5세대 블루투스(Bluetooth 5) 주요 기술

 

5세대 블루투스(Bluetooth 5) 주요 기술

 

블루투스 SIG는 블루투스 5 기술인 v5.0을 2016년 1월에 발표하였고 이후 2번의 개정판을 2019년 1월(v5.1)과 2019년 12월(v5.2)에 추가로 발표하였다. 블루투스 5 기술에 개발된 주요 기술들을 보면, v5.0 표준은 기존 BLE 기술(v4.2)의 데이터 전송 제약을 극복하기 위해 2M 전송 및 원거리 전송 기술과 Advertising 개선 기술이 개발되었고, v5.1 표준에서 위치 측위 기술이 추가되었으며, v5.2에서 새로운 저전력 오디오 전송 기술이 새로이 정의되었다. 이러한 기술들은 블루투스를 활용하는 웨어러블 기기의 발전에 영향을 줄 수 있다.

 

상세 내용은 한인 과학기술자 네트워크 KOSEN  문서를 참고합니다.

 

5세대 주요 Bluetooth 기술.pdf

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1. 2M 전송 및 원거리 전송

 

BLE 기술은 근거리에서 적은 양의 데이터를 빠르게 보낼 수 있도록 설계되었지만 해당 기술이 웨어러블 같이 다양한 기기들에 적용되면서 축적된 다량의 정보 전송을 위한 대역폭 개선과 큰 건물과 운동장 같은 넓은 공간에서 전송 품질 개선 같은 새로운 요구사항이 발생하게 되었다. 이러한 요구사항들을 반영하기 위해 블루투스 5에서 전송 속도와 거리 개선을 위해 2M 전송 기술과 원거리 전송 기술이 LE 컨트롤러 표준에 반영되었다.

 

우선 전송 속도 개선을 위해서 기존 1 Msym/s의 동작 속도를 2 Msym/s으로 증가시켜 기술적 난이도를 최소화하며 전송 속도를 2배로 개선하였다. 그리고 전송거리 향상을 위해 기존 BLE의 최대 전송 파워를 기존 10mW에서 100mW로 10배 늘렸으며 [그림 5]와 같이 FEC(Forward Error Correction) 기술을 새로 적용하기 위해 링크 계층에서 새로운 패킷 포맷을 정의하고, 패킷 처리 절차를 변경하였다 [9].

 

이러한 기술 변화로 최초 BLE의 데이터 전송량인 약 300 kbps에서 블루투스 5는 전송 속도를 1.4 Mbps로 4.6배 향상했으며, 전송거리는 야외에서 기존 약 100m에서 최대 약 1km로 크게 증가시켰다. 이러한 변화는 블루투스 5가 과거와 달리 야외용 웨어러블 기기에도 적용할 수 있도록 하였으며 실내에서도 좀 더 멀리 데이터 전송이 가능하게 되었다. 전송 속도 향상으로 인해 웨어러블 기기의 펌웨어 전송, 누적된 운동 정보 전송을 보다 빠르게 할 수 있고 낮은 전력을 소모하게 되었다. 그리고 기기의 필요에 의해 BLE의 동작 상태를 변경할 수 있기 때문에 웨어러블 기기의 전송 속도 및 거리를 조절함으로써 사용 동작에 따라 전력 소모를 최적화할 수 있게 되었다.

 

2. Advertising 개선

 

BLE는 기존 블루투스 기술(BR/EDR)의 연결 속도 개선을 고려하여 Advertising 동작을 설계하였다. Advertising 동작은 한 기기가 연결형(Connectable) Advertising 메시지를 보내고 이를 수신한 기기가 응답으로 연결 요청(Connection Request)을 보내면 두 기기간 링크 연결이 바로 설정된다. 이와 같이 연결 동작을 단순화하여 BLE는 연결 시간을 최대 6ms까지 단축시킬 수 있다. 그리고, BLE 기기는 연결 과정 없이 주변에 정보 제공 목적으로 비연결형(Non-Connectable) Advertising 메시지를 보낼 수 있다. 애플의 iBeacon 서비스가 2) 바로 비연결형 Advertising을 이용하는 대표 서비스이다.

