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Bluetooth 5.1 지원 플랫폼을 통한 정밀 자산 추적 및 실내 포지셔닝 지원 ②

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글/Digi-Key 북미 편집자 제공

최신 버전인 Bluetooth 5.1 코어 사양의 출시로 개발자가 자산 추적 및 실내 포지셔닝 시스템(IPS)을 쉽게 구현할 수 있게 되었다. 특히, 이 사양에서는 수신기가 변조 교란 효과 없이 RF 신호에서 ‘IQ’ 데이터(트랜시버의 위치를 계산하는 데 필요한 동위상 및 직각 위상 정보)를 추출할 수 있도록 Bluetooth 패킷에 CTE(연속 톤 확장)를 추가했다. 이제 개발자가 IQ 샘플링을 수행하도록 프로토콜을 구성하는 것이 훨씬 쉬워졌다. 즉, 호스트 컨트롤러 인터페이스(HCI)를 사용하여 그런 샘플링을 수행하도록 컨트롤러를 구성하면 된다.
하지만 IQ 데이터를 추출하는 것은 여전히 간단하지 않다. 무선 마이크로 프로세서와 관련된 체계적으로 설계된 안테나 어레이를 사용해야 한다. IQ 데이터를 사용할 수 있더라도 송신기의 위치를 계산하려면 다중 경로 수신, 신호 분극, 전파 지연, 잡음, 지터 등을 고려하도록 데이터를 처리해야 한다.
이 기사에서는 실용적인 솔루션에 필요한 항목을 설명하고 Bluetooth 5.1 방향 찾기 응용 제품을 제작하는 데 사용할 수 있는 Dialog Semiconductor, Silicon Labs 및 Nordic Semiconductor의 적합한 개발 플랫폼 및 모듈을 소개한다. 마지막으로 이러한 플랫폼에서 설계 시제품 제작, 테스트 및 확인하는 방법을 보여준다.

Bluetooth 5.1 패킷 아키텍처

신호의 이 부분에 대해 안테나에서 (Bluetooth 데이터를 전달하는 데 일반적으로 사용되는 변조된 주파수 대신) 정주파를 수신하도록 Bluetooth 5.1 패킷에는 디지털 ‘1s’를 구성하는 CTE가 포함되어 있다. 또한 이 데이터 문자열이 백색화(즉, 역상관)되지 않다. CTE 신호를 통합하는 패킷을 수신하도록 안정적으로 구성된 Bluetooth 저에너지(LE) 무선 통신은 CTE 기간 동안 IQ 샘플링을 수행하여 진행된다. 신호 IQ 샘플은 데카르트 좌표로 표현되는 신호의 진폭 및 위상 각도로 구성된다(그림 1).

[그림 1] 방향 찾기 응용 제품에서 어레이의 각 안테나에 대해 Bluetooth 패킷의 CTE 부분 동안 위상 각도 및 진폭 IQ 샘플링을 수행하는 수신 Bluetooth LE 장치를 시작한다. 이러한 샘플은 (I,Q) 데카르트 좌표로 표시된다(이미지 출처: Bluetooth SIG).

Bluetooth v5.1 코어 사양의 세부 사항이 Bluetooth LE 컨트롤러로 변경되어 AoA 및 AoD 기술을 통해 연결(‘페어링’) 또는 무연결 통신을 사용할 수 있다. 하지만 AoA는 일반적으로 자산 추적과 같은 연결된 응용 분야에서 사용되고, AoD는 IPS와 같은 무연결 응용 분야에서 사용된다. 연결된 방향 찾기에서는 끝에 CTE가 추가된 표준 Bluetooth 5.1 패킷을 사용한다. 반대로 무연결 방향 찾기에서는 Bluetooth 주기적 애드버타이징 패킷에 추가된 CTE를 사용한다(그림 2).

[그림 2] CTE의 위치와 기간을 보여주는 Bluetooth 5.1 패킷 구조. 연결된 응용 분야에서는 CTE를 표준 패킷에 추가하고, 무연결 응용 분야에서는 애드버타이징 패킷을 사용한다(이미지 출처: Bluetooth SIG).

