블루투스® 채널 사운딩: 기술 개요 | 블루투스® 기술 웹사이트

버전:	1.0
수정 날짜:	2024년 7월 9일
작성자:	마틴 울리, Bluetooth SIG

1. 소개

Bluetooth® 저에너지(LE)는 사용자에게 무선 데이터 전송 및 오디오 기능을 제공하는 것으로 전 세계적으로 잘 알려져 있습니다. 이 기술은 점점 더 스마트해지는 휴대폰에 통합되어 우리 주머니 속에 들어와 있습니다. 손목, 스마트 시계, 피트니스 트래커에 탑재되어 있습니다. 자동차에도 탑재되어 핸즈프리 제어와 커뮤니케이션을 가능하게 합니다. 그리고 우리 귀에는 새로운 Bluetooth LE 오디오 기능인 오라캐스트® 방송 오디오를 통해 개인 음악 장치와 방송 소스의 고품질 오디오를 스트리밍할 수 있습니다.

하지만 수년 동안 블루투스 LE는 기기 위치 파악 애플리케이션을 구축하는 데 있어 널리 보급되고 신뢰할 수 있는 기술로 자리매김해 왔습니다. 블루투스 LE를 사용하면 주변에 있는 다른 기기의 존재를 감지하고 보고할 수 있으며, 기기 간의 거리를 추정하고 다른 기기가 있는 방향을 계산할 수 있습니다. 이러한 기기 위치 파악 기능은 디지털 키, 자산 추적, 나의 찾기(Find My), 실내 내비게이션 등 다양한 애플리케이션을 가능하게 하는 데 활용되어 왔습니다.

블루투스 기술은 25년의 역사를 통해 지속적으로 발전해 왔습니다. 이는 긍정적인 진화 경로를 따라, 제품이 블루투스를 통해 달성할 수 있는 결과에 대한 일련의 놀라운 새로운 기능과 개선을 가져왔습니다.

블루투스 코어 사양의 이번 업데이트에는 ‘블루투스® 채널 사운딩(Bluetooth® Channel Sounding) 기능 새로운 기능 추가되었는데, 이는 두 블루투스 기기 간에 안전한 정밀 거리 측정을 가능하게 하며, 본 논문의 주제를 이루고 있습니다. 본 논문은 블루투스 코어 사양을 대체하거나 그 대용이 될 의도가 없습니다.

2. 배경

2.1 디바이스 포지셔닝 및 Bluetooth LE

Bluetooth LE 2010년에 처음 규격화되었습니다. 그 이후로 위치 서비스 기술로서 블루투스 LE의 발전 과정에서 몇 가지 주요 사건들을 확인할 수 있습니다.

2.1.1 블루투스® 나를 찾기

Bluetooth LE가 처음으로 블루투스 핵심 규격에 포함된 같은 해, 첫 번째 공식 위치 관련 Bluetooth LE 프로파일 규격이 발표되었습니다. 이는 나를 찾기 프로파일이었습니다.

‘Find Me’ 프로필은 개인 소지품 찾기(일명 나의 찾기(Find My)라고도 합니다. 하나의 기기가 'Find Me 로케이터' 역할을 맡습니다. 이는 대개 스마트폰입니다. 사용자가 자주 분실하는 경향이 있는 다른 기기들(블루투스 키 풋이 달린 열쇠가 대표적인 예입니다)은 'Find Me 로케이터' 기기와 페어링되어 각각 'Find Me 타겟' 역할을 수행합니다.

대상 장치는 GATT를 구현합니다¹ 인스턴스를 구현합니다.

사용자가 분실된 디바이스를 찾는 데 도움이 필요한 경우 스마트폰에서 애플리케이션을 실행합니다. 이 애플리케이션은 분실된 디바이스에서 브로드캐스트되는 광고 패킷을 검색하여 디바이스 검색 절차를 실행합니다. 대상 디바이스를 발견하면 로케이터가 해당 디바이스에 연결합니다. 애플리케이션의 사용자 인터페이스(UI)는 이 작업이 완료되었음을 나타냅니다. 그런 다음 사용자는 일반적으로 UI의 버튼을 누릅니다. 이때 애플리케이션은 Immediate Alert 서비스에 속한 Alert Level 특성에 값을 작성합니다. 대상 디바이스는 경고 수준 값의 변경에 대해 큰 경고음을 내거나 LED를 켜고 끄는 등 적절한 방식으로 응답합니다. 이 시점에서 사용자는 열쇠가 재킷 주머니에 있었거나 소파 뒤쪽으로 떨어졌거나 예측하기 어려운 곳에 있다는 사실을 깨닫게 됩니다. 어느 쪽이든, 블루투스 기술은 시간을 절약하고 분실물을 다시 찾을 수 있도록 도와줍니다.

블루투스® 나를 찾기는 존재 감지 애플리케이션의 예입니다. Bluetooth LE는 분실된 디바이스가 근처에 있다는 것을 확인하는 데 사용되지만, 해당 디바이스의 방향이나 위치 추적기와의 거리를 제공하지는 않습니다.

2.1.2 비콘 및 1세대 거리 추정

Bluetooth 비콘은 Bluetooth LE 광고 기능을 활용합니다. 광고는 범위 내에 있는 모든 디바이스가 스캔하여 수신할 수 있는 작은 데이터 패킷을 브로드캐스팅하는 것입니다.

2013년에 Apple은 iBeacon 포맷에 대한 규격을 발표했습니다. 이는 비콘 디바이스가 브로드캐스트할 페이로드의 콘텐츠로 널리 사용되는 포맷이 되었습니다. iBeacon 메시지의 데이터에는 TX Power라는 필드가 포함되어 있으며, 이 필드는 비콘에서 1미터 거리에서 측정할 수 있는 예상 신호 강도를 나타내는 값을 포함하고 있습니다. iBeacon 메시지와 Google의 Eddystone과 같은 다른 비콘 데이터 포맷에서 TX Power 필드가 포함되면서 Bluetooth LE 거리 추정의 첫 번째 세대가 도입되었습니다.

블루투스 거리 추정의 초기 버전은 두 개의 데이터 값과 간단한 물리학을 사용했으며 다음과 같이 작동합니다:

비콘 메시지의 TX 전력 필드는 1미터와 같은 알려진 거리에서의 기준 전력 수준을 제공합니다.
수신된 각 비콘 메시지와 연결된 RSSI(수신 신호 강도 표시기)는 수신 디바이스의 신호 강도를 정량화합니다.
물리학에서는 송신기 멀어질수록 신호 강도가 감소하는 속도에 대한 이론적 관계를 정의하고 있습니다. 즉, 수신기 신호 강도는 송신기 거리의 제곱에 반비례합니다.
송신기 멀어질수록 측정된 신호 강도가 감소하는 것을 경로 손실 또는 감쇠라고 합니다. iBeacon 전송의 경우, 경로 손실 = TX 전력 - RSSI입니다.
따라서 고정 거리에서의 기준 전력 레벨, 수신된 비콘 전송의 측정된 RSSI, 거리와 경로 손실 사이의 역제곱 관계를 알면, 감쇠를 사용하여 비콘과 수신기 간의 거리를 추정할 수 있습니다.

그림 1 - 경로 손실 및 거리

이렇게 거리를 추정할 수 있다는 것은 상당히 획기적인 일이었고 비콘은 소매, 여행, 박물관 등 모든 종류의 애플리케이션에서 인기를 얻게 되었습니다.

비콘은 일부 요구사항에는 매우 적합하지만, RSSI 및 경로 손실에 기반한 거리 측정은 다른 애플리케이션에는 충분히 정확하지 않습니다. 송신기의 방향 표시가 없다는 점도 근접성이 아닌 위치 데이터가 필요한 경우의 한계입니다. 또한, iBeacon과 같은 다양한 독점 비콘 유형에는 명시적인 보안 보호 장치가 포함되어 있지 않습니다.

2.1.3 AoA 및 AoD를 사용한 블루투스® 방향 탐지

2019년에는 블루투스 핵심 규격 5.1 버전에 주요 새 기능인 블루투스 방향 탐색 기능이 추가되었습니다.

블루투스 방향 탐지 기능을 사용하면 애플리케이션이 Bluetooth LE controller의 위상 측정을 사용하여 수신된 신호의 방향을 정확하게 계산할 수 있습니다. 두 가지 방법이 정의되어 있습니다.

도달 각도(AoA) 방식에서는 수신 디바이스가 안테나 배열을 가지고 있으며, 각 안테나에서 측정된 수신 신호는 송신 디바이스의 단일 안테나와 각 안테나 간의 약간 다른 거리로 인해 위상 차이를 보입니다.

도달 각도(AoD) 방식에서는 송신 디바이스가 안테나 배열을 가지고 있습니다. 수신 디바이스는 단일 안테나를 가지고 있지만, 원격 송신 디바이스의 안테나 배열에 대한 정보를 보유하고 있습니다. 이를 통해 수신 디바이스는 자신의 단일 안테나에서 측정한 위상 값을 바탕으로 유사한 계산을 수행할 수 있습니다.

그림 2 - AoA 및 AoD를 사용한 방향 탐지

위상 측정은 IQ 샘플이라는 형태로 블루투스 컨트롤러에서 애플리케이션으로 전달됩니다. IQ 샘플은 위상과 신호 세기(진폭)를 나타내는 값의 쌍으로, 애플리케이션은 이를 활용해 송신기가 어느 방향에 있는지 계산할 수 있습니다.

그림 3 - IQ 샘플

2.1.4 블루투스® 채널 사운딩

새로운 Bluetooth® 채널 사운딩 기능 , RSSI와 경로 손실을 활용한 1세대 방식으로는 달성할 수 없었던 훨씬 더 높은 정확도로 두 Bluetooth 기기 간의 거리를 계산할 수 있는 제품을 개발할 수 기능 . 이 기능은 완전히 다른 방식으로 작동하며, 다양한 유형의 위험을 완화하는 여러 보안 보호 장치를 포함하고 있습니다.

블루투스® 채널 사운딩은 나의 찾기 솔루션, 디지털 키 제품 및 더 많은 블루투스 연결 장치에 도움이 될 것으로 예상됩니다.

2.2 블루투스® 채널 사운딩 소개

Bluetooth LE에서 블루투스® 채널 사운딩 대해 설명하기 전에 이 섹션에서는 먼저 이 기능의 기본 이론에 대해 설명합니다. 이 주제에 이미 익숙한 독자는 섹션 3, 블루투스® 채널 사운딩으로 건너뛰어도 됩니다.

2.2.1 전파의 기본 속성

전파는 전자기 방사선의 한 형태이며 물리학자들은 종종 전파를 파동으로 설명합니다. 전파에는 다양한 기본 특성이 있으며, 이를 이해하는 것이 중요합니다.

2.2.1.1 진폭 및 파동 주기

전파의 진폭은 전파가 전달하는 에너지 또는 더 일반적인 용어로 신호 강도에 해당합니다. 이는 중앙 참조값을 기준으로 위아래로 진동합니다. 이러한 위아래 진동은 규칙적이고 주기적으로 반복됩니다. 하나의 파동 주기는 최고 진폭으로 상승한 후, 최저점으로 하강하고 다시 시작 참조 값으로 돌아오는 과정을 포함합니다. 그림 4는 진폭을 세로 축으로 하여 두 개의 완전한 파동 주기를 나타내며, 첫 번째 파동 주기의 범위를 강조 표시하고 있습니다.

그림 4 - 진폭을 수직 축으로 나타낸 파동 주기

2.2.1.2 파장

단일 파동 주기는 물리적 길이를 가집니다. 파장(wavelength)은 주파수와 관련이 있으며, 블루투스 기술의 경우 약 12.0 cm에서 약 12.5 cm 사이에 해당합니다.

그림 5 - 파장

2.2.1.3 빈도

진공 속에서 전파는 빛의 속도로 이동한다². 1초 동안 공간의 고정된 지점을 통과하는 완전한 파동의 주기를 주파수라고 합니다. 주파수는 헤르츠(Hz) 단위로 측정되며, 1Hz는 1초당 하나의 파동 주기를 의미합니다. 블루투스 신호는 기가헤르츠(GHz) 단위로 측정되는 훨씬 더 높은 주파수에서 작동합니다.

그림 6 - 빈도

2.2.1.4 단계

단일 파동 주기 내의 어딘가에 위치한 점은 위상이라고 하는 각도 측정값으로 표현됩니다. 위상 값의 범위는 0 - 360도 또는 0 - 2π 라디안입니다. 그림 7은 위상의 개념을 파동 주기의 적절한 지점에 표시된 여러 위상 값(라디안으로 표시)과 함께 설명합니다.

그림 7 - 단계

2.2.1.5 주파수와 파장의 수학적 관계

주파수(f)와 파장(λ)은 서로 반비례 관계에 있습니다. 파장이 짧을수록 주파수는 높아지고 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 또한, 이 두 변수와 빛의 속도(c) 사이의 관계는 일련의 간단한 공식으로 정의되어 있어 세 가지 수량 중 하나를 다른 두 변수에 대한 알려진 값으로 계산할 수 있습니다. 빛의 속도는 299792458 m/s의 값을 갖는 상수입니다.

공식	사용
	알려진 주파수와 빛의 일정한 속도를 이용하여 미지 파장을 구하시오.
	알려진 파장과 빛의 일정한 속도를 이용하여 미지 주파수를 구하시오.
	주어진 주파수 값과 이에 해당하는 파장을 이용하여 빛의 속도를 구하십시오.

표 1 - 주파수 및 파장 공식

2.2.2 거리 측정 방법

무선 거리 측정 기술에서 가장 일반적으로 사용되는 두 가지 방법은 위상 기반 거리 측정(PBR)과 왕복 타이밍(RTT)입니다. 이 섹션에서는 두 가지 방법의 이론에 대해 간략하게 설명합니다.

