M2M(Machine to Machine) 기술은 의료(Health), 농업, 범죄, 재난, 방송, 교통, 공업, 천연 자원 탐사 등 광범위한 분야에 적용되어 왔다. 범죄 방지를 위한 무인 경비용 통신, 외출 중에도 집안의 상황을 통제하는 제어기술 등 그 활용범위는 갈수록 넓어지고 세분화되고 있다[1]-[3].

사물지능통신의 통신 기술을 활용한 네트워크의 구성요소 중에서 게이트웨이는 각종 센서노드에서 전송되어진 데이터의 수집, 저장, 관리, 분석 및 네트워크 접속기술 등 다양한 요소를 포함하고 있다[4].

따라서 해상에서 사용되는 컨테이너 혹은 부표 등에 부착되는 M2M 장치는 다양한 환경의 통신방식이 필요하다. 해양의 통신방식과 육상의 통신방식이 같을 수는 없다. 장기간 배터리 교환 등의 관리가 불가능한 환경에서 가장 중요한 기술 중의 하나는 저전력 기술이다. 그래서 저전력을 지향하는 기존의 RFID나 센서네트워크 기술이 필요하게 된다. 능동적 RFID 방식은 일정한 거점에 들어서야 리더에 의해 인식되어 ID 정보나 이력 상태정보를 전송하며, 해당 정보가 생성되자마자 즉각 정보를 전달하는 실시간 지그비 센서노드 통신방식이 있다[5].

본 논문에서는 다중통신용 다중 대역 M2M 게이트웨이 등에 활용할 수 있는 지그비 센서 노드를 저전력으로 구현하여 성능을 평가하였다.

센서 노드(Sensor Node)와 Zigbee/TRS/CDMA 네트워크 연계형 M2M 게이트웨이(Gateway) 시스템에 대한 전체적인 운영 플랫폼 구조는 Figure 1과 같다. 다중통신용 다중 대역 M2M 게이트웨이 시스템의 구성에 있어서 네트워크 통신의 핵심은 지그비 센서 노드이다.

Figure 1: 
Operating Platform Structure of M2M Gateway System

Figure 2는 Cortex M3를 사용하여 설계된 다중 대역 M2M 게이트웨이에 대한 블록도를 나타내고 있다. M2M 게이트웨이 하드웨어의 중심에 있는 M2M 게이트웨이 프로세서(Processor)는 3중 대역의 RF 무선통신 모듈에 대한 전원관리 및 통신 프로토콜을 제어하고 TRS 또는 CDMA 무선 네트워크를 통해 서버로부터의 송·수신된 명령어를 해독, 수행한다[6]-[8].

Figure 2: 
Platform Blockdiagram of M2M Gateway System

RS232C, USB, 인터넷 포트(Ethernet Port)와 같은 유선 인터페이스를 통하여 외부와의 통신기능을 수행한다. RS232 UART 포트는 외부 제어기로 부터의 제어명령을 수신하고 내부의 수행결과를 출력하는 기능을 담당하며 인터넷 포트는 무선 통신망에 문제가 발생할 경우를 대비하여 사용한다. JTAG 포트는 펌웨어(Firmware) 개발시 사용자에 의한 프로그램 다운로드(Program Download) 및 실행 추적(Tracing)용으로 사용되며, 게이트웨이 보안을 위한 USIM Card Reader용 포트도 내장되어 있다.

지그비(Zigbee), CDMA, TRS 통신모듈은 M2M 게이트웨이 프로세서에 의해 필요에 따라 소프트웨어적으로 전원을 제어하며 운용하고 초기 전원투입시 실행모드를 설정하기 위한 스위치블록이 구성되어 있다. 독립형 모드(Stand-alone Mode)에서 외부 디버그 포트(Debug Port)를 통해 결과를 모니터링하지 않고 내부 LCD와 터치스크린(Touch Screen)에 의해 게이트웨이(Gateway)의 동작을 제어할 수 있도록 터치스크린 내장 LCD 드라이버 및 인터페이스 포트(Interface Port)도 있다.

전원부는 주직렬(Main DC) 출력단으로 12 V / 2 A가 공급되며 전원을 온/오프(On/Off)할 수 있도록 스위치가 부착되어 있다.

