산업 자동화와 홈 자동화를 위한 근거리 무선 통신, ZigBee 기술

근거리 무선 통신 기술이 홈 오토메이션, 빌딩 자동화, 산업 자동화 및 인프라 산업에서 각광받고 있다. 특히 ZigBee는 저가격과 저전력을 강점으로 새로운 애프리케이션 시장을 확대하고 있는 중이다. 이에 ZigBee에서 성공적인 적용을 보이고 있는 메쉬 네트워크와 ZigBee 표준화 동향을 알아본다. < 편집자 주>
최근들어 홈 네트워크 및 유비쿼터스에 대한 일반인들의 관심이 크게 증가하면서 10-50m 내외의 단거리에서 사용하는 개인 무선 네트워킹 솔루션인 무선 PAN(Personal Area Network) 기술이 주목을 받고 있다. 무선 PAN 기술이 이더넷, PLC(Power Line Communication), HomePNA 등과 같은 기존 유선 홈 네트워킹 기술들보다 주목을 받고 있는 이유는 배선 작업이 필요없는 사용의 편리함 때문이다.
각 가정의 가옥은 기업의 사무실과 달리 본래 네트워킹을 고려하여 설계되지 않았기 때문에 가정의 여러 기기들을 유선 케이블로 일일이 연결하는 것은 매우 번거롭고 불편한 일이 아닐 수 없다. 따라서 가급적이면 케이블을 이용하지 않고 무선으로 각 가정의 기기들을 연결할 수 있는 저렴한 단거리 무선 네트워킹 기술에 대한 수요가 점차 커지고 있다.
현재까지 개발된 무선 통신 기술들은 전송 커버리지 및 활용 애플리케이션에 따라 일반인들에게 널리 보편화된 2.5/3G 셀룰러 무선 WAN 기술, 무선 DSL이라고도 불리우는 무선 MAN 기술(휴대인터넷), 근거리 무선 통신망을 구축하는 무선 LAN 기술, 그리고 단거리 개인 무선통신 기술인 무선 PAN 기술 등 크게 4 가지 유형으로 구분할 수 있다.
이 가운데 가정에서 이용 가능한 단거리 무선통신 기술로는 무선 LAN과 무선 PAN이 대표적이다. 무선 LAN은 PC, 노트북, PDA 등의 단말에서 주로 광대역 인터넷 접속 연결 확장 용도에 사용된다. 무선 PAN 기술인 지그비(ZigBee), UWB, 블루투스는 PC, 가전제품, 셋톱박스 등 이동 통신 단말기, 빌딩 자동화, 홈오토메이션, 홈 엔터테인먼트 제품을 위해 주로 사용되고 있다.
또한 지그비는 홈 오토메이션 분야 뿐만 아니라, 자동차 공장의 원격 모니터링을 통한 관리 및 원자재 수급 시스템과 복잡한 공정 자동화 시스템 등의 산업 자동화, 그리고 터널 관리 시스템, 수처리 모니터링 시스템, 환자 모니터링 시스템과 같은 의료 시스템 등에 저가격과 저전력, 배선의 불필요성 등으로 그 적용범위를 우리의 생활과 산업의 모든 분야로 확대하고 있는 중이다.
지그비와 메쉬 네트워크
Mesh Network은 고전적인 네트워크 기술 패러다임이 Base station 기반에서 Bluetooth와 같이 Flexible한 Ad-hoc 네트워크로 변화되고, 이러한 Ad-hoc 네트워크는 각각의 구성 device들 간에 데이터 통신을 하는 주체가 되고 같은 네트워크 안의 다른 device들로부터 받은 traffic을 다른 device에 릴레이해주고, 라우팅해주는 기능을 갖는 우수한 시스템이다.
Mesh Network의 출발은 미국 군사기술을 민간용으로 전환한 것으로, 무선 메쉬 네트워크 기능을 탑재한 무선LAN AP는 전원연결만 되면 네트워킹이 가능함으로 설치가 편리하고, 유선망과의 연결 없이 망 확장이 용이하다. IEEE 802.11b의 2.4GHz 대역에서 사용할 경우 약 1.5km범위에서 2Mbps 정도의 통신이 가능하고 시속 400km까지의 이동통신에서도 이용이 가능한 것으로 확인 되었다.
시장조사분석 전문기관인 마인드브랜치아시아퍼시픽(www.Mindbranch.co.kr)은 인스탯(In-Stat)의 최근 보고서를 인용해 머지않아 지그비 기술이 무선 메시 네트워킹의 핵심 기술로 떠오를 것이라고 전망했다.