2.2.2.1 위상 기반 거리 측정(PBR)

2.2.2.1.1 이론

신호의 파장에 따른 거리를 시각화하는 것은 송신기에서 수신기로 신호가 도달하는 데 필요한 파동 주기의 수로 생각할 수 있어 쉽습니다.

그림 8 - 파장 및 파동 주기로부터의 거리

그림 8에서, 그림 왼쪽으로 전송된 신호는 수신기 분명히 10.5파장 떨어져 있습니다. 신호의 주파수를 알면 파장을 알 수 있습니다. 그리고 파장을 알면 파동 주기를 통해 곱셈을 이용해 두 장치 사이의 거리를 구할 수 있습니다.

예를 들어 송신 주파수가 2402 MHz라면, 파장은 12.48095162 cm가 됩니다. 이 수치는 빛의 속도를 주파수로 나누어 구한 것입니다.

그러나 송신 디바이스는 송신기의 안테나와 수신기의 안테나 사이의 파동 주기 수를 알 수 없습니다. 따라서 PBR 방식은 다른 데이터를 기반으로 송신기와 수신기 간의 거리를 추정할 수 있는 기술을 포함합니다. 작동 방식은 다음과 같습니다.

거리를 측정하려는 디바이스를 디바이스 A라고 하고, 다른 디바이스는 디바이스 B라고 부르겠습니다.

디바이스 A는 알려진 주파수인 f1로 신호를 전송합니다. 이 신호의 초기 위상은 디바이스 A에 알려져 있으며, 설명을 위해 이 신호가 0 라디안의 위상으로 전송된다고 가정해 보겠습니다.
디바이스 B는 안테나에서 f1 신호를 수신하고 위상을 기록하는데, 이를 수신 위상이라고 합니다.
디바이스 B는 수신된 신호를 디바이스 A로 다시 전송합니다. 이때 동일한 주파수 f1을 사용하고, 중요한 점은 이 전송의 초기 위상이 디바이스 A에서 수신된 신호의 수신 위상과 정확히 동일하게 설정된다는 것입니다. 이로 인해 반환 신호는 디바이스 A의 신호와 위상과 주파수 면에서 연속적인 신호가 됩니다.
디바이스 A는 디바이스 B에서 도착하는 신호의 수신 위상을 측정합니다. 이 값을 Pf1이라고 합니다.

그림 9 - 주파수 F1을 사용한 양방향 거리 측정

디아비스 A가 새로운 주파수인 f2를 선택하고 네 단계를 반복합니다. 이 네 단계의 두 번째 실행 결과는 디바이스 A가 디바이스 B로부터 다시 수신한 신호의 새로운 위상 측정값으로, 이를 Pf2라고 부릅니다.

그림 10 - 주파수 f2를 사용한 양방향 거리 측정

이제 디바이스 A는 f1과 f2 각각에 대해 측정된 위상 값의 차이를 계산합니다. 즉, Pf2 - Pf1을 계산합니다. 위상차와 주파수 f1과 f2의 차이를 알았으므로 이제 다음 공식을 사용하여 거리를 계산할 수 있습니다:

2405 Channel Sounding 공식 4

여기서 c는 빛의 속도, (Pf2 – Pf1)은 위상차, (f2 – f1)은 주파수 차이며, r은 두 장치 간의 왕복 거리이다.

이 접근 방식은 두 번째 장치가 신호를 원래 장치로 되돌려 보내어 원래 장치가 위상 측정을 할 수 있도록 하는 방식으로, 이 접근 방식을 양방향 거리 측정이라고 합니다.

현실 세계에서는 이러한 기본 이론에 대한 설명에 반영되지 않은 문제가 발생할 수 있습니다. 이 섹션의 뒷부분에서 이러한 문제 중 일부를 살펴보겠습니다.

2.2.2.1.2 작동 예시

이제 이 방식이 어떻게 작동하는지 보기 위해 간단한 예제를 살펴보겠습니다. 우리는 두 디바이스 간의 거리를 이미 알고 있는 다소 인위적인 사례를 사용할 것이며, 이를 통해 공식이 어떻게 동일한 결과에 도달하는지 확인할 수 있습니다.

그림 11은 서로 정확히 1.248095162미터 떨어져 있는 두 장치, 즉 장치 A와 장치 B를 보여준다. 장치 A는 주파수 2.402 MHz, 파장 12.48095162 cm의 신호를 송신했다. 정말 놀라운 우연의 일치로, 두 장치는 서로 이 파장의 정확히 10배에 해당하는 거리를 두고 있다.

그림 11 - 정확히 F1 파동 주기가 10회 간격인 디바이스

장치 A가 이 신호를 초기 위상이 0인 상태로 전송하고 장치 B가 파장의 정확한 배수만큼 떨어져 있으므로 장치 B의 수신 위상도 0입니다. 그림과 같이 장치 B는 신호를 다시 장치 A로 전송하면서 초기 위상을 원래 수신한 신호와 동일한 수신 위상 값으로 설정하여 효과적으로 연속성을 갖도록 합니다.

그림 12는 장치 A가 주파수 f2로 전송한 두 번째 신호를 보여줍니다. 이번에 선택된 주파수는 f1보다 높은 f2 = 2.432 MHz입니다. 장치 A의 초기 위상은 다시 0입니다.

그림 12 - f2 파동 주기가 10을 조금 넘는 디바이스

f2의 파장은 f1의 파장보다 짧습니다. 이는 f2가 더 높은 주파수를 가지기 때문입니다. 이로 인해 장치 B에서 수신된 위상은 0이 아닙니다. 실제로, 그 값은 0.784744210 라디안입니다. 장치 B에서 신호가 재전송되어 동일한 초기 위상으로 장치 A에 수신되었을 때, 그 위상은 1.56948842 라디안이 됩니다.

이제 디아비스 A는 디바이스 B와의 거리를 계산하는 데 필요한 모든 정보를 얻었습니다. 주파수 차이는 30MHz이고 위상차는 1.56948842. 이 값을 r의 공식에 대입하면 계산된 거리는 소수점 둘째 자리까지 2.49미터입니다. 하지만 이는 디바이스 A에서 디바이스 B로 왕복하는 거리이므로 두 디바이스 간의 실제 거리는 이 수치의 절반인 1.24미터입니다. 이것은 예상된 결과이며, 광속과 두 전송 신호의 알려진 위상 및 주파수 분리에 기반한 r 공식을 사용하여 두 장치 사이의 거리를 정확하게 계산하는 방법을 보여줍니다.

그러나 위상 공식과 (2 * π)의 모듈식 분할에는 복잡한 문제가 있으며, 이는 위상 공식에 암시되어 있습니다. 위상 값은 거리가 증가함에 따라 변하지만 주기적이어서 위상 값이 (2 * π) 라디안에 도달하면 0으로 재설정되고 동일한 값이 반복되기 시작합니다. 이로 인해 동일한 위상차 값으로 두 개 이상의 거리가 암시될 수 있으므로 두 장치 사이의 거리를 결정하는 데 모호성이 발생할 수 있습니다. 이를 거리 모호성이라고 합니다.

거리 모호성이 발생하는 정확한 시점은 주파수 간격에 따라 달라집니다. 일반적으로 주파수 차이가 클수록 거리 모호성은 더 일찍 발생합니다. 다행히도 이 문제는 위상 기반 거리 측정(PBR) 을 두 번째 거리 측정 방식인 왕복 시간 측정(Round-Trip Timing)과 위상 기반 거리 측정(PBR) 사용함으로써 해결할 수 있습니다.

2.2.2.2 왕복 타이밍(RTT)

2.2.2.2.1 이론

왕복 타이밍을 사용하여 두 디바이스 간의 거리를 계산하는 이론은 매우 간단합니다. 무선(RF) 전송은 알려진 상수인 빛의 속도로 이동합니다. 따라서 전송이 두 장치 사이를 이동하는 데 걸리는 시간을 계산할 수 있다면 거리도 계산할 수 있습니다. 왕복 시간에 빛의 속도를 곱하기만 하면 됩니다.

예를 들어 RF 신호가 디바이스 A에서 디바이스 B로 이동했다가 다시 디바이스 A로 돌아오는 데 20나노초가 걸리는 경우, 빛의 속도에 20나노초를 곱하면 총 양방향 거리는 6미터 미만이므로 두 디바이스 간의 거리는 3미터 미만에 불과합니다.

양방향 거리 2r = c * 0.00000002

여기서 c는 광속(299792458 m/s)이고 0.00000002는 초 단위의 양방향 비행 시간(ToF)입니다. 그러면 다음과 같은 결과가 나옵니다:

2r = 299792458 * 0.00000002
= 5.99584916

따라서 디바이스 A와 디바이스 B 사이의 거리는 다음과 같습니다.

2.99792458 미터

그러나 이 기본 공식은 정확하지만 블루투스 디바이스의 맥락에서 이 공식을 사용하는 것은 조금 더 복잡하며 지금까지 제시된 이론은 불완전합니다.

RF 신호를 공식화하여 전송하는 행위는 왕복 응답을 수신, 처리 및 전송하는 행위와 마찬가지로 시간이 걸립니다. 디바이스가 패킷을 구성하고 전송하는 데 200마이크로초 정도의 시간이 소요될 수 있으며, 전파가 1마이크로초 동안 300미터 미만을 이동할 수 있다는 점을 고려하면 거리 측정의 맥락에서 이러한 짧은 시간은 매우 중요할 수 있습니다.

그림 13 - RTT 세분화 (비례하지 않음 – 신호 내용은 대표적이지 않음)

시간 내 즉시	설명
_ToDA	장치 A의 송신 시간. 이는 장치 A가 신호를 무선으로 전송한 시점입니다.
_ToAB	장치 B에 신호가 도달한 시간. 이는 신호가 장치 B의 안테나에 도달한 시각을 의미합니다.
_ToDB	장치 B에서의 전송 시작 시간. 이는 장치 B가 무선으로 데이터를 전송하기 시작한 시각입니다.
_ToAA	장치 A에 신호가 도달한 시간. 이는 장치 B에서 발신된 신호가 장치 A의 안테나에 수신된 시각을 의미합니다.

녹색 점선은 두 신호 모두 공중에 존재하지 않는 경과 시간을 나타냅니다.

왕복 시간 왕복 시간(RTT)은 그림 13에 표시된 시간 지점을 기준으로 다음과 같이 표현할 수 있다:

왕복 시간(RTT) 2 * ToF = (_ToAA –_ToDA) – (_ToDB –_ToAB)

장치 A가 왕복 시간(RTT)을 계산하려면, 장치 B에서의 처리 시간(즉,_ToDB —_ToAB)을 알아야 합니다. 이론적으로는 이를 구현할 수 있는 여러 가지 방법이 있습니다. 실제로 가장 간단한 해결책은 장치 A와 장치 B가 사전에 고정된 처리 시간을 합의하는 것입니다. 그러면 장치 B는 해당 처리 시간이 만료되는 정확히 그 시점에 처리를 완료하고 응답을 전송해야 합니다. 이후 장치 A는 사전에 합의된 값을 (_ToDB —_ToAB)로 사용합니다.

2.2.2.3 현실 세계의 도전 과제

PBR과 RTT 거리 측정 방법 모두에 대해 제시된 이론은 이 주제에 대한 초기 통찰력을 얻기에 충분하며, 순전히 이론적인 맥락에서 보면 완벽합니다. 그러나 현실에서 정확한 거리 측정은 더 복잡합니다. 실제 상황에서 사용되는 실제 디바이스에서 만족스러운 결과를 얻으려면 해결해야 할 몇 가지 과제가 있습니다.

무선 거리 측정 기술이 해결해야 하는 문제 유형의 사례는 다음과 같습니다:

무선 신호의 다중 경로 전파로 인한 복잡성
생성된 신호의 주파수 정확도과 안정성
내부 시계의 안정성 및 타임스탬프의 정확도 및 해상도
위상 기반 거리 측정 거리 모호성
보안

이 논문의 나머지 부분에서는 블루투스 기술을 이용한 고정밀 거리 측정에 대해 배우고, 이러한 기술이 실제 환경에서 발생할 수 있는 문제들에 효과적으로 대응할 수 있도록 어떻게 설계되었는지에 대해 이해할 수 있을 것입니다.

3. 블루투스® 채널 사운딩

3.1 개요

블루투스® 채널 사운딩은 이전보다 훨씬 더 높은 정확도의 거리 측정을 달성할 수 있는 잠재력을 제품에 제공합니다. 측정의 정확도는 환경 조건과 애플리케이션 Layer에서 블루투스® 채널 사운딩 기능을 활용하는 방법에 따라 달라집니다. 또한 구현 선택에 따라 달라지며, 세부 사항은 블루투스 핵심 규격을 벗어나지만 계산에 사용되는 원시 데이터의 품질을 향상시킬 수 있습니다.

블루투스® 채널 사운딩은 다양한 구성이 가능한 거리 측정을 위한 유연한 툴킷을 애플리케이션에 제공합니다. 사양에서는 위상 기반 거리 측정(PBR) 및 왕복 타이밍(RTT) 거리 측정 방법이 모두 지원됩니다. 대부분의 경우 PBR이 가장 정확한 기본 거리 측정 방법으로 사용될 것으로 예상되며, 추가적인 보안을 제공하기 위해 RTT를 함께 사용할 수 있습니다.

블루투스® 채널 사운딩이 사용되는 PBR은 거리 모호성이 발생하기 전 최대 약 150미터까지 거리를 측정할 수 있습니다. 애플리케이션은 PBR과 함께 RTT를 사용하면 거리 모호성을 식별하고 제거하여 더 먼 거리를 측정할 수 있습니다.

