수많은 휴대형 기기들과 주변기기들이 무선으로 연결되면서 새로운 차원의 무선 네트워크 시대가 열리고 있다. 초기 버전의 블루투스 스타 토폴로지는 기하급수적으로 팽창하는 무선 연결 요구를 더 이상 수용할 수 없게 됐고, 그 자리를 대신해 ANT 프로토콜이 해법을 제시하고 있다. ANT는 애드-혹 운용 및 멀티-노드 네트워크를 신속하게 구축, 확장할 수 있는 높은 유연성을 갖추고 있다.
예전에는 무선 연결에 대한 요구를 간단한 포인트-투-포인트 솔루션으로 충족시킬 수 있었지만, 오늘날에는 대부분의 기기들이 이용자의 보다 다양해진 활동과 이용 요구에 따르며 훨씬 높아진 기대치를 반영하고 있다. 스포츠 모니터링은 심박수 측정 이상의 다양한 기능으로 변화하고 있으며, 가정 및 산업 자동화는 물론, 차세대 건강 및 피트니스 시스템에서도 커넥티비티 열풍이 일고 있다. ANT 프로토콜의 기반은 이러한 사항들을 염두에 두고 설계됐다.
블루투스(Bluetooth) 초기 버전 디자이너들은 주변기기를 유선 대신 무선으로 연결하고, 휴대폰이나 무선 헤드셋과 같이 여러 개의 개인 기기들을 서로 연결시키기 위한 기술로 이해했다. 휴대폰은 이러한 PAN(Personal Area Network)에서, 또는 모든 주변기기와의 통신을 제어하는 허브나 마스터로 동작했다. 또 다른 기대 분야는 무선 데스크톱 구현이었는데, 기본적으로 마우스, 키보드, 프린터와 같은 주변기기 장치들과 중앙의 PC가 통신하는 네트워크였다.
두 이용 사례 모두 블루투스 스타 토폴로지의 예제로, 중앙 허브가 모든 주변기기와의 통신을 조정하므로 주변기기끼리는 서로 통신할 수 없다. 블루투스 기술 PAN에서는 오직 하나의 기기만이 마스터 역할을 맡게 되며, 네트워크가 수립되면 이 마스터는 네트워크를 재구축해야만 변경할 수 있다. 15년 전에는 소비자들이 더 많은 휴대형 기기들을 연결하고 싶어 할 것이라고 예상하지 못했기 때문에 이러한 제약이 큰 문제로 고려되지 않았다. 하지만 저전력 무선 분야가 성장하고 애플리케이션이 확장되면서, 블루투스 스타 토폴로지의 리소스 제약 문제는 수면 위로 드러나게 됐다.
사진 1. 단일 칩 ANT 솔루션, nRF51422
커넥션, 폭발적으로 증가하다
오늘날 증가하는 커넥티비티의 요구에 대응하기 위해서는 각기 다른 접근법이 필요하며, 그중 하나가 애드-혹(Ad-Hoc) 운용 및 통합 리던던시를 갖춘 멀티-노드 네트워크를 신속하게 구축, 확장할 수 있는 높은 유연성이다.
코크런(Cochrane)-기반 ANT Wireless의 RF 소프트웨어 프로토콜인 ANT는 멀티-노드 네트워크 토폴로지 과제에 대응하기 위해 근간부터 새롭게 디자인됐다[ANT는 노르딕 세미컨덕터의 nRF51422 ANT SoC와 노르딕의 nRF514229 (사진 1)에 기초한 다이나스트림(Dynastream)의 N548 모듈 등의 2.4GHz 무선 칩에서 구동된다]. 멀티-노드 토폴로지를 지원한다고 하는 일부 경쟁 기술과 달리, ANT는 삼성이나 소니와 같은 제조업체들의 다양한 스마트폰과 태블릿 PC에서 방안을 찾았다. 제조업체들은 높은 노드 카운트가 가능한 컨피규레이션으로, 계속 증가하는 수많은 주변기기와 연결할 수 있는 기회를 모바일 기기 이용자에게 제공할 수 있느냐에 따라 앞으로의 성장이 결정될 것으로 판단했다.
ANT는 등시성 프로토콜로, 다른 기술들과 같이 중앙의 코디네이터가 필요하지 않다. ANT 채널은 마스터와 슬레이브 엔드포인트 간의 로지컬 커넥션이다. 엔드포인트는 시간으로 서로를 인식하며, 매우 짧은 시간 동안 규칙적인 간격으로 ‘전송’ 및 ‘청취’를 수행한다. 인접 채널과의 공존은 침해되는 간섭을 피하기 위해 각 채널의 타이밍을 조정한 시간 도메인에 기초하여 ‘채널당(per Channel)’ 관리된다. 이러한 접근법은 네트워크의 모든 노드를 저전력으로 유지할 수 있고, 수많은 독립 기기들을 나란히 공존시킬 수 있다.
