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영지 낭
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Wi-SUN 프로토콜및활용동향 박배영 아이앤씨테크놀로지수석연구원 I. 서론 IEEE802.15.4는약 10미터이내의영역에서수십 kbps 정도의데이터전송, 저전력특성을갖는기기들을네트워크로구성하는저속의무선개인통신망 (LR-WPAN) 기술표준이다. 4차산업혁명의근간이되는 IoT를활용하는분야가크게확대되면서다양한무선통신기술이연구, 발표되고있다.

1 Wi-SUN 프로토콜및활용동향 박배영 아이앤씨테크놀로지수석연구원 I. 서론 IEEE 는약 10미터이내의영역에서수십 kbps 정도의데이터전송, 저전력특성을갖는기기들을네트워크로구성하는저속의무선개인통신망 (LR-WPAN) 기술표준이다. 4차산업혁명의근간이되는 IoT를활용하는분야가크게확대되면서다양한무선통신기술이연구, 발표되고있다. 무선랜 (WiFi) 이나 LTE 등과같이비교적높은데이터전송률을갖는기기들의경우주로계속적인전원공급을필요로하는 IoT 게이트웨이에사용된다. 반면, 전원공급이어렵거나배터리의교체가힘든환경에서는통신커버리지가넓고저전력의특성을갖는무선통신기술이요구된다. 이러한특성을갖는통신기술을 LP-WAN(Low Power-Wide Area Network) 이라하고 LoRa, Sigfox, NB-IoT, Wi-SUN 등이대표적이다. Wi-SUN은 g로표준화된물리계층기술로서비교적좁은커버리지의무선 PAN 영역에한정되었으나 IoT 신산업창출및서비스활성화를위해 900MHz(917~923.5MHz) 대역의출력이기존 10mW에서최대 200mW까지상향조절됨에따라 WAN 영역으로커버리지가확대되어다양한분야에활용이예상된다. 2020년까지한국전력이구축중인스마트그리드지능형검침인프라 (AMI) 에도전력선통신 (ISO/IEC ) 기술과더불어검침핵심장비에 Wi-SUN 기술이사용되고있다. 본고에서는 IEEE 에 SUN으로정의된 SUN FSK, SUN OFDM, SUN OQPSK의물리계층프로토콜과활용동향에대해살펴본다. * 본내용은박배영수석연구원 ( backswim@naver.com) 에게문의하시기바랍니다. ** 본내용은필자의주관적인의견이며 IITP 의공식적인입장이아님을밝힙니다. 14

ICT 신기술 II. Wi-SUN 프로토콜 1. IEEE802.15.4 표준화동향 IEEE802.15.4 TG는 2000년 12월에결성되어 Zigbee 기술을위한물리계층과 MAC 계층을정의한 IEEE802.15.4-2003으로첫번째표준화문서를발표하였다. 이후부터는개별적 Task Group 을통한표준화문서혹은중간에한차례씩통합된표준이발표되고있다.

2 ICT 신기술 II. Wi-SUN 프로토콜 1. IEEE 표준화동향 IEEE TG는 2000년 12월에결성되어 Zigbee 기술을위한물리계층과 MAC 계층을정의한 IEEE 으로첫번째표준화문서를발표하였다. 이후부터는개별적 Task Group 을통한표준화문서혹은중간에한차례씩통합된표준이발표되고있다. IEEE 에서는 MAC 성능향상및다양한 PHY 규격이추가되었고, IEEE 에서는저전력, 빠른접속, 향상된레인징기법을지원하고 AMCA(Asynchronous Multi-Channel Adaptation), LLDN(Low Latency Deterministic Network), TSCH(Time Slotted channel Hopping), DSME(Deterministic and Synchronous Multi-channel Extension) 와같은강화된 MAC 표준기술 (IEEE e) 이추가되었다. 또한, 특별한응용서비스들의지원을위해다양한물리계층규격을제공한다. 대표적인것으로전기, 가스, 수도등유틸리티에대해특화된기능을갖도록설계된 SUN(Smart Utility Network), 철도통신및제어기능에적합한 RCC(Rail Communications and Control), TV용도로할당된주파수에대해시공간적으로비어있는영역을사용할수있는 TVWS(Television white space) 등을비롯하여 RFID, 저전력으로재난재해감지등에할용가능한 LECIM(Low- Energy, Critical Infrastructure Monitoring), 신체주변에서의학용도로사용할수있는 MBAN(Medical Body Area Network) 등이있다. < 자료 > 아이앤씨테크놀로지자체제작 (IEEE 표준참조 ) [ 그림 1] IEEE 표준구성도 정보통신기술진흥센터 15

