Bluetooth (2)

블루투스 개요와 기초(1)

BT Lab 이한욱 (equinox@btlab.co.kr)

  한 번쯤 데스크탑 PC의 뒷면을 본 적이 있을 것이다. 모니터와 마우스, 키보드 케이블은 기본이 고 여기에 별도의 USB 등의 주변 장치 등을 추가해서 연결하면 그야말로 분간하기 힘든 케이블들로 복잡해지게 된다. 또 디지털 카메라로 찍은 사진을 PC로 전송할때나 음악 파일을 MP3 플레이어로 다운 받을때 PC 뒷면으로 어렵사리 얼굴 을 돌려 케이블을 꽂아본 번거로운 경험이 있을 것이다. 한 번쯤 이런 케이블이 모두 없어진다면 얼마나 편할까하는 생각 이 든 적이 있을까? 이와같은 `케이블 없는 세상'에 대한 꿈은 이제 거의 현실로 다가왔다. 그리고 바로 `블루투스 (Bluetooth)'가 그 꿈의 현실화를 앞당기고 있다.

[Fig1] 선없는 세상을 만들겠다는 블루투스의 컨셉을 나타내는 에릭슨 홈페이지의 그림

정보통신 관련 일간지를 보면 블루투스 관련 기사가 거의 매일 같이 실리는 것을 볼 수 있다. 그만큼 블루투스는 이제 우리에게 친숙한 것이 되어가고 있다. 하지만 막상 블루투스에 대해서 정확히 알고 있는 사람들은 아직까지 많지 않은 것 같다. 특히 무선 랜(WiFi)과 블루투스 기술을 혼동하는 경우과 많이 있으며, 심지어 정보통신 일간지에서도 두 기술을 혼동한 내용의 기사가 실리기도 한다. 본고에서는 2부에 걸쳐 본고에서는 `블루투스란 무엇인 가'에 대한 전반적인 내용과 이를 이용한 어플리케이션에 대해 살펴 보기로 하겠다.

블루투스의 탄생
  블루투스(Bluetooth)라는 결코 무선 통신 기술과는 어울릴 법 하지 않은 이름이 탄생하게 된 배경에는 북 유럽에 기반 을 둔 에릭슨(Ericsson)이 있다. 이 `블루투스(Bluetooth)'라는 명칭은 940년부터 981년 사이에 바이킹이자 덴마크의 왕이었 던 Harald Bluetooth의 이름에서 따온 것이며, 당시 그는 노르웨이, 덴마크 등의 북유럽을 통일했다고 한다. 결국 블루투 스라는 명칭에는 `PC와 휴대전화 및 그 외의 디지털 기기 등을 하나의 무선 통신 기술로 통일한다'는 상징적 의미가 담겨 있 다.

[Fig2] 블루투스의 어원이 된 바이킹왕 Harald Bluetooth

  블루투스의 컨셉이 처음으로 탄생한 것은 1994년 에릭슨에서였다. 당시 에릭슨에서는 핸드폰과 그 주변 장 치간의 연결을 무선으로 연결하기 위한 저가(Low-Cost), 저전력(Low-Power) 무선 솔루션을 고안하여 기존의 케이블을 대처할 목적이었다. 그런데 막상 그러한 무선 솔루션을 개발하고 나니, 핸드폰과 그 주변 장치 뿐만 아니라 다양한 디 지털 기기 사이의 응용 가능성이 예상되었다.
  결국 블루투스는 1998년에 Bluetooth SIG(Special Interest Group)를 조직하며 본격적으로 세상으로 나오 게 되었다. 이 SIG에는 에릭슨(Ericsson)을 비롯하여 IBM, 인텔(Intel), 노키아(Nokia), 도시바(Toshiba)등의 그룹이 창 립 멤버로 출발했다. 그리고 1999년 SIG에서는 처음으로 블루투스 스펙을 발표하였다. 블루투스는 한마디로 `저가-단거 리 무선 솔루션(Low-Cost Short-Range Wireless Solution)'으로 그 스펙은 누구에게나 로얄티 없이 공개하는 것을 원칙 으로 한다. 블루투스 공식 사이트(Bluetooth Official Website : www.btlab.co.kr)에 들어가면 블루투스 스펙을 무료로 다운 받을 수 있 다.
  현재는 3Com, Agere Systems, Ericsson, IBM, Intel, Microsoft, Motorola, Nokia,Toshiba의 9개의 기업 이 프로모터(Promoter)를 이루고 있으며, 그 아래의 레벨에 해당하는 어소시에이트(Associate)와 어답터(Adoptor)의 멤 버수는 전세계적으로 수천개에 달한다. (국내 기업으로는 삼성전자가 프로모터에 진입하려 했으나, 경쟁사들과의 민감 한 이해관계가 얽혀 실패하였다고 함) 또 SIG 산하에 다수의 워킹그룹(Working Group)이 조직되어 블루투스 기술에 대 한 연구 개발을 공동으로 진행하고 있으며, 다양한 분야로의 블루투스 응용에 대한 시도가 이루어지고 있다. 또 실제 로 IEEE의 WPAN 워킹 그룹인 IEEE802.15.1의 표준으로 책정되어 WPAN을 비롯한 단거리 무선 인터페이스의 표준으로 자 리잡아가고 있다.

