Bluetooth 5.1 지원 플랫폼을 사용하여 정밀 자산 추적 및 실내 포지셔닝 지원 - 1부

편집자 주: 2부로 구성된 이 시리즈의 1부에서는 설계자가 자산 추적 및 실내 포지셔닝 시스템(IPS)과 같은 도래각(AoA) 및 발사각(AoD) 기반 위치 응용 제품을 개발할 수 있도록 Bluetooth 저에너지 펌웨어에 추가된 Bluetooth 5.1 방향 찾기 기능에 대해 설명합니다. 그런 다음 새 기능을 실행하는 데 적합한 플랫폼을 소개합니다. 2부에서는 Bluetooth 5.1 방향 찾기 기반 응용 제품을 개발하는 방법을 보여주고 해당 플랫폼을 기반으로 하여 시작하는 방법을 설명합니다.

물류 회사에서 실시간으로 자산을 추적하여 공급망 효율을 높이고자 모색하고 있고, 기업에서 직원 및 고객 움직임을 모니터링하여 생산성을 향상시키고자 함에 따라 위치 서비스에 대한 수요가 증가하고 있습니다. Bluetooth의 수신한 신호 강도 표시기(RSSI)를 사용하여 알려진 고정 지점까지의 거리를 예측할 수 있지만 이 기술은 대체로 실내 포지셔닝 시스템(IPS), 자산 추적과 같은 응용 분야에 적용될 만큼 충분히 정밀하지 않습니다. 하지만 Bluetooth 사양으로 업데이트하면 더 정밀한 진행 경로를 제공할 수 있습니다.

특히, 최신 버전의 Bluetooth 핵심 사양(v5.1)(“Bluetooth 5.1 방향 찾기”로 표시됨)에서는 개발자가 2차원 또는 3차원에서 Bluetooth 송신기 위치를 쉽고 정확하게 파악할 수 있도록 도래각(AoA) 및 발사각(AoD) 방향 찾기 기능을 추가했습니다.

이 기사의 1부에서는 AoA 및 AoD에 대해 설명하고 개선된 Bluetooth 핵심 사양으로 인해 기술을 구현하는 것이 얼마나 간편해졌는지 알아봅니다. 그런 다음 방향 찾기 응용 제품을 구현할 수 있는 플랫폼을 소개합니다.

RF 방향 찾기 기술

RSSI 기반 무선 주파수(RF) 방향 찾기는 신호 강도를 기준으로 대략적인 거리를 제공합니다. 여러 지점에서 여러 번 거리를 측정하여 정확도를 높일 수 있습니다. RSSI의 주요 이점은 장치당 안테나가 하나만 필요하기 때문에 안테나 어레이의 복잡성, 비용, 크기 문제가 없다는 점입니다. 단점은 3m ~ 5m의 정확도를 제공하여 정밀도가 낮다는 점입니다.

두 번째 일반 방향 찾기 기술은 도착 시간(ToA)이라고 하며 단일 송신기에서 원격 단일 수신기까지 무선 신호의 이동 시간을 나타냅니다. 다시 말해 이 방법은 장치당 안테나가 하나만 필요하지만 각 장치가 매우 정확한 동기화 클록을 지원해야 한다는 단점이 있습니다. ToA 시스템의 위치 정확도는 약 1m입니다.

Bluetooth 5.1의 출시로 Bluetooth SIG(특별 분과 위원회)는 AoA 및 AoD를 기반으로 하여 세 번째 방향 찾기 기술을 지원하기로 했습니다.

수신 장치에서는 AoA를 사용하여 개별 물체의 도래각을 추적하고, AoD를 사용하여 여러 비콘의 각도와 해당 위치를 활용하여 공간 내에서 자체 위치를 계산합니다(그림 1).

그림 1: AoA 방향 찾기 방법(왼쪽)에서 자산은 신호의 도래각을 측정하는 AoA 로케이터에 자체 위치를 동보 통신(TX)으로 제공합니다. AoD 방법(오른쪽)에서 비콘은 AoD 정보를 전송하고 모바일 장치는 비콘 신호를 수신(RX)하고 위치를 계산합니다. 각 경우에 수신 장치는 송신기의 방향을 계산할 수 있는 컴퓨팅 성능이 필요합니다. (이미지 출처: Silicon Labs)

Bluetooth 저에너지(BLE) 제품에 전용 AoA 및 AoD 솔루션을 이미 제공하고 있는 일부 기업이 있었기에 Bluetooth 5.1에 방향 찾기 기능이 포함되도록 결정할 수 있었습니다. Bluetooth 5.1 핵심 사양으로 업데이트하면 개발자가 RF 방향 찾기를 활용하여 BLE 패킷에서 “IQ” 신호 데이터(동상 및 직각 위상 정보)를 손쉽게 추출할 수 있습니다. 즉, 개발자가 위치 서비스 응용 제품을 쉽게 구현할 수 있습니다.

