저전력 블루투스(BLE) 개요
소개
BLE(Bluetooth Low Energy)는 저전력 소비로 단거리 데이터 교환을 위해 설계된 무선 통신 기술입니다.
2010년 Bluetooth 4.0 사양의 일부로 도입된 BLE는 건강 모니터, 피트니스 장치, 스마트 홈 애플리케이션 등과 같이 에너지 효율성이 필요한 애플리케이션에 특히 적합합니다.
역사와 발전
Bluetooth SIG(Special Interest Group)에서 개발한 Bluetooth 기술은 1998년 처음 도입된 이후 여러 차례 반복되었습니다.
저전력 변형에 대한 필요성으로 인해 Bluetooth 4.0에 BLE가 도입되었습니다.
Bluetooth Smart라고도 알려진 BLE는 Classic Bluetooth와 유사한 통신 범위와 견고성을 제공하면서도 에너지 소비를 크게 줄이도록 설계되었습니다.
BLE의 주요 특징
낮은 전력 소비: BLE는 낮은 에너지 사용량에 최적화되어 있어 배터리로 작동되는 장치에 이상적입니다.
이 설계를 통해 장치는 활발하게 통신하지 않을 때 절전 모드를 유지하고 데이터를 보내거나 받을 때만 깨어날 수 있습니다.
고효율: 낮은 에너지 소비에도 불구하고 BLE는 최신 버전에서 최대 2Mbps의 속도로 많은 애플리케이션에 충분한 데이터 속도를 처리할 수 있습니다.
간단한 연결 설정: BLE 장치는 빠르게 연결을 설정하여 통신 설정에 필요한 시간과 에너지를 줄일 수 있습니다.
유연한 토폴로지: BLE는 지점 간, 브로드캐스트 및 메시 네트워크를 포함한 여러 네트워크 토폴로지를 지원하므로 다양한 사용 사례에 다용도로 사용할 수 있습니다.
보안: BLE에는 데이터 무결성과 개인 정보 보호를 위해 페어링, 본딩, 암호화 등 여러 보안 기능이 포함되어 있습니다.
기술 사양
물리 계층
주파수 대역: BLE는 클래식 Bluetooth와 유사한 2.4GHz ISM 대역에서 작동합니다.
변조: GFSK(가우스 주파수 편이 변조)가 변조에 사용됩니다.
채널: BLE는 각각 2MHz 폭의 40개 채널을 사용하는데 비해 Classic Bluetooth는 각각 1MHz의 79개 채널을 사용합니다.
3개 채널은 광고용으로 예약되어 있습니다.
링크 레이어
링크 계층은 장치 간의 물리적 연결을 관리하고 광고, 검색, 연결 설정과 같은 작업을 담당합니다.
광고: BLE 장치는 자신의 존재와 서비스를 알리기 위해 패킷을 브로드캐스트합니다.
광고는 연결을 시작하고 데이터를 방송하는 데 중요합니다.
스캐닝: 스캐닝 모드의 장치는 광고 패킷을 수신하여 다른 BLE 장치를 검색하고 연결합니다.
연결 상태: BLE는 대기, 광고, 검색, 시작 및 연결을 포함한 다양한 연결 상태를 지원합니다.
호스트 레이어
호스트 계층은 더 높은 수준의 프로토콜과 프로필을 담당합니다.
주요 구성 요소는 다음과 같습니다.
일반 액세스 프로필(GAP): 브로드캐스터, 관찰자, 주변 장치, 중앙 장치 등 BLE 장치의 역할과 동작을 정의합니다.
일반 속성 프로필(GATT): 일련의 속성과 서비스를 통해 장치 간의 데이터 교환을 관리합니다.
BLE 통신 모델
광고 및 스캔
BLE 장치는 광고 패킷을 사용하여 자신의 존재와 서비스를 브로드캐스트합니다.
연결을 찾는 장치(스캐너)는 이러한 패킷을 수신합니다.
광고 패킷에는 장치 이름, 사용 가능한 서비스 등과 같은 다양한 유형의 정보가 포함될 수 있습니다.
연결 설정
스캐닝 장치가 광고 패킷을 감지하면 연결을 시작할 수 있습니다.
이 프로세스에는 링크를 설정하고 보호하기 위한 일련의 패킷 교환이 포함됩니다.
연결이 설정된 후 GATT 프로토콜을 사용하여 데이터를 교환할 수 있습니다.