연결 시나리오와 무연결 시나리오 모두에서 개발자는 송신기에서 CTE를 시작하고 수신기에서 IQ 샘플링을 수행하기 위해 몇 가지 설정 및 구성 단계를 수행해야 한다. AoA 또는 AoD 기반 응용 분야를 선택하면 정확한 공정이 결정된다.

방향 찾기 솔루션 빌드

AoA는 송신기는 모바일 항목(예: 간단한 저비용 태그)이고 수신기(또는 로케이터)는 고정 기준점인 자산 추적과 같은 응용 분야에 적합하다. 이 구현은 태그가 단일 안테나(어레이 아님)를 사용하여 Bluetooth 5.1 프로토콜 패킷을 전송하는 데에만 필요하고, 궁극적으로 송신기 위치를 결정하는 계산 집약적인 알고리즘을 실행하는 데에는 필요하지 않다는 이점이 있다(1부 참조).
자산 추적 시스템의 태그 설계에서는 상대적으로 간단한 무선 주파수(RF) 설계 원칙을 따르지만 CTE를 포함하도록 패킷을 구성하려면 태그에 Bluetooth 5.1 트랜시버가 필요하다. 트랜시버를 선택할 때 Bluetooth LE 코딩 PHY(Bluetooth 5 기술의 장거리 기능을 구현하는 데 필요한 무선 통신)를 통해 CTE를 전송할 수 없다는 사실에 유의해야 한다. 대신 코딩되지 않은 유형의 PHY를 선택해야 한다.
Dialog Semiconductor의 DA14691 Bluetooth 5 LE SoC를 비롯한 일부 상용 Bluetooth 5.1 제품을 위치 서비스 응용 분야에 사용할 수 있다. 이 칩은 ArmⓇ CortexⓇ-M33 마이크로 프로세서에 의해 구동되고 512킬로바이트 RAM을 포함한다. Dialog에서는 DA14691에 사용 가능한 Bluetooth 5.1 스택을 제공했다. 또한 Silicon Labs는 EFR32BG13 Bluetooth LE SoC용 Bluetooth 5.1 스택을 출시했다. 이 칩은 64킬로바이트 RAM 및 512킬로바이트 플래시가 탑재된 Arm Cortex-M4 마이크로 프로세서를 사용한다. Nordic Semiconductor는 nRF52811 형태의 새로운 ‘방향 찾기’ 하드웨어 및 소프트웨어 솔루션을 출시하여 한 단계 더 나아갔다. Bluetooth LE SoC는 Bluetooth 5.1과 호환되며 Arm Cortex M4 마이크로 프로세서를 Nordic 고급 nRF52840 장치의 다중 프로토콜 무선 통신과 통합한다. 이 칩은 192킬로바이트 플래시와 24킬로바이트 RAM을 포함한다.
이러한 장치는 Bluetooth 방향 찾기 응용 분야의 송신기 및 수신기에 적합하다. 각 장치는 CTE 전송을 지원하며 송신기의 안테나 레이아웃을 지정하는 프로파일 레벨 정보를 활용하여 IQ 샘플을 캡처할 수 있다. 이론적으로 이러한 장치는 트랜시버의 위치에서 수신 무선 신호의 입사각을 처리하는 데 필요한 복잡한 계산도 수행할 수 있다. SoC에서 사용되는 Arm Cortex-M33 및 M4 프로세서는 상대적으로 더 강력하지만, 복잡한 방향 찾기 알고리즘을 실행하는 중에 무선 프로토콜 동시 감시에 참여할 경우 응용 제품의 성능이 저하될 수 있다.
응용 분야에 필요한 성능 및 대기 시간에 따라 개발자는 응용 소프트웨어를 위해 특별히 추가 RAM 및 플래시에 액세스하는 동반 프로세서를 고려할 수 있다. 예를 들어, Nordic의 nRF52811은 내부 집적 회로(I2C) 및 직렬 주변 장치 인터페이스(SPI)를 통해 동반 프로세서와 연결하도록 설계되었다.
추가적인 설계 문제는 비용 절감을 위해 Bluetooth LE SoC는 일반적으로 어레이에서 각 안테나를 체계적으로 작동하는 데 필요한 스위칭 기능 또는 여러 안테나 포트를 제공하지 않는다는 것이다. 따라서 Bluetooth LE SoC의 단일 안테나 포트를 어레이의 여러 안테나에 연결하고 안테나를 전환하면서 각 안테나로부터 IQ 데이터를 수집하려면 RF 스위치가 필요하다(그림 3).

