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True Wireless Stereo(TWS)와 LE Audio

by digipine posted May 27, 2020
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삼성의 차세대 무선 이어셋의 예상 랜더링 이미지

 

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TWS의 대중화를 연 제품인 애플의 에어팟 시리즈 작용 모습

 

 요즘 헤드폰이나 오디오 매장을 가면 TWS라는 무선 이어폰(이어셋)이 가장 중요한 매대를 차지하고 있는 것을  자주 볼 수 있다. 그런데 과연 TWS(True Wireless Stereo)란 무엇인가? 그 해답은 과거의 블루투스 무선 이어셋이라는 제품에서 기원한다. 이 무선 이어셋은 스마트폰이나 다른 오디오 소스 기기와 무선으로 연동하여 음악을 제생하는 스피커 장치의 한 종류이다. 약 20년전 초창기의 블루투스 무선 이어셋은 스마트폰과 연동하여 핸즈프리로  통화를 하기위한 제품으로 출발했다. 아래 같이 한쪽귀에 착용하는 제품이 일반적이었는데 내장 배터리를 사용하여 완전한 무선을 실현하여 사용자들이 스마트폰과 연결된 선에서 해방되어 자유롭게 움직일 수 있는 획기적인 제품이었다.

 

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초창기의 모노 방식의 무선 이어셋

 

그런데 이런 제품은 모노이기 때문에 통화용으로는 편리했지만 음악을 감상하기에는 무리가 있었다. 그래서 음악을 감상하기 위해서는 따로 유선 이어폰을 가지고 다녀야하는 번거로움이 있었다. 그래서 스테레오로 음악 감상 기능을 추가 한 것이 좌우 이어셋이 유선으로 연결될 수 있는 케이블이나 하드방식의 넥밴드 제품들이었다. 

bluetooth_old.jpg

 

스테레오를 구현하기 위해서 유선으로 좌우를 연결하는 방식의 무선 이어셋

 

 

이런 제품들이 완전한 무선 스테레오 방식일까? 아니다 양쪽 귀를 연결하기 위해서는 연결 케이블이 필요하고 따라서 한쪽귀만 착용할 수가 없는 문제가 발생한다. 목 뒤쪽으로 케이블이나 장치를 항상 걸고 다니는 것도 부담스럽다. 하지만 블루투스(클래식 추후 설명)은 1대1 방식의 통신이라서 스테레오를 구현하려면 양쪽 귀의 장치를 연결하는 케이블은 필수라는 것이 일반적인 상식이었다.

 

  얼마 후 이런 문제점을 해결할 수있는 TWS라고 불리는 두개의 독립된 무선장치 이어셋이 출시되었다. 간단하게 생각하면 초장기의 모노 이어셋을 두개를 이용하는 것이다. 두개를 사용하면 스테레오로 음악을 감상할 수 있고 또 원한다면 한쪽만 사용할 수 있을 뿐더러 목뒤에 걸고다니는 장치나 케이블도 더이상 필요없게 된다. 완전히 자유로운 스테레오 무선 환경을 구현할 수 있는 것이다.

 

tws01.jpg

스테레오를 구현하기 위해서 무선으로 좌우를 연결하는 방식의 무선 이어셋

 

 그런데 왜 이런 방식으로 처음부터 제품을 개발하지 못했던 것일까? 문제는 하드웨어적인 제한에 있다. 우선 스마트폰의 블루투스 오디오 방식이 한번에 하나의 기기(정확히는 블루투스 통신칩)에만 연결이 가능하다는 점이다. 따라서 마스터 장치가 스마트폰과 연결되면 위 그림과 같이 슬레이브 장치와의 통신은 스마트폰이 아니라 마스터 장치가 전담해 주어야 한다.  즉 마스터가 스마트폰으로부터 오디오 스트리밍을 받아서 재생하면서 동시에 슬레이브에 오디오를 그대로 전달해주어야하는 것이다. 이런 중계 방식은 양쪽의 오디오 재생시 싱크를 정확히 맞추어야하는 과제를 어렵게 해결하면 실현 가능한 방법이기는하지만 문제는 배터리이다. 마스터 장치는 전송과 수신을 동시에해야 하고 슬레이브와의 싱크와 연결 관련 매니져역활도 해야하기 떄문에 더 빠른 성능과 메모리 용량이 필요로하고 특히 배터리가 크게 소모되는 송신모듈이 필요하기 때문에 이어셋에 내장된 배터리로 충분한 시간을 동작 시키기 어려웠다.

