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BLE 링크 버짓 및 통신 거리 계산기 — PHY별 블루투스 저전력

PHY별 블루투스 저전력(BLE) 링크 버짓을 계산합니다. LE 1M, LE 2M, LE Coded의 데이터 전송률과 Core Specification 수신 감도, 자유 공간 또는 ITU-R P.1238 실내 모델 경로 손실, 수신 전력, 링크 마진, 최대 통신 거리를 구합니다.

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공식

M=PTX+GTX+GRX−L−Lp−S,LpFS=20log⁡104πdfc,LpP.1238=10αlog⁡10d+β+10γlog⁡10fGHzM = P_{TX} + G_{TX} + G_{RX} - L - L_p - S,\quad L_p^{FS} = 20\log_{10}\frac{4\pi d f}{c},\quad L_p^{P.1238} = 10\alpha\log_{10} d + \beta + 10\gamma\log_{10} f_{GHz}

참고: Bluetooth Core Specification v5.4, Vol 6, Part A, §1–§4; ITU-R P.1238-13, §3.1, Table 2; ITU-R P.525-4, Eq. (3)

S— 수신기 감도: −70 dBm (1M, 2M), −75 dBm (Coded S=2), −82 dBm (Coded S=8) 또는 데이터시트 값 (dBm)
L_p— 경로 손실 (dB)
\alpha, \beta, \gamma— 환경별 ITU-R P.1238 거리, 오프셋, 주파수 계수
d— 직접 거리 (m)
f— 주파수 (Hz (free space), GHz (P.1238))

작동 방식

Bluetooth Low Energy(BLE) 링크는 거리가 짧기 때문에, 링크 버짓은 주로 수신 측에서 결정됩니다. 어떤 물리 계층(PHY)으로 데이터를 보내는지, 그리고 무선 칩의 감도가 얼마인지가 관건입니다.

네 가지 LE PHY

Bluetooth Core Specification은 필수 PHY인 LE 1M(1 Mb/s), LE 2M(2 Mb/s), 그리고 각 비트를 반복해 전송 속도를 통신 거리와 맞바꾸는 코딩 PHY를 정의합니다. 코딩 PHY의 속도는 S=2 코딩에서 500 kb/s, S=8에서 125 kb/s입니다. 규격을 준수하는 수신기는 Volume 6, Part A의 표 4.2에 있는 감도를 만족해야 합니다. 코딩하지 않은 PHY는 −70 dBm, S=2는 −75 dBm, S=8은 −82 dBm입니다. 이는 인증받은 무선 칩에 허용되는 최악의 값이며, 요즘 칩 대부분은 20~30 dB 더 좋으므로 데이터시트 값을 알면 그 값을 입력하십시오.

경로 손실

자유 공간 손실은 20log⁡10(4πdf/c)20\log_{10}(4\pi d f/c) 이며, 2440 MHz, 10 m에서 60.20 dB입니다(ITU-R P.525). 실내에서는 ITU-R P.1238이 측정값에 맞춘 사이트 일반(site-general) 모델을 제공합니다.

L=10αlog⁡10d+β+10γlog⁡10fL = 10\alpha\log_{10} d + \beta + 10\gamma\log_{10} f

여기서 dd 는 직접 거리(미터), ff 는 주파수(GHz)이며, 계수는 사무실, 복도, 산업 시설, 회의실별로 가시선(LoS)과 비가시선(NLoS)에 대해 주어집니다. 비가시선 사무실에서는 α\alpha = 2.39, β\beta = 30.13, γ\gamma = 2.40이므로 10 m, 2.44 GHz에서 손실은 63.33 dB이고, 거리가 10배 늘 때마다 자유 공간의 20 dB 대신 23.9 dB씩 증가합니다. 각 환경에는 섀도우 페이딩 표준 편차도 있으며(이 사무실은 5.01 dB), 페이드 마진을 정할 때 참고하도록 함께 표시합니다.

마진과 통신 거리

수신 전력은 송신 전력에 양쪽 안테나 이득을 더하고 기타 손실과 경로 손실을 뺀 값입니다. 링크 마진은 이 수신 전력에서 감도를 뺀 값이고, 최대 통신 거리는 마진이 0이 되는 거리입니다.

유효 범위

Core Specification은 최대 출력 설정에서 −20~+20 dBm의 송신 전력을 허용하며, LE는 2400~2483.5 MHz에서 동작합니다. 이 범위를 벗어난 값은 경고와 함께 표시됩니다. 각 P.1238 환경은 측정이 이루어진 주파수와 거리 범위에서만 유효하며(예: 비가시선 사무실은 4~30 m), 그 범위를 벗어난 거리나 최대 통신 거리에는 경고가 붙습니다. 경로 손실은 페이드 마진을 포함하지 않은 중앙값이며, 인체 손실과 인클로저 손실은 직접 입력한 경우에만 반영됩니다.

계산 예제

문제: LE 1M PHY를 쓰는 센서가 0 dBi 칩 안테나로 0 dBm을 송신하며, 게이트웨이는 사무실 건너편 10 m 거리의 보이지 않는 위치에 있습니다. 링크가 성립하는지, 최대 어디까지 도달하는지 구하십시오. 그다음 LE Coded S=8 PHY, 그리고 데이터시트상 LE 1M 감도가 −97 dBm인 무선 칩과 비교하십시오.