애플리케이션은 정확도, 보안, 지연 시간 및 전력 소비와 같은 문제에 대해 다양한 수준의 우선순위를 지정할 수 있습니다. 블루투스® 채널 사운딩 기능의 구성 가능성은 애플리케이션이 시스템의 여러 주요 기능과 동작을 제어하거나 영향을 미칠 수 있도록 하여 이를 사용하는 애플리케이션에 적합한 우선순위에 따라 작동하도록 합니다.

이 섹션에서는 블루투스® 채널 사운딩 기능과 이 기능의 기반이 되는 핵심 블루투스 스택 기능에 대해 살펴보도록 하겠습니다.

3.2 아키텍처

3.2.1 디바이스 역할

블루투스® 채널 사운딩 기능은 두 가지 장치 역할을 정의합니다. 첫 번째는 이니시에이터, 두 번째는 리플렉터입니다.

이니시에이터 자신으로부터 다른 장치까지의 거리를 계산하려는 장치입니다. 다른 장치는 리플렉터.

이니시에이터 또는 리플렉터는 블루투스 채널 사운딩 절차를 시작할 수 있으며, 자세한 내용은 이 논문의 뒷부분에서 다룰 예정입니다.

그림 14 - 역할

3.2.2 토폴로지

블루투스® 채널 사운딩은 일대일 토폴로지에서 이루어지며, 이니시에이터 역할의 한 장치와 리플렉터 역할의 한 장치 간에 통신이 이루어집니다.

블루투스® 채널 사운딩 이니시에이터 역할은 링크 layer에서 LE 중앙 역할을 수행하는 디바이스 또는 LE 주변 디바이스에서 맡을 수 있다는 점에 유의해야 합니다. 블루투스® 채널 사운딩 리플렉터 역할도 마찬가지로 LE 중앙 디바이스 또는 LE 주변 디바이스에 의해 수행될 수 있습니다.

3.2.3 안테나 어레이

블루투스® 채널 사운딩을 사용하는 디바이스에는 안테나 어레이가 포함될 수 있습니다. 이는 위상 기반 거리 측정에 사용되는 블루투스® 채널 사운딩 전송의 교환을 위한 일련의 대체 경로를 제공하며 다중 경로 전파의 영향을 줄여 거리 측정의 정확도를 향상시킬 수 있습니다.

3.2.4 애플리케이션

블루투스® 채널 사운딩은 블루투스 controller가 제공하는 데이터를 사용하여 애플리케이션 Layer에서 거리를 계산해야 합니다. 이 데이터는 블루투스® 채널 사운딩 절차를 실행하는 동안 controller가 수집하며 각 장치에서 이루어진 신호 교환 및 저수준 측정의 결과입니다. 데이터는 HCI 이벤트에서 애플리케이션 Layer으로 전달됩니다.

또한 애플리케이션 Layer은 두 장치에서 지원되고 애플리케이션에 적합한 블루투스® 채널 사운딩 구성을 설정하는 데 사용되는 구성 선택 및 기본 설정을 블루투스 controller에 제공하는 역할을 담당합니다.

한 디바이스는 이니시에이터 역할을 하고 다른 디바이스는 리플렉터 역할을 수행하는 시스템에 참여할 수 있으려면 두 디바이스 모두 블루투스® 채널 사운딩 기능을 지원하는 Bluetooth LE controller가 있어야 합니다.

그림 15 - 블루투스® 채널 사운딩 애플리케이션 및 블루투스 스택

3.2.5 데이터 전송 아키텍처

블루투스 핵심 사양은 여러 관점에서 블루투스 기술의 아키텍처를 정의합니다. 첫 번째 관점에서는 일반화된 데이터 전송 아키텍처가 정의됩니다.

블루투스 핵심 규격의 정의에 따르면, 그림 16의 용어는 다음과 같이 설명됩니다:

L2CAP은 논리 링크 제어 및 적응 프로토콜(Logical Link Control and Adaptation Protocol)을 의미합니다. L2CAP 채널은 단일 애플리케이션이나 상위 계층 프로토콜을 지원하는 두 장치 간의 L2CAP 수준에서 형성되는 논리적 연결입니다.
논리적 링크는 “블루투스 시스템의 클라이언트에 독립적인 데이터 전송 서비스를 제공하기 위해 사용되는 가장 낮은 아키텍처 수준”입니다.
논리적 전송 계층은 송수신 루틴, 흐름 제어 메커니즘, 확인 응답 프로토콜, 링크 식별 등의 문제를 다룹니다. 논리적 전송 계층은 동기식, 비동기식 또는 등시식일 수 있습니다.
물리 링크는 링크 Layer 수준에서 설정되는 장치 간의 연결을 말합니다. 링크 Layer 블루투스 프로토콜 스택 구성하는 계층 중 링크 Layer .
물리적 채널은 하나 이상의 통신 장치가 RF 반송파를 점유하는 패턴을 정의합니다.
물리 전송 계층은 무선 신호를 반송파로 사용하여 디지털 데이터를 인코딩하고 전송하는 데 사용되는 무선 패킷 구조 및 변조 방식과 같이 일반적으로 적용되는 사항들을 정의합니다.

일반 데이터 전송 아키텍처는 Bluetooth LE와 블루투스 기본 속도/향상된 데이터 전송률(BR/EDR) 모두에 적용됩니다.

그림 17은 데이터 전송 아키텍처의 하위 집합을 보여줍니다. 파란색으로 강조 표시된 것은 Channel Sounding 에 대해 정의된 새로운 물리적 채널 유형과 새로운 물리적 링크 유형입니다.

그림 17 - CS와 데이터 전송 아키텍처

LE Channel Sounding 물리적 링크에는 논리적 전송 유형 또는 논리적 링크 유형이 관련되지 않습니다.

3.2.6 Bluetooth LE 스택의 Channel Sounding

Bluetooth LE를 보다 포괄적으로 정의하는 방법은 전체 프로토콜 스택과 그 Layer을 살펴보는 것입니다. 블루투스 핵심 규격의 대부분은 각 Layer을 정의하는 데 할애되고 있습니다. 그림 18은 Bluetooth LE 스택을 보여줍니다.

그림 18 - Bluetooth LE 스택

Bluetooth LE 스택의 각 Layer별 책임에 대한 요약은 표 2에 포함되어 있습니다.

레이어	주요 책임
일반 액세스 프로필(GAP)	상태 사용할 수 있는 운영 모드와 절차를 정의하며, 여기에는 연결 없는 통신을 위한 광고(advertising) 사용 방법 및 장치 탐색 방법이 포함됩니다. 또한 보안 수준과 일부 사용자 인터페이스 표준을 정의합니다.
일반 속성 프로파일(GATT)	속성 테이블의 기본 속성을 바탕으로 서비스, 특성 및 설명자라고 하는 상위 수준의 데이터 유형을 정의합니다.
속성 프로토콜(ATT)	서버가 ‘속성 테이블’이라고 하는 논리적 데이터 구조에 보관하고 있는 데이터를 검색하고 활용하기 위해 사용되는 프로토콜입니다.
보안 관리자 프로토콜(SMP)	페어링과 같은 보안 절차를 실행하는 동안 사용되는 프로토콜입니다.
논리적 링크 제어 및 적응 프로토콜(L2CAP)	RF 연결을 통한 데이터 채널 다중화 서비스, 대용량 SDU의 분할 및 재조립, 그리고 향상된 오류 감지 및 재전송 기능을 제공합니다.
호스트 컨트롤러 인터페이스(HCI)	호스트 구성 요소와 컨트롤러 간의 명령 및 데이터 양방향 통신을 위한 인터페이스를 제공합니다.
동기 적응 계층(ISOAL)	동기 채널 사용하는 장치에서 서로 다른 프레임 지속 시간을 사용할 수 있도록 합니다.
링크 Layer	무선 인터페이스 패킷 형식, 오류 검사 등의 비트 스트림 처리 절차, 상태 , 무선 통신 및 링크 제어 프로토콜을 정의합니다. 또한 논리적 전송(logical transports)으로 알려진 비연결형, 연결형 및 등시형 통신을 위해 기본 무선 장치를 활용하는 여러 가지 서로 다른 방식을 정의합니다.
물리적 계층	무선(RF) 사용과 관련된 블루투스 기술의 모든 측면, 즉 변조 방식, 주파수 대역, 채널 사용, 송신기 및 수신기 정의합니다. 물리 계층(PHY) 매개변수의 세 가지 조합이 정의되어 있으며, 이를 LE 1M, LE 2M, LE 2M PHY라고 합니다. LE 2M 블루투스 코어 사양 버전 6.0에서 처음 정의되었으며, 블루투스® 채널 사운딩과 함께만 사용할 수 있습니다. 또 다른 물리 계층인 LE 코디드( LE 코디드)도 정의되어 있습니다. 이름과는 달리, LE 코디드 LE 1M과 동일한 물리 계층 LE 코디드 , 링크 Layer 전방 오류 정정 코딩 및 패턴 매핑을 적용합니다.

표 2 - Bluetooth LE 스택의 각 Layer별 주요 책임 및 기능 요약

블루투스 코어 사양의 물리 계층, 링크 Layer, 호스트 컨트롤러 인터페이스 및 일반 액세스 프로파일 섹션은 모두 블루투스® 채널 사운딩의 도입으로 인해 영향을 받았습니다. 제4절에서 이에 대해 자세히 설명합니다.

3.3 블루투스® 채널 사운딩 제어 절차

블루투스® 채널 사운딩을 시작하기 전에, 먼저 링크 Layer LE 중앙 역할의 디바이스가 링크 Layer LE 주변 역할의 디바이스에 연결되어야 합니다. 이후 블루투스 채널 사운딩을 준비하고 시작하는 여러 절차 동안 다양한 link layer 프로토콜 데이터 유닛(PDU)을 안전하게 주고받을 수 있도록, 설정된 LE-ACL 연결에서 보안이 시작됩니다.

블루투스® 채널 사운딩을 준비하고 시작하는 주요 절차는 다음과 같습니다:

보안 시작
기능 교환
구성
시작

두 장치 간에 이전에 정보를 교환한 적이 있는지, 그 정보가 캐시에 저장되어 있는지 여부와 같은 요인에 따라 이러한 절차 모두가 필수적인 것은 아닙니다. 가능한 절차 순서와 관련 PDU는 그림 19에 나와 있습니다.

그림 19 - 가능한 CS 개시 절차 순서

3.3.1 블루투스® 채널 사운딩 보안 시작

블루투스® 채널 사운딩은 초기화 절차가 실행되는 LE-ACL 연결과는 별개의 보안 기능을 가지고 있습니다. 블루투스® 채널 사운딩 시작 절차는 두 디바이스가 나중에 블루투스® 채널 사운딩 보안 기능에서 사용될 매개변수를 안전하게 교환할 수 있도록 합니다.

블루투스® 채널 사운딩 보안 시작 절차는 LE 중앙 디바이스가 세 개의 랜덤 숫자를 생성하고 이를 LL_CS_SEC_REQ PDU를 통해 LE 주변 디바이스로 전송하는 것으로 시작됩니다. LE 주변 디바이스는 중앙 디바이스의 랜덤 숫자와 동일한 규칙에 따라 세 개의 랜덤 숫자를 생성하고, 이를 LL_CS_SEC_RSP PDU를 통해 중앙 디바이스로 다시 전송합니다.

각 디바이스에서 생성된 난수의 이름과 설명은 표 3에 나와 있습니다.

이름	묘사	길이 (비트)
CS_IV_C	중앙 서버에서 생성된 초기화 벡터.	64
CS_IN_C	Central에서 논스 인스턴스화 논스 .	32
CS_PV_C	Central에서 생성한 개인화 벡터.	64
CS_IV_P	주변 장치에서 생성된 초기화 벡터.	64
CS_IN_P	주변 장치에서 논스 인스턴스화 논스 .	32
CS_PV_P	Peripheral에서 생성된 개인화 벡터.	64

표 3 - CS 보안 매개변수

두 장치가 두 세트의 블루투스® 채널 사운딩 보안 매개변수를 모두 소유하고 있으면 각 중앙/주변 장치 쌍의 값이 각 링크 Layer에 의해 연결됩니다. 그 결과 두 장치 모두 세 가지 블루투스® 채널 사운딩 보안 파라미터 CS_IV, CS_IN 및 CS_PV에 대해 동일한 값을 보유하게 됩니다.

3.3.2 블루투스® 채널 사운딩 기능 교환

두 디바이스의 블루투스® 채널 사운딩 기능은 크게 다를 수 있으며, 시작 전에 상호 지원 가능한 구성에 도달하기 위해서는 두 디바이스가 각각 상대 디바이스의 기능에 대한 정보를 보유하고 있어야 합니다.

기능 교환은 한 디바이스가 LL_CS_CAPABILITIES_REQ PDU로 세부 정보를 전송하고 다른 디바이스가 LL_CS_CAPABILITIES_RSP PDU로 세부 정보를 응답하는 방식으로 이루어집니다. 한 디바이스는 이전에 수신한 기능 데이터를 캐시하여 다른 디바이스와 기능을 교환하지 않을 수 있습니다. 그러나 어느 쪽 디바이스든 이 절차를 시작할 수 있습니다.

기능의 차이에 대한 예로는 PHY 지원, 왕복 시간(RTT) , Bluetooth® 채널 사운딩 모드 등이 있습니다³ 지원, 공격 감지 지원, 지원되는 최대 안테나 경로 수 등이 있습니다.

3.3.3 블루투스® 채널 사운딩 구성

이 절차에는 LL_CS_CONFIG_REQ 및 LL_CS_CONFIG_RSP PDU의 교환이 포함됩니다. 본질적으로 이 절차는 이전에 교환된 기능을 사용하여 디바이스가 사용할 특정 구성을 선택할 수 있도록 합니다.

