목 차 1. 서 론
2. 실내 위치 측정 응용에서 BLE 비콘의 정확도 조사 3. 결 론
1. 서 론
Bluetooth® Smart로 알려진 Bluetooth Low Energy (BLE)는 전자․기계 장치들을 연결(통신) 하는데 필요한 전력 (power)의 양을 상당히 줄이기 위하여 개발되었다. 당연히 배터리 사용량이 현저 히 줄어들었다. BLE는 많은 측면에서 기존 블루투 스 (Bluetooth)와는 목적, 대상 그리고 사용되는 기 술의 전력 사용량 등에서 차이를 보인다. 기존 블루 투스는 스마트폰, 컴퓨터 등과 같은 장치들과 페어 링 (pairing)을 통하여 오디오 스트리밍, 대용량 데 이터 전송 등을 위해 사용되었다. BLE는 예를 들면 웨어러블(wearable) 장치와 같은 스마트 디바이스 들을 연결하는 사물 인터넷 (internet of things)을 가능하게 하는 핵심 기술이다. 특히 BLE는 더 긴 배터리 수명을 위해 최소의 데이터 전송 및 연결 생 성 (connection times)을 위한 환경에서 적절히 사 용 가능하다. 그렇기 때문에 비콘 장치를 위한 완벽 한 기초 기술이라 할 수 있다. BLE를 이용하여 연 결된 웨어러블 기기 혹은 비콘 같은 스마트 기기들
은 결과적으로 전력 소모량이 현저히 감소한다.
Bluetooth®과 비교하였을 때 50~90% 에너지 효 율이 개선되었으며 스마트폰과 테이블릿 (tablets) 등의 배터리 수명이 크게 개선됨이 보고되었다. “In the developers handbook”에서 Robin Heydon은 BLE가 Bluetooth®과 완전히 다른 방향으로 설계 되었음을 기술하고 있다. Heydon은 Bluetooth®의 기술과 다른 무선 통신 기술을 데이터 전송 속도 측 면에서 비교하여 기술하였다. 여기서 BLE는 데이 터 전송 속도가 아닌 저전력에 최적화되어 있음을 지적하였다. 저전력은 데이터 전송률 감소 및 연결 횟수 감소에 의하여 달성된다. 즉, BLE는 비용과 관련있는 연결성을 구성하는 장치들의 공간배치 등을 함께 다루고 있다. 비용 효율화된 BLE를 위한 가장 기본적인 설계 요구조건은 배터리의 선택에 있다. 비콘의 경우 최장 2년간 지속가능한 버튼 셀 배터리 (buton cell)를 선택하는 것으로 이 조건을 만족할 수 있다.
Bluetooth® 모듈의 기본 형태는 다음과 같은 세 가지가 있다.
Bluetooth Low Energy (BLE) 비콘 (Beacons)과 그 응용
조두산 (국립순천대학교), 김용주 (ETRI)
특집 02 모바일 응용 서비스
(그림 1) 블루투스 모듈의 형태[1]
- Bluetooth®
- Single-mode BLE - Dual-mode BLE
Bluetooth®은 많은 사람들이 가장 익숙한 것이 다. 앞서 언급하였듯이 헤드셋이나 스피커 등을 통 한 오디오 트림과 같이 많은 데이터 파일을 장치간 전송할 때 일반적으로 사용된다. 많은 사람들이 Bluetooth®을 배터리 소모성 모듈로 인지하고 있 다. 그래서 보통 해당 장치를 전원을 켜지 않은 상태 로 유지한다. 이러한 상황은 2010년 이전에 흔히 볼 수 있었다. Bluetooth® 4가 2010년 iPhone 4S로 상 용화되면서 Bluetooth®의 전력 효율이 굉장히 개 선되었기 때문이다. 더 중요한 것은 BLE기술을 포 함한 Bluetooth® 4.0이 연결 가능한 웨어러블 장치 및 센서들을 위한 새로운 기회의 창을 열었다는 점 에 있다.
