[첨단 헬로티]
혁신적인 솔루션
펌웨이브의 엔지니어들은 이러한 까다로운 엔지니어링 과제를 현실화할 수 있는 솔루션을 제시함으로써 전문성을 입증했다. 이 팀은 블루투스 LE 칩에 대한 검토 과정을 통해 노르딕의 nRF52832 SoC(System-on- Chip)로 선택의 폭을 좁힐 수 있었다.
이 SoC는 주로 2.4GHz ISM 대역 동작용으로 설계됐지만, 최대2.5GHz의RF 신호를 수신할 수 있다. 또한 이 칩은 수신감도가-96dBm에 이르기 때문에 위성이ESA 사양의 상한선에서 궤도를 선회하고 있거나 수평선 상에 낮게 위치하더라도 약해진 신호를 수신하는데 적합한 마진을 제공한다.
그러나 노르딕 SoC의 공칭 수신감도는 선형 편파 안테나(Polarized Antenna) 사용을 전제로 한다. 이는 블루투스 LE 애플리케이션의 일반적인 신호를 포착하는데 최적화(즉, 짧은 거리에서 수평면으로 전송)되어 있기 때문에 오버헤드에서 들어오는 RHCP(Right Hand Circular Polarized) S 대역 전송에는 좋지 않다. 펌웨이브 팀은 이 SoC를 RHCP 신호용으로 특별히 설계된 안테나와 매칭해 수신감도를 최적화했다.
또한 위성 링크가 작동하도록 일부 블루투스 LE 스택 코드를 수정해야 했다. 주요 변경사항은 S 대역 전송에 적합하도록 동작 주파수를 2.488GHz로 변경한 다음, 단일 채널로 고정되도록 만드는 블루투스 기술의 기존 주파수 호핑을 수행하는 프로토콜을 방지하는 것이었다.
이외에도 블루투스 LE 기술의 CRC(Cyclic Redundancy Check)를 비활성화하고, 애드버타이징 패킷을 수정하는 등 다른 프로토콜에 대한 수정도 진행됐다. 그런 다음 엔지니어들은 위성의 이동속도와 궤도상의 위치에 따른 도플러 변위를 보상할 수 있도록 일부 펌웨어를 작성했다.
펌웨이브 팀은 위성 수신 및 비콘 전송을 수행하기 위해 단일 블루투스LE SoC 모듈로 엔지니어링하는 것은 현실적이지 않다는 점을 확인했다. 이러한 배열은 이전 작업을 위해 수정된 스택과 기존의 스택 등 두 개의 블루투스 스택을 실행해야 한다. 노르딕 칩은 두 개의 스택을 동시에 실행할 수 있지만, 펌웨이브는 각각의 작업에 특화된 두 개의 개별 모듈(노르딕 nRF52 시리즈 SoC 기반의)을 사용해 훨씬 더 간단한 라우팅을 구현했다. 이 모듈들은 인접해 있기 때문에 각 SoC의 UART 포트 간의 유선 연결을 통해 링크가 가능하다.
마이크 히벳은 “두 번째 모듈을 추가함으로써 솔루션 비용은 증가했다. 하지만 우리가 사용한 nRF52832가 탑재된 레이텍(Raytac) 제품과 같은 고품질의 최신 모듈은 가격이 3.5달러에 불과하며, 이는 짧은 개발 시간과 최종 제품의 유연성 향상을 고려했을 때 비용 부담이 큰 것은 아니다”고 말하고, “상업용 애플리케이션에서는 nRF52810을 탑재한 모듈을 사용함으로써 일부 추가 비용을 절감할 수도 있다. 이 칩은 비콘 애플리케이션에 매우 적합하고, nRF52832에 비해 저렴하기 때문에 좋은 옵션이 될 수 있다”고 설명했다.
또한 마이크 히벳은 “이 모듈은 인증이 완료된 제품으로, 수정된 블루투스 LE 스택을 사용하는 모듈에서만 수신되기 때문에 재인증이 필요하지 않다. 두 번째 모듈은 수정되지 않았기 때문에 추가 인증 또한 필요하지 않다”고 덧붙였다.
이러한 개념을 증명하기 위해 펌웨이브 팀은 저궤도 위성의 전송 강도와 도플러 변위를 정확하게 에뮬레이션 할 수 있는 지상용 SDR(Software Defined Radio)과 두 개의 노르딕nRF52 개발 키트를 사용했다. 하나의 개발 키트는 위성 수신기로, 다른 하나는 블루투스(Eddystone; 에디스톤) 비콘으로 동작했다.
