 해외에서는 순차적으로 대응해 나갈 예정입니다.또한 Wi-SUN FAN 대응 무선통신모듈은 현재 개발중이며 2020년제1분기(1월~3월)경에 발표할 예정입니다.※ 블루투스의 워드마크 및 로고는 블루투스 SIG, Inc.가 소유하고 있는 등록상표입니다. 이 마크들은 라이선스에 따라 사용하고 있습니다. 기타 상표 및 상호는 각각 소유자에게 귀속됩니다.※Sigfox는 SIGFOX S.A.의 등록상표입니다.IoT에 적용되는 무선 기술로 저전력과 넓은 영역을 커버하는 로우파워 와이드어리아(LPWA)가 주목받고 있다. LPWA에는 다양한 방식이 있고 방식에 따른 장단점도 다르다. 그 중 로옴이 특히 개발에 힘쓰고 있는 ‘와이썬’의 최신 동향에 대해 소개하고 싶다.Wi-SUN은 Wireless Smart Utility Network의 약자로, 최근 책정된 새로운 무선 통신 규격이다. 2012년 Wi-SUN 얼라이언스가 발족해 IEEE 802.15.4g을 기반으로 한 표준화가 진행되고 있다.그림 1은 다양한 IoT용 무선통신 규격에서의 Wi-SUN 포지션을 나타낸 것이다.도 1과 같이, Wi-SUN은 Wi-Fi보다 통신 거리가 길고, LoRa WAN 및 Sigfox보다 데이터 전송 속도가 빠르다는 특징이 있다. 기지국이 필요 없고 균형 잡힌 무선통신 규격이기 때문에 IoT 시장에서 가장 적용 범위가 넓은 무선통신 규격이라 할 수 있다.Wi-SUN 얼라이언스에는 기술사양을 책정하는 Working Group(이하, WG)이 있으며, 복수의 프로파일이 책정되어 있다. (그림2)그림 2. Wi-SUN 얼라이언스에서 책정하고 있는 프로파일의 종류 HAN WG, FAN WG, RLM WG, JUTA WG의 4개 Working Group에서 4종류의 프로파일 책정이 진행되고 있다. 로옴에서는 이미 사양 책정 및 인증이 개시된 HAN, FAN, JUTA의 3가지 프로파일에 대응하는 제품의 개발을 진행하고 있으며, 그 최신 상황에 대해 소개하고 싶다.HAN WG에서 책정된 프로필의 하나로 “Wi-SUN Enhanced HAN”이 있다. 롬에서는 2019년 1월부터 Wi-SUN Enhanced HAN에 대응한 무선 통신 모듈”BP35C0-J11″의 양산을 시작했다. Wi-SUN Enhanced HAN은 기존의 HAN에 통신 거리를 확장하는 Relay통신 기능 및 배터리 구동 기기에서도 쌍방향 통신을 가능하게 하는 Sleep통신 기능을 지원하는 최신 규격이다. 향후 홈 아레나 네트워크(HAN)뿐만 아니라 공장이나 상업 시설이라는 넓은 장소에서 Wi-SUN대응 기기의 활약이 커질 것으로 예상된다. (그림 3)그림 3. Wi-SUN Enhanced HAN의 용도도 4는 Wi-SUN Enhanced HAN 규격의 개요를 나타낸 것이다. HAN WG에서는 우선 Broote 통신, 다음으로 싱글 홉 HAN, 그리고 최신 Enhanced HAN 순으로 프로파일이 책정되어 있다.그림 4. Wi-SUN Enhanced HAN을 비롯한 각 프로필 이미지<Wi-SUN Enhanced HAN규격의 특징>1)Relay통신 가능 기존의 Wi-SUN HAN규격에서는 1대 다수의 스타형 접속만을 지원하고 있지만 Wi-SUN Enhanced HAN에서는 1대 다수의 트리형 접속이 가능하다. 그러므로 가정에서의 HEMS콘트롤러와 야외에 설치된 축전지 및 EV충전기 같은 기기와의 통신처럼 통신 거리가 멀고 있는 통신 단말기 사이에도 중계기를 통해서 안정한 통신이 가능하다.2)Sleep상태에서 쌍방향 통신(Sleep통신)가능 보통 무선 통신으로 쌍방향 통신을 할 경우 무전기는 항상 수신 상태를 유지해야 한다. 그러나 수신 상태에서도 전력을 소비하므로 배터리로 구동하는 센서 기기 등이 쌍방향 통신을 하기 어렵고, 일반적으로는 송신만을 지원하는 방식이 채용되고 있다. 한편 Wi-SUN Enhanced HAN의 경우, 저전력 동작으로 쌍방향 통신 방식을 지원하고, 배터리 구동 기기에서도 최적의 통신을 실행할 수 있다. <러, 무선 통신 모듈”BP35C0-J11″의 특징>1)전체 모드 대응 BP35C0-J11은 Wi-SUN Enhanced HAN에서 규정되고 있는 전 모드에 대응한다. 