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PoE와 스마트 빌딩: 파트 1

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글/밥 카드(Bob Card), 온세미컨덕터 어드밴스드 솔루션 그룹 미국지역 마케팅 매니저 

PoE(Power Over Ethernet)란 이름 그대로 데이터 전송에 사용하는 케이블을 이용하여 소형 디바이스가 사용하기 충분한 수준의 전력을 공급하는 장치이다. PoE는 낮은 전압을 사용하기 때문에 일반적인 전기안전 규정이 적용되지 않는 스마트 빌딩에 널리 사용된다. 이처럼 설치 및 안전규정 준수의 측면에서 상당한 비용을 절약하는 PoE는 매우 매력적인 기술이다.

많은 사무용 빌딩이 본격적으로 이더넷을 건물 전체에 적용함에 따라 배터리 기반 무정전 전원공급장치(UPS)도 함께 설치되었으며, 이로써 내구성 높은 시스템의 구현이 보다 용이 해졌다. PoE 장치를 추가하면 기존에 설치된 데이터 케이블을 활용할 수 있을 뿐만 아니라, 조명과 보안 카메라 등의 애플리케이션에 대한 전력 공급 또한 가능하다. 또한 이더넷 케이블을 사용하면 PoE를 지원하는 이더넷 장치로부터 최대 100미터 떨어진 기기에 전력을 제공할 수 있다.

PoE가 적용된 스마트 빌딩의 이점 

PoE를 채택해 누릴 수 있는 확실한 이점 중 하나는 기존에 설치된 이더넷에 DC 전력이 흐르도록 한다는 점이다. 물론, 사용 중인 네트워크 스위치를 PoE 지원 포트로 업그레이드해야 하지만, 구리 전선을 추가하지 않아도 되기 때문에 오히려 비용 측면에서는 상당한 이익이다. 참고로, 구리의 단가는 2000년 기준 파운드 당 0.65달러에서, 2021년 기준 파운드 당 4.05달러로 상승했다. 또한 전력을 공급받은 기기는 AC/DC변환을 구현할 필요가 없으므로, 추가적인 비용 절약의 효과를 얻을 수 있다. 

PoE는 전력을 공급받는 디바이스들의 위치 설정에 대한 유연성 또한 제공한다. 대부분의 AC 콘센트는 바닥에 가까이 설치되는데, 이 때문에 와이파이 엑세스 포인트(Wi-Fi APs), 펨토셀(femtocells), 피코셀(picocells) 및 카메라에 대한 최적의 위치를 제공할 수 없게 된다. 각 디바이스의 사용거리를 최대화하려면 해당 기기 근처에는 장애물 등을 두지 않아야 하며, 구체적으로는 천장 높이에 두는 것이 가장 좋다. 메인 네트워크와 달리 이더넷 케이블은 종종 매립식 천장(suspended ceilings)의 빈 공간을 통해 라우팅 되며, 이로써 해당 기술의 채택과 관련된 또 다른 한계점을 극복한다.

PoE를 통한 전력과 데이터의 결합은 조명, 보안 카메라, 디지털 사이니지 등 다양한 애플리케이션의 상시 모니터링 및 제어를 가능케 한다. 또한 배터리에 의해 구동되는 UPS를 구비한 중앙화 PoE 네트워크는 정전 시에도 필수장치가 지속적으로 가동되도록 보장한다. 

스마트 빌딩 애플리케이션 및 PoE 표준

기존의 PoE 표준(IEEE 802.3af)은 2003년에 제정됐으며, 각 포트당 최대 15와트의 전력을 제공하도록 규정하고 있다. PoE 표준은 인터넷 전화, 빌딩 출입 관리와 더불어 초기 세대의 분산형 와이파이 엑세스 포인트에 전력을 공급키 위해 광범위하게 채택됐다. 이후 IEEE 802.3at(30W/2009) 및 IEEE 802.3bt(90W/2018) 등의 개정을 거쳐, 보다 빠른 속도의 와이파이 네트워크를 비롯해 보안 카메라, 오디오 스피커, POS, LED 조명 등의 까다로운 애플리케이션을 구동하도록 전력 공급량이 더욱 증가했다.

[그림 2] PoE 표준 및 관련 애플리케이션

PoE 토폴로지

그림 3은 전형적인 PoE 토폴로지를 설명한다. PoE 네트워크 스위치는 파워 소싱 장치(PSE)로 불리며, 전원공급장치(PD)로 불리는 클라이언트에 DC 전력을 제공한다. 기술 사양에 따르면 PSE는 최대 100미터까지의 이더넷 케이블(통상 CAT5/6)을 통해 PD에 전력을 공급할 수 있다. 

