RF와 Bluetooth의 비교

설계자는 휴먼 인터페이스 장치(HID), 사물 인터넷(IoT)용 원격 센서 등 다양한 응용 분야에서 무선 연결을 선택할 수 있습니다. Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee, 독점 RF 물리층(PHY) 설계 및 프로토콜 등과 같은 표준 기반 RF 인터페이스를 선택할지 여부를 결정하는 것은 기본적이지만 많은 설계자가 어려움을 느끼고 있는 부분이기도 합니다.

선택 이유는 다양하지만, 대부분은 비용, 보안, 전력 소비, 상호 운용성, 설계 시간, 전파 방해에 대한 내구성, 공존성, 대기 시간, 인증 요구 사항 등의 측면에서 상대적인 트레이드 오프를 찾는 것입니다. 이러한 트레이드 오프는 대부분 상호 연관되어 있으므로 설계자는 먼저 설계 요구 사항을 결정한 이후에 적절한 방법으로 최적화해야 합니다.

이 기사에서는 표준 Bluetooth 인터페이스와 독점 RF 프로토콜 중에서 선택할 때 고려해야 할 요소에 관해 설명합니다. 그런 다음 Bluetooth 5 모듈과 독점 프로토콜을 구현하는 기반이 되는 실리콘 솔루션에 대해 차례로 소개하고 각각을 신속하게 구동하는 방법에 대한 관련 지침을 제공합니다.

독점 RF의 장단점

독점 PHY 및 프로토콜은 보안, 저전력, 작은 실장 면적, 성능의 측면에서 설계를 최적화해야 하는 경우에 강점이 있습니다.

보안은 차고 도어 개폐기, IoT 장치 등 다양한 응용 분야에 중요합니다. 독점 무선 통신을 사용하면 다양한 방법으로 보안 문제를 해결할 수 있습니다. 무엇보다도, 독점 설계는 '모호함에 기반을 둔 보안(security-through-obscurity)'을 보장합니다. 즉, 잘 알려지지 않은 RF 인터페이스를 사용하면 해킹하기가 더 어렵습니다. 또한 독점 인터페이스는 P2P이거나 광역 네트워크에 연결되지 않은 폐쇄형 시스템에서 작동하므로 잘 드러나지 않는 경향이 있습니다. 마지막으로 독점 인터페이스 설계자는 다른 제조업체의 보안 알고리즘을 상호 운용할 필요 없이 고급 암호화 알고리즘을 자체적으로 개발하거나 기존 알고리즘을 조정할 수 있습니다. 다르다는 것은 그 자체로 보안상 이점이 됩니다.

독점 무선 통신 설계는 Wi-Fi 네트워크, 전자레인지, 무선 전화 및 기타 저전력 무선 네트워크의 전파 방해에도 불구하고 강력한 연결을 보장해야 하는 경우에 유리할 수 있습니다. 설계자는 표준에 얽매이지 않고 직접 시퀀스 확산 스펙트럼(DSSS), 주파수 호핑 확산 스펙트럼(FHSS) 등과 같은 기술을 사용하여 스펙트럼을 유연하고 효율적으로 활용할 수 있습니다. 또한, 예상되는 링크 버짓에 따라 선호하는 코딩 체계를 채택하여 처리량을 높이거나 전력 소비를 줄일 수 있습니다.

이러한 유연성은 데이터 패킷 구조에도 적용됩니다. 표준 기반 무선 장치와 상호 운용성을 보장하는 데 패킷 오버헤드가 필요하지 않은 경우 응용 분야의 요구 사항에 따라 패킷 구조를 간소화할 수 있습니다.

하드웨어 설계의 관점에서 성능 요구 사항이 정확히 이해되고 해당 요구 사항이 이후에도 변경되지 않을 것이라는 확신이 있다면 설계자는 독점 RF 인터페이스를 공간, 전력, 성능에 맞게 최적화할 수 있습니다. 또한, 이를 위해 응용 분야의 요구 사항을 충족하는 데 필요한 기능만 포함할 수 있습니다.

독점 RF는 많은 장점이 있지만, 다양한 요소를 고려해야 합니다. 첫째는 비용입니다. 특히 저비용 장치의 경우 맞춤형 RF IC 설계와 관련 소프트웨어의 초기 개발(NRE) 비용을 정당화하려면 예상 볼륨이 100,000개를 초과해야 합니다.

