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GNSS 기반 추적 장치의 전력 소모를 낮출 수 있는 방법 ②

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

펌웨어 차원에서 전력 소모를 낮출 수 있는 방안

앞에서는 하드웨어 차원에서 전력 소모를 줄일 수 있는 방법들을 살펴보았는데, 이번에는 펌웨어 차원에서 전력 소모를 줄일 수 있는 방법들을 살펴보고자 한다. 이들 방법은 공급 회사마다 조금씩 다를 수 있으나, 대체로 다음과 같은 네 가지 범주로 구분할 수 있다.

(1) 업데이트 주기

GNSS 수신기의 전력 소모를 낮추기 위해서 가장 먼저 생각할 수 있는 것은 업데이트 주기이다. 대부분의 GNSS 수신기는 연속 추적 모드에서 10Hz 혹은 그 이상의 업데이트 주기를 지원한다. 어떤 활용 사례는 1분에 한 번 혹은 하루에 한 번의 위치 업데이트만을 필요로 할 수 있다. 활용 사례의 실제 필요에 따라서 업데이트 주기를 낮추고 업데이트 사이사이에 절전 모드(PSM)로 전환함으로써 GNSS 수신기에 필요한 전력을 크게 낮출 수 있다.

(2) 다중 GNSS/다중 대역

동시에 추적되는 GNSS 위성 신호의 수는 전력 소모에 커다란 영향을 미치는데, 위성 신호마다 서로 다른 주파수 대역으로 송출할 때는 더욱 그렇다. 더 많은 GNSS 위성 신호를 추적하면, 시야가 제한되거나 소형 안테나를 사용하는 경우에 위치 가용성을 높일 수 있다. 이처럼 까다로운 조건에서 다중 대역(L1, L2, L5)으로 신호를 수신하면 다중경로 효과를 완화함으로써 위치 정확도를 높일 수 있다. 또한 지역에 따라서 어떤 위성 신호를 추적할지 신중하게 선택함으로써 성능에 영향을 미치지 않으면서 전력 소모를 줄일 수 있다. 우수한 위치 정확도와 짧은 위치 수신 시간이 중요할 때는 GNSS 수신기는 추적된 위성에 대해 매 30분마다 위성 천체력 데이터를 다운로드해야 한다. 수신기가 더 많은 위성 신호를 추적할수록 이러한 데이터를 더 자주 다운로드해야 한다. 천체력 데이터를 다운로드하려면 GNSS 수신기가 켜져 있어야 하는데 이것은 연속 추적 모드로만 할 수 있으므로 수신기의 전력 소모를 줄이기가 어렵다.

더 많은 GNSS 위성 신호를 추적할수록 위치 가용성은 높아진다.

(3) 절전 모드

최신 GNSS 수신기는 하나 혹은 다수의 절전 모드(PSM)를 제공하므로, 높은 수준의 성능을 유지하면서도 연속 추적 모드보다 전력 소모를 줄일 수 있다. 모드마다 전력 소모와 GNSS 수신기 성능의 절충이 조금씩 다를 수 있다. 그러므로 애플리케이션의 필요에 따라서 적합한 모드를 적절히 선택해야 한다.

• 연속 추적 모드

연속 추적 모드는, GNSS 수신기가 먼저 위치를 포착하고, 위치 결정을 한 후, 궤도 및 천체력 데이터를 다운로드한다. 여기까지 완료되면 수신기가 추적 모드로 전환해서 전력 소모를 낮추고, 위치를 놓치지 않는 한 계속해서 추적 모드를 유지한다. 초당 여러 번의 업데이트가 필요한 애플리케이션이라면 연속 추적 모드가 성능과 전력 소모를 가장 잘 절충할 수 있는 방법이다.

• 주기적 추적 모드

어떤 GNSS 수신기들은 10초 미만의 짧은 위치 업데이트 간격에서 전력 소모를 줄여주는 절전 모드를 제공한다. 이러한 절전은 새로운 위성을 포착하지 않는 저전력 추적 모드를 작동시켜 수행된다. 주기적 추적 모드는 특히 신호가 충분히 강하거나 충분히 큰 안테나를 사용하는 경우에 적합하다. 신호가 너무 약해지면 수신기가 정규 추적 모드로 복귀함으로써 전력 소모가 높아진다.

