일반적으로 근거리 통신에 사용되는 블루투스 전파를 약 13km 떨어진 곳에서 수신하는 실험이 성공했습니다. 기술 채널인 nktbuilds 가 대형 안테나와 고감도 수신기를 결합한 실험을 통해 블루투스를 통한 장거리 통신의 가능성을 입증했습니다. How Far Can Bluetooth Actually Reach? - YouTube
블루투스는 무선 이어폰 및 스마트폰 등 널리 사용되고 있는 무선 통신 규격으로, 일반적인 기기는 수 미터에서 수십 미터 정도의 거리에서 이용됩니다. 장거리 통신에는 LoRa 와 같은 다른 무선 통신 기술이 사용되기도 하지만, 이번에는 블루투스 전파가 어디까지 도달하는지 검증하기 위해 12km 떨어진 곳에서 수신하는 것을 목표로 설정했습니다.
실험에 사용된 것은 이득이 24dBi 인 대형 그리드 안테나입니다. 안테나의 이득은 특정 방향으로 전파를 송수신할 수 있는 능력을 나타내는 수치이며, 이번 안테나는 넓은 범위에 도달하는 약한 전파를 수집하여 수신기에 전달할 수 있습니다. nktbuilds 는 안테나를 조립한 후 나무 막대에 고정하고 수신기와 케이블을 연결했습니다. 이번 대형 안테나는 수신 전용으로, 전파 송신에는 사용되지 않았습니다. 24dBi 안테나를 송신에 사용하면 특정 방향으로의 유효 방사 전력이 약 250 배 증가하여 유럽에서 적용되는 100mW 의 출력 제한을 초과할 것이라고 합니다. 따라서 실험에서는 소형 블루투스 태그에서 전파를 송신하고 대형 안테나로 수신하는 일방향 구성이 검증되었습니다.
또한, nktbuilds 는 장거리 통신을 실현하기 위해 블루투스 로우 에너지 (BLE) 의 'Coded PHY' 기술을 활용했습니다. Coded PHY 는 데이터에 중복 정보를 추가하여 송신함으로써, 약한 전파라도 수신측이 데이터를 올바르게 읽을 수 있도록 하는 메커니즘입니다. 데이터 전송 속도는 낮아지지만, 그 대가로 멀리서도 신호를 수신할 수 있게 됩니다.
이번 Bluetooth 태그에는 Nordic Semiconductor 제조의 'nRF54L15'가 채용되었습니다. 태그의 송신 출력은 +8dBm(약 6mW)이며, 수신측 감도는 -104dBm입니다. nktbuilds에 따르면, 기존 ESP32 를 사용한 수신기의 감도는 -94dBm 정도였으나, 이번 구성에서는 더 약한 전파를 수신할 수 있다고 합니다.
실험을 앞두고 nktbuilds 는 송신 출력과 안테나 이득을 합산하고, 거리에 따른 전파 감쇠 및 케이블 손실을 차감하여 통신 가능 거리를 추정했습니다. 그 결과, 이번 구성에서는 12km 지점에서의 수신 강도가 약 -89dBm 로, 수신 감도 한계인 -104dBm 보다 15dB 더 높은 것으로 계산되었습니다. 장애물이 없는 이상적인 환경이라면 약 70km 지점까지 수신할 수 있을 것으로 추정하고 있습니다.
그러나 처음 수행한 500m 예비 실험에서 예상치 못한 문제가 발생했습니다. 계산상으로는 -61dBm 정도 수신 가능해야 했으나, 실측값의 중앙값은 -89dBm 으로 예측보다 28dB 더 약한 결과를 보였습니다. 안테나 방향과 높이를 조정해도 개선이 제한적이며, nktbuilds 는 설치 장소에 문제가 있다고 판단했습니다.
원인으로 추측된 것은 안테나와 지면 사이의 거리였습니다. 전파는 송신기와 수신기를 연결하는 직선뿐만 아니라 그 주변으로도 퍼져 전달됩니다. 이러한 퍼지는 영역은 '프레넬 영역'이라고 하며, 500m 거리에서는 중앙 부근 직경이 약 8m, 12km 거리에서는 약 38m에 달합니다. 예비 실험에서는 양쪽 안테나가 지면으로부터 약 1.6m 높이에 설치되어 있었기 때문에, 지면에서 반사된 전파가 직접 도달하는 전파와 간섭하여 수신 강도가 저하되었다고 판단되었습니다.
이에 따라 nktbuilds 는 송신기와 수신기를 각각 높은 곳에 옮겨 재도전했으나, 이번에는 양쪽 사이에 나무가 존재한다는 문제가 발생했습니다.
또한 안테나 방향을 정확하게 맞추는 것도 어려웠기 때문에, 디지털 컴파스를 사용하여 서로의 방향을 확인하면서 신호가 도달할 때까지 기다렸습니다. 수 분간 신호를 수신하지 못했지만, 최종적으로 수신기가 -102dBm 의 신호를 감지했습니다. 이후에도 수신에 성공하여 13 분 동안 총 3 개의 패킷을 수신할 수 있었다는 것입니다. nktbuilds 에 따르면, 송수신 지점 사이의 거리는 약 13km 로,当初의 목표였던 12km 를 초과하는 결과가 되었습니다.
그러나 수신 강도인 -102dBm 는 수신 감도 한계인 -104dBm 을 2dB 더 높은 값으로, 통신에 거의 여유가 없었습니다. 장애물이 없는 환경을 가정했을 때 약 -89dBm 이 될 것으로 예상되었으므로, 실제 측정값은 약 13dB 낮았습니다. nktbuilds 는 전파를 약화시킨 주된 원인이 송수신 지점 사이에 있는 나무라고 판단했습니다. 이번 실험을 통해 Bluetooth 도 조건이 갖춰지면 10km 를 초과하는 거리에서 전파를 수신할 수 있음을 입증했습니다. 반면, 성공한 것은 13 분 동안 단 3 개의 패킷 수신뿐이며, 안정적인 양방향 통신이 실현되지는 않았습니다. nktbuilds 도 "실용적인 장거리 통신을 위해서는 안테나의 적절한 설치와 시야 확보가 필요하다"고 인정했습니다. 그 후 nktbuilds 는 Coded PHY 를 지원하는 Bluetooth 는 용도나 조건에 따라 LoRa 와 함께 IoT 기기의 통신 수단으로 고려할 가치가 있다고 평가했습니다.
원문 보기 | 출처: Gigazine