블루투스 표준화 동향 Bluetooth

블루투스 표준화 동향 Bluetooth

 

1. 개요

Bluetooth는 영어로 ‘푸른 이빨’이라는 뜻을 갖고 있는데 이 이름은 10세기 스칸디나비아 국가인 덴마크와 노르웨이를 통일한 바이킹으로 유명한 헤럴드 블라트란트에서 유래된 것이다. 그는 블루베리를 즐겨 먹어 치아가 항상 푸른색을 띄어 ‘헤럴드 블루투스’라는 이름으로 불렸는데 이 이름을 따서 만든 것이다. 헤럴드가 스칸디나비아를 통일한 것처럼 bluetooth 기술이 서로 다른 통신장치들 간에 무선이며 단일화된 연결 장치를 이룰 것이라는 뜻을 지니고 있다. 또한 그가 여행가로도 유명했던 것처럼 호환성을 지닌 bluetooth 기술이 전 세계 어디를 여행하든 하나의 장비로 통신이 가능하도록 모든 통신 환경을 일원화시켜 주기를 바라는 뜻도 함께 포함돼 있다. Bluetooth는 초기에 진행 중이던 프로젝트 이름에 불과했으나 기억하기 좋고 흥미를 유발할 수 있어 공식명칭으로 결정됐다

Bluetooth는 휴대폰, 컴퓨터, PDA를 포함한 다양한 주변장치가 쉽게 연결될 수 있도록 만드는 근거리 무선 기술로 기존 제품을 함께 사용하기 위해 선을 연결해 저장하던 작업을 더 빠르고 편리하게 진행하기 위해 개발됐다. 이는 기존의 복잡한 케이블을 대체하고 기능추가 및 성능 향상이 편리한 세계적으로 통일된 통신방식을 제안하고자 하는 목적으로 개발된 것이다. 이에 따라 작은 크기에 저렴한 가격, 적은 전력 소모로 컴퓨터, 프린터, 휴대폰, PDA와 같은 정보통신기기는 물론 각종 디지털 가전제품, 네트워크 액세스 포인트, 기타 주변장치 간에 작은 구역 내 무선연결을 위한 기술을 bluetooth라고 한다.

2. Bluetooth

2.1. 주파수 대역

Bluetooth는 2.4GHz 대역의 무선국 면허가 필요 없는 ISM(Industrial, Scientific, Medical) 대역의 주파수를 사용한다. 1MHz 대역폭으로 79개의 채널을 초당 1,600번씩 frequency hopping하고 있으며 변조방식은 GFSK(Gaussian Frequency Shift Keying)를 사용하며 duplex 통신을 위하여 TDD(Time Division Duplex) 방식을 사용한다. 그림 1은 ISM 대역의 주파수를 나타낸 그림이다.

 그림 1). ISM 대역 주파수

• FHSS(Frequency Hopping Sequence Spectrum)

그림 2는 FHSS 방식의 주파수를 나타낸 것으로 DS(Direct Sequence) 방식과 함께 대표적인 spread spectrum 방식으로서 주파수가 특정 주파수 대역 내에서 계속 이동되도록 하는 확산 대역 방식이다. DS 방식에서는 암호 펄스열을 직접 곱함으로써 비화특성이 생기지만, FH 방식에서는 이러한 펄스열이 주파수열로 입력되게 된다. 즉 암호 펄스열이 지정하는 대로 전송주파수가 실시간으로 계속 변화하기 때문에, 이 암호 code가 없으면 어떤 주파수를 사용하여 전송중인지를 알 수 없기 때문에 도청이 불가능하다.

 그림 2). FHSS

• GFSK

GFSK는 Gaussian Frequency Shift Keying의 약자로 FSK 변조 방식의 일종으로 변조 전에 가우시안 필터를 사용하여 펄스 생성을 수행한다. 그리하여 스펙트럼 대역폭과 대역 외 스펙트럼을 줄여주어 점유주파수 대역폭을 만족시키며 RF Link의 품질과 신뢰성을 향상시켜준다.

• TDD

TDD는 Time Division Duplex의 약어로 송수신 동일 주파수를 사용하는 시스템을 말한다. TDD 방식은 한 개의 프레임의 내부를 송신용과 수신용의 채널로 분할하여 한 개의 채널 주파수로서 양방향통신을 가능하게 한다. 상하향에 동적으로 타임슬롯 할당이 가능함으로써 비대칭 전송에 유리하여 유연하게 채널을 할당할 수 있다. 또한, FDD보다 적은 타임슬롯과 주파수대역, 적은 가격으로 같은 수준의 전송속도 지원이 가능하다.

