모든 사물에 칩 내장... 자동화 서비스 제공
시간과 장소에 구애받지 않고 사용자가 원하는 순간에 언제 어디서나 원하는 컴퓨팅과 네트워킹을 할 수 있는 ‘유비쿼터스 컴퓨팅(Ubiquitous Computing)’ 개념은 이미 우리에게 생소한 것이 아니다. 유비쿼터스 컴퓨팅 개념이 실현될 경우 인간의 상황을 자동적으로 인지하여 그에 따른 지능적인 자동화 서비스를 제공할 수 있으며, 교량이나 건물 같은 대형 구조물의 안전예측진단, 산불감시 등 인간 생활의 편리성뿐 아니라, 인간 생명에 관련된 안전성까지도 획기적으로 향상시킬 수 있다. 이러한 유비쿼터스 컴퓨팅 개념의 실현을 위해서는 자율적인 센싱, 저(低)전력 통신 기능, 수많은 통신 모드 객체들로 무선 센서 네트워크를 구성하여 언제 어디서나 다양한 정보서비스 제공이 가능한 환경을 구축하여야 한다. 현재 국내외 많은 기업체, 연구기관 및 대학에서 이러한 환경을 제공하는 데 필요한 기술을 연구 개발 중이다. 그 중에서 가장 핵심적인 기술이 바로 각종 센서들을 장착한 소형 통신모듈들을 효율적으로 통신하기 위한 ‘센서 네트워크 기술’이다. 현재 이러한 센서 네트워크의 구성에 가장 적합한 기술로 IEEE 802.15.4 무선 PAN 표준인 ‘ZigBee 기술’이 주목받고 있다.
ZigBee 기술은 저가, 소형, 저전력, 저속을 특징으로 하는 무선 PAN 기술로 PHY 및 MAC 프로토콜은 IEEE 802.15.4 워킹그룹에서 연구하고 있고, 네트워크 계층을 포함한 상위계층에 대한 표준은 ZigBee Alliance에서 추진하고 있다. 현재 가장 주목받고 있는 단거리 무선통신 표준의 하나인 ‘ZigBee’ 기술의 표준화 동향 및 관련 기술에 대해 알아보자.
저가, 소형, 저전력, 저속을 추구
ZigBee 기술에 대한 최초 MRD(Market Requirement Document)가 작성된 것은 1998년. 그러나 그 이전에도 이미 주거환경에서의 비교적 간단한 제어를 목적으로 한 저가격, 저전력, 저속 RF 프로토콜에 대한 필요성이 제기돼 왔다. 이 제안은 지금은 해체된 HomeRF 워킹그룹이 낸 것. 존속 당시 이들은 가정 내 무선 솔루션에 대한 표준화 작업을 진행 중이었다. 그러나 이 그룹이 해체되고 난 이후 새롭게 ‘ZigBee 기술’이 부상됐고, 2001년에는 PHY 및 MAC 프로토콜에 대한 표준안이 IEEE로 상정되어 2003년에 표준이 완성된 상태. 한편, 2002년부터는 ZigBee Alliance가 결성되어 네트워크 계층을 포함한 상위계층의 표준화를 진행하고 있다.
ZigBee 기술은 WLAN 또는 블루투스(Bluetooth)와는 상대적으로 저속의 데이터 통신을 필요로 하는 문자 및 그래픽 통신에 사용할 수 있으며, 간단한 구조를 사용하여 배터리 수명을 수년으로 늘리고, 소형, 저가격을 목표로 한다는 점에서 다른 무선 솔루션과는 차별화 된다.
따라서 ZigBee 기술은 공정제어, 농장 살수장치 또는 가정용 온도조절기와 같은 산업용 및 홈 자동화에 적용될 수 있으며, 장난감, 게임기, 가전제품 디바이스 및 PC 주변기기 제조업체들에게도 큰 호응을 얻을 것으로 예상된다.
