블루투스 LE 한계 극복한 ‘블루투스 5’ IoT 성장 이끈다 ①

[테크월드=이나리 기자] 단거리 무선 통신 기술인 블루투스(Bluetooth)는 이제 우리의 일상 생활에서 너무나 친숙하게 느껴진다. 블루투스 통신을 통해 스마트폰으로 오디오 스피커에 음악을 재생시킬 수 있고, 자동차의 오디오, 인포테인먼트 기능을 이용할 수 있다. 또 블루투스는 스마트워치와 같은 웨어러블 디바이스를 연결하고, 사물인터넷(IoT), 비콘 등에 활용되면서 차세대 통신 기술로 주목 받고 있다.

이에 더 나아가 블루투스는 스마트 홈, 스마트 빌딩, 스마트 공장, 스마트 시티를 지원하기 위한 신기술인 ‘블루투스5’, ‘블루투스 메시’로 진화됐고, 2018년부터 본격적인 상용화를 앞두고 있다. 본 기사에서는 신기술 블루투스 5와 블루투스 메시의 기술 특징, 블루투스 시장 전망에 대해 알아보겠다. 

스마트폰의 커넥티비티 기능에 있어서 블루투스(Bluetooth)는 필수적인 통신 기술로 자리잡았다. 이는 블루투스 통신을 사용하는 다양한 IT 디바이스가 등장한 것만으로 알 수 있다. 예로, 최근 몇 년 사이 폭발적으로 성장한 블루투스 오디오 스피커가 대표적이며, 무선 마우스, 무선 키보드가 빠르게 대중화됐다. 특히 웨어러블 디바이스에 있어서 블루투스는 반드시 필요한 통신 기술로 꼽힌다. 또 본격적인 사물인터넷 시대로 접어들고 있는 가운데 가장 최신 기술인 블루투스 5는 커넥티비티 성장에 또 한번 중추적인 역할을 할 것으로 주목 받고 있다. 

시장조사 연구기관인 ABI리서치(ABI Research)에 따르면, 2016년 한 해 동안 6억 5000만 개의 블루투스 클래식(BR/EDR) 기반 무선 오디오 디바이스와 5억 개의 블루투스 저에너지(LE) 기반 디바이스가 판매됐다고 밝혔다.

2022년에는 블루투스 BR/EDR 10억개, 블루투스 LE 15억개로 성장할 것으로 전망했다. 뿐만 아니라, 비교적 초기 단계의 비콘 시장은 빠른 성장을 거듭해 2022년 7억 5000만 개의 비콘을 판매할 것으로 전망했다. 또 2021년까지 전 세계에 약 480억개 이상의 인터넷 연결 기기가 설치될 예정이며, 그 중 3분의 1 가량의 기기에 블루투스 기능이 탑재될 것으로 전망했다.

단거리 통신 기술 ‘블루투스’의 단계별 진화 

'블루투스'라는 이름은 10세기경 처음으로 노르웨이와 덴마크를 통합한 덴마크 왕 하랄 브로탄 곰슨(Harald Blåtand Gormsen / Haraldr blátǫnn Gormsson)의 별칭이 '파란 이빨의 왕'으로 불렸다는 것에서 유래됐고, Blåtand를 영어식으로 번역한 단어가 블루투스(Bluetooth)다. 블루투스라는 이름의 아이디어는 1997년 인텔 출신의 시스템 엔지니어 짐 카다크(Jim Kardach)가 바이킹과 하랄 브로탄 왕에 관한 역사소설을 읽고 제안한 것으로 알려졌다. 하랄 브로탄 왕이 스칸디나비아를 통일했던 것처럼 '난립하는 여러 무선 통신 규격을 통합하자'는 염원이 담겼다고 한다. 

블루투스는 1994년 에릭슨을 필두로, 인텔, IBM, 노키아, 도시바 등의 5개 회사가 프로모터로서 규격의 책정에 참가했으며, 그 후 마이크로소프트, 모토로라, 쓰리콤(3com), 루센트 테크놀로지 등의 4개 회사가 추가 참여했다. 그 이후 3COM과 루센트 테크놀로지 대신, 애플과 노르딕 세미컨덕터(Nordic Semiconductor)가 추가돼 총 9개 회사가 프로모터 기업으로 참가했다.

초기 블루투스는 IEEE에서 규격명 IEEE 802.15.1으로 등재됐으나 현재는 블루투스 SIG(Special Interest Group)를 통해 관리되고 있다. 따라서 장비 제조사가 블루투스 장비로 인증을 받기 위해서는, 반드시 블루투스 SIG에서 제정한 국제 무선 표준 규격을 만족해야 한다. 현재 블루투스 SIG는 약 3만 개의 기업들이 멤버로 가입돼 있다. 

블루투스는 크게 ‘블루투스 클래식(Bluetooth Classic)’과 ‘블루투스 저에너지(Bluetooth Low Energy, BLE)’로 구분된다. 즉, 블루투스 3.0까지는 블루투스 클래식, 블루투스 4.0부터의 버전은 모두 BLE로 불린다. 

