사물인터넷에서 블루투스 범위에 영향을 미치는 요인은 무엇입니까?

저전력 블루투스(BLE)는 현재 IoT 분야에서 활발하게 논의되고 있습니다. 우리 대부분은 블루투스가 무엇이고 실제로 어떻게 작동하는지 잘 알고 있다고 가정해도 과언이 아닙니다. 모든 무선 기술과 마찬가지로 BLE는 특정 애플리케이션에 더 적합합니다. 하지만 이러한 보이지 않는 연결의 실이 얼마나 멀리까지 확장될 수 있는지는 정확히 무엇에 의해 결정될까요? IoT에서 블루투스 또는 BLE 사용을 고려하고 있다면, 블루투스 범위에 영향을 미치는 주요 요인과 범위를 확장하는 몇 가지 방법을 소개합니다.

블루투스 범위란 무엇입니까?

이러한 요소들을 논의하기 전에, 블루투스 기술에서 "범위"가 무엇을 의미하는지 정의하는 것이 유용할 것입니다. 블루투스 범위는 두 블루투스 지원 기기가 안정적으로 데이터를 주고받을 수 있는 최대 거리를 말합니다. 이는 블루투스 헤드폰과 휴대폰 사이의 거리 또는 IoT 환경에서 블루투스 센서와 게이트웨이 사이의 거리를 나타내는 경우가 많습니다.

Bluetooth SIG에 따르면 Bluetooth 범위는 다음과 같습니다.

1킬로미터 이상에서 1미터 미만까지.

즉, Bluetooth 장치 간의 실용적이고 신뢰할 수 있는 범위는 1km에서 1m 미만입니다.

블루투스 범위가 짧은 이유

블루투스의 짧은 도달 거리는 단점이 아니라 기능입니다. 배터리 절약을 위해 낮은 전송 전력의 2.4GHz 대역을 사용합니다. 이는 의도적으로 도달 범위를 제한합니다. 블루투스는 개인 영역 네트워크(PAN)용으로, 바로 주변의 기기를 연결합니다. 이 기술은 주파수 도약 확산 스펙트럼(FHSS)을 사용하는데, 이는 멋지지만 도달 범위를 제한합니다.

Bluetooth와 같은 무선 기반 네트워크의 특성을 고려할 때 세 가지 주요 요소가 고려됩니다.

• 범위
• 데이터 전송 속도
• 전력 소비

하지만 물리 법칙이 명확한 한계를 제시하기 때문에 세 가지 모두를 우선시하기는 어렵습니다. 예를 들어, 블루투스는 빠른 데이터 전송 속도를 달성할 수 있지만, 이는 종종 전력 소비 증가와 통신 범위 감소를 초래합니다.

우리는 주로 두 가지 유형의 Bluetooth를 다룹니다. Bluetooth Classic 및 Bluetooth Low Energy (BLE). Bluetooth Classic은 매우 빠른 데이터 전송 속도로 모든 방향으로 전송합니다. 일반적으로 약 10m의 범위를 제공하는 반면, BLE는 더 높은 전력과 더 낮은 데이터 전송 속도로 짧은 버스트 전송을 통해 최대 100m까지 도달할 수 있습니다.

Bluetooth 5 및 장거리 모드

2016년, 블루투스 5.0이 공개되었습니다. 4.2 버전을 기반으로 전송 속도가 두 배로 향상되었습니다. 새 버전은 실내 위치 추적 및 IoT 통신에 더욱 적합합니다. LE Coded PHY는 블루투스 5.0에 도입된 장거리 블루투스 모드로, 기존 BLE 기기의 통신 범위를 30~100피트(약 XNUMX~XNUMXm)에서 최대 XNUMXkm까지 확장합니다.

Bluetooth® 장거리 모드는 순방향 오류 정정 코드(FEC)를 사용하는 "코딩된 PHY"를 사용하여 출력 전력을 높이지 않고도 통신 범위를 확장합니다. 이는 데이터 전송 속도에 영향을 미쳐 500kbps 또는 125kbps로 감소합니다.

LE Coded PHY는 두 가지 데이터 속도를 제공합니다.

• S2: 각 비트는 두 개의 심볼을 사용하여 데이터 전송 속도를 절반인 500kbps(1M의 절반)로 줄입니다. LE 1M PHY에 비해 범위가 두 배로 늘어납니다.
• S8: 각 비트는 125개의 심볼을 사용하여 데이터 전송 속도를 1kbps(8M/1)로 줄입니다. LE XNUMXM PHY에 비해 범위가 XNUMX배 증가합니다.

코딩된 PHY를 사용하면 구릉 지형에서는 최대 1km, 아파트 건물에서는 수백 미터의 범위를 달성할 수 있습니다.

