하나의 SDR을 이용한 Bluetooth 5.1 AoD 방향탐지 시스템

그림 1은 안테나 간위 위상차를 이용한 방향탐지의 원리를 보여준다. 그림 1의 왼편과 같이 하나의 송신기가 CW(continuous wave) 신호를 송신하는 경우, 수신기에서 2개의 안테나가 원역장(far field)에 위치한다고 가정한다면 두 안테나에 입사되는 전파는 송신기와 이루는 각도 ϕ에 따라 위상차가 발생한다. 두 안테나의 간격이 반파장(λ/2)인 경우 두 안테나에 입사된 신호의 위상차 Δθ는 식 (1)과 같다^[6].

그림 1. | Fig. 1. 안테나 간의 위상차에 의한 AoA/AoD 방향 탐지 | AoA/AoD direction finding by phase difference between antennas.

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이제 식 (1)을 이용하여 송신기의 방향(ϕ)는 식 (2)로 주어진다.

마찬가지로 그림 1의 오른편과 같이 두 개의 비콘 송신기가 신호를 송신하는 경우를 AoD라고 하며, AoD에서 하나의 안테나로 입사되는 전파는 송신안테나와 이루는 각도에 따라 위상차가 발생한다. 두 개의 송신안테나의 간격이 반파장 (λ/2)인 경우, 송신기의 방향(ϕ)은 식 (3)으로 주어진다.

식 (2)와 식 (3)으로부터 비콘 송신기의 방향은 안테나 간의 위상차로부터 구할 수 있음을 알 수 있다. 그림 2의 위쪽 그림은 식 (2)와 식 (3)를 통해 구한 안테나 간의 위상차에 따른 도래각의 변화를 보여준다. 그림에서 알 수 있듯이, 도래각이 ±45° 이내인 경우에는 위상차의 변화와 도래각의 변화가 일정한 반면, 그 이상으로 벌어진 경우 도래각에 따른 위상차의 변화가 작아 오차가 증가할 수 있음을 알 수 있다.

그림 2. | Fig. 2. 안테나 위상차와 도래각 특성 | Characteristics of phase difference between antennas and angle of arrival.

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도래각에 따른 위상차의 변화의 민감도를 알기 위해 식 (3)을 미분하면 식 (4)와 같다.

식 (4)를 이용하여 도래각에 따른 민감도는 그림 2의 아래쪽에 나타나 있다. 도래각이 커질수록 민감도가 커짐을 알 수 있다.

이상의 결과로부터 두 개의 안테나 사이에 입사되는 신호의 도래각이 ±45° 이내인 경우에 안테나 간의 위상차를 통해 입사되는 신호의 방향을 균일하게 추정할 수 있음을 알 수 있다. 방향탐지할 각도가 최대 ±90°인 영역인 경우에는 그림 3과 같이 안테나 4개를 이용하여 방향탐지를 할 수 있다. 그림 3을 AoA의 경우에 적용하면 사람의 들고 다니는 수신기는 전면에 있는 신호의 방향을 탐지하므로 전면 방향인 최대 ±90°인 영역을 탐지하는 경우로 볼 수 있다. AoD에 적용하는 경우, 벽에 부착하는 송신기의 방향을 탐지할 때 벽면에 붙은 송신기는 최대 ±90°인 영역으로 신호를 송신하므로 이 범위만을 탐지 대상이다. 따라서 그림 3과 같이 스위치 배열안테나를 구성하고, 2개의 안테나 쌍 3개의 위상차를 측정하여 위상차를 비교하면 최대 ±90°인 영역에서 어느 정도 균일한 방향 탐지 성능을 얻을 수 있다.

그림 3. | Fig. 3. 4소자 스위치 안테나를 이용한 도래각 탐지 | AoA direction finding using 4 element switched antenna array.

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일반적인 방향탐지 기술에서는 안테나 간의 위상차를 측정하기 위해서는 각각의 안테나별로 수신기가 필요하다. 하지만, Bluetooth와 같은 저가, 저전력 무선기기들은 하드웨어 비용과 전력소모를 줄이기 위해 수신기가 하나인 단일채널 구조를 가지므로 RF스위치를 이용하여 수신기와 안테나가 연결된다. 이 경우, 안테나 간의 위상차를 계산할 때 RF스위치의 영향을 고려해야 한다.

그림 1과 같이 두 개의 안테나가 하나의 수신기에 RF 스위치를 통해 연결되는 경우를 살펴보자. 스위치가 이상적인 경우를 가정하여 첫 번째 슬롯시간(t_slot)에 첫 번째 안테나(A₁)에 연결된다면 위상 θ_slot1,A1은 식 (5)와 같다.

다음으로 두 번째 슬롯시간에 두 번째 안테나(A₂)에 연결된다면 위상 θ_slot2,A2은 식 (6)과 같다.

이제 두 슬롯 간의 위상차는 식 (7)과 같다.