1단계 - 경로 손실(ITU-R P.1238, 사무실 NLoS): L = 23.9 log₁₀(10) + 30.13 + 24.0 log₁₀(2.44) = 23.9 + 30.13 + 9.30 = 63.33 dB

2단계 - 수신 전력: P_RX = 0 + 0 + 0 − 0 − 63.33 = −63.33 dBm

3단계 - Core Specification 감도 기준 마진: M = −63.33 − (−70) = 6.67 dB 최대 통신 거리: 19.02 m

4단계 - LE Coded S=8 (−82 dBm): M = 18.67 dB, 최대 통신 거리 60.43 m. 사무실 NLoS 계수가 다루는 30 m를 넘으므로 경고가 표시됩니다

5단계 - LE 1M에서 데이터시트 감도 −97 dBm: M = 33.67 dB

자유 공간이었다면 같은 10 m의 손실은 60.20 dB입니다. 실내에서는 추가 손실 3.13 dB와 더 가파른 기울기 때문에 −70 dBm 기준 통신 거리가 30.92 m에서 19.02 m로 줄어듭니다.

실용적인 팁

  • ✓사용하는 PHY에 대한 무선 칩의 데이터시트 감도를 입력하십시오. 필드를 0으로 두면 Core Specification의 최소 요건을 볼 수 있습니다.
  • ✓공간에 맞는 ITU-R P.1238 환경을 고르고, 거리는 그 환경의 유효 범위 안에 두십시오. 비가시선 사무실은 4~30 m입니다.
  • ✓링크 마진은 최소한 섀도우 페이딩 표준 편차의 1배 이상 확보하고, 끊기면 안 되는 링크라면 더 크게 잡으십시오.
  • ✓LE Coded PHY는 통신 거리가 필요한 곳에서만 쓰십시오. S=8에서는 처리량이 125 kb/s로 떨어집니다.

흔한 실수

  • ✗Core Specification 감도로 링크 버짓을 계산하고 BLE가 몇 미터밖에 닿지 않는다고 결론짓는 것. −70 dBm 요건은 규격 준수를 위한 하한일 뿐이며, 데이터시트 값은 보통 20 dB 이상 더 좋습니다.
  • ✗실내에서 자유 공간 손실을 쓰는 것. 벽과 가구 때문에 손실이 거리에 따라 더 빨리 커지므로, 자유 공간으로 구한 통신 거리는 실제보다 50% 넘게 길게 나올 수 있습니다.
  • ✗코딩 PHY에 대가가 없다고 생각하는 것. S=8은 각 비트를 8번 보내 감도를 12 dB 얻으므로, 패킷 시간이 약 8배 길어지고 에너지도 더 씁니다.
  • ✗인체 손실과 인클로저 손실을 빼먹는 것. 웨어러블 기기나 금속 케이스 안의 기기는 데이터시트에 나오지 않는 몇 dB를 잃을 수 있습니다.

자주 묻는 질문

PHY, 무선 칩, 건물에 따라 다릅니다. 0 dBm, 안테나 이득 없음, Core Specification 최소 요건인 −70 dBm 감도라면, 비가시선 사무실에서 LE 1M은 약 19 m로 제한됩니다. 감도가 −97 dBm인 무선 칩이나 코딩 PHY를 쓰면 훨씬 멀리 도달합니다.
Core Specification은 LE 1M과 LE 2M PHY에서 −70 dBm, S=2 코딩의 코딩 PHY에서 −75 dBm, S=8 코딩에서 −82 dBm을 최소 감도 요건으로 정합니다. 실제 무선 칩은 보통 이 최소 요건보다 훨씬 좋습니다.
Bluetooth 5에서 도입된 장거리용 PHY입니다. 각 비트를 1 Msym/s로 순방향 오류 정정 부호화해 S=2에서 500 kb/s, S=8에서 125 kb/s를 내며, 그 대가로 LE 1M보다 5 dB 또는 12 dB 더 좋은 감도를 얻습니다.
Core Specification은 최대 출력 설정을 −20 dBm에서 +20 dBm 사이로 허용하며, 전력 클래스 1~3으로 나뉩니다. 지역 규정이 더 낮은 한도를 둘 수 있습니다.
권고 ITU-R P.1238의 사이트 일반 모델을 사용합니다. 사무실, 복도, 산업 시설, 회의실의 가시선 및 비가시선 계수를 쓰며, 각 계수는 측정이 이루어진 주파수와 거리 범위에서 유효합니다.

방법론 및 참고문헌

참고문헌

  • Bluetooth Core Specification, Version 5.4 — Bluetooth SIG, 2023 — Vol 6, Part A: §1 (LE PHYs and rates), §2 (2400–2483.5 MHz), §3 and Table 3.1 (transmit power), §4.1 and Table 4.2 (receiver sensitivity) 링크
  • Recommendation ITU-R P.1238-13, Propagation data and prediction methods for the planning of indoor radiocommunication systems — ITU-R, 09/2025 — §3.1, Eq. (1) and Table 2, site-general basic transmission loss coefficients 링크
  • Recommendation ITU-R P.525-4, Calculation of free-space attenuation — ITU-R, 08/2019 — §2.2, Eq. (3) 링크

Uses the Core Specification sensitivities (−70, −70, −75 and −82 dBm) and rates (1, 2, 0.5 and 0.125 Mb/s) for the four LE PHYs, reproduces the 60.20 dB free-space loss at 2440 MHz and 10 m, and the ITU-R P.1238-13 office NLoS coefficients exactly.

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