여러 개의 구성 매개변수 값을 저장해 둘 수 있으며, 각각의 설정은 Host가 고유한 ID를 부여합니다. 이 ID는 두 디바이스 사이에서 중복되지 않아야 하며, 링크 layer 절차 중 특정 설정을 참조할 때 사용됩니다.

LL_CS_CONFIG_REQ PDU를 전송하는 디바이스의 애플리케이션은 이니시에이터 또는 리플렉터 역할 중 어떤 역할을 맡을지 선택할 수 있습니다. 다른 디바이스는 LL_CS_CONFIG_RSP로 응답하며 다른 역할을 맡아야 합니다.

3.3.4 모드-0 FAE 테이블 요청

분수 주파수 오프셋 작동 오류(FAE)는 생성된 주파수와 예상 또는 요청된 주파수 간의 차이를 측정한 값으로, ppm(parts per million)으로 표시됩니다. 모든 디바이스는 이 점에서 어느 정도의 부정확성을 가지고 있으며, 일반적으로 그 크기는 사용 중인 RF 채널에 따라 달라집니다.

가능한 한 정확한 거리 측정 결과를 얻기 위해, Bluetooth® 채널 사운딩을 지원하는 장치에는 ‘Mode-0 FAE 테이블’이라고 하는 데이터 테이블이 포함되어 있을 수 있습니다. 이 테이블에는 각 채널에 대한 FAE 값이 포함되어 있으며, 제조 과정에서 설정됩니다.

모드-0 FAE 테이블 요청 절차는 개시자가 리플렉터의 모드-0 FAE 테이블을 요청할 수 있도록 합니다. 이 절차에서는 이니시에이터가 LL_CS_FAE_REQ PDU를 전송하면 리플렉터가 자신의 FAE 테이블이 포함된 LL_CS_FAE_RSP PDU로 응답하는 방식으로 이루어집니다.

일단 획득한 FAE 테이블은 향후 동일한 리플렉터에서 사용하기 위해 저장할 수 있으므로 주어진 디바이스 쌍에 대해 이 절차를 한 번만 실행하면 됩니다.

3.3.5 블루투스® 채널 사운딩 시작

블루투스® 채널 사운딩 보안이 시작되고, 디바이스가 서로의 기능에 대한 정보를 보유하고 있고, 이니시에이터가 리플렉터의 모드 0 FAE 테이블(있는 경우)을 가지고 있으며, 장치가 적절한 구성에 동의하면 Channel Sounding 시작 절차가 시작될 수 있습니다. 이 절차는 LL_CS_REQ, LL_CS_RSP 및 LL_CS_IND PDU를 통해 수행됩니다.

LL_CS_REQ 및 LL_CS_RSP PDU에는 각 장치에서 제안된 타이밍 및 구조적 매개변수가 포함되어 있습니다. 이러한 매개변수는 블루투스® 채널 사운딩 중에 시간을 분할하는 방식과 시간을 사용하는 방법을 결정합니다. 주변 장치에서 LL_CS_REQ 또는 LL_CS_RSP PDU를 수신한 후 중앙 역할의 장치에서 LL_CS_IND PDU를 전송합니다. LL_CS_IND는 이제 블루투스® 채널 사운딩이 시작되었음을 나타내며, 이전에 교환된 PDU에 포함된 제안을 기반으로 두 디바이스 모두에 허용되는 매개변수 값을 포함합니다.

3.3.6 블루투스® 채널 사운딩

블루투스® 채널 사운딩 절차는 블루투스® 채널 사운딩 시작 절차가 완료된 후 시작됩니다. 이는 두 기기가 RF 신호를 교환하여, 애플리케이션에서 거리 계산을 수행하는 데 활용할 수 있는 측정값을 얻기 위한 메커니즘입니다.

3.4 이벤트, 서브이벤트 및 단계

3.4.1 LE-ACL 연결 및 시간 분할

ACL 연결에서는 연결 이벤트 중에 패킷을 전송할 수 있습니다. 연결 이벤트의 타이밍은 해당 ACL 연결의 연결 간격 매개변수 값에 따라 결정됩니다. 연결 이벤트 중에는 중앙 디바이스와 주변 디바이스에서 각각 교대로 패킷을 전송하며, 중앙 디바이스가 먼저 전송하고 주변 디바이스가 응답합니다. 다른 연결 매개변수에 따라 주변 디바이스는 패킷의 하위 집합에만 응답하도록 허용될 수 있고, 중앙 디바이스는 이벤트의 하위 집합 중에만 전송하도록 허용될 수 있습니다.

3.3절 ‘블루투스® 채널 사운딩 제어 절차’에 설명된 바와 같이, 블루투스® 채널 사운딩의 초기화 절차 중에는 LE-ACL 연결이 사용됩니다.

그림 20 - LE-ACL 연결에서의 커넥선 이벤트와 간격

3.4.2 시간 분할

3.4.2.1 구조

블루투스® 채널 사운딩은 일련의 절차를 통해 수행됩니다. 각 절차는 여러 개의 CS 이벤트로 구성되며, 각 CS 이벤트는 다시 CS 서브이벤트로 나뉩니다. 이와 같은 계층 구조 내에서 시간의 최종 단위는 CS 스텝입니다. 패킷이나 톤은 이 스텝 단위에서 송수신됩니다. 그림 21은 이러한 시간 분할 구조를 예시를 통해 보여줍니다.

그림 21 - 예시 구성에서의 블루투스® 채널 사운딩 절차 구조

블루투스® 채널 사운딩 절차의 구조적 측면을 제어할 수 있는 여러 가지 매개변수가 있습니다. 주요 구성 가능한 변수 중 일부는 표 4에 나와 있습니다.

설정 가능한 변수	범위/값	묘사
CS 시술 반복 횟수	0에서 65535까지	Bluetooth® 채널 사운딩이 종료되기 전에 실행할 CS 절차의 반복 횟수입니다. 값이 0인 경우, CS 절차는 ‘Bluetooth® 채널 사운딩 절차 반복 종료’ 절차를 통해 종료될 때까지 계속 실행되어야 함을 의미합니다.
이벤트당 하위 이벤트 수	1부터 16까지	동일한 ACL 이벤트에 연결된 하위 이벤트의 수.
하위 이벤트 간격	0 또는 625 마이크로초에서 40959.375 밀리초 사이의 값.	동일한 CS 이벤트 내에서 CS 하위 이벤트의 시작 시점과 다음 CS 하위 이벤트의 시작 시점 사이의 시간 간격. 0은 하위 이벤트로 나뉘지 않음을 의미합니다.
각 하위 이벤트의 소요 시간	변수	각 하위 이벤트의 지속 시간.
하위 이벤트당 단계 수	2에서 160까지	설정된 범위에서 무작위로 선택됩니다. 절차당 최대 256단계까지 가능합니다.

표 4 - 블루투스® 채널 사운딩 구성 매개변수 예시

3.4.2.2 타이밍

절차, 이벤트, 서브이벤트 및 단계의 타이밍, 기간 및 예약은 블루투스® 채널 사운딩 구성 및 블루투스® 채널 사운딩 시작 절차 중에 구성되는 여러 매개 변수에 의해 제어됩니다.

모든 절차, 이벤트, 하위 이벤트 및 단계의 시작 시간은 기본 LE ACL 연결에서 선택된 연결 이벤트에 직간접적으로 연동됩니다. 첫 번째 Bluetooth® 채널 사운딩 절차 인스턴스의 경우, 첫 번째 이벤트와 하위 이벤트는 모두 선택된 연결 이벤트 기준점으로부터 일정 시간 간격을 두고 발생하도록 예약되어 동시에 시작됩니다. 첫 번째 단계는 T_FCS라고 하는 첫 번째 하위 이벤트의 시작 시점으로부터 오프셋된 시점에 발생합니다. T_FCS의 값은 15μs에서 150μs 사이이며, 이 기간 동안 주파수 호핑을 통해 주파수를 변경합니다.

프로시저와 이벤트는 모두 ACL 연결 간격의 수로 표현되는 간격으로 발생합니다. 그림 22는 프로시저 간격의 값이 4이고 이벤트 간격의 값이 2인 예를 보여줍니다.

그림 22 - 절차 간격 = 4, 이벤트 간격 = 2의 절차 및 이벤트 스케줄링

각 이벤트의 첫 번째 서브이벤트는 이벤트와 동시에 시작되며, 관련 ACL 연결 이벤트에서 오프셋됩니다. 이벤트당 하위 이벤트 수는 구성 매개변수로 설정되며, 그림 23과 같이 서브이벤트는 서브이벤트 간격마다 한 번씩 발생합니다.

그림 23 - CS 이벤트 스케줄링 내의 CS 서브이벤트 예시

각 서브이벤트에는 최소 두 단계가 포함됩니다. 이는 애플리케이션에서 Channel Sounding 을 사용하는 방식에 따라 서브이벤트마다 다를 수 있습니다. 단계의 기간은 구성에 따라 달라질 수 있습니다. 단계의 일정과 이를 위해 할당된 RF 전송 및 수신 슬롯은 철저한 타이밍 규칙에 따라 결정되며, 이에 대한 자세한 내용은 블루투스 핵심 규격에서 확인할 수 있습니다.

3.5 블루투스® 채널 사운딩 단계

3.5.1 단계 정보

이니시에이터 수신기 간의 RF 신호 교환은 불과 몇 걸음 거리 내에서 수신기 . 애플리케이션 계층에서 선택한 채널 사운딩 방식(위상 기반 거리 측정(PBR) 왕복 시간(RTT))에 따라 세부 사항은 달라집니다.

일반적으로 단계는 보정(calibration)과 애플리케이션 layer에서 거리 측정 알고리즘에 사용할 수 있는 저수준 측정값의 획득 중 하나를 수행하는 데 사용됩니다.

3.5.2 패킷 및 톤

RTT가 사용 중일 때는 CS_Sync라는 유형의 패킷이 이니시에이터와 리플렉터에 의해 교환됩니다.

그림 24 - CS_Sync 패킷

CS_Sync 패킷의 끝에 사운딩 시퀀스(Sounding Sequence)나 랜덤 시퀀스(Random Sequence)를 포함하는 것은 선택 사항입니다. CS_Sync 패킷은 LE 1M, LE 2M LE 2M PHY를 사용하여 전송할 수 있습니다. GFSK⁴ 변조 방식이 사용됩니다.

PBR이 사용 중일 때는 이니시에이터와 리플렉터가 CS 톤이라는 신호를 주고받습니다. 이러한 신호는 진폭 변조 방식(ASK)을 사용하여 지정된 기간 동안 주파수가 고정된 심볼을 생성합니다.

3.5.3 단계 모드

단계에는 단계의 목표와 그 안에서 이루어지는 활동의 유형을 결정하는 관련 모드가 있습니다. 네 가지 모드가 정의되어 있으며 모드-0, 모드-1, 모드-2 및 모드-3으로 지정됩니다.

3.5.3.1 모드-0

모드-0은 캘리브레이션과 관련이 있습니다. 모든 디바이스는 어느 정도의 클럭 드리프트와 주파수 생성의 부정확성을 나타냅니다. 이는 RTT 및 PBR 거리 측정 방법 모두에 해당되는 문제입니다.

모드-0 단계의 목적은 이니시에이터가 리플렉터가 전송한 신호의 주파수가 송신기가 생성한 신호와 얼마나 다른지 측정할 수 있도록 하는 것입니다.

이니시에이터는 선택된 채널과 주파수에서 CS_Sync 패킷을 전송합니다. 리플렉터는 CS_Sync 패킷과 CS 톤으로 응답합니다. 두 패킷 모두 이니시에이터부터 수신한 신호와 동일한 주파수로 전송해야 합니다.

이니시에이터 리플렉터 응답 신호를 수신하면, ‘주파수 편차(Fractional Frequency Offset, FFO)’라는 값을 이니시에이터 . FFO 계산에는 리플렉터 수신된 톤의 리플렉터 리플렉터모드-0 FAE 테이블이 활용됩니다. FFO는 이후 두 장치 간의 차이를 보정하고 결과의 정확도를 높이기 위한 계산에 사용됩니다.

그림 25는 이니시에이터가 CS_Sync 패킷을 전송한 후, 리플렉터가 이에 응답하여 CS_Sync와 CS Tone을 전송하는 모습을 보여줍니다. 다양한 타임 슬롯의 지속 시간은 다음과 같은 의미를 가진 기호로 표시됩니다:

기호	뜻
T_SY	동기화 시퀀스를 수행할 시간입니다. 소요 시간은 CS_Sync 패킷의 길이와 사용된 PHY에 따라 달라집니다.
T_RD	전송 감속 시간. 이 시간은 5μs이며 송신기 RF 채널에서 에너지를 제거하는 데 사용됩니다.
T_IP1	이니시에이터전송 종료와 리플렉터 전송 시작 사이의 막간 시간입니다 리플렉터 기간은 10μs에서 145μs 사이이며 기능 교환 절차에서 결정됩니다.
T_GD	보호 시간. 항상 10μs입니다.
T_FM	주파수 측정 시간. 모드-0 단계의 경우 항상 80μs입니다.

표 5 – 시간대 매개변수

그림 25 - 모드-0 전송 및 타임 슬롯

모드-0 단계 지원은 필수입니다.

3.5.3.2 모드-1

모드-1 단계에서는 이니시에이터에서 리플렉터로 전송된 CS_Sync 패킷의 왕복 타이밍(RTT)이 계산됩니다.

초기 CS_Sync 패킷을 전송할 때 이니시에이터가 타임스탬프를 기록하며, 이를 출발 시각(Time of Departure, ToD)이라고 합니다. 이니시에이터는 리플렉터가 다시 보낸 CS_Sync 패킷을 수신할 때 두 번째 타임스탬프를 기록하며, 이를 도착 시각(Time of Arrival, ToA)이라고 합니다.

