Bluetooth Low Energy(BLE)는 전력 소모를 극도로 줄이면서도 짧은 거리에서 안정적인 무선 통신을 제공하는 기술로, 기존의 표 블루투스(Bluetooth Classic)와는 별도로 개발된 프로토콜입니다. 주로 배터리 수명이 중요한 사물인터넷(IoT), 웨어러블 기기, 스마트 홈 기기 등에서 널리 사용되고 있습니다. BLE는 블루투스, 이후 지속적인 업데이트를 통해 성능과 보안성을 개선해 왔습니다.
이 문서는 BLE의 기본 개념, 작동 원리, 주요 특징, 응용 분야, 기술적 구조 및 향후 전망에 대해 체계적으로 설명합니다.
개요
Bluetooth Low Energy는 짧은 거리에서 낮은 전력으로 데이터를 전송하는 무선 통신 기술입니다. 기존 블루투스는 오디오 스트리밍과 같은 고대역폭 통신에 적합하지만, 상대적으로 전력 소모가 크기 때문에 배터리 구동 기기에는 부적합했습니다. 이에 반해 BLE는 초기 연결 속도를 빠르게 하고, 대기 전력을 극도로 줄이며, 주기적으로 소량의 데이터를 주고받는 데 최적화되어 있습니다.
주요 사용 사례로는 스마트워치, 피트니스 밴드, 스마트 의료 기기(심박수 모니터, 체온계), 스마트 도어락, 근거리 비콘(iBeacon, Eddystone), 자산 추적 태그 등이 있습니다.
기술적 특징
BLE의 가장 큰 장점은 매우 낮은 전력 소비입니다. 기기 대부분의 시간을 대기 모드로 유지하며, 데이터 전송 시에만 활성화됩니다. 이로 인해 CR2032 같은 소형 코인 셀 배터리로도 수년간 작동이 가능합니다.
- 대기 전류: 약 1μA 이하
- 송신 전류: 약 5–15mA (출력 레벨에 따라 다름)
- 수명 예시: 일부 센서는 2년 이상 배터리 사용 가능
2. 짧은 연결 시간
BLE는 연결 설정 시간이 3ms 이내로 매우 빠릅니다. 반면, 전통적 블루투스는 100ms 이상 소요될 수 있습니다. 이는 주기적인 센서 데이터 전송에 유리합니다.
BLE는 고속 데이터 전송보다는 소량의 데이터 주기적 전송에 최적화되어 있습니다.
- 최대 전송 속도: 1 Mbps (Bluetooth 4.x 기준)
- Bluetooth 5.0 이상에서는 2 Mbps 지원 (2M PHY 모드)
- 최대 패킷 크기: 260바이트 (Bluetooth 4.2 이후)
4. 주파수 대역
BLE는 2.4GHz ISM 대역(2.400–2.4835 GHz)을 사용하며, 전 세계적으로 사용 가능한 주파수입니다. 이 대역은 와이파이, 기존 블루투스, Zigbee 등과 공유되므로 간섭 관리가 중요합니다.
- 40개의 채널 사용: 그 중 3개는 애드버타이징 채널(37, 38, 39)로, 기기 검색 및 연결 시작에 사용
- 나머지 37개는 데이터 채널로 연결 후 통신에 사용
작동 원리
BLE는 주기적인 애드버타이징(advertising)과 연결 기반 통신(connected mode)의 두 가지 주요 동작 모드를 가집니다.
- 기기가 주기적으로 "나는 여기 있어요"라는 신호를 송출
- 주변 기기(예: 스마트폰)가 이를 수신하여 기기 목록에 표시
- 예: 스마트 밴드가 주기적으로 심박수를 브로드캐스트
2. 연결 모드
- 스캐너(central)가 특정 기기(advertiser)와 연결 요청을 보내면 연결이 수립
- 이후 양방향 데이터 전송 가능
- BLE는 일반적으로 마스터-슬레이브 아키텍처를 따르며, 하나의 마스터가 여러 슬레이브와 연결 가능
BLE 통신의 핵심은 GATT(Generic Attribute Profile)입니다. GATT는 데이터를 서비스(Service), 특성(Characteristic), 디스크립터(Descriptor)로 계층화하여 구조화합니다.
