BLE와 UWB, 저전력 무선과 거리 측정이 갈리는 원리

한밤의 편의점에서 점원이 문 앞만 계속 쳐다보고 있다면 손님은 바로 맞이할 수 있지만, 점원은 금방 지칩니다. 반대로 한 시간에 한 번만 문 쪽을 살핀다면 힘은 아끼지만 그사이에 온 손님은 기다려야 하죠.

BLE와 UWB를 이해하는 출발점이 이 이야기입니다. BLE는 확인하는 간격을 조절해 힘을 아끼는 방식이고, UWB는 신호가 도착하는 순간의 시각을 아주 정밀하게 재서 거리를 알아내는 방식입니다.

비유와 다른 점도 있습니다. 점원은 졸고 있어도 되지만 무선 칩은 약속한 시각에 정확히 깨어나 신호를 주고받아야 하고, UWB에서는 그 시각이 나노초 단위로 정밀해야 합니다.

IoT 기기가 저전력 무선을 요구하는 이유

IoT 기기는 크기가 작고 배터리도 작은 경우가 많습니다. 센서가 값을 한 번 보내는 일은 짧지만, 무선 칩이 신호를 내보내는 동안의 전류는 슬립 상태의 수천 배에 이르기도 하므로 얼마나 자주 깨어나느냐가 배터리 수명을 좌우합니다.

평균 전류로 수명을 가늠해 보겠습니다.

송신 간격을 두 배로 늘렸더니 수명이 두 배 가까이 늘었습니다. 다만 자가방전과 온도, 전압 강하 때문에 실제 수명은 이보다 짧아질 수 있고, 간격이 길어지면 상대가 기기를 발견하기까지의 지연이 늘어나는 대가를 치릅니다.

이처럼 근거리 무선은 BLE나 UWB가, 넓은 지역에서 이동통신망에 붙는 IoT는 5G RedCap 같은 셀룰러 방식이 맡는 식으로 역할이 나뉩니다.

BLE의 원리, 광고와 연결 간격으로 깨어 있는 시간 줄이기

BLE(Bluetooth Low Energy, 저전력 블루투스)는 2.4 GHz ISM 대역을 쓰는 근거리 무선 규격입니다. 이름은 블루투스지만 같은 대역을 쓰는 클래식 블루투스와는 별도로 설계된 방식이며, 적은 양의 데이터를 가끔 주고받는 데 맞춰져 있습니다.

2 MHz 간격으로 나뉜 40개 채널 중 3개는 기기가 자신을 알리는 광고 채널이고, 나머지 37개는 연결 후 데이터를 주고받는 채널입니다.

광고 간격과 연결 간격이 편의점 점원이 문을 살피는 주기에 해당합니다. 연결 간격은 규격상 수 ms에서 수 초 범위로 조절할 수 있어서, 응답이 빨라야 하는 마우스는 짧게, 하루에 몇 번 값을 올리는 센서는 길게 잡습니다.

규격이 정한 기본 물리 계층의 전송률은 초당 1 Mb 수준이지만, 프로토콜 오버헤드 때문에 실제로 쓸 수 있는 처리량은 그보다 훨씬 낮습니다. 그래서 BLE는 큰 파일 전송이 아니라 상태 값이나 명령처럼 작은 데이터를 오래 주고받는 용도에 맞습니다.

UWB의 원리, 펄스의 도착 시각으로 거리 재기

UWB(Ultra-Wideband, 초광대역)는 이름 그대로 아주 넓은 주파수 대역에 걸쳐 짧은 펄스를 쏘는 무선 방식입니다. 대역폭이 500 MHz 또는 중심 주파수의 20% 중 작은 값보다 넓은 신호를 UWB로 정의하고, 규제는 나라마다 다르며 허용 출력은 매우 낮게 제한됩니다.

대역폭이 넓을수록 펄스를 시간 축에서 짧게 만들 수 있고, 짧은 펄스는 도착 시각을 정밀하게 잡을 수 있습니다. 시간으로 거리를 구하는 방식을 ToF(Time of Flight, 비행 시간)라 하며, 거리는 빛의 속도에 전파 시간을 곱한 값입니다.

두 기기의 시계를 완벽하게 맞추기는 어렵기 때문에 보통 TWR(Two-Way Ranging, 양방향 거리 측정)을 씁니다. 한 기기가 신호를 보내면 상대가 정해진 응답 지연 뒤에 답하고, 처음 기기가 왕복 시간에서 응답 지연을 뺀 값의 절반으로 거리를 계산합니다.