그림 26 - 모드 1 전송 및 타임 슬롯

인터루드 기간인 T_IP1은 리플렉터가 패킷을 준비한 후 전송하기에 충분한 기간으로 알려진 고정된 길이입니다. 이 부분에서 사전 합의된 고정 기간을 사용함으로써 이니시에이터는 리플렉터의 전환 시간(trunaround time)을 알 수 있으며 이를 RTT 계산에 사용할 수 있다는 것을 의미합니다.

모드-1 단계 지원은 필수입니다.

3.5.3.3 모드-2

모드-2 단계의 목적은 위상 기반 거리 측정(PBR)을 지원하는 것입니다.

모드 2 단계는 이니시에이터 선택된 채널과 사용 가능한 각 안테나 경로를 통해 CS 톤을 이니시에이터 것으로 시작됩니다. 램프 다운 시간과 인터루드 기간이 지난 후, 리플렉터 이니시에이터 수신한 톤과 동일한 주파수를 선택하고 자체의 각 안테나 경로를 통해 CS 톤으로 리플렉터 . 그림 27은 이러한 교환 과정을 보여줍니다. 타임 슬롯 지속 시간에는 표 5에 설명된 용어와 표 6에 정의된 추가 용어가 포함됩니다.

기호	뜻
T_SW	안테나 전환을 위해 예약된 시간 구간
T_PM	위상 측정 톤을 전송하는 시간입니다.
T_IP2	CS 톤 사이의 인터루드 기간입니다.
N_AP	안테나 경로 수입니다.

표 6 - 추가 단계 모드-2 타이밍 매개변수

그림 27 - 모드-2 전송 및 타임 슬롯

이니시에이터는 각 안테나 경로에 대해 한 번씩 T_PM 기간 동안 리플렉터에서 수신한 CS 톤의 위상을 각 안테나 경로마다 한 번씩 측정합니다. 측정값은 mode-0 step에서 계산된 보정 값을 사용해 조정됩니다. 위상 측정값은 IQ 샘플 배열 형태의 HCI 이벤트를 통해 애플리케이션 layer로 전달됩니다.

CS 톤 전송의 총 지속 시간에 대한 식에는 N_AP + 1이라는 항이 포함되어 있다는 점에 유의해야 한다. 이는 각 안테나 경로에 할당된 T_PM 지속 시간 슬롯 뒤에 CS 톤 확장 슬롯이라 불리는 추가 시간 구간이 뒤따르기 때문이다. 보안상의 이유로 이 시간 슬롯의 전송 사용은 무작위로 결정되지만, 사용될 경우 CS 톤은 바로 직전 T_PM 시간 슬롯에서 사용된 것과 동일한 안테나를 사용하여 전송된다.

모드-2 단계에 대한 지원은 필수입니다.

3.5.3.4 모드-3

모드-3 단계는 CS_Sync 패킷과 CS 톤의 결합된 교환을 사용하여 RTT 계산과 PBR을 모두 지원합니다.

그림 28 - 모드-3 전송 및 타임 슬롯

모드-3 지원은 필수 사항이 아닙니다. 위상 기반 거리 측정(PBR) 왕복 시간(RTT) 을 결합하고자 하는 애플리케이션이 기능 교환 절차를 통해 이니시에이터 리플렉터 모두 모드-3을 지원하지 않는다는 사실을 확인한 왕복 시간(RTT) 대신 모드-2와 모드-1 단계를 결합한 모드 시퀀스를 사용할 리플렉터 .

모드-3 단계에는 모드-2 단계에 대해 설명한 대로 확장 슬롯이 포함되어 있습니다.

3.6 위상차 설정하기

이전 섹션에서는 모드 0, 모드 1, 모드 2 및 모드 3 단계에 대해 각 유형의 단일 단계에서 시간을 어떻게 나누고 사용하는지에 대한 세부 사항에 중점을 두었습니다. 그러나 거리 계산은 계산된 거리의 정확도를 높이기 위해 또는 사용되는 방법에 따라 여러 번의 교환이 필요합니다. PBR은 정의상 최소 두 개의 교환이 필요합니다.

위상 차이를 측정하려면 하나 이상의 전송 신호가 있어야 하며, 하나 이상의 주파수가 포함되어야 합니다. 단일 단계는 선택된 단일 채널 및 주파수에서 단일 CS 톤을 교환하는 것을 포함합니다. 따라서 위상 기반 거리 측정(PBR) 위상 기반 거리 측정(PBR) 지원하는 모드의 단계를 최소한 두 단계 이상 수행해야 함이 분명합니다. 일반적으로 말해, 더 많은 수의 RF 채널 세트를 사용하여 CS 톤을 더 많이 교환할수록 애플리케이션에 더 많은 데이터를 제공하고 더 정확한 거리 측정을 수행할 수 있는 기회를 얻을 수 있다는 점에 유의해야 한다. 그러나 교환 횟수가 많아질수록 실행에 더 많은 시간이 소요된다.

3.7 안테나 전환

3.2.3 안테나 어레이에서 설명한 바와 같이, 디바이스에는 위상 기반 거리 측정 교환 중에 사용하기 위해 여러 개의 안테나가 포함될 수 있습니다. 디바이스가 PBR 교환(즉, 모드 2 또는 모드 3 단계) 중에 사용할 수 있는 최대 안테나 개수는 4개입니다. 주어진 한 쌍의 안테나 구성(하나는 이니시에이터에 속하고 하나는 리플렉터에 속함)은 두 디바이스 사이에 여러 안테나 경로를 제공합니다.

블루투스 코어 사양에서는 총 8가지 안테나 배열이 정의되어 있습니다. 표 7에는 이러한 구성들이 나열되어 있습니다.

안테나 구성 인덱스(ACI)	디바이스 A의 안테나 수	디바이스 B의 안테나 수	안테나 경로 수(N_AP)
0	1	1	1
1	2	1	2
2	3	1	3
3	4	1	4
4	1	2	2
5	1	3	3
6	1	4	4
7	2	2	4

표 7 - 안테나 구성

모드-2 및 모드-3 단계에서 CS Tone 전송 타임 슬롯의 지속 시간 계산은 안테나 전환과 다중 안테나 경로를 고려하여 이루어집니다. 특히 송신 디바이스의 안테나 구성에 따라 안테나 스위칭이 적용될 수 있는 것은 CS 톤을 송신할 때입니다. 안테나 전환은 모드-2단계(PBR)와 각 모드-3단계 중 PBR 관련 부분에서 이루어집니다.:

(T_SW+T_PM)*(N_AP+1)

T_SW는 안테나 전환이 이루어지는 데 걸리는 시간을 나타내며, 그 값은 0, 2, 4 또는 10 마이크로초 중 하나입니다.
T_PM은 CS 톤이 전송되는 시간입니다.
N_AP는 안테나 경로의 수입니다. +1 항은 확장 슬롯을 고려하기 위한 것입니다.

3.8 모드 시퀀싱

3.8.1 모드 시퀀싱 개요

블루투스® 채널 사운딩 절차에는 항상 여러 단계의 시퀀스 실행과 최소 두 가지 모드의 혼합이 포함됩니다. 블루투스 핵심 규격은 모드 조합 및 순서 규칙을 정의하며, 이 섹션에서는 그 주요 측면을 살펴봅니다.

블루투스® 채널 사운딩 애플리케이션은 블루투스 controller가 패킷과 톤의 교환 횟수가 많을수록 더 많은 데이터를 제공받을 때 더 높은 품질과 더 정확한 거리 측정을 제공합니다.

3.8.2 모드 조합

블루투스® 채널 사운딩 절차에는 항상 최소 두 가지 이상의 서로 다른 모드 유형이 포함됩니다. 첫 번째는 주파수 오프셋 측정을 위한 모드-0 단계이며, 두 번째는 나머지 모드 중 하나여야 합니다. 모드-0이 아닌 주요 모드는 Main_Mode라고 합니다. 모드-0이 아닌 보조 모드(있는 경우)는 Sub_Mode라고 합니다. 표 8에는 허용되는 6가지 모드-0이 아닌 모드 조합이 나열되어 있습니다.

메인_모드	Sub_Mode
모드-1	없음
모드-2	없음
모드-3	없음
모드-2	모드-1
모드-2	모드-3
모드-3	모드-2

표 8 - 허용되는 비모드-0이 모드 조합

3.8.3 모드 시퀀스 구성 및 서브_모드 삽입

애플리케이션은 HCI 명령을 사용하여 단계 모드 시퀀스를 구성할 수 있습니다. 장치 간에 요청 및 합의될 수 있는 주요 매개변수 중에는 표 9에 제시된 것들이 있습니다.

HCI 매개변수	목적
Mode_0_Steps	각 CS 하위 이벤트 시작 시 실행될 연속 모드-0 단계의 수를 지정합니다. 허용되는 값은 1, 2 또는 3입니다.
기본 모드 유형	주 모드가 될 모드(1, 2 또는 3)를 나타냅니다.
하위 모드 유형	서브 모드(1, 2 또는 3)가 될 모드를 나타냅니다.
Min_Main_Mode_Steps	서브 모드 단계가 실행되기 전에 반드시 수행되어야 하는 메인 모드 단계의 최소 개수를 지정합니다.
Max_Main_Mode_Steps	서브 모드 단계가 실행되기 전에 반드시 수행되어야 하는 메인 모드 단계의 최대 개수를 지정합니다.

표 9 - 모드 시퀀싱 제어 매개변수

일반적으로 단계 모드 시퀀싱은 이 패턴을 따릅니다:

하나 이상의 모드-0 단계가 서브이벤트를 시작합니다.
그런 다음 n개의 메인 모드 단계가 이어지며, 여기서 n은 무작위로 선택되며 Min_Main_Mode_Steps에서 Max_Main_Mode_Steps를 포함하는 범위에 속합니다.
하나의 서브모드 스텝은 블루투스 핵심 규격에서 서브모드 삽입이라고 부르는 과정에 의해 n개의 메인 모드 단계의 순서를 따릅니다..

단계 모드 시퀀스는 서브이벤트 경계에 묶이지 않으며, 서브이벤트는 항상 하나 이상의 모드-0 단계로 시작해야 한다는 일반 규칙에 의해서만 연결됩니다. 전체 시퀀스는 하나 이상의 서브이벤트에 걸쳐서 발생할 수 있습니다.

그림 33 - 단계 모드 시퀀스 예시

3.8.4 메인 모드 반복

애플리케이션에서 사용할 수 있는 또 다른 모드 시퀀싱 매개변수가 있습니다. Main_Mode_Repetition은 현재 서브이벤트에서 반복할 마지막 서브이벤트의 가장 최근 메인 모드 단계 수를 지정합니다.

메인 모드 반복이 적용될 경우, 현재 하위 이벤트에서 반복되는 단계들은 이전 하위 이벤트의 해당 단계에 사용되었던 것과 동일한 채널 인덱스를 사용합니다. 이를 통해 반복되는 단계의 전송이 의도된 주파수와 일치하도록 보장합니다. 메인 모드 단계를 동일한 주파수에서 반복하는 목적은 도플러 효과뿐만 아니라 발생할 수 있는 주파수 편차를 보정하기 위함임을 유의하십시오.

메인 모드 반복은 애플리케이션이 교환의 일부 속성을 상관시킬 수 있는 기회를 제공하며, 이동 중인 디바이스의 속도를 추적하는 데 더 용이하게 만들 수 있습니다.

주 모드 반복으로 인해 모드 시퀀스에 포함되는 단계는 서브모드 삽입 과정에서 집계되지 않습니다.

3.8.5 애플리케이션 및 모드 시퀀싱 고려 사항

서브모드 삽입 및 메인 모드 반복을 통해 모드 조합을 구성하고 단계별 모드 순서를 제어할 수 있는 기능은 애플리케이션이 블루투스® 채널 사운딩 과정을 매우 정밀하게 제어할 수 있게 해줍니다. 위상 기반 거리 측정(PBR) 두 가지 거리 측정 방법 중 가장 위상 기반 거리 측정(PBR) , 왕복 시간(RTT) 을 왕복 시간(RTT) 활용하면 시스템의 보안성을 크게 높일 수 위상 기반 거리 측정(PBR) . 또한 이를 통해 위상 기반 거리 측정(PBR) 사용 시 발생할 수 있는 거리 모호성 문제를 해결할 수 있습니다.

모드-3 단계는 단일 모드 유형에서 두 가지 방법을 모두 지원하지만 모드-3에 대한 지원은 선택 사항입니다. 따라서 기능 교환 절차 중에 모드-3을 사용할 수 없는 것을 발견한 디바이스는 모드-1(RTT)과 모드-2(PBR) 단계를 혼합해야 합니다. 이는 모드-2를 메인 모드로 선택하고 모드-1을 서브 모드로 선택하면 됩니다.

애플리케이션에서 고려해야 할 또 다른 요소는 지연 시간입니다. 신호를 주고받는 데는 시간이 소요됩니다. 안테나 경로의 수에 따라 모드-1 왕복 시간(RTT) 위상 기반 거리 측정(PBR) 모드-2 위상 기반 거리 측정(PBR) 더 오래 걸리는 경우가 있습니다. 지연 시간을 특정 임계값 이하로 유지해야 하는 애플리케이션의 경우, 블루투스® 채널 사운딩 절차에서 왕복 시간(RTT) 비중을 낮추는 방식을 선택할 가능성이 높습니다.

그림 34 - 모드-2와 모드-1을 사용한 PBR 대 RTT 비율3:1

그림 35 - 모드-2 및 모드-3을 사용한 3:1 위상 기반 거리 측정(PBR) ) 대 왕복 시간(RTT) ) 비율

3.9 RF 채널 및 채널 선택

3.9.1 블루투스® 채널 사운딩 채널 맵

일반적으로 Bluetooth LE 2.4 GHz ISM 대역을 40개의 채널로 나누며, 각 채널의 너비는 2 MHz입니다. 그러나 블루투스® 채널 사운딩을 사용할 때는 이와 다릅니다.