예시:
Heart Rate Service (UUID: 0x180D)
├── Heart Rate Measurement (UUID: 0x2A37) [읽기/알림]
└── Body Sensor Location (UUID: 0x2A38) [읽기]
- 서비스: 기능 단위 (예: 심박수 측정)
- 특성: 실제 데이터를 담는 요소
- 디스크립터: 특성에 대한 추가 정보 (예: 알림 활성화)
주요 응용 분야
| 분야 |
활용 사례 |
| 웨어러블 기기 |
스마트워치, 피트니스 트래커, 스마트 안경 |
| 의료 기기 |
혈당 측정기, 체온계, 산소 포화도 측정기 |
| 스마트 홈 |
스마트 조명, 온도 센서, 도어 센서, 스마트 리모컨 |
| 산업 IoT |
자산 추적, 설비 모니터링, 위치 기반 서비스 |
| 리테일 |
iBeacon 기반 매장 내 위치 안내, 프로모션 제공 |
보안 및 프라이버시
BLE는 초기에는 보안이 취약했으나, Bluetooth 4.2 이상부터 LE Secure Connections를 도입하여 개선되었습니다.
- 보안 기능:
- 페어링 시 키 교환 (Just Works, Passkey Entry 등)
- 암호화된 연결 (AES-CCM 사용)
- 프라이버시 확장: 기기의 MAC 주소를 주기적으로 변경하여 추적 방지
Bluetooth 버전별 발전
| 버전 |
주요 개선 사항 |
| 4.0 |
BLE 도입, 초저전력 모드 |
| 4.1 |
LTE와의 공존 개선, IP 연결 지원 |
| 4.2 |
IPv6/6LoWPAN 지원, 데이터 전송 속도 향상, 보안 강화 |
| 5.0 |
전송 거리 4배, 속도 2배, 새로운 2M PHY 및 코딩 PHY |
| 5.1 |
방향성 탐지 (AoA/AoD), 정밀한 위치 추적 가능 |
| 5.2 |
LE Audio 도입, 다중 스트리밍 오디오 지원 |
관련 기술과의 비교
| 기술 |
전력 소모 |
전송 거리 |
대역폭 |
주 용도 |
| BLE |
매우 낮음 |
~100m (이상) |
낮음 (~1-2 Mbps) |
센서, 웨어러블 |
| Wi-Fi |
높음 |
~50m (실내) |
높음 (Mbps–Gbps) |
인터넷 접속, 스트리밍 |
| Zigbee |
낮음 |
~10–100m |
낮음 (~250 kbps) |
스마트 홈, 센서 네트워크 |
| Z-Wave |
낮음 |
~30–100m |
매우 낮음 |
스마트 홈 (단일 공급업체 중심) |
참고 자료 및 관련 문서
Bluetooth Low Energy는 IoT 시대의 핵심 통신 기술 중 하나로, 저전력과 신뢰성, 표준화된 프로토콜을 바탕으로 다양한 산업에서 필수적인 역할을 하고 있습니다. 향후 LE Audio, 정밀 위치 탐지 등 새로운 기능이 확대되며, 그 응용 범위는 더욱 넓어질 것으로 전망됩니다.
# Bluetooth Low Energy
Bluetooth Low Energy(BLE)는 전력 소모를 극도로 줄이면서도 짧은 거리에서 안정적인 무선 통신을 제공하는 기술로, 기존의 표 블루투스(Bluetooth Classic)와는 별도로 개발된 프로토콜입니다. 주로 배터리 수명이 중요한 사물인터넷(IoT), 웨어러블 기기, 스마트 홈 기기 등에서 널리 사용되고 있습니다. BLE는 블루투스, 이후 지속적인 업데이트를 통해 성능과 보안성을 개선해 왔습니다.
