[WPAN] 블루투스 v4.0 - 저에너지(Low Energy) 기술 동향

펌] http://www.tta.or.kr/data/weekly_view.jsp?news_id=3345

[WPAN] 블루투스 v4.0 - 저에너지(Low Energy) 기술 동향

블루투스는 근거리에서 기기 간에 저전력으로 무선통신을 하기 위한 표준으로 1999년 12월 블루투스 버전 1.0B가 발표된 이후 AFH(Adaptive Frequency Hopping)를 적용한 버전 1.2가 2003년 11월에 채택되었다. 2004년 10월에는 데이터 전송속도를 최고 3배로 향상시킨 2.0+EDR(Enhanced Data Rate), 2007년 7월에는 연결 방식을 간단하게 하고 보안기능을 강화한 SSP(Secure Simple Paring)가 포함된 2.1+EDR이 발표되었다. EDR 기능이 제품에 탑재됨에 따라 기존의 전송속도를 2~3배 향상시켰지만 여전히 스트리밍 서비스 등과 같이 고속데이터의 전송에는 한계를 가졌다. 이러한 한계를 극복하고 기존(EDR)보다 8배 이상 향상된 버전 3.0+HS(High Speed)가 2009년 4월에 발표되었다. 버전 3.0+HS는 기존 블루투스 전송방식을 그대로 사용할 뿐만 아니라 802.11 및 PAL(Protocol Adaptation Layer) 기술을 적용하여 블루투스 기기 간 데이터 스트리밍, 동영상 전송과 같은 대용량의 데이터 전송 서비스가 가능하게 되었다. 또한, 전력 관리 기능을 내장해 이전 버전에 비해 전력소모도 줄일 수 있게 되었다.

2007년 6월 블루투스 SIG(Special Interest Group)는 Wibree 포럼에서 표준화를 진행하고 있던 초저전력 응용기술인 Wibree 기술을 블루투스 규격으로 흡수하면서 블루투스 Low Energy라는 새로운 응용 분야를 개척하면서2010년 6월에 Low Energy 기술이 탑재된 블루투스 버전 4.0을 발표하였다. 버전 4.0을 사용할 경우 전력 소비를 급격하게 줄일 수 있어 스포츠, 헬스케어, 센서, 기기제어 등에 사용 가능한 싱글모드 제품뿐만 아니라 기존 블루투스와 저에너지 기술이 동시에 존재하는 듀얼모드 제품을 만들 수 있다.

 

블루투스 v4.0 저에너지 기술 특징

블루투스 저에너지 기술은 기존 블루투스 규격과 비교하여 상대적으로 작은 duty cycle을 가지며 저가격 생산이 가능하고, 저속의 데이터 전송률을 통한 전력 소모를 크게 줄일 수 있어 코인 셀 배터리를 이용할 경우 1년 이상 동작이 가능하다. 또한 디바이스 연결 절차를 간소화하였으며, 패킷 사이즈도 기존 블루투스에 비해 작게 설계되었다. <표1>은 기존 블루투스와 저에너지 기술을 비교하였다.

 

<표 1> 기존 블루투스와 저에너지 비교

 

블루투스 v4.0 저에너지 프로토콜 구조

<그림 1>과 같이 블루투스 저에너지는 듀얼모드와 싱글모드 두 가지 형태로 구현될 수 있다. 듀얼모드는 기존 블루투스와 저에너지 기술이 공존하는 형태이며 주로 휴대폰에 사용되고, 싱글모드는 센서 등과 같은 독립형 제품에 사용되며 프로토콜 구조는 듀얼모드와 동일하다. 기존 블루투스 기술과 호환을 위해 RF, HCI(Host Controller Interface), L2CAP(Logical Link Control and Adaptation Protocol) 계층의 경우 기존과 동일하고 저에너지 기술을 위해 일부 기능이 추가되었다. 저에너지 기술에서 LL 계층은 기존 블루투스의 BB(Baseband), LM(Link Manager) 역할을 수행한다.

기존 블루투스에서는 GAP(Generic Access Profile) 계층에서 보안 기능을 수행했는데, 저에너지 기술에서는SM(Security Manager) 계층을 만들어 보안 기능을 강화시켰다. 무선통신 환경에서는 식별과 암호화를 위해 분배 키 방식을 사용하며 키의 보안 능력은 분배하는 디바이스 내의 알고리즘의 성능에 따라 좌우된다. GAP(Generic Access Profile) 계층은 기존 블루투스와 다른 저에너지 블루투스 기술을 위해 새롭게 구현된 계층이며, 저에너지 디바이스들 간의 통신을 위한 역할 선택 및 멀티 프로파일 작동이 어떻게 일어나는지를 제어하는데 사용되고 디바이스 검색, 연결 생성 및 보안 절차 부분에 주로 사용된다. 새로 추가된 계층으로 Attribute 프로토콜이 있는데, 이 프로토콜은 서버와 클라이언트 간에 통신 시 사용되며 클라이언트에서 서버에 있는 Attribute들에 접근하기 위해서 사용되는 Attribute 핸들을 갖고 있다. 프로토콜 동작 명령어로는 'Request', 'Response', 'Command', 'Notification', 'Indication', 'Confirmation' 등이 있다. Attribute Protocol를 이용하여 서비스 검색, 특성 값 파악, 읽기, 쓰기 등의 기능을 수행하는 GATT(Generic Attribute Profile) 계층도 새로 만들어진 계층이다. GATT는 Attribute Protocol을 사용하여 서비스 프레임워크, 서비스 포맷 및 절차를 정의한다. 이 절차는 검색(discovering), 읽기(reading), 쓰기(writing), 알림(notify), 지시(indicating) 특성의 설정을 정의한다.

 

<그림 1> 듀얼모드 및 싱글모드 프로토콜 구조 (출처: Bluetooth SIG)