2.2. 프로토콜 스택

그림 3은 블루투스 프로토콜 스택을 나타낸 그림이다. Baseband는 link controller에 해당하는 프로토콜로서  블루투스의 FHSS, TDD 등의 물리 채널과 SCO, ACL 등의 링크, 패킷 포맷 등을 정의한다. LMP(Link Manager Protocol) 프로토콜은 링크의 연결과 해지 및 관리를 위해 마스터와 슬레이브 간에 주고받는 특별한 형태의 패킷들과 그 의미를 정의하고, 그러한 패킷들을 주고받는 순서를 규정하고 있다. L2CAP(Logical Link Control and Adaptation Protocol)는 블루투스 스택의 상위 계층과 응용으로부터 데이터를 가져와 스택의 하위 계층으로 보내는 중재 및 조정 역할을 한다. HCI(Host Controller Interface)는 프로토콜의 구조적 측면보다는 기능적 측면에서 설명될 수 있다. HCI는 baseband, LMP 등을 제어하기 위한 명령어 인터페이스를 제공한다. 이러한 인터페이스는 블루투스 baseband를 위한 단일화된 접근을 가능하게 한다. RFCOMM은 시리얼 전송을 위한 프로토콜로 L2CAP 계층을 통해 블루투스 프로토콜 스택의 낮은 계층을 연결한다. OBEX(Object Exchange)는 두 디바이스간에 통신을 정의한 프로토콜로 HTTP와 같은 기능을 한다. Vcard/VCal은 전자명함이나 달력, 스케쥴 등을 관리할 수 있는 어플리케이션 프로토콜을 말하고, WAP/WAE(Wireless Application Protocol/Wireless Application Environment)는 무선 인터넷을 제공하기 위한 프로토콜을 말한다. AT-Commands는 휴대전화나 모뎀을 제어하고, TCS(Telephone Control Service)는 주로 전화 회선이나 내선을 인터페이스하기 위한 콜 컨트롤을 담당한다. SDP(Service Discovery Protocol)는 근처에 있는 다른 장비들을 발견하고 접속할 수 있는 상위 레벨 프로토콜이다.

 

그림 3). Bluetooth 프로토콜 스택

Bluetooth 제품을 개발할 때 필수적인 요소 중 하나가 bluetooth 모뎀 칩과 더불어 프로토콜 스택이다. 그림 4는 bluetooth 프로토콜 스택과 OSI(Open System Interconnect) 표준 모델을 나타낸 것이다. Bluetooth가 OSI 모델과 꼭 일치하지는 않지만 bluetooth의 각 부분을 표준 모델의 여러 가지 부분과 연관시키는데 유용한 자료가 된다. 표준 모델은 이상적으로 잘 설계된 스택이므로 bluetooth와 비교해 보면 bluetooth 스택내의 역할분담을 잘 알 수 있다.

물리 계층(physical layer)은 변조와 채널 코딩을 포함한 통신미디어에 전기적 인터페이스를 담당한다. 따라서 물리계층은 라디오와 베이스밴드의 일부를 포함한다. 데이터링크 계층(data link layer)은 전송, 프레임화, 특정 링크상의 에러 방지를 담당하며, 에러 검출과 정정을 포함하여 링크 컨트롤러 역할과 베이스밴드의 제어 목적이 중복된다. 네트워크 계층(network layer)은 망의 미디어와 토폴로지에 관계없이 망을 오가는 데이터 전송을 담당한다. 네트워크 계층은 링크 콘트롤러의 상부를 포함하고, 다중 링크를 설정하고 유지하며, LM(Link Manager)의 대부분을 담당한다. 트랜스포트 계층(transport layer)은 망 내에서 어플리케이션 레벨로 데이터를 안전하게 전송하고 다중화시키는 역할을 한다. 따라서 LM 상부에서 중복되며 실제 데이터 전송 방법을 제공하는 HCI(Host Controller Interface)의 역할을 담당한다. 세션계층(session layer)은 관리 및 데이터 흐름 제어를 담당하며 이들 업무는 L2CAP와 RFCOMM/SDP의 하부에서 맡는다. 마지막으로 응용계층(application layer)은 호스트 어플리케이션간의 통신 관리를 담당한다.

