[IoT] WPAN(근거리 통신 기술)

WPAN(근거리 통신 기술)

• 근거리 통신 기술은 통상적으로 30m 이내, 길게는 200m 이내의 범위에서 디바이스들이 통신할 수 있게 해주는 기술을 말한다. 
• 와이파이, 블루투스, 지그비, Z-WAVE, UWB, 적외선 등 다양한 기술이 존재한다.

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와이파이(Wi-Fi)

• 와이파이는 Wireless Fidelity의 약자로 무선 환경에서도 유선 인터넷과 같은 높은 수준의 통신 품질을 제공하기 위해 개발된 기술이다. 
• 1990년대 10Mbps의 속도를 제공하던 유선 이더넷의 속도와 품질을 무선 환경에서 이용해 보고자 하는 노력의 산물인 것이다.

역사

최초의 와이파이

• 최초의 와이파이 기술은 1997년 1월 IEEE 802.11 표준에 규정되어 있다. 
• 2.4GHz ISM 대역에서 CSMA/CA 기술을 이용하여 동일한 주파수 대역을 공유하게 된다.
• 당시 802.11은 최대 2Mbps의 전송속도를 지원할 수 있었으나, 이더넷 대비 속도가 느렸고 호환성이 좋지 않았다.

IEEE 802.11b

• 1999년 802.11 규격을 발전시킨 802.11b 표준이 발표되었다.
• 최고 전송 속도는 11Mbps였으나, 여러 단말이 존재하는 경우 최대 효율은 6~7Mbps 수준이었다.
• 유선 네트워크를 대체하기 위한 목적으로 폭넓게 보급되기 시작했다.
• 공공장소 등에서 802.11b를 이용한 와이파이 접속 서비스도 등장하기 시작했다.

IEEE 802.11a 

• 802.11b와 비슷한 시기에 802.11a 표준도 발표되었다.
• OFDM 기술을 지원한다.
• 5GHz 대역을 이용하며 최대 54Mbps의 속도를 지원한다.
• 직진성이 강한 5GHz 대역의 신호들이 장애물 등의 영향을 많이 받으며 802.11g 규격이 등장하며 이용되지 않게되었다.

IEEE 802.11g

• 2.4GHz 대역을 이용한다는 것을 빼고는 802.1a 규격과 동일하다.
• 당시 많이 쓰이던 802.11b 규격과의 높은 호환성 때문에 빠른 속도로 수용되었다.

IEEE 802.11n

• 2.4GHz 및 5GHz 대역을 모두 지원하며 최대 600Mbps의 속도를 지원할 수 있다.
• 이는 '채널 본딩' 즉, 두 개 이상의 채널을 하나로 묶어서 이용하는 기술과 MIMO와 같은 기술들에 의해 가능하다.

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와이파이 네트워크의 동작 방식

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와이파이 채널과 간섭

• 국내의 경우 와이파이는 2.4GHz 대역의 83MHz의 대역폭과 5GHz 대역의 380MHz의 대역폭을 이용한다.
• 2.4GHz 대역은 802.11b/g/n 규격에 의해 사용
• 5GHz 대역은 802.11a/n 규격에 의해 이용

 

위 그림은 여러 신호들이 모든 채널을 이용하고있어서 간섭 현상이 매우 심각하게 발생한다는 것을 알 수 있다.

 

와이파이 간섭은 인접 채널 간섭과 동일 채널 간섭으로 나누어 설명할 수 있다.

• 인접채널 간섭: 이웃하는 채널들 사이의 간섭으로, 다른 채널의 신호는 마치 잡음과 같은 역할을 하게 된다. 이는 신호대잡음비를 낮추게 되어 데이터의 전송에 방해가 될 수 있다.
• 동일 채널 간섭: 두 대 이상의 디바이스가 동일한 채널을 이용할 때 발생하며, 간섭이 발생하면 CSMA/CA 알고리즘이 동작하여 충돌없이 데이터를 전송한다. 