[그림 3] AoA 방향 찾기 자산 추적 시스템의 태그에서는 단일 안테나와 기존 Bluetooth LE SoC를 사용하여 CTE를 통해 Bluetooth 5.1 패킷을 전송한다. 주요 계산은 시스템의 다중 안테나 로케이터 측에서 수행된다. 이때 로케이터에서 수집된 신호 데이터가 방향 찾기 알고리즘을 실행하는 위치 엔진에 공급된다. (이미지 출처: Bluetooth SIG)

수신기에서 IQ 데이터를 통해 어레이의 각 안테나에서 단일 송신 안테나까지 거리 차이로 인한 신호의 위상차를 감지하려면 안테나 어레이가 필요하다. 각 안테나의 위상 각도 차이에 따라 AoA 또는 AoD가 결정된다.
안테나 설계는 일반적으로 ULA(균일 선형 어레이), URA(균일 직사각형 어레이), UCA(균일 원형 어레이) 유형 중 하나로 분류된다. 안테나 어레이를 설계하려면 많은 경험이 필요하므로, 개발자는 1부에서 설명한 대로 대량으로 구성할 경우 최적 어레이 구성과 부품 명세서(BOM) 제공을 모두 제3자 전문가에게 위임하는 것이 더 효율적이다.
안테나 어레이, 동반 프로세서, 추가 메모리 및 안테나 관리 요구 사항으로 인해 자산 추적 솔루션의 로케이터 측 복잡도와 비용 및 전력 소비가 증가한다. 이점은 로케이터가 일반적으로 고정 위치에 유지되므로 본선 전력으로 구동할 수 있다는 것이다. 대부분의 경우 태그 수에 비해 상대적으로 적은 수의 장치가 필요하다.
AoD 구현은 조금 더 복잡한다. 이 시나리오에서는 안테나 어레이를 통합하는 송신기이다. 수신기는 단일 안테나에서 측정을 수행하고 원격 송신기에 있는 안테나 어레이의 설계 세부 사항을 사용하여 특정 안테나를 통해 측정하는 방식으로 IQ 샘플링을 수행한다.
AoD 구현에서는 고정 로케이터 비콘에서 비콘 신호를 전송하기 위해 Bluetooth 5.1 트랜시버, RF 스위치 및 여러 안테나가 필요하지만, 링크의 이 측면에서는 신호 분석이 수행되지 않으므로 AoA 구현에 추가 프로세서 및 메모리가 필요하지 않다. 하지만 모바일 수신기의 경우 단일 안테나만 있으면 되지만 방향 찾기 계산을 수행하려면 하드웨어 및 소프트웨어가 필요하다(그림 4). 예를 들어, IPS 응용 분야에서는 작업을 완료하는 데 충분한 프로세서 및 메모리 리소스를 갖춘 Bluetooth 5.1 호환 스마트폰을 수신기로 사용할 수 있다.

[그림 4] AoD 방향 찾기 IPS 시스템에서 고정 비콘은 안테나 어레이를 사용하여 CTE를 통해 Bluetooth 5.1 패킷을 전송한다. 기본 계산은 모바일 장치(예: 소비자의 스마트폰)에서 수행된다. (이미지 출처: Bluetooth SIG)