 

그림 4). OSI 표준 모델과의 비교

2.3. 토폴로지 형성

Bluetooth는 master/slave 개념을 이용하여 통신을 하는데 보통 연결을 시도하는 쪽의 기기가 master가 된다. Bluetooth 무선 통신의 범위는 master를 중심으로 반경 10m로서(클래스 1을 제외), 이 범위를 피코넷(piconet)이라고 부른다. 피코넷은 master에 의해 형성되며 동일 피코넷에서는 하나의 master만 존재 할 수 있으며 하나의 master는 최대 7개의 active 모드의 slave와 접속할 수 있다. 또한 하나의 피코넷의 slave는 자신을 master로 하는 새로운 피코넷을 형성하는 것이 가능하다. 이런 피코넷의 집합을 스캐터넷(scatternet)이라고 부른다. 그림 5과 6은 bluetooth 피코넷과 스캐터넷을 나타낸 그림이다.

 

그림 5). Bluetooth 피코넷

 

그림 6). Bluetooth 스캐터넷

피코넷이 형성되는 과정은 그림 7과 같다. 기기들 간 연결이 되지 않고 피코넷 밖에서 대기하고 있는 상태를 스탠바이(standby) 상태라 하는데, 이 상태에서 각 기기들은 1.28초 마다 새로운 메시지를 받아들이고(listen), 연결요청이 있으면 그 기기가 master가 되어 주변에 다른 블루투스 기기들을 찾아 정보를 획득(inquiry)한다. Master는 접속을 위해 키를 포함한 inquiry를 625μsec 간격으로 송신하고 2초 내에 slave와 동기화를 이루고(page), slave는 3비트의 활성 주소를 할당 받고 다시 master로부터 page 메시지를 받고 난 후 master에 의해 결정된 호핑 패턴을 사용해 동기화된다. 이후 master와 통신하는 기기들은 3비트(2³ = 8이므로 8개의 주소 중 1개는 broadcasting 주소로 사용하므로 7개 기기가 하나의 피코넷이 됨)의 활성(active) 주소를 할당 받으면 피코넷이 형성된다.

 

그림 7). 피코넷 형성 과정

Park/sniff/hold state는 bluetooth 프로토콜 스택 중 LMP(link manager protocol)에서 관리한다. Park 모드는 slave가 현재로서는 피코넷에서 참여할 필요가 없지만 채널 동기 상태는 유지할 필요가 있을 시 사용된다. Slave가 park mode가 되면 parked member address(PM_ADDR)라는 새로운 어드레스가 부여되며 master는 PM_ADDR을 통해 park mode 상태인 slave를 식별할 수 있다. Park mode인 slave는 master와 정상적인 패킷 교환은 불가능하지만, beacon channel¹⁾을 통해 주기적으로 master로부터 패킷을 수신한다. 이 beacon channel 을 통해 park mode에 있는 slave를 원하는 시간에 피코넷에 참여시킬 수 있다. 또한, park mode를 이용하면 하나의 피코넷에 8개 이상의 slave를 참여시킬 수 있어 active 모드의 slave와 park 모드의 slave를 적절히 교환시키면서 피코넷을 구성하면 실제로 규모가 큰 피코넷을 구성하는 것이 가능하다. Sniff 모드는 slave에서만 가능한 모드로 타임 슬롯을 제한하여 특정 시간에만 master와 통신이 이뤄지도록 설정하는 모드이다. Hold 모드는 일정 시간 동안 ACL²⁾ 링크가 지원되지 않는 상태로 scanning, inquiring, paging 등이 가능하고 심지어 다른 피코넷에 참여하여 스캐터넷을 구성할 수도 있다. 또 전력 사용을 최소화하는 low-power sleep mode로 들어갈 수도 있다. Hold mode에 들어가기 전에 master와 slave는 그 hold mode duration을 서로 약속을 하여 그 시간이 지나면 hold mode에서 벗어나게 된다.

2.4. Profile

Bluetooth 규격은 다양한 접속기능제공과 어플리케이션 지원을 위한 다수의 프로파일들을 정의하고 있다. 이 프로파일들은 bluetooth 장치의 발견과 링크 관리측면과 관련된 일반 접속 프로파일, bluetooth 장치내의 어플리케이션이 다른 bluetooth 장치에 등록된 서비스를 발견하고 원하는 정보를 추출하기 위한 절차와 특징을 정의한 서비스 발견 어플리케이션 프로파일, 그리고 무선 전화와 LAN, intercom, 직렬 포트, 헤드셋, 전화접속 네트워킹, FAX 등의 근거리 접속을 위한 프로파일과 어플리케이션 수준에서의 객체 교환 프로파일과 파일 전송 프로파일 등을 포함한다. 표 1은 휴대폰에 적용되고 있는 프로파일을 나타낸 표이다.