(Bluetooth® Smart로 불리는) 싱글 모드 모듈은 순수히 BLE이다. 이것은 센서 장치, 헬스 모니터링 장치 비콘(beacon) 등에 사용된다. 싱글 모드 모듈 은 듀얼 모드 (Bluetooth® Smart Ready) 기능을 탑 재한 장치들 (스마트폰, 테이블릿, 컴퓨터)과 통신 가능하다. 하지만 Bluetooth® 4.0 보다 오래된 모 듈을 장착한 장치와는 통신할 수 없다. 독립형 비콘 (stand alone beacon) 장치는 보통 싱글 모드의 블
루투스로 구현된다. 여기서 흥미로운 점은 불루투 스 4.0을 장착한 iPhone 4S는 듀얼모드 BLE를 사 용하여 iOS 설치된 장치와 비콘 시그널을 주고받을 수 있다는 점이다.
2.4Ghz 대역은 과학/의료/가정 등의 기타 용도 로 자유롭게 사용가능한 대역으로 세계 어디에서 나 사용가능하다. 따라서 해당 대역을 사용하는 장 치가 유사지역에 많을 경우 충돌이나 신호의 상호 간섭이 발생할 수 있다. BLE는 Bluetooth®을 비롯 하여 2.4Ghz 대역의 충돌 혹은 상호간섭을 피할 수 있도록 하는 BLE지원 기술인 적응적 주파수 호핑 (adaptive frequency hopping)을 포함하고 있다. 따 라서 다른 무선 통신 기술에 비하여 비콘 등의 배치 사용이 더욱 편리하다. 비콘 기반 시스템 설계에서 중요한 점은 전력 효율을 고려한 데이터 전송 관련 변수의 설정이다. BLE는 비콘 배치 형태에 따라 그 각각에 최적화하여 다양한 세기의 데이터 전송이 가능하다. 더 넓은 범위를 커버하여 전송해야 할 경 우 더 강한 신호 세기를 사용해야 하며 따라서 더 많 은 전력이 필요하다. BLE의 주요 기술로 구현된 장 치는 실질적으로 최대 50m의 영역을 커버할 수 있 다. 비콘의 경우 배터리 효율을 고려하였을 때 일반 적으로 최적화된 최대 커버 가능한 영역은 30m정 도 이다. 이때 전송 주파수는 전력 소비 효율에 또
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Distance from source (meters)
(그림 2) BLE 발신기로부터 거리에 따른 신호 세기 감소 (몸체 감쇠 포함/미포함)[4]
다른 변수로 작용한다. BLE로 매 10밀리 초로 신호 발송(broadcast)을 할 수 있다. 하지만 이러한 설정 은 전력 소비 효율을 감소 시키기 때문에 대부분의 구현에서는 실질적으로 요구되지 않는다. 더 적당 한 주기는 200밀리 초 정도로 실제의 환경에서 매 우 만족할만한 배터리 소모 효율을 나타낸다. 이러 한 설정은 iOS의 경우에 BLE 전송 빈도 재설정을 매초 마다 설정하도록 지원한다. 이로서 사용자의 만족도와 배터리 소모 효율을 고려한 최적의 빈도 를 제공할 수 있게 된다. BLE와 비콘을 이용한 시 스템은 반드시 신호 세기, 전송 빈도를 고려하여 시 스템 설계를 해야한다. 비콘 배터리 수명이 짧을수 록 서비스 유지비용이 높아지기 때문이다. 앞서 살 펴보았듯이 BLE와 Bluetooth®은 서로 다른 목적 으로 사용되기 때문에 상호 교체 가능한 기술이 아 니다. 비콘과 같은 응용에 사용되는 BLE는 상대적 으로 낮은 주기로 발송되는 짧은 데이터를 위한 분 야에 최적화되어 있다.
