글  │안드레아스 슈람 (Andress Schamm)
      공학석사 BMW AG
출처│차량 네트워크 통신 입문
      「MOST: 자동차 멀티미디어 네트워크」

블루투스(Bluetooth)는 모바일 기기의 무선 연결을 위한 무선 인터페이스다. 블루투스는 로컬 네트워크, 즉 ad-hoc 네트워크를 사용하기 때문에 인프라스트럭처가 필요치 않으며 단거리 영역에서 사용된다. 주파수 대역은 승인이 필요 없는 ISM(Industrial Scientific Medical band)을 사용한다.
블루투스는 1994년 노르웨이의 에릭슨(Ericsson Mobile Communications)이 “멀티-커뮤니케이터 링크(Multi-Communi-cator Link)”라는 연구를 하면서 시작됐다. 이 연구는 모바일폰을 중심으로 다양한 통신 기기를 무선으로 이동통신 네트워크에 연결하는 방법에 대한 것이었다. 연구결과 낮은 주파수 영역의 인터페이스를 통해 연결이 효과적으로 이뤄질 수 있다는 결론을 얻었고, 프로젝트 과정에서 이와 같은 무선 인터페이스가 다른 영역에서도 사용될 수 있다는 사실을 확인했다. 프로젝트는 블루투스로 재명명됐다.
1998년 5월 에릭슨, IBM, 인텔, 노키아, 도시바는 블루투스 SIG(Bluetooth Special Interest Group)를 결성하고 경제적인 솔루션을 개발한다는 목표를 수립했다. 2000년 4월 블루투스 SIG에 참여하는 기업 수가 2,000개 이상으로 증가했다. 블루투스 규격 1.0 버전이 1999년 7월에 발표됐다. 버전 2.0은 2004년 11월에, 버전 2.1은 2007년 7월 발표됐다. 2009년 4월에 정식 릴리스된 버전 3.0은 무선 인터페이스의 속도를 25 Mbps까지 증가시켰으며 UCD(Unicast Connectionless Data)라는 새로운 기능을 정의했다. UCD 기능은 배터리 수명을 약 4년까지 연장시키고 블루투스의 지연 시간을 수 밀리 초로 줄여준다.

기술

블루투스는 전 세계적으로 사용이 가능하며 2.4 GHz에서 2.484 GHz의 주파수 범위인 2.4 GHz ISM 대역을 사용한다. 이 대역은 국제 통신위원회의 공식적인 승인이 필요 없다. 이렇게 허가가 필요 없는 국제적인 주파수 대역을 사용함으로써 다른 블루투스 호환 기기들이 사용되는 국가에 상관없이 동작하고 연결한다. 무선 기술이 지역 규제를 받는 프랑스나 일본 등의 국가에서는 승인을 받아야 한다.
블루투스는 FHSS(Frequency-Hopping Spread Spectrum)라고 하는 주파수 호핑 방식(frequency hopping method)을 사용한다. FHSS는 ISM 대역 내에서 폭이 1 MHz인 채널 79개를 사용한다. 선택된 주파수는 의사 난수 생성기(pseudo random number generator)가 결정한다. 모든 기기들이 동기화되고 동일한 시작 매개변수를 사용한다면, 모두 동시에 각 주파수로 호핑한다. 따라서 각 주파수는 특정 시간 동안만 활성화된다. 임의 제어 기능을 가진 FHSS는 비규제 ISM 대역에서 주파수 할당을 위한 양호한 방법을 제공하는 동시에 높은 신뢰성을 보장한다.

네트워킹

블루투스는 ad-hoc 통신 방식을 사용한다. 이것은 블루투스를 장착한 기기들이 인접한 다른 블루투스 기기를 식별하고 연결된다는 것을 의미한다. IEEE 802 표준에서, 기기마다 중복되지 않은 MAC(Media Access Control) 주소를 할당하고 있다.
블루투스는 데이터와 음성 전송을 위한 로컬 점대점(point-to-point) 또는 점대다점(point-to-multipoint) 무선 연결을 구축할 수 있다. 데이터는 ACL(Asynchronous Connection-oriented) 채널을 통해 대부분 전송되고, 음성은 SCO(Synchronous Connection-Oriented) 채널을 통해 전송된다.
마스터 노드와 최대 활성 슬레이브 노드 7개로 구성되는 네트워크는 피코넷(piconet)이라고 한다. 피코넷은 블루투스 시스템의 기본 단위이다(그림 1). 활성 슬레이브 노드 7개뿐만 아니라, 통신에 적극적으로 참가하지는 않지만 네트워크 상에 노출되어 있는 추가적인 기기들을 연결할 수 있다. 이러한 기기는 즉시 재활성화 될 수 있는 활성대기 기기(parked device) 또는 슬립 모드(sleep mode) 기기이다. 네트워크 내 활성 기기들에는 AMA(Active Member Address)를 할당하며, 활성 대기 기기들에는 PMA(Parked Member Address)를 할당한다. 연결 대기 모드(stand-by mode) 상태를 유지하는 기기들에는 주소를 할당하지 않는다.
피코넷에 참여하는 기기들은 상호 동기화된다. FHSS에 따른 호핑 시퀀스는 마스터 노드의 클록이 결정한다. 따라서 각 피코넷은 각 마스터가 결정한 자체 호핑 시퀀스를 유지한다. 모든 기기가 동일한 1 MHz 채널을 공유하는 네트워크에 참여하기 때문에, 기기 당 데이터 처리량이 기기 수가 증가하고 데이터를 교환하는 노드 수가 증가함에 따라 감소한다.
더 큰 네트워크를 형성하기 위해 복수의 피코넷이 확산 네트워크(scatter network)에 참여할 수 있다(그림 2). 블루투스 기기들은 TDM(Time Division Multiplexing)으로 다른 피코넷에 참여할 수 있다. 하지만 네트워크 하나에서만 활성화될 수 있다. 이전 피코넷에서 로그아웃해야만 공유하고자 하는 네트워크와 동기화될 수 있다. 마스터 노드는 또한 다른 피코넷에 참여할 수 있지만, 다른 네트워크에서는 마스터 기능을 할 수 없다. 따라서 개별 피코넷 사이의 확산 네트워크 내 통신은 블루투스 기기가 특정 네트워크에서 다른 네트워크로 점프함으로써 이루어질 수 있다.