초창기 블루투스 기술은 디바이스 간에 마스터, 슬레이브 관계를 형성해 통신하는 블루투스 클래식 방식을 이용했다. 블루투스 클래식은 다른 디바이스를 무선으로 연결해 사용할 수 있는 편리함을 줬지만, 연결이 되는 동안에 배터리를 빠르게 소모시켰기 때문에 사용하는 데 많은 불편함이 따른다. 그러나 블루투스 클래식은 ‘높은 전력 소모’라는 단점에도 불구하고 많은 양의 데이터를 안정적으로 전송시킬 수 있기 때문에 무선 오디오 스피커 시장에 혁신을 가져온 기술이다.

반면 블루투스 저에너지는 필요에 따라 연결할 수 있고 한 번의 충전으로 오랜 기간 사용을 요구하는 스마트 밴드, 스마트 워치, 스마트 글래스 등의 웨어러블 기기와 비콘 시장의 성장에 주축이 됐다. 

블루투스 클래식의 기술 변화를 구체적으로 살펴보면, 초창기 블루투스 1.0은 ISM 대역인 2.45GHz를 사용했고, 이는 무선 랜(802.11b/g)도 2.4Ghz대의 주파수와 동일하다. 따라서 블루투스 1.0은 같은 주파수를 사용함에 따라 동일 주파수 영역 내에 있는 장치간 충돌이 일어났고, 다른 채널을 찾아 데이터를 전송하는 방식으로 문제를 피했다. 

2002년 802.15.1 IEEE 표준으로 승인된 블루투스 1.1은 속도가 723.1kbps에 달하며, 비 암호화 채널(Non-Encrypted channels)을 지원했고, 신호강도 지표(Signal Strength Indicator)를 수신 받을 수 있게 됐다. 2005년 표준으로 승인된 블루투스 1.2의 경우 블루투스 1.1보다 빠른 접속과 가까운 거리에서의 주파수 간섭, 먼 거리에서의 분산스펙트럼을 개선했다. 

블루투스는 2.0 + EDR부터는 블루투스 SIG로부터 표준화가 결정됐다. 블루투스 2.0은 2004년 10월 공식 표준화됐으며, 3.0Mbit/s의 향상된 데이터 속도(Enhanced Data Rate, EDR)를 지원하게 됐다. 이로써 기존 대비 평균 3배, 최대 10배의 데이터 전송 속도 향상(실제 전송 속도 2.1Mbit/s)과 Duty Cycle 감소에 의한 저전력 소비, MLS(Multi-Link Scenarios)의 단순화로 사용할 수 있는 대역폭이 늘어났다. 

2007년 7월 표준화된 블루투스 2.1 + EDR은 스니프 서브레이팅(Sniff Subrating) 기술, 부호화 일시 중지/재개(Encryption Pause Resume), 근거리 무선통신(NFC) 코퍼레이션 기술 등이 추가로 지원되면서 블루투스 장치 간의 공유 기술을 크게 향상 시켰다. 

2009년 4월 발표된 블루투스 3.0 +HS는 802.11 PAL(Protocol Adaptation Layer)를 채용해서 속도를 최대 24Mbps로 향상시켰다. +HS(High Speed)라는 이름이 추가된 기능은 기기간 대용량 파일을 주고 받을 수 있다. 이로써 PC를 모바일 기기와 동기화하고, 프린터나 PC로 대용량 사진, 동영상, 파일을 내려받을 수 있게 됐다. 

2010년 6월 블루투스 4.0(블루투스 스마트)이 채택되면서 종래의 버전과 비교해 대폭적으로 소비전력을 낮춘 블루투스 저에너지(BLE)가 등장했다. 이전 기술인 블루투스 3.0은 전송 속도를 높이는 데 집중했다면, 4.0은 전력소비를 낮췄다는 점이 큰 차이다. 블루투스 4.0의 전송 속도는 1Mbps로, 데이터 패킷 사이즈가 8 ~ 27옥테드로 매우 작아졌다. 이는 가전제품 등에 탑재된 센서와의 데이터 통신을 염두에 두고 만들어진 사양이기 때문이다. 이때부터 블루투스는 무선기기뿐 아니라 스포츠와 피트니스, 보안, 홈 엔터테인먼트 등 다양한 분야에 적용되기 시작했다. 

2013년 12월 블루투스 4.1은 기존 보다 연결성과, 데이터 전송을 개선했으며, 거리가 벌어져 연결이 잠시 끊겨도 다시 접근하면 자동 연결이 가능하도록 했다. 특히 블루투스 연결을 통해 웨어러블 기기가 스마트폰의 주변장치이자 동시에 다른 장치와의 허브 역할도 할 수 있게 했다. 또 향후 사물인터넷(IoT)을 위한 새로운 IPv6 사용 표준도 추가됐다. 

