블루투스의 (나름) 신기술: 비콘

taypark·2020년 8월 31일

졸업작품으로 제출한 근태관리 시스템 개발 계획 중 핵심 기술인 블루투스 비콘에 대해 알아보려 한다.

다룰 내용은 대략 다음과 같다.

블루투스
신기술, 비콘
안드로이드와 iOS를 함께 사용하자: 아이비콘
사용방법과 지원목록

블루투스

블루투스는 근거리 무선통신기술이며, 1999년에 처음 발표되었다. 블루투스는 2400~2485 MHz(2.4~2.485GHz)의 주파수 범위에서 동작하여 전자 장비간 단거리 데이터 통신 방식을 규정한다. PC에 사용되는 마우스, 키보드, 휴대전화나 태블릿, 스피커 등에서 문자 정보 및 음성 정보를 비교적 낮은 속도로 무선 통신을 통해 주고받는 용도로 사용한다.

다음은 블루투스의 버전별 연혁이다.

1999년 7월: 1.0 발표
2003년 11월: 1.2 발표
2004년 11월: 2.0 + EDR 발표
2007년 3월: 2.1 + EDR 발표
2009년 4월: 3.0 발표
2009년 12월: 4.0 발표
2013년 12월: 4.1 발표
2014년 12월: 4.2 발표
2016년 12월: 5.0 발표

요즘 블루투스 기기라고 하면 가장 각광을 많이 받는 것이 무선 이어폰 일것이다. 참고로 가장 인기있는 무선이어폰인 에어팟 시리즈의 블루투스 현황은 다음과 같다.

에어팟 1은 블루투스 4.2
에어팟 2와 에어팟 Pro는 블루투스 5.0을 사용한다.

그러므로 나름 최신인 버전 4부터 간단히 살펴보자.

블루투스 버전 4.X

4.0

3가지 프로토콜로 나뉘게 된다.

클래식 블루투스: 이전 버전(1.0~3.0) 블루투스 기술
고속 블루투스: Wi-fi를 활용한 HS 고속전송 기술의 연장
저전력 블루투스: 전력소모를 최소화(전송 속도와 데이터 사이즈 감소)하고 배터리 수명을 연장. 가전제품 등에 탑재된 센서와의 데이터 통신을 염두에 두고 만들어졌다.
4.1
- 공존성(coexistence) 향상 : 블루투스와 LTE 무선이 서로 통신 상태를 조정해 가까운 대역폭으로 인한 간섭 현상을 줄여준다.
- 더 나은 연결(better connections) : 블루투스 연결 장치끼리의 거리가 증가해 잠시 연결이 끊어지게 되면, 4.1 블루투스 장치는 거리 내로 되돌아올 시 자동으로 재연결된다. 특히, 무선 이어폰의 핵심기술이기도 하다.
- 데이터 전송 개선(improved data transfer) : 블루투스를 사용하는 악세서리 장치(스마트 워치나 밴드같은 헬스 기구) 등과의 통신 전송 상태를 보다 효율적으로 개선하였다.
- 개발자에게 더 많은 유연성 제공(more flexibility to developers) : 앞으로 있을 웨어러블 기기 붐에 대비한 업데이트로, 블루투스 연결을 통해 웨어러블 기기가 스마트폰의 주변장치이자 동시에 다른 장치와의 허브 역할도 할 수 있게 해준다. 또한 장래를 위해 사물 인터넷(The Internet of Things)을 위한 새로운 IPV6 사용 표준도 들어가 있다.
4.2
- 데이터 패킷 Length Extension에 저전력 보안 접속
- 확장된 스캐너 필터 정책을 가진 Link Layer Privacy
- 스마트홈 지원을 위한 블루투스 저전력 사물인터넷용으로 IPv6나 6LoWPAN을 통해 인터넷에 직접 접속할 수 있다.
- 오래된 블루투스 하드웨어는 4.2를 데이터 패킷 Length Extension으로 받아들이고, 펌웨어 업데이트를 통해 보안을 개선했다.