이더넷 케이블은 최대 100미터까지 도달하기에 중간에 전력의 낭비가 발생할 수 있다. 따라서, 최악의 상황에서는 PD에 도달하는 전력이 PSE에서 지원하는 전력에 비해 낮을 수도 있다. 기술 사양에서도 이를 다루고 있으며, 802.3af에서는 13W, 802.3at에서는 25.5W, 802.3bt에서는 71.3W로 언급돼 있다. ‘bt’ 표준의 경우 PD에서의 DC 전압은 42V부터 57V [RB2]까지로 다양할 뿐 아니라 입력에서 PoE를 미 지원하는 네트워크 기기들도 연결 가능하며, PoE 스플리터(PoE splitter)를 사용해 데이터와 DC 전원을 분리할 수 있다. 이를 통해 AC/DC 컨버터의 구비하고 장비를 AC 콘센트에 근접시켜야 할 필요가 줄어든다.

[그림 3] 전형적인 PoE 토폴로지(출처: 이더넷 연합)

PoE가 적용된 PTZ 카메라

오늘날의 보안 시스템에서 일반적으로 사용되는 카메라는 소형 모터를 포함하는데 이를 통해 카메라는 3축으로 움직이거나 팬-틸트-줌(PTZ)이 가능하며, 보통은 HD 디지털 카메라를 특징으로 한다. 해당 카메라들은 이더넷과 같은 유선 연결을 통해 수동 제어되거나 정의된 WOI 및 전체적인 시야 내에 목표물이 감지된 경우 자동으로 이동하고 목표물을 확대하도록 프로그램 될 수 있다. 일부 카메라는 지속적으로 0°부터 360°까지의 패닝 및 0°부터 180°까지의 틸팅(tilting)을 통해 특정 장면을 측량하게끔 설정될 수도 있으며, 줌 기능은 광학기술과 디지털기술을 통해 구현될 수 있다. 이와 같은 보안 및 감시 카메라에 필요한 전력은 현재 IEEE 802.3at 표준 기반의 PoE로 제공될 수 있다.

PoE가 적용된 무선 네트워크

PoE를 위한 일반적 애플리케이션으로는 와이파이 엑세스 포인트 및 라우터도 있다. 전력 소비량은 종종 지원되는 속도 및 스트림 수에 따라 달라진다. 오늘날의 네트워크는 다중입출력(MIMO)과 같은 기술을 통해 범위와 처리량을 증대한다. 와이파이6(IEEE 802.11ax)의 속도를 지원하는AP 및 라우터 애플리케이션의 구현은 다음과 같은 PoE 표준을 따른다.

① Wi-Fi 6, 4x4 듀얼 대역 동시 작동: 802.3at

② Wi-Fi 6, 8x8 듀얼 대역 동시 작동: 802.3at/bt

③ Wi-Fi 6, 4x4 삼중 대역 동시 작동: 802.3at/bt

비록 와이파이 라우터 및 AP는 AC/DC 파워 서플라이와 함께 구성되지만, PoF 스플리터를 통해서도 전력을 공급받을 수 있다. 이와 반대로, 시스코 메라키(Cisco Meraki) MR 56 와이파이 6(802.11ax, 8 streams) AP와 같은 제품은 현재 802.3at를 지원하며, 이는 곧 RJ45 포트가 PoE를 지원하는 PSE 스위치에 직접 연결돼 기기에 전력을 공급할 수 있음을 의미한다. 

PoE의 전력공급을 통한 피코셀 및 펨토셀

피코셀과 펨토셀은 건물, 사무실, 쇼핑몰 및 경기장 사이와 같이 복잡한 지역의 전파 이용 구간을 확장하거나 증가시키기 위해 사용된다. 보통의 전파 이용 구간과 달리, 피코셀의 범위는 통상 200미터 정도로 보다 좁으며, 펨토셀의 범위는 10미터까지 좁아질 수 있다. 이처럼 작은 디바이스들은 하기의 예시와 같이 PoE에 대한 이상적인 후보가 된다. 

① ApexTM 4G/LTE 3.5GHz 아웃도어 피코셀(35W): 802.3bt

PoE가 적용된 디지털 사이니지

LED TV는 매우 효과적인 커뮤니케이션 방식이다. 맞춤형 동적 디지털 사이니지를 사무실 공간, 스마트 소매점, 호텔 및 정부 지자체 등 다양한 곳에서 송출할 수 있기 때문이다. 디지털 사이니지는 와이파이와 같이 지정된 위치에서만 기능한다. 예로써 대형 화면은 많은 인원이 함께 콘텐츠를 시청하기 쉽도록 주로 천장에 설치된다. 한편, 스마트 키오스크 또는 PoS 애플리케이션은 소형 스크린을 사용하며, 일부는 보다 개인화되고 상호작용 가능한 사용자 경험을 제공하기 위해 터치 스크린을 사용한다.