메시는 케이블 설치 없이 여러 액세스 포인트를 하나의 무선 네트워크 혹은 핫존(Hot Zone)에 연결해 매우 방대한 무선 커버리지를 제공하는 기술이다. 설치가 쉽고 광범위한 지역에 서비스할 수 있다는 장 때문에 최근 글로벌 네트워크 업체들이 속속 이 시장에 뛰어들고 있다.
인스탯은 무선 메시 네트워킹 분야에서 지그비가 가진 강점으로 ‘지그비 표준의 명확함’, ‘지그비 얼라이언스의 조직력’, ‘세계 시장에서 선두 위치를 차지하고 있는 몇몇 반도체 회사들의 적극적인 참여’를 꼽았다. 인스탯의 ‘무선 메시 네트워크 시장 및 기술 분석’ 보고서는 2007년 한해 동안 450만~1050만의 지그비 RF 컴포넌트가 팔릴 것으로 전망했으며, 상업적 용도의 빌딩을 컨트롤하는 부문에 지그비 애플리케이션이 가장 많이 공급될 것이라고 전망했다.
또한 보고서에 따르면 2005년 한해 동안 지그비가 가장 많이 공급된 곳은 북미 시장인 것으로 나타났다. 지난해 전체 지그비 노드 가운데 53%가 북미 시장에서 소비됐다. 인스탯의 애널리스트인 크리스 키셀은 “지그비가 802.15.4 표준에 추가됨으로써 OEM이나 최종사용자들은 보다 다양한 무선 메시 네트워크 소스를 확보할 수 있게 됐다”고 전했다.
무선 통신의 새로운 표준, 지그비
무선통신은 유선통신이 제공할 수 없는 다양한 서비스를 제공함으로써 급속히 확산되었다. 1980년대 중반부터는 소규모 영역에서 많은 수의 사용자와 긴급한 데이터 트래픽 처리를 위한 무선 네트워크의 필요성이 대두되었다. 1999년에는 WPAN(Wireless personal are network)의 개념을 도입한 블루투스의 표준화가 완료되었다. WPAN은 개인 주변의 영역을 주 동작범위로 하여, 저가격, 저전력, 근거리, 소형화를 추구하는 네트워크 개념이다. 그러나 많은 네트워크 공학자들은 무선랜과 블루투스를 적용하기에는 적합하지 않은 많은 응용 사례가 있음을 알게 되었다.
저가이면서 하나의 칩셋으로 구성할 수 있고, 배터리를 탑재하고도 1~2년 정도 사용할 수 있는 저전력이며, 다수의 노드들 간의 self-organizing 기능을 갖춘 ad hoc 네트워크의 필요성이 대두되었다. 지그비 기술표준은 2000년 IEEE 802.15 워크그룹에 제안되었고, 2003년에 12월 IEEE 802.15.4 표준으로 채택된다.
IEEE 802.15 워크그룹은 2003년 로우 레이트(Low Rate) WPAN 표준으로 IEEE 802.15.4를 제정하였다. 로우레이트WPANs(IEEE 802.15.4/LR-WPAN)은 WLAN과 블루투스에서는 고려하지 않은 아주 낮은 전력 소모와 가격으로 산업용, 가정용, 의학용 애플리케이션을 목표로 제정되었다. 이러한 IEEE 802.15.4는 물리계층과 LLC(logical link control)의 표준이다. ZigBee Alliance는 LLC 상위 계층들(네트워크 계층부터 응용 계층까지)을 제정함으로써 전 세계에서 공통으로 사용할 수 있는 표준을 만들기 위해서 만들어졌다.
지그비 기술은 모토로라와 하니웰이 중심으로 새로운 네트워크 표준을 만들기 위해 1998년부터 기술개발이 시작되었다. 2000년에 저가, 저전력, 소형 네트워크에 대한 표준을 IEEE 802.15 워크그룹에 제안하였고 2002년 10월 모토로라와 하니웰을 중심으로 ZigBee Alliance가 설립되었다. 2003년 5월 제안한 표준이 IEEE 802.15.4 표준으로 발표되었고, 2004년 12월 지그비 1.0 표준안이 승인되었다.
ZigBee Alliance의 회원사는 크게 프로모터(Promoter), 참여사(Participants), 개발사(Adopters)로 구분된다. ZigBee Alliance의 이사회를 구성하는 프로모터 회사로는 삼성전자, 엠버, 프리스케일, 필립스, 모토로라, 미쓰비시, 하니웰, TI, ST마이크로일렉트로닉스, 후아웨이 테크놀러지스, BM 그룹, 슈나이더 일렉트로닉, 이튼, 텐드릴 등이 있다. 2006년 및 2007년 ST마이크로일렉트로닉스, 후아웨이, BM, 슈나이더, 이튼 및 텐드릴 사가 신규 프로모터로 승격되었다. 하니웰을 비롯하여 슈나이더 일렉트릭, 이튼, 미쓰비시 등 산업분야 솔루션 전문업체들의 참여로 인해 지그비의 산업 분야 시장 확산이 기대된다. 한편 ZigBee Alliance에는 전세계 26개국에서 200여 회사가 참여하고 있다. 참여회사 중 약 37%가 OEM 및 완제품 제조사이다.
