산업용 IoT는 엄격한 신뢰성 및 보안성 요구를 충족하는 산업용 무선 센서 네트워크(WSN)를 필요로 한다. 산업용 WSN은 10년 이상에 이르는 기간 동안 작업자의 개입 없이 신뢰할 수 있게 동작해야 하므로 시간이 경과하면서 심하게 변동적인 환경 조건들에 따라서 대응할 수 있어야 한다. 또한 이러한 네트워크는 상당히 긴 기간에 걸쳐서 변화하는 사업 요구와 데이터 트래픽을 지원하기 위해서 확장성과 유연성이 뛰어나야 한다.
Linear Technology(이하 리니어)의 SmartMesh 무선 메시 네트워크 제품은 산업용 IoT 애플리케이션용으로 설계되고 엄격한 테스트를 거친 제품들로서, 극히 혹독한 환경에서도 99.999% 이상의 데이터 신뢰성을 달성한다. 리니어는 수백만 노드-시간의 네트워크 가동 누적시간 동안 최소한 ‘Five Nines(99.999% 이상의 데이터 신뢰성)’를 달성할 때라야만 양산급 품질을 달성한다고 발표하고 있다.

이 글에서는 리니어가 어떤 기법들을 사용해서 데이터 신뢰성을 확인하는지에 대해서 설명한다. 이러한 기법들로는 무선 하드웨어 검증, 자동화 네트워크 테스트, 의도적 네트워크 테스트를 포함한다. 또한 실제 제조 네트워크로부터 얻은 성능 통계를 살펴본다.

무선 하드웨어 검증 테스트
WSN의 성능은 토대적인 무선 하드웨어와 실행하는 프로토콜에 따라서 좌우된다. 리니어의 LTC5800 같은 SmartMesh 무선 IC는 이의 동작을 확인하기 위해서 엄격한 테스트를 거친다. 다수의 생산 로트에 걸쳐서 이러한 테스트 결과를 확인하고 난 후에야 데이터 시트를 발행한다. 여기에는 하드웨어에 관한 모든 관련된 사양들을 포함한다.
특히 리니어는 산업용 시장에 역점을 두고 이 분야의 요구를 충족하기 위해서 하드웨어에 대한 검증용으로 HALT(Highly Accelerated Lifetime Test)라고 하는 네트워크 가동 테스트를 실시하고 있다. 이 테스트는 하드웨어로 저온 열 스텝 스트레스, 고온 열 스텝 스트레스, 전압 마지닝, 급속한 열 전환, 진동 스텝 스트레스, 결합적인 열 및 진동 스트레스, 확장 온도 테스트 같은 극한적인 조건들을 가하면서 라이브 네트워크를 테스트하는 것이다(그림 1).

자동화 네트워크 테스트
가동 중일 때의 신뢰성을 확인하기 위해서는 다년간의 작동 수명 동안에 네트워크가 겪게 될 모든 상황들을 테스트에 포괄적으로 포함시켜야 한다. 리니어는 각각 고유한 테스트 조건들을 확인하기 위한 수백 가지의 네트워크 테스트를 수월하게 할 수 있도록 광범위한 테스트 자동화를 사용하고 있다. 이를 실시하기 위해서는 수백 개 무선 노드의 뱅크들로 이뤄진 네트워크 테스트 베드(그림 2)를 신속하게 구성할 수 있으므로 대규모거나 소규모거나 어떤 숫자의 테스트 네트워크이든 신속하게 구축할 수 있다. 중앙의 테스트 서버가 전체적인 네트워크를 가동하고, 다중의 시스템 테스트를 실시하고, 그런 다음에는 각 무선 노드의 애플리케이션 프로그래밍 인터페이스(API)를 프로그래밍함으로써 또 다른 한 무리의 테스트를 실시할 수 있다. 자동화를 사용해서 전체적인 회귀 테스트를 실제처럼 할 수 있으며 후속적인 소프트웨어로 현재의 기능과 동작을 유지할 수 있다.
이 테스트 베드는 고밀하고 잡음이 심한 RF 환경을 겪게 된다. 테스트하고자 하는 각 네트워크가 동시적으로 실행되는 다른 네트워크들로부터의 무수한 무선 트래픽을 겪기 때문이다. 이러한 네트워크 트래픽에 더해서 인근의 와이파이 라우터, 블루투스, 셀룰러 무선까지 뒤섞여 극히 복잡한 RF 환경과 마찬가지의 높은 RF 잡음 플로어를 형성한다.

의도적 네트워크 테스트
이 네트워크 테스트 베드를 사용해서 수백 가지의 네트워크 토폴로지로 신뢰성을 검증할 수 있다. 예를 들어서, 통상적인 100노드 4홉 네트워크를 벤치마크하기 위해서 표 1과 같이 네트워크를 구축했다. 각 노드는 분당 2개 데이터 패킷을 발생시키고, 이 네트워크를 최소한 500시간(21일 이상) 동안 가동했다. 이것은 통상적인 상용 또는 경량의 산업용 환경을 모사하는 것으로서, 이러한 환경에서는 각종 전자 장비와 금속 구조물이 존재하고 사람들이 건물 내에서 수시로 이동한다.
이처럼 손실 가능성이 높은 RF 환경에도 불구하고 이 네트워크는 패킷 재시도와 경로 및 채널 다이버시티를 활용함으로써 4,300만개 이상의 데이터 패킷을 전송하면서 99.999% 이상의 데이터 신뢰성을 달성했다.
이 네트워크 테스트 베드는 각 노드의 API로 주입된 패킷과 게이트웨이 노드 API로 성공적으로 수신된 패킷을 집계함으로써 SmartMesh 네트워킹 소프트웨어 내부적으로 신뢰성 지표를 제공한다. 사용자가 게이트웨이 노드에서 소프트웨어 API 인터페이스를 통해서 이 통계에 접근할 수 있으며, 개발자나 사용자가 초기 평가 단계에서나 네트워크 수명 주기 동안에 이를 활용해서 자신의 애플리케이션으로 SmartMesh의 신뢰성을 평가할 수 있다.

