한국전자통신연구원(ETRI)는 지난 99년부터 블루투스와 관련한 기술, 산업 응용방향 등을 분석하고 예견하는 연구 성과물들을 본격적으로 내놓기 시작했다. ETRI 정보통신기술연구소 정보조사분석팀이 지난 23일 발표한 '블루투스의 코어규격'이라는 보고서의 내용을 상세히 소개한다.
블루투스의 코어 규격
블루투스 규격의 구성을 보면, 크게 코어 규격과 프로파일 규격으로 구분된다. 코어 규격은 블루투스 기술이 어떻게 작동하는지를 보여주기 위한 부분으로 물리적 부분과 그에 필요한 펌웨어(Firmware) 등 하드웨어적인 설계사양에 대해 기술하고 있으며, 프로파일 규격은 기기 상호간의 호환성을 위해 마련된 것으로 소프트웨어적인 상호운용 가이드라인을 기술한 부분이다. 이번 호에서는 버전1.0B를 기준으로 블루투스 코어 규격에 대해 간략히 살펴본다.
1. 주파수 대역
주파수 대역은 ISM(Industrial Scientific Medical) 대역(2,400~2,483.5MHz) 전역을 이용하는 것으로 되어 있으나, 실제에 있어서는 적용 국가의 ISM 대역 이용 상황과 상하 주파수 대역의 이용상태 등을 고려하여 블루투스 무선통신을 적용하지 않는 가드밴드를 설정해 두고 있다. 주요 국별 블루투스용 주파수 대역 설정 현황을 보면 일본에서는 ISM 대역의 상하 2MHz를 제외한 2,402~2,481.5MHz, 미국과 유럽에서는 하측 2MHz와 상측 3.5MHz를 제외한 2,402~ 2,480MHz, 스페인에서는 하측 4MHz와 상측 26MHz를 제외한 2,404~2,457.5MHz, 프랑스는 상하 각 7.5MHz를 제외한 2,407.5~2,476MHz로 되어 있다.
2. 변조방식
정보 변조방식은 BT=0.5인 GFSK(Gaussian Frequency Shift Keying)가 적용되고 있다. 정보 변조속도는 약 1Mbps이고, 변조지수는 0.28~0.35이다.
스펙트럼 확산에는 초당 1,600회 속도의 주파수 호핑(hopping) 방식을 채택하여 정보 변조신호(1MHz)를 79 채널(1MHz/채널) 호핑하여 79MHz 대역으로 확산 변조한다. 다만, 블루투스 버전 1.0B가 규정될 당시에는 일본 등과 같이 ISM 대역에서 79MHz 폭을 이용할 수 없는 국가도 있었다. 따라서 규격에는 23MHz 폭의 모드도 준비되어 있다.
정보 변조로부터 주파수 호핑까지의 처리과정을 (그림 1)에 나타내었다. (그림 1)에서 알 수 있는 바와 같이 블루투스에서는 1 패킷/호핑으로 스펙트럼 확산하기 때문에 기본적으로 1타임 슬롯은 1,600분의 1초(625㎲)가 된다. 패킷이란 디지털 정보통신에서 정보를 실어 송신하는 단위로 블루투스에는 11종류의 패킷 유형이 있다(표 1 참조).
<그림1> 블루투스의 주파수 호핑
정확히 매초 1,600번의 주파수 호핑을 실현하기 위해서는 정확한 클럭이 필요한데, 블루투스에서는 (그림 2)에 나타낸 바와 같은 28비트의 시퀀서에 3.2kHz의 클럭을 입력하여 312.5㎲의 블루투스 클럭을 발생시키고 이의 2배의 비트를 출력함으로써 625㎲를 얻는다.
<그림2> 블루투스의 클럭
3. 송신전력과 수신감도
송신전력으로는 3종류의 클래스가 설정되어 있는데, 클래스 1이 100㎽, 클래스 2가 2.5㎽, 클래스 3이 1㎽이다. 클래스 3은 모든 블루투스 기기가 갖추어져 있지 않으면 안된다. 클래스 1과 2는 옵션으로 전파법의 규정이 엄격한 국가에서는 적용할 수 없다. 더욱이 클래스 1과 2는 전력제어도 옵션으로 설정할 수 있는데, 클래스 1에서는 1~100㎽, 클래스 2에서는0.25~ 2.5㎽의 범위에서 가변된다. 다만 이 경우 전력 스텝 폭은 8~2dB로 가변해야 한다.