이 문서는 BLE의 기본 개념, 작동 원리, 주요 특징, 응용 분야, 기술적 구조 및 향후 전망에 대해 체계적으로 설명합니다.
## 개요
Bluetooth Low Energy는 **짧은 거리에서 낮은 전력으로 데이터를 전송**하는 무선 통신 기술입니다. 기존 블루투스는 오디오 스트리밍과 같은 고대역폭 통신에 적합하지만, 상대적으로 전력 소모가 크기 때문에 배터리 구동 기기에는 부적합했습니다. 이에 반해 BLE는 **초기 연결 속도를 빠르게 하고, 대기 전력을 극도로 줄이며**, 주기적으로 소량의 데이터를 주고받는 데 최적화되어 있습니다.
주요 사용 사례로는 스마트워치, 피트니스 밴드, 스마트 의료 기기(심박수 모니터, 체온계), 스마트 도어락, 근거리 비콘(iBeacon, Eddystone), 자산 추적 태그 등이 있습니다.
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## 기술적 특징
### 1. 낮은 전력 소모
BLE의 가장 큰 장점은 **매우 낮은 전력 소비**입니다. 기기 대부분의 시간을 대기 모드로 유지하며, 데이터 전송 시에만 활성화됩니다. 이로 인해 CR2032 같은 소형 코인 셀 배터리로도 수년간 작동이 가능합니다.
- **대기 전류**: 약 1μA 이하
- **송신 전류**: 약 5–15mA (출력 레벨에 따라 다름)
- **수명 예시**: 일부 센서는 2년 이상 배터리 사용 가능
### 2. 짧은 연결 시간
BLE는 연결 설정 시간이 **3ms 이내**로 매우 빠릅니다. 반면, 전통적 블루투스는 100ms 이상 소요될 수 있습니다. 이는 주기적인 센서 데이터 전송에 유리합니다.
### 3. 낮은 데이터 전송률
BLE는 고속 데이터 전송보다는 **소량의 데이터 주기적 전송**에 최적화되어 있습니다.
- 최대 전송 속도: 1 Mbps (Bluetooth 4.x 기준)
- Bluetooth 5.0 이상에서는 2 Mbps 지원 (2M PHY 모드)
- 최대 패킷 크기: 260바이트 (Bluetooth 4.2 이후)
### 4. 주파수 대역
BLE는 **2.4GHz ISM 대역**(2.400–2.4835 GHz)을 사용하며, 전 세계적으로 사용 가능한 주파수입니다. 이 대역은 와이파이, 기존 블루투스, Zigbee 등과 공유되므로 간섭 관리가 중요합니다.
- **40개의 채널 사용**: 그 중 3개는 **애드버타이징 채널**(37, 38, 39)로, 기기 검색 및 연결 시작에 사용
- 나머지 37개는 **데이터 채널**로 연결 후 통신에 사용
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## 작동 원리
BLE는 **주기적인 애드버타이징**(advertising)과 **연결 기반 통신**(connected mode)의 두 가지 주요 동작 모드를 가집니다.
### 1. 애드버타이징 모드
- 기기가 주기적으로 "나는 여기 있어요"라는 신호를 송출
- 주변 기기(예: 스마트폰)가 이를 수신하여 기기 목록에 표시
- 예: 스마트 밴드가 주기적으로 심박수를 브로드캐스트
### 2. 연결 모드
- 스캐너(central)가 특정 기기(advertiser)와 연결 요청을 보내면 연결이 수립
- 이후 양방향 데이터 전송 가능
- BLE는 일반적으로 **마스터-슬레이브 아키텍처**를 따르며, 하나의 마스터가 여러 슬레이브와 연결 가능
### 3. GATT 프로파일
BLE 통신의 핵심은 **GATT**(Generic Attribute Profile)입니다. GATT는 데이터를 **서비스**(Service), **특성**(Characteristic), **디스크립터**(Descriptor)로 계층화하여 구조화합니다.