3 2. IEEE 네트워크구성 IEEE 네트워크를구성하는기기유형에는 FFD(Full Function Device) 와 RFD(Reduced Function Device) 로분류할수있다. FFD는 PAN(Personal Area Network) 코디네이터 ( 혹은코디네이터 ) 의역할을수행할수있는기기를말한다. RFD는 PAN 코디네이터의기능을수행할수없는기기로서온오프스위치, 센서등비교적단순한기능을수행하는애플리케이션에사용된다. RFD는낮은대역폭의데이터전송이필요하거나최소한의리소스와컴퓨팅용량을사용해서구현될수있다. IEEE LR-WPAN은애플리케이션의용도에따라 [ 그림 2] 와같이성형 (Star) 혹은피어투피어 (Peer to Peer) 의두가지토폴로지중한가지방식으로운용된다. < 자료 > 아이앤씨테크놀로지자체제작 (IEEE 표준참조 ) [ 그림 2] IEEE 네트워크구성 성형토폴로지에서는기기 (FFD, RFD) 와 PAN 코디네이터라는단일중앙컨트롤러간에통신이이루어지는형태이다. 기기는일반적으로몇가지연관된응용프로그램을갖고있으며통신을위한시작점또는종단점이된다. 성형토폴로지를이용하는애플리케이션에는홈오토메이션, PC 주변장치, 게임및웨어러블기기등이있다. 피어투피어토폴로지의경우에도 PAN 코디네이터가존재하는데, 이는어떤장치가자신의연결가능한커버리지내에있는한, 다른기기와통신할수있다는점에서성형토폴로지와차이점이존재한다. 피어투피어형태는메쉬네트워킹처럼복잡한네트워크구성을구현할수있게하고이를활용한애플리케이션에는산업용제어, 모니터링, 무선센서네트워크 (WSN), 스마트팩토리, 스마트팜등이있다. 피어투피어형태는여러홉 (hop) 을사용하여모든기기의메시지를네트워크의다른기기로라우팅할수있다. 두토폴로지의네트워크에서작동하는모든기기에는고유의주소가있으며이를확장 (extended) 16

4 ICT 신기술 주소라고한다. 또한, 연결 (Association) 과정중에기기에 16bit의짧은 (short) 주소를할당할수있는데, 각기기는확장 (extended) 주소또는짧은 (short) 주소를사용하여 PAN 내의통신이이루어진다. PAN 코디네이터는 무선랜에서의 AP와유사한기능을하는것으로 FFD의기기형태만가능하고일반적으로안정적인전원이공급되는형태인반면, 기기들은안정적인전원이나배터리에연결되어운영되기도한다. 3. IEEE g PHY 기술 IEEE g는 2012년당시물리계층표준화를위해 MR-FSK, MR-OFDM, MR-OQPSK 라는이름으로진행되었다. MR은다양한부호화율을지원한다는점에서 Multi Rate, 혹은여러지역에서사용될수있다는의미에서 Multi Region으로표시되었으나이후 2015년에통합된 IEEE [1] 표준에서는 SUN-FSK, SUN-OFDM, SUN-OQPSK라는이름으로확정되었다. 규격수립당시 g 기기는 MR-FSK, MR-OFDM, MR-OQPSK를모두지원하면서기본물리계층으로 MR-FSK로동작을하다가필요에의해모드스위치프레임을전송하면서로다른물리계층간스위칭이가능하도록설계되었다. 그러나이러한방식은단말의복잡도 [ 표 1] SUN 물리계층별주파수대역지원 주파수밴드 [MHz] SUN FSK SUN OFDM SUN OQPSK ~ < 자료 > 아이앤씨테크놀로지자체제작 (IEEE 표준참조 ) 정보통신기술진흥센터 17

