A New Bluetooth Low Energy(BLE) Technology : Flooding Mesh


▪ 블루투스 SIG(Special Interest Group)는 2017년 7월 Flooding 기반의 새로운 Mesh 네트워크 프로파일 표준 제정
▪ Flooding Mesh 프로파일은 복잡한 라우팅 동작 대신 단순한 재전송(relay) 동작을 이용한 무선 메시 기술로 저전력 소물 IoT 기기 통신 인프라로 활용 가능
▪ Bluetooth SIG announced a new flooding based Mesh profile standard in July, 2017.
▪ The flooding Mesh profile is a wireless mesh technology by using simple relaying operation, instead of complicated routing operation, for a IoT infrastructure of low power devices.


 

■ IoT와 저전력 블루투스(BLE, Bluetooth Low Energy)

  • IoT에서 저전력 블루투스 역할

- 제4차 산업혁명의 핵심 기술 중 하나인 IoT(Internet of Things)는 기존의 PC, 노트북, 스마트폰뿐만 아니라 다양한 소물(小物) 기기들에게 통신 기능을 부여하여 센서 데이터 수집과 원격 제어를 가능하게 하여 새로운 부가가치를 창출시키는 새로운 패러다임 제공 
- 최근 BLE, Zigbee, Z-wave와 같은 저전력 통신 기술들은 배터리 전원을 기반으로 적은 양의 데이터 전송과 낮은 사용 빈도의 특징을 가진 소물 IoT 기기들에 적합한 통신 기술로 주목 받고 있음.
- 특히 BLE는 범용 기기인 스마트폰, 태블릿, 노트북에 이미 내장된 통신 기술로 다른 저전력 기술들과 달리 쉽게 스마트폰과 태블릿과 연결이 가능하고, 이들 기기들을 게이트웨이로 활용하여 쉽게 클라우드와 연결 가능한 장점이 있음.
- BLE는 저전력 기능과 쉬운 상호연결성을 모두 가진 통신 기술로써 스마트 워치, 스마트 안경, 스마트 신발, 스마트 가방 등 여러 소물 기기들에 이미 적용되고 있으며, [그림 1]과 같이 다양한 분야에서 활용 가능.

[그림 1] 저전력 블루투스(Bluetooth Low Energy)의 사용 분야

  • BLE 시장의 성장과 한계

- ( BLE 시장 전망) 앞서 설명한 BLE 기술의 장점 때문에 헬스케어 및 운동/건강 시장을 중심으로 BLE 시장이 성장해 왔고, 최근 2~3년 동안은 비콘(Beacon) 시장이 폭발적으로 성장하고 있음.
· (BLE 탑재 기기수 전망) BLE 기능을 탑재한 기기의 수는 2014년 약 18억 대에서 2020년 약 84억 대로 연 평균 29% 급성장 전망

[그림 2] 글로벌 BLE 탑재 기기 수

· (비콘, Beacon) BLE 기반으로 10미터 내외의 거리에 약 30바이트 이내의 데이터를 방송(Broadcasting) 방식으로 정보를 제공하는 서비스로 SK플래닛의 전자지갑 서비스인‘ 시럽’(Syrup)과 같이 스마트폰 앱과 연동하여 할인 정보 제공 등 여러 분야에서 활용
- (BLE 한계) 하지만, BLE는 전송 거리(대략 10~20m)의 한계로 인하여 스마트 홈, 스마트 빌딩 등의 새로운 분야에 적용이 어려운 점이 있었음.
· 이러한 한계를 극복하기 위한 노력으로 블루투스 특별작업반(SIG : special interest group)에서는 Mesh 표준과 Bluetooth 5 표준을 제정하였음.