GATT 프로토콜
GATT(일반 속성 프로필)는 BLE 장치 간에 데이터가 구성되고 교환되는 방식을 정의합니다.
GATT는 클라이언트-서버 모델을 사용하여 작동합니다.
서버: 데이터를 보관하고 서비스를 제공하는 장치입니다.
클라이언트: 서버에 데이터나 서비스를 요청하는 장치입니다.
GATT의 데이터는 각각의 특성을 포함하는 서비스로 구성됩니다.
특성에는 특성에 대한 추가 정보를 제공하는 값과 선택적 설명자가 포함됩니다.
BLE 역할 및 네트워크 토폴로지
역할
방송자: 응답을 기대하지 않고 광고 패킷을 보냅니다.
관찰자: 연결을 시작하지 않고 광고 패킷을 검색합니다.
주변 장치: 중앙 장치의 연결을 알리고 허용합니다.
중앙: 광고 주변 장치를 검색하고 연결을 시작합니다.
네트워크 토폴로지
점대점: 중앙 장치와 주변 장치 간의 간단한 일대일 연결입니다.
방송: 방송사가 여러 관찰자에게 데이터를 보내는 일대다 연결입니다.
메시 네트워킹: 다대다 장치 통신을 허용하여 스마트 조명 및 산업 자동화와 같은 애플리케이션에 적합한 강력하고 확장 가능한 네트워크를 구현합니다.
BLE의 보안
보안은 특히 개인 및 의료 기기에서 널리 사용되는 BLE의 중요한 측면입니다.
BLE 보안 메커니즘에는 다음이 포함됩니다.
페어링: 키 교환 및 생성을 포함하여 장치 간에 신뢰할 수 있는 관계를 설정하는 프로세스입니다.
본딩: 재페어링 없이 향후 보안 연결을 위해 장기 키를 저장합니다.
암호화: 128비트 키가 포함된 AES(고급 암호화 표준)를 사용하여 장치 간에 교환되는 데이터를 보호합니다.
개인 정보 보호: 확인 가능한 개인 주소와 같은 기능은 MAC 주소를 무작위로 지정하여 장치 추적을 방지하는 데 도움이 됩니다.
BLE 애플리케이션
건강과 피트니스
BLE는 심박수 모니터, 혈당 측정기, 피트니스 추적기를 포함한 건강 및 피트니스 장치에 광범위하게 사용됩니다.
낮은 전력 소비로 인해 이러한 장치는 소형 배터리로 장기간 작동할 수 있습니다.
똑똑한 집
스마트 홈 환경에서 BLE는 스마트 잠금 장치, 조명 제어, 환경 모니터링 등 다양한 애플리케이션을 가능하게 합니다.
메시 네트워크를 생성하는 기능은 적용 범위와 안정성을 향상시킵니다.
공업 자동화
BLE는 자산 추적, 예측 유지 관리 및 무선 센서 네트워크를 위한 산업 환경에서 사용됩니다.
저전력 및 강력한 통신 기능으로 인해 열악한 산업 환경에 적합합니다.
소매 및 마케팅
BLE 비콘은 소매업에서 매장 내 탐색, 맞춤형 프로모션, 고객 분석 등의 위치 기반 서비스를 제공하는 데 사용됩니다.
비콘은 근처 장치에서 작업을 실행할 수 있는 소량의 데이터를 방송합니다.
자동차
자동차 부문에서 BLE는 키리스 엔트리 시스템, 타이어 공기압 모니터링, 차량 내 통신 시스템에 사용됩니다.
저전력 및 보안 통신 덕분에 자동차 애플리케이션에 이상적입니다.
장점과 한계
장점
에너지 효율성: BLE는 배터리 구동 장치에 매우 중요한 에너지 소비를 최소화하도록 설계되었습니다.
구현 용이성: BLE 모듈과 소프트웨어 스택을 쉽게 사용할 수 있어 개발 프로세스가 단순화됩니다.
다용성: BLE는 단순한 데이터 전송부터 복잡한 메시 네트워킹까지 광범위한 애플리케이션을 지원합니다.
확장성: BLE 메시 네트워크는 수천 개의 장치를 지원할 수 있으므로 대규모 애플리케이션에 적합합니다.
제한사항
데이터 속도: 많은 애플리케이션에 충분하지만 BLE의 최대 데이터 속도인 2Mbps는 다른 무선 기술보다 낮습니다.
