다양한 기기를 무선으로 접속해서 자동화나 시스템의 효율화를 추진하는 기기 간 통신 (M2M, Machine to Machine) 기술이 확산되고 있다. 이 기술을 협소한 기기 내 공간에 적용해서 기기 내의 부품 간 통신용 배선을 무선화하는 것이 무선 하네스다.

무선 하네스는 경량화를 비롯해 자원과 에너지 절약 효과뿐 아니라 작업성 향상 등의 다양한 메리트가 있다. 하지만 비용과 함께 신뢰성과 엄격한 시스템 요건으로 인해 실용화 예는 많지 않다.

다양한 기기를 무선으로 접속해서 자동화나 시스템의 효율화를 추진하는 기기 간 통신 (M2M, Machine to Machine) 기술이 확산되고 있다. 이 기술을 협소한 기기 내 공간에 적용해서 기기 내의 부품 간 통신용 배선을 무선화하는 것이 무선 하네스다.

그동안 ICT 기기 내의 통신용 하네스에 주목하고 그 무선화의 요소 기술 확립과 효과에 대한 검증이 있었고 대상을 차량으로 확대해 연비 향상이나 에너지 절약을 추진하는 차재 하네스의 무선화 기술의 연구가 추진되고 있다. 

무선 하네스를 특징짓는 것은 부품이 많이 금속에 둘러싸인 협소한 공간 내라는 전반 환경과 저시스템 지연과 다원접속성 등의 통신 요구 사양이다. 무선 하네스는 경량화를 비롯해 생자원·생에너지에 효과가 있을 뿐 아니라 작업성 향상 등의 다양한 메리트가 있지만 실용화 예는 아직 많지 않다. 그 이유는 비용과 함께 신뢰성과 엄격한 시스템 요건이 걸림돌이 되고 있기 때문이다.

무선통신의 비약적인 발전

최근의 무선통신은 비약적으로 발전했다. 휴대전화의 보급은 눈부시며 무선 LAN이나 무선전화, 핸즈프리폰 등이 보급되고 지하철이나 버스 요금, 자동판매기나 편의점의 지불도 비접촉 IC 카드, 즉 무선 디바이스를 이용한 결제가 자리 잡았다.
또 블루투스나 지그비, UWB(Ultra Wide Band) 등의 근거리 무선통신 디바이스(Short-Range Device, SRD)나 세일러 시스템을 이용해서 기기 간의 통신을 자동화하는 M2M이 다양한 용도로 보급되고 있다.

와이어리스 하우스와 휴대전화 간의 데이터 전송 등이 손쉽게 목격할 수 있는 전형적인 예이지만 그 외에도 전력이나 수도 등의 자동 검침 시스템, 감시 시스템, ETC 자동 요금 징수 시스템, 헬스케어 시스템 등의 영역으로도 확대하고 있다. 

인터넷을 기반으로 해 모든 사물을 접속해서 사회의 효율화를 도모하는 IoT(Internet of Things)라는 포괄적인 개념하에서 네트워크에 접속하는 기기는 2020년에는 500억 대에 달할 것으로 예상되는 가운데 다양한 단말기를 접속하는 수단으로 무선통신에 기대하는 역할은 크다. 

M2M의 파생적인 영역 중 하나에 기기 내 통신이 있다. 이 글에서 말하는 기기 내 통신은 기기나 장치(이후 기기라고 함)의 내부 부품 간, 전형적으로는 센서와 제어 유닛과 컴퓨터의 통신선(하네스)을 무선통신으로 대체하고자 하는 것이다. 

하네스의 무선화라는 의미에서 무선 하네스(wireless harness)라고 불린다. 기기 내의 무선통신은 멀티패스가 많은 협소한 동체 내라는 전반 환경의 측면과 저지연에 다원접속성이 요구되는 통신의 양면에 의해서 특징지어진다고 생각한다.

기기 내 통신이라는 의미에서는 회로기판 간이나 반도체 디바이스 간의 인터커넥션을 밀리파를 이용한 고속 무선통신으로 실현하고 패드나 와이어링의 불요화와 패키지의 다운사이징을 목표로 검토를 진행하고 있다. 

또 950nm의 광통신을 이용한 하네스의 무선화도 검토되고 있다. 지상 실험뿐 아니라 인공위성에 탑재한 형태의 검증실험까지 검토하고 있어 흥미롭다. 

