BLE 5.1 AoA는 IQ 신호 기반의 방향 계산 기술입니다

BLE AoA는 무선 신호의 도달 방향을 계산하여 위치를 추정하는 방식입니다. 기존 RTLS 기술이 신호의 세기(RSSI)나 시간차(TDoA)에 의존했다면, AoA는 신호가 안테나 배열에 어떤 각도로 도달했는지를 측정하는 구조를 갖습니다. BLE 5.1 표준은 이 연산을 가능하게 하기 위해 CTE(Constant Tone Extension) 라는 전용 신호 구조를 정의하고 있습니다. CTE는 페이로드 전송 이후 일정 길이의 일정 주파수 톤을 덧붙이는 구조이며, 이 구간에서는 주기적으로 IQ 데이터를 수집할 수 있습니다. 수신 측 앵커는 이 CTE 구간에서 수집한 IQ 신호의 위상 차이를 분석하여 신호의 도달 각도(Azimuth)를 계산합니다. 방위각 계산의 핵심은 다수의 안테나 간 위상 차이를 정확하게 측정하는 것입니다. 수신 안테나 간 간격은 일반적으로 반파장(λ/2) 이내로 설계되며, 위상차는 수신 각도에 따라 선형적으로 변화합니다. 이때 발생하는 위상 차이를 주파수와 안테나 간 거리로 보정하면 정확한 입사각을 실시간으로 추정할 수 있습니다. ORBRO의 AoA 시스템은 BLE 5.1 CTE 신호를 완전하게 수신할 수 있도록 설계되어 있으며, 12개의 안테나가 순차적으로 IQ 샘플링을 수행합니다. IQ 데이터는 시리얼 통신을 통해 실시간으로 출력되며, 각 안테나에서 수신된 IQ 값은 방위각 연산 알고리즘에 따라 연속적인 각도로 변환됩니다. BLE AoA는 별도의 태그 설정 없이 범용 BLE 송신 디바이스만으로도 적용이 가능하다는 점에서 확장성이 높습니다. 또한 AoA 방식은 좌표를 직접 계산하지 않고, 각도 기반의 상대 위치 정보를 우선적으로 산출하므로, 실시간 추적에 필요한 반응성과 연산 속도 면에서도 유리한 구조를 가집니다.

방위각에 고도각을 더하면 위치의 해상도가 달라집니다

BLE AoA는 본질적으로 신호의 입사각을 계산하는 방식이지만, 대부분의 구현은 방위각(Azimuth)만을 측정하는 데 그칩니다. 이 경우 좌표는 수평면 기준에서만 파악되며, 층간 구분이나 높이 변화에는 대응하기 어렵습니다. 특히 천장, 선반, 계단 등 수직 이동이 빈번한 실내 환경에서는 이러한 한계가 위치 정확도에 직접적인 영향을 미칩니다. ORBRO는 이 문제를 해결하기 위해 방위각과 고도각(Elevation Angle)을 동시에 계산하는 3차원 연산 구조를 도입했습니다. ORBRO AoA는 12개의 수신 안테나를 사각형 배열로 배치하고, 각 안테나의 위치와 전파 도달 거리 차이를 기반으로 신호의 공간적 진입 경로를 추정합니다. 이를 통해 단순한 수평 방향뿐 아니라 수직 각도까지 함께 계산할 수 있으며, Z축 방향의 위치 오차를 줄이고 실내 3차원 구조 전체를 연산 범위에 포함시킬 수 있습니다. 12안테나 구조는 복수의 수직-수평 방향 벡터를 동시에 확보할 수 있게 설계되어 있으며, 각 안테나는 순차적으로 IQ 데이터를 수집해 입체적인 위상 분포를 형성합니다. 이 분포는 하나의 방위각 결과로 수렴되지 않고, 다중 각도로부터 도출된 고도 추정값과 함께 조합됩니다. 
 결과적으로 위치는 2차원 좌표가 아니라, 공간 내 방향성을 가진 점으로 추정되며, 이는 이동 방향 해석과 층간 분리 계산에도 유리한 구조를 제공합니다. 기존 AoA 기반 시스템들이 고도 추론 기능을 구현하지 못한 이유는 하드웨어 설계와 연산 구조의 한계 때문입니다. 하지만 ORBRO는 설계 단계부터 고도각 계산을 전제로 안테나 배열을 설계하였고, 이를 실시간 IQ 샘플링 및 신호 방향 추론 알고리즘과 결합함으로써 수직 축 정보가 포함된 고해상도 위치 계산이 가능한 BLE RTLS 시스템을 구현했습니다.

