Bluetooth® 저에너지 기술의 성장

아직은 Bluetooth^® 저전력(BLE)이 전자 설계의 일부분이 아닐 수 있지만 곧 그렇게 될 가능성이 높습니다. 이 무선 연결 기술은 지난 3년 동안 폭발적으로 성장했습니다. 이 기술은 이제 스마트 워치, 피트니스 추적기, 스마트폰 부속품 및 의료용 모니터 등 수백만 가지의 전자 장치에 저전력 연결을 제공합니다. 향후 예정된 기술 향상에 힘입어 BLE는 차세대 소비자 가전 및 부상하는 사물 인터넷에 더욱 널리 쓰일 태세를 갖추고 있습니다.

여러 기술 향상은 최근 코어 사양이 업데이트된 Bluetooth 4.1에 통합되어 있습니다. 그 중에는 더욱 효율적인 대용량 데이터 전송 지원, 더욱 유연한 장치 간 통신, 동시 이중 모드 역할 및 IP 기반 통신을 향한 첫걸음을 들 수 있습니다. 이러한 기술 발전은 BLE를 전력 소비, 성능 및 비용 측면에서 더욱 매력적으로 만듭니다.

Bluetooth 4.1에 포함된 향상에 더하여 BLE 칩 그 자체도 계속 개선되어 왔습니다. 효율성 개선 덕분에 2세대 BLE는 범위 또는 성능의 손실 없이 전력 소비가 약 66% 감소할 것입니다.

최근의 BLE 변화와 앞으로도 계속될 변화를 감안할 때 기술 현황과 향후 발전 방향에 대해 살펴봐야 합니다.

BLE 기본

최대 데이터 전송률보다 저전력 소비에 최적화된 무선 통신 기술의 경우 BLE가 완벽한 선택입니다. BLE는 Bluetooth 클래식에서 요구하는 평균 전력에 비해 최저 100분의 1만을 소비합니다. BLE의 피크 전류 소모는 최저 15mA에 달하는데 Bluetooth 클래식의 경우 40mA 이상에 달합니다. 이러한 전류 소비 절약으로 BLE는 응용 제품에 따라 동전형 전지 배터리 하나로 수개월 또는 수년 동안 작동할 수 있습니다.

BLE는 주로 대부분의 시간 동안 무선 기능을 끔으로써 저전력 소비를 달성합니다. BLE는 단 세 개의 광고 채널만을 스캔하고 8옥텟 ~ 27옥텟의 작은 패킷 크기의 짧은 데이터 버스트를 전송 또는 수신할 때만 무선이 작동합니다. 또한 BLE는 매우 빠르게 연결을 설정하여 무선이 켜져 있는 시간을 더욱 최소화시킵니다. 인증된 데이터의 송신 시간은 BLE의 경우 최소 3ms인 반면 Bluetooth 클래식은 통상 1000ms입니다.

데이터 전송률의 경우 BLE의 최대 실질 데이터 전송률은 통상 100kbs 미만입니다. 따라서 최대 3Mbps의 데이터 전송률을 제공하는 Bluetooth 클래식은 연속적인 스트리밍 응용 제품에 사용 가능하도록 의도된 것은 아닙니다.

또한 그 외에도 BLE와 Bluetooth 클래식 간 기술 차이점이 있습니다. 그 중 대표적으로 BLE는 각 슬레이브마다 모든 패킷에 스타 네트워크 토폴로지 및 32비트 액세스 주소를 사용하는데 이는 이론적으로 주어진 시간에 수십억 개의 장치가 연결될 수 있도록 합니다. 반면 Bluetooth 클래식의 피코넷 토폴로지는 한 번에 최대 8개의 장치만을 허용합니다.


그림 1: Bluetooth 저전력 장치는 동전 크기의 배터리 하나로 수년 간 작동할 수 있습니다.

기타 BLE의 기술 특징은 다음을 포함합니다.

• 최적화된 GSFK 변조. Bluetooth 클래식과 같이 BLE는 GSFK 변조 방식을 사용합니다. 하지만 BLE는 더 큰 범위로 변환되는 더 낮은 비트의 오류율에 대해 더 높은 변조 색인과 2MHz 채널을 사용합니다.
• 적응형 주파수 호핑. BLE 기술은 장치가 연결되었을 때 Bluetooth 클래식과 동일한 적응형 주파수 호핑 방식을 사용합니다. 적응형 주파수 호핑은 다수의 무선 장치가 공유하는 2.4GHz ISM 대역에서 다른 기술로부터의 간섭을 최소화시킵니다.
• 견고함. BLE는 각 패킷에 단일 24비트 순환 중복 확인(CRC)을 사용하여 헤더 및 데이터 필드가 홀수 번호 비트 오류와 더불어 2비트 및 4비트 오류를 감지할 수 있습니다. 24비트 CRC는 16비트 또는 32비트 CRC에 비해 BLE의 데이터 페이로드에 최적화되어 있습니다.
• 엄격한 보안. BLE 암호화 및 인증은 미국 정부가 데이터 보호를 위해 개발한 암호 시스템인 128비트 고급 암호화 시스템(AES-128)으로 구현됩니다.

