[사물인터넷 기술동향(1)] 사물인터넷 하드웨어 기술 동향
[사물인터넷 기술동향(2)] 사물인터넷 통신 기술 동향
블루투스 통신 기술
블루투스(Bluetooth)는 다른 어떠한 통신 방식보다 통신 기능이 내장되어 있지 않은 디바이스들 간의 무선 네트워크를 쉽고, 값싸게 구현할 수 있도록 도와주고 있다. 즉 블루투스는 휴대폰, 스마트, PC, 심지어 TV, 냉장고와 같은 모든 가전기기의 네트워크 시대를 열어줄 기술로서 사용되고 있다. 현재는 블루투스 4.0 이라는 버전이 사용되고 있으며 스마트폰과 다른 장치간의 연결에 있어 중요한 요소로 자리 잡고 있다.
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블루투스는 94년 에릭슨(Ericsson)이라는 이동 통신 그룹이 휴대폰과 주변기기 사이의 소비전력이 낮고 저가격의 무선 통신 인터페이스를 연구하기 시작하면서 태동했다. 1996년 2월에 에릭슨, 노키아, IBM, 도시바, 인텔로 구성된 블루투스 SIG(Special Interest Group, www.bluetooth.com)를 결성했으며, 지금은 9개의 기업(Microsoft, Lucent, 3Com, Motorola)으로 확장했다. 지금 활동하고 있는 관련 기업은 2000개 이상으로 알려져 있다.
블루투스 기술은 저가격대(칩 가격 기준으로 5달러 이하), 적은 소모전력(100mW)으로 휴대폰, 스마트, 휴대용 노트북 등과 같은 휴대용 장치들 간의 작은 반경(10m 또는 100m) 내에서 2.4Ghz의 ISM(Industrial, Scientific, and Medical) 밴드 주파수 대역을 사용하여 무선 네트워크를 구성하는 기술이다. 이때 사용되는 출력은 10m용에서는 0dBm, 100m용에서는 +20dBm의 출력이 가능한 전력 증폭기를 사용한다. 블루투스 네트워크에서는 1대1 통신, 1대n 통신 연결을 지원하고 있다.
블루투스, 무선 LAN, HomeRF의 비교
스마트폰 통신에 사용되는 대표적인 기술인 블루투스를 비롯해 IEEE802.11(무선 LAN), 홈 RF, IrDA 등이 있으나 특히 블루투스가 가장 주목을 받고 있다. 블루투스는 비교적 간단한 통신 방식을 채용하고 있고, 세계적인 칩 메이커와 스마트폰 제조사들이 대부분 채용하고 있기 때문에 저렴한 가격으로 공급되고 있다.
블루투스에서 사용되고 있는 주파수 대역이 ISM 밴드로 전 세계 공통으로 사용하고 있으므로 별도의 인증이 필요 없이 사용할 수 있는 장점이 있다.
블루투스 프로토콜 내부 소프트웨어의 구성
블루투스 내부 소프트웨어 구성은 크게 3가지로 구분된다. 첫 번째로 블루투스 하드웨어와 밀접한 관계를 가지고 있으며 또한 펌웨어 형태로 제공되는 연결 관리자(Link Manager), HCI(Host Controller Interface) 등이 있다. 이것들은 베이 스밴드(Baseband) 소프트웨어라고 한다. 이것은 보통 칩 제조업체에서 제공하며 구성은 다음과 같다.
•베이스밴드 소프트웨어-블루투스 모듈 관리 소프트웨어
•연결 관리자(Link Manager)-블루투스 연결 관리 소프트웨어 부분
•연결 관리 프로토콜(Link Manager Protocol)-연결 관리 프로토콜 처리 부분
•HCI 호스트 컨트롤러 부분
• UART 인터페이스 소프트웨어-시리얼 통신을 통한 통신 처리 소프트웨어
•USB 인터페이스 소프트웨어-USB 통신을 위한 통신 처리 소프트웨어
두 번째로 호스트에 존재하게 되는 프로토콜
스택은 PC나 스마트폰과 같은 운영 체제가 존재하는 곳에 설치되는 소프트웨어로 구성은 아래와 같다.
•HCI 호스트 인터페이스
•L2CAP(Logical Link Control and ?Adaptation Protocol)
•SDP(Service Discovery Protocol)
•RFCOMM(RS-232 포트 시뮬레이션)
•TCS(Telephony Control Protocol)
•OBEX(Object Exchange Protocol)
마지막으로 블루투스의 사용·응용 분야에 따른 내용을 규정한 프로파일로 구성은 다음과 같다. 아래 프로파일들은 실제로 블루투스를 통해 전화 접속을 하거나 시리얼 통신 등과 같은 실제 작업을 진행할 때 사용하는 프로파일이다.