하네스를 삭감해서 무선화하는 것에는 다양한 메리트가 있다. 최근의 기기 안에는 실로 많은 센서가 실장되어 있다. 또 그것에 따라서 하네스의 양도 상당히 많다. 전형적인 기기에서는 센서가 200개 이상 탑재되고 하네스의 중량은 전체 중량의 10%를 넘는 경우도 있다.

또 안전성과 유저의 편리성 향상, 서비스 향상을 위해 센서의 탑재는 향후 늘어나고, 이로 인해 하네스에 관한 문제는 더욱 현재화될 것이다. 하네스에 관한 문제점이나 무선화에 대한 니즈는 명쾌하며 시스템 요건도 대다수의 경우는 확실하다. 그러나 현실적으로는 도입은 아직 한정적이다. 그 이유는 비용적인 측면도 있지만 그 이상으로 기술적인 장벽이 큰 것이 주요인이라고 할 수 있겠다. 

장애 중 하나가 바로 시스템 지연이다. 기기 내 통신은 M2M의 파생적인 위치라고 기술하기는 했지만 양자에는 시스템 지연에 관한 요건에 큰 차이가 있다. 기기 내 통신에서는 대다수의 경우 센서의 센싱 주기에 기인해서 센서 정보를 제어계에 전달할 때의 시스템 지연은 1ms 정도 이내일 것이 요구된다. 그러나 M2M에서는 기본적으로 개개의 머신은 독립되어 있기 때문에 기기 간의 통신에 관한 지연 요건은 엄격하지 않다. 

한편 하네스에는 통신선 외에 급전선이 있다. 급전용 하네스가 남아 있는 상태에서는 중량이 삭감돼도 효과가 반감하지 않을까 하는 의견이 있다.

급전선의 무선화는 무선전력전송이 되겠지만 무선전화 등에서는 상용화되어 전기자동차의 급전 방법으로도 뜨거운 분야이며 기기 내에서의 전력전송도 가능해지면 흥미로운 기술이 될 것이다.

단 현재는 항공 우주 이용이나 반도체의 칩 간 전력전송 등에서 검토 예가 있는 정도가 고작이며 기기 내의 급전선을 치환하기 위한 다원적인 전력전송의 보고 예는 없는 것 같다. 적어도 기기 내의 제어계 회로에 대한 전자유도(EMI)를 어떻게 처리할지가 큰 과제다.

무선 하네스의 검토 예

무선 하네스는 하네스를 삭감할 뿐 아니라 하네스에 부수하는 커넥터 등의 주변 부품도 삭감할 수 있어 시스템을 설계하기에 따라서는 전자제어 유닛 등 노드의 집약화에도 도움이 될 수 있다.

또 외부와의 통신도 가능하기 때문에 기기의 헬스 모니터링으로서 보수 작업의 대폭적인 경감을 기대할 수 있다. 이외에도 다양한 시점에서 많은 기기에서 검토되고 있다. 아래에는 유망한 적용 영역에 대해 설명한다.

(1) ICT 기기
내부에 메카트로닉스 반송계를 포함한 ICT 기기, 예를 들면 ATM이나 발매기 등은 반송계의 모니터링을 중심으로 내부에 200개 정도의 센서를 포함하며 하네스의 연장 길이는 수km 이상에 달한다. 또 기기의 내부는 부품이 매우 밀접하게 실장되기 때문에 하네스는 기기의 내부를 둘러치는 형태로 레이아웃하는 일이 많고, 이것이 중량 증가에 박차를 가하는 원인이 되기도 했다. 

ICT 기기의 그린화를 목표로 무선 하네스 기술의 연구개발이 진행됐고 이를 통해 기기 내라는 협소한 전반 환경에서의 전파 전반의 특성에 대해 지견을 심화하는 동시에 2.4GHz의 소형 무선통신 모듈 개발, 전용 프로토콜의 개발 등 일련의 요소 기술을 개발했다.

그 결과 ICT 기기의 내부 전반 환경은 멀티패스-리치 환경인 점, 송수신 간의 거리가 20cm 정도 이내에서는 전망 내(LIne of SIGHT, LOS) 전반, 그것을 넘으면 전망 외(Non-LIne of SIGHT, NLOS) 전반이 되는 점, 전반은 비교적 가까운 위치 관계에서는 강한 주파(主波)의 존재를 나타내는 Nakagami-Rice 모델에 피트했고 기기 심부와의 송수신에서는 많은 소파(素波)의 존재를 나타내는 Rayleigh 모델에 피트한다는 점이 밝혀졌다. 

