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GNSS 기반 위치 추적 기기의 전력 소모를 낮추기 위한 방법(1)

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글/베른트 하이트만(Bernd Heidtmann) 표준 정밀 GNSS 제품 전략 매니저, 유블럭스(u-blox)

위치 추적 모듈 또는 칩이 내장된 IoT 제품이나 웨어러블을 개발하는 엔지니어들은 기기 설계를 개선하기 위해 많은 노력을 기울이고 있다. 정확도를 높이는 것 외에도 크기, 형태, 적응성, 배터리 소모량과 같은 특징들도 아이디어를 구체화할 때 고려하는 요소이다. 그 중에서도 특히, 전력 소비는 위치 정확도 향상과 밀접한 관련이 있다. 즉, 정확도가 높을수록 전력 소비가 늘어난다.

각각의 기기들은 기능과 특성에 따라 에너지를 소비하는 속도가 다르다. 펌웨어 엔지니어는 전력 소비를 최적화하기 위해 다양한 전략을 사용한다. 이는 기기를 최대한 활용하고 전력 소모를 최소화하기 위해 펌웨어 설정을 변경하는 것을 의미한다. 보통 이러한 수정이 요구되는 경우는 스포츠 시계, 휴대기기, 자산 추적기(차량, 반려동물/아동, 물류용품 등)와 같이 배터리에 제약이 있는 기기들이다.

실제로 엔지니어들은 이것을 어떻게 구현할까? 그 이면을 살펴보면, 시스템/애플리케이션/펌웨어 엔지니어와 프로젝트 매니저들은 배터리 소비를 줄이는 데 도움이 되도록, 하드웨어와 소프트웨어의 전력 소비를 분석한다. 시장에는 다양한 유형과 크기의 제품이 존재한다. 하지만 목표는 가장 작은 폼팩터를 달성하면서 배터리 소모를 줄이는 것이다. 이를 위해 엔지니어들은 ‘디지털 미터’라는 훌륭한 도구를 옆에 두고 기기들의 전력 소비량을 반복적으로 평가한다.

그러나 디지털 미터를 사용하면 작업이 복잡해지고, 시간 또한 너무 많이 소모될 수 있다. 우선, 엔지니어는 이러한 장비에 액세스하여 꼭 맞는 케이블 어댑터를 찾아서 제대로 연결해야 한다. 그 다음 션트 저항을 통해 한 번에 하나의 단일 전압 값만 측정할 수 있다. 마지막으로, 측정된 전압을 전류 소비 값으로 변환해야 한다.

기술이 발전함에 따라 이러한 번거로움을 개선할 수 있는 다른 방법이 등장하기 시작했다. 오늘날, 평가 키트는 전력 소비를 포함한 주요 성능 지표를 분석하는 가장 쉬운 방법이다. 만약 이 키트에 전류 소비 측정 기능까지 통합된다면 어떨까? 엔지니어들의 작업 능률을 더 높일 수 있지 않을까? 유블럭스가 이러한 평가 키트를 선보이게 된 배경이 여기에 있다. 

유블럭스의 EVK-M101은 고성능 자산 추적 애플리케이션을 위한 초저전력 플랫폼인 유블럭스 M10의 평가 키트로서 쉽고 간단하게 사용할 수 있다. EVK-M101은 M10 칩을 비롯해 오실레이터, 플래시 메모리 및 저잡음 증폭기(LNA)와 같은 연결 부품의 전류 소비를 측정할 수 있다. 그리고 GNSS 평가 소프트웨어인 u-center 2는 M10 칩과 연결 부품의 전류 소비를 EVK-M101에서 실시간으로 보여준다. 이 플랫폼은 전압을 측정하면서 동시에 전력을 자동으로 계산하는데, 이 모든 일들이 디지털 미터의 지원 없이도 가능하다. 또한 엔지니어는 EVK-M10 핀 헤더에 디지털 미터가 연결되는 위치를 찾기 위해 매뉴얼을 읽지 않아도 된다. 

성능은 극대화하고 전력 소모는 최소화

전세계 어디서나 매우 뛰어난 정확도로 위치, 속도, 시간 데이터를 제공할 수 있다는 점 때문에, GNSS 기술은 스마트 커넥티드 솔루션에 점점 더 많이 도입되고 있다. 이와 동시에 이 기술에 대한 사용자들의 요구 역시 갈수록 높아지고 있다. 오늘날 GNSS 적용 디바이스는 경쟁 솔루션들보다 정확도, 응답성, 전력 자율성 측면에서 앞서야 할 뿐 아니라, 비용과 크기는 크게 줄여야 하는 압박을 받고 있다. 

