RFID/USN을 위한 무선통신 기술, ZigBee

1. 개요

일반적으로 RF 송수신기와 센서(동작, 압력, 기온, 습도 등) 혹은 제어대상 기기와의 결합을 통해 구성되는 무선센서 및 제어 네트워크의 경우, 대용량 정보전달에 대한 요구보다는 긴 배터리 시간과 일정거리 이상의 전송 커버리지 확보를 필요로 한다. 이러한 요구사항을 충족시키기 위해 IEEE는 2003년 5월 802.15.4 규격을 발표하였고, 마케팅과 인증 등 산업 촉진을 위해 설립된 ZigBee Alliance에서는 IEEE에서 정의하는 PHY와 MAC에 네트워크와 보안계층을 표준화하는 작업을 진행하고 있다.

IEEE 1451(센서네트워크 표준화 담당)에서 블루투스나 WiFi 대신 ZigBee 기술을 USN 구축을 위한 기본 네트워크인 무선 센서 네트워크를 구현하기 위한 기술로 채택한 이유는 기존 WPAN(블루투스, IrDA 등) 기술이 고가이며, 전력소모 문제 등으로 시장 활성화가 부진한 상황에서 ZigBee는 단순한 기능의 저기능성 센서 네트워크를 가능하게 하기 때문이다. ZigBee의 가장 큰 특징은 평균 전력소모가 50mW 정도인 저전력이라는 점이며, UWB가 200mW, 무선LAN이 1W 정도인 점을 감안하면 매우 낮은 전력소모 특성을 갖는다. 한번 배터리를 장착하면 최대 2~3년 정도 사용할 수 있다는 ZigBee 슬레이브 장치의 장점을 활용하면, 데이터 송수신 빈도가 낮은 가정의 냉난방/환기시스템, 가스/화재탐지기 등의 응용에 사용이 가능하게 된다.

2. ZigBee 기술 규격 및 표준화 동향

가. 기술 규격

블루투스는 일정 용량의 데이터(음성, 파일 등) 전송 용도에 적합한 반면, ZigBee는 저용량의 데이터로 네트워크 상의 기기를 통합ㆍ제어하는 용도에 적합하며 향후 다양한 산업 분야에 적용될 것으로 예상된다. ZigBee 송수신기를 센서(동작, 빛, 압력, 기온, 습도 등)와 결합하여 대규모 네트워크 구성이 가능하게 된다.

IEEE 802.15.4에서 PHY/MAC을 정의했으며, ZigBee Alliance가 상위 3개 계층(Datelink, Network, Application)을 정의하였다.

IEEE 802.15.4 MAC 계층은 비컨, 데이터, 확인, MAC 명령의 4가지 기본 프레임으로 구분된다. MAC 계층에서의 전력 소모 절감 메커니즘은 Power control 모드에서 프레임 전송 시 전력을 최소한으로 조절해 전력소비를 최소화하며, Power saving 모드를 통해 각 단말기가 평상시에는 SLEEP 모드로 있다가 송수신 시에만 AWAKE 상태로 전환하는 방식이다. IEEE 802. 15.4 PHY 계층은 Dual PHY로 정의되어 있으며, 전체적으로 3 밴드, 27개 채널로 구성된다.

IEEE 802.15.4에서 네트워크 및 보안계층, 네트워크 토폴로지를 확장한 ZigBee 기술은 라우팅 알고리즘과 Adhoc, Star, Mesh 네트워크 등 다양한 네트워크 구성을 지원한다.

하나의 네트워크에 255개의 세 가지 유형 디바이스 연결이 가능해 최대 50여 이상의 멀티 네트워크 구현이 가능하며, 저가격/초저전력 센서 네트워크 구현이 가능해 USN 환경을 구현하기 최적의 기술로 평가되고 있다.

나. 표준화동향

ZigBee관련 기술표준은 IEEE 802.15.4 그룹과 ZigBee Alliance(국제표준단체)가 표준화 주도. IEEE 802.15.4 그룹은 하드웨어 규격인 PHY와 MAC 표준을 담당하며 2003년 5월에 표준화 작업이 완료되었다.