 

■ 블루투스의 새로운 매쉬(Mesh) 접근 방법 : Flooding 기반 매쉬(Mesh)

  • 라우팅(Routing) 기반 무선 매쉬 기술의 문제점

- 무선 매쉬 네트워크는 고정 위치 없이 어디에서나 네트워크 접속이 가능하기 때문에 네트워크 구성 시 높은 자유도를 가질 수 있고 복수의 노드(node)들을 거쳐 데이터 전달이 가능하므로 데이터 전송 거리를 비약적으로 늘릴 수 있음
- 라우팅 기술은 네트워크 구축·운용에 있어서 여러 홉(hop)을 거쳐 데이터를 전송할 전송 경로를 생성·유지하기 위한 핵심 기술로서, 무선 매쉬 네트워크에 적합한 다양한 라우팅 기술들이 개발되어 왔음
- 하지만, 무선 네트워크 환경에서는 무선 전파의 특성으로 인하여 데이터 전송 경로를 일정하게 유지·관리하기 어려워 안정적으로 무선 매쉬 네트워크를 운영하기 어려움.
· (무선전파의 특성) 무선 환경에서는 노드의 이동에 따른 거리 변화와 다양한 주변 장애물에 따라서 전파 수신 세기가 일정하지 않고 지속적으로 변화하는 현상 발생

[그림 3] 무선 전파 모델

· (경로품질의 변화) 수신 전파 세기의 변동으로 인해 노드 간 연결 상태의 변화, 대역폭 변경이 수시로 발생하게 되어 이에 따른 라우팅 테이블 변경이 자주 발생
· (불안정한 네트워크) 라우팅 테이블의 잦은 변경은 주변 노드들에게 파급되고 노드들 간 라우팅 정보 변경 메시지를 지속적으로 발생시켜 네트워크 자체의 안정성을 떨어뜨리고 무선 매쉬 네트워크 유지·관리를 어렵게 함
- 불안정한 네트워크 현안은 저전력 통신 기술의 낮은 대역폭 특성으로 인하여 네트워크 부하를 급격하게 늘리고 기기 전력 소비를 증가시켜 결국에는 응용 품질 보장을 어렵게 하는 요인으로 작용

  • Flooding 기반의 블루투스 매쉬 기술

- Flooding 기반 매쉬 기술은 무선 매쉬 네트워크의 라우팅 문제점을 해결하고 안정적인 무선 매쉬 네트워크를 위한 대안으로 블루투스 SIG에서 논의된 기술
· (기본개념) BLE의 광고(Advertising) 채널을 이용하여 주변 노드들에게 방송(Broadcasting)하고 해당 데이터를 수신한 노드는 다시 광고 채널로 재전송(relaying)하는 매우 단순한 개념

[그림 4] Flooding Mesh의 전달 방법

· (캐시 활용) 재전송(Relay) 노드는 캐시(cache)를 이용하여 이미 전송한 데이터는 추가로 방송하지 않음. (위의 3단계 동작에서 Relay 1은 자신이 보낸 데이터를 재수신하거나 Relay 4가 동일한 데이터를 Relay 2와 Relay 3로부터 수신하는 경우의 중복 전송 문제 해결)
- (성능) 표 준화 단계에서 주 요 우 려 사항 중 하나는 불 필요한 재전송으로 인하여 발생하는 매쉬 네트워크 성능 저하였기 때문에 이를 해결하기 위한 방안 마련
· (Time to live, TTL) TTL기법으로 데이터의 전송 홉 수를 제한하여 데이터 무한 전파 가능성을 해결할 뿐 아니라 불필요한 재전송을 줄임
· (재전송 동작) 매쉬 네트워크 데이터를 발생시키는 재전송 수를 조정 가능할 수 있도록 노드의 재전송 동작을 on/off 가능하게 하여 데이터 발생을 최소화할 수 있음

  • 블루투스 매쉬 기술의 추가 특징

- (보안) BLE는 무선 기술이어서 불특정 다수의 기기들의 데이터 수신 가능성과 다양한 보안 위협에 노출되어 있기 때문에 이에 대한 대비책 마련
· (매쉬 전송) 무선 기술의 특성으로 인하여 전송시 암호화(encryption) 및 인증 (authentication)에 대해 고려하였고 네트워크 수준 보안과 응용 수준 보안을 분리한 2단계 보안 체계 구축
· (매쉬 설정) 매쉬 네트워크에 참여하기 위해서는 네트워크 키(key), 응용 키, 네트워크 주소 등의 정보 설정이 필요하며 해당 데이터는 비대칭 암호화 방법으로 공유된 보안 키로 전송
- (응용) 블루투스 매쉬 기술은 단순히 네트워크 기술에 대한 표준만을 만든 것이 아니라 응용 계층의 호환성을 위한 일부 데이터 모델(전등 제어, 센서 등) 도 같이 표준화하였음