표 1). 휴대폰에 적용되고 있는 프로파일

Profile		Description
VCP	Video Conferencing Profile	Video conferencing을 위해 정의된 profile
HFP	Hands Free Profile	Bluetooth를 이용한 handsfree device의 구현을 위해 정의된 profile
HSP	Headset Profile	Bluetooth를 이용한 headset device의 구현을 위해 정의된 profile
SAP	SIM Access Profile	Bluetooth link를 이용한 SIM card access를 위해 정의된 profile
HID	Human Interface Device Profile	Mouse, keyboard와 같은 디바이스 구현을 위해 정의된 profile
CTP	Cordless Telephony Profile	Bluetooth를 이용한 phone에서 무선 전화 기능을 위해 정의된 profile
FTP	File Transfer Profile	Bluetooth를 이용한 FTP server/client환경 구축의 의미
GAP	Generic Access Profile	Bluetooth device 간의 기본적 액세스 필요조건 규정
BPP	Basic Printing Profile	Digital camera와 같은 디바이스에서 bluetooth를 이용한 print service가 가능토록 정의한 profile
BIP	Basic Imaging Profile	Bluetooth 기기 간에 image를 주고받기 위해 정의된 profile
SYNCH	Synchronization Profile	Bluetooth를 이용해 synchronization 기능을 정의한 profile
SDAP	Service Discovery Application Profile	주변 디바이스 탐색 기능을 정의한 profile
SPP	Serial Port Profile	Serial port emulation을 위한 profile

2.5. 기타

Bluetooth의 최대 전송속도는 3Mbps이나 실제 전송속도는 2.1Mbps이며 다양한 애플리케이션의 요구사항에 대응하기 위하여 새 가지 종류의 송신 파워 클래스를 규정한다. 송신 파워는 1 mW(0 dBm) ~ 100 mW(20 dBm) 인 클래스 1, 0.25 mW(-6 dBm) ~ 2.5mW(4 dBm) 인 클래스 2, 1 mW(0 dBm)의 최대 파워를 갖는 클래스 3으로 나눌 수 있다. 표 2는 bluetooth와 다른 통신방식을 전송속도, 대역폭, 변조방식, 전송거리, 전력 면에서 비교한 표이다.

표 2). Bluetooth와 다른 매체의 비교

통신 방식	최대 데이터 전송속도	대 역	변조 방식	최대 전송거리	소비 전력
Bluetooth	1-10Mbps	2.4GHz	주파수 호핑 방식의 스펙트럼 확산기술(최대 1,600호핑/sec)	10 - 100M	30mA, 0.3mA(대기)
WiFi	2Mbps	2.4GHz	직접 확산방식 및 주파수 호핑 방식의 스펙트럼 확산	100M	최대 1W
IrDA	4Mbps	적외선	4단계PPM / 16단계PPM(주변조만)	3.8M	수 mA

3. Bluetooth 표준화 동향

Bluetooth SIG 내에 여러 working group이 표준화활동을 하고 있으며 고속 전송을 위한 라디오 규격, 새로운 블루투스 응용을 위하여 자동차, PAN, 마우스, 키보드, 오디오/비디오, 프린 터, 정지영상, 위치추적 등의 관련 프로파일 규격을 제정하고 있다. 또한 2.4㎓ 대역의 다른 규격과의 주파수 공유를 여러 방안을 연구하고 있다. 그림 8은 블루투스의 기술 흐름을 나타낸 그림이다. 초기 버전인 블루투스 1.0부터 ULP(Ultra Low Power)  블루투스까지에 대해 살펴보겠다.

 

그림 8). Bluetooth 기술의 흐름

3.1.1. Bluetooth Version 1.0

다양한 제조사들이 블루투스 제품을 개발함으로써 이에 대한 표준화 작업의 필요성을 느끼면서 bluetooth 1.0 버전이 제정되었다. 하지만 상호호환성을 가지게 하는 데 여전히 어려움이 있었고, handshaking 과정에서 블루투스 하드웨어 장치 주소(BD_ADDR)를 반드시 전송해야 하므로 프로토콜 수준에서의 익명표현이 불가능했었다.

3.1.2. Bluetooth Version 1.1

Bluetooth 1.0 버전의 버그를 수정한 새로운 스펙에 대한 요구가 발생하게 되었으며, 이를 위하여 2000년 11월에 IEEE 802.15.1 표준으로 승인되면서 bluetooth 1.1 버전을 bluetooth SIG에서 제정하였다. Bluetooth 버전 1.0이 제정될 당시 많은 국가에서 2.4GHz ISM밴드의 일부만 사용할 수 있도록 하였으나, 이후 스페인, 일본에서 2.4GHz ISM밴드의 전체 대역을 블루투스에서 사용할 수 있게 하였으며 이를 반영하였다. 또한, bluetooth 1.0버전에서 불명확했었던 master-slave의 관계, 링크 키 교환, 비암호화 채널을 지원하였다.