국내에서는 한국지그비포럼이 2005년 10월 발족되어 홈 오토메이션 분야를 중심으로 왕성한 활동을 펴고 있다. 주요 참여업체 및 기관으로는 삼성전기, KT, SKT, 한국무선네트워크, 한국전자통신연구원 등이 있다. 한국지그비포럼은 현재 운영위원사 및 일반사 포함 총 52개의 업체가 포럼 회원사로 참여를 하고 있다.
지그비 표준화 동향
ZigBee Alliance에서는 지그비 기술사양과 관련하여 2004년도에 발표한 지그비 2004를 보완하고 새로운 기술 요구를 수용한 지그비 2006을 공개하였다. 또한 지그비 2006을 보완하는 지그비 프로에 대한 표준화도 추진 중에 있다. 지그비 기술사양에 대한 표준을 세부적으로 구분하는 것은 목표하는 애플리케이션에서 요구되는 기술 요구사항을 수용하는데 있어 단일 표준으로는 이를 지원하는데 한계가 있기에 기술사양을 구분하여 차기 표준을 추진하고 있다. 기술사양 버전별 차이점을 살펴보면 아래 도표와 같다.
ZigBee Alliance의 표준화 동향을 연도별로 살펴보면 아래 도표와 같다. 아래 도표는 애플리케이션 프로필을 중심으로 응용분야에 대한 세부 프로필의 표준 동향을 간단히 살펴본 것이다.
PTG 결성과 프로파일 표준화는 아래의 절차를 따른다. 신규 프로파일 표준화는 WG 하의 프로파일 태스크 그룹에서 진행되며 프로파일 태스크 그룹 결성을 위해서는 애플리케이션 프레임워크 WG의 승인을 받아야 한다.
지그비 자격 워크그룹에서는 ZigBee Alliance의 인증 프로그램인 칩 또는 모듈 및 스택 소프트웨어 및 프로파일에 대한 인증 스펙을 제정하고 이를 관리하는 업무를 담당한다. 지그비 제품 간 호환성을 테스트하는 행사인 ZigFest Interoperability행사를 주관한다.
지그비 인증은 Alliance에서 공식적으로 추진 중에 있으며, 모듈과 플랫폼에 대한 ZCP 인증과 제품에 대한 MSP 인증으로 구성되어져 있다. 지그비 인증에 대한 자격은 ZigBee Alliance 회원사에 한해서만 추진 가능하며, 참여사 또는 개발사가 되어야 하며 개발사의 경우 별도의 인증료가 존재하고 있다. 인증유효기간은 제품 수명의 기한까지 유효하며, Alliance의 인증 테스트 프로그램이 업데이트 또는 변경이 되면 새롭게 재인증을 받아야 한다.
지그비 2006는 홈 컨트롤 스택 프로파일을 준용하고, 지그비 프로의 경우는 빌딩오토메이션 및 플랜트 컨트롤 스택 프로파일을 준용하고 있다.
국내 업체의 경우 지그비 칩 부분에서는 레이디오펄스가 2.4GHz 대역의 지그비 단일 칩을 개발하여 업계에서 가장 먼저 양산을 진행 중에 있다. 또한 단일 칩 업체로서는 가장 먼저 IEEE 802.15.4 및 ZCP의 통합 인증을 획득하였다. 스택 소프트웨어 분야에서는 한국무선네트워크에서 지그비 프로토콜 스택을 개발하여 ZCP 인증을 획득하였고, 레이디오펄스에서도 자체 개발한 지그비 프로토콜 스택에 대한 ZCP 인증을 획득하였다.
지그비 표준화 및 적용과 관련해서 기존의 다른 네트워크 표준화 과정보다 많은 국내 업체들의 참여가 이루어지고 있다. 국내에서 삼성전자기술원은 ZigBee Alliance의 초기 설립 멤버로 기술 표준화에 상당한 기여를 하였고 프로모터로 활동 중이다. 또한 LG전자, ETRI, KETI, 레이디오펄스, 한국무선네트워크, TTA, 티에스씨 시스템 등이 참여사로 활동 중이다. 프로모터인 삼성전자는 ZigBee 2004 및 차기 표준화에 활발한 활동을 하고 있으며 지그비 표준 결정에 주요한 의사결정을 하고 있다.
