블루투스의 이해

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블루투스의 이해

IT grow. 2018. 12. 8. 20:30

블루투스의 이해

무선 랜의 특징

1. 저전력을 사용

2. 전세계적으로 인정된 비인가 주파수대역 사용

3. 신호 간섭이 존재하는 곳에서도 수신강도가 강한 속성을 가진다.

4. Access Point ( AP ) 의 수에 의해 적용 범위 확장 가능

è AP수 : 적용 범위나 서비스 대상이 되는 이용자의 숫자와 형태를 고려하여 결정한다.

è AP 당 반경 20~500m 정도의 영역에서 동시에 25~50개의 단말을 서비스한다.

5. 처리량 : 주변 환경과 제품의 품질에 영향을 많이 받는다.

기반 구축형 ( Infra 방식 )

1. 하나의 AP에 여러 대의 단말기들이 무선망으로 연결된 형태

è 무선 단말기가 새로운 접근점이 있는 영역으로 이동할 때 기존 접근점의 접속을 끊고 새로운 접근점으로 자연스럽게 접속되게 한다.

2. 주어진 전력 범위 내에서 얼마나 멀리 신호가 전달되는가에 의해 한계가 정해진다.

3. 무선 접속의 범위를 확장하기 위해 마이크로 셀을 이용한다 .

애드 훅 방식 ( Ad – hoc )

1. 유선망과의 연결없이 무선 LAN 카드를 장착한 2대 이상의 단말기로 구성

2. 인프라가 구축되지 않은 장소에서 손쉽게 무선 LAN 환경을 구축할 수 있다 .

3. AP가 필요 없다 .

4. 각 단말기가 대등한 관계의 위치에서 상호 통신

5. 통신 가능 구역 20~100 m

메쉬 ( Mesh ) 방식 ( IEEE 802.11s )

1. Municipal Wireless Networks 구축에 많이 활용되는 추세

2. 멀티 홉 라우팅 기술 필요 (Multi-hop Routing)

3. 자동 망 구성 기능 (Self discovery & Configuration)

4. 자동 망 복구 기능 (Self Healing)

5. 고속 로밍 기술 (Fast Roaming)

6. 비면허 통신을 통한 광역 커버리지 네트워크 구축

특징

1. Multiple radios(다중경로)

2. 모듈화

3. 확장성 높음

4. 커버리지 : 옥내 및 옥외

5. 셀반경 : 500 ~ 1Km 이상

6. 실시간 서비스 높다

7. Full / Auto Mesh 기능 지원

8. 전송속도 200Mbps

9. 최대 10홉 이상

블루투스 (Bluetooth)

1. 단거리 라디오 전파 통신을 사용하여 무선으로 여러 기기들을 연결하는 기술

2. 전파 장치들이 서로 통신할 수 있는 수단을 제공

è 15m 이내 근거리에서 기기와 기기가 연결 및 동기화

3. 컴퓨터와 통신 산업계를 연결하는 전 세계적인 기술 표준

4. 장소에 구애받지 않고 , 모든 장치가 자동 인식된다.

Bluetooth 세부기술

1. 전송속도 : 1Mbps

2. 전송거리 : 10m

3. 주파수대역 : 2.4GHz

4. 기관 : Blutoote SIG

블루투스 버전

1. 블루투스 3.0

è 2.1에 비해 속도가 매우 빨라졌다는 장점이 있다.

è 전력 소모도 줄긴 했지만 , 가장 큰 특징은 속도 향상이다.

2. 블루투스 4.0

è 3.0에 비해 고속 전송이 가능해진 것 뿐만이 아니라 전력을 비약적으로 줄였다는 특징이 있다.