블루투스 응용 시나리오
  블루투스 어플리케이션의 핵심은 `디지털 기기의 인터페이스를 무선화 한다'는 것으로, 이를 바탕으로 다 양한 어플리케이션 시나리오가 가능하며, 우리의 일상 생활에 대한 대대적인 변화를 기대하게 하고 있다. 블루투스를 이용한 어플리케이션 시나리오의 형태를 크게 나누면 다음과 같이 몇가지로 정리할 수 있다.
1. 휴대폰 어플리케이션
  휴대폰 어플리케이션은 블루투스의 가장 기본적인 어플리케이션인 동시에 다른 무선 솔루션과는 차별되는 블루투스만의 특성을 잘 살릴 어플리케이션의 형태이다. 블루투스와 무선 랜(WiFi)과 달리 데이터 채널과 음성 채널을 모두 가지고 있다. 블루투스는 이 음성채널을 이용하여 휴대폰이나 무선 전화기와 관련된 어플리케이션이 가능한 것이 다. 휴대폰과 관련되어 현재 나와있는 블루투스 어플리케이션은 `Three in One Phone', 무선 헤드셋, 무선 핸즈프리 등 이다.
  `Three in One Phone'이란 하나의 휴대폰에 블루투스를 내장시켜 3가지 용도의 전화기로 사용할 수 있는 것을 말한다. 실외에서 휴대폰으로 사용하던 전화기를 가정 내에서는 무선 전화기로 사용할 수 있고, 사무실에서는 인 터컴(Intercom)으로 사용할 수 있는 것을 말한다.
  무선 헤드셋은 블루투스가 내장된 헤드셋을 귀에 부착시켜 휴대폰이 주머니나 가방 안에 있는 상태에서도 전화 통화가 가능한 어플리케이션을 의미한다. 현재 블루투스 무선 헤드셋은 다수의 제품이 출시되어 있다. 또 핸즈프 리의 경우 기존의 핸즈프리 제품과 달리 휴대폰을 핸즈프리에 장착할 필요없이, 운전자가 차에 타기만 하면 블루투스 를 통해 무선으로 차량 내부의 핸즈프리와 연결이 된다. 이 핸즈프리 제품도 이미 여러 회사에서 출시되고 있다.
  이외에도 휴대폰에 블루투스가 내장되면 휴대폰을 ID 카드화 하는 것이 가능하다. 이를 이용하여 휴대폰으 로 전자 결제, 전자 패스, 전자 열쇠 등의 어플리케이션이 가능하다. 이미 GSM폰의 경우 블루투스가 내장된 제품이 다 수 출시되어 있는 상태이며, 국내 CDMA폰의 경우 올해 연말 혹은 내년 초에 블루투스가 내장된 휴대폰의 출시될 예정이 어서, 블루투스 활성화에 대한 기대감을 크게하고 있다.

[Fig3] 다양한 형태의 블루투스 헤드셋 제품 (왼쪽부터 Motorola, Nokia, Sony Ericsson)

2. 네트워크 억세스(Access)
  블루투스를 이용한 또 다른 대표적인 어플리케이션은 기존의 네트워크망에 대한 억세스이다. 이 네트워크 망은 랜 외에도 PSTN, ISDN, ADSL 등과 사내 인프라 망, GPS 등 다양한 네트워크에 대한 억세스가 가능하다. 일반적으 로 이러한 어플리케이션은 억세스 포인트(Access Point)를 통해서 이루어진다.
  규모가 큰 회사의 경우 회사의 복도 등의 곳곳에 억세스 포인트를 설치하면 사원이 이동 중에도 휴대용 단 말기로 쉽게 사내의 인트라넷(Intranet)에 접속하여 업무를 수행할 수 있다. 또 호텔 내부에 억세스 포인트를 설치하 면 투숙객에게 무선 랜 서비스를 제공해줄 수 있을 뿐만 아니라, 투숙객 자신의 노트북, PDA, 핸드폰 등으로 체크인, 체크 아웃은 물론 룸서비스 등도 손쉽게 할 수 있다. 이외에도 백화점이나 음식점 등에 억세스 포인트를 설치하면 상 품 정보, 가격 정보, 특별 메뉴 등에 대한 정보를 자신의 휴대용 디지털 기기에 자동으로 다운받을 수 있다. 게다가 휴 대용 디지털 기기를 이용하여 장소에 제한없이 무선으로 결제를 하는 것도 가능하다. 또 공항, 버스터미널, 기차역, 도 서관 등의 공공장소에서의 정보 제공 및 결제 서비스도 생각할 수 있다.