5 및기기의가격상승으로이어질뿐아니라, 모드스위치프레임전송이후실제로모드변환이이루어졌는지확인하기어려운모호함을갖게되면서 IEEE 통합표준에서는모드스위칭항목은 deprecated( 더이상사용되지않음 ) 라고명시하면서다음표준에서는삭제될것이라고기술하고있다. 표준에서정의된 SUN-FSK, SUN-OFDM, SUN-OQPSK 기술이지원하는주파수밴드는 [ 표 1] 과같다. 국내의경우 917~923.5MHz 대역을사용하고있다. 가. SUN-FSK PHY SUN-FSK(SUN-Frequency Shift Keying) PHY 의물리계층프레임구조는 [ 그림 3] 과같다. < 자료 > 아이앤씨테크놀로지자체제작 (IEEE 표준참조 ) [ 그림 3] SUN-FSK 물리계층프레임구조프레임동기를위해동기화헤더 (Synchronization HeadeR: SHR) 에는프리앰블과 SFD(Start of Frame Delimiter) 가결합된형태로구성된다. 프리앰블은 2-FSK일경우 0 55의값이 PIB (PHY Information Base) 에서정의된수만큼반복 (4~64회) 이되고, 4-FSK일경우 의값이동일한 PIB를참조해서정의된수만큼반복된다. 프리앰블이후 SFD는이어지는물리계층헤더와구분할수있는역할을하는것으로서 2-FSK는 2 옥텟 (Octet) 의길이를 4-FSK는 4 옥텟의길이의지정된값을갖는다. 이어지는 PHR(PHY layer header) 의모드스위치기능은앞서언급한것처럼지원하지않으며, FCS Type 필드는 0,1에따라서 CRC의형식이 4 옥텟인지 2 옥텟인지명시한다. Data Whitening 필드는 1로설정될경우 9단 (stage) 의의사부호화기 (Pseudorandom code generator) 를통해전송되는기능을하고, 나머지필드는프레임길이로서 11bit를사용해나타낸다. SUN FSK PHY는 13개의주파수밴드를지원한다. 각대역별로 3개의동작모드 (Operating mode) 가정의되는데동작모드 #1은모든기기가필수적으로지원해야하고동작모드 #2, #3은 18

6 ICT 신기술 선택사항이다. 각동작모드별로데이터전송률, 변조방식, 변조인덱스, 채널간격등의파라미터가 정의되고있으며 [ 표 2] 와같다. SUN FSK PHY 의데이터전송률은 50~200kbps 를지원하며 변조방식으로 2-FSK, 4-FSK 등이사용된다. [ 표 2] SUN FSK 동작모드와파라미터 주파수밴드 파라미터 Operating mode #1 ( 필수지원 ) Operating mode #2 ( 선택적지원 ) Operating mode #3 ( 선택적지원 ) 데이터전송률 [kbps] ~510MHz 변조방식 2-FSK 2-FSK 4-FSK 변조인덱스 채널간격 [khz] 데이터전송률 [kbps] ~923.5MHz 변조방식 2-FSK 2-FSK 2-FSK 변조인덱스 채널간격 [khz] 데이터전송률 [kbps] ~960MHz 변조방식 2-FSK 2-FSK 2-FSK 변조인덱스 채널간격 [khz] < 자료 > 아이앤씨테크놀로지자체제작 (IEEE 표준참조 ) 나. SUN-OFDM PHY SUN-OFDM(SUN-Orthogonal FDM) PHY 의물리계층프레임구조는 [ 그림 4] 와같다. < 자료 > 아이앤씨테크놀로지자체제작 (IEEE 표준참조 ) [ 그림 4] SUN-OFDM 물리계층프레임구조 정보통신기술진흥센터 19