è 저전력

3. 블루투스 4.1

è 블루투스와 LTE 공존성을 높이고 , 가장 큰 특징은 거리가 멀거나 간섭이 생겨서 잠깐 블루투스가 끊어졌을 때 , 자동으로 다시 연결이 가능하도록 된 버전

è 사물 인터넷을 위한 ipv6가 최초로 적용된 버전

4. 블루투스 v1.2

è 프로토콜 , 스펙 표준화를 위한 준비 과정

è 제한된 기능만 포함 , 1Mbps 속도 , 전송거리 10m

5. 블루투스 v2.1 + EDR

è 전송속도를 3mbps

6. 블루투스 v3.0 + HS

è 전송속도 24mbps

è 하지만 이 데이터 속도는 실제로는 WiFi 802.11 연결을 통해 가능하다

7. 블루투스 v4.0 and 블루투스 저전력 에너지

è 세 개의 카테고리로 나뉜다 ( classic , high-speed , low-energy )

è Classic : Bluetooth v2.1+EDR

è High speed : v3.0 + HS

è 표준 : Bluetooth low energy ( BLE )

è BLE는 저전력으로 동작할 수 있도록 기존 블루투스 표준을 고친 것 . BLE는 신호 도달 거리를 희생하고 데이터 전송 속도를 희생해서 전력 소모를 줄였다. BLE는 배터리에 의존하면서 빠른 전송 속도와 연결의 지속성을 요하지 않는 주변 장치 ( 센서 장치 )에 적합하도록 설계되었다.

블루투스 4.0 의 가장 큰 특징은 3.0에 비해 고속 전송이 가능해진 것 뿐만 아니라 전력을 줄였다는 특징이 있다.

한가지를 나열하라고 하면 저전력이다.

블루투스 4.0은 classic + high speed + low energy 를 모두 포함하는 스펙이다.

8. 블루투스 4.1

è 블루투스와 LTE 공존성을 높이고 , 가장 큰 특징은 거리가 멀거나 간섭이 생겨서 잠깐 블루투스가 끊어졌을 때 , 자동으로 다시 연결이 가능하도록 된 버전이다.

è 사물 인터넷을 위한 ipv6가 최초로 적용된 버전

9. 기기 연결 하향 평준화

è 블루투스가 4.2 라 하더라도 연결하는 스마트폰이 4.0 이라면 4.0 만큼의 기능을 하게 된다 . 다시 말해서 연결하는 각 기기의 블루투스 버전이 다를 경우 낮은 버전을 기준으로 연결이 된다는 의미이다 .

10. 블루투스 5

è IOT 디바이스를 위한 것 , 휴대폰에 탑재된 기술

è 새로운 하드웨어가 필요

è 하위 표준과 호환된다.

è 최대 거리가 더 길어졌다.

è 2대 더 빨라지고 4배 더 멀리 쏜다 .

블루투스 5 활용 방안들

1. 비콘 ( Beacon ) 기능 개선

è 비콘 동작은 다음과 같다.

è 비콘 기기에서 블루투스 브로드캐스트 기능을 활용하여 비콘 메시지를 브로드캐스팅하고 스마트폰의 앱에서 해당 비콘 메시지를 해석한다 . 클라우드상의 비콘 서비스 서버에게 상세 정보를 요청하면 스마트폰이 비콘 서비스 서버로부터 정보를 받아 사용자에게 정보를 제공한다 .

2. 스마트 홈 연결 개선

Bluetooth 네트워크 구성

1. 블루투스의 구성

è ISM 대역폭인 2.4~2.48GHz 사이의 주파수 대역 사용

è 하나의 블루투스 장치가 10m 이내에 있는 다른 블루투스 장치를 발견하면 두 장치는 자동으로 연결된다 : 피코넷

2. 피코넷이란 무엇인가??

하나의 블루투스 장치가 마스터 ( master ) 역할을 함

나머지 다른 블루투스 장치는 슬레이브 ( Slave ) 역할을 함

슬레이브는 동시에 7개 까지 지원한다

마스터는 각 장치 사이의 데이터 통신을 조정한다 .

3. 블루투스 신호

라디오파를 이용해 송수신되므로 , 어느 정도 두께의 벽은 그대로 통과한다.

적외선 ( IrDA ) 통신의 경우는 간단한 장벽 통과도 불가능하다 .