IEEE 802.15.4 표준 규격에서는 868MHz(BPSK/1채널/유럽), 902~928MHz(BPSK/10채널/미국), 2.4GHz(OQPSK/16채널/전 세계) 등 3개의 주파수 대역에서 DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum) 변조 방식으로 최대 250kbps의 데이터 전송속도를 지원하며, 네트워크 액세스 방법으로 충돌회피를 지원하는 CSMA-CA(carrier sense multiple access with collision avoidance)를 사용한다. 또한 무선 네트워크에서 문제점으로 거론되고 있는 QoS(Quality of Service)를 보장하기 위해 GTS (Guaranteed Time Slot) 데이터 전송 메커니즘을 지원한다.

ZigBee Alliance는 소프트웨어 규격인 상위계층(Network/보안, Application) 표준을 담당하고 있다. 표준 PHY와 MAC 위에 추가 계층을 정의하고, 배터리 수명 연장을 위한 데이터 전송 솔루션 개발, ZigBee 제품 마케팅, 인증 및 상호 연동기술 개발 등을 추진한다. ZigBee Alliance에서는 2005년 1월 ZigBee v1.0 표준을 발표했으며, 현재 공개 표준은 아니며, 회원사만 기술사용이 가능하게 되어 있다.

3. 시장 및 업체 동향

가. 시장 동향

시장조사기관 웨스트테크놀로지리서치(WTRS)는 ZigBee 칩의 출하가 2005년 2,100만 개에서 2006년 8,700만 개, 2007년에는 2억 5,000만 개에 이르는 등 2009년까지 연평균 218% 성장할 것으로 전망하고 있다. ZigBee의 주 성장 분야로는 홈오토메이션, 홈네트워킹 등이 꼽히고 있지만 산업자동화 수요도 연평균 198% 성장이 예상된다. 매출액 기준으로 보면 ZigBee칩은 2007년 16억 달러의 세계 시장을 형성, 본격적인 성장세에 들어갈 전망이다.

온 월드(ON World)의 시장조사에 따르면 오는 2010년에 총 사용되는 무선 센서노드의 65% 정도를 ZigBee가 차지하게 되며, 칩셋 가격을 개당 2달러 정도로 계산할 경우 전체 시장 규모는 53억 달러에 이를 것으로 추산된다. ZigBee는 향후 블루투스 등 인접 WPAN 기술들과 치열한 시장 경쟁을 벌이게 될 전망이며, 타 기술과의 컨버전스 등을 통해 시장을 확대해 나갈 것으로 예측되고 있다.

ZigBee 칩은 100만 개 생산 시 개당 4 달러 미만의 가격에 생산이 가능할 것으로 예상되며, 본격 상용화는 2007년부터 시작될 전망이다. 국내 ZigBee 시장은 현재 초기 단계로 특정 해외 칩 제조사에 의존하지 않고 있으나, 시장 도입기인 2007년부터는 국내/해외 칩 제조사와의 치열한 경쟁이 예상되고 있다.

나. 업체 동향

해외 ZigBee 시장을 선도하는 주요 5대 업체는 <표 4>와 같으며, 성능 대비 가격을 낮추기 위한 치열한 경쟁중에 있다. 국내에서는 삼성전자가 ZigBee Alliance 이사회 일원으로 표준 개발에 적극 참여중이며, 기타 국가 연구기관 및 중소개발 업체에서 관련 칩 및 솔루션 개발을 추진중에 있다. 현재 ZigBee 1.0 표준이 발표(2005. 1)되었으나 하위 호환성까지 보장하는 완전한 단계는 아니며, 칩/모듈 적용의 제품 개발에는 문제가 없으나 타 제품과 호환을 위한 미들웨어, 네트워크 솔루션(이종 네트워크간 상호 연동 문제) 등 표준기술 마련이 필요한 시점이다.