7 STF(Short Training field) 와 LTF(Long Training field) 는각각주파수영역, 시간영역에서의동기화및채널추정을위한필드이다. OFDM PHY 물리계층은활성화된톤 (active tone) 의개수에따라 4개의옵션으로정의된다. 활성화된톤이란 DFT(FFT) 를통해생성되어사용하는부반송파 (subcarrier) 의개수를의미한다. [ 표 3] 은 SUN OFDM의옵션별각종파라미터에대해나타내고있다. [ 표 3] SUN OFDM 옵션별파라미터파라미터 Option 1 Option 2 Option 3 Option 4 DFT 크기 Active tone Pilot tone, Data tone 8, 96 4, 48 2, 24 2, 12 채널간격 [khz] 데이터전송률 [kbps] 100~800 50~800 50~600 50~300 MCS 지원 MCS0~MCS3 MCS0~MCS5 MCS1~MCS6 MCS2~MCS6 감도요구사항 [dbm] -103~ ~ ~ ~-94 < 자료 > 아이앤씨테크놀로지자체제작 (IEEE 표준참조 ) PHR의 Rate 필드는데이터전송률로서각옵션에서실제 MCS 숫자값 (0~6) 을나타내고, Scrambler 필드는 PN(Pseudorandom Number) 생성기에사용되는 scrambler seed를선택하는값을나타낸다. HCS는 Header Check Sequence로서 PHR의무결성을검증하는데사용되는 8bit 값이며 Tail 부분은모두 0으로채워진다. OFDM은 IEEE802.11a/g/ac/ad 무선랜, 4G/5G 이동통신및 UHDTV 등통신방송등에서널리사용중인전송기술이다. 직교성을갖는저속의부반송파를병렬로전송함으로써고속전송을가능하게하고주파수선택적페이딩에강인한특징이있다. 그러나 PAPR(Peak power to Average Power Ratio) 이높아전력증폭기의효율이낮아지는단점이있는데 CFR(Crest Factor Reduction) 이나스크램블링등의기법으로해결한다. SUN OFDM은다른물리계층방식보다비교적높은 50~800kbps의데이터전송률을지원하며, 부반송파의간격은 kHz로구성된다. DFT 출력인심볼의길이는 96us이고, 1/4 구간만큼의 CP(Cyclic Prefix) 24us를합한심볼의전체길이는 120us로서초당약 개의심볼이전송된다. 데이터비트를심볼로매핑하는방식에는 BPSK, QPSK, 16-QAM이사용되며, 모든옵션에서 BPSK와 QPSK를필수적으로지원해야하고 16-QAM은선택적지원사항이다. 채널코딩방식에는 1/2 혹은 3/4 부호화율의컨볼루션부호화기가사용된다. 20