이동통신 3사의 경우, 각사가 이용하는 와이파이 AP의 채널을 아래 그림과 같이 1, 5, 9, 13번의 비중첩 채널 중의 하나로 설정하여 이용하고 있다.

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와이기그(Wi-Gig)

• 와이기그는 무선 기가비트 연합에서 만들어낸 고속 무선 네트워크 규격으로 802.11ad를 대표하는 이름이다.
• 비면허 대역인 60GHz 대역에서 최대 7Gbps의 속도로 와이파이 통신이 가능하다. 
• 와이기그 스펙은 네 개의 채널들을 정의하며, 각 채널은 802.11n에서 사용하는 채널보다 50배 넓은 대역폭을 가진다.
• 속도가 빠르긴 하지만, 직진성이 강한 60GHz 대역을 사용하므로 전송거리는 짧고 장애물과 회절에 약하다.
• 빔포밍 기술을 이용하면 10m 이내의 거리에서 안정적인 통신을 제공한다.

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블루트스 LE (Bluetooth Low Energy)

• 초저전력 통신 기술이 필요한 분야에 응용할 목적으로 설계된 WPAN 기술이다.
• 원래 2006년에 노키아에 의해 Wibree라는 이름으로 소개되었는데 블루투스 SIG에 의해 블루투스 4.0 스팩에 채택되어 블루트스 표준에 통합되었다.
• 블루투스와 비교했을 때, 비슷한 통신 거리를 유지하면서도 상탕히 낮은 전력 소모나 가격을 제공하였다.

주요 활용 분야

웰니스 및 피트니스 분야는 물론, 헬스케어, 안전 및 보안, 일부 홈 엔터테인먼트 분야가 될 것으로 기대된다.

블루투스LE의 기술 규격

• 블루투스 LE는 기존의 블루투스와 동일한 주파수 대역 즉, 2.4GHz~2.4835GHz의 ISM 대역을 이용한다.
• 블루투스 LE는 40개의 2MHz 채널을 이용한다.
• 데이터 전송 속도는 1Mbps이며, 최대 전송 전력은 10mW이다.
• 협대역 간섭 문제에 대응하기 위해 주파수 호핑을 이용한다.

 

블루트스 LE의 동작

정의된 서비스 절차에는 발견, 읽기, 쓰기, 통보, 그리고 특성값의 방송 및 특성값의 표시 등을 포함하고 있다.

 

속성 프로토콜 구조

속성값은 4개의 필드가 존재한다.

1. Attribute Handle: 이 필드는 특정한 속성값에 대한 일련번호다.

2. Attribute Type: 이 필드는 Attribute Value를 설명하는 범용 고유 식별자이다.

3. Attribute Value: 이 필드는 Attribute Type에 의해 기술되는 데이터이며, Attribute Handle에 의해 순서가 정해진다.

4. Attribute Permissions: 이 필드는 속성 프로토콜을 이용해서 읽혀지거나 기록될 수 없는 특성값의 일부이다.

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지그비(ZigBee)

• 지그비 혹은 IEEE 802.15.4 표준은 저전력 센서 네트워크를 위한 통신 기술로 IEEE 802.15 표준을 기반으로 만들어졌다.
• 메시(mesh) 네트워크 방식을 이용하여, 여러 중간 노드들을 거쳐 목적지까지 데이터를 전송함으로써 저전력 기술임에도 불구하고 넓은 지역을 커버하는 것이 가능한다.
• 일반적으로 낮은 수준의 전송 속도를 필요로 하지만, 긴 배터리 수명과 보안성을 요구하는 분야에 주로 사용된다.
• 주기적 혹은 간헐적인 데이터 전송이나 센서 및 입력 장치 등의 단순 신호 전달을 위한 데이터 전송에 적합하다.
• 주요 응용 분야는 무선 조명 스위치, 전력량계, 교통 관리 시스템, 환경 관리 시스템 등 근거리 저속 통신을 필요로 하는 다양한 산업 분야에 주로 사용된다. 

지그비 스펙

• 128비트 대칭키 암호화 기술을 이용한 보안을 제공한다.
• 최대 통신 거리는 가시거리가 확보되는 환경에서 200미터까지 가능하지만 가정의 경우 20~30미터가 현실적이다.

