Bluetooth Low Energy
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Bluetooth Low Energy
개요
블루투스 로우 에너지(Bluetooth Low Energy, 이하 BLE)는 전력 소비를 극도로 줄이면서도 무선 통신 기능을 제공하는 근거리 무선 통신 기술입니다. 기존 블루투스(BR/EDR, Basic Rate/Enhanced Data Rate)와 달리, BLE는 지속적인 연결보다는 짧은 간격으로 데이터를 주고받는 인터미턴트(intermittent) 통신을 중심으로 설계되어, 배터리 수명이 중요한 사물인터넷(IoT), 웨어러블 기기, 의료 기기 등에 널리 사용되고 있습니다.
2010년 블루투스 4.0 사양에 포함되어 처음 소개된 BLE는 이후 블루투스 4.1, 4.2, 5.x 버전을 통해 성능, 보안, 전송 거리, 데이터 처리량 등이 지속적으로 개선되어 왔습니다. 현재는 스마트폰, 스마트워치, 헬스케어 기기, 스마트 홈 기기 등 수많은 디바이스에서 표준 통신 방식으로 자리 잡고 있습니다.
기술적 특징
1. 낮은 전력 소비
BLE의 핵심 특징은 극도로 낮은 전력 소비입니다. BLE 장치는 대부분의 시간 동안 대기 모드(Standby Mode)에 머무르며, 필요한 순간에만 짧은 시간 동안 활성화되어 데이터를 전송합니다. 이로 인해 소형 배터리(예: 코인 셀)로도 수개월에서 수년간 동작이 가능합니다.
예를 들어, 스마트 온도계나 심박수 모니터는 몇 초 또는 몇 분 간격으로 데이터를 전송하며, 그 외 시간에는 통신 모듈을 완전히 비활성화합니다.
2. 주파수 대역 및 채널
BLE는 2.4GHz ISM 대역(Industrial, Scientific, and Medical Band)을 사용하며, 전 세계적으로 통용 가능한 주파수입니다. 이 대역에는 총 40개의 채널이 존재하며, 각 채널은 2MHz 간격으로 배치되어 있습니다.
- 광고 채널(Advertising Channels): 3개 (채널 37, 38, 39)
→ 장치가 자신을 알리고 연결을 기다릴 때 사용 - 데이터 채널(Data Channels): 37개
→ 실제 연결 후 데이터 전송 시 사용
광고 채널은 주변 장치 탐색(스캔)과 연결 요청에 사용되며, 데이터 채널은 연결 성립 후 통신에 활용됩니다.
3. 연결 모델
BLE는 주로 마스터-슬레이브(또는 센터-페리퍼럴) 아키텍처를 따릅니다.
- 센터(Central): 스마트폰, 태블릿 등 여러 장치와 연결할 수 있는 중심 장치
- 페리퍼럴(Peripheral): 센서, 웨어러블 기기 등 중심 장치에 연결되는 단말기
한 센터는 동시에 여러 페리퍼럴과 연결할 수 있지만, 페리퍼럴은 일반적으로 하나의 센터에만 연결됩니다.
주요 프로파일 및 서비스
BLE는 GATT(Generic Attribute Profile) 기반으로 동작하며, 데이터는 서비스(Service), 특성(Characteristic), 디스크립터(Descriptor)의 계층 구조로 구성됩니다.
GATT 아키텍처
- 서비스(Service): 관련된 기능의 집합 (예: 심박수 모니터링 서비스)
- 특성(Characteristic): 실제 데이터 값 (예: 현재 심박수 값)
- 디스크립터: 특성에 대한 부가 정보 (예: 단위, 설명)
표준화된 프로파일 예: - HRS(Heart Rate Service): 심박수 측정 장치용 - DIS(Device Information Service): 제조사, 모델명 등 장치 정보 제공 - BAS(Battery Service): 배터리 잔량 정보 공유
이러한 표준 프로파일 덕분에 다양한 제조사의 장치 간 호환성이 보장됩니다.
블루투스 5.x에서의 발전
BLE는 블루투스 5.0(2016년) 이후 더욱 진화하였습니다.
| 기능 | 설명 |
|---|---|
| 2배 빠른 전송 속도 | 최대 2Mbps 지원 (이전 1Mbps 대비) |
| 4배 증가한 전송 거리 | Long Range 모드(코딩 PHY)로 최대 1km 이상 가능 |
| 증강된 광고 기능(Advertising Extensions) | 더 많은 데이터를 광고 패킷에 포함 가능 |
| 정밀한 위치 탐지(Direction Finding) | 앵글 오브 애라이벌(AoA), 앵글 오브 디파처(AoD) 지원 |
이러한 개선은 실내 내비게이션, 자산 추적, 스마트 빌딩 등에 활용되고 있습니다.
주요 활용 사례
- 웨어러블 기기: 스마트워치, 피트니스 밴드
- 의료 기기: 혈당 측정기, 심전도 모니터
- 스마트 홈: 스마트 도어락, 조명 제어, 온도 조절기
- 산업 IoT: 센서 네트워크, 원격 모니터링
- 비콘(Beacon): iBeacon, Eddystone 기반 위치 기반 서비스
보안
BLE는 연결 시 보안 연결(Secure Connections)을 지원하며, 다음과 같은 보안 기능을 제공합니다:
- 암호화(AES-CCM)
- 인증 및 페어링(Just Works, Passkey Entry, OOB)
- 보안 레벨 설정(Security Mode 1 Level 1~4)
최신 사양에서는 중간자 공격(MITM) 방지를 위한 강화된 인증 절차를 포함하고 있습니다.
관련 기술 및 비교
| 항목 | BLE | Wi-Fi | Zigbee | NFC |
|---|---|---|---|---|
| 전력 소비 | 매우 낮음 | 높음 | 낮음 | 매우 낮음 |
| 통신 거리 | 10~100m | 30~100m | 10~100m | <10cm |
| 데이터 속도 | 1~2 Mbps | 100+ Mbps | 250 kbps | 424 kbps |
| 주 용도 | 센서, 웨어러블 | 고속 데이터 전송 | 센서 네트워크 | 근거리 터치 기반 |
참고 자료
- Bluetooth SIG 공식 사이트: https://www.bluetooth.com
- Bluetooth Core Specification v5.3
- Nordic Semiconductor nRF52 시리즈 개발 가이드
- IEEE 802.15.1 표준
BLE는 저전력 통신 기술의 핵심 축으로, IoT 시대의 인프라를 뒷받침하는 중요한 기술입니다. 지속적인 표준 개선과 생태계 확장으로 향후 더욱 다양한 응용 분야에서 그 영향력을 넓혀갈 전망입니다.
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