IoT에서 Bluetooth 범위에 영향을 미치는 주요 요소

블루투스 네트워크의 범위는 단일 요소만으로 정의되는 것이 아니라 여러 요소의 종합적인 결과입니다. 여기에는 기술적 요소, BLE 하드웨어 장치, 신호 전송 환경, 호환성 등이 포함되며, 이는 실제로 특정 거리에서 데이터를 전송할 수 있는 블루투스 네트워크의 기본 성능을 정의합니다.

테크니컬 f배우

• 송신기 전력

전송 전력은 아마도 도달 범위에 영향을 미치는 가장 직접적인 요소일 것입니다. 간단히 말해, 전송 전력이 높을수록 블루투스 신호가 더 멀리 전달될 수 있습니다. 하지만 전송 전력을 최대로 설정하는 것만큼 간단하지는 않습니다.

IoT 애플리케이션, 특히 배터리 구동 BLE 장치를 사용하는 애플리케이션에서는 전력 소비가 중요한 문제입니다. 전송 전력이 높을수록 배터리 소모가 빨라지는 경우가 많습니다.

• 수신기 감도

송신 전력이 많은 관심을 받는 만큼, 수신기 감도 또한 중요합니다. 수신기 감도가 높을수록 약한 블루투스 신호도 수신하여 추가 전력 소모 없이 수신 범위를 효과적으로 늘릴 수 있습니다. 최근 몇 년 동안 칩 설계의 발전으로 수신기 감도가 크게 향상되었습니다.

• 안테나 설계 및 배치

안테나 설계는 블루투스 수신 범위에 중요한 역할을 합니다. 안테나의 종류, 크기, 방향은 신호 강도와 방향성에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 소형 블루투스 IoT 기기의 경우 공간 제약으로 인해 안테나 옵션이 제한되는 경우가 많습니다. 일반적으로 외부 안테나 설계가 수신 범위 향상에 도움이 될 수 있습니다. 새롭게 출시되는 MKGW7 USB 게이트웨이가 그 좋은 예입니다.

• Bluetooth 버전 및 기능

The 블루투스 버전 IoT 기기에 사용되는 Bluetooth 5.0은 통신 범위에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 2016년에 도입된 Bluetooth XNUMX은 통신 범위 기능을 크게 개선했습니다.

Bluetooth 5.0의 장거리 기능은 코드화된 PHY를 사용하여 이전 버전보다 통신 범위를 네 배로 늘릴 수 있습니다. 하지만 이는 데이터 전송 속도 저하라는 단점이 있습니다. 많은 IoT 애플리케이션에서 이러한 단점은 충분히 감수할 만한 가치가 있습니다.

환경 f배우

BLE 기기가 작동하는 환경은 Bluetooth 범위에 큰 영향을 미칩니다. BLE 기기는 실외, 산업, 사무실, 가정 등 사용 환경에 따라 다르게 작동합니다. Bluetooth SIG는 예상 거리 계산기 이를 통해 다양한 환경에서의 경로 손실과 같은 특정 기준과 관련된 예상 범위를 얻을 수 있습니다.

야외의 개방된 공간에서는 최대 수백 미터까지 도달할 수 있습니다. 건물 내부, 콘크리트 벽, 금속 물체와 같은 장애물, 심지어 소음까지도 무선 신호 전송 범위를 제한합니다. 일반적인 사용 환경에서는 실내에서 두 BLE 장치 간의 도달 가능한 거리를 70미터로 추정하는 것이 신뢰할 수 있습니다.

이상적으로 BLE 신호는 BLE 비콘 안테나에서 대기를 통과하여 스마트 수신기까지 직선으로 전달됩니다. 그러나 BLE 비콘과 수신단 사이에 장애물이 있는 경우(NLOS 환경), BLE 신호는 전송 중에 차단되어 장애물의 종류에 따라 감쇠 정도가 다르게 나타납니다. 이러한 감쇠는 대기에 의한 감쇠보다 훨씬 강하여 BLE 장치의 유효 전송 범위에 더욱 큰 영향을 미칩니다.

규제 및 규정 준수 요소

블루투스 범위는 단순히 기술 사양만으로 결정되는 것이 아닙니다. 규정 및 준수 여부 또한 블루투스 범위를 결정합니다. 미국의 FCC와 유럽의 ETSI와 같은 기관은 블루투스 신호 강도와 사용 가능한 주파수에 제한을 두고 있습니다. 즉, 블루투스 기기를 제조하는 회사는 이러한 규정을 준수해야 하며, 이는 결국 기기의 실제 범위에 영향을 미칠 수 있습니다. 블루투스는 다른 무선 기술과 간섭 없이 작동하고, 무선 스펙트럼 내의 다른 사용자와 공존하도록 설계되었습니다.