[Fig4] 억세스 포인트 제품 (왼쪽부터 PicoBlue, RedM)

3. PAN(Personal Area Network)
  최근 디지털 컨버젼스(Digital Convergence)의 개념이 부각되면서 디지털 기기들은 단순히 독립적인 기능 외에도 다른 디지털 기기와의 인터페이스를 통해 상호 데이터가 교환되고 통합되는 것이 중요해지고 있다. 휴대폰, PDA, MP3 플레이어, 디지털 카메라, 노트북 등의 휴대용 기기 외에도 데스크탑, 디지털 TV, DVD 플레이어, 디지털 오디 오 등 다양한 디지털 기기 사이의 네트워크를 블루투스를 이용하여 구축할 수 있다. 블루투스는 피코넷(Piconet) 혹은 스캐터넷(Scatternet)이라는 임시 네트워크(Ad-hoc Networks)를 지원하며, 제한된 공간 내에서 다수의 네트워크가 존재 하여도 서로 간섭에 영향을 받지 않으므로, 블루투스는 PAN 환경하에서 적절한 무선 솔루션이라고 평가받고 있다.
  PAN에 관련되서 블루투스를 이용한 대표적 어플리케이션은 데이터의 동기화이다. PDA, 핸드폰, 노트북 등 의 디지털 기기 등이 데스크탑 PC 등과 동기화되면, 사무실에 들어가거나 동기화된 데스크탑 PC 근처를 지날 때 자동으 로 이메일, 스케쥴, 연락처 등이 자동으로 휴대용 디지털 기기로 다운이 된다. 또 반대로 핸드폰이나 노트북 등으로 미 리 작성해 둔 이메일, 일정, 서류 등이 데스크탑 PC로 자동으로 전송될 수도 있다.
  이외에도 PC와 키보드, 마우스 등의 연결을 블루투스를 이용화하여 무선화하는 것도 가능하다. 특히 디지 털 카메라로 찍은 사진 파일이나 캠코더로 찍은 동영상 파일 등을 케이블을 연결하지 않고 바로 PC로 전송하거나 이메 일로 보내는 것이 가능하다.

[Fig5] 블루투스가 내장된 휴대용 디지털 제품 (왼쪽부터 Sony Ericsson의 휴대폰, Compaq의 PDA, Sony의 디지털 카메라)

  이외에도 최근에는 자동차나 산업 분야, 의료분야, 장난감 등에도 블루투스 응용이 적극적으로 시도되고 있다. 이렇게 블루투스는 다양한 분야로의 어플리케이션이 가능한 것이 가장 큰 장점이라고 할 수 있다.
  서두에도 언급했듯이 흔히 무선 랜(IEEE 802.11b)과 블루투스 기술에 대해 혼동하는 경우들이 종종 있다. 결론부터 말하면 두 기술은 결코 비슷한 성질의 것이 아니며 응용 분야 자체도 다르다. 무선 랜은 이름 그대로 기존의 유선 랜을 무선화하기 위해 고안된 기술이다. 반면 블루투스는 시리얼 케이블을 비롯한 기존의 신호선들을 무선화하기 위한 기술이다. 물론 블루투스를 이용하여 무선 랜 어플리케이션도 가능하여, 그 응용 분야가 겹치는 부분도 있기는 하 다. 하지만 이것은 블루투스의 다양한 어플리케이션 중의 하나인 것이며 블루투스가 오직 무선 랜을 위한 어플리케이션 인 것처럼 인식하고, 이 부분에 대해 무선 랜과 성능 평가를 하여 블루투스가 무선 랜보다 떨어지는 기술이라고 평가하 는 것은 블루투스에 대한 올바른 이해가 부족하기 때문에 비롯된 것들이다.
  상당 기간 동안 두 기술은 공존할 것이라는 것이 전문가들의 공통된 예상이다. 즉 랜 혹은 이더넷에 관련 해서는 무선 랜이 사용되며, 그 이외의 케이블 무선화 혹은 PAN에 관련되어서는 블루투스가 이용되는 것이다. 다만 두 기술이 모두 동일한 2.4GHz ISM 밴드를 사용하므로 공존 시 발생하는 간섭 문제가 하나의 이슈로 나타나고 있다. 이 문 제에 대해서는 IEEE의 WPAN 워킹 그룹을 중심으로 표준을 제정하려는 노력이 진행 중에 있다.