그러므로, 게이트 웨이 등의 네트워크를 총괄하는 코디네이터, 가전 및 센서 등의 네트워크에 연결된 엔드 디바이스, 무선 통신을 중계하는 릴레이 장치, 저전력 동작을 실행하는 슬리핑 디바이스에 모두 사용할 수 있다. 또, 스마트 미터와 접속하는 Broute에도 이용 가능하다. 번거로운 하드웨어의 교환 및 펌웨어의 전환도 필요 없기 때문에, BP35C0-J11은 고객 수요에 대응하는 다양한 용도로 사용이 가능하다.그림 5 BP35C0-J11대응 모드 2)”FOTA(FirmwareupdateOverTheAir)”기능 탑재 무선 통신에서 펌웨어 데이터를 배포 또는 갱신하는 FOTA을 실행하려면 통신 속도가 느리면 많은 시간이 걸리기 때문에 어느 정도 빠른 통신 속도를 채우는 규격이 적합하다. 또 실제 운용을 고려할 경우 통상적인 통신 중에 FOTA을 실행해야 하기 때문에 배경으로 펌웨어를 저장하기 위한 영역을 장치에 확보할 필요가 있다. BP35C0-J11은 ① Wi-SUN에 의한 고속 통신(100kbps)와 ② 펌웨어 저장 영역을 2개 가진 라피스 컨덕터의 무선 통신 LSI을 채용하여 실제로 운용하기 최적인 FOTA기능을 실현했다.FOTA기능의 탑재로 만약 파동으로 신속히 대응할 수 있기 때문에, 규격의 비인기 업데이트도 저비용으로 대응할 수 있다.그림 6. FOTA 이미지 3) 평가 보드롬은 고객의 평가 기간 단축을 위해 BP35C0-J11을 실장한 평가용 기판 「BP35C0-J11-T01」의 온라인 판매를 3월부터 개시했다. (그림 7)또한 무선 모듈 스타트 가이드 및 펌웨어 사양서, 외장 안테나 리스트 등 개발에 필요한 다양한 자료를 롬 홈페이지에서 다운로드 받을 수 있다. https://www.rohm.co.kr/products/wireless-communication그림 7 BP35C0-J11 평가 보드그림 7 BP35C0-J11 평가 보드로움질은 배터리로 구동하는 스마트 미터용 새로운 국제 무선 통신 규격이다”Wi-SUN JUTA”용 제품의 개발을 규격 책정 단계부터 추진했다. 롬의 무선 통신 모듈은 이미 도쿄 가스 주식 회사에서 채용되고 있으며 2019년 5월에 정식으로 발표된 “Wi-SUN JUTA”의 인증 시험용 기준기(CTBU:Certifed Test Bed Unit)으로 채용되면서, 업계 첫 얼라이언스 인증을 취득했다.<Wi-SUN JUTA규격의 특징>1)배터리 구동 스마트 미터에서 10년 이상 작동 가능 Wi-SUN JUTA는 독자적인 단속적으로 동작(일정 간격으로 송수신하는 이외는 모두 슬리프) 하므로 수신 시간을 매우 짧게 하고 동일 920MHz대역의 특정 소전력 라디오를 취급하는 기존 Wi-SUN(Wi-SUN Enhanced HAN의 엔드 디바이스 모드)보다 소비 전류를 98%이상 삭감했다. 그래서 배터리 구동의 가스 스마트 미터 및 수도 스마트 미터 등을 10년 이상 동작시킬 수 있다. (그림 8)그림 8 동작과 소비전류의 비교 2) 다수의 어플리케이션이 혼재하는 환경에서도 고신뢰성 통신가능 송신기가 통신을 개시함에 있어서 일반적인 저소비전력 무선통신에서는 연속으로 송신동작을 실행하지만 Wi-SUN JUTA에서는 비콘을 인식할 때까지 수신동작을 실행하고, 그 동안 전파를 점유하는 송신동작은 실행하지 않는다. 따라서, 통신 횟수가 늘어난 경우에도 전파 점유 시간이 증가하지 않고 안정된 통신을 실현할 수 있다. (그림9)그림 9 통신빈도에 대한 통신성공률 <로옴 무선통신모듈 특징> 1) 고신뢰성 메쉬 네트워크 구축 가능 최대 4-Hop까지의 멀티홉 통신(중계기능)을 지원하며 고장 등으로 인해 사용할 수 없는 경로가 발생한 경우 송신지에 도달할 때까지 지속적으로 경로를 재구성하는 메쉬 네트워크를 구축할 수 있다.2) 보안 기능 내장 보안 기능을 내장해 무선통신 모듈 측에서 통신 암호화와 보안 키 갱신을 지원한다. 따라서 호스트측에서는 복잡한 처리가 필요 없으므로 간단하게 안전한 통신을 실현할 수 있다.교토대학원 정보학과 히로시 하라다 교수 연구진과 니신시스템즈, 로옴이 공동으로 개발해 2019년 1월 와이썬팬 인증을 획득했다. (그림10,11)그림10 Wi-SUN FAN 모듈과 평가 보드 (개발 중)그림10 Wi-SUN FAN 모듈과 평가 보드 (개발 중)그림 11. Wi-SUN FAN인증서<Wi-SUN FAN규격의 특징>1)멀티 홉·메쉬 네트워크에 대응하는 멀티 홉·메시 네트워크는 일반적으로 사용되는 스타형 네트워크와는 다른 그림 12처럼 다단계에 걸쳐서 디바이스를 접속하고 그물형의 네트워크를 구축하기로 넓은 범위를 커버할 수 있는 방식이다. 