블루투스 4.2는 이전 버전이 발표된 지 1년 만인 2014년 12월에 발표됐다. 블루투스 4.2는 새로운 인터넷 프로토콜 지원 프로파일(IPSP)이 추가되면서 IoT에 대한 대응이 더 긴밀해졌다. 블루투스 4.2 표준에서는 확장된 데이터 길이를 사용해 더 빠르게 데이터 전송을 할 수 있으며, 저전력 IP(IPv6/6LoWPAN)와 블루투스 스마트 인터넷 게이트웨이(GATT) 같은 새로운 인터넷 커넥티비티 기능들을 포함한다.

블루투스 저에너지는 지난 몇 년 사이에 급격히 진화하면서 기능성, 성능, 유연성이 크게 향상됐다. 오늘날 대다수 휴대기기, 스마트폰, 태블릿(안드로이드, iOS)은 블루투스 저에너지 표준을 지원하고, 마이크로소프트 윈도우, 리눅스, 애플 맥OS 같은 대부분 운영체제 또한 이 표준을 지원함으로써 수초 만에 빠르고 간편하게 스마트 디바이스와 무선 연결을 할 수 있다. 

‘블루투스 5’ IoT에 최적화된 통신 기술 
이전 버전 대비 도달 범위 4배, 속도 2배, 브로드캐스트 용량 8배 향상 

BLE 중 가장 최신 기술인 블루투스 5는 2016년 12월 공식 발표됐다. 블루투스 5는 이전 버전 블루투스 4.2 대비 도달 범위는 4배 확대, 속도는 2배 향상, 브로드캐스트 용량은 무려 8배 향상되면서 사물인터넷(IoT), 드론, 비콘 등의 분야에서 가장 높은 성장이 기대되고 있다. 

업계 관계자에 따르면 블루투스 5의 통신범위는 이론적으로 360미터 정도이나 실제로는 약 100미터를 커버할 수 있다고 설명했다. 이는 기존 블루투스 4.2의 도달범위 약 20~30미터와 비교했을 때 괄목할 만한 성장이다. 따라서 블루투스 5는 집안 또는 건물 전체, 야외에서도 신뢰성 높은 IoT를 연결할 수 있다. 또 블루투스 5의 속도는 이전 버전 대비 2배 빨라져 2Mbps이고, 브로드캐스트 용량은 이전 버전의 31바이트 보다 8배 향상돼 최대 길이가 257옥텟(바이트)이다. 블루투스 5은 브로드캐스트 용량이 확대됨으로써 연결할 수 있는 디바이스의 수도 증가됐다.

블루투스는 램사이즈(메모리)에 따라 연결 개수가 결정되기 때문에 지그비(Zigbee)에 비해 연결할 수 있는 디바이스 수가 적다는 단점이 있었다. 기존의 BLE 경우 적게는 3개에서 많게는 20개까지 연결할 수 있었으나 블루투스 5은 연결 수를 크게 확대할 것으로 기대된다. 또 블루투스 5는 충돌 가능성을 현저히 낮춰, 점점 복잡해지는 글로벌 사물인터넷 환경에서 지그비, 쓰레드(Thread) 등의 타 무선 기술과의 공존하도록 업데이트 됐다.

더 나아가 블루투스 5는 지그비의 장점을 흡수해 스마트홈, 스마트 빌딩, 스마트 공장 등 매시브(Massive) 시장의 성장을 이끌 것으로 기대된다. 지그비는 매시브 시장에서 활용도가 높은 반면, 스루풋이 블루투스 보다 떨어지고 IP 기반이 아니기 때문에 반드시 컨트롤러가 필요하다는 단점 때문에 업계는 블루투스 5에 대한 기대가 높다. 

또 블루투스 5은 IoT 외에도 드론과 비콘 시장 성장에도 큰 역할을 할 것이다. 블루투스5를 탑재한 드론으로 데모를 선보인 엔지니어는 최대 200미터까지 무선 통신을 할 수 있었다고 답했다.

더불어 지금까지 오디오 스피커 시장에서는 블루투스 클래식 기반으로 구현돼 왔지만 블루투스 저에너지의 기술 개발로 인해 이를 대체할 것으로 기대되고 있다. 켄 콜데럽 블루투스 SIG 마케팅 부사장은 “무선 오디오 시장은 블루투스 BR/EDR을 기반으로 이뤄져 있지만, 2018년 후반기에는 블루투스 LE 기반으로도 오디오 스트리밍이 가능할 수 있도록 기술을 개발 중에 있다. 음질의 획기적인 향상을 위해 오디오 코덱 또한 출시할 계획”이라고 발표한 바 있다. 

패트릭 코널리(Patrick Connolly) ABI 리서치 분석가는 “글로벌 무선 연결 시장이 급격하게 성장 중이며, 2021년까지 연간 IC 운송량이 100억개에 달할 것으로 예상된다”며 “블루투스 5는 사물인터넷 개발을 손쉽게 해주며, 비용절감과 더불어 용도에 최적화된 설계가 가능하도록 유연성을 제공할 것이다. 즉, 블루투스 5의 출시로 다양한 사물인터넷 관련 기업과 산업 환경에서 새로운 기회를 제공할 것”이라고 말했다.