초저전력 Bluetooth

무선 헤드셋을 연결하는 휴대 전화는 전 세계적으로 거의 모두 Bluetooth® 트랜시버를 사용합니다. 현재 새로 출시되는 대부분의 PC는 같은 목적으로 Bluetooth 칩을 통합하여 사용자가 말하거나 듣는 동안 입력할 수 있습니다. 새로 출시된 대부분의 자동차에는 Bluetooth가 장착되어 운전 중에 자유롭게 대화할 수 있습니다. 하지만 많은 장점에도 불구하고 Bluetooth가 적어도 현재까지 적합하지 않았던 광범위한 응용 분야가 있습니다.

Bluetooth는 상당히 고속으로 연속 스트리밍 데이터를 처리하도록 설계된 연결 지향 프로토콜로, 무선 헤드셋을 휴대 전화에 연결하는 데 매우 적합합니다. Bluetooth의 사양 변경은 저전력을 사용하면서 데이터 전송률을 높이는 데 집중되어 왔습니다. 기본 속도(BR)를 사용하여 최대 720kbps에서 동기식 및 비동기식으로 연결할 수 있습니다. Bluetooth 버전 2.0(2004)에는 실제로 2.1Mbps보다 높은 3Mbps의 확장 데이터 전송률(EDR)이 추가되었습니다. Bluetooth 3.0(2009)에는 상호 위치의 802.11 링크에 걸쳐 통신하는 대체 MAC/PHY(AMP)를 사용하여 최대 24Mbps의 고속(HS) 데이터 기능이 추가되었습니다. 뛰어난 엔지니어링 기술에도 불구하고 고속으로 처리하려면 전력 소비가 증가하게 되었습니다.

하지만 Bluetooth 저에너지는 처음부터 초저전력(ULP) 프로토콜로 설계되어 단일 동전형 전지 배터리로 수개월 또는 수년까지도 사용 가능한 근거리 무선 장치를 지원합니다. Bluetooth 버전 4.0(2010)에 도입된 Bluetooth 저에너지는 간단한 스택을 사용해 아주 가끔 소량의 데이터를 전송하는 무선 센서와 같은 저전력 장치로 비동기식 통신을 할 수 있습니다. 연결이 신속하게 이루어지고 데이터 교환이 완료되는 즉시 분리되어 시간의 PA와 전력 소비를 최소화합니다.

Bluetooth 핵심 사양 버전 4.0에는 'Classic Bluetooth', Bluetooth 고속 및 Bluetooth 저에너지에 대한 전체 사양이 포함됩니다. Bluetooth 저에너지는 완전히 새 제품이지만, 이미 유통 중인 20억 개 이상의 Bluetooth 장치와 하위 호환성을 유지하는 이점이 있습니다. 버전 4.0은 Bluetooth 저에너지의 설계를 손상하지 않고 이 문제를 처리하기 위해 다음 두 유형의 장치를 도입했습니다.

• 이중 모드 칩 - Classic Bluetooth 장치뿐 아니라 초저전력 장치의 단일 모드 칩과 통신할 수 있습니다.
• 단일 모드 칩 - 소형 Bluetooth 저에너지 프로토콜 스택을 실행합니다. 이 칩은 다른 단일 모드 칩 또는 칩 구조의 Bluetooth 저에너지 부분을 사용하는 이중 모드 칩과 통신할 수 있습니다.

현재 출시되기 시작한 이중 모드 칩은 모든 휴대 전화, PC, 자동차 등에 Bluetooth 기능을 제공합니다. 이중 모드 칩은 기존의 Bluetooth 장치뿐 아니라 의료, 산업, 소비자 가전 등 다양한 응용 제품에서 Bluetooth 저에너지를 실행하는 새로운 저전력 장치와 통신할 수 있습니다. 실리콘 비용의 추가 정도만으로 이러한 기능이 제공됩니다.

광고에서 사용

Bluetooth 저에너지 무선 통신은 2.4GHz ISM 대역에서GFSK 변조를 사용하는 40개 채널 이상에서 주파수 호핑을 운영해 1Mbps 까지 데이터 전송률에 도달합니다. Bluetooth 저에너지는 주파수 분할 다중 접속(FDMA) 및 시분할 다중 접속(TDMA)의 데이터 접근 방식을 사용합니다.