블루투스 개요와 기초(2)

BT Lab 이한욱 (equinox@btlab.co.kr)

  본고에서는 SIG에서 2001년 2월에 발표한 1.1 스펙의 내용을 중심으로 하여 블루투스의 사양 대해 살펴보 도록 하겠다.

블루투스의 특징
  블루투스의 사양은 결코 `벤츠급'은 아니다. 1부에서도 언급했듯이 블루투스는 그 탄생 자체가 `케이블의 무선화'에서 비롯된 것이므로 결코 `Low Cost', `Low Power', `Small Size'라는 조건을 만족시키도록 고안된 것이다. 그러다보니 다른 무선 기술에 비해 사양이 조금 떨어지는 부분이 있는 것은 사실이다. 흔히 무선 랜(WiFi)과 비교했을 때 전송 속도 혹은 네트워크 규모면에서 차이가 많이 나는 것을 보고, 블루투스가 무선 랜보다 뒤떨어지는 기술이 아니 냐는 판단이 들수도 있다.
  하지만 1부에도 언급했듯이 블루투스와 무선 랜은 결코 경쟁 관계에 놓인 기술이 아닌 공존 및 상호 보완 기술이다. 랜 혹은 이더넷(Ethernet) 어플리케이션에 관련되어서는 무선 랜이 블루투스보다 성능이 우수한 것은 사실이 다. 그러나 모바일, PAN, 홈오토메이션, 텔레메틱스 등과 관련되어서는 블루투스가 무선 랜보다 우수한 특성을 지니고 있다.
  블루투스의 기술적 장점은 몇가지로 요약할 수 있다. 첫째로 호핑속도가 빠른 FHSS(Frequency Hopping Spread Spectrum)을 사용하여 간섭에 강하다는 점이다. 무선 랜과 같은 DSSS(Direct Sequence 방식은 제한된 공간 내 에 공존할 수 있는 채널 수가 몇개 되지 못하며, 비슷한 대역의 여러 디바이스가 공존했을 경우 수율(Throughput)이 떨 어지는 단점이 있다. 반면 블루투스는 1600Hz의 빠른 호핑 속도의 FHSS 방식을 사용하여 제한된 공간 내에서 다수의 네 트워크가 공존할 수 있어서, PAN 혹은 모바일 어플리케이션이 가능하다.
  둘째로 블루투스는 소형, 저전력 솔루션이므로 휴대용 모바일 기기에 탑재가 가능하다는 것이다. 무선 랜 의 경우 전력 소모량이 크고, 그 부피도 큰 편이므로 배터리 전원의 소형 모바일 기기에 내장시키기에는 적합하지 못하 다. 반면 블루투스는 휴대폰, PDA, 디지털 카메라 등의 휴대용 디지털 기기에 이미 탑재되어 제품으로 출시되고 있다.
  블루투스의 또다른 장점은 다양성과 탄력성이다. 블루투스는 소형, 저전력, 저가 솔루션의 조건을 만족시 켜 매우 다양한 분야에 탄력적으로 적용될 수 있다. 또 데이터 채널과 음성 채널을 동시에 지원하는 것도 블루투스 어 플리케이션을 더욱 다양하게 만드는 요소 중의 하나이다. 현재 블루투스 적용 분야는 컴퓨터 데스크탑, PAN, 홈오토메 이션, 텔레메틱스, 산업 자동화, 장난감, 의료기기 등 지속적으로 확대되고 있는 추세이다.

블루투스의 사양
(1) RF 특성
  블루투스는 2.4GHz의 ISM(Industrial Scientific Medical) 밴드를 사용한다. ISM 밴드의 특징은 별도의 라 이센스를 받을 필요가 없다는 장점이 있다. 대부분의 나라에서 이 ISM 밴드는 2400 ~2483.5MHz에 해당한다. 그러나 다 른 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. 이 RF 채널은 국가마 다 조금 차이가 나기도 한다. 하지만 대부분의 국가에서 79개의 RF 채널을 모두 사용할 수 있도록 전파법이 개정되어가 는 추세이다.