한편, 수신 감도는 -70dBm의 전력으로 수신한 경우 에러율이 10-3이상이어서는 안된다.
4. 채널 정의
채널은 79 또는 23개의 RF 채널을 통하여 호핑하는 의사 랜덤(pseudo-random) 호핑 시퀀스로 표현된다. 이 호핑 시퀀스는 피코넷마다 고유하며, 마스터의 블루투스 기기 어드레스에 의해 결정된다.
채널은 타임 슬롯으로 나뉘어 지는데, 각 슬롯의 길이는 625㎲이다. 각 타임 슬롯에는 피코넷 마스터의 클럭에 따라 번호가 부여된다.
타임 슬롯 내에서 마스터와 슬레이브는 패킷을 송신할 수 있다. 마스터와 슬레이브는 시간적으로 교대로 송수신을 반복하는데, 이 교대 송신에 TDD(Time Division Duplex) 방식이 채택되고 있다. TDD는 일반적으로 셀(cell)이 좁은 경우에는 전파시간이 짧기 때문에 효과적이지만 거리가 멀면 효율이 떨어진다. 참고로 TDD 방식으로 송수신을 교대하는 모형을 (그림 3)에 나타내었다. 그림을 통해 마스터와 슬레이브가 교대로 송수신을 하고 주파수 호핑을 한다는 것을 알 수 있다.
<그림3> 주파수 호핑/TDD
5. 접속 방식
접속방식은 동기 접속(SCO: Synchronous Connection Oriented)과 비동기 접속(ACL: Asyn-chronous Connectionless)으로 대별된다. 여기서 말하는 동기, 비동기란 송수신(TDD 접속)간의 패킷 동기 유무를 의미한다.
동기 접속과 비동기 접속의 패킷통신이 혼재하는 예를 (그림 4)에 나타내었다. 그림에서와 같이 동기 접속에서는 마스터에서 1슬롯분의 패킷이 송신되면 슬레이브에서도 1슬롯분의 패킷이 회신된다. 한편, 비동기 접속에서는 동기 접속과 같이 1슬롯씩의 교신이 되면 3슬롯분의 패킷에 대해 1슬롯분의 패킷이 회신되거나, 반대로 1슬롯분의 패킷에 대해 3슬롯분의 패킷이 회신되는 경우도 있다. 또한, 1대의 슬레이브에 대해 마스터측이 동기 접속을 지정하거나 비동기 접속을 지정할 수도 있다. 이 경우 패킷의 길이는 상하 모두 1, 3, 5 슬롯을 선택할 수 있다.
<그림4> 동기 접속과 비동기 접속의 패킷통신 예
동기 접속은 음성이나 동화상 전송과 같이 실시간성이 높은(time lag가 없는) 정보 전송에 이용되고, 비동기 접속은 WWW 데이터 열람(또는 다운로드) 등과 같이 한쪽의 통신용량 (비대칭성)이 높은 접속에 적용된다.
한편, 블루투스에서는 <표 1>에 나타낸 바와 같이 동기 접속에 4종류, 비동기 접속에 7종류의 패킷 유형이 규격화 되어 있다.
<표1> 블루투스의 패킷 유형1
6. 에러정정
에러정정부호(FEC)는, 부호화율 1/3에서는 동일한 정보를 3회 반복하는 단순 반복 코드가 적용되고, 부호화율 2/3에서는(15, 10) 쇼트 하밍(shortened Hamming) 부호가 적용된다. 또한, 패킷 통신에 많이 이용되고 있는 ARQ(Automatic Repeat Request)가 채택되어, (그림 5)에 나타낸 바와 같이 패킷이 훼손되면 수신측에서 재송신 요구를 송출하고 이에 따라 동일한 패킷이 재송신된다(AUX 패킷에는 ARQ 없음).