• Super-E 모드

Super-E(Super-Efficient) 모드는 유블럭스 GNSS 수신기 상에서 활용할 수 있는 고유의 절전 모드로서, 개선된 주기적 추적 모드라고 할 수 있다. Super-E 모드는 추적에 필요한 자원을 최소한으로 줄임으로써, 성능에는 거의 영향을 미치지 않으면서 전반적인 전력 소모를 줄여준다. 신호가 약하거나 적은 수의 위성만이 가시적일 때는 정규 전력으로 전환해서 위치 추적 성능을 유지한다. 충분한 수의 위성과 충분히 강한 위성 신호를 사용할 수 있을 때는 전력 소모를 줄일 수 있는 Super-E 모드로 전환한다. 시험을 통해서 Super-E 모드는 시골과 같은 환경에서 위치와 속도 정확도에 최소한의 영향만을 미치면서 유블럭스의 표준 1Hz 표준 전력 모드와 비교해 3배의 전력을 저감하는 것으로 입증되었다.

• 온/오프 동작

어떤 GNSS 수신기는 포착/추적 상태와 대기 상태 사이에 스위칭이 가능하며 이것을 온/오프(ON/OFF) 동작이라고 한다. 대기 상태(오프)일 때는 수신기가 백업 배터리로부터 매우 적은 전력을 소모한다. 이 모드는 대기 시간이 긴 경우에 적합하다. 주기적 추적 모드와 마찬가지로, 온/오프 동작은 오프 간격 후에 초기 위치 결정까지 걸리는 시간(과 전력)을 최소화하기 위해서는 RF 입력에서 강한 위성 신호를 필요로 한다.

• 스냅샷 포지셔닝

GNSS 수신기의 전력 소모를 줄이기 위해 수요가 늘고 있는 또 다른 방법은, 위치 출력을 계산하기 위해서 과도한 연산 프로세스를 클라우드에 맡기는 것이다. 스냅샷 포지셔닝(snapshot positioning)을 사용하면, GNSS 신호 수신과 신호 처리는 GNSS 수신기에서 하고, 위치 계산은 외부의 클라우드 기반 서비스에 맡길 수 있다. 이를 위해 인터넷 연결이 필요하지만, GNSS 측에서는 전력 소모를 1/10로 줄일 수 있다.

스냅샷 포지셔닝은 GNSS 수신기를 장시간 대기 상태로 둘 수 있고(예컨대 하루에 몇 회 정도의 위치 업데이트만 필요한 경우) 디바이스 자체로는 위치 정보를 사용하지 않아도 되는 활용 사례에 적합하다. 업데이트 간격이 1시간 이내인 경우에는 수신기를 대기 상태로 전환했을 때 얻을 수 있는 전력 저감의 이점보다, 셀룰러 연결을 구축하고 클라우드로 데이터를 전송하는 데 필요한 전력 소모량이 더 클 수 있다.

LTE-M을 사용해서 인터넷에 연결하는 경우에 GNSS 수신기가 소모하는 전력은 10%이고 나머지 90%는 셀룰러 모뎀에 의해서 소모되는 것이다. 

아래의 표는 업데이트 주기에 따라서 어떠한 절전 모드가 적합한지에 대한 대략적인 가이드라인이다. 분당 1회에서 시간당 1회까지의 업데이트 주기는 에너지 소모를 정확하게 계산해서 가장 적합한 절전 모드를 판단하는 것이 좋다. 다음에서 살펴볼 내용인, 콜드 스타트 동안에는 Assisted-GNSS를 사용해서 전력 소모를 줄이는 것도 좋은 방법이다.

업데이트 주기 별 적정 절전 모드에 대한 대략적인 가이드라인

(4) Assisted-GNSS

전력 소모를 줄일 수 있는 가장 확실한 방법은 기기의 전원 공급을 차단하는 것이다. 하지만 기기를 완전히 꺼버리면 수신기를 다시 켤 때 수신기가 콜드 스타트를 해야 한다. 콜드 스타트를 하면 초기 위치 포착 시간(TTFF)이 약 30초까지 걸릴 수 있다. 까다로운 환경 조건, 안테나 크기, 안테나 위치 같은 요인들 때문에 RF 신호가 약할 때는 이 시간이 수분까지 걸릴 수도 있다. 통상적으로 GNSS 수신기는 가능한 빨리 초기 위치 결정에 도달하려고 하기 때문에 최초 판독의 정확도에도 영향을 미칠 수 있다.