[Fig1] 블루투스의 주파수 밴드

  블루투스는 송신 전력에 따라 <그림2>와 같이 3개의 Class로 분류된다. 보통 Class1의 경우 100m까 지 전송이 가능하며, Class2는 20~30m, Class3는 10m 정도이다. 실제로 상용화된 블루투스 모듈도 이 클래스별로 제품 화되고 있다. Class1 모듈의 경우 전송 거리는 길다는 장점이 있지만 별도의 파워 앰프가 존재하여 전력 소모량이 많으 므로 배터리 전원의 휴대용 기기에 장착하였을 경우 문제가 발생할 수도 있다. 또 어플리케이션에 따라서는 전송 거리 가 너무 멀면 문제가 발생할 수 있는 경우도 있다. 따라서 전력 소모량과 전송 거리 모두를 각 어플리케이션에 맞게 고 려하여 파워 클래스를 선택하는 것이 중요하다.
  수신부의 수신 감도는 BER(Bit Error Rate) 0.1%가 되는 지점이 -70dB까지 되도록 허용하고 있다. 또 모듈 레이션 방식은 GFSK(Gaussian Frequency Shift Keying)을 사용하고 있다.

[Fig2] 블루투스의 파워 클래스

(2) 블루투스 링크와 네트워크
  블루투스는 일단 마스터(Master)-슬레이브(Slave) 방식으로 링크를 설정한다. 그리고 한 대의 마스터는 7 대까지의 슬레이브를 연결하여 네트워크를 구성할 수 있다. 이를 피코넷(Piconet)이라 한다. 또 이러한 피코넷이 여러 개 모이게 되면 계층적이고 규모가 큰 네트워크를 구성할 수 있는데 이를 스캐터넷(Scatternet)이라고 한다.

 
[Fig3] 피코넷과 스캐터넷:(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 클 럭에 동기화하게 된다. 이렇게 하면 마스터 유닛이 결정하는 호핑 시퀀스(Hopping Sequence)에 따라가며 통신을 수행 할 수 있다. 이 호핑 시퀀스는 마스터 유닛과 슬레이브 유닛 사이에서 하나의 약속이다. 만약 슬레이브 유닛이 마스터 유닛에 동기화 하지 못하여 그 호핑 시퀀스를 따라가지 못하면 두 유닛의 채널은 어긋나 있게 되어 정상적인 통신을 할 수 없다. 이러한 주파수 호핑 방식으로 피코넷에 참여하지 않은 유닛들이나 무선 랜(IEEE802.11b)과 같이 동일한 주 파수대역을 사용하는 디바이스 사이의 간섭을 피할 수 있다.(실제로는 WLAN과 블루투스 사이의 간섭은 어느정도 일어나 고 있어 이를 극복하는 방안이 여러 가지로 논의되고 있다.) 이 외에도 마스터 유닛은 피코넷 내부의 슬레이브 유닛들 의 연결 상태(Connection State)를 Active, Sniff, Hold, Park의 네 가지로 관리를 한다. 항상 마스터와 슬레이브 사이 의 통신만이 가능하며 슬레이브 사이에 직접적인 연결은 불가능하다.

[그림4] 시분할 이중방식(TDD:Time Division Duplex)와 타임 슬롯(Time Slot)

  주파수 호핑 방식과 더불어 블루투스의 중요한 통신 방식은 TDD(Time Division Duplex)이다. 1MHz의 대역 폭을 지닌 각각의 채널들은 625μs의 타임 슬롯(Time Slot)으로 할당되어 있다. 각 타임 슬롯을 통해 패킷이 전송이 되 는데, 길이가 긴 패킷의 경우 5개까지의 슬롯으로 나누어져 전송되기도 한다. 또 피코넷과 같은 네트워크가 구성되면 마스터와 다수의 슬레이브들 사이에는 라운드 로빈(Round Robin) 방식으로 패킷이 교환된다.
  블루투스의 링크는 SCO(Synchronous Connection-Oriented) Link와 ACL(Asynchronous Connection-Less) Link의 두가지가 존재한다. SCO 링크는 625μs의 일정한 시간 간격으로 예약된 타임 슬롯(Slot)을 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 신뢰 성은 크게 요구되지 않는 데이터 전송에 적합하며, 대부분 음성 채널로 사용된다.
  반면 ACL 링크는 예약된 타임 슬롯이 존재하지 않는다. 또 포인트-멀티포인트(Point-Mult-Point)의 연결 이 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.

[Fig5] SCO Link와 ACL Link가 동시에 존재하는 링크 (발췌:Comprehensive Description of the Bluetooth System, Ericsson, 1998)

  블루투스에 사용되는 패킷도 링크의 종류에 따라 다르다. 보통 FEC 방식과 CRC의 유무에 따라 다양한 패 킷으로 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.