특히 컨슈머, 산업용, 자동차 분야의 위치 추적 용도로 GNSS(global navigation satellite system) 수신기는 전력을 많이 소모하는 것으로 오래 전부터 알려져 왔다. 2010년에 단일 대역 GNSS 수신기는 연속 추적 모드에서 120mW 이상의 전력을 소모했다. 2015년에는 이 수치가 약 70mW로 낮아졌다. 오늘날에는 기술 향상 덕분에 추적 애플리케이션을 단 25mW의 전력으로 실행할 수 있게 되었다. 

지난 5년 사이, 이 기술의 전력 자율성은 새로운 차원으로 높아졌다. 오늘날의 저전력 GNSS 수신기는 다중 주파수 대역에서 더 많은 수의 위성 신호를 추적함으로써 보다 빠른 속도와 더 낮은 전력으로 훨씬 더 향상된 정확도를 제공하게 되었다. 활용 사례에 따라서는 GNSS 수신기의 전력 요구량을 최종 디바이스 전력 예산의 한 자릿수 비율로 낮출 수 있게 되었다.

하지만 크게 낮아진 전력 소모 목표를 달성하기가 그리 쉬운 것은 아니다. 오늘날의 최신 GNSS 수신기는 일련의 설정들을 통해 특정 활용 사례별로 요구되는 성능 요건을 충족하면서 전력 소모를 최소화할 수 있다.

이 글에서는 GNSS 수신기의 전력 요구량을 보통의 GNSS 솔루션의 수분의 일로 낮출 수 있는 방법들을 소개한다. 각각의 방법들을 어떻게 사용할지는 해당 활용 사례에서 필요로 하는 정확도, 동적 성능, 크기, 비용 등을 고려해서 판단할 수 있을 것이다.

활용 사례에 따른 전력 저감 옵션

전력을 어떻게 저감할 수 있을지는 제품 개발자가 자신이 개발하는 활용 사례에서 필요로 하는 GNSS 수신기의 정확도, 성능, 크기, 비용 등을 고려해서 판단할 수 있다. 예를 들어서 스포츠 워치는 크기가 작기 때문에 소형의 안테나와 배터리를 사용해야 하며 까다로운 GNSS 성능 제약 이내에서 비교적 높은 1Hz의 업데이트 주기를 필요로 한다. 또한 대부분의 스포츠 워치는 제한적인 인터넷 접속만 가능하다(스마트폰을 통해서).

이와 달리 물류 추적기의 경우에는 업데이트 주기와 GNSS 수신기 성능에 대한 요구는 느슨한 대신, 소형 배터리를 사용해서 수 개월간 작동할 수 있어야 한다. 반려동물이나 어린이 위치 추적기를 비롯한 휴대용 기기들은 이 두 가지 사례의 중간 정도에 자리잡고 있다. 자동차 추적 애플리케이션은 요구 사항이 이들과 또 달라서, 크기에 대한 제약이 덜하고 거의 무한정한 전원을 사용할 수 있으며, 셀룰러 데이터 통신을 통한 지속적인 연결성이 갈수록 높아지고 있다.

다음 표는 다섯 가지 최종 디바이스별 요구 사항들을 정리한 것이다. 이는 대략적인 지침일 뿐, 실제 활용 사례에서는 여기서 제시하고 있는 것과 요구 사항이 다를 수 있다.

다섯 가지 최종 디바이스의 통상적 요구 사항

성능 vs. 전력 소모

GNSS 수신기의 전력 소모는 다양한 요인에 의해서 결정된다. 전력 소모가 가장 많을 때는 최초 시작(위성 신호 획득)하는 동안인데, 이 때는 위성 신호 획득 이후에 지속적으로 위성을 추적할 때보다 20% 더 많은 전력을 소모한다. 전력 소모가 가장 많은 작업들은 주로 위성 신호 획득 및 그 이후 지속적인 위성 추적과 관련돼 있다.

최종 디바이스의 크기와 비용 상의 제약뿐만 아니라, 최종 활용 사례가 필요로 하는 성능 요건에 의해서도 전력 소모를 줄이기 위해 활용할 수 있는 방법들이 제한된다. 따라서 각 타깃 애플리케이션이 필요로 하는 요건들을 효율적으로 충족하기 위해서는 어떠한 요소들을 절충해야 하는지 종합적으로 신중하게 고려해야 한다.

