블루투스 개요와 기초(2)

블루투스 개요와 기초(2)

BT Lab 이한욱 (equinox@btlab.co.kr)

  본고에서는 SIG에서 2001년 2월에 발표한 1.1 스펙의 내용을 중심으로 하여 블루투스의 사양 대해 살펴보 도록 하겠다.

블루투스의 특징
  블루투스의 사양은 결코 `벤츠급'은 아니다. 1부에서도 언급했듯이 블루투스는 그 탄생 자체가 `케이블의 무선화'에서 비롯된 것이므로 결코 `Low Cost', `Low Power', `Small Size'라는 조건을 만족시키도록 고안된 것이다. 그러다보니 다른 무선 기술에 비해 사양이 조금 떨어지는 부분이 있는 것은 사실이다. 흔히 무선 랜(WiFi)과 비교했을 때 전송 속도 혹은 네트워크 규모면에서 차이가 많이 나는 것을 보고, 블루투스가 무선 랜보다 뒤떨어지는 기술이 아니 냐는 판단이 들수도 있다.
  하지만 1부에도 언급했듯이 블루투스와 무선 랜은 결코 경쟁 관계에 놓인 기술이 아닌 공존 및 상호 보완 기술이다. 랜 혹은 이더넷(Ethernet) 어플리케이션에 관련되어서는 무선 랜이 블루투스보다 성능이 우수한 것은 사실이 다. 그러나 모바일, PAN, 홈오토메이션, 텔레메틱스 등과 관련되어서는 블루투스가 무선 랜보다 우수한 특성을 지니고 있다.
  블루투스의 기술적 장점은 몇가지로 요약할 수 있다. 첫째로 호핑속도가 빠른 FHSS(Frequency Hopping Spread Spectrum)을 사용하여 간섭에 강하다는 점이다. 무선 랜과 같은 DSSS(Direct Sequence 방식은 제한된 공간 내 에 공존할 수 있는 채널 수가 몇개 되지 못하며, 비슷한 대역의 여러 디바이스가 공존했을 경우 수율(Throughput)이 떨 어지는 단점이 있다. 반면 블루투스는 1600Hz의 빠른 호핑 속도의 FHSS 방식을 사용하여 제한된 공간 내에서 다수의 네 트워크가 공존할 수 있어서, PAN 혹은 모바일 어플리케이션이 가능하다.
  둘째로 블루투스는 소형, 저전력 솔루션이므로 휴대용 모바일 기기에 탑재가 가능하다는 것이다. 무선 랜 의 경우 전력 소모량이 크고, 그 부피도 큰 편이므로 배터리 전원의 소형 모바일 기기에 내장시키기에는 적합하지 못하 다. 반면 블루투스는 휴대폰, PDA, 디지털 카메라 등의 휴대용 디지털 기기에 이미 탑재되어 제품으로 출시되고 있다.
  블루투스의 또다른 장점은 다양성과 탄력성이다. 블루투스는 소형, 저전력, 저가 솔루션의 조건을 만족시 켜 매우 다양한 분야에 탄력적으로 적용될 수 있다. 또 데이터 채널과 음성 채널을 동시에 지원하는 것도 블루투스 어 플리케이션을 더욱 다양하게 만드는 요소 중의 하나이다. 현재 블루투스 적용 분야는 컴퓨터 데스크탑, PAN, 홈오토메 이션, 텔레메틱스, 산업 자동화, 장난감, 의료기기 등 지속적으로 확대되고 있는 추세이다.

블루투스의 사양
(1) RF 특성
  블루투스는 2.4GHz의 ISM(Industrial Scientific Medical) 밴드를 사용한다. ISM 밴드의 특징은 별도의 라 이센스를 받을 필요가 없다는 장점이 있다. 대부분의 나라에서 이 ISM 밴드는 2400 ~2483.5MHz에 해당한다. 그러나 다 른 장치와의 간섭을 막기 위해 이 밴드 아래쪽에는 2MHz, 위쪽에는 3.5MHz의 가드 밴드(Guard Band)를 두고, 각 채널 대역폭을 1MHz로 하여 79개의 채널, 즉 2402+k MHz (k=0,1,2,.......,78)로 채널을 설정하였다. 이 RF 채널은 국가마 다 조금 차이가 나기도 한다. 하지만 대부분의 국가에서 79개의 RF 채널을 모두 사용할 수 있도록 전파법이 개정되어가 는 추세이다.

[Fig1] 블루투스의 주파수 밴드

  블루투스는 송신 전력에 따라 <그림2>와 같이 3개의 Class로 분류된다. 보통 Class1의 경우 100m까 지 전송이 가능하며, Class2는 20~30m, Class3는 10m 정도이다. 실제로 상용화된 블루투스 모듈도 이 클래스별로 제품 화되고 있다. Class1 모듈의 경우 전송 거리는 길다는 장점이 있지만 별도의 파워 앰프가 존재하여 전력 소모량이 많으 므로 배터리 전원의 휴대용 기기에 장착하였을 경우 문제가 발생할 수도 있다. 또 어플리케이션에 따라서는 전송 거리 가 너무 멀면 문제가 발생할 수 있는 경우도 있다. 따라서 전력 소모량과 전송 거리 모두를 각 어플리케이션에 맞게 고 려하여 파워 클래스를 선택하는 것이 중요하다.
  수신부의 수신 감도는 BER(Bit Error Rate) 0.1%가 되는 지점이 -70dB까지 되도록 허용하고 있다. 또 모듈 레이션 방식은 GFSK(Gaussian Frequency Shift Keying)을 사용하고 있다.