그러나 배터리의 기술 발전이 만족스럽지는 않았지만 반면 반도체 기술의 초속 발전은 고성능 초절전의 고성능 컨트롤 칩셋을 제공해주었고 가격도 저렴하였다. 애플, 삼성을 비롯한 여러 IT기업들이 제품을 출시했다. 하지만 오랜 사용시간을 위해서는 고용량의 대형(?)배터리를 사용하기 때문에 제품 디자인에 어려움이 많았었다.

 

요즘에는 배터리의 사용량을 더 줄이는 다양한 방법의 개발되어 신규 제품들이 출시되고 있습니다.

 

첫번째는 마스터와 슬레이브 간의 기능 전환이다. 배터리를 많이 소모는 마스터 역활을 슬레이브와 서로 바꾸어 수행하면 배터리의 사용 시간을 늘려 더 오랫동안 제품을 사용하는 방식이다. 전원을 켜면 배터리의 상태를 비교하여 배터리가 많은 장치기 마스터 역활을 하게되는 것이다. 하지만 이 방식은 구현, 동작이 복잡해지고 근본적인 해결책이 아니라 요즘에는 거의 사용하지 않는 분위기이다.

 

 두번째 방법은 무선 신호 가로채기 기법이다. 스니핑이라고 불리는 방법인데 주로 해커들이 남의 통신 내용을 도청하기 위해 사용하는 해킹 방법이었다. 이미 설명한 바와 같이 블루투스는 스마트폰과 이어셋이 일대일로 연결되어 통신하는 방식이라고 이야기했다. 그런데 이 일대일 방식의 통신을 도청하듯이 가로채면 두개의 이어셋에서 같은 데이타가 전송되고 이를 좌우 스테레오 신호로 분리해 재생하는 방식이다. 이렇게되면 마스터의 전송기능이 필요없어지는데 실제로 마스터에서는 아주 적은 양의 컨트롤 신호만 슬레이브로 전송하여 동기화 제어를하면 되기 때문에 배터리 소모를 획기적을 줄일 수 있다. 요즘 출시되는 TWS 이어셋들은 대부분 이런 방식으로 배터리 사용시간을 늘린 제품들 이다.

 

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요즘 TWS들은 스니핑 방식으로 동작하여 배터리 소모를 줄이는 제품들이 인기다.

 

 

TWS의 미래

 

 블루투스 기술은 현재 블루투스 SIG(Special Interest Group)를 통해 관리되고 있다. 따라서 장비 제조사가 블루투스 장비로 인증을 받기 위해서는, 반드시 블루투스 SIG에서 제정한 국제 무선 표준 규격을 지켜야 한다. 블루투스 SIG는 약 3만 개의 기업들이 멤버로 가입돼 있다. 

블루투스 기술 변화는 ▲2002년 블루투스 1.0을 시작으로 ▲2002년 블루투스 1.1 ▲2004년 블루투스 SIG로부터 표준화가 된 블루투스는 2.0+EDR ▲2007년 블루투스 2.1+EDR ▲2009년 블루투스 3.0+HS ▲2010년 블루투스 4.0(블루투스 스마트) ▲2013년 블루투스 4.1 ▲2014년 블루투스 4.2 ▲2017년 블루투스 5 ▲2017년 블루투스 메시 1.0 ▲2019년 블루투스 5.1 ▲2020년 블루투스 5.2 등이 출시되면 진화해 왔다. 

 

 블루투스는 크게 ‘블루투스 클래식(Bluetooth Classic)’과 ‘블루투스 저에너지(Bluetooth Low Energy, BLE)’로 구분된다. 블루투스 3.0까지는 ‘블루투스 클래식’, 블루투스 4.0부터의 버전은 모두 ‘블루투스 저에너지(BLE)’로 불린다. 

 

 위에서 설명한 방식들은 모두 블루투스 클래식을 사용한 것들이다. 반면 블루투스 저에너지(BLE)는 웨어러블 시장에서 두각을 보였다. 블루투스 클래식은 다른 디바이스를 무선으로 연결해 사용할 수 있는 편리함을 줬지만, 연결이 되는 동안에 배터리를 빠르게 소모시켰기 때문에 사용하는 데 많은 불편함이 따른다. 이런 블루투스 클래식은 ‘높은 전력 소모’라는 단점에도 불구하고 많은 양의 데이터를 안정적으로 전송시킬 수 있기 때문에 고음질의 무선 이어셋 시장에서 혁신을 가져온 기술로 자리매김 했다. 