기술 동작원리

ORBRO AoA는 CTE 구간에서 수신한 IQ 신호의 위상차를 분석해 방위각과 고도각을 계산하는 3차원 위치추적 기술입니다. 다중 안테나 배열과 벡터장 알고리즘을 활용해 수직 오차까지 보정하며, 안정적인 방향 기반 위치 추정이 가능합니다.

Step 1. Poll 메시지 전송 및 수신 신호 확보

BLE 5.1 표준에 따라 구성된 태그는 주기적으로 광고 패킷(Advertisement Packet) 이후 일정 길이의 CTE(Constant Tone Extension) 구간을 포함한 신호를 송신합니다. CTE 구간은 주파수가 고정된 톤이며, 수신기는 이 구간에서 IQ 샘플을 안정적으로 추출할 수 있도록 설계되어 있습니다. 태그는 별도의 연산 없이 송신 기능만 수행하므로 배터리 소비가 낮고, 대규모 확장에 유리합니다.

Step 2. Response 메시지 송신 및 RTT 수집

TwinTracker는 원형으로 배치된 12개의 수신 안테나를 사용해 CTE 신호의 IQ 값을 순차적으로 샘플링합니다. 안테나 간 간격은 위상차 연산에 최적화된 λ/2 간격으로 설계되어 있으며, 각 안테나는 동일한 CTE 구간을 기준으로 IQ 데이터를 수집합니다. 이 데이터는 BLE 신호의 복소수 형태(I: In-phase, Q: Quadrature)를 포함하며, 위상 정보 연산의 기초가 됩니다.

Step 3. 거리 계산 및 신호 품질 기반 정제

동기화된 IQ 샘플은 안테나 간 위상차를 기반으로 방위각(Azimuth) 을 계산하는 데 사용됩니다. 위상차는 신호의 입사각에 따라 선형적으로 변하며, 이를 분석하면 신호가 어느 방향에서 도달했는지 추정할 수 있습니다. ORBRO는 이 연산에 최적화된 위상 보정 알고리즘을 적용해 ±2.5° 이내의 방위각 오차를 달성했습니다.

Step 4. 시간축 연속성 평가 및 거리 안정화

단순한 방위각 계산을 넘어서, TwinTracker는 벡터장 알고리즘을 통해 고도각(Elevation) 을 함께 추론합니다. 12개 안테나에서 수집된 입체적 IQ 분포는 Z축 방향의 위상차까지 함께 반영되며, 이를 기반으로 수직 방향의 위치 보정이 이뤄집니다. 이 단계에서 수평 방향뿐 아니라 3차원 공간상에서의 위치 해석이 가능해집니다.

BLE AoA는 실내 위치 시스템의 현실적인 해법이 될 수 있습니다

RTLS 기술이 실제 환경에 적용되기 위해서는 정밀도뿐 아니라 설치 용이성, 비용, 시스템 확장성 등 다양한 조건을 동시에 충족해야 합니다. 기존의 UWB 기반 고정밀 시스템은 높은 정확도를 제공하지만, 단말과 인프라 모두에 특수 하드웨어가 필요하고, 전체 시스템 구축 비용이 높다는 단점이 있습니다. 반면 RSSI 방식은 구현이 간단하지만 환경에 따른 오차가 크고, 정밀한 좌표 기반 운영에는 적합하지 않습니다. BLE AoA는 이 두 방식의 중간에 위치하는 기술입니다. BLE 5.1을 지원하는 범용 디바이스만으로도 구현이 가능하며, 비교적 단순한 송신 태그 구조로도 고정밀 위치 추정이 가능합니다. 태그 측은 특별한 연산을 수행하지 않기 때문에 단말 비용과 소비 전력이 낮고, 수신기(앵커)만 고도화하면 전체 시스템의 정밀도를 확보할 수 있습니다. ORBRO는 BLE AoA 기술을 실제 적용 가능한 수준으로 끌어올리기 위해, 하드웨어와 알고리즘을 함께 설계했습니다. 12안테나 구조는 BLE 신호의 위상차를 안정적으로 수신할 수 있도록 구성되어 있으며, IQ 샘플링 → 시간 동기화 → 벡터장 연산 → 고도각 추론에 이르는 일련의 프로세스가 하나의 시스템 내에서 자동으로 수행됩니다.
 또한 TwinTracker AoA는 이더넷 및 PoE 기반 통신, 시리얼 IQ 출력, 실시간 각도 시각화 기능을 포함하고 있어 테스트부터 운영까지 전 단계에서 바로 적용할 수 있습니다. BLE AoA는 아직까지 상용화된 사례가 드물고, 구현 난이도가 높은 기술로 평가되고 있습니다. 하지만 ORBRO는 이를 실질적인 위치 인프라로 만들기 위한 구조를 확보했으며, 범용 BLE 태그를 기반으로 한 경제성 있는 고정밀 위치 시스템을 구현 가능한 수준으로 개발하고 있습니다.