8 ICT 신기술 다. SUN-OQPSK PHY SUN-OQPSK(SUN-Offset QPSK) PHY 의물리계층프레임구조는 [ 그림 5] 와같다. < 자료 > 아이앤씨테크놀로지자체제작 (IEEE 표준참조 ) [ 그림 5] SUN-OQPSK 물리계층프레임구조 Offset-QPSK는일반적인 QPSK에서발생하는 180 위상반전으로인한필요대역폭의증가와전력손실을줄이기위해 Quadrature 채널의신호에 T/2(T: 주기 ) 만큼의지연회로를부가시킨변조기술을의미한다. 프리앰블은동기화를위한비트열로서사용대역에따라가변적인길이를갖는다. 780MHz, 915MHz, 917MHz, 2450MHz 대역에서는 56비트가모두 0으로채워지고 470MHz, 868MHz, 920MHz 대역의경우는 32비트가 0으로채워진다. SFD 값은 16비트고정값으로 0 EB62를갖는다. PHR의 Spreading mode( 확산모드 ) 값은사용되는스펙트럼대역에따라 DSSS를사용할것인지 MDSSS를사용할것인지에따라다르게해야한다. [ 표 4] SUN OQPSK 파라미터 (917~923.5MHz) 구분 Rate mode BDE Spreading mode FEC(1/2)+ 인터리버데이터전송률 [kbps] 0 Yes (16, 1) DSSS Yes ~923.5MHz DSSS 1 No (16, 4) DSSS Yes No (8, 4) DSSS Yes No None Yes No (64, 8) MDSS Yes ~923.5MHz MDSSS 1 No (32, 8) MDSS Yes No (32, 8) MDSS No No (16, 8) MDSS No 500 < 자료 > 아이앤씨테크놀로지자체제작 (IEEE 표준참조 ) 정보통신기술진흥센터 21

9 MDSSS 확산모드는 2차원곱부호인 TPC(Turbo Product Code) 와정진폭다중화기법을사용하여전파환경이좋지않은환경에서도신뢰성향상및전송거리를확장할수있는기술이다. 780MHz, 915MHz, 917MHz, 2450MHz 대역에서 MDSSS를사용하기위해서는 1로설정하고 DSSS를사용하기위해서는 0으로설정한다. 470MHz, 868MHz, 920MHz 대역은 MDSSS를지원하지않으므로 0으로고정해야한다. 917~923.5MHz를사용하는대역의 DSSS와 MDSSS의파라미터는 [ 표 4] 와같다. OQPSK-PHY는전송하는 PSDU에대해네종류의데이터전송률을지원하는데레이트모드필드를사용해서나타낸다. 11비트의 Frame Length는 FEC 부호화가되기전의프레임의길이를나타내고, HCS는 PHR의 16비트 (0~15Bit 까지 ) 에대한무결성을확인하기위한 CRC 값을의미한다. SHR과 PHR은공통적으로 Bit Differential Encoding(BDE) 방식을통해부호화된다. BDE 방식은채널상에서발생하는에러로인해송신비트열전체가반전되는경우에도이를복호화할수있는역할을한다. SHR은 BDE 부호화이후대역별로정해진확산방식에따라 DSSS되고, PHR은 FEC와인터리빙이후 BDE 부호화를거치고대역별로정해진확산방식에따라 DSSS 형태로변환된다. PSDU는 FEC방식으로부호화율 1/2에 K=7인컨볼루션부호화를거친다. 또한, 인터리버를거치면서버스트에러로인해발생가능한데이터손상을최소화시켜준다. PHR의확산방식 (Spreading mode) 과전송률모드 (Rate mode) 를참조해서부호화이후전송한다. III. Wi-SUN 활용동향 IEEE 표준이완성된이후 2012년에는 Wi-SUN 얼라이언스 (Wireless Smart Utility Network Alliance) 가설립되었다. Wi-SUN 얼라이언스는 표준기술기반으로다양한산업표준기술들을수립및촉진하는활동을해오고있다. [ 그림 6] 은 Wi-SUN 얼라이언스기술프로파일을나타내고있다. ECHONET Lite(ECHONET: Energy Conservation and HOmecare NETwork) 는일본의스마트전력량계에대한데이터교환프로파일로서 PHY, MAC 기반프로토콜로 IEEE g/e를적용하였고, 북미 / 남미지역의스마트전력량계의통신기술을 FAN(Field Area Network) 프로파일로정의하고기술사양과테스트표준개발을완료하였다. 한국전력 (KEPCO) 이구축중인저압 AMI시스템중 Wi-SUN용데이터집중장치 (DCU) 와모뎀에대한구성도를 [ 그림 7] 에나타내었다. Wi-SUN 모뎀간은가시거리기준으로최소 100미터이상의거리에서통신이가능해야하며, 무선설비규칙제30조에명시된 200mW 출력을지원해야 22