FDMA 방식에서 LE 무선 통신은 2MHz로 구분된 40개의 물리적 채널 간에 호핑하며, 그 중 세 개의 채널은 광고 채널로, 그리고 37개 채널은 데이터 채널로 사용됩니다. TDMA 방식에서는 한 개의 장치가 미리 정해진 시간에 패킷을 전송하고 스캐닝 장치가 이미 정해진 간격 후에 다른 패킷으로 응답합니다. 데이터는 Bluetooth 저에너지 장치 간에 광고 이벤트(그림 1 참조) 및 연결 이벤트(그림 2 참조)로 알려진 두 개의 시간 단위 동안 전송됩니다.

광고 채널을 사용해 인근에 사용 가능한 장치를 찾을 수 있습니다. 애드버타이저가 통신할 데이터가 있음을 알리는 패킷을 전송합니다. 그런 다음 스캐닝 장치가 광고 장치에 해당 광고 채널에서만 브로드케스팅하기 위해 다른 광고 패킷을 전송하도록 요청하거나 또는 일반적으로 양방향 통신 연결을 설정하도록 요청합니다. 

연결이 요청되면 동일한 광고 채널이 장치를 연결하는 데 사용되고, 그런 다음 통신을 위해 데이터 채널을 사용합니다. 연결하려면 초기 장치는 채널 및 데이터 교환의 시간을 정의하며 광고 또는 슬레이브 장치와의 통신 대기 시간을 평가하여 이 파라미터에 변경 사항을 지속적으로 요청하여 전력 소비를 최적화합니다.

연결이 이루어지면 스캐너는 마스터 장치가 되고 애드버타이저는 슬레이브가 됩니다. 주파수 호핑이 초기화되고 연결 이벤트 동안 데이터 패킷이 각 주파수에서 교환됩니다. 마스터 또는 슬레이브는 언제든지 통신을 중단할 수 있지만, 마스터는 각 연결 이벤트를 초기화합니다.

에너지 절약

Bluetooth 저에너지가 전력 소비를 최소화하는 방법 중 하나는 잠시 동안만 무선 통신을 사용하는 것입니다. Bluetooth 저에너지 무선 통신은 다른 장치를 검색하는 데 0.6ms ~ 1.2ms에서3개의 광고 채널만 스캔하지만, 클래식 Bluetooth 무선 통신은 32개의 채널을 연속적으로 스캔해야 하며 매번 22.5ms가 필요합니다. 이 기능 하나만으로도 저에너지 장치가Classic Bluetooth 장치보다 전력 소비를 10 ~ 20배 절감할 수 있습니다.

Classic Bluetooth와 마찬가지로Bluetooth 저에너지는 적응형 주파수 호핑을 활용하여 공동 위치의 무선 통신에 대한 방해를 최소화합니다. 하지만 Bluetooth 저에너지는3개의 고정 광고 채널을 사용하므로 방해로부터 보호되지 않습니다. 하지만 하나의 인스턴스(2402GHz, 37채널)만 Wi-Fi(1채널)와 종종 충돌이 있으므로 이 채널이 선택되었으며, 설계상으로는 Bluetooth 저에너지 데이터와 충돌하지 않습니다.

1Mbps의 데이터 대역폭에서 Bluetooth 저에너지 트랜시버는 동일한 2.4GHz 대역에서 작동하는 ZigBee® 노드가 같은 데이터를 전송하는 데 필요한 시간의 1/8만 켜져 있으므로 데이터 속도만으로도 배터리 수명을 8배 절약합니다.

Bluetooth 저에너지 장치는 기타 장치를 스캔하고, 연결하고, 데이터를 전송하고, 유효 수신을 확인하고 3ms로 연결을 중단할 수 있습니다. Classic Bluetooth 장치는 일반적으로동일한 일련의 작업을 수행하는 데 수백 밀리초가 필요하며 이 과정에는 몇 배 더 많은 양의 에너지가 필요합니다.

또한 Bluetooth 저에너지 패킷은 Classic Bluetooth에서 사용되는 패킷보다 훨씬 더 짧기 때문에PA에 대한 시간이 적게 걸리며 배터리 수명이 연장됩니다.