예를 들어, AoA 방법은 송신 BLE 트랜시버를 추적하는 데 적합합니다. 단일 안테나를 사용하여 트랜시버에서 방향 찾기 지원 패킷을 전송하면 다중 안테나 "로케이터"에서 패킷을 수신합니다. 로케이터는 어레이의 각 활성 안테나를 전환하면서 신호 패킷에서 IQ 데이터를 샘플링하여 어레이 내 각 안테나에서 신호 송신 안테나까지 거리 차이로 인한 신호의 위상차를 감지합니다. 그러면 포지셔닝 엔진에서 위상차 정보를 이용하여 신호가 수신된 각도와 송신기의 방향을 결정합니다(그림 2).

그림 2: 각 안테나의 신호 위상(θ), 파장(λ) 및 인접 안테나 간 거리(d)를 알고 있는 경우 무선 신호의 도래각을 계산할 수 있습니다. (이미지 출처: Bluetooth SIG)

두 개 이상의 로케이터에서 계산된 신호 방향을 결합하여 송신기 위치를 정확히 지정할 수 있습니다(그림 3).

그림 3: 두 고정 로케이터에서 신호의 AoA를 계산하여 3차원에서 송신 자산의 위치를 계산할 수 있습니다. 로케이터의 절대 좌표를 알고 있는 경우 송신 자산의 절대 좌표도 계산할 수 있습니다. (이미지 출처: Silicon Labs)

AoD 방법에서는 상황이 반전됩니다. 이 시나리오에서 안테나 어레이를 포함하는 장치는 각 안테나를 통해 신호를 전송합니다. 어레이 내 안테나의 각 신호 패킷이 수신기의 신호 안테나에 도달하면 송신기에서 이동된 거리 차이로 인해 이전 신호에서 위상이 변이됩니다(그림 4).

그림 4: AoD 방법에서는 어레이 내 안테나의 각 신호 패킷이 수신기의 신호 안테나에 도달하면 송신기에서 이동된 거리 차이로 인해 이전 신호에서 위상이 변이됩니다. (이미지 출처: Bluetooth SIG)

수신 장치의 안테나는 신호 패킷에서 IQ 샘플을 가져온 후 포지셔닝 엔진에 전달합니다. 그러면 포지셔닝 엔진에서 데이터를 사용하여 신호가 수신된 각도와 송신기의 방향을 결정합니다. 이 시스템은 실내 네비게이션과 같이 송신기가 고정 기준점이고 수신기가 소비자의 스마트폰 등인 응용 분야에 적합합니다.

Bluetooth 5.1로 업데이트

Bluetooth 5.1을 사용하려면 RF 소프트웨어 프로토콜(또는 “스택”)을 변경하고 칩 제조업체에 따라 일부 하드웨어(무선) 개선 사항을 적용해야 합니다. 먼저 수정된 프로토콜에서는 방향 찾기에 사용되는 모든 Bluetooth 패킷에 CTE(연속 톤 확대)를 추가합니다. 패킷은 표준 BLE 통신에 사용될 수 있도록 수정되지 않습니다.

CTE는 Bluetooth 캐리어 주파수 + 250kHz 또는 500kHz(BLE의 높은 처리량 모드를 사용하는 경우)에서 16µs ~ 160µs 동안 전송되는 변조되지 않은 순수 신호음입니다. 신호음은 수신기에서 변조 교란 효과 없이 IQ 데이터를 추출하는 데 충분한 ‘1초’ 전송 길이의 “백색화되지 않은” 시퀀스로 구성됩니다. CTE 신호는 마지막에 전송되므로 패킷의 순환 중복 검사(CRC)에는 영향을 주지 않습니다.

사양에 추가된 두 번째 중요한 기능은 개발자가 프로토콜을 구성하여 IQ 샘플링을 수행하기 훨씬 쉽게 해줍니다. 이 구성에는 정밀한 위치 예측에 필요한 샘플 타이밍 및 안테나 스위칭 설정이 모두 포함됩니다.

