가장 널리 사용되고 있는 무선 기술인 블루투스의 최신 버전은 처리량 및 도달 거리가 크게 향상됨으로써 홈 자동화 애플리케이션에서도 경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

블루투스(Bluetooth®)는 초기부터 긴 여정을 거쳐 발전해 왔다. 1999년에 발표된 이 기술의 1.0 버전은 데이터 대역폭이 1Mbps였으며, GFSK(Gaussian Frequency Shift Keying) 변조방식 만을 지원할 수 있었고, AFH(Adaptive Frequency Hopping) 확산 스펙트럼은 갖추고 있지 않아 상호 운용성을 준수하는데 어려움을 겪었다. 

뒤이어 출시된 버전들에서는 대역폭, 범위, 보안, 향상된 간섭 내성 등을 보완하여 이러한 취약점을 해결했다. 예를 들어, 2009년에 발표된 블루투스 3.0 + HS는 최대 3Mbps의 블루투스 대역폭을 제공하며, 802.11 채널과 함께 사용하여 최대 24Mbps까지 속도를 높일 수 있었다.

2010년에 채택된 블루투스 4.0은 블루투스 저에너지를 핵심 요소로 도입했다. 이 버전의 코어 사양은 블루투스 저에너지 칩과 기존 버전의 BR(Basic Rate)/EDR (Enhanced Data Rate) PHY(Physical Layer)를 유지하면서도 새로운 저에너지(LE) PHY를 추가한 블루투스 칩 등 두 종류의 칩으로 세분화되었다. 

노르딕의 nRF51 및 nRF52 시리즈 SoC(System-on-Chip)는 멀티프로토콜 하드웨어를 기반으로 노르딕의 블루투스 저에너지 ‘SoftDevice’(RF 프로토콜 소프트웨어 또는 스택)를 지원한다. 블루투스 저에너지는 경량의 스택과 4.0 이후 버전의 블루투스와의 상호 운용성을 지원하며, (원래의 사양인) 1Mbps의 대역폭과 약 10m에 이르는 도달 거리, 다른 2.4GHz 무선 소스와의 뛰어난 내성 등을 갖추고 있다. 

IoT에 대한 대응

블루투스 4.0의 강력한 확산은 스마트폰과의 상호 운용성이 크게 좌우한 것으로 보인다. 피트니스 밴드, 원격제어 장난감과 같은 광범위한 ‘앱세서리(Appcessory)’들은 모바일 기기의 연산성능을 활용하거나 클라우드를 위한 게이트웨이로 모바일 기기를 이용하고 있다. 하지만 스마트폰에 대한 이러한 의존성은 스마트폰을 게이트웨이로 사용하는 것이 실용적이지 않은 산업 자동화와 같은 애플리케이션에서는 약점으로 지적되어 왔다. 

블루투스 4.1은 블루투스 저에너지 ‘주변장치’와 허브’로 동시에 동작할 수 있는 디바이스 기능과 IPv6(최신 버전의 인터넷 프로토콜(IP) 표준) 통신에 사용할 수 있는 전용 채널을 생성할 수 있는 방법이 추가됨으로써 이러한 약점을 해결했다. 블루투스 4.1 출시와는 관계가 없지만, 이 기술이 더욱 유리한 점은 IETF(the Internet Engineering Task Force)가 IPv6에 6LoWPAN(Low Power Wireless Personal Area Network)을 추가함으로써 게이트웨이 없이도 고유의 IP 주소를 센서에 부여하여 인터넷에 연결할 수 있게 되었다는 것이다. 

블루투스 4.1에 도입된 전용 채널과 IETF의 개발을 통해, 블루투스 4.2는 블루투스 저에너지 스택에 IPSP (Internet Protocol Support Profile)를 포함할 수 있게 되었다. IPSP를 사용하면, 장치는 블루투스 저에너지 전송 레이어를 기반으로 IPv6 패킷을 사용하여 IPSP를 지원하는 다른 장치를 검색하고, 통신할 수 있다. 

블루투스 4.2는 블루투스 4.1에 비해 패킷 용량이 거의 10배(27byte에서 251byte)로 증가했으며, 데이터 범위는 최대 2.5배까지 향상되었다. 이러한 향상된 기능은 장치간 통신을 개선하고, 빠른 업로드를 가능하게 한다. 또한 블루투스 4.2는 LE(Low Energy) 보안 연결(Secure Connection)을 비롯해 비대칭 ECC(Elliptic Curve Cryptography), LE 개인정보보호와 같은 몇 가지 보안 요소들을 도입했다. 

홈 오토메이션 구현

2016년 12월에 발표된 블루투스 5(이전 명칭 방식에 따라 5.0이라고 명명하지 않음)는 홈 오토메이션과 같은 IoT 애플리케이션에 대한 블루투스 저에너지 기술의 적합성을 한층 강화했다.