Assisted-GNSS의 이점

TTFF를 크게 줄일 수 있는 방법 중 하나는 Assisted-GNSS 서비스를 사용해서 위성 시스템에 관해서 천체력, 궤도, 정확한 시간 및 위성 상태 보정 데이터를 제공하는 것이다. Assisted-GNSS는 몇 가지 방식으로 구분할 수 있다. 예를 들어서 지원 데이터를 인터넷을 통해서 실시간으로 다운로드할 수도 있고, 아니면 며칠 동안 사용할 것을 한꺼번에 다운로드할 수도 있다. 또한 유블럭스는 자율 모드를 제공한다. 이 모드는 GNSS 궤도 예측을 외부의 데이터나 커넥티비티 지원 없이 GNSS 수신기 자체에서 곧바로 계산할 수 있다.

아래 표의 수치는 신호 조건이 양호했을 때이다(-130dBm). RF 신호 레벨이 낮으면 포착 시간이 길어진다. 최상의 결과를 달성하기 위해서는 우수한 안테나와 신중한 안테나 배치가 매우 중요하다.

포착 시간이 짧을수록 GNSS 수신기의 전력 소모는 줄어든다. 연속적 커넥티비티를 사용할 수 있을 때는 온라인 지원을 사용하는 것이 좋은 방법이다. 그 다음으로는 오프라인과 자율 모드의 순이다. 자율 모드를 위해서는 천체력 데이터 다운로드를 위해 수초 ~ 1분 동안 GNSS 수신기가 수 차례 대기 모드에서 깨어나야 한다.

세 가지 주요 Assisted-GNSS 방식의 주요 특성

(5) 데이터 일괄 전송

꼭 필요한 메시지만 전송함으로써 전력 소모를 낮출 수 있다. GNSS 수신기와 호스트 MCU 사이에 전송되는 메시지 수는 양측 모두에 프로세서 부담을 높인다. 이와 관련해서 GNSS 수신기는 두 가지 구성 옵션이 가능하다. 하나는 어떤 메시지들을 전송할 것인지 선택하는 것이고, 다른 하나는 연속으로 메시지를 전송할 때 업데이트 시간 간격을 설정하는 것이다.

호스트 측에서 전력 소모를 줄일 수 있는 또 다른 방법은 GNSS 수신기가 일정량의 데이터를 모았다가 한꺼번에 호스트 MCU로 전송하는 것이다. 이를 데이터 일괄 전송(data batching)이라고 한다. 호스트는 GNSS 수신기보다 훨씬 더 많은 전력을 소모하므로, GNSS 수신기에서 데이터를 모았다가 호스트 MCU로 일괄 전송하면 호스트가 최대한 더 오래 대기 모드로 있을 수 있어 전력 프로파일에 긍정적인 영향을 미칠 수 있다(아래 그림 참조).

애플리케이션에 따른 최적의 방법 선택

다음 페이지 표는 앞서 언급한 각각의 활용 사례별로 유용한 하드웨어 및 펌웨어 차원의 적절한 방법들을 정리한 것이다. 이는 각 활용 사례별 통상적인 구현에 대한 권장사항으로서, 제품 개발자가 자신이 설계하는 추적 장치의 전력 소모를 줄이기 위해 어떤 점들을 고려해야 하는지에 대한 개요라고 이해하면 된다. 

이는 명확한 권장사항을 제시하기보다는 부품공급사와의 논의 출발점을 제공하기 위한 것이다. 실제 활용 사례에서는 정확한 필요에 따라 최적의 설정을 선택해야 할 것이다.

(1) 스포츠 워치 사례

주기적 추적 모드와 데이터 일괄 전송을 사용해서 전력을 크게 저감할 수 있다. Assisted-GNSS 오프라인은 연결이 이루어졌을 때 다운로드할 수 있고 백업 배터리와 실시간 클럭이 갖추어진 경우 초기 시작 시간을 단축한다. 대부분의 스포츠 워치를 위해서는 TCXO의 사용과 두 가지 GNSS 위성 신호를 동시에 수신하는 것이 전력 소모와 성능을 최적으로 절충할 수 있는 방법이다.

(2) 물류 상품 추적

물류 상품 추적 용도로는 긴 배터리 수명이 위치 정확도보다 더 중요하며, BOM을 최소화함으로써 크기를 소형화하고 비용을 낮출 수 있다.

