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802.11x 모듈, 개발 키트로 IoT 무선 설계 단순화

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글/Digi-Key 제공

IoT(사물 인터넷) 제품의 설계자는 널리 배포되고 잘 알려진 Wi-Fi 기반 무선 연결을 사용한다. 그러나 RF는 어떤 종류이든 복잡하며 규정 준수 테스트가 필요하다. 적절한 전문 지식이 없는 경우, 특히 설계자가 RF 섹션을 처음부터 설계하도록 선택한 경우 개발 속도가 저하될 수 있다.
설계 프로세스를 가속화하는 한 가지 방법은 사용 여러 사전 인증된 모듈 중 하나를 선택하는 것이다. 이 기사에서는 무선 응용 분야에서 Wi-Fi의 장점을 설명한 다음 모듈 및 관련 설계 도구를 사용하여 제품을 설계하는 방법을 설명한다.

왜 Wi-Fi인가?

Wi-Fi는 2.4GHz 산업, 과학 및 의료(ISM)용 무면허 스펙트럼 할당의 장점을 활용하는 무선 통신을 위한 여러 근거리 RF 기술 중 하나이다. 이 기술은 IEEE 802.11 사양을 기준으로 하며 처리량과 디지털 인코딩 방법이 서로 다른 여러 변형이 존재한다.
Bluetooth 저에너지(Bluetooth LE) 및 zigbee와 같은 기술과 비교하면 상대적으로 전력 소비량과 비용이 많이 들고 프로세서 리소스 사용량도 많다. 하지만 속도가 매우 빠르다. 원시 데이터 전송 속도가 11Mbits/s인 802.11b 버전부터 600Mbits/s에 이르는 n 변형에 이르기까지 다른 공개 표준 2.4GHz 기술보다 월등한 속도를 자랑한다.

Wi-Fi의 종류

Wi-Fi 변형의 공통된 점은 모든 Wi-Fi 작동 사양이 Wi-Fi 브랜드 및 사양의 관리 단체인 Wi-Fi 협회에서 지정된다는 것이다. 이 협회에서는 Wi-Fi LAN에서 사용되는 데이터 구조, 암호화 기술, 주파수, 패킷 구성 및 하위 프로토콜을 결정한다.
중요한 것은 Wi-Fi는 5GHz 스펙트럼 할당의 이점도 활용할 수 있으므로 혼잡한 2.4GHz 대역에서 통신을 제거하고 간섭의 가능성을 줄이고 처리량을 더 늘릴 수 있다는 것이다. 반면에 범위가 줄고 장애물 침투력이 낮다는 단점이 있다.
다음과 같은 몇 개의 Wi-Fi 프로토콜이 있다. IEEE 802.11b/g는 2.4GHz 대역에서 작동하고, IEEE 802.11a/ac는 5GHz 대역 작동용으로 설계되었으며, IEEE 802.11n 무선 통신은 두 대역 모두에서 작동할 수 있다.
IEEE 802.11b는 1999년에 채택되었으며 5.5Mbits/s 및 11Mbits/s의 데이터 전송률을 제공한다. 지금은 대부분 레거시 시스템에서만 사용된다. 그러나 최신 시스템이 레거시 시스템과 작동할 수 있도록 하기 위해 현재 n 무선 통신에도 b가 지원된다.
IEEE 802.11g는 2003년에 채택되었으며 원래 프로토콜과는 다른 변조 기술을 사용하여 최대 54Mbits/s의 데이터 전송률을 달성한다. 실제 응용 제품에서는 순방향 오류 정정 알고리즘 때문에 가용 데이터 전송률이 절반이 되기도 한다. g는 b와 하위 호환성을 가진다.
IEEE 802.11n은 2009년에 채택되었으며 여러 개의 동시 '공간 스트림'의 인코딩을 위한 다중 입력, 다중 출력(MIMO) 안테나 기술을 도입함에 따라 데이터 전송률이 216Mbits/s로 높아졌다(20MHz 채널 폭과 세 개의 공간 스트림을 사용하는 송신기). 또한 802.11n은 두 개의 20MHz 채널을 결합하여 구성되는 더 넓은 40MHz 채널을 지정하며 이에 따라 처리량이 450Mbits/s로 높아진다. 세 개의 공간 스트림을 지원하는 장치는 하이엔드 휴대용 컴퓨터, 태블릿 및 액세스 포인트(AP)로 제한된다. 두 개의 공간 스트림 장치는 더 다양하지만, 아직 휴대용 컴퓨터, 태블릿 및 최신 스마트폰으로 제한된다.
IEEE 802.11a는 5GHz 대역에서 작동한다는 점을 제외하면 대부분의 측면이 g와 동일하다. 최대 데이터 전송률도 동일하게 54Mbits/s이다. 오늘날 802.11a는 레거시 프로토콜로 간주되는 경우가 많다.
IEEE 802.11ac는 2013년에 채택되었으며 8개의 공간 스트림과 최대 160MHz의 채널 폭을 제공하므로 처리량이 더욱 증가되었다. 상용 제품이 이제 시장에 나오기 시작하고 있고, 아직 고가이며, 현재로서는 하이엔드 소비자 가전제품에만 채용될 가능성이 높아 보이는 기술이다.
2.4GHz 대역 할당은 11(미국), 13(전 세계 대부분의 나머지 지역) 및 14(일본) 20MHz 채널 간에 허용된다. 83MHz의 대역폭은 겹치지 않는 세 개의 Wi-Fi 채널(1, 6 및 11)만 수용한다(그림 1).

11개~14개 채널을 사용하는 인접 WLAN으로 인한 충돌을 피하고자 제조업체는 일반적으로 겹치지 않는 채널에서 통신하도록 장비를 설계한다. 예를 들어, 채널 1에서 과도한 간섭이 발생하는 Wi-Fi 무선 통신은 간섭이 없는 환경을 찾기 위해 채널 6 또는 11로 전환할 수 있다.
스펙트럼 공유를 지원하기 위해 Wi-Fi에는 동일 채널을 사용하는 액세스 포인트(AP) 간에 균일하게 대역폭을 분배하는 경합 메커니즘이 포함된다. 혼잡 채널에서 작동하는 AP의 경우 송출 시간제한이 발생하므로 데이터를 보내거나 받을 수 있는 시점에 영향이 미친다...(중략)