블루투스(Bluetooth)의 개요와 기초(2)

URL : http://www.microvision.co.kr/bluetooth/lecture/lecture_2.htm

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1. Radio 특성
블루투스는 2.4GHz의 ISM(Industrial Scientific Medical) 밴드를 사용한다. ISM 밴드의 특징은 별도의 라이센스를 받을 필요가 없다는 장점이 있다. 대부분의 나라에서 이 ISM 밴드는 2400 ~2483.5MHz에 해당한다. 그러나 다른 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+kMHz (k=0,1,2,.......,78)로 채널을 설정하였다.

<그림1> 블루투스의 작동 주파수 밴드

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블루투스는 송신 전력에 따라 <그림2>와 같이 3개의 Class로 분류된다. 보통 Class1의 경우 100m까지 전송이 가능하며, Class2는 20~30m, Class3는 10m 정도이다.

<그림2> 블루투스의 파워 클래스

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Class1 모듈의 경우 전송 거리는 길다는 장점이 있지만 별도의 파워 앰프가 존재하여 전력 소모량이 많으므로 배터리 전원의 휴대용 기기에 장착하였을 경우 문제가 발생할 수도 있다. 따라서 전력 소모량과 전송 거리 모두를 각 어플리케이션에 맞게 고려하여 파워 클래스를 선택하는 것이 중요하다.
수신부의 수신 감도는 BER(Bit Error Rate) 0.1%가 되는 지점이 -70dB까지 되도록 허용하고 있다.
또 모듈레이션 방식은 GFSK(Gaussian Frequency Shift Keying)을 사용하고 있다.


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

<그림3> (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 클럭에 동기화하게 된다. 이렇게 하면 마스터 유닛이 결정하는 호핑 시퀀스(Hopping Sequence)에 따라가며 통신을 수행할 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 항상 어긋나 있게 되어 결코 통신을 할 수 없다.  이러한 주파수 호핑 방식으로 피코넷에 참여하지 않은 유닛들이나 WLAN(IEEE802.11b)과 같이 동일한 주파수 대역을 사용하는 디바이스 사이의 간섭을 피할 수 있다

이 외에도 마스터 유닛은 피코넷 내부의 슬레이브 유닛들의 연결 상태(Connection State)를 Active, Sniff, Hold, Park의 네 가지로 관리를 한다. 항상 마스터와 슬레이브 사이의 통신만이 가능하며 슬레이브 사이에 직접적인 연결은 불가능하다.
주파수 호핑 방식과 더불어 블루투스의 중요한 통신 방식은 TDD(Time Division Duplex)이다. 1Mhz의 대역폭을 지닌 각각의 채널들은 625µs의 타임 슬롯(Time Slot)으로 할당되어 있다. 각 타임 슬롯을통해 패킷이 전송이 되는데, 길이가 긴 패킷의 경우 5개까지의 슬롯으로 나누어져 전송되기도 한다.

<그림4> 시분할 이중방식(TDD:Time Division Duplex)와 타임 슬롯(Time Slot)

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 신뢰성은 크게 요구되지 않는 데이터 전송에 적합하며, 대부분 음성 채널로 사용된다.(실제로 하나의 타임 슬롯 길이인 625µs는 음성 신호 속도인 64kbps에 맞는 수치이다.)

<그림5> SCO Link와 ACL Link가 동시에 존재하는 링크 (발췌:Comprehensive Description of the Bluetooth System, Ericsson, 1998)

반면 ACL 링크는 예약된 타임 슬롯이 존재하지 않는다. 또 포인트-멀티포인트(Point-Mult-Point)의 연결이 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.

블루투스에 사용되는 패킷도 링크의 종류에 따라 다르다. 보통 FEC 방식과  CRC의 유무에 따라 다양한 패킷으로 구분된다. SCO 패킷은 대부분 64kbps이고 대칭 모드만 지원한다. ACL의 경우에는 그패킷의 종류에 따라 전송 속도가 다양하며 비대칭 모드에서 최고 723.2kbps, 대칭 모드에서 최고 433.9kbps까지 가능하다.
하나의 데이터가 실제로 무선으로 전송이기 될 때까지는 여러 단계의 비트 프로세스(Bit Process)를 거치게 된다. 비트 프로세스에 대한 규정은 헤더(Header)와 페이로드(Payload)에 따라 다르다.

<그림 6> 헤더(Header)와 페이로드(Payload)에 대한 비트 프로세스(Bit Process)


헤더에 대해서는 HEC(Header Error Check), 데이터를 스크램블링(Scrambling) 시키는 Whitening, FEC 인코딩이 의무화되어 있지만, 페이로드에 대해서는 Whitening 외의 CRC나 암호화(Encryption)등이 모두 선택 사항이다.
또 블루투스에는 오디오 채널이 존재한다. 이 블루투스 오디오 채널의 존재는 단순한 일반 데이터 어플리케이션을 뛰어넘어 핸드폰, 인터콤 같은 다양한 어플리케이션을 가능하게 한다. 블루투스에서 지원하는 음성 코덱의 형태는 64kbps의 log PCM 포맷과 64kbps의 CVSD이다. 대부분의 블루투스 모듈에서 이 음성 코덱 핀이 존재하여 간단한 코덱 IC와의 조합으로 무선 음성 통화가 구현되도록 설계되어 있다.

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