99.999% 이상의 데이터 신뢰성을 달성하기 위해서 시스템 테스트시에 리니어의 엔지니어들은 드물게 발생되는 것들까지 모두 포함해서 모든 패킷 전송 오류에 대해서 문제의 원인을 찾아내고 해결한다. 이러한 오류들이 발생됐을 때 이를 모니터링하고 포착하기 위해서 네트워크 테스트 베드의 각 노드의 API 포트, CLI 포트, SPI 플래시 프로그래밍 포트를 연결함으로써 메시지가 메시 네트워크를 통과하면서 전달될 때 리니어의 엔지니어들이 각 노드를 모니터링하고 저수준 소프트웨어를 디버그할 수 있다.

이와 함께 평균 노드 전류 소모, 데이터 스루풋, 네트워크 지연시간(메시 네트워크를 통해서 메시지를 전달하기 위해서 걸리는 시간)을 포함한 상세한 성능 지표들을 수집하도록 네트워크 테스트 베드를 구성했다.
이 네트워크 테스트 베드는 모든 무선 노드로부터 네트워크로 센서 데이터를 주입하고 그에 따른 지연시간과 게이트웨이 노드가 이러한 트래픽을 처리하는 능력을 분석했다. 그리고 또 저 지연시간 모드나 더 많은 양방향 네트워크 트래픽을 사용하는 것과 같이 선택적인 네트워크 구성을 바꿔가면서 이러한 테스트를 반복적으로 실시했다.

또한, 이 네트워크 테스트 베드를 사용함으로써 네트워크가 문제 상황을 얼마나 매끄럽게 처리하는지를 살펴보기 위한 스트레스 테스트를 용이하게 할 수 있다. 이러한 테스트는 네트워크 내의 다양한 노드들로 고의적인 문제 상황을 일으키는 것이다.
예를 들면 노드들을 갑자기 정지시킴으로써 인접한 노드들이 패킷을 소실하지 않는지 살펴볼 수 있다. 또 다른 스트레스 테스트로는 넓은 범위에 걸쳐서 노드 결함을 일으켜서 게이트웨이 노드로 스트레스를 유발한 후에 네트워크가 이와 같은 광범위한 결함을 겪을 때 게이트웨이 노드가 어떻게 트래픽의 경로를 재지정하고 네트워크를 치유하는지를 살펴보는 것을 들 수 있다. 이러한 스트레스 테스트를 실시함으로써 필시 사업적으로 중요한 시스템을 모니터링하고 제어하는 임무를 맡고 있을 산업용 WSN이 이러한 문제 상황에 얼마나 잘 대응하는지를 살펴볼 수 있다.

리니어의 현장에 적용된 제조 네트워크
리니어의 실리콘 밸리 웨이퍼 팹 설비에서는 SmartMesh IP를 사용해서 웨이퍼 제조의 다양한 에칭 및 세정 공정에 사용되는 수백 개 특수 가스 실린더의 압력을 모니터링하고 있다. 이전에는 사람이 일일이 하루에 3회씩 모든 실린더의 압력을 검사하기 위해서 하루에 총 4시간의 작업 시간이 소요됐다.
SmartMesh IP 네트워크를 구축함으로써 이러한 측정을 자동화하고 이 리딩을 곧바로 공장 내의 통제 센터 소프트웨어로 전송할 수 있게 됐다. 가스 벙커 안에 32개의 무선 노드들을 설치해서 각 실린더의 탱크 압력과 조절 압력을 측정한다. 각 무선 노드를 한 쌍의 실린더로 연결하고, 각 노드로부터 30초마다 총 4개 데이터 패킷을 전송한다.
이 팹 설비에서의 RF 조건은 여느 산업용 환경에서와 마찬가지로 전형적인 것으로서 무선 노드들이 각종의 금속 및 콘크리트 구조물로 둘러싸여 있으며 작업자들과 장비들이 하루 종일 수시로 이동한다. 이 네트워크를 현재까지 83일 이상 연속적으로 가동하고 있으며, 그 결과로 2,600만개 이상의 데이터 패킷을 전송하고 ‘Seven Nines(99.99999%)’ 이상의 신뢰성을 달성하고 있다.

깐깐한 필드 테스트 통한 높은 신뢰성 달성
산업용 IoT에 사용되는 무선 센서 네트워크는 긴 작동 수명 동안에 신뢰성에 대한 높은 기준을 충족해야 한다. 네트워크가 이러한 엄격한 요구 기준을 충족하는지 확인하기 위해서는 시스템 하드웨어와 소프트웨어를 처음부터 산업용급으로 설계해야 하며, 소자, 인터페이스, 네트워크 차원에서 엄격하게 테스트를 거쳐야 할 뿐만 아니라, 실제 상황과 같은 환경에서 네트워크를 가동해서 요구되는 신뢰성 기준을 충족하는지 확인해야 한다.
리니어의 SmartMesh 네트워크는 엄격한 단-대-단 테스트와 필드 테스트에서 99.999% 이상의 데이터 신뢰성을 달성하는 것으로 확인됐다. 현재까지 전 세계적으로 데이터 센터, 공장, 전력 회사, 펜스 라인 보안, 옥외 환경 모니터링, 농업 애플리케이션, 광산, 터널, 산업 프로세스 같은 까다로운 애플리케이션으로 5만개 이상의 SmartMesh 네트워크가 구축됐다.

리니어테크놀로지 제공