식 (7)로부터 단일 채널 수신기를 갖는 경우의 안테나 간의 위상차는 다중 채널 수신기와 달리 신호의 동작 주파수와 슬롯시간을 고려해서 계산해야 함을 알 수 있다. 이때 주파수와 슬롯시간의 곱(ft_slot)을 1로 조정하면 두 슬롯 간의 위상차 Δθ_slot은 안테나에 입사된 신호의 위상차 Δθ와 같아지게 되어 스위치에 의한 시간 차이에 의한 안테나 간의 위상지연 효과를 사라지게 할 수 있다.

Blutooth는 도입 당시 스마트폰, 노트북 PC, 무선마우스, 무선 키보드 등의 저전력 휴대용 정보기기 간의 무선 접속용으로 개발된 기술로 반경 10 m 내에서 음성 및 데이터 전송이 가능한 무선 PAN(wireless personal area network) 기술이다. Bluetooth는 비면허 대역인 2.4 GHz 대역의 주파수를 사용하여 허가 없이 사용할 수 있다. Bluetooth 기기 중에 비콘(beacon) 송신기는 송신만 하는 작은 디바이스로 쇼핑센터, 음식점, 박물관, 미술관, 영화관 등을 방문한 고객의 스마트폰에 할인 쿠폰이나 상세 설명 등의 데이터를 전송할 수 있다. 이러한 Bluetooth 비콘의 대표적인 예로 애플의 iBeacon과 Google의 Eddystone이 있다. 비콘 서비스가 제대로 활용되기 위해서는 비콘의 정확한 위치 추정이 필요한데 이전에는 비콘 신호의 RSSi(received signal strength indicator) 값을 이용하였다. 하지만 이 경우 오차가 커서 정확한 위치추정이 어려웠다. 이를 극복하기 위하여 2019년 발표한 Bluetooth 5.1 규격에서는 스위치 배열 안테나 기반의 방향탐지 기능이 추가되었다.

Bluetooth 5.1에서는 그림 4와 같은 패킷 구조를 갖는다. 기존 Bluetooth 패킷 구조에서는 통신을 위해 ‘1’과 ‘0’의 정보가 혼재되어 있으며, FSK(frequency shift keying) 방식의 모뎀을 사용한다. 따라서 ‘0’의 경우, 중심 주파수로부터 250 kHz 낮은 신호의 스펙트럼을 ‘1’의 경우에는 중심주파수로부터 250 kHz 높은 주파수 성분을 갖게 된다. 일반적인 디지털 신호는 ‘0’과 ‘1’은 랜덤하게 분포되므로 이 경우 신호에 따라 주파수와 위상이 변하게 되어 안테나 사이의 위상차도 랜덤하게 변하게 된다. 따라서 위상차 기반의 방향탐지를 위해서 위상이 변화가 일정한 단일 주파수 신호의 송신이 필요하다. 이를 위해 Bluetooth 5.1에서는 기존 Bluetooth 패킷의 끝에 CTE(constant tone extension)이라는 구간을 추가하였다. CTE 구간에서는 ‘1’이 연속으로 있는 가상의 디지털 신호를 생성하는데, 이렇게 되면 FSK 방식에서 중심주파수보다 250 kHz 높은 CW 신호가 생성한다. 수신기가 직접변환(direct convertsion) 방식의 수신기를 사용하는 경우, 수신기는 CTE 구간 동안 기저대역에서 +250 kHz의 정현파 신호가 수신될 것이다.

그림 4. | Fig. 4. Bluetooth 5.1 AoD 프레임 구조 및 신호 특성 | Frame structure and signal characteristics of Bluetooth 5.1 standard.

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Bluetooth 5.1의 CTE 구간 동안 CW 신호가 송신되는 원리를 이용하면 RF 스위치와 단일채널 송수신기를 이용하여 안테나 간의 위상차를 이용한 방향탐지가 가능하다.

이제 Bluetooth 5.1에서 스위치배열 안테나가 어떻게 응용되는지 살펴보자. Bluetooth 5.1 비컨은 CTE 구간동안 중심주파수로부터 250kHz 높은 CW신호를 송신하게 된다. 이때 Bluetooth 5.1 규격에서는 RF 스위치 변환을 위한 t_slot을 1 μsec 또는 2 μsec로 정할 수 있는데 식 (7)에 의해 슬롯간의 위상차는 식 (8)과 같다.

실제 시스템에서는 RF 스위치가 이상적이지 않기 때문에 슬롯 시간은 스위치 슬롯(switch slot)과 샘플 슬롯(sample slot)으로 나뉘며, 스위치 슬롯 구간에서는 데이터를 샘플링하지 않는다. 따라서 실제 환경에서는 식 (8)처럼 인접한 두 슬롯의 위상차가 아닌 스위치 슬롯을 고려해야 하며, 위상차는 식 (9)와 같다.

Bluetooth 송신기는 CTE 구간에서 중심주파수보다 250 kHz 높은 신호를 송신하므로 식 (9)를 정리하면 식 (10)과 같다.