<그림5> 패킷의 재송신 요구
7. 패킷 데이터의 구조
블루투스 패킷은 <표 2>에 나타낸 바와 같이 액세스 코드, 헤더, 페이로드 부분으로 구성된다.
액세스 코드 부분은 주로 주로 동기의 확립, 오프셋 보정, 피코넷의 지정에 이용되고, 프리앰블 4비트, 동기 워드 64비트, 트레일러 4비트 등 모두 72비트로 구성된다. 이 액세스 코드 부분은 용도에 따라 ① CAC(Channel Access Code), ② DAC(Device Access Code), ③ IAC(Inquiry Access Code)의 3종류가 규격화 되어 있다.
<표2> 블루투스의 데이터 구조
CAC는 마스터의 블루투스 어드레스로부터 피코넷별로 생성된다. DAC는 각 단말이 자체 블루투스 어드레스를 토대로 각 단말별로 생성한다. IAC는 블루투스로 접속하는 모든 단말에 공유되는 것으로 범용(GIAC) 1종류와 특정(DIAC) 63종류가 있다. GIAC는 블루투스 공통으로, DIAC는 대표가 되는 블루투스 그룹별로 생성된다. 결국 CAC는 피코넷(마스터)별로, DAC는 슬레이브별로, IAC는 그룹별로 생성되며, 각각의 식별(지정)을 가능하게 한다.
보통 피코넷 내의 무선접속에는 CAC가 이용되며, Page(호출)와 이에 대한 회신에는 DAC가 적용된다. 또한, Inquiry(질의)에는 IAC가 사용되는데, GIAC를 사용하면 주위에 있는 임의의 블루투스 기기를 발견할 수 있고, DIAC를 사용하면 특정 기기(그룹)를 발견할 수 있다. 참고로, 호출시와 질의시에는 액세스 코드 부분만(헤더와 페이로드 부분은 부가되지 않고) 송출된다.
동기 워드는 주파수 호핑 패턴의 결정과 마찬가지로 기기 고유의 블루투스 어드레스(IEEE 802 규준 48 비트) 가운데 LAP 24 비트로부터 생성되는 자기상관이 강한 부호를 적용하기 때문에 마스터 기기를 인식(피코넷 지정)하는 것과 동시에 동기도 확보할 수 있다.
또한, 헤더 부분은 Active Member Address 3비트, Type Code 4비트, Flow Control 1비트, ARQN 1비트, Sequence Number 1비트, Check Sum 8비트의 순으로 구성되며(18비트), 여기에 부호화율 1/3의 에러정정을 적용하면 54비트가 된다.
Active Member Address에는 3비트(0~7)가 할당되어 패킷의 행선지(피코넷 내의 슬레이브 번호)를 나타낸다. 이것으로 피코넷 내에 7대까지의 슬레이브(액티브 상태)를 구분한다(0은 동보 모드). Type Code 4비트는 <표 3>에 나타낸 바와 같이 전술한 11종류의 패킷 유형을 구분하기 위해 이용된다.
<표3> 패킷의 Type Code
Flow Control 1비트는 reversing 송신의 거부(1/0)를 나타내며, 이에 의해 비동기 접속시 등에 송수신간에 패킷의 충돌이 일어나지 않도록 함으로써 쓸모없는 패킷 송출을 예방할 수 있다.
이 외에 ARQN 1비트는 전술한 ARQ시의 송신완료 패킷의 수신확인(1 : 정상수신, 0 : 수신 이상)에 이용되며, Sequence Number 1비트는 패킷이 새로운 것인지 아니면 재송신된 것인지를 구별하는데 적용된다. Check Sum은 메모리 등에 이용되는 Check Sum과 같은 것으로 헤더 부분의 간단한 에러 검출에 이용된다.
<그림6> 데이트 백색화하기
한편, 페이로드 부분은 데이터를 저장하는 장소로 패킷 유형에 따라 비트 수가 변한다. 헤더 부분과 페이로드 부분은 shift 레지스터를 이용한 데이터 백색화기(그림 6 참조)에 의해 패킷의 DC 바이어스 성분을 낮춘(스크램블) 후에 에러정정을 거쳐 송신한다(수신 측에서는 역순으로 처리).
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