IEEE 802.15는 WPAN(Wireless Personal Area Network)를 다루는 표준화 그룹으로, IEEE 802.15.1은 Bluetooth로서 2002년 초에 이미 표준으로 채택된 바 있다. 그런가 하면 IEEE 802.15.2는 같은 주파수 대역을 사용하는 무선 LAN과의 공존성 및 같은 기기끼리의 충돌을 해결하기 위한 그룹이다. 2000년 3월에 시작한 IEEE 802.15.3은 동영상, 고화질 정지화상 등 중대역 멀티미디어 무선 전송을 위한 고속 전송기술 표준을 제정하기 위한 그룹이다. 한편 2000년 7월부터 시작된 IEEE 802.15.4 그룹은 무선 통합 리모컨, 가전기기 컨트롤러, 빌딩제어, 장난감 등에 사용하기 위한 저속, 저가격, 저소비 전력의 무선전송기술 표준을 제정하기 위한 그룹. 지난 2003년 10월에 저속 무선전송을 위한 PHY 및 MAC 프로토콜 표준제정을 완료했다.
이와 같은 IEEE 802.15.4 표준화 그룹의 활동결과를 토대로 네트워크 계층을 포함한 상위계층에 대한 구체적인 표준 활동이 ‘ZigBee Alliance’라는 협력단체에서 이루어지고 있다. 또 이곳에서는 분산화 된 기기간의 네트워크 프로토콜 및 ad-hoc 무선 네트워킹에 대한 활발한 논의 역시 진행 중이다. ‘Bluetooth’와 비교해 볼 때 ‘ZigBee’는 더 싼 가격과 더 긴 전송거리, 낮은 데이터 전송율, 저전력의 특징을 지니고 있으며, 다수의 네트워크 프로토콜에 적용이 가능하다.
Zigbee Alliance는 Architecture, Application Framework, Network, Security, Qualification, Gateway 및 Marketing 워킹그룹으로 구성되어 있다. Promoter로 국내 삼성전자를 비롯하여 ember, Honeywell, Invensys, Mitsubishi, Motorola, Philips의 7개 회사가 참여하고 있고, Participants로는 국내 LG전자, 한국무선네트워크, 전자부품연구원을 포함하여 70여 개 사가 회원으로 가입하여 활발하게 활동하고 있다. IEEE 802.15.4에서 MAC과 PHY에 대한 표준화 역할을 담당하고 있고, 현재 표준화가 완료된 상태다. 그런가 하면 ZigBee Alliance에서는 보안, 네트워크 계층, 응용 계층 및 세부 프로파일에 대한 표준화 작업을 진행 중이다. 현재 ZigBee draft ver 0.8이 완료된 상태이며, Marketing 워킹그룹을 포함한 5개의 워킹 그룹이 각 분야의 주요 업무를 담당하고 있다.
우선, Marketing 워킹그룹은 ZigBee 시스템이 활용될 응용 서비스 모델을 정의하고 구체적인 응용 서비스 도출을 통한 공략 시장 범위를 정하는 것은 물론, OEM을 위한 세부 규칙을 정의하는 작업을 수행한다.
Architecture Framework 워킹그룹은 ZigBee 시스템의 응용계층에서 사용될 프로파일에 대한 세부적인 정의를 담당한다. 현재 도출된 세부 프로파일은 홈 제어의 근간이 되는 Light 센서 및 컨트롤러, 액츄에이터에 관련된 attribute가 정의되어 있으며, Marketing 워킹그룹과 공조하여 추가적인 프로파일 정의 작업이 이루어질 예정이다.
Network 워킹그룹은 네트워크 계층과 응용 하위계층에 대한 표준문서 작성을 수행하고 있다. 현재 단일홉 개념의 star 토폴로지에 근간한 0.8 버전의 초안이 완료된 상태이다.
Qualification 워킹그룹은 상호연동시험에 대한 세부 계획 및 방안 도출을 목적으로 한다. 현재 NTS에서 상호연동시험을 위한 세부 체크리스트 문서를 완료하고 보드 테스트를 위한 BeeFest를 시행하고 있다.
Security 워킹그룹은 ZigBee 시스템에서 네트워크 계층과 응용 하위계층에서의 보안·인증을 위한 Security Toolbox 개발을 담당한다.