•GAP(Generic Access Profile)-일반 접근 프로파일
•SDAP(Service Discovery Application Profile)-서비스 관리 프로파일
•CTP(Cordless Telephony Profile)-무선 전화기 프로파일
•IP(Intercom Profile)-인터콤 프로파일
•SPP(Serial Port Profile)-시리얼 포트 프로파일
•DUN(Dial-up Networking Profile)-전화 접속 네트워크 프로파일
•FAX Profile-팩스 전송 프로파일
•Headset Profile-헤드셋 프로파일
•LAN Access Profile-랜 프로파일
연결 관리 프로토콜(Link Manager Protocol )
연결 관리 프로토콜은 블루투스 하드웨어의 핵심이라 할 수 있는 베이스밴드 하드웨어를 직접 제어하는 펌웨어 레벨의 소프트웨어이다. 연결 관리 프로토콜에는 피코넷 관리(Piconet managerment), 링크 관리(Link Configuration), 암호화 기능(Security Functions) 3가지 기능이 있으며 각 세부 기능은 아래와 같다.
•SCO(Synchronous Connection Orient)의 연결-전력 모드 관리
•링크 관리-전송 퀄리티 제어(QoS), 전력 제어
•암호화 기능-인증(Authentication), 암호화(Encryption)
호스트 컨트롤러 인터페이스(HCI)
HCI는 블루투스 프로토콜 스택에서 가장 기본이 되는 것으로 HCI에 대한 이해 정도가 블루투스에 대한 전반적인 내용을 이해할 수 있을 것이다. HCI의 내용은 블루투스 스펙의 대부분을 차지하고 있으며, 즉 스택에서 중요한 부분을 차지하고 있다고 할 수 있다. HCI는 하드웨어 인터페이스 종류에 따라 UART, USB로 나뉠 수 있으며, 각 하드웨어 인터페이스 종류에 따라 HCI의 송수신 부분이 약간씩 달라지도록 구성해야 한다.
HCI는 호스트와 호스트 컨트롤러 사이에 명령어와 그 수행 결과를 전달하고 또한 데이터를 전달할 목적으로 사용되고 있다. 즉 HCI는 명령어(Command), 이벤트(Event) 그리고 데이 터 송수신으로 크게 나눌 수 있다(그림 10).
그림 10. 블루투스 소프트웨어의 구조
그림 11. HCI의 구조 그림
HCI에서 하드웨어적인 인터페이스가 UART인 경우, 패킷의 포맷은 아래와 같다.
HCI에서 명령어는 크게는 6가지로 나뉘고, 총 90여 개의 명령어로 구성 되어있다. 명령어 패킷은 아래와 같은 형식이며, 각 명령어별로 상세한 내용은 스펙을 참고한다. 그리고 6가지 명령어 그룹은 아래와 같다.
•Link Control Commands
•Link Control Commands(OGF = 0x01)
•Link Policy Commands(0x02)
•Host Controller & Baseband Command ?(0x03)
•Information Parameters(0x04)
•Status Parameters(0x05)
L2CAP 프로토콜
L2CAP(Logical Link Control and Adaptation Protocol)은 인터넷 프로토콜의 TCP 레이어의 기능과 비슷하다. 이것은 HCI 계층 위에 존재하고 논리적인 연결을 담당하고 있다. L2CAP은 HCI의 ACL 데이터 구조를 이용하여 상호간에 데이터를 주고받으며 L2CAP과 L2CAP 사이에 데이터를 주고받을 수 있고, 또한 상위 레이어로 데이터를 주고받을 수 있다. L2CAP의 주요 기능은 아래와 같다.
•프로토콜 멀티플렉싱
•SAR(Segmentation and Reassembly)
•QoS(Quality of Service)
•Group 관리
SDP(Service Discovery Protocol)
SDP는 블루투스 디바이스가 제공하는 서비스를 찾고 응답하기 위한 프로토콜이다. SDP는 서버와 클라이언트로 나뉘며, PSM 코드는 0x0001번에 해당한다. SDP 클라이언트에서 서 버 쪽으로의 패킷 전송은 L2CAP 패킷의 데이터 부분에 SDP에서 사용되는 패킷을 넣어 보내게 되고, 이 패킷은 L2CAP의 위쪽 계층에 있는 SDP로 전달된다. SDP 서버는 전달된 데이터를 분석한 후 적당한 응답을 되돌려준다.