 

블루투스 v4.1 이전에는 Advertising 메시지 길이가 최대 39 bytes로 한정되어 있어서 전송 가능한 데이터 길이가 최대 31 bytes이었지만 [11],3) 블루투스 v4.2에서는 전송 가능한 최대 데이터 길이가 250 bytes로 늘어났다. 그리고 블루투스 5에서 복수의 Advertising 메시지들로 긴 데이터를 분할하여 보낼 수 있는 확장된(Extended) Advertising 방식을 새로 정의했으며 3개에 불과한 Advertising 채널의 효율적 동작을 위해 데이터 채널에서 Advertising 메시지를 보낼 수 있도록 Primary Advertising과 Secondary Advertising으로 동작을 2단계로 구분할 수 있는 다양한 보조적인(Auxiliary) Advertising 동작 방식들도 정의되었다. 변경된 Advertising 동작은 이어 설명할 위치 측위 기술과 저전력 오디오 전송 기술에 활용되어 많은 데이터를 Advertising 메시지를 통해 동시에 다수의 기기들에게 보낼 때 활용할 수 있다.

 

3. 위치 측위

 

위치 측위 기술은 보편적으로 GPS(Global Positioning System) 신호를 이용하여 위치 정보를 알 수 있지만 GPS 신호를 잡을 수 없는 실내 환경에서는 지구의 자기 정보를 이용하거나 블루투스, WiFi, Wibro 등의 무선 신호 세기를 이용해서 위치 정보를 추정할 수 있다. 기존 BLE의 Advertising 기술을 활용하면 주변에서 존재 유무를 알 수 있는 원시적인 Proximity 서비스를 제공할 수 있지만, 블루투스 SIG는 기기의 정확한 거리, 방향을 측정할 수 있는 새로운 위치 측위 기술 표준을 수년에 걸쳐 개발하여 블루투스 5에 적용하였다.

 

블루투스 5의 위치 측위 기술은 크게 실내 위치(Indoor Positioning) 측위 기술과 물체 추적(Asset Tracking) 기술, 2가지로 구분된다. 실내 위치 측위는 스마트폰이 여러 안테나를 가진 다수의 비컨으로부터 Advertising 메시지를 수신하여 그 위치를 추정하는 AoD(Angle of Departure) 기술을 활용한다. 이 기술은 공항 같이 굉장히 넓고 방향을 찾기 힘든 실내에서 사용자의 스마트폰으로 정확한 위치를 측정하여 움직일 방향을 제시해 주는 서비스에 활용될 수 있다. 이를 위해 비컨의 Advertising 메시지에 비컨의 위치 정보와 비컨과 스마트폰 사이의 거리 측정을 위한 IQ 정보를 포함해야 하기 때문에 앞에서 설명한 개선된 Advertising 기술을 필요로 한다.

 

반면에 물체 추적 기술은 다수의 비컨들이 기기가 송신한 신호를 분석하여 물체의 위치를 측정하는 AoA(Angle of Arrival) 기술을 활용한다. 이 기술은 비컨들과 연결된 시스템에서 특정 기기가 보내는 신호를 통해 해당 기기의 위치와 이동 경로를 파악할 수 있다. 이 기술은 특정 물체에 태그를 붙여서 그 물체의 위치를 확인할 수도 있지만, 웨어러블 기기를 활용하면 착용자의 위치와 동선 정보를 파악할 수 있게 한다. 그리고 개인 정보 이슈를 고려하여 물체와 비컨 사이에 1:1 연결을 맺은 후에 암호화하여 전송할 수도 있다.

[그림 7]은 AoD와 AoA를 활용한 블루투스 5의 위치 측위 방법을 간략히 보여준다 [12].

 

블루투스 5의 위치 측위 기술을 활용하면 백화점에서 고객의 웨어러블 기기를 통해 위치를 측정하여 고객들의 주요 동선을 파악할 수 있고 고객이 원하는 매장에 보다 빠르게 접근할 수 있도록 안내해 줄 수 있다. 공항 등에서 주요 물품을 분실하지 않도록 위치를 파악할 수 있다. 도시 인프라로 활용할 때에는 미아 찾기, 치매 노인 찾기, 반려 동물 찾기 등 다양한 서비스를 개발할 수 있다. 이에 따라 블루투스 위치 측위 기기 판매량의 연평균 성장률은 전체 블루투스 기기 판매량 성장률 8%의 4배에 이르는 32%가 예상될 정도로 급성장하고 있다. 만약 블루투스 위치 측위 기술과 메시 기술을 동시에 구현한다면 건물 내의 전등 제어, 온도 조절 기능을 동시에 제공 가능하다는 장점도 있다.