디바이스의 여유 있는 배치로 여러 경로가 가능한 것으로 단일 장애물에 의한 시스템 전체의 장애를 방지하고 보다 안전한 네트워크를 구축할 수 있다.이 때문에 IETF의 오픈 사양인 RPL(IPv6 Routing Protocol for Low-Power and Low Network)라는 프로토콜을 채택하고 있다. RPL을 통해서 근접한 디바이스를 자동적으로 발견하고 자율적으로 메시 네트워크를 구축한다. 통신 경로는 우선 디바이스-디바이스가 교환하는 무선 통신 품질에 근거하여 데이터를 수집하는 액세스 포인트인 Borderrouter까지 가상적인 거리인 Rank값을 계산한다. 그리고 Rank가 가장 작은 경로를 최적의 경로와 판단하고 통신을 실행한다.설치 후 지형 변화 및 돌발적인 전파 장애가 있을 때는, 다른 경로를 선택해서 안정된 시스템 운용이 가능하다.그림 12. 멀티 홉·메쉬 네트워크 2)고도의 인증과 암호화 통신 RADIUS/AAA서버의 인증을 채용하고 인증 방식으로서 EAP-TLS를 사용한다. 접속되는 디바이스에는 클라이언트 증명서를 설정할 수 있다. 인가된 장치만 Border router측 일원 화해 관리되므로 경로가 변경돼도 각 디바이스의 설정을 변경할 필요는 없다. 또 암호에는 매우 강력한 AES암호를 사용하고 안전한 통신이 가능하다. 클라이언트 인증서는 Wi-SUN얼라이언스에서 지명한 GlobalSign사 발행 증명서를 사용할 수 있다. 본격적으로 시스템을 가동할 때에는 정식 클라이언트 증명서로서 운용할 수 있도록 설계되고 있다.3)주파수 호핑 일본 국내의 경우 50kbps통신 시에 922.40MHz(33ch)에서 928.00MHz(61ch)의 28ch, 150kbps통신시에는 922.50MHz(33,34ch)에서 927.7MHz(59,60ch)의 14ch범위에서 각 디바이스는 채널 전환을 실행하면서 동작시킨다. Unicast통신의 경우에는, 각 디바이스 자체가 가진 EUI-64의 MAC주소를 key에 Broadcast통신의 경우는 의사 난수(pseudorandom number/유사 난)인 TR51CF(TR51 Channel Function)또는 DH1CF(Direct Hash Channel Function)에서 이용 채널을 계산하고 일정 주기로 채널을 바꾸어 통신을 실행한다. 채널 전환은 시스템의 목적이나 운용에 응하고 변경 가능하다. 또 전환 채널의 범위 또는 채널 마스크를 각각의 디바이스에 설정할 수 있고, 유연한 시스템 구축이 가능하다. 주파수 호핑에 의한 전파 간섭이나 노이즈 등에 강한 시스템을 구축하는 동시에, 비익성이 높은 통신이 가능하다. 현재 전파 법에서는 Wi-SUN FAN의 전파 대역의 1시간에 6분만 송신 제한이 있지만 주파수 호핑을 통해서 여러 채널을 사용함으로써 1시간에 12분의 제한으로 완화된 법 개정이 계획됐으며 이런 법 개정안이 시행되면 Wi-SUN FAN의 적용 범위는 더 커질 것이다.로 그는 향후 Wi-SUN Enhanced HAN(BP35C0-J11)JUTA의 보급 촉진 및 Wi-SUN FAN모듈 개발 및 양산에 힘쓴다.스마트 미터 이외에도 물류·자산 관리 및 보안·스마트 빌딩 등이 주목된다 LPWA시장에서 가장 적용 범위의 넓은 Wi-SUN의 보급 촉진에 노력한다.※로 엄의 Wi-SUN Enhanced HAN대응 무선 통신 모듈”BP35C0-J11”, Wi-SUN JUTA대응 무선 통신 모듈은 일본의 전파 법에 대응합니다. 해외에서는 순차적으로 대응할 예정입니다.또 Wi-SUN FAN대응 무선 통신 모듈은 현재 개발 중이며 령화 2년 제1분기(1월~3월)경 발표할 예정입니다.※Bluetooth의 워드 마크 및 로고는 Bluetooth SIG, Inc.를 소유하고 있는 등록 상표입니다. 이들의 마크는 라이센스를 토대로 사용하고 있습니다. 그 다른 상표 및 상호는 각각 소유자에게 귀속합니다.※Sigfox는 SIGFOX SA의 등록 상표입니다.