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Bluetooth 5.1 – 정밀한 위치와 방향 탐지가 필요한 이유

By Eve Dane

August 16, 2021

LitePoint Eve Danel 블로그의 작가입니다. 게시물에서는 Bluetooth 5.1 최신 규격과 새로운 테스트 요구 사항에 대해 알아봅니다.

Bluetooth 5.1 – 정밀한 위치와 방향 탐지가 필요한 이유

2010년에 Bluetooth 4.0 표준이 적용된 Bluetooth LE(Bluetooth Low Energy)가 도입되었습니다. 기존의 Bluetooth 클래식 에 비해 저전력으로 작동하는 Bluetooth LE는 호스트 장치의 배터리 수명을 늘려줍니다. 2016년에는 Bluetooth 5 표준이 도입되어 데이터 전송률이 2배 증가하고 작동 범위가 확대되었습니다. Bluetooth 5.1은 2019년에 출시되었으며 방향탐지 기능이 향상되어 위치 추적 응용분야에까지 활용할 수 있게 되었습니다.

Bluetooth 5.1 사용 사례

Bluetooth 5.1의 향상된 방향 탐지 기능을 통해 실내 작동 시 GPS와 같은 위치 지정 기능을 제공할 수 있습니다. 이러한 유형의 기술 사용 사례는 자산 추적부터 건물 내 사람 위치 파악, 실내 방향 탐지, 객체 추적 등에 이르기까지 다양합니다. 이러한 광범위한 사용 사례는 산업, 의료, 소매, 접객, 기업, 가정, 교통을 포함한 거의 모든 시장에 적용될 수 있습니다.

RSSI 기반 근접 감지

Bluetooth는 이미 Bluetooth 비콘을 이용한 근접 감지에 널리 사용되는 기술입니다. 이 방법에서 로케이터는 로케이터의 수신기에서 측정된 신호의 강도를 나타내는 수신신호강도(RSSI, Received Signal Strength Indicator) 값을 사용하여 거리를 추정합니다. RSSI는 송신기와 수신기 사이의 거리를 추정하는 데 사용됩니다. 송신기의 전력을 알면 신호 감쇠를 측정하여 항목의 위치를 추정할 수 있습니다.

그림 1: RSSI 기반 방법

이 방법은 환경에 의해 변동되기 때문에 RSSI는 대략적인 거리 추정치만 제공합니다. 송신기와 수신기 사이의 장애물, 예를 들어, 군중들은 신호에 상당한 감쇠를 만들어 거리 추정치의 정확도를 떨어뜨릴 수 있습니다. 또한 RSSI 방법은 위의 그림 1과 같이 수신기 주변의 원형 영역 어딘가에 장치가 위치한다는 것만 감지할 수 있습니다. 장치가 위치에 대한 추가 정보를 제공하지 않기 때문입니다.  여러 로케이터를 배치하고 신호 삼변측정을 사용하면 장치를 보다 정확하게 찾을 수 있지만 시스템의 복잡성도 증가합니다.

도래각(AoA) 및 발사각(AoD)으로 정확도 향상

Bluetooth 5.1은 도래각(AoA, Angle of Arrival) 및 발사각(AoD, Angle of Departure) 정보를 제공하여 RSSI 방법의 정확도를 높입니다.

AoA는 움직이는 AoA 송신기(예: 휴대폰)가 단일 안테나를 사용하여 Bluetooth LE 방향 탐지 신호를 전송하는 자산 추적과 같은 응용 분야에 사용하도록 설계되었으며, 고정형 AoA 수신기(예: 천장에 설치)는 최소 2개의 안테나를 갖춘 안테나 어레이가 장착되어 있습니다. 어레이는 안테나 간의 위상 차이를 사용하여 송신기의 방향을 결정하는 데 사용됩니다. 도래각은 신호의 파장, 안테나 간 거리, 수신된 신호의 위상에 따라 결정됩니다.

그림 2: AoA 방법

AoD는 실내 내비게이션용 길 찾기와 같은 용도에 사용하도록 설계되었습니다. 휴대폰과 같은 AoD 수신기가 최소 2개의 안테나를 갖춘 안테나 어레이가 장착된 고정 AoD 송신기(예: 천장에 설치)에서 전송되는 방향 탐지 신호를 수신합니다. AoA와 마찬가지로 신호의 위상 정보를 사용하여 각도를 결정합니다.

그림 3: AoD 방법

Bluetooth 5.1 CTE(Constant Tone Extension)

AoA 및 AoD를 활성화하려면 신호의 위상을 측정해야 합니다. 방향 탐지를 위해 Bluetooth 5.1 코어 규격에는 연속 톤 확장(CTE, Constant Tone Extension) 필드가 추가되며 이는 16마이크로세컨드에서 160마이크로세컨드 사이의 가변 지속 시간을 갖는 일련의 비트입니다. CTE는 1Mbps(필수) 또는 2Mbps(옵션)의 속도로 작동하는 Bluetooth LE에만 지원됩니다. CTE 필드에는 수신 신호의 위상을 측정하기 위해 일정한 파장으로 하나의 주파수로 전송해야 하는 일련의 변조 1비트가 포함되어 있습니다. 따라서 신호는 화이트닝의 영향을 받지 않습니다. 화이트닝은 신호를 스크램블링하여 1 또는 0의 긴 문자열이 없도록 만드는 프로세스입니다. 