ZigBee 관련 기술 개발에 뛰어든 선진국들
이미 미국, 일본, 유럽지역 세계 주요 정보통신 분야 기업들 대부분이 제품과 조직 전반에 걸친 네트워킹을 전략적 화두로 내세우며 초소형, 저가, 저전력 및 저속의 무선 칩 셋을 이용한 산업·가전 기기들 간의 네트워킹 시대의 도래에 적극 대응하고 있다. 미국의 AT&T, IBM, 마이크로소프트, 인텔, 액센추어, 제록스, 휴렛팩커드 등 미국의 정보통신기업과 MIT 미디어 랩 등과 같은 대학연구소들도 무선 칩 셋을 이용한 유비쿼터스 컴퓨팅 기술 개발에 적극적으로 나서고 있다.
이를 이미 개발했거나 개발 중인 회사들의 제품특성은 무엇일까.
ZigBee 표준을 지원하는 칩과 Stack 개발 동향을 살펴보면 국외에서는 Chipcon, ZMD, ATMEL, Motorola 및 Philips semiconductor 등에서 유비쿼터스 컴퓨팅 환경을 제공해주는 데 필요한 근거리 무선 통신용 소형, 저가, 저전력 및 저속의 무선 칩 셋 개발을 진행 중이거나 제품을 이미 출시하였다. 한편, 국내에서는 전자부품연구원에서 산업자원부 중기거점기술개발 사업을 통해 ZigBee 표준을 만족하는 저가, 저전력 및 저속의 무선통신 칩을 개발하고 있고, 한국무선네트워크에서는 프로토콜 스택을 개발하고 있다.
또한, Ember사에서 개발한 EM2420 2.4GHz RF Transceiver는 IEEE 802.15.4를 기반으로 하며 ZigBee Network 표준에 호환하는 Self-organizing 및 Self-healing Mesh Network을 제공하는 EmberNet을 탑재하고 있으며, 통합 개발 환경을 제공하는 Ember Developer Kit을 제공한다.
Crossbow사의 경우, Smart Dust mote와 TinyOS를 상용화한 제품을 지진 감지 및 이에 대한 모니터링 등의 분야에 응용할 계획을 가지고 있다. 이외에도 버클리 무선연구센터 등의 미국대학 연구소에서는 무선 센서, 모니터 등을 이용한 초 저전력 근거리 무선 통신용 노드에 대한 연구가 진행 중이다. 이와 동시에 배터리와 Self-powered용 솔라셀 및 Vibrator 파워 생성 기술 등에 대한 연구가 진행 중에 있다.
일상생활의 편리함 극대화
최근 IEEE 802.15.4 워킹그룹에서 ZigBee 기술에 대한 표준화 작업이 완료됨에 따라 Chipcon 같은 칩벤더들은 발빠르게 칩셋 및 개발 키트 등을 발표하고 있다. 조만간 홈 자동화 및 물류 등에서 ZigBee 기술을 적용한 다양한 응용제품들이 출시될 것으로 보이며, 향후 유비쿼터스 컴퓨팅 및 네트워크 환경을 구축하는데 광범위하게 이용될 것으로 예상된다. 현재까지 소형, 저가, 저전력을 지원하는 무선통신 솔루션에 대한 표준화가 완료되거나 진행 중인 것은 IEEE 802.15.4 LR-WPAN 표준과 Zigbee Alliance에서 추진하고 있는 Zigbee Stack 밖에 없는 상황을 고려할 때, 앞으로 도래할 유비쿼터스 컴퓨팅 환경에서 다양한 응용 분야에 ZigBee 솔루션이 급속히 활용될 것으로 전망된다.
또한, ZigBee 기술은 멀지 않은 미래 우리들의 일상생활에 보편적으로 활용될 수 있는 기술. 이를 통해 모든 사물에 네트워크 기능을 갖는 칩을 내장하여 사물이나 기계가 자동적으로 정보를 수집·교환함으로써, 사용자가 기계의 존재를 인식하지 못할 정도의 편리함을 제공해줄 것으로 기대된다. 이와 같이 유비쿼터스 환경이 구축되고 있지만 완벽한 유비쿼터스 환경을 구축하기 위해서는 앞으로도 location awareness 및 소형화, 저가격화, 저전력화 등을 더욱 개선하는 등 여러 가지 해결해야 할 문제가 많이 남아 있다. 따라서 장기적인 관점에서 유비쿼터스 환경을 구축해 나가려는 노력이 더욱 절실히 요구된다.