현재 코어 사양에는 2Mbps PHY(이전 버전에 사용된 1Mbps PHY와 함께)가 정의되어 있다. PHY 대역폭이 두 배로 늘어나도 블루투스 5의 블루투스 저에너지 패킷 구조가 변경되었기 때문에 곧바로 데이터 전송속도가 2배로 증가되지는 않지만, 1Mbps에서 800kbps에 달했던 전송속도에 비해 약 1.4Mbps의 데이터 전송속도를 달성할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 

빠른 처리량은 많은 애플리케이션에서 확실한 혜택을 제공하지만, IoT 기기를 위한 핵심 장점은 기능 및 보안 향상을 위해 주기적인 업데이트가 필요한 IoT 센서에 특히 중요한 빠른 OTA-DFU(Over-the-Air Device Firmware Updates)이다. 또한 2Mbps PHY는 정해진 양의 데이터를 전송하기 위해 무선장치가 활성화되는 시간이 1Mbps 디바이스보다 짧기 때문에 에너지를 절감할 수 있다. 

블루투스 5는 4.2 버전에 비해 최대 4배의 도달 거리를 제공하는데, 이는 많은 IoT 애플리케이션, 특히 커넥티드 홈 애플리케이션을 위해 중요한 장점이다. 예를 들어, 큰 주택이나 외부에 있는 모든 스마트 조명의 경우, 범위를 확장하기 위해 복잡한 메시 네트워킹이나 고가의 전력 증폭기(PA)를 사용하지 않고도 중앙 허브와 통신하는 데 충분한 도달 거리를 제공할 수 있다. 

도달 거리는 데이터를 전송하는 동안 패킷 손상을 감지하고, 수정하기 위해 FEC(Forward Error Correction)를 사용함으로써 향상된다. 이는 BER(Bit Error Rate)을 향상시켜 안정성을 개선하고, 범위를 증가시키지만, 처리량 감소 및 평균 전력소모 증가라는 대가를 치러야 한다. 

블루투스 5의 FEC는 S=2 또는 S=8의 두 가지 코딩 체계를 제공한다. S=2는 약 두 배까지 범위를 향상시키고, S= 8은 4배까지 향상시킬 수 있다. 하지만 비용은 전반적인 유효 데이터 전송속도에 영향을 미치는 오류 수정을 위해 전송되어야 하는 단위 시간 당 비트 수에 해당된다. 예를 들어, S=2를 사용하는 경우, FEC 인코더를 통과한 하나의 비트는 2비트가 되고, S=8 방식으로 구현하는 경우에는 8비트로 증가한다. 결과적으로 251byte 데이터 패킷을 전송하는 경우, 인코딩되지 않은 전송에 비해 S=2의 경우 약 4배로 늘어나고, S=8은 13배가 된다. 

패킷 전송 시간이 길어지기 때문에 데이터 전송속도는 코딩 방식에 따라 500kbps 또는 125kbps로 느려지는데다, 무선 장치는 높은 전원상태로 오래 유지되어야(배터리 수명 단축) 하고, 다른 2.4GHz 무선 소스와의 간섭 위험이 증가하게 된다. 

처리량 및 도달 거리 향상 이외에도, 블루투스 5는 보다 효율적인 데이터 전송을 위해 페이로드 크기를 늘리는 애드버타이징 확장 방식을 도입했다. 이 기능의 가장 보편적인 애플리케이션으로는 소매업체가 애드버타이징 패킷에 더 많은 정보를 소비자의 스마트폰에 전송할 수 있도록 해주는 비콘이 해당된다. 블루투스 5의 추가 기능은 브로드캐스팅을 위해 데이터 채널을 사용할 수 있도록 해준다. 

블루투스 5는 지그비(ZigBee) 및 ANT+와 같은 경쟁 기술이 갖추고 있는 메시 네트워킹 기능을 아직 지원하지 않는다. 메시 네트워킹은 IoT 애플리케이션을 위한 핵심 요구사항이며, 이후 업데이트될 블루투스 표준(2017년 말에 예정)에 추가될 것으로 보인다.

▲ 개발자는 노르딕의 nRF52840 PDK 및 nRF SDK 13.0.0-1.alpha를 이용하여 nRF52840 SoC의 향상된 블루투스 5 처리량 

및 도달 거리를 테스트할 수 있다.

5가지 솔루션

S140 SoftDevice가 지원되는 노르딕의 nRF52840 SoC는 블루투스 5(2Mbps PHY 및 도달 거리 향상을 위한 S=2, S=8 FEC 방식 지원)와 완벽하게 호환된다. nRF52832 SoC는 최신 사양의 처리량 요구사항과 호환된다. 

올해 개최된 CES 2017 전시회에서 nRF52840 SoC를 기반으로 칩의 도달 거리와 처리량 성능을 보여주는 데모가 진행되었다. 이 데모는 nRF SDK(Software Development Kit) 13.0.0-1.alpha에서 제공되는 ‘ATT_ MTU’ 처리량 예제를 기반으로 개발되었으며, 개발자가 다양한 블루투스 저에너지 파라미터를 구성하여 처리량 및 도달 거리에 미치는 영향을 테스트할 수 있도록 해준다. 이 데모는 2개의 nRF52840 PDK(Preview Development Kit) 또는 nRF52832 DK(Development Kit)가 필요하다.(nRF52832 DK는 블루투스 5의 장거리 기능을 지원하지 않는다.)

노르딕 개발자 존(Nordic Developer Zone: tinyurl.com/jsh3q2g)에서 이 데모의 설정방법에 대한 블로그를 확인할 수 있다. 또한 nRF52840 SoC를 이용한 장거리 동작 데모 사례(tinyurl.com/hgu9gnw)도 확인할 수 있다. 

존 레오나드(John Leonard)

노르딕 세미컨덕터 제품 마케팅 매니저