2. 실내 위치 측정 응용에서 BLE 비콘의 정확도 분석
BLE 비콘은 장치의 신호 세기 정보를 이용하 여 수신기의 위치를 가늠하는 기준점으로 주로 사용된다. 이러한 기능을 활용하면 사물인식, 컨 텐츠 푸싱, 자동체크인 등 다양한 서비스가 가능 하게 된다[2,3]. 실내 위치측정 기술 (indoor positioning technique)은 다양한 통신 프로토콜 을 기반하여 구현하는 것이 가능하다. 특히, 통신 인프라가 잘 갖추어진 WiFi/Bluetooth가 저비용 으로 구현이 가능하여 관련 제품을 쉽게 접할 수 있는 장점이 있다. WiFi는 Bluetooth에 비해 실 내 측위 결과의 오차가 크고 2.4Ghz 대역에서 간섭효과에 보다 민감하여 Bluetooth를 채택하는
제품이 많아지고 있는 실정이다. R Faragher은 다양한 비교 실험을 통하여 이를 확인하였다[4]. 실내 측위 시스템에서 BLE와 WiFi를 사용하였 을 경우 신호의 특성을 분석한 결과, WiFi보다 낮은 대역폭의 BLE가 빠른 페이딩으로 인해 큰 신호 세기 변동에 민감하여 보다 정확한 결과를 제공하는 것으로 확인되었다. 우리는 여기서 실 내측위 시스템 응용으로서 BLE의 특성을 살펴 보고자 한다.
2.1 BLE 영역 커버리지
특정한 영역에서 미터 단위 정확도를 달성할 수 있는 거리측정 방식은 수신된 신호의 세기를 계산하는 것이다. 신호 세기 RSS (Received Signal Strength)를 이용한 거리 측정은 소스로 부터의 거리에 따라 신호가 역제곱 만큼 감소하 여 미터 이내 범위에서도 매우 정확한 측정이 가 능하다. 따라서 비콘 장치의 위치로 부터의 거리 검출이 쉬우며 신뢰할만한 위치기반 서비스 생 성이 가능해 진다. 하지만 (그림 2)에 나타난 바 와 같이 거리에 따른 신호의 감소가 보다 급격히
(그림 3) 2.4GHz 대역의 40개 BLE 채널[4]
발생하여, 소스로부터의 거리가 10m지점에서는 노이즈가 3dBm이라 가정할 경우 측정 오차 범 위가 5m가 된다. 게다가 사람의 신체도 2.4GHz 통신 신호를 약화시킨다.
(그림 2)의 결과는 개방된 환경에서 단순히 BLE 비콘으로부터 멀어지면서 측정된 값을 나 타낸 것이다. 비콘에서 10cm 정도의 거리에서 신체에 의한 RSS 감쇠는 ~10dB 정도로 거리측 정에서 1미터를 넘어서는 오차를 발생하지 않는 다. 하지만 1미터 밖에서는 사람 신체의 영향으 로 신호 감쇠 효과에 의한 오차가 5~10m까지 발 생한다. 별도의 보완기술없이 단순히 신호세기 만 사용한 위치측위 시스템은 최소 5m의 오차를 감수해야 한다.
2.2 채널 대역폭
WiFi 액세스 포인트는 최소 20MHz 넓이의 채널로 통신을 한다. BLE는 Bluetooth®의 주파 수 호핑(frequency hopping)을 따라 통신을 한다.
이것은 40개 채널을 갖는데 각각이 2MHz 폭을 갖고 발송시 랜덤하게 선택하여 데이터가 전송 된다. BLE는 이중에서 3개 채널만을 통신하는데 사용한다. 이러한 이유는 에너지 소모를 최적화 하기 위해서인데 수신단에서 3개 채널만을 모니 터하면 되기 때문이다. (그림 3)을 보면 나와있듯 이 BLE 채널은 37, 38 39번으로 레이블 되어있 고 각각 2402MHz, 2426MHz, 2480MHz 대역 중앙에 위치한다. 그림의 녹색 채널은 BLE 비콘
에 의하여 발신시 사용되는 채널이며 적색 영역 은 WiFi 채널을 나타내고 있다. BLE 비콘 수신 장치는 연속적으로 세 개 채널을 스캔하여 들어 오는 메시지가 있으면 스캐닝을 멈춘 이후 이를 저장한다. 스캐닝할 때 각 채널 당 대기 시간에 대한 내용은 블루투스 표준에 명시되어 있지 않 다. 최신의 스마트폰의 경우 매 밀리초 단위로 다른 채널로 스위칭하도록 구현되어 있다.