Bluetooth 4.1의 또 다른 핵심 측면은 이중 모드 기능입니다. 센서 또는 전화 부속품과 같은 장치는 종종 BLE만을 사용하지만 스마트폰 및 태블릿은 자주 BLE 및 Bluetooth 클래식 모두를 통해 통신하는 무선 허브로 작동합니다. Bluetooth 코어 사양으로 인해 이러한 이중 모드 구현이 가능합니다. 본질적으로 이중 모드 모듈은 클래식과 BLE 통신 스택을 통합하고 안테나 공유를 허용합니다. 단일 및 이중 모드 장치는 각각 Bluetooth Smart 및 Bluetooth Smart Ready로 지정되었습니다.

BLE의 미래

현재 상태 그대로도 BLE 기술은 이미 저전력 무선 연결이 필요한 장치에 탁월한 솔루션을 제공합니다. 그러나 BLE는 더욱 전력 효율적이 될 예정이고 Bluetooth 4.1에 포함된 향상으로 인해 사물 인터넷을 구성할 차세대 무선 장치 및 스마트 개체를 설계하기 쉬워질 것입니다.

기존 장치에도 호환 가능한 이러한 Bluetooth 4.1의 향상은 다음을 포함합니다.

• 다중 역할 지원. 링크 레이어 및 이중 모드 토폴로지에 대한 변화를 통해 이중 모드 장치가 Smart Ready 허브이자 Smart Devices로 동시에 작동할 수 있습니다.
• 데이터 교환 효율성. 논리 링크 제어 및 적응 프로토콜(L2CAP)에 연결 지향적인 채널을 추가함에 따라 오버헤드를 최소화하면서 더 효율적인 BLE 장치 간 대용량 데이터를 전송할 수 있습니다.
• 연결 개선. 엔지니어는 자동화된 재연결 등 Bluetooth 연결을 만들고 유지하는 데 더 큰 유연성을 가지게 됩니다.
• IP 기반 연결. 사물 인터넷의 기반을 닦는 새 코어 사양은 전용 L2CAP 채널을 추가하여 IPv6 통신의 기술적 토대를 만듭니다.

저전력 무선 대체품

저전력 무선 통신 분야에서 Bluetooth 저전력(BLE)만이 유일한 제품은 아닙니다. ANT 및 ZigBee는 BLE에 버금가는 기능을 가지고 있고 두 개 모두의 무선 표준도 자리잡았습니다. 그러나 BLE는 그 기술적 역량과 개방형 프로토콜이라는 사실을 고려할 때 큰 장점을 가집니다.


그림 2: ZigBee와 BLE 간 배터리 수명 및 데이터 전송률 비교

Bluetooth 저전력 구현 전략

응용 제품 프로토콜을 결정한 다음에는 BLE 모듈을 구매하든 자체 이산 솔루션을 만들든 그것을 어떻게 구현할지 결정해야 합니다. 두 가지 방법 모두 가능하지만 다음의 세 가지 시나리오에서는 확실하게 모듈이 더 적합합니다.

• 소량 생산. 100,000개 미만의 단위를 생산하는 경우 모듈은 이산 부품에 비해 비용 측면에서 확실한 장점을 가집니다. 칩 기반 BLE 구현에 소요되는 개발, 제조, RF 인증 및 테스트 비용을 모두 합치면 보통 $150,000 ~ $200,000 사이가 됩니다. 이를 100,000개 미만의 제품당 비용을 계산해 보면 RF의 비용이 굉장히 비싸질 수 있습니다. 100,000 ~ 150,000개 생산 시 총비용 측면에서는 모듈이든 칩 솔루션이든 가능합니다. 150,000개 초과의 단위에서는 이산 솔루션이 더 우세합니다.
• 빠른 시장 출시 시간 목표. 또한 모듈은 시장 출시 시간을 고려할 때 장점을 가집니다. 이산 RF 응용 제품은 개발에 통상 3개월 ~ 6개월의 시간이 걸리는데 이는 전문 엔지니어 팀의 경우에도 마찬가지입니다. 대부분의 맞춤형 프로그래밍을 API 및 문자열 명령 세트로 바꿈으로써 모듈은 개발 과정을 획기적으로 단축시킬 수 있습니다. 또한 모듈은 사전 인증되어 인증 절차에 소요되는 시간과 비용도 제거할 수 있습니다. 결론적으로 모듈은 몇 주 만에 새 제품 설계에 넣을 수 있어 시장 출시 측면에서 큰 장점을 보여줍니다.
• 긴 수명 주기. 모듈은 수명 주기가 있는 제품에서 노후화를 막아 해당 집적 회로보다 더 오래갈 수 있습니다. 모듈 설계는 기존의 핀아웃, 기능, 크기 또는 펌웨어 인터페이스에 대한 변화 없이 필요할 때마다 새 칩을 통합할 수 있습니다.

