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저전력 블루투스(BLE)의 혁신 : 블루투스5

권영환산업정책연구실 책임연구원

2018.01.31

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Innovation of Bluetooth Low Energy(BLE) : Bluetooth5
- 새로운 저전력 블루투스(BLE) 기술인 ‘블루투스5’는 최근 삼성, LG, 애플 스마트폰에 적용되고 있음
- 블루투스5는 전송 속도 향상, 전송 거리 향상, 다양한 비콘(Beacon) 서비스가 가능해지고, 실외에서 사물인터넷(IoT)의 연결 인프라로 활용이 가능해짐
- Bluetooth5, the New Bluetooth Low Energy (BLE) technology, has been recently adopted in the smartphones by Samsung, LG, and Apple.
- Bluetooth5 improves transmission speed and distance, and enables various Beacon services, therefore it can be used as an IoT outdoors connection infrastructure.
블루투스 현황
- 블루투스 발전
- (탄생) 블루투스는 1998년 에릭슨, 인텔, IBM, 노키아, 도시바 등 5개 회사들이 모여 블루투스 SIG(Special Interest Group, http://www.bluetooth.com)를 만들면서 시작되었음
- * 블루투스의 주요 역사를 <그림 1>에서 볼 수 있음
- (주 활용 분야) 근거리 무선 통신 기술의 일종으로 기존 유선 연결을 무선 연결로 바꾸기 위해서 탄생하였고 세계 각국의 운전 중 전화기 사용 규제를 피하기 위한 핸즈프리 기능이 구현된 제품들(핸드폰, 무선 헤드셋, 차량용 핸즈프리 등)을 통해 퍼졌으며 이후 무선 기술을 활용한 헤드셋/스피커 제품 등이 주요 제품들이 되었음
- (저전력 블루투스) 2010년 블루투스 v4.0이 출시되고 핏빗 울트라(Fitbit Ultra), 조본업(Jawbone Up) 등의 웨어러블 기기들의 등장과 맞물려 근거리 저전력 무선 통신의 주요 기술이 되었으며 최근 비콘(Beacon) 제품의 폭발적 증가로 인하여 스마트 홈, 스마트 빌딩 등 IoT 서비스 구현에 있어서 중요 기술로 인식되고 있음
- 새로운 기술, 블루투스5
- (새로운 표준) 블루투스 SIG에서는 2016년 12월 새로운 블루투스 표준, 블루투스5 (Bluetooth v5.0)를 공식 표준으로 지정하였으며 블루투스5는 기존 저전력 블루투스보다 전송거리는 4배, 전송 속도는 2배, 방송(Broadcast) 데이터 용량은 8배 향상됨¹
- (제품 현황) 2017년에 삼성 갤럭시 S8과 노트8, LG V30, 애플 아이폰8과 같은 고급 스마트폰 제품들에 블루투스5 기술이 이미 적용되었기 때문에 핸드폰 액세서리 업체들이 블루투스5 기술을 활용한 제품 제작이 가능하게 되었음
- (특징) 블루투스5는 기존 저전력 블루투스(BLE) 기술의 단점인 낮은 전송 속도, 짧은 전송 거리, 적은 방송 데이터 용량을 극복하기 위해 개발되었으며 기술적인 핵심 변화는 비콘(Beacon)의 성능 향상과 더불어 멀티캐스트 전송을 위한 표준 기술이 적용된 새로운 저전력 블루투스 기술임
- (전망) 블루투스5를 적용한 제품들은 스마트폰을 제외하면 아직은 많지 않으나 Beacon Pro2와 같이 블루투스5의 개선된 기능을 활용할 수 있는 블루투스 비콘 제품들을 시작으로 점차 시장을 확대할 것으로 예상됨