[Fig2] 블루투스의 파워 클래스

(2) 블루투스 링크와 네트워크
  블루투스는 일단 마스터(Master)-슬레이브(Slave) 방식으로 링크를 설정한다. 그리고 한 대의 마스터는 7 대까지의 슬레이브를 연결하여 네트워크를 구성할 수 있다. 이를 피코넷(Piconet)이라 한다. 또 이러한 피코넷이 여러 개 모이게 되면 계층적이고 규모가 큰 네트워크를 구성할 수 있는데 이를 스캐터넷(Scatternet)이라고 한다.

 
[Fig3] 피코넷과 스캐터넷:(a) Single Slave Piconet (b) Multi-Slave Piconet (c) Scatternet

하나의 피코넷 내부에서 마스터 유닛은 마치 기지국과 같은 역할을 한다. 블루투스는 기본적으로 주파수 호핑 (Frequency Hopping) 방식을 사용하며 초당 1600번을 호핑한다. 일단 피코넷에 참여한 슬레이브 유닛들은 마스터의 클 럭에 동기화하게 된다. 이렇게 하면 마스터 유닛이 결정하는 호핑 시퀀스(Hopping Sequence)에 따라가며 통신을 수행 할 수 있다. 이 호핑 시퀀스는 마스터 유닛과 슬레이브 유닛 사이에서 하나의 약속이다. 만약 슬레이브 유닛이 마스터 유닛에 동기화 하지 못하여 그 호핑 시퀀스를 따라가지 못하면 두 유닛의 채널은 어긋나 있게 되어 정상적인 통신을 할 수 없다. 이러한 주파수 호핑 방식으로 피코넷에 참여하지 않은 유닛들이나 무선 랜(IEEE802.11b)과 같이 동일한 주 파수대역을 사용하는 디바이스 사이의 간섭을 피할 수 있다.(실제로는 WLAN과 블루투스 사이의 간섭은 어느정도 일어나 고 있어 이를 극복하는 방안이 여러 가지로 논의되고 있다.) 이 외에도 마스터 유닛은 피코넷 내부의 슬레이브 유닛들 의 연결 상태(Connection State)를 Active, Sniff, Hold, Park의 네 가지로 관리를 한다. 항상 마스터와 슬레이브 사이 의 통신만이 가능하며 슬레이브 사이에 직접적인 연결은 불가능하다.

[그림4] 시분할 이중방식(TDD:Time Division Duplex)와 타임 슬롯(Time Slot)

  주파수 호핑 방식과 더불어 블루투스의 중요한 통신 방식은 TDD(Time Division Duplex)이다. 1MHz의 대역 폭을 지닌 각각의 채널들은 625μs의 타임 슬롯(Time Slot)으로 할당되어 있다. 각 타임 슬롯을 통해 패킷이 전송이 되 는데, 길이가 긴 패킷의 경우 5개까지의 슬롯으로 나누어져 전송되기도 한다. 또 피코넷과 같은 네트워크가 구성되면 마스터와 다수의 슬레이브들 사이에는 라운드 로빈(Round Robin) 방식으로 패킷이 교환된다.
  블루투스의 링크는 SCO(Synchronous Connection-Oriented) Link와 ACL(Asynchronous Connection-Less) Link의 두가지가 존재한다. SCO 링크는 625μs의 일정한 시간 간격으로 예약된 타임 슬롯(Slot)을 통해 데이터를 주고 받는다. SCO 링크는 대칭적(Symmetric)이며, 마스터와 슬레이브 간의 포인트-포인트(Point-To-Point) 연결이 된다. 또 한번 전송된 SCO 데이터 패킷은 재전송(Retransmission) 되지 않는다. 따라서 SCO 링크는 시간적 요인이 중요하고 신뢰 성은 크게 요구되지 않는 데이터 전송에 적합하며, 대부분 음성 채널로 사용된다.
  반면 ACL 링크는 예약된 타임 슬롯이 존재하지 않는다. 또 포인트-멀티포인트(Point-Mult-Point)의 연결 이 가능하나, 하나의 마스터와 슬레이브 사이에는 ACL 링크는 반드시 한 개만 설정될 수 있다. 또 데이터 재전송 (Retransmission)이 지원되는 신뢰성이 있는 링크이다. ACL 링크를 이용하면 하나의 피코넷 내부의 모든 슬레이브에게 데이터를 보내는 브로드캐스팅(Broadcasting)도 가능하다. 보통 ACL 링크는 일반적인 데이터 통신에 이용된다.

[Fig5] SCO Link와 ACL Link가 동시에 존재하는 링크 (발췌:Comprehensive Description of the Bluetooth System, Ericsson, 1998)

  블루투스에 사용되는 패킷도 링크의 종류에 따라 다르다. 보통 FEC 방식과 CRC의 유무에 따라 다양한 패 킷으로 구분된다. SCO 패킷은 대부분 64kbps이고 대칭 모드만 지원한다. ACL의 경우에는 그 패킷의 종류에 따라 전송 속도가 다양하며 비대칭 모드에서 최고 723.2kbps, 대칭 모드에서 최고 433.9kbps까지 가능하다.

(2002.11.26)

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