[그림 5] 블루투스 Mesh의 계층 구조

  • 블루투스 매쉬 활용 사례

- 폴란드의 스타트업 업체인 Silvair는 블루투스 매쉬 표준 개발을 주도하고 블루투스 매쉬 스택 개발을 통해 해당 분야의 선두주자로 부각
· 호주의 AGL Energy 본사에 1,500개의 매쉬 노드로 전등 제어 시스템 구축1
- BLE 칩 시장의 대표주자인 Nordic은 블루투스 매쉬 스택을 오픈 소스 형태로 공개2
- 블루투스 칩 시장의 주요 칩 제조사와 더불어 Zigbee 솔루션의 주요 칩 제조사들도 블루투스 매쉬 솔루션 제공
- EnOcean GmbH(스마트 빌딩 솔루션 업체)은 블루투스 매쉬를 활용한 자체 전력 생산 스위치 개발3 및 여러 스타트업 업체에서 블루투스 매쉬 기술을 적용한 전구 제품 출시

 

■ 시사점

  • 제4차 산업혁명 시대 블루투스 매쉬의 가능성과 고려사항

- (가능성) 블루투스 매쉬 기술은 제4차 산업혁명의 대표적인 사례인 스마트 홈, 스마트 빌딩의 네트워크 인프라를 효율적으로 구축할 수 있는 새로운 대안 기술
· 기존 매쉬 네트워크 기술들의 라우팅 기반 동작으로 인한 네트워크 참여 노드 수 제한과 불안정한 라우팅으로 인한 네트워크 불안정성 극복 가능
· 블루투스 매쉬는 온도·습도·햇빛·공기질 센서 등의 다양한 저전력 소물 기기들의 데이터를 효율적으로 전달 가능
· 홈 네트워크 확산의 장애요인 중 하나인‘ 초기 네트워크 구축 비용’을 절감할 수 있고 1개의 노드로 시작하여 점차적으로 기기 수를 늘려나가는 전략 가능
· 블루투스 매쉬 기술과 기존 비콘 서비스를 결합하여 빌딩 내부의 위치 정보 제공 및 기기의 위치 추적 등 추가적인 서비스와 연동 가능
- (고려사항) 블루투스 매쉬 기술은 현재 완성형 기술이 아니고 계속 진화해 나가는 기술
· 블루투스 매쉬 표준은 2017년 7월에 표준이 제정되어 아직 구체적인 사례가 많지 않음
· 스마트 빌딩 솔루션으로 진화하기 위해서는 보다 효율적인 노드 관리와 네트워크 관리를 위한 SW(시뮬레이터, 자동 노드 설정 등) 개발 필요
· 블루투스 매쉬 기술은 클라우드와의 연계를 위한 통합 솔루션 측면에서의 시스템 SW와의 연계 필요
· Fitbit, Casio, Polar, Garmin 등은 저전력 블루투스(BLE)를 활용하여 피트니스 트랙커, 스포츠 워치 등의 새로운 사업영역을 창출했으며, 저전력 블루투스(BLE) Mesh도 유사한 사례가 될 수 있음

 

■ 참고문헌 Reference

1. Bluetooth SIG (https://www.bluetooth.com)


1 https://blog.silvair.com/index.html%3Fp=325.html
2 https://github.com/mwaylabs/fruitymesh
3 https://www.easyfit-solutions.com/easyfit-for-bluetooth-lighting-systems/


 

BLE Flooding Mesh 월간SW중심사회2017년10월 저전력통신 스마트홈 스마트빌딩 IoT