 

4. 저전력 오디오 전송

 

블루투스 오디오 기기 시장은 전체 블루투스 기기 판매량의 약 1/4을 넘을 정도로 규모가 가장 크고 안정적인 시장이다. 최근 급성장하는 에어팟 같은 무선 이어폰 기기를 포함하고 있으며 기존 음악 감상과 전화 통화 외에도 개인비서 기능 및 건강 상태 측정 기능을 추가하면서 스마트화되고 있기 때문에 IDC는 관련 시장이 2019년 7,200만 대에서 2023년 1조 530만 대로 증가할 것으로 예상하고 있다 [13]. 현재 무선 이어폰 기기들은 오디오 전송을 위해 BR/EDR 기반 블루투스를 활용하고 있으나, 블루투스 5의 저전송 오디오 전송 기술을 활용하면 기존 기술보다 안정성, 효율성, 저전력성에서 우월하고 복수의 오디오 스트림 전송, 기기간 오디오 스트림 공유 같은 새로운 기능들을 추가할 수 있다.

 

저전력 오디오 전송 기술의 개발 배경에는 보청기라는 매우 작고 매우 낮은 전력 소모가 필요한 기기의 존재가 있으며, BLE의 낮은 전력 소모를 4) 유지하면서 오디오 전송 품질을 제공하기 위해 Isochronous 전송 기술이 새로 개발되었다. 이 기술은 독립된 좌우 보청기 기기에 개별 오디오 스트림을 전송하기 위해 스트림 간 엄격한 동기화, 전송 시간 제약, 패킷 재전송 기술이 적용되었다. 이를 위해 Connected Isochronous PDU, Broadcast Isochronous PDU, BIG(Broadcast Isochronous Group) Control PDU 같은 새로운 패킷 포맷들이 정의되었다. 이들 패킷 포맷을 활용하여 하나의 Master(오디오 소스)에서 2개의 Slave(오디오 싱크) 간 오디오 전송을 위한 Connected 오디오 전송과 하나의 마스터에서 복수의 기기들로 구성된 그룹에게 오디오 전송을 위한 브로드캐스트 오디오 전송이 가능하다.

 

저전력 오디오 전송 기술에 의해 블루투스는 보청기라는 웨어러블 기기를 새로운 시장으로 받아들일 수 있게 되었으며 기존 블루투스 오디오 기기의 전력 소모 개선과 오디오 스트림 공유 같은 새로운 기술 혁신으로 시장 확대를 기대할 수 있게 되었다. 다만, 저전력 오디오 전송 기술의 등장으로 기존 블루투스 오디오 시장의 점진적인 축소로 인해 BR/EDR 기반의 블루투스 기술의 축소가 예상된다. 따라서 장기적으로 BR/EDR 기반의 기존 블루투스 웨어러블 기기들의 호환성에 영향을 줄 것으로 예상된다.

 

[ 참고문헌 ]

[1] Charith Perera, Sensing as a Service for Internet of Things: A Roadmap, 2017. 2.

[2] ZDNet Korea, IDC “세계 웨어러블 시장 올해 15.3% 성장 전망”, 이정현 미디어연구소, 2019. 3.

[3] 최윤섭, “웨어러블 최대의 난제, 지속 사용성”, 최윤섭의 헬스케어 이노베이션, 2018. 2. 20.

[4] “Bluetooth Low Energy for Bluetooth in Smart Wearable Technology “, Developex, 2017. 7. 3.

[5] 2020 Bluetooth Market Update Report, Bluetooth SIG, 2020.

[6] The Road Vehicles(Construction and Use) (Amendment) (No.4) Regulations 2003, Legislation.gov.uk, 2003. 10. 20.

[7] Bluetooth Core Specification v5.2, Bluetooth SIG, 2019. 12. 31.

[8] Mesh Profile Specification 1.0.1, Bluetooth SIG, 2019. 1. 21.

[9] 권영환, “새로운 저전력 블루투스(BLE) 기술: Flooding Mesh”, 소프트웨어정책연구소, SW산업동향, 2017. 10. 31.

[10] Bluetooth 5 Go Faster, Go Further, Bluetooth SIG, 2017. 2. 20.

[11] Bluetooth Core Specification v4.1, Bluetooth SIG, 2013. 12. 3.

[12] Bluetooth Direction Finding: Angle of Arrival(AoA) and Angle of Departure(AoD), Silicon Labs.

[13] Investor’s Business Daily, AirPods Just The Start Of “Hearables’ REvolutions In Wearable Technology, 2019. 3. 7.

[14] Torbjørn Øvrebekk, The Importance of Average Power Consumption to Battery Life, Nordic Semiconductor, 2016. 4. 29.

 

 

 

https://www.minew.com/ko/comparing-bluetooth-versions/