기기에 따른 LED TV 전력 소비량의 차이는 상당하다. 아래 목록의 삼성 55인치 LED TV는 통상 69W의 전력을 소비하는 한편, 제조사와 사이즈 모두 동일한 다른 TV는 120W의 전력을 소비한다. LED TV 전력은 PD 전력을 초과하지 않도록 하는 것은 매우 중요하다. 이는 802.bt 표준을 사용할 경우 PSE와 LED TV(PD) 사이의 이더넷 케이블 길이에 따라 90W부터 71.3W까지 달할 수 있다.

PoE가 적용된 사이니지 TV중 일부는 시중에서 구매할 수 있다. 또한, 각 제조업체에서 점차 성장하는 디지털 사이니지 시장을 인식해 802.bt기준을 대형 제품에 통합할지 그 여부를 흥미롭게 지켜볼 수 있을 것이다.

① 55인치 삼성 4K LED TV(#Q70T) 69W(typ): 802.3bt(PoE 스플리터 필요)

② 46인치 HD, 씬랩스(Thinlabs, Inc), 터치스크린 포함: 802.3bt(PoE 스플리터 불필요)

③ 10인치 삼성 디지털 사이니지(DB10E-TPOE) 802.3at(PoE 스플리터 불필요)

④ 48인치 삼성 디지털 사이니지(DH48E) 44W(typ) 802.3bt(PoE 스플리터 필요

⑤ 40인치 삼성 디지털 사이니지(H40B) 44W(typ) 802.3bt(스플리터 필요)

⑥ 16인치 메드TV(medTV) PDI-P16TV-GB2-P 텔레비전(25W) 802.3at(PoE 스플리터 불필요)

PoE 스마트 커넥티드 조명

PoE와 LED 조명이 자연스러운 조합인 이유는 LED가 DC 전력을 소비하기 때문이며, PoE를 통해 LED에 전력을 공급할 경우 AC에서 DC로의 전력변환 시 발생하는 비용을 제거할 수 있다.

그림 4의 온세미컨덕터 커넥티드 라이팅 플랫폼(ON Semiconductor Connected Lighting Platform)은 PoE가 스마트 빌딩을 더욱 개선하는 우수한 사례이다. 모듈러 설계 기반의 해당 플랫폼은 듀얼 FL7760 LED에 의해 구동되는 16개의 LED 2열에 7,000루멘을 제공한다. NCP 1096 802.3bt 컨트롤러에 기반한 PoE 모듈은 최대 90W의 DC 전력을 LED 드라이버 모듈(LED Driver Module)에 공급한다. 한편, LED 드라이버 모듈에는 스마트폰 게이트웨이에 대한 무선 연결을 위해 RSL 10 블루투스 5 라디오를 수신하는 세컨드 커넥터가 있으며, 이를 통해 클라우드에 대한 연결이 가능하다. 

[그림 4] PoE 모듈이 적용된 커넥티드 조명 플랫폼

PoE가 적용된 VoIP

음성 인터넷 프로토콜(VoIP)는 PoE가 가장 빈번하게 적용되는 애플리케이션이다. VoIP는 저주파수 아날로그 음성 시그널을 광역통신망(WAN)의 이더넷 프로토콜을 사용해 데이터 패킷으로 디지털화 한다. 이후, 데이터 패킷은 스위치와 라우터를 통과해 최종 목적지인 클라우드로 이동한다. VoIP는 4W부터 7W까지의 전력만을 소비하므로, 802.3af PoE 표준에 대한 호환성이 높다. RJ45 커넥터에 적합한 현대의 VoIP 전화는 데이터와 전력을 모두 이더넷 케이블에서 수신하도록 설계된다. 따라서, 외부적인 PoE 스플리터가 요구되지 않는다.

결론

동일한 케이블을 통해 데이터와 전력 모두 전달하는 것에서 오는 편리함은 이제 필수가 되었다. 우리는 USB가 어떻게 다양한 소비자 기기의 전력 공급원으로 널리 보급되었는가를 생각하면 된다. 소비자 및 산업용 애플리케이션을 위한 POE도 마찬가지다. 해당 기술은 단일 케이블을 사용하는 편리함을 통해 직접적인 이점을 누릴 수 있는 애플리케이션 분야를 공략하는 방식으로 싱글 케이블 솔루션의 개념을 고도화 한다.

온세미컨덕터는 전문적 기술을 기반으로 PoE 솔루션을 제공한다. 더 많은 제조사들이 PoE의 이점을 발견하면서, 최종 사용자들의 해당 기술에 대한 수요는 높아지기 시작할 것이다. 보다 스마트한 전력 및 데이터의 통합은 이제 우리 곁에 더욱 가까워졌다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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