Bluetooth® 위치 추적 및 거리 측정

방향 탐지 및 HADM(High-Accuracy Distance Measurements)

Bluetooth® 위치 기반 서비스

위치 기반 서비스와 애플리케이션은 스마트폰, 자동차, 웨어러블과 같은 오늘날의 전자 장치에 흔하게 탑재되고 있습니다. 하지만, 때때로 위성(GNSS) 또는 이동통신 네트워크의 커버리지가 충분하지 않거나 정확도가 떨어지는 경우가 발생하기도 합니다. 특히 실내의 경우 이런 문제가 발생하기 쉽습니다. 따라서 실내 환경에서는 근접성, 보안 측량, 추적, 탐색 기능을 지원하기 위해 일반적으로 Wi-Fi, UWB, Bluetooth®와 같은 단거리 기술을 사용합니다.

오늘날의 Bluetooth® 위치 기반 서비스 애플리케이션은 링크 가용성 및 경로 손실 추정을 기반으로 근접성 및 측위 기능을 제공합니다. 또한, AoA(Angle of Arrival), AoD(Angle of Departure) 추정을 통한 방향 탐지를 제공합니다. Bluetooth® LE는 Bluetooth® Channel Sounding이라는 새로운 위상 측위 기술로 보안 측위 애플리케이션을 지원하는 등 지속적으로 기능을 개선하고 있습니다.

Bluetooth® 위치 기반 서비스를 이용하는 잘 알려진 애플리케이션의 몇 가지 예를 들면 다음과 같습니다.

자산 추적
근접 탐지
접촉자 추적
보안 액세스 애플리케이션

Bluetooth® Low Energy 근접 및 추적 서비스

Bluetooth® LE(Low Energy) 근접 및 추적 서비스는 링크 상태및 추정 경로 손실을 이용하여 가까운 피어(Peer)를 식별하고 거리를 판단합니다. 즉, RSSI(Received Signal Strength Indicator)를 통해 수신자측의 신호를 반영하여 기기 간 거리를 추정합니다.

하지만 RSSI 기반 거리 측정 방식은 실제 무선 채널 동작으로 인해 정확도가 제한적이고 불확도가 높습니다. 뿐만 아니라 RSSI 기반 거리 측정은 어렵지 않게 조작이 가능한 것으로 나타났습니다. 이로 인해 디지털 키와 같은 보안 애플리케이션에 잠재적 위험이 존재하게 됩니다. 이러한 제약에 따라 Bluetooth® SIG(Special Interest Group)는 보안 기능이 탑재된 HADM(High-Accuracy Distance Measurements)을 도입하기 위한 기술을 적극적으로 개발하고 있습니다.

Bluetooth® 위치 추적 및 방향 탐지

Bluetooth® LE DF(Direction Finding) 기능은 Bluetooth® 위치 추적 서비스의 기능을 개선하기 위해 Bluetooth® 5.1에 정의되었습니다. 이 기능은 Bluetooth® 신호의 방향을 파악하기 위해 두 가지 방식을 지원합니다.

AoA(Angle-of-Arrival) 추정: 단일 안테나가 탑재된 Bluetooth® 송신기로 특수 방향 탐지 신호를 전송합니다. 안테나 배열을 탑재한 수신측 피어 기기는 위상차를 측정해 수신 신호의 방향을 추정합니다. 이 방식은 일반적으로 자산 추적에 적용되고 있습니다.
AoD(Angle of Departure) 추정:고정된 Bluetooth® 송신기가 스위치된 안테나 배열을 사용해 방향 탐지 구현 패킷을 전송합니다. 단일 안테나를 탑재한 수신측 기기는 신호를 캡처하고 위상차를 측정하여 상대적 신호 방향을 추정합니다. 이 방식은 동적 시나리오에서 정밀 방향 정보가 필요한 애플리케이션에 적합합니다.

방향 탐지를 위한 AoA/AoD 추정의 정밀성은 다음 요소에 따라 크게 달라집니다.

안테나 수
안정적 송신 출력
저 주파수 오프셋
DF 신호 드리프트(LE 1M 또는 LE 2M) 송신 기기
수신 기기에서 수신된 신호에서 I/Q 데이터를 정확히 샘플링하는 성능

Bluetooth® SIG는 정확한 성능을 보장하기 위해 각각의 셋업으로 다양한 Test Case를 지정했습니다. R&S®CMW 무선 통신 테스트 플랫폼은 자동화된 테스트 솔루션으로 이러한 Test Case를 지원합니다.

Bluetooth® Channel Sounding을 이용하는 HADM

Bluetooth® Channel Sounding은 PBR(Phase-based Ranging)을 사용하여 두 가지 Bluetooth® LE 장치 간 HADM을 구현하며, 다른 채널의 수신 및 송신 무선 신호 간 위상 편이를 이용합니다. 주파수가 다른 두 개 이상의 신호를 이용하여 해당 신호 간 위상차(Δθ) 측정값에 따라 거리를 정밀 추정합니다.

한쪽 기기는 CTE(Constant Tone Extension)이 포함된 패킷을 전송하는 Initiator의 역할을 합니다.
다른쪽 기기는 수신 신호와 동일한 위상으로 패킷을 되돌려 보내어 첫 번째 기기에 응답하는 리플렉터의 기능을 합니다.

이 프로세스에 따라 Bluetooth® 기기 간 거리를 정확하게 추정할 수 있습니다. 일반적인 HADM 애플리케이션은 키리스 엔트리 시스템, 실내 탐색, 자산 추적 등이 있으며, 새로운 사용 사례도 곧 배포될 예정입니다.

/

Bluetooth® Channel Sounding 작동 방식

Bluetooth® SIG는 채널 사운딩 신호의 위상 생성, 안정적 주파수, 정밀 측정에 초점을 맞추어 Test Case를 적극적으로 지정하고 있습니다. 안테나 영역을 활용할 경우 Test Case는 안테나 스위칭 무결성도 다룹니다. 기기 설계는 위상차 및 시간 지연 측정에 커다란 영향을 미치므로 AoA, AoD, Bluetooth® Channel Sounding을 테스트할 때에는 OTA(over-the-air) 측정을 수행하는 것이 가장 좋습니다.

Bluetooth® Channel Sounding 및 방향 탐지를 위한 테스트 솔루션

로데슈바르즈 테스트 및 계측 솔루션은 Bluetooth® Core specification에 따라 Bluetooth® BR, EDR, LE에 대한 포괄적 지원을 제공합니다. 특히 R&S®CMW Wireless Communications Test Platform은 Bluetooth® Channel Sounding 및 방향 탐지의 자동화 테스트를 지원합니다. R&S®CMW 플랫폼은 Bluetooth® SIG에서 이들 기능에 대해 지정한 Test Case를 준수하여 타 솔루션과 다른 고유한 솔루션으로 평가받고 있습니다. 이 테스트 플랫폼은 또한 OTA 셋업, 스트리밍, 테스트 프로세스에서 Bluetooth® LE를 DTM 방식으로 테스트할 수 있는 전파 내 테스트 컨트롤을 제공합니다.

Bluetooth® 테스트 기능은 신호 발생기와 신호 분석기 등 로데슈바르즈의 주요 측정 솔루션에 탑재되어 있습니다. 다양한 테스트 기능을 단일 기기로 통합하였으며 Bluetooth® 뿐만 아니라 Non-cellular 및 Cellular 표준까지 지원합니다.

로데슈바르즈의 전문 담당자와 함께 귀하에게 필요한 Bluetooth® Test Case에 대해 논의해 보시겠습니까?

문의하기