블루투스® 채널 사운딩을 위해 72개의 채널이 정의되며, 각 채널의 너비는 1 MHz이고 고유한 채널 인덱스 값이 할당됩니다. 이러한 채널 배치는 LE 기본 광고 채널을 피할 수 있도록 설계되었습니다.

일반적인 2MHz가 아닌 1MHz의 채널 폭은 인접 채널을 사용하는 위상 기반 거리 측정(PBR) ) 신호 간의 주파수 분리를 통해 약 150미터까지 거리 모호성이 발생하지 않도록 합니다.

CS 채널 색인	RF 중심 주파수	허용됨
0	2402MHz	아니
1	2403 MHz	아니
2	2404MHz	예
...	...	...
22	2424MHz	예
23	2425MHz	아니
24	2426MHz	아니
25	2427 MHz	아니
26	2428MHz	예
...	...	...
76	2478 MHz	예
77	2479 MHz	아니
78	2480MHz	아니

표 10 - 블루투스® 채널 사운딩 채널 인덱스 및 RF 물리적 채널

3.9.2 채널 필터링

채널 인덱스 필터 비트맵이 유지 관리됩니다. 이는 Bluetooth® 채널 사운딩을 위해 정의된 채널 인덱스의 목록으로, 각 채널이 포함되거나 제외된 것으로 표시되어 있습니다. Bluetooth® 채널 사운딩 채널 인덱스 필터 맵은 '채널 사운딩 채널 맵 업데이트(Channel Sounding Channel Map Update)'라는 링크 Layer 의해 관리되며, 이를 리플렉터 이니시에이터 리플렉터 로컬 채널 상태에 대한 평가를 바탕으로 상대 장치에 사용하거나 피해야 할 채널을 리플렉터 . 제외된 채널은 어떤 채널 선택 알고리즘에서도 절대 선택되지 않습니다.

3.9.3 주파수 호핑

주파수 호핑은 일반적으로 그림 36에 표시된 것처럼 단계 실행 직전에 발생합니다.

그림 36 – 단계 실행 전 주파수 호핑

이 규칙의 예외는 Main_Mode_Repetition 매개변수에 0이 아닌 값이 할당되어 모드 반복이 구성된 경우에 적용됩니다. 모드 반복으로 인해 반복되는 단계는 이전 서브이벤트에서 반복하는 단계와 동일한 채널 인덱스를 사용합니다.

3.9.4 채널 선택

3.9.4.1 개요

블루투스® 채널 사운딩에서 사용될 새로운 세 가지 채널 선택 알고리즘(CSA)이 정의되었습니다. 이를 통칭하여 CSA #3이라고 하며 개별적으로 CSA #3a, CSA #3b 및 CSA #3c라고 합니다.

CSA #3a는 모드-0 단계에서 사용할 채널을 선택하는 데만 사용됩니다. CSA #3b와 CSA #3c는 모두 모드-0이 아닌 단계에서 사용하도록 설계되었으나, Bluetooth® 채널 사운딩 절차가 진행되는 동안에는 이 둘 중 하나만 사용할 수 있습니다. 따라서 언제든지 두 가지 서로 다른 채널 선택 알고리즘이 Bluetooth® 채널 사운딩과 연동되어 작동합니다.

3.9.4.2 채널 인덱스 셔플링

채널 선택에는 두 개의 별개의 채널 인덱스 목록이 사용됩니다. 첫 번째는 CSA #3a와 모드 0 단계의 채널 선택에 사용됩니다. 두 번째는 모드-0이 아닌 단계에서 CSA #3b 또는 CSA #3c와 함께 사용됩니다.

채널 인덱스 목록은 채널 맵에 포함된 것으로 표시된 채널의 순서를 무작위로 지정하여 셔플 채널 목록을 만드는 방식으로 만들어집니다. CSA #3a와 CSA #3b는 정확히 같은 방식으로 이 작업을 수행합니다. CSA #3c는 다른 접근 방식을 취하지만 블루투스 핵심 규격에서 cr1로 알려진 동일한 기본 셔플링 함수에 의존합니다.

3.9.4.3 CSA #3a

모드-0 채널 선택 알고리즘 CSA #3a는 무작위 순서로 배열된 채널 목록을 사용합니다. 모드-0 단계 주파수 호핑에 사용되는 이 무작위 채널 목록은 모드-0 이외의 채널 호핑에 사용되는 해당 채널 목록과는 별개입니다. 무작위 채널 목록의 각 항목은 고유하며 한 번만 사용됩니다. 무작위 채널 목록의 모든 항목이 사용되면 목록이 재생성되어 새로운 무작위 채널 목록이 생성됩니다.

3.9.4.4 CSA #3b

비모드-0 채널 선택 알고리즘인 CSA #3b는 모드-0 채널 호핑에 사용되는 해당 채널 목록과 구분되는 셔플 채널 목록을 사용합니다. CSA #3b는 채널 인덱스 목록을 재생성하기 전에 두 번 이상 반복할 수 있으며, 이는 애플리케이션이 설정할 수 있는 CSNumRepetitions라는 매개변수에 의해 제어됩니다.

3.9.4.5 CSA #3c

알고리즘 CSA #3c는 CSA #3b와 상당히 다릅니다. 채널 맵에 포함된 채널의 부분 집합을 그룹으로 구성하고, 이를 통해 특정 형태를 이루는 채널 패턴을 생성합니다. ‘hat’과 ‘X’라는 두 가지 패턴 유형이 지원됩니다. CSA #3c는 특정 상황에서 반사 신호 경로를 탐지하는 데 몇 가지 이점을 제공할 수 있습니다. CSA #3c 지원은 선택 사항입니다.

3.10 왕복 시간(RTT) 옵션 및 정확도

왕복 시간(RTT) 모드-1 및/또는 모드-3 단계에서 CS_Sync 패킷을 교환하는 것을 포함합니다. 왕복 시간 계산에 필요한 도착 시간(ToA) 타임스탬프를 설정하는 여러 방법이 정의되어 있습니다. 애플리케이션은 HCI 명령을 통해 왕복 시간(RTT)_Type 매개변수 사용하여 Bluetooth® 채널 사운딩 구성 절차 중에 사용할 방식을 지정할 수 있습니다.

옵션은 액세스 주소 필드를 기준으로 타이밍 측정을 하거나, 32비트 또는 96비트 길이의 사운드 시퀀스를 사용하거나, 32, 64, 96 또는 128비트 길이의 임의 시퀀스를 사용할 수 있습니다. 시간 추정치의 정확도는 사용된 방법과 타이밍 목적으로 사용되는 필드의 길이에 따라 달라집니다. 사운드 시퀀스를 사용하거나 무작위 시퀀스를 사용하면 분수 시간 추정이라는 보다 정확한 형태의 추정을 할 수 있습니다.

3.10.1 액세스 주소를 기준으로 한 타이밍

CS_Sync 패킷에는 32비트 액세스 주소 필드가 포함되어 있습니다. ToA 값을 설정하는 데 사용할 수 있는 가장 간단한 방법은 컨트롤러가 자신의 클럭을 사용하여 CS_Sync 패킷의 액세스 주소 필드가 수신된 시점의 타임스탬프를 캡처하는 것입니다.

액세스 주소는 링크 Layer 32비트 링크 Layer 전송될 때는 해당 디지털 비트에 GFSK 변조를 적용하여 형성된 일련의 아날로그 심볼로 표현됩니다. 단일 심볼은 0 또는 1 비트 값을 나타내는 주파수의 무선 전송으로 구성되며, 심볼 속도에 따라 지속 시간이 1마이크로초 또는 0.5마이크로초입니다.

송신기의 오실레이터와 수신기의 오실레이터는 서로 위상이 맞지 않을 가능성이 높으며, 이는 이 과정에서 부정확성의 원인이 될 수 있습니다. 결과를 개선하려면 일련의 단계로 교환되는 일련의 패킷을 통해 측정하고 계산된 값의 분포를 측정하는 것이 좋습니다. 그런 다음 이 분포를 사용하여 ToA 타임스탬프의 정확도를 개선할 수 있습니다.

3.10.2 정밀 시간 추정

링크 Layer (Part H)의 3.3절과 3.4절에는 ToA 타임스탬프의 정확도를 높여주는 두 가지 선택적 방법이 설명되어 있습니다. 두 방법 모두 정밀 시간 추정 제공합니다.

CS_Sync 패킷은 패킷 끝에 추가 선택적 데이터를 포함할 수 있습니다. 이 옵션을 사용하면 무작위 시퀀스 또는 사운드 시퀀스의 두 가지 필드 중 하나가 CS_Sync 패킷에 추가될 수 있습니다.

분수 타이밍 측정 방법 중 첫 번째는 CS_Sync 패킷의 선택적 ‘Random Sequence’ 필드를 분석하여 분수 타이밍 오차를 파악하는 것입니다. Random Sequence를 통해 계산된 분수 타이밍 오차는 액세스 주소 타임스탬프를 최적화하는 데 사용됩니다.

두 번째 분수 타이밍 계산 방법은 CS_Sync 패킷에 첨부된 사운딩 시퀀스 필드의 분석을 기반으로 합니다. 사운딩 시퀀스는 링크 Layer 0과 1이 번갈아 나타나는 패턴으로 링크 Layer GFSK를 사용하여 링크 Layer 서로 다른 주파수와 위상을 가진 두 개의 고유한 무선 톤이 생성됩니다. 이 두 톤이 나타내는 위상차를 분석함으로써 분수 타이밍 오차를 계산할 수 있으며, 이를 통해 ToA 타임스탬프를 최적화할 수 있습니다.

3.10.3 RTT 방법 비교

블루투스® 채널 사운딩 응용 프로그램 개발자는 세 가지 방법 중 하나를 사용하여 측정값을 바탕으로 왕복 시간을 도출할 수 있습니다. Access Address의 ToA를 사용하거나, 무작위 시퀀스 또는 사운딩 시퀀스를 기반으로 한 두 가지 부분적 방법을 사용하는 방법이 있습니다. 이 방법들은 모두 CS_Sync 패킷에서 사용됩니다.

세 가지 RTT 방식은 애플리케이션 개발자에게 다양한 수준의 거리 측정 정확도, 보안 및 지연 시간을 제공합니다. 일반적으로 분수 방식은 가장 정확한 결과와 최고의 보안을 제공할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

3.11 LE 2M 2BT PHY

3.11.1 변조 방식

변조 방식은 신호의 하나 이상의 물리적 특성을 이용하여 디지털 정보를 신호에 인코딩하는 방법을 정의합니다. 주파수 변조(FSK)는 변조 방식의 간단한 예입니다. 이 방식은 반송파의 주파수를 일정량(주파수 편차)만큼 올리거나 내림으로써 이진값 1을 나타내는 심볼을 생성하고, 반대로 이진값 0을 나타냅니다.

그림 37 - 주파수 변조(FSK) 인코딩 비트 스트림 01010101010

기본 기능 주파수 간의 급격한 전환은 바람직한 수준보다 더 넓은 주파수 대역에 걸쳐 노이즈가 발생하게 합니다. 이를 해결하기 위해 블루투스 기술은 가우시안 주파수 변조(GFSK)라고 하는 특수한 형태의 FSK를 사용합니다. GFSK는 주파수 간 전환이 곡선을 따라 이루어지도록 하는 필터를 사용한다는 점에서 기본 FSK와 다릅니다. 곡선의 형태와 주파수 전환 속도는 대역폭-비트 주기 제품 BT 제품 포함한 다양한 매개변수에 의해 결정됩니다.

3.11.2 대역폭-비트 주기 제품

대역폭-비트 제품 BT) 제품 신호의 대역폭과 심볼 지속 시간 간의 관계를 나타내는 신호 특성입니다. BT는 심볼을 구성하는 무선 펄스의 형태와 폭에 영향을 미칩니다. BT 값이 높을수록 펄스는 더 좁고 각진 형태를 띠며, 값이 낮을수록 펄스 형태는 더 넓고 둥근 모양을 띱니다.

3.11.3 LE 2M 2BT

블루투스 코어 사양에는 LE 2M 새로운 PHY가 도입되었습니다. 현재 LE 2M 블루투스® 채널 사운딩(Bluetooth® Channel Sounding)과 함께만 사용할 수 있습니다. 주요 특징이 강조된 LE 2M PHY들의 비교 내용은 표 11에 나와 있습니다.

	LE 1M	LE 코딩	LE 2M	LE 2M 2BT
심볼 비율	1 Msym/s	1 Msym/s	2 Msym/s	2 Msym/s
BT	0.5	0.5	0.5	2.0
최소 주파수 편차	185 kHz	185 kHz	370 kHz	420 kHz
오류 감지	CRC	CRC	CRC	N/A
오류 수정	없음	FEC	없음	N/A
요구 사항	필수	선택 사항	선택 사항	선택 사항. 채널 측심 시에만 사용합니다.

표 11 - Bluetooth LE PHY 비교

그림 38 - 펄스 모양

3.12 블루투스® 채널 사운딩 스텝을 위한 SNR 제어

일부 무선 송신기는 신호대잡음비(SNR)를 특정 범위 내에 유지하도록 조정할 수 있는 기능을 갖추고 있습니다. 이 기능은 이니시에이터 리플렉터 모두에서 지원될 경우, 왕복 시간(RTT) 측정 방식과 관련된 블루투스® 채널 사운딩 단계, 즉 모드-1 및 모드-3 단계의 보안을 강화하는 데 활용될 수 있습니다.

블루투스 핵심 규격에서는 dB로 측정된 관련된 SNR 출력 수준에 해당하는 여러 SNR 출력 인덱스(SOI) 값을 정의합니다. 표 12는 이러한 정의를 재현한 것입니다.