블루투스 프로토콜 스택

현재 블루투스 규격은 블루투스를 기존 또는 신규 애플리케이션에 쉽게 도입할 수 있는 프로토콜과 기능은 물론, 기본적으로 물리 계층부터 데이터 링크 계층에 이르는 프로토콜, 필요한 적합성 테스트, 프로파일 명세 등으로 구성된다. 새로운 프로파일에 명세된 자동차 분야는 새로운 애플리케이션 영역이다.
블루투스 프로토콜은 4개 계층으로 등급이 나누어져 있으며(표 1) 세부사항은 다음과 같다. 핵심 명세는 아래와 같은 기본 계층 또는 프로토콜을 정의하고 있다:

물리 무선 계층(physical radio layer)은 신호의 무선 전송과 변조, 사용된 주파수, 전송 출력 등을 처리한다. 따라서 이것은 OSI 또는 IEEE 802 모델의 물리 계층과 기본적으로 일치한다.
기저대역(baseband)은 정의된 프레임 구조와 정의된 시간 창(time window) 내에서 데이터 전송과 더불어 연결(SCO와 ACL)을 구축하는데 필요한 메커니즘을 처리한다. 기저대역 계층은 IEEE 802 표준의 MAC 부분 계층과 기본적으로 일치한다.
LMP(Link Manager Protocol)와 L2CAP(Logical Link Control and Adaptation Protocol)는 링크 관리와 제어를 담당한다. 링크 관리 프로토콜은 블루투스 기기 둘 사이에 일어나는 링크 구조와 관리를 제어한다. 또한 블루투스 무선부의 전력 모드 안전성, 인증, 구성도를 담당한다. LMP 메시지는 수신기의 링크 관리자가 평가한다. 이 메시지는 확인되거나 사용자 데이터보다 높은 우선순위를 가질 필요가 없다. 따라서 링크 관리자는 L2CAP 트래픽에 의해 분배될 필요가 없다.
블루투스 시스템의 기본 요소 중 하나는 SDP(Service Discovery Protocol)이다. 이 프로토콜은 도달 범위 내에 존재하는 기기 정보와 기기 서비스, 성능 특성에 대한 정보를 요청한다. 확인된 서비스를 선택함으로써 일치하는 블루투스 기기와 링크가 설정된다.
L2CAP는 데이터 링크 계층의 프로토콜이며 기저대역과 상위 계층 사이를 연결하는 요소다. 멀티플렉싱, QoS(Quality of Service), 패킷 관리(분할과 재구성) 등을 담당하며 최대 64 kbyte까지 데이터 패킷을 교환한다. 또한 ACL과 SCO 전송의 세부사항을 포함하고 있다. 이밖에 제어 및 오디오 프로토콜도 정의한다. 오디오 데이터가 SCO 연결 방식으로 기저대역을 통해 직접 전달될지라도 L2CAP로 통신 프로토콜 내에서 패킷화되어 전송될 수도 있다.
블루투스는 호스트 컨트롤러 인터페이스(Host Controller Interface, HCI)를 제공한다. HCI는 기저대역 컨트롤러와 링크 매니저에 대한 명령 인터페이스이며 하드웨어 상태와 제어 레지스터에 액세스 한다. L2CAP의 상위 또는 하위에 있을 수 있다.
프로파일 명세 내에 정의된 다른 계층은 미들웨어 계층 아래에서 결합되며 다양한 프로토콜로 구성된다. PPP(Point-to-Point Protocol), TCP/IP, OBEX 등과 같은 적응 프로토콜(adapted protocol) 뿐만 아니라 시리얼 인터페이스를 위한 케이블 대체 프로토콜인 RFCOMM(Radio Frequency Communication), 전화 프로토콜 TCS(Telephony Control Specification) 바이너리 또는 TCS BIN, AT 명령 등을 상위 수준의 일부로 제시한다.

AEM_Automotive Electronics Magazine