블루투스(Bluetooth)의 개요와 기초

해당 글은 http://www.microvision.co.kr/bluetooth/lecture/lecture_2.htm 통해 요약되었습니다.

블루투스의 사양은 결코 '벤츠급'은 아니다. 블루투스는 탄생때부터 '저가-저전력 솔루션'을 지향한 것이라 현재 가능할 수 있는 최고 기술 수준에서 그 레벨을 조금 낮춘 것은 사실이다. 일단 전송 속도면에서 현재로서는 1Mbps(최고속도 723.2kbps)가 되지 못한다. 또 RF적인 특성들도 저가-저전력을 위해 완화시킨 흔적이 보여진다. 하지만 블루투스는 현재 존재하는 각종 네트워크에 적용되어도 결코 조금도 떨어지지 않는 성능을 발휘할 정도의 충분한 사양은 갖추고 있다.

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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+k MHz(k=0,1,2,.......,78)로 채널을 설정하였다.

<그림 1> 블루투스의 작동 주파수 밴드

이 RF채널은 국가마다 조금 차이가 나기도 한다. 하지만 대부분의 국가에서 79개의 RF 채널을 모두 사용할 수 있도록 전파법이 개정되어가는 추세이다. 이 RF 채널은 블루투스에서는 매우 중요한데, 그 이유는 블루투스가 주파스 호핑(Frequency Hopping) 방식을 취하기 때문이다. 이에 대한 내용은 아래에서 좀더 자세히 다루도록 한다.

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

<그림 2> 블루투스의 파워 클래스

실제로 사용화된 블루투스 모듈도 이 클래스별로 제품화되고 있다. 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.

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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.

<그림 3> (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 유닛에게 동기화 하지 못하여 그 호핑 시퀀스를 따라가지 못하면 두 유닛의 채널을 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.(실제로는 WLAN과 블루투스 사이의 간섭은 어느정도 일어나고 있어 이를 극복하는 방안이 여러 가지로 논의되고 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.

<그림 4> 시분할 이중방식(TDD: Time Division Duplex)와 타임 슬롯(Time Slot)

1MHz의 대역폭을 지닌 각각의 채널들은 625us의 타임 슬롯(Time Slot)으로 할당되어 있다. 각 타임 슬롯을 통해 패킷이 전송 되는데, 길이가 긴 패킷의 경우 5개 까지의 슬롯으로 나누어져 전송되기도 한다.

블루투스의 링크는 SCO(Synchronous Connection-Oriented) Link와 ACL(Asynchronous Connection-Less) Link의 두가지가 존재한다. SCO 링크는 625us의 일정한 시간 간격으로 예약된 타임 슬롯을 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 625us는 음성 신호 속도인 64kbps에 맞는 수치이다.)

<그림 5> SCO Link와 ACL Link가 동시에 존재하는 링크(발췌:Comprehensive Description of the Bluetooth System, Ericson, 1988)

반면 ACL 링크는 예약된 타임 슬롯이 존재하지 않는다. 또 포인트-멀티포인트(Point-Multi-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 그 패킷의 종류에 따라 전송 속도가 다양하며 비대칭 모드에서 최고 723,2kbps, 대칭 모드에서 최고 433.9kbps까지 가능하다.

하나의 데이터가 실제로 무선으로 전송 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 PCM포맷과 64kbps의 CVSD이다. 대부분의 불루투스 모듈에서 이 음성 코덱 핀이 존재하여 간단한 코덱 IC와의 조합으로 무선 음성 통화가 구현되도록 설계되어 있다.

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블루투스와 경쟁 기술과의 비교 및 전망

단거리 무선 통신 분야에 있어서 블루투스가 결코 유일무이한 솔루션은 아니다. 블루투싀 경쟁 관계에 놓여 있는 무선 통신 기술로는 IrDA, IEEE802.11b, HomeRF 등을 들 수 있다. 더구나 이 경쟁 기술들은 블루투스와 더불어 WPAN(Wireless Personal Area Network)에 대한 표준화 움직임에서 주도권을 잡기위한 경쟁을 버리고 있다.

IrDA는 적외선을 이용한 무선 통신이다. 한동안 IrDA는 노트북이다 PDA 등의 단거리 무선 인터페이스의 의욕적으로 이용될 움직임을 보였다. 하지만 일단 IrDA는 적외선의 특성상 두 개의 장치가 마주 본 위치로 거의 일직선 상으로 놓여있지 않으면 작동이 어렵고, 장애물에도 약하다. 또 결정적으로 IrDA는 네트워크가 지원되지 못한다. 이제 IrDA는 사양길에 접어든 기술이란 느낌이다.