특히 RF 설계 변화와 체계적으로 검증된 RF 전문성 부족, 성공적인 설계를 위해 필요한 펌웨어 및 소프트웨어를 개발하는 데 걸리는 시간을 고려할 때 설계 시간도 비용에 못지않게 중요합니다.

널리 채택되고 지속적으로 조정되는 Bluetooth

Bluetooth는 완전히 반대입니다. Bluetooth는 사용자가 얽혀 있는 HID와 기타 장치에 대한 직관적인 P2P 케이블 대체 기술로 원래 설계되었지만, 곧 무선 오디오 및 장치 간 연결 솔루션으로 자리 잡았습니다. Bluetooth SIG(Special Interest Group)의 엄격한 제어로, Bluetooth는 잘 알려져 있을 뿐 아니라 설계자에게 하드웨어 소스에 상관없이 장치를 다른 Bluetooth 지원 장치와 연결하여 상호 운용할 수 있다는 믿음을 줍니다.

다양한 하드웨어 및 소프트웨어에서 널리 채택되고 상호 운용 가능한 장치가 증가하면서 무선 인터페이스가 필요한 설계의 비용은 감소하고 출시 시간은 단축되고 있습니다. 또한, 해가 거듭될수록 Bluetooth는 진화하고 있습니다.

Bluetooth는 항상 2.4GHz 산업, 과학 및 의료(ISM) 대역에서 작동하지만, 79개 1MHz 캐리어의 GFSK 변조부터 1Mbit/s의 처리량을 지원합니다. 이를 Bluetooth 기본 전송률(BR)이라고 합니다. IoT로 인해 무선 연결 장치가 증가하고 있지만, 적응형 FHSS 인코딩 체계를 사용하여 전파 방해에 대한 내구성을 지속적으로 유지할 수 있습니다. 데이터 전송률을 높이기 위해 Bluetooth 2.0+ EDR(향상된 데이터 전송률)에서는 π/4-DQPSK(Differential Quadrature Phase Shift Keying) 및 8DPSK 변조를 사용하여 각각 2Mbits/s 및 3Mbits/s의 전송률을 실현합니다.

Bluetooth는 SIG에 의해 엄격하게 제어되지만 설계자는 2010년에 Bluetooth 4.0 코어 사양이 도입된 이후에 변경된 내용을 잘 알고 있어야 합니다. 이때 Bluetooth 저에너지(BLE, 이전 마케팅 명칭은 Bluetooth Smart)가 도입되었습니다. BLE는 Bluetooth Classic과 하위 호환되지 않으므로 설계자는 주의해야 합니다.

BLE의 기본 목표는 전력 소비를 줄이는 것입니다. 이를 위해 장치가 항상 연결되어 있는 Bluetooth Classic의 연결 지향 접근 방식에서 필요한 경우에만 잠시 동안 연결하는 비연결 방식으로 전환되었습니다. 스마트 시계, IoT용 센서와 같은 웨어러블 응용 제품이 출시되었습니다.

다양한 멤버십 및 응용 제품의 요구 사항을 충족하기 위해 Bluetooth SIG는 사양을 지속적으로 개선하고 있습니다. Bluetooth가 진화해온 방식에 대한 자세한 내용은 'Bluetooth 4.1, 4.2, 5 호환 Bluetooth 저에너지 SoC 및 도구로 IoT 문제 해결(1부)를 참조하세요.

최신 버전인 Bluetooth 5의 경우 BLE 데이터 전송률이 1Mbit/s에서 2Mbits/s로 2배 증가하고, 더 강력한 순뱡향 오류 정정(FEG)을 사용하여 128kbit/s 연결 범위가 최대 50m로 4배 향상되었습니다. 데이터 전송률이 높을수록 주어진 시간 동안 더 많은 패킷을 전송할 수 있으므로, 장치가 저전력 또는 유휴 모드로 유지되는 시간이 길어져 전력 소비가 감소됩니다.