블루투스 버전에 따른 분류
•Bluetooth v2.0 + EDR : 기존의 최고 전송 속도였던 721kbit/s를 3Mbit/s로 끌어 올렸다. 실제 전송 가능한 속도는 2.1 Mbit/s다.
•Bluetooth v2.1 + EDR : v2.0과의 가장 눈에 띄는 차이는 손쉬운 페어링이 가능하도록 SSP(secure simple pairing) 기능이 추가됐다는 것이다. 그 외에 연결 시 필터링이 쉽도록 EIR(Extended inquiry response)이 강화되고, 저전력 모드에서 소비전류를 줄이는 기능이 추가됐다. 대부분의 안드로이드 폰이나 초기 아이폰에서 사용됐던 블루투스 통신 모드이다.
•Bluetooth v3.0 + HS : 여기서 부터는 비교적 최근에 나온 갤럭시 S2나 동급 폰에서 제대로 지원하기 시작했다.
Bluetooth 3.0+HS는 이론적으로 24Mbit/s이라는 엄청난 속도를 제공한다.
•블루투스 4.0 : 소비전력을 줄인 저에너지 기술에 고속 무선 통신을 지원하는 것이 특징으로 평균전력과 대기전력을 줄여 동전 크기 배터리로 수년 동안 작동할 수 있도록 했으며, 기존 3Mbps 전송 속도도 24Mbps로 확장해 실시간 비디오 전송이나 대용량 데이터 전송을 쉽고 빠르게 구현할 수 있도록 구성된 형태이다.
Bluetooth 핵심 규격 v4.0의 가장 주요한 기능이 될 저에너지 블루투스 기술
•극히 적은 피크전력, 평균전력 및 대기전력
•동전 모양의 배터리로 수년간 작동할 수 있는 역량 - 저비용
•다수 업체 간의 상호호환성
•길어진 송수신 거리
블루투스4.0 핵심 규격은 싱글 모드와 듀얼 모드 두 형태로 구현 4.1 싱글 모드
•싱글-모드 칩들은 통합성이 고도로 높고 크기가 매우 작은 디바이스들을 가능하게 만든다.
•이 칩들은 극히 적은 대기 모드 전력, 간단한 디바이스 감지, 그리고 최소의 비용으로 고도의 절전 기능과 보안성이 높은 암호화된 연결을 통해 믿을만한 1-1 연결, 1-N 연결 데이터 전송 기능
스마트폰에서의 블루투스
스마트폰에서 사용하는 주요 블루투스의 기능 및 프로파일은 다음과 같다.
•HFP(Hands-Free Profile) : 일반적으로 핸즈프리를 지원하는 기기에서 사용되는 프로파일이다. 오직 음성만을 지원하며, 주로 자동차에 사용되는 블루투스 기기에서 사용된다. 현재 최신 버전은 1.5이며, iOS4에서 지원하고 있다.
•PBAP(Phone Book Access Profile) : 전화번호부에 접근하기 위한 프로파일이다. 아이폰에서 홈 버튼을 계속 누르고 있으면 시작되는 음성명령 애플리케이션 등이 PBAP를 지원하는 프로그램이다.
•A2DP(Advanced Audio Distribution Profile) : 헤드셋이나 스피커로 음악을 전송할 때 사용하는 프로파일이다. 아이폰3G와 iOS3 버전부터 이 방식이 지원되기 시작했다. 아이폰으로 음악을 들으려면 직접 화면을 보고 조절할 수 있다.AVRCP(Audio/Video Remote Control Profile) : 오디오뿐만 아니라 비디오까지 컨트롤할 수 있다. 아이폰3G, iOS4.1 버전부터 지원된다.
•PAN(Personal Area Network Profile) : 피코넷이라고 불리기도 하는데, 최대 8개의 장치와 마스터-슬레이브로 연결될 수 있는 연결 방식이다(IEEE 802.15에 정의돼 있다). 일반적으로 지원 영역은 10m 정도이며, 기기 간에 연결해 최대 100m까지 사용할 수 있다. 데이터 교환을 위해 필수적으로 지원돼야 하며, 초기 아이폰을 제외하고는 모두 지원된다.
•HID(Human Interface Device Profile) : 각종 키보드, 마우스, 게이밍 디바이스, 태블릿 등을 지원하는 프로파일이다. 아이폰3GS 이상, iOS4 이상부터 지원되기 시작했다. 이 프로파일을 이용하면 블루투스 키보드를 아이폰이나 아이패드와 연결할 수 있다.
지금까지 IoT의 기본이 되는 통신 방식과 동작 방식에 대해 살펴봤다. 다음 회에는 보다 구체적인 기술 및 동향에 대해 살펴본다.
라영호 _ 테뷸라 대표