현재로서는 불루투스와 가장 강력한 경쟁 관계에 놓인 것이 무선랜인 IEEE802.11b이다. 일단 블루투스와 동일한 2.4GHz ISM 밴드를 사용한다. IEEE802.11b의 스펙을 보면 블루투스를 능가하는 기술이라고 쉽게 생각되기도 한다. 일단 전송속도면에서는 스펙상 11Mbps라는 불루투스를 훌쩍 뛰어넘고도 남는 성능을 지니고 있다. 또 블루투스의 네트워크 억세스 포인트 하나 당 7대까지의 연결이 가능한데 반해, IEEE802.11b는 수십대에서 수백대의 연결이 가능하다. 그러나 일단 IEEE802.11b는 그 탄생이 유선랜을 대체하기 위한 목적으로 탄생한 것으로 결코 펌팩트한 솔루션은 아니다.

특히 블루투스에 비해 부피가 크고 전력 소모량이 많기 때문에 모바일 솔루션으로는 적합하지 않는 것으로 평가받고 있다. 또 IEEE802.11b는 음성 채널이 없는 것도 블루투스와 비교하여 하나의 제약으로 평가 받고 있다.

2.4GHz를 사용하며 블루투스와 또 다른 경쟁관계 놓인 무선 솔루션은 HomeRF이다. IEEE802.11b가 회사 등의 규모가 큰 네트워크를 대처하기 위해서 고안된 것이라면, HomeRF는 이름 그대로 가정의 네트워크를 무선으로 대처하기 위해 고안된 것이다. 전송 속도면에서는 IEEE802.11b와 비슷한 스펙을 갖추고 있고, 여기에 음성 채널도 지원한다. 또 주파수 호핑 방식을 채택하고 있어 여러 가지 면에서 블루투스와 유사하다. 하지만 호핑 주파는 8Hz(블루투스 1600Hz)에 불과해 여러 디바이스가 공존하거나 모바일 환경에서는 간섭에 약하다는 평가도 있다. 그리고 국내의 경우 IEEE802.11b나 블루투스에 비해 인지도가 낮은 것도 문제점으로 작용하기도 한다.

앞에서 언급했지만 단거리 무선 통신 분야, 특히 WPAN에서 아직까지 표준이 정립되지 못한 상태이고, IrDA를 제외한 나머지 세 개의 솔루션이 저마다의 장점을 내세우며 경합을 버리고 있는 추세이다. 더구나 어찌보면 당연하다고 할 수 있을 정도로 세 개의 솔루션이 모두 동일한 2.4GHz를 사용하고 있어 공존할 경우 간섭 문제가 심각한 이슈가 되고 있다. 실제로 IEEE802.11b와 블루투스는 앞으로 같은 환경에서 공존할 가능성이 매우 높다. 이 문제에 대해 IEEE802.11b는 직접 확산 스펙트럼 방식이고, 블루투스는 주파수 호핑 방식이라 같은 주파수 대역을 사용하더라도 간섭은 크게 문제되지 않는다는 예상이 많았다. 하지만 최근들어 실제로 두 솔루션이 공존하는 환경에서 전송속도나 Throughput 등이 저하된다는 결과가 발표되고 있다.

아무래도 두 개의 솔루션이 치열한 경합을 벌이는 가운데 IEEE802.11b가 먼저 본격적으로 나서기 시작했다. 이미 최근에 통신업체에서 서비스를 본격적으로 시작하고, 그 저변을 확대해 나가려는 듯한 움직임이 보여진다. 반면 블루투스 관련 사업은 2~3년전의 예상과 달리 조금은 조용해진 듯한 느낌도 든다. 블루투스가 제품화 되는데 가장 큰 걸림돌은 가격이다. 블루투스의 막강한 경쟁력 중 하나라고 믿었던 가격이 예상만큼 그리 낮춰지지 않고 있다. 하지만 아직도 국내를 비롯한 수많은 업체들이 블루투스를 본격적으로 세상에 내놓기 위해 노력을 하고 있는 것은 확실하다. 아마 올해 2002년 부터는 블루투스가 탑제된 많은 디지털 기기들이 세상앞에 쏟아져 나올 것이고, 그때가 되면 또 다시 판도가 바뀔지도 모르는 예상이 든다. 과연 블루투스가 '선없는 세상'에서 주인공이 될지는 그때가서 판단할 일일 것이다.

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