(3) 자동차 추적

자동차 추적 장치는 통상적으로 OBD 인터페이스를 통해서 자동차 배터리로 연결된다. 소형의 내장형 안테나를 사용하는 차종의 경우에는 RF 신호 가용성이 문제가 될 수 있다. LNA와 다중 GNSS에 Assisted-GNSS를 결합함으로써 이 문제를 해결할 수 있다.

요약

컨슈머, 산업용, 자동차 분야의 추적 애플리케이션에 위성 기반 위치 추적이 점점 더 많이 사용되면서, 이들 솔루션에서 성능, 크기, 비용, 전력 소모에 대한 고객들의 요구가 갈수록 높아지고 있다. 이 네 가지 사항은 직접적으로 연결되어 있기 때문에 전력 소모를 낮추려고 하는 시도는 제품 성능에 영향을 미칠 수 있다. 

오늘날의 최신 GNSS 수신기는 성능 요구를 충족하면서 전력 소모를 낮출 수 있는 다양한 수단들을 제공한다. 그러므로 실제 활용 사례의 필요에 따라서 이러한 상충적인 면들을 신중하게 고려해서 설계하고 구성해야 한다.

이 글에서는 다양한 활용 사례에서 전력 소모를 줄이기 위해서 어떠한 하드웨어를 선택하고, 펌웨어 설정을 어떻게 하고, 어떤 서비스들을 사용할 수 있는지 알아보았다.

유블럭스가 제공하는 솔루션

유블럭스는 추적 애플리케이션을 위한 일련의 위치 추적 솔루션과 서비스를 제공한다. 다음은 이 글에서 언급한 활용 사례들에 권장되는 GNSS 하드웨어와 위치 서비스를 정리한 것이다. 최적의 하드웨어와 서비스를 선택하는 것은 사용자가 목표로 하는 활용 사례의 요구 사항을 잘 고려해서 결정해야 할 것이다.

(1) Super-E 모드를 지원하는 초소형 초저전력 GNSS SiP 모듈

• 4.5mm x 4.5mm x 1.0 mm 크기의 초소형 SiP (system-in-package)

• 고도의 통합 솔루션으로서 설계 작업 간소화

• Super-E 모드를 사용해서 12mW의 극히 낮은 전력 소모

• SAW 필터와 LNA를 내장하여 수동 안테나에 적합

• 최대 세 가지 GNSS 위성 신호를 동시에 수신하여 높은 정확도 달성

• ZOE-M8G와 핀투핀(pin-to-pin) 호환 가능

(2) 고성능 자산 추적 애플리케이션용 초저전력 GNSS 수신기 모듈

• GNSS 성능에 영향을 미치지 않으면서 15mW 미만의 전력 소모

• 네 가지 GNSS 위성 신호를 동시에 수신함으로써 위치 가용성 극대화

• 소형 안테나를 사용해서도 뛰어난 성능 달성

• 향상된 스푸핑 및 재밍 감지

• 이전 MAX 제품들과 핀 호환 가능

(3) 고성능 자산 추적 애플리케이션용 초저전력 GNSS 수신기 칩

• GNSS 성능에 영향을 미치지 않으면서 15mW 미만의 전력 소모

• 네 가지 GNSS 위성 신호를 동시에 수신함으로써 위치 가용성 극대화

• 소형 안테나를 사용해서도 뛰어난 성능 달성

• 향상된 스푸핑 및 재밍 감지

(4) 전 세계 가용성을 보장하는 실시간 온라인 A-GNSS 서비스

• 빠른 초기 위치 결정 시간(TTFF)

• 정확도와 위치 확인 가용성 향상

• 낮은 전력 소모

• 유블럭스의 보증 및 지원 제공

• SUPL을 지원하지 않는 제품에도 손쉽게 통합 가능

• 서비스에서 기업에 이르기까지 데이터 프라이버시 보호
(5) 에너지 제한적인 IoT 애플리케이션의 수명 주기 연장

• 독립형 GNSS 절전 기법들보다 최대 10배 에너지 저감

• CloudLocate를 활용해서 엔터프라이즈 솔루션을 구축함으로써 적용 가능한 시장 확대

• 전 세계 어디서나 가용성 보장 및 보증과 지원 제공

• 어떤 커넥티비티 기술과도 사용 가능한 엔드투엔드 솔루션

• 현장에 설치된 디바이스의 수명 주기 연장 및 운영 부담 감소 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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