블루투스의 링크와 네트워크

1. 마스터 – 슬레이브 방식으로 링크 구성

2. 한대의 마스터는 7대까지 슬레이브를 연결하여 사용할 수 있음 : 피코넷

3. 여러 개의 피코넷이 모여 계층적이고 규모가 큰 네트워크를 구성한다 : 스캐터넷

l 피코넷은 ad-hoc의 형태로 블루투스를 통해 연결된 디바이스의 모음으로 정의될 수 있으며 , 2개로 시작하여 최대 8개 까지 연결될 수 있다.

l 피코넷을 구성할 때는 1개 유닛만 마스터로 , 그 외의 나머지는 슬레이브로 동작할 것이다.

블루투스 네트워킹

1. 블루투스는 데이터와 음성 전송을 위한 로컬 점대점(point-to-point) or 점대다점(point-to-multipoint) 무선 연결을 구축할 수 있다

2. 데이터는 ACL ( Asynchronous Connection-oriented ) 채널을 통해 대부분 전송되고

음성은 SCO ( Synchronous Connection-oriented ) 채널을 통해 전송된다 .

3. 피코넷은 블루투스 시스템의 기본 단위

4. 활성 슬레이브 노드 7개뿐만 아니라 , 통신에 적극적으로 참가하지는 않지만 네트워크 상에 노출되어 있는 추가적인 기기들을 연결할 수 있다.

5. 이러한 기기는 즉시 재활성화 될 수 있는 활성대기 기기(parked device) 또는 슬립 모드 (sleep mode)기기이다.

6. 네트워크 내 활성 기기들에는 AMA ( Active Member Address ) 를 할당하며 , 활성 대기 기기들에는 PMA ( Parked Member Address ) 를 할당한다 .

7. 연결 대기 모드 ( stand – by mode ) 상태를 유지하는 기기들에는 주소를 할당하지 않는다 .

블루투스 주소와 이름 ( Bluetooth Addresses and Names )

1. 모든 블루투스 장치는 약어로 BA_ADDR 라 불리는 고유한 46bit 주소를 가진다.

2. 이 주소의 상위 절반 24bits는 제작사를 나타낸다 .

3. 하위 절반 ( 24-bits ) 은 장치의 고유한 주소이다.

연결 과정 ( Connection Process )

1. Inquiry – 두 개의 블루투스 장치가 서로를 완전히 모르는 상태라면 서로를 찾기 위한 과정을 거쳐야 한다. 하나의 장치가 inquiry request 를 보내면 다른 하나의 장치는 이 request에 대해 주소 , 이름 및 기타 정보와 함께 응답해줘야 한다.

2. Paging ( Connecting ) – Paging 은 두 장치가 연결되기위한 과정이다. 연결이 완성되기 전에 각각의 장치는 서로의 주소를 알고 있어야만 한다.

3. Connection – Paging 과정이 끝나면 Connection 상태가 된다 . 연결이 된 동안 장치들은 자신의 상태(모드)를 바꿀수 있다.

è Active mode : 일반적인 연결 상태 , 장치는 데이터를 전송 , 수신하는데 참여한다.

è Sniff Mode : 절전 모드 , Sleep ( 비활동 ) 상태를 유지하다 정해진 간격마다 송수신 내용이 있는지 확인한다.

Bonding and Pairing

1. 두 장치가 연결된 후 특별한 데이터를 교환하면 Bonding 상태를 만들 수 있다. Bonding 된 장치들은 서로 가까운 거리를 유지할 때 자동으로 연결된다 . 예를 들면 휴대폰이 차량의 블루투스 장치와 Bonding 되면 이후부터 차 안에서 자동으로 연결되도록 할 수 있다. 이 과정이 이루어지는데 UI 조작이 전혀 필요하지 않다.