M2M 게이트웨이 내부에 장착된 지그비 모듈은 Coordinator로서의 기능을 갖고 센서노드(Sensor Node)에 장착된 지그비 모듈은 END Device(Sensor Node)로서의 기능을 갖지만 전기적 특성은 동일한 것이며 전기적 특성 항목 중 수신감도를 측정하기 위하여 Figure 8과 같이 측정 시스템을 구성하였다.

Figure 8: 
The Receiver Measurement ConFigureuration of Zigbee Module

Figure 9는 PER 측정을 위한 패킷 발생기는 동일 지그비 모듈을 송신기로 사용하여 지정된 규격인 패킷당 20 Byte와 100 패킷의 RF 신호(오른쪽 점선부분)를 피측정 지그비 모듈로 RF 신호 감쇠기를 경유하여 전송한 화면을 나타낸다.

Figure 9: 
Pack Generation for Pack Conditions(20 bytes/packet, 100 packets, 250kbps)

피측정 지그비 수신모듈의 안테나 입력단에 –98 dBm의 신호가 인가되도록 RF 감쇠기로 조정하여 신호분석기(RF Spectrum Analyzer)로 측정하였다. PER 측정은 소자 제조사인 Ember에서 제공하는 소프트웨어를 사용하였다.

Figure 10은 패킷 발생기에서 총 100개의 Packet을 전송하면 지그비 수신 모듈에서 패킷 오류율을 백분율로 계산되어 직렬포트(Serial Port)로 출력한 PER 수치를 측정한 결과(두번째 점선 부분)를 나타낸다.

Figure 10: 
PER Analysis of Zigbee Receiver Module

지그비 주파수의 수신감도인 –98 dBm에서 패킷 오류율이 0 %임을 나타었으며, 지그비 소자 자체의 수신감도는 동일 조건하에서 Booster Mode일 때 최대 –102 dBm을 나타내었다.

Figure 11은 채널 11번에서 26번까지 총 16개의 채널이 설정되었으며 출력레벨 차이가 0 dB로서 평탄도는 매우 우수하였다.

Figure 11: 
RF Channel and the Power Level Measurement

Figure 12는 채널 11번을 기준하여 제2 고조파의 하모닉 성분을 나타내며, Figure 13과 14는 100 kHz와 250 kHz 오프셋일 때 위상잡음 특성을 측정한 결과이며 지그비 RF 출력신호 기준을 만족하였다.

Figure 12: 
The 2^nd Harmonic Signal

Figure 13: 
The P/N Characteristic in 100 kHz Offset

Figure 14: 
The P/N Characteristic in 250 kHz Offset

Figure 15 (a)는 지그비 모듈의 송·수신시 전압 및 전류 특성을 나타내며, Figure 15 (b)와 (c)는 CDMA [7]와 TRS[10] 모뎀을 장작한 후 측정한 특성을 나타낸다. Table 1에서 EM357 Zigbee Transceiver의 경우 송신시 31 mA, 수신시 26 mA가 소모되므로 정전원용 3.3 V 레귤레이터 변환 소실(15%) 및 디지털 온도센서, 플래시 메모리(Flash Memory), LED/ Switch Block 등을 고려하면 지그비 모듈은 60 mA의 우수한 전류특성을 나타내고 있다.

Figure 15: 
The Voltage and Ampere Characteristic of the Zigbee Module

M2M 게이트웨이 내의 Zigbee Base Station용 Coordinator는 교신 중인 센서 노드의 전원상태를 확인하여 전력이 부족할 것으로 예상되는 경우 필요로 하는 동작전력이 확보될 때까지 동작을 지연 또는 Sleep 상태로 전환하도록 구성하였다.

또한 M2M 게이트웨이는 지그비 주파수를 활용한 센서 노드와의 연계를 통하여 환경 감시 시스템 등 다방면에 활용이 가능하다. 센서 노드에 다양한 환경 센서를 추가하므로서 공중망을 이용한 환경에 대한 원격 모니터링이 가능하고 통신 모듈에 표준 프로토콜 스택(Protocol Stack)을 내장함으로서 운용상의 오류를 방지하도록 구성하였다. 센서 네트워크의 하단부인 센서 노드에서 서버 운용 및 관리의 상위부까지 전체적인 통합관리, 제어 및 모니터링용 M2M 게이트웨이 네트워크 기술을 적용 가능성을 보였다.