마지막으로Bluetooth 에너지의 변조 방식 덕분에 저에너지 프로파일뿐만 아니라 내구성이 더 높습니다. Classic Bluetooth 및 Bluetooth 저에너지 모두 가우스 주파수 편이 방식(GFSK)을 활용합니다. 하지만 Classic Bluetooth는 0.35의 변조 지수를 사용하지만 Bluetooth 저에너지의 변조 지수는 가우스 최소 편이 방식(GMSK) 수준에 가까운 0.45와 0.55 사이에서 설정됩니다. 이로 인해 이 제품은 부호 간 간섭(ISI)이 약간 증가되는 위험성이 있지만 Classic Bluetooth보다 효율성이 높고 내구성이 강합니다. 높은 변조 지수로 인한 약간의 전력 증가는 이미 설명한 기타 전력 절감 기술로 상쇄될 수 있습니다. 표 1은 Classic Bluetooth와 Bluetooth 저에너지 간의 차이점을 요약합니다.

기술 사양	Classic Bluetooth	Bluetooth 저에너지
거리/범위	100m(330ft)	50m(160ft)
전송속도	1 ~ 3Mb/s	1Mb/s
응용 제품 처리율	0.7 ~ 2.1Mb/s	0.26Mb/s
활성 슬레이브	7	정의되지 않음, 구현 종속
보안	64비트/128비트 및 응용 제품 계층 사용자 정의	카운터 모드 CBC-MAC 및 응용 제품 계층 사용자 정의가 포함된128비트 AES
내구성	적응형 고속 주파수 호핑, FEC, 빠른 ACK	적응형 주파수 호핑, 간편한 승인, 24비트 CRC, 32비트 메시지 무결성 검사
지연 시간(비연결 상태)	통상 100ms	6ms
총 데이터 전송 시간(배터리 수명)	100ms	6ms
음성 지원	Y	N
네트워크 토폴로지	스캐터넷(Scatternet)	스타 버스(Star-bus)
전력 소비	레퍼런스로 1	사용 사례에 따라 0.01 ~ 0.5
피크 전류 소비	<30mA	<20mA(동전형 전지 배터리에서 실행하는 데 최대 15mA)
서비스 디스커버리	Y	Y
프로파일 개념	Y	Y
주요 사용 사례	휴대 전화, 게임, 헤드셋, 스테레오 오디오 스트리밍, 자동차, PC, 보안, 근접성, 건강, 스포츠 및 피트니스 등.	휴대 전화, 게임, PC, 시계, 스포츠 및 피트니스, 건강, 보안 및 근접성, 자동차, 가전, 자동화, 산업 등.

스택 아키텍처

최고로 사용될 때 단일 모드 Bluetooth 저에너지 트랜시버는 의외로 Classic Bluetooth 트랜시버와 거의 유사한 전력을 사용합니다(각각 20mA와 30mA). 주로 배터리 절약 기술을 가능하게 하는 스택 아키텍처를 사용해 에너지가 절약됩니다.

Bluetooth 저에너지 프로토콜 스택(그림 3 참조)은 컨트롤러 및 호스트로 구성됩니다. 스택의 다양한 부품 구성은 다음과 같습니다.

• 물리층(PHY)은 물리적 채널에서 패킷을 송수신합니다. 이 경우GFSK 패킷은 2.4GHz ISM 대역에서 1Mbps의 속도입니다.
• 링크 계층(LL)은 트랜시버의 RF 상태를 제어하여 광고 중, 스캐닝 중, 초기화 중, 연결됨 또는 대기 중인지를 결정합니다.
• 호스트 컨트롤러 인터페이스(HCI)는 일반적으로 SPI, USB 또는 UART에 따라 호스트와 컨트롤러 간의 모든 통신을 처리합니다.
• 논리 링크 제어 및 적응 프로토콜(L2CAP)은 상위 계층에 대한 데이터 피막 형성 서비스를 제공합니다. 프로토콜은 트래픽 관리를 제공하여 프로토콜 데이터 장치를 기저대역에 제출하는 순서를 제어하고 물리적 채널에 QoS 액세스를 보장합니다.
• 특성 프로토콜(ATT)을 사용해 장치가 특정 특성을 다른 장치에 표시할 수 있습니다. ATT 블록은 특성 서버와 클라이언트 간에 피어 투 피어 통신을 설정해 전용 L2CAP 채널에서 이 정보를 교환할 수 있습니다.
• 보안 관리자(SM)는 암호화 및 신원 키를 생성하고 관리하고 저장해 전용 L2CAP 채널에서 두 장치가 안전하게 통신할 수 있습니다. Bluetooth 저에너지는 카운터 모드 CBC-MAC 및 사용자 정의 응용 제품 계층이 포함된128비트 AES 암호화를 사용합니다.
• 일반 특성 프로파일(GATT)은 ATT 사용을 위한 서브 프로시저를 정의하고 Bluetooth 프로파일의 구조를 지정합니다. Bluetooth 장치 간의 모든 통신은 GATT 서브 프로시저를 통해 처리됩니다.
• 일반 액세스 프로파일(GAP) 블록은 응용 제품과 Bluetooth프로파일 간에 인터페이스를 제공하고 장치 탐색, 연결, 보안 프로시저 등의 서비스를 처리합니다.