각 ANT 노드는 동시에 구동하는 어떠한 마스터 또는 슬레이브 엔드포인트 조합이라도 최고 8개의 엔드포인트를 지원할 수 있다. 또한 아무리 많은 슬레이브라도 단일 마스터 전송으로 동기화할 수 있다. 이러한 성능은 최고 65K 슬레이브 기기를 단일 ANT 마스터로 각각 제어할 수 있는 ANT ‘공유 채널(Shared Channel)’을 활용한 것이다.
홈 오토메이션 시스템과 같이 노드 수가 많은 네트워크에 대한 요구가 높아지면서, ANT 기술은 애드-혹 방식으로 커넥션을 생성하거나 소멸시킬 수 있다. 이는 필요에 따라 노드를 늘리거나 줄이면서 네트워크를 확장할 수 있도록 해준다. 또한 이미 수립된 네트워크는 전체 네트워크를 재구성할 필요 없이 서로 결합할 수 있다. 이러한 유연성은 2개의 노드 사이에 링크 오류가 발생하면, 다른 경로를 통한 재라우팅으로 통신을 복구할 수 있기 때문에 리던던시가 가능하다.
ANT 네트워크의 각 노드는 네트워크상의 다른 모든 노드와 대칭되는 완벽한 기능의 디바이스이다. 이러한 기능을 활용한 사례로, 통합 파워미터를 갖춘 가민(Garmin)의 벡터(Vector) 자전거 페달을 들 수 있다. 각 페달은 ANT 칩을 채용하고 있으며, 첫 번째 페달은 두 번째 페달과 통신하고, 다시 자전거 컴퓨터와 통신한다(사진 2).
사진 2. 가민의 벡터 페달은 자전거 컴퓨터로 구동할 필요없이 페달 간 직접
통신할 수 있도록 각 ANT 칩 마스터/슬레이브 기능을 이용한다
ANT 애플리케이션 : 신진대사 모니터링
국제 사이클 경기대회인 투르 드 프랑스(Tour de France) 2013년도 최종 우승자인 크리스 프룸(Chris Froome)은 고통스럽다는 듯이 자신의 팔을 정신없이 흔들어댔다. 프룸은 평균 경사도 8.1%, 13.8km 거리, 고도 약 1860m의 알프듀에즈(Alpe D’Huez) 정상으로부터 5km 거리에 있었다. 최고의 신체 조건을 가진 운동선수라도 알프듀에즈를 라이딩하는 것은 보통 일이 아니지만, 프룸의 통증을 유발한 것은 페달링 때문만이 아니었다.
스카이 팀 리더는 프랑스 사람들이 ‘Fringale’(말 그대로 ‘굶주림’ 또는 ‘갈망’)이라고 부르는 The Bonk로 인해 고통 받고 있었다. 그는 충분히 먹지 못했고, 그 결과 혈당이 낮아져 에너지가 빠르게 소모되고 있었다. 프룸은 완전히 체력이 고갈되어 어지럼증 및 현기증을 호소했다.
팀 동료들은 그에게 급히 에너지 젤(신속하게 체내에 흡수되는 접착식 탄수화물-패키지 솔루션)을 보냈고, 프룸은 등반을 완주할 만큼 회복됐으며, 우승자의 상징인 엘로우 저지(Yellow Jersey)를 유지할 수 있었다.
사이클 선수들은 일반적으로 오랫동안 힘든 스테이지를 통과하며 자전거를 타는 데 필요한 에너지를 신체에 공급할 수 있도록 엄격한 요법을 따른다. 하지만 프룸의 지원 차량은 산 밑에서 기계적인 결함이 발생했으며, 이로 인해 프롬은 음식을 공급받지 못했다. 9km가 지난 후 프룸의 근육은 완전히 에너지를 소진해 버렸다. 하지만, 또 다른 사이클 선수는 이용 가능한 영양분을 적시에 소비하는 데 실패했기 때문에 고갈 상태에 이르렀다.
심박수 및 체온에서 근육 내 산소량, 파워 출력에 이르기까지 자전거 선수의 모든 성능 변수에 대한 모니터는 스포츠에서 중요하게 관리해야 할 사항이다.