2. Bonding 은 페어링 ( pairing ) 이라 불리는 과정으로 만들어 진다. 두 장치는 페어링 될 때 서로 주소 , 이름 , 프로파일 을 교환하고 저장해 준다. Common secret key 를 교환해서 향후 Bonding 될 때 사용한다

3. 페어링은 사용자가 원하는 장치만 연결이 될 수 있도록 인증 과정을 요구한다 . 인증 과정을 위해서는 별도의 UI 조작이 필요하지만 이 과정을 생략하고 인증어ㅄ이 연결되도록 할 수도 있습니다.

Power Classes

1. Class 1

ㄱ. Max Output Power : 20 dBm

ㄴ. Max Output Power : 100 mW

ㄷ. Max Range : 100 m

2. Class 2

ㄱ. Max Output Power : 4 dBm

ㄴ. Max Output Power : 2.5 mW

ㄷ. Max Range : 10 m

3. Class 3

ㄱ. Max Output Power : 4 dBm

ㄴ. Max Output Power : 2.5 mW

ㄷ. Max Range : 10 m

블루투스 프로파일 ( Bluetooth Profiles )

1. 블루투스 프로파일은 블루투스 장치가 어떤 종류의 데이터를 보내는지 명확하게 정의하기 위한 , 블루투스의 기본 표준 위에 더해진 프로토콜이다. 블루투스 specifications는 블루투스가 어떻게 동작하는지를 설명하고 프로파일은 어떻게 사용되는지를 정의한다

2. 블루투스 프로파일은 연결되었을 때 , 장치가 어떻게 동작해야 하는지를 결정한다 . 예를 들어서 핸즈프리 헤드셋의 경우 HSP 을 사용하고 , Nintendo wil controller 의 경우는 human interface device ( HID ) 프로파일을 사용한다 . 이 장치들과 연결되는 장치의 경우 , 호환성을 갖기 위해서는 두 프로파일을 모두 지원해야 한다.

블루투스 프로파일 ( SPP )

1. Serial Port Profile ( SPP )

è 블루투스를 이용해 serial communication interface 를 무선으로 대체하고 싶은 경우 SPP 프로파일을 사용하면 된다 . SPP 프로파일은 두 장치가 많은 양의 데이터를 교환하는데 초점이 맞춰져 있다. 블루투스의 가장 기본적인 프로파일 중 하나

è SPP 프로파일을 사용하면 두 장치는 RX,TX 라인이 마치 유선으로 연결된 것처럼 데이터를 주고 받을 수 있다. 두 개의 아두이노 컨트롤러를 예로들면, 블루투스가 유선으로 연결된 통신 라인을 대체하는 효과를 낸다.

블루투스 프로파일 ( HID )

1. Human interface Device

2. HID 프로파일은 블루투스를 이용한 사용자 입력장치에 사용된다.

3. 실제로는 USB 사용자 입력장치를 지원하기 위한 것이다.

블루투스 프로파일 ( A2DP )

1. Advanced Audio Distribution Profile ( A2DP )

2. 블루투스 장치 간 오디오를 전송하기 위한 프로파일

블루투스 프로파일 ( AVRCP )

1. A/V Remote Control Profile ( AVRCP )

2. 블루투스 장치를 무선으로 제어하기 위한 프로파일

Wireless Comparison

블루투스가 무선 데이터 전송 프로토콜과 다른 점은 무엇일까??

è 블루투스는 무선 네트워크가 요구되는 모든 상황에 적합한 프로토콜은 아니다. 대신 근거리 , 무선 피코넷 통신망을 만드는데 유용한 프로토콜이다. 다른 프로토콜에 비해 편리한 연결과정을 제공한다.

è Zigbee 는 홈 오토메이션처럼 네트워크를 모니터링 해야하는 상황에 좋은 답안이다. 이런 네트워크에는 수십개의 무선 노드가 존재하며 대용량의 데이터를 사용하지 않고 일시적으로 동작한다.

è BLE는 classic Blutoote의 편리함과 저전력의 장점을 결합했다.이런 특징으로 배터리 소모량이 훨씬 적은 것이 Zigbee에 비교시 최고의 장점이다. BLE는 네트워크 사이즈 측면에서 Zigbee와 경쟁할 순 없지만 1:1연결에는 최적화되어 있다.