범위의 증가로 설계자는 비콘을 비롯한 Bluetooth 장치의 거리에 대해 무선 데이터 전송률을 유연하게 트레이드 오프할 수 있습니다. 비콘은 비콘이 주변에 있을 때 장치에서 특정 조치를 수행할 수 있도록 식별자를 주변 모바일 장치에 동보 통신으로 전달하는 배터리 구동 BLE 장치입니다. 광고주에게 인기 있는 비콘은 실내와 실외에서 정밀하게 추적할 수 있습니다.

하지만 SIG는 독점 FR 인터페이스 설계자도 수행 가능한 다른 흥미 있는 조정을 구현했습니다. 즉, 오버헤드와 페이로드의 비율을 낮추어 주어진 양의 '실제' 데이터를 전송하는 데 필요한 작업을 줄임으로써 전력 소비를 줄였습니다.

간단한 케이블 교체 기술로 시작했던 것이 훨씬 더 유용한 변화를 가져다주었습니다. 따라서 설계자는 이제 자체 RF 인터페이스를 설계하는 비용을 조사할 필요 없이 빠르고 쉬운 Bluetooth 솔루션을 훨씬 쉽게 찾을 수 있습니다.

Bluetooth에서 구동

Bluetooth 인터페이스에 대한 선택 증가로 출시 시간이 단축되고 설계 예산이 감소되고 있습니다. 또한 대부분의 설계에서 기성 Bluetooth 모듈을 수용할 여력이 생김에 따라 설계 팀은 최종 응용 제품과 차별화에 주력할 수 있습니다.

그런 모듈로는 Rigado의 BMD-330 Bluetooth 5 모듈(그림 1)이 있습니다. 많은 Bluetooth용 모듈이 있지만 이 모듈은 안테나가 기판에 내장되어 있다는 점이 특히 흥미롭고 유용합니다. 안테나 매칭과 배치는 RF 설계의 정교한 작업 중 하나이므로 설계자가 이 작업에서 벗어날 수 있다면 시간이 절약될 뿐 아니라 최적의 신호 커플링이 보장됩니다.

그림 1: 안테나 및 매칭 회로가 내장되어 쉽고 빠르게 구현할 수 있는 BMD-330 Bluetooth 5 모듈 (이미지 출처: Rigado)

이 모듈은 규제 승인, 자체적인 온보드 DC-DC 변환기 및 지능형 전력 제어를 지원하고 크기가 9.8mm x 14.0mm x 1.9mm에 불과한 완벽한 솔루션입니다. 안테나가 내장되어 있지만 효율적으로 작동하려면 적절한 접지면이 필요합니다. 또한 모듈의 안테나 부분에서 확장되는 영역에 구리나 기타 금속이 존재하지 않도록 하고, 모듈을 PC 기판 가장자리에 배치하여 안테나가 바깥을 향하도록 설치해야 합니다.

모듈을 인클로저에 장착할 경우 안테나 주위에 금속이 없어야 합니다. 그렇지 않으면 성능에 영향을 줍니다. 이 모듈은 야외 작업, 포팅, 에폭시, 오버몰딩, 컨포멀 코팅 등에 사용하도록 설계되어 조정되었으므로, 링크 버짓이 사양 내에 있는지 확인하려면 적용 후 추가적인 조치가 필요합니다.

이 모듈은 Nordic Semiconductor의 nRF52810 SoC(시스템온칩)을 기반으로 합니다(그림 2). 이 모듈은 Arm® Cortex®-M4 CPU 클록 64MHz를 사용하며 192Kbytes 플래시와 24Kbytes RAM이 장착되어 있습니다.

그림 2: Nordic Semiconductor의 nRF52810 SoC를 기반으로 하고 Arm® Cortex®-M4 CPU 및 2.4GHz 무선 통신을 탑재한 BMD-330 모듈 (이미지 출처: Rigado)

플래시 공간이 많지 않으므로 Rigado는 출고 시 모듈에 펌웨어를 제공하지 않습니다. 따라서 부트로더가 없으므로 직렬 전선 디버그(SWD) 인터페이스를 사용하여 펌웨어를 로드해야 합니다. 하지만 그런 다음에는 Nordic에서 SoftDevices라는 광범위한 프로토콜 스택 어레이를 제공합니다. 이는 미리 컴파일되어 사전 연결된 이진 파일로서, Nordic 웹 사이트에서 다운로드할 수 있습니다. nRF52810 SoC가 탑재된 BMD-330은 S132(BLE 중앙 장치 및 주변 장치) SoftDevice와 메모리에 최적화된 S112(BLE 주변 장치) SoftDevice를 지원합니다.