 

 반면 블루투스 저에너지(BLE)는 코인 셀 배터리로 구동돼 필요에 따라 연결할 수 있고 한 번의 충전으로 오랜 기간 사용할 수 있다. 이런 장점으로 스마트 밴드, 스마트 워치, 스마트 글래스 등의 웨어러블 기기와 비콘 시장의 성장에 주축이 됐다. 

 

그러나 2017년 블루투스 5가 출시되면서 오디오 시장에서 클래식과 BLE의 구분이 더 이상 통용되 않게되었다.  새로운 블루투스 5 기술은 2Mbps의 고속 모드를 사용해 지근 거리에서  클래식 블루투스 수준에 근접한 전송속도까지 향상시킬 수 있게 향상됐고 또한 125kbps나 500kbps의  속도로는  수백 미터에 이르는 장거리 까지 커버할 수 있게 되면서 다양한 오디오 디바이스에서 활용될 수 있는 길을 열었다. 

 

 

새로운 표준 ‘블루투스 5.2’와 ‘LE 오디오’

 

 블루투스 SIG는 2020년 1월 블루투스 5.2를 공개했다. 블루투스 5.2는 앞서 소개한 차세대 블루투스 오디오 기술인 ‘LE 오디오’를 뒷받침하기 위한 기술이다. 이 기술을 무선 신호를 마치 라디오 방송국에서 전파를 발송하듯이 브로드캐스팅하는 방식이다. 멀티 스트림 기술이라고하는데 이렇게되면 이어셋의 좌우 측에서 수신이 자유롭고 배터리 소모는 더욱 획기적으로 줄일 수 있다. 특히 이 기술을 활용하면 여러대의 이어셋에서 동시에 오디오 재생이 가능해져서 다수의 사용자들을 대상으로 하는 서비스를 구현할 수 있다. 예를들어 지하철안에서 이어셋을 착용한 모든 승객들에게 다음 정차역을 안내해주는 서비스를 할 수도 있다. 음악을 듣다가 하차역을 지나치는 경우는 없어질 것이다. 또한 청각 장애인을 위한 보청기 서비스를 구현 할 수도 있을 것이다.

 

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LE오디오는 1대1 통신 방식이 아니라 1대다로 방송을 송출하는 개념으로 다수의 무선 이어셋에 오디오를 멀티 스트림할 수 있다.

 

 LE 오디오가 편리하기는 하지만 아직은 갈길이 멀다. 기존의 스마트폰과 이어셋이 모두 블루투스 클래식을 지원하고 있고 LE 오디오가 클래식과 호환성이 없기 때문에 결과적으로 스마트폰에서 이 기능을 지원해주지 않으면 이어셋에서는 사용이 불가능하다. 내년 상반기에 상용제품이 나올 예정이지만 아직까지는 애플을 비롯한 스마트폰 업체들이 이 기술에 큰 관심을 보이지 않고 있어서 시간이 좀 더 걸릴 것 같다는 예상이 지배적이다.

자세한 내용은 아래를 참조하세요.

 https://www.bluetooth.com/ko-kr/media/le-audio/

 

 

 

TWS 이어셋의  장단점

 

장점

1. 간단한 설정 - 스마트 기기와 간단한 페어링으로 동작

2. 케이블이 없는 이동성, 자유로움

3. 좋은 품질의 오디오

4. 합리적인 가격, 요즘 2~4만원대의 저가 제품들이 많이 출시되었다.

 

단점

1. 제한된 배터리 수명. 길어졌지만 8시간이다. 크래들을 사용할 경우 이동하면서 오래 사용 가능하지면 충적을 해야한다.

2. 잃어버리기 쉽다. 너무 작고 케이블이 없어서 분실 가능성이 높다.

3. 컨트롤 버튼을 사용하기 어려울 수 있다. 터치 버튼의 경우 실수로 오동작하는 경우가 많다.

4. 유선 장치 비교시 음질이 떨어진다. 

 

* 유선 장치가 훨씬 더 우수하다는 것을 인정해야하지만 특정 Bluetooth 코덱 (LDAC, aptX HD)의 도입으로 Bluetooth 오디오의 품질이 향상되었으며 Hi-Res 오디오 재생이 가능해다.


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