10 ICT 신기술 < 자료 > Wi-SUN 얼라이언스참조 [ 그림 6] Wi-SUN 프로파일한다 [3]. 현재 Wi-SUN은전력선이지중으로매설되어정상적인전력선통신이어려운구간이나농어촌지역에주로시공 운영되고있다. 그외에도 ETRI 산하 UGS 융합연구단에서는도시지하공간내지하매설물 ( 상하수도 ) 의상태와지하공간상황 ( 지하구조물 / 지하수 / 지반변형 ) 을실시간모니터링하여이상징후를사전에감지, 예 < 자료 > 아이앤씨테크놀로지자체제작 ( 한전구매규격참조 ) [ 그림 7] 저압 AMI 용 Wi-SUN 시스템구성도 정보통신기술진흥센터 23

11 측대응하는사물인터넷 (IoT) 기반무선통신망구축에활용되는 Wi-SUN FSK PHY 기반에 LECIM MAC 이결합된무선통신칩기술개발을완료하였다 [8]. VI. 맺음말 IEEE WPAN 표준기술은주로홈네트워킹, 웨어러블기기등좁은커버리지영역에서의저속 / 저전력기기를활용한애플리케이션이주류를차지해왔다. IEEE SUN PHY 기술은 HAN(Home Area Network) 영역을 NAN(Neighbor Area Network) 영역으로확장시켜다양한 IoT 분야에활용가능한기술이다. 장점으로는비면허대역을사용함으로써별도의주파수사용료지불이필요없고, IPv6 적용에유리하며, 물리계층에서프레임의길이를최대 2,047바이트까지지원하여 LoRa, SigFox 등의 LPWAN과는차별화된특징을갖는다. SUN PHY 계층에는송수신기구현에있어단순하고경제적구현이가능한 FSK 방식, 신뢰성향상과고속전송을가능하게하는 OFDM 방식, DSSS/MDSSS 형태로다양한전송률의데이터전송이가능한 OQPSK 방식이있다. Wi-SUN 기술은일본의 ECHONET Lite, 북미 / 남미지역의 FAN(Field Area Network), 국내한국전력이구축중인지능형검침인프라등각종유틸리티 ( 전기, 가스, 수도 ) 의미터링애플리케이션에주로활용되고있으나 LoRa, Sigfox, NB-IoT 등의저전력특성을가지면서장거리의통신이가능한 LPWAN 기술과더불어스마트그리드, 스마트팩토리, 스마트시티등더넓은영역에서경쟁과공생이예상된다. [ 참고문헌 ] [1] IEEE Standard for Low-Rate Wireless Networks , [2] KEPCO, 전자조달시스템-구매규격-데이터집중장치, [3] 미래창조과학부, 고시제 호무선설비규칙일부개정, [4] 한전, 저압 AMI용 Wi-SUN 모뎀, 한전일반구매규격, [5] Anritsu Technical Review No.23 September [6] IEEE g Based Wi-SUN Communication System, IEICE TRANS. COMMUN., VOL. E100-B, NO.7 JULY [7] Wi-SUN Alliance, Technology and Certification, Phil Beecher, [8] ETRI, UGS(WiSUN/LECIM) FSK 무선통신칩기술 기술이전,

그룹웨어와 XXXXX 제목 예제

그룹웨어와 XXXXX 제목 예제 데이터통신 부호화 (encoding) 부호화 (Encoding) 의개념 정보 Encoder 신호 1 Digital - to - Digital 2 Analog - to - Digital 3 Digital - to - Analog 4 Analog - to - Analog 2 1 Digital-to-Digital Encoding Digital 정보를 Digital