그림 4와 같이 패킷의 CTE 구간 동안 슬롯이 4개 있고, 이 중 2개의 슬롯은 RF스위치의 스위칭 동작 시 오류를 줄이기 위하여 제외한다면, 두 번째 슬롯과 4번째 슬롯은 각각 ANT1과 ANT2의 신호의 입사 신호가 되고, 식 (10)에 의해 슬롯 변경에 따른 위상차는 2 π가 되므로 두 슬롯의 CW 신호의 위상차는 안테나에 입사된 경로에 의한 위상차와 동일하게 된다.

Bluetooth 5.1 표준에서는 전체 CTE 구간이 최대 160 μsec이므로 복수개의 슬롯을 구성할 수 있어 안테나를 2개 이상 연결하는 것이 가능하다. 보통 그림 3과 같이 4개를 연결하는 것이 일반적이다. 또한 같은 안테나에 대해 여러 번 안테나 간의 위상차를 구할 수 있으므로 이를 평균하면 잡음에 의한 효과도 제거할 수 있다%^[6],[7].

앞에서 살펴본 Bluetooth 5.1의 위상차 기반 단일채널 방향탐지 시스템을 계측기와 SDR을 이용하여 구현하였다. 송신기는 Bluetooth 비콘 주파수인 채널 37번(2402 MHz)의 CW 신호를 RF신호발생기(Agilen^TM N5182)로 생성한 후 이를 자체 제작한 SPDT(Single pole double throw) 스위치를 거쳐 λ/2 이격된 2.4 GHz에서 동작하는 상용 모노폴 안테나 2개로 연결된다. RF 스위치의 동작은 Function Generator로 2t_slot에 따라 구형파를 발생시켜 스위치를 제어하므로 2개의 안테나는 교대로 신호로 방사하게 된다^[8].

수신부는 송신부와 동일한 상용 모노폴 안테나를 이용하여 2.4 GHz 신호를 수신하고, 상용 SDR인 RTL-SDR을 거쳐 주파수 하향 변환되어 기저대역신호를 생성한다. 이 기저대역신호는 USB 케이블을 통해 PC로 연결되는데, PC에서는 MATLAB/Simulink를 통해 SDR의 I/Q 신호를 수신할 수 있다^[9]. 이렇게 수신된 I/Q 신호를 기반으로 Matlab/Simulink에서 실시간으로 SDR을 제어하고 위상차를 계산하는 다양한 알고리즘이 구현될 수 있다%^[9],[10].

방향탐지를 위한 양질의 데이터를 얻기 위해 I/Q 샘플링 윈도우(I/Q sampling window)라는 시작점으로부터 0.125 μsec 이후, 끝점으로부터 0.125 μsec 이전까지의 0.75 μsec 구간에서 IQ샘플링이 이루어진다. 2 μsec 샘플 슬롯에서는 그림 5와 같이 처음 1 μsec 구간은 제외하고 이후 1 μsec구간에서 I/Q샘플링 윈도우를 통해 샘플링이 진행된다. 예를 들어 CTE 구간의 250 kHz의 정현파 신호를 4 MHz로 샘플링 한다면 정현파 한주기에 16개 샘플이 가능하며 이 중 8개 데이터는 스위치 슬롯이므로 제외한다. 나머지 8개 데이터는 샘플 슬롯으로 처음 4개 데이터는 제외하고 4개의 데이터만 샘플링한다.

그림 5. | Fig. 5. 2 μsec 샘플 슬롯에서 I/Q 샘플링 윈도우 | I/Q sampling window for 2 μsec sample slots.

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실험은 특별한 전파 차폐시설이 없는 일반 실험실 환경에서 진행하였고, 실험 환경과 실험 결과는 그림 6과 같다. 그림 6(a)와 같이 송신기는 책상 위에 고정시키고, 수신기는 나무로 만들어진 삼각폴대에 놓고 각도를 바꾸면서 AoD를 측정하였다. 거리는 1.3 m, 각도는−30°에서부터 +30°까지 10° 간격으로 실험을 진행하였다. 측정 결과는 그림 6(b)와 같다.

그림 6. | Fig. 6. AoD 실험 환경 및 결과 | Measurement of AoD and results.

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각도는 −40°에서부터 +40°까지 10° 간격으로 방향탐지 성능을 확인하였다. SPDT 스위치와 안테나 연결 시 케이블을 사용하였으나 위상오차가 최대 5° 정도로 측정되어 5° 이하의 결과가 나온다면 제작한 스위치 배열 안테나 기반 방향탐지 시스템이 적절하게 동작한다고 판단할 수 있다.

특별한 교정과정이나 전자파 차폐시설에서 측정하지 않았음에도 불구하고 LOS 환경이므로 이론값과 실제 방향탐지 결과가 잘 일치함을 알 수 있다. 특정 각도에서 오차가 발생하여 반복 측정해도 동일한 결과가 발생하는 것으로 보아 해당 각도에서 전파환경이 철제문이나 계측기가 설치된 철제 캐비넷 등의 영향을 받는 것으로 판단된다.