BLE 비콘 응용 시스템에서 스캐닝은 무기한 으로 지속되며 메시지 수신시 이들 각각을 리포 트 한다. 만약 한 번의 스캔이 비콘의 신호 발송 간격보다 길다면 여러개의 수신을 한번에 받을 수도 있다. 모바일 운영체제의 종류에 따라서 스 캔당 한번의 수신만 리포트하는 경우도 있다. 하 지만 신호가 약할수록 잡음에 의한 오차가 커질 수 있기 때문에 여러개의 수신 신호 중에서 가장 강한 신호를 선택하는 것이 필요하며 향후의 시 스템은 여러개의 신호를 모두 리포트 할 것으로 예상한다. 중요한 것은 수신 리포트에 관한 BLE 표준 명세가 수신 신호의 채널 정보에 대한 것을 포함하고 있지 않는 점이다. iOS 7이상을 사용할 때 채널 정보를 저장하여 이것의 사용이 가용하 며, 이 정보를 사용하면 BLE 신호 특성을 분석 하고 이에 따라 시스템을 최적화하는 것이 가능 할 것이다.
2.3 빠른 페이딩 효과
(그림 4)는 작은방에서 간단한 형태의 컨베이
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(그림 4) 시간과 거리에 따른 RSS 변동[4]
(그림 5) WiFi RSS 데이터와 iPhone BLE 데이터[4]
(그림 6) S4를 이용한 WiFi 동시 스캐닝 온 상태에서 BLE 데이터[4]
어벨트를 따라 아이폰(iPhone)을 BLE 비콘 장치 한 개, 두 개의 WiFi 액세스 포인트로부터 3m거 리를 천천히 이동 시키면서 페이딩 (전파의 강도 가 시간적으로 변동하는 현상)을 측정한 결과를 나타낸다. 깊은 다중경로 페이드들은 세 개 BLE 채널 모두에서 10cm이동에서 전력이 30dB 만큼 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 중요한 것은 다 른 채널에서 서로 다른 지점에서 페이드가 나타 난다는 점이다. 간섭을 일으키는 방바닥, 천장, 기타 사물에 반사된 신호가 해당 신호의 파장에 따라 다르기 때문에 서로 다른 채널의 신호는 서 로 다른 지점에서 페이드가 나타나는 것이다.
WiFi는 상대적으로 작은 페이드가 나타났다.
2.4 복도 테스트
20Hz 주기로 발송(advertising) 설정된 BLE 비 콘과 WiFi 액세스 포인트를 복도에서 45미터 거리 를 두고 설치하였다. 2개의 스마트폰(iPhone/삼성 S4)을 보행자에게 주고 천천히 한쪽 끝에서 반대 방 향으로 이동한 후 다시 돌아오는 실험을 진행하였 다. S4만 BLE/WiFi 동시 스캐닝 상태로 테스트를 진행하였다. 이때 BLE데이터를 도시한 것이 (그림 5)이다. WiFi 데이터를 보면 BLE의 결과와 비교하 여 뚜렷히 더 낮은 측정에러를 보인다. 실내 환경에
서 빠른 페이딩을 일으키는 신호의 간섭에 대한 강 인성을 보이고 있는 것이다.
(그림 6)에 보이는 것처럼 S4 BLE는 예상했던 신호 감쇠와 보행자가 다시 돌아오는 움직임에서 예상했던 상승을 나타냈다. 여기서 작지만 중요한 비논리적인 측정결과를 발견했는데 예상했던 것 보다 결과값이 대략 20dB 높다는 점이다. (그림 7) 에 나타난 바와 같이 몇가지 조사를 통하여 WiFi 스 캐닝을 끔으로서 이러한 현상을 제거할 수 있음을 확인하였다.