▲ 펌웨이브의 솔루션은 모듈의 UART 포트로 연결된 두 개의 블루투스 저에너지 모듈을 사용했다.
노르딕 채택 배경
마이크 히벳은 10년 이상 노르딕의 무선 기술을 사용해 왔으며 노르딕의 초저전력 무선 기술의 유산을 높이 평가하고 있다. 하지만 이 분야의 선도주자인 노르딕만이 블루투스 LE SoC를 공급하고 있는 것은 아니다. 그렇다면 펌웨이브가 이 애플리케이션을 위해 노르딕의 제품을 선택한 이유는 무엇일까?
마이크 히벳은 “4가지 핵심 이유가 있었다. 첫 번째이자 아마도 가장 중요한 점은 노르딕의 nRF52832 데이터시트에서 언급된 것처럼 우리가 필요로 하는 S 대역의 일부분까지 충분히 수신할 수 있는 2.5GHz까지 무선 동작이 가능하다는 점이었다. 데이터시트에 이 정보가 명기돼 있었기 때문에 훨씬 더 빠르게 부품을 선택할 수 있었다”고 설명했다.
히벳은 “두 번째는, 노르딕 칩은 특히 RHCP 안테나가 장착되는 경우 탁월한 수신감도를 제공한다는 점이다”고 말하고, “신호 강도는 위성의 오버헤드 시에는 중요하지만, 하늘을 낮게 선회하는 경우에는 또 다르다. 특히 민감한 블루투스 LE SoC에서 추가 dB을 얻을 수 있다면 이는 큰 차이를 만들 수 있다”고 덧붙였다.
그는 이어서 “세 번째는, 노르딕의 DK 및 소프트웨어 개발 툴은 매우 포괄적이기 때문에 설계 프로세스를 보다 쉽고 빠르게 수행할 수 있도록 해준다는 점이다. 예를 들어, SDK는 에디스톤 비콘 예제를 포함하고 있어서 프로세스를 간소화 해준다”고 설명했다.
마지막으로 마이크 히벳은 “노르딕 스택(SoftDevice)은 매우 뛰어나지만, 외부 개발자가 액세스할 수 없도록 돼 있다”고 언급하고, “그렇지만 우리가 선택한 MyNewt와 같은 블루투스 LE 스택을 수정할 수 있는 오픈-소스 스택을 올려 사용할 수 있었으며, 노르딕의 검증된 하드웨어 및 소프트웨어 아키텍처와 개발 툴의 모든 장점을 충분히 활용할 수 있었다”고 밝혔다.
현실화하기
ESA 메이커-스페이스의 요구사항 중 하나는 엔지니어링 솔루션을 해결하는 회사가 애플리케이션 아이디어를 제시하는 것이었다. 펌웨이브의 제안은 일상적인 것에서 생명을 구하는 것까지 다양했다. 비콘의 펌웨어를 업데이트해 버스 대피소와 같은 공공 설비에 정보를 전송하거나 기술자를 파견할 수 있으며, 비콘을 통해 승객의 스마트폰에 정보를 전달할 수 있다. 후자의 사례는 휴대폰이 커버리지 영역을 벗어나 있는 사람들에게 긴급 정보를 제공하는 것이다.
마이크 히벳은 “블루투스 하드웨어는 견고하고, 저렴한데다 배터리 수명이 길고, 현장에서 지속적으로 업데이트가 가능하기 때문에 이러한 애플리케이션에 이상적이다”고 밝혔다.
그는 “많은 사람들이 신호가 없는 곳에서도 휴대폰을 가지고 있다. 예를 들어, 산사태로 인해 산길이 막혀있다고 생각해 보자. 위성은 이 길 아래에 있는 비콘에 정보를 전송하도록 프로그래밍해 사람들에게 산의 수십 킬로미터의 도로가 막혀 있다는 것을 알리고, 안전을 도모할 수 있다”고 설명했다.
또한 마이크 히벳은 “이 기술을 기반으로 하는 여러 다양한 애플리케이션의 가능성은 상상도 할 수 없었다. 원래 스마트폰과 주변기기 간의 단거리 통신을 위해 설계된 블루투스 LE 기술이 수천 킬로미터 떨어진 우주에서 지구로 전송되는 것을 누구도 짐작하지 못했을 것이다”고 말하고, “아마도 다음은 달이 될 것이다”고 피력했다.
글 / 노르딕 세미컨덕터(Nordic Semiconductor)