다양한 IQ 샘플링 타이밍 구성을 채택할 수 있지만 일반적으로 각 안테나의 레퍼런스 기간 내에 IQ 샘플이 1µs 또는 2µs마다 하나씩 기록되고 결과는 BLE SoC의 RAM(랜덤 액세스 메모리)에 기록됩니다. 어레이 내 여러 안테나에서 샘플링되는 수신 신호의 위상이 어떻게 변경되는지를 보여줍니다(그림 5).^[1]

그림 5: 단일 송신기의 신호가 안테나에 도착할 때 다른 위상을 나타내고 소스로부터 거리가 달라집니다. (이미지 출처: Bluetooth SIG)

위치 서비스 응용 제품을 구축하는 첫 번째 단계에서는 IQ 샘플을 기록합니다. 작업을 완료하기 위해 개발자는 응용 분야에 사용되는 로케이터 및 비콘에 가장 적합한 안테나 어레이를 설계하거나 선택하고 방향 찾기를 계산하는 데 필요한 복잡한 알고리즘에 대처해야 합니다.

신호 방향 계산

방향 찾기에 사용되는 안테나 어레이는 일반적으로 ULA(균일 선형 어레이), URA(균일 직사각형 어레디), UCA(균일 원형 어레이)의 세 어레이 유형으로 분류됩니다. 이름에서 알 수 있듯이 선형 어레이는 1차원이고, 직사각형 및 원형 어레이는 2차원입니다. ULA가 설계하여 구현하기 가장 쉽지만 추적되는 장치가 항상 동일한 평면에서 이동한다는 가정하에서만 방위각을 계산할 수 있다는 단점이 있습니다. 그렇지 않은 경우 정밀도가 약화됩니다. URA 및 UCA는 방위각과 고도각을 모두 안정적으로 계산할 수 있습니다(그림 6).

그림 6: AoA 및 AoD 방향 찾기 기술에서는 일반적으로 선형, 직사각형, 원형으로 분류되는 안테나 어레이를 사용합니다. 각 유형의 어레이는 고도 및 방위각에 대한 정보를 가져올 수 있지만 직사각형 유형과 원형 유형이 더 안정적인 방위각 데이터를 제공합니다. (이미지 출처: Silicon Labs)

방향 찾기에 사용할 안테나 어레이를 설계하는 것은 간단하지 않습니다. 예를 들어, 동일한 어레이에 여러 안테나를 배치할 경우 각 어레이가 상호 결합을 통해 상호 응답을 방해합니다. 이러한 효과를 해결하기 위해 예측 알고리즘에서 어레이 응답을 미리 정의해야 합니다. 예를 들어, 널리 사용되는 상용 알고리즘에서는 어레이가 동일한 두 하위 어레이로부터 어레이가 형성된다고 산술적으로 가정합니다. 안테나에 대한 지식이 부족한 경우 다행히도 정의된 특성을 갖춘 상용 안테나 어레이 제품을 사용할 수 있습니다.

효과적인 안테나 어레이는 정확한 IQ 샘플을 수집합니다. 하지만 원시 데이터로는 신호 방향을 결정하는 데 충분하지 않습니다. 따라서 다중 경로 수신, 신호 분극, 전파 지연, 잡음, 지터 등을 고려하도록 데이터를 처리해야 합니다.

RF 방향 찾기가 새로운 분야가 아니므로 실제 응용 분야에서 획득한 IQ를 기반하여 도래각을 예측하는 몇 가지 수학적 기술이 확립되어 있습니다. 플랫폼 정의(즉, 수신 어레이에서 도착하는 방출(협대역) 신호의 도래각 예측)는 간단하지만, 해결하는 데 필요한 수학은 그렇게 간단하지 않습니다.

기본적으로 어레이의 각 안테나에 대한 IQ 샘플 데이터를 감안하여 상용 알고리즘에서는 먼저 다음 수식에 따라 데이터 벡터 “x”를 계산합니다. 이때 신호가 위상 변이되고 크기 조정된 사인파(협대역) 신호라고 가정합니다.

방정식 1

여기서 “a”는 안테나 어레이의 수학 모델(“조향 벡터”)이고,

“s”는 수신 신호이고, “n”은 잡음 용어입니다.

X는 수식을 사용하여 IQ 샘플 공분산 행렬 “R_xx”를 생성하는 데 사용됩니다.

