사물 인터넷을 위한 Bluetooth 5 기술

Bluetooth 표준의 최신 버전인 Bluetooth 5는 비연결형 서비스를 위해 더 긴 범위, 더 높은 속도 및 확장된 지원과 같은 다양한 향상된 기능을 제공하도록 설정되었습니다. 이는 현재의 Bluetooth 4.2 기술에 비해 현저히 향상되었으며 스마트 환경을 위한 새로운 IoT 응용 분야를 열어 줄 것입니다.

이로 인해 회사와 개발자는 액세스가 가능하고 상호 운용이 가능한 사물 인터넷을 실현할 수 있습니다. 이 새로운 표준은 500Kbps 및 250Kbps까지 데이터 전송률을 줄여 기존 장치 범위의 4배로 모드를 지정하여 더 많은 센서를 가정에서 안정적으로 사용할 수 있도록 합니다. 이 범위는 컨트롤러 및 센서 간에 더 긴 거리를 허용할 뿐만 아니라 최종 장치를 위한 더 견고한 연결을 제공합니다. 이 제품은 또한 데이터 전송률을 2Mbps까지 두 배로 제공하여 모니터로부터 또는 무선 스피커로 더 높은 품질의 오디오 스트리밍을 허용하므로 사용자 경험을 향상시킵니다.

시장 조사에 따르면 2020년에는 Bluetooth가 설치된 모든 IoT 장치의 1/3을 초과할 것이며 이는 스마트폰에서 컨트롤러로 작동하도록 하는 유비쿼터스의 구현으로 가능합니다. 하지만 스마트폰에서 Bluetooth 5 칩을 컨트롤러로 구현하기 위한 요구 사항 또는 무선 헤드셋으로 스트리밍하기 위한 요구 사항은 사물 인터넷을 위한 요구 사항과 매우 다릅니다. 이러한 IoT 응용 분야는 또한 시스템의 배터리 수명을 극대화하기 위해 더 섬세한 전력 관리가 필요하기 때문에 최적화된 DC-DC 컨버터는 점차 SoC의 공통 요소가 됩니다.

칩 설계자에게 제공되는 설계는 이제 IoT를 위한 SoC 장치의 요구 사항을 수용합니다. 예를 들어, RivieraWaves Bluetooth IP 플랫폼은 하드웨어 기저대역 컨트롤러, 디지털 모뎀 및 세부 소프트웨어 프로토콜 스택으로 구성됩니다. 이 스택은 최대 GAP/GATT의 링크 계층 및 서비스 및 프로파일의 설정을 포함합니다. Riviera 기술은 MKW31Z256과 같은 NXP의 이전 세대 Bluetooth 4.2 장치에 이미 사용되고 있습니다.

그림 1: 사물 인터넷을 위한 단일 칩 시스템에서 사용하기 위해 RivieraWaves에서 개발한 Bluetooth 5 IP

이 하드웨어 기저대역 컨트롤러는 Verilog IP 패키지로 제공됩니다. 이 제품은 패킷 인코딩/디코딩 및 프레임 스케줄링을 수행하며 하드웨어 AES128 암호화 엔진으로 보완됩니다. 이 소프트웨어 스택은 칩 개발자가 수정할 수 있는 링크 계층, L2CAP, ATT, SMP, GAP/GATT, 서비스 및 프로파일을 갖춘 C 코드 IP 패키지로 제공됩니다.

그림 2: RivieraWaves Bluetooth 5 IP 프로토콜 스택

BLE 모드는 Bluetooth 이중 모드와 다르며 프로토콜 스택에는 스마트폰에서의 산업 표준 HCI 인터페이스가 포함됩니다. 유연한 무선 통신 인터페이스를 통해 플랫폼을 RivieraWaves RF IP 또는 다양한 파트너의 RF IP 중 하나로 배포할 수 있어 주문 생산 공장 및 공정 노드의 최적화된 선택을 지원합니다.

다른 IP 제조업체인 Mindtree는 Texas Instruments와의 협업을 통해 CC1350 프로세서에 Bluetooth 4.2 스택을 적용합니다. 이는 다양한 물리층 및 RF 표준을 위해 설계된 유연한 저전력 RF 트랜시버와 48MHz ARM® Cortex®-M3 마이크로 컨트롤러를 결합하여 Bluetooth 5 업그레이드를 상대적으로 간소화합니다. 무선 통신을 위한 2Mbps GFSK 변조 방식으로 사용자에게 시스템 처리량에 대한 상당한 개선을 제공하고 하드웨어에 구현하는 것도 상대적으로 간단합니다.

이 스택은 ROM 또는 RAM에 저장된 저레벨 RF 프로토콜 명령어를 처리하는 무선 통신 컨트롤러로 전용 Cortex-M0에서 실행됩니다. 사물 인터넷을 위한 센서는 아날로그 및 디지털 센서를 처리하도록 구성될 수 있는 전용의 자율적 초저전력 컨트롤러로 처리할 수 있어 주 Cortex-M3 코어를 절전 모드로 유지할 수 있습니다. 전력 및 클록 관리와 무선 통신 시스템은 올바르게 작동될 수 있도록 특정 구성과 소프트웨어에 의한 처리가 필요하며 이는 전용 실시간 운영체제(TI-RTOS)에 의해 구현됩니다. 이것은 또한 Bluetooth 5의 새 기능을 포함하도록 업데이트됩니다.

이것은 애드버타이징 패킷을 237바이트까지 확장하여 애드버타이징을 위한 데이터 채널을 개방하고 또한 주기적인 애드버타이징의 개념을 도입합니다.