그림 3: 모듈과 칩 비용 비교.

Bluetooth 저전력 모듈

Panasonic은 여러 BLE 모듈을 출시했습니다. 그 중 세 가지 모듈은 아래와 같습니다.


그림 4: PAN1740 단일 모드 Bluetooth LE 모듈.

PAN1740 단일 모드 Bluetooth 저전력 모듈 - 'nanoPower'

• 0 dBm에서의 Tx 전류: 5mA
• 소형 실장 면적: 9mm x 9.5mm x 0.3mm
• 고감도(통상 -93dBm)
• 최대 0dBm의 Tx 전력 제어
• 배치 시 바로 작동
• 자율적인 독립형 작동
• Bluetooth Smart® 모듈
• 내장형 BLE 스택 및 GATT 프로파일
• 산업 온도 범위: -40°C ~ 85°C
• 두 개의 내부 수정 발진기
• EMI 방지를 위한 통합 차폐
• 외부 부품 필요 없음

그림 5: PAN1720/PAN1721 단일 모드 Bluetooth LE 모듈.

PAN1720 및 PAN1721 단일 모드 Bluetooth 저전력 모듈

• 규격 15.6mm x 8.7mm x 1.9 mm의 표면 실장 패키지
• 송신 전력 제어를 갖춘 최대 4.0dBm의 통상 Tx 전력
• 통상 -94dBm의 고감도
• Texas Instrument의 CC2540 단일 칩 BLE 솔루션 기반
• 고성능, 저전력 8051 마이크로 컨트롤러 코어
• 외부 부품 필요 없음
• 빠른 연결 설정
• 내부 26MHz 수정 발진기
• 절전 타이머용 내부 32kHz 수정 발진기
• 두 개의 강력한 USART
• 배터리 모니터 및 온도 센서
• PAN1720은 USB 인터페이스 제공
• PAN1721은 I²C 인터페이스 제공

그림 6: PAN1326 이중 모드 BLE 및 클래식 모듈.

PAN1326 이중 모드 BLE 및 클래식 모듈

• Tx 전력, Rx 감도 및 차단을 위한 동급 최고 Bluetooth RF 성능
• 정규화된 Bluetooth v4.0 + EDR
• 치수: 6.5mm x 9mm x 1.7mm(PAN1316)
• 인증: Bluetooth, FCC, CE, IC
• 작동 온도 범위: -40°C ~ 85°C
• 프로파일: 모든 프로파일 지원
• TI의 CC2564 기반
• 거의 모든 마이크로 컨트롤러와 통합
• ACL 및 eSCO 모두를 위한 고속 알고리즘
• 확장 범위 지원, Tx 전력 통상 출력 10.5dBm

2014년 초 BLE 및 이중 모드 칩과 모듈에서 Bluetooth 4.1에 포함된 향상을 확인할 수 있습니다. 더 멀게는 배터리 구동 응용 제품의 전력 예산에 긍정적인 영향을 미치는 BLE 혁명이 계속될 것입니다.

이 혁명의 시작은 시장을 강타하고 있는 새 BLE 이산 IC 및 모듈에서 찾아볼 수 있습니다. 이러한 장치는 일반적으로 초저전력 BLE로 알려져 있지만 개별 제조업체는 이미 Panasonic의 nanoPower 계열 같은 상표를 도입했습니다. nanoPower 장치는 송신 및 수신 전류 소비를 현재 세대 BLE 장치 대비 66% 이상, Bluetooth 클래식 장치 대비 90% 가까이 줄입니다. 또한 이러한 전류 절감은 범위 감소, 송신 전력 감소 및 Bluetooth 사양의 조작 없이 달성할 수 있습니다.