동시에 하네스를 무선화하는 차분에 착안해서 라이프사이클 평가를 수행함으로써 CO₂ 배출량을 지표로 한 환경 측면의 정략적 평가를 실시했다. 여기서는 라이크사이클로서 하네스와 무선 모듈 등의 제조 공정에서 장치 조립 공정, 사용 기간의 전력, 폐기의 일부를 포함한 공정이라고 정의하고 각 공정에서의 재료의 원단위나 에너지 사용량에서 CO₂ 배출량으로 환산했다.

공정 중에 일산(逸散)하는 메탄 등의 온난화가스의 기여분도 고려해서 최종적으로 CO₂-eq(등량)으로 환산하면 하네스의 삭감 효과는 커, 예를 들면 ATM의 센서용 하네스를 모두 무선화하는 경우 1대당 약 40kg의 CO₂-eq 배출 삭감이 기대할 수 있는 점, 또 ICT 기기의 내부 구조에 의해서 적부적은 있기는 하지만 무선 하네스는 환경 측면에서 일정한 효과를 기대할 수 있음을 알 수 있다.

(2) 자동차
자동차에서의 무선 이용에는 키리스 엔트리, VICS, ETC 등이 있으며 타이어나 공기압 모니터링 시스템(TPMS ; Tire Pressure Monitoring System), 차차 간 통신이나 노차 간 통신 등의 DSRC(Dedicated Short Range Communication)도 검토가 진행하고 있다. 자동차는 안전성이 최우선되기 때문에 특히 동력계 제어와 주행 제어 등의 ‘달리고 멈추는’ 것에 직접 관여되는 정보를 무선화하는 것은 장애가 높다. 

그러나 자동차의 정보는 다양성이 풍부하다. 이미 TPMS나 ETC가 도입되고 있기 때문에 편익성이 명확하고 페일세이프가 담보되어 있으면 운전 지원, 보디 제어, 어뮤즈먼트 등에의 도입은 차츰 증가할 것이다. 

차량의 정보화를 배경으로 차재 하네스는 증가하는 경향에 있다. 현재 고급차는 30~40kg 정도, 경차는 10kg 정도라고 한다. 최근에는 안전성과 편리성을 높이기 위해 다양한 센서와 카메라가 탑재되고 있어 데이터량도 증가하고 있다. 일본 국토교통성이 공개한 차량 중량별 연비 통계 데이터를 토대로 추계하면 가솔린 승용차는 1kg의 경량화에 의해 대략 10m/L의 연비가 개선된다.

최근에는 하이브리드 카와 전기자동차가 보급되고 있어 시산이기는 하지만 수송기관의 경량화에 의한 연비 개선은 파급 효과가 크다. 또한 자동차 엔진룸 내의 열환경 대책 관점에서도 무선화 니즈가 있다. 

자동차 내의 무선화 검토로서는 차내 공간이나 후방부의 제어와 센싱을 목적으로 한 UWB의 검토 예가 많다. 주파수 대역폭과 fading depth(페이징에 의한 수신 강도의 저하)의 관련성을 평가한 결과 UWB를 사용하는 거라면 차실 내 환경에서는 멀티패스 페이징의 영향이 경감되어 한결같은 전반손의 분포를 얻을 수 있었다. 또 부하가 낮은 어플리케이션에 가까운 영역에서는 Bluetooth와 CAN(Controller Area Network, 차재 네트워크 중 하나)의 마이그레이션과 지그비 와 유사한 통신 시스템도 검토하고 있다. 

자동차 하네스의 무선화에는 명확한 메리트가 있기는 하지만 이들이 실용화로 이어어지지 않는 것은 요구되는 신뢰성에 대한 솔루션이 없는 점과 기술 요건의 미스매치가 있는 건 아닌가 한다.

맺음말

무선 하네스는 다양한 기기의 경량화나 공간 절약화를 촉진할 수 있는 큰 가능성을 갖고 있다. 그것이 수송기관에서는 연비의 개선이나 적재량의 증대화 등으로 이어지며 에너지 절약을 촉진하는 그린화 기술로서도 유용하다. 또 헬스 모니터링과 메인티넌스 지원은 기기의 보수 작업을 대폭 효율화하고 자동화를 추진할 수 있기 때문에 향후 실용화 측면에서는 가장 빠를지 모른다. 

배선이 삭감되는 것에 의한 시스템 디자인의 자유도 향상, 항공기의 안전성과 단선 대책 수단으로서도 흥미가 깊다. 문제는 모든 것을 만족하는 적당한 기술이 현재는 없다는 점이다. 실이용 가능한 기기 내 통신을 실현하기 위해서는 기술 검토가 필요하다.

정리 : 김혜숙 기자 (atided@hellot.net)