BMD-330 모듈의 주요 사양에는 +4dBm의 송신 전력과 -96dBm의 수신기 감도(BLE 모드)가 포함됩니다. 작동 전압은 3V이며, 소비 전력은 전송 모드에서 7.0mA(+4dBm) 및 4.6mA(0dBm)이고, 수신 모드에서는 4.6mA(1Mbit/s) 및 5.8mA(2Mbits/s)입니다. 전송 사양과 수신 사양 모두 DC-DC 변환기를 활성화한 것으로 간주합니다. 이 변환기를 비활성화하면 전류가 증가합니다.

독점 vs. Bluetooth 선택 대상

완전 맞춤형 독점 무선 통신 설계와 표준 Bluetooth 간에는 다른 옵션이 있습니다. 즉, 설계자가 자체 프로토콜 및 코딩 체계를 개발할 수 있는 기성 무선 통신 트랜시버를 채택하거나, Ant, Thread, ZigBee 등과 같은 기성 버전을 채택할 수 있습니다. 이는 사용 가능한 실리콘의 비용 하락과 광범위한 소프트웨어 지원 덕분에 설계 일정은 그대로 유지하면서 비용 최소, 차별화, 일정 부분의 최적화, 보안 강화 옵션을 찾고 있는 설계자에게 '적합'합니다.

이러한 모듈을 원하는 설계자에게 적합한 옵션으로는 Silicon Labs의 EFR32FG14 Flex Gecko 독점 프로토콜 제품군 SoC(그림 3)가 있습니다.

그림 3: 독점 소프트웨어를 추가 또는 개발할 수 있는 견고한 하드웨어 플랫폼을 제공하는 Silicon Labs의 EFR32FG14 Flex Gecko (이미지 출처: Silicon Labs)

BMD-330과 마찬가지로 EFR32FG14에서도 Arm® Cortex®-M4 코어를 사용하지만, 이 칩은 64MHz가 아닌 최대 40MHz에서 작동하므로 저전력 IoT 응용 분야에 훨씬 더 적합합니다. 또한 최대 256Kbytes 플래시와 32Kbytes의 RAM이 장착되어 있습니다. 이 칩은 2.4GHz 작동과 GHz 하위 단위(915MHz) 작동을 모두 지원하며, 안테나 정합 회로망에 대한 가이드를 제공합니다. 또한 이 칩은 다양한 안테나를 지원하여 주파수 선택 페이딩 효과를 완화합니다.

또한 MCU 주변 장치와 자동으로 상호 작용할 수 있는 12채널 Peripheral Reflex System, 최대 32개의 GPIO, 자율 하드웨어 암호화 가속기, 실제 난수 발생기 등 다양하고 유연한 I/O 및 보안 기능이 내장되어 있습니다. 또한 2.4GHz 작동과 GHz 하위 단위 작동을 모두 지원하는 전력 증폭기가 칩에 내장되어 있습니다.

개발 공정을 지원하는 Silicon Labs의 EFR32FG 라인용 SLWRB4250A 기판이 있습니다(그림 4). 이 기판에는 SoC, 헤더, 수정, 안테나 정합 회로, 소프트웨어 등이 포함되어 있습니다.

그림 4: 독점 저전력 무선 인터페이스를 실험하는 데 필요한 하드웨어를 제공하는 SLWRB4250A Flex Gecko 무선 통신 기판 (이미지 출처: Silicon Labs)

결론

완전 독점 RF 설계 경로 또는 표준 Bluetooth 무선 통신을 선택하는 데에는 다양한 이유가 있습니다. 비용, 시간, 성능, 크기, 보안 등 다양한 요소의 측면에서 각각 설계 및 응용 분야의 요구 사항을 충족하는 모듈이 있습니다. 하지만 대부분의 설계자는 기성 실리콘의 비용 및 시간 절약 이점에 약간의 독점적 차별화를 추가할 수 있는 유연성을 원하므로, 공급업체에서는 기반이 되는 강력한 하드웨어 플랫폼을 함께 제공하고 있습니다.