블루투스5의 주요 기능 소개³
- 고속 전송 기술
- (목적) 저전력 블루투스의 낮은 전송속도(1Mbps)로 인한 낮은 데이터 전송률(약 300kbps) 문제 해결 및 기기의 전력 효율을 개선하기 위해 개발되었음
- (해결 방안) <그림 2>와 같이 일차적으로 v4.2 표준에서 저전력 블루투스의 패킷의 데이터 길이를 늘리고 v5.0 표준에서 전송 속도를 올려서 실질 데이터 전송률을 높였음
- (데이터 길이) v4.2 표준에서 기존 저전력 블루투스(~v4.1)의 링크 계층 패킷의 데이터 길이를 39바이트에서 257바이트로 증가시켰으며 연결하고자 하는 두 기기가 서로 협상을 통해 데이터 길이를 결정하게 하여 선택적으로 사용할 수 있음
- (전송 속도) v5.0 표준에서 기존 저전력 블루투스(~v4.2)의 전송 속도인 1Mbps를 2Mbps로 증가시켰으며 이 역시 연결하고자 하는 두 기기가 협상을 통해 전송 속도를 결정할 수 있도록 표준 설계함
- (효과) 블루투스5는 저전력 블루투스를 활용하여 실질적인 데이터 전송률이 1Mbps 이상이 가능하기에 이를 이용한 추가 서비스 제공 및 전력 소모 개선이 가능함
- (차세대 오디오) 기존 저전력 블루투스의 낮은 대역폭으로 인하여 음악 전송 품질 확보의 어려움이 있었으나 향후 표준화 예정인 차세대 저전력 블루투스 오디오 표준을 위한 근간을 마련함
- (파일형 데이터) 기존 저전력 블루투스의 경우 낮은 데이터 전송률로 인하여 파일 형태의 많은 양의 데이터(누적 신체 측정 자료, 내비게이션 경로 목록, 사진 등) 전송에 많은 시간과 이로 인한 배터리 소모가 많았으나 전송 시간 단축과 함께 배터리 소모를 감소시킬 수 있음
- (단점) 만약 데이터 전송률을 높이기 위해 전송 속도를 높인 새로운 표준(2Mbps 기능을 사용할 경우)을 사용할 경우 데이터 간섭 현상의 심화로 인하여 안정적인 연결이 가능한 범위가 좁아지게 되어 있음
- 긴 거리 전송 기술
- (목적) 저전력 블루투스의 전송거리 제약(약 10미터 이내) 문제를 해결하여 최소 수십 미터에서 최대 수백 미터 전송 가능한 저전력 블루투스 기술을 개발함
- (해결 방안) <그림 3>과 같이 일차적으로 기존 저전력 블루투스(~v4.2)의 최대 송신 전력을 향상했으며 FEC(Forward Error Correction) 기술을 도입하여 무선 간섭에 강한 새로운 저전력 블루투스 기술 개발함
- 기존 저전력 블루투스(~v4.2)의 최대 전송 전력이 10mW이었으나 블루투스5에서는 이를 100mW로 개선하여 WiFi 및 다른 2.4G 대역의 무선 기술과의 간섭에 더욱 강하게 동작할 수 있게 개선함
- 블루투스5에서는 FEC를 적용하여 실질 전송 속도를 500kbps 또는 125kbps로 낮추어 전송하게 하여 무선 간섭에 더욱 강하게 동작하게 하여 전송 거리를 증가시킴
- (효과) 기존 블루투스의 경우 PAN(Personal Area Network) 또는 실내에서 사용되어야 한다는 암묵적인 인식이 있었으나 블루투스5 표준에서 저전력 블루투스의 전송 거리를 최대 수백 미터로 늘렸기 때문에 향후 야외 환경에서도 블루투스 기술의 활용이 가능해짐
- (실증) 주요 저전력 블루투스 칩업체인 노르딕(Nordic Semi)에서는 긴 거리 전송이 가능한 블루투스5 기술을 이용하여 야외에서 드론 조정을 성공하여 블루투스5에서의 긴 거리 전송 기능을 실제로 증명함⁴