SNR 출력 지수 (SOI)	SNR 출력 레벨 (dB)
0	18
1	21
2	24
3	27
4	30

표 12 - SNR 출력 인덱스 및 레벨

3.13 보안

3.13.1 개요

거리 측정 솔루션에 고유한 보안 문제는 일반적으로 신뢰할 수 없는 장치가 어떤 방식으로든 신뢰할 수 있는 한 대의 장치를 속여, 다른 신뢰할 수 있는 장치가 특정 조치를 승인하거나 수행하기에 충분히 가까이 있다고 판단하게 만드는 위협과 관련이 있습니다.

블루투스® 채널 사운딩에는 다양한 거리 측정 보안 위협에 대응할 수 있는 여러 기능이 포함되어 있습니다. 이러한 기능들은 다음의 네 가지 범주로 분류할 수 있습니다:

위상 기반 거리 측정(PBR) ) 및 왕복 시간(RTT) ) 방법 조합 사용
비트 스트림 및 전송 패턴의 무작위화
심볼 조작에 대한 방어
공격 탐지를 포함한 RF 신호 분석 기술

3.13.2 위상 기반 거리 측정(PBR) ) 및 왕복 시간(RTT) 교차 확인

Bluetooth® 채널 사운딩은위상 기반 거리 측정(PBR) 위상 기반 거리 측정 위상 기반 거리 측정(PBR)과왕복 시간(RTT) 두 가지 거리 측정 방식을 지원합니다. 이 두 방식은 작동 원리가 완전히 다릅니다. 애플리케이션은 위상 기반 거리 측정(PBR) 의 주 모드로 모드-2를 위상 기반 거리 측정(PBR) 왕복 시간(RTT)의 보조 모드로 모드-1을 선택하는 등 적절한 모드 조합을 설정하여 두 방법을 함께 사용할 수 있습니다.

두 가지 방법을 동시에 공격하여 블루투스® 채널 사운딩 신호의 위상과 계산된 왕복 시간을 모두 조작해 오해의 소지가 있고 일관된 결과를 도출하는 것은 보안 전문가들에 의해 매우 복잡하다고 평가됩니다.

3.13.3 블루투스® 채널 사운딩 보안 초기화하기

먼저, 기기들이 서로 페어링되어 있어야 합니다. 이는 암호화된 LE-ACL 연결을 생성하기 위해 필수적인 조건입니다. 이후 CS Security Start는 암호화된 LE-ACL 연결을 통해 수행되므로, Bluetooth® 채널 사운딩 보안 키 교환이 도청자로부터 보호됩니다.

마지막으로, 중앙 디바이스와 주변 디바이스 모두 블루투스® 채널 사운딩 보안 데이터의 부분 값을 안전하게 교환합니다. 이를 통해 두 디바이스는 CS 초기화 벡터(CS_IV), CS 인스턴스화 논스(CS_IN) 및 CS 개인화 벡터(CS_PV) 각각에 대한 완전한 공통 값을 구성할 수 있는 동일한 데이터를 확보할 수 있습니다.

3.13.4 Deterministic Random Bit Generator (DRBG)

블루투스 코어 사양(Bluetooth Core Specification)은 NIST 특별 간행물 800-90Ar1에 정의된 권고 사항과 일치하는 난수 생성기를 규정하고 있습니다. 이는 결정론적 난수 생성기(DRBG)로 알려져 있습니다.

DRBG를 활성화하려면 세 가지 블루투스® 채널 사운딩 보안 매개변수인 CS_IV, CS_IN 및 CS_PV를 입력으로 제공해야 합니다. 블루투스® 채널 사운딩 보안 시작 절차를 실행하면 이니시에이터와 리플렉터 디바이스 모두 이 매개변수에 대해 동일한 값을 갖게 됩니다. 동일한 매개변수 값으로 초기화되면 두 DRBG 인스턴스는 일련의 호출에 걸쳐 정확히 동일한 비트 시퀀스를 생성하며, 이것이 바로 알고리즘을 결정론적으로 만드는 것입니다.

3.13.4.1 보안 액세스 주소

블루투스® 채널 사운딩의 경우, 각 장치는 모드-0, 모드-1 및 모드-3 CS 단계마다 CS_Sync 패킷의 액세스 주소 필드를 변경합니다. 새로운 액세스 주소 값은 DRBG를 활용한 선택 규칙을 통해 생성되며, 양쪽 장치 모두 상대방이 사용할 액세스 주소를 알고 있습니다. 수신 장치는 액세스 주소 값을 확인하고 문제가 있을 경우 호스트에 보고합니다.

액세스 주소 필드의 길이는 32비트이며 4,294,967,296개의 서로 다른 값을 가질 수 있습니다. 따라서 CS_Sync 패킷을 위조하려는 악의적인 디바이스는 교환되는 여러 CS_Sync 패킷에서 각각 올바른 액세스 주소 값을 추측할 확률이 4,294,967,296분의 1이 됩니다.

3.13.4.2 RTT 소수점 이하 시간 측정을 위한 무작위 시퀀스

CS_Sync 패킷에는 선택 사항인 임의 시퀀스(Random Sequence) 필드가 포함될 수 있습니다. 이 필드는 분수 왕복 시간(RTT) 중 하나를 지원합니다. 임의 시퀀스 필드의 내용은 전송되는 각 CS_Sync 패킷마다 CS DRBG를 사용하여 재생성됩니다. 임의 시퀀스 필드의 길이는 32비트, 64비트, 96비트 또는 128비트일 수 있습니다.

3.13.4.3 사운딩 시퀀스 마커 신호

사운딩 시퀀스는 32비트 또는 96비트로 구성된 예측 가능한 교대 패턴으로 이루어져 있으며, 분수 왕복 시간(RTT) . 이러한 알려진 비트 패턴이 악용될 위험을 줄이기 위해, DRBG를 사용하여 시퀀스 내의 위치를 선정하고, 마커 신호라고 하는 두 가지 무작위로 선택된 4비트 값 중 하나를 삽입합니다. DRBG에 의해 선택된 마커 신호의 값은 0b1100 또는 0b0011 중 하나입니다. 사운딩 시퀀스 내에 무작위 비트 패턴을 무작위로 삽입함으로써 사운딩 시퀀스 스푸핑을 방지합니다.

3.13.4.4 톤 확장 슬롯 무작위 전송

모드-2 및 모드-3 단계에는 톤 확장 슬롯이 포함됩니다. 톤 확장 슬롯은 항상 예약되어 있지만, 해당 시간 슬롯에서 전송이 이루어질지 여부는 무작위로 결정되며 DRBG에 의해 제어됩니다. 수신 장치는 톤 확장 슬롯에서 전송이 언제 이루어질지, 언제 이루어지지 않을지를 알고 있지만, 공격 장치는 이를 알지 못합니다.

3.13.4.5 안테나 경로 무작위 선택

위상 기반 거리 측정 시, 두 장치 사이에 존재하는 모든 사용 가능한 안테나 경로를 통해 신호가 전송됩니다. 사용되는 경로의 순서는 Bluetooth® 채널 사운딩 단계마다 DRBG를 사용하여 무작위로 결정됩니다.

3.13.5 사운드 시퀀스

사운딩 시퀀스는 0과 1의 비트 값이 번갈아 나타나는 시퀀스로 구성됩니다. 이에 상응하는 RF 신호는 서로 다른 주파수와 위상을 가진 두 개의 톤으로 구성되어 있다고 볼 수 있습니다. 따라서 단일 CS_Sync 패킷의 사운딩 시퀀스 필드에 인코딩된 두 톤의 위상 차이를 이용하여 위상 기반 거리 측정(PBR) 수행하는 동시에, CS_Sync 패킷을 사용하여 왕복 시간 계산할 수 있습니다. 단일 패킷을 기반으로 왕복 시간(RTT) 위상 기반 거리 측정(PBR) 동시에 계산함으로써, 해당 교환을 공격하기 매우 어렵게 만듭니다.

3.13.6 공격 탐지 및 보고

링크 Layer ‘블루투스® 채널 사운딩’ 섹션에는 공격 탐지 시스템에 대한 설명이 포함되어 있습니다. 블루투스® 컨트롤러에서의 블루투스® 채널 사운딩 공격 탐지는 수신된 신호를 기준 신호 정의와 대조하여 평가하고, 예상치 못한 비트 전이 또는 위상 조정과 같은 잠재적 공격 징후가 있는지 수신 신호를 분석하는 방식을 기반으로 합니다.

블루투스 코어 사양(Bluetooth Core Specification)에서는 공격이 진행 중일 확률을 보고하기 위한 표준화된 지표가 정의되어 있으며, 이를 정규화 공격 탐지 지표(Normalized Attack Detector Metric, NADM)라고 합니다. 표 13에는 NADM 값의 정의가 나와 있습니다.

NADM 값	묘사
0x00	공격 가능성은 극히 낮음
0x01	공격 가능성은 매우 낮음
0x02	공격 가능성 낮음
0x03	공격 가능
0x04	공격 가능성 높음
0x05	공격 가능성 매우 높음
0x06	공격 가능성 매우 높음
0xFF	알 수 없는 NADM. 무작위 시퀀스나 사운딩 시퀀스가 없는 왕복 시간(RTT) 기본값.

표 13 - NADM 값

그림 39 - 공격 탐지 시스템 개요

3.13.7 LE 2M 2BT

중간자(MITM) 공격자가 정상적인 송신 장치로부터 부분적으로 수신된 심볼의 값을 예측하고, 정상적인 수신자가 왕복 시간 잘못 계산하도록 타이밍을 조작하여 생성된 완전한 버전의 심볼을 중계하는 방식의 물리적 계층 공격이 다수 알려져 있습니다. 대역폭 비트 제품 bit-period 제품 2.0인 LE 2M PHY는 다른 PHY와 관련된 펄스보다 지속 시간이 짧은 심볼 펄스를 사용하므로, 이러한 유형의 공격 위험을 줄여줍니다.

3.13.8 SNR 제어 및 RTT 보안

SNR 제어 기능 이니시에이터 수신기 사전에 합의된 양의 무작위 노이즈를 신호에 수신기 . 이는 모드-1(왕복 시간(RTT)) 및 모드-3(왕복 시간(RTT) 위상 기반 거리 측정(PBR)) 단계에서 수행되는 CS_Sync 패킷 전송에만 적용됩니다. 신호에 노이즈를 주입함으로써 공격자의 분석 완료가 더 어려워지고 속도가 느려지므로, 이러한 공격이 성공할 가능성을 낮출 수 있습니다. 반면, SNR을 사전에 합의한 이니시에이터 리플렉터 인위적으로 추가된 노이즈를 쉽게 걸러낼 수 있습니다.

3.13.9 CS 보안 수준

블루투스 핵심 규격의 GAP(일반 액세스 프로파일) 섹션에서는 보안 모드와 보안 수준을 정의합니다. 여기에는 블루투스® 채널 사운딩에 대한 네 가지 보안 수준에 대한 공식적인 정의가 포함되어 있습니다. 향후 블루투스 프로파일 사양에서 이러한 정의를 참조할 가능성이 높습니다.

3.13.10 공급업체별 구현 및 추가 보안

컨트롤러 구현자는 공급업체별 보안 조치를 추가로 도입할 수도 있습니다.

3.13.11 Channel Sounding 진폭 기반 공격 복원력

진폭 기반 공격 복원력은 블루투스® Channel Sounding 보안 기능을 강화합니다. 정밀한 공격 모델, 강력한 DFT 기반 탐지 메트릭, 철저한 다단계 테스트 체계를 정의함으로써 인증된 디바이스가 거리 측정을 조작하려는 정교한 시도를 안정적으로 탐지할 수 있도록 보장합니다.

Channel Sounding 진폭 기반 공격 복원력 기능 HCI 및 링크 Layer 프로토콜에 필요한 업데이트와 함께 진화하는 위협을 완화하기 위한 포괄적인 프레임워크를 제공합니다. 이 기능은 보안에 대한 Bluetooth의 노력을 반영하여 새로운 도전에 직면하더라도 정밀 범위 지정 기술이 정확성과 신뢰성을 유지할 수 있도록 지원합니다.

3.14 Host 애플리케이션

블루투스 미세 범위 애플리케이션 및 제품을 만들려면 controller의 블루투스® 채널 사운딩 기능을 활용하고 이를 맞춤형 애플리케이션 layer 코드와 결합해야 합니다. 솔루션의 애플리케이션 구성 요소 개발자는 이 섹션에서 강조하는 다양한 문제를 처리해야 합니다.

3.14.1 거리 측정 알고리즘

블루투스 스택은 거리 측정을 직접 생성하지 않습니다. 대신 블루투스 controller CS 단계를 실행하는 동안 위상 및/또는 타이밍에 대한 저수준 측정이 이루어지며 이 데이터를 통해 애플리케이션이 거리 측정을 계산할 수 있습니다.

블루투스 핵심 규격에서는 거리를 계산하는 알고리즘을 명시하지 않습니다. 따라서 이 부분은 공급업체들이 차별화를 두는 영역입니다. 우수한 알고리즘은 더 우수한 결과를 만들어냅니다.

3.14.2 블루투스® 채널 사운딩 데이터의 Host 통신을 위한 controller

3.14.2.1 HCI 이벤트 유형

호스트 컨트롤러 인터페이스 기능 사양서에는 컨트롤러가 블루투스® 채널 사운딩 데이터를 호스트로 전달하는 데 사용하는 두 가지 이벤트가 정의되어 있습니다. 이 두 이벤트는 ‘LE CS 서브이벤트 결과’와 ‘LE CS 서브이벤트 결과 계속’이라고 합니다.