3.1.3. Bluetooth Version 1.2

Bluetooth 1.2버전은 2003년 11월 bluetooth SIG에서 제정했다. 2.4GHz ISM 밴드를 사용하는 다른 시스템(Wi-Fi, homeRF, 전자레인지 등)과의 간섭을 줄이기 위해서 주파수의 특성과 실제 상황에 맞게 실시간으로 hopping 주파수를 바꾸어 통신을 가능하게 하는 적응형 주파수 도약(adaptive frequency hopping)방식을 도입하였다. Bluetooth 1.1버전에서는 SCO link가 간섭과 신호 감쇄에 취약하므로 음성품질의 적당한 에러율을 지원하는 무선 환경에서 QoS를 지원할 수 없었다. 이를 보완하기 위해 radio working group 에서는 기존의 SCO 링크에 음성 통신의 QoS 및 신뢰도를 높이기 위하여 기능을 확장한 또 다른 링크인 eSCO(extended Synchronous COnnections)를 추가하였다.

3.1.4. Bluetooth Version 2.0 + EDR(Enhanced Data Rate)

2004년 초반에 bluetooth 1.2버전 전송 속도의 3배를 지원하며 3Mbps 전송속도(enhanced data rate)를 가진 새로운 bluetooth 2.0버전을 제정하였다. 전송 속도 향상을 위해서 기존의 GFSK 변조 방식대신 PSK(Phase Shift Keying) 변조 방식을 사용하도록 하였으며, 기존 버전 제품과의 호환성을 제공하고 버전 1.2제품과 소비 전력을 줄일 수 있도록 하였다.

3.1.5. Bluetooth Version 2.1 + EDR

2007년 8월에 bluetooth SIG에서는 인접한 디바이스들 간의 자동 연결을 가능하게 하는 NFC³⁾(Near Field Communication) 기술을 bluetooth에 도입한 bluetooth 2.1버전을 제정하였다. 기존의 버전에 비해 보안, 빠른 연결 시간, sniff subrating⁴⁾ 기법을 사용함으로써 소비 전력에 대한 성능을 향상시켰다.

3.1.6. Bluetooth Version 3.0

2006년 3월 bluetooth SIG는 많은 bluetooth 회원사의 요청을 수용하여 bluetooth 3.0버전에 UWB 기술을 도입하기로 결정하여 대용량 데이터 교환을 위한 응용 제품에 bluetooth 기술을 활용할 수 있도록 하였다. 고속 bluetooth에 기존 기술인 UWB를 사용함으로써 자체적으로 baseband 기술을 새로 만드는 것에 비해 비용 및 제품 개발 기간을 단축시킬 수 있을 뿐만 아니라, 전 세계에 보급된 bluetooth 기기와 호환될 수 있으며 시장에서 검증된 bluetooth 기기의 안정성을 UWB에 접목할 수 있어 차세대 근거리 네트워크 시장을 주도할 것으로 예상된다. 고속 데이터 전송 시에는 6GHz 이상의 주파수 대역을 사용하고 저속 데이터 전송 시에는 기존의 2.4GHz ISM 주파수 대역을 사용하는 것이 특징이다.

3.1.7. ULP Bluetooth

2007년 6월 bluetooth SIG는 2001년부터 nokia의 주도로 개발되어온 초저전력 근거리 무선 통신 기술인 wibree를 bluetooth의 저전력 확장 규격인 ULP bluetooth 규격으로 채택하였다. Wibree는 bluetooth와 동일한 2.4GHz 주파수 대역을 사용하면서도 소비전력과 데이터 전송속도를 줄인 기술로서 최고 전송속도는 bluetooth에 3분의 1에 불과한 1Mbps이지만 소비전력이 10~40% 정도로 초 저전력인 것이 특징이다. 따라서 ULP bluetooth는 더 작은 배터리, 기기의 소형화, 무게의 경량화, 비용의 절감, 새로운 응용 분야 개척의 가능성으로 무선통신 분야에서 큰 시장을 가질 수 있을 것으로 기대되고 있다.

ULP bluetooth는 dual mode와 stand-alone mode의 형태로 적용된다. Dual mode의 제품은 기존 bluetooth와의 호환성을 유지하면서 stand-alone ULP bluetooth와의 접속이 가능한 이동전화기와 개인 컴퓨터 등에 탑재가 될 것이고, stand-alone mode의 chip은 초저전력 전력소모, 작은 크기, 저가격을 필요로 하는 시계, 센서 등에 탑재가 될 것으로 예상된다.