블루투스 공부 1편 [BLE 통신]

회사에서 Nordic thingy52를 사용한 블루투스 제품을 만들고 있어서 블루투스 프로토콜을 공부한 것을 정리하겠습니다.

 

1.BLE (Bluetooth Low Energy)통신이란

1)2010년에 Bluetooth 표준으로 4.0이 채택되면서 생긴 프로토콜

2)기존보다 적은 전력 사용하면서 좋은 성능 

3)블루투스의 단점인 배터리 소모 문제를 해결

4)최근 출시되는 스마트 밴드, 워치, 글래스 등이 웨어러블 무선 통신 기기들이

대부분 BLE 방식을 사용

 

2.블루투스 디바이스의 종류

-BLE 기술이 등장하면서 디바이스들은 3가지로 분류되었고 2가지가 새로 추가되었습니다.

 

1-1) Bluetooth Smart Ready 디바이스

-블루투스 Classic 지원 및 BLE를 지원함으로 "듀얼 모드 라디오"라고 불립니다.

-싱글모드 디바이스와 클래식 디바이스 둘 다 지원함으로 두 디바이스간의 상호작용을

도와주기도 합니다

-Classic 디바이스 및 Bluetooth Smart 디바이스 들로부터 받은 데이터를 유용한 정보로

변환시키는 허브역할을 합니다.

-ex) 스마트폰, 테블릿, PC, TV, 셋탑박스 등이 있습니다.

 

1-2) Bluetooth Smart 디바이스

-BLE 연결만을 지원하기 때문에 "싱글모드 라디오"라고 불립니다.

-기존의 Bluetooth Classic과는 호환하지 않습니다.

-연결가능 디바이스

  - 제조업제에 의해 호환성이 명시된 특정 Bluetooth 기기

  - 듀얼모드를 가진 Bluetooth Smart Ready 

 

-사용예시

    -심박 모니터, 스마트 손목시계, 창문 및 현관 보안센서, 자동차 키 체인, 혈압팔찌 등

3.블루투스 디바이스 연결과정

1)Advertiser

-Non-Connectable-Advertising-Packet(광고패킷)을 주기적으로 보내는 디바이스

-주로 Bluetooth Smart 디바이스(주로 웨어러블 디바이스)

2)Observer

-Advertiser가 보내는 Non-Connectable-Advertising-Packet을 듣기 위해 주기적으로 

Scanning하는 디바이스(주로 스마트폰, 테블릿, PC)

 

 

 

3)연결 및 데이터 통신 방식

 

3-1)Advertising

-한번에 한개 이상의 디바이스와 통신할 수 있는 유일한 방법

-주로 디바이스가 자신의 존재를 알리거나 적은양(31Bytes 이하)의 User 데이터를 

보낼 때도 사용

-한번에 보내야 하는 데이터 크기가 작으면 굳이 오버헤드가 큰 Connection 과정을 거쳐

보내기 보다 Advertising을 이용하는 것이 효율적입니다.

-추가적인 데이터를 보내기 위해서는 Scan Resquest, Response를 이용해야합니다.

-데이터 패킷을 일방적으로 불특정 다수에게 뿌리는 것이기 때문에 보안에 취약합니다.

3-2)Connection Mode

-양방향으로 데이터를 주고 받거나 Advertising Packet만으로는 전달하기에

많은 양의 데이터를 주고받는 경우 사용

-일대일 방식의 데이터 교환이 일어난다.

-디바이스 간의 *Channel Hopping 규칙을 정해놓고 통신함으로

Advertising보다 보안적으로 안전하다.

블루투스 연결 및 데이터 전달방식 정리

 

*Channel Hopping (주파수 호핑)규칙

1)홉(hop)

-출발지와 목적지 사이에 위치한 경로 내에서 네트워크 장비(라우터 등)를 이동할 때마다 발생하는 것

2)홉 카운트

-데이터가 출발지와 목적지 사이에 통과해야 하는 중간 장치의 개수

-홉의 개수가 많으면 실시간 성능이 저하될 수 있음.

3)호핑 규칙

-이러한 출발지와 목적지간의 이동을 할 때 발생하는 홉의 규칙

4)주파수 호핑이란

-여러 시스템들과 같은 주파수 대역을 사용하기 때문에 시스템간 전파 간섭이 생길 

우려로 인해 주파수를 바꿔가면서 데이터를 나누어서 보내기 위해서 사용

-블루투스는 1초에 79개의 채널을 사용해 1600번의 호핑하면서 동기화 시킨 상태로

블루투스를 사용할 수 있습니다.

-서로 약속된 주파수를 바꾸어가며 정해진 패턴으로 데이터 송출량을 조절해야만

다른 주변기기들과의 간섭을 피할 수 있습니다.

 

*채널(Channel)

1)사전적정의

-수단, 방법, 체계

-주파수대, 보내다, 나르다

 

2)네트워크 상에서의 정의 및 특징

-신호가 흐를 수 있는 별도의 경로

-송신기가 보내는 신호가 수신기에 도달했을 때 그 크기와 모양이 달라지는 것을 표현

-채널은 하나 또는 여러 송신자로부터 정보 신호를 전달하는데 사용됩니다.

-정보를 전달하기위한 특정 용량을 가지고 있습니다.

 

 

 

 

3-2-1)Connection 관점에서 디바이스의 역할

1)Central(Master)

-디바이스와 Connection을 맺기위해 Advertising Signal을 주기적으로 

스캔 ->  적절한 디바이스에 연결 요청

-연결이 되면 Central 디바이스는 *timing 설정 -> 데이터 교환 주도 

 

*timing: 두 디바이스가 매번 같은 Channel에서 데이터를 주고받기 위해 정하는 Hopping 규칙

 

 

2)Peripheral(Slave)

-peripheral 디바이스는 다른 디바이스와 Connection을 맺기위해 Connectable-Advertising-Signal을

주기적으로 보낸다.

-이를 수신한 Central 디바이스가 Connection Request를 보내면 이를 수학해 Connection을 맺는다.

(연결 요청 및 수신은 항상 Central) 

-Connection이 끝나면 Central 디바이스가 지정한 timing에 맞춰 Channel hopping을 하면서

주기적으로 데이터를 교환한다.

 

 

참고문서

https://medium.com/@zoyi_product/bluetooth-low-energy-ble-84b03705ffca

Bluetooth Low Energy(BLE) 파헤치기

https://m.blog.naver.com/wisdom0719/221375539226

[통신] 블루투스의 원리와 주파수 호핑(Frequency Hopping)