- (단점) 만약 데이터 전송 거리를 높이기 위해 블루투스5의 새로운 기술을 사용할 경우 무선 간섭에 대해 강하게 동작하지만 실질적인 데이터 전송률이 떨어지거나(실질 전송 속도를 500kbps 또는 125kbps 사용하기 때문) 사용 전력 증가 이슈가 발생할 수 있음
- Advertising 기능 개선 기술
- (목적) 비콘에서 많이 활용되는 브로드캐스트 전송에서 이용되는 Advertising 기능을 혁신적으로 개선하여 다수의 기기들에게 동시에 안정적인 데이터 전송이 가능하도록 저전력 블루투스 기술 개발
- (해결 방안) <그림 4>와 같이 v4.2 표준에서 변경된 링크 계층의 확장된 패킷 데이터 길이를 Advertising 채널에도 적용하고 다양한 Advertising 패킷 유형들을 추가하여 새로운 방식의 데이터 전송을 가능하게 변경
- (데이터 길이) v4.2 표준의 고속 전송 기술에 적용된 링크 계층 패킷의 데이터 길이 257바이트(Advertising 해더 2바이트 포함)를 Advertising 패킷에도 적용하기 위하여 Advertising 패킷 해더의 데이터 길이 필드를 기존 6비트에서 8비트로 확장
- (새로운 방식) 블루투스5에서는 Advertising 채널을 활용한 브로드캐스팅 전송 시 긴 Advertising 패킷 전송과 여러 패킷들을 사슬처럼 연결되게 전송하기 위해 8가지의 Advertising 패킷 포맷들을 새로이 정의
- (효과) Advertising에서의 다양한 동작들이 가능해지고 새로운 사용 예가 추가됨
- (비콘 기능) 기존 비콘 기능에서 제공하던 데이터 양이 한정적이었으나 한 패킷에서 255바이트(해더 2바이트 제외)까지 전송 가능하고 데이터 전송을 사슬처럼 연결하는 방법(Chaining)을 이용할 경우 전송할 수 있는 데이터 양은 이론상 제약이 없음
- (간섭 저하) 저전력 블루투스를 활용한 많은 비콘 기기들로 인한 Advertising 채널에서의 간섭 이슈를 해결하기 위해 실 데이터 전송은 데이터 채널로 전송이 가능해짐
- (차세대 오디오) 향후 나올 예정인 블루투스 핵심 표준(Bluetooth Core Specification)에서는 차세대 오디오 기능에서 새로운 Advertising 채널을 활용한 오디오 브로드캐스팅 및 멀티캐스팅 기법을 제공할 예정
- (단점) 블루투스5에서 가장 큰 변화가 이루어진 부분이 바로 Advertising 기능 개선 기술이며 이에 따라 저전력 블루투스의 장점 중 하나였던 단순함이 약화되고 복잡한 동작에 따른 고려사항과 구현 난이도가 증가함
블루투스5 활용 방안들
- 비콘(Beacon) 기능 개선
- (현황) 블루투스의 Advertising 기능을 활용하는 비콘은 2013년 애플의 개발자 컨퍼런스에서 저전력 블루투스의 브로드캐스트 기능을 활용한 iBeacon이라는 서비스로 처음 공개하였음
- (동작) 비콘 동작은 <그림 5>와 같이 ① 비콘 기기에서 블루투스 브로드캐스트 기능을 활용하여 비콘 메시지(e.g. ID)를 브로드캐스팅하고 ② 스마트폰의 앱에서 해당 비콘 메시지를 해석하여 ③ 클라우드상의 비콘 서비스 서버에게 상세 정보를 요청하면 ④ 스마트폰이 비콘 서비스 서버로부터 정보를 받아 사용자에게 정보 제공
- (활용) 구글 안드로이드 기반 스마트폰에서도 지원하고 있으며 상점에서의 상품 및 마케팅 정보뿐만 아니라 공항에서의 게이트 변경, 박물관에서 전시품 정보, 및 운동 경기장에서 위치 정보 제공 등 다양한 분야에서 활발하게 활용되고 있음⁵
- (블루투스5 활용) 블루투스5의 Advertising 기능을 적용할 경우 긴 데이터를 가진 비콘 서비스가 가능해지며 긴 거리 전송 기술과 결합할 경우 더욱 넓은 범위에서의 안내 서비스가 가능해짐