Bluetooth 응용 제품과 장치는 프로파일이라고 불리는 고도로 구조화된 프로시저 집합을 통해 서로 통신합니다. 프로파일은 IrDA 장치에 연결하거나 보안 연결을 설정하기 위한 프로파일과 같이 매우 낮은 수준이거나 그룹화되어 고수준의 응용 제품을 지원할 수 있습니다. 예를 들면 환자의 혈압(BLS), 심박수(HRS) 및 체온(HTP)을 모니터링하는 Bluetooth 저에너지 프로토콜이 있으며, 이는 건강관리 프로파일 그룹을 형성합니다. Bluetooth SIG는 고객, 건강 관리 및 산업 응용 제품용 프로파일을 정의하는 절차이며, Bluetooth 저에너지 장치의 빠른 성장을 예측할 수 있습니다.

Bluetooth 저에너지 칩

2011년 후반에 Bluetooth 저에너지 칩이 시장에 출시되기 시작했습니다. Texas Instruments는CC2540으로Bluetooth 단일 칩 시스템을 출시한 최초 회사 중 하나입니다. CC2540은 단일 모드 칩으로 8051 MCU, 8KB의 RAM, 128KB ~ 256KB의 플래시 및 RF 트랜시버, 단일 모드 프로토콜 스택, 내장형 프로파일 소프트웨어 및 전범위의 주변 장치를 통합합니다. CC2540은 마스터 또는 슬레이브 모드로 작동할 수 있으며 수신 모드에서 3V에서 최저 15.8mA 및 전송(-6dBm)에서 18.6mA를 소비합니다. 

개발자용 TI는 CC2540용 CC2540DK-MINI 개발 키트를 제공합니다. 키트에는 CC2540 USB 동글, CC2540 keyfob 기판 및 플라스틱 케이스, CC 디버거(케이블 포함), 미니 USB 케이블, CR2032 배터리 및 키트 설명서가 포함됩니다. 제공된 BTool 응용 제품 프로그램 및 간단한 핵심 GATT 프로파일을 사용하여 동글과 keyfob 간에 연결할 수 있으며 여러 보안과 기타 낮은 수준의 기능을 사용할 수 있습니다. TI는 사용자가 컴파일할 수 있는 혈압용 센서, 심박수 센서 및 체온계용 샘플 소스 코드를 제공합니다. SmartRF 플래시 프로그래밍 장치 및 CC 디버거를 통해 CC2540에 다운로드하여 동글에서 실행할 수 있습니다. 

또한 CC2540을 기반으로 BlueRadios, Inc.에서 BR-EVAL-LE4.0-S2A 평가 키트를 제공합니다. 키트에는 간단한 AT 모뎀과 같은 명령어가 포함된 즉시 사용 가능한 BLE 장치와 내장형 Bluetooth 스택 및 프로파일(GAP, GATT, ATT, SMP, L2CAP 및 BATT)이 제공됩니다. 이 장치를 RF 링크상의 간단한 ASCII 스트링을 통하거나 UART, SPI 또는 USB를 통한 하드웨어 직렬 연결을 통해 구성, 명령, 제어할 수 있습니다.