(1) 가용성과 정확도

항상 고도로 정확한 GNSS 위치 추적 기능을 필요로 하는 애플리케이션이 있는가 하면, 요구 조건이 좀더 느슨한 애플리케이션도 있다. 오늘날의 최신 GNSS 수신기는 (1) 위치 추적 가용성 및 정확도와 (2) 전력 소모라는 상충하는 요구들의 적절한 균형을 유지할 수 있게 해주는 다양한 방법들을 제공한다. 

첫 번째 방법은, 추적하고자 하는 GNSS 위성 신호의 수를 선택하는 것이다. 여러 GNSS 위성 신호를 동시에 추적함으로써 특정 시점에 추적 가능한 위성 수를 늘릴 수 있으며, 이를 통해 위치 확인 정확도를 높일 수 있다. 도심의 마천루 또는 울창한 숲 속 같이 까다로운 환경에서도 위치 추적 서비스의 가용성, 정확도, 신뢰도를 크게 높일 수 있다. 

반면에, 보다 많은 GNSS 위성 신호를 추적하려면 수신기가 위성 신호를 포착하는 시간이 늘어나고, 그만큼 전력 소모도 커진다. 또한 서로 다른 주파수 대역으로 방출하는 GNSS 위성 신호를 추적하기 위해서는 수신기가 신호를 포착하기 위한 추가적인 RF 경로가 필요할 수 있는데, 이 점 또한 전력 소모를 증가시킨다.

두 번째 방법은, 최종 애플리케이션의 필요에 따라서 적합한 안테나를 선택하는 것이다. 능동 안테나는 저잡음 증폭기(LNA)를 사용해서 유입되는 RF 신호의 수신율을 높일 수 있다. 예컨대 안테나 위치가 좋지 않거나 실내에 있을 때처럼 신호가 약한 경우, 잡음들 사이에서 약한 위성 신호를 포착하기 위해 능동 안테나를 사용해야 할 수 있다. 그러면 감도는 좋아지지만 전력 소모가 늘어난다. 필요한 안테나 수신율을 달성하기 위해서 능동 안테나의 LNA가 상당한 전력을 소모하기 때문이다. 위치 가용성과 정확도 측면에서 높은 성능을 요구하는 저전력 활용 사례의 경우에는 대형 수동 안테나를 사용할 수 있는데, 이 방법은 최종 디바이스의 크기를 늘린다.

(2) 추적 모드

어떤 애플리케이션은 연속 추적을 해야 하고, 어떤 애플리케이션은 분당, 시간당, 혹은 하루에 한 번의 위치 확인만을 필요로 할 수 있다. 위치 업데이트 주기는 위치 계산을 하는 시간 간격으로서, GNSS 수신기의 전력 소모에 중대한 영향을 미친다.

위치 업데이트 주기를 기준으로 한다면 연속 추적 모드일 때가 전력 소모가 가장 크다. GNSS 위치 추적과 LTE 기반 클라우드 커넥티비티를 둘 다 사용하는 경우, 연속 추적 모드는 또 다른 과제를 낳는다. 즉, 전송된 LTE 신호와, 그에 인접한 주파수 대역에서 수신되는 GNSS 신호 사이에 RF 간섭이 발생할 수 있는 것이다. RF 간섭을 효과적으로 완화함으로써 GNSS 수신기의 전력 소모를 낮출 수 있다. 예기치 않은 신호 소실이 발생하면 수신기가 전력 소모적인 신호 획득 모드로 다시 전환해야 하는데, RF 간섭을 완화하면 그런 일을 피할 수 있기 때문이다. 하지만 RF 간섭을 완화하기 위해서는 사전에 보드를 신중하게 설계해야 하며 추가적인 필터가 필요할 수도 있는데, 이는 RF 경로에서 신호 감쇄를 높인다. 수동 안테나를 사용할 때는 저잡음 증폭기(LNA)를 추가해야 할 수도 있다.

연속 추적이 필요하지 않은 경우에는, 많은 GNSS 수신기가 절전 모드(PSM)를 제공하므로 위치 확인을 위한 계산 작업 동안에는 GNSS 수신기의 추적 기능을 정지시킴으로써 전력 소모를 크게 낮출 수 있다.

다양한 PSM을 사용할 수 있으며, 각각의 모드마다 장단점이 있다. 수신기 성능과 전력 소모를 최적으로 절충하기 위해서는 각 활용 사례의 필요에 가장 알맞은 PSM을 선택해야 한다.

하드웨어 차원의 전력 소모 최적화 방안

위치 추적 솔루션 개발자는 기기의 전력 소모를 최소화하기 위해서 다양한 방법들을 동원할 수 있다. 하지만 각 방법들이 전력 소모뿐만 아니라 추적 솔루션의 성능, 크기, 비용에도 영향을 미치므로, 개발자는 기기에 요구되는 추적 성능을 달성하면서 전력 소모를 최소화하기 위해 각 방법의 장단점을 잘 따져보아야 한다.