한국홈네트워크협회 산하에는 한국지그비포럼이 결성되어 관련 업체 및 기관이 기술개발 협력 및 지그비 응용제품 개발에 관련된 국내 지그비 표준화 활동을 주도하고 있다. 2006년에는 지그비 기술 세미나를 개최하여 지그비 기술의 국내 보급화에 기여하였고, 지그비 포럼의 기술표준 분과에서는 국내 홈 네트워크에 맞는 ‘지그비 홈 자동화 프로파일’ 표준화 작업을 통해 지그비 기술을 기반으로 하는 홈 자동화 프로파일 표준 개발을 완료하였다. 적용분야는 에어컨, 디지털도어락, 가스밸브, 가스센서, 조명제어 등이다.
지난해 발표된 ‘지그비 2006’에서는 여러 기기들을 하나의 그룹으로 설정해 한번의 작동으로 여러 개의 기기들을 동시에 제어할 수 있는 수준까지 올라섰다. 또 작동중인 기기, 절전 상태의 기기 등 다양한 기기를 대상으로 한 통신이 가능해짐으로써 불필요한 메모리의 사용을 줄이고 지그비 제품을 구성하는데 있어 필요한 주변부품들의 비용을 절감할 수 있게 됐다. 최근 새롭게 발표된 지그비 프로(지그비 2007) 스택은 지그비의 모든 기능을 최대화하고 대형 네트워크에 대한 사용의 용이성과 높은 레벨의 지원을 원활하게 해준다. 또한 대형 네트워크에 대한 지원을 개선한 네트워크 확장성과 긴 메시지를 분할해 다른 통신방식을 지닌 시스템과 상호작용할 수 있도록 메시지 분할 기능을 추가했다. 간섭 현상 발생시 채널들을 변경해주는 네트워크 기능, 대형 네트워크에 최적화된 기기 주소 관리 자동화 및 그룹 주소화를 가능하게 해주는 네트워크 관리 및 구성 툴도 개발됐다.
지그비 관련 국내 표준화 기구로는 TTA 산하 PG304에서 지그비의 국내 기술 표준화 활동을 담당하고 있으며 2006년 지그비 애플리케이션 프로파일과 관련하여 TTA의 표준의 승인을 완료하였다.
TTA는 2006년 6월 지그비 인증 테스트 기관인 NTS와의 업무협약을 통해 인증 테스트를 대행하고 있고 국내 지그비 칩 개발 업체인 레이디오펄스와 IEEE 802.15.4 인증 테스트와 ZCP 인증 테스트를 수행한 바 있다. ETRI는 지그비의 텔레콤 애플리케이션 PTG에서 모바일 분야의 지그비 응용을 위한 표준화 활동에 참여하여 PTG 결성 및 프로파일 표준화 작업에 참여하고 있다.
또 지그비 기술은 지그비 얼라이언스를 중심으로 주요 네트워크 운영회사의 업계 전문가들과 모토롤라, 화웨이, 삼성전자, ETRI 등 다양한 기업 및 연구소에서 개발이 진행되고 있다. 이 업체들은 AES-128보안, 긴 통신거리, 신뢰성 있는 메쉬 네트워킹 등 지그비 고유의 강점을 효과적으로 확대하는 방안을 검토하고 있으며 지그비가 상이한 기기 간의 접속을 가능하게 하는 표준 프로토콜이기 때문에 기업들은 새로운 응용분야를 개발하는 한편 기존 지그비 기반의 가정 홈 네트워크 및 상용 건물 자동화 장비에 대한 접근도 함께 고려하고 있다.
새로운 적용 분야로 확산
최근에는 지그비의 휴대폰 응용에도 관심이 커지고 있다. 이 개념은 기존의 이동통신 망을 백 본으로 하고 근거리 무선 통신 표준인 지그비를 결합시켜 컨버전스 개념의 새로운 응용분야를 창조하는 것이다. 이는 홈 네트워크 휴대폰 제어, 근거리 무선 게임 등 새로운 응용서비스가 생겨날 수 있는 장점이 있다.
기본적으로 지그비 응용시장은 홈 네트워크, 공장자동화 같은 SI시장과 휴대폰, 리모컨, 마우스 같은 디바이스 시장으로 분류될 수 있다. SI 시장은 그 파급효과가 크나 시장의 성장이 상대적으로 느리다. 따라서 내년에는 디바이스 시장이 초기 지그비 시장의 성장을 주도해 나갈 것으로 예상된다. 그러나 오는 2009년 이후에는 홈 네트워크, 센서 네트워크를 중심으로 한 SI 시장의 규모가 매우 커질 것으로 보인다.
아이씨엔 매거진 2008년 01월호