- (단독서비스) 기존 저전력 블루투스의 37바이트의 정보량보다 많은 데이터 전송이 가능해지기 때문에 상황에 따라 클라우드 연계 없이 블루투스5의 Advertising을 활용한 독자적으로 알림 서비스 제공 등 활용 폭 증가
- (긴 거리 전송) 기존 저전력 블루투스보다 4배의 거리에 브로드캐스팅이 가능하기에 보다 넓은 지역에 데이터를 보낼 수 있기 때문에 <그림 6>과 같이 기존보다 적은 수의 비콘 으로 서비스 가능
- 스마트 홈 연결 개선
- (현황) 저전력 블루투스를 활용한 다양한 센서 제품들이 출시되었으나 대부분 PAN의 영역에서 스마트폰과 연동하기 위한 제품들이 다수이며 가정 내에서 스마트홈 서비스를 위한 센서 제품들의 시장은 활성화되지 못하고 있음
- (낮은 송신 전력) 기존의 저전력 블루투스의 경우 WiFi 대비 상대적으로 낮은 송신 전력 (v4.2 표준의 BLE 경우 10mW)으로 인하여 그림 7의 (a)와 같이 전송거리의 제약으로 가정 내의 스마트홈 센서들을 연결하기 위한 기술로 활용되기에 제약사항이 있음
- (블루투스5 활용) 블루투스5의 긴 거리 전송을 활용할 경우 저전력 블루투스 대비 4배의 전송 거리를 가지기 때문에 가정 내의 전송 거리 확장으로 블루투스 Mesh6 기술이 보편화되기 전까지는 유익하게 활용 가능
- (전등 제어) 기존 저전력 블루투스보다 넓은 범위의 연결성을 제공하고 이미 2017년도에 출시한 여러 최신 스마트폰들에 적용되었기 때문에 전등 제어와 같은 초기 스마트홈 서비스를 효율적으로 제공 가능
- (한계점) 아파트 형태의 주거 유형을 가지는 한국에서는 건물 구조로 인한 무선 전파 세기의 감쇠가 크기 때문에 <그림 7>의 (b)와 같이 기존 저전력 블루투스보다 넓은 범위의 전송 거리를 가지게 되지만 가정 내의 모든 센서들을 연동하기 위한 연결 범위 제공은 어려움
- (Mesh의 중간 단계) 블루투스5를 활용하여 집안의 모든 범위를 연결하기 어렵지만 기존 저전력 블루투스보다 우수한 연결 안정성을 보여주기 때문에 블루투스 Mesh로 전환하기 위한 중간 단계 기술로서 활용 가치가 있으며 가정 내의 다수의 전구들이 교체되었을 경우 <그림 7>의 (c)와 같이 바로 블루투스 Mesh 인프라로 전환이 가능해짐
- 야외에서의 블루투스 활용
- (현황) 저전력 블루투스를 활용한 태그(tag) 형태의 제품들을 활용한 물건(가방, 열쇠 등) 및 애완동물의 분실 방지를 위한 다양한 제품들이 출시되었고 일정 거리를 벗어날 경우 소리 알람 형태로 경고 기능이 제공됨
- (전송거리 제한) 저전력 블루투스의 경우 야외의 경우 가정환경보다 긴 거리인 수십 미터의 전송 거리가 가능하지만 야외의 활동성을 고려할 경우 전송 거리의 제한으로 활용이 제한됨
- (블루투스5 활용) 블루투스5의 긴 거리 전송을 가장 잘 활용할 수 있는 경우가 바로 야외 환경에서의 블루투스 활용으로 수백 미터의 전송이 가능하기 때문에 위급 상황, 스마트 농업 등 다양한 야외 환경에서의 블루투스 활용이 가능해짐
- (위급 상황) 긴 거리 전송이 가능한 블루투스5 기술을 활용하여 주변의 불특정 다수의 스마트폰들에게 위급 상황을 알릴 수 있으며 많은 데이터 전송이 가능한 블루투스5 기술과 연계하면 추가적인 정보(GPS 정보 및 상황 정보 등) 제공이 가능해짐
- (스마트농업) 블루투스5 기술을 활용하여 농장의 다양한 센서들의 정보 수신이 가능해지며 블루투스 Mesh 기술과 결합하게 되면 넓은 개활지에서의 기기들 간 연동이 가능
시사점
- 미래 IoT 기술로서의 블루투스5의 가능성과 고려사항