Bluetooth 5.1로 시제품 제작

Dialog Semiconductor, Silicon Labs 및 Nordic Semiconductor는 현재 CTE를 전송하고, 그런 패킷을 수신하고, IQ 샘플링을 수행하는 AoA 및 AoD 응용 분야의 부품에 솔루션을 집중하고 있다. 실제 방향 찾기 계산을 수행하는 데 필요한 리소스(예: 하드웨어 및 위치 엔진 펌웨어)를 결정하는 것은 개발자의 몫이다. 하지만 벤더들이 향상된 방향 찾기 솔루션을 출시하게 된다면 가까운 미래에 변경될 수 있다.
예를 들어, 각 기업이 AoA 자산 추적 응용 분야에서 태그 시제품 제작을 지원하는 개발 도구를 제공할 수 있다. 일반적으로 개발 공정에서는 기존 저전력 무선 장치를 위한 공정을 따른다. 예를 들어, Bluetooth 5.1 대상 장치와 주변 장치를 기반으로 공장에서 공급되는 전체 기능의 트랜시버로 구성된 개발 키트는 적합한 통합 개발 환경(IDE)을 호스팅하는 PC 또는 Mac 및 칩 제조업체의 소프트웨어 도구에 연결하여 응용 제품 개발을 지원한다.
Dialog의 경우 DA14695-00HQDEVKT-P-ND 개발 키트에서 기본 Bluetooth 5.1을 개발하는 것이 좋다. 키트에는 마더보드, DA14695 Bluetooth 5.1 SoC 기반 도터 기판, PC 연결용 케이블이 포함되어 있다. 또한 DK는 Arduino 및 MikroElektronika mikroBUS 실드, 전력 측정을 지원한다.
Silicon Labs는 SLWSTK6006A Wireless Gecko 시험용 키트를 제공한다. 이 DK는 6개 이상의 EFR32BG21 Bluetooth 5.1 SoC 기반 도터 기판과 함께 제공되므로, 다양한 태그를 사용하여 자산 추적 시스템의 시제품을 제작할 수 있다. 이 DK는 플렉스 SDK 응용 분야 및 구성 소프트웨어 개발 도구를 지원하는, Silicon Labs의 Simplicity Studio에 사용하도록 설계되었다.
Nordic은 nRF52811 Bluetooth 5.1 SoC와 완벽하게 호환되는 자사의 nRF52840 SoC를 기반으로 하는 nRF52840-DK 평가 기판을 제공한다. 많은 주요 IDE에서 지원되는 소프트웨어 개발 도구인 Nordic의 nRF5 SDK를 통해 응용 분야 개발 및 시스템 구성을 수행한다.
Bluetooth 5.1은 기본적으로 CTE를 통해 패킷을 전송하거나 IQ 샘플링을 수행하지 않는다. 따라서 개발자는 벤더의 개발 도구를 사용하여 이러한 기능을 추가하도록 시스템을 구성해야 한다. 도구를 통해 호스트 컨트롤러 인터페이스(HCI)에 액세스할 수 있다. 그러면 호스트에서 HCI를 통해 CTE 생성 및 IQ 샘플링에 사용하도록 컨트롤러를 구성한다.
AoD에 일반적으로 사용되는 무연결 시나리오의 경우 호스트에서 다음 컨트롤러 초기화 단계를 수행한다(그림 5).

[그림 5] (AoD에서 일반적으로 사용되는) 무연결 시나리오에서 호스트에 의해 수행되는 컨트롤러 초기화 단계. (이미지 출처: Bluetooth SIG)