Panasonic의 ENW-89820A1KF는 휴대 전화, PDA 및 랩톱을 대상으로 하는 단일 모드 Bluetooth 저에너지 모듈입니다. 이 제품에는 8051 MCU, 최대 256k 비트의 플래시, 8k 비트 RAM, AES 보안 코프로세서, IR 생성 회로망, USB 2.0 인터페이스 및 완벽한 Bluetooth 저에너지 소프트웨어 스택이 포함됩니다. PAN1720 모듈은 차폐 케이스를 갖춘 초소형 15.6mm x 8.7mm x 1.9mm SMD 패키지로 제조됩니다.

CSR은 CSR1000A04-IQQM-R을 비롯해 수많은 Bluetooth 저에너지 칩을 생산합니다. CSR µEnergy™ 플랫폼은 RF, 기저대역, 마이크로 컨트롤러, 공인 Bluetooth v4.0 스택 및 단일 칩에서 실행하는 소비자 응용 제품 등으로 Bluetooth 저에너지 제품을 만드는 데 필요한 모든 것을 제공합니다. CSR µEnergy 플랫폼은 두 개의 칩 변형으로 제공합니다. CSR1001 칩은 키패드 스캐닝을 위한 전용의 하드웨어로 키보드와 원격 제어에 최적화되었습니다. CSR1000은 피트니스 제품, 시계, 마우스 및 기타 센서용으로 작은 패키지를 제공합니다.

기타 사항

광범위한 요구 사항에 맞는 '모두 적용'되는 솔루션은 없기 때문에 근거리 무선 시장은 다양하게 세분화되어 있습니다. 대부분의 프로토콜은 PHY 및 MAC 계층만을 정의하는 IEEE 802.15.4 표준 위에 구축된 후에 각 프로토콜은 필요에 따라 네트워크 계층을 다양하게 정의합니다. ZigBee는 아마도 가장 광범위하게 사용되는 802.15.4 변형이지만ANT™, Z-Wave®, MiWi™ 및 SimpliciTI™와 같은 전용 프로토콜처럼 6LoWPAN 및 WirelessHART™도 많이 사용됩니다. Bluetooth 저에너지는 어디에 어떻게 사용됩니까?

여기에 언급한 다른 표준화된 프로토콜은 각각 필요한 영역에 사용됩니다. 6LoWPAN은 인터넷 연결을 지원하고 WirelessHART는 자기 회복 메시 네트워크에 사용됩니다. 이는 Bluetooth 저에너지가 필요한 영역이 아닙니다. 반면에 ZigBee의 RF4CE™ 프로토콜과 Bluetooth 저에너지는 같은 응용 제품에 많이 사용됩니다. Bluetooth 저에너지는 스타 구성에서만 작동 가능하고 ZigBee의 RF4CE™ 프로토콜은 더 복잡한 프로토콜이어서 네트워크에 더 좋지만 상당히 높은 전력이 필요합니다. ZigBee의 RF4CE™ 프로토콜은 배터리 수명이 길어야 하는 의료용 센서, 산업용 및 군사용 응용 제품과 같은 초저전력 응용 제품에는 적합하지 않습니다.

소비자 분야에서ANT는 조깅하는 사람의 심박수 모니터 및 일부 기타 인체 통신(BAN) 응용 제품에 광범위하게 사용됩니다. 또한 Bluetooth 저에너지처럼 ANT는 낮은 데이터 전송률 응용 제품을 대상으로 하는 초저에너지 프로토콜입니다. ANT는 주요 경쟁 제품이 될 수 있지만 Bluetooth 저에너지는 20억 개 이상 설치된 장치와의 호환성 및 소비자 커뮤니티에서 높은 수준의 수용성 등 상당한 이점을 가집니다. 실제로 주요 ANT 칩 공급업체인 Texas Instruments와 Nordic Semiconductor가 Bluetooth 저에너지를 적극 지원하고 있다는 사실은 Bluetooth 저에너지가 ANT를 곧 대체하고 초저전력 무선 장치에 있는 전용 솔루션이 될 수 있음을 보여줍니다.

참조:

1. Bluetooth 기술 웹사이트
   http://www.bluetooth.com/Pages/Bluetooth-Home.aspx
2. Bluetooth 저에너지 – Texas Instruments
   http://www.ti.com/ww/en/analog/bluetooth/index.htm?DCMP=BluetoothLowEnergy&HQS=NotApplicable+OT+bluetoothlowenergy
3. Bluetooth 저에너지 – DigiKey