방정식 2

그런 다음 이 샘플 공분산 행렬을 주 계산기 알고리즘에 대한 입력으로 사용합니다. 주파수 예측 및 무선 방향 찾기에 가장 널리 사용되고 검증된 알고리즘 중 하나로 MUSIC(다중 신호 분류)이 있습니다. 기술적으로 MUSIC에서는 공분산 행렬의 고유 벡터 분해 및 고유치를 사용하여 신호 및 잡음 부분 공간의 속성에 따라 AoA를 예측합니다.

사용되는 수식:

방정식 3

여기서 “A”는 고유치를 포함하는 대각 행렬이고 “V”는 해당 고유 벡터를 포함하는 행렬입니다.

V가 분리되는 경우 수신 신호의 도래각에서 피크가 발생하는 의사 스펙트럼을 생성하는 수식에서 V를 사용할 수 있습니다(방정식 4).

방정식 4

결과 스펙트럼은 표시된 형태를 가지며 송신된 신호가 도착하는 방향에서 피크가 발생합니다(그림 7).^[2]

그림 7: MUSIC 알고리즘에서는 IQ 샘플을 사용하여 전력 의사 스펙트럼을 생성합니다. 여기서 피크는 송신 장치의 위치를 식별합니다. 이 예에서는 2D 의사 스펙트럼을 보여주고, 송신 장치는 50도 방위각 및 45도 고도각 위치에 있습니다. (이미지 출처: Silicon Labs)

방향 찾기 알고리즘은 컴퓨팅 집약적이며 많은 RAM 및 플래시 메모리 용량을 사용합니다.

적절한 리소스가 탑재된 상용 Bluetooth 5.1 제품이 이미 출시되어 있습니다. 예를 들어 Dialog Semiconductor는 위치 서비스 응용 분야를 위한 DA14691 Bluetooth 5 LE SoC를 제공합니다. 이 칩은 Arm^® Cortex^®-M33 마이크로 프로세서에 의해 구동되고 512Kbytes RAM을 포함합니다. Silicon Labs는 EFR32BG13 BLE SoC용 Bluetooth 5.1 스택을 출시했습니다. 이 칩은 64Kbytes RAM 및 512Kbytes 플래시가 탑재된 Arm Cortex-M4 마이크로 프로세서를 사용합니다.

Nordic Semiconductor는 nRF52811 형태의 새로운 "방향 찾기" 하드웨어를 출시하여 한 단계 더 나아갔습니다. 이 BLE SoC는 Bluetooth 5.1과 호환되고 Arm Cortex M4 마이크로 프로세서를 Nordic 고급 nRF52840 무선 SoC의 다중 프로토콜 무선 통신과 통합합니다. 이 칩은 192Kbytes 플래시와 24Kbytes RAM을 포함합니다.

이 기사의 2부에서는 이러한 SoC 및 스택을 기반으로 하는 개발 플랫폼을 안테나 어레이, 컴패니언 마이크로 프로세서, 연결된 메모리, "위치 엔진" 펌웨어를 비롯한 추가 부품과 함께 사용하여 자산 추적, IPS 등과 같은 실질적인 위치 서비스 응용 제품을 구현하는 방법을 설명합니다.

결론

Bluetooth 5.1에 채택된 개선된 최신 핵심 사양을 이용하여 IQ 데이터에 쉽게 액세스할 수 있습니다. RF 방향 찾기 알고리즘에 데이터를 제공하여 Bluetooth 무선 송신의 AoA 또는 AoD를 계산한 다음 이 정보를 사용하여 2차원 또는 3차원에서 송신기의 위치를 예측할 수 있습니다.

알고리즘을 자산 추적, IPS 등과 같은 실제 위치 서비스 응용 분야의 기본으로 사용할 수 있지만, 정밀도는 체계적으로 설계된 안테나 어레이, 검증된 RF 방향 찾기 알고리즘, 복잡한 계산을 수행하는 데 충분한 프로세서 및 메모리 리소스에 따라 달라집니다.

이 시리즈의 2부에 언급된 대로 개발은 전혀 간단하지 않지만 상용 Bluetooth 5.1 방향 찾기 플랫폼, 안테나 어레이, 위치 엔진 펌웨어의 출시로 설계자는 센티미터 단위의 정밀한 위치 서비스 응용 제품을 더욱 쉽게 구축할 수 있습니다.

참고 자료

1. Bluetooth Direction Finding: A Technical Overview, Martin Wooley, Bluetooth SIG, March 2019.
2. Understanding Advanced Bluetooth Angle Estimation Techniques for Real-Time Locationing, Sauli Lehtimaki, Silicon Labs, 2018