(1) 최적의 부품 선택

LNA, 오실레이터, 실시간 클럭(RTC) 등 필요한 부품들을 저전력 제품들로 구성하는 것은 GNSS 수신기의 전력 소모를 낮추는데 도움이 된다.

(2) 공급 전압

GNSS 디바이스는 제한된 전압 범위에서 동작하도록 설계되며, 동시에 데이터 시트에 보이듯이 전력 소모를 최소화하는 최적의 전압을 가지게 된다. 정확한 전압을 제공하는 부품을 선택하는 것 역시 GNSS 수신기의 전반적인 전력 소모에 영향을 미친다. LDO(low-dropout regulator)는 가격이 저렴한 대신에 낭비되는 전력을 열로 발생하므로 전력 소모 면에서 그리 좋은 선택은 아니다. 스위칭 모드 전원공급장치(SMPS)가 효율이 좀더 우수하다. 하지만 SMPS는 코일을 사용하므로 안테나 수신단에 원치 않는 RF 간섭을 유발할 수 있다.

(3) 백업 배터리

전원 공급이 중단되면 GNSS 수신기가 자신의 위치 정보와 다운로드된 모든 시간 및 GNSS 궤도 데이터를 잃기 때문에 전원이 복구되었을 때 다시 콜드 스타트를 해야 한다. 이 데이터를 백업 RAM에 저장하면 GNSS 수신기가 백업 배터리를 사용해서 전원 중단으로부터 더 빠르게 복구할 수 있으며, 그만큼 전력 소모를 줄일 수 있다. 위치 업데이트 간격이 2시간(천체력 데이터가 유효한 시간)보다 길면 백업 배터리가 필요치 않아 백업 배터리를 없앨 수 있으므로 전력 요구량을 낮출 수 있다.

(4) 실시간 클럭(RTC)

전원 공급이 중단됐을 때, 만약 기기에 실시간 클럭이 통합되어 있다면 메인 전원이 복구되었을 때 GNSS 수신기가 좀더 빠르게 초기 시작을 할 수 있고, 이를 통해 전력 소모를 줄일 수 있다. 다만 RTC는 백업 전원으로부터 배터리 소모를 필요로 하는 동시에 솔루션의 크기와 비용을 늘린다.

(5) RF 경로

신호 강도가 충분히 강한 경우에는 수동 안테나를 사용함으로써 능동 안테나를 사용할 때보다 전력 소모를 줄일 수 있다. 높은 감도가 필요할 때는 RF 경로를 따라서 수신율을 높이기 위해 능동 안테나를 사용해야 할 수 있다. 이 경우, 외부 LNA 제어 기능을 지원하는 능동 안테나를 사용하면 GNSS가 사용되지 않을 때에는 애플리케이션 스위치가 LNA를 끄도록 함으로써 전력 소모를 줄일 수 있다. 또한 환경 조건에 따라 RF 경로 상에서 증폭율을 조절함으로써, 내부에 전력 설정 기능이 있는 LNA가 요구되는 GNSS 감도와 정확도를 제공하는 데 필요한 전력을 줄일 수 있다.

(6) 오실레이터

크리스털 오실레이터 자체는 적은 전력을 소모하면서 안정적인 주파수 신호를 출력할 수 있지만, 온도 변화가 주파수에 영향을 미치고 이것이 GNSS 수신기의 감도와 최초 위치 결정까지 걸리는 시간(TTFF)에 영향을 미침으로써 전력 소모를 증가시킬 수 있다. 온도 제어 크리스털 오실레이터(TCXO)는 이러한 온도 민감성 문제를 해결함으로써 위치 결정에 소모되는 전력을 줄여준다. 다만 연속 동작에서는 약간 더 많은 전력을 소모한다. 따라서 오실레이터 선택은 요구되는 위치 추적 성능과 어떤 부품들을 사용할 것인가에 따라 달라질 수 있다. 소형 안테나 설계를 사용하거나 신호가 약한 환경에서 동작해야 하는 경우에는 TCXO를 선택함으로써 GNSS 수신기 감도를 높일 수 있다.

오실레이터를 선택할 때 고려 사항

(7) 메모리

어떤 애플리케이션은 펌웨어 업그레이드나 데이터 저장 용도로 GNSS 수신기에 플래시 메모리를 사용할 수 있다. 하지만 데이터를 호스트의 메모리에 저장하면 BOM을 줄이고 전력 요구량을 낮출 수 있다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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