지그비 네트워크 토폴로지

지그비의 네트워크 계층은 스타, 트리, 메시와 같은 네트워크 토폴로지를 지원한다.

 

• 스타 네트워크: 지그비 코디네이터(ZC)라고 하는 하나의 중앙 노드와 여기에 연결된 여러개의 지그비 엔드노드(ZED)로 구성된다. 단점은 디바이스들 사이의 모든 패킷이 코디네이터를 지나가야만 하므로, 코디네이터가 병목지점이 될 수도 있다.
• 트리 혹은 클러스터 트리 네트워크: 지그비 라우터(ZR) 및 지그비 엔드노드들로 구성된다. 엔드노드가 코디네이터에 직접 연결될 수 있으면 트리구조라하고, 지그비 라우터를 통해서만 연결될 수 있으면 클러스터 트리구조라고 구분하기도 한다.
• 메시 네트워크: 트리 네트워크와 비슷한 구조를 취하고 있으며, 네트워크 커버리지를 확장하기 위해 사용된다. 지그비 라우터들끼리도 서로 연결되어 우회 경로를 제공할 수 있다.

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Z-Wave

• 주거 환경 및 조명 분야의 원격 제어 서비스를 목적으로 개발된 무선 통신 프로토콜이다. 
• 저전력 RF 기술을 이용한다.
• 100Kbps 이하의 저속 통신으로도 충분하다.
• 2014년 기준 160개 이상의 제조사에 의해 이용되고 있다.

주요 규격 및 동작

• 대역폭은 최대 100Kbps이며 GFSK 변조방식을 이용한다.
• 옥외에서 약 30m 거리에서 통신이 가능하며, 최대 232개의 노드에 대해 네트워크를 구성할 수 있다. 
• 다른 Z-Wave 장치들을 제어하는 장치인 제어기와 다른 Z-Wave 장치로부터 제어를 당하는 종속장치로 구분된다.
• 제어기의 네트워크 ID는 공장 출하 시 설정되며 사용자에 의해 변경 될 수 없다.
• 종속장치는 네트워크 ID가 사전에 설정되지 않으며 네트워크에 의해 할당된다.
• 주제어기는 다른 노드들에게 자신의 네트워크 ID를 할당함으로써 다른 장치들을 자신의 네트워크에 포함시킨다.

Z-Wave 특징

• 900MHz 대역에서 동작한다.
• 2.4GHz 대역을 사용하지 않아 이들과의 간섭을 피할 수 있다는 장점이 있다.

Z-Wave의 3계층

• 라디오 계층: 네트워크와 다른 물리적인 라디오 하드웨어 사이에서 신호가 교환되는 방식을 정의한다.
• 네트워크 계층: 두 디바이스들 사이에서 제어 데이터가 교환되는 방법을 정의하며, 주소체계, 네트워크 구조, 경로 설정, 경로설정 계층의 부계층으로 구성된다.
• 응용 계층: 특정한 업무를 수행하기 위한 특정한 어플리케이션들에 의해 처리될 필요가 있는 메시지들을 정의한다.

토폴로지 및 라우팅

Z-Wave 네트워크는 네트워크 ID 혹은 홈 ID에 의해 식별되며, 네트워크 내의 각각의 디바이스들은 노드 ID에 의해 식별된다.

 

• 네트워크 ID의 크기는 4바이트이며, 어떤 디바이스가 해당 네트워크에 포함될 때 주제어기에 의해 각각의 디바이스에 할당된다.
• 어떤 논리적인 Z-Wave 네트워크에 포함되어 있는 모든 노드들은 동일한 네트워크 ID를 갖는다.
• 각각의 Z-Wave 네트워크는 최대 232개의 디바이스만 가질 수 있다.
• Z-Wave 노드가 요청하지도 않은 메시지의 경로를 찾기 위해서 그 노드는 절전 모드에 있어서는 안 된다.
• 배터리로 동작하는 디바이스들은 중계장치로 설계되지 않는다.