이러한 운동선수나 열정적인 주말 활동가들을 위해 미국의 스타트업 기업인 글루코베이션(Glucovation)은 CGM(Continuous Glucose Monitor)을 개발하고 있다(사진 3). 사이클링 협회가 선호하는 무선 모니터링 장치에 적합한 이 회사의 제품은 이미 입증된 ANT＋ 무선 기술을 이용해 스포츠 시계나 자전거 컴퓨터, 스마트폰과 같은 다양한 기기에 데이터를 전송한다. CGM이 새로운 제품은 아니지만, 글루코베이션의 제품은 기존 측정기기로 당뇨병을 확인하는 것이 아니라 건강, 피트니스에 주력함으로써 새로운 분야를 개척했다. 이 회사의 기기는 규제가 심한 의료 분야 제품을 개발하는 데 따른 엔지니어링 제약이나 일반적으로 헬스케어 제품에 수반되는 비싼 가격에서 자유롭다.
사진 3. 글루코베이션 CGM과 인터페이스 실물 모형은 이 디바이스의 소형 사이즈와 판독 성능을 보여준다
의료기기를 뛰어넘다
IDF(International Diabetes Federation)에 따르면, 약 3억 7100만 명의 사람들이 타입-1, 타입-2 당뇨병으로 고통을 받고 있다. 2012년에는 480만 명의 사람들이 합병증으로 사망했으며, 당뇨병 치료 비용으로 보건당국이 소비하는 비용은 4710억 달러에 이른다. 하지만 정상 혈당 수치(혈압 및 콜레스테롤과 함께)를 유지함으로써 당뇨병 합병증을 방지하거나 지연시킬 수 있다.
그렇더라도 혈당 모니터링은 매번 혈액 샘플을 혈당 측정기에 적용하기 위해 빈번히 손가락에서 채혈해야 하는 작업이 필요하다. 핵심 과제는, 혈당 수치의 경우 하루 종일 자연적으로 오르내리므로 전반적인 경향을 발견하기 위해서는 충분한 측정이 이루어져야 한다는 것이다. 이러한 문제를 극복하기 위해 여러 의료기 업체들이 CGM을 출시했다.
미국 샌디에이고에 위치한 의료장비 제조업체인 덱스콤(Dexcom)은 2012년 10월에 미국 FDA(Food and Drug Administration)의 인증을 받은 G4 플래티넘(G4 Platinum) 제품을 선보였다.
G4 플래티넘과 같은 제품은 불행히도 비당뇨군 환자들에게 사용하는 데 적합하지 않다는 단점을 갖고 있다. 글루코베이션의 켄 산 비센티(Ken San Vicente)는 “소비자들은 의료용 CGM 사용을 달가워하지 않는다. 이는 측정을 위한 별도의 핑거스틱이 필요하며 고가이기 때문이다”라고 하며, “글루코베이션의 미션은 덱스콤 기기보다 더 정확하고 저렴하며, 훨씬 사용이 편리할 뿐 아니라 핑거스틱이 필요 없도록 공장에서 보정된 CGM을 만드는 것”이라고 덧붙였다.
켄 산 비센티는 의료 분야의 보수주의와 규제로 인해 제품 출시가 몇 년 동안 지연되고 있어 의료기기 제품에 대한 투자 증가가 우려된다고 지적하기도 했다. 하지만 글루코베이션의 제품은 의료기기가 아닌 웨어러블 기기로 분류되며, 웨어러블 시장은 급부상하는 중이다. 이 회사는 벤처투자금 및 크라우드 펀딩을 통해 기금을 늘리고 있다. 켄 산 비센티는 “현 수준의 투자라면 2년 이내에 CGM이 시장에 출시될 것”이라고 전망했다.
현재 글루코베이션은 CGM 출시를 위한 프로토타입 베타 테스트를 진행하고 있다. 이 기기는 의료기기 모델과 여러 핵심적인 측면에서 차별화된다. 경량의 소형 디자인이며, 결과를 mmol/L로 표시하는 대신 GWI(Glucose Wellness Index) 형태로 나타낸다. 이 지수는 숫자와 컬러(녹색은 양호, 황색은 경계치, 적색은 경고)로 구성되며, 사용자의 총 혈당 부하지수와 혈당 변동성 지수 등 두 가지 요소에 기초하고 있다. 이 지수는 이용자가 낮은 혈당부하와 최소한의 변동성을 유지하면 양호 상태로 등록된다. 또한 이 기기는 피트니스 버전에서 강도 지수와 체력 저하 알람도 제공한다.
글루코베이션 CGM은 상응하는 해당 의료기기와 마찬가지로 침습적 기기이다. 켄 산 비센티는 정확한 측정값을 얻기 위해서는 반드시 필요한 것이라고 지적하고, “다른 제품들은 비침습적 기법을 이용해 혈당을 측정할 수 있다고 주장하지만, 현재로서는 처리가 불가능하다. 사람들은 40년 동안 비침습적 기법을 연구해 왔으며 이는 매우 어려운 문제다”라고 피력했다.