- (가능성) 블루투스5 기술은 현재 개발 중인 기술로서 기존 저전력 블루투스의 단점을 극복하기 위해 개발된 기술로 많은 활용성을 제공하기 때문에 블루투스의 지속적인 성장에 기여할 것임
- (IoT) 블루투스의 경우 주 버전이 변경될 때(2.X → 3.X → 4.X)마다 새로운 사용 신이 추가되었으며 기존 2.X 버전과 4.X 버전은 각각 오디오 전송과 인체 센서 데이터 전송으로 시장에서 주목 받고 있는 IoT 연결 기술임
- (한계성 극복) 블루투스5는 기존 저전력 블루투스의 한계성인 짧은 전송 거리, 낮은 데이터 전송률을 개선하기 위한 기술로 최신 스마트폰에 적용되기 시작하였으며, 스마트홈, 비콘 서비스에 활용될 수 있을 뿐만 아니라 야외에서도 블루투스 기술 활용이 가능해짐
- (확산 시기) 과거 블루투스의 새로운 주 버전이 표준으로 승인 후 2~3년 안에 개선된 새로운 표준이 나왔으며 비슷한 시기에 블루투스 연결 시장의 크기를 비약적으로 성장했던 사례가 있기 때문에 이번 블루투스5의 경우도 19년부터 본격적으로 확산이 예상됨
- (고려사항) 블루투스5(Core Spec v5.0)의 적용에 대한 구체적인 사용 시나리오 및 이를 구현하기 위한 임베디드 SW기술 활용 및 클라우드 서비스와 연계한 제품 개발이 필요
- (사용 시나리오) 개괄적인 블루투스5의 활용 방안에 대해 제시하였지만 실제 IoT 서비스인 스마트홈, 스마트빌딩, 스마트시티 분야에 활용되려면 연동되는 기기들에 대한 고려와 함께 구체적인 사용 시나리오가 필요
- (임베디드 SW) 구체적인 사용 시나리오에 따라 블루투스5 제품을 개발하기 위해서는 제품 특성을 고려한 블루투스5의 장점들을 효율적으로 활용해야 하며 이를 위해서는 임베디스 SW기술 활용이 필수적임
- (클라우드 연계) 전체적으로 스마트홈과 스마트빌딩 관점에서 개발이 진행되어야 하지만 독자 제품으로서 클라우드상의 인터넷 서비스와 연계가 되어야 사용성 측면에서 의미있는 제품으로 인식 가능
참고문헌
- 1.“Bluetooth SIG 역사”, Bluetooth SIG.
- 2.“Bluetooth 5 Now Available”, Bluetooth SIG, Dec 2016.
- 3.“First Bluetooth 5-Ready Beacon is on the Market”, Kontakt.io, Dec 2016.
- 4.“Bluetooth Core Specification v5.0”, Bluetooth SIG, Dec 2016.
- 5.“Nordic Semiconductor - Bluetooth 5 Long Range Test”, Nordic.
- 6.“The Rise of Beacon Technology”, Bluetooth SIG, Dec 2017.
- 7.“새로운 저전력 블루투스 (BLE) 기술 : Flooding Mesh”, 소프트웨어정책연구소, Oct. 2017.
- 1　“ Bluetooth 5 Now Available”, Bluetooth SIG, Dec 2016.
- 2　“First Bluetooth 5-Ready Beacon is on the Market”, Kontakt.io, Dec 2016.
- 3　“Bluetooth Core Specification v5.0”, Bluetooth SIG, Dec 2016.
- 4　“Nordic Semiconductor - Bluetooth 5 Long Range Test”, Nordic.
- 5　“The Rise of Beacon Technology”, Bluetooth SIG, Dec 2017.
- 6　“새로운 저전력 블루투스(BLE) 기술 : Flooding Mesh”, 소프트웨어정책연구소, Oct. 2017.