3.14.2.2 HCI 이벤트 타이밍

controller는 블루투스® 채널 사운딩 서브이벤트 내에서 실행된 단계 중에 생성된 측정값을 집계합니다. 전체 또는 일부 결과 세트는 LE CS 서브이벤트 결과 HCI 이벤트를 사용하여 보고됩니다. 불완전한 세트가 보고되는 경우 나머지 결과는 나중에 전송되는 하나 이상의 LE CS 서브이벤트 결과 계속 이벤트에서 보고됩니다. HCI 이벤트 필드인 Subevent_Done_Status와 Procedure_Done_Status는 서브이벤트 또는 절차에 대한 모든 데이터가 보고되었는지 아니면 추가 데이터가 있을지를 애플리케이션 layer에 알려줍니다.

그림 40 - 블루투스® 채널 사운딩 HCI 데이터 보고 예시

3.14.2.3 HCI 이벤트 콘텐츠

블루투스® 채널 사운딩 HCI 이벤트는 컨트롤러에서 호스트로 다양한 유형의 데이터를 전송합니다. 여기에서는 주요 필드와 데이터 구조에 대해 설명합니다.

주파수 보정 — 모드 0 단계의 목적은 리플렉터 생성하는 목표 주파수와 실제 주파수 간의 차이를 파악하는 것입니다. 이를 통해 분수 주파수 편차(FFO)를 계산하며, 이 값을 활용하여 주파수 및 타이밍 값에 미치는 이러한 차이의 영향을 보정하고, 궁극적으로 거리 측정 정확도를 향상시킬 수 있습니다.

Num_Steps_Reported — 이 필드는 이 HCI 이벤트에서 보고되는 단계의 수를 나타냅니다. 또한 Step_Mode, Step_Channel, Step_Data_Length 및 Step_Data라는 네 가지 단계 관련 데이터 배열의 크기도 나타냅니다.

Step_Mode [ ] — 이 배열에는 각 단계의 모드가 단계 번호 순서대로 0에서 3 사이의 값으로 저장되어 있습니다.

Step_Channel [ ] — 이 배열에는 해당 단계의 실행에 사용된 RF 채널의 인덱스가 포함됩니다.

Step_Data_Length [ ] — 각 단계에 대해 보고되는 데이터는 내용과 구조 면에서 다양합니다. 이 배열에는 관련 Step_Data 배열 요소 각 요소 길이가 포함됩니다.

Step_Data [ ] — 각 단계에 대해 보고되는 데이터는 단계 모드, 장치 역할(이니시에이터 리플렉터) 및 사운딩 시퀀스 사용 여부에 따라 달라집니다. 관련 데이터를 포함하는 구조체는 Mode_Role_Specific_Info 객체라고 하며, 이 구조체의 11가지 변형이 정의되어 있습니다. 포함될 수 있는 데이터의 예로는 Packet_Quality, Tone_Quality, 수신 신호 강도 지표(RSSI), 측정된 주파수 편차, NADM 값, 안테나 식별자, 위상 보정 항 및 패킷 전송과 도착 사이의 경과 시간 측정값 등이 있습니다. 시간 값은 0.5나노초 단위의 배수로 표시됩니다.

3.14.3 모드 조합 및 모드 시퀀싱

애플리케이션 계층은 어떤 스텝 모드를 사용할지 결정하고, 주 모드와 서브 모드가 모두 사용되는 경우 각 모드의 스텝 수 비율을 어떻게 설정할지 결정하는 역할을 담당합니다. 애플리케이션 또는 제품 결론을 도출할 때 거리 측정 정확도 요구 사항, 보안, 지연 시간뿐만 아니라 로컬 컨트롤러가 지원하는 기능들도 고려해야 합니다.

3.14.4 애플리케이션 Layer 보안

애플리케이션 계층은 모드 조합과 왕복 시간(RTT) 선택함으로써 전체 솔루션의 보안에 대해 어느 정도 통제력을 행사할 수 있습니다. 개발자는 어떤 보안 옵션을 채택할지 결정하기 위한 출발점으로, 먼저 GAP(Generic Access Profile)에서 정의한 보안 수준을 이해하고 평가해야 합니다.

두 가지 방법을 기반으로 한 거리 계산 결과를 상호 검증할 수 있도록, 위상 기반 거리 측정(PBR) 왕복 시간(RTT) 항상 함께 왕복 시간(RTT) 것이 권장됩니다. 위상 기반 거리 측정(PBR) Bluetooth® 채널 사운딩을 통해 위상 기반 거리 측정(PBR) 가장 정확한 거리 측정값을 제공하며, 왕복 시간(RTT) 을 지원하는 주된 이유는 보안 조치 왕복 시간(RTT) .

NADM 값은 Bluetooth controller NADM 알고리즘에 의해 생성되며 이러한 값에 대해 표준화된 형용사 형태의 의미가 정의되어 있습니다. 그러나 가능한 각 NADM 값에 대해 어떤 조치를 취할지(있는 경우) 결정해야 하는 것은 애플리케이션 Layer입니다.

4. 블루투스 핵심 규격 변경 사항 요약

블루투스® 채널 사운딩 기능을 도입하기 위해 블루투스 핵심 규격의 여러 layer에 변경이 이루어졌습니다. 이 섹션에서는 전체 내용을 이해하는 데 도움이 되도록 장별로 요약한 주요 변경 사항을 개괄적으로 제공합니다. 자세한 내용은 블루투스 핵심 규격을 참고하시기 바랍니다.

4.1 아키텍처

블루투스 핵심 규격의 볼륨 1, 파트 A에서는 기술의 아키텍처에 대해 설명합니다.

제3장 ‘전송 아키텍처’에서는 블루투스® 채널 사운딩을 위한 새로운 패킷 구조와 신호 교환 형식을 소개합니다. 또한 새로운 LE 채널 사운딩 물리 채널과 LE 채널 사운딩 물리 링크를 정의합니다.
제9장, ‘블루투스 저에너지(Bluetooth Low Energy)를 이용한 블루투스® 채널 사운딩’에서는 블루투스® 채널 사운딩 기능에 대해 간략히 설명합니다.

4.2 Host

4.2.1 일반 액세스 프로파일

볼륨 3, 파트 C에서는 일반 액세스 프로파일을 정의합니다.

제9절에서는 GAP Bluetooth® 채널 사운딩 절차와 이니시에이터 리플렉터 역할을 설명합니다.
제10조에서는 4가지 블루투스® 채널 사운딩 보안 수준을 정의하고 있다.

4.2.2 Host controller 인터페이스

볼륨 4, 파트 E에는 Host Controller 인터페이스 기능 specification이 포함되어 있습니다.

7.7.6.5절의 LE 메타 이벤트가 업데이트되어, LE CS 하위 이벤트 결과 이벤트 및 LE CS 하위 이벤트 결과 계속 이벤트를 포함하여 블루투스® 채널 사운딩과 관련된 다양한 새로운 이벤트 유형이 추가되었습니다.
7.8절 ‘LE 컨트롤러 명령어’에는 이제 채널 사운딩(Channel Sounding)과 함께 사용할 수 있는 추가 명령어들이 포함되었습니다. 여기에는 ‘LE CS Read Remote FAE Table’ 명령어, ‘LE CS Create Config’ 명령어, ‘LE CS Security Enable’ 명령어 및 ‘LE CS Procedure Enable’ 명령어가 포함됩니다.

4.3 컨트롤러

4.3.1 물리적 Layer

볼륨 6, 파트 A에는 물리적 Layer 사양이 포함되어 있습니다.

섹션 1에서는 새로운 LE 2M 2BT PHY를 소개합니다.
섹션 2는 블루투스® 채널 사운딩을 위한 새로운 채널 배열을 소개합니다.
섹션 3에서는 새로운 SNR 제어 기능을 정의합니다.
섹션 3.4는 블루투스® 채널 사운딩을 지원하는 디바이스에 대한 안정적인 위상 요구 사항을 추가합니다.
섹션 3.5는 블루투스® 채널 사운딩에서 주파수 측정 및 생성에 대한 요구 사항을 설명합니다. 여기에는 분수 주파수 오프셋(FFO) 측정 요구 사항에 대한 사양이 포함되어 있습니다.
섹션 5.3은 블루투스® 채널 사운딩을 위한 안테나 스위칭에 대해 설명하는 새로운 섹션입니다.
섹션 6에서는 위상 측정 요구 사항을 다루며 기준 수신기 정의, 위상 측정 정확도 요구 사항 설명, 주파수 작동 오류 보상 요구 사항 및 위상 측정 타이밍 규칙이 포함되어 있습니다.
부록 B는 블루투스® 채널 사운딩을 위한 테스트 장비 설정 예시를 제공합니다.

4.3.2 링크 Layer

볼륨 6, 파트 B에는 링크 layer 사양이 포함되어 있습니다.

섹션 2.4.2에서는 블루투스® 채널 사운딩 기능과 관련된 새로운 링크 Layer controller PDU 유형과 해당 연산 코드를 정의합니다.
제4장에는 Bluetooth® 채널 사운딩을 위한 링크 Layer 인터페이스 프로토콜에 대한 업데이트 내용이 포함되어 있습니다. 여기에는 제4.2절의 슬립 클럭 정확도 요구 사항 업데이트와 제4.5.18절의 Bluetooth® 채널 사운딩 절차, 이벤트, 하위 이벤트 및 단계에 대한 사양이 포함됩니다. Bluetooth® 채널 사운딩과 관련된 ACL 링크 및 이를 통해 전송될 수 있는 제어 PDU에 대한 보안 요구 사항은 제4.5.18.2절에 명시되어 있습니다.
섹션 5.1은 링크 layer 제어에 관한 내용을 다룹니다. 이 섹션은 블루투스® 채널 사운딩과 관련된 새로운 제어 절차를 포함하도록 업데이트되었습니다. 여기에는 블루투스® 채널 사운딩 시작 절차, 블루투스® 채널 사운딩 기능 교환 절차, 블루투스® 채널 사운딩 구성 절차가 포함됩니다.

4.3.3 블루투스® 채널 사운딩

볼륨 6, 파트 H는 블루투스® 채널 사운딩 기능을 위한 새로운 섹션입니다. 이 섹션은 블루투스® 채널 사운딩과 함께 사용할 물리적 RF 채널의 정의, 새로운 CS_Sync 패킷 형식, RTT 측정, 그리고 도달 시간 또는 출발 시간 타임스탬프를 얻는 다양한 방법을 다룹니다. 또한, 블루투스® 채널 사운딩을 위한 새로운 채널 선택 알고리즘과 함께 단계 모드, 단계 조합 및 시퀀싱 규칙, 위상 측정 규칙, 그리고 DRBG를 사용한 랜덤 비트 생성 방법이 정의됩니다.

5. 결론

개발자는 블루투스® 채널 사운딩을 통해 기능의 안전한 정밀 범위 측정 능력을 활용한 흥미로운 제품과 애플리케이션을 개발할 수 있습니다.

세계에서 가장 보편적인 저전력 무선 기술을 기반으로 한 나의 찾기 및 디지털 키 솔루션의 최종 사용자들은 블루투스® 채널 사운딩 기능을 사용하는 디바이스가 달성할 수 있는 결과의 품질 덕분에 성능 향상을 누릴 수 있습니다. 또한, 제품 개발자들이 중요한 문제를 해결하기 위한 종합적인 보안 기능 세트를 제공받았다는 사실을 알게 되면 안심할 수 있습니다.

블루투스® 채널 사운딩의 기술적 유연성은 개발자가 보안, 정확성 또는 지연 시간 등 가장 중요한 범위 측정 측면을 우선시할 수 있게 해줍니다. 모든 애플리케이션이 동일하지 않다는 점을 인식하고 이를 블루투스® 채널 사운딩 기능 설계에 반영하였습니다. 개발자들은 자신의 제품 구현에서 무엇이 가장 중요한지, 그리고 그들의 사용자에게 무엇이 중요한지를 결정할 자유를 부여받았습니다.

매년 50억 대 이상의 Bluetooth 지원 디바이스가 출하됩니다. 그 결과 대규모 규모의 경제가 실현되어 제품 및 부품 제조업체와 궁극적으로 고객에게 혜택이 돌아갑니다.

블루투스® 채널 사운딩과 안전한 정밀 범위 측정을 수행할 수 있는 능력은 많은 블루투스 연결 디바이스의 편의성, 안전성 및 보안을 향상시킬 수 있는 기회를 제공합니다. 존재 감지, 방향 찾기, 그리고 이제 채널 사운딩은 각각 독립적으로 또는 결합하여 공간 인식 제품과 응용 프로그램을 만들어 최종 사용자와 기업이 혜택을 누릴 수 있게 합니다.

블루투스 기술은 이미 우리 생활 곳곳에 깊이 스며들어 있으며, 널리 채택되고 세심하게 규정된 기술 표준을 기반으로 합니다. 블루투스® 채널 사운딩(Bluetooth® Channel Sounding)을 도입하는 것은 블루투스 제품에 정밀 거리 측정 기능을 추가하고자 하는 개발자들에게 쉽고 안전한 선택입니다. 방대한 블루투스 기술 기능 세트에 새롭게 추가된 이 흥미로운 기능에 대한 자세한 내용은 블루투스 코어 사양서를 다운로드하여 확인하세요!

6. 참조

항목	위치
Bluetooth® 핵심 사양 v6.0	https://www.bluetooth.com/specifications/specs/core60-html/
내 프로필 찾기	https://www.bluetooth.com/specifications/specs/find-me-profile-1-0/
즉시 경고 서비스	https://www.bluetooth.com/specifications/specs/immediate-alert-service-1-0/

각주

1. 일반 속성 프로필
2. 속도는 신호가 통과하는 물질에 따라 달라집니다. 하지만 이론적 계산에서는 일반적으로 빛의 속도를 사용합니다.
3. CS 모드에 대한 설명은 3.5절에 있습니다.
4. 가우시안 주파수 변조