블루투스 버전 5

새로운 특징은 주로 부상하는 사물인터넷 기술에 초점을 맞춘 것이다. 참고로, 삼성이 블루투스5가 지원되는 삼성 갤럭시 S8를 출시했다.

주요 개선 사항으로는 다음과 같은 것들이 있다.

Slot Availability Mask (SAM): 주변 밴드의 간섭을 탐지하고 간섭을 자동 방지
LE Advertising Extensions
LE 채널 선택 알고리즘
데이터 전송 속도가 2Mbps, 1Mbps, 125kbps가 되었고, 2M와 1Mbps는 예전처럼 도달 거리가 100m, 125kbps는 도달 거리가 400m가 되었다. 즉, 전송속도와 최대거리를 유연하게 선택할 수 있다.

여담으로, 5.1 버전에서는 방향감지 기능이 추가되었다고 한다.

신기술, 비콘

비콘은 근거리에 있는 스마트 기기를 자동으로 인식하여 필요한 데이터를 전송할 수 있는 무선 통신 장치이다. 블루투스 비콘이라고도 한다.

비콘은 블루투스 4.0의 기술 중 일방향 통신과 저전력 기술을 근간으로 한다. 일방향 통신은 블루투스 기기가 정보를 송신할 수 있으면서도 수신하기 위해 대기할 필요는 없도록 해준다. 이러한 방법으로 beacon은 이전의 블루투스 장치와 같이 페어링 연결을 필요로 하지 않게됐다. 저전력 기술로 모든 기기가 항상 연결될 수 있도록 유지할 수 있다. 이는 IoT 구현에 적합한 형태이다.

이를 통해 다음과 같은 것들이 가능하다.

블루투스 비콘은 UUID가 포함된 정보 패킷을 보낼 수 있다. 이 때 UUID는 해당 비콘에 특정한 이벤트를 유발할 수 있는데, 이는 광고의 목적으로 사용될 수 있다.

위치 추정

특정 건물 내부에서 위치추정을 하고자 할 때 여러 개의 비콘을 설치하면 약 사용자의 위치를 파악할 수 있다. 또한 비콘의 출력 신호 세기와 신호 강도를 조절할 수 있기 때문에 원하는 범위 내에 사용자가 있으면 위치를 파악할 수 있다.

건강 관리

비콘의 장치 추적 기능은 가정 내 환자의 모니터링에 활용될 수 있다. 비콘은 사생활 보호 수준이 높아 CCTV와 같은 카메라에 비해 활용도가 높으며 병원이나 작업장 같은 환경에도 적용이 가능하다.

아이비콘(iBeacon)

아이비콘은 애플社의 비콘 기술에 대한 등록 상표이다. 2014년에 개발되어 지금까지 사용되고있다. iOS 7 이상의 기기들에게 자신의 위치를 알릴 수 있는 새로운 형태의 저전력, 저비용의 전파발신장치라고 소개한다. 이 기술을 사용하여 스마트폰 등의 기기가 아이비콘에 접근할 경우 특정 동작을 수행하게 할 수 있다.

가장 대표적인 사례로 스마트폰의 대략적 위치나 정보를 파악할 수 있다. 아이비콘의 신호를 수신한 스마트폰과 아이비콘 사이의 거리를 파악할 수 있다. 거리측정은 아이비콘과 스마트 기기 사이의 거리를 추정하여 거리에 따른 이벤트 발생을 제어한다.

immediate: 수 센티미터 정도의 거리
near: 수 미터의 거리
far: 10미터 이상의 거리

비콘과의 거리에 따라 3가지 단계로 알림을 받게 할 수 있다. 애플은 far 이상의 거리는 주변 환경에 따라 신호 굴절이나 반사 등 여러가지 문제점이 있으므로 far라고 묶었다고 설명한다. 참고로 비콘의 표준 신호 도달거리는 50~70m정도이며 장거리 비콘은 최대 450m까지 신호를 발신할 수 있다.

동작 방법은 다음과 같다.