범위: BLE의 범위(일반적으로 최대 100미터)는 Wi-Fi와 같은 다른 무선 기술에 비해 제한될 수 있습니다.
간섭: 혼잡한 2.4GHz 대역에서 작동하면 다른 장치의 간섭이 발생할 수 있습니다.
BLE의 미래
BLE는 지속적인 개선과 개선을 통해 계속 발전하고 있습니다.
Bluetooth 5.0 사양에는 다음과 같은 중요한 발전이 도입되었습니다.
범위 증가: Bluetooth 4.0 범위의 최대 4배입니다.
더 빠른 속도: 데이터 속도를 2Mbps로 두 배로 늘립니다.
향상된 방송 용량: 이전 버전에 비해 방송 용량이 8배 증가했습니다.
이러한 향상된 기능은 스마트 홈 시스템의 확장된 적용 범위에서 산업용 애플리케이션의 더 높은 처리량에 이르기까지 BLE 애플리케이션에 대한 새로운 가능성을 열어줍니다.
BLE 대 클래식 블루투스
BLE와 클래식 Bluetooth는 모두 2.4GHz ISM 대역에서 작동하고 일부 기본 기술을 공유하지만 다양한 사용 사례에 최적화되어 있습니다.
전력 소비: BLE는 초저전력 소비를 위해 설계되었으므로 배터리 구동 장치에 이상적입니다.
클래식 Bluetooth는 효율적이면서도 더 많은 전력을 소비합니다.
데이터 속도: 클래식 Bluetooth는 BLE의 2Mbps에 비해 더 높은 데이터 속도(최대 3Mbps)를 지원하므로 오디오 스트리밍 및 기타 고대역폭 애플리케이션에 적합합니다.
사용 사례: BLE는 일반적으로 센서 및 비콘과 같이 긴 배터리 수명과 간헐적인 데이터 전송이 필요한 애플리케이션에 사용됩니다.
Classic Bluetooth는 무선 오디오 및 파일 전송과 같은 지속적인 데이터 전송에 사용됩니다.
BLE로 개발하기
개발 도구
BLE 애플리케이션 개발에는 다양한 하드웨어 및 소프트웨어 도구 사용이 포함됩니다.
널리 사용되는 개발 플랫폼은 다음과 같습니다.
Nordic Semiconductor: nRF52 시리즈와 같은 BLE 애플리케이션을 위한 개발 키트 및 소프트웨어 도구를 제공합니다.
Texas Instruments: SimpleLink 플랫폼을 포함한 BLE 개발 키트 및 소프트웨어를 제공합니다.
Silicon Labs: BLE 개발 키트 및 Simplicity Studio 개발 환경을 제공합니다.
소프트웨어 스택
BLE 개발에는 Bluetooth 프로토콜과 프로필을 구현하는 소프트웨어 스택 사용도 포함됩니다.
이러한 스택은 다음을 포함한 다양한 플랫폼에서 사용할 수 있습니다.
Android: Android Bluetooth API는 Android 장치에서 BLE 개발을 지원합니다.
iOS: Apple의 Core Bluetooth 프레임워크를 사용하면 iOS 기기에서 BLE 개발이 가능합니다.
Windows: Windows.Devices.Bluetooth 네임스페이스는 Windows 애플리케이션에 대한 BLE 지원을 제공합니다.
BLE 프로필 및 서비스
Bluetooth 프로필은 특정 사용 사례와 각각에 필요한 기능을 정의합니다.
BLE 프로필에는 다음이 포함됩니다.
포도당 프로필(GLP): 혈당 측정기에 사용됩니다.
근접 프로필(PXP): 사용자가 장치에서 멀어지면 경고하는 데 사용됩니다.
각 프로필은 특성 모음인 하나 이상의 서비스로 구성됩니다.
예를 들어 심박수 서비스에는 심박수 측정, 신체 센서 위치, 심박수 제어 지점에 대한 특성이 포함됩니다.
결론
BLE(Bluetooth Low Energy)는 다양한 최신 응용 분야에 필수적인 다목적이며 에너지 효율적인 무선 통신 기술입니다.
최소한의 전력 소비로 강력한 통신을 제공하는 능력은 건강 및 피트니스 장치부터 스마트 홈 애플리케이션 및 산업 자동화에 이르기까지 광범위한 사용 사례에 이상적입니다.