BLE처럼 수신 신호의 세기로 거리를 짐작하는 방식은 벽과 사람, 안테나 방향에 따라 크게 흔들립니다. UWB는 세기가 아니라 시간을 재므로 이런 흔들림에 덜 민감하고, 직접 도달한 신호와 반사되어 늦게 온 신호를 시간으로 구분하기 쉽습니다.

이 성질은 보안에도 쓰입니다. 신호 세기만 보면 중계기로 거리를 속일 수 있지만, 시간 측정에서는 중계기를 거치는 만큼 시간이 늘어나 오히려 더 멀게 측정됩니다.

두 기술이 함께 쓰이는 구조

전력을 기준으로 보면 BLE와 UWB의 역할이 갈립니다. BLE는 평소에 아주 적은 전력으로 존재를 알리고 연결을 유지하며, UWB는 정밀한 거리가 필요한 순간에만 짧게 켜서 측정합니다.

분실물 추적 태그도 비슷한 구조입니다. 멀리서는 BLE로 대략적인 근접 여부를 알려 주고, 가까워지면 UWB로 방향과 거리를 정밀하게 보여 줍니다. 실제 구현은 제품마다 다르므로 위 순서는 역할 분담을 보여 주는 단순화한 흐름입니다.

칩 안은 어떻게 생겼나, 저전력 SoC의 구성

BLE 칩은 대개 2.4 GHz 트랜시버와 기저대역 회로, 작은 MCU 코어, 플래시와 SRAM, 전력관리 회로를 한 칩에 담은 SoC입니다. 마이크로컨트롤러 구조에 무선 블록을 더한 형태라고 볼 수 있습니다.

UWB 칩은 넓은 대역을 다루는 송수신기와 정밀한 시간 측정 회로를 갖추고, 안테나를 둘 이상 연결해 신호가 도착하는 각도까지 추정하기도 합니다. 순간 소모 전력이 크기 때문에 켜 두는 시간을 짧게 가져가는 설계가 일반적입니다.

두 칩 모두 평균 전류를 낮추려면 회로 설계의 저전력 기법과 전원 회로가 함께 맞아야 합니다. 슬립 상태의 누설 전류와 깨어날 때까지 걸리는 시간이 곧 배터리 수명에 반영되기 때문입니다.

BLE와 UWB를 둘러싼 흔한 오해

BLE는 신호 세기로 정확한 거리를 잴 수 있다는 이해는 정확하지 않습니다. 수신 신호 세기만으로는 대략적인 근접 판단까지가 한계이고, 최근 규격에는 다른 거리 측정 방식이 더해지고 있어 이 부분은 규격 버전에 따라 달라집니다.

UWB가 BLE보다 항상 낫다는 생각도 단순화입니다. UWB는 정밀한 거리를 주는 대신 순간 전력과 칩 비용이 크고 지원하는 기기도 아직 한정적이어서, 두 기술은 대체 관계보다 보완 관계에 가깝습니다.

저전력 무선은 항상 켜 두어도 전력이 거의 들지 않는다는 오해도 있습니다. 앞의 계산처럼 평균 전류는 깨어나는 횟수와 시간에 비례하므로, 광고 간격을 짧게 잡으면 수명이 급격히 줄어듭니다.

BLE와 UWB 비교 표

구분	BLE	UWB
주된 목적	저전력 데이터 통신과 기기 발견	정밀한 거리와 위치 측정
신호 방식	2.4 GHz ISM 대역의 좁은 채널	매우 넓은 대역에 걸친 짧은 펄스
거리 측정	신호 세기만으로는 흔들림이 큼	도착 시간(ToF)을 재서 정밀하게
전력 운용	광고와 연결 간격 사이에 대부분 슬립	필요한 순간에만 짧게 켜서 측정
데이터 전송	소량의 상태 값과 명령	측정에 필요한 짧은 메시지가 중심
대표 용도	웨어러블, 센서 태그, 주변기기 연결	디지털 키, 분실물 정밀 추적, 실내 위치

핵심 정리

BLE와 UWB는 같은 근거리 무선이지만 풀려는 문제가 다릅니다. BLE는 광고와 연결 간격을 조절해 깨어 있는 시간을 줄이는 방식으로 평균 전류를 낮추고, UWB는 짧은 펄스의 도착 시각으로 거리를 재는 방식으로 정밀도를 얻습니다.

편의점 점원 비유로 돌아가면, BLE는 확인 주기를 조절해 힘을 아끼는 쪽이고 UWB는 손님이 문에 닿는 순간을 초시계로 재는 쪽입니다. 제품에 어떤 칩이 들어갔는지 볼 때는 그 기기가 오래 버텨야 하는지, 정밀한 위치가 필요한지부터 나눠 보면 이유가 보입니다.

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