예시:
```plaintext
Heart Rate Service (UUID: 0x180D)
├── Heart Rate Measurement (UUID: 0x2A37) [읽기/알림]
└── Body Sensor Location (UUID: 0x2A38) [읽기]
```
- **서비스**: 기능 단위 (예: 심박수 측정)
- **특성**: 실제 데이터를 담는 요소
- **디스크립터**: 특성에 대한 추가 정보 (예: 알림 활성화)
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## 주요 응용 분야
| 분야 | 활용 사례 |
|------|----------|
| **웨어러블 기기** | 스마트워치, 피트니스 트래커, 스마트 안경 |
| **의료 기기** | 혈당 측정기, 체온계, 산소 포화도 측정기 |
| **스마트 홈** | 스마트 조명, 온도 센서, 도어 센서, 스마트 리모컨 |
| **산업 IoT** | 자산 추적, 설비 모니터링, 위치 기반 서비스 |
| **리테일** | iBeacon 기반 매장 내 위치 안내, 프로모션 제공 |
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## 보안 및 프라이버시
BLE는 초기에는 보안이 취약했으나, **Bluetooth 4.2 이상부터 LE Secure Connections**를 도입하여 개선되었습니다.
- **보안 기능**:
- 페어링 시 키 교환 (Just Works, Passkey Entry 등)
- 암호화된 연결 (AES-CCM 사용)
- 프라이버시 확장: 기기의 MAC 주소를 주기적으로 변경하여 추적 방지
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## Bluetooth 버전별 발전
| 버전 | 주요 개선 사항 |
|------|----------------|
| **4.0** | BLE 도입, 초저전력 모드 |
| **4.1** | LTE와의 공존 개선, IP 연결 지원 |
| **4.2** | IPv6/6LoWPAN 지원, 데이터 전송 속도 향상, 보안 강화 |
| **5.0** | 전송 거리 4배, 속도 2배, 새로운 2M PHY 및 코딩 PHY |
| **5.1** | 방향성 탐지 (AoA/AoD), 정밀한 위치 추적 가능 |
| **5.2** | LE Audio 도입, 다중 스트리밍 오디오 지원 |
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## 관련 기술과의 비교
| 기술 | 전력 소모 | 전송 거리 | 대역폭 | 주 용도 |
|------|-----------|-----------|--------|--------|
| **BLE** | 매우 낮음 | ~100m (이상) | 낮음 (~1-2 Mbps) | 센서, 웨어러블 |
| **Wi-Fi** | 높음 | ~50m (실내) | 높음 (Mbps–Gbps) | 인터넷 접속, 스트리밍 |
| **Zigbee** | 낮음 | ~10–100m | 낮음 (~250 kbps) | 스마트 홈, 센서 네트워크 |
| **Z-Wave** | 낮음 | ~30–100m | 매우 낮음 | 스마트 홈 (단일 공급업체 중심) |
---
## 참고 자료 및 관련 문서
- [Bluetooth SIG 공식 사이트](https://www.bluetooth.com)
- *Bluetooth Core Specification v5.3*, Bluetooth Special Interest Group
- Nordic Semiconductor nRF52 시리즈 기술 문서
- Apple iBeacon 기술 개요
- IEEE 802.15.1 표준
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Bluetooth Low Energy는 IoT 시대의 핵심 통신 기술 중 하나로, 저전력과 신뢰성, 표준화된 프로토콜을 바탕으로 다양한 산업에서 필수적인 역할을 하고 있습니다. 향후 LE Audio, 정밀 위치 탐지 등 새로운 기능이 확대되며, 그 응용 범위는 더욱 넓어질 것으로 전망됩니다.