한국무선네트워크, 레이디오펄스 등 국내 벤처기업들이 개발한 ZigBee 프로토콜 스택과 모듈이 국제표준인증(ZCP)을 잇따라 획득하며 본격적인 상용화 단계에 들어섰고, ZigBee Alliance가 주최하는 국제 행사가 한국에서 개최되는 등 ZigBee 기술과 관련해 한국이 기술주도국으로 점차 부상하고 있다. 한국무선네트워크(코윈)가 개발한 ZigBee 프로토콜 스택은 영국 반도체 업체 제닉을 통해 싱글칩으로 제작, 전세계에 공급되고 있으며, 레이디오펄스도 중국, 미국, 영국, 독일, 이탈리아, 싱가포르 등 해외 유통망을 통해 제품 공급을 하고 있다.

4. 결론

RFID 태그에 통신 기능이 부가되고 점차 주위 환경을 감지하는 센싱 기능이 부가되면, 능동적으로 정보를 처리하는 지능형 초소형 스마트 센서 네트워크로 발전되어 현재의 고정된 개체 인식 코드 획득 수준에서 다기능 태그에 의한 상황인지 처리 수준으로 진화하여, 개체간 통신 기능을 갖춘 지능형 USN으로 발전할 것으로 전망된다. 따라서 USN 구축은 유비쿼터스 사회를 구현하는 핵심요소이며, 이를 통해 스마트 홈 네트워크의 구현과 같이 실생활에서의 응용이 가능하므로 풍요롭고 안전한 생활을 제공하는 기반이 된다는 점에서 그 중요성이 크다. 이미 구축된 세계 최고의 초고속 인터넷 인프라와의 연계를 고려한 일관성 있는 추진 체계를 통해 정보 통신 산업의 재도약을 도모할 수 있다는 점에서 국가 경쟁력 제고에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

RFID/USN을 성공적으로 구현하기 위해서는 최근의 정보통신 이용 추세와 실질적인 시장 상황, 그리고 사용자 중심의 시장 전망을 통해 정확한 수요 예측 및 이에 따른 시장 대응이 필수적이다. 즉, 다양한 시범 서비스의 추진을 통한 이용자 의견 수렴 및 시장 활성화가 매우 중요하다. 또한 RFID/USN에 필요한 기반 기술이나 인프라가 무조건적인 신규 투자를 의미하지는 않으므로 이미 구축되어 있는 유ㆍ무선 통신 망과 관련 기술의 보급 정도를 고려해 효과성을 극대화 할 수 있는 일관성 있는 RFID/USN 정책의 추진이 필요하다.

효과적인 RFID/USN 구축을 위한 실질적인 추진 전략은 산학연 합동의 사업 추진 체계의 마련에서 시작되며 이를 기반으로 일관성 있는 사업 추진 및 국민 생활에 가장 영향이 큰 부문에서 시범사업을 추진하는 것으로 구체화되고 발전시켜 나갈 수 있다. 또한 이를 뒷받침하기 위해 국가 경쟁력 강화가 가능한 기술 부문에 있어서 선택과 집중을 통한 핵심 기술 조기 확보와 국제 표준화를 강화해야 할 것이다.

현재 선진국에 비하여 일부 뒤쳐져 있는 일부 전자태그, 리더, 센서, 노드, 네트워킹 분야 및 미들웨어 S/W 분야에서 선택과 집중을 통해 차세대 RFID/USN 기술 경쟁력을 확보하는 것이 시급한 기술적 과제이다. ZigBee는 기기간 센서 네트워크를 구성, 단순 제어와 관리를 수행할 수 있는 WPAN의 최적의 기술로 평가받고 있으며 저전력, 저가 등의 장점 등으로 시장 성장성이 높은 기술이다. 저전력, 저비용이라는 ZigBee의 기술 특성상 그 적용 분야는 무궁무진하지만, 전세계적으로 초기 시장이므로 시장을 선점할 수 있는 기술 발전과 서비스 개발이 중요하다.

세