이러한 이상현상은 정밀한 위치측정이 필요한 경우 오차를 키우는 효과를 발생하기 때문에 적절 히 제거하는 방안이 필요하다. 이러한 문제는 최신 안드로이드 버전 (4.4.4 포함)에서 WiFi 스캐닝이 활성 모드일 때 나타난다. 결론적으로 BLE가 사용 하는 유사 대역을 사용하는 사용하지 않는 프로토 콜은 비활성 모드로 해두는 것이 BLE 비콘의 오차
(그림 7) S4를 이용한 WiFi 스캐닝 끔 상태에서 BLE 데이터[4]
참 고 문 헌
[ 1 ] Apple, https://www.apple.com/.
[ 2 ] NIA, IT & Future Strategy 보고서, 비콘 서비스 부상과 새로운 비즈니스 확산, 2014년 12월 [ 3 ] 디지에코 보고서 Issue & Trend, 비콘이 바꾸는
IoT, 2014년 07월
[ 4 ] Faragher, R., Harle, R., An Analysis of the Accuracy of Bluetooth Low Energy for Indoor Positioning Applications, Proceedings of the 27th International Technical Meeting of The Satellite Division of the Institute of Navigation (ION GNSS+ 2014), Tampa, Florida, Septem ber 2014, pp. 201-210.
[ 5 ] KOSEN, 비콘기반 서비스로 오프라인 시장 활 성화 기대, Vol. 4 Issue 12 KISTI MARKET RE PORT, 2015년 01월
[ 6 ] DigiEco 보고서 Issue&Trend, 애플의 NFC킬 러, iBeacon과 BLE 기술플랫폼, 2013년 9월 를 줄이는데 도움이 된다.
3. 결 론
현재의 BLE 기반 비콘 응용의 실제 구현을 바탕으로 그 특성을 살펴보았다. BLE 비콘 신호 와 환경에 대한 특성을 충분히 고려한 운영체제 를 사용할 경우 사용자에게 매우 큰 만족을 제공 할 수 있는 기술임에 틀림이 없다. 하지만 안드 로이드의 경우 비콘의 사용에 대한 고려가 아직 기대에 미치지 못하고 있음을 확인할 수 있었다.
현재 국내에서도 실제 적용 사례가 다양한 분야 에 걸쳐서 홍보가 되고 있으며, 선박이나 항공기, 군사용을 넘어 소셜 커머스나 금융결제 서비스, 헬스케어 등 보다 다양한 분야 확대되고 있는 상
황이다[5,6]. 하지만 중소기업에서 지나친 투자를
하기에는 아직 운영체제와 같은 기반기술의 지 원 부족에 따라 위치측위에 큰 오차를 발생하여 기대에 미치지 못하는 제품이 될 가능성이 높다.
현재 가장 부각되는 것이 광고/쿠폰/결제서비스 등의 분야인데 자칫 관련 시장 활성화에 먹구름 을 드리울 수도 있기 때문에 국내 대형 통신사의 연구 투자가 절실한 상황이다.
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저 자 약 력
조 두 산
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∙ 2001년 한국외국어대학교 전자정보공학부 (학사)
∙ 2003년 고려대학교 전기전자공학과 (석사)
∙ 2009년 서울대학교 전기컴퓨터공학부 (박사)
∙ 2009년~2010년 서울대학교 컴퓨터연구소 연구원
∙ 2008년~2010년 (주)리코어스 창업 / 이사
∙ 2010년~2012년 국립순천대학교 전자공학과 전임강사
∙ 2012년~2014년 국립순천대학교 전자공학과 조교수
∙ 2014년~현재 국립순천대학교 전기전자공학부 부교수
∙ 관심분야 : 최적화 컴파일러, 임베디드 시스템, 저전력 메모리 시스템, 시스템 소프트웨어, 머신러닝, 인공지능
김 용 주
․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․
이메일 : [email protected]
∙ 2006년 서울대학교 전기컴퓨터공학부 (학사)
∙ 2008년 서울대학교 전기컴퓨터공학부 (석사)
∙ 2012년 서울대학교 전기컴퓨터공학부 (박사)
∙ 2012년~2013년 서울대학교 박사후연구원
∙ 2013년~현재 한국전자통신연구원 선임연구원
∙ 관심분야 : 최적화 컴파일러, 임베디드 시스템, 병렬분 산 컴퓨팅, 시스템 소프트웨어, 재구성형 프로세서