그림 4: CTE

Bluetooth 5.1 테스트 방법

위치 서비스에 대한 성공적인 기술 도입의 핵심은 위치를 얼마나 정확하게 측정할 수 있는지입니다. Bluetooth 5.1은 1m 미만의 정확도를 제공하는 것을 목표로 합니다. 솔루션의 검증은 시스템의 성능을 보장하는 데 중요한 역할을 합니다.

Bluetooth SIG는 이러한 새로운 방향 탐지 기능 검증을 포함하도록 Bluetooth PHY 테스트 규격을 업데이트했습니다. AoA 및 AoD 방법에 대한 송신기 및 수신기 테스트, 1Mbps와 2Mbps에서 지원되는 Bluetooth 데이터 전송률의 다양한 조합, 표준에서 지원되는 1마이크로세컨드와 2마이크로세컨드의 스위칭 및 샘플링 시간에 대한 새로운 테스트 사례가 추가되었습니다. 전체적으로, AoA 및 AoD를 다루기 위해 PHY 테스트에 추가된 23개의 새로운 테스트 사례가 있습니다.

CTE는 Bluetooth의 새로운 개념이며, 테스트 케이스는 CTE가 송신기에 의해 적절히 생성되는지 확인할 수 있도록 설계되었습니다. 수신기 측에서는 수신기 CTE의 IQ 측정값을 사용하여 신호의 위상을 정확하게 도출할 수 있는지 확인하는 것이 중요합니다.

그림 5: AoA 및 AoD 테스트 설정 완료

그림 5는 AoA 및 AoD 송신기 및 수신기 테스트를 위한 전체 테스트 설정을 보여줍니다. LitePoint의 IQxel-MW 7G는 새로운 방향 탐지 테스트 사례를 지원합니다. LitePoint는 또한 선도적인 Bluetooth 5.1 칩셋의 성능 시험을 위해 DUT및 테스터기를 완전히 제어하며 성능을 시험할 수 있는 IQfact+ 자동측정 소프트웨어 페키지를 제공합니다.

AoA 송신기 수신기 테스트

AoA 송신기(일반적으로 모바일 장치)에서 장치는 하나의 안테나만 가지고 있으며 CTE 필드는 PDU 끝에서 스위칭하지 않고,  연속적으로 전송됩니다. 수신된 신호에서 테스터는 CTE 신호의 최대 피크 및 평균 전력뿐만 아니라 전송된 신호의 반송파 주파수 오프셋 및 반송파 드리프트를 확인합니다.

AoA 수신기는 안테나와 스위치가 여러 개이므로 더 복잡합니다. 따라서 테스터가 전송하는 CTE 신호를 수신할 때 수신기는 미리 결정된 패턴에 따라 어레이의 여러 안테나 사이를 스위칭합니다. 스위칭 시간은 표준에 정의된 대로 1마이크로세컨드 또는 2마이크로세컨드입니다. 또한 DUT는 할당된 샘플링 슬롯의 타이밍인 1마이크로세컨드 또는 2마이크로세컨드 동안 수신된 CTE를 표준에 정의된 대로 샘플링합니다. DUT에서 채취한 IQ 샘플은 분석을 위해 테스터로 전송되어 위상 측정이 규격 범위 내에 있는지 확인합니다.

AoD 수신기 송신기 테스트

AoD 수신기(단일 안테나가 있는 모바일 장치)는 올바른 샘플링 슬롯에서 수신된 CTE 신호를 샘플링해야 합니다. 이를 확인하기 위해 DUT에서 얻은 IQ 샘플을 테스터로 전송하여 처리 및 분석을 합니다. AoA 수신기 테스트와 마찬가지로 이 테스트는 샘플링에서 파생된 위상값이 규격 범위 내에 있는지 확인합니다.

AoD 송신기 장치에는 최소 2개의 안테나가 장착된있는 안테나 어레이가 있으므로 송신기 테스트는 CTE의 적절한 슬롯과 안테나 어레이 내의 적절한 스위칭 패턴 중에 안테나 스위칭이 발생하는지 확인합니다.

Bluetooth 5.1용 LitePoint 테스트 솔루션에 대한 자세한 내용은 IQxel-MW 7GIQfact+ 페이지를 참조하십시오.

자세한 내용은BT 5.1테스팅 에플리케이션노트 를 다운로드하거나 이 주제에 대한 웨비나를 다운로드하시고 재생하십시오.

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