이 회사의 기기는 5mm 마이크로 주사바늘을 사용해 최소한의 침습으로 고통이 없으며, 불편함 없이 7일에서 10일 동안 팔이나 복부에 유지시킬 수 있다. 바늘은 전기 화학적인 프로세스를 통해 혈당수치와의 연관 관계를 보여주는 혈액 내 조직액을 표본 조사한다. 이 바늘은 센서 패치로 제자리에 고정되며, 전자장치를 지원한다. 이 기기는 매 5분마다 조직액의 혈당을 표본 조사한다.
CGM 프로토타입 전자장치는 ULP(Ultra Low Power) 노르딕 ANT 무선 칩과 MSP430 16비트 마이크로프로세서 등 2-칩 솔루션을 이용하고 있지만, 양산 모델에서는 단일 칩 ANT 솔루션인 노르딕의 nRF51422 ANT 칩으로 이행할 계획이다. 이 디바이스는 고집적 SoC 솔루션으로, 멀티프로토콜 2.4GHz 무선 및 32비트 ARM Cortex-M0 프로세서와 함께 256KB 플래시 메모리를 포함하고 있다. 켄 산 비센티는 nRF51422의 프로세서의 경우 SoC의 동작은 물론, 미가공 혈당 데이터를 의미 있는 정보로 변환시켜주는 글루코베이션의 알고리즘을 구동하기에 충분히 강력하다고 설명했다.
ANT＋ 기술이 주는 혜택
글루코베이션의 CGM은 ANT＋ 무선 기술을 이용해 이 기기에서 처리된 혈당수치 데이터를 스마트워치나 스마트폰, 또는 수많은 ANT＋ 호환기기에 전송한다. 사용자가 자신의 모바일 기기로부터 일정 기간 떨어져 있을 경우, 데이터는 버퍼링된 후 핸드셋 범위 안으로 돌아오면 버스트(Burst)로 다운로드된다.
노르딕 세미컨덕터의 디자인 파트너인 ANT Wireless에서 10년 이상 개발한 ANT＋는 이미 전 세계 수백만 개의 디바이스에 사용되고 있는 입증된 기술이다.
켄 산 비센티는 ANT＋ RF 소프트웨어와 노르딕의 5세대 ULP 무선 하드웨어가 결합됐다는 점도 흥미로웠지만, ANT 무선 기술을 선택할 때 더욱 중요한 점은 훨씬 더 명확한 기술적 장점들 때문이었다고 언급했다. 또한 “경쟁 기술들은 상호운용성을 보장하는 개방형 표준이라는 점을 강조한다. 하지만 상호운용성은 그들이 주장하는 것처럼 전부가 아니며, 때로는 다른 제조업체의 제품들과 적절하게 동작하도록 무선 링크를 구현하는 것이 도전 과제일 수 있다. 그리고 ANT＋의 차이점은 ANT Wireless가 최고의 무결성으로 스택이 유지되도록 하고 있으며, ANT＋ 얼라이언스의 400여 개 이상 회원사들과 기업들에 의해 상호운용성 또한 보장된다는 점이며, ANT＋와 노르딕의 하드웨어는 언제든지 원활하게 동작한다”고 밝혔다.
이와 함께 ANT＋ CGM 프로파일의 정교함에 대해서도 언급했다(ANT＋ 프로파일은 특정 애플리케이션에 대응해 소프트웨어를 최적화할 수 있도록 기본적인 ANT RF 프로토콜에 기초해 구현된다). 그는 “이 프로파일을 개발하기 위해 ANT Wireless와 함께 작업했다. 이 회사의 엔지니어는 지금까지 개발된 것 중 가장 정교한 ANT 프로파일을 구현했으며, 다른 경쟁 기술들은 이러한 소프트웨어를 갖추고 있지 못하다”고 말했다.
사진 4. 미국 여성 올림픽 사이클 팀은 지속적인 혈당 모니터링으로 2012년 런던 올림픽에서 좋은 성과를 얻었다
최근 CGM을 시도하는 사례들이 나타나고 있다. 예를 들어, 타입-1 당뇨병 환자가 여러 명 있는 프로 사이클 팀은 파워 미터(보통 최고의 자전거 선수를 위해 필수적으로 고려되는)를 CGM으로 기꺼이 대체할 것이라고 말했다. 미국 여성 올림픽 사이클 팀은 2012년 런던 올림픽에서 성능 기대치를 초과 달성한 팀의 트레이닝 시스템에 덱스콤의 CGM을 채택했다(사진 3).
<James Fujimoto, Nordic Semiconductor>