IoT에서 블루투스 범위를 최적화하는 4가지 방법

이제 BLE 범위에 영향을 미치는 요소를 살펴보았으니 IoT 배포를 최적화하기 위한 몇 가지 전략을 살펴보겠습니다.

신호 증폭

Bluetooth 범위를 확장하는 직접적인 방법은 송신 전력을 높이는 것입니다. 그러나 이 방법은 배터리 수명을 크게 단축시킬 수 있으며, 미국은 최대 +20dBm, EU는 +10dBm까지만 허용하는 등 지역별 규제 한계를 고려하여 균형을 맞춰야 합니다. 이러한 어려움에도 불구하고, 송신 전력을 높이는 것은 다른 방법보다 효율적인 경우가 많습니다. 더 나은 지연 시간, 처리량, 그리고 더 간단한 설정을 제공하기 때문입니다. 특히 산업 환경에서는 3dB만 높여도 범위를 두 배로 늘릴 수 있습니다.

Bluetooth 5에서 장거리 사용

Bluetooth 5는 전력을 높이지 않고도 범위를 확장하기 위해 LE 장거리/코딩된 PHY 기술을 도입했습니다. FEC(순방향 오류 정정)는 패킷을 2회 또는 8회 반복하여 먼 거리에서도 메시지 신뢰성을 향상시킵니다. 이를 통해 범위를 최대 4배까지 늘릴 수 있지만, 처리량은 감소하고 전력 소비는 증가합니다. 이는 멀리 있는 사람에게 큰 소리로 외치는 대신, 마치 말을 반복하는 것과 같습니다.

S2 및 S8 코딩 방식은 500kbps와 125kbps의 데이터 전송 속도를 제공합니다. 이 기술이 효과적이려면 통신하는 두 BLE 장치 모두 CODED PHY를 지원해야 합니다. 그렇지 않으면 이점을 얻지 못할 수 있습니다.

리피터 활용

중계기를 도입하면 메시지를 수신하고 재전송하여 블루투스 범위를 확장할 수 있습니다. 이 방식은 중계기 배치를 최적화할 수 있는 고정 장치 네트워크에서 가장 효과적입니다. 하지만 이러한 방식은 비용이 많이 들고 복잡할 수 있으며, 추가 하드웨어, 전력 및 설치가 필요할 수 있습니다. 또한 모든 장치가 중계기를 신뢰해야 하므로 보안 문제가 발생할 수 있습니다. 중계기 관리에는 신중한 배치 및 구성이 필요하며, 교체 시 재프로비저닝이 필요할 수 있습니다.

Bluetooth Mesh 네트워킹 활용

블루투스 메시 네트워크는 네트워크의 모든 노드를 활용하여 커버리지를 크게 확장합니다. 이 구성에서 네트워크의 각 장치는 중계점 역할을 합니다. 각 장치는 데이터 패킷을 수신하여 의도된 수신자인지 확인하고, 그렇지 않은 경우 근처 장치로 전달합니다. 배터리로 구동되는 노드는 저전력 노드 기능과 "친구" 모드를 통해 에너지를 절약할 수 있으며, 이 모드를 통해 더 오랫동안 대기하고 간헐적으로 체크인할 수 있습니다. 이는 여러 개의 분산 앵커와 게이트웨이가 Bluetooth 장치와 클라우드 서버를 연결하는 넓은 공간이나 건물에 이상적입니다. 멀티포인트 대 멀티포인트 BLE 메시 기술은 Bluetooth의 네트워킹 기능을 크게 향상시켜 높은 안정성과 단일 장애 지점의 효과적인 방지를 제공합니다.

MOKO의 다양한 BLE 태그, 앵커, 게이트웨이를 맞춤형 BLE 메시 솔루션에 통합하는 방법에 대한 심층적인 정보와 지침이 필요하면 Bluetooth 전문가에게 문의하세요.

MOKO는 어떻게's Bluetooth 장치가 수행됨

Bluetooth 범위 최적화는 단순히 더 멀리 도달하는 것만이 아닙니다. 진정한 가치를 제공하는 더욱 스마트하고 효율적인 IoT 네트워크를 구축하는 것입니다. 대규모 자산을 추적하든 창고반응형 스마트 홈 시스템을 구축하거나 콜드체인에서 온도 조건을 모니터링하는 경우, 안정적인 BLE 장치를 선택하는 것이 성공의 핵심입니다.

MOKO SMART는 IoT 프로젝트를 실현하는 데 필요한 최첨단의 안정적인 블루투스 장치를 제공하는 데 전념하고 있습니다. 다양한 제품군 중에서 BLE 비콘 효율적인 게이트웨이와 스마트 센서를 비롯하여 고객의 요구 사항을 충족하는 완벽한 BLE 제품 체인을 갖추고 있습니다.