5세대 블루투스에 대해 알아보자!

블루투스 소개

블루투스는 1994년 에릭슨에서 개발한 단거리 무선 통신 기술을 대상으로 IEEE에서 표준화 작업이 시작되면서 탄생하였다. 이후 블루투스는 단거리 유선 케이블을 무선으로 대체하고 기존 기술의 문제점을 개선하면서 성장하게 되었다. 그리고 저전력 특성을 강화한 블루투스 4.0 기술이 개발되면서 핏빗 같은 웨어러블 기기에도 적용되면서 블루투스 기기의 연간 판매량이 2019년에 42억 대에 이를 정도로 빠르게 성장하였다.

 

블루투스의 발전

90년대 후반 블루투스 기술이 IEEE 802.15.1로 표준화가 되면서 블루투스 기술 인증을 위해 비영리 기관인 블루투스 SIG가 1998년 탄생하였고 그 이후에는 블루투스 기술 개발을 블루투스 SIG에서 담당하였다. ⇨ 블루투스 기술은 2004년 v2.0이 제정되면서 블루투스 오디오 시대를 열었다. ⇨ 2010년 v4.0이 제정되면서 웨어러블 기기들이 블루투스 기술을 널리 활용하기 시작했다. ⇨2016년 v5.0표준이 제정되면서 새로운 변화를 맞이하고 있다.

 

블루투스 기술의 발전

블루투스는 무선 전송 품질 향상을 위한 간섭 최소화를 위해 Adaptive Frequency Hopping(AFH) 기술이 기본으로 적용되었다. 초기에 블루투스를 활용하던 기기들은 프린터, 노트북, 키보드, 마우스 같은 저대역 데이터 통신이 필요한 기기들이 대부분이었다. ⇨ 2003년 영국에서 운전 중에 핸드폰 통화를 금지하는 법안이 제정되면서 운전 중 핸드폰 통화를 위해 핸드폰, 차량용 대시보드, 무선 이어폰에서 블루투스를 기본 통신 수단으로 채택하면서 블루투스 기술이 크게 확산되기 시작하였다. ⇨ 이후 블루투스의 무선 오디오 전송 품질과 대역폭 향상을 위해 2004년 v2.0 표준이 제정되었다. ⇨ 연결 보안성 개선을 위해 v2.1 표준이 2007년에 제정되었다. 블루투스 v2.1 기술의 BR/EDR(BasicRate/Enhanced Data Rate)이 블루투스 오디오 전송 기술의 핵심 기술이 되었으며 이로써 블루투스는 2008년에 누적 기기 판매량이 20억대에 이르게 되었다. ⇨ 2009년에 블루투스는 무선 고속 전송을 위해 HS(High Speed) 전송 기술을 제정하였지만 시장에서 안착하지 못했다. ⇨ 2010년 표준으로 제정된 v4.0에서 저전력(Low Energy: LE) 기술이 개발되면서 다시 성장하게 되었다. LE 기술은 BR/EDR 기술과 다르게 지속적으로 연결을 유지할 필요가 없고, 데이터 전송이 필요할 때 빠르게 연결을 맺고 짧은 데이터를 효과적으로 전송하는 동작에 최적화되었기 때문에 다른 무선 통신 기술보다 전력 소모를 낮출 수 있었다. 그래서 BLE 기술이 스마트폰에 적용되면서 작은 크기의 웨어러블 기기의 통신 수단으로 급부상하게 되었다. ⇨ 2014년에 LE 전송 기능과 연결 보안성을 개선한 v4.2 기술이 제정되면서 1차적인 BLE 기술이 완성되었다.

 

5세대 블루투스(Bluetooth 5) 주요 기술

블루투스 5기술에 개발된 주요 기술들을 보면, v5.0 표준은 기존 BLE 기술(v.4.2)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.

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 1Msym/s의 동작 속도를 2Msym/s으로 증가시켜 기술적 난이도를 최소화하며 전송 속도를 2배로 개선하였다. 그리고 전송거리 향상을 위해 기존 BLE의 최대 전송 파워를 기존 10mW에서 100mW로 10배 늘렸으며 FEC(Forward Error Correction) 기술을 새로 적용하기 위해 링크 계층에서 새로운 패킷 포맷을 정의하고, 패킷 처리 절차를 변경하였다.
     이러한 기술 변화로 최초 BLE의 데이터 전송량인 약 300kbs에서 블루투스 5는 전송 속도를 1.4Mbps로 4.6배 향상시켰으며, 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 바로 비연결형 Advertising을 이용하는 대표 서비스이다.
     블루투스 v4.1 이전에는 Advertising 메시지 길이가 최대 39bytes로 한정되어 있어서 전송 가능한 데이터 길이가 최대 31bytes이었지만 블루투스 v4.2에서는 전송 가능한 최대 데이터 길이가 250bytes로 늘어났다. 블루투스 5에서 복수의 Advertising 메시지들로 긴 데이터를 분할하여 보낼 수 있는 확장된 Advertising 방식을 새로 정의했으며 3개의 불과한 Advertising 채널의 효율적 동작을 위해 데이터 채널에서 Advertising 메시지를 보낼 수 있도록 Primary Advertising과 Secondary Advertising으로 동작을 2단계로 구분할 수 있는 다양한 보조적인 Advertising 동작 방식들도 정의되었다. 변경된 Advertising 동작은 이어 설명할 위치 측위 기술과 저전력 오디오 전송 기술에 확용되어 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, Wifim 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 Traking) 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 제시해주는 서비스에 활용될 수 있다. 이를 위해 비컨의 Advertising 메시지에 비컨의 위치 정보와 비컨과 스마트폰 사이의 거리 특정을 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. 
4. 저전력 오디오 전송