① 확장된 애드버타이징 구성
② 주기적 애드버타이징 구성
③ CTE 전송 구성
④ CTE 애드버타이징 사용
⑤ 주기적 애드버타이징 사용
⑥ 확장된 애드버타이징 사용
⑦ 애드버타이징 데이터 설정
애드버타이저가 전송하는 CTE 데이터를 수신하고 IQ 샘플을 가져오도록 설계된 스캐닝 장치를 다음과 같이 구성해야 한다.
① 확장된 스캐닝 구성
② 확장된 스캐닝 시작
③ 수신된 주기적 애드버타이징 동기화 패킷과 동기화
④ 무연결 IQ 샘플링 사용
AoA에서 일반적으로 사용되는 연결된 시나리오에서는 마스터 또는 슬레이브 장치에서 다른 장치에 CTE를 통해 패킷을 전송하도록 요청한다. CTE 생성을 구성하는 많은 파라미터를 포함하는 링크 레이어(LL) CTE 요청 패킷을 전송하여 요청을 생성한다. 원격 장치에서 CTE를 지원하지 않는 경우 해당하는 로컬 장치를 사용하는 것이 좋다. 로컬 장치는 현재 연결을 사용하여 추가적인 CTE 요청을 전송하지 않는다.
자세한 절차는 다음과 같다. 요청 장치는 계속해서 다음과 같이 진행한다.
① 컨트롤러에서 CTE 수신 파라미터 구성
② 컨트롤러에서 CTE 요청 활성화
③ IQ 보고서 수신 및 처리
④ 더 이상 필요하지 않은 경우 CTE 요청 전송 비활성화
응답 장치는 계속해서 다음과 같이 진행한다.
① 컨트롤러에서 CTE 전송 파라미터 구성
② 컨트롤러에서 CTE 응답 활성화
③ 다른 장치에서 LL CTE 요청 수신 및 응답
Bluetooth 5.1 사양에서 HCI는 호스트에서 컨트롤러에 지원되는 안테나 관련 정보를 가져오는 데 사용되는 새 명령(‘LE 안테나 정보 읽기’)을 제공한다. 원격 장치에서 안테나 어레이에 대한 정보를 가져오는 절차는 아직 정의되어 있지 않다.
안테나 어레이를 통해 IQ 샘플링을 수행할 경우 각 샘플이 특정 안테나를 통해 캡처되고 샘플링이 체계적인 방법으로 완료되어야 한다. HCI 구성 명령에 지정된 패턴을 사용하고 엄격한 타이밍 규칙에 따라 이 체계적인 방법을 지원한다. 이러한 규칙이 적용되는 방법과 어느 장치에 무슨 규칙이 적용되는지는 응용 분야에서 AoA를 사용하는지 AoD를 사용하는지 여부와 장치가 송신하는지 수신하는지 여부에 따라 달라진다. 예를 들어, 단일 안테나로 송신하는 장치는 CTE를 통해 연속 패킷을 전송한다. 하지만 사용되는 안테나 수에 상관없이 IQ 샘플링은 항상 수신 장치에서 수행된다.
CTE 처리에 할당되는 시간은 초기 4μs 가드 기간, 8μs 레퍼런스 기간, 스위치 슬롯, 샘플 슬롯 또는 스위치 및 샘플 슬롯 쌍 시퀀스로 분할된다(그림 6).

[그림 6] 이 예에서는 AoA 응용 분야에서 1μs 및 2μs 타이밍 기간의 스위칭 및 샘플링을 보여준다. 단일 안테나 송신 장치는 CTE를 통해 패킷을 지속적으로 전송하고, IQ 샘플링은 수신 장치에서 스위칭 및 샘플링 시퀀스에 따라 수행된다. (이미지 출처: Bluetooth SIG)

레퍼런스 기간 동안 안테나 스위칭이 발생하지 않고 8개의 IQ 샘플이 획득된다. 호스트는 레퍼런스 샘플을 사용하여 신호의 주파수를 예측하고 파장을 추론할 수 있으므로 각도 계산의 정밀도가 향상된다.[1]

결론

Bluetooth 5.1 코어 사양에 적용된 개선 사항으로 인해 CTE 및 IQ 샘플링을 사용하여 방향을 찾는 데 필요한 원시 데이터가 생성된다. 이 사양에서는 검증된 엔지니어링 기술을 사용하여 신호 방향을 찾고 인터페이스, 구성 및 상호 작용을 표준화한다. 이 외에도 Bluetooth 솔루션을 제공하는 모든 칩 벤더에서 이제 정확한 방향 찾기를 상호 운용할 수 있다는 이점이 있다.
개발자가 Bluetooth 방향 찾기를 활용하는 시스템 구성을 빠르게 익힐 수 있도록 칩 제조업체들이 하드웨어 솔루션, 소프트웨어, DK 및 SDK를 빠르게 제공하고 있다. 상용 자산 추적 및 IPS 응용 분야 특히, 안테나 어레이 및 위치 엔진 펌웨어 설계에서는 여전히 높은 수준의 개발 전문 지식이 필요하지만, 머지않아 Bluetooth 방향 찾기 프로파일에서 이 문제가 더욱 완화될 것이다.

참고 자료
[1] Bluetooth Direction Finding: A Technical Overview, Martin Wooley, Bluetooth SIG, March 2019.

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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