Mindtree는 또한 Synopsys와 협력하여 TSMC의 55nm 및 180nm 공정에서 4.2를 위한 완벽한 Bluetooth Smart IP 설계를 개발합니다. 이 협력으로 Synopsys 물리적 IP를 Mindtree의 BlueLitE 링크 계층 및 소프트웨어 스택 IP를 결합하여 칩 설계자에게 IoT 응용 제품을 위한 초저전력 단일 칩 시스템(SoC)에 대한 위험과 통합 문제를 최소화하는 완벽한 BLE 블록을 제공합니다. Synopsys의 PHY IP는 1볼트 공급 미만으로 작동하여 배터리 수명을 확장하며, 통합 안테나 결합 네트워크를 갖추어 안테나 및 소스 간에 적절한 신호 전송을 보장하여 외부 부품 비용을 줄일 수 있습니다.

Bluetooth 5가 이제 장치에서 구현되고 있습니다. 예를 들어 Nordic Semiconductor의 SoC 장치 nRF52 제품군은 칩 상의 1MB 플래시 및 256kB RAM을 갖춘 32비트 ARM Cortex-M4F 코어를 중심으로 구축된 초저전력 다중 프로토콜 SoC 제품군입니다. 최신 내장형 2.4GHz 트랜시버는 새로운 2Mbps 및 기존 1Mbps 속도에서 500kbps 및 125kbps의 Bluetooth 5 장거리 속도에 이르기까지 하드웨어에서 Bluetooth 5 저에너지 데이터 전송률을 모두 지원합니다. 무선 통신은 고분해능 RSSI 측정 및 CPU 부하를 줄이는 자동화 기능을 포함하여 패킷 데이터 및 조립품의 직접 메모리 액세스를 위한 EasyDMA를 지원합니다. Nordic은 또한 Bluetooth 5 저에너지를 위한 프로토콜 스택(이 스택은 SoftDevices로 알려짐)을 직접 제공하며 Nrf52840은 Bluetooth 5 사전 인증된 Bluetooth 저에너지 프로토콜 스택인 S140 SoftDevice에 의해 지원됩니다.

그림 3: Nordic Semiconductor의 nRF52 개발 기판을 통해 최신 Bluetooth 5 장치 평가

다양한 기존 Bluetooth 4.2 장치는 다음 세대를 염두에 두고 설계되었으며 사물 인터넷을 위한 SoC의 Bluetooth 소자는 상대적으로 적은 칩 설계 부품일 수 있습니다. 예를 들면 Cypress Semiconductor의 CYBL11573에서 칩 대부분은 그림 4에 표시된 대로 주변 장치 처리에 주력합니다.

그림 4: IoT 응용 제품에 필요한 센서 관리에 주력하는 Cypress Semiconductor의 CVBL11573

SoC를 위한 BLE 서브 시스템은 링크 계층 엔진 및 물리층으로 구성되어 있습니다. 링크 계층 엔진은 마스터/슬레이브 역할 모두를 지원하고 하드웨어 내의 암호화와 같이 시간이 중요한 기능을 구현하여 전력 소비를 줄이고 프로세서 개입을 최소화하며 높은 성능을 제공합니다. 호스트 제어 인터페이스(HCI) 및 링크 제어와 같은 핵심 프로토콜 소자는 펌웨어에서 구현됩니다. Bluetooth 5 구현에서 변경되는 소자가 있습니다.

물리층은 또한 더 높은 2Mbps 데이터 전송률을 처리하도록 변경됩니다. 이는 이미 GFSK 변조를 사용하여 이 BLE 패킷의 디지털 기저대역 신호를 안테나를 통해 공기로 전송하기 전에 무선 통신 주파수로 변환합니다. 수신 방향에서 이 블록은 GFSK 복조를 수행한 후에 안테나로부터의 RF 신호를 디지털 비트 스트림으로 변환합니다. RF 트랜시버에는 통합 발룬이 포함되어 단일 엔드 RF 포트 핀을 제공하여 PI 정합 네트워크를 통해 50Ω 안테나 단자를 구동합니다. 다양한 응용 제품을 위한 전류 소비를 최적화하도록 출력 전력을 -18dBm ~ +3dBm까지 프로그래밍할 수 있습니다.

이와 마찬가지로 Silicon Labs의 Bluetooth 컨트롤러 EFR32MG 제품군을 Bluetooth 5로 업그레이드할 수 있습니다. 현재 제품군은 실장 면적 호환 가능 QFN 패키지를 사용하는 모든 확장 가능 메모리 및 무선 통신 구성 옵션을 갖춘 40MHz ARM Cortex-M4 코어를 사용합니다. 다른 IoT 구현과 같이 12채널 주변 장치 Reflex 시스템은 주변 장치의 자율적 관리가 가능하며 통합 2.4GHz 벌룬 및 전력 증폭기는 최대 19.5dBm 송신 전력을 제공합니다.

결론

2017년 초 Bluetooth 5의 출시로 칩 개발자는 사물 인터넷을 대상으로 하는 단일 시스템 장치에서 기능성을 제공하는 데 다양한 접근 방식을 취하고 있습니다. RivieraWaves 또는 MindTree와 같은 공급업체로부터의 물리적 및 소프트웨어 IP를 사용하면 개발자가 적은 위험으로 추가 주변 장치와 전력 관리에 전념할 수 있습니다. 다른 업체들도 추가 기능을 더하거나 다이 크기를 줄이기 위해 SoC 설계 내에 Bluetooth 5 기능을 완벽하게 통합하는 것을 모색하고 있습니다.

두 접근 방식은 IoT 노드 설계자에게 새로운 기능을 부여합니다. 더 낮은 전력 소모, 더 긴 거리 및 더 높은 데이터 전송률로 Bluetooth 5 내장형 개발자는 자신들의 IoT 장치에 더 정교한 무선 연결을 쉽게 추가할 수 있습니다.